A digital ecosystem to enhance on-demand irrigation

Agriculture is vital for human survival and the economic development of a country. However, it faces numerous challenges, including climate change, water scarcity, and energy crises. In this context, this work has focused on developing a model aimed at improving collective pressurized irrigation networks operating on-demand through the adoption of an innovative digital ecosystem. This ecosystem is based on the installation of a particular hydraulic valve, named "OAS" and patented by the Politecnico di Milano, at critical points in the network. The uniqueness of this valve lies in its ability not only to perform the functions of a traditional valve but also to control and monitor the irrigation system in real-time. Additionally, during pressure regulation processes, it is capable of harnessing renewable energy from the network, making this technology suitable for off-grid applications. The need to improve on-demand collective irrigation networks arises from the fact that many of them are no longer adequately sized to meet the growing demand for irrigation water. During periods of high demand, some hydrants in the network receive water at pressures below the functional limit required for proper irrigation on farms, and in some cases, these hydrants do not receive water at all, especially those located at the network’s extremities. This compromises equity in water distribution among farmers. To assess the benefits of adopting digitalization in the network, a methodical process was developed in Matlab. This process involves: evaluating the hydraulic performance of the network, designing management rules to prevent pressure deficits at hydrants and simulating realistic on-demand irrigation scenarios. Results from a case study demonstrate that implementing the digital ecosystem can reduce or avoid the deficit conditions that occur in the system, ensuring that all hydrants receive water during periods of high irrigation demand, regardless of their position in the network.

L’agricoltura è vitale per la sopravvivenza umana e lo sviluppo economico di un paese. Tuttavia, affronta numerose sfide, tra cui il cambiamento climatico, la scarsità d’acqua e la crisi energetica. In questo contesto, il presente lavoro si è concentrato sullo sviluppo di un modello volto a migliorare le reti di irrigazione collettive in pressione, con un funzionamento on-demand, attraverso l’adozione di un ecosistema digitale innovativo. Questo ecosistema si basa sull’installazione di una particolare valvola idraulica, denominata "OAS" e brevettata dal Politecnico di Milano, nei punti critici della rete. La peculiarità di questa valvola risiede nella sua capacità non solo di svolgere le funzioni di una valvola tradizionale, ma anche di controllare e monitorare il sistema di irrigazione in tempo reale. Inoltre, durante i processi di regolazione della pressione, è in grado di recuperare energia rinnovabile dalla rete, rendendo questa tecnologia adatta anche per applicazioni off-grid. La necessità di migliorare le reti di irrigazione collettive on-demand nasce deriva dal fatto che molte di esse non sono più adeguatamente dimensionate per sostenere la crescente domanda d’acqua per l’irrigazione. Durante i periodi di forte domanda, alcuni idranti della rete ricevono acqua con una pressione al di sotto del limite funzionale richiesto per una corretta irrigazione in azienda, e in alcuni casi, questi idranti non ricevono affatto acqua, soprattutto quelli situati ai punti estremi della rete. Ciò compromette l’equità nella distribuzione dell’acqua tra gli agricoltori. Per valutare i benefici dell’adozione della digitalizzazione nella rete, è stato sviluppato un processo metodico in Matlab. Questo processo si articola in diverse fasi: la valutazione delle prestazioni idrauliche della rete, la progettazione di regole di gestione per prevenire deficit di pressione agli idranti e la simulazione di scenari realistici di irrigazione on-demand. I risultati ottenuti da un caso studio dimostrano che l’implementazione dell’ecosistema digitale può ridurre o evitare le condizioni di deficit che si verificano nel sistema, garantendo che tutti gli idranti possano ricevere acqua durante i periodi di elevata domanda per l’irrigazione, indipendentemente dalla loro posizione nella rete.