Computer-based expert system to optimize the water supply for modern irrigation systems in selected regions in Egypt

Abstract

Ägypten ist ein arides Land und es ist sehr niederschlagsarm; die Landwirtschaft hängt daher von der Bewässerung ab. Der Nil deckt alswichtigste Wasserressource etwa 97 % des Wasserbedarfs aller Nutzer. Für das Jahr 2001 schätzt man, daß der Gesamtbedarf allerNutzer 70 (FAO, 1997) oder 73 (Bishay, 1993) mrd. m3 erreicht. Die Erschließung zusätzlicher Wasserressourcen in naher Zukunft ist nichtwahrscheinlich. Ägypten hat einige praktische Feldmethoden, mit denen die Wasserverluste reduziert und die water use efficiency erhöhtwerden kann. Was jedoch fehlt, ist die genaue, wissenschaftlich fundierte Regulierung der Bewässerungswassermenge, und dieQuantifizierung der Effekte der Regulierung im Hinblick auf die water use efficiency. Das Untersuchungsgebiet ist eine Erweiterungsflächenvon 150.000 ha im Raum Port Said und 275.000 ha östlich des Suezkanals im Nord-Sinai und sollen mit dem sogennantenEl-Salam-Kanal (mischwasser: EC = 1,5 dS m-1) bewässert werden. Zu Berechnung die Referenze-Evapotranspiration (ETo), wurdePenman-Monteith Gleichung als Standardmethode für den Mittelmeerraum ausgewählt. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, weitereWege zur Wasserersparnis zu finden und vorhandene Möglichkeiten zu verbessern, um bei begrenztem Wasservorrat ohneErtragseinbußen eine höhere water use efficiency zu erreichen: Bessere, an der ETo orientierte geographische Kulturarten-Verteilung (IGDC): Dieses Konzept lautet, dass Kulturen mit hohem Pflanzenwasserbrauch in Regionen mit niedriger Reference-Evapotranspirationanzubauen sind (und umgekehrt). Ein einfaches Beispiel zeigt, dass nach dem IGDC -Konzept etwa 60.000 m3 Wasser innerhalb einerSaison eingespart werden könnten. Diese 60.000 m3 resultieren aus einer Neuorganisation nach dem IGDC -Konzept von nur 100 haAnbaufläche in jeder der drei Regionen. Diese Wassermenge könnte für Melioration 4 ha oder 6 ha einer Kultur, die pro Saison 10.000 m3benötigt, eingesetzt werden. Tagesdatenbasiertes Entscheidungsmodell (DDBM): Es wurde darauf hingewiesen, daß in der Planungspraxis der Bewässerungssteuerung zahlreiche Fachleute für die Berechnungwesentliche Parameter. Daher wurde ein einfaches tagesdatenbasiertes Entscheidungsmodell (DDBM) zu Steuerung der Bewässerungentwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wurde versucht, den Effekt der täglichen Veränderung der Pflanzenwasserbedarfs-Parameter imVergleich zur Verwendung von Mittelwerten (neben den üblichen Standortdaten) auf den Bewässerungswasserbedarf zu untersuchen. MitHilfe von DDBM wurde der tägliche Bewässerungswasserbedarf auf der Basis einer täglichen Klima-Pflanzen-Boden-Wasser-Bilanz untergleichzeitigem Schutz vor Versalzung geschätzt und der Vorteil der Verwendung von täglichen Daten anstelle von saisonalen odermonatlichen für die Wasserersparnis bzw. für die Einhaltung des Gleichgewichts zwischen Wasserzufuhr und Pflanzenwasserbedarfermittelt. Ökonomische Bewässerungswassermenge: In diesem Teil der Untersuchung wurde der Pflanzenwasserbedarf unter salinen Bedingungen (mit Hilfe von Richard-Gleichung) errechnet.Die Beziehung zwischen dem Pflanzenwasserbedarf und dem Ertragsniveau bei drei Bewässerungswasserqualitäten für Mais undErdnuss in Port Said zeigt zwei extreme Probleme: Erstens würde man im Fall von Mais (Wasserqualität: 1,5 dS m-1) und Erdnuss(Wasserqualität: 3,0 dS m-1) unrealistisch hohe Wassermengen (78.542 bzw. 100.795 m3 ha-1 Saison-1) benötigen, um den Maximalertragzu erzielen. Zweitens würde eine ungenaue Steuerung der Bewässerung zu Mais (Bewässerungswasserqualität 0,5 dS m-1) zu einemAbsinken des Ertragsniveaus von 95 % auf 85 % führen. Es wird daher vorgeschlagen, bei der Berechnung derBewässerungswassermenge nach Richard-Gleichung sich mit einem niedrigeren Ertragsniveau zu begnügen, also mit z. B. mit 82,5 %.Die so reduzierte Wassermenge soll 'ökonomische Bewässerungswassermenge' genannt werden. Eingespartes Wasser könnte füranderen Kulturen eingesetzt werden. Zum zweiten Problem wird ein Sicherheitszuschlag zur Sicherung der letzten 10 % Ertragsniveauempfohlen, für den in dieser Arbeit eine Gleichung entwickelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dieser Gleichung der Praktiker, wenner die Salinität von Bewässerungswasser und Drainagewasser (letztere entspricht dem Salzgehalt im Wurzelraum) kennt, relativ leicht denZuschlag errechnen kann. The investigation attempts to find further ways for overcoming the water scarcity problem in Egypt, where the existing water resources areless than the water demand. This study aims to increase the water use efficiency through optimizing the irrigation water supply of a certainarea in Egypt (Suez-Canal region), where additional areas for agricultural production will be irrigated with saline water (Salam-Canalwater). As results three ways were developed to achieve a greater water use efficiency and an irrigation water saving: Improved ETooriented geographic distribution of crops (IGDC), a daily data based model for irrigation scheduling (DDBM) and reduction of leachingrequirements. The Penman-Monteith equation has been selected for calculation of the main factor influencing the plant water requirement i.e. reference evapotranspiration, ETo. The first way (IGDC) means that crops with high water requirements are to be cultivated in regionswith low reference evapotranspiration and vice versa. For example, it was suggested that maize should be cultivated in El-Arish whilesunflower should be cultivated in El-Ismailia that has the highest reference evapotranspiration. In such case a quantity of approximate60.000 m³ of water can be saved per season of only 100 ha. These 60.000 m³ resulting from a reorganisation could be used for soilamelioration (desalinisation) or could be used to irrigate other areas. By the second way (DDBM) the soil-plant-climate parameters wereapplied as daily values (in comparison with the use of average values). The results showed that the DDBM can lead to irrigation watersaving and that a balance between the actual plant water requirement and applied irrigation water can be achieved. The third wayintroduced an economic irrigation water quantity concept, and an equation to secure the last 10 % of yield (that can be lost due to aninexact scheduling). This equation enables the expert to calculate a safety reserve to be added to the quantity of irrigation water calculatedafter Richard´s equation.