HYDROLOGI Generelt og i Danmark. Torben O. Sonnenborg Hydrologisk Afdeling Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser (GEUS)

Transkript

1 HYDROLOGI Generelt og i Danmark Torben O. Sonnenborg Hydrologisk Afdeling Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser (GEUS)

2 GEUS De nationale geologiske undersøgelser for Danmark og Grønland Forskningsinstitution under Klima- og Energiministeriet Ca. 300 medarbejdere ENERGI Geologi (kontinentals.) Mineraler (guld, mm) Energi (olie, gas) VAND Hydrologi Grundvandskortlægning Geokemi

3 Disposition Vandets kredsløb Nedbør Fordampning Nettonedbør Overfladevandsafstrømning Grundvandsdannelse Strømningsveje og transporttider

4 Det hydrologiske kredsløb

5 Nedbør

6 Vandets kredsløb - Nedbør Nedbør Måling af nedbør

7 Vandets kredsløb - Nedbør Korrektion af nedbør Shelter Class Angle to horizon (α) Shelter description A 19 < α 30 Well B 5 < α 19 Moderately C 0 < α 5 Unsheltered D α > 30 Overprotected

8 Vandets kredsløb - Nedbør Korrektion af nedbør (%) Shelter Class J F M A M J J A S O N D Y P c A B C =(1+ k)p m De fleste målere er kategori B Problemer med vandbalancen!

9 Vandets kredsløb - Nedbør Geografisk fordeling Observeret nedbør Korrigeret nedbør

10 Nedbør - mekanismer Vigtigste betingelse: Afkøling af luftmasse 1. Front-systemer 2. Konvektion 3. Orografisk

11 Vandets kredsløb - Nedbør Årsager til geografisk fordeling Korrigeret nedbør

12 mm/måned Vandets kredsløb - Nedbør Sæsonmæssig fordeling Nedbør J F M A M J J A S O N D Måned Vestjylland Sjælland

13 Fordampning

14 Vanddamptryk (hpa) Fordampning Hvad er fordampning? Evaporation Transpiration Evapotranspiration Hvad styrer fordampningen? Gradient i vanddampindhold 80 Energitilførsel (sol) 60 Transportmekanisme (vind) Damptryk, e: Mættet damptrykskurve Tem peratur (C)

15 Fordampning Hvordan bestemmes fordampning? Måles ikke direkte Beregnes: 1. Referencefordampning, ET 0 Fordampning fra areal med 15 cm højt græs, som er velforsynet med vand 2. Potentiel fordampning, ET p Fordampning fra areal med bestemt afgrøde, som er velforsynet med vand 3. Aktuel fordampning, ET a Fordampning fra areal med bestemt afgrøde, under de aktuelle vækstbetingelser

16 Vanddamptryk (hpa) Fordampning - Referencefordampning Makkink: ET , obs e e R g Mættet damptrykskurve 20 Penman: Tem peratur (C) ET e R n e G u T u 2 2 e s e a

17 Fordampning - referencefordampning Makkink Penman

18 mm/måned Vandets kredsløb - Fordampning Referencefordampning: Sæsonvariationer Reference fordampning Vestjylland Sjælland 0 J F M A M J J A S O N D Måned

19 Fordampning Potentiel fordampning Potentiel fordampning (ET p ) Afgrødekoefficient ETp ET0 K c Vegetationstype Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Jord 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 Vårafgrøder 1,0 1,0-1,05 1,05-1,15 1,05-1,15 1,0 Vinterafgrøder 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,15 1,0-1,15 1,0-1,15 1,0 Skov 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 Vådområder 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

20 Fordampning Aktuel fordampning Afhængig af vandindhold i rodzonen ET a ET p f ( ) Eksempel på f( ): ET a /ET p 50% af tilgængeligt vandindhold vp mk Vandindhold

21 Nettonedbør

22 Vandets kredsløb - Nettonedbør Definition: Nedbør aktuel fordampning Mængden af vand der er til rådighed for grundvand og overfladevand Kvantificering i praksis

23 Nettonedbør Min. nettonedbør (Nedbør Ref.evap.) Datatype Middel Nedbør (korrigeret) Referencefordamp Forskel Alle tal i mm/år

24 Nettonedbør Baseret på vandløbsafstrømning

25 Nettonedbør Beregning: 1. Vandbalance 2. Vandstrømningsbeskrivelse

26 Nettonedbør vandbalance metode Konceptuel model Nedbør Infiltration Jord evaporation Evapotranspiration Rodzone Transpiration Perkolation Grundvandsdannelse Grundvandsspejl

27 Umættet og mættet zone

28 Vandindhold Volumen relationer Porøsitet: n V V f t Vandindhold: V V w t Eksempel 1: 2 m 3 vandmættet jord n = 0.25 Hvor meget vand? Eksempel 2: 1 m 3 umættet jord n = 0.30; = 0.10 Hvor meget vand?

29 Nettonedbør vandbalance metode Rodzonen opfattes som ét system N Jordoverflade NN 1. 2 = 1 + N 2. ET a ( 2 ) findes 3. 3 = 2 - ET a ( 2 ) 4. NN = 3 - MK Bund af rodzonen Tidsskridt: Daglig Parametre: Rodzonekapacitet

30 Beregning af nettonedbør Beregning af vandstrømning (f.eks. Daisy) N ET a Jordoverflade q f ( K( ), I z, ETa ) Tidsskridt: Minutter - timer Parametre: Hydraulisk ledningsevne Retentionskurve Grundvandsspejl

31 Nettonedbør i Danmark

32 mm/måned Vandets kredsløb - Nettonedbør Sæsonvariation Nettonedbør J F M A M J J A S O N D Måned Vestjylland Sjælland

33 Afstrømningsfordeling

34 Fordeling af nettonedbør Nettonedbør Terræn Dræn Grundvandsstand Grundvandsdannelse

35 Overfladeafstrømning Svært at kvantificere umiddelbart Afstrømning på jordoverfladen Grundvandsstand = terræn Nedbørsintensitet > infiltrationskapacitet Befæstede arealer; Lerjorde (stor hældning) Jordbund frossen + regnhændelse

36 Vandløbsafstrømning Fordeling af nettonedbør Opsplitning af vandløbshydrograf Overfladevand + Interflow + Baseflow Interflow + Baseflow Baseflow Tid Nedbørshændelse

37 m 3 /s Afstrømningskomponenter Modelresultater fra Skjern Å systemet Omme Å J F M A M J J A S O N D Måned Total Baseflow Dræn Overflade

38 Grundvandsdannelse (dybe systemer) mm/år

39 Vandbalance for Danmark

40 Vandbalance for Danmark

41 Vandbalance for Danmark - Sjælland Kote (m) Hav Sand og opsprækket ler Ler Sandet ler Sand Kalk

42 Vandbalance for Danmark - Vestjylland Vandbalance for JSV 196 Overfladenær afstrømning og drænafstrømning til vandløb 289 Grundvandsafstrømning til vandløb Hav Kvartssand Smeltevandssand Glimmersand Moræneler Glimmerler

43 Transporttider

44 Transporttider og -hastigheder Hurtigst: Overfladevandsafstrømning Timer til dage Middel: Drænafstrømning Dage Langsom: Grundvandsafstrømning År

45 Transporttid og hastighed: Umættet zone Fluks og porevandshastighed: Fluks: q NN Hastighed: v q Eksempel 1: Vandmættet jordsøjle NN = 500 mm/år n = 0.25 Hvor hurtigt strømmer vandet? Eksempel 2: Umættet jordsøjle NN = 500 mm/år n = 0.30 = 0.10 Hvor hurtigt strømmer vandet?

46 Strømningshastigheder i grundvandet Fluksen er styret af Darcy s lov: q K dh dx K h L K I h hvor K er hydraulisk ledningsevne, h er det hydrauliske trykniveau, L er afstanden og I h er gradienten på trykniveauet (grundvandsspejlet) Hydraulisk trykniveau: Vandstandens højde over middel havniveau

47 Strømningshastigheder i grundvandet Hastigheden er givet ved: v q n hvor n er porøsiteten (0,1 0,4)

48 Øvelse: Transporttid til vandløb Vandløb Målepunkt 30 m 25 m K = 10 m/dag n = 0,25 Hvad er transporttiden fra punktet til vandløbet?

49 Vertikalt profil Jordoverflade 2 m 1 km 1. Årlig gennemsnitsbetragtninger 2. Transporttid gennem umættet zone (vandindhold: 0.1; Nettonedbør: 500 mm/år) 3. Transporttid gennem grundvandszone