SahysMod
 Karta wprowadzania zrzutów ekranu
| |
| Deweloperzy | Instytut Rekultywacji i Poprawy Gruntów (ILRI) |
|---|---|
| Napisane w | Delfy |
| System operacyjny | Microsoft Windows |
| Dostępne w | język angielski |
| Typ | Oprogramowanie statystyczne |
| Licencja | Zastrzeżone oprogramowanie bezpłatne |
| Strona internetowa | SahysMod |
SahysMod to program komputerowy do prognozowania zasolenia gleby , wód gruntowych i drenażowych, głębokości zwierciadła wody i odpływu ścieków na terenach rolniczych nawodnionych , przy wykorzystaniu różnych warunków hydrogeologicznych i wodonośnych , różnych opcji gospodarki wodnej, w tym wykorzystania wody gruntowej do nawadniania oraz kilka harmonogramów płodozmianu, w których różnice przestrzenne są uwzględniane za pomocą sieci wielokątów.
Racjonalne uzasadnienie
Istnieje zapotrzebowanie na program komputerowy , który jest łatwiejszy w obsłudze i wymaga prostszej struktury danych niż większość obecnie dostępnych modeli. Dlatego program SahysMod został zaprojektowany z myślą o względnej prostocie obsługi, aby ułatwić korzystanie z niego przez techników terenowych, inżynierów i planistów projektów zamiast wyspecjalizowanych geohydrologów . Ma na celu wykorzystanie danych wejściowych, które są ogólnie dostępne lub które można oszacować z rozsądną dokładnością lub które można stosunkowo łatwo zmierzyć. Chociaż obliczenia są wykonywane numerycznie i muszą być wielokrotnie powtarzane, ostateczne wyniki mogą być sprawdzone ręcznie przy użyciu wzorów zawartych w niniejszej instrukcji.
Celem SahysMod jest przewidywanie długoterminowego zasolenia wody w kategoriach ogólnych trendów , a nie dochodzenie do dokładnych prognoz, jak na przykład sytuacja będzie wyglądać pierwszego kwietnia za dziesięć lat. Ponadto SahysMod daje możliwość ponownego wykorzystania wody drenażowej i studziennej (np. do nawadniania ) i może uwzględniać reakcje rolników na zalewanie , zasolenie gleby , niedobór wody i nadmierne pompowanie z warstwy wodonośnej . Daje również możliwość wprowadzenia podpowierzchniowych systemów odwadniających na różnych głębokościach io różnej wydajności, tak aby można je było optymalizować . Inne funkcje SahysMod znajdziesz w następnej sekcji.
Metody
Obliczanie warunków wodonośnych w poligonach
Model oblicza poziomy wód gruntowych oraz dopływ i odpływ wód gruntowych między wielokątami za pomocą numerycznego rozwiązania dobrze znanego równania Boussinesqa . Poziomy i przepływy wzajemnie na siebie wpływają. Stan wód gruntowych jest dalej określany przez pionowe zasilanie wód gruntowych , które jest obliczane na podstawie agronomicznego bilansu wodnego . Zależą one ponownie od poziomu wód gruntowych .
warstwy wodonośne częściowo zamknięte , uwzględnia się opory przepływu pionowego w wolnoprzepuszczalnej warstwie wierzchniej oraz ewentualne nadciśnienie w warstwie wodonośnej.
Hydrauliczne warunki brzegowe są podane jako wysokości hydrauliczne w węzłach zewnętrznych w połączeniu z przewodnictwem hydraulicznym między węzłami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Jeśli ktoś chce narzucić stan zerowego przepływu w węzłach zewnętrznych, przewodność można ustawić na zero.
Ponadto dla węzłów wewnętrznych można podać warunki przepływu warstwy wodonośnej . Są one wymagane, gdy na dnie warstwy wodonośnej występuje uskok geologiczny lub gdy występuje przepływ między główną warstwą wodonośną a głębszą warstwą wodonośną oddzieloną warstwą półograniczającą.
, że głębokość zwierciadła wody , opady i stężenie soli w głębszych warstwach są takie same na całym wielokącie. Inne parametry mogą mieścić się w wielokątach w zależności od rodzaju upraw i harmonogramu rotacji upraw.
Podejście sezonowe
Model opiera się na sezonowych danych wejściowych i zwraca wyniki sezonowe. Liczbę sezonów w roku można wybrać od minimum jednego do maksymalnie czterech. Można wyróżnić np. pory suche, mokre, zimne, gorące, nawadniające czy odłogi . Powody niestosowania mniejszych okresów wejścia/wyjścia to:
- krótkoterminowe (np. codzienne) dane wejściowe wymagałyby wielu informacji, które na dużych obszarach mogą nie być łatwo dostępne;
- wyniki krótkoterminowe skutkowałyby ogromnymi plikami wyjściowymi, którymi trudno byłoby zarządzać i interpretować;
- model ten został opracowany specjalnie do przewidywania trendów długoterminowych, a prognozy na przyszłość są bardziej wiarygodne w ujęciu sezonowym (długoterminowym) niż dziennym (krótkoterminowym), ze względu na dużą zmienność danych krótkoterminowych ;
- chociaż precyzja prognoz na przyszłość może być ograniczona, wiele zyskuje się, gdy trend jest wystarczająco wyraźny. Na przykład, nie musi być głównym ograniczeniem w projektowaniu odpowiednich kontroli zasolenia gleby , gdy określony poziom zasolenia, przewidywany przez SahysMod, który wystąpi po 20 latach, w rzeczywistości wystąpi po 15 lub 25 latach.
Obliczeniowe kroki czasowe
Wiele czynników bilansu wodnego zależy od poziomu lustra wody , który z kolei zależy od niektórych czynników bilansu wodnego. Z powodu tych wzajemnych wpływów mogą występować nieliniowe zmiany w trakcie sezonu. Dlatego program komputerowy wykonuje codzienne obliczenia. W tym celu sezonowe współczynniki bilansu wodnego podane przy wejściu] są automatycznie redukowane do wartości dziennych. Obliczone współczynniki sezonowego bilansu wodnego podane w danych wyjściowych uzyskuje się przez zsumowanie obliczonych wartości dziennych. wód gruntowych i zasolenie gleby (tzw zmienne stanu ) na koniec sezonu wyznacza się sumując dobowe podmiany zapasów wody i soli.
W niektórych przypadkach program może wykryć, że krok czasowy musi być krótszy niż 1 dzień, aby uzyskać większą dokładność. Niezbędne korekty są dokonywane automatycznie.
Wymagania dotyczące danych
Sieć wielokątna
Model dopuszcza maksymalnie 240 wewnętrznych i 120 zewnętrznych wielokątów z minimum 3 i maksymalnie 6 bokami każdy. Podział obszaru na wielokąty, w oparciu o punkty węzłowe o znanych współrzędnych , powinien być kierowany charakterystyką rozmieszczenia upraw , nawadniania , drenażu i wód gruntowych na badanym obszarze.
Węzły muszą być ponumerowane, co można zrobić do woli. Z indeksem jeden wskazuje, czy węzeł jest wewnętrzny czy zewnętrzny. Węzły można dowolnie dodawać i usuwać lub zmieniać z wewnętrznych na zewnętrzne i odwrotnie. Za pomocą innego wskaźnika wskazuje się, czy wewnętrzne węzły mają nieograniczoną lub częściowo zamkniętą warstwę wodonośną. To też można dowolnie zmieniać.
Należy podać węzłowe relacje sieciowe, wskazując sąsiednie numery wielokątów każdego węzła. Następnie program oblicza pole powierzchni każdego wielokąta, odległość między węzłami i długość boków między nimi, korzystając z zasady Thiessena.
Przewodność hydrauliczna może być różna dla każdej strony wielokąta.
, że głębokość zwierciadła wody , opady atmosferyczne i stężenie soli w głębszych warstwach są takie same na całym wielokącie. Inne parametry mogą mieścić się w wielokątach w zależności od rodzaju upraw i harmonogramu płodozmianu.
Dane hydrologiczne
.JPG)
Metoda wykorzystuje sezonowe składowe bilansu wodnego jako dane wejściowe. Są one związane z hydrologią powierzchniową (np. opady, parowanie potencjalne , nawadnianie , wykorzystanie drenażu i wody studziennej do nawadniania, spływy ) oraz hydrologią warstwy wodonośnej (np. pompowanie ze studni ). Pozostałe bilansu wodnego (takie jak faktyczne parowanie, perkolacja w dół , podciąganie kapilarne w górę , drenaż podpowierzchniowy , przepływ wód gruntowych ) są podawane jako produkcja.
Ilość wody drenażowej, jako odpływ, określają dwa współczynniki intensywności drenażu odpowiednio dla drenażu powyżej i poniżej poziomu drenażu (należy podać przy danych wejściowych) oraz wysokość zwierciadła wody powyżej danego poziomu drenażu. Wysokość ta wynika z obliczonego bilansu wodnego. Ponadto można zastosować współczynnik redukcji odwodnienia, aby zasymulować ograniczoną pracę systemu odwadniającego. Zróżnicowanie współczynników intensywności drenażu oraz współczynnika redukcji drenażu daje możliwość symulacji efektu różnych wariantów drenażu.
Aby uzyskać dokładność obliczeń przepływu wód gruntowych (sekcja 2.8), rzeczywistego parowania i wzrostu kapilarnego, obliczenia komputerowe są wykonywane codziennie. W tym celu sezonowe dane hydrologiczne są dzielone przez liczbę dni w sezonie w celu uzyskania wartości dziennych. Wartości dzienne są dodawane w celu uzyskania wartości sezonowych.
Wzory przycinania/obroty
Dane wejściowe dotyczące nawadniania, parowania i spływu powierzchniowego należy określić dla poszczególnych sezonów dla trzech rodzajów praktyk rolniczych, które mogą być wybrane według uznania użytkownika:
- A: grunty nawadniane z uprawami grupy A
- B: grunty nawadniane z uprawami grupy B
- U: grunty nienawadniane z uprawami deszczowymi lub ugorami
Grupy, wyrażone w ułamkach całkowitej powierzchni, mogą składać się z kombinacji upraw lub tylko z jednego rodzaju uprawy. Na przykład jako uprawy typu A można określić uprawy słabo nawadniane, a jako typ B bardziej nawadniane, takie jak trzcina cukrowa i ryż . Ale można też wziąć A jako ryż, a B jako trzcinę cukrową, a może drzewa i sady . Uprawy A, B i/lub U mogą być zbierane w różny sposób w różnych porach roku, np. A= pszenica plus jęczmień zimą i A= kukurydza latem, podczas gdy B = warzywa zimą i B = bawełna latem. Grunty nienawadniane można określić na dwa sposoby: (1) jako U = 1−A−B oraz (2) jako A i/lub B przy zerowym nawadnianiu. Można też zrobić kombinację.
Ponadto należy podać specyfikację sezonowej rotacji różnych sposobów użytkowania gruntów na całym obszarze, np. rotacja pełna, rotacja całkowita lub rotacja niepełna. Dzieje się tak z indeksem rotacji. Rotacje są przejmowane przez pory roku w ciągu roku. Aby uzyskać rotacje na przestrzeni lat, wskazane jest wprowadzenie rocznych zmian nakładów, jak wyjaśniono
Gdy frakcja A1, B1 i/lub U1 różni się od frakcji A2, B2 i/lub U2 w innym sezonie, ponieważ reżim nawadniania zmienia się w różnych porach roku, program wykryje, że następuje pewna rotacja. Jeśli ktoś chce tego uniknąć, może określić te same frakcje we wszystkich porach roku (A2=A1, B2=B1, U2=U1), ale plony i ilości nawadniania mogą być różne i może wymagać proporcjonalnego dostosowania. Można nawet określić grunty nawadniane (A lub B) z zerowym nawadnianiem, co jest tym samym, co grunty nienawadniane (U).
rotacji upraw różnią się znacznie w różnych częściach świata. Kreatywne kombinacje ułamków powierzchni, wskaźników rotacji, ilości nawadniania i rocznych zmian nakładów mogą uwzględniać wiele rodzajów praktyk rolniczych.
Zmienność frakcji powierzchni i/lub harmonogramu rotacji daje możliwość symulacji wpływu różnych praktyk rolniczych na bilans wodno-solny.
Warstwy gleby, rodzaj warstwy wodonośnej
SahysMod akceptuje cztery różne zbiorniki, z których trzy znajdują się w profilu glebowym:
- s: zbiornik powierzchniowy,
- r: górny (płytki) zbiornik glebowy lub strefa korzeniowa,
- x: pośredni zbiornik glebowy lub strefa przejściowa,
- q: zbiornik głęboki lub główny poziom wodonośny .
Górny zbiornik glebowy określa głębokość gleby, z której woda może odparować lub zostać pobrana przez korzenie roślin. Można go przyjąć jako równy strefie korzenia. Może być nasycony, nienasycony lub częściowo nasycony, w zależności od bilansu wodnego. Wszystkie ruchy wody w tej strefie są pionowe, w górę lub w dół, w zależności od bilansu wodnego. (W przyszłej wersji Sahysmod górny zbiornik glebowy można podzielić na dwie równe części, aby wykryć trend w pionowym rozkładzie zasolenia).
Strefa przejściowa może być również nasycona, nienasycona lub częściowo nasycona. Wszystkie przepływy w tej strefie są poziome, z wyjątkiem przepływu do kanalizacji podpowierzchniowej, który jest promieniowy. Jeżeli występuje poziomy system odwadniania podpowierzchniowego, należy go umieścić w strefie przejściowej, która jest następnie podzielona na dwie części: górną strefę przejściową (powyżej poziomu drenażu) i dolną strefę przejściową (poniżej poziomu drenażu).
Chcąc wyróżnić górną i dolną część strefy przejściowej przy braku odwodnienia podpowierzchniowego, można w danych wejściowych określić odwodnienie o zerowym natężeniu.
W warstwie wodonośnej występują głównie przepływy poziome. Studnie pompowane , jeśli są obecne, pobierają wodę tylko z warstwy wodonośnej. Przepływ w warstwie wodonośnej jest określany w zależności od przestrzennie zmieniających się głębokości warstwy wodonośnej, poziomów zwierciadła wody i przewodności hydraulicznej .
SahysMod pozwala na wprowadzanie freatycznych ( nieograniczonych ) i częściowo zamkniętych warstw wodonośnych. Te ostatnie mogą wytworzyć hydrauliczne nadciśnienie lub podciśnienie poniżej wolno przepuszczalnej warstwy wierzchniej ( aquitard ).
Rolnicze bilanse wodne
Rolnicze bilanse wodne są obliczane dla każdego zbiornika glebowego oddzielnie, jak pokazano w artykule Hydrologia (rolnictwo) . Nadmiar wody opuszczający jeden zbiornik jest przekształcany w wodę wpływającą do następnego zbiornika. Trzem zbiornikom glebowym można przypisać różne współczynniki miąższości i spiętrzenia, które należy podać jako dane wejściowe. Gdy w konkretnej sytuacji nie występuje strefa przejściowa lub warstwa wodonośna, należy zapewnić im minimalną miąższość 0,1 m.
, że głębokość lustra wody na końcu poprzedniego kroku czasowego, obliczona na podstawie bilansów wodnych , jest taka sama w każdym wielokącie . Jeśli to założenie jest nie do przyjęcia, obszar należy podzielić na większą liczbę wielokątów.
W pewnych warunkach wysokość lustra wody wpływa na składowe bilansu wodnego. Na przykład podniesienie poziomu lustra wody w kierunku powierzchni gleby może prowadzić do wzrostu podciągania kapilarnego, rzeczywistego parowania i drenażu podpowierzchniowego lub zmniejszenia strat perkolacyjnych. To z kolei prowadzi do zmiany bilansu wodnego, który ponownie wpływa na wysokość lustra wody itp. Ten łańcuch reakcji jest jednym z powodów, dla których Sahysmod został opracowany jako program komputerowy, w którym obliczenia są tworzone dzień po dniu, aby uwzględnić łańcuch reakcji z wystarczającym stopniem dokładności .
Odpływy, studnie i ponowne wykorzystanie
Odwadnianie podpowierzchniowe może być realizowane przez dreny lub studnie pompowane.
Wpusty podpowierzchniowe, jeśli występują, charakteryzują się głębokością drenażu i wydajnością drenażową . Odpływy znajdują się w strefie przejściowej. Odwadnianie podpowierzchniowe może być stosowane w systemach drenażu naturalnego lub sztucznego. Funkcjonowanie sztucznego systemu odwadniającego można regulować za pomocą współczynnika kontroli odwadniania.
Instalując system drenażowy o przepustowości zerowej uzyskuje się możliwość posiadania odrębnych bilansów wodnych i solnych w przejściach powyżej i poniżej poziomu drenażu.
Studnie pompowane , jeśli występują, znajdują się w warstwie wodonośnej. Ich funkcjonowanie charakteryzuje się wyładowaniem studni .
Ścieki i wodę ze studni można wykorzystać do nawadniania dzięki współczynnikowi (ponownego) wykorzystania . Może to mieć wpływ na równowagę wodno-solną oraz na skuteczność lub wystarczalność nawadniania.
Bilans soli
Bilanse solne obliczane są dla każdego zbiornika glebowego oddzielnie. Opierają się na swoich bilansach wodnych , wykorzystując stężenie soli w wodzie wpływającej i wypływającej. Niektóre stężenia należy podać jako dane wejściowe, takie jak początkowe stężenia soli w wodzie w różnych zbiornikach glebowych, w wodzie do nawadniania oraz w wodach gruntowych wpływających do warstwy wodonośnej. Stężenia wyrażono jako przewodnictwo elektryczne (EC w dS/m). Gdy stężenia są znane w przeliczeniu na g soli/L wody, można zastosować praktyczną zasadę: 1 g/L -> 1,7 dS/m. Zwykle stężenie soli w glebie wyraża się w ECe, przewodnictwie elektrycznym ekstraktu nasyconej pasty glebowej. W Sahysmod stężenie soli wyraża się jako EC wilgotności gleby po nasyceniu w warunkach polowych. Z reguły można zastosować przelicznik EC : ECe = 2 : 1. Zastosowane zasady odpowiadają tym opisanym w artykule Kontrola zasolenia gleby .
Stężenia soli w wodzie wypływającej (z jednego zbiornika do drugiego lub poprzez drenaż podpowierzchniowy) oblicza się na podstawie bilansów soli, stosując różne wydajności wymywania lub mieszania soli, które należy podać wraz z danymi wejściowymi. Efekty różnych wydajności wymywania można symulować, zmieniając ich wartość wejściową.
Jeśli do nawadniania używana jest woda drenażowa lub studzienna, metoda oblicza stężenie soli w zmieszanej wodzie do nawadniania w czasie i późniejszy wpływ na zasolenie gleby i wód gruntowych, co z kolei wpływa na stężenie soli w drenażu i studni woda. Zmieniając frakcję zużytej wody drenażowej lub studziennej (poprzez wejście), można symulować długoterminowe skutki różnych frakcji.
Rozpuszczanie stałych minerałów glebowych lub chemiczne wytrącanie słabo rozpuszczalnych soli nie jest uwzględniane w metodzie obliczeniowej. Jednak, ale do pewnego stopnia, można to wyjaśnić za pomocą danych wejściowych, np. zwiększając lub zmniejszając stężenie soli w wodzie do nawadniania lub wodzie dopływającej w warstwie wodonośnej . W przyszłej wersji może zostać wprowadzone wytrącanie gipsu.
Odpowiedzi rolników
W razie potrzeby reakcje rolników na zalewanie i zasolenie gleby mogą być automatycznie uwzględniane. Metoda może stopniowo zmniejszać:
- Ilość wody stosowanej do nawadniania , gdy poziom wód gruntowych staje się płytszy, w zależności od rodzaju uprawy (ryż niełuskany i ryż niełuskany)
- Część gruntów nawadnianych, gdy dostępna woda do nawadniania jest ograniczona;
- Część gruntów nawadnianych, gdy wzrasta zasolenie gleby ; w tym celu zasoleniu podaje się stochastyczną ;
- wód gruntowych poprzez pompowanie ze studni , gdy poziom wód gruntowych spada.
Reakcje rolników wpływają na bilans wodno-solny, co z kolei spowalnia proces gromadzenia się wody i zasolenia. Ostatecznie powstanie nowa sytuacja równowagi.
Użytkownik może również wprowadzać odpowiedzi rolników, ręcznie zmieniając odpowiednie dane wejściowe. Być może warto najpierw przestudiować reakcje rolników automatycznych i ich skutki, a następnie zdecydować, jakie reakcje rolników będą postrzegane przez użytkownika.
Roczne zmiany wejść
Program działa albo ze stałymi danymi wejściowymi przez liczbę lat określoną przez użytkownika. Wariant ten można wykorzystać do przewidywania przyszłych zmian na podstawie długoterminowych średnich wartości wejściowych, np. opadów, ponieważ trudno będzie ocenić przyszłe wartości danych wejściowych rok po roku.
Program oferuje również możliwość śledzenia zapisów historycznych ze zmieniającymi się corocznie wartościami wejściowymi (np. opady deszczu, nawadnianie, płodozmiany), obliczenia muszą być wykonywane rok po roku. W przypadku wybrania tej możliwości program tworzy plik transferu, w którym warunki końcowe z poprzedniego roku (np. zwierciadło wody i zasolenie) są automatycznie wykorzystywane jako warunki początkowe dla kolejnego okresu. Ta funkcja umożliwia również wykorzystanie różnych generowanych sekwencji opadów losowo ze znanego rozkładu prawdopodobieństwa opadów i uzyskanie stochastycznej predykcji wynikowych parametrów wyjściowych.
geometria układu , miąższość warstw gleby, porowatość całkowita , w przeciwnym razie w bilansie wodnym i solnym wystąpią nielogiczne skoki. Parametry te są również zapisywane w pliku transferu, dzięki czemu wszelkie niedozwolone zmiany są anulowane przez dane transferu. W niektórych przypadkach nieprawidłowych zmian program zatrzyma się i poprosi użytkownika o dostosowanie wprowadzonych danych.
Dane wyjściowe
Produkcja podawana jest dla każdego sezonu dowolnego roku w ciągu dowolnej liczby lat, zgodnie z danymi wejściowymi. Dane wyjściowe obejmują aspekty hydrologiczne i zasolenie. Ponieważ zasolenie gleby jest bardzo zmienne w zależności od miejsca (rysunek po lewej), SahysMod uwzględnia rozkłady częstotliwości w danych wyjściowych. Rysunek wykonano programem CumFreq [8] . Dane wyjściowe są gromadzone w postaci tabel, które można przeglądać bezpośrednio, poprzez menu użytkownika, które wywołuje wybrane grupy danych albo dla określonego wielokąta w czasie , albo dla określonego sezonu na wielokątach.
Model zawiera udogodnienia mapowania danych wyjściowych. Ponadto program ma możliwość przechowywania wybranych danych w arkusza kalkulacyjnego do dalszej analizy i importu do programu GIS . Różni użytkownicy mogą chcieć ustanowić różne związki przyczynowo-skutkowe. Program oferuje tylko ograniczoną liczbę standardowych grafik , ponieważ nie jest możliwe przewidzenie wszystkich możliwych zastosowań. Z tego powodu stworzono możliwość dalszej analizy za pomocą programów arkuszy kalkulacyjnych. Chociaż obliczenia wymagają wielu iteracji , wszystkie wyniki końcowe można sprawdzić ręcznie za pomocą równań przedstawionych w instrukcji.