Технология орошаемого земледелия — одна из основ становления древних цивилизаций. Крупнейшие из них отличало умение распоряжаться важнейшим природным ресурсом. Достигаемое с помощью полива продовольственное изобилие, способствовало освоению ремёсел и развитию общества. В наши дни эта технология не теряет своей актуальности. А что будет в будущем с системами ирригации?
Тысячи лет целью развития сельскохозяйственных технологий было расширение использования природных ресурсов. Лишь в двадцатом веке, с ростом населения планеты, остро встал вопрос сохранения природных богатств для последующих поколений. Вода — не исключение.
На пороге водного кризиса
Прогнозы ученых внушают тревогу. К 2050 году население Земли должно увеличиться более чем на 30 % и составить 9 миллиардов человек. Спрос на сельскохозяйственную продукцию будет расти, рассчитывать на пропорциональное увеличение сельскохозяйственных площадей не приходится. Увеличение урожайности возделываемых земель, в том числе за счет повышения эффективности использования воды — залог продовольственной безопасности планеты.
Сегодня в мире 80% потребляемой пресной воды расходуется на сельское хозяйство. В США орошаемыми являются лишь 18 % сельскохозяйственных земель, при этом они обеспечивают 50% урожая. В мире с орошаемых площадей поступает 40% от общего объёма продовольствия.
В будущем конкуренция за потребление водных ресурсов с другими отраслями увеличится. Главной задачей орошаемого земледелия является повышение урожайности без увеличения расходов воды. Кроме того, важно снизить антропогенное воздействие на природу.
В таких условиях основными направлениями развития систем орошения являются:
- внедрение технологий мониторинга процессов орошения (для оптимизации расхода воды);
- внедрение технологий точного орошения;
- повышение автоматизации процессов.
Технологии мониторинга
Правительства многих стран предоставляют сельхозпредприятиям льготы на использование воды. Экономия воды в таких странах не являлась достаточным экономическим стимулом для фермеров. Сегодня сельскохозяйственные культуры потребляют в 2-3 раза больше воды, чем это необходимо для нормального роста. В среднем более 50% поливной воды, минуя корневую систему растений, просачивается в грунтовые воды.
Точное количество воды в нужное время — залог сохранения высоких урожаев. Современные технологии призваны помочь фермерам в планировании ирригационного процесса для рационализации использования воды. Интерес к смарт-технологиям растёт, если в 2015 году стоимость рынка оценивалась в 0,5 млрд долларов, то по прогнозам в 2021 году это значение достигнет 1,5 млрд.
На рынке существует множество систем мониторинга состояния почвы и погодных условий в режиме реального времени (John Deere Field Connect, Lindsay Corp.’s Growsmart). Они помогают принимать эффективные управленческие решения. Некоторые из этих систем позволяют не только наблюдать за изменениями условий, но и дистанционно управлять системами орошения.
Компания CropX разработала датчики влажности. Для одного поля достаточно трёх датчиков. Информация о влагообеспеченности участков будет приходить на смартфон. CropX привлекла инвестиции некоторых крупных компаний, среди которых Bayer.
Система диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) предлагает пользователю возможность мониторинга и контроля количества воды в системе в режиме реального времени. Программа измеряет количество воды в резервуарах и каналах, позволяет оператору дистанционно управлять режимами работы задвижек, шлюзов, насосно-силового оборудования, перераспределяя воду. Применение системы повышает эффективность ирригации и снижает потери воды при хранении.
Компания Sprinkl работает над контролёрами для модернизации существующих спринклерных систем. Датчики Sprinkl контролируют работу спринклеров исходя из данных влажности. Это позволяет экономить воду на поливе отдельных участков поля, если в нём нет необходимости.
Рынок заполнен стартапами по разработке технологий, призванных упростить принятие решений. Спутниковые снимки, данные мультиспектральных и инфракрасных датчиков, условия эватотранспирации, картографирование поступают на сенсорные дисплеи, с рекомендациями по регулированию процессов.
В Индии протестировали систему, уточняющей график орошения на основе локализованного прогноза погоды, информации по влажности почвы, испарению. В стране 90% используемой пресной воды приходится на сельскохозяйственный сектор. Проект SCORRES был профинансирован компанией Innovate UK. При разработке плана полива использовались знания местных фермеров о специфике роста разных культур в регионе. Применение микроорошения с учётом рекомендаций, снизило потребление воды до 80%, местами вдвое увеличив урожай.
«Результаты проекта очень обнадёживают и имеют потенциал для создания стабильного ресурсоэффективного будущего глобального сельскохозяйственного сектора», — руководитель проекта профессор Эдди Оуэнс.
Технологии точного орошения
Для точного полива на основе рекомендаций, полученных в результате наблюдений, в рабочий процесс внедряются технологии точного орошения.
Среди актуальных разработок — система для орошения углов Irrigate-IQ Uniform Corner компании Trimble. Система использует секцию-кронштейн, которая разворачивается для лучшего полива углов и выступов поля. При этом расход спринклеров дополнительной секции отличается от расхода на основных секциях. Спринклеры включаются и отключаются автоматически в зависимости от положения секции, предотвращая перерасход воды на угловых участках.
Всё чаще хозяйствами используются системы точного мобильного капельного орошения (PMDI).
На дождевальные машины кругового действия вместо спринклеров устанавливают капельные шланги. Одно из важнейших преимуществ данной технологии — орошаются лишь борозды, колея же для прохода колёсной секции остаётся сухой. Это предотвращает пробуксовку, замедление хода и лишний расход воды.
Структура почвы, топография, влажность в разных частях поля различны. Таким образом, разные участки одного поля будут иметь различные потребности в поливе. Решить эту проблему поможет технология полива с переменной скоростью (VRI). В зависимости от информации средств наблюдения регулируется работа (включение/отключение) спринклеров, скорость движения консоли.
Ведущие производители разрабатывают элементы для усовершенствования существующих моделей оросительной техники. Например компания Valley Irrigation так же занята разработкой и внедрением VRI технологий, адаптированных для установки не только на технику компании, но и других брендов.
Для уменьшения расхода воды вследствие её стекания рекомендуется устранять неровности поля, холмы и овраги, с помощью лазерного выравнивания. Это предотвратит образование переувлажнённых участков и снизит общее потребление воды.
Автоматизация процессов ирригации
Вышеперечисленные системы точного орошения могут быть довольно сложными в эксплуатации и часто требуют работы со специалистами и инженерами для разработки и реализации плана полива.
Исследования Университета Южного Квинсленда показали, что лишь 10% фермеров, которые приобрели оборудование для ирригации с переменной скоростью, продолжают его долгосрочную эксплуатацию. У многих не хватает опыта для самостоятельного внедрения, а на рынке существует дефицит квалифицированных специалистов.
Целью исследования Университета является разработка коммерческой автоматизированной системы.
Будущее сельскохозяйственного орошения — полностью автономная система обрабатывающая все потоки данных и корректирующая работу системы орошения в зависимости от разработанных рекомендаций.
Одним из примеров разработок в данной области является система компании Acromag. Система может использовать любой доступный источник — ветровой, солнечный, водный, аккумуляторный. Противоударный, вибростойкий сервер обеспечивает высокую надёжность соединения, при высоком температурном диапазоне от -30, до +75 градусов. Автоматически запрограммированный сбор данных и контроль орошения осуществляется при минимальном участии человека. Фактически, система самостоятельно принимает решения, отсылая отчёты на планшет фермеру. Система обрабатывает данные датчиков влажности, регулируя работу клапанов давления, расход каждой секции дождевальной техники. Лишь в запрограммированных случаях система “обращается за помощью” к человеку.
Система автономного орошения фирмы Tevatronic состоит из тензиометрических датчиков, контроллеров клапанов и беспроводного контроллера. Беспроводной тензиометр устанавливают вблизи корневой системы растения. Переключатель клапана взаимодействует с тензиометрическими датчиками на расстоянии до 1 км. Беспроводной переключатель регулирует открытие гидравлического клапана.
Контроллер ирригации берет на себя сбор данных и отправляет их через сотовую связь на облачный сервер для анализа. На основе команд, отправленных с сервера, он открывает и закрывает ирригационные клапаны. Математический алгоритм обрабатывает информацию, поступившую от всех датчиков почвы, принимает решение о поливе и отправляет его на клапанный переключатель для выполнения.
Контроллер орошения имеет несколько режимов работы. В автономном режиме система принимает решение, о времени полива, количестве влаги, внесении в воду удобрений.
В случае возникновения сбоев в работе — фермер об этом информируется. Вся работа может контролироваться удалённо.
Истощение водоносного горизонта
Geophysical Research Letters описывает исследование спутниковых изображений для создания ежегодных карт орошения. Объектом исследования выступил центральный район США (часть штатов Колорадо, Небраска, Канзас). Ирригация в данном регионе удвоилась в период между 2002 и 2016 годами, что в совокупности с изменениями климата ведёт к истощению Огаллальского водоносного горизонта.
Огаллала — один из крупнейших подземных источников пресной воды в мире. С конца 19-го века до 2005 года Геологическая служба США оценила истощение горизонта на 9% от общего объёма. С 2011 по 2017 год скорость истощения горизонта увеличилась вдвое. В случае опустения источника для его естественной зарядки потребуется 6000 лет.
Проблемы истощения подземных источников грозят фермерам Латинской Америки, Восточной Европы, Ближнего Востока, Азии. Внедрение ресурсосберегающих технологий в сельское хозяйство необходимо для замедления этих процессов. Миллионы гектар сельскохозяйственных площадей превратятся в пустыню, если уже сегодня не изменить подход к использованию ресурса.
Проблема водной безопасности носит глобальный характер, и распространение технологий по миру имеет важнейшее значение. Технологии точного полива должны быть доступны для фермеров любой части планеты. Страны, владеющие передовыми технологиями, обязаны обучать специалистов по всему миру.
Технологии точного орошения лишь осваивают рынок в отдельных частях Африки, Азии, Южной Америки. От того, насколько быстро будет протекать этот процесс, и как быстро будут внедряться современные технологии, зависит продовольственная безопасность планеты.
Внедрение системы капельного орошения 50 лет назад позволило спасти мир от голода. Технологии точной ирригации пока лишь осваивают рынок в отдельных частях Африки, Азии, Южной Америки. От того, насколько быстро будет протекать этот процесс и как быстро будут внедряться современные технологии — зависит продовольственная безопасность планеты.
