SaltMod - SaltMod
 | |
| Разработчики) | Институт мелиорации и улучшения земель (ILRI) |
|---|---|
| Написано в | Delphi |
| Операционная система | Майкрософт Виндоус |
| Доступно в | английский |
| Тип | Статистическое программное обеспечение |
| Лицензия | Проприетарное Бесплатное ПО |
| Веб-сайт | SaltMod |
SaltMod это компьютерная программа для прогнозирования солености от почвенной влаги , грунтовых вод и дренажных вод, глубина грунтовых вод , а сток разряда (гидрология) в орошаемых сельскохозяйственных земель, с использованием различных (гео) гидрологические условия, различные водохозяйственные варианты, включая использование грунтовых вод для орошения и несколько графиков севооборота . Варианты управления водными ресурсами включают орошение, дренаж и использование подземных дренажных вод из водостоков, канав или колодцев для орошения.
Модели засоления почвы
Большинство компьютерных моделей, доступных для переноса воды и растворенных веществ в почве (например, Swatre, DrainMod), основаны на дифференциальном уравнении Ричарда для движения воды в ненасыщенной почве в сочетании с уравнением дифференциальной дисперсии солености . Модели требуют ввода характеристик почвы, таких как соотношение между ненасыщенной влажностью почвы, напряжением воды, гидравлической проводимостью и дисперсностью.
Эти отношения сильно различаются от места к месту, и их нелегко измерить. В моделях используются короткие временные шаги и требуется, по крайней мере, ежедневная база данных о гидрологических явлениях. В целом это превращает применение модели в довольно крупный проект в задачу группы специалистов с обширными возможностями.
.JPG)
Упрощенная модель солености: SaltMod
Литературные ссылки (в хронологическом порядке) на тематические исследования после 2000 г .:
Более старые примеры применения можно найти в:
- Соленость в дельте Нила
- Интеграция управления ирригацией и дренажом
Обоснование
Существует потребность в компьютерной программе, с которой проще работать и которая требует более простой структуры данных, чем большинство доступных в настоящее время моделей. Поэтому программа SaltModod была разработана с учетом относительной простоты работы, чтобы облегчить использование полевыми техниками, инженерами и проектировщиками вместо специализированных геогидрологов .
Он направлен на использование общедоступных входных данных, которые можно оценить с разумной точностью или которые можно измерить с относительной легкостью. Хотя расчеты производятся численно и должны повторяться много раз, окончательные результаты можно проверить вручную, используя формулы, приведенные в руководстве.
Задача SaltMod - прогнозировать долгосрочную гидросоленость с точки зрения общих тенденций , а не приходить к точным прогнозам того, какой, например, будет ситуация первого апреля через десять лет.
Кроме того, SaltMod дает возможность повторно использовать дренажную и колодезную воду (например, для орошения) и может учитывать реакцию фермеров на заболачивание , засоление почвы , нехватку воды и перекачку из водоносного горизонта . Также он предлагает возможность внедрения подземных дренажных систем на различной глубине и с различной производительностью, чтобы их можно было оптимизировать . Другие возможности Saltmod описаны в следующем разделе.
Принципы
Сезонный подход
Метод расчета Saltmod основан на сезонных водных балансах сельскохозяйственных угодий. Можно выделить четыре сезона в одном году, например, сухой, влажный, холодный, жаркий, ирригационный или паровой сезоны. Количество сезонов (Ns) можно выбрать от минимум одного до максимум четырех. Чем больше становится количество сезонов, тем больше требуется вводных данных. Продолжительность каждого сезона (Ts) указывается в количестве месяцев (0 <Ts <12). Ежедневный водный баланс не учитывается по нескольким причинам:
- ежедневные входные данные потребуют большого количества информации, которая может быть недоступна;
- метод специально разработан для прогнозирования долгосрочных, а не повседневных тенденций, и прогнозы на будущее более надежны на сезонной (долгосрочной), чем на ежедневной (краткосрочной) основе, из-за высокой изменчивости краткосрочные данные;
- даже если точность прогнозов на будущее все еще может быть не очень высокой, многое можно получить, когда тренд достаточно четкий; например, нет необходимости быть серьезным препятствием для разработки соответствующих мер по контролю засоления почвы, когда определенный уровень засоления, прогнозируемый Saltmod через 20 лет, в действительности будет достигнут через 15 или 25 лет.
Гидрологические данные
В качестве входных данных в методе используются сезонные составляющие водного баланса. Они связаны с гидрологией поверхности (например, осадки , испарение , орошение, использование дренажной и колодезной воды для орошения, сток ) и гидрологией водоносного горизонта (например, просачивание вверх, естественный дренаж, откачка из колодцев). Остальные компоненты водного баланса (например, перколяция вниз , подъем капилляров вверх , подземный дренаж ) представлены как выходные данные.
Количество дренажной воды на выходе определяется двумя факторами интенсивности дренажа для дренажа выше и ниже уровня дренажа соответственно (указывается во входных данных), коэффициентом уменьшения дренажа (для моделирования ограниченной работы дренажной системы). , и высота уровня грунтовых вод, полученная на основе рассчитанного водного баланса. Варьирование коэффициентов интенсивности дренажа и коэффициента уменьшения дренажа дает возможность моделировать влияние различных вариантов дренажа.
Данные по сельскому хозяйству
Входные данные по орошению , испарению и поверхностному стоку должны быть указаны за сезон для трех видов сельскохозяйственных приемов, которые могут быть выбраны по усмотрению пользователя:
- А: орошаемые земли с культурами группы А
- B: орошаемые земли с культурами группы B
- U: неорошаемые земли с богарными культурами или залежные земли
Группы, выраженные в долях от общей площади, могут состоять из комбинаций культур или только из одного вида культур. Например, в качестве культур типа A можно указать слабо орошаемые культуры, а в качестве типа B - более интенсивно орошаемые, такие как сахарный тростник и рис . Но можно также принять A как рис и B как сахарный тростник или, возможно, деревья и сады . Культуры A, B и / или U могут быть взяты по-разному в разные сезоны , например, A = пшеница + ячмень зимой и A = кукуруза летом, в то время как B = овощи зимой и B = хлопок летом.
Неорошаемые земли можно указать двумя способами: (1) как U = 1 − A − B и (2) как A и / или B с нулевым орошением. Также можно составить комбинацию.
Кроме того, должна быть дана спецификация сезонной ротации различных видов землепользования на всей площади, например, полная ротация, отсутствие ротации вообще или неполная ротация. Это происходит с индексом вращения. Ротации производятся по сезонам в течение года. Чтобы получить ротации по годам, рекомендуется вводить ежегодные изменения ввода.
Когда фракция A1, B1 и / или U1 в первом сезоне отличается от фракций A2, B2 и / или U2 во втором сезоне, потому что режимы орошения в сезонах различаются, программа обнаружит, что происходит определенная ротация. Если кто-то хочет этого избежать, можно указать одни и те же доли для всех сезонов (A2 = A1, B2 = B1, U2 = U1), но урожай и количество полива, возможно, придется скорректировать пропорционально.
Графики севооборота сильно различаются в разных частях мира. Креативные комбинации долей площадей, индексов севооборота, количества орошения и изменения ежегодных затрат могут соответствовать многим типам сельскохозяйственных методов. Вариация долей площадей и / или графика севооборота дает возможность моделировать влияние различных методов ведения сельского хозяйства на водно-солевой баланс.
Слои почвы
Saltmod принимает четыре различных резервуара, три из которых находятся в профиле почвы:
- поверхностный резервуар
- верхний (неглубокий) почвенный резервуар или корневая зона
- промежуточный почвенный резервуар или переходная зона
- глубокий резервуар или водоносный горизонт .
Верхний резервуар почвы определяется глубиной почвы, из которой вода может испаряться или поглощаться корнями растений. Может быть равно rootzone.
Корневая зона может быть насыщенной, ненасыщенной или частично насыщенной, в зависимости от водного баланса . Все движения воды в этой зоне вертикальные, вверх или вниз, в зависимости от водного баланса. (В будущей версии Saltmod верхний резервуар почвы может быть разделен на две равные части для определения тенденции вертикального распределения солености.)
Переходная зона также может быть насыщенной, ненасыщенной или частично насыщенной. Все потоки в этой зоне вертикальные, кроме потока в подземные дрены.
Если имеется горизонтальная подземная дренажная система , она должна быть размещена в переходной зоне, которая затем делится на две части: верхняя переходная зона (выше уровня дренажа) и нижняя переходная зона (ниже уровня дренажа).
Если желательно различать верхнюю и нижнюю часть переходной зоны при отсутствии системы подземного дренажа, можно указать во входных данных дренажную систему с нулевой интенсивностью.
Водоносный горизонт имеет в основном горизонтальный поток. Насосные колодцы, если они есть, получают воду только из водоносного горизонта.
Водные балансы
В Остатки воды рассчитываются для каждого резервуара по отдельности , как показано в статье гидрологии (сельского хозяйства) . Избыточная вода, покидающая один резервуар, превращается в поступающую воду для следующего резервуара.
Этим трем почвенным резервуарам можно присвоить разную толщину и коэффициенты накопления, которые будут использоваться в качестве исходных данных.
В конкретной ситуации наличие переходной зоны или водоносного горизонта не требуется. Тогда ему должна быть придана минимальная толщина 0,1 м.
Глубина зеркала грунтовых вод , рассчитанная по водным балансам, предполагается одинаковой для всей территории. Если это предположение неприемлемо, площадь необходимо разделить на отдельные участки.
При определенных условиях высота уровня грунтовых вод влияет на составляющие водного баланса. Например, подъем уровня грунтовых вод по направлению к поверхности почвы может привести к увеличению испарения , поверхностного стока и подземного дренажа или к уменьшению потерь на просачивание из каналов. Это, в свою очередь, приводит к изменению водного баланса, что снова влияет на высоту уровня грунтовых вод и т. Д.
Эта цепочка реакций является одной из причин, почему Saltmod был разработан в компьютерную программу. Требуется ряд повторных вычислений ( итераций ), чтобы найти правильное равновесие водного баланса, что было бы утомительной работой, если бы выполнялось вручную. Другие причины заключаются в том, что компьютерная программа облегчает вычисления для различных вариантов управления водными ресурсами в течение длительных периодов времени (с целью моделирования их долгосрочных эффектов) и для пробных запусков с различными параметрами.
Сливы, колодцы и повторное использование
Дренажа под поверхностью может быть достигнута через канализацию или накачку скважин .
Подземные дрены характеризуются глубиной дренажа и коэффициентом пропускной способности . Дренажи расположены в переходной зоне. Устройство подземного дренажа может применяться как в естественных, так и в искусственных дренажных системах. Функционирование системы искусственного дренажа можно регулировать с помощью коэффициента регулирования дренажа .
При отсутствии дренажной системы установка дренажей с нулевой пропускной способностью дает возможность получить отдельные водные и солевые балансы для верхней и нижней части переходной зоны.
Перекачиваемые скважины расположены в водоносном горизонте. Их функционирование характеризуется сбросом из скважины.
Дренажная и колодезная вода может использоваться для орошения за счет коэффициента повторного использования . Это может повлиять на солевой баланс и эффективность или достаточность орошения.
Балансы солей
В остатках соли рассчитываются для каждого резервуара по отдельности. Они основаны на их водном балансе с использованием концентрации солей в поступающей и исходящей воде. Некоторые концентрации должны быть указаны в качестве входных данных, например, начальные концентрации солей в воде в различных почвенных резервуарах, в оросительной воде и поступающих грунтовых водах в водоносный горизонт.
Концентрации выражены в единицах электропроводности (ЕС в дСм / м). Когда концентрации известны в г соли / л воды, можно использовать практическое правило: 1 г / л -> 1,7 дСм / м. Обычно концентрации солей в почве выражаются в ECe, электропроводности экстракта насыщенной почвенной пасты (насыщенного экстракта). В Saltmod концентрация соли выражается как EC влажности почвы при насыщении в полевых условиях. Как правило, можно использовать коэффициент пересчета EC: ECe = 2: 1.
Концентрации солей в исходящей воде (либо из одного резервуара в другой, либо в результате подземного дренажа) рассчитываются на основе солевых балансов с использованием различных промывок или солей. эффективность смешивания должна быть дана с входными данными. Эффекты различной эффективности выщелачивания можно моделировать, варьируя их входные значения.
Если для орошения используется дренажная или колодезная вода, метод вычисляет концентрацию соли в смешанной поливной воде с течением времени и последующее влияние на соленость почвы и грунтовых вод, что снова влияет на концентрацию солей в дренажной системе и колодце. воды. Изменяя долю использованной дренажной или скважинной воды (указываемой во входных данных), можно моделировать долгосрочное влияние различных фракций.
Растворения твердых минералов почвы или химического осаждения из плохо растворимых солей не входит в способе вычисления, но в какой - то степени это можно объяснить с помощью входных данных, например , путем увеличения или уменьшения концентрации соли в поливной воде или из поступающая вода в водоносный горизонт.
Отзывы фермеров
При необходимости реакция фермеров на заболачивание и засоление почвы может быть учтена автоматически. Метод может постепенно уменьшаться:
- количество поливной воды, применяемой при обмелении грунтовых вод ;
- доля орошаемых земель при дефиците доступной поливной воды;
- доля орошаемых земель при повышении засоления почвы; для этого солености дается стохастическая интерпретация.
Ответ (1) различен для прудового (затопленного) риса (падди) и культур «сухих ног».
Отклики влияют на водный и солевой балансы, которые, в свою очередь, замедляют процесс заболачивания и засоления. В конечном итоге будет достигнута равновесная ситуация.
Пользователь также может представить ответы фермеров, вручную изменив соответствующие входные данные. Возможно, сначала будет полезно изучить автоматические ответы фермеров и их влияние, а затем решить, какими будут ответы фермеров в глазах пользователя.
Отклики влияют на водный и солевой балансы , которые, в свою очередь, замедляют процесс заболачивания и засоления. В конечном итоге будет достигнута равновесная ситуация.
Пользователь также может представить ответы фермеров, вручную изменив соответствующие входные данные. Возможно, сначала будет полезно изучить автоматические ответы фермеров и их влияние, а затем решить, какими будут ответы фермеров в глазах пользователя.
Ежегодные изменения ввода
Программа может работать с фиксированными входными данными в течение количества лет, определяемого пользователем. Эту опцию можно использовать для прогнозирования будущего развития на основе долгосрочных средних входных значений, например, осадков, поскольку будет трудно ежегодно оценивать будущие значения входных данных. Программа также предлагает возможность отслеживать исторические записи с ежегодно изменяющимися входными значениями (например, осадки, орошение, сельскохозяйственные методы), расчеты должны производиться из года в год. Если выбрана эта возможность, программа создает файлы передачи, с помощью которых конечные условия предыдущего года (например, уровень грунтовых вод и соленость) автоматически используются в качестве начальных условий для последующего периода. Это средство позволяет использовать различные сгенерированные последовательности дождя, выбранные случайным образом из известного распределения вероятности дождя, и получать стохастическое предсказание результирующих выходных параметров.
Если расчеты производятся с ежегодными изменениями, не все входные параметры можно изменить, особенно толщину почвенных резервуаров и их общую пористость, поскольку это вызовет нелогичные сдвиги в водном и солевом балансах.
Выходные данные
Выходные данные Saltmod даются для каждого сезона любого года в течение любого количества лет, как указано во входных данных. Выходные данные включают гидрологические аспекты и аспекты солености.
Данные хранятся в виде таблиц, которые можно просматривать напрямую или дополнительно анализировать с помощью программ для работы с электронными таблицами .
Поскольку засоленность почвы сильно варьируется от места к месту (рисунок слева), SaltMod включает частотные распределения в выходные данные. Рисунок сделан с помощью программы CumFreq [13] .
Программа предлагает возможность разработать множество взаимосвязей между различными входными данными, конечными выходными данными и временем.
Однако, поскольку невозможно предвидеть все возможные варианты использования, программа предлагает лишь ограниченное количество стандартной графики .
Программа предназначена для использования программ электронных таблиц для подробного анализа результатов, в котором отношения между различными входными и выходными переменными могут быть установлены в соответствии со сценарием, разработанным пользователем.
Хотя для вычислений требуется много итераций , все конечные результаты можно проверить вручную, используя уравнения, представленные в руководстве.