SalzMod - SaltMod
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| Entwickler | Institut für Landgewinnung und -verbesserung (ILRI) |
|---|---|
| Geschrieben in | Delphi |
| Betriebssystem | Microsoft Windows |
| Verfügbar in | Englisch |
| Typ | Statistiksoftware |
| Lizenz | Proprietäre Freeware |
| Webseite | SalzMod |
SaltMod ist ein Computerprogramm zur Vorhersage des Salzgehalts von Bodenfeuchte , Grund- und Drainagewasser , der Tiefe des Grundwasserspiegels und des Drainageabflusses (Hydrologie) in bewässerten landwirtschaftlichen Flächen unter Verwendung unterschiedlicher (geo)hydrologischer Bedingungen, unterschiedlicher Wassermanagementoptionen , einschließlich der Verwendung von Grundwasser für die Bewässerung und mehrere Fruchtfolgepläne . Die Wasserwirtschaftsoptionen umfassen Bewässerung, Entwässerung und die Verwendung von unterirdischem Drainagewasser aus Rohrabläufen, Gräben oder Brunnen zur Bewässerung.
Modelle zum Salzgehalt des Bodens
Die Mehrzahl der Computermodelle für Wasser und Stofftransport im Boden (zB Swatre, DrainMod) an Richard basiert Differentialgleichung für die Bewegung von Wasser in ungesättigtem Boden in Kombination mit einer Differential Salinität Dispersionsgleichung . Die Modelle erfordern die Eingabe von Bodeneigenschaften wie der Beziehung zwischen ungesättigtem Bodenfeuchtigkeitsgehalt, Wasserspannung, hydraulischer Leitfähigkeit und Dispersivität.
Diese Beziehungen variieren stark von Ort zu Ort und sind nicht leicht zu messen. Die Modelle verwenden kurze Zeitschritte und benötigen mindestens eine tägliche Datenbank zu hydrologischen Phänomenen. Insgesamt macht dies die Musteranwendung bei einem größeren Projekt zur Aufgabe eines Spezialistenteams mit ausreichender Ausstattung.
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Vereinfachtes Salinitätsmodell: SaltMod
Literaturhinweise (chronologisch) zu Fallstudien nach 2000:
Ältere Anwendungsbeispiele finden Sie in:
- Salzgehalt im Nildelta
- Integration von Be- und Entwässerungsmanagement
Begründung
Es besteht ein Bedarf an einem Computerprogramm, das einfacher zu bedienen ist und eine einfachere Datenstruktur erfordert als die meisten derzeit verfügbaren Modelle. Daher wurde das SaltModod Programm eine relative Einfachheit der Bedienung unter Berücksichtigung der Verwendung von Feldtechniker, Ingenieure und Projektplaner statt Fach zu erleichtern Geo-Hydrologen .
Es zielt darauf ab, Eingabedaten zu verwenden, die allgemein verfügbar sind oder die mit angemessener Genauigkeit geschätzt oder relativ einfach gemessen werden können. Obwohl die Berechnungen numerisch erfolgen und viele Male wiederholt werden müssen, können die Endergebnisse anhand der Formeln im Handbuch von Hand überprüft werden .
Das Ziel von SaltMod ist es, die langfristige Hydro-Salinität in Bezug auf allgemeine Trends vorherzusagen , nicht zu genauen Vorhersagen zu kommen, wie beispielsweise die Situation am ersten April in zehn Jahren sein würde.
Darüber hinaus bietet SaltMod die Möglichkeit der Wiederverwendung von Drainage- und Brunnenwasser (z. B. zur Bewässerung) und kann die Reaktion der Landwirte auf Staunässe , Bodenversalzung , Wasserknappheit und Überpumpen aus dem Grundwasserleiter berücksichtigen . Außerdem bietet es die Möglichkeit, unterirdische Entwässerungssysteme in unterschiedlichen Tiefen und mit unterschiedlichem Fassungsvermögen zur Optimierung einzubringen . Weitere Funktionen von Saltmod finden Sie im nächsten Abschnitt.
Grundsätze
Saisonaler Ansatz
Die Berechnungsmethode Saltmod basiert auf saisonalen Wasserbilanzen landwirtschaftlicher Flächen. In einem Jahr lassen sich vier Jahreszeiten unterscheiden, zB Trocken-, Nass-, Kalt-, Heiß-, Bewässerungs- oder Brachezeiten . Die Anzahl der Jahreszeiten (Ns) kann zwischen mindestens einer und höchstens vier gewählt werden. Je größer die Anzahl der Jahreszeiten wird, desto größer ist die Anzahl der erforderlichen Eingabedaten. Die Dauer jeder Saison (Ts) wird in Monaten angegeben (0 < Ts < 12). Tägliche Wasserbilanzen werden aus mehreren Gründen nicht berücksichtigt:
- tägliche Eingaben würden viele Informationen erfordern, die möglicherweise nicht ohne weiteres verfügbar sind;
- Die Methode wurde speziell entwickelt, um langfristige und nicht tagesaktuelle Vorhersagen zu treffen. Trends und Vorhersagen für die Zukunft werden aufgrund der hohen Variabilität von saisonal (langfristig) zuverlässiger als täglich (kurzfristig) gemacht kurzfristige Daten;
- Auch wenn die Genauigkeit der Vorhersagen für die Zukunft noch nicht sehr hoch ist, ist viel gewonnen, wenn der Trend hinreichend klar ist; Beispielsweise muss es keine große Einschränkung darstellen, geeignete Maßnahmen zur Kontrolle des Salzgehalts des Bodens zu entwickeln , wenn ein bestimmter Salzgehalt, der von Saltmod nach 20 Jahren vorhergesagt wird, in der Realität nach 15 oder 25 Jahren eintreten wird.
Hydrologische Daten
Die Methode verwendet saisonale Wasserhaushaltskomponenten als Eingabedaten. Diese sind an der Oberfläche im Zusammenhang Hydrologie (wie Niederschlägen , Verdampfung , Bewässerung, Verwendung von Drain- und Quellwasser für die Bewässerung, Abfluss ) und der Aquifer Hydrologie (wie oben Versickerung, natürliche Entwässerung, aus Brunnen Pumpen). Die anderen Wasserhaushaltskomponenten (wie Versickerung nach unten , kapillarer Aufstieg nach oben , unterirdische Entwässerung ) werden als Output angegeben.
Die Menge des Dränwassers als Output wird bestimmt durch zwei Dränageintensitätsfaktoren für Dränage oberhalb bzw. , und die Höhe des Grundwasserspiegels, die sich aus der berechneten Wasserbilanz ergibt. Die Variation der Entwässerungsintensitätsfaktoren und des Entwässerungsreduktionsfaktors bietet die Möglichkeit, die Wirkung verschiedener Entwässerungsoptionen zu simulieren.
Agrardaten
Die Eingangsdaten auf Bewässerung , Verdunstung und Oberflächenabfluss pro angegeben werden Saison für drei Arten von landwirtschaftlichen Praktiken, die im Ermessen des Benutzers gewählt werden können:
- A: bewässertes Land mit Kulturen der Gruppe A
- B: bewässertes Land mit Kulturen der Gruppe B
- U: nicht bewässertes Land mit Regenfeldfrüchten oder Brachland
Die Gruppen, ausgedrückt in Bruchteilen der Gesamtfläche, können aus Kombinationen von Pflanzen oder nur aus einer einzigen Pflanzenart bestehen. Zum Beispiel kann man als A-Typ-Kulturen die leicht bewässerten Kulturen angeben und als B-Typ die stärker bewässerten Kulturen, wie Zuckerrohr und Reis . Aber man kann A auch als Reis und B als Zuckerrohr nehmen, oder vielleicht Bäume und Obstgärten . Die A-, B- und/oder U-Kulturen können in verschiedenen Jahreszeiten unterschiedlich geerntet werden , zB A= Weizen + Gerste im Winter und A= Mais im Sommer, B= Gemüse im Winter und B= Baumwolle im Sommer.
Unbewässertes Land kann auf zwei Arten angegeben werden: (1) als U=1−A−B und (2) als A und/oder B ohne Bewässerung. Auch eine Kombination ist möglich.
Weiterhin ist die jahreszeitliche Rotation der verschiedenen Landnutzungen über die Gesamtfläche anzugeben, zB volle Rotation, keine Rotation oder unvollständige Rotation. Dies geschieht mit einem Rotationsindex. Die Rotationen erfolgen über die Jahreszeiten innerhalb des Jahres. Um Rotationen über die Jahre zu erhalten, ist es ratsam, jährliche Input-Änderungen einzuführen.
Wenn sich eine Fraktion A1, B1 und/oder U1 in der ersten Saison von den Fraktionen A2, B2 und/oder U2 in der zweiten Saison unterscheidet, erkennt das Programm aufgrund der unterschiedlichen Bewässerungsregime in den Saisons, dass eine bestimmte Rotation stattfindet. Will man dies vermeiden, kann man in allen Jahreszeiten die gleichen Fraktionen vorgeben (A2=A1, B2=B1, U2=U1), aber die Ernte- und Bewässerungsmengen müssen gegebenenfalls proportional angepasst werden.
Die Fruchtfolgepläne variieren stark in verschiedenen Teilen der Welt. Kreative Kombinationen von Flächenanteilen, Rotationsindizes, Bewässerungsmengen und jährlichen Inputänderungen können viele Arten von landwirtschaftlichen Praktiken berücksichtigen. Die Variation der Flächenanteile und/oder des Rotationsplans bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen unterschiedlicher landwirtschaftlicher Praktiken auf den Wasser- und Salzhaushalt zu simulieren.
Bodenschichten
Saltmod akzeptiert vier verschiedene Reservoirs, von denen sich drei im Bodenprofil befinden:
- ein Oberflächenreservoir
- ein oberes (flaches) Bodenreservoir oder eine Wurzelzone
- ein Zwischenbodenreservoir oder eine Übergangszone
- ein tiefes Reservoir oder ein Grundwasserleiter .
Das obere Bodenreservoir wird durch die Bodentiefe definiert, aus der Wasser verdunsten oder von Pflanzenwurzeln aufgenommen werden kann. Sie kann der Rootzone entsprechen.
Die Wurzelzone kann je nach Wasserhaushalt gesättigt, ungesättigt oder teilgesättigt sein . Alle Wasserbewegungen in dieser Zone sind vertikal, entweder nach oben oder nach unten, je nach Wasserhaushalt. (In einer zukünftigen Version von Saltmod kann das obere Bodenreservoir in zwei gleiche Teile geteilt werden, um den Trend in der vertikalen Salzverteilung zu erkennen.)
Die Übergangszone kann auch gesättigt, ungesättigt oder teilweise gesättigt sein. Alle Strömungen in dieser Zone sind vertikal, mit Ausnahme der Strömung zu unterirdischen Abflüssen.
Falls eine horizontale unterirdische Entwässerung vorhanden ist, muss diese in die Übergangszone gelegt werden, die dann in zwei Teile geteilt wird: eine obere Übergangszone (oberhalb der Abflussebene) und eine untere Übergangszone (unterhalb der Abflussebene).
Will man bei fehlendem unterirdischen Entwässerungssystem einen oberen und unteren Teil der Übergangszone unterscheiden, kann man in den Eingabedaten ein Entwässerungssystem mit Nullintensität angeben.
Der Grundwasserleiter hat hauptsächlich eine horizontale Strömung. Pumpbrunnen, falls vorhanden, beziehen ihr Wasser nur aus dem Grundwasserleiter.
Wasserbilanzen
Die Wasserbilanzen werden für jedes Reservoir separat berechnet, wie im Artikel Hydrologie (Landwirtschaft) dargestellt . Das überschüssige Wasser, das ein Reservoir verlässt, wird in Zulaufwasser für das nächste Reservoir umgewandelt.
Den drei Bodenspeichern können unterschiedliche Mächtigkeiten und Speicherkoeffizienten zugeordnet werden, die als Eingangsdaten anzugeben sind.
In einer besonderen Situation muss die Übergangszone oder der Grundwasserleiter nicht vorhanden sein. Dann muss es eine Mindestdicke von 0,1 m aufweisen.
Die aus den Wasserbilanzen berechnete Tiefe des Grundwasserspiegels wird für das gesamte Gebiet als gleich angenommen. Ist diese Annahme nicht akzeptabel, muss die Fläche in separate Einheiten aufgeteilt werden.
Unter bestimmten Bedingungen beeinflusst die Höhe des Grundwasserspiegels die Komponenten des Wasserhaushalts. Zum Beispiel kann ein Anstieg des Wasserspiegels in Richtung der Bodenoberfläche kann zu einer Erhöhung des Bleis Verdampfung , Oberflächenabfluss und unterirdischen Entwässerung, oder eine Abnahme der Perkolation Verluste von den Kanälen. Dies wiederum führt zu einer Veränderung des Wasserhaushalts, was wiederum Einfluss auf die Höhe des Grundwasserspiegels usw. hat.
Diese Reaktionskette ist einer der Gründe, warum Saltmod zu einem Computerprogramm weiterentwickelt wurde. Um das richtige Gleichgewicht des Wasserhaushalts zu finden, bedarf es einer Reihe von wiederholten Berechnungen ( Iterationen ), was bei Handarbeit mühsam wäre. Andere Gründe sind, dass ein Computerprogramm die Berechnungen für verschiedene wasserwirtschaftliche Optionen über lange Zeiträume (mit dem Ziel der Simulation ihrer Langzeitwirkungen) und für Versuchsläufe mit variierenden Parametern ermöglicht.
Abflüsse, Brunnen und Wiederverwendung
Die unterirdische Entwässerung kann durch Drainagen oder Pumpbrunnen erfolgen .
Die unterirdischen Abflüsse werden durch Abflusstiefe und Abflusskapazitätsfaktor charakterisiert . Die Abflüsse befinden sich in der Übergangszone. Die Untergrundentwässerung kann auf natürliche oder künstliche Entwässerungssysteme angewendet werden. Die Funktion eines künstlichen Entwässerungssystems kann durch einen Entwässerungssteuerfaktor reguliert werden .
Wenn kein Entwässerungssystem vorhanden ist, bietet die Installation von Entwässerungen mit Nullkapazität die Möglichkeit, getrennte Wasser- und Salzbilanzen für einen oberen und unteren Teil der Übergangszone zu erhalten.
Die Pumpbrunnen befinden sich im Grundwasserleiter. Ihre Funktionsweise ist durch die Brunnenentladung gekennzeichnet.
Das Abfluss- und Brunnenwasser kann durch einen Wiederverwendungsfaktor zur Bewässerung verwendet werden . Dies kann den Salzhaushalt und die Bewässerungseffizienz oder -ausreichend beeinträchtigen.
Salzbilanzen
Die Salzbilanzen werden für jedes Reservoir separat berechnet. Sie basieren auf ihren Wasserbilanzen unter Verwendung der Salzkonzentrationen des ein- und ausgehenden Wassers. Einige Konzentrationen müssen als Eingangsdaten angegeben werden, wie die anfänglichen Salzkonzentrationen des Wassers in den verschiedenen Bodenreservoirs, des Bewässerungswassers und des einlaufenden Grundwassers im Grundwasserleiter.
Die Konzentrationen werden als elektrische Leitfähigkeit (EC in dS/m) angegeben. Bei bekannter Konzentration in g Salz/l Wasser gilt die Faustregel: 1 g/l -> 1,7 dS/m. Üblicherweise werden Salzkonzentrationen des Bodens in ECe ausgedrückt, der elektrischen Leitfähigkeit eines Extrakts eines gesättigten Bodenleims (Sättigungsextrakt). In Saltmod wird die Salzkonzentration als EC der Bodenfeuchtigkeit bei Sättigung unter Feldbedingungen ausgedrückt. In der Regel kann man die Umrechnungsrate EC : ECe = 2 : 1 verwenden.
Salzkonzentrationen des abfließenden Wassers (entweder von einem Reservoir in das andere oder durch unterirdische Entwässerung) werden auf der Grundlage von Salzbilanzen mit verschiedenen Auswaschungen oder Salzen berechnet Mischungseffizienzen , die mit den Eingabedaten angegeben werden sollen. Die Auswirkungen unterschiedlicher Auslaugwirkungsgrade können durch Variation ihres Eingangswertes simuliert werden.
Wird Drän- oder Brunnenwasser zur Bewässerung verwendet, berechnet das Verfahren die Salzkonzentration des Misch-Gießwassers im Laufe der Zeit und die anschließende Wirkung auf den Boden- und Grundwassersalzgehalt, was wiederum die Salzkonzentration von Drän- und Brunnen beeinflusst Wasser. Durch Variation des Anteils des verbrauchten Drän- oder Brunnenwassers (in den Eingabedaten anzugeben) kann die Langzeitwirkung verschiedener Fraktionen simuliert werden.
Die Auflösung fester Bodenmineralien oder die chemische Fällung schwerlöslicher Salze wird in der Berechnungsmethode nicht berücksichtigt, kann aber teilweise durch die Eingabedaten berücksichtigt werden, z das einströmende Wasser im Grundwasserleiter.
Antworten der Landwirte
Bei Bedarf können die Reaktionen der Landwirte auf Staunässe und Bodenversalzung automatisch berücksichtigt werden. Die Methode kann allmählich abnehmen:
- die Menge an Bewässerungswasser, die angewendet wird, wenn der Grundwasserspiegel flacher wird;
- der Anteil bewässerter Flächen, wenn das verfügbare Bewässerungswasser knapp ist;
- der Anteil an bewässertem Land, wenn der Salzgehalt des Bodens zunimmt; dazu wird der Salzgehalt stochastisch interpretiert.
Die Reaktion (1) ist für gedünsteten (untergetauchten) Reis (Paddy) und „Trockenfuß“ -Kulturen unterschiedlich .
Die Reaktionen beeinflussen den Wasser- und Salzhaushalt, was wiederum den Prozess der Staunässe und Versalzung verlangsamt. Letztlich stellt sich eine Gleichgewichtssituation ein.
Der Benutzer kann auch die Antworten der Landwirte eingeben, indem er die relevanten Eingabedaten manuell ändert. Vielleicht ist es nützlich, zuerst die automatischen Reaktionen der Landwirte und ihre Wirkung zu untersuchen und danach zu entscheiden, wie die Reaktionen der Landwirte aus der Sicht des Benutzers sein werden.
Die Reaktionen beeinflussen den Wasser- und Salzhaushalt , was wiederum den Prozess der Staunässe und Versalzung verlangsamt. Letztlich stellt sich eine Gleichgewichtssituation ein .
Der Benutzer kann auch die Antworten der Landwirte eingeben, indem er die relevanten Eingabedaten manuell ändert. Vielleicht ist es nützlich, zuerst die automatischen Reaktionen der Landwirte und ihre Wirkung zu untersuchen und danach zu entscheiden, wie die Reaktionen der Landwirte aus der Sicht des Benutzers sein werden.
Jährliche Eingabeänderungen
Das Programm kann mit festen Eingabedaten für die vom Benutzer festgelegte Anzahl von Jahren laufen. Diese Option kann verwendet werden, um zukünftige Entwicklungen basierend auf langjährigen durchschnittlichen Eingabewerten, zB Niederschlag, vorherzusagen, da es schwierig sein wird, die zukünftigen Werte der Eingabedaten Jahr für Jahr abzuschätzen. Das Programm bietet auch die Möglichkeit, historische Aufzeichnungen mit jährlich wechselnden Eingabewerten (zB Niederschlag, Bewässerung, landwirtschaftliche Praktiken) zu verfolgen, die Berechnungen müssen Jahr für Jahr durchgeführt werden. Wird diese Möglichkeit gewählt, erstellt das Programm Transferdateien, bei denen die Endbedingungen des Vorjahres (zB Grundwasserstand und Salzgehalt) automatisch als Ausgangsbedingungen für die Folgeperiode verwendet werden. Diese Einrichtung ermöglicht es, verschiedene generierte Niederschlagssequenzen, die zufällig aus einer bekannten Niederschlagswahrscheinlichkeitsverteilung gezogen werden, zu verwenden und eine stochastische Vorhersage der resultierenden Ausgabeparameter zu erhalten.
Werden die Berechnungen mit jährlichen Veränderungen durchgeführt, können nicht alle Eingangsparameter, insbesondere die Mächtigkeit der Bodenspeicher und deren Gesamtporositäten, verändert werden, da dies zu unlogischen Verschiebungen der Wasser- und Salzbilanzen führen würde.
Ausgabedaten
Die Ausgabe von Saltmod wird für jede Jahreszeit eines beliebigen Jahres während einer beliebigen Anzahl von Jahren angegeben, wie mit den Eingabedaten angegeben. Die Ausgabedaten umfassen hydrologische und Salzgehaltsaspekte.
Die Daten werden in Form von Tabellen abgelegt, die direkt eingesehen oder mit Tabellenkalkulationsprogrammen weiter analysiert werden können .
Da der Salzgehalt des Bodens von Ort zu Ort sehr unterschiedlich ist (Abbildung links), bezieht SaltMod Häufigkeitsverteilungen in die Ausgabe ein. Die Abbildung wurde mit dem CumFreq-Programm [13] erstellt .
Das Programm bietet die Möglichkeit, eine Vielzahl von Beziehungen zwischen unterschiedlichen Eingabedaten, resultierenden Ausgaben und Zeit zu entwickeln.
Da es jedoch nicht möglich ist , alle unterschiedlichen Nutzungen voraussehen , die gemacht werden können, die das Programm bietet nur eine begrenzte Anzahl von Standard Grafiken .
Das Programm ist so konzipiert, dass es für die detaillierte Output-Analyse Tabellenkalkulationsprogramme nutzt, in denen die Beziehungen zwischen verschiedenen Input- und Output-Variablen nach dem vom Benutzer entwickelten Szenario hergestellt werden können.
Obwohl die Berechnungen viele Iterationen erfordern , können alle Endergebnisse mit den im Handbuch vorgestellten Gleichungen von Hand überprüft werden .