Irigația prin aspersiune

Am arătat anterior că irigarea prin scurgere la suprafață, metodă utilizată pe scară largă, este ineficientă și nu este sustenabilă. Ca alternative mai noi și mai moderne există irigarea prin aspersiune și irigarea prin picurare. Irigarea prin aspersiune sau "ploaia artificială" are o eficiență bună a aplicării care depinde de condițiile climatice (de exemplu, vânt, temperatură, umiditate). Apa este distribuită printr-o rețea de conducte, apoi este ejectată de aspersoare sub formă de picături pe suprafața solului. Metoda este potrivită pentru terenuri mici și mari și pentru toate tipurile de culturi. Echipamentul de irigare poate fi mobil, semi-fix sau fix. De asemenea, poate fi utilizat pentru umezire, pentru combaterea înghețurilor târzii de primăvară sau timpurii de toamnă, precum și pentru îmbunătățirea calității fructelor [1-4].

Principiu de operare

Irigarea prin aspersiune are multe variante, de la aspersoare cu acționare mecanică simplă folosite pentru irigarea gazonului și grădinilor, până la echipamente industriale. Un sistem de aspersiune are următoarele componente:

- unitatea de pompare - este de obicei o pompă centrifugă sau cu turbină care furnizează apă sub presiune (din sursa de apă) în sistemul de conducte. Utilizarea unui tip specific de pompă este aleasă în funcție de sursa de apă; când sursa este un puț adânc, se preferă o pompă cu turbină. Pompele centrifuge sunt preferate când distanța între pompă și sursa de apă este mică (mai puțin de 8 m).

- conductele principale, secundare și antenele - conductele principale și subconductele sunt conducte care preiau apa de la pompă și o transmit către antenele îngropate prevăzute cu hidranți la care se conectează instalațiile de aspersiune. Antenele sunt conducte mobile care duc apa la aspersoare. Aceste conducte sunt de obicei făcute din aluminiu sau PVC pentru sistemele portabile., și din PVC, oțel înfășurat pentru conductele principale sau secundare îngropate.

- aspersoarele - capul de aspersor are rolul important de a distribui uniform apa peste câmp, fără scurgeri sau pierderi de apă datorate percolării. Capetele aspersoare pot fi fie fixe, fie rotative, în funcție de necesități, cu diferite distanțe de operare (10 - 70 m). Aspersoarele sunt realizate din metal, plastic sau o combinație a celor două. Tipul, presiunea de lucru, suprafața de irigare, mobilitatea și alți parametri pot fi diferiți la aspersoare diferite [5-7].

- echipament opțional - pentru a opera în condiții optime un sistem de irigare prin aspersiune, se pot utiliza echipamente opționale. Diferite informații colectate pot fi transmise la distanță, sau unele părți ale instalației, cum ar fi cele care reglează debitul de apă, pot fi de asemenea controlate de la distanță.

Echipamentul mobil de aspersoare poate fi construit ca un sistem de aspersoare îngropate în sol cu următoarele configurații:

a) în cazul utilizării conductelor îngropate de înaltă presiune, presiunea necesară pentru stropirea apei este creată de echipamentul de aspersoare cuplat cu hidranții la sistemul de conducte sub presiune

b) în cazul utilizării conductelor îngropate de presiune redusă, presiunea în aspersoare este dată de pompe conectate la conductele principale care împing apa în laterale

c) cu canale, presiunea de lucru în laterale este produsă cu echipamente de pompare care iau apa din canale fie direct în laterale, fie în conducta principală.

Sistemul de aspersoare cu tambur și furtun (Figura 1) este un sistem mobil care asigură necesitățile de apă pentru orice cultură. Are următoarele componente:

• cadru metalic echipat cu două roți pentru a putea fi ușor de deplasat; are două picioare de sprijin și un cric ajustabil.

• cadru care susține tamburul, conducta principală, un sistem hidraulic folosit pentru a opera tamburul, cadru de suspendare pentru camion și un sistem de frânare.

• furtun de polietilenă de înaltă densitate, cu o lungime de 300 până la 750 m, un diametru extern de 75 până la 160 mm și o grosime a pereților de 8 mm; furtunul este rulat pe tambur.

• sistemul de aspersoare format din două aspersoare reactive, ARS-2, plasate pe un camion cu patru roți, care răspândesc apa într-un sector circular.

Când dispozitivul are o poziție fixă, poate iriga o suprafață cu lungimea egală cu cea a furtunului și cu o lățime de 54 m. În fiecare poziție de lucru, înainte de stropire, furtunul este întins de-a lungul unui coridor fără plante pe o distanță de 2,1 m, operație realizată prin deplasarea camionului de susținere metalic folosind un tractor. Când începe stropirea, furtunul este, de asemenea, tras înapoi la tambur datorită motorului hidraulic, care determină mișcarea sistemului de suport al aspersoarelor. Deoarece irigarea are loc pe sectoare circulare, camionul se deplasează pe sol uscat. Când sistemul de stropire ajunge la tambur, circuitul de apă este oprit automat. Viteza medie poate fi reglată în funcție de necesarul de apă, presiunea de lucru și tipurile de aspersoare.

Sistemele de aspersoare auto-propulsate cu pivot central (Figura 2) pot fi utilizate în diferite configurații formate din cercuri sau și/sau sectoare circulare, după cum este prezentat și în Figura 3. Lungimea aripilor poate varia de la 150 până la 700 m, în timp ce suprafața acoperită poate fi de la 5 până la 250 ha. Sistemul are un pivot central, cu mai multe segmente de conducte conectate între ele și susținute de grinzi (rampe) montate pe turnuri cu roți. Apa vine de la conducta principală în pivotul central, care susține și sistemul. Aspersoarele utilizate funcționează la presiune redusă și sunt diferite în funcție de cultura irigată. Pentru a asigura uniformitatea distribuției apei, sistemele au regulatoare de presiune între rampe. Panourile de control sunt bazate pe tehnologia Sistemului de Management Asistat de Calculator (SMAC) pentru monitorizarea la distanță a sistemului. În acest fel este posibil să se ajusteze intensitatea apei stropite în funcție de viteza vântului, introducerea îngrășămintelor sau a substanțelor chimice de combatere a dăunătorilor și inversarea mișcărilor sistemului. Când pornesc motoarele, un sistem de traductoare care estimează unghiul dintre rampe controlează funcționarea acestora; pe baza informațiilor de la traductoare începe mișcarea camioanelor. Viteza rampelor poate fi ajustată pentru ca apa să atingă intensitatea specifică ploii. Există variante operaționale pentru care pivotul central poate fi mutat, așa cum se poate vedea în Figura 4. În ambele cazuri, principiul este același, singura diferență fiind mișcarea automată/manuală a pivotului central [5-9].

Acest sistem de aspersoare poate fi, de asemenea, utilizat pentru fertilizare; în acest caz există un rezervor special în care se plasează îngrășămintele. Rezervorul este conectat la apa de irigație. Răspândirea îngrășămintelor pe parcursul perioadei de vegetație este avantajoasă deoarece scade costurile, irigația și fertilizarea fiind realizate simultan; frunzele și/sau rădăcinile asimilează mai bine elementele nutritive dizolvate în apă, crescând eficiența îngrășămintelor. Fertilizarea realizată odată cu irigarea este avantajoasă în special pentru culturile care se comportă mai bine dacă îngrășămintele sunt aplicate în timpul vegetației, dar datorită vegetației este greu să se efectueze procesul folosind alte mijloace mecanice [10, 11].

Fertilizarea ar trebui să fie realizată la momente specifice, cele mai importante condiții fiind următoarele:

- ar trebui aplicată pentru culturile cu cerințe ridicate de minerale și apă în timpul stadiului de vegetație. Ca exemplu, porumbul în a doua cultură poate fi fertilizat în toate etapele de creștere începând cu semănatul.

- aplicarea în principal a îngrășămintelor care conțin azot, deoarece în timpul stadiului de vegetație plantele răspund de obicei mai bine la dozele de azot decât la fosfor sau potasiu. În culturile de sfeclă de zahăr, îngrășămintele pe bază de potasiu aplicate prin fertilizare realizată odată cu irigarea favorizează creșterea conținutului de zahăr din rădăcini.

- se dorește utilizarea îngrășămintelor foarte solubile, datorită faptului că substanțele nedizolvate pot bloca aspersoarele

- perioada de aplicare a îngrășămintelor ar trebui să fie scurtă, între 30 și 60 de minute, pentru a asigura distribuția controlată și uniformă. Mai mult, fertilizarea ar trebui să aibă loc la sfârșitul perioadei udării, dar înainte de terminare, astfel încât substanțele nutritive să aibă posibilitatea de a fi absorbite și pentru a evita deteriorarea sistemului prin coroziune

- ploaia aspersată ar trebui să aibă o uniformitate bună; astfel, fertilizarea nu ar trebui să fie efectuată în perioadele cu vânt. Echipamentul de fertilizare este prezentat în Figura 5. Constă dintr-un rezervor cu două conducte flexibile, una pentru introducerea apei, iar cealaltă pentru injectarea apei în sistemul de aspersoare. Cantitatea de îngrășământ este calculată în funcție de concentrația substanței active și doza de distribuită pe suprafața solului.

Sistemele de aspersoare pot fi automatizate astfel încât să evalueze necesarul de apă în timp real și să activeze/oprească fluxul de apă. Irigarea cu rată variabilă (IRV) este o tehnologie automată de irigare bazată pe o matrice de senzori care detectează umiditatea solului. Este folosită în agricultura de precizie pentru a optimiza mai ales irigarea prin utilizarea pivotului central. Schimbarea cantității de apă se realizează prin controlul unui sistem de supape. Astfel, se efectuează irigații optimizate, reducând consumul de apă și crescând producția. IRV poate fi aplicată cu succes și pentru fertilizare și alte metode ce constau în aplicarea diferitelor substanțe chimice prin utilizarea unui echipament suplimentar care injectează substanțele chimice în linia principală și un sistem de pompe pentru a trimite soluția la presiunea corectă [12-14].

Sistemele de irigație cu deplasare liniară asigură o uniformitate și eficiență ridicate, fiind potrivite pentru câmpuri de formă rectangulară. Sistemul se deplasează înainte și înapoi pe întregul câmp. Sursa de apă poate fi diversă, de la lacuri, râuri până la canale și conducte. Mai multe tronsoane sunt conectate în linie; sistemul este mutat de două sau patru cărucioare. În comparație cu sistemele cu pivot central, acestea acoperă și colțurile câmpului. Mișcarea tronsoanelor liniei poate fi realizată și folosind cabluri. Apa poate fi furnizată din laterale sau din mijlocul sistemului prin furtunuri din polietilenă de înaltă densitate.

Există mai multe tipuri de sisteme liniare. Sistemul ideal este unul liniar cu două roți, folosit în general în câmpuri de dimensiuni mici. Un sistem cu alimentare dublă utilizează apa dintr-un șanț sau canal de pământ ca sursă de apă. Un astfel de sistem este ideal pentru câmpuri mari, fiind ușor de operat deoarece sistemul se deplasează de-a lungul canalului de apă. Sistemul cu alimentare prin furtun utilizează apa dintr-un sistem presurizat. Datorită prezenței furtunului, este mai potrivit pentru câmpuri mai mici decât cele mai mari.

Eroziunea datorată irigării prin aspersiune

În cazul irigației prin aspersiune, apa lovește solul cu o anumită viteză, ceea ce face posibilă desprinderea agregatelor și fragmentelor de sol, care sunt apoi transportate în fluxul de suprafață și, în unele puncte, sunt depuse. Pentru a evita această situație, este necesar ca sistemele de aspersiune să fie proiectate și operate corespunzător. Sistemele cu pivot central aplică apa cu un debit mare, ceea ce crește potențialul de a provoca scurgerea și eroziunea. Cel mai important component implicat în eroziune este tipul de aspersor. Utilizarea aspersoarelor cu presiune redusă reduce scurgerea, dar numai rata de aplicare este redusă. Mărimea picăturilor de apă este, de asemenea, importantă. Pentru sistemele cu deplasare laterală, în urmele lăsate de roți apa se scurge dacă acestea rulează în paralel cu panta câmpului. Pentru a limita sau evita eroziunea, pot fi luate mai multe măsuri, cum ar fi atenția în alegerea tipului de aspersor, presiunea, diametrul (care determină mărimea picăturilor de apă), toate acestea ducând la reducerea debitului și limitarea eroziunea fără însă a reduce eficiența irigației. În ansamblu, acest lucru poate fi o sarcină dificilă.

Avantajele și dezavantajele irigării prin aspersiune

Implementarea unui sistem de irigație prin aspersiune nu necesită terasarea sau nivelarea terenului, fiind independentă de topografia câmpului [15-19]. Necesarul de apă al plantelor poate fi acoperit ușor pentru orice tip de cultură și sol, fiind, de asemenea, posibilă efectuarea unor tratamente simultane cu îngrășăminte sau pesticide [20-21]. Utilizarea unui sistem presurizat necesită o cantitate mare de energie, mai mare decât în cazul altor tehnologii de irigație, precum și o investiție considerabilă în echipamente. Plantele sunt predispuse la boli deoarece apa umezește suprafața frunzelor. Eficiența consumului de apă scade în zonele cu vânt din cauza evaporației crescute a repartizării neuniforme a apei la suprafața solului.

Bibliografie

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.