Сельскохозяйственная гидрология

Сельскохозяйственная гидрология — это изучение компонентов водного баланса, влияющих на управление водными ресурсами в сельском хозяйстве , особенно на орошение и дренаж .

Иллюстрация некоторых компонентов водного баланса

Компоненты водного баланса

Компоненты водного баланса сельскохозяйственных угодий

Компоненты водного баланса можно сгруппировать в компоненты, соответствующие зонам в вертикальном сечении почвообразующих водоемов с притоком, оттоком и запасанием воды:

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

Общий водный баланс выглядит следующим образом:

• приток = отток + изменение хранилища

и оно применимо к каждому из резервуаров или их комбинации.

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

Баланс поверхностных вод

Компонентами водного баланса, поступающими в поверхностный водоём ( S ), являются:

1. Рай – Вертикально поступающая вода на поверхность, например: осадки (включая снег), дождевые осадки , спринклерное орошение.
2. Ису – горизонтально поступающие поверхностные воды. Это может быть естественное затопление или поверхностное орошение.

Компонентами водного баланса, исходящими из поверхностного водоема ( S ), являются:

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

Баланс поверхностных вод выглядит следующим образом:

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

Поверхностный сток в методе Curve Number

Пример баланса поверхностных вод

Приведен пример поверхностного стока по методу чисел кривой . Применимое уравнение: Осу = (Рай – Ws) 2 / (Пп – Ws + Rm) где Rm — максимальное удерживание площади, для которой применяется метод. Обычно оказывается, что Ws = 0,2 Rm, а значение Rm зависит от характеристик почвы. Метод Curve Number предоставляет таблицы для этих отношений. Этот метод дает кумулятивные значения стока. Для получения значений интенсивности стока или скорости стока (объема в единицу времени) совокупную продолжительность необходимо разделить на последовательные временные интервалы (например, в часах).

Водный баланс корневой зоны

Компонентами водного баланса, поступающими в корневую зону ( R ), являются:

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

Компонентами водного баланса, исходящими из поверхностного водоема ( R ), являются:

1. Эра - фактическое испарение или суммарное испарение из корневой зоны.
2. Per – 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 прикорневой зоне.

Водный баланс переходной зоны

Поступающими компонентами водного баланса в переходную зону ( Т ) являются:

1. Per – просачивание воды из ненасыщенной корневой зоны в переходную зону.
2. Lca - Инфильтрация воды из рек, каналов или дренажных систем в переходную зону, часто называемая глубокими потерями при просачивании.
3. Ugw - Вертикальное просачивание воды вверх из водоносного горизонта в насыщенную переходную зону.

Компонентами исходящего водного баланса из переходной зоны ( Т ) являются:

1. 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 по изменению уровня зеркала грунтовых вод.

Водный баланс водоносного горизонта

Поступающими компонентами водного баланса в водоносный горизонт ( Q ) являются:

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

Компонентами исходящего водного баланса из водоносного горизонта ( Q ) являются:

1. Ugw - Вертикальное просачивание воды вверх из водоносного горизонта в насыщенную переходную зону.
2. Дуб - Горизонтально выходящие грунтовые воды из водоносного горизонта.
3. Wel – Расход из (трубчатых) колодцев, расположенных в водоносном горизонте.

Водный баланс водоносного горизонта выглядит следующим образом:

• Dgw + Iaq = Ugw + Wel + Oaq + Wq

где Wq – изменение запасов воды в водоносном горизонте, заметное по изменению артезианского давления .

Удельные водные балансы

Комбинированные балансы

Водные балансы можно составить для сочетания двух выделенных граничащих вертикальных почвенных зон, при этом компоненты, составляющие приток и отток из одной зоны в другую, исчезнут.
В многолетних водных балансах (месяц, сезон, год) сроки хранения зачастую пренебрежимо малы. Их отсутствие приводит к устойчивому состоянию или равновесному водному балансу.

Сочетание поверхностного резервуара ( S ) и корневой зоны ( R ) в устойчивом состоянии дает верхнего слоя почвы водный баланс :

• фактор связи Инф . Рай + Ису + Кэп = Ева + Эра + Осу + Пер, где пропал

Сочетание корневой зоны ( R ) и переходной зоны ( T ) в устойчивом состоянии дает баланс подпочвенных вод :

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

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

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

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

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

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

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

Схема повторного использования грунтовых вод для орошения скважинами

Пример общего водного баланса

Приведен пример повторного использования подземных вод для орошения насосными скважинами. Общая ирригация и инфильтрация составляют: Inf = Irr + Wel, где Irr = поверхностное орошение из системы каналов, а Wel = орошение из колодцев. Эффективность орошения поля ( Ff < 1) составляет: Ff = Era / Inf, где Era = суммарное испарение сельскохозяйственных культур (потребительское использование) Значение Era меньше Inf , имеется избыток орошения, просачивающийся в недра ( Per ): Пер = Ирр + Ср – Эра, или: Per = (1 − Ff) (Irr + Wel) Перколяция Per снова накачивается скважинами для орошения ( Wel ), отсюда: Wel = Пер, или: Wel = (1 − Ff) (Irr + Wel), а значит: Wel / Irr = (1 − Ff) / Ff С помощью этого уравнения можно составить следующую таблицу: фф   0.20     0.25     0.33     0.50     0.75   Ну / Ирр   4   3   2   1   0.33 Видно, что при низкой эффективности орошения количество закачиваемой скважинами воды ( Wel ) в несколько раз большечем количество оросительной воды, поступающей по системе каналов ( Irr ). Это связано с тем, что каплю воды необходимо в среднем несколько раз рециркулировать, прежде чем она будет использована растениями.

Уровень грунтовых вод за пределами переходной зоны

Когда уровень грунтовых вод находится над поверхностью 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 они не существуют.Когда уровень грунтовых вод находится ниже переходной зоны, только баланс водоносного горизонта подходящим является .

Уменьшено количество зон

Компоненты водного баланса Saltmod

В определенных условиях может оказаться, что водоносный горизонт, 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 (чистое просачивание), Ncp = Cap − Per (чистое капиллярное повышение).
Горизонтальные гидрологические компоненты в одной зоне со стрелками в одном направлении могут быть объединены в избыточные значения .
Например, : Egio = Iaq − Oaq (превышение притока подземных вод над оттоком), Egoi = Oaq − Iaq (превышение оттока подземных вод над притоком).

Солевой баланс

Сельскохозяйственные водные балансы также используются в солевых балансах орошаемых земель.
Кроме того, солевой и водный балансы используются в агро-гидро-соле-дренажных моделях, таких как Saltmod .
Точно так же они используются в моделях солености подземных вод, таких как SahysMod , которая представляет собой пространственную вариацию SaltMod с использованием полигональной сети.

Требования к ирригации и дренажу

Потребность в орошении (Irr) можно рассчитать по верхнего слоя почвы водному балансу , агрономическому водному балансу или общему водному балансу , как это определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от наличия данных о компонентах водного баланса.
Учитывая поверхностное орошение , предполагая, что испарение поверхностных вод пренебрежимо мало (Eva = 0), устанавливая фактическое суммарное испарение Era равным потенциальному суммарному испарению (Epo), так что Era = Epo, и устанавливая поверхностный приток Isu равным Irr, так что Isu = Ирр, 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

Определив эффективность орошения как IEFF = Epo/Irr, т.е. долю оросительной воды, потребляемую сельскохозяйственными культурами, можно найти, соответственно, что:

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

Слив дренажа определяет расстояние между сливами

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

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

Аналогичным образом, потребность в подземном дренаже можно определить по дренажному стоку (Dtr) в балансе подпочвенных вод , агрономическом водном балансе , геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе .

Таким же образом потребность в дренаже скважин можно определить по расходу скважины (Wel) в геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе .

Требования к подземному дренажу и дренажу колодцев играют важную роль при проектировании сельскохозяйственных дренажных систем (ссылки:, ).

Средние климатические данные и дренаж в Нидерландах

Пример требований к дренажу и ирригации

Требования к дренажу и ирригации в Нидерландах обусловлены климатическими характеристиками (см. рисунок). Климатические данные на рисунке (мм) Лето апрель–август Зима сентябрь–март Ежегодный Осадки П   360   360   720 Испарение Е   480     60   540 Изменение хранения ΔW –120 +120       0 Требование к дренажу D      0   180   180 Требование к ирригации переменная       0 переменная Количество воды, которую необходимо слить в обычную зиму, составляет: D = P – E – ΔW Судя по рисунку, период дренажа с ноября по март (120 дней), а расход дренажной системы составляет D = 180/120 = 1,5 мм/день, что соответствует 15 м. 3 /день за ха. Зимой с большим количеством осадков, чем обычно, потребность в дренаже соответственно увеличивается. Потребность в орошении зависит от глубины укоренения сельскохозяйственных культур, которая определяет их способность использовать воду, запасенную в почве после зимы. Имея неглубокую корневую систему, пастбища нуждаются в поливе в объеме примерно половины истощения запасов летом. Практически пшеница не требует орошения, поскольку у нее развиваются более глубокие корни, а в период созревания благоприятна сухая почва. Анализ совокупной частоты Климатические данные играют важную роль в определении потребностей в ирригации и дренаже в долгосрочной перспективе.

См. также

• Гидрология

Внешние ссылки

• Веб-сайт по сельскохозяйственной гидрологии: [5]
• Бесплатное программное обеспечение для расчетов по сельскохозяйственной гидрологии: [6]
• Статьи по сельскохозяйственной гидрологии : [7]
• Часто задаваемые вопросы по сельскохозяйственной гидрологии: [8]
• Тематические исследования по сельскохозяйственной гидрологии: [9]
• Водный след сельскохозяйственных культур | Visual.ly