Yağmurlama sulama

Yaygın olarak kullanılan yüzey sulama yönteminin son derece verimsiz olduğunu ve sürdürülebilir olmadığını daha önce ifade etmiştik. Daha yeni ve modern alternatifler olarak yağmurlama sulama ve damlama sulama bulunmaktadır. Yağmurlama sulama veya “yapay yağmur”, iklim koşullarına (örneğin rüzgar, sıcaklık, nem) bağlı olarak iyi bir uygulama verimliliğine sahiptir. Su, borulardan oluşan bir sistem içerisinde önce basınçla dağıtılır, daha sonra toprak yüzeyine yayılır. Yöntem küçük ve büyük tarlalar için ve her türlü ürün için uygundur. Sulama ekipmanı hareketli, yarı sabit veya sabit olabilir. Meyve kalitesinin arttırılmasının yanı sıra, nemlendirme, antifriz ve termal amaçlı olarak da kullanılabilmektedir [1-4].

Çalışma Prensibi

Yağmurlama sulamanın, çim alanları ve tarımsal alanları sulamak için kullanılan basit dişli yağmurlamalardan endüstriyel ekipmanlara kadar birçok çeşidi vardır. Bir yağmurlama sistemi aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

- pompa ünitesi – genellikle boru sistemine su kaynağından basınçlı su sağlayan bir santrifüj veya türbin pompasıdır. Su kaynağına bağlı olarak pompa tipi belirlenir; kaynak derin bir kuyu olduğunda, türbin pompası tercih edilir. Pompa ile su kaynağı arasındaki mesafe küçük olduğunda (8 m'den az) santrifüj pompalar tercih edilir.

- ana hatlar, tali ana hatlar ve tali hatlar – ana ve tali ana hatlar, suyu pompadan tali hatlara götüren, bazen gömülü olan borulardır. Lateraller suyu sprinklerlere götüren hareketli borulardır. Bu borular genellikle portatif sistemler için alüminyum veya PVC'den, gömülü yanallar veya ana hatlar için ise PVC ve sarılı çelikten yapılır.

- yağmurlama sistemleri – yağmurlama başlığının, akıntı veya süzülme nedeniyle su kaybı olmadan, suyu tarlaya eşit şekilde dağıtma konusunda önemli bir rolü vardır. Yağmurlama başlıkları ihtiyaca göre farklı çalışma mesafelerinde (10 – 70 m) sabit veya döner olabilir. Sprinklerler metalden, plastikten veya ikisinin birleşiminden yapılır. Tip, çalışma basıncı, yağmurlama alanı, hareketlilik ve diğer parametreler sprinkler arasında farklılık gösterir [5-7].

- opsiyonel ekipman – bir sprinkler sulama sistemini optimum koşullarda çalıştırmak için opsiyonel ekipman kullanılabilir. Toplanan farklı bilgiler uzaktan iletilebilir veya su akışı gibi bazı parçalar da uzaktan kontrol edilebilir.

Mobil sprinkler ekipmanları, aşağıdaki yapılandırmalarla yeraltı sprinkler sistemleri olarak inşa edilebilir:

a) Yüksek basınçlı gömülü kanalların kullanıldığı, suyun serpilmesi için gerekli basıncın basınçlı kanal sistemindeki yangın musluklarıyla birleştirilmiş sprinkler ekipmanı tarafından oluşturulduğu

b) Düşük basınçlı gömülü kanalların kullanıldığı, sprinklerlerdeki basıncın ana hatlara bağlı ve suyu laterallere iten bazı pompalar tarafından verildiği

c) Laterallerdeki çalışma basıncı, suyu kanallardan doğrudan laterallere veya ana hatta götüren pompa ekipmanıyla üretilir.

Tamburlu ve hortumlu yağmurlama sistemi (Şekil 1) Her türlü üründe su ihtiyacını karşılayan mobil bir sistemdir. Aşağıdaki bileşen parçalarına sahiptir:

- Metalik çerçeve, kolayca hareket ettirilebilecek şekilde iki kabartı ile donatılmıştır; iki destek ayağı ve ayarlanabilir bir jakı vardır.

- Çerçeve bir tambur, ana hat, tamburu çalıştırmak için kullanılan bir hidrolik sistemi, kamyon için askı çerçevesini ve bir fren sistemini içerir

- 300 ila 750 m uzunluğunda, 75 ila 160 mm dış çapında ve 8 mm duvar kalınlığında yüksek yoğunluklu polietilen hortum; hortum tamburun üzerinde yuvarlanır

-Dört tekerlekli bir kamyon üzerine yerleştirilen, suyu daire şeklinde bir sektöre yayan, iki adet reaktif sprinklerden (ARS – 2) oluşan sprinkler sistemi

Cihaz sabit bir konuma getirildiğinde hortumun uzunluğuna eşit uzunlukta ve 54 m genişliğinde bir alanı sulayabilmektedir. Her çalışma pozisyonunda, yağmurlamadan önce hortum, bitki bulunmayan bir koridor boyunca 2,1 m mesafeye yayılır ve işlem, metal destekli kamyonun bir traktör kullanılarak hareket ettirilmesiyle gerçekleştirilir [5]. Yağmurlama başladığında, yağmurlama destek sisteminin hareketini belirleyen hidrolik motor sayesinde hortum da tambura geri çekilir. Sulama daire kesimlerinde yapıldığı için kamyon kuru toprakta yuvarlanır. Yağmurlama sistemi tambura ulaştığında su devresi otomatik olarak durdurulur. Ortalama hız, gerekli suya, çalışma basıncına ve sprinkler tiplerine bağlı olarak ayarlanabilir.

Merkezi pivotlu, kendinden hareketli yağmurlama sistemleri (Şekil 2) Daire ve/veya daire sektörlerinden oluşan farklı konfigürasyonlarda kullanılabilirler (Şekil 3). Kanadın uzunluğu 150 ila 700 m arasında değişebilirken, kapladığı alan 5 ila 250 ha arasında olabilir. Sistem, birbirine bağlanan ve kafes kirişler (açıklıklar) tarafından desteklenen ve tekerlekli kulelere monte edilen birkaç boru parçasından oluşan bir merkez pivota sahiptir. Su, sistemi destekleyen merkezi pivottaki ana hattan gelir. Kullanılan sprinkler düşük basınçta çalışır ve sulanan ürünün çeşidine göre farklılık gösterir. Su dağılımının homojenliğini sağlamak için sistemlerde açıklıklar arasında basınç regülatörleri bulunur. Kontrol panelleri, sistemin uzaktan izlenmesi için Bilgisayar Destekli Yönetim Sistemi (CAMS) teknolojisine dayanmaktadır. Bu şekilde, rüzgarın hızına bağlı olarak atılan suyun yoğunluğunu ayarlamak, gübre veya bitki koruma kimyasallarını eklemek ve sistemin hareketlerini tersine çevirmek mümkündür. Motorlar çalıştığında, açıklıklar arasındaki açıyı tahmin eden bir dönüştürücü sistemi bunların çalışmasını kontrol eder; Dönüştürücülerden gelen bilgilere göre kamyonların hareketi başlar. Yağmurlamanın belirli bir yoğunluğa erişmesini sağlamak için açıklıkların hızı ayarlanabilir. Şekil 4'te görüldüğü gibi merkez pivotun hareket ettirilebildiği çalışma çeşitleri mevcuttur. Her iki durumda da prensip aynıdır, tek fark merkez pivotun otomatik/manuel olarak çalıştırılan hareketidir [5-9].

Bu yağmurlama sistemi aynı zamanda gübreleme için de kullanılabilir; bu durumda gübrenin konulduğu özel bir hazne bulunur. Rezervuar sulama suyuna bağlıdır. Bu sistem, gübrelemenin vejetasyon dönemine yayılması, daha az girdi maliyeti, sulama ve gübrelemenin eş zamanlı yapılması, gübrenin etkin olarak alınması gibi çeşitli avantajlara sahiptir.

Fertigasyon, özellikle vejetasyon boyunca gübre uygulamasının mümkün ve yararlı olduğu bitkiler için avantajlı olmasına karşın gübrelemenin diğer mekanik yöntemlerle gerçekleştirilmesi gereken ürünlerde zorluk çıkarmaktadır [10, 11]. Fertigasyon belirli zamanlarda yapılmalıdır, en önemli koşullar ve uygulamada dikkat edilmesi gerekenler şunlardır:

- Mineral ve su ihtiyacı yüksek olan bitkilerde vejetasyon süresince uygulanmalıdır. Örnek olarak ikinci ürün mısır, ekimden başlayarak tüm yetiştirme aşamalarında gübrelenebilir.

- Çoğunlukla nitrojen içeren gübrelerin uygulanması, çünkü gelişme dönemlerinde bitkiler azot uygulamalarına fosfor veya potasyumdan daha iyi yanıt verir. Şeker pancarında fertigasyon yoluyla uygulanan potasyum bazlı gübreler, köklerdeki şeker içeriğinin artmasına yardımcı olur.

- Çözünmemiş gübreler yağmurlama sistemlerini tıkayabileceğinden dolayı uygulamada yüksek oranda çözünürlüğe sahip gübreler tercih edilmelidir.

- Gübrelerin kontrollü ve eşit dağılımını sağlamak için uygulama süresi 30 ila 60 dakika kadar kısa olmalıdır. Ayrıca gübrelemenin sulama periyodu bitmeden tamamlanması gerekir, çünkü besinlerin absorbe edilmesi ve sistemin korozyon yoluyla zarar görmesi önlenir.

- Yağmurlamanın iyi bir homojenliğe sahip olması gerekir; bu nedenle rüzgarlı dönemlerde gübreleme yapılmamalıdır.

Gübreleme ekipmanı Şekil 5'te gösterilmektedir. Biri suyu vermek için, diğeri yağmurlama sistemine suyu enjekte etmek için iki esnek boruya sahip bir tanktır. Gübre miktarı, etken madde konsantrasyonunun ve toprak yüzeyine dağıtılacak dozun fonksiyonu olarak hesaplanır.

Yağmurlama sistemleri, su ihtiyacını gerçek zamanlı olarak değerlendirecek ve su akışını etkinleştirecek şekilde otomatikleştirilebilmektedir. Değişken oranlı sulama (VRI), toprak nemini algılayan bir sensör matrisine dayanan otomatik bir sulama teknolojisidir. Hassas tarımda, esas olarak merkezi pivotlar sulamayı optimize etmek için kullanılır. Su miktarındaki değişiklik, bir vana sisteminin kontrol edilmesiyle yapılır. Böylece optimize sulamalar yapılarak su tüketimi azaltılır ve üretim artırılır. VRI, kimyasalları ana hatta enjekte eden ek ekipmanların ve çözeltiyi doğru basınçta gönderecek bir pompa sisteminin kullanılmasıyla gübreleme ve diğer kimyasal ilaçlama yöntemleri için başarıyla uygulanabilmektedir [12-14].

Doğrusal hareketli sulama sistemleri, dikdörtgen şekilli tarlalara uygun olduğundan yüksek homojenlik ve verimlilik sağlar. Sistem bir alanda ileri geri hareket eder. Su kaynağı göllerden nehirlere, kanallardan borulara kadar çeşitlilik gösterebilir. Birkaç açıklık aynı hizada bağlanmıştır; sistem iki veya dört araba ile hareket ettirilir. Merkezi pivot sistemlere göre sahanın köşelerini de kaplarlar. Hat açıklıklarının hareketi kablolar kullanılarak da yapılabilir. Yüksek yoğunluklu polietilen hortumlar sayesinde sistemin yanlarından veya ortasından su sağlanabilmektedir.

Birkaç tür doğrusal sistem vardır. İdeal sistem genellikle küçük boyutlu sahalarda kullanılan iki tekerlekli lineer sistemdir. Kanal besleme sistemi, su kaynağı olarak toprak hendek veya kanaldan gelen suyu kullanır. Böyle bir sistem geniş alanlar için idealdir, sistem su kanalı boyunca hareket ettiğinden kullanımı kolaydır. Hortum beslemesi basınçlı bir sistemden gelen suyu kullanır. Hortumun varlığı nedeniyle büyük alanlara göre küçük alanlar için daha uygundur.

Yağmurlama Sulamadan Kaynaklanan Erozyon

Yağmurlama sulamada su belirli bir hızla toprağa çarpar, böylece toprak agregatlarının ve parçalarının ayrılarak kara akışıyla taşınmasını ve bazı noktalarda birikmesini mümkün kılar. Bu durumun önüne geçebilmek için sprinkler sistemlerinin doğru şekilde tasarlanması ve işletilmesi gerekmektedir. Merkezi pivot sistemleri yüksek miktarda su uygular ve bu da yüzey akışına ve erozyona neden olma potansiyelini artırır. Erozyonun en önemli bileşeni yağmurlama tipidir. Düşük basınçlı sprinklerin kullanılması akışı azaltır, ancak uygulama oranı azalır. Su damlacıklarının boyutu da önemlidir. Yanal hareketli sistemlerde, eğer tarla eğimine paralel gidiyorsa, tekerlek izlerinde akıntı yaygındır. Erozyonu sınırlandırmak veya önlemek için sprinkler tipinin seçimine, basıncına, çapına (su damlacıklarının büyüklüğünü belirleyen), akış hızının azaltılmasına ve verimliliği düşürmeden erozyonun sınırlandırılmasına dikkat edilmesi gibi birçok önlem alınabilir.

Yağmurlama Sulamanın Avantajları ve Dezavantajları

Yağmurlama sulama sisteminin uygulanması, tarla topoğrafyasından bağımsız olduğundan teraslama veya tarla tesviyesi gerektirmez [15-19]. Bitkilerin su ihtiyacı her türlü ürün ve toprak için kolaylıkla karşılanabildiği gibi aynı anda gübre veya ilaçlama işlemleri de yapılabilmektedir [20-21]. Basınçlı sistemin kullanımı, diğer sulama teknolojilerine göre daha fazla enerji tüketiminin yanı sıra önemli miktarda ekipman yatırımı gerektirir. Su, yaprakların yüzeyini ıslattığı için bitkiler hastalıklara yatkın olurlar. Rüzgarlı bölgelerde suyun toprak yüzeyinden buharlaşmasının artması nedeniyle su tüketim verimliliği düşmektedir. Damla sulamada olduğu gibi sistemde tıkanma yaşanabilir.

Kaynaklar

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.