fundamentals of irrigation and on-farm water management: volume 1 ||
TRANSCRIPT
Fundamentals of Irrigation and On-farm WaterManagement: Volume 1
.
M.H. Ali
Fundamentals of Irrigationand On-farm WaterManagement: Volume 1
M.H. AliAgricultural Engineering DivisionBangladesh Institute of Nuclear AgricultureBAU CampusMymensingh 2202Bangladesh
ISBN 978-1-4419-6334-5 e-ISBN 978-1-4419-6335-2DOI 10.1007/978-1-4419-6335-2Springer New York Heidelberg Dordrecht London
Library of Congress Control Number: 2010934381
# Springer ScienceþBusiness Media, LLC 2010All rights reserved. This work may not be translated or copied in whole or in part without the writtenpermission of the publisher (Springer Science+Business Media, LLC, 233 Spring Street, New York, NY10013, USA), except for brief excerpts in connection with reviews or scholarly analysis. Use inconnection with any form of information storage and retrieval, electronic adaptation, computersoftware, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed is forbidden.The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they arenot identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subjectto proprietary rights.
Cover design: #Pefkos-Fotolia.com
Printed on acid-free paper
Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)
Foreword
Agriculture is one of the few industries that has been creating resources continu-
ously from nature. Sustainability of this industry is a crucial issue at now-a-days.
Agricultural technologies are important to feed the growing world population.
Agricultural engineering has been applying scientific principles for the optimal
use of natural resources in agricultural production for the benefit of humankind.
The role of agricultural engineering is increasing in the coming days at the
forthcoming challenges of producing more food with less water coupled with
climate uncertainty.
I am happy to know that a book entitled "Fundamentals of Irrigation andOn-farm Water Management", written by Engr. Dr. M. H. Ali, is going to be pub-
lished by Springer. The book is designed to cover the major fields of agricultural
and environmental engineering such as weather, plant, soil, water, and basics of
on-farm water management. The book will be quite useful for the students of
agricultural engineering. Students of other related branches of engineering sci-
ences, and engineers working in the field and at research institutes will also be
benifited. The book may serve as a text book for the students and as a practical
hand-book for the practitioners and researchers in the field of irrigation and on-farm
water management. Utilization of the recent literature in the area and citation of
relevant journals / reports have added a special value to this book. Considering the
topics covered, engineers, scientists, practitioners, and educators will find this book
as a valuable resource.
I hope this text-book will be used worldwide to promote agricultural production
and conservation of the most important natural resource, water.
Mymensingh, Bangladesh Dr. M. A. Salam
23 March, 2010 Director (Research)
Bangladesh Institute of Nuclear Agriculture
v
.
Preface
Water is the scarcest resource. Importance of judicious use of water in agricultural
sector for sustaining agricultural growth and to retard environmental degrada-
tion needs no elaboration. Judicious use of water for crop production requires
knowledge of weather, soil, crop, water quality, and drainage situation. Increasing
efficiency in conveyance and pumping systems also are of great concerns. Irrigation
management strategy practiced in normal soils may not appropriate in problematic
soils such as saline soils and drought prone areas. It is also utmost important to pay
attention to the economics in production system and all aspects of supply & demand
management of water. This book covers all of the above aspects. In addition, the
book covers some recent dimensions such as pollution from agricultural fields,
modeling in irrigation & water management, and application of geographical infor-
mation system (GIS) in irrigation & water management.
Sufficient workout problems are provided to explain the application of theory/
methodology in practice. Data sheets (with sample data) are provided for different
methods to understand the procedure easily.
This comprehensive and compact presentation of the book will serve as a text
book for undergraduate students in Agricultural Engineering, Biological Systems
Engineering, Bio-Science Engineering, Water Resource Engineering, and, Civil &
Environmental Engineering. It will also be helpful for the students of relevant fields
such as Agronomy, Biological Sciences, Meteorology, Ecology and Hydrology.
Although the target audience of the book is undergraduate students, post-graduate
students will also be benefited from the book. It will also serve as a reference
manual for field engineers, researchers and extension workers working in the above
mentioned fields.
It was tried to keep the language simple as possible to make understandable
to all category of readers having different language origins. Throughout the
book, the emphasis has been given on general description and principle of each
topic, and tried to cover experimental and technical details. However, the com-
prehensive journal references in each area (at the end of each chapter) should
enable the reader to pursue further study of special interest. In fact, the book
covers broad interdisciplinary subjects. The subject matter has been splitted into
vii
25 chapters in two volumes to clearly specify different topics so as to make
more understandable to the readers. This volume (volume 1) covers fundamental
aspects, and the second volume covers application aspects of irrigation and water
management.
Mymensingh, Bangladesh Dr. M.H. Ali
viii Preface
Acknowledgements
I acknowledge the co-operation, suggestions and encouragement of the faculty
members of the Department of Irrigation & Water Management, Bangladesh
Agricultural University. I would like to thank Engr. Dr. M.A. Ghani, former
Director General of Bangladesh Agricultural Research Institute, and World Bank
Country Representative, Bangladesh, who critically reviewed the content and
structure of several chapters of the Book.
I am grateful to the authority of Soil Moisture Co., CPN Co., and Raj Instru-
mentations for supplying the pictures of their products and giving permission to use
the same in the book. I am also grateful to the authority of FAO and IRRI for giving
permission to reproduce their some material.
I am thankful to Dr. M.A. Salam, Director (Research), Bangladesh Institute of
Nuclear Agriculture, for going through the book and writing a few words about the
same in the form of ‘Foreword’.
My sincere thanks are also due to my affectionate wife Anjumanara Begham,
daughter Sanjida Afiate and son Irfan Sajid, for their support, understanding and
patience during preparation of the manuscript.
ix
.
Contents
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
1 Introduction: Perspectives and General Concept of Irrigation . . . . . . . . 1
1.1 Availability of Water in the Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Variability of Water with Time and Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 General Concept of Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.1 Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.2 Full Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.3 Deficit Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Global Outlook: World Population and World Water Use . . . . . . . . . . . 3
1.4.1 Trend of World Water Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.5 Challenges and Opportunities in Irrigation and Water Management . 4
1.5.1 Challenging Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5.2 Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 Physiographic and Economic Factors Affecting Irrigation and Water
Management: Case Study, Bangladesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.1 National Economy and Agriculture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.2 Basic Physical Factors in Agricultural Production . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.3 Challenges and Limiting Factors in Agriculture
in Bangladesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6.4 Physical Features of Bangladesh Influencing Water Resources
Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6.5 Climate and Cropping Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6.6 Major Source of Irrigation Water in Bangladesh and Concern
of Sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
xi
1.6.7 Considerations in Current Water-Starved Situations . . . . . . . . . . . 9
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Fundamentals of Irrigation Development and Planning . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Factors Affecting Farm Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Agro-Ecological Factor/Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Soil Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Hydrological Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Crop Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.5 Water Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.6 Fertility Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.7 Socio-Economic Factor/Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.8 Other Management Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Important Factors Affecting Irrigation Planning and Development . . 13
2.2.1 Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3 Topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 Water Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.5 Crop(s) to be Cultivated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.6 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.7 Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.8 Capital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.9 Commodity/Product Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.10 Economic Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.11 Environmental Aspect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.12 National Policy and Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.13 Socio-Cultural Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.14 Institutional Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Irrigation Development in Asia and Pacific Region . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Progressive Irrigation Development in Bangladesh . . . . . . . . . 18
2.3.2 Irrigation Development in China . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.3 Irrigation Development in Iran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Impact of Irrigation on Environment and Ecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Positive Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Negative Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.3 Degradation of Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.4 Groundwater Abstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.5 Water-Logging and Salinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.6 Health Risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.7 Simplification and Homogenization of the World’s
Ecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Land Classification for Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1 Concept of Land Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2 Importance of Land Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
xii Contents
2.5.3 Standards of Land Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.4 Process of Land Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.5 USBR Land Classification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Relevant FAO Papers/Bulletins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Weather: A Driving Force in Determining Irrigation Demand . . . . . . . 31
3.1 Concept of Weather and Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Importance of Weather in Agriculture and Water Management . . . . 32
3.3 Basic Mechanisms of Weather Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.1 Sun- Earth Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 Role of Monsoon Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3 Interaction Between Atmosphere, Ocean,
and Land Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Weather Factors Determining/Influencing Crop Water Demand . . . . 35
3.4.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.3 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.4 Wind Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.5 Sunshine Hour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Weather Elements Affecting Agriculture and Crop Production . . . . . 36
3.5.1 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.2 Air Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.3 Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.4 Air Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.5 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.6 Photoperiod or Day-Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Definition, Measurement, and Analysis of Weather Variables . . . . . . 39
3.6.1 Rainfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.2 Solar Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.3 Air Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.4 Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6.5 Air Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6.6 Wind Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6.7 Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6.8 Some Other Weather Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.7 Instrumentation for a Weather Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.8 Weather Forecasting and Agricultural Decision Making . . . . . . . . . . . . 79
3.8.1 Weather Forecasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.8.2 Application of Weather Forecasting in Agricultural
Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.8.3 Copying Strategy for Hazardous Weather Phenomena . . . . . . 83
Contents xiii
3.9 Agro-Climatic Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.9.1 Use of Climatic Indices and Heat Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.9.2 Different Indices and Their Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.9.3 Examples on Heat Unit Requirement of Crop . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.10 Climatic Potential Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.10.1 Concept and Mathematical Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.10.2 Example on Calculation of Climatic Potential Yield . . . . . . . . 90
3.11 Agro-Climatic Classification for Crop Suitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.12 Greenhouse Effect and Its Consequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.12.1 Concept and Causes of Green House Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.12.2 Possible Consequences of the Green House Gases . . . . . . . . . . 95
3.12.3 Remediation/Abatement of Greenhouse Gas Generation . . . . 96
3.13 Climate Change and Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.13.1 Meaning of Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.13.2 Impact of Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
FAO Papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Exercise/Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 Soil: A Media for Plant Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Basics of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.1 Definition of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.2 Agricultural Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.3 Components of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.4 Importance of Soil for Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2 Physical Properties of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1 Qualitative Description of Soil Physical Properties . . . . . . . . . . 110
4.2.2 Description and Measurement Techniques of Important
Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.3 Infiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2.4 Importance of Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3 Chemical Properties of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.1 Soil pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3.2 Soil Cation Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4 Soil Hydraulic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4.1 Importance of Soil Hydraulic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4.2 Determination of Different Soil-Water Constants . . . . . . . . . . . 149
4.4.3 Measurement of Soil Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.4.4 Soil-Water Potentials and Other Related Terminologies . . . . 177
4.4.5 Determination of Soil Moisture Characteristics . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4.6 Hydraulic Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.4.7 Swelling and Shrinkage Properties of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
4.4.8 Biological Properties of Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
xiv Contents
4.4.9 Improvement of Soil Physical, Chemical, and Biological
Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
FAO Soil Bulletins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5 Plant: A Machinery of Water Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.1 General Overview and Types of Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.1.1 General Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.1.2 Types of Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
5.2 Development of Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.2.1 Growth Stages of Field Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
5.2.2 Growth and Development of Cereals: Example with
Wheat Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.2.3 Thermal Time Requirement of Crop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3 Structure of Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.3.1 General Structural Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.3.2 Root Growth and Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.4 Crop Growth Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.4.1 Climatic Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.4.2 Water and Nutrient Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.5 Crop Growth Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.5.1 Leaf Area Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.5.2 Growth Rate and Relative Growth Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
5.5.3 Root Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.6 Dry-Matter Production in Plant and Its Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.6.1 Determination of Total Biomass or Drymatter . . . . . . . . . . . . . 245
5.6.2 Indices of Drymatter Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.6.3 Assimilate Partitioning/Remobilization of Prestored
Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.6.4 Improving Assimilate Partitioning to Grain . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.7 Plant Water Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.7.1 Theoretical Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.7.2 Indices of Plant–Water Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.7.3 Water Potential in Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.7.4 Leaf Water Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5.7.5 Water Content/Water Retention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.7.6 Relative Water Content/Relative Turgidity . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.7.7 Relative Saturation Deficit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.7.8 Relation Between Leaf Water Potential and Relative
Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.8 Plant Biochemical and Physiological Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
5.8.1 Plant Biochemical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
5.8.2 Physiological Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Contents xv
5.9 Water and Nutrient Uptake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.9.1 Water Uptake Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.9.2 Nutrient Uptake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.10 Critical Growth Stages of Plant and Water Demand for Whole
Growth Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.10.1 Critical Growth Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.10.2 Water Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.11 Plant Adaptation to Stress/Drought: Stress Physiology . . . . . . . . . . . . . 261
5.11.1 Mechanisms of Plant Survival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.11.2 Drought Tolerance Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
5.11.3 Yield Estimation Under Drought Condition . . . . . . . . . . . . . . . . 265
5.12 Plant Production Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.12.1 APSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.12.2 CropSyst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.12.3 Oryza2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.12.4 SUCROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6 Water: An Element of Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.1 Sources and Uses of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.2 Special Characteristics of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.3 The Hydrologic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.3.1 Concept and Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.3.2 Processes Involved in Hydrologic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
6.3.3 Impact of Hydrologic Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6.4 Water Quality Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
6.4.1 Meaning of Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
6.4.2 Factors Affecting Quality of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
6.4.3 Factors Affecting Suitability of Water for Irrigation . . . . . . . 277
6.4.4 Water Quality Indicators/Parameters and Their Description 277
6.4.5 Water Quality Evaluation: Standards and Guidelines . . . . . . 288
6.4.6 Classification of Water for Its Quality Based on Different
Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.5 Water Analysis: Measuring the Quality of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.5.1 Analytical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.5.2 Some-Related Terminologies and Relationships . . . . . . . . . . . 295
6.5.3 Workout Problems on Assessing Water Quality . . . . . . . . . . . . 296
6.5.4 Checking the Correctness of Water Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 298
6.6 Problems with Marginal/Poor Quality Irrigation Water for Crop
Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.6.1 Major Issues and Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.6.2 Impact on Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.6.3 Problem of Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
xvi Contents
6.6.4 Other Miscellaneous Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.6.5 Yield Decrease Due to Poor Quality Water . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.7 Coping Strategies in Using Poor/Marginal Quality Irrigation
Water for Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.7.1 Management Strategies in Using Poor Quality
Irrigation Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.7.2 Workout Problems on Water Mixing and Leaching . . . . . . . . 304
6.8 Water Quality of River and Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.9 Water Quality Models and Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.9.1 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.9.2 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
6.10 Contamination/Pollution of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
6.10.1 Major Sources of Water Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
6.10.2 Arsenic Contamination: Causes, Consequences,
and Mitigation/Remedial Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
6.11 Protecting Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.11.1 Protection Measures Against Potential Sources
of Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.11.2 Management Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.12 Treatment of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.12.1 Different Methods of Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.12.2 Physical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.12.3 Chemical Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.12.4 Biological Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.12.5 Water Purification in a Treatment Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Relevant FAO Irrigation and Drainage Papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
7 Field Water Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
7.1 Concepts, Sketch, and Mathematical Form of Field Water Balance 331
7.1.1 Concept of Field Water Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
7.1.2 Mathematical Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
7.1.3 Limiting Conditions of the Water Balance Components . . 333
7.2 Determination of Different Components of Water Balance . . . . . . . . 334
7.2.1 Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
7.2.2 Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
7.2.3 Surface Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
7.2.4 Deep Percolation or Deep Drainage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
7.2.5 Upward Flux/Capillary Rise from Water-Table . . . . . . . . . . . 362
7.2.6 Determination of Change in Soil-Water storage . . . . . . . . . . 365
7.2.7 Workout Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
FAO Papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Contents xvii
Questions/Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
8 Soil–Water–Plant–Atmosphere Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
8.1 Concept of Soil–Plant–Atmospheric Continuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
8.1.1 Some-Related Concepts/Terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
8.2 Soil–Water–Plant–Atmosphere Interrelations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.2.1 Different Soil–Water Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
8.2.2 Plant–Water Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
8.2.3 Soil Wetness and Evaporation Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
8.2.4 Root Water Uptake in Relation to Soil-Moisture . . . . . . . . . . . . 380
8.2.5 Hydraulic Conductance in Soil–Leaf Pathway . . . . . . . . . . . . . . . 382
8.2.6 Plants Response to Soil Moisture Deficit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
8.2.7 Water Flow Through Soil–Plant–Atmospheric Continuum . . 388
8.2.8 ET Under Depleting Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
8.2.9 Workout Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
9 Crop Water Requirement and Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
9.1 Crop Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
9.1.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
9.1.2 Factors Affecting Crop Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
9.1.3 Calculation/Estimation of Crop Water Requirement . . . . . . . . . 401
9.1.4 Difference Between Crop Water Requirement and Irrigation
Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
9.1.5 Water Requirement of Major Field Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
9.2 Irrigation Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
9.2.1 Factors Affecting Irrigation Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
9.2.2 Components of Total Water Requirement for Irrigation . . . . . 403
9.2.3 Total Irrigation Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
9.2.4 Sample Examples on Calculation of Irrigation
Water Requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
9.3 Basics of Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.3.1 Concept of Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
9.3.2 Indicators of Irrigation Need Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.3.3 Factors Affecting Irrigation Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
9.3.4 Common Irrigation Scheduling Methods Used
by the Farmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
9.3.5 Advanced Irrigation Scheduling Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . 413
9.3.6 Factors Influencing Choice of Irrigation Scheduling Method . 414
9.4 Description of Different Irrigation Scheduling Methods
or Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
xviii Contents
9.4.1 Climatic Approach/Evapotranspiration Basis . . . . . . . . . . . . . . . 414
9.4.2 Pan Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
9.4.3 Crop Growth Stage Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
9.4.4 Soil Moisture Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
9.4.5 Deficit Irrigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
9.4.6 Soil Water Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
9.4.7 Leaf Water Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
9.4.8 Stress Day Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
9.4.9 Irrigation Calendar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
9.4.10 Soil-Moisture Balance Approach or Check-Book Approach . 428
9.4.11 Modeling Approach for Irrigation Management . . . . . . . . . . . . 428
9.4.12 Real-Time Irrigation Scheduling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
9.4.13 Irrigation Scheduling Under Limited/Variable Water
Supply, Variable Rainfall, and Saline Condition . . . . . . . . . . . 431
9.4.14 Sample Workout Problems on Irrigation Scheduling . . . . . . . 432
9.5 Irrigation Command Area Designing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
9.5.1 Concept of Command Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
9.5.2 Relevant Terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
9.5.3 Duty, Delta, and Base Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
9.5.4 Factors Affecting Peak Irrigation Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
9.5.5 Identification of Problem in the Command Area . . . . . . . . . . . 440
9.5.6 Command Area Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
9.5.7 Designing Command Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.5.8 Sample Layout of a Command Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
9.5.9 Sample Examples on Duty-Delta and Command Area . . . . . 444
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
FAO Papers/Reports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Questions/Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
10 Measurement of Irrigation Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
10.1 Basics of Water Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
10.1.1 Purpose of Water Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
10.1.2 Types of Flow Measuring Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
10.1.3 Selection of a Water Measuring Device . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
10.1.4 Basic Terminologies and Hydraulic Principles of Flow
Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
10.1.5 Permanent Flow Measuring Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
10.2 Measurement of Flow in Small Irrigation Channel . . . . . . . . . . . . . 463
10.2.1 Area–Velocity Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
10.2.2 Stream Gauging: Stage–Discharge Relationship . . . . . . . . 465
10.2.3 By Flume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
10.2.4 By Portable Weir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
10.2.5 By V-Notch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
Contents xix
10.2.6 Tracer Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
10.2.7 Automated Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
10.3 Measurement of Velocity, Area, and Water Depth (or Head) . . 472
10.3.1 Measurement of Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
10.3.2 Measurement of Water Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
10.3.3 Measurement of Channel Cross-Sectional Area . . . . . . . . . 475
10.4 Measurement of Pipe Flow/Pump Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
10.4.1 Direct Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
10.4.2 Co-ordinate Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
10.4.3 By Orifice meter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
10.4.4 By Venturimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
10.4.5 By Flume or V-Notch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
10.5 Sample Workout Problems on Water Flow Rate Measurement . 481
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
FAO Papers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
Questions/Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
11 Water Conservation and Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
11.1 Concept and Definition of Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
11.2 Means or Methods of Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
11.2.1 Reducing Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
11.2.2 Reducing Evapotranspiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
11.2.3 Seepage Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
11.2.4 Reducing Quality Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
11.2.5 Cloud Seeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
11.2.6 Surface Storage and Groundwater Recharge . . . . . . . . . . . . . 495
11.2.7 Treating and Reusing Sewage or Other
Contaminated Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
11.2.8 Using Super-Absorbents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
11.3 Water Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
11.3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
11.3.2 Background/The Need of Water Harvesting . . . . . . . . . . . . . 497
11.3.3 Historical Overview: Old Practices of Rainwater Harvest 497
11.3.4 Prerequisite of Rainwater Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
11.3.5 The Need and Prospects of Water Harvesting:
Case Study, Bangladesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
11.3.6 Techniques of Rain-Water Harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
11.3.7 Sample Examples on Rainwater Harvesting . . . . . . . . . . . . . 501
11.4 Groundwater Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
11.4.1 Extent and Magnitude of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
11.4.2 Methods of Groundwater Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
11.5 Rubber Dam: A New Prospect of Surface Water
Storage/Harnessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
11.5.1 Definition and Types of Rubber Dam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
xx Contents
11.5.2 Different Parts of a Rubber Dam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
11.5.3 Site Selection for a Dam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Relevant FAO Papers/Water Reports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
12 Economics in Irrigation Management and Project Evaluation . . . . . 511
12.1 Economic Aspects in Irrigation Management and Crop
Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
12.1.1 Water as an Economic Good . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
12.1.2 Typical Criteria of a Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
12.1.3 Significance of Economic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
12.2 Basics of Economic Theories and Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
12.2.1 Demand and Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
12.2.2 Cost and Revenue Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
12.3 Economic Considerations in Irrigation and Crop Production . . . 520
12.3.1 Economic Consequences of Low Irrigation Efficiency . . 520
12.3.2 Economic Efficiency vs. Irrigation Efficiency . . . . . . . . . . . 521
12.3.3 Optimal Levels of Water Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
12.3.4 Opportunity Cost of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
12.3.5 Farm-Level Profit Maximization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
12.3.6 Maximizing Social Benefit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
12.4 Mathematical Formulation for Minimum Cost or Maximum
Profit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
12.4.1 Minimizing Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
12.4.2 Maximizing Net Benefit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
12.5 Different Water Productivity Indices in Irrigation Management 525
12.5.1 Water Productivity (EET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
12.5.2 Productivity of Irrigation Water (Eir) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
12.5.3 Marginal Productivity of Irrigation Water . . . . . . . . . . . . . . . 525
12.6 Economic Analysis Under Different Resource Constraints and
Different Budget Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
12.6.1 Analysis Under Different Budget Consideration . . . . . . . . 526
12.6.2 Analysis Under Different Resource Constraints . . . . . . . . . 526
12.6.3 Example on Economic Analysis for Different Irrigation
Management Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
12.7 Economic and Financial Analysis of Development Projects . . 531
12.7.1 Different Economic and Financial Indices and Related
Terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
12.7.2 Expression of Cost and Benefit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
12.7.3 Analysis of NPV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
12.7.4 The NPV Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
Contents xxi
12.7.5 Discounting/Compounding Formula Under Different
Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
12.7.6 Project Selection Among Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
12.7.7 Examples on Financial Analysis and Project
Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Relevant Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
xxii Contents