Сельскохозяйственная гидрология — это изучение компонентов водного баланса, влияющих на управление водными ресурсами в сельском хозяйстве, особенно на орошение и дренаж.
Компоненты водного баланса
Составляющие водного баланса можно сгруппировать в компоненты, соответствующие зонам в вертикальном разрезе почвообразующих резервуаров с притоком, оттоком и запасами воды:
Общий водный баланс выглядит следующим образом:
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
Компоненты водного баланса, поступающие в поверхностный водоем (S), следующие:
Составляющие баланса исходящей воды из поверхностного водохранилища (S) составляют:
Баланс поверхностных вод выглядит следующим образом:
-
Example of a surface water balance An example is given of surface runoff according to the Curve number method. The applicable equation is: - Osu = (Rai – Ws)2 / (Pp – Ws + Rm)
where Rm is the maximum retention of the area for which the method is used
Normally one finds that Ws = 0.2 Rm and the value of Rm depends on the soil characteristics. The Curve Number method provides tables for these relations.
The method yields cumulative runoff values. To obtain runoff intensity values or runoff velocity (volume per unit of time) the cumulative duration is to be divided into sequential time steps (for example in hours).
где Rm — максимальное удержание области, для которой используется метод
Обычно оказывается, что Ws = 0,2 Rm, а значение Rm зависит от характеристик почвы. Метод Curve Number предоставляет таблицы для этих отношений.
Метод дает кумулятивные значения стока. Для получения значений интенсивности стока или скорости стока (объема за единицу времени) кумулятивную продолжительность следует разделить на последовательные временные шаги (например, в часах).
Водный баланс корневой зоны
Компоненты водного баланса, поступающие в корневую зону (R), следующие:
Компоненты водного баланса, исходящие из поверхностного водоема (R):
Водный баланс корневой зоны выглядит следующим образом:
Водный баланс переходной зоны
Компоненты водного баланса, поступающие в переходную зону (T), следующие:
Составляющие баланса исходящей воды из переходной зоны (T) составляют:
Водный баланс переходной зоны выглядит следующим образом:
Водный баланс водоносного горизонта
Компоненты баланса входящей воды в водоносный горизонт (Q):
Компоненты баланса исходящей воды из водоносного горизонта (Q) следующие:
Водный баланс водоносного горизонта выглядит следующим образом:
где Wq — изменение запаса воды в водоносном горизонте, заметное как изменение артезианского давления.
Удельные водные балансы
Комбинированные остатки
Водные балансы могут быть составлены для комбинации двух граничащих вертикальных почвенных зон, выделенных таким образом, что компоненты, составляющие приток и отток из одной зоны в другую, исчезнут.
В долгосрочных водных балансах (месяц, сезон, год) сроки хранения часто пренебрежимо малы. Их исключение приводит к водным балансам устойчивого состояния или равновесия.
Сочетание поверхностного резервуара (S) и корневой зоны (R) в устойчивом состоянии дает водный баланс верхнего слоя почвы:
Сочетание корневой зоны (R) и переходной зоны (T) в устойчивом состоянии дает баланс подпочвенных вод:
Сочетание переходной зоны (T) и водоносного горизонта (Q) в устойчивом состоянии дает геогидрологический водный баланс:
Объединение трех верхних водных балансов в устойчивом состоянии дает агрономический водный баланс:
Объединение всех четырех водных балансов в устойчивом состоянии дает общий водный баланс :
-
Example of an overall water balance An example is given of the reuse of groundwater for irrigation by pumped wells. The total irrigation and the infiltration are:
- Inf = Irr + Wel, where Irr = surface irrigation from the canal system, and Wel = the irrigation from wells
The field irrigation efficiency (Ff < 1) is:
- Ff = Era / Inf, where Era = the evapotranspiration of the crop (consumptive use)
The value of Era is less than Inf, there is an excess of irrigation that percolates down to the subsoil (Per):
- Per = Irr + Wel – Era, or:
- Per = (1 − Ff) (Irr + Wel)
The percolation Per is pumped up again by wells for irrigation (Wel), hence:
- Wel = Per, or:
- Wel = (1 − Ff) (Irr + Wel), and therefore:
- Wel / Irr = (1 − Ff) / Ff
With this equation the following table can be prepared:
-
Ff 0.20 0.25 0.33 0.50 0.75 Well / Irr 4 3 2 1 0.33
It can be seen that with low irrigation efficiency the amount of water pumped by the wells (Wel) is several time greater
than the amount of irrigation water brought in by the canal system (Irr). This is due to the fact that a drop of water must be recirculated on the average several times before it is used by the plants.
Общее орошение и инфильтрация составляют:
Эффективность орошения поля (Ff < 1) составляет:
Значение Era меньше, чем Inf, имеется избыток орошения, который просачивается в подпочву (Per):
Просачивающаяся вода Per снова закачивается скважинами для орошения (Wel), следовательно:
Используя это уравнение, можно составить следующую таблицу:
-
Ff 0.20 0.25 0.33 0.50 0.75 Well / Irr 4 3 2 1 0.33
Видно, что при низкой эффективности орошения количество воды, откачиваемой скважинами (Wel), в несколько раз превышает количество оросительной воды, поступающей по системе каналов (Irr). Это связано с тем, что капля воды должна быть рециркулирована в среднем несколько раз, прежде чем будет использована растениями.
Уровень грунтовых вод за пределами переходной зоны
Когда уровень грунтовых вод находится выше поверхности 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 их не существует.
Когда уровень грунтовых вод находится ниже переходной зоны, подходит только баланс водоносного горизонта.
Уменьшено количество зон
При определенных условиях может быть, что водоносный слой, 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 (чистая фильтрация), Ncp = Cap − Per (чистый капиллярный подъем).
Горизонтальные гидрологические компоненты в той же зоне со стрелками в одном направлении можно объединить в избыточные значения.
Например, : Egio = Iaq − Oaq (избыточный приток грунтовых вод над оттоком), Egoi = Oaq − Iaq (избыточный отток грунтовых вод над притоком).
Солевой баланс
Сельскохозяйственные водные балансы также используются в солевых балансах орошаемых земель.
Кроме того, солевые и водные балансы используются в моделях агро-гидро-солености-дренажа, таких как Saltmod.
Точно так же они используются в моделях солености грунтовых вод, таких как SahysMod, которая является пространственной вариацией SaltMod, использующей полигональную сеть.
Требования к орошению и дренажу
Потребность в орошении (Irr) можно рассчитать из водного баланса верхнего слоя почвы, агрономического водного баланса или общего водного баланса, как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от доступности данных о компонентах водного баланса.
Рассматривая поверхностное орошение, предполагая, что испарение поверхностной воды пренебрежимо мало (Eva = 0), устанавливая фактическое эвапотранспирацию Era равным потенциальному эвапотранспирации (Epo), так что Era = Epo и устанавливая поверхностный приток Isu равным Irr, так что Isu = Irr, балансы дают соответственно:
Определяя эффективность орошения как IEFF = Epo/Irr, т.е. долю оросительной воды, потребляемую культурой, соответственно получаем, что:
Аналогичным образом безопасный дебит скважин, извлекающих воду из водоносного горизонта без чрезмерной эксплуатации, может быть определен с использованием геогидрологического водного баланса или общего водного баланса, как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от наличия данных о компонентах водного баланса.
Аналогичным образом, потребность в подземном дренаже можно определить по расходу дренажа (Dtr) в балансе грунтовых вод, агрономическом водном балансе, геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе.
Аналогичным образом потребность в дренаже скважины можно определить по дебиту скважины (Wel) в геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе.
Требования к подземному дренажу и требования к скважинному дренажу играют важную роль в проектировании систем сельскохозяйственного дренажа (ссылки:, ).
-
Example of drainage and irrigation requirements The drainage and irrigation requirements in The Netherlands are derived from the climatic characteristics (see figure). -
Climatic data
in the figure (mm)Summer
Apr–AugWinter
Sep–MarAnnual Precipitation P 360 360 720 Evaporation E 480 60 540 Change of storage ΔW –120 +120 0 Drainage requirement D 0 180 180 Irrigation requirement variable 0 variable
The quantity of water to be drained in a normal winter is:
- D = P – E – ΔW
According to the figure, the drainage period is from November to March (120 days) and the discharge of the drainage system is
D = 180 / 120 = 1.5 mm/day corresponding to 15 m3/day per ha.During winters with more precipitation than normal, the drainage requirement increase accordingly.
The irrigation requirement depends on the rooting depth of the crops, which determines their capacity to make use of the water stored in the soil after winter. Having a shallow rooting system, pastures need irrigation to an amount of about half of the storage depletion in summer. Practically, wheat does not require irrigation because it develops deeper roots while during the maturing period a dry soil is favorable.
The analysis of cumulative frequency of climatic data plays an important role in the determination of the irrigation and drainage needs in the long run.
-
-
Climatic data
in the figure (mm)Summer
Apr–AugWinter
Sep–MarAnnual Precipitation P 360 360 720 Evaporation E 480 60 540 Change of storage ΔW –120 +120 0 Drainage requirement D 0 180 180 Irrigation requirement variable 0 variable
Количество воды, которое необходимо слить в обычную зиму, составляет:
Согласно рисунку период дренажа с ноября по март (120 дней) и расход дренажной системы
D = 180/120 = 1,5 мм/день, что соответствует 15 м3/день на га.
В зимы с большим количеством осадков, чем обычно, потребность в дренаже соответственно увеличивается.
Потребность в орошении зависит от глубины корневой системы культур, которая определяет их способность использовать воду, запасенную в почве после зимы. Имея неглубокую корневую систему, пастбищам требуется орошение в объеме, составляющем около половины истощения запасов летом. Пшеница практически не нуждается в орошении, поскольку она развивает более глубокие корни, а в период созревания сухая почва благоприятна.
Анализ совокупной повторяемости климатических данных играет важную роль в определении потребностей в орошении и дренаже в долгосрочной перспективе.