Adaptation of pressurized irrigation networks to new strategies ofirrigation management: Energy implications of low discharge andpulsed irrigation

This paper analyzes the consequences of adopting new on-farm irrigation management strategies (lowdischarge rates, long irrigation times and high frequencies) in an existing on-demand and sectorizedpressurized irrigation system in eastern Spain. The sectorized behavior of the network was analyzedusing two criteria: (i) the operating sectors obtained in a first stage by arranging the hydrants dependingon their altitude respecting the pumping station and (ii) the operating sectors obtained by means ofan optimization process. The Simulated Annealing combinatorial metaheuristic optimization techniquewas employed to find the best solution. Random on-demand patterns were generated using a Montecarlosimulation. The hydraulic requirements of the network were analyzed in every scenario by the Epanet2.0 engine. The effect on energy consumption, power requirements and energy costs was assessed takinginto account the electricity tariff billing structure. It was found that reductions in emitter discharge (qe)and Energy consumption (E)-Energy Cost (EC) savings are not inherently related to each other. Certainamounts of E and EC could be saved when the number of sectors and operating time parameters wereproperly selected. Pulsed irrigation in the current scenario showed an energy saving potential of 10.67,6.43 and 6.99% for power capacity, E and EC, respectively.The study has been partially funded by the IMPADAPT project (CGL2013-48424-C2-1-R) with Spanish MINECO (Ministerio de Economia y Competitividad) and Feder funds.Garcia-Prats, A.; Guillem Picó, S. (2016). Adaptation of pressurized irrigation networks to new strategies ofirrigation management: Energy implications of low discharge andpulsed irrigation. Agricultural Water Management. 169:52-60. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2016.02.023S526016

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΤΗΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΑΞΟΝΟΣΥΜΜΕΤΡΙΚΗΣ ΔΙΗΘΗΣΗΣ ΣΕ ΑΚΟΡΕΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ

In the present study we present and discuss the numerical solution of the equation of three-dimensional axisymmetric infiltration of water in homogeneous unsaturated soil. On the surface of the soil a constant pressure head is being applied in horizontal circular surface area of ratio Ro. The mathematical model consists of the differential equation of flow that describes the physical problem and the necessary initial and boundary conditions. The solution is obtained by the finite difference method. The alternation direction and implicit (A.D.I.) numerical method that was used for the solution of the flow equation gave results that were verified with the maintenance of the soil water volume balance in very satisfactory levels. In addition, due to the strong nonlinearity of the flow equation, the stability of the numerical solution was verified by the computer results.Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζουμε και συζητούμε την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης της τρισδιάστατης αξονοσυμμετρικής διήθησης του νερού σε ομογενές ακόρεστο έδαφος. Στην επιφάνεια του εδάφους εφαρμόζεται νερό με σταθερό φορτίο πίεσης σε οριζόντιες κυκλικές λεκάνες ακτίνας Ro. Το μαθηματικό ομοίωμα αποτελείται από τη διαφορική εξίσωση ροής που περιγράφει το φυσικό πρόβλημα και τις απαραίτητες αρχικές και οριακές συνθήκες. Η επίλυσή του γίνεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Η πεπλεγμένη μέθοδος των εναλλασσόμενων διευθύνσεων (A.D.I) που χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση της εξίσωσης ροής έδωσε αποτελέσματα τα οποία επαληθεύθηκαν με τη διατήρηση σε πολύ ικανοποιητικά επίπεδα του ισοζυγίου όγκου του εδαφικού νερού. Επίσης λόγω της ισχυρής μη γραμμικότητας της εξίσωσης ροής η ευστάθεια της αριθμητικής λύσης ελέγχθηκε στα αποτελέσματα που έδωσε ο ηλεκτρονικός υπολογιστής

THE EFFECT OF DISCHARGE RATE AND APPLIED IRRIGATION DEPTH ON SOIL MOISTURE DISTRIBUTION IN IRRIGATION FROM SURFACE POINT SOURCE

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η τοπική διήθηση από επιφανειακή πηγή στάγδην άρδευσης, λαμβάνοντας υπόψη την εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια του εδάφους καθώς επίσης και τη μύζηση του εδαφικού νερού από τις ρίζες. Το φυσικό φαινόμενο προσομοιώνεται με ένα μαθηματικό μοντέλο αξονικής συμμετρίας. Η διαφορική εξίσωση που το περιγράφει επιλύεται αριθμητικά με τη πεπλεγμένη μέθοδο εναλλασσόμενων διευθύνσεων. Η εφαρμογή του μοντέλου γίνεται σε μια από τις δώδεκα εδαφικές κλάσεις της U.S.D.A. (Schaap and Leij, 1998). Επίσης χρησιμοποιούνται δύο παροχές σταλακτήρων (2 και 4 l/h) και δύο δόσεις άρδευσης (18 και 30 mm).In the present paper is presented the local infiltration from surface point source, taking into consideration the evaporation of water from the soil surface as well as the water extraction by roots. The physical phenomenon is simulated with the help of a mathematical model of axial symmetry. The differential equation that describes it is solved numerically with the Alternating Direction Implicit method. The implementation of the mathematical model took place against one of the twelve USDA soil classes (Schaap and Leij, 1998). Also, it were used 2 discharge rates (2 and 4 l/h) and two applied irrigation depths (18 and 30mm)

ANALYSIS OF LOCAL INFILTRATION FROM : 1. SURFACE POINT SOURCE OF TRICKLE IRRIGATION. 2. SURFACE LINE SOURCE OF TRICKLE IRRIGATION.

Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζεται η ανάλυση της τοπικής διήθησης από : α. σημειακή και β. γραμμική επιφανειακή πηγή στάγδην άρδευσης σε τρία ομογενή ακόρεστα εδάφη και για διάφορες παροχές εφαρμογής. Το μαθηματικό μοντέλο αποτελείται από τη διαφορική εξίσωση ροής που περιγράφει τα φυσικά προβλήματα και τις απαραίτητες αρχικές και οριακές συνθήκες. Για την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης ροής χρησιμοποιήθηκε η πεπλεγμένη μέθοδος των εναλλασσόμενων διευθύνσεων (Α.D.I). Η σύγκλιση τού αριθμητικού σχήματος λόγω έλλειψης αναλυτικής λύσης επαληθεύεται με τη διατήρηση σε πολύ ικανοποιητικά επίπεδα του ισοζυγίου όγκου του εδαφικού νερού.In the present study it is presented the analysis of local infiltration from : a. surface Point source and b. surface line source of trickle irrigation in three homogeneous, unsaturated soils using various wetting rates. The mathematical model consists of the differential equation of flow that describes the physical problems and the necessary initial and boundary conditions. The Alternating Direction Implicit Method (A.D.I) was used for the numerical solution o¥ the {low equation. The convergence of the numerical scheme, due to lack of an analytical solution, is verified by the maintenance of the soil water volume balance in very satisfactory levels

Effects of hysteresis on redistribution of soil moisture and deep percolation at continuous and pulse drip irrigation

The infiltration and redistribution of soil moisture under surface drip irrigation considering hysteresis were investigated in two soils (loamy sand and silt loam) of different texture. The effect of continuous versus intermittent application of 1, 2 and 4 l/h to the soils was evaluated in terms of wetting front advance patterns and deep percolation under the root zone. For this purpose, a cylindrical flow model incorporating hysteresis in the soil water retention characteristic curve, evaporation from the soil surface, and water extraction by roots was used. The results show that, compared with continuous irrigation, pulse irrigation slightly reduces the water losses under the root zone in both cases (with and without hysteresis). Also, at the total simulation time, in both types of irrigation, hysteresis reduces significantly the water losses under the root zone. Finally, the effect of hysteresis was found to be greater at higher discharge rate (4 l/h) and consequently at higher water content at the soil surface.Mathematical modelling Trickle irrigation duration Total simulation time Deep percolation Evaporation Hysteresis

Performance of Monitored Natural Attenuation at chloroethene-contaminated sites

186 σ.Η ρύπανση των υπογείων νερών με χλωροαιθένια αποτελεί ένα πολύ διαδεδομένο πρόβλημα λόγω της τοξικότητας, της κινητικότητας και της επιμονής αυτών των ρύπων, και κυρίως επειδή διαρρέουν συχνά σε μη υδατική φάση. Η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση είναι μια χαμηλού κόστους μέθοδος αποκατάστασης των ρυπασμένων με χλωροαιθένια χώρων. Γι’ αυτό είναι χρήσιμο να εξεταστεί τι μπορεί να πετύχει η εν λόγω μέθοδος κατά την εφαρμογή της στο πεδίο, κάτι που αποτελεί τον κύριο σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για τον σκοπό αυτόν, σε πρώτο στάδιο αντλήθηκαν συμπεράσματα από συλλογές περιστατικών ρύπανσης με χλωριωμένους διαλύτες στα οποία έχει αξιολογηθεί ή εφαρμοστεί η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση. Σε δεύτερο στάδιο, δημιουργήθηκε, βάσει δεδομένων από τη λίστα χώρων προτεραιότητας των Η.Π.Α., μια συλλογή 17 περιστατικών ρύπανσης με χλωριωμένους διαλύτες όπου η αποκατάσταση με παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση (αποκλειστικά ή μη) έχει ολοκληρωθεί. Για καθένα από τα 17 περιστατικά συλλέχθηκαν και πινακοποιήθηκαν επιλεγμένα δεδομένα που διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: 1) αυτά που αφορούν την ταυτότητα του περιστατικού και 2) τις καθοριστικές κύριες μεταβλητές. Η πρώτη κατηγορία, «βασικά στοιχεία - ταυτότητα του περιστατικού», περιλαμβάνει τον κωδικό του περιστατικού στην Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Η.Π.Α., τη ρυπογόνο δραστηριότητα, τη χρονική διάρκεια εφαρμογής της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης και τυχόν επεμβατικές μεθόδους αποκατάστασης που χρησιμοποιήθηκαν σε συνδυασμό με αυτή τη μέθοδο για την εξυγίανση των υπογείων υδάτων. Ως καθοριστικές μεταβλητές για την επίδοση της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης θεωρήθηκαν οι μέγιστες καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις χλωριωμένων διαλυτών πριν την έναρξη της αποκατάστασης, η ταχύτητα μεταγωγής, η έκταση της ρύπανσης και η ύπαρξη ή μη μεικτής ρύπανσης. Σε τρίτο στάδιο, προσομοιώθηκαν με το λογισμικό BIOCHLOR τρία περιστατικά προκειμένου να καθοριστούν ενδεικτικές τιμές για τον χρόνο αποκατάστασης, τον χρόνο και την απόσταση σταθεροποίησης και να εξαχθούν συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της παρακολουθούμενης φυσικής εξασθένησης. Για τον σκοπό αυτόν, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική έρευνα για την αναζήτηση περιστατικών ρύπανσης με χλωροαιθένια, στα οποία έχει αξιολογηθεί και/ή εφαρμοστεί η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση, σε επιστημονικά περιοδικά, πρακτικά συνεδρίων, μελέτες περιβαλλοντικών εταιρειών και οργανισμών των Η.Π.Α. και σε ηλεκτρονικές βάσεις δεδομένων περιβαλλοντικών και στρατιωτικών οργανισμών των Η.Π.Α.. Στη συνέχεια, επιλέχθηκαν τρία αντιπροσωπευτικά περιστατικά για τρία διαφορετικά εύρη ταχυτήτων μεταγωγής: i) 6-30 m/y, 30-60 m/y και >60 m/y, δύο διαφορετικά εύρη μήκους εξάπλωσης της ρύπανσης: i) 150-500 m και ii) 500-1500 m και τρία διαφορετικά εύρη συνολικών μέγιστων συγκεντρώσεων χλωροαιθενίων: i) 0,1-1,5 mg/L, ii) της τάξης των 10 mg/L και iii) >100 mg/L. Τα τρία περιστατικά που επιλέχθηκαν να προσομοιωθούν με το BIOCHLOR ήταν ο βιομηχανικός χώρος Bendix Corpοration/Allied Automotive στο Μίσιγκαν, ο χώρος SS-45 της πρώην αεροπορικής βάσης England στη Λουιζιάνα και ο χώρος FTA-2 της αεροπορικής βάσης Tinker στην Οκλαχόμα. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν συνδυασμένα από τη συλλογή περιστατικών και τις προσομοιώσεις με το BIOCHLOR έχουν ως ακολούθως. H παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση αναμένεται να είναι αποτελεσματική σε περιστατικά με μέγιστες συνολικές καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις μικρότερες από 1,5 mg/L και ταχύτητες μεταγωγής κάτω από 15 m/y. Ο προβλεπόμενος χρόνος αποκατάστασης στον χώρο SS-45, που έχει αυτά τα δύο χαρακτηριστικά, υπολογίστηκε ίσος με 67 χρόνια. Το αντίθετο φαίνεται να ισχύει για περιστατικά με μέγιστες συνολικές καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 100 mg/L και ταχύτητες μεταγωγής μεγαλύτερες από 60 m/y. Η μέγιστη εξάπλωση των χλωροαιθενίων στο περιστατικό Bendix, που έχει αυτά τα δύο χαρακτηριστικά, ήταν 1262 m από την πηγή πριν φτάσει σε συνθήκες μόνιμης μεταφοράς 25 χρόνια μετά την έναρξη της διαρροής. Σε ένα περιστατικό ρύπανσης (FTA-2) μετρίου μεγέθους (συγκεντρώσεις της τάξης των 10 mg/L και ταχύτητα μεταγωγής 46,7 m/y) η μέγιστη εξάπλωση των χλωροαιθενίων υπολογίστηκε ίση με 636 m πριν φτάσει σε συνθήκες μόνιμης μεταφοράς 65 χρόνια μετά την έναρξη της διαρροής. Ο ρύπος που βιοαποδομείται πιο αργά και στα τρία περιστατικά που εξετάστηκαν είναι το τριχλωροαιθένιο, σε σχέση με το cis-1,2-διχλωροαιθένιο και το βινυλοχλωρίδιο. Οι χρόνοι ημιζωής που υπολογίστηκαν για το τριχλωροαιθένιο είναι 1,12-3,75 έτη. Η συνεισφορά της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι σημαντική διότι οριοθετεί τις μέγιστες αρχικές συγκεντρώσεις και τις ταχύτητες μεταγωγής στα περιστατικά όπου η παρακολουθούμενη φυσική εξασθένηση αναμένεται να είναι επιτυχής και σε αυτά που αναμένεται να είναι ανεπιτυχής. Επιπλέον, μπορεί να αποτελέσει έναν μερικό οδηγό για την αξιολόγηση της φυσικής εξασθένησης με το BIOCHLOR σε περιστατικά όπου τα δεδομένα συλλέχθηκαν για κάποιο άλλο σκοπό και γι’ αυτό είναι ελλιπή.Groundwater contamination with chloroethenes is a widespread problem due to their toxicity, mobility and persistence, and mostly because they are often released as non-aqueous phase liquids. Monitored natural attenuation is a low-cost remediation method for chloroethene-contaminated sites. For this reason, it is useful to examine the performance of this method in the field, which is the main goal of this thesis. In order to achieve this objective, the first step was to draw conclusions from compilations of chlorinated solvent-contaminated sites, where monitored natural attenuation has been evaluated or implemented. At a second stage, a new compilation of 17 case studies of chlorinated solvents-contaminated sites was created, where remediation by monitored natural attenuation (as a sole remediation technique or in conjunction with others) has been completed, based on data from the U.S.A. National Priorities List. For each of the 17 case studies selected data were gathered and tabulated. These data are divided into two main categories; 1) those concerning the identity of the contaminated site and 2) the key variables that determine the performance of monitored natural attenuation. The category "main characteristics – case study identity" includes the following; U.S.A. Environmental Protection Agency code of the case study, contaminating activity, duration of application of monitored natural attenuation and any active remediation methods used in conjunction with this method for groundwater remediation. The key variables that were considered to determine the performance of monitored natural attenuation were the following; maximum recorded concentrations of chlorinated solvents prior to implementing monitored natural attenuation, seepage velocity, plume extent and presence or absence of mixed contamination. At a third stage, three case studies were simulated with the BIOCHLOR software, in order to determine indicative values for the remediation time, the time and distance of plume stabilization, and to draw conclusions about the effectiveness of monitored natural attenuation. For this purpose, an extensive literature research was carried out, in order to find case studies of chloroethene-contamination in groundwater, where monitored natural attenuation has been evaluated or implemented, in journals, conference proceedings, environmental studies by consulting companies and organizations in the U.S.A. and online databases of U.S.A. environmental and military organizations. Three representative case studies were subsequently selected for the three following ranges of seepage velocities; i) 6-30 m/y, 30-60 m/y and >60 m/y, the following two ranges of plume length; i) 150-500 m and ii) 500-1500 m, and the three following ranges of total maximum chloroethene concentrations; i) 0.1-1.5 mg/L, ii) on the order of magnitude of 10 mg/L and iii) >100 mg/L. The three sites that were chosen to be simulated with BIOCHLOR were the industrial site Bendix Corporation/Allied Automotive in Michigan, the operable unit SS-45 at the former England Air Force Base site in Louisiana and site FTA-2 at Tinker Air Force Base in Oklahoma. The conclusions drawn jointly from the case study compilations and the simulations with BIOCHLOR are as follows. Monitored natural attenuation is expected to be effective at contaminated sites with total maximum recorded concentrations below 1.5 m/L and seepage velocities below 15m/y. The remediation time at site SS-45, which has these two features, was calculated to be 67 years. On the contrary, it seems that monitored natural attenuation is not effective at contaminated sites with recorded maximum total concentrations greater than 100 mg/L and seepage velocities greater than 60 m/y. At the Bendix site, which is representative of these concentration and seepage velocity ranges, chloroethenes travel 1262 m downgradient of the inferred source area before reaching steady state 25 years after their release. At site FTA-2, where contamination is of moderate size (concentrations on the order of 10 mg/L and seepage velocity 46.7 m/y) chloroethenes travel 636 m downgradient of the inferred source area before reaching steady state 65 years after their release. At all three case studies, trichloroethene is the contaminant that is biotransformed most slowly compared with cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride. Calculated trichloethene half-life ranges between 1.12 and 3.75 years. The findings of this thesis are important because it defines the range of maximum concentrations and seepage velocities at case studies where monitored natural attenuation is expected to be successful and at case studies where this method is expected to be unsuccessful. In addition, it provides partial guidance for the evaluation of natural attenuation with BIOCHLOR in case studies where data were obtained for another purpose and therefore are incomplete.Αριάδνη Σ. Ελμαλόγλο