Field experiment and numerical modelling of water flow, solute fate under micro irrigation system in oasis arid climate south part of Tunisia

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

In southern Tunisia, underground water is the only resource available to cover irrigation and different domestic needs. Until the beginning of the last century, aquifers exploitation was carried from artesian springs or foggara hollowed on the mountainside. The ancient oases owed their existence to the water of several artesian springs from fossil aquifers common to Tunisia, Algeria and Libya. In the Nefzaoua area, the CT aquifer is the main source for irrigation and is therefore showing signs of over exploitation, particularly in terms of salinity levels reaching 10g/L. Indeed, over time, the excessive use of these resources had led to a serious impact on groundwater. The extension of oases, the creation of boreholes and private agricultural activity as well as illicit wells have led to an overexploitation of the fossil water resources, resulting in a deterioration of the water quality. On the other hand, in this part of southern Tunisia, most of the phreatic aquifers are supplied by drainage water and irrigation water return flow, with a high salinity that varies between 3 and 10 g/l. In the Nefzaoua area, the Chott Jerid, which has always constituted the natural discharge of the SASS aquifers, now represents a risk of salinisation of these reservoirs by inversion of the hydraulic gradients due to overexploitation. Furthermore,in southernTunisia, irrigated farmland is dominated by the flood irrigation methods, which cause significant losses of percolation due to drought, irrigation intervals and poor irrigation management. Indeed, several scientific research undertaken in these regions showed an alarming situation and degradation of oasis resources (e.g. Salts accumulation in the root zone, saline water irrigation, aquifers overexploitation, etc.) Indeed, socio-economic changes and development policy options have largely make irrigation methods the focus of water and land resource saving. Authorities’ strategies should be focused on farmers’ practices. Oasis development can only be consolidated with a view to ensure its sustainability only with optimizing irrigation management and taking into account the needs of plants, water quality and soil salinityas well as the adequate irrigation technique. Inarid environment, a water saving technique, such “micro-irrigation system” with its different ways (drip irrigation, bubbler irrigation or buried diffusers) seems to be an appropriate solution in conserving water by reducing evaporation and deep percolation. The objective of this study is to quantify, through in situ monitoring and various models, the efficiency of micro-irrigation systems in a context of aridity and poor quality of available water. At present, Jemna site belonged to AVFA Kebeli (Extension Agency and the Agricultural Training), which is located at Nefzaoua region, Kbeli gouvernorat, South part of Tunisia, is equipped with two different system of micro-irrigation: the bubbler and sub-surface (Chahbani Tunisian system).In the study area, the water table is 30 m deep. The irrigation water comes from the CT with a relatively high salinity of about 4.5 dSm-1. The phenomenon of solute return flow from irrigation does not seem to be a short-term problem in our case study, but overexploitation of the CT, water lossthrough poor irrigation management and land salinisation is the focus of our research. Indeed, climatic variables, irrigation, and soil monitoring on Jemna oasis was done from April 2018. Real time monitoring of soil properties (salinity, water content and temperature) was done using frequency domain reflectometry (FDR-5TE sensor) from April 2018 at different soil depth under two micro-irrigation system.The approach is to calibrate water transfer and solute fate models in porous media under two micro-irrigation system using HYDRUS software. Therefore, the present work deals with the performance of two micro-irrigation system to preserve oasis from soil salinity degradation and to test their use for date palm root water uptake under farmer practices and different irrigation strategies. To achieve these tasks, in the firstpart of the study (chapter 2 and 3), we tested the performance of two FDR sensors the 5TE and WET. The choice of soil moisture sensor for real time monitoring was based on calibrationand validation results. The5TE smart irrigation sensor was selected because it gave better accuracy of measurement. The second part of this work (chapter 4) deals with modelling of root water uptake, salinity distribution and yield production under subsurface irrigation system using HYDRUS-2D model. The focus of this partis testing the innovative Tunisian irrigation system “CHAHBANI system” under oases condition and discussing the different buried diffuser position regarding soil salinity distribution, root water uptake and yield production of date palm.To full these objectives, Hydrus 2D model was calibrated and validated using data of two-crop growth season (2018 and 2019). Subsequently, management scenarios corresponding to the position of the Chahbani buried diffuser (distance from the palm trunk and soil depth) were studied using 100% ETc. For the second irrigation system, the “bubbler system” a Hydrus1d model was used after calibration and validation for datepalm root uptake and soil salinity distribution. Moreover, a long-term oases sustainability under Tunisian future climate change was investigated. The results showed that the large amounts of water applied during flood irrigation were successful in soil leaching, but did not increase yield. For both observed cropping seasons, the amount of root water uptake was less than 100% of the crop water requirement. This result could be explained by the poor performance of the irrigation schedule (dose and frequency) practiced by the technical staff of the AVFA centre. The impact of irrigation management is significant on yield and consideration of the salinity problem is necessary to obtain better results. The scenarios varying the positions of the buried diffuser showed that its installation at the level of the date palm canopy (X=1.5 m), resulted in the lowest water uptake by the roots and the lowest calculated relative yield (402 mm and 34%, respectively). The T4opt scenario (X=0.5 m, Z=0.6 m), whose position corresponds to the maximum root density of the date palm, showed an increase inwater uptake efficiency by 37%. Furthermore, an increase in salinity at the soil surface layer (0-0.40 m) was noted along the entire lateral length, except in the wetted area near the emitter. This result is related to the high evaporation combined to thelack of spreading surface irrigation water. In addition, the fraction required for leaching did not reduce salinity for the first 0.40 m deep. In view of these results, for an arid environment and brackish water, we recommend using the Chahbani irrigationsystem considering occasional or alternate surface irrigation. The objective is to avoid the accumulation of salts on the soil surface and at the edge of the water bulb, which can have a negative impact on the sustainability of the oases. Long-term studies on subsurface irrigation are therefore strongly needed. The challenge is to consider not only yield production and water saving, but also environmental aspects such as soil and groundwater degradation. It is also important to assess the impacts of climate change related to increasing temperature and decreasing precipitation on the oasis system when using subsurface systems.

روابط وملفات

التعريف والنوع

رقم الوثيقة

fe294ca3-47bd-4a26-8298-16814d4b6d66

رقم العقد

0

نوع الوسائط

Crawler

نوع المحتوى

الرسائل العلمية

صيغة المصدر

رسائل دكتوراة

نوع الملف

pdf image

أسماء الملفات

fe294ca3-47bd-4a26-8298-16814d4b6d66_1.pdf

بيانات النشر

ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":"Fethi Bouksila","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"Nessrine Zemni","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"},{"name_ar":"Rachida Bouhlila","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"Slama Fairouz","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"}]

اللغة

English

المصدر والدورية

اسم المصدر

Field experiment and numerical modelling of water flow, solute fate under micro irrigation system in oasis arid climate south part of Tunisia

المحتوى والصفحات

عدد الصفحات

0

ترجمة الملخص

Dans le sud tunisien, les eaux souterraines constituent la seule ressource disponible pour couvrir l'irrigation et les différents besoins domestiques. Jusqu'au début du siècle dernier, l'exploitation des aquifères se faisait à partir de sources artésiennes ou de foggara creusées à flanc de montagne. Les anciennes oasis ont dû leur existence à l'eau de plusieurs sources artésiennes provenant d'aquifères fossiles communs à la Tunisie, l'Algérie et la Libye. Au niveau de la zone de Nefzaoua l’aquifère CT représente la principale source pour l'irrigation et connait de ce fait, de grands signes de surexploitation qui se traduit en particulier par des salinités atteignant les 10g/L. En effet, avec le temps, l’utilisation excessive de ces ressources avait conduit à un impact sérieux sur les eaux souterraines. L'extension des oasis, la création de forages et l'activité agricole privée ainsi que les puits illicites ont conduit à une surexploitation de la nappe fossile induisant une détérioration de la qualité de l’eau. D'autre part, dans ces régions du sud tunisien, la plupart des aquifères phréatiques sont alimentées par les eaux de drainage et les retours des eaux d'irrigation, avec une forte salinité qui varie entre 3 et 10 g/l. Dans la zone de la Nefzaoua, le Chott Jerid qui a toujours constitué l'exutoire naturel des nappes du SASS, représente aujourd'hui un risque de salinisationde ces réservoirs par inversion des gradients hydrauliques du fait de la surexploitation. De plus, dans le sud tunisien, les terres agricoles irriguées sont dominées par les méthodes d'irrigation traditionnelles «la technique desubmersion», cette technique en effetentraîne des pertes importantes de percolation dues à la sécheresse, aux intervalles d'irrigation et à une mauvaise gestion de l'irrigation. A ce sujet,plusieurs recherches scientifiques dans ces régions ont montré une situation alarmante et une dégradation des ressources oasiennes (par exemple, l'accumulation de sels dans la zone racinaire, l'irrigation avec des eaux salines, la surexploitation des aquifères, etc.) Les changements socio-économiques et les options de politique de développement ont largement fait des méthodes d'irrigation le point central de l'économie des ressources en eau et en terre. Les stratégies des autorités doivent être axées sur les pratiques des agriculteurs. Le développement des oasis ne peut être consolidé en vue d'assurer sa durabilité qu'en optimisant la gestion de l'irrigation et en tenant compte des besoins des plantes, de la qualité de l'eau et de la salinité du sol ainsi que de la technique d'irrigation adéquate. En milieu aride, une technique d'économie d'eau, telle que le "système de micro-irrigation" avec ses différents modes (goutte à goutte, irrigation par bulles ou diffuseurs enterrés) semble être apriori une solution appropriée pour conserver l'eau en réduisant l'évaporation et la percolation profonde. Dans ce contexte, l'objectif de cette étude est ainsi quantifier, par des suivis in situ et différentes modélisations, l'efficience des systèmes de micro-irrigation dans un contexte d'aridité et de qualité médiocre des eaux disponibles. Actuellement, le site de Jemna appartenant à l'AVFA Kebeli (Agence de vulgarisation et de formation agricole), qui est situé dans la région de Nefzaoua, gouvernorat de Kbeli, partie sud de la Tunisie, est équipé de deux systèmes différents de micro-irrigation : le barboteuret le diffuseur enterré (système tunisien Chahbani). Au niveau de la zone d’étude la nappe phréatique se situe à 30 m de profondeur. L’eau d’irrigation provient du CT avec une salinité relativement élevée de l’ordre de 4.5 dSm-1. Le phénomène du retour de soluté d’eau d’irrigation semble ne pas être un problème à court terme au niveau de notre cas d’étude mais la surexploitation de la CT, le gaspillage d’eau par la mauvaise gestion d’irrigation et la salinisation des terres est le cœur de notre recherche. Acette fin, le suivi des variables climatiques, de l'irrigation et du sol a été effectué à partir d'avril 2018. Le suivi en temps réel des propriétés du sol (salinité, teneur en eau et température) a été fait en utilisant des sondes FDR(capteur FDR-5TE)à partir d'avril 2018. Six sondes ont été installées à différentes profondeurs dans la zone racinairepour chaque système de micro-irrigation. L'approche consiste à calibrer et validerle modèle HYDRUS afin d’étudier la distribution de la salinité en milieu poreuxsous micro irrigation. Par conséquent, le travail discute l’utilisation des deux systèmes de micro-irrigationsous condition oasienne. Leurs performances en termes d’extraction racinaire de l’eau enfonction des pratiques agricoles et des différentes stratégies d'irrigation ont été testées. Pour réaliser ces tâches, dans la première partie de l'étude (chapitre 2 et 3), nous avons testé les performances de deux capteurs FDR : le 5TE et le WET. Le choix du capteur d'humidité du sol pour le suivi en temps réel était basé sur les résultats de calibration et de validation. Le capteur d'irrigation intelligent 5TE a été sélectionné car il offrait une meilleure précision de mesure. La deuxième partie de ce travail (chapitre 4) concernela modélisation des transferts hydrosalins .Le premier objectif de cette partie est de tester la performance du système d'irrigation tunisien, le diffuseur enterré «CHAHBANI» sous palmier dattieret de discuter des différentes positions possibles pour son installation, tout en tenanten compte la distribution de la salinité du sol, l'absorption d'eau par les racines et la production du palmier dattier. Pour remplir ces objectifs, le modèle Hydrus 2D a été calibré et validé en utilisant les données observées des deux années culturales (2018 et 2019). Par la suite, des scénarios de gestion correspondant à la position du diffuseur enterré de Chahbani (distance du tronc du palmier et profondeur du sol) ont été étudiés en utilisant 100% d'ETc. Le deuxième objectif concerne l’évaluation du système d'irrigation «barbotteur»sous palmier dattier en termes de l’extraction racinaire et du rendement. Le modèle Hydrus1d a été utilisé après calibration et validation pour déterminer du palmier dattier et la distribution de la salinité au niveau de la zone non saturée. De plus des différents scenarios d’irrigation en termes de fréquence et de dose ont été testés. En outre, la durabilité à long terme des oasis dans le cadre du changement climatique futur de la Tunisie a été également étudiée pour déterminer le besoin en eau aux horizons 2050 et 2100 du palmier dattier. Les résultats ont montré que les grandes quantités d'eau appliquées lors de l'irrigation par submersion ont réussi le sol, mais n'ont pas augmenté le rendement. Pour les deux saisons de culture observées, la quantité d'eau absorbée par les racines était inférieure à 100% des besoins en eau des cultures. Ce résultat pourrait être dû à la faible performance du calendrier d'irrigation (dose et fréquence) pratiqué par le personnel technique du centre AVFA. L'impact de la gestion de l'irrigation est significatif sur le rendement et la prise en compte du problème de la salinité est nécessaire pour obtenir des meilleurs résultats. Les scénarios variant les positions du diffuseur enterré ont démontré que son installation au niveau de la canopée du palmier dattier (X=1,5 m), a entraîné la plus faible absorption d'eau par les racines et le plus faible rendement relatif calculé (402 mm et 34%, respectivement). Le scénario T4opt (X=0,5 m, Z=0,6 m), dont la position correspond à la densité maximale des racines du palmier dattier, a montré une augmentation en efficience d’absorption d'eau par 37 %. De plus, une augmentation de la salinité en niveau de la couche superficielle du sol (0-0.40 m) était notée sur toute la longueur latérale, sauf dans la zone mouillée près de l'émetteur. Ce résultat est dû à l'évaporation importante combinée àl'absence d'épandage superficiel de l'eau d'irrigation. De plus, la fraction requise pour le lessivage n'a pas permis de réduire la salinité pour les premiers 0,40 m de profondeur. Au vu de ces résultats, pour un milieu aride et une eau saumâtre, nous recommandons d'utiliser le système d'irrigation Chahbani en considérant une irrigation de surface occasionnelle ou alternée. L'objectif est d'éviter l'accumulation de sels à la surface du sol et au bord du bulbe d'eau, ce qui peut avoir un impact négatif sur la durabilité des oasis. Des études à long terme sur l'irrigation souterraine sont donc fortement nécessaires. Le défi est de considérer non seulement la production de rendement et l'économie d'eau, mais aussi les aspects environnementaux tels que la dégradation des sols et des eaux souterraines. Il est également important d'évaluer les impacts du changement climatique liés à l'augmentation de la température et à la diminution des précipitations sur le système oasien lors de l'utilisation de systèmes souterrains.

إشراف وإعداد

الإشراف

Fethi Bouksila, Rachida Bouhlila, Slama Fairouz

الإعداد

Nessrine Zemni

الاقتباسات الببليوغرافية