FLANDERS' FOOD RADAR

Drift simuleren van spuittoestellen

Pesticiden zijn chemische of natuurlijke producten die gebruikt worden voor de bescherming van planten en dieren tegen plagen, ziektes en onkruid. De laatste jaren is de bezorgdheid rond het milieu en de gezondheid gestegen, vooral als gevolg van ongecontroleerd spuiten.

Verschillende experimentele studies toonden aan dat drift, of het landen van pesticiden naast het te bespuiten veld, schade kan toebrengen aan de gezondheid van omwonenden of toevallige passanten, aan naburige ecosystemen en aan de gewassen van aangrenzende velden.

Aangezien veldexperimenten moeilijk uit te voeren zijn en veel variabiliteit tonen, gebruikten de onderzoekers van de afdeling MeBioS (Mechatronica, Biostatistiek en Sensoren) en VCBT (Vlaams Centrum voor Bewaring van Tuinbouwproducten) een modelmatige benadering om drift te onderzoeken

Een CFD-model vereenvoudigen

Een grote verscheidenheid aan parameters zoals veldtopologie, windsnelheid, windrichting, boomhoogte, rijsnelheid, spuitdopontwerp en de spuittechniek van de operator beïnvloeden driftvorming. De basis voor de modelmatige studie is een Computational Fluid Dynamics (CFD) model. Het grote voordeel van CFD is dat alle parameters die drift beïnvloeden onafhankelijk van elkaar aangepast en bestudeerd kunnen worden via driedimensionele simulaties van de individuele druppelbanen van de spuitvloeistof tijdens de bespuiting. Nadeel van het CFD-model is dat het omslachtig is en enkel door experten kan gebruikt worden. Op basis van dit 3D-model werd daarom een sneller, maar eveneens mechanistisch 2D-model ontwikkeld en gevalideerd met veldexperimenten. Dit driftmodel kan eenvoudig gebruikt worden door landbouwers, machine- en spuitdopfabrikanten, pesticidenfabrikanten, de overheid en het publiek om snelle driftvoorspellingen te maken bij verschillende toepassingen.

Het uiteindelijke simulatiemodel

Verschillende aspecten van het CFD-model werden vereenvoudigd: het 3D-domein werd geconverteerd naar een 2D-domein; de druppels werden niet meer individueel gemodelleerd, maar als een concentratiewolk; het model neemt enkel de driftzone in beschouwing. Dit resulteerde in een diffusie-advectiemodel met verschillende parameters die werden bepaald aan de hand van CFD-simulaties (Figuur 1). De relatie tussen deze effectieve parameters en de windsnelheid, boomhoogte en druppelkarakteristieken van de spuitdoptypes werd gekwantificeerd in een tweestapskalibratie. Er werd gebruik gemaakt van niet-lineaire optimisatieprocedures.


Figuur 1: Visuele voorstelling van de vereenvoudiging van het CFD-model tot een gebruiksvriendelijk simulatiemodel voor drift: (a) 3D CFD-model, (b) 2D-beeld van het CFD-model, (c) uiteindelijk simulatiemodel op basis van een diffusie-advectievergelijking.

Toepassingen

Het model werd gevalideerd aan de hand van veldexperimenten uitgevoerd door ILVO in Merelbeke. Het gereduceerde model voor drift van veldbespuitingen presteerde goed voor verschillende spuitdoptypes, windsnelheden en boomhoogtes in eenvoudige, heldere en goed te begrijpen relaties (Figuur 2). Een R2 waarde van 0,80 werd gevonden voor de relatie tussen veldexperimenten en model (Figuur 3). Het simulatiemodel kan opgelost worden in enkele seconden (ongeveer 10000 keer sneller dan het CFD-model) en heeft hierdoor een hoog potentieel om als een snel evaluatie-instrument gebruikt te worden voor eindgebruikers terwijl het toch in staat is om een zinvolle verklaring te geven voor de geobserveerde driftwaarden. Hiermee is de individuele en gecombineerde invloed van belangrijke variabelen die drift beïnvloeden (boomhoogte, windsnelheid en spuitdoptype) gedemonstreerd. Het model is klaar om geïmplementeerd te worden als een webgebaseerd instrument voor driftvoorspellingen.

Figuur 2: Vergelijking tussen CFD- en simulatiemodel (RM) voor verschillende doptypes met een fijn (F), medium (M) of grof druppelgroottespectrum


Figuur 3: Vergelijking van simulatiemodel en veldexperimenten.

Dit onderzoek wordt financieel ondersteund door IWT-Vlaanderen, Delvano, Beyne, Phytofar en Boerenbond en wordt uitgevoerd in samenwerking met ILVO en UGent.

Meer info

Nuttige links