Hydrologia rolnicza

Hydrologia rolnicza jest nauką o składnikach bilansu wodnego , wpływających na gospodarkę wodną w rolnictwie , a zwłaszcza na nawadnianie i odwadnianie .

Ilustracja niektórych składników bilansu wodnego

Składniki bilansu wodnego

Składniki bilansu wodnego na użytkach rolnych

bilansu wodnego można pogrupować w składowe odpowiadające strefom w przekroju pionowym zbiorników glebotwórczych z dopływem, odpływem i magazynowaniem wody:

1. zbiornik powierzchniowy ( S )
2. strefa korzeniowa lub nienasycona ( strefa wadozy ) ( R ) z przepływami głównie pionowymi
3. warstwa wodonośna ( Q ) z przepływami głównie poziomymi
4. strefa przejściowa ( T ), w której następuje zamiana przepływów pionowych i poziomych

Ogólny bilans wodny przedstawia się następująco:

• dopływ = odpływ + zmiana magazynu

i ma zastosowanie do każdego ze zbiorników lub ich kombinacji.

W poniższych bilansach przyjęto, że zwierciadło wody znajduje się wewnątrz strefy przejściowej.

Bilans wód powierzchniowych

Składnikami bilansu wodnego wpływającymi do zbiornika powierzchniowego ( S ) są:

1. Rai – Pionowo dopływająca woda do powierzchni np.: opady atmosferyczne (w tym śnieg), opady atmosferyczne , nawadnianie zraszające
2. Isu – Woda powierzchniowa wpływająca poziomo. Może to polegać na naturalnym zalewaniu lub nawadnianiu powierzchniowym

Odpływowymi składnikami bilansu wodnego ze zbiornika powierzchniowego ( S ) są:

1. Eva – Parowanie z otwartej wody na powierzchni gleby (patrz równanie Penmana )
2. Osu – Spływ powierzchniowy (naturalny) lub drenaż powierzchniowy (sztuczny)
3. Inf – Infiltracja wody przez powierzchnię gleby do strefy korzeniowej

Bilans wód powierzchniowych wynosi:

• Rai + Isu = Eva + Inf + Osu + Ws, gdzie Ws to zmiana magazynowania wody na powierzchni gleby

Spływ powierzchniowy w metodzie Curve Number

Przykład bilansu wód powierzchniowych

Podano przykład spływu powierzchniowego według metody liczby krzywych . Odpowiednie równanie to: Osu = (Rai – Ws) 2 / (Pp – Ws + Rm) gdzie Rm jest maksymalną retencją powierzchni, dla której stosowana jest metoda Zwykle stwierdza się, że Ws = 0,2 Rm, a wartość Rm zależy od właściwości gleby. Metoda Curve Number zapewnia tabele dla tych relacji. Metoda daje skumulowane wartości odpływu. Aby uzyskać wartości intensywności odpływu lub prędkości odpływu (objętość na jednostkę czasu) należy podzielić skumulowany czas trwania na kolejne etapy czasowe (np. w godzinach).

Bilans wodny strefy korzeniowej

Składnikami bilansu wodnego wpływającymi do strefy korzeniowej ( R ) są:

1. Inf – Infiltracja wody przez powierzchnię gleby do strefy korzeniowej
2. Czapka – Podciąganie kapilarne wody ze strefy przejściowej

Składnikami bilansu wodnego wypływającymi ze zbiornika powierzchniowego ( R ) są:

1. Era – Rzeczywiste parowanie lub ewapotranspiracja ze strefy korzeniowej
2. Per – Perkolacja wody z nienasyconej strefy korzeniowej do strefy przejściowej

Bilans wodny strefy korzeniowej wynosi:

• Inf + Cap = Era + Per + Wr, gdzie Wr to zmiana magazynowania wody w strefie korzeniowej

Bilans wodny strefy przejściowej

Składnikami bilansu wodnego wpływającymi do strefy przejściowej ( T ) są:

1. Per – Perkolacja wody z nienasyconej strefy korzeniowej do strefy przejściowej
2. Lca – Infiltracja wody z rzek, kanałów lub systemów odwadniających do strefy przejściowej, często określana jako głębokie straty przesiąkowe
3. Ugw – Pionowo w górę przesiąkanie wody z warstwy wodonośnej do nasyconej strefy przejściowej

Odpływowymi składnikami bilansu wodnego ze strefy przejściowej ( T ) są:

1. Czapka – Podciąganie kapilarne wody do strefy korzeniowej
2. Dtr – Sztuczny poziomy drenaż podpowierzchniowy , patrz także System drenażowy (rolnictwo)
3. Dgw – Pionowo w dół odprowadzanie wody z nasyconej strefy przejściowej do warstwy wodonośnej

Bilans wodny strefy przejściowej przedstawia się następująco:

• Per + Lca + Ugw = Cap + Dtr + Dgw + Wt, gdzie Wt to ​​zmiana retencji wody w strefie przejściowej zauważalna jako zmiana poziomu lustra wody.

Bilans wodny warstwy wodonośnej

Składnikami bilansu wodnego wpływającymi do warstwy wodonośnej ( Q ) są:

1. Dgw – Pionowo w dół odprowadzanie wody z nasyconej strefy przejściowej do warstwy wodonośnej
2. Iaq – Poziomy dopływ wód podziemnych do warstwy wodonośnej

Składnikami bilansu wodnego odpływu z warstwy wodonośnej ( Q ) są:

1. Ugw – Pionowo w górę przesiąkanie wody z warstwy wodonośnej do nasyconej strefy przejściowej
2. Oaq - Poziomo wychodzące wody gruntowe z warstwy wodonośnej
3. Wel – Zrzut ze studni (rurowych) umieszczonych w warstwie wodonośnej

Bilans wodny warstwy wodonośnej przedstawia się następująco:

• Dgw + Iaq = Ugw + Wel + Oaq + Wq

gdzie Wq jest zmianą magazynowania wody w warstwie wodonośnej odczuwalną jako zmiana ciśnienia artezyjskiego .

Specyficzne bilanse wodne

Bilanse łączone

Bilanse wodne można sporządzić dla kombinacji dwóch graniczących, pionowych stref gruntowych wyodrębnionych, przy czym zanikną składowe składające się na dopływ i odpływ z jednej strefy do drugiej. W długoterminowych bilansach wodnych (miesiąc, sezon, rok) warunki przechowywania są często pomijalnie małe. Pominięcie tych prowadzi do stanu ustalonego lub równowagi .

Połączenie zbiornika powierzchniowego ( S ) i strefy korzeniowej ( R ) w stanie ustalonym daje bilans wodny wierzchniej warstwy gleby :

• Rai + Isu + Cap = Eva + Era + Osu + Per, gdzie czynnik sprzężenia Inf zniknął.

Połączenie strefy korzeniowej ( R ) i strefy przejściowej ( T ) w stanie ustalonym daje bilans wodny gruntu :

• zniknęły czynniki sprzężenia Per i Cap .

Połączenie strefy przejściowej ( T ) i warstwy wodonośnej ( Q ) w stanie ustalonym daje geohydrologiczny bilans wodny :

• zniknęły czynniki sprzężenia Ugw i Dgw .

Połączenie trzech najwyższych bilansów wodnych w stanie ustalonym daje agronomiczny bilans wodny :

• Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw, gdzie czynniki sprzężenia Inf , Per i Cap zniknęły.

Połączenie wszystkich czterech bilansów wodnych w stanie ustalonym daje ogólny bilans wodny :

• Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq, gdzie czynniki sprzężenia Inf , Per , Cap , Ugw i Dgw zniknęły.

Schemat ponownego wykorzystania wód gruntowych do nawadniania studni

Przykład ogólnego bilansu wodnego

Podano przykład ponownego wykorzystania wód gruntowych do nawadniania przez studnie pompowane. Całkowite nawadnianie i infiltracja to: Inf = Irr + Wel, gdzie Irr = nawadnianie powierzchniowe z systemu kanałów, a Wel = nawadnianie ze studni Wydajność nawadniania pola ( Ff < 1) wynosi: Ff = Era / Inf, gdzie Era = ewapotranspiracja uprawy (wykorzystanie konsumpcyjne) Wartość Era jest mniejsza niż Inf , występuje nadmiar nawadniania, które przenika do podłoża ( Per ): Per = Irr + Wel – Era, czyli: Per = (1 − Ff) (Irr + Wel) Perkolacja Per jest ponownie pompowana przez studnie do nawadniania ( Wel ), stąd: Wel = Per, lub: Wel = (1 − Ff) (Irr + Wel), a zatem: Wel / Irr = (1 - Ff) / Ff Za pomocą tego równania można sporządzić następującą tabelę: Ff 0,20 0,25 0,33 0,50 0,75 Cóż / Irr 4 3 2 1 0,33 Można zauważyć, że przy niskiej wydajności nawadniania ilość wody pompowanej przez studnie ( Wel ) jest kilkukrotnie większa niż ilość wody nawadniającej doprowadzonej systemem kanałów ( Irr ). Wynika to z faktu, że kropla wody musi być średnio kilkukrotnie recyrkulowana, zanim zostanie wykorzystana przez rośliny.

Zwierciadło wody poza strefą przejściową

Gdy zwierciadło wody znajduje się nad powierzchnią gruntu, wagi zawierające składowe Inf , Per , Cap nie są odpowiednie, ponieważ ich nie ma. Gdy zwierciadło wody znajduje się w strefie korzeniowej, wagi zawierające składniki Per , Cap nie są odpowiednie, ponieważ ich nie ma. Gdy poziom wód gruntowych znajduje się poniżej strefy przejściowej, właściwy jest tylko bilans warstwy wodonośnej .

Zmniejszona liczba stref

Składniki bilansu wodnego Saltmod

W określonych warunkach może się okazać, że nie ma warstwy wodonośnej, strefy przejściowej ani strefy korzeniowej. Bilanse wodne można wykonać z pominięciem stref nieobecnych.

Wartości netto i nadwyżki

Pionowe komponenty hydrologiczne wzdłuż granicy między dwiema strefami ze strzałkami skierowanymi w tym samym kierunku można połączyć w wartości netto . Na przykład: Npc = Per − Cap (perkolacja netto), Ncp = Cap − Per (wzrost kapilarny netto). Poziome komponenty hydrologiczne w tej samej strefie ze strzałkami skierowanymi w tym samym kierunku można łączyć w wartości nadmiarowe . Na przykład: Egio = Iaq − Oaq (nadmiar dopływu wód podziemnych nad odpływem), Egoi = Oaq − Iaq (nadmiar dopływu wód podziemnych nad dopływem).

Bilans soli

Rolnicze bilanse wodne są również wykorzystywane w bilansach solnych gruntów nawadnianych. Ponadto bilanse soli i wody są wykorzystywane w modelach agro-hydro-zasolenia-drenażu, takich jak Saltmod . Są one również wykorzystywane w modelach zasolenia wód gruntowych, takich jak SahysMod , który jest przestrzenną odmianą SaltMod wykorzystującą sieć wielokątną.

Wymagania dotyczące nawadniania i odwadniania

Zapotrzebowanie na nawadnianie (Irr) można obliczyć na podstawie bilansu wodnego wierzchniej warstwy gleby , agronomicznego bilansu wodnego lub ogólnego bilansu wodnego , jak określono w sekcji „Bilanse łączone”, w zależności od dostępności danych dotyczących składników bilansu wodnego. Biorąc pod uwagę nawadnianie powierzchniowe , zakładając, że parowanie wód powierzchniowych jest pomijalnie małe (Eva = 0), ustalając rzeczywistą ewapotranspirację Era na równą ewapotranspiracji potencjalnej (Epo) tak, aby Era = Epo i ustalając dopływ powierzchniowy Isu równy Irr, aby Isu = Irr, bilanse dają odpowiednio:

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

Definiując wydajność nawadniania jako IEFF = Epo/Irr, tj. część wody do nawadniania, która jest zużywana przez uprawę, stwierdza się odpowiednio, że:

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

Odpływ odpływowy określa rozstaw odpływów

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

Podobnie bezpieczny uzysk studni , wydobywających wodę z warstwy wodonośnej bez nadmiernej eksploatacji , można określić za pomocą geohydrologicznego bilansu wodnego lub ogólnego bilansu wodnego , jak określono w rozdziale „Bilanse zespolone”, w zależności od dostępności danych o składnikach bilansu wodnego .

Podobnie wymagania dotyczące drenażu podpowierzchniowego można znaleźć na podstawie odpływu drenażu (Dtr) w bilansie wodnym gruntu , rolniczym bilansie wodnym , geohydrologicznym bilansie wodnym lub ogólnym bilansie wodnym .

W ten sam sposób wymóg drenażu studni można znaleźć na podstawie zrzutu studni (Wel) w geohydrologicznym bilansie wodnym lub ogólnym bilansie wodnym .

Wymagania dotyczące drenażu podpowierzchniowego i drenażu studni odgrywają ważną rolę w projektowaniu rolniczych systemów odwadniających (referencje:, ).

Średnie dane klimatyczne i drenaż w Holandii

Przykład wymagań dotyczących drenażu i nawadniania

Wymagania dotyczące odwadniania i nawadniania w Holandii wynikają z charakterystyki klimatycznej (patrz rysunek). Dane klimatyczne na rysunku (mm) Lato kwiecień –sierpień Zima wrzesień -marzec Coroczny Opady P 360 360 720 Parowanie E 480 60 540 Zmiana magazynu ΔW –120 +120       0 Wymagania dotyczące drenażu D      0 180 180 Wymagania dotyczące nawadniania zmienny       0 zmienny Ilość wody do odprowadzenia w normalną zimę wynosi: re = P – E – ΔW Zgodnie z rysunkiem okres odwadniania przypada na okres od listopada do marca (120 dni), a przepływ drenażowy wynosi D = 180 / 120 = 1,5 mm/dobę, co odpowiada 15 m 3 /dobę z ha. Podczas zimy z większymi opadami niż zwykle zapotrzebowanie na drenaż odpowiednio wzrasta. Zapotrzebowanie na nawadnianie zależy od głębokości ukorzenienia się roślin, co decyduje o ich zdolności do wykorzystania wody zmagazynowanej w glebie po zimie. Mając płytki system korzeniowy, pastwiska wymagają nawadniania w ilości około połowy wyczerpania zapasów latem. Pszenica praktycznie nie wymaga nawadniania, ponieważ rozwija głębsze korzenie, podczas gdy w okresie dojrzewania sprzyja sucha gleba. Analiza skumulowanej częstotliwości danych klimatycznych odgrywa ważną rolę w określaniu potrzeb nawadniania i odwadniania w dłuższej perspektywie.

Linki zewnętrzne

• Strona internetowa poświęcona hydrologii rolniczej: [5]
• Darmowy program do obliczeń z hydrologii rolniczej: [6]
• Artykuły dotyczące hydrologii rolniczej: [7]
• Często zadawane pytania dotyczące hydrologii rolniczej: [8]
• Studia przypadków dotyczące hydrologii rolniczej: [9]
• Ślad wodny upraw | Naocznie