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.