Metoder og modeller til vurdering af afvandingsmæssige forhold

Transkript

1 Metoder og modeller til vurdering af afvandingsmæssige forhold Robert Nøddebo Poulsen Agronom, DHI

2 Kort om DHI s miljørådgivning DHI s kompentencer vedrører faglig teknisk ekspertise på: Afløbsystemer og vandløbs hydraulik Oplandshydrologi, afvanding, oversvømmelser og vandbalancer Vandkvalitet og økologi i vandløb, søer, fjorde og kyster Grødeskæring Miljømål Spildevand og processer Vandrelateret IT udvikling ansatte globalt DHI i Hørsholm

3 Oversigt Afvanding generelt Afvandingsforhold på bedriftsniveau Modelværktøjer Terrænanalyse, telemåling og informationssystemer Sammenfatning

4 Afvanding generelt

5 Hvorfor er der behov for afvanding? Hurtig fjernelse af overskudsnedbør Sænkning af grundvandsstanden Og hvorfor gør I det? Sikring af markernes dyrkbarhed Effektiv udnyttelse af maskiner Merudbytte og udbyttestabilitet Ressourceudnyttelse Hvad er udfordringerne? Årsnedbøren er steget 100 mm siden 1874 Forsat øget og kraftigere nedbørshændelser Drænanlæg af ældre dato 30 år med skånsom vedligeholdelse En fremtid med yderligere vandstandsstigende tiltag Tungere maskiner Politisk miljø der ønsker intensivt landbrug ønskes ud af ådalene m.v.

6 Hvordan kvantificeres afvandingen? Der findes en række enkeltstående indikatorer for vurdering af markernes afvandingstilstand herunder: Dræntætheden Afvandingsdybden Vandstanden i vandløbet Dræns placering i fht. vandløbets vandspejl Grundvandsniveauet Vandindholdet i forskellige dele af rodzonen i forskellige perioder af vækstsæsonen Vanddybde og udbredelse af oversvømmelser Vandbalancer

7 Nedbør Siden 1990 har den gns. årlige nedbør i Danmark været på omkring 745 mm og har således tiltaget med ca.100 mm siden de systematiske målinger begyndte i Øget nedbør har siden de store dræningsperioder øget dræningsbehovet Forventeligt at ændre designkriterier sfa. mere nedbør og hyppigere og større ekstremhændelser

8 Afvandingsforhold på bedriftsniveau

9 Eksempel fra en bedrift 100 hektar bedrift i opstrøms del af Vivede Mølleå Drænanlæg omfatter ca. 40 km kendte dræn 1.3 km vandløb af ca. 39 km i vandløbssystemet 2730 hektar opland, terræn fra 0-70 m.o.h. Opmåling d. 26/ tværsnitsprofiler Drænudløbskoter Vandspejl Kotesæting af skalapæle Installering af 17 pejlerør d. 21/5-11 Løbende aflæsning af vandspejlsniveau og skalapæle Opstilling af 3 online vandstandsmålere d. 10/ måler i vandløb 2 målere i mark

10 Vandstandspejlinger i marken 17 pejlerør (-170 cm) + 2 online (-220 cm) 1 online vandstandsmåler i åen Drænudløb Pejlerør P3 P4 P Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec SUM P7 Nedbør P15

11 Drænkoter og vandløbsvandspejl Øjebliksbillede, som kræver indblik i vandløbets vandspejlsforhold og gradienter Vandløbskanter Regulativmæssig bund Vandspejl Aktuel bundkote Drænudløbs bundkote

12 Modelværktøjer

13 Modeller bruges overalt! Anvendelse: Overblik Forklaring Forudsigelse Problemløsning Integreret vandresourceforvaltning (IWRM) Interessent involvering

14 Procesbaserede modelværktøjer Grundvandsmodel (3D) beskriver: Nedbør og fordampning Afstrømning på terræn og i vandløb Infiltration til grundvandet Strømning i grundvandet Vandløbsmodel (1D) beskriver: Vandstande i vandløb, grøfter og søer Afstrømninger i vandløb, grøfter og søer Rørmodel (1D) beskriver: Strømning og vandstande i rør (dræn) Sedimentation i dræn Afgrødemodeller (1 & 2D) beskriver: Fugtighedsforhold i umættet zone Plantevækst og afgrødeproduktion

15 Vandløbsmodeller Vandløbsmodel (1D) beregner vandets strømning og vandstande baseret på Vandløbsnetværk Vandløbstværsnit (opmålte eller regulativ) Evt. strukturer som broer, styrt mv. Vandløbstværsnit skal repræsenterer vandløbets karakteristika mht. til både fald og udformning.

16 Eksempel på vandløbsmodel

17 Vurderinger af vandføringsevne med en vandløbsmodel I situationer hvor der er tvivl om vandføringsevnen på en vandløbsstrækning (ofte vandløb med et teoretisk skikkelsesregulativ) kan man opstille og køre en hydraulisk vandløbsmodelberegning. Om vandløbet opfylder dets vandføringsevne vurderes ved, at sammenligne to teoretisk beregnede vandstande for en strækning med: Regulativmæssig skikkelse (angivet ved bredde, bundkote, anlæg og fald) Opmålt skikkelse (kontrol forudsætter en opmåling) Modelberegningerne har samme forudsætninger givet ved en regulativbestemt specifik afstrømning (L/sek/km 2 ) og Manningtal (vandløbets ruhed). Differensvandstandskurver ved forskellige afstrømninger i forskellige vandløbsstationer Forskel i vandspejl Stationering

18 Grødemodel Grøde (strømningsmodstand) modeller kan beskrives som en del af en vandløbsmodel Vandløbsvedligeholdelse og grøde indvirker på strømningsmodstanden i vandløbene og dermed vanddybden, modstanden udtrykkes ved et Manning-tal (M) Modstanden kan være strækningsbestemt afhængig af praksis Modstanden er årstidsafhængige, så man kan udvikle modeller for forskellige sæsoner Modstanden varierer på tværs af et vandløbstværsnit afhængig af vedligeholdelsespraksis

19 Anvendelse af en rørmodel Traditionel anvendelse i afløbssystemer Beregning af hydraulisk kapacitet og sedimentation i drænrør Sediment aflejres når bundforskydningsspændingen fald under et kritisk niveau. Sediment har typisk større ruhed en drænrøret og aflejring forstærkes Scenarierberegninger: Vandstand, fald, levetid Eksempel: 50 cm øget vandstand Fald i bundforskydningsspænding medfører aflejring af sediment 1 promille fald

20 Integrerede modeller Opstilling af en integreret model kan benyttes til vurdering af de nuværende og evt. de fremtidige hydraulisk og hydrologiske processer i et opland eller delopland. Traditionel anvendelse i DK har været sårbarhedskortlægning, vandindindvinding og vandbalanceundersøgelser, men kan også anvendes til vurderinger som kan kortligge afvandingsmæssige konsekvenser af f.eks. : Grødeskæringspraksis, Ændrede vandløbsskikkelser Ændret arealanvendelse Vådområder Ændrede nedbørsforhold Ændringer i byzoner Befæstede arealer mv.

21 Datagrundlag [degree Celsius] Klima Topografi Geologi Jordtype Vegetation Vandløb Obs. Vandstand, afstrømning grundvandspot. & indvinding

22 Styrende hydrologiske processer Nedbørens størrelse og fordeling Planternes vandoptagelse og fordampning Grundvandspotentialer Vandløbsafstrømning Drænstrømning Overfladisk afstrømning Vandudveksling mellem grundvand og vandløb

23 Resultater fra integrerede modeller Såfremt modellens er opsat på et opland og kalibreret på observerede data vil der typisk være massebevarelse i modellen dvs. der er redegjort for alt vand som er kommet ind og hvor det er ved modellens afslutning. Integreret model producerer resultater om:. Nedbør og fordampning Afstrømning på terræn og i vandløb Infiltration i den umættede zone og til grundvandet Strømning i grundvandet Vandindhold i rodzonen.

24 Eksempel på beregnede vandstande Vandføring og vandstande udtrækkes fra vandløbsmodel Beregnet vandføring og vandstand kan udtrækkes fra alle beregningspunkter i modellen og præsenteres som tidsserier Sammenligning af scenarier. Effekt af grødeskæring

25 Beregning af vand på terræn Relativ sammenligning af scenarier med forskellige tiltag Opgørelser af hændelsernes varighed og hyppighed Vanddybder på terræn og kortlægning af arealmæssig udbredelse.

26 Arealbaserede resultater Dybde til grundvand Forskelskort - Middel af junisep ( ) Påvirkningsområde: 10 dages med grundvand over en arbitrær grænse på 0.8 mut. I jun - sep Ændringen frekvensen hvormed grundvandet overstiger terræn. Frekvensen er udtrykt som antal dage per år i middel over perioden

27 Arealbaserede resultater forsat Vandindhold i umættet zone Vandindholdsforskelle reflekterer bl.a. forskelle i Fordampning Jordtype (porøsitet) Grundvandsniveau Afstand til vandløbet mv. Pkt 69 Pkt 62.

28 Afgrødemodeller Afgrødemodeller procesbaserede i 1 og 2D Detaljeret beskrivelse af plantevækst og vandtransport i umættet zone herunder til dræn Kan kobles til integreret hydraulisk/hydrologisk model der muliggør beskrivelse samspillet mellem afgrødens vækst, drænafstrømning, grundvand og vandløb Udviklingsbehov: Beskrivelse af afvandingsforholdenes påvirkning af jordens luftskifte, afgrødens rodudvikling, respiration og udbytte..

29 Terrænanalyser, telemåling & informationssytemer

30 Terrænanalyser Laves ud fra en topografisk analyse i GIS, baseret på digital højdemodel eller højdekurver Siger ikke noget om direkte om afvandingen, men er en form for risikokortlægning af oplandet i fht. oversvømmelser Der findes mange varianter Eksempel: Marrebæks rende, Lolland Arealer lavere end kote 1 m over vandløbskanten eller over terræn Kilde: GPSagro, 2011

31 Telemåling Telemåling er en metode til at indhente informationer om genstande, uden at være i direkte kontakt med genstandene. Eksempler er luftfoto, satellitbilleder og afledte produkter f.eks. vandindhold i jord

32 Informationssystemer og online modeller

33 Sammenfatning

34 Sammenfatning Der findes ikke én afvandingsindikator, men flere der belyser dele af afvandingsforholdene. Hydraulisk/hydrologisk modeller er et godt værktøj til, at illustrerer og undersøge den indbyrdes sammenhæng imellem de styrende hydrologiske processer og herunder betydningen for afvandingsforholdene. Fremtidige løsninger der inkluderer hensyn til afvanding, infrastruktur og miljø er komplekse og integrerede modeller bør her få øget fokus. Anvendelse af hydraulisk/hydrologiske modeller er et helhedsorienteret værktøj, som kan være et transparent og fagligt tiltag der i den fremtidige planlægning kan anskueliggøre årsag og virkning imellem interessenter. Der mangler aktuelle undersøgelser og modeller der kan beskriver afvandingens betydning for planternes vækstforhold og udbytte. Lokale, regionale og nationale vurderinger af afvandingsforhold kræver opsamling af data, det nødvendiggøre processer og redskaber der faciliterer en systematisk tilgang til dataindsamlingen! Gode data og modeller giver viden og bedre muligheder for indflydelse!

35