Trendy v oblasti zavlažovania
Úloha zavlažovania, vodné zdroje
V posledných rokoch sa vzhľadom na klimatické zmeny, ktoré ťažia celý svet, rozširujú výmery poľnohospodárskej pôdy pod závlahou. Všetci veľmi dobre vieme, že zavlažovanie zabezpečuje dodávanie vody v primeranom množstve, v správnom čase a v prípade precízneho zavlažovania aj na správnom mieste. Zavlažovanie teda predstavuje nahradenie zrážok zo zásobami vody z iných zdrojov. Vodné zdroje závisia od lokality umiestnenia, a môžu byť tvorené povrchovými alebo podzemnými vodami. Okrem toho, môžu byť zdrojom vody aj umelo vytvorené nádrže s rôznym objemom, pričom hodnota bude závislá od priemernej závlahovej dávky, alebo závlahového množstva.
Trendy v oblasti závlah
Všeobecne známe tradičné zavlažovacie postupy čelia mnohým výzvam a to hlavne od neefektívneho využívania vody a nadmerného zalievania až po nevhodné distribučné systémy. Výsledkom sú následné plytvanie vodou, zvýšené náklady a environmentálne problémy. Technologické inovácie riešia tieto výzvy prostredníctvom presných a mikrozavlažovacích systémov, pôdnych senzorov a ďalších inovačných komponentov. Rôzne spoločnosti (existuje ich viac ako 500) sa snažia vytvárať nové inovatívne prvky, ktoré smerujú v odvetví zavlažovania ku šetreniu vody. Moderné a novodobé trendy zahŕňajú zavlažovanie založené na obnoviteľných zdrojoch, inteligentných ovládačoch dávkovania, vzdialeného monitorovania a v neposlednom rade zabezpečujú a optimalizujú spotrebu vody. Na základe dostupných informácií možno povedať, že v rámci zavlažovania existuje asi 10 hlavných trendov v uvedenom odvetví, ktorými sa snažia svoje produkty výrobcovia smerovať. Komplexný prehľad inovačných trendov poskytuje tzv. diagram inovácii v oblasti zavlažovania (obrázok 1). Cieľom pre zavlažovanie je v prvom rade optimalizovať stratégie zavlažovania k čomu nám napomáhajú v prevažnej miere snímače vlastností plodín a pôdy (z dostupných zdrojov vyplýva, že úroveň vplyvu dosahuje až 27 %). Tieto umožňujú presné monitorovanie úrovne vlhkosti a obsahu živín. O niečo nižší vplyv (22 %) majú technológie mikrozávlah(v našom prípadekvapková závlaha), ktoré dodávajú vodu priamo ku koreňom rastlín, čím sa znižuje hlavne plytvanie vodou a zvyšuje sa aj účinnosť zavlažovania. Daný systém dodáva vodu rúrkami z plastu (niekedy mäkkého, napr. flexibilný typ, z fólie), ktoré majú na potrebných miestach (pri rastlinách) otvory pre výtok vody, alebo osadené kvapkovače typu online. Uvedené rúrky môžu byť umiestnené nad povrchom poľa, priamo na povrchu, alebo v určitej hĺbke pod zemou (pri podpovrchovej závlahe sú rozvody uložené pod zemou, v hĺbke 0,3 až 0,6 m, pričom pri tomto type musia byť otvory zabezpečené proti upchatiu). Nízku účinnosť majú niektoré spôsoby závlah, ako napr. povrchová závlaha (medzi tieto možno zaradiť závlahu výtopou, preronom a brázdovým podmokom). Ďalším trendom, ktorý ovplyvňuje výrobcov a rozširovanie inovatívnosti závlah je aplikácia zavlažovacích systémov založených na obnoviteľných zdrojoch energie zastúpenie predstavuje 18 %, obrázok 1).
|
Obr. 1: Najhlavnejšie trendy výrobcov v oblasti zavlažovania |
Tieto využívajú slnečnú alebo veternú energiu na pohon čerpadiel a zavlažovacích procesov, čím podporujú udržateľnosť. Poľnohospodárstvo predstavuje jedno z energeticky náročných priemyselných odvetví. Výhodou je, že prechod na solárnu energiu pri pestovaní a zbere môže pomôcť znížiť alebo zmierniť emisie skleníkových plynov. Solárny zavlažovací systém predstavuje teda jednu zo solárnych technológií, ktorú je možné použiť napr. aj pri zavlažovaní (náhrada čerpadiel poháňaných dieselagregátom). Solárna energia je pripravená na revolúciu vo využívaní vody v poľnohospodárstve a poskytuje poľnohospodárom atraktívny spôsob zavlažovania plodín. V uvedenom prípade budú dôležité vstupné podmienky pre potrebný príkon elektromotora čerpadla. Ak ide o menšie súpravy na báze kvakovej závlahy, solárne panely majú nižšie výkony. Jeden z najmenších systémov na automatickú kvapkovú závlahu pre rastliny je určený pre rastliny na balkónoch, terasách, malých záhradách (obrázok 2).
|
Obr. 2: Apklikácia Solárnej kvapkovej závlahy menšie záhradky |
Uvedená súprava pre zavlažovanie je prevažne bez dostupného mestského, alebo obecného zdroja vody a v ďalšom je bez pevného napájacieho zdroja. Solárny systém poháňa čerpadlo, ktoré je umiestnené prevažne do umelo vytvoreného zdroja vody s nízkym objemom (napr. odoberá vodu priamo z nádoby). Solárny systém v prípade najmenšej súpravy má vstavanú 2 Ah nabíjateľnú batériu v kombinácii so solárnym panelom, ktorý je vysokoúčinný a ekologický. Riadiaca jednotka umožňuje pre zavlažovanie rastlín automaticky aplikovať vodu po kvapkách a to v prednastavených časových intervaloch a frekvencii. Systém automatického zavlažovania rastlín podporuje napr. až 6 režimov časovača. Pre zavlažovanie využíva metódu kvapkania, pričom je dosiahnutá vysoká účinnosť závlahy, kvalita práce a šetrenie s vodou. Prietoky vody dosahujú 2 l.min-1 (0,4 l. min-1 pre jeden kvapkovač). Celkový počet kvapkovačov je daný koncepciou závlahovej sústavy a dostupným prietokom čerpadla. Riadiaca jednotka je prepojená aj so snímačmi prevádzky čerpadla a nízkeho stavu vody. Iným príkladom je aplikovanie solárneho čerpadla s výtlačnou výškou až 55 m (obrázok 3).
|
Obr. 3: Apklikácia Solárnej kvapkovej závlahy pre poľnohospdoárstvo, 1-solárny panel, 2-tlačidlo – štart/stop, 3-akumulátor, 4-riadiaca jednotka, 5-solárne čerpadlo |
Napájanie čerpadla vyžaduje solárny panel s vyšším výkonom pre priame napojenie, alebo pre nabíjanie batérie (12 V, 24 V alebo 48 V). Výkony uvedeného typu sú od 250 do 550 W s prietokom vody 4 až 5 m3.h-1. Z najvyšších radov aplikácie solárnych systémov pre zavlažovanie, ktorý s a už vo svete presadil je aplikovaný na širokozáberové zavlažovače. Ide v prvom rade o spoľahlivý prístup k udržateľnej a úspornej energii tam, kde energia z elektrickej siete chýba, alebo je istým byrokratickým spôsobom obmedzená. V niektorých krajinách sa už uvedený systém uplatnil a prináša pozitívne výsledky. Z praktických podmienok je zrejmé, že moderné farmy nemôžu fungovať bez prístupu k dostupnej energii. V niektorých prípadoch ide často u umiestnenie pozemkov na miesta, kde jedinou možnosťou je aplikácia diesel agregátov. Zelenou cestou je však aplikácia solárnej energie takou formou, aby sme neúčinne nezaplnili poľnohospodárske polia solárnymi kolektormi. Napr. aj v zahraničí sa preukázala uvedená investícia ako pozitívna, pretože zmena prevádzky na slnečnú energiu, umožnila podnikateľom prevziať väčšiu kontrolu nad distribúciou elektrickej energie (mesačné náklady na energiu sú podstatne nižšie v porovnaní s nákladmi na inštaláciu). Poľnohospodári sa tak môžu stať hospodárnejšími, udržateľnejšími a zároveň funkčnejšími. Solárne panely pre rozsiahle pozemky a výkonné čerpadlá musia dosahovať týmto spôsobom viac ako niekoľko kW (napr. 10, 22, 32, 45 a 65 kW). Ako príklad si možno uviesť solárny systém s výkonom 43,2 kW, ktorý postačuje pre napájanie čerpacej stanice s príkonom 27,5 kW (striedavý prúd, zložená z 5 čerpadiel o príkone 5,5 kW, obrázok 4).
|
Obr. 4: Aplikácia solárnych panelov pri veľkoplošnom zavlažovaní |
Možnosťou je využiť solárny panel s maximálnym výkonom 270 W, z čoho vyplýva, že celkový ich počet bude 160 ks. Výrobca odhaduje ich životnosť až na 25 rok a to s účinnosťou na úrovni 80 %. K solárnej sústave sú potrebné okrem uvedených komponentov aj invertory pre čerpadlá v počte 5 ks (počet súhlasí s počtom kusov čerpadiel), ktoré sú umiestnené medzi čerpadlami a solárnym panelom. Ďalším inovačným trendom sú samotné čerpadlá „Pokročilé čerpadlá na vodu“, pričom moderné čerpadlá umožňujú znižovať spotrebu energie a vody (zastúpenie v rebríčku trendov 16 %). Inteligentné ovládače zavlažovania (predstavujú 6 % zastúpenie) využívajú údaje zo senzorov a modelovania počasia (2 %) na automatizáciu plánov zavlažovania, čím sa zabezpečí optimálne využitie vody. Systémy diaľkového monitorovania (3 %) a detekcie únikov (3 %) ďalej umožňujú monitorovanie v reálnom čase a rýchlu reakciu na úniky vody. Medzi ďalšie sledované trendy možno zaradiť techniky úpravy pôdy (2 %), ktoré zlepšujú kvalitu pôdy a schopnosť zadržiavať vodu, zatiaľ čo technológie obohacovania vody(1 %) zlepšujú kvalitu vody na účely zavlažovania. Rast populácie spojený so zvýšenou spotrebou vystavuje poľnohospodárske systémy vplyvu vonkajšieho tlaku. Poľnohospodárstvo bude nútené vyrábať viacero potravín a zabezpečiť tak živobytie pre ľudí. Bohužiaľ, v mnohých prípadoch sa efektívne hospodárenie s prírodnými zdrojmi dosiahlo až potom, čo už došlo k degradácii životného prostredia.
Efektívne využívanie vody a spôsoby závlah
Z uvedeného vyplýva, že dôležitosť prírodných zdrojov, ako je napr. voda, u mnohých farmárov stále pretrváva. Nedostatok kvalitnej pitnej vody je na mnohých miestach sveta stále problematický, veď aj na Slovensku máme stále obce bez obecného vodovodu. Z dostupných materiálov je zrejmé, že v poľnohospodárstve sa používa obrovské množstvo sladkej vody. Vzhľadom na zvyšujúci sa počet obyvateľov na svete sa toto množstvo má len zvyšovať, aby sa dokázali naplniť potrebné požiadavky rastúcej svetovej populácie. Z uvedeného vyplýva, že poľnohospodárstvo sa musí stať produktívnejším, efektívnejším a šetrnejším k životnému prostrediu s podstatným cieľom a to predchádzaniu dvojitému nebezpečenstvu nedostatku vody a degradácie pôdy. Pre dosiahnutie uvedeného je teda viac než pravdepodobné, že rozhodujúcu úlohu bude zohrávať aplikovaná zavlažovacia technológia. Poľnohospodárstvo je jedným z najnáročnejších priemyselných odvetví. V praktických podmienkach však v posledných rokoch existujú obavy, či ponuka tohto vzácneho zdroja, t.j. kvalitnej vody, dokáže uspokojiť dopyt.
Pojem efektívnosť závlahy vyjadruje výkonnosť kompletného závlahového systému alebo, komponentov systému. Definovaná je ako pomer medzi množstvom vody použitej na splnenie vstupných požiadaviek (spotreba plodiny) a množstvom vody, ktoré je potrebné na udržanie priaznivej rovnováhy solí a vlahy v koreňovej zóne plodín, ku celkovému objemu vody aplikovanej na zavlažovanie. Časť vody sa však infiltruje do spodnejších vrstiev, odparí, alebo odtečie odtokom. Inak povedané, voda aplikovaná zavlažovacím systémom, ktorá nie je k dispozícii pre koreňovú zónu rastlín, je teda nadbytočné (predstavuje straty) a znižuje efektívne využitie zavlažovania. Znamená to, že v uvedenom prípade je bilancia tvorená vstupmi a výstupmi vodných zložiek. V prípade vyššej spotreby vody, je treba doplniť doplnkovú závlahu (v prípade keď sú záporné zložky vlahy vyššie, ako kladné). Vodu je možné udržiavať v prírodných, alebo umelých nádržiach, pričom aj pri nich môžu nastať určité straty evaporáciou (vyparovanie do ovzdušia z voľnej vodnej hladiny), alebo priesakom. Vzhľadom na uvedené, možno konštatovať, že v prípade niektorých spôsobov závlah môže dosahovať efektivita menej ako 50 %. Preto je cieľom nasadenia inovatívnych technológii na jednej strane uspokojiť rastúce požiadavky na vodu pre potraviny a životné prostredie a na strane druhej zefektívniť zavlažovanie na všetkých úrovniach. Nasadením moderných spôsobov, ktoré šetria vodu sa efektívnosť môže zvýšiť až na viac ako 80 %. Celkovo možno povedať, že efektívnosť zavlažovania môžeme definovať rôzne. Prvá definícia je daná ako efektívnosť zadržiavania vody (ako sa voda udržuje v zásobníku) . Výpočet vychádza z rozdielu maximálneho možného zadržania vody a pomeru množstva vody odvedenej (odparenej a presiaknutej zo zásobníka) ku prívodnému množstvu vody. Druhá definícia je efektívnosť prepravy vody , ktorý sa používa pre meranie účinnosti systémov dopravy vody spojených s rúrovou sieťou, vodnými tokmi a kanálmi. Je definovaná ako pomer medzi vodou, ktorá sa dostane na polia, a vodou, ktorá sa odvádza zo zdroja závlahovej vody. Celková efektívnosť sa teda vzťahuje aj na prepravné segmenty, kde straty vody zahŕňajú presakovanie napr. kanálov alebo netesnosti potrubí. Globálnu efektívnosť možno vypočítať ako súčin účinnosti jednotlivých komponentov, pričom sú dopravné straty pre uzavreté potrubia oveľa nižšie v porovnaní s kanálmi. Treťou je efektívnosť aplikácie vody , ktorá sa týka skutočného udržiavania vody v koreňovej zóne, aby sa uspokojila potreba vody pre plodiny vo vzťahu k vode aplikovanej na pole. Môže byť definovaná pre jednotlivé spôsoby zavlažovania, alebo súčasti zavlažovania. Uvedená efektívnosť už zahrňuje aj akékoľvek straty pri aplikácii vyparovaním (resp. presakovaním) z kanálov alebo brázd povrchovej vody, v ďalšom akékoľvek netesnosti z postrekovačov alebo odkvapkávacích potrubí, presakovanie pod koreňovou zónou, úlet z postrekovačov, vyparovanie kvapôčok vo vzduchu, alebo straty dané odtokom z poľa. V prípade povrchového zavlažovania môžu byť straty odparovaním vo všeobecnosti nižšie, ale vyššie sú odtok a hlboká perkolácia. Straty vo vzduchu (vyparovanie a unášanie kvapiek) však môžu byť veľmi veľké a to hlavne v závislosti od konštrukcie zavlažovača, distribútora vody (postrekovač, rozstrekovač, dýza a pod.), alebo pracovného tlaku (vyššie množstvo veľmi jemných kvapiek). Efektívnosť aplikácie je definovaná ako pomer objemu vody v koreňovej zóne ku vode dodanej na pozemok určitým spôsobom zavlažovania. Štvrtou možnosťou hodnotenia zavlažovania je prostredníctvom parametra pod názvom „efektívnosť zadržiavania“. Efektívnosť akumulácie vody sa v danom prípade hodnotí pomerom zadržiavania vody v koreňovej zóne po závlahe vo vzťahu k potrebe vody pred závlahou (pomer objemu vody uloženej v koreňovej zóne ku zásobnej kapacite koreňovej zóny). Zásobná kapacita je daná hĺbkou koreňovej zóny a schopnosťou koreňovej zóny zadržiavať vodu. Účinnosť akumulácie má malé využitie pri postrekovaní alebo mikrozavlažovaní, pretože tieto zavlažovacie metódy zriedka úplne zaplnia koreňovú zónu. Piatou definíciou efektívnosti v oblasti zavlažovania je parameter pod názvom „Efektívnosť distribúcie vody“. Inak povedané, ide o určitú formu rovnomernosť postreku, ktorá je daná rozdielom maximálnej možnej hodnoty pomeru (100 % kvality) od pomeru medzi priemernou hodnotou odchýlok závlahovej dávky ku priemernej hodnote samotnej závlahovej dávky. Je to vlastne miera distribúcie vody v rámci poľa. Nízka účinnosť distribúcie znamená nerovnomernosť v distribúcii závlahovej vody. Môže to byť spôsobené napr. nerovnomerným vyrovnaním pôdy. Poslednou formou vyjadrenia efektívnosti je efektivita využitia vody , ktorá je vyjadrená ako plodinová (daná pomerom úrody plodín k množstvu vody vyčerpanej plodinou v procese evapotranspirácie), alebo ako poľná (daná pomerom úrody k celkovému množstvu vody použitej na poli). Pojem efektívnosť využívania vody teda označuje produkciu plodín na jednotku aplikovanej vody. Vyjadruje sa ako hmotnosť výnosov plodín na jednotku závlahovej dávky vody, ktorá je viazaná na jednotku plochy.
Približné hodnoty rozpätia efektívnosti využitia závlah sú uvedené v tabuľke 1.
Tabuľka 1: Efektivita využitia rôznych spôsobov
Povrchové závlahy predstavujú najbežnejšie spôsoby zavlažovania, pričom pri nich ide o aplikáciu vody na povrch pôdy (výtopa, preron, brázdový podmok, riadený brázodvý podmok). Výtopa predstavuje klasickú metódu, prie ktorej sa väčšie množstvo vody smerovalo na ohradený pozemok (terasovanie a pod.). Uvedená metóda sa v našich podmienkach už dlhodobo nepoužíva (v zahraničí závlaha ryže). Brázdový podmok predstavuje metódu, kde sa voda napúšťa do brázdy. Táto metóda sa vyplašila a aplikuje sa v zahraničí vo forme riadeného brázdového podmoku. Predstavuje však jednu z menej známych spôsobov, pričom oproti uvedeným metódam však môže znížiť náklady na zavlažovanie prostredníctvom nižšej spotreby vody a zníženej práce pri zavlažovaní. Závlaha riadeným brázdovým podmokom znižuje celkové množstvo použitej závlahovej vody, prebytočnú infiltráciu vody a straty odtokovej vody. Zavlažovanie používa regulačný ventil s časovaním dávkovania vody, pričom v určených intervaloch osciluje voda z výstupného otvoru (z jednej strany na druhú, v konvenčných zavlažovacích systémoch voda prúdi nepretržite pre zavlažovaciu plochu). Výhodnejšie sú potom spôsoby zavlažovania postrekom. V závislosti od konštrukcie zavlažovačov a umiestnenia rozstrekovačov, alebo typu postrekovačov môžu dosahovať efektívnosť využitia až 85 %. Najvyššiu efektívnosť však dosahujú systémy na báze kvapkovej závlahy (až 95 %).
