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

Hokam, Essam Mohamed


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Landeskultur
Fachgebiet: Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.05.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 05.06.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Ägypten ist ein arides Land und es ist sehr niederschlagsarm; die Landwirtschaft hängt daher von der Bewässerung ab. Der Nil deckt als
wichtigste Wasserressource etwa 97 % des Wasserbedarfs aller Nutzer. Für das Jahr 2001 schätzt man, daß der Gesamtbedarf aller
Nutzer 70 (FAO, 1997) oder 73 (Bishay, 1993) mrd. m3 erreicht. Die Erschließung zusätzlicher Wasserressourcen in naher Zukunft ist nicht
wahrscheinlich. Ägypten hat einige praktische Feldmethoden, mit denen die Wasserverluste reduziert und die water use efficiency erhöht
werden kann. Was jedoch fehlt, ist die genaue, wissenschaftlich fundierte Regulierung der Bewässerungswassermenge, und die
Quantifizierung der Effekte der Regulierung im Hinblick auf die water use efficiency. Das Untersuchungsgebiet ist eine Erweiterungsflächen
von 150.000 ha im Raum Port Said und 275.000 ha östlich des Suezkanals im Nord-Sinai und sollen mit dem sogennanten
El-Salam-Kanal (mischwasser: EC = 1,5 dS m-1) bewässert werden. Zu Berechnung die Referenze-Evapotranspiration (ETo), wurde
Penman-Monteith Gleichung als Standardmethode für den Mittelmeerraum ausgewählt. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, weitere
Wege zur Wasserersparnis zu finden und vorhandene Möglichkeiten zu verbessern, um bei begrenztem Wasservorrat ohne
Ertragseinbußen 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-Evapotranspiration
anzubauen sind (und umgekehrt). Ein einfaches Beispiel zeigt, dass nach dem IGDC -Konzept etwa 60.000 m3 Wasser innerhalb einer
Saison eingespart werden könnten. Diese 60.000 m3 resultieren aus einer Neuorganisation nach dem IGDC -Konzept von nur 100 ha
Anbaufläche in jeder der drei Regionen. Diese Wassermenge könnte für Melioration 4 ha oder 6 ha einer Kultur, die pro Saison 10.000 m3
benötigt, eingesetzt werden.



Tagesdatenbasiertes Entscheidungsmodell (DDBM):

Es wurde darauf hingewiesen, daß in der Planungspraxis der Bewässerungssteuerung zahlreiche Fachleute für die Berechnung
wesentliche Parameter. Daher wurde ein einfaches tagesdatenbasiertes Entscheidungsmodell (DDBM) zu Steuerung der Bewässerung
entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wurde versucht, den Effekt der täglichen Veränderung der Pflanzenwasserbedarfs-Parameter im
Vergleich zur Verwendung von Mittelwerten (neben den üblichen Standortdaten) auf den Bewässerungswasserbedarf zu untersuchen. Mit
Hilfe von DDBM wurde der tägliche Bewässerungswasserbedarf auf der Basis einer täglichen Klima-Pflanzen-Boden-Wasser-Bilanz unter
gleichzeitigem Schutz vor Versalzung geschätzt und der Vorteil der Verwendung von täglichen Daten anstelle von saisonalen oder
monatlichen für die Wasserersparnis bzw. für die Einhaltung des Gleichgewichts zwischen Wasserzufuhr und Pflanzenwasserbedarf
ermittelt.



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 und
Erdnuss 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 Maximalertrag
zu erzielen. Zweitens würde eine ungenaue Steuerung der Bewässerung zu Mais (Bewässerungswasserqualität 0,5 dS m-1) zu einem
Absinken des Ertragsniveaus von 95 % auf 85 % führen. Es wird daher vorgeschlagen, bei der Berechnung der
Bewässerungswassermenge 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 für
anderen Kulturen eingesetzt werden. Zum zweiten Problem wird ein Sicherheitszuschlag zur Sicherung der letzten 10 % Ertragsniveau
empfohlen, für den in dieser Arbeit eine Gleichung entwickelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass mit dieser Gleichung der Praktiker, wenn
er die Salinität von Bewässerungswasser und Drainagewasser (letztere entspricht dem Salzgehalt im Wurzelraum) kennt, relativ leicht den
Zuschlag errechnen kann.
Kurzfassung auf Englisch: The investigation attempts to find further ways for overcoming the water scarcity problem in Egypt, where the existing water resources are
less than the water demand. This study aims to increase the water use efficiency through optimizing the irrigation water supply of a certain
area in Egypt (Suez-Canal region), where additional areas for agricultural production will be irrigated with saline water (Salam-Canal
water). As results three ways were developed to achieve a greater water use efficiency and an irrigation water saving: Improved ETo
oriented geographic distribution of crops (IGDC), a daily data based model for irrigation scheduling (DDBM) and reduction of leaching
requirements. 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 regions
with low reference evapotranspiration and vice versa. For example, it was suggested that maize should be cultivated in El-Arish while
sunflower should be cultivated in El-Ismailia that has the highest reference evapotranspiration. In such case a quantity of approximate
60.000 m³ of water can be saved per season of only 100 ha. These 60.000 m³ resulting from a reorganisation could be used for soil
amelioration (desalinisation) or could be used to irrigate other areas. By the second way (DDBM) the soil-plant-climate parameters were
applied as daily values (in comparison with the use of average values). The results showed that the DDBM can lead to irrigation water
saving and that a balance between the actual plant water requirement and applied irrigation water can be achieved. The third way
introduced an economic irrigation water quantity concept, and an equation to secure the last 10 % of yield (that can be lost due to an
inexact scheduling). This equation enables the expert to calculate a safety reserve to be added to the quantity of irrigation water calculated
after Richard´s equation.