Gestione sostenibile dell’acqua in agricoltura: il modello IRRITRE

In un contesto di cambiamento climatico sempre più evidente, il settore agricolo si trova ad affrontare sfide senza precedenti. In molte aree mediterranee e del mondo, gli eventi meteorologici sono diventati meno prevedibili e più severi nel corso degli anni.

Le sfide dell’agricoltura a fronte dei cambiamenti climatici

L’innalzamento delle temperature minime e massime stagionali, insieme alla maggior frequenza di eventi meteorologici estremi, sta mettendo a dura prova la resilienza del comparto.

L’incremento delle temperature sta compromettendo la salute e la produttività delle piante, mentre gli eventi meteorologici estremi, come tempeste e siccità prolungate, stanno causando danni diretti alle colture. Inoltre, la diminuzione delle precipitazioni utili sta contribuendo a una riduzione della resa e della qualità dei raccolti, con conseguenze economiche devastanti per gli agricoltori e le comunità rurali.

L’importanza di strategie di adattamento e mitigazione

Di fronte a questa crisi, diventa fondamentale adottare strategie di adattamento e mitigazione. Gli agricoltori devono investire in pratiche sostenibili e tecnologie innovative per la gestione delle risorse idriche. I governi devono promuovere politiche di tutela ambientale e incentivare la transizione verso un’agricoltura resiliente al clima. Solo attraverso un impegno congiunto sarà possibile proteggere il futuro del settore agricolo in un clima sempre più instabile e imprevedibile.

L’irrigazione rappresenta una pratica agronomica essenziale che permette di garantire una produzione costante e di alta qualità, indipendentemente dalle fluttuazioni meteorologiche e dalla variabilità delle precipitazioni. Una gestione efficace dell’irrigazione è fondamentale per garantire la sostenibilità economica, ambientale e sociale delle pratiche agricole, assicurando la produzione di alimenti di alta qualità in modo efficiente e responsabile.

La crescente necessità di un’attenta pianificazione della gestione della risorsa idrica

È pertanto necessaria una diversa ed attenta pianificazione della gestione della risorsa idrica, il cui deficit potrebbe essere maggiore in particolare in estate, in concomitanza con la maggiore competizione tra i diversi usi (potabile, accumulo d’acqua negli invasi per la produzione di energia idroelettrica, turismo e maggior fabbisogno irriguo per l’agricoltura) e la disponibilità di strumenti per gestirne una distribuzione razionale ed ottimale.

In questo contesto, è pertanto, è essenziale adottare tecnologie che consentano di migliorare l’efficienza nell’uso dell’acqua, riducendo così i costi ed ottimizzando le risorse disponibili.

Cos’è IRRITRE

IRRITRE è un sistema informativo territoriale innovativo progettato per promuovere e favorire una gestione efficiente dell’irrigazione attraverso pratiche di irrigazione di precisione in Trentino.

Progettato ed in corso di realizzazione congiuntamente dalla Provincia Autonoma di Trento, Fondazione Bruno Kessler, Fondazione Edmund Mach e Trentino Digitale, il sistema ha l’obiettivo di offrire strumenti facilmente accessibili e coerenti ai consorzi irrigui ed ai vari attori coinvolti nel processo di gestione irrigua nella Provincia di Trento, oltre che un’infrastruttura digitale territoriale che permetta la messa a terra dei sistemi di monitoraggio, controllo e attuazione automatica delle decisioni irrigue.

Gli obiettivi principali della piattaforma che è messa a disposizione dei consorzi irrigui che si vogliono ottenere sono:

• una riduzione dei consumi irrigui mediante tecniche di irrigazione a rateo variabile;
• consentire analisi, pianificazione ed ottimizzazione della distribuzione idrica, incentivazione del risparmio idrico e supporto per interventi di prevenzione dei danni (es. antibrina)

IRRITRE si basa sulla combinazione di un insieme di tecnologie dell’agricoltura 4.0 che vanno dai sensori intelligenti in campo, tecnologie di comunicazione “Internet of Things” (IoT) e sistemi di attuazione per l’automazione delle scelte irrigue, dalla raccolta di dati e previsioni meteo, di informazioni satellitari, che vengono combinati mediante l’utilizzo di intelligenza artificiale al fine di fornire funzionalità di monitoraggio e controllo, modelli predittivi e strumenti di pianificazione dell’utilizzo della risorsa irrigua e del sul impatto sulle colture.

Perché serve un approccio di sistema

La gestione irrigua è un processo complesso che coinvolge diverse fasi e attori, dalla pianificazione e gestione delle risorse idriche alle pratiche di irrigazione sul campo.

Essa ha inizio con la pianificazione e l’amministrazione delle risorse idriche a livello regionale e nazionale: qui sono coinvolte agenzie governative, autorità locali e altri stakeholders nel monitoraggio e nella gestione delle risorse idriche disponibili, compresi fiumi, laghi, bacini idrici e acque sotterranee. Politiche e normative intendono garantire un utilizzo sostenibile e equo dell’acqua per l’irrigazione agricola.

C’è poi l’aspetto delle infrastrutture di irrigazione, che includono reti di canali, sistemi di pompaggio, serbatoi e dispositivi di distribuzione dell’acqua. Queste infrastrutture sono gestite da consorzi di irrigazione, associazioni agricole, e altre entità locali. L’obiettivo è garantire un’allocazione efficiente ed equa dell’acqua agli agricoltori, riducendo le perdite e massimizzando l’efficienza dell’irrigazione.

A seguire vengono gli aspetti di monitoraggio e misurazione dei consumi, le tecnologie (dalle stazioni meteorologiche, ai sensori dell’umidità del suolo, etc.) e le pratiche di irrigazione (irrigazione a goccia, a spruzzo, a pioggia, a scorrimento, etc.) messe in campo dagli agricoltori insieme ai fornitori di tecnologia.

La gestione irrigua in Italia è quindi un processo multidisciplinare che coinvolge una serie di attori e pratiche per garantire un uso sostenibile, efficiente ed equo delle risorse idriche per l’agricoltura.

Come è evidente, un approccio di sistema nella gestione irrigua è cruciale per affrontare la complessità dell’irrigazione agricola e garantire un utilizzo sostenibile delle risorse, promuovendo al contempo la produttività e la resilienza del settore agricolo.

Il contesto trentino

Il merito della diffusione dell’irrigazione in Trentino negli ultimi decenni è ascrivibile in gran parte ai Consorzi di Miglioramento Fondiario che realizzano le infrastrutture necessarie, nel rispetto degli aspetti di interesse pubblico legati all’uso dell’acqua, a beneficio di un territorio caratterizzato dall’esistenza di aziende agricole di piccole dimensioni e spesso notevolmente frammentate.

Dal punto di vista della gestione collettiva dell’irrigazione sul territorio provinciale, va sottolineata la complessità dovuta alla presenza di molteplici attori, ciascuno avente un ruolo specifico nell’intero processo che porta dalla pianificazione, all’approvvigionamento e alla distribuzione. La gestione è demandata al Consorzio Trentino di bonifica e agli oltre 200 consorzi di miglioramento fondiario che vanno a servire le migliaia di aziende agricole beneficiarie. Stanno sempre più emergendo nel mercato molteplici fornitori di soluzioni tecnologiche in grado di efficientare la risorsa irrigua.

Sono dunque necessari strumenti in grado di ridurre questa frammentazione. La sfide è far cooperare i differenti attori verso il fine comune di una gestione attenta e più efficiente della risorsa irrigua e facilitare la messa in campo e l’adozione di pratiche comuni per la gestione irrigua secondo modalità condivise.

In questo contesto, lo sviluppo di un sistema informativo territoriale come quello di IRRITRE si qualifica dunque come un intervento pubblico volto ad offrire e dotare i consorzi irrigui, e tutti gli attori che operano in questo contesto, di un insieme di servizi (strumenti monitoraggio e supporto alle decisioni irrigue), infrastrutture digitali e linee guida per l’adozione e lo sviluppo di modelli, tecnologie e pratiche finalizzate all’efficientamento irriguo. Esso rappresenta inoltre uno strumento necessario al regolatore per monitorare l’utilizzo della risorsa irrigua, incentivare il risparmio e gestire una pianificazione efficiente a livello territoriale.  

Il ruolo della sensoristica e dell’IA nella gestione irrigua

L’approccio tradizionale nella gestione irrigua si basa principalmente sull’esperienza pratica degli agricoltori e sull’osservazione delle condizioni del suolo e delle colture. Questo approccio ha radici profonde nella storia dell’agricoltura e si è evoluto nel corso del tempo con l’esperienza accumulata e le conoscenze trasmesse oralmente attraverso le generazioni.

La ricerca ha sviluppato negli anni strumenti e modelli in grado di stimare ed individuare gli apporti irrigui necessari per garantire un contenuto di acqua nel suolo a livelli ottimali per le esigenze della pianta, così da consentire un passaggio da un metodo di gestione empirico ad uno analitico.

Consolidati approcci scientifici consentono, attraverso una rappresentazione delle condizioni fisiche e delle dinamiche del continuum “suolo-pianta-atmosfera”, di stimare l’acqua che una superficie coltivata può trasferire all’atmosfera per evaporazione e traspirazione delle piante (evapotraspirazione), e così essere in grado di stimare gli apporti irrigui è necessari per integrare l’acqua persa dal sistema.

Recentemente, la crescente disponibilità di sensoristica connessa (“Internet of Things”) e la capacità di analizzare quantità di dati mediante algoritmi di intelligenza artificiale sta consentendo di fare un ulteriore passo in avanti nella capacità di gestire in modo efficiente ed efficace l’utilizzo dell’acqua in agricoltura.

Anzitutto è ora possibile un monitoraggio in tempo reale: le soluzioni IoT consentono di raccogliere dati in tempo reale da una vasta gamma di sensori installati nei campi, fornendo informazioni dettagliate sulle condizioni del suolo, delle colture e del meteo. Esistono sensori specifici per monitorare lo stato del suolo (umidità, temperatura, etc.), dell’ambiente e, più recentemente anche della pianta e dei frutti (il suo stato e la sua crescita). Ciò consente agli agricoltori di avere una visione immediata delle esigenze idriche delle loro colture e di adattare rapidamente le pratiche di irrigazione di conseguenza.

È possibile sviluppare nuove capacità predittive: utilizzando algoritmi di apprendimento automatico, l’IA può analizzare grandi quantità di dati storici sulle condizioni meteorologiche, sul suolo e sulle colture per predire con precisione le esigenze idriche future delle colture. Ciò consente agli agricoltori di pianificare l’irrigazione in anticipo, riducendo gli sprechi e massimizzando l’efficienza nell’uso delle risorse idriche.

Specificamente per l’ottimizzazione dell’uso della risorsa idrica, l’IA può elaborare dati provenienti da sensori di umidità del suolo, stazioni meteorologiche e immagini satellitari per identificare modelli e tendenze nelle esigenze idriche delle colture. Ciò consente di regolare automaticamente i sistemi di irrigazione in tempo reale, adattandoli alle condizioni specifiche del terreno e delle colture e garantendo un’irrigazione mirata e efficiente.

Più in generale, ne può beneficare l’intero processo di gestione: l’IA può aiutare a ottimizzare l’uso delle risorse idriche valutando dinamicamente la disponibilità e la qualità dell’acqua e suggerendo strategie per massimizzare la loro utilizzazione.

Quali tecnologie adotta IRRITRE

IRRITRE si basa sulla combinazione di un insieme di tecnologie dell’agricoltura 4.0 che vanno dai sensori IoT in campo, tecnologie di comunicazione IoT e sistemi di attuazione per l’automazione delle scelte irrigue, dalla raccolta di dati e previsioni meteo, di informazioni satellitari, che vengono combinati mediante l’utilizzo di intelligenza artificiale al fine di fornire funzionalità di monitoraggio e controllo promuovendo lo sviluppo di modelli predittivi e strumenti di pianificazione su scala provinciale per l’ottimizzazione dell’utilizzo della risorsa irrigua e l’ottimizzazione del suo impatto sulle colture (stato, qualità, produzione, sostenibilità).

Cosa offre IRRITRE

Di seguito si descrivono con maggiore dettaglio gli strumenti che il sistema offrirà ai consorzi irrigui e agli agricoltori.

Strumenti a supporto delle attività produttive

• strumenti di monitoraggio e supporto alle decisioni (DSS) irrigue basati sull’effettiva esigenza irrigua della coltura;
• automazione dell’approvvigionamento e dell’erogazione irrigua mediante l’individuazione delle differenti finestre temporali di esigenza irrigua dai bacini, i conseguenti prelievi dinamici in fase di approvvigionamento, e il controllo e chiusura automatica di porzioni di rete irrigua in grado di attuare regole di risparmio irriguo mirato in fase di distribuzione capillare (mediante introduzione di flussimetri e valvole tele-gestite in posizioni significative della rete di distribuzione).

Strumenti a supporto delle attività di analisi e pianificazione dei fabbisogni

• pianificazione (mensile e stagionale) degli interventi di approvvigionamento e distribuzione dell’acqua a livello di intero consorzio di secondo livello, consorzio di primo livello e settori irrigui all’interno di un singolo consorzio;
• strumenti di reportistica su scala temporale giornaliera, mensile ed annuale per la rendicontazione dell’utilizzo dell’acqua per singola area servita, analisi e confronto con i trend storici;

Strumenti a supporto delle attività di manutenzione e ottimizzazione delle infrastrutture

• strumenti analitici basati su algoritmi di intelligenza artificiale in grado di individuare possibili ottimizzazioni nella fase di approvvigionamento e distribuzione irrigua e l’analisi di possibili perdite negli impianti.

Schema logico del sistema IRRITRE

Gli elementi abilitanti del sistema riguardano:

• sensori connessi in campo e la disponibilità di una rete IoT territoriale per gestire la raccolta diffusa delle informazioni dal campo;
• Sistemi a supporto delle decisioni sugli apporti irrigui basati su:
  • Modellistica fisica
  • Algoritmi predittivi di intelligenza artificiale
• Soluzioni di automazione compatibili con gli impianti esistenti (mediante tecniche di retrofitting) per l’ottimizzazione degli apporti irrigui
• Strumenti a supporto delle attività di analisi e pianificazione dei fabbisogni irrigui
• Strumenti a supporto delle attività di manutenzione ed ottimizzazione delle infrastrutture.

Il sistema è progettato su più livelli tecnologici, che prevedono insintesi (come esemplificato nella seguente figura):

• sensoristica connessa diffusa in campo (su protocollo di comunicazione standard LoRaWAN);
• una rete IoT LoraWAN diffusa a livello provinciale per il trasporto e la raccolta di informazioni in campo;
• una piattaforma cloud che racchiude gli strumenti di analisi dei dati basati su intelligenza artificiale e strumenti di analisi e visualizzazione dei dati (in formato di dashboard e viste geospazializzate)

Architettura del sistema

Dove viene applicato e validato IRRITRE

IRRITRE intende coprire le esigenze irrigue dell’intero territorio trentino, ma viene concepito come uno strumento di applicabilità più ampia (potenzialmente nazionale) grazie allo sviluppo di protocolli e pratiche di agricoltura 4.0, in allineamento con le linee guida nazionali per l’agricoltura di precisione.

IRRITRE verrà inoltre messo in campo e validato in 3 aree pilota del Trentino (Valli del Noce, Valle dell’Adige, Basso Sarca), ambiti ad alto impatto nel consumo irriguo e significativi dal punto di vista economico (produzione di mele e di vino), aree caratterizzate da differenti condizioni orografiche e che aggregano differenti realtà produttive e di organizzazione della gestione irrigua, così da massimizzare la valutazione dell’adozione delle nuove politiche di gestione e delle nuove tecnologie.

A seguire il sistema verrà aperto a tutti i consorzi irrigui del territorio provinciale.

Protocolli standard di interoperabilità, kit di monitoraggio e automazione standardizzati e best practices

Obiettivo del progetto è inoltre quello di disegnare e mettere in campo protocolli e interfacce standard per favorire l’interoperabilità nell’integrazione di sensoristica connessa offerta da terze parti, nell’integrazione delle componenti di programmazione ed attuazione dei sistemi irrigui per realizzare le turnazioni irrigue a rateo variabile.

In particolare, predisponendo protocolli base (quali ad esempio LoRaWAN), interfacce programmabili aperte (APIs) e kit di sensorizzazione di riferimento (che possono essere resi disponibili da fornitori di terze parti) è possibile: i) consentire interoperabilità fra le differenti componenti di acquisizione dati dal campo (dai flussi irrigui, alla sensoristica di monitoraggio di suolo, pianta, atmosfera) e delle componenti di programmazione ed attuazione (centraline irrigue, valvole, etc.), ii) consentire a provider di servizi di terze parti di acquisire dati per lo sviluppo di funzionalità a valore aggiunto (quali ad esempio algoritmi di intelligenza artificiale) a beneficio di singole aziende agricole/consorzi agricoli che vogliano sfruttare la disponibilità di dati puntuali e granulari sul territorio per migliorare i propri sistemi informativi interni e il controllo agronomico delle produzioni.

Impatti attesi dalla realizzazione e diffusione del sistema informativo IRRITRE

Di seguito si sintetizzano i principali impatti attesi dalla realizzazione del sistema informativo IRRITRE e dalla sua diffusione sia a livello provinciale che nazionale:

• Uniformare le pratiche per l’ottimizzazione ed il risparmio idrico a livello territoriale superando l’attuale frammentazione dei servizi di gestione distribuita della risorsa irrigua mediante la fornitura di un insieme di servizi pubblici a beneficio dei differenti attori della filiera: IRRITRE realizzerà un sistema informativo pubblico unificato che fornirà una gamma completa di servizi integrati. Questi servizi avranno lo scopo di uniformare le attuali pratiche di irrigazione, garantendo una distribuzione dell’acqua ottimizzata per ridurre l’impatto ambientale.
• Abilitare l’adozione di pratiche e tecnologie di irrigazione di precisione (4.0) a livello diffuso sul territorio: uno dei risultati attesi di IRRITRE è quello di sviluppare e integrare protocolli standard di interoperabilità, identificando e componendo dei kit standard di monitoraggio e automazione insieme ad una serie di “best practices” per il loro utilizzo più efficace.
• Abilitare e facilitare un’integrazione aperta delle soluzioni tecnologiche offerte dalle aziende private in ambito gestione irrigua 4.0 con servizi ed infrastrutture pubbliche a beneficio dell’innovazione tecnologica sul territorio: IRRITRE sosterrà un modello innovativo di cooperazione pubblico-privato. Questo modello prevede, da un lato, una gestione equa della risorsa comune “acqua” e l’utilizzo dei dati aperti e di pubblica utilità, come i dati ambientali e meteorologici, i dati satellitari, ecc. D’altra parte, consente ai fornitori di tecnologia di trasferire le loro soluzioni innovative sul mercato, sfruttando meccanismi di integrazione dei loro prodotti e servizi, attraverso ad esempio le reti di comunicazione IoT pubbliche. Questo modello di cooperazione beneficerà le aziende agricole che potranno accedere a servizi pubblici gratuiti e, al tempo stesso, ai servizi avanzati offerti dai fornitori privati, in base alle loro specifiche esigenze e capacità di adozione delle nuove tecnologie.

• Abilitare la condivisione di dati pubblici e privati, in accordo con le linee guida europee sulla sovranità dei dati (Gaia-X) e del Regolamento Generale sulla Protezione dei Dati (GDPR), fra i differenti attori del comparto agricolo per una valorizzazione dei dati, a beneficio del territorio e degli operatori agricoli
• per aumentare le prestazioni economiche e ambientali del settore, ottimizzare l’uso della risorsa acqua e contribuire agli obiettivi di sostenibilità del comparto agroalimentare.

Quest’ultimo punto si intreccia in modo stretto con il precedente. La figura sottostante visualizza la relazione fra servizi pubblici e privati, ed il ruolo giocato dalla condivisione dei dati fra questi diversi soggetti. Infatti, la creazione di un’infrastruttura di gestione e scambio dati sul territorio aperta ed accessibile agli operatori del settore agricolo e dei fornitori di tecnologia porta evidenti benefici all’intero comparto che va ben oltre la sola gestione della risorsa irrigua. Oltre a consentire agli enti regolatori di migliorare la gestione della distribuzione irrigua, essa può in realtà permettere di condividere, analizzare e studiare informazioni di natura territoriale che riguardano, per fare solo qualche esempio, la diffusione di malattie sul territorio, l’andamento della fenologia (crescita delle piante) nelle varie aree del territorio anche in base alle condizioni pedoclimatiche, modelli di produttività e relative pratiche colturali in funzione della specificità del territorio, altitudine, condizioni climatiche etc.

Figura 8. IRRITRE ed integrazione servizi pubblici e privati

La seguente tabella riassume i benefici che le differenti tipologie di attori pubblici e privati possono ottenere grazie alla realizzazione ed utilizzo del sistema informativo IRRITRE.