Nghiên cứu công nghệ tưới nước thông minh, tiết kiệm bằng hệ thống cảm biến độ ẩm cho một số loại cây trồng ở vùng hạn hán

Việt Nam là một nước đang phát triển, nền sản xuất nông nghiệp của Việt Nam còn phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên như điều kiện về đất đai, thời tiết, nguồn nước tưới tiêu... Khi nhiệt độ tăng, lượng mưa thay đổi, tính dị thường của các yếu tố thời tiết gia tăng, sẽ ảnh hưởng rất lớn tới sản xuất nông nghiệp, nhất là trong hoạt động trồng trọt. Bên cạnh đó, sự bất thường của khí hậu dẫn tới gia tăng dịch bệnh, dịch hại, giảm năng suất mùa vụ, và gây nhiều rủi ro khác trong lĩnh vực nông nghiệp. Trong thời gian qua, ở nhiều địa phương, mùa vụ đã bị mất trắng do thiên tai (lũ lụt và hạn hán).

Mô hình minh họa bố trí thử nghiệm hệ thống tưới nước tự động điều khiển từ xa

Do tác động của El Nino, trong năm 2015, nước ta đã xảy ra 14 đợt nắng nóng diện rộng với nhiệt độ cao hơn trung bình nhiều năm từ 0,5-1,50C và đã gây nhiều thiệt hại cho sản xuất và sinh hoạt của người dân cả nước. Ở khu vực Tây Nguyên và vùng Duyên hải Nam trung bộ tình trạng khô hạn kéo dài đang xảy ra và đã làm chết héo hàng loạt cây trồng như cà phê, nho táo, hồ tiêu và thiếu nước sinh hoạt trầm trọng. Những ngày này các tỉnh ở Tây Nguyên đang đối mặt với “cơn khát” đỉnh điểm khi hầu hết ruộng đồng nứt nẻ, cây cối chết khô, hàng nghìn người dân Gia Lai đang tìm đủ mọi cách vét kênh, đào đất, chắt chiu từng giọt nước để cứu mùa màng. Tuy nhiên, nhiều nơi người dân đã buông tay bất lực. Để đối phó với vấn đề hạn hán và thiếu nước ở các tỉnh này, nhiều biện pháp ngắn hạn trình đã được thực hiện như: khoan thêm giếng, lắp đặt thêm ống dẫn nước từ các hồ chứa, xây dựng phương án tưới cho phù hợp với từng loại cây trồng, áp dụng phương pháp tưới tiết kiệm nước theo hình thức khô - nước xen kẽ, chỉ vô nước giai đoạn bón phân.

Các nghiên cứu tưới tiết kiệm nước như tưới nhỏ giọt, tưới phun mưa cục bộ, tưới ngầm cục bộ đã và đang được áp dụng tại Việt Nam gần đây. Các mô hình tưới nhỏ giọt là kỹ thuật tưới cung cấp nước vào đất dưới dạng các giọt nước nhỏ ra từ thiết bị tạo giọt đặt trên mặt đất gần gốc cây, trong đó tưới phun mưa cục bộ là kỹ thuật tưới cung cấp nước cho cây trồng dưới dạng các hạt mưa hoặc hạt sương rơi trên một diện tích nhỏ xung quanh gốc cây trồng và tưới ngầm cục bộ là kỹ thuật tưới đưa nước vào đất dưới dạng các giọt nước ra thường xuyên từ thiết bị tưới đặt dưới mặt đất ở vùng rễ cây hoạt động. Các mô hình tưới tiết kiệm trên đã đem lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm nước, khả năng tiết kiệm đến 20% lượng nước; tuy nhiên, cơ sở khoa học cho việc tưới đúng, đủ cho cây trồng như thế nào thì các phương pháp này chưa thể hiện được.

Đối với Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào lĩnh vực nông nghiệp cũng đang được quan tâm nhưng chưa đạt nhiều thành công, đặc biệt là trong lĩnh vực quản lý tưới tiêu. Cho đến nay, việc ứng dụng CNTT vào nông nghiệp chỉ mới bắt đầu, chủ yếu là ứng dụng trong các cơ quan quản lý ngành, còn trong lĩnh vực nông nghiệp thì mới có một số ít doanh nghiệp thực hiện. Với đa số nông dân, dường như đây vẫn là câu chuyện của tương lai. Để nền nông nghiệp được phát triển bền vững trong thời kỳ kinh tế hội nhập, đặc biệt là trong thực trạng hiện nay về tình trạng hạn hán thiếu nước trầm trọng, một trong những mục tiêu quan trọng là cần đầu tư nâng cao trình độ tiếp nhận khoa học kỹ thuật, thay đổi tư duy canh tác bằng việc đưa ứng dụng CNTT vào sản xuất nông nghiệp là một trong những việc cần đầu tư, xúc tiến.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. HCM cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Đinh Thị Nga thực hiện “Nghiên cứu công nghệ tưới nước thông minh, tiết kiệm bằng hệ thống cảm biến độ ẩm (Soil Moisture Sensor) cho một số loại cây trồng ở vùng hạn hán Tây Nguyên và Duyên Hải Nam Trung Bộ”. Với mục tiêu xây dựng và thiết kế một hệ thống tưới tiết kiệm nước thông minh trên cơ sở thiết kế một hệ thống cảm biến độ ẩm (Soil Moisture Sensor) điều khiển từ xa, từ đó có thể để tính toán và xác định lượng nước tưới đúng thời điểm, chính xác và cần để cung cấp cụ thể cho một số loại cây trồng ở một số vùng hạn hán.

Tình trạng hạn hán, thiếu nước ở khu vực Tây Nguyên phụ thuộc vào lượng mưa trong mùa khô, với lượng mưa bị thiếu hụt từ đầu năm 2016 đến nay, hạn hán đã bắt đầu bước vào thời kỳ gay gắt và sẽ tiếp tục gia tăng, cao nhất khoảng cuôi thảng 4/2016. Hạn hán sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp răt lớn do cây trông bị ảnh hưởng chủ yêu là cây lâu năm, năng suất bị suy giảm nhiều năm. Nếu mùa mưa đên muộn (tháng 5/2016 chica có mưa), tình trạng hạn hán sẽ rất trầm trọng.

Cây cà phê và cây nho là hai loại cây trồng chủ yếu và đóng góp phần lớn vào thu nhập của người dân ở khu vực Tây Nguyên và Nam Trung Bộ. Trước tình hình diễn biến phức tạp và ngày càng khốc liệt của biến đổi khí hậu, tài nguyên nước ở ở các khu vực này đã và đang bị suy giảm nghiêm trọng. Tình trạng thiếu nước diễn ra trên diện rộng ở hầu hết các địa phương thuộc hai khu vực này.

Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, là một nước đi lên từ ngành kinh tế nông nghiệp đóng vai trò chủ yếu. Sản lượng nông sản có vai trò đặc biệt quan trọng đối với đời sống người dân và thu nhập quốc dân. Do đó, việc đảm bảo các yếu tố canh tác phù hợp là vấn đề được quan tâm, trong đó cung cấp đủ nước tưới tiêu cho cây trồng là một trong những vấn đề được đặt lên hàng đầu. Theo quy hoạch phát triển đến năm 2020, diện tích cây trồng cạn của cả nước là 3.533.200 ha trong đó diện 8 tích cây ăn quả là 910.000 ha, cao su 800.000 ha, cà phê 500.000 ha, điều 400.000 ha, rau 400.000 ha, mía 300.000 ha, chè 130.000 ha, tiêu 50.000 ha. Trong những năm gần đây, việc áp dụng công nghệ tưới tiết kiệm nước đặc biệt là công nghệ tiên tiến đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Theo Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam hiện cả nước có 6 mô hình tưới tiết kiệm gồm: tưới nhỏ giọt ngầm, tưới nhỏ giọt capanet, tưới nhỏ mặt, tưới phun mưa, tưới phun cấp hạt nhỏ và tưới phun sương. Việc áp dụng các mô hình này đã góp phần đem lại hiệu quả nhƣ quản lý dinh dưỡng cho cây trồng, tiết kiệm nước và phân bón, tăng nâng suất chất lượng cây trồng, giảm cỏ dại và mầm bệnh.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đã thiết kế được hệ thống cảm biến đo độ ẩm của đất (Soil Moisture Sensor). sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) điều khiển từ xa phục vụ cho việc tưới nước đủ và đúng thời điểm cần cung cấp cho cây trồng. Hệ thống bao cảm biến độ ẩm. hệ thống điều khiển từ xa bao gồm bộ điều khiển trung tâm. camera quan sát. bộ thu và truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển. hệ thống máy bơm bằng công nghệ truyền dữ liệu không dây. Cảm biến độ ẩm (Soil Moisture Sensor với độ chính xác: 0 ~ 50% (m3/m3) trong khoảng ± 4% điện áp làm việc: DC 3 - 5V. dòng điện trung bình < 10mA). Thời gian dự báo: 1 ~ 60 phút/lần và thời gian hoạt động khi không có năng lượng mặt trời: >16 giờ.

Xây dựng được qui trình công nghệ tưới nước thông minh dựa trên hệ thống cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) và điều khiển từ xa cho cho cây cà phê ở Đắknông. Tây Nguyên quy mô 1000m2 và cây nho ở Ninh Hải - Ninh Thuận quy mô 1000m2.

Sau khi kiểm định và hiệu chỉnh thống tưới tự động điều khiển tưới từ xa. tiến hành thử nghiệm mô hình tưới nước thông minh - tiết kiệm ngoài thực tế tại 25 vùng nghiên cứu. Bố trí thử nghiệm trên 2 loại cây là cây cà phê ở Đắknông và cây nho ở Ninh Thuận với diện tích mỗi loại cây màu thử nghiệm là 1000 m2 bố trí thực nghiệm. Kết quả triển khai áp dụng thực tế công nghệ tưới nước thông minh-tiết kiệm cho mỗi loại cây (Cây nho và cây cà phê) ở các vùng khô hạn khắc nghiệt Tây Nguyên và Duyên Hải Nam Trung Bộ như sau:

- Toàn bộ hệ thống bao gồm bộ cảm biến tự động kết nối với bộ điều khiển trung tâm và máy bơm được đơn giản hóa bằng các nút trên tủ điện hoặc trên ứng dụng điện thoại giúp người nông dân dễ dàng thao tác. điều khiển.

- Hệ thống đảm bảo cung cấp đủ lượng nước tưới cần thiết tƣới cho cây. Tiết kiệm 80% lượng nước tưới so với phương pháp tưới truyền thống. Việc tưới nước cho cây sẽ được tự động hóa hoàn toàn, chỉ cần mở điện thoại và thao tác. tiết kiệm hơn 90% chi phí nhân công cho việc tưới tiêu.

- Hệ thống tưới phun giúp cây hấp thu được một lượng lớn phân bón mà không bị rửa trôi. Phân bón được hấp thu một cách từ từ. Do đó hạn chế ô nhiễm N.P vào nguồn nước và môi trường đất.