Modellistica e controllo dell'irrigazione in risaia

Italy is the largest producer of rice in Europe, with most of the cultivation concentrated in the regions of Lombardy and Piedmont. The traditional cultivation process requires rice fields to be flooded from planting to harvest with some dry intervals. However, field water level management operations still occur manually and do not allow for rapid response to sudden changes in water availability throughout the day. In light of the effect that climate change is having on the availability of water resources in agriculture and in this case for those intended for the maintenance of rice cultivation, it is essential to find solutions to increase flexibility in the management of irrigation with the dual objective of increasing the efficiency of water use in the rice sector and making irrigation more aligned with actual crop needs. To address this need, this work proposes the development of a modeling environment in which paddy irrigation can be simulated and controlled, utilizing a Modelica library to represent the components of the paddy field. The system was tested on a real case study (i.e., the Cascina Ca’ Granda Milano rice farm) and two types of control were compared on different representative scenarios: a decentralized one with PI controllers and a centralized one of Model Predictive Control (MPC) type. The results show that the MPC control system was able to minimize the differences between levels in the different chambers and make better use of the rate of meteoric flow to meet the level of submersion in the paddy field chamber in case of rainfall, reducing the flow rate used from the irrigation channel by 10% compared to the decentralized control. In conclusion, this study aims to demonstrate the potential of adopting automatic water level regulation systems in paddy fields.

L’Italia è il maggior produttore di riso in Europa, con la maggior parte delle coltivazioni concentrate nelle regioni della Lombardia e del Piemonte. Il processo di coltivazione tradizionale prevede che i campi di riso siano sommersi dalla semina alla raccolta con alcuni intervalli di asciutta. Tuttavia, le operazioni di gestione dei livelli idrici in campo avvengono ancora manualmente e non consentono di rispondere rapidamente ai cambiamenti repentini delle disponibilità idriche durante la giornata. Alla luce dell’effetto che i cambiamenti climatici stanno producendo sulle disponibilità delle risorse idriche in agricoltura e nella fattispecie per quelle destinate al mantenimento della coltivazione del riso, risulta indispensabile trovare soluzioni per aumentare la flessibilità nella gestione degli adacquamenti con il duplice obiettivo di aumentare l’efficienza d’uso dell’acqua nel comparto risicolo e rendere gli adacquamenti sempre più aderenti ai reali fabbisogni colturali. Per rispondere a questa esigenza, questo lavoro propone lo sviluppo di un ambiente modellistico in cui l’irrigazione della risaia può essere simulata e controllata, utilizzando una libreria Modelica per rappresentare le componenti della risaia. Il sistema è stato testato su un caso di studio reale (ovvero l’azienda risicola Cascina Ca’ Granda Milano) e sono state confrontate su diversi scenari rappresentativi due tipologie di controllo: uno decentralizzato con regolatori PI e uno centralizzato di tipo Model Predictive Control (MPC). I risultati mostrano che il sistema di controllo MPC ha permesso di minimizzare le differenze tra i livelli nelle diverse camere e di sfruttare al meglio l’aliquota di portata meteorica per soddisfare il grado di sommersione nella camera di risaia in caso di precipitazione, riducendo la portata utilizzata dal canale d’irrigazione del 10% rispetto al controllo decentralizzato. In conclusione, questo studio vuole dimostrare le potenzialità dell’adozione di sistemi automatici di regolazione dei livelli idrici in risaia.