IRRIGATION AND DRAINAGE ENGINEERING BY P. WALLER AND M. YATAYEW

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  

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

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

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

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

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

Mineralization Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

Denitrification (Nitrate Sink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

Plant Uptake (Sink) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

26 Water and Solute Mass Balance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Water Mass Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

Salinity Mass Balance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

Nitrate Mass Balance Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

27 Water and Energy Relationships in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

Conservation of Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

Hydraulic Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

Energy Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

Horizontal Flow Through Gravel Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

Calculation of Flow Through Any Media with Finite Differences . . . . . . . . . . . . 482

Water Content and Matric Potential Energy in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492

28 Modeling Soil Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

Combined Energy and Volume Balance Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

Modeling Flux and Energy in Unsaturated Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

Water and Energy Distribution with a Water Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

Upward Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

29 WINDS Agricultural Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

Evapotranspiration and Crop Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

Partially Wetted Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513

WINDS Remote Sensing Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515

Green-Ampt Infiltration Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

WINDS Salinity Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

WINDS Nitrate Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

30 Subsurface Drainage Design and Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

Environmental Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

Drainage System Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

Soils Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

Pipe Network Layout and Elevations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

Pipe Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

Filters (Envelopes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534

Field Drainage System Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Drainage Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Drainage Sumps and Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

Measurement of Lateral Hydraulic Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………………………………... 544

31 Subsurface Drainage Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

Simulation of Yield Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

Hooghoudt Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547

Transient Drainage Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Economic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

Streamtube Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560

References and Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562