Modelling the spatio-temporal effects of damming in an agricultural ditch network

Varying hydrological conditions and changing climate create a challenging environment for agricultural water management in high latitudes. The primary objective of water management has been intensive drainage to create suitable conditions for crop production. Increasing hydrological variation has raised interest in flexible water management systems, which have adjustable drainage capacity for adapting agricultural water management to dry and wet conditions. One method to increase flexibility of water management is adjustable damming of the main ditch.
This study focused on studying the spatio-temporal effects of dam-ming in an agricultural ditch network. The aim of adjustable damming the main ditch is to periodically detain water in the ditch during low drainage need while enabling full drainage capacity during wet conditions when there is a high drainage need. The objectives of this study were to create a modelling tool to simulate and study the effects of damming in a ditch network with an adjustable weir. The modelling was conducted with FLUSH model, which is a process-based hydrological model including open channel flow component.
The model simulations demonstrated how ditch slope, weir height and ditch vegetation affected the water level control in a studied ditch network. The highest water level gained by damming was 0.72 m higher compared to conditions without a weir. The damming extent reached 800–900 m upstream of the weir and the highest effect occurred within 600 m upstream from the weir. Flow resistance increased water level by 0.03–0.10 m but conversely decreased the absolute damming effect by 0.06–0.15 m depending on the flow conditions.
The study demonstrated how the model can be used to study the effects of damming and water level behaviour in a ditch network. The modelling results gave indication that damming the main ditch of an agricultural production area is a credible method to increase the adjustability of agricultural water management systems.

————————————

Vaihtelevat sääolosuhteet ja muuttuva ilmasto luovat haasteita maatalouden vesienhallinnalle. Vesienhallinnan päätavoitteena on ollut tehokas kuivatus, jolla luodaan suotuisat kasvuolosuhteet viljelylle. Voimistuva hydrologinen vaihtelu on lisännyt kiinnostusta joustavaan vesienhallintaan, jonka avulla kuivatustehokkuutta voidaan säädellä kuivatustarpeen mukaan ja täten lisätä sopeutumista yleistyviin kuiviin ja märkiin olosuhteisiin. Yksi keino lisätä vesienhallinnan joustavuutta on valtaojan säädettävällä padotuksella.
Diplomityössä tarkasteltiin padotuksen spatio-temporaalisia vaikutuksia maatalousalueen uomaverkostossa. Säätöpadotuksen periaatteena on valtaojan vedenpinnansäätö hydrologisten olosuhteiden mukaan. Sen tavoitteena on pidättää vettä valtaojassa vähäisen kuivatustarpeen aikaan samalla varmistaen riittävä kuivatuskapasiteetti korkean kuivatustarpeen aikaan. Työn tavoitteena oli kehittää laskennallinen työkalu padotusvaikutuksen simulointia varten, ja tarkastella padotuksen spatio-temporaalisia vaikutuksia simulointituloksiin perustuen. Mallinnus toteutettiin FLUSH-mallilla, joka on prosessipohjainen hydrologinen malli, jossa on mukana avouomavirtausta kuvaava komponentti.
Mallilla toteutetut simulointitulokset havainnollistivat, kuinka uoman kaltevuus, padotuskorkeus ja uomakasvillisuus vaikuttivat vedenpinnansäätöön uomaverkostossa. Tutkitussa uomaverkostossa korkein padotuksella saavutettu vedenpinta oli 0.72 m korkeampi verrattuna padottomaan tilanteeseen. Laajimmillaan padotusvaikutus ulottui 800–900 m padosta ylävirtaan suurimman vaikutuksen rajoittuessa 600 m päähän padosta. Virtausvastus nosti vedenpintaan 0.03–0.10 m mutta vähensi padotusvaikutusta 0.06–0.15 m riippuen virtaustilanteesta.
Tutkimus näytti, kuinka mallilla voidaan tutkia padotusvaikutusta ja vedenpinnan muutoksia uomaverkostossa. Tulokset antoivat näyttöä siitä, että valtaojan padotus maatalousalueella on tapa lisätä vesienhallinnan joustavuutta.