Land Use and Water Quality

This collection of 11 papers introduces broad topics covering various professional disciplines related to the research arena of land use and water quality. The papers exemplify the important links between agriculture and water quality in surface and ground waters as well as the pollution problems around urban areas. Advancement of new technologies for analyzing links between land use and water quality problems as well as insights into new tools for analyzing large monitoring datasets are highlighted in this collection of papers

Simulating surface water and groundwater flow dynamics in tile-drained catchments

Pratique agricole répandue dans les champs sujets à l’accumulation d’eau en surface, le drainage souterrain améliore la productivité des cultures et réduit les risques de stagnation d’eau. La contribution significative du drainage sur les bilans d’eau à l’échelle de bassins versants, et sur les problèmes de contamination dus à l’épandage d’engrais et de fertilisant, a régulièrement été soulignée. Les écoulements d’eau souterraine associés au drainage étant souvent inconnus, leur représentation par modélisation numérique reste un défi majeur. Avant de considérer le transport d’espèces chimiques ou de sédiments, il est essentiel de simuler correctement les écoulements d’eau souterraine en milieu drainé. Dans cette perspective, le modèle HydroGeoSphere a été appliqué à deux bassins versants agricoles drainés du Danemark. Un modèle de référence a été développé à l’échelle d’une parcelle dans le bassin versant de Lillebæk pour tester une série de concepts de drainage dans une zone drainée de 3.5 ha. Le but était de définir une méthode de modélisation adaptée aux réseaux de drainage complexes à grande échelle. Les simulations ont indiqué qu’une simplification du réseau de drainage ou que l’utilisation d’un milieu équivalent sont donc des options appropriées pour éviter les maillages hautement discrétisés. Le calage des modèles reste cependant nécessaire. Afin de simuler les variations saisonnières des écoulements de drainage, un modèle a ensuite été créé à l’échelle du bassin versant de Fensholt, couvrant 6 km2 et comprenant deux réseaux de drainage complexes. Ces derniers ont été simplifiés en gardant les drains collecteurs principaux, comme suggéré par l’étude de Lillebæk. Un calage du modèle par rapport aux débits de drainage a été réalisé : les dynamiques d’écoulement ont été correctement simulées, avec une faible erreur de volumes cumulatifs drainés par rapport aux observations. Le cas de Fensholt a permis de valider les conclusions des tests de Lillebæk, ces résultats ouvrant des perspectives de modélisation du drainage lié à des questions de transport.Tile drainage is a common agricultural management practice in plots prone to ponding issues. Drainage enhances crop productivity and reduces waterlogging risks. Studies over the last few decades have highlighted the significant contribution of subsurface drainage to catchments water balance and contamination issues related to manure or fertilizer application at the soil surface. Groundwater flow patterns associated with drainage are often unknown and their representation in numerical models, although powerful analysis tools, is still a major challenge. Before considering chemical species or sediment transport, an accurate water flow simulation is essential. The integrated fully-coupled hydrological HydroGeoSphere code was applied to two highly tile-drained agricultural catchments of Denmark (Lillebæk and Fensholt) in the present work. A first model was developed at the field scale from the Lillebæk catchment. A reference model was set and various drainage concepts and boundary conditions were tested in a 3.5 ha tile-drained area to find a suitable option in terms of model performance and computing time for larger scale modeling of complex drainage networks. Simulations suggested that a simplification of the geometry of the drainage network or using an equivalent-medium layer are suitable options for avoiding highly discretized meshes, but further model calibration is required. A catchment scale model was subsequently built in Fensholt, covering 6 km2 and including two complex drainage networks. The aim was to perform a year-round simulation accounting for variations in seasonal drainage flow. Both networks were simplified with the main collecting drains kept in the model, as suggested by the Lillebæk study. Calibration against hourly measured drainage discharge data was performed resulting in a good model performance. Drainage flow and flow dynamics were accurately simulated, with low cumulative error in drainage volume. The Fensholt case validated the Lillebæk test conclusions, allowing for further drainage modeling linked with transport issues

A Presheaf Semantics of Value-Passing Processes

This paper investigates presheaf models for process calculi withvalue passing. Denotational semantics in presheaf models are shownto correspond to operational semantics in that bisimulation obtainedfrom open maps is proved to coincide with bisimulation as definedtraditionally from the operational semantics. Both "early" and "late"semantics are considered, though the more interesting "late" semanticsis emphasised. A presheaf model and denotational semantics is proposedfor a language allowing process passing, though there remainsthe problem of relating the notion of bisimulation obtained from openmaps to a more traditional definition from the operational semantics.A tentative beginning is made of a "domain theory" supportingpresheaf models

Simulating groundwater and surface water flow and solute transport in tile-drained landscapes

Dans des conditions de climat humide et lorsque les sols sont peu perméables, les systèmes de drainage souterrains sont généralement utilisés pour contrôler le niveau de la nappe phréatique et améliorer la production agricole. Cependant, les drains souterrains modifient à la fois les voies d'écoulement hydrologique et les taux de transport des nutriments des terres cultivées vers les eaux de surface, pouvant détériorer la qualité des eaux souterraines et de surface. De plus, des macropores sont souvent présents dans les sols composés de till argileux, ce qui génère un flux d'eau rapide et riche en nutriments de la surface du sol vers les drains souterrains. Une approche rentable pour réduire le lessivage des nutriments provenant de l'agriculture consiste à imposer des restrictions uniquement dans les zones vulnérables à la contamination de l'eau. Ces zones peuvent être identifiées à l'aide de modèles hydrologiques distribués. Les résultats obtenus sur de petits bassins versants expérimentaux doivent être simplifiés pour être appliqués à des échelles plus grandes, généralement requises pour l'élaboration de politiques. L'objectif de cette étude était d'examiner les avancées et les limitations de l'inclusion des drains souterrains dans les modèles d'écoulement de surface et souterrain. Les objectifs spécifiques étaient de i) démontrer l'utilisation des estimations de conductivité électrique spécifique (CE), pour améliorer les simulations hydrologiques dans un champ drainé, ii) étudier l'efficacité d'un modèle hydrologique et de transport de soluté tridimensionnel pour simuler un test de traçage de bromure (Br) dans un champ drainé et iii) évaluer différents modèles conceptuels de drains souterrains et d'hétérogénéité du sol pour la simulation numérique du drainage dans un bassin versant agricole au Danemark. Les résultats suggèrent que la simulation de la profondeur de la nappe phréatique peut être améliorée par l'inclusion d'hétérogénéités basées sur des estimations de la CE. L'approche des seepage nodes était appropriée pour simuler les débits de drainage, cependant la précision des simulations était meilleure pour les modèles à l'échelle du terrain. À l'échelle du bassin versant, le fait de ne représenter que les drains principaux est approprié pour pouvoir utiliser des maillages plus grossiers et pour simuler le débit des cours d'eau et les faibles profondeurs des eaux de surface dans les zones drainées. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque les seepage nodes ont été appliqués sur l'ensemble des zones agricoles, sans tenir compte de l'emplacement spécifique des drains souterrains. Cette dernière approche peut être appliquée lorsque les drains souterrains ne sont pas cartographiés, ce qui est généralement le cas. Une représentation simplifiée de l'hétérogénéité et de la macroporosité peut expliquer les différences entre ls valeurs observées et simulées des charges hydrauliques, débits de drainage et processus de transport de solutés. Les approches de modélisation étudiées dans cette thèse peuvent améliorer la représentation de la dynamique de l'écoulement souterrain et les simulations du transport de substances agrochimiques lessivées des champs cultivés, telles que le nitrate et phosphate.Under humid climate conditions and for low-permeability soils, subsurface tile drains are usually employed to lower the water table and enhance agricultural production. However, tile drains alter both the hydrologic flow pathways in agricultural catchments and the rates of nutrient transport from cropland to surface water bodies, potentially impairing the groundwater and surface water quality. Furthermore, macropores are often present in clayey till soils, generating rapid and nutrient-rich water flow from the ground surface to the tile drains. A cost-effective approach to reduce nutrient leaching from agriculture is to impose restrictions only in vulnerable areas to water contamination, which can be identified using distributed hydrological models. Results on small experimental catchments need to be simplified for application on larger scales, usually required for policy-making purposes. The objective of this study was to investigate the outcomes and limitations of including tile drains in surface and subsurface flow models. Specific objectives were to i) demonstrate the use of electrical conductivity (EC) estimates to improve hydrological simulations in a tile-drained field, ii) investigate the efficiency of a three-dimensional hydrological and solute transport model to simulate a bromide (Br) tracer test in a tile-drained field and iii) assess different conceptual models for tile drains and soil heterogeneity for the numerical simulation of tile drainage in an agricultural catchment in Denmark. The results suggest that the simulation of the water table depth can be improved by the inclusion of heterogeneities based on EC estimates. The seepage nodes approach was suitable to simulate drain discharge, however the accuracy of the simulations was better for the field-scale models. At the catchment scale, representing only the main drains was suitable to reduce the mesh refinement and simulate stream flow and low surface water depths in drained areas. Similar results were obtained when seepage nodes were applied all over the agricultural areas, without considering the specific location of tile drains. The later approach can be applied when tile drains are not mapped, which is usually the case. The misrepresentation of heterogeneity and macroporosity may explain the differences between observed and simulated hydraulic heads, drain discharge and solute transport processes. The modeling approaches investigated in this dissertation can improve subsequent simulations of tile drainage and the transport and fate of leached agrochemicals such as nitrate or phosphate

A Presheaf Semantics of Value-Passing Processes

This paper investigates presheaf models for process calculi withvalue passing. Denotational semantics in presheaf models are shownto correspond to operational semantics in that bisimulation obtainedfrom open maps is proved to coincide with bisimulation as definedtraditionally from the operational semantics. Both "early" and "late"semantics are considered, though the more interesting "late" semanticsis emphasised. A presheaf model and denotational semantics is proposedfor a language allowing process passing, though there remainsthe problem of relating the notion of bisimulation obtained from openmaps to a more traditional definition from the operational semantics.A tentative beginning is made of a "domain theory" supportingpresheaf models

Innovation Issues in Water, Agriculture and Food

In a worldwide context of ever-growing competition for water and land, climate change, droughts and man-made water scarcity, and less-participatory water governance, agriculture faces the great challenge of producing enough food for a continually increasing population. In this line, this book provides a broad overview of innovation issues in the complex water–agriculture–food nexus, thus also relative to their interconnections and dependences. Issues refer to different spatial scales, from the field or the farm to the irrigation system or the river basin. Multidisciplinary approaches are used when analyzing the relationships between water, agriculture, and food security. The covered issues are quite diverse and include: innovation in crop evapotranspiration, crop coefficients and modeling; updates in research relative to crop water use and saving; irrigation scheduling and systems design; simulation models to support water and agricultural decisions; issues to cope with water scarcity and climate change; advances in water resource quality and sustainable uses; new tools for mapping and use of remote sensing information; and fostering a participative and inclusive governance of water for food security and population welfare. This book brings together a variety of contributions by leading international experts, professionals, and scholars in those diverse fields. It represents a major synthesis and state-of-the-art on various subjects, thus providing a valuable and updated resource for all researchers, professionals, policymakers, and post-graduate students interested in the complex world of the water–agriculture–food nexus

Detecting Deadlocks in Concurrent Systems

We use a geometric description for deadlocks occurring in schedulingproblems for concurrent systems to construct a partial order and hence a directed graph, in which the local maxima correspond to deadlocks. Algorithms finding deadlocks are described and assessed.Keywords: deadlock, partial order, search algorithm, concurrency, distributedsystems