Συγκριτική ανάλυση αυτοματοποιημένων συστημάτων άρδευσης

Abstract

This dissertation is structured in two main axes, each of which refers to one of the most important problems of the global scientific community in the last decade. The first of these, refers to the ever-increasing energy issue that our planet is facing today. The second, relates to the saving of irrigation water, as agriculture is the world's largest consumer of water. Therefore, a small percentage of water savings from it, achieves large quantities for other competitive water uses. The rapidly growing energy needs that is observed nowadays worldwide, makes it necessary to search for new energy sources. The natural resources which the world's population is currently relying for energy supply are mainly non-renewable, with the most widely used fossil fuels. As a result, due to their continued use, we are faced with the serious risk of their depletion and at the same time the creation and exacerbation of serious environmental problems such as acid rain and greenhouse effect. The emerging solution to the problem is the use of alternative forms of energy, namely Renewable Energy Sources, which are inexhaustible and environmentally friendly. These include energy crops which can produce different types of biomass as main products, which can be used for various energy purposes such as the production of solid, liquid and gaseous biofuels. Water has always been one of the most important economic and social development factors in every country and today, a crucial natural resource, with limited availability. The agricultural sector is the main consumer of water, accounting for around 80% of the total amount of water used worldwide, while in Greece the corresponding share is around 87.5%. In general today, the current status in the irrigation sector has the effect of wasting water. This makes it imperative to take action to address this problem, such as precisely identifying the water needs of crops, using more efficient water irrigation methods and cultivating plants tolerant to possible water scarcity. The drip irrigation (surface and underground) is one of the modern methods of irrigation, which achieves greater efficiency in the application of irrigation water. The underground drip irrigation system is a variation of the widely applied surface drip irrigation system in which drip piping is placed under the surface of the soil. In addition, drip irrigation is a method that offers the possibility of combining with automation. In this context, the subject of this thesis was: (a) to estimate the growth and productivity of sunflower as energy crops for the production of biodiesel, under the different methods of irrigation planning in Thessaly; (b) to evaluate the cultivation of the sunflower, energy crop, under low-input farming conditions (c) the influence of different irrigation programming methods on the production of biomass from sunflower; (d) a comparison of the irrigation programming methods in terms of savings (e) the study and comparison of different partially or fully automated irrigation programming methods, the maximization of the energy benefit from the cultivation of the sunflower energy plant and the saving of irrigation water. The survey was carried out on an experimental crop field in the Farm of the University of Thessaly, in the area of Velestino of Magnesia during the farming periods of 2011 (pilot application), 2012, 2013 and 2014. The experimental plan that was implemented was six complete treatment groups in four replicates. The treatments applied were: (a) surface drip irrigation, in which irrigation planning was carried out using the evaporation pan method (A.E.), (2) surface drip irrigation, in which irrigation planning was carried out using the Penman-Monteith method (P. - M.), (3) surface drip irrigation, in which the irrigation programming was based on the 10HS soil moisture sensor (SMS), (4) the surface drip irrigation, in which irrigation programming was based on the measuring sensor water potential resources Watermark (W.M.), and (5) the surface (AUTO (E)) and (6) the underground (AUTO (Y)) drip irrigation, in which the irrigation scheduling based on automatic evaporation pan. The irrigation dose applied to all treatments was equal to 100% of the water crop needs. The underground application pipes were placed 45 cm below the ground surface, with special sub-surface machinery, spaced between 160 cm and 20 mm in diameter, made of polyethylene. The dispensers were 2.3 l / h, and were self-cleaning and self-regulating. In the present thesis irrigation programming was based both on methods of calculating the reference evaporation and in soil moisture and water potential measurement systems. In particular, the calculation of the reference evaporation (ET0) and irrigation programming was based on the Penman - Monteith method, the treatment P.-M. The calculation of the reference evaporation (ET0) and the calculation of the irrigation dose for treatment A.E. was carried out using the type A evaporation. The automatic evaporation system was based on this method and was used for irrigation programming in AUTO (E) and AUTO (Y) operations. In S.M.S. and W.M., irrigation programming was based on the measurement of soil moisture and water potential, respectively. For this reason, the characteristic curve of the soil, in order to determine its hydraulic characteristics, such as the permanent wetting point and its water-ductility, was extracted in laboratory. Due to high values, we conclude that the soil of the experimental crop field was particularly heavy. The irrigation of four of the six treatments was performed every two days, while in S.M.S. and W.M. were determined by the rate of depletion of soil moisture. Also, in all treatments, surface drip irrigation was applied except for AUTO (Y) to which the underground drip irrigation method was applied. From the comparative study of the six above-mentioned irrigation programming methods, the results of the treatments using the automatic evaporation were satisfactory. The parameters taken into account to draw this conclusion were: (a) the achievement of the maximum possible output of the final product (seed), at the same time with the maximum possible saving of irrigation water, (b) keeping the cost in reasonable limits and (c) establishing a simple method for use by the producer or producer group.

Η παρούσα διατριβή είναι δομημένη σε δύο βασικούς άξονες, καθένας εκ των οποίων αναφέρεται σε ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που απασχολούν την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, την τελευταία δεκαετία. Ο πρώτος εξ αυτών, αναφέρεται στο ολοένα και διογκούμενο ενεργειακό ζήτημα που αντιμετωπίζει σήμερα ο πλανήτης μας. Ο δεύτερος άξονας αναφέρεται στην εξοικονόμηση αρδευτικού νερού, καθώς η γεωργία αποτελεί παγκοσμίως τον μεγαλύτερο καταναλωτή υδάτων. Συνεπώς, μια μικρή ποσοστιαία εξοικονόμηση νερού από αυτόν, επιτυγχάνει μεγάλες ποσότητες για τις υπόλοιπες ανταγωνιστικές χρήσεις νερού. Η ραγδαία αύξηση των αναγκών σε ενέργεια που παρατηρείται στη σημερινή εποχή σε παγκόσμιο επίπεδο, καθιστά αναγκαία την αναζήτηση νέων ενεργειακών πηγών. Οι φυσικοί πόροι από τους οποίους έως και σήμερα, ο παγκόσμιος πληθυσμός προμηθεύεται ενέργεια για την κάλυψη των αναγκών του είναι κυρίως μη ανανεώσιμοι, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τα ευρύτατα χρησιμοποιούμενα ορυκτά καύσιμα. Ως εκ τούτου, από τη συνεχή χρήση τους βρισκόμαστε αντιμέτωποι με το σοβαρό κίνδυνο εξάντλησης των αποθεμάτων τους και παράλληλα, με τη δημιουργία και όξυνση σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων, όπως η όξινη βροχή και το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Η διαφαινόμενη λύση του προβλήματος είναι η χρήση εναλλακτικών μορφών ενέργειας και συγκεκριμένα των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, οι οποίες είναι ανεξάντλητες και φιλικές προς το περιβάλλον. Σε αυτές, συγκαταλέγονται και οι ενεργειακές καλλιέργειες, από τις οποίες παράγονται διάφορα είδη βιομάζας ως κύρια προϊόντα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορους ενεργειακούς σκοπούς, όπως η παραγωγή στερεών, υγρών και αερίων βιοκαυσίμων. Το νερό ανέκαθεν αποτελούσε έναν από τους βασικότερους παράγοντες οικονομικής και κοινωνικής ανάπτυξης της εκάστοτε χώρας και σήμερα, έναν κρίσιμο φυσικό πόρο, ο οποίος βρίσκεται σε περιορισμένη διαθεσιμότητα. Ο αγροτικός τομέας αποτελεί τον κύριο χρήστη νερού, με συμμετοχή που ανέρχεται περίπου στο 80% της συνολικής ποσότητας νερού που χρησιμοποιείται παγκοσμίως, ενώ στην Ελλάδα το αντίστοιχο ποσοστό ανέρχεται στο 87,5% περίπου. Γενικά, σήμερα το υφιστάμενο καθεστώς στον τομέα των αρδεύσεων έχει ως συνέπεια την κατασπατάληση νερού. Το γεγονός αυτό, καθιστά επιτακτική την ανάγκη λήψης μέτρων αντιμετώπισης αυτού του προβλήματος, όπως τον ακριβή προσδιορισμό των αναγκών σε νερό των καλλιεργειών, τη χρήση μεθόδων αποτελεσματικότερης εφαρμογής του νερού άρδευσης και την καλλιέργεια φυτών με ανοχή σε πιθανή έλλειψη νερού. Η στάγδην άρδευση (επιφανειακή και υπόγεια) συγκαταλέγεται στις σύγχρονες μεθόδους άρδευσης, με τις οποίες επιτυγχάνεται μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα κατά την εφαρμογή αρδευτικού νερού. Το σύστημα υπόγειας στάγδην άρδευσης αποτελεί παραλλαγή του ευρύτατα εφαρμοζόμενου επιφανειακού συστήματος άρδευσης με σταγόνα, στο οποίο οι σταλακτηφόροι αγωγοί τοποθετούνται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Επιπλέον, η στάγδην άρδευση αποτελεί μια μέθοδο που προσφέρει τη δυνατότητα συνδυασμού με αυτοματισμούς. Στο πλαίσιο αυτό, αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε: (α) η εκτίμηση της ανάπτυξης και παραγωγικότητας του ηλίανθου, ως ενεργειακή καλλιέργεια με σκοπό την παραγωγή βιοντίζελ, υπό το καθεστώς διαφορετικών μεθόδων προγραμματισμού της άρδευσης στη Θεσσαλία, (β) η αξιολόγηση της καλλιέργειας του ενεργειακού φυτού ηλίανθου υπό συνθήκες γεωργίας χαμηλών εισροών, (γ) η επίδραση διαφορετικών μεθόδων προγραμματισμού άρδευσης στην παραγωγή βιομάζας από τον ηλίανθο, (δ) η σύγκριση των μεθόδων προγραμματισμού της άρδευσης με όρους εξοικονόμησης και αποδοτικότητας χρήσης νερού, (ε) η μελέτη και σύγκριση διαφορετικών μερικώς ή πλήρως αυτοματοποιημένων μεθόδων προγραμματισμού των αρδεύσεων, στη μεγιστοποίηση της ενεργειακής ωφέλειας από την καλλιέργεια του ενεργειακού φυτού ηλίανθου και στην εξοικονόμηση αρδευτικού νερού.Η έρευνα έλαβε χώρα σε πειραματικό αγροτεμάχιο του Αγροκτήματος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, στην περιοχή του Βελεστίνου Μαγνησίας, κατά τις καλλιεργητικές περιόδους 2011 (πιλοτική εφαρμογή), 2012, 2013 και 2014. Το πειραματικό σχέδιο που εφαρμόστηκε ήταν Πλήρων Τυχαιοποιημένων Ομάδων έξι μεταχειρίσεων, σε τέσσερις επαναλήψεις. Οι μεταχειρίσεις που εφαρμόστηκαν ήταν: (α) η επιφανειακή στάγδην άρδευση, στην οποία ο προγραμματισμός των αρδεύσεων πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο του απλού εξατμισιμέτρου, (2) η επιφανειακή στάγδην άρδευση, στην οποία ο προγραμματισμός των αρδεύσεων έγινε βάσει της μεθόδου Penman – Monteith (P. – M.), (3) η επιφανειακή στάγδην άρδευση, στην οποία ο προγραμματισμός των αρδεύσεων βασίστηκε στον αισθητήρα μέτρησης υγρασίας 10HS (S.M.S.), (4) η επιφανειακή στάγδην άρδευση, κατά την οποία ο προγραμματισμός των αρδεύσεων βασίστηκε στον αισθητήρα μέτρησης υδατικού δυναμικού Watermark (W.M.), καθώς και (5) η επιφανειακή (AUTO(E)) και (6) η υπόγεια (AUTO(Y)) στάγδην άρδευση, στις οποίες ο προγραμματισμός των αρδεύσεων βασίστηκε στο αυτόματο εξατμισίμετρο. Η δόση άρδευσης που εφαρμόστηκε σε όλες τις μεταχειρίσεις ήταν ίση με το 100% των αναγκών της καλλιέργειας σε νερό.Οι υπόγειοι αγωγοί εφαρμογής τοποθετήθηκαν στα 45 cm κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, με ειδικό υπεδαφοθέτη και ισαποχή μεταξύ τους 160 cm. Η διάμετρός τους ήταν 20 mm και ήταν κατασκευασμένοι από πολυαιθυλένιο. Η παροχή των σταλακτήρων ήταν 2,3 L/h, και ήταν αυτοκαθαριζόμενοι και αυτορυθμιζόμενοι. Στην παρούσα διατριβή, ο προγραμματισμός της άρδευσης βασίστηκε τόσο σε μεθόδους υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, όσο και σε συστήματα μέτρησης εδαφικής υγρασίας και υδατικού δυναμικού. Συγκεκριμένα, ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ET0) και ο προγραμματισμός της άρδευσης βασίστηκε στη μέθοδο Penman – Monteith, στη μεταχείριση Ρ. – Μ. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤ0) και ο υπολογισμός της δόσης άρδευσης για τη μεταχείριση Α.Ε. πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο του εξατμισιμέτρου τύπου Α. Βασιζόμενη σε αυτή τη μέθοδο ήταν και η λειτουργία του συστήματος του αυτόματου εξατμισιμέτρου, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον προγραμματισμό της άρδευσης στις μεταχειρίσεις AUTO(E) και AUTO(Y). Στις μεταχειρίσεις S.M.S. και W.M., ο προγραμματισμός των αρδεύσεων βασίστηκε στη μέτρηση της εδαφική υγρασίας και του υδατικού δυναμικού, αντιστοίχως. Γι’ αυτό το λόγο, εξήχθη εργαστηριακά η χαρακτηριστική καμπύλη του εδάφους, για τον προσδιορισμό των υδραυλικών χαρακτηριστικών του, όπως το σημείο μόνιμης μάρανσης και η υδατοϊκανότητά του. Από τις υψηλές τιμές που προέκυψαν, συμπεραίνουμε ότι το έδαφος του πειραματικού αγροτεμαχίου ήταν ιδιαιτέρως βαρύ. Η άρδευση των τεσσάρων εκ των έξι μεταχειρίσεων πραγματοποιούνταν ανά δύο ημέρες, ενώ στις μεταχειρίσεις S.M.S. και W.M. καθορίζονταν από το ρυθμό εξάντλησης της εδαφικής υγρασίας. Επίσης, σε όλες τις μεταχειρίσεις εφαρμόστηκε επιφανειακή στάγδην άρδευση, εκτός από την AUTO(Y) στην οποία εφαρμόστηκε η μέθοδος της υπόγειας στάγδην άρδευσης. Από τη συγκριτική μελέτη των έξι προαναφερθέντων μεθόδων προγραμματισμού της άρδευσης, ικανοποιητικά ήταν τα αποτελέσματα της μεταχείρισης επιφανειακής στάγδην άρδευσης, στην οποία χρησιμοποιήθηκε το αυτόματο εξατμισίμετρο. Οι παράμετροι που ελήφθησαν υπόψη για την εξαγωγή του συμπεράσματος αυτού ήταν: (α) η επίτευξη της μέγιστης δυνατής απόδοσης τελικού προϊόντος (σπόρου), ταυτοχρόνως με τη μέγιστη δυνατή εξοικονόμηση νερού άρδευσης, (β) το κόστος να κυμαίνεται σε λογικά πλαίσια και (γ) η μέθοδος να είναι σχετικά απλή στη χρήση της από τον παραγωγό ή την ομάδα παραγωγών.