VOLUME 40 (1998) - #2 (April/May/June)

Water quality improvement at the watershed scale in an animal production area - J. Gallichand, E. Aubin, P. Baril and G. Debbailleul

Surface water quality is a problem in many animal production areas. Water quality control at the watershed scale is emerging as a procedure to deal with point and nonpoint source pollution. The objectives of this paper are to present the procedures for implementing best management practices (BMP) in a 5.3 km2 experimental watershed and to assess the effect of the BMPs on water quality. A monitoring station measured flowrate and water quality parameters at the outlet of the experimental watershed and at that of a control watershed. The experimental setup was such that the implementation of BMPs took place one-year after initiating the water quality monitoring program. Also, no changes in land use and fertilization practices occurred in the control watershed. From the data analyzed, 90% of the point source pollution came from leaking liquid manure tanks and from manure piles stored directly on the ground; corrective measures consisted in the construction of animal waste tanks. Budgets of nutrients at the field scale showed that 63% of cultivated areas were in surplus of phosphorus compared to 42% for nitrogen. Fertilization plans included a change in timing and amount of manure applied. Water quality monitoring showed that the most problematic parameters were phosphorus, fecal coliforms, and fecal streptococci. Time series analyses showed a highly significant decrease in total phosphorus concentration and a significant decrease in fecal streptococci. No significant decrease in fecal coliforms was observed, probably because four out of six domestic sewage systems still discharged directly into the watercourses at the end of the monitoring period. Water quality improvements were detected in the watershed following the implementation of BMPs over a period of 2.6 years.

La qualité de l'eau est un problème dans plusieurs zones de production animale. Le contrôle à l'échelle du bassin versant émerge comme moyen pour contrôler les pollutions ponctuelle et diffuse. Les objectifs de cet article sont de présenter les procédures utilisées pour mettre en place les meilleures pratiques agricoles sur un bassin versant expérimental de 5.3 km2, et d'évaluer leurs effets sur la qualité de l'eau. Une station de jaugeage et d'échantillonnage de l'eau a été installée aux exutoires des bassins versants expérimental et témoin. Le dispositif experimental fut tel que la mise en place des interventions n'eut lieu qu'une année après le début du suivi de la qualité de l'eau, et qu'aucun changement dans les pratiques agricoles ne survint sur le bassin de contrôle. Les calculs ont montré que 90% de la pollution ponctuelle provenait de fuites de fosses à lisier et des tas de fumier entreposés directement sur le sol; dans ces cas, les mesures correctives ont consisté en la construction de fosses à fumier et lisier. Un budget des éléments fertilisants au niveau de chaque champ a montré que 63% des zones cultivés était en surplus de phosphore, comparé à 42% pour l'azote. Les plans de fertilisation incluaient le fractionnement et un changement des périodes d'application. Le suivi de la qualité de l'eau a fait ressortir le phosphore et les coliformes et streptocoques fécaux comme paramètres problématiques. L'analyse statistique en séries chronologiques a montré une diminution hautement significative des concentrations de phosphore total, et une baisse significative des streptocoques fécaux. Aucune diminution de la concentration des coliformes fécaux ne fut observée due à la présence d'égoûts domestiques déversant directement dans le cours d'eau. Pour le bassin versant intervention, il fut possible de détecter des améliorations de la qualité de l'eau à l'intérieur d'une période de 2.6 années.

Hydrologic characteristics of an agricultural watershed in rural Quebec - J. Perrone, C.A. Madramootoo and P. Lapp

The hydrology of a 26.1 km2 rural Quebec watershed was investigated. Thirty-one rainfall-runoff events were used in the analysis. The average time of concentration (tc), lag time (tl), and time to peak (tp) for these events were measured as 7.4, 8.5, and 13.1 h, respectively. The U.S. Soil Conservation Service and Airport equations provided the best estimates of tc (6.1 and 5.9 h, respectively), though all equations underestimated tc. Lag time and tp were variable and related to storm duration. Equations describing relationships between peak discharge, antecedent flow, total rainfall, and surface runoff were developed. Surface runoff was also correlated to event rainfall and the 14-day antecedent precipitation index. All rainfall-runoff relationships demonstrated strong correlation. Peak and antecedent flow appeared to be correlated to the 30-minute maximum rainfall intensity. These attributes characterize rural watersheds and provide the basis for modelling their hydrological responses. Keywords: antecedent flow, lag time, peak flow, precipitation, rainfall intensity, storm duration, surface runoff, time of concentration, time to peak.

Nous avons étudié l'hydrologie d'un petit bassin versant du Québec. Trente-et-un événements hydrologiques ont été analysés. Les temps de concentration, le temps de décalage et le temps de montée moyens mesurés ont été de 7.4, 8.5 et 13.1 heures, respectivement. Les équations SCS et Airport ont donné les meilleurs estimations de tc (6.1 et 5.9 heures, respectivement). Toutes les équations testées ont sous-estimé tc. Le temps de décalage et le temps de montée étaient variables et reliés à la durée de la pluie. Des équations décrivant les relations entre le débit de pointe, le débit initial, la pluie totale et le ruissellement de surface ont été développées. Le ruissellement de surface a été corrélé à la pluie totale et l'indice de précipitation antécédente. Toutes les relations précipitation-ruissellement ont démontré une forte corrélation. Le débit de pointe et le débit initial semblaient être fonction de l'intensité maximale de la pluie pour une période de 30 minutes. Mots clés: débit initial, débit de pointe, intensité de pluie, précipitation. temps de concentration, temps de décalage, temps de montée, temps de pluie, ruissellement de surface.



Performance of some evapotransipiration equations at a site in Quebec - N. Barnett, C.A. Madramootoo and J. Perrone

Evapotranspiration (ET) estimates were made for a reference crop using the Modified Penman, Jensen-Haise, Baier-Robertson (Laval), FAO Blaney-Criddle, and SCS Blaney-Criddle equations. Results obtained from the five equations were compared to pan-based evapotranspiration data taken from a site at St. Esprit, Quebec. On a seasonal basis, the Baier-Robertson (Laval) equation provided seasonal potential ET estimates within 10% of adjusted pan evaporation values. The Modified Penman, FAO Blaney-Criddle, and SCS Blaney-Criddle equations produced seasonal ET estimates within 10 to 25% of corrected pan ET data. The Jensen-Haise equation consistently predicted lower seasonal values of ET, with an average seasonal difference of approximately 50% compared to the corrected pan evaporation values. Seasonal ET estimates with the Baier-Robertson equation were not significantly different than corrected pan ET data at the 0.05 level of significance. Keywords: Baier-Robertson, Blaney-Criddle, evapotranspiration, Jensen-Haise, Penman.

Des estimations d'évapotranspiration (ET) ont été calculées utilisant les formules Modified Penman, Jensen-Haise, Baier-Robertson (Laval), FAO Blaney-Criddle, et SCS Blaney-Criddle. Les resultats ont été comparés aux données d'évaporation obtenues d'une station météorologique à St. Esprit, Québec. Sur une base saisonière, les meilleures estimations d'ET ont été calculées avec la formule Baier-Robertson (Laval), avec une variation de moins de 10% comparées aux données d'évaporation de bac corrigées. Les formules Modified Penman, FAO Blaney-Criddle, et SCS Blaney-Criddle ont produit des estimations saisonières d'ET variant de 10 à 25% des données d'évaporation de bac corrigées. La formule Jensen-Haise a constament sous-estimé ET (d'environ 50% sur une base saisonière) vis à vis les données d'évaporation de bac corrigées. Les estimations siasonières d'ET de la formule Baier-Robertson (Laval) n'étaient pas statistiquement différentes des donnés d'évaporation de bac corrigées au niveau 0.05, [0.025, et 0.01]. Mots clés: Baier-Robertson, Blaney-Criddle, évapotranspiration, Jensen-Haise, Penman.

Design et évaluation d'un système d'attelage déporté pour charrue portée - N. Ravonison, S. Tessier, C. Laguë, N.B. McLaughlin et C. Plouffe

La technique conventionnelle de labour avec une charrue portée présente l'inconvénient d'accélérer la formation de la semelle de labour. Une alternative qui consiste à labourer hors-raie, c'est-à-dire en ne maintenant aucune des roues du tracteur dans la raie, devrait permettre de réduire la gravité de ce problème. L'adoption de cette technique avec une charrue portée nécessite une certaine modification du système d'attelage de la charrue au tracteur. On a alors conçu un système d'attelage, qui inséré entre le tracteur et la charrue, permet un déport latéral de 500 à 900 mm par rapport à la position normale de la charrue vis-à-vis du tracteur. Avec cette position déportée, le tracteur peut circuler entièrement hors-raie. Des essais expérimentaux sur de l'argile Sainte-Rosalie ont été effectués dans le but d'évaluer certains paramètres liés à la performance de la charrue équipée d'un tel système. Ces essais ont permis de constater que l'utilisation de l'attelage déporté n'a causé aucune dépense énergétique supplémentaire. Avec ou sans attelage, l'effort de tirage spécifique, le glissement et la consommation en carburant demeurent respectivement autour de 100 kN/m2, 6 % et 23 L/h. La stabilité générale de la charrue n'a pas été affectée significativement par l'utilisation du système. Par contre, l'utilisation du système d'attelage déporté a augmenté la charge verticale appliquée par la charrue sur l'essieu arrière du tracteur de l'ordre de 6 kN, et en plus elle a rendu plus délicat le réglage de la profondeur de labour.

The common plowing technique with a mounted moldboard plow can often generate a plow pan. Plowing with all of the tractor wheels out of the plow furrow should decrease the occurence of this problem. A hitching device to be inserted between the tractor and the plow was designed to allow the implement to be offset laterally by 500 to 900 mm from its usual location with respect to the tractor. Field trials were carried out to check some performance parameters using this new hitch. Energy requirements for this new hitch were the same as for the conventional hitch. Specific pull, slipping and fuel consumption remained at 100 kN/m2, 6 % and 23 L/h respectively. The general stability of the moldboard plow was not affected by the use of the system. However, the use of the shifted hitching system increased the vertical load applied to the rear axle by 6 kN and made it more difficult to adjust the plowing depth.

Stress-strain and volume strain-strain relationships for soybean - Y.H. Zhang, J.C. Jofriet and S.C. Negi

Triaxial tests of soybean were used to generate data for use in a secant constitutive material model for a finite element analysis of bulk solids. The analysis required relationships between equivalent stress and equivalent strain, as well as volume strain and equivalent strain. Seventy-five tests were conducted with confining pressure and displacement rate as test variables. The relationship between equivalent stress and equivalent strain consisted of an almost linear elastic range followed by a "plastic" range that was accompanied by considerable dilation of the granular material. The test variable confining pressure affected the relationship significantly but the displacement rate did not. A prediction equation expressing equivalent stress in terms of equivalent strain and confining pressure is presented. The relationship between volume strain and equivalent strain consisted of an initial quadratic curve followed by an approximately linear range. Further increase in volume due to dilation of the granular material was observed in this linear region. Confining pressure affected the relationship but the displacement rate did not. The paper presents a prediction equation for volume strain in terms of equivalent strain and confining pressure. Keywords: constitutive relationship, stress-strain relationship, soybean, triaxial test.

Des essais triaxiaux de graines de soja ont été utilisés afin d'obtenir les données nécessaires pour un modèle matériel constitutif sécant. L'analyse nécessitait une relation entre la charge équivalente et la tension équivalente ainsi qu'une relation entre la tension volumétrique et la tension équivalente. Soixante quinze essais ont été entrepris, avec la pression de confinement et la vitesse de déplacement comme variables. La relation entre la charge équivalente et la tension équivalente consistait d'une région élastique presque linéaire suivie d'une région "plastique". La région "plastique" était accompagnée d'une dilatation considérable du matériel granulaire. La pression de confinement a affecté la relation alors que la vitesse de déplacement n'a montré aucun effet. Une équation de prédiction qui exprime la charge équivalente en fonction de la tension équivalente et de la pression de confinement est présentée. La relation entre la tension volumétrique et la tension équivalente consistait d'une courbe quadratique suivie d'une région presque linéaire. Une augmentation de volume due à la dilatation du matériel granulaire a été observée dans cette région linéaire. La pression de confinement a affecté la relation alors que la vitesse de déplacement n'a montré aucun effet. Ce travail présente une équation de prédiction pour la tension volumétrique en fonction de la tension équivalente et de la pression de confinement.

Oligolysis: effect of voltage on odour and sulphide removal in stored pig manure - J.J.R. Feddes, Y. Wang, I.E. Edeogu and R.N. Coleman

Oligolysis appears to effectively reduce odours by removing sulphur containing compounds from stored liquid manure. The objective of this experiment was to test the effect of voltage level on the effectiveness of this process in reducing these compounds. The experiment consisted of six treatments, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, and 3.5 volts and a control (no voltage). Liquid samples were obtained at 0, 0.5, 3, 24, and 168 h from 0.225 m3 bioreactors and the gas samples were obtained at 0, 24, and 168 h. The liquid samples were analyzed for free and total sulphides while the gas samples were analyzed for hydrogen sulphide (H2S). Liquid samples taken at 168 h were tested by eight odour panelists to determine a threshold odour number (T.O.N.). The results indicate that all voltage treatments removed over 97% of the free sulphides in liquid pig manure. The mean concentration of H2S in the gas released from the treated bioreactors was 91% less than the control. No significant differences in sulphide levels were observed at the applied voltages.

Il semble que l'oligolyse permettent de réduire les odeurs provenant des fosses d'entreposage de lisier en enlevant les composés de soufre. L'objectif de cette expérience était de déterminer l'effet du niveau de voltage sur l'efficacité du procédé de à réduire ces composés. L'expérience consistait en 6 traitements, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 et 3.5 volts et un contrôle (sans voltage). Les échantillons liquides furent prélevés à 0, 0.5, 3, 24 et 168 h de bioréacteurs de 0.225 m3 et les échantillons de gaz à 0, 24 et 168 h. On a analysé les sulfures libres et totaux dans les échantillons liquides, alors que dans les échantillons de gaz on a fait une analyse de sulfure d'hydrogène (H2S). Les échantillons liquides prélevés à 168 h ont été soumis à 8 participants afin de déterminer une valeur seuil d'odeur (T.O.N.). Les résultats montrent que tous les traitements ont permis d'enlever du lisier de porc plus de 97% des sulfures libres. La concentration moyenne de sulfure d'hydrogène des gaz libérés des bioréacteurs avec traitement était inférieure de 91% à celle du contrôle. Aucune différence significative dans les taux de sulfure n'a été observée aux voltages appliqués.

Bend-effects on the residence time distribution of solid food particles in a holding tube - S. Grabowski and H.S. Ramaswamy

The residence time distribution (RTD) of individual food particles in the curved section (180) of a holding tube of an aseptic processing simulator was investigated. Process variables were the radius of curvature (R=0.1 and 0.2 m) of the bend, type, size and shape of the food particles and type of carrier liquid (water or pectin solutions). The results obtained by a video-taping technique indicated that the linear velocity of food particles in the curved section (bend) was reduced from about 8% (R=0.2 m) to about 15% (R=0.1 m) in comparison to the velocity in the straight section. Particle size and shape, and viscosity of the carrier liquid influenced the velocity of the food particle in the curved section, but only the shape effect was similar to that in straight part of the tube.

La distribution des temps de séjour (DTS) de particules individuelles d'aliments lors du passage dans un tube de chauffage aseptique est un paramètre important. La DTS de particules lors du passage dans un coude à 180 est présenté dans cette étude. Les variables prises en compte sont le rayon de courbure (R=0.1 et 0.2 m), le type, la grosseur et la forme des particules ainsi que le type de liquide porteur (eau ou solutions d'eau et pectines). Les résultats obtenus par visualisation (vidéo) indiquent que la vitesse linéaire des particules lors du passage dans le coude est réduite de 8 à 15 % (R=0.2 m et 0.1 m respectivement) par rapport à la vitesse dans la section droite. La dimension et la forme des particules, ainsi que la viscosité du fluide porteur influencent également la vitesse des particules lors du passage dans le coude. Seul la forme des particules a le même effet dans la section droite et dans la section courbée.

Determination of fuzzy membership functions for milk yield through structured interviewing of experts - R. Lacroix, R. Tiemessen and K.M. Wade

The objective of this research was to develop and test a procedure for the determination of fuzzy membership functions (MF) based on data acquired from experts. The area of study wasthe fuzzification of milk yield on a given test day. The procedure consisted of showing 324 test day records (representing 36 herds and 1103 cows) randomly to two experts and asking them to qualify milk yield using one or two consecutive fuzzy sets out of five (very low, low, medium, high, and very high). They were also asked to furnish a degree of membership to each set in the case of two being chosen. The qualification of milk yield was based on its comparison with standard values determined as a function of parity, days in lactation, and herd average milk yield. The data acquired from experts were first analyzed graphically to 1) verify the dependence of these data on parity, days in lactation, and herd average milk yield, and 2) determine the position of critical points for the fuzzy sets. The MF were then established by fitting a non-linear model to the data within each region bounded by the critical points. The fuzzy sets appeared to be little influenced by parity, days in lactation, and herd average milk yield. However, important discrepancies were found between the two experts, especially for extreme fuzzy sets. The membership functions also differed from those assessed by the experts prior to this project. Although the method used to determine optimal sets of model parameters for MF may be further improved, the overall procedure appears to be appropriate for rapidly finding the MF which reflect well the thinking of experts. Keywords: fuzzy sets, membership functions, dairy cows, management.

Une procédure servant à la détermination de fonctions d'appartenance associées à des ensembles flous, basée sur des données acquises auprès d'experts, a été développée et testée. Cette procédure servait à établir des fonctions d'appartenance pour les rendements de vaches laitières. Elle consistait à montrer à deux experts 324 enregistrements extraits d'un fichier de données de contrôle représentant 36 troupeaux et 1103 vaches, et à leur demander de qualifier chaque donnée à l'aide d'un maximum de deux ensembles flous consécutifs parmi cinq (Très Bas, Bas, Moyen, Haut et Très Haut). Les experts devaient également fournir un degré d'appartenance à chaque ensemble flou dans le cas où deux étaient choisis. La fuzzification était basée sur une comparaison des rendements laitiers avec des valeurs standard déterminées en fonction de la parité, du nombre de jours en lactation et du rendement laitier moyen du troupeau. Les données acquises ont été analysées graphiquement afin de 1) vérifier la dépendance de ces données sur la parité, le stade de lactation et la production moyenne des troupeaux, et 2) déterminer la position des points critiques pour les cinq ensembles flous. Les fonctions d'appartenance ont ensuite été établies en calibrant un modèle non-linéaire, à l'aide des données, pour chaque zone comprise entre les points critiques. Les ensembles flousont semblé peu dépendants de la parité, du stade de lactation et de la production moyenne des troupeaux. Des différences importantes entre les ensembles flous des deux experts ont toutefois été observées, surtout pour ceux aux extrémités. Les fonctions d'appartenance des deux experts étaient également très différentes de celles établies par ceux-ci avant ce projet. Quoique la méthode suivie pour la détermination de l'ensemble optimal de paramètres des fonctions d'appartenance pourrait être améliorée, la procédure globale semble permettre l'établissement rapide de fonctions d'appartenance qui reflètent bien la pensée des experts.

Performance analysis of a fuzzy decision-support system for culling of dairy cows - R. Lacroix, M. Strasser, R. Kok and K.M. Wade

To investigate the use of fuzzy logic in decision-support systems for dairy cattle breeding, a prototype software system was developed. The objectives were to determine the advantages and limitations of fuzzy logic for this type of application and to establish a methodological basis for the development of more complete decision-support systems in the future. The goal of the prototype decision-support system was to make culling decisions on the basis of monthly production data. During the development phase, three experts in the area of animal breeding were interviewed. The final version comprised three rule sets which considered a total of five input variables. The membership functions for most of the input variables were made herd-specific. Results showed that the use of fuzzy sets could increase the flexibility and adaptivity of rule-based expert systems. The same rule sets were appropriate under various scenarios (e.g., herds, regions, and breeds) with inferences being made specific to each context by adjusting the membership functions associated with the fuzzy sets. Results also showed that the inferences from fuzzy sets could be used as an alternative to methods currently used for within-herd cow rankings. The development of expert systems based on fuzzy logic seems relatively easy and such expert systems may require a smaller number of rules than traditional approaches to achieve similar output variations. Keywords: dairy cattle, culling, decision-support systems, fuzzy logic.

Un logiciel prototype a été développé afin d'explorer l'utilisation de la logique floue dans les systèmes informatiques d'aide à la décision (SIAD). Les objectifs consistaient à déterminer les avantages et limites de la logique floue pour ce type d'application, et à établir une base méthodologique pour le développement de SIAD plus complets dans l'avenir. Le SIAD devait prendre des décisions de réforme de vaches laitières, basées sur les données de contrôle. La version finale du prototype, développée à partir de connaissances acquises auprès de trois experts, considérait cinq variables input. Pour la majorité de ces variables, les fonctions d'appartenance étaient spécifiques à chaque toupeau. Pour cette raison, les systèmes experts basés sur les ensembles flous sont flexibles et adaptatifs. Les mêmes bases de règles peuvent être utilisées dans divers contextes (e.g., troupeaux, régions, races), les inférences étant rendues spécifiques en ajustant les fonctions d'appartenance. Les résultats obtenus ont aussi démontré que les ensembles flous constituaient une alternative aux méthodes de classement des vaches actuellement utilisées par les agences de contrôle laitier. Les systèmes experts basés sur la logique floue pourraient requérir un moins grand nombre de règles que les approches conventionnelles pour fournir des variations aussi grandes au niveau des output.