Alors que les problèmes d'eau dans l'Ouest perdurent, Irrigation Innovation Consortium soutient l'industrie, les collaborations universitaires

Par Stacy Nick

Alors que l'eau devient de plus en plus rare dans l'Ouest américain, un groupe de partenaires universitaires et industriels a recherché des innovations dans la plus grande utilisation de cette ressource clé : l'irrigation agricole.

Depuis près de cinq ans, le Consortium pour l'innovation en irrigation soutient la collaboration industrie-université pour améliorer les technologies d'irrigation, encourager leur adoption et stimuler une gestion efficace de l'eau dans les contextes agricoles et paysagers.

Une subvention de 5 millions de dollars de la Fondation à but non lucratif pour la recherche sur l'alimentation et l'agriculture en 2018 a soutenu les activités de recherche et d'engagement du consortium. L'IIC a sélectionné des projets proposés dans le cadre d'appels de recherche compétitifs annuels pour soutenir le co-développement et l'essai de technologies, de systèmes d'aide à la décision et de stratégies avancées de gestion de l'irrigation. Les partenaires publics et privés apportent un soutien de contrepartie à leurs projets, ce qui se traduit par un investissement total de plus de 10 millions de dollars dans les activités de recherche et de sensibilisation de l'IIC. Plus récemment, l'IIC a également été en mesure de tirer parti des gains de connaissances et de son réseau pour attirer des financements étatiques et fédéraux supplémentaires afin d'étendre sa portée et son impact.

L'IIC, dont le siège est à la Colorado State University, comprend quatre autres universités de concession de terres en tant que membres fondateurs: l'Université du Nebraska-Lincoln, la Kansas State University, la Texas A&M University et la California State University-Fresno. Les premiers partenaires industriels fondateurs sont Aqua Engineering, Irrigation Association, JAIN Irrigation Inc, LI-COR, CSU STRATA, Lindsay Corporation, Northern Water Conservation District, Valmont Industries et Rubicon Water.

Au fil du temps, le réseau de l'IIC s'est élargi pour inclure plus de 165 chercheurs, techniciens de recherche et étudiants, et plus de 50 entreprises privées et entités publiques. (Voir la liste actuelle des partenaires d'IIC ici)

"Les résultats de recherche et les efforts de sensibilisation soutenus par l'IIC contribuent à l'intérêt croissant pour le rôle critique de l'irrigation et le potentiel d'impact et d'utilisation d'outils et de stratégies de gestion avancés en travaillant avec des organisations telles que la table ronde américaine pour le boeuf durable, l'Irrigation Association, les services d'eau locaux et le California Almond Board », a déclaré Amy Kremen, directrice associée d'IIC. Kremen a représenté l'Université d'État du Colorado au nom de projets multi-institutions et multi-États axés sur l'avancement des connaissances et des pratiques liées à la gestion de l'irrigation depuis 2016, initialement avec le projet d'agriculture coordonnée de l'eau Ogallala financé par l'USDA-NIFA basé à CSU et le Colorado Master Irrigator programme, avant de rejoindre l'IIC.

"Le public des conclusions et des résultats des travaux de l'IIC est large et en croissance", a déclaré Kremen. "C'est un espace passionnant dans lequel se trouver, en raison des relations, de la compréhension mutuelle et de l'expertise forgées en réponse à un grand besoin."

Une grande partie de la recherche de l'IIC s'est concentrée sur les défis liés à l'eau de l'Ouest américain. Ici, l'irrigation agricole est le plus grand utilisateur d'eau, et la pression pour réduire l'utilisation de l'eau augmente à mesure que les communautés font face à une sécheresse prolongée et à une diminution de l'approvisionnement en eau de surface et souterraine.

"Pénurie d'eau, régulation de l'eau existante ou imminente, tendances climatiques plus chaudes et plus sèches - de nombreux facteurs stimulent l'innovation technologique et sociale aujourd'hui", a déclaré Kremen. "Nous devons utiliser tous les outils à notre disposition, en exploitant toute l'ingéniosité, l'expertise et les connaissances des systèmes disponibles si nous voulons soutenir et soutenir la qualité de vie des communautés et des chaînes de valeur agricoles stables."

Avec de nombreuses entreprises technologiques qui se lancent dans l'espace de gestion de l'eau agricole et paysagère, il y a beaucoup d'enthousiasme mais souvent un manque de clarté pour les utilisateurs finaux. La courbe d'apprentissage requise pour utiliser efficacement un nouvel outil – et les coûts associés – sont souvent encore trop élevés, et les avantages potentiels de leur utilisation ne sont pas nécessairement évidents.

Bien qu'il existe un grand besoin et une grande opportunité de mettre à jour les systèmes d'irrigation et d'optimiser la gestion de l'irrigation, il est difficile d'obtenir ce type de changement, a déclaré Kremen. "Vous pouvez considérer ce qui conduit à des changements dans la gestion de l'irrigation comme ayant quatre parties, avec des aspects techniques, pratiques, économiques et sociaux interconnectés, y compris le contexte politique et politique en évolution mais toujours présent. Les outils, les données et la formation doivent aborder ces choses ensemble . C'est une grande demande, mais c'est à ce moment-là que des changements significatifs se produisent."

À la base, la mission de l'IIC de « faire progresser l'adoption » d'outils et de stratégies d'irrigation innovants a consisté à trouver des moyens de rendre les données exploitables, en guidant le calendrier et les quantités d'application d'irrigation.

Les instantanés suivants mettent en évidence certaines contributions des chercheurs de la CSU au sein du portefeuille global de projets de l'IIC et comment leur travail soutient de nouvelles orientations en matière de recherche et de sensibilisation.

Partenaire industriel : Vertical Irrigation, LLC

Chercheur principal : Joshua Craver, professeur adjoint, Horticulture en environnement contrôlé, CSU

L'éclairage représente 40 % à 60 % des coûts d'entrée des systèmes d'irrigation agricole verticale, ce qui limite la durabilité et la rentabilité. Pour résoudre ce problème, Joshua Craver a dirigé un projet soutenu par l'IIC pour évaluer l'utilisation de différentes intensités de lumière rouge lointain supplémentaire dans la production de micro-verts.

"Notre laboratoire a mené des recherches approfondies sur les applications d'éclairage à diodes électroluminescentes (DEL) dans le but d'améliorer le rendement et la qualité des cultures, tout en améliorant l'efficacité de l'utilisation de l'énergie et de l'eau. Avec l'aide de nouvelles installations telles que le Controlled Environment Horticulture Research Lab dans le bâtiment Terra sur le campus de CSU Spur, nous sommes impatients de partager ces progrès de la technologie agricole moderne avec le public », a déclaré Craver.

Partenaires universitaires : Colorado State University, University of Arizona, National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Partenaires industriels : Jack's Solar Garden

Chercheur principal : Jordan Macknick, analyste principal de l'énergie, de l'eau et des terres, NREL

"L'agrivoltaïque" tel que défini par le département américain de l'énergie, fait référence à "l'utilisation simultanée des terres pour l'agriculture et la production d'énergie photovoltaïque".

Ce projet soutenu par la SII aspire à mieux comprendre les besoins en eau d'irrigation et les économies potentielles d'irrigation pour différentes cultures cultivées sous et autour des panneaux solaires.

Pour ce projet, les chercheurs collaborent avec Jack's Solar Garden, un site de recherche agrovoltaïque commercial de 24 acres à Longmont qui combine un jardin communautaire avec un panneau solaire de 1,2 mégawatt. CSU a depuis lancé des recherches connexes supplémentaires sur le site et dans le nouveau bâtiment Terra sur le campus CSU Spur.

"Vous pouvez aller visiter Jack's et voir comment l'agrivoltaïque fonctionne dans un habitat de pollinisateurs, dans un habitat de pâturage et dans un environnement de production intensive de légumes", co-PI Meagan Schipanski, professeure adjointe en sciences du sol et des cultures à CSU "C'est un passionnant , pilote complet qui fournira des informations importantes aux gestionnaires fonciers, aux développeurs solaires et aux décideurs politiques dans tout le Colorado et au-delà."

Dans un projet différent, le spécialiste des ressources en eau de la CSU, Joel Schneekloth, a travaillé avec l'ingénieur Lee Wheeler pour développer un nouveau calculateur d'efficacité des installations d'irrigation et de pompage basé sur Excel.

Cet outil peut être utilisé pour signaler le fonctionnement potentiel de la pompe et les inefficacités de distribution d'eau du pivot central, signalant la nécessité d'audits ou de réparations approfondis du système. L'Institut de recherche sur l'énergie électrique et le service public d'électricité Tri-State Generation and Transmission Association, Inc. ont servi de partenaires industriels pour soutenir ce projet.

"La valeur des technologies de gestion de précision sophistiquées et plus récentes ne peut être réalisée si un système d'irrigation ne fonctionne pas conformément aux spécifications du système", a déclaré Kremen. "Les audits des systèmes d'irrigation peuvent sembler moins attrayants que les nouveaux widgets et les tableaux de bord d'aide à la décision, mais le fait est que l'amélioration des fondamentaux de la performance des systèmes d'irrigation pourrait entraîner d'importantes économies d'eau et d'énergie pour l'eau dans l'Ouest."

L'équipe a effectué des audits de pivot central pour tester les résultats du calculateur, trouvant des économies d'énergie potentielles allant jusqu'à 27 %. Ce calculateur gratuit peut être utilisé pour encourager les irrigants à évaluer et à hiérarchiser de manière proactive les performances du système d'irrigation plutôt que de traiter les inefficacités comme des problèmes qui doivent être résolus lorsque quelque chose se casse ou se bouche ou ne fonctionne manifestement pas correctement. Schneekloth a depuis collaboré avec le programme Colorado Master Irrigator pour aider à former les irrigants à utiliser la calculatrice.

Partenaires industriels : Trout Unlimited, Natural Resources Conservation Service, Paige Wireless

Dans ce projet, Trout Unlimited travaille avec des partenaires agricoles, CSU Extension, le laboratoire de qualité de l'eau de CSU et IIC pour démontrer l'utilisation de la technologie LoRa, qui implique une modulation de radiofréquence pour le transfert de données à faible puissance et à longue portée pour contrôler les structures de contrôle automatisées.

Financé par une subvention pour l'innovation en conservation du Service de conservation des ressources naturelles (NRCS), ce projet vise à aider les producteurs historiquement mal desservis à utiliser des fossés traditionnels de distribution d'eau par gravité, permettant de contrôler à distance l'approvisionnement en eau en cas de besoin.

Pour ce projet, Trout Unlimited travaille avec huit producteurs opérant au-dessus de 5 500 pieds d'altitude dans les bassins du fleuve Gunnison et du Rio Grande au Colorado. L'équipe déploie des réseaux LoRa et des panneaux de restriction d'eau automatisés par minuterie pour tester et démontrer leur potentiel en tant qu'outils à faible coût et à fort impact. Cette configuration permettra aux producteurs d'intégrer des données surveillées à distance en temps réel dans leurs opérations quotidiennes, réduisant leurs coûts de main-d'œuvre et optimisant les résultats de production, tout en maintenant l'habitat et les avantages hydrologiques fournis par l'irrigation par inondation.

Des scénarios de paiement et des conseils d'application pratique seront élaborés à l'aide de cette recherche pour aider à informer et à mettre à jour les normes de pratique de gestion de l'eau d'irrigation du NRCS.

"Avec de nombreux agriculteurs travaillant à l'extérieur de la ferme, la capacité de surveiller et de contrôler ces flux à distance en temps réel devrait offrir des économies de temps et d'argent importantes", a déclaré Perry Cabot, chercheur au Western Colorado Research Center, spécialisé dans l'irrigation et l'eau. gestion des ressources.

L'un des avantages les plus importants de cette approche est que la technologie utilise une plate-forme de connectivité open source qui peut aider les appareils à se parler dans les zones où le Wi-Fi ou le haut débit peuvent ne pas être disponibles, a déclaré Cabot.

« Il est essentiel de remédier au manque de lacunes en matière de connectivité fiable pour les irrigants dans les zones rurales de tout l'Ouest pour faire progresser la gestion de l'irrigation », a-t-il déclaré.

Partenaire industriel : Colorado Corn

Chercheurs principaux : Allan Andales, chercheur principal de l'IIC et spécialiste de l'irrigation en vulgarisation, CSU

La mesure de l'évapotranspiration aide les agriculteurs à évaluer la perte d'eau de la zone racinaire et constitue une mesure essentielle pour les décisions d'irrigation. Cependant, les conditions de surface et de gestion variables compliquent la prise de décision en matière d'irrigation.

Le Water Irrigation Scheduler for Efficient Application (WISE) est un outil de programmation d'irrigation basé sur le cloud qui estime l'évapotranspiration des cultures utilisée pour calculer les besoins en eau d'irrigation. WISE a été développé au CSU par Allan Andales et le professeur de génie civil et environnemental Mazdak Arabi. Pour ce projet soutenu par l'IIC, Andales et Mazdak ont ​​collaboré pour tester des techniques de télédétection qui tiendraient compte des conditions sur site en temps quasi réel afin d'améliorer les estimations quotidiennes de l'évapotranspiration des cultures WISE.

"L'équipe a montré que les sorties du programmateur d'irrigation WISE peuvent être améliorées pour indiquer plus précisément quand - et combien - arroser complètement ou déficitairement le maïs irrigué en utilisant des données de télédétection multispectrales provenant de drones ou de microsatellites", a déclaré Andales. "Nous avons mené à bien une étude de validation de principe qui montre que les données de télédétection incorporant les conditions réelles des cultures pourraient être utilisées pour mettre à jour les coefficients de culture WISE nécessaires à l'estimation de l'évapotranspiration des cultures. À leur tour, ces coefficients de culture mis à jour peuvent être utilisés pour améliorer l'outil WISE. recommandations d'arrosage.

La prochaine étape, a déclaré Andales, serait de développer un algorithme capable d'automatiser le traitement des données de télédétection et d'ajuster les coefficients de culture WISE presque en temps réel.

Partenaire industriel : Lindsay Corporation

Chercheur principal : José Chávez, professeur, Génie civil et environnemental, CSU

La réduction de l'approvisionnement en eau due à la sécheresse et au réchauffement, la croissance urbaine et la demande de l'industrie augmentent le besoin d'une gestion plus efficace de l'eau. Historiquement, la télédétection et l'imagerie par satellite ont aidé les chercheurs et les décideurs, mais de plus en plus de producteurs individuels sont également en mesure d'accéder à cette technologie et d'en bénéficier.

Les plates-formes de systèmes d'aéronefs satellitaires et sans pilote équipées de capteurs multispectraux avancés offrent une résolution spatiale et temporelle élevée qui peut aider les agriculteurs à prendre des décisions efficaces en matière de gestion de l'irrigation. Les chercheurs ont testé la précision de l'UAS combinée à des images satellites pour déterminer les besoins réels en eau ou l'évapotranspiration et le déficit hydrique du sol pour la gestion de l'irrigation complète et déficitaire.

"À l'heure actuelle, un défi clé est de comprendre comment obtenir des outils comme ceux-ci et ce qui doit se passer pour qu'un tel outil fonctionne de manière fiable en temps réel pour une meilleure prise de décision à l'échelle du terrain ou du bassin versant", a déclaré Chávez.

En s'appuyant sur les gains de connaissances et en s'efforçant d'étendre l'utilisation des outils et des approches de gestion qu'il a contribué à soutenir, l'IIC vise à connecter davantage de chercheurs et de partenaires industriels dans les mois à venir.

"L'une des choses auxquelles nous aimons réfléchir est la suivante : comment pouvons-nous impliquer davantage de partenaires clés de la chaîne de valeur agricole qui ont intérêt à ce que l'irrigation soit bien utilisée ?" dit Kremen. "Comment pouvons-nous les amener à la table pour contribuer à l'adoption et à l'utilisation à grande échelle d'outils et de stratégies de gestion innovants ? Comment pouvons-nous garantir que l'utilisation d'une eau limitée ou la réutilisation de l'eau peut entraîner les plus grands avantages pour les communautés, les écosystèmes et les économies ?"

Raconter l'histoire de la science afin que davantage de personnes comprennent l'importance d'une gestion efficace de l'irrigation est un autre objectif, a ajouté Kremen.

« Les avancées et les améliorations soutenues par l'IIC dans les outils de gestion de l'irrigation et les améliorations des stratégies sont liées à un système beaucoup plus vaste et représentent une partie de la voie à suivre pour résoudre les pénuries d'eau critiques, les problèmes de qualité et d'autres défis. Par conséquent, ces innovations en matière d'irrigation sont importantes pour tous. nous."

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