Irrigation and Drainage Engineering

Peter Waller

Muluneh Yitayew

Irrigation

and Drainage

Engineering

Irrigation and Drainage Engineering

Peter Waller • Muluneh Yitayew

Irrigation and Drainage

Engineering

Peter Waller

Agricultural and Biosystems Engineering

University of Arizona

Tucson, Arizona, USA

Muluneh Yitayew

Agricultural and Biosystems Engineering

University of Arizona

Tucson, Arizona, USA

ISBN 978-3-319-05698-2 ISBN 978-3-319-05699-9 (eBook)

DOI 10.1007/978-3-319-05699-9

Library of Congress Control Number: 2015955638

Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London

# Springer International Publishing Switzerland 2016

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Preface

This book was written for three semester-long classes: Soil and Water Resources Engineering,

Irrigation Systems Design, and Agricultural Drainage and Effluent Treatment. Almost all the

chapters are accompanied with Excel/VBA programs that enable students to understand as

well as apply the principles as practicing engineers. Homework problems focus on both the

Excel/VBA programs and manual calculations.

The first section presents the fundamental principles of irrigation and drainage engineering:

economics, soils, evapotranspiration, lateral design, mainline design, pumps, groundwater and

wells, and open channel flow. We started with economics because that is basis for analysis of

any agricultural enterprise. Soils and evapotranspiration are the fundamental design variables

in irrigation system design. The four fundamental components of irrigation systems are

covered in the last five chapters.

The second section describes the design process for the following irrigation systems:

center pivot, turf sprinkler, wheel-line sprinkler, orchard sprinkler, landscape drip and

bubbler, agricultural subsurface drip, surface, greenhouse hydroponic, and low-head gravity

bubbler. The Excel/VBA programs associated with this section enable students to optimize

systems with respect to crop growth, water savings, energy use economics, and environ￾mental impact. The programs help students bridge the gap between basic principles and

complex designs.

The last part of this book focuses on the use of wetlands and agriculture for waste treatment,

subsurface drainage, and the WINDS model (Water-use, Irrigation, Nitrogen, Drainage, and

Salinity). The theoretical development in these chapters is focused on the algorithms in the

WINDS model, which models evapotranspiration and simulates salinity, nitrogen, and water

transport in soil layers. Water and solutes are routed with the tipping bucket approach after

large storms and the Richards equation (energy differences) between infiltration events. The

nitrogen model simulates fertilization, mineralization, denitrification, and plant uptake. The

drainage algorithm uses the Kirkham streamtube approach as well as the interaction between

the water table and the vadose zone. Traditional drainage algorithms used by the USBR and

DRAINMOD are also presented with an emphasis on the economic evaluation of alternative

drainage systems designs.

Agricultural food production and water demand are expected to be critical to the survival

of a growing global population. Our hope is that this book will help students and practicing

engineers develop food production systems with limited water resources and limit the

environmental impacts of those systems. In this way, we can develop sustainable food

production systems to meet the needs of the growing population. Agricultural engineers

v

with problem solving and water management expertise will play an important role in the

coming decades.

Tucson, AZ, USA Peter Waller

Tucson, AZ, USA Muluneh Yitayew

vi Preface

Acknowledgements

We would like to acknowledge the following individuals and organizations for their direct or

indirect contributions through their knowledge, research, and development of materials used

in this book: Donald Slack, Doug Hunsaker, Armando Barreto Munoz, Armando Uribe

Chavez, Eduardo Bautista, Julio Haberland, Curt Reynolds, Stephen Poe, Paul Colaizzi,

Alan Mathias, Robert Evans, W-128 Western Regional Research Committee on

Microirrigation, Natural Resources Conservation Service, Agricultural Research Service.

We will like to also thank our students who took our courses throughout the years for their

feedback and the Agricultural and Biosystems Engineering Department at the University of

Arizona for encouraging us to develop and finish this book.

vii

Contents

1 Introduction .................................................. 1

History of Irrigation and Subsurface Drainage .......................... 1

Foundational Principles .......................................... 6

Irrigation Systems . . ............................................ 7

Sprinkler Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Landscape Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Agricultural Drip Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Surface Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Hydroponic Drip Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Low-Head Bubbler Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Below the Surface of the Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Contaminants and Waste Application to Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

The WINDS Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Subsurface Drainage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

The Value of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 Irrigation Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Crop Water Production Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Environmental Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Transferring a CWPF from One Climatic Zone to Another . . . . . . . . . . . . . . . 22

Combined Estimation of Crop Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Irrigation Uniformity and Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Engineering Economic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Cash Flow Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Customer Relations and Sales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Soil Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Soil Development and Layering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Soil Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Soil Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Root Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Soil-Water Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Characterization of Soil Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Mohall Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Soil Moisture Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

ix

4 Water and Salinity Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Salinity Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Osmotic Potential Energy in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Salinity Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Water Stress Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Modeling Soil Salinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Leaching Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Irrigation Application Depth and Leaching Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Project Planning and Salinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Sodicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Specific Ion Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5 Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Mass and Energy Transfer from Canopy to Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

The Penman Model of Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Reference ET Calculation with Weather Station Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Hargreaves-Samani Reference ET Calculation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Evaporation Pan Estimate of Reference Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Acquiring Weather Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Fourier Series Simulation of Weather Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6 Crop Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Crop Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Heat Unit Crop Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Fourier Series Heat Unit Crop Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

High Frequency Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Remote Sensing of Plant Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7 Irrigation Lateral Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Optimization of Irrigation Design and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Simulation of Hydraulic and Statistical Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Simulation of Slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Simulation of Environmental Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

8 Mainline Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Pipe Size Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Pipeline Energy Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Pressure Rating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Transient Flow, Surge Pressure, and Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Trenching, Installation, Pipe Strength, and Corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Pipe Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Pressure Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Economics of Pipe Sizing: Energy Cost Versus Capital Cost . . . . . . . . . . . . . . . . 141

x Contents

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

9 Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Pump Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Pump Performance Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Finding the Intersection of the System Curve and Pump Curve . . . . . . . . . . . . . . 152

Variable Speed Pump Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Centrifugal Pump Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

Turbine Pumps (Well Pumps) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Pump Station Power and Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Pump Station Friction Loss and Head Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Chemigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

10 Groundwater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Aquifer Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Aquifer Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Steady State Models of Well Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Confined Aquifer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Unconfined Aquifer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Specific Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Transient Aquifer Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Groundwater Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

11 Open Channel Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Water Diversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Conveyance Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Pipes and Siphons in Canal Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Canal Hydraulics: Steady-State, Uniform Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Canal Hydraulics: Energy Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Canal Hydraulics: Gradually Varied Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

12 Center Pivot Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Sprinkler Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Center Pivot Pipeline Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Infiltration Rate and Application Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Center Pivot Sprinkler Spacing and Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

Center Pivot Pipeline Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Center Pivot Simulation in Uneven Landscapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Center Pivot Pump and Pipe Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

13 Turf Sprinkler Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Sprinkler Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Sprinkler System Evaluation, Efficiency, and Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Contents xi

Subsurface Drip Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

14 Agricultural Sprinkler Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Wheel-Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Orchard Irrigation with Undertree Sprinklers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Orchard Irrigation with Microsprinklers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Sprinkler Network Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

15 Landscape Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Status of Landscape Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Landscape Irrigation Control Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Drip System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Bubbler/Water Harvesting Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Maintenance and Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

Economics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

16 Landscape Irrigation Design and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Owner Interview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Site Survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Determining Maximum Flow Rate and Working Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Plant Water Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

Zoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

17 Agricultural Drip Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

Drip Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

Drip Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Subsurface Drip Tape Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Prefiltration: Stainless Steel Screen Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Prefiltration: Settling Basins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Prefiltration-Centrifugal Sand Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Removal Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Filter Mesh Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Filter Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Sand Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Disc Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Screen Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Design of Drip Emitter Spacing, Flow Rate, and Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Lateral Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

Connecting Drip Irrigation Laterals to PVC Submains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

18 Drip Irrigation System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

Design 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

Design of Submains for Design 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Design of Mainlines for Design 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

Pump Requirement for Design 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

Cost of Tubing and Pipe for Design 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

xii Contents

Design 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Pipe Costs for Design 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Pump Requirement for Design 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Economic Comparison of Designs 1 and 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

An Economic Rationale for Selecting Between Drip Lateral Types . . . . . . . . . . . 316

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

19 Chemigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

Preventing Calcium Carbonate Deposition with Acid Injection . . . . . . . . . . . . . . 327

Biological Control with Chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

Fertigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

Calculation of Plant Nutrient Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Advantages and Disadvantages of Fertigation and Pestigation . . . . . . . . . . . . . 334

Fertilization Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Fertilizer Selection and Calculation of Injection Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

Chemigation of Non-Fertilizer Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

20 Surface Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

Surface Irrigation Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

Graded Furrow Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

The Two-Point Volume Balance Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Furrow Irrigation Scheduling and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

WinSRFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Reuse Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

Erosive Flow Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Surge Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Border Strip Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

Level Basin and Level Border Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

21 Hydroponic Irrigation Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

The Growing Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

Hydroponic Drip Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

Friction Loss in Drip Irrigation Laterals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

Hydroponic Irrigation System Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

Fertigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

The Pump Station and Nutrient Delivery System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

22 Low-Head Gravity Bubbler Irrigation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

System Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

Development of Low-Head Gravity Bubbler System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

Hydraulics Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

Christiansen Reduction Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

System Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

Steps in the Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

Determination of Field Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

Design a Constant Head Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

Contents xiii

Selection of Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

Spacings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

Lateral Burial Depth and Delivery Hose Elevations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

Delivery Hose Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

Determination of Length and Number of Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

Calculation of Pipe Design Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Selection of Pipe Diameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Allowable Head Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Sizing Mainlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Sizing Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Sizing Laterals and Delivery Hoses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Calculation of Delivery Hose Elevations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

Design Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Gradual Slope Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Gradual Slope Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

Manifold Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

Lateral Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

Delivery Hose Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

23 Wastewater Contaminants and Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Pathogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

Protozoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

Animal and Human Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

Removal of Pathogens by Biological Treatment and Oxidation . . . . . . . . . . . . . . 414

The Immune System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

Biochemical Oxygen Demand (BOD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

Nutrients and Waste in Soils and Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

Trace Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

Physical Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

24 Waste Treatment in Wetlands and Agriculture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

Biological and Hydraulic Loading Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

Alternation of Aerobic and Anaerobic Treatment Zones for Nitrification

and Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

Water Balance in Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Waste Application to Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Animal Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Calculation of Salinity Load from Animal Waste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

Irrigation of Crops with Municipal Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

25 WINDS Salinity and Nitrogen Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

Fertilizer Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

Mineralization (Source of Nitrate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

Temperature Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

xiv Contents