نظام الري المستدام

(رشْف)

نظام ري ابتكاري يركز على الاستدامة والترشيد، من خلال الترشيح

 الابتكار

في ظل التحديات العالمية المتزايدة المرتبطة بندرة المياه، وتأثيرات التغير المناخي على الأمن الغذائي، أصبح من الضروري تطوير نظم ري مستدامة تجمع بين الفاعلية والاقتصاد في استهلاك الموارد. ومن هذا المنطلق، تم تطوير نظام مبتكر يجمع بين حكمة الماضي وابتكارات الحاضر ليشكل نموذجًا عالميًا جديدًا لإدارة المياه الزراعية والري بالرشح الفخاري (من التراث المصري القديم).

1- مشروع نظام الري النانوي الذكي باستخدام الجرار الفخارية المطورة طبقيًا

الجرار الفخارية المسامية المطورة نانويًا (وحدة الترشيح والتحكم)

المادة الأساسية والتحسينات النانوية:

تُصنّع الجرار الفخارية بسعة 20 لترًا باستخدام طين طبيعي مدعّم بتقنيات نانوية.

المواد النانوية المُضافة:

أكسيد الجرافين (Graphene Oxide): يعزز من الصلابة الهيكلية، ويُستخدم لضبط حجم المسام على المقياس النانوي.

السيليكا النانوية (Nano-silica): تُزيد من مقاومة الفخار للرطوبة والحرارة، وتحسّن من قدرة الاحتفاظ بالماء.

تقنيات تعزيز المتانة ضد الكسر والتآكل:

ألياف زجاجية دقيقة (Fiberglass Reinforcement): تُدمج مع خليط الطين قبل التشكيل، لتكوين شبكة داخلية تقلل خطر التشقق والكسر الميكانيكي.

رماد بركاني (Volcanic Ash): يُضاف كمادة بوزولانية تتفاعل مع الكالسيوم، فتُعزز من تماسك الفخار ومقاومته للعوامل الجوية.

تغطيات سطحية نانوية (Epoxy/Nano-polymer Coatings): تُطلى الجرة بطبقة شفافة مقاومة للماء والتآكل، دون التأثير على النفاذية الداخلية للمسام، مما يُقلل التبخر ويحمي السطح من التدهور البيولوجي والكيميائي.

آلية الترشيح والتحكم:

تُضبط المسامية النانوية لضمان معدل ترشيح دقيق ومستقر (0.5 مل/ساعة).

يُمكن تضمين صمام دقيق (Micro-valve) عند قاعدة الجرة أو فتحتها العليا للتحكم اليدوي أو الأوتوماتيكي بمعدل تدفق الماء، أو إيقافه عند الحاجة.

طبقة الهيدروجيل والتربة (خزان الماء الذكي)

التركيب والموقع:

خليط بنسبة 1:3 من الهيدروجيل الفائق الامتصاص (مثل البولي أكريلاميد) والتربة المحلية.

يُطبق بعمق 20 – 30 سم حول جذور النبات.

الخصائص التقنية:

يُستخدم هيدروجيل ذو معدل انتفاخ ≥ 500% ماء.

مُعالج بـ طبقة من كبريتات الألومنيوم لضمان ثبات الأداء ومنع التكتل.

تعمل هذه الطبقة كبطارية مائية تُخزن الماء المُسرّب من الجرة وتُفرغه تدريجيًا حسب امتصاص الجذور.

طبقة التنقية والحماية (الرمل الخشن والفحم النشط)

المكونات والموقع:

تُوضع طبقة بسمك 5 سم مباشرة أسفل الجرة وفوق طبقة الهيدروجيل.

التركيبة: رمل خشن + فحم نشط (Activated Carbon).

الوظيفة:

الرمل الخشن: يفلتر الجزيئات الصلبة ويمنع ترسبها أسفل الجرة.

الفحم النشط: يمتص الشوائب العضوية والمعادن الثقيلة، ويمنع نمو البكتيريا والطحالب، ويحافظ على نظافة المسام النانوية.

بدائل الفخار المتقدمة (للتطوير أو الحالات الخاصة)

مواد بديلة متقدمة:

بوليمرات مسامية ذكية: مواد خفيفة، مرنة، ذات تحكم دقيق في نفاذية الماء، مقاومة للتآكل البيولوجي.

خزف نانوي (Nano-Ceramic): يجمع بين المسامية الدقيقة على النطاق النانوي ومتانة غير مسبوقة، ما يجعله مرشحًا مثاليًا للمناخات القاسية أو الاستخدامات الطويلة الأجل.

الأنظمة الذكية المدمجة

جرار بمستشعرات مدمجة (Smart Pots):

أجهزة استشعار دقيقة مدمجة داخل الجرة تقيس:

رطوبة التربة-  درجة الحرارة - مستوى المغذيات

اتصال لاسلكي (LoRaWAN / 5G IoT): تُرسل البيانات لحظيًا إلى منصة تحليل سحابية.

تحكم ذكي وتعلم آلي:

تستخدم المنصة الذكاء الاصطناعي لتحليل البيانات والتنبؤ بالاحتياجات المائية.

يُمكن: التحكم في فتح/غلق الصمامات الإلكترونية أوتوماتيكيًا. إرسال تنبيهات أو توصيات للمزارعين. التكيف مع التغيرات المناخية ومراحل نمو الأشجار

مزايا النظام الشامل

<!--تحكم نانوي دقيق في الترشيح والري.

<!--ترشيد استهلاك المياه بنسبة قد تتجاوز 90%.

<!--مقاومة عالية للكسر، التآكل، والعوامل الجوية.

<!--تزويد مستمر ومنضبط للماء والعناصر المغذية.

<!--قدرة على التعلّم الذاتي والتأقلم مع تغير الظروف.

<!--استدامة طويلة الأجل وتقليل الحاجة للتدخل البشري.

نظام الري الذكي بالجرار الفخارية النانوية

يُقدم هذا النظام المتطور حلاً فعالاً ومستدامًا للري، يجمع بين الحكمة التقليدية للجرار الفخارية وأحدث التقنيات النانوية وأنظمة الاستشعار الذكية. يهدف النظام إلى تحقيق أقصى كفاءة في استخدام الماء، لضمان النمو الأمثل للأشجار مع تقليل الفاقد إلى أدنى حد.

دراسات حالة وتطبيقات عالمية حديثة لنظام الري بالقله المصري دون اضافه الهيدروجيل

إسبانيا – مشروع Ollas 4.0:
وفر 75% من استهلاك الماء، وزاد إنتاج الزيتون 15%.

كاليفورنيا – Aqua-Terra Cotta:
استخدام فخار معاد تدويره + ألياف كربون، بتكلفة أقل من التنقيط.

الهند – الري الشمسي الذكي:
جرار متصلة بخزان شمسي لري ذاتي لمدة 14 يومًا دون تدخل بشري.

أهداف الابتكار

المساهمة في تحقيق أهداف التنمية المستدامة:

SDG 6  ضمان توفر المياه وخدمات الصرف الصحي للجميع.

SDG 12 ضمان أنماط استهلاك وإنتاج مستدامة.

SDG 15  حماية النظم البيئية وتعزيز استخدامها المستدام ومكافحة التصحر.

دعم الأمن الغذائي العالمي وتقليل الاعتماد على نظم الري التقليدية كثيفة الاستهلاك للمياه.

خلق نموذج زراعي مرن يتكيف مع البيئات الصحراوية والهشة والمناخات القاسية.

1- كيس الترشيح

يُصنع هذا الكيس بشكل أساسي من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) أو القطن المشبع بالشمع المقاوم للماء. تكمن أهمية هذه المواد في قدرتها على توفير المتانة ومقاومة الماء

ثقوب النانوية (100 – 500 نانومتر)

الليزر الدقيق (Femtosecond Laser): يستخدم هذا الليزر نبضات قصيرة جدًا وعالية الطاقة لإنشاء ثقوب دقيقة للغاية في المادة. تتيح هذه التقنية التحكم الدقيق في حجم وشكل الثقوب، مما يضمن كفاءة الترشيح المطلوبة.

الإبرة النانوية ذات الضغط الميكانيكي الدقيق: تتضمن هذه الطريقة استخدام إبر دقيقة جدًا لتشكيل الثقوب تحت ضغط متحكم به. هذه الطريقة تسمح بإنشاء هياكل دقيقة على مستوى النانو.

صمام التحكم الدقيق (Micro-valve): يُضاف هذا الصمام عند فتحة الكيس للتحكم في معدل تدفق الماء. غالبًا ما يكون هذا الصمام مصنوعًا من مواد بلاستيكية متينة ومقاومة للتآكل، ويسمح للمستخدم بضبط كمية الماء التي تصل إلى الشجرة بدقة، بناءً على نوع الشجرة وحجمها ونوع التربة.

تُصمم هذه الطبقة لضمان توزيع أفقي وشبه عمودي للماء، مما يمنع تجمع الماء في نقطة واحدة ويُشجع على انتشار الجذور بشكل صحي. هناك خياران رئيسيان لهذه الطبقة:

شبكة من الألياف المسامية (مثل النايلون المثقب):

المادة: تُصنع عادةً من النايلون المثقب أو ألياف صناعية أخرى ذات خصائص مسامية عالية ومقاومة للتحلل في التربة. يمكن أن تكون هذه الألياف منسوجة على شكل شبكة أو قماش غير منسوج ذي مسام دقيقة.

آلية العمل:

الانتشار الشعري: تتميز هذه الألياف بقدرتها على سحب الماء وتوزيعه أفقيًا عبر الخاصية الشعرية (Capillary action). عندما يتسرب الماء من الثقوب النانوية للكيس، تلتصق جزيئات الماء بسطح الألياف وتنتشر عبر المسام الدقيقة في الشبكة.

التوزيع المتجانس: تضمن هذه الشبكة وصول الماء إلى مساحة أكبر تحت الكيس، بدلاً من مجرد التسرب العمودي. هذا يُقلل من فرص تشبع منطقة صغيرة جدًا بالماء بينما تظل المناطق المجاورة جافة.

تثبيت الكيس: يمكن أن تُساعد الشبكة أيضًا في تثبيت الكيس بشكل أفضل على سطح التربة أو داخلها قليلاً، مما يقلل من حركته بفعل الرياح أو العوامل الخارجية.

التصميم والتثبيت:

تُوضع الشبكة مباشرة تحت كيس الترشيح النانوي، وتُمدد لتغطي المنطقة المستهدفة لانتشار الجذور (عادة ما تكون مساحة أكبر قليلاً من محيط جذع الشجرة).

يمكن تثبيتها بأوتاد صغيرة في التربة لضمان بقائها في مكانها.

أنابيب شعرية (مثل تلك المستخدمة في الري بالتنقيط):

المادة: تُصنع هذه الأنابيب عادةً من البولي إيثيلين (PE) أو البولي فينيل كلوريد (PVC)، وتكون ذات قطر صغير جدًا (أنابيب دقيقة أو مايكرو-أنابيب).

آلية العمل:

التقطير الموجه: تُصمم هذه الأنابيب لتحتوي على فتحات صغيرة (نقاط تنقيط) على مسافات محددة على طول الأنبوب. عندما يتجمع الماء من الكيس فوق هذه الأنابيب، يدخل إلى داخلها ويُسرب عبر نقاط التنقيط هذه إلى التربة.

التحكم الدقيق: تُوفر هذه الطريقة تحكمًا أكثر دقة في نقاط إطلاق الماء، حيث يمكن توجيه الأنابيب لتغطية منطقة معينة حول الجذور.

الضغط المنخفض: تعمل بفعالية مع الضغوط المنخفضة الناتجة عن تدفق الماء من الكيس، ولا تتطلب مضخات ضغط عالية.

التصميم والتثبيت:

تُوضع الأنابيب الشعرية في نمط دائري أو حلزوني حول جذع الشجرة تحت الكيس، مع التأكد من أن نقاط التنقيط موجهة نحو منطقة الجذور.

يمكن توصيل هذه الأنابيب بمدخل الكيس بطريقة ما (مثلاً عبر وصلة صغيرة) أو ببساطة وضعها تحت منطقة تسرب الماء من الكيس.

فوائد الطبقة الوسطى (ناقل مائي):

تحسين كفاءة الري: تضمن وصول الماء إلى أكبر مساحة ممكنة من الجذور بشكل متساوٍ، مما يقلل من هدر الماء ويزيد من امتصاص الشجرة له.

تعزيز نمو الجذور: يشجع التوزيع المتجانس للماء على انتشار الجذور بشكل متوازن وصحي في جميع الاتجاهات، مما يعزز استقرار الشجرة وقدرتها على امتصاص المغذيات.

منع التشبع الموضعي: تُقلل من خطر تجمع الماء بشكل مفرط في نقطة واحدة، مما قد يؤدي إلى اختناق الجذور أو تعفنها.

مكافحة الحشائش: من خلال توجيه الماء بدقة إلى الجذور الرئيسية للشجرة، تقلل هذه الطبقة من كمية الماء المتاحة للحشائش السطحية، مما يحد من نموها.

الطبقة السفلى: تعزيز احتفاظ التربة بالماء وتنقيته

تُعد إضافة الطبقة السفلى التي تجمع بين الهيدروجيل والتربة مع طبقة من الرمل الخشن والفحم النشط تحت كيس الترشيح النانوي خطوة متقدمة لزيادة كفاءة الري بشكل كبير. هذه الطبقة تُعزز من قدرة التربة على الاحتفاظ بالماء وتُحسن جودته قبل وصوله إلى الجذور، مما يدعم صحة الشجرة ونموها على المدى الطويل.

الهيدروجيل والتربة: خزان مائي تحت الأرض

الهدف من هذه الطبقة هو تحويل منطقة الجذور إلى خزان مائي مصغر يُطلق الماء ببطء وبشكل تدريجي حسب حاجة الشجرة.

المزيج: تُخلط حبيبات الهيدروجيل (مثل البولي أكريلاميد) مع التربة بنسبة 1:3 (هيدروجيل:تربة). تُحدد هذه النسبة لتحقيق التوازن بين قدرة التربة على الاحتفاظ بالماء والحفاظ على تهويتها الجيدة.

الهيدروجيل (البولي أكريلاميد): مادة بوليمرية فائقة الامتصاص يمكنها امتصاص كميات هائلة من الماء (مئات المرات وزنها الجاف) والاحتفاظ بها. تُطلق الماء تدريجيًا عندما تجف التربة، مما يوفر إمدادًا ثابتًا بالرطوبة للجذور.

التربة: توفر الدعم الهيكلي وتُساهم في توفير المغذيات وتسمح بتبادل الغازات.

العمق: يُوضع هذا المزيج على عمق 20-30 سم حول الجذور. هذا العمق يضمن وصول الماء إلى الجذور العميقة ويُشجع على انتشارها في هذا النطاق، مما يجعل الشجرة أكثر مقاومة للجفاف.

اختيار الهيدروجيل:

معدل انتفاخ عالي (500% ماء): هذا يعني أن الهيدروجيل قادر على امتصاص ما يصل إلى خمسة أضعاف وزنه من الماء، مما يزيد بشكل كبير من سعة تخزين الماء في التربة.

مغطى بطبقة كبريتات الألومنيوم: هذه الطبقة الخارجية مهمة جدًا لمنع تكتل حبيبات الهيدروجيل. بدونها، قد تلتصق الحبيبات ببعضها البعض وتُشكل كتلًا كبيرة، مما يُقلل من فعاليتها في توزيع الماء وربما يُعيق تهوية التربة. كما أنها تُساعد في الحفاظ على قدرتها على الامتصاص والإطلاق المتكرر للماء على مدى فترة طويلة.

طبقة الرمل الخشن والفحم النشط: تنقية وحماية

هذه الطبقة تُعد بمثابة فلتر طبيعي يحمي الثقوب النانوية الدقيقة في الكيس ويُحسن جودة الماء قبل وصوله إلى الهيدروجيل والجذور.

المزيج: تُوضع طبقة من الرمل الخشن المخلوط بالفحم النشط بسمك 5 سم بين الكيس وطبقة الهيدروجيل والتربة.

الرمل الخشن: يعمل كفلتر فيزيائي أولي، حيث يحتجز الجزيئات الأكبر حجمًا مثل الرواسب والأوساخ التي قد تأتي مع الماء أو من التربة. يسمح بحركة الماء مع منع الجزيئات الصلبة.

الفحم النشط: مادة مسامية للغاية ذات قدرة امتصاص عالية.

تنقية الماء: يمتص الشوائب الكيميائية، والمبيدات (إن وجدت)، والمركبات العضوية، وبعض الأملاح الزائدة التي قد تكون موجودة في ماء الري أو التربة، مما يُحسن من جودة الماء الذي يصل إلى الجذور.

إزالة الروائح: يمكن أن يزيل أي روائح غير مرغوبة من الماء.

منع الانسداد: بامتصاصه للمواد الدقيقة والزيتية التي قد لا يحتجزها الرمل، يُقلل الفحم النشط بشكل كبير من خطر انسداد الثقوب النانوية الدقيقة في كيس الترشيح.

الموضع: تُوضع هذه الطبقة مباشرة تحت الكيس (وبالتحديد تحت طبقة الناقل المائي إذا كانت موجودة) وفوق مزيج الهيدروجيل والتربة.

الفوائد الشاملة للطبقة السفلى:

<!--تحسين إدارة المياه: يُقلل بشكل كبير من فقدان الماء بالتبخر أو الصرف العميق، مما يوفر كميات كبيرة من الماء ويجعل الري أكثر كفاءة.

<!--إمداد مائي ثابت: يوفر خزان الهيدروجيل رطوبة ثابتة للجذور، حتى خلال فترات الجفاف القصيرة، مما يُقلل من الإجهاد المائي على الشجرة.

<!--ترشيح متقدم: تُحسن طبقة الرمل والفحم النشط جودة الماء الذي يصل إلى الجذور، وتُقلل من مخاطر تراكم الأملاح أو المواد الكيميائية الضارة.

<!--حماية الكيس: تُطيل عمر كيس الترشيح النانوي بمنع انسداد الثقوب النانوية، مما يُحافظ على كفاءة النظام على المدى الطويل.

<!--دعم صحة الجذور: توفر بيئة مثالية للجذور بنظام ري منظم ومياه نظيفة، مما يُعزز النمو الصحي والقوي للشجرة.

<!--تقليل الحاجة للري: بفضل قدرة الهيدروجيل على الاحتفاظ بالماء، يُمكن تقليل عدد مرات الري بشكل كبير، مما يوفر الوقت والجهد.

حساب كمية الماء: فهم تدفق الكيس النانوي

لقد قدمت معلومات ممتازة لفهم كيفية حساب مدة كفاية الماء في كيس الترشيح النانوي. دعنا نوضح ذلك بمزيد من التفصيل ونقوم بالحسابات.

فهم المعادلة

المعادلة التي ذكرتها صحيحة ومفيدة جدًا لتحديد المدة التي سيكفي فيها الماء:

الوقت(بالساعات)=معدل الترشيح (مل/ساعة)حجم الماء (مل

هذه المعادلة بسيطة وفعالة، وتُظهر العلاقة بين كمية الماء المتوفرة ومعدل استهلاكه.

تطبيق على مثالك

دعنا نطبق هذه المعادلة على الأرقام التي قدمتها:

حجم الكيس: 20 لترًا

معدل الترشيح: 0.5 مل/ساعة

الخطوة 1: تحويل حجم الكيس إلى مليلتر (مل)

نظرًا لأن معدل الترشيح بوحدة المل/ساعة، يجب أن يكون حجم الماء بنفس الوحدة لضمان دقة الحساب.

1 لتر = 1000 مل إذًا، 20 لترًا = 20×1000=20000 مل

الخطوة 2: حساب الوقت بالساعات

الآن، نطبق الأرقام في المعادلة:

الوقت بالساعات)=0.5 مل/ساعة20000 مل​الوقت (بالساعات=40000 ساعة

الخطوة 3: تحويل الوقت إلى أيام ثم إلى أشهر

التحويل إلى أيام: 1 يوم = 24 ساعة إذًا، 40000 ساعة/24 ساعة/يوم=1666.67 يوم

التحويل إلى أشهر (بافتراض الشهر 30 يومًا لتبسيط الحساب): 1666.67 يوم/30 يوم/شهر≈55.56 شهر

الخلاصة

وفقًا لحساباتك ومعدل الترشيح المقترح، فإن كيسًا بحجم 20 لترًا ومعدل ترشيح 0.5 مل/ساعة سيكفي لتوفير الماء لمدة تقريبية تصل إلى 55.56 شهرًا، أو ما يقارب 4.6 سنوات!

هذا يوضح الكفاءة العالية جدًا لهذا النظام في توفير الماء ببطء وعلى مدى فترات طويلة جدًا، مما يجعله مثاليًا للري طويل الأمد وخصوصًا في المناطق التي تعاني من شح المياه أو الرغبة في تقليل تكرار الري

فوائد كيس الترشيح النانوي

يُقدم كيس الترشيح النانوي فوائد كبيرة للقضاء على الحشائش حول الأشجار وتنظيم انتشار الجذور:

القضاء على الحشائش:

الري الموضعي الدقيق: يُوفر الكيس الماء مباشرة إلى منطقة جذور الشجرة، مما يقلل بشكل كبير من كمية المياه التي تصل إلى الحشائش المحيطة. هذا يحد من نمو الحشائش ويجعلها تتنافس بشكل أقل على الموارد المائية مع الشجرة.

تقليل الرطوبة السطحية: بما أن الماء يُطلق ببطء وبشكل مباشر تحت سطح التربة (أو قريب جدًا منه)، فإن سطح التربة يظل جافًا نسبيًا. هذا يقلل من بيئة النمو المثالية لمعظم الحشائش التي تحتاج إلى رطوبة سطحية للإنبات والنمو.

توفير الوقت والجهد: يقلل الحاجة إلى إزالة الحشائش يدويًا أو باستخدام مبيدات الأعشاب.

انتظام معدل انتشار الجذور:

توزيع الماء المتساوي: تسمح الثقوب النانوية والصمام الدقيق بتوزيع الماء ببطء وبشكل متساوٍ حول منطقة الجذور المستهدفة. هذا يشجع على نمو الجذور بشكل موحد وعميق في التربة بدلاً من الانتشار السطحي بحثًا عن الماء.

تحفيز النمو الجذري العميق: عندما يصل الماء ببطء إلى أعماق التربة، تتشجع الجذور على النمو عميقًا للوصول إلى مصدر الماء، مما يجعل الشجرة أكثر مقاومة للجفاف ويزيد من استقرارها.

تقليل الإجهاد المائي: يضمن الري المنتظم والدقيق حصول الشجرة على كمية الماء المناسبة باستمرار، مما يقلل من الإجهاد المائي الذي يمكن أن يؤثر سلبًا على نمو الجذور وصحة الشجرة.

تحسين امتصاص المغذيات: مع انتشار الجذور بشكل منتظم وعميق، تزداد قدرة الشجرة على امتصاص الماء والمغذيات من التربة بفعالية أكبر.

المهندس / جمعة علي أحمد طوغان

• صاحب المنظومة الجديدة للحد من ندرة المياه عالميًا.

• الحائز على المركز الأول في الإبداع والابتكار – جائزة مصر للتميز الحكومي 2019.

• مستشار رئيس هيئة تنمية الصعيد – رئاسة مجلس الوزراء – للمشروعات الزراعية والتنموية.