Modeling solute transport in sub-surface drained soil-aquifer system of irrigated lands

A two-dimensional finite element model of solute transport in a tile — drained soil — aquifer system has been applied to study the effects of the depth of impervious layer and quality of irrigation water on salt distribution during drainage of an initially highly saline soil. The model assumes steady state water movement through partially saturated soil and to drains in the saturated zone. The exact in time numerical solution yields explicit expressions for concentration field at any future time without having to compute concentrations at intermediate times. The model facilitates predictions of long-term effects of different irrigation and drainage practices on concentration of drainage effluent and salt distribution in the soil and groundwater. The model results indicated that the depth of impervious layer from drain level, d_I, does not significantly influence the salt distribution in the surface 1 m root zone of different drain spacings (drain spacing (2S)=25, 50, 75 m; drain depth (d_d)=1.8 m), its effect in the aquifer becomes dominant as drain spacing increases. It was also observed that d_I significantly governs the quality of drainage effluent. The salinity of drainage water increases with increasing d_I in all drain spacings and this effect magnifies with time. The model was also applied to study the effects of salinity of irrigation water in four drain spacing-drain depth combinations: (2S=48 m, d_d=1.0 m; 2S=67 m, d_d=1.5 m; 2S=77 m, d_d=2.0 m; 2S=85 m, d_d=2.5 m). The results indicated that a favorable salt balance can be maintained in the root zone even while irrigating with water up to 5 dS/m salinity in drains installed at 48 to 67 m spacing and 1.0 to 1.5 m depth. Further, irrespective of the quality of irrigation water, the deep, widely spaced drains (d_d=2.5 m, 2S=85 m) produced much saline drainage effluent during the initial few years of operation of the drainage system than the more shallow, closely spaced drains, thus posing a more serious effluent disposal problem.

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Résumé Considérant les conséquences potentiellement sérieuses de la pollution du sol et de l'eau souterraine dans l'agriculture irriguée, il est devenu absolument nécessaire de développer des modèles de simulation en vue d'évaluer les effects à long terme des méthodes agricoles modernes. Un modèle d'éléments finis à deux dimensions du transport en solution dans un système de sol aquifère drainé au moyen de tuyaux a été développé et validé sur le terrain (Kamra et al. 1991 a, b). Le modèle assume le mouvement de l'eau à régime constant à travers un sol partiellement saturé et jusqu'aux drains dans la zone saturée. La solution numérique exacte dans le temps produit des expressions explicites pour le champ de concentration à un temps future quelconque sans avoir à calculer les concentrations aux temps intermédiares. Le modèle facilite les prédictions des effets à long terme des diverses méthodes d'irrigation et de drainage sur la concentration des effluents de drainage et sur la distribution de la salinité dans le sol et dans l'eau souterraine. Les résultats du modèle relatifs aux effets de la profondeur de la couche imperméable et de la qualité de l'eau d'irrigation sur la distribution de la salinité lors du drainage d'un sol fortement salé à l'origine sont mentionnés dans la présente communication.Les résultats du modéle ont indiqué que la profondeur de la couche imperméable depuis le niveau du drain, d_I, n'influence pas d'une façon significative la distribution de la salinité dans la zone superficielle radiculaire de 1 m des divers écartements de drains (écartement de drains, 2S=25, 50, 75 m; profondeur des drains, d_d=1.8 m); son effet dans l'aquifère devient dominant à mesure que l'écartement de drains augmente. On a aussi constaté que le niveau du drain d_I influence d'une manière significative les effluents du drainage. La salinité de l'eau de drainage augmente à mesure que d_I augmente dans tous les écartements de drains et cet effet s'amplifie avec le temps. Le modèle a été aussi appliqué pour étudier les effets de la salinité de l'eau d'irrigation dans le cas de quatre conbinaisons d'écartement de drain et de profondeur de drain: (2S=48 m, d_d=1,0 m; 2S=67 m, d_d=1,5 m; 2S=77 m, d_d=2,0 m; 2S=85 m, d_d=2,5 m). Les résultats ont indiqué qu'un bilan de salinité favorable peut être maintenu dans la zone radiculaire même en irrigant avec de l'eau d'une salinité de 5 dS/m dans des drains installés à un écartement de 48 à 67 m et une profondeur de 1,0 à 1,5 m. De plus, indépendamment de la qualité de l'eau d'irrigation les drains profonds à grand écartement (d_d=2,5 m, 2S=85 m) produisaient une grande quantité d'effluents salés de drainage durant les quelques premières années de l'exploitation du système de drainage par rapport aux drains peu profonds à écartement serré, posant ainsi un problème plus sérieux d'évacuation des effluents.Les résultats du développement et de l'évaluation du modèle on montré qu'il peut être utilement employé en vue d'une évaluation judicieuse de la variation de temps escomptée dans la salinité des effluents de drainage lors de la mise en valeur des sols salins et peut ainsi aider à formuler son règlement plus sûr du point de vue environnement et les projects d'évacuation.

     

Modeling flow and transport in heterogeneous,dual-porosity drained soils

A finite element solution of the equations for coupled flow of water and transport of chemicals in slowly permeable soils containing macropores is presented. Two example solutions are presented for the condition of a horizontal soil profile with a drainage ditch. The first is for steady state saturated flow while the second is for transient water flow produced by time varying rainfall. Through these examples it is found that the characteristic leaching time of a chemical from the soil matrix is determined by the rate of transfer of chemical mass between the pore domains. When the rate of transfer is zero, the rate of leaching is greatly retarded compared to the case where the rate of transfer is nonzero. The chemical outflow from the macropore domain is very rapid when the rate of transfer is zero, while the chemical outflow is greatly delayed, but increased in magnitude when the rate of chemical transfer is nonzero.

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Résumé Une solution par éléments finis des équations régissant lécoulement de l'eau et son influence sur le transport des composés chimiques à l'intérieur de sols à perméabilité lente contenant des macropores est présentée.Deux solutions sont citées en exemple, traitant le cas d'un sol sans pente avec un fossé d'évacuation.La première solution est pour un écoulement saturé en régime permanent alors que la seconde traite de l'écoulement variable résultant de pluies d'intensités changeantes.Ces exemples ont permis de déterminer que le temps caractéristique nécessaire à la désorption d'un composé chimique donné de la matrice du sol est fonction du taux de transfert de ce composé entre les domaines de macropores.Lorsque le taux de transfert est nul, le taux de désorption est considérablement ralenti par rapport aux cas où le taux de transfert n'est pas nul.Le composé chimique s'évacue très rapidement des domaines des macropores lorsque le taux de transfert est nul, alors que l'évacuation est considérablement retardée mais beaucoup plus volumineuse lorsque le taux de transfert du composé chimique n'est pas nul.

     

Modernization of furrow irrigation in the South-East of France automation at field level and its implications

Surface irrigation rehabilitation in the South-East of France has shown success ever since the beginning of its development in the early 1980s. The gradual introduction of surface distributors, mechanized or automated has resulted in water savings and above all in decreased labor input. The distributors used are: gated pipes, layflat tubing, buried low pressure pipe and cablegation. They are used over an ever increasing area which attained about 1000 ha in 1987.Improvement is made in furrow head distribution as well as in field levelling, furrow flow evaluation, flow control at the head of the furrow and in the collective system.The effect of a modernized system and improved knowledge has been to make automated surface irrigation (particularly furrow irrigation) a modern application method in competition with techniques such as sprinklers and localized irrigation.Abbreviations ASAE American Society of Agricultural Engineers - CEMAGREF Centre d'Etude du Machinisme Agricole du Génie Rural des Eaux et des Forêts, Division Irrigation, BP 5095, 34033 Montpellier et BP 31 Le Tholonet 13612 AIX - ENGREF Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts, Département Maîtrise de l'Eau et Développement, BP 5093, 34033 Montpellier - IRAT Institute de Recherche en Agronomie Tropicale, Zolad Mini Parc Bt7, 34100 Montpellier - P.V.C. Polyvinyl chloride - RNEDHA Réseau National Expérimentation Démonstration secteur Hydraulique Agricole, BP 5095, 34033 Montpellier - SCP Société du Canal de Provence et d'Aménagement de la Région Provençale, BP 100, 13603 AIX en Provence     

Regulation of irrigation canals

This article suggests and defines a characterisation of irrigation canal regulation methods, based on four criteria: considered variables (controlled, measured, and control action variables), logic of control, design method (structure and technique) and field implementation (configuration and device). Depending on the chosen criterion and partition rule, different classifications can be built from this characterisation. In conclusion, a structured characterisation table of the main published canal regulation methods is presented.Abbreviations ASCE American Society of Civil Engineers - CACG Compagnie d'Aménagement des Coteaux de Gascogne - CARA Compagnie d'Aménagement Rural d'Aquitaine - CARDD Canal Automation for Rapid Demand Deliveries - CEMAGREF Centre National du Machinisme Agricole, du Génie Rural, des Eaux et des Forêts - CNABRL Compagnie Nationale d'Aménagement du Bas — Rhône Languedoc - ELFLO Electronic Filter and Level Offset - FB Feedback or closed — loop control - FB _dn Feedback or closed-loop downstream control - FB _mi Feedback or closed-loop mixed control - FB _up Feedback or closed-loop upstream control - FF Feedforward or open-loop control - GPC Generalised Predictive Control - LQR Linear Quadratic Regulator - MIMO Multiple Inputs, Multiple Outputs - nI mO n Inputs, m Outputs - P Perturbation - P Estimation of perturbations - PID Proportional, Integral, Derivative Controller - PIR Contrôleur Proportionnel, Intégral, Retard (PI Delay controller) - Q Discharge in the canal - Q _dn Downstream discharge in the canal - Q _in Intermediate discharge in the canal - Q _up Upstream discharge in the canal - SCP Société du Canal de Provence - SISO Single Input, Single Output - U Control action variable - V Volume in a canal pool - V Elementary control action variable - w Regulator gate opening - Y Controlled variable - Y _c Target controlled variable - y Water elevation - y _dn Downstream water elevation of the pool (therefore upstream of a regulator) - y _in Intermediate water elevation in the pool - y _up Upstream water elevation of the pool (therefore downstream of a regulator) - Z Measured variable