Namakanje z razpršilniki

Uvod

V preteklih besedilih smo pokazali, da je površinsko namakanje, ki se pogosto uporablja, zelo neučinkovito in ni trajnostno. Novejši sodobni alternativi sta namakanje z razpršilniki in kapljično namakanje. Namakanje z razpršilniki ali "umetnim dežjem" je učinkovita metoda namakanja, ki pa je odvisna od podnebnih razmer (npr. vetra, temperature, vlažnosti). Voda pod pritiskom se najprej porazdeli po sistemu cevi, nato pa se razširi po površini tal. Metoda je primerna za velika in majhna območja ter za vse vrste pridelkov. Oprema za zalivanje je lahko premična, polpremična ali nepremična. Uporablja se lahko tudi za vlaženje, kot sredstvo proti zmrzovanju in v toplotne namene ter za izboljšanje kakovosti sadja [1–4].

Delovanje

Namakanje z razpršilniki ima veliko različic, od preprostih razpršilnikov z zobniškim pogonom, primernih za namakanje trate in vrtov, do industrijske opreme. Razpršilni sistem ima naslednje sestavne dele:

- Črpalka – Običajno je to centrifugalna ali turbinska črpalka, ki vodo pod pritiskom prenaša iz vodnega vira v cevni sistem. Uporaba določene vrste črpalke je odvisna od vira vode. Če je vir globok vodnjak, je najprimernejša turbinska črpalka. Centrifugalne črpalke so primernejše, kadar je razdalja med črpalko in vodnim virom majhna (manj kot 8 m).

- Glavni, pomožni in stranski vodi – Glavni in pomožni vodi so cevni sistemi, ki prenašajo vodo od črpalke do stranskih vodov. Včasih so ti vodi vkopani. Stranski vodi so premični cevni sistemi, ki prenašajo vodo do razpršilnikov. Te cevi so običajno iz aluminija ali PVC (za prenosne sisteme), ali iz cementa, PVC ali jekla (za vkopane stranske ali glavne vode).

- Razpršilniki – Razpršilna glava enakomerno porazdeli vodo po polju brez izgube vode zaradi odtekanja ali pronicanja. Razpršilne glave so lahko nepremične ali vrtljive, odvisno od potreb sistema, z različnimi razdaljami delovanja (od 10 do 70 m). Razpršilniki so lahko iz kovine, plastike ali kombinacije obeh. Razlikujejo se po vrsti, delovnem tlaku, območju razpršenja, mobilnosti in drugih parametrih [5–7].

- Dodatna oprema – Za optimalno delovanje namakalnega sistema lahko uporabite dodatno opremo. Različne zbrane informacije se lahko prenesejo na daljavo, nekatere dele sistema, kot je pretok vode, pa je mogoče tudi nadzorovati na daljavo.

Mobilna razpršilna oprema se lahko vgradi kot vkopan sistem razpršilnikov s sledečimi konfiguracijami:

a) Kjer se uporabljajo visokotlačni vkopani vodi, pri katerih oprema za razpršenje ustvarja tlak, potreben za razpršitev vode, ta oprema pa je povezana s hidranti v cevnem sistemu.

b) Kjer se uporabljajo nizkotlačni vkopani vodi, pri čimer tlak v razpršilnikih zagotavljajo črpalke, ki so priključene na glavne vode in prenašajo vodo po stranskih vodih.

c) Kjer se uporabljajo kanali, pri katerih se delovni tlak ustvarja s črpalnimi napravami, ki odvajajo vodo iz kanalov neposredno v stranske ali glavne vode.

Razpršilni sistem z bobničem in cevjo (Slika 1) je premični sistem, ki zadosti vodne potrebe za vse pridelke. Sestavljajo ga naslednji sestavni deli:

- Kovinski okvir je opremljen z dvema kolesoma za enostavno premikanje. Ima dve podporni nogi in nastavljiv podstavek.

- Okvir ima bobnič, glavni vod, hidravlični sistem za upravljanje bobna, nosilni okvir za premični sistem in zavorni sistem.

- Ima cev iz polietilena visoke gostote z dolžino od 300 do 750 m, zunanjim premerom od 75 do 160 mm in debelino stene 8 mm. Cev je navita na bobnič.

- Razpršilni sistem je sestavljen iz dveh reaktivnih razpršilnikov ARS-2, nameščenih na štirikolesnem premičnem sistemu, ki razpršujeta vodo v krožnem območju.

Ko je naprava v nepremični legi, lahko namakate površino, ki je enaka dolžini cevi in široka 54 m. V vsakem delovnem položaju se pred razpršitvijo vode cev razprostre po površini brez rastlin na razdalji 2,1 m. To se izvede s premikanjem kovinskega podpornega premičnega sistema s pomočjo traktorja [5]. Ko se začne pršenje, zaradi hidravličnega motorja cev povleče nazaj na bobnič, kar pogojuje gibanje podpornega sistema razpršilnikov. Ker namakanje poteka na krožnih sektorjih, se premični sistem premika po suhi zemlji. Ko razpršilni sistem doseže bobnič, se vodni cikel samodejno ustavi. Povprečno hitrost je mogoče prilagoditi glede na količino vode, ki jo potrebujemo, delovni tlak in vrsto razpršilnikov.

Samovozni razpršilni sistem s središčnim tečajem (Slika 2) se lahko uporabljajo v različnih konfiguracijah, sestavljenih iz krogov in/ali krožnih sektorjev, kot je prikazano na sliki 3. Dolžina krila je lahko od 150 do 700 m, pokrita površina pa od 5 do 250 ha. Sistem ima središčni tečaj z več medsebojno povezanimi cevnimi segmenti, ki jih podpirajo nosilci (tramovi). Nameščeni so na kolesnih stolpih. Voda prihaja iz glavnega voda v središčnem tečaju, ki prav tako podpira sistem. Uporabljeni razpršilniki delujejo pri nizkem tlaku in se razlikujejo glede na pridelek, ki ga želimo namakati. Sistemi imajo med tramovi regulatorje tlaka, ki zagotavljajo enakomerno distribucijo vode. Nadzorne plošče temeljijo na tehnologiji računalniško podprtega sistema upravljanja (Computer Aided Management System ali CAMS) za daljinsko spremljanje sistema. Tako je mogoče prilagoditi intenzivnost pršenja glede na hitrost vetra, dodajati gnojila ali kemikalije za zatiranje škodljivcev in spreminjati gibanje sistema. Ko se motorji zaženejo, njihovo delovanje nadzoruje sistem pretvornikov, ki ocenjuje kot med razponi. Na podlagi podatkov iz pretvornikov se začne premikanje premičnih sistemov. Hitrost razponov lahko prilagodite, da dosežete določeno intenzivnost pršenja. Obstajajo različice delovanja, pri katerih je mogoče premakniti središčni tečaj, kot je razvidno na sliki 4. V obeh primerih je delovanje enako, edina razlika je v samodejnem oziroma ročnem premikanju središčnega tečaja [5–9].

Ta razpršilni sistem se lahko uporablja tudi za fertigacijo. V tem primeru je na voljo poseben rezervoar, v katerem je gnojilo. Rezervoar je povezan z vodo za namakanje. Gnojenje v času vegetacije zmanjša stroške, saj se namakanje in gnojenje izvajata hkrati; listi in/ali korenine pa bolje sprejmejo hranilne elemente, razpršene v vodi, kar poveča učinkovitost gnojil.

Fertigacija je koristna zlasti za rastline, katerim ustreza gnojenje med vegetacijo, vendar je zaradi same vegetacije postopek težko izvesti z drugimi mehanskimi sredstvi [10, 11]. Fertigacijo je treba opraviti ob določenem času. Najpomembnejši so naslednji pogoji:

- Treba jo je izvesti pri rastlinah z velikimi potrebami po vodi in mineralih v fazi vegetacije. Koruzo na primer v drugem posevku lahko fertigiramo v vseh fazah rasti.

- Treba je uporabiti predvsem gnojila, ki vsebujejo dušik, saj se rastline v fazi vegetacije običajno bolje odzivajo na dodatne odmerke dušika kot fosforja ali kalija. Pri pridelkih sladkorne pese gnojila na osnovi kalija, ki se uporabljajo s fertigacijo, spodbujajo povečanje vsebnosti sladkorja v koreninah.

- Uporaba dobro topnih gnojil je zaželena, saj lahko neraztopljene snovi zamašijo razpršilnike.

- Čas uporabe gnojil mora biti kratek, od 30 do 60 minut, da se zagotovi nadzorovana in enakomerna porazdelitev. Gnojenje je treba prav tako opraviti ob koncu namakalnega obdobja, vendar pred njegovim koncem, da se hranila lahko vpijejo in da se prepreči korozija sistema.

- Pršenje razpršilnikov mora biti enakomerno, zato se gnojenje ne sme izvajati v času močnih vetrov.

Oprema za gnojenje je prikazana na sliki 5. Prikazuje rezervoar z dvema upogljivima cevema, eno za dovod vode in drugo za vbrizgavanje vode v razpršilni sistem. Količina gnojila se izračuna glede na koncentracijo aktivne snovi in odmerka, ki ga je treba porazdeliti po površini tal.

Razpršilni sistemi so lahko avtomatizirani, tako da v realnem času ocenijo potrebo po vodi in sprožijo oziroma ustavijo pretok vode. Variabilno namakanje (variable rate irrigation ali VRI) je tehnologija samodejnega namakanja, ki temelji na matriki senzorjev, ki zaznavajo vlažnost tal. Uporablja se v preciznem kmetijstvu za optimizacijo namakanja, predvsem z uporabo središčnih tečajev. Količina vode se spreminja z upravljanjem sistema ventilov. Tako se optimizira namakanje, zmanjša poraba vode in poveča proizvodnja. VRI se lahko uspešno uporablja za fertigacijo in druge metode kemizacije z uporabo dodatne opreme, ki vbrizgava kemikalije v glavni vod, in sistema črpalk za premikanje raztopine pod ustreznim tlakom [12–14].

Namakalni sistemi z linearnim premikanjem (linear move irrigation systems) zagotavljajo visoko stopnjo enakomernosti in učinkovitosti. Primerni so za polja pravokotne oblike. Sistem se premika naprej in nazaj po polju. Vodni viri so lahko različni, od jezer in rek do kanalov in cevi. Več razponov je povezanih v vrsto; sistem se premika z dvema ali štirimi vozički. V primerjavi s sistemi s središčnimi tečaji pokrivajo tudi vogale polja. Premikanje sistema razponov se lahko izvaja tudi z uporabo kablov. Voda se lahko dovaja s strani ali iz sredine sistema po ceveh iz polietilena visoke gostote.

Obstaja več vrst linearnih sistemov. Idealen sistem je dvokolesni linearni sistem, ki se običajno uporablja na majhnih površinah. Sistem za vir vode uporablja vodo iz zemeljskega jarka ali kanala. Takšen sistem je idealen za velika polja. Upravlja se enostavno, saj se sistem premika po vodnem kanalu. Pri dovajanju vode iz cevi se uporablja voda iz sistema pod tlakom. Zaradi cevi je bolj primeren za manjša polja.

Erozija zaradi namakanja z razpršilci

Pri namakanju z razpršilci voda z določeno hitrostjo udarja v tla, kar povzroča ločevanje talnih agregatov in drobcev, ki se nato prenašajo s kopenskim tokom in se na določenih mestih usedajo. Da bi se temu izognili, je treba razpršilne sisteme pravilno načrtovati in upravljati. Sistemi s središčnim tečajem uporabljajo vodo z visokim pretokom, kar povečuje možnost odtekanja in erozije. Najpomembnejša komponenta pri eroziji je vrsta razpršilnika. Uporaba nizkotlačnih razpršilnikov zmanjša odtekanje, prav tako pa se zmanjša le hitrost nanašanja vode. Pomembna je tudi velikost vodnih kapljic. Pri sistem z lateralnim premikanjem voda pogosto odteka v sledi, ki jih pustijo kolesa, če te potekajo vzporedno z naklonom polja. Da bi omejili erozijo ali se jo popolnoma preprečili, je mogoče sprejeti številne ukrepe, kot so pozorna izbira vrste razpršilnika, tlak, premer (ki določa velikost vodnih kapljic). Pretok lahko zmanjšamo in omejimo erozijo, ne da bi zmanjšali učinkovitost namakanja. To je lahko težka naloga.

Prednosti in slabosti namakanja z razpršilci

Pri izvajanju namakanja z razpršilci ni potrebno terasiranje ali izravnavanje polja, saj je neodvisen od topografije polja [15–19]. Vodne potrebe je mogoče zlahka zadovoljiti za vse vrste pridelkov in tal. Prav tako lahko hkrati uporabljamo gnojila ali pesticide [20–21]. Uporaba sistema pod pritiskom zahteva veliko porabo energije, ki je večja kot pri drugih tehnologijah namakanja, in precejšnjo naložbo v opremo. Rastline so občutljive na bolezni, saj je površina listov zaradi vode velikokrat premočena. Učinkovitost porabe vode se na vetrovnih območjih zmanjša zaradi povečanega izhlapevanja vode s površine tal. Tako kot pri kapljičnem namakanju lahko pride do zamašitve sistema.

Viri in literatura

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.