Increasing the energy efficiency of sprinkler irrigation systems by optimising hydraulic modes and pumping equipment parameters

Abstract

The aim of the study was to determine the energy effect of adaptive regulation of water supply modes and control of pumping equipment in the irrigation process. The study used analytical and balance methods, instrumental measurements of pressure, flow, and electricity consumption. Energy costs for irrigation remained (1,288 kWh/ha) with an average pump operating time of 9.6 h/day, which indicated the complete dependence of the systems on pumping supply (100%). The spatial scale of irrigation was significantly reduced – to about 100 thousand ha in 2023 and 40.5 thousand ha in 2025, which corresponded to only 10-20% of the pre-war potential (approximately 600 thousand ha). This condition was accompanied by losses of water (32-35%), energy (at least 30%) and critical wear of networks (over 75%). Optimisation of hydraulic modes provided a significant reduction in the load on the system, which was manifested in a reduction in the operating pressure from 0.60 to 0.42 MPa, a decrease in the power consumption of pumps from 56 to 39 kW and a decrease in the specific energy intensity of pumping from 430 to 305 kWh/1,000 m³. The introduction of automated control using a sensor network (humidity and pressure sensors) increased the adaptability of irrigation, increasing the frequency of irrigation adjustments from 1 to 6 times/day. This allowed reducing water supply during rainy periods by 35%, reducing seasonal energy consumption from 210 to 150 MWh and identifying 6 hidden leaks, which together confirmed the effectiveness of the transition to managed energy-saving modes of operation. The practical value of the study lies in the possibility of its use by water management organisations, agricultural enterprises and designers of land reclamation systems to reduce energy consumption, optimise irrigation modes and increase the efficiency of operation of existing infrastructure.

-

Метою дослідження було визначити енергетичний ефект адаптивного регулювання режимів подачі води та керування насосним обладнанням у процесі зрошення. У дослідженні застосовували аналітичний і балансовий методи, інструментальні вимірювання тиску, витрат і електроспоживання. Енергетичні витрати на зрошення залишалися (1 288 кВт·год/га) за середньої тривалості роботи насосів 9,6 год/добу, що вказувало на повну залежність систем від насосної подачі (100 %). Просторові масштаби зрошення істотно скоротилися – до близько 100 тис. га у 2023 році та 40,5 тис. га у 2025 році, що відповідало лише 10-20 % довоєнного потенціалу (приблизно 600 тис. га). Такий стан супроводжувався втратами води (32-35 %), енергії (не менше 30 %) і критичним зношенням мереж (понад 75 %).Оптимізація гідравлічних режимів забезпечила суттєве зниження навантаження на систему, що проявилося у скороченні робочого тиску з 0,60 до 0,42 МПа, зменшенні споживаної потужності насосів з 56 до 39 кВт та зниженні питомої енергоємності перекачування з 430 до 305 кВт·год/1 000 м³. Упровадження автоматизованого керування із використанням сенсорної мережі (датчики вологості та тиску) підвищило адаптивність зрошення, збільшивши частоту корекцій поливу з 1 до 6 разів/добу. Це дозволило зменшити подачу води у дощові періоди на 35 %, скоротити сезонне енергоспоживання з 210 до 150 МВт·год та виявити 6 прихованих витоків, що в сукупності підтвердило ефективність переходу до керованих енергоощадних режимів експлуатації. Практична цінність дослідження полягає в можливості його використання водогосподарськими організаціями, агропідприємствами та проєктувальниками меліоративних систем для зниження енергоспоживання, оптимізації режимів зрошення й підвищення ефективності експлуатації існуючої інфраструктури.