Гидрология (сельское хозяйство)

Сельскохозяйственная гидрология - это изучение компонентов водного баланса, влияющих на управление водными ресурсами в сельском хозяйстве, особенно в ирригации и дренаже.

Иллюстрация некоторых компонентов водного баланса

• 1 Компоненты водного баланса
  • 1.1 Баланс поверхностных вод
  • 1.2 Водный баланс корневой зоны
  • 1.3 Водный баланс переходной зоны
  • 1.4 Водный баланс водоносного горизонта
• 2 Удельные водные балансы
  • 2.1 Комбинированные весы
  • 2.2 Уровень грунтовых вод вне переходной зоны
  • 2.3 Уменьшенное количество зон
  • 2.4 Чистая и избыточная стоимость
  • 2.5 Солевой баланс
• 3 Требования к орошению и дренажу
• 4 ссылки
• 5 Внешние ссылки

Компоненты водного баланса сельскохозяйственных угодий

Компоненты водного баланса можно сгруппировать в компоненты, соответствующие зонам в вертикальном разрезе в почвообразующих водоемах с притоком, оттоком и накоплением воды:

1. поверхностный резервуар ( S)
2. корневая зона или ненасыщенная ( зона вадозы ) ( R) с преимущественно вертикальными потоками
3. водоносный горизонт ( Q) с преимущественно горизонтальными потоками
4. переходная зона ( Т), в которой вертикальные и горизонтальные потоки преобразуются

Общий водный баланс гласит:

• приток = отток + смена хранилища

и это применимо к каждому из резервуаров или их комбинации.

В следующих балансах предполагается, что уровень грунтовых вод находится внутри переходной зоны.

Баланс поверхностных вод

Компонентами входящего водного баланса в поверхностный резервуар ( S) являются:

1. Rai - Вода, поступающая к поверхности вертикально, например: осадки (включая снег), ливневые дожди, полив дождеванием.
2. Ису - горизонтально поступающая поверхностная вода. Это может быть естественное затопление или поверхностный орошение.

Компонентами исходящего водного баланса из поверхностного резервуара ( S) являются:

1. Ева - Испарение из открытой воды на поверхности почвы (см. Уравнение Пенмана )
2. Осу - поверхностный сток (естественный) или поверхностный сток (искусственный)
3. Инфильтрация - проникновение воды через поверхность почвы в корневую зону.

Баланс поверхностных вод гласит:

• Rai + Isu = Eva + Inf + Osu + Ws, где Ws - изменение запасов воды на поверхности почвы.

Поверхностный сток в методе номера кривой

Пример баланса поверхностных вод

Приведен пример поверхностного стока по методу числа кривых. Применимое уравнение: Osu = (Rai - Ws) 2 / (Pp - Ws + Rm) где Rm - максимальное удерживание площади, для которой используется метод. Обычно получается, что Ws = 0,2 Rm, а значение Rm зависит от характеристик почвы. Метод Curve Number предоставляет таблицы для этих отношений. Метод дает значения кумулятивного стока. Для получения значений интенсивности стока или скорости стока (объема в единицу времени) совокупную продолжительность необходимо разделить на последовательные временные шаги (например, в часах).

Водный баланс корневой зоны

Компонентами входящего водного баланса в корневую зону ( R) являются:

1. Инфильтрация - проникновение воды через поверхность почвы в корневую зону.
2. Кап - Капиллярный подъем воды из переходной зоны

Компонентами исходящего водного баланса из поверхностного резервуара ( R) являются:

1. Эра - Фактическое испарение или эвапотранспирация из корневой зоны
2. Пер - Просачивание воды из ненасыщенного корневой зоны в переходной зоне

Водный баланс корневой зоны гласит:

• Inf + Cap = Era + Per + Wr, где Wr - изменение запаса воды в корневой зоне.

Водный баланс переходной зоны

Компонентами входящего водного баланса в переходную зону ( Т) являются:

1. Перколяция воды из ненасыщенной корневой зоны в переходную зону.
2. Lca - проникновение воды из рек, каналов или дренажных систем в переходную зону, часто называемое глубокими фильтрационными потерями.
3. Ugw - вертикальное просачивание воды из водоносного горизонта в насыщенную переходную зону.

Компонентами исходящего водного баланса из переходной зоны ( Т) являются:

1. Крышка - Капиллярный подъем воды в корневую зону
2. Dtr - Искусственный горизонтальный подземный дренаж, см. Также Дренажная система (сельское хозяйство)
3. Dgw - Вертикально нисходящий дренаж воды из насыщенной переходной зоны в водоносный горизонт.

Водный баланс переходной зоны гласит:

• Per + Lca + Ugw = Cap + Dtr + Dgw + Wt, где Wt - изменение запасов воды в переходной зоне, заметное как изменение уровня грунтовых вод.

Водный баланс водоносного горизонта

Компонентами входящего водного баланса в водоносный горизонт ( Q) являются:

1. Dgw - Вертикально нисходящий дренаж воды из насыщенной переходной зоны в водоносный горизонт.
2. Iaq - Горизонтально поступающие грунтовые воды в водоносный горизонт

Компонентами исходящего водного баланса из водоносного горизонта ( Q) являются:

1. Ugw - вертикальное просачивание воды из водоносного горизонта в насыщенную переходную зону.
2. Oaq - горизонтально выходящие грунтовые воды из водоносного горизонта
3. Wel - Разгрузка из (трубчатых) скважин, размещенных в водоносном горизонте

Водный баланс водоносного горизонта гласит:

• Dgw + Iaq = Ugw + Wel + Oaq + Wq

где Wq - изменение запасов воды в водоносном горизонте, заметное как изменение артезианского давления.

Комбинированные балансы

Водные балансы могут быть составлены для комбинации двух граничащих вертикальных зон почвы, в результате чего компоненты, составляющие приток и отток из одной зоны в другую, исчезнут. При долгосрочном водном балансе (месяц, сезон, год) сроки хранения часто пренебрежимо малы. Их игнорирование приводит к установившемуся или равновесному водному балансу.

Комбинация поверхностного резервуара ( S) и корневой зоны ( R) в устойчивом состоянии дает водный баланс верхнего слоя почвы  :

• Rai + Isu + Cap = Eva + Era + Osu + Per, где фактор связи Inf исчез.

Комбинация корневой зоны ( R) и переходной зоны ( T) в устойчивом состоянии дает баланс грунтовых вод  :

• Inf + Lca + Ugw = Era + Dtr + Dgw, где Wr факторы связи Per и Cap исчезли.

Комбинация переходной зоны ( T) и водоносного горизонта ( Q) в устойчивом состоянии дает геогидрологический водный баланс  :

• Per + Lca + Iaq = Cap + Dtr + Wel + Oaq, где Wr факторы связи Ugw и Dgw исчезли.

Объединение трех самых верхних водных балансов в устойчивом состоянии дает агрономический водный баланс  :

• Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw, где факторы связи Inf, Per и Cap исчезли.

Объединение всех четырех водных балансов в устойчивом состоянии дает общий водный баланс  :

• Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq, где исчезли факторы связи Inf, Per, Cap, Ugw и Dgw.

Схема повторного использования подземных вод для орошения колодцами

Пример общего водного баланса

Приведен пример повторного использования подземных вод для орошения насосными скважинами. Полное орошение и инфильтрация: Inf = Irr + Wel, где Irr = поверхностное орошение из системы каналов, а Wel = орошение из колодцев. Эффективность полива поля ( Ff lt;1) составляет: Ff = Era / Inf, где Era = суммарное испарение урожая (безвозвратное использование) Значение Era меньше Inf, имеется избыток орошения, просачивающийся в недра ( Per): Per = Irr + Wel - Era, или: Per = (1 - Ff) (Irr + Wel) Перколяционный Per снова накачивается скважинами для орошения ( Wel), отсюда: Wel = Per, или: Wel = (1 - Ff) (Irr + Wel), следовательно: Wel / Irr = (1 - Ff) / Ff С помощью этого уравнения можно составить следующую таблицу:   Ff   0,20     0,25     0,33     0,50     0,75   Ну / Ирр     4   3   2   1   0,33 Видно, что при низкой эффективности орошения количество воды, перекачиваемой скважинами ( Wel), в несколько раз больше, чем количество поливной воды, поступающей по системе каналов ( Irr). Это связано с тем, что капля воды должна быть рециркулирована в среднем несколько раз, прежде чем она будет использована растениями.

Уровень грунтовых вод вне 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, приемлемым является только баланс водоносного горизонта.

Уменьшенное количество зон

Компоненты водного баланса Saltmod

В определенных условиях может отсутствовать водоносный горизонт, переходная зона или корневая зона. Баланс воды можно производить, минуя отсутствующие зоны.

Чистая и избыточная стоимость

Вертикальные гидрологические компоненты вдоль границы между двумя зонами со стрелками в одном направлении могут быть объединены в чистые значения. Например: Npc = Per - Cap (чистая перколяция), Ncp = Cap - Per (чистый капиллярный подъем). Горизонтальные гидрологические компоненты в одной зоне со стрелками, направленными в одном направлении, могут быть объединены в избыточные значения. Например: Egio = Iaq - Oaq (избыточный приток грунтовых вод превышает отток), Egoi = Oaq - Iaq (избыточный отток грунтовых вод превышает приток).

Балансы солей

Сельскохозяйственные водные балансы также используются в солевых балансах орошаемых земель. Кроме того, солевой и водный балансы используются в моделях агро-гидросоления -дренажа, таких как Saltmod. Точно так же они используются в моделях солености грунтовых вод, таких как SahysMod, который представляет собой пространственную вариацию SaltMod с использованием полигональной сети.

Требование орошения (IRR) может быть рассчитана из верхнего слоя почвы водного баланса, в агрономической водного баланса или общий баланс воды, как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от наличия данных о компонентах водного баланса. Рассматривая поверхностное орошение, предполагая, что испарение поверхностной воды пренебрежимо мало (Eva = 0), устанавливая фактическую эвапотранспирацию равной потенциальной эвапотранспирации (Epo), так что Era = Epo и устанавливая приток поверхностной воды Isu равным Irr, чтобы Isu = Irr, остатки дают соответственно:

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

Определяя эффективность орошения как IEFF = Epo / Irr, то есть долю поливной воды, потребляемую культурой, соответственно получается, что:

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

Слив слива определяет расстояние слива

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

Точно так же безопасна выход из скважин, извлечения воды из водоносного горизонта, без чрезмерной эксплуатации, может быть определена с использованием geohydrologic водного баланса или общий баланс воды, как определено в разделе «Комбинированные балансы», в зависимости от наличия данных о компонентах водного баланса.

Аналогичным образом, потребность в подземном дренаже может быть определена по расходу дренажа (Dtr) в балансе грунтовых вод, агрономическом водном балансе, геогидрологическом водном балансе или общем водном балансе.

Таким же образом, потребность в дренаже скважины может быть найдена из разряда скважины (Wel) в гидрогидрологическом водном балансе или общем водном балансе.

Требования к подземному дренажу и дренажу из колодцев играют важную роль при проектировании сельскохозяйственных дренажных систем (ссылки:,).

Средние климатические данные и дренаж в Нидерландах

Пример требований к дренажу и орошению

Требования к дренажу и орошению в Нидерландах основаны на климатических характеристиках (см. Рисунок).   Климатические данные   на рисунке (мм)   Лето с   апреля по август   Зима,   сентябрь – март Ежегодный Осадки P   360   360   720 Испарение E   480     60   540 Изменение хранения ΔW –120 +120       0 Требование к дренажу D        0   180   180 Требование орошения   Переменная       0 Переменная Количество воды, сливаемой в обычную зиму, составляет: D = P - E - ΔW Согласно рисунку, период осушения длится с ноября по март (120 дней), а расход дренажной системы составляет D = 180/120 = 1,5 мм / сутки, что соответствует 15 м 3 / сутки на га. Зимой с большим количеством осадков, чем обычно, требования к дренажу соответственно возрастают. Требования к поливу зависят от глубины укоренения сельскохозяйственных культур, которая определяет их способность использовать воду, накопленную в почве после зимы. Имея неглубокую корневую систему, пастбища нуждаются в орошении в количестве примерно половины от истощения запасов летом. Практически пшеница не требует орошения, потому что у нее развиваются более глубокие корни, а в период созревания благоприятна сухая почва. Анализ совокупной повторяемости климатических данных играет важную роль в определении потребностей в орошении и дренаже в долгосрочной перспективе.

• Веб-сайт по сельскохозяйственной гидрологии: [5]
• Бесплатное программное обеспечение для расчетов по сельскохозяйственной гидрологии: [6]
• Статьи по сельскохозяйственной гидрологии: [7]
• Часто задаваемые вопросы о сельскохозяйственной гидрологии: [8]
• Тематические исследования по сельскохозяйственной гидрологии: [9]
• Водный след сельскохозяйственных культур | Visual.ly