Résoudre les problèmes de pénurie d'eau grâce à des systèmes d'irrigation agricole sophistiqués

Au cours des dix dernières années, les contrôles d'irrigation agricole sont devenus de plus en plus sophistiqués. Aujourd'hui, de nombreux agriculteurs ont remplacé les programmateurs d'irrigation et les régulateurs hydrauliques traditionnels par des composants de contrôle et de connectivité avancés, empruntés à ceux utilisés dans les applications industrielles, notamment les systèmes utilisant des automates programmables (PLC), des PC industriels et des composants d'automatisation de plus en plus économiques ayant la capacité de se connecter à des protocoles de communication industriels courants et de les exploiter. Ces contrôleurs et composants peuvent accepter des données provenant de sources telles que des capteurs d'humidité des sols, des stations météorologiques et des capteurs de gel, afin de déclencher des réponses numériques adaptatives en temps réel.

De plus, ces systèmes de contrôle d'irrigation sophistiqués deviennent aujourd'hui plus abordables ... alors même que l'utilisation des données pour optimiser l'irrigation est devenue de plus en plus intelligente.

Figure 1 : L'entreprise Toro, spécialisée dans les équipements horticoles et agricoles, vend les systèmes d'irrigation agricole Tempus Automation qui tirent parti de la connectivité 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. La station de base permet aux agriculteurs de contrôler les vannes et les dispositifs de surveillance dans un rayon de 1,6 km. Des stations de base peuvent facilement être ajoutées pour étendre la portée, et toutes peuvent être alimentées par énergie solaire ou par câble. (Source de l'image : The Toro Co.)

Compte tenu du réchauffement climatique, de la sécheresse croissante, de la croissance démographique et de l'épuisement des réserves d'eau souterraines, il devient de plus en plus urgent d'économiser l'eau. En effet, l'eau pourrait bientôt devenir la principale ressource critique, dont l'importance géopolitique sera plus grande que celle du pétrole au 21e siècle — et peut-être même à l'origine des guerres de demain. Les problèmes liés à l'eau sont déjà anciens au Moyen-Orient. Cette région est devenue progressivement plus aride depuis la naissance de la civilisation et abrite aujourd'hui 5 % de la population mondiale avec seulement 1 % de l'eau douce de la planète.

Figure 2 : L'irrigation en serre et l'irrigation des cultures en lignes en plein air basées sur des systèmes de micro-pulvérisation et d'autres méthodes de goutte-à-goutte bénéficient de contrôles d'irrigation avancés. (Source de l'image : Getty Images)

Du point de vue des entreprises, la pénurie d'eau se traduit par une hausse des prix des denrées alimentaires et des produits agricoles, les prix de l'eau ayant augmenté plus rapidement que ceux de l'énergie au cours de la dernière décennie. En clair, il est devenu essentiel, tant pour les grandes exploitations commerciales que pour les start-up agricoles, de minimiser la consommation d'eau tout en maximisant le rendement des cultures.

Mécanismes d'irrigation et de culture contrôlables

Les exigences pour les contrôleurs d'irrigation dépendent de l'application et du type de système — qu'il s'agisse de systèmes d'arrosage, de systèmes de goutte-à-goutte ou de circuits d'arrosage hydroponiques.

Figure 3 : Les capteurs de dioxyde de carbone série T3000 sont dotés de boîtiers IP67 pour résister à l'humidité, à la saleté et à l'exposition aux engrais dans les exploitations agricoles verticales en intérieur. Ils fournissent des informations pour les routines de fertigation et d'irrigation hydroponiques automatisées. (Source de l'image : Amphenol Telaire)

L'irrigation des cultures en serre peut être très étroitement contrôlée ; sans la variabilité de l'environnement extérieur, la lumière optimale, l'eau, la fertilisation et la composition du sol peuvent être maintenues dans des limites de tolérance. L'irrigation repose toujours sur un réservoir avec une pompe et un circuit d'irrigation basé sur des bacs ... avec presque aucune perte d'eau par évaporation et aucune perte par ruissellement. Il existe une multitude d'options logicielles pour des cultures spécifiques ; ces programmes tiennent compte des connaissances de l'industrie sur les cycles de croissance des espèces végétales et des paramètres de culture privilégiés.

Figure 4 : Grâce à un boîtier IP67, les lampes WIL sont particulièrement adaptées aux applications d'agriculture numérique en intérieur. (Source de l'image : Weidmüller)

Pour l'agriculture traditionnelle en plein air, les arroseurs sont les équipements d'irrigation les plus utilisés, avec des modèles s'étendant des petits arroseurs à gazon (semblables à ceux utilisés par les particuliers sur les pelouses) aux arroseurs industriels à haute pression entraînés par des moteurs électriques ou des pompes diesel. Ces derniers incluent des systèmes massifs à déplacement linéaire capables d'irriguer des champs ouverts s'étendant sur plusieurs hectares grâce à leurs grands réseaux d'arrosage.

Les arroseurs canons constituent un autre type de système d'irrigation automatisé fréquemment utilisé dans les grandes exploitations. Des variantes simplifiées de ces produits sont également vendues en tant que produits grand public d'irrigation des pelouses. Les arroseurs canons se composent d'une tête qui envoie un jet d'eau devant un bras mécanique. Cette eau est touchée à plusieurs reprises par le bras et dispersée sur les cultures. La pression résultante et le mouvement du bras mécanique poussent la tête autour d'un pivot, ce qui permet à l'arroseur de décrire un cercle ou un arc partiel.

Une dernière option pour l'arrosage automatisé des cultures agricoles est l'irrigation goutte-à-goutte. Qu'elle soit basée sur des réseaux de tuyaux dits « percés » ou sur des réseaux de têtes de micro-pulvérisation, l'irrigation goutte-à-goutte réduit la consommation d'eau (et en particulier l'eau perdue par évaporation) en acheminant l'eau plus directement vers les racines des plantes.

En savoir plus sur l'irrigation agricole à pivot central et à déplacement linéaire

L'irrigation à pivot central est une adaptation avancée de l'arrosage par aspersion. C'est l'un des moyens les plus efficaces pour irriguer de vastes champs ouverts, avec des systèmes typiques pouvant couvrir un rayon de 400 m sur une superficie allant jusqu'à 50 hectares environ. Les systèmes d'irrigation à pivot central irriguent un arc de cercle ou un arc partiel en faisant tourner un tuyau d'irrigation (comportant de nombreuses têtes d'arrosage) autour d'un pivot fixe. Le tuyau est porté par plusieurs tours déplacées sur le sol par des roues motorisées.

Figure 5 : Les programmateurs sont utilisés avec les systèmes d'irrigation à pivot central pour commander des programmes d'arrosage de base. De plus, les moniteurs de sous-courant surveillent souvent une branche des systèmes triphasés sur les tours des systèmes d'irrigation à pivot central. Ces moniteurs de sous-courant détectent les tours calées ou bloquées afin d'éviter un arrosage excessif. (Source de l'image : Littelfuse)

Entre les tours, le tuyau d'eau est soutenu par une charpente utilisant des câbles comme éléments de tension — très similaire aux supports d'un pont suspendu. Développés dans les années 1940, les premiers systèmes d'irrigation à pivot central utilisaient le flux d'eau pour entraîner les roues. Aujourd'hui, il est beaucoup plus courant que ce type d'équipement s'appuie sur des moteurs électriques pour faire tourner ses roues et assurer sa propulsion. La vitesse de ces roues peut être assez lente, car il faut parfois quelques jours pour que les contrôles du système commandent aux roues une révolution complète.

Figure 6 : Le logiciel AgSense (accessible sous forme d'application sur appareils mobiles et ordinateurs portables) exploite les technologies GPS et de retour d'informations pour aider les agriculteurs à suivre les pompes d'irrigation et les composants auxiliaires, les états de débit et de pression, les niveaux d'humidité du sol, les conditions météorologiques, les niveaux des réservoirs (le cas échéant) et les preuves de vol. En tant qu'option phare pour les systèmes d'irrigation à pivot automatisés (mais également compatible avec les machines linéaires), l'offre fournit des informations et des alarmes en temps réel et permet même de gérer un parc mixte de pivots hydrauliques et électriques. Essentiellement, le logiciel permet d'utiliser les fonctionnalités de panneaux numériques tout en maintenant la compatibilité avec les panneaux mécaniques, quelle que soit la marque ou l'année. (Source de l'image : Valmont Industries Inc.)

Les systèmes d'irrigation à pivot sont des machines volumineuses et étonnamment complexes, présentant leurs propres défis en matière de contrôle des parcelles. Les tours ne se déplacent pas à l'unisson, mais s'arrêtent et démarrent individuellement pour maintenir l'alignement approximatif du tuyau. La flexibilité considérable du tuyau et de la charpente le soutenant permet d'absorber les mouvements irréguliers des tours et les ondulations naturelles du sol.

Sur les systèmes d'irrigation à pivot, les sections de la tour sont contrôlées individuellement. Traditionnellement, cette fonction est assurée par des mécanismes simples et des interrupteurs fin de course. Chaque section peut facilement déterminer son angle par rapport à la section suivante en contrôlant la position d'un levier fixé à la section suivante. De simples interrupteurs fin course peuvent alors démarrer, arrêter et inverser les roues, en fonction de la position angulaire relative de la section de tour suivante. Une telle approche est adaptée à une commande hydraulique simple avec des roues à entraînement hydraulique.

Un pistolet de pulvérisation placé à l'extrémité de la tour de pivot central la plus extérieure permet d'étendre la zone irriguée au-delà de la structure physique. Si ce système fonctionne en continu, la zone sera toujours circulaire. Cependant, en contrôlant le pistolet, il est possible d'irriguer une région approximativement carrée à l'aide d'un système d'irrigation à pivot central.

(Source de la vidéo : UNL Biological Systems Engineering)

Employant également des arroseurs, les systèmes d'irrigation à déplacement linéaire sont similaires aux systèmes à pivot central. Cependant, les sections de la tour ne sont pas entraînées en arc autour d'un pivot fixe. Au lieu de cela, elles se déplacent d'avant en arrière en ligne droite. Cela signifie que les systèmes d'irrigation à déplacement linéaire couvrent une zone rectangulaire plutôt que circulaire. Une telle zone de couverture peut être mieux adaptée aux systèmes de terrain existants et fournir une couverture plus complète. Cependant, cela rend également plus difficile le contrôle des tours commandées et le contrôle de l'eau d'alimentation.

Figure 7 : Système d'irrigation à déplacement linéaire. Les systèmes automatisés employant cet équipement mécanique permettent de relever les défis difficiles de l'irrigation extérieure. (Source de l'image : Getty Images)

Dans certains cas, l'eau est acheminée par un canal ouvert le long d'un bord de la zone d'irrigation ou (dans des configurations alternatives) par un tuyau flexible. Les tours de ces systèmes d'irrigation à déplacement linéaire doivent présenter des vitesses coordonnées pour maintenir le tuyau raisonnablement droit — et les tours doivent fonctionner ensemble pour que le système avance et recule continuellement sur le champ sans dévier de sa trajectoire. Pour répondre à ces exigences, certaines tours sont programmées pour suivre des câbles enterrés.

Contrôleurs d'irrigation agricole

Les contrôleurs d'irrigation les plus simples ne sont que des programmateurs qui permettent le flux libre de l'eau à des heures prédéfinies. De tels programmateurs sont également présents dans les arroseurs de pelouse grand public.

Les contrôleurs d'irrigation industriels sont un peu plus sophistiqués. Ils se présentent traditionnellement sous la forme de systèmes de contrôle hydraulique ... et sont souvent associés à des irrigateurs à pivot central.

Aujourd'hui, de nombreux contrôles d'irrigation industriels plus avancés utilisent des PLC standard. Outre le contrôle de mouvement des grands irrigateurs tels que ceux basés sur un équipement d'irrigation à déplacement linéaire, ces systèmes électroniques basés sur PLC peuvent être configurés pour accepter des entrées provenant de capteurs d'humidité du sol, de capteurs de débit, de stations météorologiques et de capteurs de gel. Certains systèmes de ce type sont désormais facilement à la portée de très petites exploitations agricoles (dans l'industrie fruitière ainsi que dans l'industrie de l'agriculture intelligente en intérieur) avec des contrôleurs tels qu'Arduino pour automatiser l'arrosage des plantes et des serres.

Figure 8 : Le NETBEAT NetMCU est un exemple de contrôleur d'irrigation intégré de grade commercial — et en fait, le produit renforcé exécute une multitude de tâches de fertilisation, de fertigation, de modélisation des cultures et de prévision pour une solution d'agriculture numérique complète. (Source de l'image : Netafim)

Les contrôleurs d'irrigation automatisés peuvent mesurer le débit afin de garantir la distribution d'une quantité d'eau mesurée, plutôt qu'une quantité arbitraire distribuée sur une période prédéfinie. En distribuant une quantité d'eau connue pour une surface de sol donnée, il est possible d'obtenir des conditions de croissance idéales sans gaspiller d'eau. Le contrôle du débit permet également de détecter les obstructions et les fuites, ce qui permet d'alerter les opérateurs avant que les cultures ne subissent d'importants dommages ou que des pertes d'eau ne se produisent. Grâce aux protocoles IoT, les contrôleurs modernes peuvent même envoyer des alertes sur le téléphone portable d'un opérateur lorsque de tels événements se produisent.

Figure 9 : Les composants E/S et de contrôle automatisés RevPi sont construits autour de la variante Compute Module du mini-ordinateur SoM/CPU/GPU Raspberry Pi monocarte. Les dernières variantes RevPi prennent en charge les signaux analogiques utiles à certaines approches de contrôle de l'irrigation des cultures. (Source de l'image : KUNBUS)

Les contrôleurs d'évapotranspiration ou ET constituent une autre option de pointe pour certains agriculteurs. Ils estiment les besoins en eau en se basant sur les principes de l'équilibre sol-eau.

Le bilan hydrique est étudié dans le cadre de l'hydrologie agricole, mais fondamentalement, l'apport d'eau doit être égal au débit sortant plus la variation du stockage. Le débit sortant se compose du débit d'écoulement (ruissellement) et de l'évapotranspiration — le mouvement de l'eau vers l'atmosphère par évaporation et transpiration à travers la végétation.

Les contrôleurs d'évapotranspiration ont besoin de données en temps réel sur les flux entrants (débit d'irrigation et précipitations) ainsi que sur les paramètres environnementaux qui affectent l'évapotranspiration, tels que la température, l'humidité et l'éclairement énergétique du soleil. Les paramètres clés exigeant un contrôle étroit via un contrôleur ET (souvent un contrôleur d'automatisation adapté) incluent les coefficients de culture et les capacités de rétention d'eau du sol. Le coefficient de culture agricole détermine le taux de transpiration en fonction des conditions météorologiques et de la disponibilité de l'eau. Les contrôleurs ET peuvent réduire la consommation d'eau jusqu'à 63 %, ce qui représente des économies spectaculaires que bien d'autres méthodes ne permettent pas d'atteindre.

Conclusion

Les solutions d'irrigation sophistiquées abondent aujourd'hui pour les agriculteurs industriels à grande échelle. Les technologies d'automatisation ont également rendu les méthodes d'irrigation avancées suffisamment abordables pour les petits agriculteurs ainsi que pour les producteurs spécialisés dans les légumes et les cultures délicates dont les marges bénéficiaires sont plus étroites.