Zavlažovací postřikovač (sprinkler)

Plošné zavlažování, jakožto široce používaná metoda, je velmi neefektivní a neudržitelná. Novějšími moderními alternativami jsou postřikovací závlahy a kapkové závlahy. Zavlažování postřikovačem neboli „umělý déšť“ má dobrou aplikační účinnost, která závisí na klimatických podmínkách (např. vítr, teplota, vlhkost). Voda je nejprve rozváděna tlakem v systému potrubí, poté se šíří po povrchu půdy. Metoda je vhodná pro malé a velké plochy a pro všechny druhy plodin. Zavlažovací zařízení může být mobilní, polopevné nebo pevné. Systém může být také použit k ochraně sadů před jarními mrazíky [1-4].

Princip fungování

Zavlažování postřikovačem má mnoho variant, od jednoduchých postřikovačů s ozubeným převodem používaných k zavlažování trávníků a zahrad až po průmyslová zařízení. Zavlažovací systém má následující součásti:

- čerpací jednotka – obvykle se jedná o odstředivé nebo turbínové čerpadlo, které dodává tlakovou vodu (z vodního zdroje) do potrubního systému. Použití konkrétního typu čerpadla se volí v závislosti na zdroji vody; když je zdrojem hluboký vrt, dává se přednost turbínovému čerpadlu. Odstředivá čerpadla jsou preferována, když je vzdálenost mezi čerpadlem a vodním zdrojem malá (méně než 8 m)

- hlavní, vedlejší a postranní potrubí – hlavní a vedlejší potrubí jsou potrubí, která odvádějí vodu z čerpadla do postranních potrubí a někdy jsou uložena v zemi. Postranní jsou mobilní potrubí, které odvádí vodu do rozstřikovačů.

- zadešťovače – zadešťovací hlavice má důležitou roli při rovnoměrném rozvádění vody po poli, bez odtékání nebo ztrát vody. Hlavice rozstřikovačů mohou být pevné nebo otočné v závislosti na potřebách s různými provozními dosahy (10 – 70 m). Používány jsou různé typy, pracovní tlak, plošný výkon, pohyblivost apod. [5-7].

- volitelné vybavení – pro provoz zavlažovacího systému za optimálních podmínek lze použít volitelné vybavení, např. Různé sensory.

Mobilní zavlažovací zařízení lze vybudovat s následujícími konfiguracemi:

a) použítí vysokotlakých podzemních potrubí, u kterých je tlak nutný k zavlažování vytvářen ve spojení s hydranty na systému tlakového potrubí,

b) použítí nízkotlakých podzemních potrubí, kdy je tlak vytvářen čerpadly připojenými k hlavnímu potrubí, která tlačí vodu v bočních potrubích,

c) s kanály, přičemž pracovní tlak v bočních stěnách je vytvářen čerpacím zařízením, které odebírá vodu z kanálů buď přímo do bočních stěn nebo do hlavního potrubí.

Postřikovací systém s bubnem a hadicí (obrázek 1) je mobilní systém, který zajišťuje potřebu vody pro jakoukoli plodinu. Má následující součásti:

- kovový rám je vybaven dvěma koly, takže s ním lze snadno pohybovat; má dvě opěrné nohy a nastavitelný zvedák,

- rám nese buben, hlavní vedení, hydraulický systém používaný k ovládání bubnu, závěsný rám pro transport a brzdový systém,

- hadice z polyetylénu o délce 300 až 750 m, vnějším průměru 75 až 160 mm a tloušťce stěny 8 mm; hadice je navinutá na bubnu,

- rozstřikovací systém sestávající ze dvou reaktivních trisek, umístěných na konstrukci s koly, které rozstřikují vodu v kruhovém sektoru

Když má zařízení pevnou polohu, může zavlažovat plochu o délce rovné délce hadice a šířce 54 m. V každé pracovní poloze je před kropením hadice roztažena po chodbě bez rostlin na vzdálenost 2,1 m, operace se provádí pohybem kovového nosného vozíku pomocí traktoru [5]. Při zahájení kropení je také hadice přitažena zpět k bubnu díky hydraulickému motoru, který určuje pohyb nosného systému kropení. Vzhledem k tomu, že zavlažování probíhá na kruhových výsečích, vozík se odvaluje po suché půdě. Když kropicí systém dosáhne bubnu, vodní okruh se automaticky zastaví. Průměrná rychlost může být nastavena v závislosti na potřebné vodě, pracovním tlaku a typech postřikovačů.

Samojízdné zavlažovací systémy se středovým čepem (Obrázek 2) lze použít v různých konfiguracích z kruhů nebo/a kruhových sektorů, jak je znázorněno na obrázku 3. Délka křídla se může pohybovat od 150 do 700 m, přičemž zavlažovaná plocha může být 5 až 250 ha. Systém má středový čep s několika spojenými trubkovými segmenty a podepřenými vazníky a namontovanými na kolových věžích. Voda se přivádí hlavním potrubím do centrálního čepu. Použité postřikovače pracují při nízkém tlaku a liší se v závislosti na zavlažované plodině. Pro zajištění rovnoměrnosti rozvodu vody mají systémy mezi rozpětími regulátory tlaku. Systémy jsou vybaveny automatickým monitorovacím systémem a je tak možné regulovat intenzitu závlahy v závislosti na rychlosti větru, aplikaci hnojiv nebo pesticidů. Jsou k dispozici i systémy, u kterých lze středový čep posouvat, jak je vidět na obrázku 4. Princip je v obou případech stejný [5-9].

Zavlažovací systém lze také použít také pro aplikaci hnojiv; v tomto případě existuje speciální nádrž, ve které je hnojivo umístěno. Nádrž je napojena na závlahovou vodu. Aplikace hnojiva během vegetace je výhodná, protože snižuje náklady, zavlažování a hnojení se provádí současně; listy a/nebo kořeny lépe asimilují živné prvky rozptýlené ve vodě, čímž se zvyšuje účinnost hnojiv.

Hnojení je výhodné zejména u plodin, které na aplikaci hnojiv během vegetace dobře reagují [10, 11]. Hnojení by mělo být prováděno v optimálních časech, přičemž nejdůležitější podmínky jsou následující:

- mělo by být využíváno u plodin s vysokými nároky na výživu a vodu během vegetace. Například kukuřici lze hnojit ve všech fázích růstu počínaje setím.

- aplikace převážně dusíkatých hnojiv, protože ve vegetační fázi rostliny lépe využívají aplikovaný dusík než fosforu nebo draslíku. V porostech cukrové řepy hnojiva na bázi draslíku aplikovaná prostřednictvím hnojení podporují zvýšení obsahu cukru v kořenech.

- je žádoucí používat vysoce rozpustná hnojiva, protože nerozpuštěná hmota může ucpat trysky.

- interval aplikace hnojiv by měl být krátký, 30 až 60 minut. Hnojení by mělo proběhnout ke konci zavlažovacího období, ale před jeho ukončením, protože živiny mají možnost vstřebat se a zabránit poškození zavlažovacího systému korozí,

- závlahová voda by měla mít dobrou rovnoměrnost; proto by hnojení nemělo být prováděno během větrných období.

Zařízení využívané pro hnojení je znázorněno na obrázku 5. Jedná se o nádrž se dvěma ohebnými trubkami, jednou pro zavádění vody a druhou pro vstřikování vody do závlahového systému. Množství hnojiva se vypočítá jako funkce koncentrace účinné látky a dávky, která má být distribuována po povrchu půdy.

Závlahové systémy lze automatizovat tak, aby vyhodnotily potřebu vody v reálném čase a aktivovaly/zastavily průtok vody. Zavlažování s proměnnou rychlostí (VRI) je automatická technologie zavlažování založená na sadě senzorů, které detekují vlhkost půdy. Používá se v přesném zemědělství k optimalizaci zavlažování především pomocí středových čepů. Změna množství vody se provádí ovládáním systému ventilů. Provádí se tak optimalizované zavlažování, které snižuje spotřebu vody a zvyšuje produkci. VRI lze úspěšně použít pro hnojení s použitím doplňkového zařízení, které vstřikuje agrochemikálie do hlavního potrubí, a čerpacího systému, který posílá roztok pod správným tlakem [12-14].

Zavlažovací systémy s lineárním pohybem zajišťují vysokou rovnoměrnost a účinnost a jsou vhodné pro pozemky obdélníkového tvaru. Systém se pohybuje tam a zpět po poli. Zdroj vody může být rozmanitý od jezer, řek až po zavlažovací kanály. Několik pozemků může být spojeno v řadě; systém se pohybuje pomocí dvou nebo čtyř vozíků. Oproti středovým čepovým systémům pokrývají i rohy pozemku. Posun rozpětí vedení lze provádět i pomocí kabelů. Voda může být dodávána ze stran nebo ze středu systému pomocí hadic z polyetylenu.

Existuje několik typů lineárních systémů. Ideální systém je dvoukolový lineární, obvykle používaný na pozemcích menších rozměrů. Systém používá jako zdroj vody vodu ze zemního příkopu nebo kanálu.

Eroze v důsledku postřikové závlahy

V případě postřikové závlahy naráží voda určitou rychlostí na půdu a umožňuje tak odlučování půdních agregátů a úlomků, které jsou pak transportovány pozemním tokem a na některých místech se usazují. Aby se předešlo této situaci, je nutné správně navrhnout a provozovat rozstřikovací systémy. Systémy se středovým čepem aplikují vodu s vysokým tlakem, což zvyšuje potenciál způsobit odtok vody a erozi. Nejdůležitější složkou podílející se na erozi je typ rozstřikovače. Použití nízkotlakých zařízení snižuje odtok, ale snižuje se pouze aplikační množství. Důležitá je také velikost kapek vody. U příčných pohyblivých systémů je odtok běžný v kolejích kol, pokud jsou paralelně se sklonem pole. K omezení nebo zamezení eroze by bylo možné přijmout mnoho opatření, jako je výběr typu zavlažovače, tlaku pod, kterým pracuje, průměru (který určuje velikost kapek vody), snížení průtoku a omezení eroze bez snížení účinnosti zavlažování.

Výhody a nevýhody postřikové závlahy

Zavedení zavlažovacího systému s postřikovačem nevyžaduje terasování nebo vyrovnávání pole, protože je nezávislé na topografii pole [15-19]. Potřeba vody rostlin může být snadno pokryta pro jakýkoli typ plodiny a půdy, přičemž je také možné současně provádět ošetření hnojivy nebo pesticidy [20-21]. Použití tlakového systému vyžaduje velkou spotřebu energie, větší než jiné zavlažovací technologie, a také značné investice do zařízení. Rostliny jsou náchylné k chorobám, protože voda smáčí povrch listů. Účinnost spotřeby vody klesá ve větrných oblastech v důsledku zvýšeného výparu vody z povrchu půdy. Stejně jako u kapkové závlahy může dojít k ucpání systému.

Zdroje

1. Daccache, A., Knox, J.W., Weatherhead, E.K., Daneshkhaha, A., & Tess, T.H., Implementing precision irrigation in a humid climate-recent experiences and on-going challenges, Agricultural Water Management, 2015, 147, 135-143.

2. Deines, J. M., Kendall, A. D., Crowley, M. A., Rapp, J., Cardille, J. A., & Hyndman, D. W., Mapping three decades of annual irrigation across the U.S. High Plains Aquifer using Landsat and Google Earth Engine. Remote Sens. Environ., 2019, 233, 111400 https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.111400.

3. Current perspective to predict actual evapotranspiration D. Bucur Ed., IntechOpen, Croatia, 2017, https://doi.org/10.5772/65621.

4. Advanced Evapotranspiration Methods and Applications, D. Bucur Ed., IntechOpen, London, UK, 2019, https://doi.org/10.5772/intechopen.73720.

5. Li, Y.; Hui, X.; Yan, H.; Chen, D. Effects of Travel Speed and Collector on Evaluation of the Water Application Uniformity of a Center Pivot Irrigation System. Water 2020, 12, 1916. https://doi.org/10.3390/w12071916.

6. Silva, L.L. The effect of spray head sprinklers with different deflector plates on irrigation uniformity, runoff and sediment yield in a Mediterranean soil. Agr. Water Manage. 2006, 85, 243–252,

7. Rovelo, C.O.R.; Ruiz, N.Z.; Tolosa, J.B.; Felix, J.R.F.; Latorre, B. Characterization and simulation of a low-pressure rotator spray plate sprinkler used in center pivot irrigation systems. Water 2019, 11, 1684

8. Abd El-Wahed, M.H.; Medici, M.; Lorenzini, G. Harvesting water in a center pivot irrigation system: Evaluation of distribution uniformity with varying operating parameters. J. Eng. Thermophys.-Rus. 2015, 24, 143–151

9. Wang, Z.; Jiang, Y.; Liu, J.; Li, H.; Li, H. Experimental Study on Water Distribution and Droplet Kinetic Energy Intensity from Non-Circular Nozzles with Different Aspect Ratios. Agriculture 2022, 12, 2133. https://doi.org/10.3390/agriculture12122133.

10. Peña, D.; Martín, C.; Fernández-Rodríguez, D.; Terrón-Sánchez, J.; Vicente, L.A.; Albarrán, Á.; Rato-Nunes, J.M.; López-Piñeiro, A. Medium-Term Effects of Sprinkler Irrigation Combined with a Single Compost Application on Water and Rice Productivity and Food Safety. Plants 2023, 12, 456. https://doi.org/10.3390/plants12030456.

11. Liu, J.; Wang, X.; Liu, Q.; Hussain, Z.; Zhao, Y. Optimization of Key Hydraulic Structure Parameters of a New Type of Water–Pesticide Integrated Sprinkler Based on Response Surface Experiment. Water 2023, 15, 1486. https://doi.org/10.3390/w15081486.

12. Kumar, R.; Naresh, R.K.; Bhatt, R.; Chandra, M.S.; Kumar, D.; Alamri, S.; Siddiqui, M.H.; Alfagham, A.T.; Kalaji, H.M. Tillage Crop Establishment and Irrigation Methods Improve the Productivity of Wheat (Triticum aestivum): Water Use Studies, and the Biological Properties and Fertility Status of Soil. Agronomy 2023, 13, 1839, https://doi.org/10.3390/agronomy13071839.

13. Cooley, D., Maxwell, R.M., Smith, S.M. Center pivot irrigation systems and where to find them: a deep learning approach to provide inputs to hydrologic and economic models, Frontiers in Water, 2021, 3, https://doi.org/10.3389/frwa.2021.786016.

14. Liakos, V., Vellidis, G., Tucker, M., Lowrance, C., A decision support tool for managing precision irrigation with center pivots, In: Precision agriculture’15, pp. 677-684, Wageningen Academic Publishers, 2015, http://dx.doi.org/10.3920/978-90-8686-814-8_84.

15. Dusadeerungsikul, P.O., Liakos, V., Morari, F., Nof, S.Y., Bechar, A. Smart action, in Agricultural internet of things and decision support for precision smart farming, 2020, pp. 225-277, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818373-1.00005-6.

16. Fastellini, G., Schillaci, C. Precision farming and IoT case studies across the world, in Agricultural internet of things and decision support for precision smart farming, 2020, pp. 331-415, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818373-1.00007-X.

17. Haacker, E. M., Kendall, A. D., & Hyndman, D. W., Water level declines in the High Plains Aquifer: Predevelopment to resource senescence, Groundwater, 2016, 54(2), 231-242. https://doi.org/10.1111/gwat.12350

18. King, B.A., Stark, J.C., & Wall, R.W., Comparison of site specific and conventional uniform irrigation management for potatoes. Applied Engineering in Agriculture, 2006, 22(5), 677-688.

19. Longchamps, L., Khosla, R., Reich, R., & Gui, D.W., Spatial and temporal variability of soil water content in leveled fields. Soil Science Society of America Journal, 2015, 79, 1446-1454.

20. Smidt, S. J., Haacker, E. M., Kendall, A. D., Deines, J. M., Pei, L., Cotterman, K. A., Hyndman, D. W., Complex water management in modern agriculture: Trends in the water-energy food nexus over the High Plains Aquifer. Sci. Total Environ., 2016, 566-567, 988-1001. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.05.127

21. Svedin, J.D., Hansen, N.C., Kerry, R., Hopkins, B.G. Modelling spatio-temporal variations in crop water stress for variable-rate irrigation. In J.V. Stafford (ed.) Precision Agriculture ‘19, 2019, Proceedings of the 12th European Conference on Precision Agriculture. Wageningen, the Netherlands: Wageningen Academic Publishers. pp. 687-693.