Modeling of hydrological processes in arid agricultural regions

Abstract

Understanding of hydrological processes, including consideration of interactions between vegetation growth and water transfer in the root zone, underpins efficient use of water resources in arid-zone agriculture. Water transfers take place in the soil-plant-atmosphere continuum, and include groundwater dynamics, unsaturated zone flow, evaporation/transpiration from vegetated/bare soil and surface water, agricultural canal/surface water flow and seepage, and well pumping. Models can be categorized into three classes: (1) regional distributed hydrological models with various land uses, (2) groundwater-soil-plant-atmosphere continuum models that neglect lateral water fluxes, and (3) coupled models with groundwater flow and unsaturated zone water dynamics. This review highlights, in addition, future research challenges in modeling arid-zone agricultural systems, e.g., to effectively assimilate data from remote sensing, and to fully reflect climate change effects at various model scales.

Keywords

hydrological processes / irrigation area / SPAC / crop growth / groundwater / canal seepage

References

[1] Thomas D S G. Arid zone geomorphology – Process, form and change in dryland. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011

[2] Qian Z A, Song M H, Li W Y, Cai Y. Global, China-Mongolia Arid-and Semiarid-Areas (CMASA) and the details of precipitation distribution in part regions of CMASA. Plateau Meteorology, 2011, 30(1): 1–30 (in Chinese)

[3] Gu L L. Research on evolution and development of major grain-producing areas in China. Dissertation for the Doctoral Degree. Jilin: Jilin Agricultural University, 2012 (in Chinese)

[4] Wang G X, Cheng G D, Xu Z M. The utilization of water resource and its influence on eco-environment in the northwest arid area of China. Journal of Natural Resources, 1999, 14(2): 109–116 (in Chinese)

[5] Zhang H. Spatial-temporal variations of population and population distribution with data at county level in Northwest China in 1990–2010. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2013, 27(7): 33–39 (in Chinese)

[6] Postel S L, Daily G C, Ehrlich P R. Human appropriation of renewable fresh water. Science, 1996, 271(5250): 785–787

[7] Liu C M, Yu J J, Kendy E. Groundwater exploitation and its impact on the environment in the North China Plain. Water International, 2001, 26(2): 265–272

[8] Wei L L. The research of water resource sustainable utilization in Manas River Basin. Dissertation for the Doctoral Degree. Shihezi: Shihezi University, 2014 (in Chinese)

[9] Xu X, Huang G H, Qu Z Y, Pereira L S. Using MODFLOW and GIS to assess changes in groundwater dynamics in response to water saving measures in irrigation districts of the upper Yellow River Basin. Water Resources Management, 2011, 25(8): 2035–2059

[10] Fu B J, Zhao W W, Chen L D, Liu Z F, Lu Y H. Eco-hydrological effects of landscape pattern change. Landscape and Ecological Engineering, 2005, 1(1): 25–32

[11] Song G H. Study on groundwater dependent ecosystem and ecological mechanisms of vegetation succession in desert lake-basin region. Dissertation for the Doctoral Degree. Xi’an: Chang’an University, 2012 (in Chinese)

[12] Wei S P, Wang L, Wu F Q. Research and application of SVAT models. Science of Soil and Water Conservation, 2008, 6(2): 113–120 (in Chinese)

[13] Huo Z L, Feng S Y, Kang S Z, Cen S J, Ma Y. Simulation of effects of agricultural activities on groundwater level by combining FEFLOW and GIS. New Zealand Journal of Agricultural Research, 2007, 50(5): 839–846

[14] Sugawara M. The development of a hydrological model- tank. In: Kite G W, ed., Time and the River, Essays by Eminent Hydrologists. Colorado: Water Resources Publications, 1995, 201–258

[15] Arnold J G, Fohrer N. SWAT2000: current capabilities and research opportunities in applied watershed modelling. Hydrological Processes, 2005, 19(3): 563–572

[16] Shao M A, Chen Z M. Water movement in SPAC. Research of Soil and Water Conservation, 1991, 1: 3–12 (in Chinese)

[17] Zhao W Z, Cheng G D. Review of several problems on the study of eco-hydrological processes in arid zones. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(5): 353–360

[18] Huang J T. The response of evapotranspiration to the groundwater changes in the semi-arid area. Dissertation for the Doctoral Degree. Xi’an: Chang’an University, 2013 (in Chinese)

[19] Ladekarl U L, Rasmussen K R, Christensen S, Jensen K H, Hansen B. Groundwater recharge and evapotranspiration for two natural ecosystems covered with oak and heather. Journal of Hydrology, 2005, 300(1–4): 76–99

[20] Wegehenkel M, Gerke H H. Comparison of real evapotranspiration measured by weighing lysimeters with simulations based on the Penman formula and a crop growth model. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2013, 61(2): 161–172

[21] Liu S M, Xu Z W, Zhu Z L, Jia Z Z, Zhu M J. Measurements of evapotranspiration from eddy-covariance systems and large aperture scintillometers in the Hai River Basin, China. Journal of Hydrology, 2013, 487: 24–38

[22] Holland S, Heitman J L, Howard A, Sauer T J, Giese W, BenGal A, Agam N, Kool D, Havlin J. Micro-Bowen ratio system for measuring evapotranspiration in a vineyard interrow. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 177: 93–100

[23] Penman H L. Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1948, 193(1032): 120–145

[24] Monteith J L. Evaporation and environment. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 1965, 19: 205–234

[25] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration- Guidelines for computing crop water requirements- FAO Irrigation and drainage paper 56. Rome: FAO, 1998

[26] Shuttleworth W J, Wallace J S. Evaporation from sparse crops-an energy combination theory. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1985, 111(469): 839–855

[27] Lascano R J, van Bavel C H M, Hatfield J L, Upchurch D R. Energy and Water Balance of a Sparse Crop: Simulated and Measured Soil and Crop Evaporation. Soil Science Society of America Journal, 1987, 51(5): 1113–1121

[28] Thompson A L, Gilley J R, Norman J M. A sprinkler water droplet evaporation and plant canopy model. I. Model development. Transactions of the ASAE, 1993, 36(3): 735–741

[29] Federr C A. A soil-plant-atmosphere model for transpiration and availability of soil water. Water Resources Research, 1979, 15(3): 555–562

[30] Franks S W, Beven K J, Quinn P F, Wright I R. On the sensitivity of soil-vegetation-atmosphere transfer (SVAT) schemes: equifinality and the problem of robust calibration. Agricultural and Forest Meteorology, 1997, 86(1): 63–75

[31] Shang S H, Mao X M, Lei Z D, Yang S X. Simulation model of soil water dynamics and its application. Beijing: Science Press, 2009 (in Chinese)

[32] Mao X M. A study of water and heat transfer in groundwater-soil-plant-atmosphere system in the oasis of arid area. Dissertation for the Doctoral Degree. Beijing: Tsinghua University, 1998 (in Chinese)

[33] Olioso A, Chauki H, Courault D, Wigneron J P. Estimation of evapotranspiration and photosynthesis by assimilation of remote sensing data into SVAT models. Remote Sensing of Environment, 1999, 68(3): 341–356

[34] Cristiano P M, Campanello P I, Bucci S J, Rodriguez S A, Lezcano O A, Scholz F G, Madanes N, Di Francescantonio D, Carrasco L O, Zhang Y J, Goldstein G. Evapotranspiration of subtropical forests and tree plantations: a comparative analysis at different temporal and spatial scales. Agricultural and Forest Meteorology, 2015, 203: 96–106

[35] Wu X J, Zhou J, Wang H J, Li Y, Zhou B. Evaluation of irrigation water use efficiency using remote sensing in the middle reach of the Heihe River, in the semi-arid Northwestern China. Hydrological Processes, 2015, 29(9): 2243–2257

[36] Consoli S, Vanella D. Mapping crop evapotranspiration by integrating vegetation indices into a soil water balance model. Agricultural Water Management, 2014, 143: 71–81

[37] Yang Y T, Shang S H, Jiang L. Remote sensing temporal and spatial patterns of evapotranspiration and the responses to water management in a large irrigation district of North China. Agricultural and Forest Meteorology, 2012, 164: 112–122

[38] Willis T M, Black A S, Meyer W S. Estimates of deep percolation beneath cotton in the Macquarie Valley. Irrigation Science, 1997, 17(4): 141–150

[39] Liu Y, Pereira L S, Fernando R M. Fluxes through the bottom boundary of the root zone in silty soils: parametric approaches to estimate groundwater contribution and percolation. Agricultural Water Management, 2006, 84(1–2): 27–40

[40] Burrows W, Doherty J. Efficient calibration/uncertainty analysis using paired complex/surrogate models. Ground Water, 2015, 53(4): 531–541

[41] Zhang Z H, Shi W J, Chu G H. Influence factor and calculation method of phreatic evaporation in arid region. Journal of Water Resources  and  Water  Engineering,  2008,  19(6):  78–80 (in Chinese)

[42] Bian W Y. The simulation and analysis on evaporation-dynamic of groundwater in arid zone riverside. Dissertation for the Master Degree. Beijing: China University of Geosciences, 2011 (in Chinese)

[43] Lei Z D, Yang S X, Xie S C. Soil hydrodynamics. Beijing: Tsinghua University Press, 1988 (in Chinese)

[44] Lei Z D, Yang S X, Xie S C. Analysis and the empirical formula of steady phreatic evaporation. Journal of Hydraulic Engineering, 1984, 8: 60–64 (in Chinese)

[45] Shang S H, Mao X M, Lei Z D, Zhou K, Zhong Y G, Aniwaer. Inverse-Logistic Formula for calculation of phreatic evaporation coefficient. Irrigation and Drainage, 1999, 18(2): 18–21 (in Chinese)

[46] Mao X M, Lei Z D, Shang S H, Yang S X. Method of equivalent phreatic evaporation by lowering evaporation surface for estimation of the phreatic evaporation from farm land based on that from bare soil. Irrigation and Drainage, 1999, 18(2): 26–29 (in Chinese)

[47] Luo Y F, Mao Y L, Peng S Z, Zheng Q, Wang W G, Jiao X Y, Feng Y H. Modified Aver'yanov's phreatic evaporation equations under crop growing. Transactions of CSAE, 2013, 29(4): 102–109 (in Chinese)

[48] Torres J S, Hanks R J. Modeling water table contribution to crop evapotranspiration. Irrigation Science, 1989, 10(4): 265–279

[49] Mao X M, Yang S X, Lei Z D. Numerical simulation of ground water evaporation from bare soil in Yerqiang River Basin. Advances in Water Science, 1997, 8(4): 313–320 (in Chinese)

[50] Babajimopoulos C, Panoras A, Georgoussis H, Arampatzis G, Hatzigiannakis E, Papamichail D. Contribution to irrigation from shallow water table under field conditions. Agricultural Water Management, 2007, 92(3): 205–210

[51] Meng W C, Meng C, Liu L. The study on phreatic evaporation model under different groundwater level, climatic factor and crop growing. Journal of Taiyuan University of Technology, 2008, 39(4): 422–425 (in Chinese)

[52] Luo Y F, Zheng Q, Peng S Z, Mao Y L. Calculating regional groundwater evapotranspiration based on GIS. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(1): 79–86 (in Chinese)

[53] Yang P N, Wu B F, Wang S X, Dong X G, Liu L. Research on irrigation schedule of cotton drip irrigation under plastic film based on the different ground water table in arid areas. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 32(3): 76–82 (in Chinese)

[54] He J H. Approximate analytical solution for seepage flow with fractional derivatives in porous media. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1998, 167(1): 57–68

[55] Fox G A, DuChateau P, Dumford D S. Analytical model for aquifer response incorporating distributed stream leakage. Ground Water, 2002, 40(4): 378–384

[56] Keery J, Binley A, Crook N, Smith J W N. Temporal and spatial variability of groundwater–surface water fluxes: development and application of an analytical method using temperature time series. Journal of Hydrology, 2007, 336(1): 1–16

[57] Yao L Q, Feng S Y, Mao X M, Huo Z L, Kang S Z, Barry D A. Coupled effects of canal lining and multi-layered soil structure on canal seepage and soil water dynamics. Journal of Hydrology, 2012, 430–431: 91–102

[58] Mao X M, Shang S H. Method of minimum flux in saturation layer for calculating stable infiltration through layered soil. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(7): 810–817 (in Chinese)

[59] Feng S Y, Huo Z L, Kang S Z, Tang Z J, Wang F X. Groundwater simulation using a numerical model under different water resources management scenarios in an arid region of China. Environmental Earth Sciences, 2011, 62(5): 961–971

[60] Pan Y H, Kang S Z. Irrigation water infiltration in furrows and crop water use of alternative furrow irrigation. Transactions of the CSAE, 2000, 16(1): 39–43 (in Chinese)

[61] Sun Y. Analysis of temporal and spatial variations of groundwater environment and its numerical simulation in Shiyang River Basin. Dissertation for the Doctoral Degree. Beijing: China Agricultural University, 2010 (in Chinese)

[62] Abedinpour M, Sarangi A, Rajput T B S, Singh M, Pathak H, Ahmad T. Performance evaluation of AquaCrop model for maize crop in a semi-arid environment. Agricultural Water Management, 2012, 110: 55–66

[63] van Diepen C A, Wofl J, van Keulen H, Rappoldt C. WOFOST: a simulation model of crop production. Soil Use and Management, 1989, 5(1): 16–24

[64] Monteith J L, Moss C J. Climate and the efficiency of crop production in Britain [and discussion].  Philosophical Transactions of the Royal Society of London B Biological Sciences, 1977, 281(980): 277–294

[65] Jones C A, Dyke P T, Williams J R, Kiniry J R, Benson V W, Griggs R H. EPIC: an operational model for evaluation of agricultural sustainability. Agricultural Systems, 1991, 37(4): 341–350

[66] Cabelguenne M, Debaeke P, Bouniols A. EPICphase, a version of the EPIC model simulating the effects of water and nitrogen stress on biomass and yield, taking account of developmental stages: validation on maize, sunflower, sorghum, soybean and winter wheat. Agricultural Systems, 1999, 60(3): 175–196

[67] Ritchie J T, Otter S. Description and performance of CERES-Wheat: a user-oriented wheat yield model. Preliminary documentation. Agristars Publication, 1985, 159–175

[68] Steduto P, Albrizio R. Resource use efficiency of field-grown sunflower, sorghum, wheat and chickpea. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(3–4): 269–281

[69] Steduto P, Hsiao T C, Fereres E. On the conservative behavior of biomass water productivity. Irrigation Science, 2007, 25(3): 189–207

[70] Steduto P, Hsiao T C, Raes D, Fereres E. AquaCrop—The FAO Crop Model to Simulate Yield Response to Water: I. Concepts and Underlying  Principles.  Agronomy Journal,  2009,  101(3): 426–437

[71] St Ckle C O, Donatelli M, Nelson R. CropSyst, a cropping systems simulation model. European Journal of Agronomy, 2003, 18(3): 289–307

[72] Steduto P, Hsiao T C, Raes D, Fereres E. AquaCrop –the FAO crop model to simulate yield response to water concepts and underlying principles. Agronomy Journal, 2009, 101(3): 426–437

[73] Arnold J G, Srinivasan R, Muttiah R S, Williams J R. Large area hydrologic modeling and assessment part I: model development. Journal of the American Water Resources Association, 1998, 34(1): 73–89

[74] Krysanova V, Muller-Wohlfei D, Becker A. Development and test of a spatially distributed hydrological/water quality model for mesoscale watersheds. Ecological Modelling, 1998, 106(2): 261–289

[75] Jia Y W, Wang H, Zhou Z H, Qiu Y Q, Luo X Y, Wang J H, Yan D H, Qin D Y. Development of the WEP-L distributed hydrological model and dynamic assessment of water resources in the Yellow River basin. Journal of Hydrology, 2006, 331(3–4): 606–629

[76] Hu H P, Tang Q H, Lei Z D, Yang S X. Runoff-evaporation hydrological model for arid plain oasis, 1, the model structure.Advance in Water Science, 2004, 15(2): 140–145 (in Chinese)

[77] Zhao C S, Huang L M, Shen B, Lei Z D, Hu H P, Yang S X. The creation of the dissipative hydrological model for Hotan Oasis (DHMHO). Journal of Arid Land Resources and Environment, 2010, 24(7): 72–77 (in Chinese)

[78] Fortes P S, Platonov A E, Pereira L S. GISAREG—A GIS based irrigation scheduling simulation model to support improved water use. Agricultural Water Management, 2005, 77(1–3): 159–179

[79] Xu X, Huang G H, Qu Z Y, Huang Q Z. Regional scale model for simulating soil water flow and solute transport processes-GSWAP. Transactions of CSAE, 2011, 27(7): 58–63 (in Chinese)

[80] Lorite I J, Garcua-Vila M, Santos C, Ruiz-Ramos M, Fereres E. AquaData and AquaGIS: Two computer utilities for temporal and spatial simulations of water-limited yield with AquaCrop. Computers and Electronics in Agriculture, 2013, 96: 227–237

[81] Zhou J, Cheng G D, Hu B X, Wang G X. Numerical Modeling of Wheat Irrigation using Coupled HYDRUS and WOFOST Models. Soil Science Society of America Journal, 2012, 76(2): 648–662 

[82] Twarakavi N K C, Šimůnek J, Seo S. Evaluating interactions between groundwater and vadose zone using the HYDRUS-based flow package for MODFLOW. Vadose Zone Journal, 2008, 7(2): 757–768 

[83] Sophocleous M A, Koelliker J K, Govindaraju R S, Birdie T, Ramireddygari S R, Perkins S P. Integrated numerical modeling for basin-wide water management: The case of the Rattlesnake Creek basin in south-central Kansas. Journal of Hydrology, 1999, 214(1): 179–196

[84] Xu X, Huang G H, Zhan H B, Qu Z Y, Huang Q Z. Integration of SWAP and MODFLOW-2000 for modeling groundwater dynamics in shallow water table areas. Journal of Hydrology, 2012, 412–413: 170–181

[85] Beven K, Warren R, Zaoui J. SHE: towards a methodology for physically – based distributed forecasting in hydrology. Hydrological Forecasting, 1980, 129: 133–137

[86] Krysanova V, Meiner A, Roosaare J, Vasilyev A. Simulation modelling of the coastal waters pollution from agricultural watershed. Ecological Modelling, 1989, 49(1): 7–29

[87] Jia Y W, Ni G H, Kawahara Y, Suetsugi T. Development of WEP model and its application to an urban watershed. Hydrological Processes, 2001, 15(11): 2175–2194

[88] Tang Q H, Tian F Q, Hu H P. Runoff-evaporation hydrological model for arid plain oasis, 2, applications of the model. Advance in Water Science, 2004, 15(2): 146–150 (in Chinese)

[89] Teixeira J L, Pereira L S. ISAREG, an irrigation scheduling model. ICID Bulletin, 1992, 41(2): 29–48

[90] van Dam J C, Huygen J, Wesseling J G, Feddes R A, Kabat P, van Walsum P E V, Groenendijk P, van Diepen C A. Theory of SWAP Version 2.0: Simulation of Water Flow, Solute Transport and Plant Growth in the Soil-Water-Atmosphere-Plant Environment. Wageningen : Winand Staring Centre, 1997

[91] Wu D X, Wang G X, Bai Y F, Liao J X. Effects of elevated CO₂ concentration on growth, water use, yield and grain quality of wheat under tow soil water levels. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2004, 104(3): 493–507

[92] Šimůnek J, Šejna M, Saito H, Sakai M, van Genuchten M T. The HYDRUS-1D software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media, version 4.0, HYDRUS software series 3. Riverside: University of California Riverside, California, USA. 2008

[93] Li Y. Study on maize yield estimation using remote sensing technology integrated with coupled WOFOST and HYDRUS models. Dissertation for the Doctoral Degree. Lanzhou: Lanzhou University, 2012 (in Chinese)

[94] Harbaugh A W, Banta E R, Hill M C, McDonald M G. MODFLOW-2000, the US Geological Survey modular groundwater model – user guide to modularization concepts and the groundwater flow process. Reston: US Geological Survey, 2000

[95] Aandreadis K M, Lettenmaier D P. Assimilating remotely sensed snow observations into a macroscale hydrology model. Advances in Water Resources, 2006, 29(6): 872–886

[96] Huang L, Li Z, Tian B S, Chen Q, Liu J L, Zhang R. Classification and snow line detection for glacial areas using the polarimetric SAR image. Remote Sensing of Environment, 2011, 115(7): 1721–1732

[97] Crossman J, Bradley C, David J N W, Milner A M. Use of remote sensing to identify areas of groundwater upwelling on active glacial floodplains: The frequency, extent and significance on a landscape scale. Remote Sensing of Environment, 2012, 123: 116–126

[98] Huang L, Li Z, Tian B S, Chen Q, Zhou J M. Monitoring glacier zones and snow/firn line changes in the Qinghai-Tibetan Plateau C-band SAR imagery. Remote Sensing of Environment, 2013, 137: 17–30

[99] Kalma J D, McVicar T R, McCabe M F. Estimating land surface evaporation: A review of methods using remotely sensed surface temperature data. Surveys in Geophysics, 2008, 29(4–5): 421–469

[100] Yebra M, van Dijk A, Leuning R, Huete A, Guereschman J P. Evaluation of optical remote sensing to estimate actual evapotranspiration and canopy conductance. Remote Sensing of Environment, 2013, 129: 250–261

[101] Mo X, Liu S, Lin Z, Xu Y, Xiang Y, McVicar T R. Prediction of crop yield, water consumption and water use efficiency with a SVAT-crop growth model using remotely sensed data on the North China Plain. Ecological Modelling, 2005, 183(2–3): 301–322

[102] Claverie M, Demarez V, Duchemin B, Hagolle O, Ducrot D, Marais-Sicre C, Dejoux J F, Huc M, Keravec P, Béziat P, Fieuzal R, Ceschia E, Dedieu G. Maize and sunflower biomass estimation in southwest France using high spatial and temporal resolution remote sensing data. Remote Sensing of Environment, 2012, 124: 844–857

[103] Olioso A, Inoue Y, Ortega-FARIAS S, Demarty J, Wigneron J P, Braud I, Jacob F, Lecharpentier P, OttlÉ C, Calvet J C, Brisson N. lnoue Y. Future directions for advanced evapotranspiration modeling: Assimilation of remote sensing data into crop simulation models and SVAT models. Irrigation and Drainage Systems, 2005, 19(3–4): 377–412

[104] Binley A, Hubbard S, Huisman J, Revil A, Robinson D, Singha K, Slater L. The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. Water Resources Research, 2015, 51(6): 1–30

[105] Zhou A G, Ma R, Zhang C. Vertical water cycle and its ecological effect in inland basins, Northwest China. Advances in Water Science, 2005, 16(1): 127–133 (in Chinese)

Acknowledgements

This study was funded by the National Natural Science Foundation of China (91425302, 91125017, 51321001) and the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B14002).

Jiang Li, Xiaomin Mao, Shaozhong Kang, and David A. Barry declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

This article is a review and does not contain any studies with human or animal subjects performed by any of the authors.

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg