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Numerical and experimental analyses of subsurface flow and salt transport in fields irrigated with reused drainage waters: application to Nile Delta Region, Egypt
Sabri, Dahlia
Egypt faces increasing water demand, brought on by a rapidly growing population, increasing urbanisation, higher living standards, expansion and intensification of irrigation based on agricultural policies. The country expects to experience water stress. Thus, water reuse is widely spreading in Egypt to overcome the limited water resources. Climate change and sea-level rise added to the stress factors. The Government has developed a national policy for drainage water reuse to raise the Nile water use efficiency and therefore increase the water supply available for the planned expansion of cultivated land. Water reuse is considered an effective practice for water resource augmentation in Egypt. However, the continuous use of reuse water has raised severe concerns about groundwater quality (especially salinity), increasing salt accumulation in the root zone, and waterlogging, hindering plant growth, especially during germination. This thesis aimed at experimental and numerical simulation of the soil-water-plant system under the influence of different irrigation water salinities in a study area located in the middle of the Nile Delta, Egypt, to achieve the following:
• Obtain an in-depth understanding of water reuse practices for irrigation,
• Analyse the quality of reused water before and after irrigation water application in the study area,
• Simulate water quality parameters to assess the impact of water reuse on unsaturated zone soil salinity and groundwater quality,
• Simulate scenarios aimed to improve the effects of water reuse in the study area, and finally,
• Develop suggestions and recommendations for advanced and impact-aware strategies of drainage water reuse management.
HYDRUS-2D was used to describe soil water movement and solute transport during the whole cropping season. Soil moisture and soil salinity distribution of four wheat fields in the study area were investigated. The first field (F1) and the second field (F2) were irrigated with fresh canal water, whereas for F1, no tile drainage was installed, while tile drainage pipes drained F2. The third field (F3) and fourth field (F4) were irrigated with mixed water from the irrigation canal and the surface drain where in F3, tile drainage pipes were installed, and tile drainage pipes were missing in F4. Groundwater monitoring wells were installed to monitor the relatively shallow groundwater levels and determine groundwater salinity.
The amount of applied irrigation water to the fields during irrigation events was determined. Five soil pits were constructed in each area for soil sampling. Soil moisture content, soil water pressure head, and soil salinity were determined at different depths in each field. Model calibration and validation were performed using soil moisture content and soil water pressure head.
Meteorological data for the study area were collected to calculate the potential evapotranspiration (ETo). It was calculated using the Penman-Monteith method according to the FAO-56 standards for crops. According to HYDRUS-2D, ETo should be separated into soil evaporation (E) and plant transpiration (T). Kc values were obtained using the so-called “dual approach”. Basal crop (Kcb) and soil evaporation (Ke) coefficients were also calculated.
The van Genuchten-Mualem hydraulic model was used during the simulation. The van Genuchten-Mualem parameters were estimated based on field measurements of soil water content and matric potentials. The model used the obtained parameters to investigate the impact of irrigation with reused water on soil and groundwater. Two scenarios with different fresh water-reuse water mixing ratios and crop water requirements were simulated in fields irrigated with reused drainage waters. The current study considered two scenarios to simulate the effect of water reuse on irrigation. The first scenario assumed the mixing ratio between fresh and drainage water to be 1:3 instead of 1:1. This scenario was proposed since water shortage is becoming very pronounceable in the Egyptian water sector. The second scenario presumed that there would be an increase in temperature until 2025 due to climate change. HYDRUS-2D was run for F3 and F4 in both scenarios, where the reuse water was separately applied.
Generally, simulations using HYDRUS-2D have shown that the model can be a suitable and user-friendly tool for simulating water movement and solute transport. This thesis quantifies and visualises simulated soil water movement and salinity under different irrigation water salinities and meteorological data. The measured soil water contents were in good agreement with the corresponding simulated soil water content. The Root Mean Square Error (RMSE) values for fields F1, F2, F3, and F4 ranged from 0.064 to 0.077, 0.059 to 0.072, 0.068 to 0.074 and 0.052 to 0.063 cm3/cm3, respectively, while the Mean Absolute Error (MAE) values were 0.0048, 0.0086, 0.0037 and 0.0094 cm3/cm3 for fields F1, F2, F3 and F4, respectively. For validation, RMSE values for fields F1, F2, F3 and F4 were between 0.042 – 0.051, 0.024 – 0.029, 0.038 – 0.042 and 0.035 – 0.041 cm3/cm3, respectively, while MAE values were 0.0028, 0.0036, 0.0027 and 0.0094 cm3/cm3 for fields F1, F2, F3 and F4, respectively.
Overall, fields irrigated with reused drainage water had higher soil salinity than fields irrigated with fresh water. Salinity distribution showed minimal variations of salt content in the saturated zone during simulations, while most of the variations were observed in the root zone.
The highest soil salinity was determined in the simulation of the second scenario in F4, assuming an increase in temperature by 2025 due to climate change, while the lowest soil salinity was observed in F2, which is irrigated with fresh water and has tile drains. F2 and F3 had lower salinity levels than F1 and F4, respectively. This could be due to the presence of tile drains which lower the groundwater table so that salt accumulation is reduced with beneficial impacts on plant growth. Tile drains act as a sink that removes excess water from the root zone.
Ägypten hat einen kontinuierlich steigenden Wasserbedarf, der auf ein schnelles Bevölkerungswachstum, zunehmende Verstädterung, höhere Lebensstandards und eine landwirtschaftspolitisch bedingte Ausweitung und Intensivierung der Bewässerung zurückzuführen ist. Es wird erwartet, dass das Land unter besonderem Wassermangel leiden wird. Als Konsequenz gibt es in Ägypten immer mehr Wasserwiederverwendung, um so der Wasserknappheit entgegenzuwirken. Die Regierung hat im Land politische Maßnahmen zur Wiederverwendung von Drainagewasser veranlasst getroffen, um die Nutzung des Nilwassers zu intensivieren und die Wasserverfügbarkeit für die geplante Ausweitung von Bewässerungsflächen zu erhöhen. Die Wasserwiederverwendung wird als eine der Hauptmaßnahmen angesehen, um eine steigende Wasserverfügbarkeit zu erreichen. Der kontinuierliche Gebrauch von wiederverwendetem Drainagewasser hat jedoch gravierende Nachteile im Hinblick auf seine Auswirkungen auf die Grundwasserqualität (insbesondere auf den Salzgehalt des Wassers) wie auch auf eine zunehmende Salzakkumulation im Wurzelbereich und eine beeinträchtigte Wasserversorgung der Pflanze, insbesondere während der Phase des Keimens. Diese Arbeit befasst sich mit der numerischen und experimentellen Simulation Modellierung von Boden-Wasser-Pflanzen-Systemen unter dem Einfluss verschiedener Salzgehalte des Bewässerungswassers in einem Untersuchungsgebiet in der Mitte des Nil-Deltas in Ägypten. Damit soll Folgendes erreicht werden:
• Detaillierte Kenntnisse über Maßnahmen zur Wiederverwendung von Drainagewasser für die Bewässerung,
• Analyse der Qualität des wiederverwendeten Drainagewassers vor und nach der Bewässerung im Untersuchungsgebiet,
• Simulation von Wasserqualitätsparametern, um die Auswirkungen der Nutzung des wiederverwendeten Drainagewassers auf den Salzgehalt in der ungesättigten Bodenzone und auf die Grundwasserqualität zu bestimmen,
• Simulation von Szenarien, die die Auswirkungen der Nutzung von wiederverwendetem Drainagewasser im Untersuchungsgebiet verbessern sollen,
• Vorschläge und Empfehlungen zu Strategien für die Wiederverwendung von Drainagewasser.
Das Modell HYDRUS-2D wurde hier eingesetzt, um die Bodenwasserbewegung und den Transport von gelöstem Salz während der gesamten Wachstumsphase zu simulieren. Es wurden die Verteilungen der Bodenfeuchte und des Salzgehalts in vier Weizenfeldern im Untersuchungsgebiet berechnet. Das erste Feld (F1) und das zweite Feld (F2) wurden mit frischem Kanalwasser bewässert, wobei in F1 keine Rohrdrainage installiert wurde, jedoch F2 mit Rohrleitungen entwässert wurde. Das dritte Feld (F3) und das vierte Feld (F4) wurden mit Mischwasser aus einem Bewässerungskanal und einer Oberflächendränage bewässert, wobei für F3 eine Rohrdrainage installiert wurde, bei F4 gab es jedoch keine Drainage. Es wurden Grundwassermessstellen installiert, um die sehr oberflächennahen Grundwasserstände und den Salzgehalt des Grundwassers zu bestimmen.
Es wurden die Bewässerungswassermengen für die Bewässerungsphasen der einzelnen Felder bestimmt. In jedem Feld wurden fünf Abgrabungen durchgeführt, um Bodenproben zu entnehmen. Es wurden die Bodenfeuchte, der Bodenwasserdruck und valdierung der Salzgehalt in jedem Feld in unterschiedlichen Tiefen bestimmt. Die Modellkalibrierung erfolgte und valdierung mit der Bodenfeuchte und dem Bodenwasserdruck. Es wurden meteorologische Daten für das Untersuchungsgebiet zusammengetragen und für die Berechnung der potentiellen Verdunstung (ETo) nach der Penman-Monteith-Methode gemäß der FAO-56-Standards für Pflanzen verwendet. HYDRUS-2D zufolge sollte ETo in Bodenverdunstung (E) und Pflanzenverdunstung (T) unterteilt werden. Die KC-Werte wurden mit dem sogenannten „dualen Ansatz“ ermittelt, wobei boden- (Kcb) und pflanzenabhängige Verdunstungskoeffizienten (Ke) zur Berechnung herangezogen wurden.
Zur Bestimmung der bodenhydraulischen Funktionen wurde das van Genuchten-Mualem Modell eingesetzt, wobei die van Genuchten-Mualem-Parameter auf der Grundlage von Messungen der Bodenfeuchte und des Matrixpotentials im Feld geschätzt wurden. Mit diesen Parametern wurden daraufhin Simulationen zu Auswirkungen des wiederverwendeten Drainagewassers als Bewässerungswasser auf den Boden und das Grundwasser durchgeführt.
Für die mit wiederverwendetem Drainagewasser bewässerten Felder wurden zwei Szenarien mit unterschiedlichen Mischverhältnissen von frischem und wiederverwendetem Wasser und unterschiedlichem Wasserbedarf für die Pflanzen simuliert.
Im ersten Szenario wurde ein Mischverhältnis von Frischwasser zu wiederverwendetem Drainagewasser von 1:3 anstelle von 1:1 angenommen. Dieses Szenario wurde zu Grunde gelegt, da ein Wassermangel in Ägypten auf jeden Fall vorhersehbar ist. Im zweiten Szenario wurde ein Temperaturanstieg bis 2025 aufgrund des Klimawandels angenommen. Mit HYDRUS-2D wurden beide Szenarien für F3 und F4 berechnet, da das wiederverwendete Drainagewasser dort jeweils gesondert zugegeben wurde.
Im Allgemeinen haben die Simulationen mit HYDRUS-2D gezeigt, dass das Modell geeignet und benutzerfreundlich für die Berechnung von Feuchte- und Stofftransport im Boden ist. Im Rahmen dieser Arbeit war eine gute Quantifizierung der Bodenwasserbewegung und des Salztransports für unterschiedliche Salzgehalte des Bewässerungswassers und meteorologische Bedingungen möglich. Der gemessene Bodenwassergehalt stimmte überwiegend gut mit dem simulierten Bodenwassergehalt überein. Die Root Mean Square Error (RMSE, Wurzel der quadrierten mittleren Fehler)-Werte für die Felder F1, F2, F3 und F4 variierten von 0.064 bis 0.077, 0.059 bis 0.072, 0.068 bis 0.074 und 0.052 bis 0.063 cm3/cm3. Die Mean Absolute Error (MAE, mittlere absolute Fehler)-Werte für die Felder F1, F2, F3 und F4 betrugen 0.0048, 0.0086, 0.0037 und 0.0094 cm3 / cm3.
Im Großen und Ganzen wiesen die mit wiederverwendetem Drainagewasser bewässerten Felder eine höhere Bodenversalzung auf als die Felder, die mit Frischwasser bewässert wurden. Die Verteilung des Salzgehalts zeigte während der Simulation sehr kleine Variationen im gesättigten Bereich, wohingegen die größten Variationen im Wurzelbereich zu beobachten waren. Der höchste Salzgehalt im Boden wurde bei der Simulation des zweiten Szenarios infolge des Temperaturanstieg bis 2025 aufgrund des Klimawandels bei F4 ermittelt, wohingegen der niedrigste Salzgehalt im Boden bei F2 beobachtet wurde, wo mit Frischwasser bewässert wurde und eine Rohrentwässerung vorhanden war. F2 und F3 hatten niedrigere Salzgehalte als F1 und F4. Dies könnte an den Rohrdrainagen liegen, die den Grundwasserspiegel absenken und das akkumulierte Salz abtransportieren, was positive Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum hat. Rohrdrainagen wirken wie eine Senke, die überschüssiges Wasser und Salz aus dem Wurzelbereich entfernt.
