表面灌漑

表面灌漑とは、重力によって土壌表面に水を散布し、分配する方法です。これは、世界中で最も一般的な灌漑方法であり、何千年もの間、多くの地域でほとんど変わることなく実践されてきました。

表面灌漑はしばしば洪水灌漑とも呼ばれ、水の分配が制御されていないため本質的に非効率的であることを意味します。実際には、この名前でグループ化される灌漑方法の中には、かなりの程度の管理を必要とするものもあります (たとえば、サージ灌漑)。

表面灌漑のプロセスは、4 つのフェーズで説明できます。水が圃場の上端に供給されると、水は圃場の長さに沿って流れます。前進フェーズとは、水が圃場の上端に供給され、圃場の長さに沿って流れたり前進したりする時間の長さを指します。水が圃場の端に到達した後、水は流出するか、溜まり始めます。前進フェーズの終了から流入の停止までの期間は、湿潤フェーズ、溜まりフェーズ、または貯留フェーズと呼ばれます。流入が停止すると、水は流出と浸透を続け、圃場全体が排水されます。枯渇フェーズとは、停止後の圃場の長さがまだ水没している短い期間です。後退フェーズとは、水面が圃場の下流端に向かって後退する期間を指します。圃場の任意のポイントに供給される水の深さは、機会時間、つまり水が土壌表面に存在する時間の長さの関数です。

平らな盆地灌漑は、歴史的に土手に囲まれた平らな表面を持つ小さな地域で使用されてきました。水は盆地全体に急速に散布され、浸透します。従来の盆地では、灌漑後は水が畑から排出されることはありません。盆地灌漑は、浸透率が比較的低い土壌で好まれます。^[1]これは表面灌漑の方法でもあります。畑は通常、土地の自然な輪郭に沿って設定されますが、レーザーレベリングと土地の整地の導入により、機械化された広大な農地での耕作に適した大きな長方形の盆地を建設できるようになりました。

排水レベル盆地（DBLB）または等高線盆地は、盆地灌漑の変種で、畑がいくつかの段々になった長方形の湾に分割され、これらの湾は段階的に平らになっているか、大きな傾斜がありません。最初の湾（通常は最も標高が高い）に水が供給され、次に、供給された水の望ましい深さがその湾から排水され、最初の湾よりも標高が低い次の湾に流れます。各湾は、前の湾からの排水と供給チャネルからの継続的な流入を組み合わせて順番に灌漑されます。これらのシステムをうまく運用するには、連続する湾間の標高差が十分にある必要があります。これらのシステムは、米と小麦を輪作しているオーストラリアでよく使用されています。^[2]

畝間灌漑は、圃場の主傾斜方向と平行に、圃場の長さに沿って小さな平行水路を作ることによって行われます。水は各畝の上端に供給され、重力の影響で圃場を流れていきます。水は、ゲート付きパイプ、サイフォンとヘッド溝、またはバンクレスシステムを使用して供給されます。水の移動速度は、傾斜、表面の粗さ、畝間の形状など多くの要因によって決まりますが、最も重要なのは流入速度と土壌浸透速度です。隣接する畝間の間隔は作物の種類によって決まり、一般的な間隔は通常 0.75 ～ 2 m (2.5 ～ 6.6 フィート) です。作物は畝間の尾根に植えられ、そこには 1 列の植物が含まれる場合もあれば、ベッド型システムの場合は数列の植物が含まれる場合もあります。畝間の長さは、土壌の種類、場所、作物の種類に応じて 100 ～ 2,000 m (0.062 ～ 1.243 マイル) の範囲になります。畝間が短いほど、一般的に散布の均一性は高くなりますが、流出による損失の可能性が高くなります。畝間灌漑は、綿花、トウモロコシ、サトウキビなどの広大な畝間作物に特に適しています。また、柑橘類、核果類、トマトなどのさまざまな園芸産業でも実践されています。

水が反対側の端まで到達するまでにかなりの時間がかかることがあります。つまり、水は圃場の上端でより長い時間浸透していることになります。このため、上端では水量が多く、下端では水量が少なくなり、均一性が悪くなります。ほとんどの場合、水が圃場に沿って移動する速度 (前進速度) を上げることで、畝間灌漑のパフォーマンスを向上させることができます。これは、流量を増やすか、サージ灌漑を実施することで実現できます。前進速度を上げると、均一性が向上するだけでなく、灌漑を完了するために必要な水の総量も減ります。

このタイプの灌漑は比較的新しいもので、その実施とモデル化の研究開発は 1980 年代初頭に始まりました。^[3]サージ灌漑は畝間灌漑の変形で、計画された時間間隔で水の供給をオン/オフします (例: 1 時間オン、1 時間半オフ)。湿潤と乾燥のサイクルによって浸透速度が低減し、連続流よりも前進速度が速くなり、均一性が高まります^{[4] 。浸透の低減は、表面の圧密、亀裂や微細孔の充填、急速な湿潤中の土壌粒子の崩壊、および乾燥段階ごとの結果的な}表面密閉の結果です。^{[5]サージが効果的な土壌では、全体的な水使用量を減らして灌漑を完了できるため、効率が高く、}水不足灌漑を実践できる可能性があることが報告されています。^[6]サージ灌漑の有効性は土壌の種類によって異なります。例えば、多くの粘土質土壌は連続流下では急速に封鎖挙動を示すため、サージ灌漑はあまり効果がありません。^[1]

ボーダー ストリップ (ボーダー チェックまたはベイ灌漑とも呼ばれる) は、平らな盆地灌漑と畝間灌漑のハイブリッドと考えることができます。圃場はいくつかのベイまたはストリップに分割され、各ベイは盛り上がった土手 (ボーダー) で区切られます。ベイは通常、盆地灌漑に比べて長くて狭く、圃場の傾斜と縦方向に揃うように配置されます。ベイの一般的な寸法は、幅 10 ～ 70 m (10 ～ 80 ヤード)、長さ 100 ～ 700 m (110 ～ 770 ヤード) です。水はベイの上端に供給されます。ベイは通常、下流端で水が自由に流れるように構築されます。この技術の一般的な用途の 1 つに、酪農用の牧草地の灌漑があります。

洪水灌漑（英語のspateから来ており、a.洪水または氾濫、b.川の堤防が氾濫することを意味する）は、川、小川、池、湖の季節的な洪水を利用して貯水池を満たす灌漑方法です。これは、中東、北アフリカ、西アジア、東アフリカ、ラテンアメリカの一部の乾燥および半乾燥気候の地域で古くから行われている灌漑方法です。^[7]

洪水灌漑では、川が洪水状態にあるときに、通常は乾いている川床から水が迂回されます。その後、洪水の水が畑に迂回されます。これは、自由取水口、迂回支線、または川床に建設された堤防によって行われます。通常、数時間から数日間続く洪水の水は、一次、二次、場合によっては三次洪水水路のネットワークを通じて流されます。管理区域は、数ヘクタールから 25,000 ヘクタール (62,000 エーカー) 以上に及ぶ場合があります。

急流灌漑システムでは、水の流れを制御し最適化するために多大な管理努力が必要です。流れの速い水は大量の堆積物を移動させる可能性があるため、川岸の高さや川床の構成は急速に変化する可能性があります。水の流れを変えるために使用される岩、土壌、その他の物質を動かすことができる強力な力の流れを変えることは困難です。^[8]

表面灌漑は適切な条件下で適切な管理を行うことで効果的に実施できるが、生産性と環境の持続可能性を損なう多くの問題を伴うことが多い。^[9]

• 水浸し- 根域から十分な水が排出されるまで植物の成長が止まり、成長が遅れることがあります。水浸しは排水、排水管、または別の地下排水による地下水位制御によって対処できます。^{[10] [11]}
• 深部排水- 過剰灌漑により水が根域の下に移動し、地下水位が上昇する可能性があります。自然に発生する塩性土壌層 (たとえばオーストラリア南東部の塩分) または塩性帯水層がある地域では、地下水位の上昇により塩分が根域にまで上昇し、灌漑塩分の問題が発生する可能性があります。
• 塩性化- 水質によっては、灌漑用水が土壌に大量の塩分を加えることがあります。表面灌漑では他の灌漑方法に比べてこの問題はそれほど大きくありませんが ( 浸出率が比較的高いため)、地下排水が不足すると土壌からの塩分の浸出が制限される可能性があります。これは、排水とフラッシングによる土壌塩分濃度の制御によって改善できます。

現代の地表灌漑管理の目的は、これらの潜在的な悪影響のリスクを最小限に抑えることです。

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• FAO灌漑排水ペーパー45：表面灌漑システムの設計と評価のガイドライン
• 実験水文学 Wiki 浸透 - フード浸透計