Hydrologie (zemědělství) - Hydrology (agriculture)

Zemědělská hydrologie je studium složek vodní bilance, které zasahují do hospodaření s vodou v zemědělství , zejména při zavlažování a odvodňování .

Ilustrace některých komponent vodní bilance

Součásti vodní bilance

Složky vodní bilance v zemědělské půdě

Tyto vodní bilance komponenty mohou být seskupeny do složek odpovídajících zón ve svislém příčném řezu v půdě tvořící nádrží s přítokem, odliv a skladování vody:

  1. povrchová nádrž ( S )
  2. kořenová zóna nebo nenasycená ( vadose zóna ) ( R ) s převážně vertikálními toky
  3. kolektor ( Q ) s převážně horizontální toky
  4. přechodová zóna ( T ), ve které 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 bilancích se předpokládá, že hladina podzemní vody 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 zavlažováním
  2. Isu - vodorovně přicházející povrchová voda. To může spočívat v přirozeném zaplavení nebo povrchovém zavlažování

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

  1. Eva - odpařování z otevřené vody na povrchu půdy (viz Penmanova rovnice )
  2. Osu - Povrchový odtok (přírodní) nebo povrchový odtok (umělý)
  3. Inf - Infiltrace vody povrchem 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 metody Curve number . 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. Cap - 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. Per - 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 komponenty vodní bilance z přechodové zóny ( T ) jsou:

  1. Cap - Kapilární vzestup vody do kořenové zóny
  2. Dtr - Umělé vodorovné 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 vodonosné vrstvy
  3. Wel - Vypouštění z (trubkových) studní umístěných 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 artézského tlaku .

Specifické vodní bilance

Kombinované zůstatky

Vodní bilance mohou být vytvořeny pro kombinaci dvou rozeznatelných vertikálních půdních zón, které rozeznají, přičemž komponenty tvořící přítok a odtok z jedné zóny do druhé zmizí.
U dlouhodobých vodních bilancí (měsíc, sezóna, rok) jsou podmínky skladování často zanedbatelné malé. Vynechání těchto vede k ustálených nebo rovnovážný vodní bilance.

Kombinace povrchové nádrže ( S ) a kořenové zóny ( R ) v ustáleném stavu vede k vodní bilanci ornice  :

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

Kombinace kořenové zóny ( R ) a přechodové zóny ( T ) v ustáleném stavu vede k vodní bilanci podloží  :

  • Inf + Lca + Ugw = Era + Dtr + Dgw, kde Wr vazební faktory Per a Cap zmizely.

Kombinace přechodové zóny ( T ) a zvodnělé vrstvy ( Q ) v ustáleném stavu poskytuje geohydrologickou vodní bilanci  :

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

Kombinace tří nejvyšších vodních bilancí v ustáleném stavu poskytuje agronomickou vodní bilanci  :

  • Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw, kde vazebné faktory Inf , Per a Cap zmizely.

Kombinace všech čtyř vodních bilancí v ustáleném stavu poskytuje celkovou vodní bilanci  :

  • Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq, kde vazebné faktory Inf , Per , Cap , 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 z kanálového systému a Wel = zavlažování ze studní

Účinnost polního zavlažování ( Ff <1) je:

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

Hodnota Era je menší než Inf , existuje přebytek zavlažování, které prosakuje až do podloží ( Per ):

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

Perkolace Per je opět 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  
  No / Irr     4   3   2   1   0,33

Je vidět, že při nízké účinnosti zavlažování je množství vody čerpané studnami ( Wel ) několikrát větší než množství zavlažovací vody přiváděné systémem kanálů ( Irr ). To je způsobeno skutečností, 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 , Per , Cap nejsou vhodné, protože neexistují. Pokud je hladina podzemní vody uvnitř kořenové zóny, váhy obsahující komponenty Per , Cap nejsou vhodné, protože neexistují. Pokud je hladina podzemní vody pod přechodovou zónou, je vhodná pouze rovnováha vodonosné vrstvy .

Snížený počet zón

Saltmod vodní bilance komponenty

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

Vertikální hydrologické komponenty podél hranice mezi dvěma zónami se šipkami ve stejném směru lze kombinovat do čistých hodnot .
Například: Npc = Per - Cap (čistá perkolace), Ncp = Cap - Per (čistý vzestup kapiláry).
Vodorovné hydrologické komponenty ve stejné zóně se šipkami ve stejném směru lze kombinovat do nadměrných hodnot .
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 solných bilancích zavlažovaných zemí. Rovnováha
solí a vody se dále používá v drenážních modelech pro agro-hydro-slanost, jako je Saltmod .
Stejně tak se používají v modelech slanosti podzemní vody, jako je SahysMod, což je prostorová variace SaltMod využívající polygonální síť.

Požadavky na zavlažování a odvodnění

Požadavek na zavlažování (Irr) lze vypočítat z vodní bilance ornice , agronomické vodní bilance nebo celkové vodní bilance , jak je definováno v části „Kombinované bilance“, v závislosti na dostupnosti údajů o složkách vodní bilance.
Pokud vezmeme v úvahu povrchové zavlažování , za předpokladu, že odpařování povrchové vody je zanedbatelně malé (Eva = 0), nastavíme skutečnou éru evapotranspirace rovnou potenciální evapotranspiraci (Epo) tak, aby Era = Epo a nastavení přítoku povrchu Isu rovnu 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

Definováním účinnosti zavlažování jako IEFF = Epo / Irr, tj. Podílu závlahové vody spotřebované 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

Stejně tak lze bezpečný výtěžek ze studní , které odebírají vodu z vodonosné vrstvy bez nadměrného využívání , určit pomocí geohydrologické vodní bilance nebo celkové vodní bilance , jak je definováno v části „Kombinované bilance“, v závislosti na dostupnosti údajů o složkách vodní bilance .

Podobně lze požadavek na podpovrchové odvodnění zjistit z odtoku (Dtr) ve vodní bilanci podloží , agronomické vodní bilanci , geohydrologické vodní bilanci nebo celkové vodní bilanci .

Stejným způsobem lze zjistit požadavek na odvodnění studny z vypouštění studny (Wel) v geohydrologické vodní bilanci nebo v celkové vodní bilanci .

Požadavek na podpovrchové odvodnění a odvodnění studny hraje důležitou roli při navrhování zemědělských odvodňovacích systémů (reference :,).

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		   Zimní  
září – březen		 Roční
Srážky   360   360   720
Odpařování E   480     60   540
Změna skladování ΔW –120 +120       0
Požadavek na odvodnění D        0   180   180
Požadavek na zavlažování   proměnná       0 proměnná

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 m 3 / 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, což určuje jejich schopnost využívat vodu uloženou v půdě po zimě. Díky mělkému systému zakořenění vyžadují pastviny v létě zavlažování na přibližně polovinu vyčerpání zásob. Pšenice prakticky nevyžaduje zavlažování, protože vytváří hlubší kořeny, zatímco během období zrání je příznivá suchá půda.

Analýza kumulativní frekvence klimatických údajů hraje důležitou roli při stanovení potřeb zavlažování a odvodnění v dlouhodobém horizontu.

Reference

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