בעיות מחסור במים נפתרות עם השקיה חקלאית מתקדמת

בעשור האחרון, פקדי ההשקיה החקלאית הפכו ליותר ויותר מתוחכמים. כיום, מגדלים רבים החליפו את מחשבי ההשקיה והווסתים ההידראוליים המסורתיים ברכיבי בקרה וחיבוריות מתקדמים הלקוחים מאלה עבור יישומים תעשייתיים - לרבות מערכות המשתמשות בבקרי לוגיקה (PLC), מחשבים תעשייתיים, ורכיבי אוטומציה חסכוניים יותר ויותר עם יכולת להתחבר עם למנף פרוטוקולי תקשורת תעשייתיים נפוצים. בקרים ורכיבים אלה יכולים לקבל קלט ממקורות הכוללים חיישני לחות בקרקע, תחנות מזג אוויר וחיישני קיפאון כדי להתניע תגובות חקלאות דיגיטלית אדפטיביות בזמן-אמת.

יתרה מכך, מערכות בקרת ההשקיה המתוחכמות הללו הופכות כעת לזולות יותר... אפילו בזמן שהשימוש בנתונים למיטוב ההשקיה נעשה יותר ויותר חכם.

איור 1: החברה לציוד לחקלאות ולתחזוקת הקרקע Toro מוכרת את מערכות ההשקיה לחקלאות Tempus Automation‏ הממנפות חיבוריות 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. תחנת הבסיס מאפשרת למגדלים לבקר שסתומים והתקני ניטור בתוך בועה של עד 1.6 ק"מ. ניתן להוסיף בקלות תחנות בסיס כדי להרחיב את הטווח; כולן יכולות להיות מופעלות באמצעות אנרגיה סולארית או עם חוט קשיח. (מקור התמונה: .The Toro Co)

שימור מים הוא יותר ויותר הכרחי ככל שהאקלים מתחמם, האזורים הופכים צחיחים יותר, האוכלוסייה גדלה והאקוויפרים מתרוקנים. למעשה, מים עשויים להפוך בקרוב למשאב הקריטי העיקרי שיקבל במאה ה-21 חשיבות גיאופוליטית אפילו יותר מנפט - אולי אפילו יגרום למלחמות העתיד. בעיות הקשורות למים כבר קיימות מזה שנים במזרח התיכון. אזור זה הפך ליותר ויותר צחיח מאז לידתה של הציביליזציה ותומך כיום ב-5% מאוכלוסיית העולם על 1% בלבד מהמים המתוקים בעולם.

איור 2: השקיית גידולים-בשורה בשדה פתוח ובחממה מבוססת על מערכות מיקרו-ריסוס ושיטות טפטוף אחרות הניהנות מפקדי השקיה מתקדמים. (מקור התמונה: Getty Images‏)

מנקודת מבט עסקית, המחסור במים מתבטא במחירי מזון ומוצרים חקלאיים גבוהים יותר, כאשר מחירי המים עלו מהר יותר מאשר מחירי האנרגיה בעשור האחרון. שיהיה ברור - זה הפך חיוני הן לפעילות מסחרית בקנה מידה גדול והן לפעילות חקלאית של סטארט-אפים כדי למזער את צריכת המים תוך מיקסום תפוקת היבול.

מנגנוני השקיה וגידול ניתנים-לבקרה

הדרישות עבור בקרי השקיה תלויות ביישום ובסוג המערכת - בין אם הן מבוססות על ספרינקלרים, השקיה בטפטוף או מעגלי השקיה הידרופוניים.

איור 3: חיישני פחמן דו-חמצני סדרת T3000 בעלי בתים IP67 כדי לעמוד בפני הלחות, הלכלוך והחשיפה לדשנים בפעולות חקלאות-אנכית בשימושי פנים. המשוב שלהם יכול לדווח על רוטינות השקיה ודישון הידרופוניות אוטומטיות. (מקור התמונה: Amphenol Telaire‏)

השקית גידולים חקלאיים בתוך בתי גידול יכולה להיות מבוקרת בקפדנות רבה; ללא השונות של הסביבה החיצונית, ניתן לשמור בעקביות את האור, המים, הדישון והרכבי האדמה האופטימליים בתוך הטולרנסים המתאימים שלהם. ההשקיה מבוססת תמיד על מאגר עם משאבה ומעגל השקיה מבוסס-מגש ... כמעט ללא מים שאבדו לאידוי ואף לא אבדו לנגר. קיימות אפשרויות תוכנה בשפע עבור גידולים ספציפיים; תוכניות אלו משלבות ידע בתעשייה על מחזורי הצמיחה של מיני צמחים ופרמטרי גידול מועדפים.

איור 4: בית AN IP67 הופך את מנורות WIL למתאימות במיוחד עבור יישומי חקלאות דיגיטלית בשימושי פנים. (מקור התמונה: Weidmüller‏)

עבור חקלאות חוץ מסורתית, ספרינקלרים הם ציוד ההשקיה הנפוץ ביותר, עם תכנים החל מממטרות דשא קטנות (בדומה לאלה שבשימושם שלבעלי בתים במדשאות) ועד ממטרות תעשייתיות בלחץ גבוה הנדחפות על ידי משאבות מנוע חשמלי או מנוע דיזל. האחרונות כוללות מערכות תנועה ליניאריות מסיביות המסוגלות להשקות שדות פתוחים המשתרעים על פני הקטרים רבים עם מערכי הממטרות הגדולים שלהם.

תכן נוסף הנפוץ במערכות השקיה אוטומטיות לפעולות בקנה מידה גדול הם ספרינקלרים מכים. וריאציות פשוטות של אלה נמכרות גם כמוצרי השקיית מדשאות לצרכנים. בקצרה, ספרינקלרים הולמים מורכבים ממכלל ראשים השולח סילון מים על פני זרוע מכנית. מים אלה נפגעים שוב ושוב מהזרוע ומתפזרים על הגידולים. כתוצאה מהלחץ ומתנועת הזרוע המכנית הראש מסתובב סביב ציר, וגורם לספרינקלר להתיז את המים במעגל או בקשת חלקית.

אפשרות אחרת להשקיה אוטומטית של גידולים חקלאיים היא השקיה בטפטוף. בין אם מבוססת על מה שנקרא מערכי צינורות טפטוף או מערכי ראשי מיקרו-ריסוס, השקיה בטפטוף מפחיתה את צריכת המים (ובמיוחד את המים שאבדו עקב אידוי) על ידי אספקת מים ישירות יותר לאזורי השורשים של הצמחים.

עוד על השקיה חקלאית עם ציר מרכזי ותנועה ליניארית

השקית ציר מרכזי היא התאמה מתקדמת של השקיית גידולים מבוססת ספרינקלרים. זוהי אחת הדרכים היעילות ביותר להשקיית שדות פתוחים גדולים, עם מערכות טיפוסיות לתעשייה המסוגלות לכסות רדיוס של 400 מטר בשטח של עד 50 הקטרים (125 אקרים) בערך. מערכות השקיה עם ציר מרכזי משקות קשת עגולה או חלקית על ידי סיבוב צינור השקיה (בעל ראשי ספרינקלרים רבים) סביב ציר קבוע. הצינור נישא על ידי מספר מגדלים הנעים לאורך הקרקע על ידי גלגלים מונעים.

איור 5‏: פקדי תזמון משמשים עם מערכות השקיה עם ציר מרכזי להשקות לפי לוחות זמנים בסיסיים. בנוסף, צגי תת-זרם מפקחים לעתים על רגל אחת של המערכות התלת-פאזיות במגדלי מערכות השקיה עם ציר מרכזי. צגי תת-זרם כאלה מזהים מגדלים תקועים או חסומים כדי למנוע השקיית-יתר. (מקור התמונה: Littelfuse)

בין המגדלים, צינור המים נתמך על ידי מסבך באמצעות כבלים עבור אברי מתיחה - דומה מאוד לתמיכות של גשר תלוי. פותחו בשנות ה-40, מערכות ההשקיה המקוריות עם ציר מרכזי השתמשו בזרימת המים כדי להניע את הגלגלים. כיום, זה הרבה יותר נפוץ שציוד כזה מבוסס על מנועים חשמליים כדי לסובב את גלגליו להנעה. המהירות של גלגלים אלה יכולה להיות איטית למדי, מכיוון שיכולים לעבור מספר ימים עד שפקדי המערכת יניעו את הגלגלים סיבוב אחד שלם.

איור 6: תוכנת AgSense (נגישה כאפליקציה דרך התקנים ניידים ולאפטופים) ממנפת טכנולוגיות GPS ומשוב כדי לעזור לחקלאים לעקוב אחר משאבות השקיה ורכיבי עזר; סטטוס זרימה ולחץ; רמות לחות הקרקע; תנאי מזג אוויר; מפלסי מכלים (כאשר רלוונטי); וראיות לגניבה. אפשרות מובילה עבור מערכות השקיה אוטומטיות על ציר (עדיין תואמת גם למכונות ליניאריות), ההיצע מספק מידע והתרעות בזמן-אמת ואף מאפשר ניהול צי מעורב של הידראולי וחשמלי. בעיקרו של דבר, התוכנה מאפשרת פונקציונליות של פאנל דיגיטלי תוך שמירה על תאימות עם פאנלים מכניים מכל מותג או וינטג'. (מקור התמונה: .Valmont Industries Inc)

מערכות השקיה על ציר הן מכונות גדולות ומורכבות באופן מפתיע המציגות את אתגרי בקרת האזור שלהן. המגדלים אינם זזים יחד, אלא נעצרים ומתחילים בנפרד כדי לשמור על יישור משוער של הצינור. הגמישות הרבה של הצינור יחד עם זו של המסבכים התומכים בו מתאימה לתנועה הלא-אחידה של המגדלים ולגליות הטבעית של הקרקע.

במערכות השקיה על ציר, מקטעי המגדלים מבוקרים בנפרד. באופן מסורתי, זה מושג באמצעות מנגנונים פשוטים ומתגי גבול. כל מקטע יכול לחוש בקלות את הזווית שלו ביחס למקטע הבא על ידי ניטור המיקום של מנוף המחובר למקטע הבא. מתגי גבול פשוטים יכולים להפעיל, לעצור ולהפוך את כיוון הגלגלים, בהתאם למיקום הזוויתי היחסי של מקטע המגדל הבא. גישה כזו מתאימה עבור בקרה הידראולית פשוטה עם גלגלים המונעים הידראולית.

אקדח ריסוס בקצה המגדל החיצוני ביותר במרכז הציר יכול להרחיב את השטח המושקה מעבר למבנה הפיזי. אם זה פועל ברציפות, האזור עדיין יהיה מעגלי. עם זאת, על ידי בקרה על האקדח, ניתן להשקות אזור מרובע בקירוב באמצעות מערכת השקיה עם ציר מרכזי.

(מקור הסרטון: UNL Biological Systems Engineering)

משתמשות גם הן בספרינקלרים, מערכות השקיה עם תנועה ליניארית דומות למערכות עם ציר מרכזי. עם זאת, מקטעי המגדלים אינם מונעים בקשת סביב ציר קבוע. במקום זאת הם נעים קדימה ואחורה בקו ישר. המשמעות היא שמערכות השקיה עם תנועה ליניארית מכסות שטח מלבני ולא עגול. אזור כיסוי כזה יכול להתאים יותר למערכות שדה קיימות ולספק כיסוי קרקע שלם יותר. עם זאת, זה גם הופך את הבקרה של המגדלים המונעים ואת הבקרה של מי האספקה למאתגרות יותר.

איור 7‏: זהו תכן השקיה עם תנועה ליניארית. מערכות אוטומטיות המשתמשות בציוד מכני זה עונות על אתגרי השקיית חוץ קשים. (מקור התמונה: Getty Images‏)

בתכנים מסוימים, המים מסופקים על ידי תעלה פתוחה לאורך קצה אחד של האזור המושקה או (בסידורים חלופיים) דרך צינור גמיש. יש להקפיד שלמגדלים של מערכות השקיה כאלו עם תנועה ליניארית תהיינה מהירויות מתואמות כדי לשמור על הצינור ישר למדי - והמגדלים חייבים לנוע יחד כך שהמערכת תנוע ברציפות קדימה ואחורה מעל השדה מבלי לסטות מהמסלול. כדי לעמוד בדרישות אלה, מגדלים מסוימים מתוכנתים לעקוב אחר כבלים הקבורים בקרקע.

בקרי השקיה בחקלאות

בקרי ההשקיה הפשוטים ביותר הם אך ורק טיימרים המאפשרים זרימה חופשית של מים בזמנים מוגדרים-מראש. טיימרים כאלה נמצאים גם בממטרות דשא בדירוג-לצרכנים.

קצת יותר מתוחכמים הם בקרי השקיה תעשייתיים. אלה קיבלו באופן מסורתי את הצורה של מערכות בקרה הידראוליות ... ולעתים קרובות הם מחוברים עם התקני השקיה עם ציר מרכזי.

כיום, בקרי השקיה תעשייתיים רבים יותר מתקדמים משתמשים ב-PLC סטנדרטיים. בנוסף לבקרת התנועה של התקני השקיה גדולים כמו אלו המבוססים על ציוד השקיה עם תנועה ליניארית, ניתן להגדיר את תצורת האלקטרוניקה מבוססת-PLC כדי לקבל קלט מחיישני לחות קרקע, חיישני זרימה, תחנות מזג אוויר וחיישני קיפאון. כמה מערכות כאלה נמצאות כעת בהישג יד אפילו של מגדלים קטנים ביותר (בתעשיית הפירות כמו גם בתעשיית חקלאות חכמה בשימושי פנים) תוך שימוש בבקרים כגון Arduino כדי לממש השקיה אוטומטית של צמחים וחממות.

איור 8: ה-NETBEAT NetMCU הוא דוגמה לבקר השקיה משולב בדירוג-מסחרי - ולמעשה, המוצר המחוזק לעמידות מבצע שורה של משימות דישון, דישון דרך השקיה, בניית מודלים של גידולים ומשימות חיזוי עבור פתרון חקלאות דיגיטלית שלם.

בקרי השקיה אוטומטית יכולים למדוד קצב זרימה כדי להבטיח אספקה של כמות מדודה של מים, במקום כמות שרירותית שסופקה במשך זמן מסוים שנקבע מראש. על ידי אספקת כמות ידועה של מים לאזור נתון של קרקע, ניתן להשיג תנאי גידול אידיאליים מבלי לבזבז מים. בקרת זרימה מאפשרת גם גילוי של חסימות ונזילות, והתרעה למפעילים על בעיות לפני שיתרחש נזק משמעותי ליבול או איבוד מים. באמצעות פרוטוקולי IoT, בקרים מודרניים יכולים אפילו לשלוח התרעות לטלפון הנייד של המפעיל כאשר אירועים כאלה מתרחשים.

איור 9: רכיבי בקרה ו-I/O אוטומטיים RevPi‏ בנויים סביב גרסת מודול מחשוב של מיני-מחשב לוח-יחידRaspberry Pi SoM/CPU/GPU‏. גרסות RevPi האחרונות מתאימות לאותות אנלוגיים והן שימושיות עבור גישות בקרת השקית גידולים מסוימות. (מקור התמונה: KUNBUS‏)

אפשרות מתקדמת ביותר נוספת עבור כמה מהחקלאים היא בקרי Evapotranspiration‏ או ‏ET‏. אלו מעריכים את דרישות המים על בסיס עקרונות איזון קרקע-למים.

מאזן המים נחקר על ידי הידרולוגיה חקלאית, אך במקרה הבסיסי ביותר, הזרימה הנכנסת של המים חייבת להיות שווה לזרימה היוצאת בתוספת השינוי באחסון. הזרימה היוצאת מורכבת מזרימת נגר ומ-Evapotranspiration‏ - תנועת מים לאטמוספירה על ידי אידוי וטרנספירציה דרך הצמחייה.

בקרי ET דורשים נתונים בזמן-אמת על זרימות נכנסות (קצב זרימת ההשקיה והגשמים) וכן פרמטרים סביבתיים המשפיעים על אידוי כמו טמפרטורה, לחות וקרינת השמש. הפרמטרים העיקריים הזקוקים לבקרה הדוקה באמצעות בקר ET (לעיתים קרובות בקר אוטומציה מותאם) כוללים מקדמי גידולים ויכולות החזקת המים של הקרקע. מקדם הגידולים החקלאיים קובע את קצב הטרנספירציה כפונקציה של תנאי מזג האוויר וזמינות המים. בקרי ET יכולים להפחית את השימוש במים עד 63% - חיסכון דרמטי להפליא שאינו מושג בגישות רבות אחרות.

סיכום

קיים שפע של פתרונות השקיה מתוחכמים עבור החקלאים התעשייתיים הגדולים של היום. למעשה, טכנולוגיות אוטומציה גם הפכו את שיטות ההשקיה המתקדמות לזמינות מספיק עבור חקלאים קטנים יותר כמו גם ליצרני מזון המתמחים בירקות וגידולים עדינים עם שולי רווח צרים יותר.