Alex Ciulla
Lo studio, svolto da ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Ambientale, Università della Calabria, Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali, Università di Milano e Centro di ricerca agricola sulle terre aride degli Stati Uniti, si è incentrato sull’irrigazione di precisione, il controllo delle variabili idrauliche-idrologiche e la valutazione delle prestazioni, integrati in un ambiente di simulazione. La sperimentazione è stata condotta nella pianura padana dell'Italia settentrionale, mettendo a confronto la modellazione dinamica dell'irrigazione unidimensionale (WinSRFR) e bidimensionale (IrriSurf2D). I risultati mostrano che l'approccio di modellazione bidimensionale è in grado di riprodurre bene le profondità dell'acqua e le fasi di avanzamento e depauperamento dell'acqua sia nel tempo che nello spazio delle fasce di irrigazione; ma anche di rilevare la variabilità incrociata delle dinamiche di irrigazione e fornire una valutazione spaziale delle prestazioni di irrigazione ad alta risoluzione. Rispetto all'approccio idrodinamico unidimensionale che descrive il comportamento idraulico dell'irrigazione di superficie e le prestazioni di irrigazione su scala di campo, l'approccio bidimensionale fornisce, nel nostro studio un valido ambiente di simulazione per caratterizzare spazialmente le dinamiche di irrigazione nel contesto dell'irrigazione di superficie di precisione.
L'irrigazione di superficie, compresi bordi, bacini e solchi, è ampiamente praticata in tutto il mondo ( Nie et al., 2019 , Li et al., 2020 , Bjorneberg et al., 2020 , Masseroni et al., 2022 , Champness et al., 2023 , Liu et al., 2023 ) grazie alla sua adattabilità a diverse condizioni del suolo, sistemi di produzione delle colture e condizioni di approvvigionamento idrico, comprese situazioni in cui l'approvvigionamento è incerto, variabile e/o limitato. L'irrigazione di superficie ha anche costi di installazione e requisiti energetici inferiori rispetto ai moderni sistemi pressurizzati ( Koech et al., 2014 , Mazarei et al., 2020 ). Tuttavia, le prestazioni idrauliche dei sistemi di irrigazione di superficie, misurate in termini di efficienza e uniformità dell'applicazione dell'acqua, sono spesso scarse a causa di una progettazione e/o di un funzionamento inadeguati e, di conseguenza, di un controllo dell'acqua inadeguato ( Morris et al., 2015 ). Una scarsa efficienza e uniformità dell'irrigazione non solo diminuisce la produttività delle colture e la redditività dell'impresa agricola, ma compromette anche la sostenibilità delle pratiche di irrigazione inducendo problemi di ristagno idrico, salinità ed erosione del suolo ( Ebrahimian e Liaghat, 2011 ). Un controllo scadente dell'acqua nell'irrigazione di superficie scoraggia inoltre gli agricoltori dall'adottare moderne pratiche di gestione dell'irrigazione, come la programmazione dell'irrigazione e l'uso di sensori per rilevare lo stato idrico del suolo e, pertanto, le loro pratiche di gestione nei sistemi di irrigazione di superficie rimangono in gran parte euristiche ( Morris et al., 2015 ).
Nell'area del Mediterraneo, la disponibilità di acqua dolce sta diminuendo e le esigenze di irrigazione delle colture stanno aumentando a causa del cambiamento climatico ( Garrote et al., 2015 ). Considerando la grande quantità di acqua dolce proveniente dall'agricoltura irrigua e l'ampio uso dell'irrigazione di superficie, il miglioramento delle pratiche di irrigazione di superficie, dalla progettazione/funzionamento al controllo delle prestazioni, sembra fondamentale. Un nuovo concetto di irrigazione di superficie di precisione soddisfa queste esigenze. Viene qui sostenuto, basato su tre pilastri ( Fig. 1 ). Il primo è la progettazione del campo basata su studi idraulici e livellamento laser periodico per mantenere la pendenza di progetto del campo e controllare la microtopografia. Il secondo è il controllo preciso della portata di afflusso, del tempo di applicazione dell'acqua e della valutazione/rilevamento delle condizioni di umidità del suolo. L'ultimo è la valutazione regolare delle prestazioni dell'irrigazione di superficie. Questi tre pilastri vengono quindi incorporati in un ambiente di simulazione che descrive le dinamiche spaziali dell'irrigazione di superficie.
Per quasi cinque decenni sono stati sviluppati modelli di simulazione come strumenti per migliorare la progettazione e il funzionamento dell'irrigazione di superficie basata sui principi idraulici ( Canone et al., 2015 , Valipour et al., 2015 , Pereira e Marques, 2017 ; Elshaikh et al., 2018 ; Bristow et al., 2020 ; Smith e Uddin, 2020 ; Tenreiro et al., 2020 ; Hamdi Ahmadabad et al., 2021 ; Costabile et al., 2023 ). Questi modelli possono essere utilizzati per studiare diverse progettazioni (larghezza, lunghezza e pendenza del campo) e alternative operative (portata di afflusso e tempo di interruzione) senza la necessità di esperimenti sul campo estesi e costosi ( Mehri et al., 2023 ). Sebbene matematicamente complessi, i modelli di simulazione dell'irrigazione si sono evoluti in applicazioni per l'utente finale come WinSRFR ( Bautista et al., 2009 , Bautista e Schlegel, 2019 ) che ora vengono utilizzate non solo per la ricerca, ma anche per analisi pratiche ( Alavi et al., 2022 , Bautista e Schlegel, 2020 , Brunetti et al., 2018 , Golestani Kermani et al., 2019 , Liu et al., 2020 , Mazarei et al., 2020 , Mehri et al., 2023 , Nie et al., 2019 , Radmanesh et al., 2023 , Reuben et al., 2023 , Salahou et al., 2018 , Sayari et al., 2017 , Seifi et al., 2023 , Xu et al., 2019 , Yadeta et al., 2022 , Zai et al., 2022 ).
WinSRFR e la maggior parte degli altri modelli di irrigazione di superficie presuppongono un flusso superficiale unidimensionale, quindi l'avanzamento del flusso è uniforme lungo la larghezza del campo. Questa ipotesi è più applicabile ai solchi che ai bordi o ai bacini per vari motivi. In primo luogo, ci si può aspettare che le variazioni micro-topografiche trasversali alla direzione del flusso principale siano più evidenti con larghezze di canale maggiori e quindi con i bordi che con i solchi. In secondo luogo, il flusso non può essere unidimensionale nei bordi non rettangolari. Infine, il flusso unidimensionale può verificarsi solo nei bordi se il flusso è distribuito uniformemente lungo il confine superiore, mentre il flusso è spesso erogato ai bordi spesso da una sorgente puntiforme. I modelli unidimensionali possono comunque fornire un'approssimazione ragionevole a molti problemi di irrigazione di confine, ma nei casi in cui il flusso è chiaramente bidimensionale è necessario un diverso approccio di modellazione.
Negli ultimi anni sono stati segnalati diversi modelli 2D ( Naghedifar et al., 2019 , Githui et al., 2020 , Liu et al., 2021 , Costabile et al., 2023 ). Questo sviluppo è strettamente correlato allo sviluppo di tecniche computazionali a volume finito applicabili alla soluzione delle equazioni delle acque basse. Mentre lo sviluppo del modello 2D è ancora in gran parte nella fase di ricerca, le applicazioni pratiche stanno diventando più probabili perché rilievi topografici altamente accurati e dettagliati di campi irrigati, essenziali per il corretto utilizzo di queste modalità, possono ora essere condotti in poco tempo e a costi relativamente bassi con veicoli aerei senza pilota (UAV).
Questo articolo descrive un campo di irrigazione superficiale e uno studio di simulazione condotto nella pianura Padana (Italia settentrionale). Lo studio mette a confronto la valutazione delle prestazioni risultante dalla simulazione dell'evento di irrigazione con un modello di simulazione di irrigazione superficiale 2D (IrriSurf2D; Costabile et al., 2023 ) e con un modello 1D (SRFR; Bautista et al., 2016 , Strelkoff, 1990 ). Gli approcci di modellazione 1D e 2D sono stati confrontati nella descrizione di (i) profondità dell'acqua nel campo, (ii) tempo di avanzamento del fronte d'acqua, (iii) volume infiltrato, (iv) prestazioni di irrigazione (in termini di adeguatezza spaziale e uniformità). I risultati sono stati successivamente discussi nel contesto di una prospettiva di irrigazione superficiale di precisione .
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