HYDROLOGI Generelt og i Danmark Torben O. Sonnenborg Hydrologisk Afdeling Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser (GEUS)
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
Disposition Vandets kredsløb Nedbør Fordampning Nettonedbør Overfladevandsafstrømning Grundvandsdannelse Strømningsveje og transporttider
Det hydrologiske kredsløb
Nedbør
Vandets kredsløb - Nedbør Nedbør Måling af nedbør
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
Vandets kredsløb - Nedbør Korrektion af nedbør (%) Shelter Class J F M A M J J A S O N D Y P c A 29 30 26 19 11 9 8 8 9 10 17 26 16 B 41 42 35 24 13 11 10 10 11 14 23 37 21 C 53 53 45 29 12 13 12 12 13 17 29 48 27 =(1+ k)p m De fleste målere er kategori B Problemer med vandbalancen!
Vandets kredsløb - Nedbør Geografisk fordeling Observeret nedbør Korrigeret nedbør
Nedbør - mekanismer Vigtigste betingelse: Afkøling af luftmasse 1. Front-systemer 2. Konvektion 3. Orografisk
Vandets kredsløb - Nedbør Årsager til geografisk fordeling Korrigeret nedbør
mm/måned Vandets kredsløb - Nedbør Sæsonmæssig fordeling Nedbør 140 120 100 80 60 40 20 0 J F M A M J J A S O N D Måned Vestjylland Sjælland
Fordampning
Vanddamptryk (hpa) Fordampning Hvad er fordampning? Evaporation Transpiration Evapotranspiration Hvad styrer fordampningen? Gradient i vanddampindhold 80 Energitilførsel (sol) 60 Transportmekanisme (vind) Damptryk, e: 40 20 Mættet damptrykskurve 0 0 10 20 30 40 Tem peratur (C)
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
Vanddamptryk (hpa) Fordampning - Referencefordampning Makkink: ET 0. 7 0, obs e e R g 80 60 40 Mættet damptrykskurve 20 Penman: 0 0 10 20 30 40 Tem peratur (C) ET 0 0.408 e R n e G 1 900 u T 273 0.34u 2 2 e s e a
Fordampning - referencefordampning Makkink Penman
mm/måned Vandets kredsløb - Fordampning Referencefordampning: Sæsonvariationer Reference fordampning 120 100 80 60 40 20 Vestjylland Sjælland 0 J F M A M J J A S O N D Måned
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
Fordampning Aktuel fordampning Afhængig af vandindhold i rodzonen ET a ET p f ( ) Eksempel på f( ): ET a /ET p 50% af tilgængeligt vandindhold 1.0 0 vp mk Vandindhold
Nettonedbør
Vandets kredsløb - Nettonedbør Definition: Nedbør aktuel fordampning Mængden af vand der er til rådighed for grundvand og overfladevand Kvantificering i praksis
Nettonedbør Min. nettonedbør (Nedbør Ref.evap.) Datatype 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Middel Nedbør (korrigeret) 985 785 853 912 1072 801 599 750 1036 1105 947 895 Referencefordamp. 581 556 617 551 598 620 568 627 536 598 554 582 Forskel 404 229 236 361 475 181 31 123 500 507 393 313 Alle tal i mm/år
Nettonedbør Baseret på vandløbsafstrømning
Nettonedbør Beregning: 1. Vandbalance 2. Vandstrømningsbeskrivelse
Nettonedbør vandbalance metode Konceptuel model Nedbør Infiltration Jord evaporation Evapotranspiration Rodzone Transpiration Perkolation Grundvandsdannelse Grundvandsspejl
Umættet og mættet zone
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?
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
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
Nettonedbør i Danmark
mm/måned Vandets kredsløb - Nettonedbør Sæsonvariation Nettonedbør 120 100 80 60 40 20 0-20 J F M A M J J A S O N D Måned Vestjylland Sjælland
Afstrømningsfordeling
Fordeling af nettonedbør Nettonedbør Terræn Dræn Grundvandsstand Grundvandsdannelse
Overfladeafstrømning Svært at kvantificere umiddelbart Afstrømning på jordoverfladen Grundvandsstand = terræn Nedbørsintensitet > infiltrationskapacitet Befæstede arealer; Lerjorde (stor hældning) Jordbund frossen + regnhændelse
Vandløbsafstrømning Fordeling af nettonedbør Opsplitning af vandløbshydrograf Overfladevand + Interflow + Baseflow Interflow + Baseflow Baseflow Tid Nedbørshændelse
m 3 /s Afstrømningskomponenter Modelresultater fra Skjern Å systemet Omme Å 16 14 12 10 8 6 4 2 0 J F M A M J J A S O N D Måned Total Baseflow Dræn Overflade
Grundvandsdannelse (dybe systemer) mm/år
Vandbalance for Danmark
Vandbalance for Danmark
Vandbalance for Danmark - Sjælland Kote (m) Hav Sand og opsprækket ler Ler Sandet ler Sand Kalk
Vandbalance for Danmark - Vestjylland Vandbalance for JSV 196 Overfladenær afstrømning og drænafstrømning til vandløb 289 Grundvandsafstrømning til vandløb Hav Kvartssand Smeltevandssand Glimmersand Moræneler Glimmerler
Transporttider
Transporttider og -hastigheder Hurtigst: Overfladevandsafstrømning Timer til dage Middel: Drænafstrømning Dage Langsom: Grundvandsafstrømning År
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?
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
Strømningshastigheder i grundvandet Hastigheden er givet ved: v q n hvor n er porøsiteten (0,1 0,4)
Øvelse: Transporttid til vandløb Vandløb Målepunkt 30 m 25 m K = 10 m/dag n = 0,25 Hvad er transporttiden fra punktet til vandløbet?
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