Zgadywanie, ile wody należy zużyć, jest jednym z największych ukrytych kosztów w rolnictwie. Zbyt duża ilość wody powoduje spływ, wypłukuje składniki odżywcze i marnuje energię. Zbyt mała ilość wody stresuje rośliny i zmniejsza plony. Tu chodzi o precyzję.
Naukowe obliczenia wody do nawadniania zapewniają przejrzystą metodę dokładnego określenia, ile wody potrzebują Twoje uprawy i kiedy jej potrzebują. Stanowi to podstawę inteligentnego zarządzania gospodarstwem. Ten przewodnik przeprowadzi Cię przez cały proces.
Zrozumienie podstawowych zasad
Aby dokładnie obliczyć ilość wody do nawadniania, należy najpierw zrozumieć, co napędza zapotrzebowanie na wodę w gospodarstwach. Ta wiedza wyjaśnia „dlaczego” stojącą za matematyką.
1.1 Definiowanie zapotrzebowania na wodę
○ Zapotrzebowanie na wodę (CWR) to całkowita ilość wody, jakiej potrzebuje uprawa od sadzenia do zbioru w doskonałych warunkach wzrostu.
○ Zapotrzebowanie na wodę do nawadniania (IWR) jest inne. Jest to część CWR, którą należy dostarczyć poprzez nawadnianie. Jest to równoznaczne z CWR minus woda z innych źródeł, takich jak opady deszczu i zmagazynowana wilgotność gleby.
1.2 Model bilansu wodnego
Wyobraź sobie swoje pole jako konto bankowe. Model bilansu wodnego śledzi każdą kroplę jak księga. Zasada jest prosta: to, co wchodzi, musi równać się temu, co wychodzi, plus wszelkie zmiany w przechowywaniu.
☆ Wkłady (nawadnianie + opady deszczu)=Wyjścia (ewapotranspiracja + odpływ + głęboka perkolacja) + zmiana w magazynowaniu wody w glebie
Twoim celem jest zarządzanie danymi wejściowymi „Nawadnianie”. Dzięki temu „Zmiana magazynowania wody w glebie” utrzymuje się na optymalnym poziomie dla zdrowych upraw.
1.3 Dekonstrukcja kluczowych komponentów
Na to równanie bilansu wodnego wpływa kilka kluczowych zmiennych. Ich zrozumienie jest niezbędne do dokładnych obliczeń.
○ Punktem wyjścia jest potencjalna ewapotranspiracja (ET₀). Pokazuje maksymalną szybkość utraty wody do atmosfery ze standardowej,-dobrze nawodnionej powierzchni trawiastej. Pogoda wpływa na ten wskaźnik poprzez promieniowanie słoneczne, temperaturę, wiatr i wilgotność.
○ Współczynnik uprawy (Kc) dostosowuje ET₀ do konkretnej uprawy. Młoda kukurydza zużywa mniej wody niż dojrzała. Współczynnik Kc odzwierciedla tę zmianę. Różni się na poszczególnych etapach wzrostu rośliny: początkowej, rozwojowej, środkowej-sezonowej i późnej-sezonowej.
○ Efektywne opady deszczu (Pe) to część całkowitego deszczu, która faktycznie pomaga uprawom. Jest to deszcz, który wsiąka w glebę i pozostaje w strefie korzeniowej. Krótka, silna ulewa może spowodować znaczny spływ. Efektywne opady są znacznie mniejsze od całkowitej zmierzonej ilości.
Opanowanie podstawowej formuły
Teraz, gdy rozumiesz zasady, możesz zbudować z nich praktyczne równanie. To jest główne narzędzie do obliczania potrzeb nawadniania.
2.1 Faza projektowania: oszacowanie na podstawie „najgorszego-scenariusza przypadku”
2.1.1 Obliczanie zużycia wody do nawadniania na etapie projektowania
Na etapie projektowania i planowania obliczenia zużycia wody do nawadniania opierają się na takich czynnikach, jak najbardziej niekorzystna metoda nawadniania w lokalizacji projektu, maksymalne zużycie wody w okresie wzrostu roślin oraz najbardziej niekorzystne warunki pogodowe (zakładając brak opadów przez dłuższy okres, tj. opady=0). W pierwszej kolejności należy określić sezon wegetacyjny rośliny oraz maksymalne zapotrzebowanie na nawadnianie w okresie jej wzrostu. Najbardziej niekorzystnymi warunkami pogodowymi jest zapotrzebowanie roślin na wodę w okresie letnim. W przypadku płodozmianu do obliczeń zużycia wody należy wybrać uprawę o największym zapotrzebowaniu na wodę latem. Na koniec, w oparciu o parametry projektowe systemu nawadniającego, takie jak metoda nawadniania, wydajność nawadniania itp., obliczane jest zużycie wody do nawadniania.
Na etapie planowania i projektowania jako podstawę projektowania należy wybrać okres, w którym rośnie uprawa. Właściwym wyborem jest przyjęcie zapotrzebowania rośliny na wodę w okresie wzrostu, przy jej największym zużyciu, jako projektowanego zapotrzebowania rośliny na wodę.
2.1.2 Tabela referencyjna i podstawa określania projektowej intensywności zużycia wody (ETc)
Norma-Inżynieria projektowania mikronawadniania GB/T 50485-2020 „Normy techniczne dotyczące inżynierii mikronawadniania” bezpośrednio podaje projektowe zużycie wody dla upraw, jak pokazano w Tabeli 1: Projektowa intensywność zużycia wody (mm/d). Zaprojektowane zapotrzebowanie rośliny na wodę służy wyłącznie do obliczenia projektu cyklu nawadniania.
|
Uprawy |
Nawadnianie kropelkowe |
Nawadnianie mikro-zraszaczami |
Uprawy |
Nawadnianie kropelkowe |
Nawadnianie mikro-zraszaczami |
|
Winogrona, drzewa, melony |
3-7 |
4-8 |
Warzywa (otwarte pole) |
4-7 |
5-8 |
|
Zboża, bawełna, rośliny oleiste |
4-7 |
\ |
Fajne-sezonowe trawy |
\ |
5-8 |
|
Warzywa (obszary chronione) |
2-4 |
\ |
Ciepłe-sezonowe trawy |
\ |
3-5 |
Dzieje się tak dlatego, że w przypadku upraw odpowiadających określonej metodzie nawadniania nie ma potrzeby nadmiernego uwzględniania okresu wegetacyjnego i zmian pogodowych. Wymagania te mogą być niemożliwe do spełnienia na etapie projektowania. Konwencjonalne zużycie wody do nawadniania, które odnosi się do ilości wody użytej podczas pojedynczego nawadniania, nazywane jest kwotą nawadniania (kwota nawadniania odnosi się do głębokości wody zastosowanej podczas pojedynczego nawadniania lub ilości wody zastosowanej na jednostkę powierzchni podczas pojedynczego nawadniania).
2.1.3 Projektowany limit nawadniania i maksymalna ilość nawadniania na zdarzenie
Maksymalna ilość nawadniania na wydarzenie:
Gdzie:
max′- górna granica odpowiedniej zawartości wilgoci w glebie (w %), obliczona na podstawie stosunku objętościowego;
min′- dolna granica odpowiedniej zawartości wilgoci w glebie (w %), obliczona na podstawie stosunku objętościowego;
η- współczynnik wykorzystania wody do nawadniania. Różne metody nawadniania mają różne wartości tego współczynnika. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku nawadniania kroplowego: η=0.9; do nawadniania zraszającego: η=0.85.
max′=95% pojemności pola, min′=70% pojemności pola.
2.1.4 Standardowa metoda obliczeń przy projektowaniu cyklu nawadniania
Na etapie projektowania cykl nawadniania można obliczyć zgodnie z normą techniczną dotyczącą nawadniania tryskaczowego GB/T 50085-2007, wzór 4.3.4. Cykl nawadniania i liczbę nawadniań należy ustalić na podstawie lokalnych danych eksperymentalnych. W przypadku braku danych eksperymentalnych liczbę nawodnień można określić na podstawie reprezentatywnego roku projektowego i reżimu nawadniania opracowanego zgodnie z zasadą bilansu wodnego. Cykl nawadniania można obliczyć w następujący sposób:
Gdzie:
○ T - projektowany cykl nawadniania, obliczona wartość jest liczbą całkowitą (dni);
○ ETa- projektowa intensywność zużycia wody przez uprawę, wybrana z tabeli lub przyjęta jako średnia wartość szczytowego okresu nawadniania dla roku reprezentatywnego dla projektu (mm/d);
○ md- projektowany limit nawadniania (mm).
Typowy wzór obliczania zużycia wody do nawadniania:
I=ETc +W−P
Gdzie:
○ I - zużycie wody do nawadniania, w mm;
○ ETc - projektowe natężenie zużycia wody, w mm/d;
○ P. - opadów w mm;
○ W - deficyt wilgoci w glebie, w mm. Wzór ten jest powszechnie stosowany do obliczania zużycia wody do nawadniania na etapie projektowania systemu nawadniającego. Założenie jest takie, że zużycie wody do nawadniania musi pokrywać się ze zużyciem wody przez uprawę.
2.2 Faza eksploatacji: Dokładne obliczenia w oparciu o „Rzeczywiste warunki dzienne”
Na etapie eksploatacji i zarządzania zużycie wody do nawadniania oblicza się na podstawie rzeczywistego dziennego zapotrzebowania na nawadnianie i warunków zaopatrzenia w wodę systemu nawadniającego. Przed uruchomieniem systemu nawadniającego (przed nawadnianiem) należy określić zapotrzebowanie na nawadnianie na podstawie etapu wzrostu uprawy, warunków pogodowych itp. Następnie, w oparciu o aktualną wilgotność gleby i opady netto od ostatniego do bieżącego nawadniania, obliczana jest ilość nawadniania potrzebna do uzupełnienia wody utraconej przez uprawę od ostatniego nawadniania do tego nawadniania. Należy również wziąć pod uwagę wodę zmagazynowaną w glebie, czyli projektowany cykl nawadniania. Obliczona wartość to:
○ Zużycie wody do nawadniania=Zużycie wody w uprawach - (opady netto + woda dostępna w glebie).
○ Dostępna woda w glebie=Pojemność pola - Aktualna zawartość wilgoci w glebie.
Jeśli cykl nawadniania nie jest brany pod uwagę, obliczenia wyglądają następująco:
○ Zużycie wody do nawadniania=Zużycie wody w uprawach - Opady netto.
2.3 Wymagania dotyczące nawadniania netto (NIR)
Wzór zapotrzebowania na nawadnianie netto (NIR) oblicza, ile wody należy zastosować, aby zaspokoić potrzeby upraw. Odpowiada za opady deszczu i straty systemowe.
Podstawowa formuła to:
○ NIR=(ETc - Pe) / Ea
Tutaj ETc to ewapotranspiracja upraw, Pe to efektywne opady deszczu, a Ea to wydajność stosowania systemu nawadniającego.
Rozłóżmy każdą zmienną, abyś wiedział dokładnie, jak ją znaleźć lub obliczyć.
⒈ ETc (Ewapotranspiracja upraw): Pokazuje specyficzne zużycie wody przez Twoją uprawę. Oblicz to za pomocą: ETc=ET₀ * Kc. Wartości Kc dla różnych upraw i etapów wzrostu są dostępne ze źródeł takich jak Organizacja ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) lub z badań uniwersyteckich.
⒉ Pe (Efektywne opady deszczu): Oszacowanie efektywnych opadów może być proste lub złożone. Powszechnie stosowana metoda zakłada, że Pe to procent całkowitych opadów, często 70-80%, w zależności od rodzaju gleby i intensywności burzy. Bardziej precyzyjne obliczenia, takie jak metoda USDA-SCS, dla większej dokładności wykorzystują pojemność wodną gleby i dane dotyczące dziennych opadów.
⒊ Ea (wydajność aplikacji): Ten kluczowy czynnik jest często pomijany. Pokazuje procent wody, która faktycznie dociera do strefy korzeniowej rośliny z systemu nawadniającego. Żaden system nie jest w 100% skuteczny. Straty powstają w wyniku wiatru, parowania i spływu. Zbadamy to szczegółowo później.
2.4 Monitorowanie procesu
Podczas nawadniania należy monitorować wilgotność gleby i warunki wzrostu roślin, dostosowując w odpowiednim czasie ilość nawadniania, aby zapewnić roślinom wystarczającą ilość wody. Ponadto należy codziennie obliczać czas nawadniania lub objętość wody i dostosowywać go na podstawie rzeczywistych warunków, aby uzyskać optymalne wyniki nawadniania.
Podsumowując, zrozumienie i dokładne obliczenie zużycia wody do nawadniania ma kluczowe znaczenie w projektowaniu i zarządzaniu eksploatacją systemów nawadniających.
Wybór systemu
Używany system nawadniania ma ogromny wpływ na obliczenia zużycia wody. Jest to ujęte w zmiennej Efektywność aplikacji (Ea) w naszym podstawowym wzorze.
3.1 Rola wydajności aplikacji
Efektywność stosowania (Ea) to procent wody skutecznie zmagazynowanej w strefie korzeniowej rośliny, gotowej do pobrania. Pozostała woda jest tracona w wyniku parowania, nanoszenia przez wiatr, spływu lub głębokiej perkolacji pod korzeniami.
System o niskim Ea wynoszącym 50% wymaga zastosowania dwukrotnie większej ilości wody, niż faktycznie potrzebuje Twoja uprawa. System o wysokim Ea wynoszącym 95% prawie eliminuje te odpady. To bezpośrednio zmniejsza koszty pompowania i zużycie wody.
3.2 Porównanie wydajności systemu
Zrozumienie typowej wydajności różnych systemów jest kluczem do wyboru właściwej wartości Ea do obliczeń. Pomaga także przy dokonywaniu strategicznych inwestycji w nowy sprzęt.
|
Metoda nawadniania |
Typowy Ea (%) |
Podstawowe przyczyny strat |
Najlepsze dla |
|
Powódź / Bruzda |
40 - 60% |
Wysokie parowanie powierzchniowe, spływ, nierówna głęboka perkolacja. |
Równe pola, obszary{{0}obfite w wodę, określone uprawy-tolerujące sól. |
|
Środkowy przegub / zraszacz |
75 - 85% |
Parowanie aerozoli, znoszenie przez wiatr, przechwytywanie koron drzew. |
Duże, jednolite pola na zboża, pasze i warzywa. |
|
Nawadnianie kroplowe/mikro- |
90 - 95%+ |
Minimalny. Niewielkie parowanie powierzchniowe z mokrych miejsc. |
Uprawy rzędowe o wysokiej-wartości, sady, winnice,-obszary z niedoborami wody. |
3.3 Przypadek nawadniania kroplowego
Dane wyraźnie pokazują, że nawadnianie kroplowe oferuje najwyższy potencjał efektywności wykorzystania wody w nawadnianiu. Wysoki poziom Ea bezpośrednio zmniejsza całkowitą ilość wody potrzebnej do obliczenia zapotrzebowania netto na nawadnianie.
Systemy kroplowe dostarczają wodę powoli i bezpośrednio do strefy korzeniowej. Minimalizuje to straty spowodowane parowaniem i wiatrem. Metoda ta ogranicza również wzrost chwastów między rzędami i pozwala na wysoce wydajną „fertygację” - dostarczanie składników odżywczych poprzez wodę do nawadniania.
Dla tych, którzy chcą zmaksymalizować wydajność aplikacji, kluczem jest inwestowanie w sprzęt wysokiej jakości. Niezawodne produkty, takie jak taśmy kroplujące dostępne u wyspecjalizowanych producentówzapewniają stały dopływ wody i trwałość. Przekłada się to bezpośrednio na wyższą efektywność wykorzystania wody i lepsze wyniki upraw.
Zaawansowane korekty dynamiczne
Statyczne, sezonowe obliczenia zapewniają solidną podstawę. Aby jednak osiągnąć szczytową efektywność wykorzystania wody w rolnictwie, należy wyjść poza średnie i wykorzystać dane-czasu rzeczywistego do dynamicznego zarządzania nawadnianiem.
4.1 Słuchanie swojej gleby
Czujniki wilgotności gleby umożliwiają bezpośrednią komunikację ze strefą korzeniową roślin. Odpowiadają na krytyczne pytania: „Kiedy należy nawadniać?” oraz „Ile wody pozostało w glebie?”
Narzędzia te umożliwiają bezpośrednie-pomiary zawartości wody w glebie. Eliminuje to zgadywanie z planowania. Typowe typy obejmują tensjometry, które mierzą napięcie wody w glebie oraz sondy elektroniczne (TDR, pojemność), które mierzą objętościową zawartość wody.
Umieść czujniki na różnych głębokościach w strefie korzeniowej, aby ustalić wyzwalacze nawadniania. Na przykład powszechną strategią jest nawadnianie, gdy wilgotność gleby spadnie do 50%-dostępnej dla roślin wody. Zapobiega to stresowi w uprawie.
4.2 Integracja danych pogodowych
Zamiast korzystać z historycznych średnich miesięcznych dla ET₀, naprawdę inteligentny system wykorzystuje dane pogodowe-w czasie rzeczywistym.
Nowoczesne stacje pogodowe podają dzienne lub nawet godzinowe wartości ET₀. Mogą one znajdować się w-gospodarstwie lub w ramach sieci regionalnej. Integracja tych bieżących danych z obliczeniami umożliwia natychmiastowe dostosowanie harmonogramu nawadniania.
Praktyka ta zapobiega nadmiernemu podlewaniu przed przewidywaną ulewą. I odwrotnie, zapewnia dostarczenie wystarczającej ilości wody, aby przetrwać nieoczekiwaną falę upałów. Precyzyjnie-dostosowuje zużycie wody do rzeczywistych warunków danego dnia.
4.3 Rozliczanie strat wody
Prawdziwie zaawansowane obliczenia wykraczają poza same potrzeby upraw. Odpowiada za inne niezbędne zastosowania i straty wody. Ten poziom szczegółowości rzadko jest omawiany w podstawowych przewodnikach.
Jednym z kluczowych czynników jest wymóg wymywania (LR). Na obszarach o zasolonej glebie lub wodzie należy zastosować dodatkową wodę, aby spłukać nagromadzoną sól poniżej strefy korzeniowej. Zignorowanie tego może z czasem prowadzić do gromadzenia się toksycznych soli i poważnego zmniejszenia plonów.
Należy także pracować nad minimalizacją i uwzględnieniem strat spowodowanych spływem i głęboką perkolacją. Techniki takie jak „nawadnianie pulsacyjne” mogą drastycznie zmniejszyć spływ na pochyłych lub ciasnych glebach. Polega ona na podawaniu wody w krótkich seriach, aby umożliwić wchłonięcie gleby. Dopasowanie dawki stosowanej w systemie do szybkości infiltracji gleby ma kluczowe znaczenie. Zapobiega to przedostawaniu się wody przez strefę korzeniową, zanim rośliny będą mogły z niej skorzystać.
Wniosek
Era nawadniania według kalendarza lub dotyku gleby dobiegła końca. Droga do bardziej zyskownej, odpornej i zrównoważonej działalności rolniczej jest wybrukowana danymi. Oszczędzanie wody w rolnictwie dzięki takiemu podejściu przynosi stałe korzyści w postaci zaoszczędzonej wody, energii i wyższych, bardziej niezawodnych plonów.