Hydrologie (zemědělství) - Hydrology (agriculture)

Zemědělská hydrologie je studium složek vodní bilance zasahujících do zemědělská voda management, zejména v zavlažování a odvodnění.[1]

Ilustrace některých komponent vodní bilance

Součásti vodní bilance

Složky vodní bilance v zemědělské půdě

The vodní bilance složky lze seskupit do složek odpovídajících zónám ve svislém průřezu v půdotvorných nádržích s přítokem, odtokem a akumulací vody:[2]

  1. povrchová nádrž (S)
  2. kořenová zóna nebo nenasycené (vadose zóna ) (R) s převážně svislými toky
  3. the vodonosná vrstva (Q) s převážně horizontálními toky
  4. přechodová zóna (T), ve kterém se převádějí vertikální a horizontální toky

Obecná vodní bilance zní:

  • přítok = odliv + změna úložiště

a je použitelný pro každý ze zásobníků nebo pro jejich kombinaci.

V následujících zůstatcích se předpokládá, že vodní stůl je uvnitř přechodové zóny.

Rovnováha povrchové vody

Vstupní komponenty vodní bilance do povrchové nádrže (S) jsou:

  1. Rai - Svisle přicházející voda na povrch, např .: srážky (včetně sněhu), srážky, zavlažování postřikovače
  2. Isu - vodorovně přicházející povrchová voda. Může se skládat z přirozeného zaplavení nebo povrchu zavlažování

Odcházející komponenty vodní bilance z povrchové nádrže (S) jsou:

  1. Eva - Vypařování z otevřené vody na povrchu půdy (viz Penmanova rovnice )
  2. Osu - povrch odtok (přírodní) nebo povrchové odvodnění (umělé)
  3. Inf - Infiltrace vody přes povrch půdy do kořenové zóny

Bilance povrchové vody zní:

  • Rai + Isu = Eva + Inf + Osu + Ws, kde Ws je změna ukládání vody na povrchu půdy
Povrchový odtok v metodě Curve Number
Příklad bilance povrchové vody
Je uveden příklad povrchového odtoku podle Číslo křivky metoda.[3] Použitelná rovnice je:
  • Osu = (Rai - Ws)2 / (Pp - Ws + Rm)

kde Rm je maximální retence oblasti, pro kterou se metoda používá

Normálně se zjistí, že Ws = 0,2 Rm a hodnota Rm závisí na vlastnostech půdy. Metoda Curve Number poskytuje tabulky pro tyto vztahy.

Metoda poskytuje kumulativní hodnoty odtoku. Pro získání hodnot intenzity odtoku nebo rychlosti odtoku (objem za jednotku času) je třeba kumulativní dobu trvání rozdělit na postupné časové kroky (například v hodinách).

Vodní bilance kořenové zóny

Vstupní komponenty vodní bilance do kořenové zóny (R) jsou:

  1. Inf - Infiltrace vody povrchem půdy do kořenové zóny
  2. Víčko - Kapilární vzestup vody z přechodové zóny

Odcházející komponenty vodní bilance z povrchové nádrže (R) jsou:

  1. Éra - skutečné odpařování nebo evapotranspirace z kořenové zóny
  2. Za - Perkolace vody z nenasycené kořenové zóny do přechodové zóny

Vodní bilance kořenové zóny zní:

  • Inf + Cap = Era + Per + Wr, kde Wr je změna skladování vody v kořenové zóně

Vodní bilance přechodové zóny

Vstupní komponenty vodní bilance do přechodové zóny (T) jsou:

  1. Per - Perkolace vody z nenasycené kořenové zóny do přechodové zóny
  2. Lca - infiltrace vody z řeky, kanálu nebo kanalizace do přechodové zóny, často označovaná jako hluboké ztráty prosakováním
  3. Ugw - svisle nahoru prosakování vody z kolektoru do nasycené přechodové zóny

Odchozí složky vodní bilance z přechodové zóny (T) jsou:

  1. Cap - Kapilární vzestup vody do kořenové zóny
  2. Dtr - Umělá vodorovná podpovrchové odvodnění, viz také Odvodňovací systém (zemědělství)
  3. Dgw - svisle odtok vody z nasycené přechodové zóny do zvodnělé vrstvy

Vodní bilance přechodové zóny zní:

  • Per + Lca + Ugw = Cap + Dtr + Dgw + Wt, kde Wt je změna skladování vody v přechodové zóně znatelná jako změna hladiny podzemní vody.

Aquifer vodní bilance

Vstupní komponenty vodní bilance do zvodnělé vrstvy (Q) jsou:

  1. Dgw - svisle odtok vody z nasycené přechodové zóny do zvodnělé vrstvy
  2. Iaq - vodorovně příchozí podzemní voda do zvodnělé vrstvy

Odchozí složky vodní bilance z kolektoru (Q) jsou:

  1. Ugw - svisle nahoru prosakování vody z kolektoru do nasycené přechodové zóny
  2. Oaq - vodorovně odcházející podzemní voda z kolektoru
  3. Wel - Vypouštění z (trubkové) studny umístěné ve vodonosné vrstvě

Vodní bilance zvodnělé vrstvy zní:

  • Dgw + Iaq = Ugw + Wel + Oaq + Wq

kde Wq je změna skladování vody ve zvodnělé vrstvě, která je patrná jako změna artéský tlak.

Specifické vodní bilance

Kombinované zůstatky

Vodní bilance mohou být vytvořeny pro kombinaci dvou hraničních vertikálních půdních zón, které rozeznají, přičemž složky tvořící přítok a odtok z jedné zóny do druhé zmizí.
U dlouhodobých vodních bilancí (měsíc, sezóna, rok) jsou podmínky skladování často zanedbatelné malé. Jejich vynechání vede k ustálený stav nebo rovnováha vodní bilance.

Kombinace povrchové nádrže (S) a kořenová zóna (R) v ustáleném stavu poskytuje ornice vodní bilance :

  • Rai + Isu + Cap = Eva + Era + Osu + Per, kde je faktor vazby Inf zmizel.

Kombinace kořenové zóny (R) a přechodová zóna (T) v ustáleném stavu poskytuje bilance podzemní vody :

  • Inf + Lca + Ugw = Era + Dtr + Dgw, kde Wr faktory vazby Za a Víčko zmizely.

Kombinace přechodové zóny (T) a vodonosná vrstva (Q) v ustáleném stavu poskytuje geohydrologická vodní bilance :

  • Per + Lca + Iaq = Cap + Dtr + Wel + Oaq, kde Wr faktory vazby Ugw a Dgw zmizely.

Kombinace nejvyšších tří vodních bilancí v ustáleném stavu dává agronomická vodní bilance :

  • Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw, kde faktory vazby Inf, Za a Víčko zmizely.

Kombinace všech čtyř vodních bilancí v ustáleném stavu dává celková vodní bilance :

  • Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq, kde faktory vazby Inf, Za, Víčko, Ugw a Dgw zmizely.
Schéma opětovného použití podzemní vody pro zavlažování studnami
Příklad celkové vodní bilance
Je uveden příklad opětovného použití podzemní vody pro zavlažování čerpanými studnami.

Celková závlaha a infiltrace jsou:

  • Inf = Irr + Wel, kde Irr = povrchové zavlažování ze systému kanálů a Wel = zavlažování ze studní

Účinnost polního zavlažování (Ff <1) je:

  • Ff = Era / Inf, kde Éra = evapotranspirace plodiny (konzumní použití)

Hodnota Éra je méně než Inf, existuje nadměrné zavlažování, které prosakuje až do podloží (Za):

  • Per = Irr + Wel - Era, nebo:
  • Per = (1 - Ff) (Irr + Wel)

Perkolace Za je znovu čerpána studnami pro zavlažování (Wel), proto:

  • Wel = Per, nebo:
  • Wel = (1 - Ff) (Irr + Wel), a proto:
  • Wel / Irr = (1 - Ff) / Ff

S touto rovnicí lze připravit následující tabulku:

Ff  0.20    0.25    0.33    0.50    0.75  
Studna / Irr  4  3  2  1  0.33

Je vidět, že při nízké účinnosti zavlažování je množství vody čerpané studnami (Wel) je několikrát větší než množství závlahové vody přiváděné systémem kanálů (Irr). Důvodem je skutečnost, že kapka vody musí být průměrně několikrát recirkulována, než ji rostliny použijí.

Vodní stůl mimo přechodovou zónu

Když je hladina podzemní vody nad povrchem půdy, váhy obsahující složky Inf, Za, Víčko nejsou vhodné, protože neexistují. Když je hladina podzemní vody uvnitř kořenové zóny, váhy obsahující komponenty Za, Víčko nejsou vhodné, protože neexistují. Když je hladina podzemní vody pod přechodovou zónou, pouze aquifer bilance je vhodné.

Snížený počet zón

Komponenty vodní bilance slané vody

Za určitých podmínek se může stát, že se v něm nebude nacházet vodonosná vrstva, přechodová zóna nebo kořenová zóna. Vodní bilance mohou být provedeny s vynecháním nepřítomných zón.

Čisté a nadměrné hodnoty

Lze kombinovat vertikální hydrologické komponenty podél hranice mezi dvěma zónami se šipkami ve stejném směru čisté hodnoty .
Například: Npc = Per - Cap (čistá perkolace), Ncp = Cap - Per (čistý vzestup kapiláry).
Lze kombinovat horizontální hydrologické komponenty ve stejné zóně se šipkami ve stejném směru nadměrné hodnoty .
Například: Egio = Iaq - Oaq (nadměrný přítok podzemní vody nad odtokem), Egoi = Oaq - Iaq (nadměrný odtok podzemní vody nad přítokem).

Solné váhy

Zemědělské vodní bilance se také používají v EU bilance solí zavlažovaných zemí.
Rovnováha soli a vody se dále používá v modelech drenáže agro-hydro-slanosti Saltmod.
Stejně tak se používají v modely slanosti podzemní vody jako SahysMod což je prostorová variace SaltModu využívající polygonální síť.

Požadavky na zavlažování a odvodnění

The požadavek na zavlažování (Irr) lze vypočítat z ornice vodní bilance, agronomická vodní bilance nebo celková vodní bilance, jak je definováno v části „Kombinované váhy“, v závislosti na dostupnosti údajů o složkách vodní bilance.
S ohledem na povrchové zavlažování, za předpokladu, že odpařování povrchové vody je zanedbatelně malé (Eva = 0), nastavení skutečné éry evapotranspirace na hodnotu potenciální evapotranspirace (Epo) tak, aby Era = Epo a nastavení přítoku na povrch Isu rovné Irr tak, aby Isu = Irr, zůstatky dávají příslušně:

  • Irr = Epo + Osu + Per - Rai - Cap
  • Irr = Epo + Osu + Dtr + Dgw - Rai - Lca - Ugw
  • Irr = Epo + Osu + Dtr + Oaq - Rai - Lca - Iaq

Definování účinnost zavlažování jako IEFF = Epo / Irr, tj. podíl závlahové vody spotřebovaný plodinou, bylo zjištěno, že:

  • IEFF = 1 - (Osu + Per - Rai - Cap) / Irr
  • IEFF = 1 - (Osu + Dtr + Dgw - Rai - Lca - Ugw) / Irr
Odtok odtoku určuje rozteč odtoku
  • IEFF = 1 - (Osu + Dtr + Oaq - Rai - Lca - Iaq) / Irr

Podobně bezpečný výnos z studny, získávání vody z vodonosné vrstvy bez nadměrné vykořisťování, lze určit pomocí geohydrologická vodní bilance nebo celková vodní bilance, jak je definováno v části „Kombinované váhy“, v závislosti na dostupnosti údajů o složkách vodní bilance.

Podobně požadavek na podpovrchové odvodnění lze najít z odtoku (Dtr) v bilance podzemní vody, agronomická vodní bilance, geohydrologická vodní bilance nebo celková vodní bilance.

Stejným způsobem požadavek na odvodnění studny lze najít z výboje studny (Wel) v geohydrologická vodní bilance nebo celková vodní bilance.

The požadavek na podpovrchové odvodnění a požadavek na odvodnění studny hrají důležitou roli při navrhování zemědělské odvodňovací systémy (Reference:,[4][5] ).

Průměrné klimatické údaje a odvodnění v Nizozemsku
Příklad požadavků na odvodnění a zavlažování
Požadavky na odvodnění a zavlažování v Nizozemsku jsou odvozeny od klimatických charakteristik (viz obrázek).
Klimatické údaje
na obrázku (mm)		 Léto
Duben – srpen		 Zima
Září – březen		Roční
Srážky P  360  360  720
Odpařování E  480    60  540
Změna skladování ΔW–120+120      0
Požadavek na odvodnění D     0  180  180
Požadavek na zavlažováníproměnná      0proměnná

Množství vody, které má být vypuštěno v normální zimě, je:

  • D = P - E - ΔW

Podle obrázku je odvodňovací období od listopadu do března (120 dnů) a vypouštění odvodňovacího systému je
D = 180/120 = 1,5 mm / den, což odpovídá 15 m3/ den na ha.

Během zimy s více srážkami než obvykle se odpovídajícím způsobem zvyšuje požadavek na odvodnění.

Požadavky na zavlažování závisí na hloubce zakořenění plodin, která určuje jejich schopnost využívat vodu uloženou v půdě po zimě. Vzhledem k mělkému systému zakořenění je nutné pastviny zavlažovat na přibližně polovinu vyčerpání zásob v létě. Pšenice prakticky nevyžaduje zavlažování, protože vytváří hlubší kořeny, zatímco během období zrání je příznivá suchá půda.

Analýza kumulativní frekvence [6] klimatických údajů hraje důležitou roli při určování potřeb zavlažování a odvodnění v dlouhodobém horizontu.

Viz také

Reference

  1. ^ N.A. de Ridder a J. Boonstra, 1994. Analýza vodních bilancí. In: H.P.Ritzema (ed.), Drainage Principles and Applications, Publication 16, str. 601–634. Mezinárodní institut pro melioraci a zlepšování půdy (ILRI), Wageningen, Nizozemsko. ISBN  90-70754-33-9
  2. ^ Odvodnění pro zemědělství: Hydrologie a vodní bilance. Poznámky k přednášce, International Course on Land Drainage (ICLD), International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, Nizozemsko. Na webu : [1]
  3. ^ „Publikace 16, kapitola 4.1, Odhad maximálních odtokových sazeb“. Citováno 2010-08-09.
  4. ^ Energetická bilance toku podzemní vody aplikovaná na podpovrchové odvodnění v anizotropních půdách trubkami nebo příkopy se vstupním odporem. Na webu : [2] Archivováno 2009-02-19 na Wayback Machine . Příspěvek založený na: R. J. Oosterbaan, J. Boonstra a K. V. G. K. Rao, 1996, Energetická bilance toku podzemní vody. Publikováno v: V. P. Singh a B. Kumar (eds.), Hydrologie podpovrchové vody, s. 153–160, sv. 2, sborník z mezinárodní konference o hydrologii a vodních zdrojích, Nové Dillí, Indie, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Nizozemsko. ISBN  978-0-7923-3651-8. Na webu : [3]
  5. ^ Podpovrchová drenáž (trubkovými) studnami, 9 stran. Rovnice pro rozteč jamek pro plně nebo částečně pronikající vrty v uniformních nebo vrstvených kolektorech se vstupním odporem nebo bez něj. Mezinárodní institut pro melioraci a zlepšování půdy (ILRI), Wageningen, Nizozemsko. Na webu : [4]
  6. ^ "CumFreq, software pro kumulativní frekvenční analýzu ". Citováno 2010-08-16.

externí odkazy

  • Web o zemědělské hydrologii: [5]
  • Svobodný software pro výpočty zemědělské hydrologie: [6]
  • Články o zemědělské hydrologii: [7]
  • Nejčastější dotazy týkající se zemědělské hydrologie: [8]
  • Případové studie zemědělské hydrologie: [9]
  • Vodní stopa plodin Visual.ly