Future water requirements for rice irrigation in the Pardo river basin (Brazil)

The objective of this research was to estimate the future water requirements for rice paddy irrigation in the Pardo River Basin (Brazil) taking into account the changes in cultivation systems that are likely to occur in the near future in that region. After identifying the major trends in the rice cultivation systems, different scenarios were set and the water requirements for these scenarios were estimated using mathematical modelling and geoprocessing techniques. Census data indicate that the rice-growing area in the Pardo River Basin is expanding. However, the use of water per hectare is decreasing, as a result of increasing water use efficiency. The main agent behind this higher efficiency is land-levelling, which allows for a reduced volume of water required for flooding the paddies. Despite this improvement however, the overall water demands in future scenarios will still be greater than the current demands due to the expansion of the farmed area. However, these demands can be minimized if land-levelling is adopted more intensively across the entire Basin. Otherwise, there will be a need for either controlling the expansion of the rice-growing area, or increasing water availability through construction of additional reservoirs to minimize potential conflict amongst water users in the near future

Modelos matemáticos aplicados a drenagem subsuperficial de solos agrícolas

O comportamento de um sistema de drenagem subsuperficial, instalado em perfil característico de nossa várzea, foi simulado através de dois modelos matemáticos: o modelo analítico linear de Kraijenhoff e um modelo numérico não-linear. O primeiro combina a solução de Glover com a teoria dos sistemas lineares invariantes no tempo. O segundo converte a equação diferencial num sistema de equações lineares, substituindo as derivadas po r equações de diferenças finitas . O esquema utilizado foi o de Crank -Nicholson, e o sistema de equações resolvido pelo algorítimo de Gauss'. Os modelos foram analisados quanto aos res ultados, custos, vinculação ao computador e possibilidade de utilizaçao pela comunidade técnico-científica em geral. A análise destes aspectos mostrou que o modelo não - linear constitui urna ferramenta computacional de baixíssimo custo, adequado à geometria de nossa várzea e que pode ser aplicado no dimensionamento de sistemas de drenagem subsuperficial a serem implantados nestas áreas.The behavior of a subsurface drainage system, installed in a characteristic profile of our flood plain, was simulated using two mathematical models: Kraijenhoff's analytical linear model and a non-linear numerical model. The first one combines Glover's solution with the theory of time-invariant linear systems. The second one converts the differential equation into a system of linear equations, replacing the derivates by finite difference equations. Crank-Nicholson's scheme was used, and the system of equation solved by the Gauss algorithm. The models were analyzed as to results, costs, computer aspects and possible uses by the techinical and scientific community in general. The analysis of these aspects showed that the non-linear model is a very low-cost computational tool, appropriate to the geometry of our flood plains and can be applied in establishing the size of subsurface drainage systems to be installed in these areas

Impacto potencial de mudanças climáticas sobre as necessidades de irrigação da cultura do milho no Rio Grande do Sul

A cultura do milho representa uma parcela importante da produção agrícola do Rio Grande do Sul, sendo cultivada na maior parte na modalidade de sequeiro. Desta forma, sua produtividade é altamente influenciada pela quantidade de chuva ocorrida nos meses de verão, sen‑ do que vários trabalhos apontam que o milho irrigado pode apresentar rendimentos muito superiores. Neste trabalho, propusemos um modelo simplificado de balanço hídrico no solo, de forma a avaliar as necessidades de irrigação em uma área experimental no município de Eldorado do Sul‑RS. A este modelo foram acoplados os resultados de 20 modelos de circulação global atmosfera‑oceano (AOGCMs), de forma a avaliar o impacto de eventuais mudanças climáticas futuras sobre as necessidades de irrigação. Os resultados mostraram que o milho de sequeiro, que atualmente já tem produção restrita nesta área específica, deverá se tornar inviável no futuro. O balanço hídrico tende a ficar mais crítico, principalmente devido à maior evapotranspiração.Corn crops represent an important share of agricultural outputs of Rio Grande do Sul, but only a small fraction of the cultivated area is under irrigation. This crop is very sensible to variability in rainfall, with yields varying significantly in presence of irrigation in some cases. In this work, we propose a simple soil water budget model, in order to account for irrigation requirements in a experimental site in Eldorado do Sul‑RS. We coupled the results of 20 Atmosphere‑Ocean Global Circulation Models (AOGCMS) to the model in order to assess the impact of climate change over irrigation requirements. Re‑ sults show that corn cultivation without irrigation tends to become unviable in the future in this region. Water budget tend to become more critical, mostly because of a higher evapotranspiration

Applying and assessing swap and hydrus 1d models in different agricultural scenarios

O entendimento dos processos de fluxo e armazenamento de água no solo é extremamente importante, pois permite planejar e gerenciar o uso dos recursos hídricos no sistema solo-planta-atmosfera. Diversos modelos denominados agro-hidrológicos são empregados com essa finalidade, sejam eles de domínio público ou comerciais, simples ou complexos. No presente trabalho, dois modelos públicos, SWAP e HYDRUS 1D, amplamente utilizados em simulações unidimensionais do fluxo de água foram aplicados para quantificar o balanço hídrico em dois cenários agrícolas significativamente distintos. A partir dos seus resultados, os modelos foram avaliados tendo como referência dados observados de profundidades do lençol freático e drenagem pela base do perfil do solo. As avaliações indicaram um bom desempenho de ambos os modelos, expresso por meio dos coeficientes estatísticos adotados. Adicionalmente, os resultados dos dois modelos relativos a outras variáveis não observadas em campo foram comparados entre si. A aderência foi muito boa tanto para os perfis de umidade como para os valores de evaporação calculados.The understanding of water flow and storage processes in the soil is extremely important once it provides means for an effective water resource planning and management within soil-crop-atmosphere system. Several agro hydrologic models are used for this purpose, irrespective of whether they are public or commercial, simple or complex. In the present paper, two public models - SWAP and HYDRUS 1D, widely utilized in onedimensional water flow simulations, were applied for quantifying the water balance under two significantly distinct agricultural scenarios. Based on the results, the models were then evaluated through comparisons with the observed groundwater levels and drainage through the bottom of the soil profile. The results showed good performance of both models, expressed by means of the adopted statistics. Additionally, the results provided by the two models concerning other variables not observed in the field were compared among themselves. Good adherence was found for moisture profiles as well as for the calculated evaporation values

Performance evaluation of the water balance simulation model ISAREG

O modelo ISAREG simula o balanço de água no solo. Seu desempenho nas condições do Planalto Médio do Rio Grande do sul, foi avaliado através da comparação do conteúdo de umidade do solo, obido na simulação do balanço de água no sistema solorplantaratmosfera, com os dados medidos por tensiômetros visando validar seu uso para a Regi o. A avaliação do modelo foi de realizada uilizando como cultura de referência uma gramínea perene, adotando os parâmetros edáficos e agrometeorológicos da Embrapa Trigo, de Passo Fundo, RS. Os resultados mostraram o alto potencial de aderência do modelo. De acordo com os indicadores esta sicos obidos na avaliação, coeficiente de correlação, índice de concordância e de desempenho, o modelo foi classificado como muito bom e pode ser uilizado para simular o balanço hídrico na região do Planalto Médio do RS.The ISAREG model simulates the soil water balance. The performance of the model was evaluate in the condi ons of the Planalto Medio Region, in Rio Grande do Sul State (Brazil). Comparisons among soil water contents es mated by the water balance of the soil plant atmosphere system and observed data from tensiometers were performed, in order to validate the model for the Region. A perennial grass was used as reference crop for tes ng the model, while the soils and meteorological parameters were collected at the Embrapa Trigo Center, in Passo Fundo, RS (Brazil). The results showed a high poten al adherence among simulated and observed data, so indica ng an adequate performance of the model in those condi ons. According the sta s cal indicators obtained from regression analyses, the performance of the ISAREG model was considered as very good and it can be used for the water balance of the “Planalto Medio” Region (RS)

Evaluation of different formulations of the van Genuchten-Mualem hydraulic conductivity model

O fluxo de água na zona não saturada é regido pela interação entre as condições naturais na superfície e as propriedades hidráulicas do solo, sendo que dentre essas últimas a condutividade hidráulica tem grande importância. Dentre os vários modelos existentes que procuram representar analiticamente sua relação com a umidade ou com o potencial matricial, o mais amplamente utilizado é o que resulta da combinação das equações de Mualem (1976) e van Genuchten (1980). Na sua versão mais difundida, uma limitação é a imposição da dependência entre os parâmetros de forma m e n. Mais recentemente, Dourado Neto et al. (2011) propuseram uma nova formulação para as funções de condutividade hidráulica propostas por van Genuchten-Mualem e van Genuchten-Burdine, onde é possível tratar os parâmetros m e n de forma independente. O presente trabalho teve por objetivo comparar o desempenho da formulação original do modelo de van Genuchten-Mualem com o desempenho da nova formulação proposta por Dourado Neto et al. (2011), considerando diferentes tipos de solos e diferentes bases de dados. Segundo os índices estatísticos calculados, os modelos apresentaram desempenhos semelhantes e seus resultados se mostraram fortemente dependentes dos valores do parâmetro n. Adicionalmente, os dois modelos apresentaram desempenhos superiores quando a base de dados utilizada para ajuste dos parâmetros incluiu, além de dados da curva de retenção, dados de condutividade hidráulica não saturada. Também verificou-se o número de termos da série infinita que compõe o segundo modelo para que houvesse sua convergência ao valor da condutividade hidráulica saturada. Os resultados obtidos mostraram que não houve convergência para valores de n próximos de 1 (n = 1,12887 na simulação S2 e n = 1,06688 na simulação S6) e que houve convergência para valores de n ligeiramente superiores a 2 (n = 2,35755 na simulação S4 e n = 2,06719 na simulação S8).Water flow in vadose zone is driven by the interaction between natural conditions in the surface and hydraulic properties of the soil, and among the latter, hydraulic conductivity has a great importance. Among several existing models to analytically represent its relationship with water moisture and pressure head, the most widely used is the resulting model of the Mualem (1976) and Genuchten (1980) combination. A significant limitation of the van Genuchten-Mualem model is the assumption of dependency between m and n shape parameters of retention curve. More recently, Dourado Neto et al. (2011) proposed a new formulation for hydraulic conductivity functions developed by van Genuchten-Mualem and van Genuchten-Burdine, which considers m and n as independent parameters. The objective of this study was to compare the performance of the original van Genuchten-Mualem model to that of the modified model for m and n proposed by Dourado Neto et al. (2011), considering different types of soil and database. According to the statistical indexes, the models had similar performance and their results were highly dependent from values of the parameter n. In addition, the 2 models had better performance when the database used for adjustment of parameters included not only data of retention curve, but also data of unsaturated hydraulic conductivity. Moreover, the number of terms of the infinite series that takes part in the second model was verified, so that there was its convergence to the value of the saturated hydraulic conductivity . Results showed that no convergence was observed for n values close to 1 (n = 1.12887 in simulation S2 and n = 1.06688 in simulation S6), and convergence was observed for n values slightly higher than 2 (n = 2.35755 in simulation S4 and n = 2.06719 in simulation S8)

Condições de drenagem relacionadas ao trânsito de máquinas em solo de várzea (RS-Brasil)

A exploração dos solos de várzeas do Rio Grande do Sul, Brasil, tem sido historicamente restrita ao binômio arroz irrigado-pecuária extensiva. Dentre os diversos fatores que contribuem para este quadro, as más condições de drenagem são dos mais restritivos, haja vista que, especificamente em relação ao arroz irrigado, tal situação acarreta atraso no plantio com conseqüente queda da produtividade. Como objetivo inicial, o modelo SWAP foi validado com dados de um solo típico das várzeas do Rio Grande do Sul, para posteriormente se empregá-lo na simulação de diversos cenários sob diferentes condições de drenagem e os resultados dessas simulações foram confrontados com critérios que avaliam a possibilidade de preparo do solo, com base em sua umidade. Este confronto mostrou haver relação muito estreita entre a drenagem subsuperficial e superficial; quando esta é satisfatória, os perfis de umidade podem ser compatíveis com o preparo do solo, mesmo com drenos subsuperficiais bastante espaçados; caso contrário, o crescimento no número de dias aptos para a mecanização exige a presença de drenos subsuperficiais muito próximos.The exploration of flood plains soils in the State of Rio Grande do Sul (Brazil) has been historically restricted to the binomial ‘irrigated rice crop – livestock’. Among several factors that contribute to that situation, the bad drainage conditions are one of the most important. In relation to irrigated rice, this situation promotes late planting and, consequently, productivity reduction. After validation with measured data in a typical flood plain soil of Rio Grande do Sul, the SWAP model was used to simulate scenarios under different drainage conditions. The results were compared with criteria that evaluate soil tillage possibility based on moisture values. This comparison showed a close relationship between subsurface and surface drainage. When surface drainage is satisfactory, soil moisture contents can be compatible with soil tillage, even if subsurface drains are too widely spaced. Otherwise, the increase in number of workable days for mechanization requires very closely-spaced subsurface drains

Risco econômico do feijão irrigado no Rio Grande do Sul

A lavoura empresarial irrigada de feijão, da região do Planalto Médio do Rio Grande do Sul (RS), responde por 30 % da produção total de grãos de feijão do RS. Essa atividade é considerada de risco devido às grandes oscilações da produção e do mercado. O objetivo deste trabalho foi analisar - através do método de Monte Carlo - a viabilidade da cultura do feijão irrigada, por pivô central, sob várias condições de risco econômico, numa propriedade situada na região do Planalto Médio do Rio Grande do Sul. Os resultados obtidos a partir do perfil dos cenários de risco - avaliados pela distribuição da probabilidade da Taxa Interna de Retorno (TIR) - mostraram que a variação da depreciação do pivô e a variação da tarifa da energia elétrica consumida no sistema de irrigação não acarretam risco de inviabilizar a prática da irrigação do feijão. Por outro lado, com a regulamentação da cobrança pelo uso da água, com a tarifa de consumo fixada em R$0,02 m-3 , acarreta um risco de 4,09$ 0,04 m-3 inviabiliza em 100 % a irrigação da lavoura do feijão. A variação dos preços do kg de feijão recebidos pelo produtor tem um risco de inviabilizar o investimento da ordem de 1,1 %. A variação nos rendimentos, atribuída à irrigação, representa um risco de 30,85 % de inviabilizar a prática da irrigação na lavoura do feijão, classificando a viabilidade do investimento em 69,15 %.It has been performed in beans cropped area of the Planalto Medio, using the central-pivot system and being responsible for 30% of the local beans crop yield. This It is classified like sensible activity owing to great yields and marked things. The purpose of this work was to estimate the economic viability of the central-pivot irrigation system on variable economic conditions for a Planalto Medio farm in the State of Rio Grande do Sul through the Monte Carlo method. By the select sceneries risk profile get by the probability distribution of the Internal Rate of Return (TIR) occurrence, the fluctuation of the irrigation equipment useful life and the alteration on electric energy duties of the consumer unit didn’t generate risk to the economical viability of beans irrigation; the regulation of the water use encashment for water duty consume at R$0,02 get a economic viability risk for 4,09$ 0,04 cames the project 100 % no viable. The changes in product prices get a no viable risk for 1,1 % and the variation on irrigation grain yields give a 30,85 % risk at the infeasibility of the beans irrigation practice

Use of rainfall data obtained by remote sensing in an agro-hydrological model

Nos últimos anos, dados de precipitação provenientes de sensoriamento remoto têm se tornado potencialmente úteis para estudos hidrológicos e agronômicos, ganhando maior importância em regiões onde as variáveis climáticas obtidas por métodos convencionais são limitadas ou inexistentes. Séries de precipitação são variáveis de entrada em modelos agro-hidrológicos que simulam diferentes cenários em áreas agrícolas. Nesse sentido, esse trabalho teve como objetivo comparar os resultados da aplicação do modelo agro-hidrológico SWAP durante os anos 2008 e 2009, utilizando dados de precipitação obtidos por sensoriamento remoto e de forma convencional. Foram realizadas simulações com e sem o cultivo de soja, sendo analisadas as variáveis evaporação, transpiração, interceptação, escoamento superficial e drenagem pela base do perfil do solo. Essas simulações ocorreram em cenários caracterizados pelo solo predominante na sub-bacia do arroio Taboão, inserida na bacia do rio Potiribu, município de Pejuçara, Rio Grande do Sul. As maiores diferenças ocorreram no escoamento superficial e na drenagem pela base do perfil do solo. As estimativas das demais variáveis, mesmo que com diferenças menores, também indicaram que o emprego de uma série de dados pontuais de precipitação obtidos de satélite, a partir de uma resolução de 8 km, transferiu erros significativos aos resultados do balanço hídrico.In the last years, precipitation data obtained from remote sensing have become potentially useful in agricultural and hydrological studies, acquiring greater importance in regions where climatic variables obtained by conventional methods are limited or nonexistent. Precipitation data are input variables for agro-hydrological models that simulate different scenarios in agricultural areas. Thus, this study compares the application results of the agrohydrological model SWAP during 2 years, 2008 and 2009, using rainfall data obtained by remote sensing and conventional methods. Simulations were performed with and with no soybean cultivation, and the evaporation, transpiration, interception, runoff and bottom flux variables were evaluated. These simulations occurred in scenarios characterized by the predominant soil in the Taboão sub watershed, located in the Potiribu river watershed, Rio Grande do Sul state, Brazil. Major differences were found in runoff and bottom flux parameters. Estimates of the other variables, even with minor differences, also showed that the use of rainfall point data obtained by satellite at 8-km resolution transferred significant errors to the results of water balance