Сельскохозяйственная гидрология

Изучение управления водными ресурсами в сельском хозяйстве, в частности орошения и дренажа

Сельскохозяйственная гидрология – это изучение компонентов водного баланса, влияющих на управление водными ресурсами в сельском хозяйстве , особенно на орошение и дренаж . ^[1]

Иллюстрация некоторых компонентов водного баланса

Компоненты водного баланса

Компоненты водного баланса сельскохозяйственных угодий

Составляющие водного баланса можно сгруппировать в компоненты, соответствующие зонам в вертикальном разрезе в почвообразующих резервуарах с притоком, оттоком и запасами воды: ^[2]

1. поверхностный резервуар ( S )
2. корневая зона или ненасыщенная ( зона аэрации ) ( R ) с преимущественно вертикальными потоками
3. водоносный горизонт ( Q ) с преимущественно горизонтальными потоками
4. переходная зона ( Т ), в которой вертикальные и горизонтальные потоки преобразуются

Общий водный баланс выглядит следующим образом:

• приток = отток + изменение хранения

и он применим к каждому из резервуаров или их комбинации.

В следующих балансах предполагается, что уровень грунтовых вод находится внутри переходной зоны.

Баланс поверхностных вод

Компоненты водного баланса, поступающие в поверхностный водоем ( S ), следующие:

1. Rai – вертикально поступающая вода на поверхность, например: осадки (включая снег), ливень , дождевание.
2. Isu – Горизонтально поступающая поверхностная вода. Это может быть естественное затопление или поверхностное орошение

Составляющие баланса исходящей воды из поверхностного водохранилища ( S ) составляют:

1. Eva – Испарение с открытой воды на поверхности почвы (см. уравнение Пенмана )
2. Осу – Поверхностный сток (естественный) или поверхностный дренаж (искусственный)
3. Инф – просачивание воды через поверхность почвы в корневую зону

Баланс поверхностных вод выглядит следующим образом:

• Rai + Isu = Eva + Inf + Osu + Ws, где Ws — изменение запасов воды на поверхности почвы.

Поверхностный сток в методе номера кривой

Водный баланс корневой зоны

Компоненты водного баланса, поступающие в корневую зону ( R ), следующие:

1. Инф – просачивание воды через поверхность почвы в корневую зону
2. Кап – Капиллярный подъем воды из переходной зоны

Составляющие баланса исходящей воды из поверхностного водохранилища ( R ) составляют:

1. Эра – Фактическое испарение или суммарное испарение из корневой зоны.
2. Пер – просачивание воды из ненасыщенной корневой зоны в переходную зону

Водный баланс корневой зоны выглядит следующим образом:

• Inf + Cap = Era + Per + Wr, где Wr — изменение запаса воды в корневой зоне.

Водный баланс переходной зоны

Компоненты водного баланса, поступающие в переходную зону ( T ), составляют:

1. Пер – просачивание воды из ненасыщенной корневой зоны в переходную зону
2. Lca – просачивание воды из реки, канала или дренажных систем в переходную зону, часто называемое глубокими потерями от просачивания
3. Ugw – вертикально восходящая фильтрация воды из водоносного слоя в насыщенную переходную зону

Компоненты исходящего водного баланса из переходной зоны ( T ) составляют:

1. Кап – капиллярный подъем воды в корневую зону
2. Dtr – Искусственный горизонтальный подземный дренаж , см. также Дренажная система (сельское хозяйство)
3. Dgw – вертикально-нисходящий дренаж воды из насыщенной переходной зоны в водоносный горизонт

Водный баланс переходной зоны выглядит следующим образом:

• Per + Lca + Ugw = Cap + Dtr + Dgw + Wt, где Wt — изменение запасов воды в переходной зоне, заметное как изменение уровня грунтовых вод.

Водный баланс водоносного горизонта

Компоненты баланса входящей воды в водоносный горизонт ( Q ):

1. Dgw – вертикально-нисходящий дренаж воды из насыщенной переходной зоны в водоносный горизонт
2. Iaq – Горизонтально поступающие грунтовые воды в водоносный горизонт

Компоненты баланса исходящей воды из водоносного горизонта ( Q ) следующие:

1. Ugw – вертикально восходящая фильтрация воды из водоносного слоя в насыщенную переходную зону
2. Oaq – Горизонтально выходящие грунтовые воды из водоносного слоя
3. Wel – Сброс из (трубчатых) скважин , размещенных в водоносном слое

Водный баланс водоносного горизонта выглядит следующим образом:

• Dgw + Iaq = Ugw + Wel + Oaq + Wq

где Wq — изменение запаса воды в водоносном горизонте, заметное как изменение артезианского давления .

Удельные водные балансы

Комбинированные остатки

Водные балансы могут быть составлены для комбинации двух граничащих вертикальных почвенных зон, выделенных таким образом, что компоненты, составляющие приток и отток из одной зоны в другую, исчезнут.
В долгосрочных водных балансах (месяц, сезон, год) сроки хранения часто пренебрежимо малы. Исключение их приводит к устойчивому состоянию или равновесным водным балансам.

Сочетание поверхностного резервуара ( S ) и корневой зоны ( R ) в устойчивом состоянии дает баланс воды в верхнем слое почвы  :

• Рай + Ису + Кап = Ева + Эра + Осу + Пер, где фактор сцепления Инф исчез.

Сочетание корневой зоны ( R ) и переходной зоны ( T ) в устойчивом состоянии дает баланс подпочвенной воды  :

• Inf + Lca + Ugw = Era + Dtr + Dgw, где Wr коэффициенты сцепления Per и Cap исчезли.

Сочетание переходной зоны ( T ) и водоносного горизонта ( Q ) в устойчивом состоянии дает геогидрологический водный баланс  :

• Per + Lca + Iaq = Cap + Dtr + Wel + Oaq, где Wr факторы сцепления Ugw и Dgw исчезли.

Объединение трех верхних водных балансов в устойчивом состоянии дает агрономический водный баланс  :

• Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw, где факторы сцепления Inf , Per и Cap исчезли.

Объединение всех четырех водных балансов в устойчивом состоянии дает общий водный баланс  :

• Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq, где исчезли факторы сцепления Inf , Per , Cap , Ugw и Dgw .

Схема повторного использования грунтовых вод для орошения через скважины

Уровень грунтовых вод за пределами переходной зоны

Когда уровень грунтовых вод находится выше поверхности почвы, балансы, содержащие компоненты Inf , Per , Cap, не подходят, поскольку их не существует. Когда уровень грунтовых вод находится внутри корневой зоны, балансы, содержащие компоненты Per , Cap , не подходят, поскольку их не существует. Когда уровень грунтовых вод находится ниже переходной зоны, подходит только баланс водоносного слоя .

Уменьшено количество зон

Компоненты водного баланса Saltmod

При определенных условиях может быть, что водоносный слой, переходная зона или корневая зона отсутствуют. Водные балансы могут быть составлены без учета отсутствующих зон.

Чистая и избыточная стоимость

Вертикальные гидрологические компоненты вдоль границы между двумя зонами со стрелками в одном направлении можно объединить в чистые значения .
Например, : Npc = Per − Cap (чистая фильтрация), Ncp = Cap − Per (чистый капиллярный подъем).
Горизонтальные гидрологические компоненты в той же зоне со стрелками в одном направлении можно объединить в избыточные значения .
Например, : Egio = Iaq − Oaq (превышение притока грунтовых вод над оттоком), Egoi = Oaq − Iaq (превышение оттока грунтовых вод над притоком).

Солевой баланс

Водные балансы для сельского хозяйства также используются в солевых балансах орошаемых земель.
Кроме того, солевые и водные балансы используются в моделях агро-гидро-солености-дренажа, таких как Saltmod .
Равным образом они используются в моделях солености грунтовых вод , таких как SahysMod , которая является пространственной вариацией SaltMod, использующей полигональную сеть.

Требования к орошению и дренажу

Потребность в орошении (Irr) может быть рассчитана из водного баланса верхнего слоя почвы , агрономического водного баланса или общего водного баланса , как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от доступности данных о компонентах водного баланса.
Рассматривая поверхностное орошение , предполагая, что испарение поверхностной воды пренебрежимо мало (Eva = 0), устанавливая фактическое эвапотранспирацию Era равным потенциальному эвапотранспирации (Epo) так, что Era = Epo и устанавливая поверхностный приток Isu равным Irr так, что Isu = Irr, балансы дают соответственно:

• Ирр = Эпо + Осу + Пер − Рай − Кэп
• Irr = Epo + Osu + Dtr + Dgw − Rai − Lca − Ugw
• Irr = Epo + Osu + Dtr + Oaq − Rai − Lca − Iaq

Определяя эффективность орошения как IEFF = Epo/Irr, т.е. долю оросительной воды, потребляемую культурой, соответственно получаем, что:

• IEFF = 1 − (Osu + Per − Rai − Cap) / Irr
• IEFF = 1 - (Osu + Dtr + Dgw - Rai - Lca - Ugw) / Irr

Сброс дренажа определяет расстояние между дренажами.

• IEFF = 1 — (Osu + Dtr + Oaq — Rai — Lca — Iaq) / Irr

Аналогичным образом, безопасный дебит скважин , извлекающих воду из водоносного горизонта без чрезмерной эксплуатации , может быть определен с использованием геогидрологического водного баланса или общего водного баланса , как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от наличия данных о компонентах водного баланса.

Аналогичным образом, потребность в подземном дренаже можно определить из расхода дренажа (Dtr) в балансе подпочвенных вод , агрономическом водном балансе , геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе .

Аналогичным образом потребность в дренаже скважины можно определить по дебиту скважины (Wel) в гидрологическом водном балансе или общем водном балансе .

Требования к подземному дренажу и скважинному дренажу играют важную роль в проектировании сельскохозяйственных дренажных систем (ссылки:, ^{[4] [5]} ).

Средние климатические данные и дренаж в Нидерландах

Смотрите также

• Гидрология

Ссылки

1. NA de Ridder и J. Boonstra, 1994. Анализ водных балансов . В: HPRitzema (ред.), Принципы и применение дренажа, публикация 16, стр. 601–634. Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. ISBN  90-70754-33-9
2. Дренаж для сельского хозяйства: гидрология и водный баланс . Лекционные заметки, Международный курс по осушению земель (ICLD), Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. В сети: [1]
3. "Публикация 16, Глава 4.1, Оценка пиковых скоростей стока" . Получено 2010-08-09 .
4. Энергетический баланс потока грунтовых вод, применяемый к подземному дренажу в анизотропных почвах с помощью труб или канав с входным сопротивлением . В сети: [2] Архивировано 2009-02-19 в Wayback Machine . Статья основана на: RJ Oosterbaan, J. Boonstra и KVGK Rao, 1996, Энергетический баланс потока грунтовых вод . Опубликовано в VP Singh и B. Kumar (ред.), Subsurface-Water Hydrology, стр. 153–160, том 2 Трудов Международной конференции по гидрологии и водным ресурсам, Нью-Дели, Индия, 1993. Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, Нидерланды. ISBN 978-0-7923-3651-8 . В сети: [3] 
5. Подземный дренаж (трубчатыми) скважинами, 9 стр. Уравнения расстановки скважин для полностью или частично проникающих скважин в однородных или слоистых водоносных горизонтах с или без входного сопротивления . Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. В сети: [4]
6. "CumFreq, программное обеспечение для кумулятивного частотного анализа" . Получено 2010-08-16 .

Внешние ссылки

• Сайт по сельскохозяйственной гидрологии: [5]
• Бесплатное программное обеспечение для расчетов по сельскохозяйственной гидрологии: [6]
• Статьи по сельскохозяйственной гидрологии: [7]
• Часто задаваемые вопросы о сельскохозяйственной гидрологии: [8]
• Практические примеры по сельскохозяйственной гидрологии: [9]
• Водный след сельскохозяйственных культур | Visual.ly