Published November 16, 2010 | Version v1
Publication Open

Water and nutrient balances in a large tile-drained agricultural catchment: a distributed modeling study

  • 1. University of Illinois Urbana-Champaign
  • 2. Pacific Northwest National Laboratory
  • 3. Delft University of Technology
  • 4. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering
  • 5. Tsinghua University

Description

Abstract. This paper presents the development and implementation of a distributed model of coupled water nutrient processes, based on the representative elementary watershed (REW) approach, to the Upper Sangamon River Basin, a large, tile-drained agricultural basin located in central Illinois, mid-west of USA. Comparison of model predictions with the observed hydrological and biogeochemical data, as well as regional estimates from literature studies, shows that the model is capable of capturing the dynamics of water, sediment and nutrient cycles reasonably well. The model is then used as a tool to gain insights into the physical and chemical processes underlying the inter- and intra-annual variability of water and nutrient balances. Model predictions show that about 80% of annual runoff is contributed by tile drainage, while the remainder comes from surface runoff (mainly saturation excess flow) and subsurface runoff. It is also found that, at the annual scale nitrogen storage in the soil is depleted during wet years, and is supplemented during dry years. This carryover of nitrogen storage from dry year to wet year is mainly caused by the lateral loading of nitrate. Phosphorus storage, on the other hand, is not affected much by wet/dry conditions simply because the leaching of it is very minor compared to the other mechanisms taking phosphorous out of the basin, such as crop harvest. The analysis then turned to the movement of nitrate with runoff. Model results suggested that nitrate loading from hillslope into the channel is preferentially carried by tile drainage. Once in the stream it is then subject to in-stream denitrification, the significant spatio-temporal variability of which can be related to the variation of the hydrologic and hydraulic conditions across the river network.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص. تعرض هذه الورقة تطوير وتنفيذ نموذج موزع لعمليات المغذيات المائية المقترنة، بناءً على النهج التمثيلي لمستجمعات المياه الأولية (REW)، إلى حوض نهر سانجامون العلوي، وهو حوض زراعي كبير تم تصريفه من البلاط يقع في وسط إلينوي، وسط غرب الولايات المتحدة الأمريكية. تُظهر مقارنة تنبؤات النموذج مع البيانات الهيدرولوجية والكيميائية الجيولوجية الحيوية المرصودة، بالإضافة إلى التقديرات الإقليمية من دراسات الأدبيات، أن النموذج قادر على التقاط ديناميكيات دورات المياه والرواسب والمغذيات بشكل جيد إلى حد معقول. ثم يتم استخدام النموذج كأداة لاكتساب رؤى حول العمليات الفيزيائية والكيميائية الكامنة وراء التباين بين وداخل السنة لأرصدة المياه والمغذيات. تُظهر تنبؤات النموذج أن حوالي 80 ٪ من الجريان السطحي السنوي يساهم فيه تصريف البلاط، في حين أن الباقي يأتي من الجريان السطحي (التدفق الزائد للتشبع بشكل أساسي) والجريان السطحي. وجد أيضًا أنه على المستوى السنوي، يتم استنفاد تخزين النيتروجين في التربة خلال السنوات الرطبة، ويتم استكماله خلال السنوات الجافة. يحدث هذا النقل لتخزين النيتروجين من السنة الجافة إلى السنة الرطبة بشكل أساسي بسبب التحميل الجانبي للنترات. من ناحية أخرى، لا يتأثر تخزين الفوسفور كثيرًا بالظروف الرطبة/الجافة لمجرد أن ترشيحه طفيف جدًا مقارنة بالآليات الأخرى التي تأخذ الفوسفور من الحوض، مثل حصاد المحاصيل. ثم تحول التحليل إلى حركة النترات مع الجريان السطحي. اقترحت نتائج النموذج أن تحميل النترات من منحدر التلال إلى القناة يتم بشكل تفضيلي عن طريق تصريف البلاط. وبمجرد دخول التيار، يخضع بعد ذلك لإزالة النتروجين أثناء التدفق، ويمكن أن يرتبط التباين المكاني والزماني الكبير باختلاف الظروف الهيدرولوجية والهيدروليكية عبر شبكة النهر.

Translated Description (French)

Résumé. Cet article présente le développement et la mise en œuvre d'un modèle distribué de processus nutritifs couplés à l'eau, basé sur l'approche représentative du bassin versant élémentaire (REW), dans le bassin de la rivière Upper Sangamon, un grand bassin agricole drainé par des carreaux situé dans le centre de l'Illinois, au centre-ouest des États-Unis. La comparaison des prévisions du modèle avec les données hydrologiques et biogéochimiques observées, ainsi que les estimations régionales des études de la littérature, montre que le modèle est capable de capturer raisonnablement bien la dynamique des cycles de l'eau, des sédiments et des nutriments. Le modèle est ensuite utilisé comme un outil pour mieux comprendre les processus physiques et chimiques sous-jacents à la variabilité inter et intra-annuelle des équilibres hydriques et nutritifs. Les prévisions du modèle montrent qu'environ 80 % du ruissellement annuel est apporté par le drainage des carreaux, tandis que le reste provient du ruissellement de surface (principalement l'excès de saturation) et du ruissellement souterrain. On constate également qu'à l'échelle annuelle, le stockage d'azote dans le sol s'épuise pendant les années humides et est complété pendant les années sèches. Ce report du stockage de l'azote de l'année sèche à l'année humide est principalement causé par le chargement latéral des nitrates. Le stockage du phosphore, d'autre part, n'est pas beaucoup affecté par les conditions humides/sèches simplement parce que son lessivage est très mineur par rapport aux autres mécanismes qui extraient le phosphore du bassin, tels que la récolte des cultures. L'analyse s'est ensuite tournée vers le mouvement des nitrates avec ruissellement. Les résultats du modèle suggèrent que la charge de nitrate du talus dans le chenal est préférentiellement transportée par le drainage des carreaux. Une fois dans le cours d'eau, il est ensuite soumis à une dénitrification en cours d'eau, dont la variabilité spatio-temporelle importante peut être liée à la variation des conditions hydrologiques et hydrauliques à travers le réseau fluvial.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Este documento presenta el desarrollo e implementación de un modelo distribuido de procesos acoplados de nutrientes hídricos, basado en el enfoque representativo de cuencas hidrográficas elementales (REW), a la cuenca alta del río Sangamon, una gran cuenca agrícola con drenaje de baldosas ubicada en el centro de Illinois, en el medio oeste de EE. UU. La comparación de las predicciones del modelo con los datos hidrológicos y biogeoquímicos observados, así como las estimaciones regionales de los estudios de la literatura, muestra que el modelo es capaz de capturar la dinámica de los ciclos del agua, los sedimentos y los nutrientes razonablemente bien. El modelo se utiliza como una herramienta para obtener información sobre los procesos físicos y químicos que subyacen a la variabilidad interanual e intraanual de los balances de agua y nutrientes. Las predicciones del modelo muestran que alrededor del 80% de la escorrentía anual proviene del drenaje de las baldosas, mientras que el resto proviene de la escorrentía superficial (principalmente el exceso de flujo de saturación) y la escorrentía subsuperficial. También se encuentra que, a escala anual, el almacenamiento de nitrógeno en el suelo se agota durante los años húmedos y se complementa durante los años secos. Este arrastre del almacenamiento de nitrógeno del año seco al año húmedo se debe principalmente a la carga lateral de nitrato. El almacenamiento de fósforo, por otro lado, no se ve muy afectado por las condiciones húmedas/secas simplemente porque la lixiviación del mismo es muy menor en comparación con los otros mecanismos que sacan el fósforo de la cuenca, como la cosecha de cultivos. A continuación, el análisis se centró en el movimiento de nitrato con escorrentía. Los resultados del modelo sugirieron que la carga de nitrato desde la ladera hacia el canal es transportada preferentemente por el drenaje de baldosas. Una vez en el arroyo, se somete a desnitrificación en el arroyo, cuya variabilidad espacio-temporal significativa puede estar relacionada con la variación de las condiciones hidrológicas e hidráulicas en toda la red fluvial.

Files

hess-14-2259-2010.pdf.pdf

Files (983.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a93f88fc0fe0b909ffafd03f9cea556e
983.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
أرصدة المياه والمغذيات في مستجمعات المياه الزراعية الكبيرة التي تم تصريفها من البلاط: دراسة نمذجة موزعة
Translated title (French)
Équilibres de l'eau et des nutriments dans un grand bassin versant agricole drainé par des carreaux : une étude de modélisation distribuée
Translated title (Spanish)
Balances de agua y nutrientes en una gran cuenca agrícola con drenaje de baldosas: un estudio de modelado distribuido

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2142092387
DOI
10.5194/hess-14-2259-2010

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1535966020
  • https://openalex.org/W1970364817
  • https://openalex.org/W1973361800
  • https://openalex.org/W1979841118
  • https://openalex.org/W1990008323
  • https://openalex.org/W1993957846
  • https://openalex.org/W1996892394
  • https://openalex.org/W2000605989
  • https://openalex.org/W2004583508
  • https://openalex.org/W2015424143
  • https://openalex.org/W2017818055
  • https://openalex.org/W2033904036
  • https://openalex.org/W2039629180
  • https://openalex.org/W2042162941
  • https://openalex.org/W2057197369
  • https://openalex.org/W2058442609
  • https://openalex.org/W2062072073
  • https://openalex.org/W2064090014
  • https://openalex.org/W2068534605
  • https://openalex.org/W2073939896
  • https://openalex.org/W2089048469
  • https://openalex.org/W2099237921
  • https://openalex.org/W2105811326
  • https://openalex.org/W2115786653
  • https://openalex.org/W2130675673
  • https://openalex.org/W2135003112
  • https://openalex.org/W2138330637
  • https://openalex.org/W2155044631
  • https://openalex.org/W2161186504
  • https://openalex.org/W2167260850
  • https://openalex.org/W2264207557
  • https://openalex.org/W3036717165
  • https://openalex.org/W4255433472