Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Príprava pôdy a pestovanie plodín

Zavádzanie automatizácie do procesu zavlažovania

23-06-2016
Z dostupných zdrojov spracoval: Doc. Ing. Ján Jobbágy, PhD. | Jan.Jobbagy@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Závlaha je melioračné opatrenie za účelom zavlaženia pôdy, porastu, prízemnej vrstvy vzduchu s cieľom zabezpečiť optimálne podmienky pre rast a maximálnu úrodu. Základnou funkciou závlahy je dodávanie vody do pôdneho profilu pri pestovaní plodín tak, aby sa dopĺňal rozdiel medzi celkovou vlahovou potrebou plodín vo vegetačnom období a disponibilným obsahom pôdnej vody.

Automatizácia a informatika sú nevyhnutnými položkami modernizácie nielen v oblasti poľnohospodárstva, ale aj v oblasti strojárenstva, stavebníctva a lesníctva. Z hľadiska rozsahu zavádzania automatizácie môžeme hovoriť o čiastočnej alebo komplexnej možnosti jej aplikácie. Celý systém automatizácie má niekoľko základných prvkov štruktúry bez ktorých by nebolo možná ani jej čiastočná aplikácia. Ide o nasledovné položky:

  • informácia o stave prvkov vplývajúcich na potrebu zavlažovania, stav porastu, vlhkosť pôdy,
  • analyticko-výpočtové centrum,
  • automatizovaný systém riadenia (ASR),
  • stroje a zariadenia závlahového systému (SZS).

Čím ďalej tým sa viac rozširujú automatické zavlažovacie systémy aj v oblastiach veľkých plôch, t.j. pri pestovaní plodín na poľnohospodárskych pôdach. Doposiaľ boli viac menej rozšírené pre menšie plochy a to skôr okrasné záhradky, trávniky a pod. Podstatou systému je zabezpečiť závlahovú dávku pravidelne a rovnomerne. Na kvalitu pestovanej plodiny má vplyv niekoľko činiteľov ako sú veľkosť a počet závlahových dávok, druh a typ pôdy, zásoba živín, prístup slnečného žiarenia a pod. Čím ďalej tým viac sa do popredia celosvetového záujmu dostáva samotná voda ako hlavný zdroj závlah, kde sa preukazuje ako ekonomicky výhodné jej spotrebovať práve toľko, koľko rastliny, plodiny v danom čase potrebujú. Nadbytočné množstvo vody nie je správne využité a na druhej strane môže spôsobiť poškodzovanie plodín, eróziu a odplavovanie živín do spodných vôd alebo mimo záujmové územie. Preto možno konštatovať, že automatický zavlažovací systém zabezpečuje potrebnú závlahovú dávku vody v daný čas. Samotné zavlažovanie sa odporúča uskutočňovať vo večerných hodinách, kedy je teplota pôdy a vody takmer rovnaká. Úspora vody môže dosahovať až 40 %. Nie vždy sa však dá prispôsobiť tomuto pravidlu.

Automatická regulácia závlahového systému teda pozostáva zo základných vstupných informácii ako sú vlastnosti pôdy, plodiny a prostredia (ovzdušie atď.). Jednoznačne je treba zadefinovať základné vlastnosti pôdy (druh, typ, svahovitosť, atď. , BPEJ), ktoré následne súvisia so základnými hydrolimitami medzi ktoré zaraďujeme poľnú vodnú kapacitu, bod vädnutia, využiteľnú vodnú kapacitu a bod zníženej dostupnosti. Prvé dva hydrolimity sú stále pre daný druh pôdy a nemenia sa. Posledný základný hydrolimit závisí od dekády pestovania danej plodiny. Druhou základnou vstupnou vlastnosťou ako ukazuje obr.1 je plodina. Každá plodina má preddefinované vegetačné obdobie a minimálne potrebné vlahové potreby v jednotlivých dekádach obdobia jej pestovania. Treťou základnou vstupnou vlastnosťou sú poveternostné podmienky (teploty, vlhkosti vzduchu a pod.). Všetky tieto hodnoty a informácie sa zadávajú do pilotného programu automatizovaného systému riadenia ASR.

Automatizovaný závlahový systém (AZS) pozostáva teda zo spomínaného automatizovaného systému riadenia a na druhej strane z podrobného závlahového zariadenia. Tieto zariadenia môžu byť tvorené závlahovou technikou, ktorá využíva pri svojej činnosti niektorý zo spôsobov závlah. Závlahu postrekom využívajú napr. stacionárne postrekovače, pásové zavlažovače a širokozáberová závlahová technika. Úsporné technológie závlah sa uplatňujú u mikropostrekovačov a kvapkovej závlahy. Výstup zo SZS potom následne vstupuje do procesu riadenia vegetácie a zavlažovania. Treba však pripomenúť, že do ASR musia vstúpiť aj iné aspekty (Agrotechnika, Vodné hospodárstvo, Energetika, Meteorológia, Ekonomika, Fyziológia, ...). Výsledkov je následné správne a kontrolované hierarchické riadenie závlahového systému.

Obr.1 Princíp automatickej regulácie závlahového systému

Obr.1: Princíp automatickej regulácie závlahového systému, AZS - automatizovaný závlahový systém, ASR - automatizovaný systém riadenia, SZS - stroje a zariadenia závlahového systému

Pri aplikácii zavlažovania stacionárnymi postrekovačmi (v kombinácii rozvodnými potrubiami uloženými na pozemku) je treba vytvoriť ovládanie každého postrekovača nezávisle. Prvotné práce sú namáhavé, a pri aplikácii na poliach je treba pri rôznych pracovných operáciách vytvoriť vhodné podmienky (pozbierať potrubia, postrekovače, resp. ich presunúť). Tieto práce vyžadujú nie málo fyzickej práce človeka.   Ovládanie môže prebiehať automatikou s prepojeným snímačom zrážok, teploty, vlhkosti vzduchu a s databázou vstupných hodnôt (o pôde, plodine a lokalite), ktoré sa vložili do pamäte mikropočítača pred začiatkom zavlažovania.

Pri aplikácii pásovými zavlažovačmi je situácia zložitejšia, pretože v danom prípade ide o pohyb koncového distribútora vody (statív + ďalekoprúdový postrekovač, konzola).  Pásové zavlažovače sú stroje konštruované tak, že na kolesovom podvozku ukotvenom podporami je cievka s navinutou polyetylénovou hadicou o priemere 25 až 140 mm a dĺžkou 200 až 600 m (aj viac). Rozvinutá hadica sa počas prevádzky pomaly navíja na cievku, cez ktorú vteká do nej voda z hydrantu. Na druhom konci hadice je podstavec s postrekovačom, ktorý za pohybu k cievke zavlažuje pás o šírke 20 až 80 m. Pásové zavlažovače vybavené modernou elektronickou jednotkou dokážu v rámci vytiahnutia hadice rozdeliť závlahovú dávku na štyri rôzne hodnoty. Pásové zavlažovače (podľa počtu v podniku) treba rozumne rozložiť, aby na druhej strane nevznikali príliš vysoké hodnoty prekrytia.

Širokozáberové závlahové zariadenia sa ukazujú ako vhodnejšie z pomedzi doposiaľ vymenovaných možností. Ide o stroje, ktoré môžu vykonávať pohyb do kruhu alebo lineárny. Každý z nich vzhľadom na terén a ostatné podmienky (náročnosť na potrebu ľudskej sily, možnosti pripojenia elektronických systémov, pohonu, prívodu vody, el. energie – ak  je potrebná) má svoje výhody a nevýhody. Jednou z možností je kombinácia týchto dvoch systémov, alebo vytvoriť tzv. premiestniteľný pivot. U týchto zariadení vybavených modernizáciou je možné zavlažovanie spustiť manuálne alebo automaticky, kde si to vyžaduje komponenty na monitorovanie menných a nemenných premenných. Medzi prvé zaraďujeme momentálne poveternostné podmienky a zadefinovanie konkrétnej plodiny (v závislosti od roka sa môže meniť). Nemenné premenné sú niektoré vlastnosti pôdy ako druh, ktorý súvisí s hydrolimitami, ďalej je to svahovitosť pozemku a pod.. Automatizačný závlahový systém musí mať tieto vstupné parametre zadefinované a popri tom sa monitorujú zrážky, teploty, vlhkosti ovzdušia a rýchlosť a smer vetra.

Obr. 2 Rozmiestnenie širokozáberových zavlažovačov ovládaných centrálne z jedného miesta

Obr. 2: Rozmiestnenie širokozáberových zavlažovačov ovládaných centrálne z jedného miesta

Obr. 3 Ovládanie závlahových zariadení z PC, alebo panelom

Obr. 3: Ovládanie závlahových zariadení z PC, alebo panelom

Mikoropostrekovače. Patria medzi úsporné technológie závlah a s veľkou obľubou sa zaraďujú pre zavlažovanie trávnikov, okrasných rastlín a pod.. Závlahová sústava u týchto zariadení pozostáva zo zdroja vody (v prevažnej väčšine vŕtaná studňa), filtrov, mikropočítača (riadiacej jednotky, obr.4) a čerpadla. Závlahový detail je v tomto prípade tvorený samotnými mikropostrekovačmi (obr.4).

Obr. 4 Riadiaca jednotka pre zavlažovanie, mikropostrekovače

Obr. 4: Riadiaca jednotka pre zavlažovanie, mikropostrekovače

Na obr. 5 je ilustrovaný príklad využitia automatického závlahového systému s mikropostrekovačmi na zavlažovanie trávnika a okrasných rastlín. Ide v danom prípade o dva trávniky o celkovej rozlohe 127 m2 (trávnik 1 s rozlohou 75 m2 a trávnik 2 s rozlohou 52 m2), zobrazené na obr. 5. Daná lokalita sa nachádza v zastavanej časti obce Mojmírovce. Trávnik 1 bol zavlažovaný len sekciou 3. Trávnik 2 bol zavlažovaný sekciou 2 a sekciou 3. Sekcia 1 pozostáva z dvoch mikropostrekovačov, sekcia 2 z troch a sekcia 3 z piatich mikropostrekovačov. Závlahová sústava pozostáva zo zdroja vody (studňa), filtrov, rozvodov a mikropostrekovačov. Riadiaca jednotka je v danom prípade jednoduchšia Zložitejšia však dokáže zabezpečiť vďaka záložnému zdroju aj zálohu údajov a nastavení v prípade výpadku energie a nastaviť štartovacie časy, časový úsek zavlažovania na jednotlivých sekciách a pod., obr. 4). Systém môže byť vybavený aj zrážkomerom, ktorý sa umiestňuje v teréne. Údaje z neho potom vstupujú do riadiacej jednotky (snímač je možné nastaviť na konkrétnu hodnotu zrážok pri ktorej sa pozastaví systém zavlažovania). Dôležitým prvkom celého systému je aj filter (napr. sieťových, diskových), zdroj vody môže byť studňa, vrt, verejný vodovod atď..

Automatický zavlažovací systém pozostáva v danom prípade z nasledovných prvkov:

  • Riadiaca jednotka
  • Poistný ventil, filter
  • Rozprašovacie mikropostrekovače
  • Hadice na rozvod vody

Ak je zdrojom vody studňa alebo vrt, tieto prvky sú obohatené o čerpadlo, ovládaciu jednotku čerpadla, snímanie výšky hladiny a pod.. V danom prípade sa bude uvažovať ponorné čerpadlo s parametrami – výkon elektromotora P = 2550 W a výkonnosť čerpadla Qmax = 69 l.min-1. Závlahový systém v nasledovnom vyžaduje filtráciu (použije sa napr. diskový filter). V prípade použitia vody z vodovodu postačuje sieťový filter. Ak sa však uvažuje voda z vrtu, alebo studne je treba použiť minimálne jednu diskovú filtráciu. S počtom filtrov to však netreba preháňať, pretože na nich vznikajú tlakové straty.

Obr. 5: Zavlažovanie mikropostrekovačmi

Obr. 5: Zavlažovanie mikropostrekovačmi
S1 – sekcia 1, S2 – sekcia 2, S3 – sekcia 3, R – rezerva, S– studňa, V –   vstup vody, RO – rozvádzač, x – mikropostrekovače

Do sekcií je treba častokrát závlahu rozdeliť, pretože výkonnosť čerpadla je limitovaná a každá sekcia má vopred prepočítanú a stanovenú spotrebu vody. V praxi je teda treba celý systém predimenzovať. V danom prípade na obr.5 však závlaha mohla prebiehať všetkými sekcia súčasne.

Tabuľka 1: Technické parametre použitého mikropostrekovača

Tlak
Uhol výstreku
 
Polomer dosahu dýzy
Rozstup postrekovačov
90°
180°
270°
350°
kPa
l.min-1
l.min-1
l.min-1
l.min-1
m
m
150
2,8
5,3
7,7
9,2
4,0
5,7
200
3,3
5,8
9,0
10,8
4,5
6,4
300
4,0
6,9
10,8
13,0
5,0
7,1

Technické parametre mikropostrekovačov sú uvedené v tabuľke 1. Tento regulovateľný výsuvný mikropostrekovač je možné nastaviť na rozptyl od 0 do 350°. Výška výsunu mikropostrekovača je 101,6 mm.

Záverom možno povedať, že pre zavlažovanie sa aplikujú dva podstatne rozdielne mikropostrekovače - rotačný a  rozprašovací. Ide o rozdielny spôsob postrekovania keďže rotačný postrekovač dávkuje vodu pohybom výsuvnej časti v nastavenom sektore. U rozprašovacieho postrekovača je podstata tá, že celý sektor (uhol zavlažovania) je zavlažovaný kontinuálne. Za žiadnych okolností by sa nemali použiť obidva typy postrekovačov v jednej sekcii. Zásadným rozdielom u obidvoch variant sú aj pracovné tlaky. Tlak je možné nastaviť v každej sekcii na elektromagnetickom ventile, ktorý však v našej praktickej ukážke nebol aplikovaný.

V súčasnej dobe technického pokroku sa samozrejme inovujú aj zavlažovacie systémy, spôsob zavlažovania, tvar a druh postrekovačov a pod. Preto je treba myslieť inovatívne a dať prednosť automatickému zavlažovaciemu systému.

Zdroje:

http://valleyproirrigation.com/wp-content/uploads/2011/04/Remote-Pivot-Valley-Iphone-Andriod-Irrigation-Reinke-Zimmatic.jpg
http://lawhornirrigation.com/prods.htm
http://www.amazon.com/Hunter-PCC1200I-12-Station-Irrigation-Controller/dp/B00FYR8DEY