Τροποποίηση του μοντέλου Gleams V30 για την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού και αζώτου σε ορυζώνες
Creators: name: Ασχονίτης, Βασίλειος Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Μοντέλο Gleams
Ορυζώνες
Ισοζύγιο νερού
Ισοζύγιο αζώτου
Νιτρικά
Αρδεύσεις
Gleams model
Paddy-rice fields
Water balance
Nitrogen balance
Nitrates
Irrigation

description: Για την άρδευση των ορυζώνων εφαρμόζεται η μέθοδος της κατάκλυσης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη κατανάλωση νερού και τις αυξημένες απώλειες αζώτου προς τους υδάτινους επιφανειακούς αποδέκτες. Το γεγονός αυτό καθιστά αναγκαία την άμεση εφαρμογή πρακτικών βέλτιστης διαχείρισης (Best Management Practices – BMPs) του αρδευτικού νερού και της αζωτούχου λίπανσης στα συστήματα των ορυζώνων. Για την εφαρμογή τους, είναι απαραίτητο να διερευνηθούν οι παράμετροι που διέπουν τα συστήματά τους σε συνδυασμό με την εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων για την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν τις συνιστώσες του ισοζυγίου του νερού και του αζώτου. Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή ενός μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή του ισοζυγίου νερού και αζώτου τόσο στο νερό κατάκλυσης όσο και στο έδαφος των ορυζώνων που βρίσκονται σε περιοχές της Ελλάδας με υψηλή υπόγεια στάθμη. Η ανάπτυξη του μοντέλου επιτεύχθηκε μέσω της τροποποίησης των υπομοντέλων νερού και χημικών ουσιών του μοντέλου GLEAMS V3.0, το οποίο εξειδικεύτηκε στην καλλιέργεια του ρυζιού και μετονομάστηκε σε GLEAMS-PR. Οι τροποποιήσεις στο υπομοντέλο νερού περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου νερού στη λεκάνη κατάκλυσης και στο έδαφος των ορυζώνων, λαμβάνοντας υπόψη τη διαφοροποίηση των υδραυλικών παραμέτρων και της εξατμισοδιαπνοής σε συνθήκες κατακλυσμένου εδάφους. Η επιφανειακή απορροή και το μέγιστο ύψος του νερού κατάκλυσης εξαρτώνται από το ύψος του αναχώματος. Η εξατμισοδιαπνοή εκτιμάται λαμβάνοντας υπόψη ότι η εξάτμιση συμβαίνει είτε από το έδαφος είτε από το νερό κατάκλυσης, ανάλογα με το αν το έδαφος είναι κατακλυσμένο. Η εδαφική υγρασία υπολογίζεται με βάση τις υδραυλικές ιδιότητες του διογκωμένου εδάφους (λάσπη) όταν βρίσκεται υπό κατάκλυση. Οι τροποποιήσεις του υπομοντέλου χημικών ουσιών περιλαμβάνουν την εκτίμηση του ισοζυγίου αζώτου και ενέργειας στο νερό κατάκλυσης. Για τη βέλτιστη περιγραφή του ισοζυγίου αζώτου του νερού κατάκλυσης ενσωματώθηκε και η πρόσληψη αζώτου από τα φύκη. Το ισοζύγιο ενέργειας χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της θερμοκρασίας του νερού κατάκλυσης. Η υπορουτίνα υπολογισμού της θερμοκρασίας του εδάφους στο υπομοντελο χημικών ουσιών, τροποποιήθηκε έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία του νερού κατάκλυσης με σκοπό τη βελτίωση της εκτίμησης των μετασχηματισμών του αζώτου στο έδαφος. Για τον έλεγχο του μετασχηματισμού της νιτροποίησης, το εδαφικό προφίλ χωρίστηκε σε δύο ζώνες, μια επιφανειακή ζώνη οξείδωσης και μια υποκείμενη ζώνη, στην οποία επικρατούν ανοξικές συνθήκες. Για τη ρύθμιση και επιβεβαίωση του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε δύο πειραματικούς ορυζώνες (Α και Β) στην περιοχή της Σίνδου-Θεσσαλονίκης για ένα έτος (2005). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν ανά τακτά χρονικά διαστήματα και αφορούν την εισροή νερού με την άρδευση, την εκροή νερού με την επιφανειακή απορροή, τις υδραυλικές παραμέτρους του εδάφους, την εισροή αζώτου με τη λίπανση και την άρδευση, το ολικό περιεχόμενο άζωτο της φυτομάζας, τις συγκεντρώσεις ολικού ανόργανου αζώτου (νιτρικό+αμμωνιακό) στο αρδευτικό νερό, στο νερό επιφανειακής απορροής και στο έδαφος καθώς και τα ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα από παρακείμενο στους αγρούς σταθμό. Η διαχείριση των δύο πειραματικών αγρών έγινε με διαφορετικό τρόπο (π.χ. στον αγρό Α εφαρμόστηκε η κοινή πρακτική διαχείρισης που εφαρμόζεται στην περιοχή ενώ στον αγρό Β εφαρμόστηκε μικρότερη ποσότητα αρδευτικού και διαφορετική λίπανση) με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν την πρακτική διαχείρισης που εφαρμόζεται στην περιοχή. Το μοντέλο ρυθμίστηκε με τα δεδομένα του αγρού Α και επιβεβαιώθηκε με τα δεδομένα του αγρού Β. Η διάρκεια της προσομοίωσης ήταν από τον Μάιο μέχρι τον Οκτώβριο του έτους 2005. Από τη σύγκριση μετρημένων και υπολογισμένων τιμών των διαφόρων συνιστωσών του ισοζυγίου νερού και αζώτου προέκυψε ικανοποιητική ακρίβεια. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το μοντέλο GLEAMS-PR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη των εκροών αζώτου από τα συστήματα των ορυζώνων, δίνοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης σεναρίων βέλτιστης διαχείρισης (BMPs) του αρδευτικού νερού και της αζωτούχου λίπανσης. Από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων και των αποτελεσμάτων του μοντέλου προέκυψε ότι στην περιοχή μελέτης γίνεται υπερβολική κατανάλωση νερού, η οποία έχει ως συνέπεια τις αυξημένες απώλειες νερού και αζώτου. Όσον αφορά τις απώλειες νερού, προέκυψε ότι η εξατμισοδιαπνοή και η βαθιά διήθηση είναι σχετικά απαραίτητες για την εξασφάλιση της ανάπτυξης των φυτών και της έκπλυσης αλάτων από το ριζόστρωμα, ενώ η επιφανειακή απορροή είναι ανεπιθύμητη. Όσον αφορά το ισοζύγιο αζώτου, προέκυψε ότι οι απώλειες του οφείλονται κυρίως στο νιτρικό άζωτο λόγω της έντονης αύξησης του ρυθμού απονιτροποίησης κάτω από αναερόβιες συνθήκες και της εντονότερης έκπλυσής του επειδή δεν προσροφάται στα τεμαχίδια της αργίλου όπως το αμμωνιακό άζωτο.
description: The submergence irrigation method results in excessive water use and high nutrient losses to surface waters in paddy-rice fields. This situation necessitates the direct application of best irrigation water and nitrogen management practices (BMPs). Their implementation requires the use of mathematical models in order to investigate the components that concern the rice-fields’ water and nitrogen balance. The objective of this study was to develop and use a mathematical model for the simulation of water and nitrogen balance both in the ponding water and the soil of the lowland paddy-rice fields under Greek conditions. The development of the model was achieved by modifying the hydrological and chemical sub-models of the GLEAMS V3.0 model into a new model called GLEAMS-PR specialized in paddy-rice. The modifications in the hydrological sub-model include the evaluation of the water balance in the ponded water and the diversification of the soil hydraulic parameters and evapotranspiration under ponded conditions. The ponded depth routing method was used to handle ponded water conditions of rice-fields. Evapotranspiration was evaluated taking into account the evaporation either from the soil or the ponded water and soil water content accounted for the tumescent soil porous media (mud) under ponded conditions. The modifications in the chemical sub-model included the evaluation of nitrogen and energy balance in the ponded water. For the best assessment of nitrogen balance in the ponded water, an algae growth subroutine was incorporated. The energy balance was used to assess the ponded water temperature. Soil temperature subroutine in the chemical sub-model was modified by taking into account the ponded water temperature, so as to improve model’s evaluation of the soil nitrogen transformations. In order to control nitrification, the soil profile in the root zone was divided into oxidized and reduced zones. For the calibration and evaluation of the model, experimental measurements were performed in two experimental rice-fields (A and B) in Sindos region, at Thessaloniki plain in northern Greece for one year (2005). Field data includes meteorological data, irrigation water input, surface runoff water, soil hydraulic parameters, fertilization, total nitrogen concentration of dry plant biomass, concentrations of total mineral nitrogen (T-N) (nitrate+ammonia nitrogen) in irrigation and rain water, surface runoff water and soil. The experimental fields were managed in a different way (e.g. field A was freely managed by the farmer representing a typical field in which the common practice of the region is applied, while in field B less irrigation water and different fertilizers were applied) in order to draw conclusions about the common practice in the rice-fields of the study area. The model was calibrated and evaluated by comparing simulation results with measured data of the field A and B, respectively. The simulation period lasted from May to October of the year 2005 and the comparisons of simulation results with measured data exhibited reasonably good agreement. Hence, the GLEAMS-PR model can be used to predict nutrient loadings from paddy fields and to develop BMPs in paddy-rice cultivation, aiming to reduce surface water pollution from paddy field drainage water. From the analysis and elaboration of the model’s results and the measured data, resulted that there is an excessive use of irrigation water, which causes high water and nitrogen losses from the rice-fields of the study area. Regarding water balance under ponding conditions, resulted high loses due to evapotranspiration, surface runoff and deep percolation. Evapotranspiration and deep percolation losses are relatively necessary so as to ensure plants growth and salt leaching, respectively, while surface runoff is undesirable. Regarding nitrogen balance under ponding conditions, resulted that nitrate-nitrogen is more susceptible to loses than ammonia form due to denitrification, which is higher under anaerobic conditions and due to leaching because nitrate is not absorbed as the ammonia form by the clay particles.