農業水文学

農業水文学は、農業用水管理、特に灌漑と排水に関与する水収支要素の研究です。^[1]

水収支の構成要素は、土壌の垂直断面における水の流入、流出、貯留を伴う貯留層を形成するゾーンに対応する構成要素にグループ化することができる。^[2]

1. 表面貯留層（S）
2. 根圏または不飽和（不飽和帯）（R）主に垂直方向の流れがある
3. 主に水平方向の流れがある帯水層（Q ）
4. 垂直方向の流れと水平方向の流れが変換される遷移領域（T ）

一般的な水収支は次のようになります。

• 流入量 = 流出量 + 貯蔵量の変化

そして、それは各貯水池またはそれらの組み合わせに適用可能である。

以下のバランスでは、地下水位が遷移帯内にあると想定されています。

地表貯留層（S）に流入する水収支成分は次の通りである。

1. 雷 – 垂直に地表に流入する水。例：降水量（雪を含む）、降雨量、スプリンクラー灌漑
2. イス – 水平に流入する表面水。これは、自然浸水または表面灌漑から構成されます。

地表貯留層（S）からの流出水収支成分は次の通りである。

1. Eva –土壌表面の開水からの蒸発（ペンマン方程式を参照）
2. オス – 表面流出（自然）または表面排水（人工）
3. Inf –土壌表面から根域への水の浸透

地表水収支は次のようになります。

• Rai + Isu = Eva + Inf + Osu + Ws、ここでWsは土壌表面上の水分貯蔵量の変化である。

根域（R）に流入する水収支成分は次のとおりです。

1. Inf – 土壌表面から根域への水の浸透
2. キャップ –遷移層からの水の毛細管上昇

地表貯留層（R）から流出する水収支成分は次の通りである。

1. 蒸発量 –根圏からの実際の蒸発または蒸発散量
2. Per –不飽和根域から遷移域への水の浸透

根圏の水分収支は次のようになります。

• Inf + Cap = Era + Per + Wr、ここでWrは根域の水分貯蔵量の変化である。

遷移領域（T）に流入する水収支成分は次のとおりです。

1. Per – 不飽和根域から遷移域への水の浸透
2. Lca – 河川、運河、排水システムから遷移帯への水の浸透。深部浸透損失とも呼ばれる。
3. Ugw –帯水層から飽和遷移帯への垂直上向きの水の浸透

遷移層（T）から流出する水収支成分は以下のとおりです。

1. キャップ – 毛細管現象により根域に水が上昇する
2. Dtr – 人工水平地下排水。排水システム（農業）も参照
3. Dgw – 飽和遷移層から帯水層への垂直下向きの排水

遷移帯の水収支は次のようになります。

• Per + Lca + Ugw = Cap + Dtr + Dgw + Wt、ここで Wt は地下水位の変化として現れる遷移帯の貯水量の変化です。

帯水層（ Q） に流入する水収支成分は次のとおりです。

1. Dgw – 飽和遷移層から帯水層への垂直下向きの排水
2. Iaq – 帯水層に水平に流入する地下水

帯水層から流出する水収支成分（Q）は次のとおりです。

1. Ugw –帯水層から飽和遷移帯への垂直上向きの水の浸透
2. Oaq – 帯水層から水平方向に流出する地下水
3. 井戸 –帯水層に設置された（管）井戸からの排水

帯水層の水収支は次のようになります。

• Dgw + Iaq = Ugw + ウェル + Oaq + Wq

ここで、Wq は被圧の変化として現れる帯水層の貯水量の変化です。

2 つの隣接する垂直土壌ゾーンの組み合わせについて水収支を作成できます。その場合、一方のゾーンからもう一方のゾーンへの流入と流出を構成する要素は消えます。長期の水収支 (月、季節、年) では、貯留期間は無視できるほど小さいことがよくあります。これを省略すると、定常状態または平衡水収支
になります。

定常状態における表面貯留層（S）と根圏（R ）の組み合わせにより、表土の水分収支は次のようになる 。

• Rai + Isu + Cap = Eva + Era + Osu + Per、ここでリンク因子Inf は消えています。

定常状態における根圏（R）と遷移圏（T ）の組み合わせにより、土壌下層の水分収支は次のようになる 。

• Inf + Lca + Ugw = Era + Dtr + Dgw、ここで Wr では連結因子PerとCapが消失しています。

定常状態における遷移層（T）と帯水層（Q ）の組み合わせにより、地質水文学的水収支が得られる 。

• Per + Lca + Iaq = Cap + Dtr + Wel + Oaq、ここでWr連鎖因子UgwとDgwは消失している。

定常状態における上位 3 つの水収支を組み合わせると、農業用水収支が得られます 。

• Rai + Isu + Lca + Ugw = Eva + Era + Osu + Dtr + Dgw、ここで連結因子Inf、Per、Cap は消失しています。

定常状態での 4 つの水収支をすべて組み合わせると、全体的な水収支は次のようになります 。

• Rai + Isu + Lca + Iaq = Eva + Era + Osu + Dtr + Wel + Oaq で、連鎖因子Inf、Per、Cap、Ugw、Dgwが消えています。

地下水位が土壌表面より上にある場合、Inf、Per、Cap の各要素を含むバランスは存在しないため適切ではありません。地下水位が根域内にある場合、Per、Cap の各要素を含むバランスは存在しないため適切ではありません。地下水位が遷移帯より下にある場合、帯水層バランスのみが適切です。

特定の条件下では、帯水層、遷移層、根層が存在しない場合があります。存在しない層を除外して水収支を作成できます。

同じ方向の矢印を持つ 2 つのゾーン間の境界に沿った垂直水文学的要素は、正味値に組み合わせることができます。
たとえば、Npc = Per − Cap (正味浸透)、Ncp = Cap − Per (正味毛管上昇)。同じ方向の矢印を持つ同じゾーン内の水平水文学的要素は、超過値
に組み合わせることができます。 たとえば、Egio = Iaq − Oaq (余剰地下水流入量÷流出量)、Egoi = Oaq − Iaq (余剰地下水流出量÷流入量)。

農業用水収支は、灌漑地の塩分収支にも使用されます。
さらに、塩分と水収支はSaltmodのような農業水塩分排水モデルで使用されます。同様に、多角形ネットワークを使用する SaltMod の空間的バリエーションである SahysModのような地下水塩分モデル
でも使用されます。

灌漑必要量(Irr)は、水収支構成要素に関するデータの可用性に応じて、「複合収支」のセクションで定義されている表土水収支、農業水収支、または全体水収支から計算できます。表面灌漑
を考慮し、表面水の蒸発が無視できるほど小さい (Eva = 0) と仮定し、実際の蒸発散量 Era を潜在蒸発散量 (Epo) と等しく設定して Era = Epo とし、表面流入量 Isu を Irr と等しくして Isu = Irr と設定すると、収支はそれぞれ次のようになります。

• Irr = Epo + Osu + Per − Rai − Cap
• Irr = Epo + Osu + Dtr + Dgw − Rai − Lca − Ugw
• Irr = Epo + Osu + Dtr + Oaq − Rai − Lca − Iaq

灌漑効率をIEFF = Epo/Irr、つまり作物によって消費される灌漑用水の割合と 定義すると、それぞれ次のようになります。

• IEFF = 1 − (Osu + Per − Rai − Cap) / Irr
• IEFF = 1 − (Osu + Dtr + Dgw − Rai − Lca − Ugw) / Irr

• IEFF = 1 − (Osu + Dtr + Oaq − Rai − Lca − Iaq) / Irr

同様に、過剰利用することなく帯水層から水を抽出する井戸の安全な揚水量は、水収支構成要素に関するデータの可用性に応じて、「複合収支」のセクションで定義されている地質水文学的水収支または全体水収支を使用して決定できます。

同様に、地下排水の必要量は、地下水収支、農業水収支、地質水文学的水収支、または全体水収支における排水量 (Dtr) から求めることができます。

同様に、井戸の排水要件は、地質水文学的水収支または全体水収支の井戸排出量 (Wel) から求めることができます。

農業排水システムの設計においては、地下排水要件と井戸排水要件が重要な役割を果たしている（参考文献： [ ^{4] [5]}）。

Wikisource には、The New Student's Reference Work の記事「農業水文学」のテキストがあります。

• 水文学

• 農業水文学に関するウェブサイト: [5]
• 農業水文学の計算のための無料ソフトウェア：[6]
• 農業水文学に関する記事：[7]
• 農業水文学に関するよくある質問：[8]
• 農業水文学に関する事例研究：[9]
• 農作物の水フットプリント | Visual.ly