СахисМод
 Вкладка ввода скриншотов | |
| Разработчик(и) | Институт мелиорации и улучшения земель (ИЛРИ) |
|---|---|
| Написано в | Дельфи |
| Операционная система | Microsoft Windows |
| Доступно в | Английский |
| Тип | Статистическое программное обеспечение |
| Лицензия | Проприетарное бесплатное ПО |
| Веб-сайт | СахисМод |
SahysMod — компьютерная программа для прогнозирования засоления почвенной влаги, грунтовых и дренажных вод, глубины залегания грунтовых вод и дренажного расхода на орошаемых сельскохозяйственных угодьях с использованием различных гидрогеологических и водоносных условий, различных вариантов водопользования, в том числе с использованием грунтовых вод для орошения, а также несколько графиков севооборота, в соответствии с которыми пространственные изменения учитываются с помощью сети полигонов. [1]
Обоснование
[ редактировать ]Существует потребность в компьютерной программе , с которой проще работать и которая требует более простой структуры данных , чем большинство доступных в настоящее время моделей. Поэтому программа SahysMod была разработана с учетом относительной простоты эксплуатации, чтобы облегчить ее использование полевым техникам, инженерам и планировщикам проектов, а не специализированным геогидрологам .
Он направлен на использование входных данных, которые обычно доступны, или которые можно оценить с достаточной точностью, или которые можно относительно легко измерить. Хотя расчеты выполняются численно и их приходится повторять много раз, окончательные результаты можно проверить вручную, используя формулы данного руководства. [2]
SahysMod Целью является прогнозирование долгосрочной гидросолености с точки зрения общих тенденций , а не получение точных прогнозов того, какой, например, будет ситуация 1 апреля через десять лет.
Кроме того, SahysMod дает возможность повторного использования дренажной и колодезной воды (например, для орошения ) и может учитывать фермеров реакцию на заболачивание , засоление почвы , нехватку воды и чрезмерную откачку из водоносного горизонта . Также это дает возможность внедрить системы подземного дренажа на различной глубине и с различной производительностью, чтобы их можно было оптимизировать .Другие возможности SahysMod описаны в следующем разделе.
Методы
[ редактировать ]Расчет условий водоносного горизонта в полигонах
[ редактировать ]
Модель рассчитывает уровни грунтовых вод, а также входящие и исходящие потоки грунтовых вод между полигонами путем численного решения известного уравнения Буссинеска . Уровни и потоки взаимно влияют друг на друга.Ситуация с грунтовыми водами дополнительно определяется вертикальным питанием подземных вод , которое рассчитывается на основе агрономического водного баланса . Они снова зависят от уровня грунтовых вод .
При наличии полунапорных водоносных горизонтов учитываются сопротивление вертикальному потоку в медленнопроницаемом верхнем слое и избыточное давление в водоносном горизонте, если таковое имеется. [3]
Гидравлические граничные условия задаются как гидравлические напоры во внешних узлах в сочетании с гидравлической проводимостью между внутренними и внешними узлами. Если кто-то желает наложить условие нулевого расхода на внешних узлах, проводимость можно установить равной нулю.
Кроме того, водоносного горизонта для внутренних узлов могут быть заданы условия течения . Они необходимы, когда на дне водоносного горизонта присутствует геологический разлом или когда поток происходит между основным водоносным горизонтом и более глубоким водоносным горизонтом, разделенным полуупорным слоем.
Предполагается, что глубина зеркала грунтовых вод , количество осадков и концентрация соли в более глубоких слоях одинаковы на всем полигоне. Другие параметры могут варьироваться в пределах полигонов в зависимости от типа культур и графика севооборота.
Сезонный подход
[ редактировать ]Модель основана на сезонных входных данных и возвращает сезонные выходные данные. Количество сезонов в году можно выбрать от минимум одного до максимум четырех. Можно выделить, например, сухой, влажный, холодный, жаркий, ирригационный или паровой сезоны. Причины не использования меньших периодов ввода/вывода:
- краткосрочные (например, ежедневные) затраты потребуют большого количества информации, которая на больших территориях может оказаться недоступной;
- краткосрочные результаты приведут к созданию огромных выходных файлов, которыми будет сложно управлять и интерпретировать;
- эта модель специально разработана для прогнозирования долгосрочных тенденций, а прогнозы на будущее более надежно делаются на сезонной (долгосрочной), чем на ежедневной (краткосрочной) основе, из-за высокой изменчивости краткосрочных данных ;
- хотя точность прогнозов на будущее может быть ограничена, многого можно добиться, когда тенденция достаточно ясна. Например, не должно быть серьезным препятствием для разработки соответствующих мер по контролю за засолением почвы , если определенный уровень засоления, который, по прогнозам SahysMod, наступит через 20 лет, в действительности произойдет через 15 или 25 лет. [4]
Вычислительные временные шаги
[ редактировать ]Многие факторы водного баланса зависят от уровня грунтовых вод , который также зависит от некоторых факторов водного баланса. Из-за этих взаимных влияний в течение сезона могут происходить нелинейные изменения. Поэтому компьютерная программа выполняет ежедневные расчеты. Для этого сезонные коэффициенты водного баланса, заданные с помощью входных данных, автоматически приводятся к суточным значениям. Рассчитанные сезонные коэффициенты водного баланса, указанные в выходных данных, получаются путем суммирования рассчитанных за день значений. грунтовых вод Уровни и засоленность почвы ( переменные состояния ) в конце сезона определяются путем накопления ежедневных изменений запасов воды и соли.
В некоторых случаях программа может обнаружить, что для большей точности шаг по времени должен быть меньше 1 дня. Необходимые корректировки вносятся автоматически. [5]
Требования к данным
[ редактировать ]Полигональная сеть
[ редактировать ]
Модель допускает максимум 240 внутренних и 120 внешних полигонов минимум с 3 и максимум с 6 сторонами каждый. Деление территории на полигоны, основанное на узловых точках с известными координатами , должно определяться особенностями распределения посевов , ирригации , дренажа и характеристиками грунтовых вод на изучаемой территории.
Узлы необходимо пронумеровать, что можно сделать по желанию. С помощью индекса единица указывает, является ли узел внутренним или внешним. Узлы можно добавлять и удалять по желанию или менять с внутренних на внешние и наоборот. С помощью другого индекса указывается, имеют ли внутренние узлы незамкнутый или полузамкнутый водоносный горизонт. Это также можно изменить по желанию.
Отношения узловой сети должны быть заданы с указанием номеров соседних полигонов каждого узла. Затем программа вычисляет площадь поверхности каждого многоугольника, расстояние между узлами и длины сторон между ними, используя принцип Тиссена.
Гидравлическая проводимость может различаться для каждой стороны многоугольников.
Предполагается, что глубина зеркала грунтовых вод , количество осадков и концентрация соли в более глубоких слоях одинаковы по всему полигону. Другие параметры могут варьироваться в пределах полигонов в зависимости от типа культур и графика севооборота. [6]
Гидрологические данные
[ редактировать ]
В качестве входных данных метод использует сезонные компоненты водного баланса. Они связаны с гидрологией поверхности (например, осадками, потенциальным испарением , ирригацией , использованием дренажных и колодезных вод для орошения, стоком ) и гидрологией водоносного горизонта (например, откачкой из колодцев ). Остальные компоненты водного баланса (такие как фактическое испарение, нисходящая фильтрация , восходящий капиллярный подъем , подземный дренаж , поток грунтовых вод ) представляют собой выход.
Количество дренажных вод на выходе определяется двумя коэффициентами интенсивности дренажа для дренажа выше и ниже уровня дренажа соответственно (задается вместе с входными данными) и высотой уровня грунтовых вод над заданным уровнем дренажа. Эта высота является результатом расчета водного баланса. Кроме того, можно применить коэффициент уменьшения дренажа для моделирования ограниченной работы дренажной системы. Варьирование коэффициентов интенсивности дренажа и коэффициента снижения дренажа дает возможность моделировать действие различных вариантов дренажа.
Для получения точности расчетов расхода грунтовых вод (раздел 2.8), фактического испарения и капиллярного подъема компьютерные расчеты проводятся ежедневно. Для этого сезонные гидрологические данные делятся на количество дней в сезоне для получения суточных значений. Дневные значения добавляются для получения сезонных значений. [7]
Схема обрезки/поворот
[ редактировать ]Входные данные по орошению, испарению и поверхностному стоку задаются по сезонам для трех видов агроприемов, которые могут быть выбраны по усмотрению пользователя:
- А: орошаемые земли с культурами группы А.
- Б: орошаемые земли с культурами группы Б
- U: неорошаемые земли с неорошаемыми посевами или залежи под паром.
Группы, выраженные в долях общей площади, могут состоять из комбинаций культур или только из одного вида культур. Например, в качестве культур типа А можно указать малоорошаемые культуры, а в качестве типа Б — более обильно орошаемые, например сахарный тростник и рис . Но можно также принять А за рис, а за Б — сахарный тростник или, возможно, деревья и фруктовые сады . Культуры A, B и/или U можно использовать по-разному в разные сезоны, например, A= пшеница плюс ячмень зимой и A= кукуруза летом, тогда как B= овощи зимой и B= хлопок летом. Неорошаемые земли можно задать двумя способами: (1) как U = 1−A−B и (2) как A и/или B с нулевым орошением. Также можно составить комбинацию.
Кроме того, необходимо указать сезонную ротацию различных видов землепользования на всей площади, например, полная ротация, отсутствие ротации вообще или неполная ротация. Это происходит с индексом вращения. Ротация осуществляется по сезонам в течение года. Чтобы получить ротацию по годам, желательно ввести ежегодные изменения затрат, как объяснено.
Если фракция A1, B1 и/или U1 отличается от фракции A2, B2 и/или U2 в другой сезон, поскольку режим орошения меняется в разные сезоны, программа обнаружит, что происходит определенная ротация. Если вы хотите избежать этого, можно указать одни и те же доли для всех сезонов (A2=A1, B2=B1, U2=U1), но культуры и объемы орошения могут быть разными, и их может потребоваться пропорционально скорректировать. Можно даже указать орошаемые земли (А или Б) с нулевым орошением, что равнозначно неорошаемым землям (У).
Графики севооборота сильно различаются в разных частях мира. Творческие комбинации долей площади, индексов севооборота, объемов орошения и ежегодных изменений затрат могут соответствовать многим типам сельскохозяйственных практик. [8]
Варьирование долей площадей и/или режима севооборота дает возможность моделировать влияние различных агроприемов на водно-солевой баланс. [9]
Почвенные пласты, тип водоносного горизонта
[ редактировать ]SahysMod принимает четыре различных резервуара, три из которых находятся в профиле почвы:
- s: поверхностный резервуар,
- r: верхний (неглубокий) резервуар почвы или корневая зона,
- x: промежуточный почвенный резервуар или переходная зона,
- q: глубокий резервуар или основной водоносный горизонт .
Верхний резервуар почвы определяется глубиной почвы, из которой вода может испаряться или поглощаться корнями растений. Ее можно принять равной корневой зоне. В зависимости от водного баланса он может быть насыщенным, ненасыщенным или частично насыщенным. Все движения воды в этой зоне вертикальные: вверх или вниз, в зависимости от водного баланса. (В будущей версии Сахисмода верхний почвенный резервуар может быть разделен на две равные части, чтобы обнаружить тенденцию в вертикальном распределении солености.)
Переходная зона также может быть насыщенной, ненасыщенной или частично насыщенной. Все потоки в этой зоне горизонтальные, за исключением потока в подземные дрены, который радиальный.Если имеется система горизонтального подземного дренажа, ее необходимо разместить в переходной зоне, которая затем делится на две части: верхнюю переходную зону (выше уровня дрена) и нижнюю переходную зону (ниже уровня дрена).
При желании выделить верхнюю и нижнюю часть переходной зоны при отсутствии подземного дренажа можно указать во входных данных дренажную систему с нулевой интенсивностью. [10]
Водоносный горизонт имеет преимущественно горизонтальное течение. Насосные скважины , если они есть, получают воду только из водоносного горизонта. Расход в водоносном горизонте определяется в зависимости от пространственно изменяющихся глубин водоносного горизонта, уровня грунтовых вод и гидравлической проводимости .
SahysMod позволяет использовать фреатические ( безнапорные ) и полунапорные водоносные горизонты. Последний может создавать гидравлическое избыточное или пониженное давление ниже медленно проницаемого верхнего слоя ( аквитарда ).
Сельскохозяйственные водные балансы
[ редактировать ]
сельского хозяйства Водные балансы рассчитываются для каждого почвенного резервуара отдельно, как показано в статье Гидрология (сельское хозяйство) . Излишек воды, выходящий из одного резервуара, преобразуется в поступающую воду для следующего резервуара. Трем почвенным резервуарам можно присвоить различную толщину и коэффициенты хранения, которые будут заданы в качестве входных данных. Когда в конкретной ситуации переходная зона или водоносный горизонт отсутствуют, им необходимо придать минимальную толщину 0,1 м.
Предполагается, что глубина зеркала грунтовых вод в конце предыдущего временного шага, рассчитанная на основе водного баланса , одинакова в пределах каждого многоугольника . Если это предположение неприемлемо, область необходимо разделить на большее количество полигонов.
В определенных условиях высота уровня грунтовых вод влияет на составляющие водного баланса. Например, подъем уровня грунтовых вод к поверхности почвы может привести к увеличению капиллярного подъема, фактического испарения и подземного дренажа или уменьшению потерь на просачивание. Это, в свою очередь, приводит к изменению водного баланса, что снова влияет на высоту уровня грунтовых вод и т. д. Эта цепочка реакций является одной из причин, по которой Сахисмод был разработан в виде компьютерной программы , в которой вычисления производятся изо дня в день, чтобы объяснить цепочку реакций с достаточной степенью точности .
Дренажи, колодцы и повторное использование
[ редактировать ]
Подземный дренаж может осуществляться через дрены или насосные колодцы.
Подземные дрены, если таковые имеются, характеризуются глубиной дренирования и дренажной способностью . Дренажи расположены в переходной зоне. Устройство подземного дренажа может применяться в естественных или искусственных дренажных системах. Функционирование искусственной дренажной системы можно регулировать с помощью коэффициента регулирования дренажа.
Установив дренажную систему нулевой пропускной способности, можно получить возможность раздельного водно-солевого баланса при переходе выше и ниже уровня дрены.
Накачиваемые скважины , если таковые имеются, расположены в водоносном горизонте. Их функционирование характеризуется дебитом скважин .
Дренажную и колодезную воду можно использовать для орошения за счет коэффициента (повторного) использования . Это может повлиять на водно-солевой баланс, а также на эффективность или достаточность орошения.
Солевой баланс
[ редактировать ]
Солевой баланс рассчитывается для каждого почвенного резервуара отдельно. Они основаны на водном балансе с использованием концентрации солей в поступающей и выходящей воде. Некоторые концентрации должны быть указаны в качестве входных данных, например, начальные концентрации солей в воде в различных почвенных резервуарах, в оросительной воде и в поступающих грунтовых водах в водоносный горизонт. Концентрации выражаются через электропроводность (EC в дСм/м). Когда концентрации известны в г соли/л воды, можно использовать эмпирическое правило: 1 г/л -> 1,7 дСм/м. Обычно концентрацию солей в почве выражают в ECe — электропроводности экстракта насыщенной почвенной пасты. В Сахисмоде концентрация солей выражается как EC влажности почвы при ее насыщении в полевых условиях. Как правило, можно использовать коэффициент пересчета EC : ECe = 2 : 1. Используемые принципы соответствуют описанным в статье « Контроль засоления почв» .
Концентрация солей в выходящей воде (либо из одного резервуара в другой, либо посредством подземного дренажа) рассчитывается на основе солевых балансов с использованием различных коэффициентов выщелачивания или смешивания солей, которые должны быть указаны вместе с входными данными. Эффекты различной эффективности выщелачивания можно моделировать, варьируя их входное значение.
Если для орошения используется дренажная или колодезная вода, метод рассчитывает концентрацию солей в смешанной оросительной воде с течением времени и последующее влияние на засоленность почвы и грунтовых вод, что опять-таки влияет на концентрацию солей в дренаже и колодце. вода. Варьируя долю используемой дренажной или колодезной воды (через ввод), можно смоделировать долговременный эффект различных фракций.
Растворение химическое твердых минералов почвы или осаждение труднорастворимых солей в расчетный метод не входит. Однако, в некоторой степени, это можно учесть с помощью входных данных, например, увеличения или уменьшения концентрации солей в оросительной воде или поступающей воде в водоносный горизонт . В будущей версии может быть введено осаждение гипса.
Ответы фермеров
[ редактировать ]реакцию фермеров на заболачивание и засоление почвы При необходимости можно автоматически учитывать . Метод может постепенно уменьшаться:
- Количество поливной воды, подаваемой при уменьшении уровня грунтовых вод, в зависимости от вида сельскохозяйственных культур (рис-сырец и нерисовые культуры).
- Доля орошаемых земель, когда доступной оросительной воды недостаточно;
- Доля орошаемых земель при повышении засоления почвы ; для этого солености придается стохастическая интерпретация;
- Отбор подземных вод путем откачки из скважин при понижении уровня грунтовых вод.
Реакция фермеров влияет на водно-солевой баланс, что, в свою очередь, замедляет процесс заболачивания и засоления. В конечном итоге возникнет новая равновесная ситуация.
Пользователь также может представить ответы фермеров, вручную изменив соответствующие входные данные. Возможно, будет полезно сначала изучить автоматические реакции фермеров и их эффект, а затем решить, какими будут ответы фермеров с точки зрения пользователя.
Ежегодные изменения ввода
[ редактировать ]Программа запускается либо с фиксированными входными данными за количество лет, определенное пользователем. Этот вариант можно использовать для прогнозирования будущих событий на основе долгосрочных средних входных значений, например, количества осадков, поскольку будет сложно оценить будущие значения входных данных из года в год.
Программа также предлагает возможность отслеживать исторические записи с ежегодно меняющимися входными значениями (например, количество осадков, орошение, севооборот), расчеты должны производиться из года в год. Если выбрана эта возможность, программа создает файл передачи, в котором окончательные условия предыдущего года (например, уровень грунтовых вод и соленость) автоматически используются в качестве начальных условий для последующего периода. Эта возможность также позволяет использовать различные сгенерированные последовательности осадков, выбранные случайным образом из известного распределения вероятностей осадков, и получить стохастический прогноз результирующих выходных параметров.
, изменять не следует Некоторые входные параметры, такие как узловые связи сети, геометрия системы , мощность слоев почвы и общая пористость , иначе в водно-солевом балансе происходят нелогичные скачки. Эти параметры также сохраняются в файле передачи, поэтому любые недопустимые изменения отменяются данными передачи. В некоторых случаях неправильных изменений программа останавливается и просит пользователя скорректировать ввод. [11]
Выходные данные
[ редактировать ]
Выходные данные предоставляются для каждого сезона любого года в течение любого количества лет, указанного во входных данных. Выходные данные включают гидрологические аспекты и аспекты солености.
Поскольку засоленность почвы сильно варьируется от места к месту (рисунок слева), SahysMod включает частотные распределения в выходные данные . Рисунок сделан с помощью программы CumFreq. [12] [13]
Выходные данные сохраняются в виде таблиц, которые можно просматривать непосредственно через меню пользователя, вызывающее выбранные группы данных либо для определенного полигона во времени, либо для определенного сезона по полигонам.
Модель включает в себя средства отображения выходных данных. Кроме того, в программе есть возможность сохранять выбранные данные в формате электронной таблицы для дальнейшего анализа и импорта в программу ГИС .
Разные пользователи могут пожелать установить разные причинно-следственные связи. Программа предлагает лишь ограниченное количество стандартной графики , поскольку невозможно предусмотреть все возможные варианты ее использования. Именно по этой причине была создана возможность дальнейшего анализа с помощью программ электронных таблиц.
Хотя вычисления требуют множества итераций , все результаты можно проверить вручную с помощью уравнений, представленных в руководстве. [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Остербан, Р.Дж. (1995). SahysMod: Пространственная модель агро-гидро-засоленности. Описание принципов, руководство пользователя и практические примеры (PDF) . Международный институт мелиорации и улучшения земель, Вагенинген, Нидерланды.
- ^ Фатхи Зерейни и Хайнц Хетцль (ред.), 2008, Климатические изменения и водные ресурсы на Ближнем Востоке и в Северной Африке . В: Наука об окружающей среде и инженерия, Springer Verlag, Берлин, ISBN 978-3-540-85046-5 : Онлайн
- ^ Сина Акрам, Гейдар Кашкули, Эбрагим Пазира, 2008. Чувствительные переменные, контролирующие соленость и уровень грунтовых вод в биодренажной системе с использованием SahysMod . Ирригационные и дренажные системы, том 22, номера 3–4, декабрь 2008 г., стр. 271–285. Онлайн: https://doi.org/10.1007%2Fs10795-008-9056-4.
- ^ Хосейн Лиагхат, М. Машал, 2008. Устойчивость биодренажных систем с учетом снижения скорости испарения деревьев из-за засоления почвы. Опубликовано Американским обществом инженеров сельского хозяйства и биологии ( ASABE ), Сент-Джозеф, Мичиган. Ссылка: 9-й Международный симпозиум по дренажу, проведенный совместно с CIGR и CSBE/SCGAB Proceedings, 13–16 июня 2010 г., IDS-CSBE-100129. Онлайн: [1]
- ^ Цегай Ф. Деста, 2009. Пространственное моделирование и своевременное прогнозирование процессов засоления с использованием SahysMod в среде ГИС . Диссертация Международного института геоинформатики и наблюдения Земли (ITC), Энсхеде, Нидерланды. Онлайн: http://www.itc.nl/library/papers_2009/msc/aes/desta.pdf.
- ^ Сина Акрам и Хоссейн Лиагхат. (2010) Эффективность биодренажных систем в засушливых и полузасушливых районах с накоплением солей в почвах . 9-й Международный симпозиум по дренажу, проведенный совместно с CIGR и CSBE/SCGAB Proceedings, 13–16 июня 2010 г. [2]
- ^ Аджай Сингх, Судхиндра Натх Панда. (2012) Интегрированное моделирование солевого и водного баланса для управления заболачиванием и засолением. I: Проверка SAHYSMOD . Журнал ирригации и дренажной техники 138:11, 955-963 Аннотация
- ^ Ажар Инам и др., 2017. Сочетание социально-экономической модели динамики распределенной системы, созданной заинтересованными сторонами, с SAHYSMOD для устойчивого управления засолением почв. Часть 1: Разработка модели . В журнале гидрологии [3]
- ^ Сингх, А. и Панда, С. (2012). Комплексное моделирование солевого и водного баланса для борьбы с заболачиванием и засолением. II: Применение SAHYSMOD J. Irrig. Сток англ., 138(11), 964–971. Абстрактный
- ^ Ажар Инам и др., 2017. Соединение социально-экономической модели динамики распределенной системы, созданной заинтересованными сторонами, с SAHYSMOD для устойчивого управления засолением почвы - Часть 2: Соединение модели и применение . В журнале гидрологии [4]
- ^ Ян Адамовски и др., 2017. Оценка параметров и анализ неопределенностей пространственной агро-гидро-модели солености (SAHYSMOD) в полузасушливом климате Речна-Доаб, Пакистан . Журнал моделирования окружающей среды и программного обеспечения 94 (2017) 186-211. [5]
- ^ "CumFreq, аппроксимация распределения вероятности, бесплатный калькулятор" .
- ^ Яцзе Хуан и др., 2021. Оптимальное распределение площадей сброса соли при консолидации земель для ирригационных районов с помощью SahysMod. В: Управление водными ресурсами в сельском хозяйстве, Vol. 256. [6]
- ^ Сяоминь Чанг и др., 2021. Моделирование динамики воды и соли при различных степенях водосбережения с использованием модели SAHYSMOD. В: MDPI Journal Water, 13 (14), 1939 г. [7]