Måling og simulering af vandindhold og vandtransport i umættet zone på lokal skala



Relaterede dokumenter
Veje til beskyttelse mod pesticider i det nye grundvand

Geologi. Sammenhæng mellem geologi og beskyttelse i forhold til forskellige forureningstyper GRUNDVANDSSEMINAR, 29. AUGUST 2018

Går jorden under? Sådan beregnes kvælstofudvaskningen

Ny simuleringsmodel for udvaskning af pesticider på drænet jord

3D Sårbarhedszonering

National Vandressourcemodel (Dk-model) Torben O. Sonnenborg Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser (GEUS)

Hvornår slår effekten af forskellige foranstaltninger igennem i vandmiljøet

UDFORDRINGER I PARTIKELBANESIMULERING

Grundvand aldersbestemmelse med isotoper & CFC ATV møde: Datahåndtering og tolkning af jord- og grundvandsforurening

Høfde 42: Vurdering af specifik ydelse og hydraulisk ledningsevne i testcellerne TC1, TC2 og TC3

Teknisk rapport Tørkeindeks version metodebeskrivelse

ER VEJSALT EN TRUSSEL MOD GRUNDVANDET?

Bilag 1. Nabovarmeprojekt i Solrød Geologisk Undersøgelse. Paul Thorn (RUC).

Kortlægning af retention på markniveau erfaringer fra NiCA projektet

TEST AF DK-MODELLENS RODZONEMODUL

Vurdering af klima ændringens konsekvenser for udvaskning af pesticider i lerområder ved brug af en oplandsskala hydrologisk model

Kobling af to modelkoder: Integrerede HIRHAM og MIKE SHE simuleringer på et dansk opland

Bestemmelse af dybden til redoxgrænsen med høj opløsning på oplandsskala. Anne Lausten Hansen (GEUS) NiCA seminar, 9.

Håndtering af regnvand i Nye

Oversigt over opdatering

Hydrologisk modellering af landovervågningsoplandet Lillebæk

Anvendelse af DK-model til indvindingstilladelser

Opsætning af MIKE 3 model

Grundvandskort, KFT projekt

Modellering af stoftransport med GMS MT3DMS

Bilag 5. Hydrauliske parametre - Repræsentativitet DJF: Ole Hørbye Jacobsen, Bo Vangsø Iversen, Christen Børgesen

»Hvad sker der med grundvandsdannelsen og kvaliteten - når arealanvendelsen ændres fra landbrug til natur?

Mulige feltstudier til vurdering af vandets strømningsveje i relation til nitratreduktion i undergrunden?

Strømningsfordeling i mættet zone

NEDSIVNING OG KONSEKVENSER FOR GRUNDVANDET

Indholdsfortegnelse. Resendalvej - Skitseprojekt. Silkeborg Kommune. Grundvandsmodel for infiltrationsområde ved Resendalvej.

Kvælstoffets vej til recipient erfaringer med kortlægning af retention

Dynamisk modellering af det urbane vandkredsløb

Planlægningsværktøj for terrænnært grundvand projekt med machine learning

Kan lokal håndtering af regnvand mindske presset på grundvandsressourcen?

Konsekvenser af usikkerhed på geologiske modeller i forhold til grundvandsmodellering

Pilotområdebeskrivelse Aalborg syd

Baggrund og rationale

Remote Sensing til estimering af nedbør og fordampning

Regnvand som ressource (RSR), hvilke muligheder har vi?

Pilotområdebeskrivelse Varde

Pilotområdebeskrivelse - Lammefjorden

Søren Rygaard Lenschow NIRAS 6. MARTS 2018

Mod en forbedret modellering af drænstrømning i oplandsmodeller

Dokumentation for beregning af N-reduktion fra rodzonen til kyst i N- risikoværktøjet

RAPPORT Karakteristik af tangtag nedbrydelighed og kemisk sammensætning

Kortlægning af grundvand Præsentation af det nye landsdækkende grundvandsdatasæt. Hvordan kan data anvendes?

Potentialet for LAR i Vinkælderrendens opland, Odense. ATV-møde april 2012 Ph.d. Jan Jeppesen

Grundvandsdannelse og udnyttelse af grundvandet

WETHAB HYDROLOGISK FORUNDERSØGELSE. April Marts Jacob Birk Jensen og Rikke Krogshave Laursen 17. Marts 2016

Modelanvendelser og begrænsninger

MIKE 12 modellering af Hjarbæk Fjord

Kvælstofreducerende tiltags effekt på kvælstofprognosen

Velkomst og introduktion til NiCA

Frederikshavn Vand A/S. August 2015 KONSEKVENSVURDERING AF OPHØR AF INDVINDING FRA VOERSÅ KILDEPLADS

Seminar om vandrammedirektivet: værktøjer og virkemidler, Foulum, 27. februar 2018 Grundvands- og skala aspekter -Nitrat transport og reduktion

OG KAN VI DET? HVORDAN KAN VI LØSE KLIMAPROBLEMERNE UDEN DET GÅR UD OVER BIODIVERSITETEN AARHUS

VTUF-projekt. Agenda. Monitering af Overfladeafstrømning fra Grønne Områder. v. Lene Bassø Duus, Aarhus Vand

NOTAT. 1. Følsomhedsanalyse

National kvælstofmodel Oplandsmodel til belastning og virkemidler

9. Er jorden i Arktis en tikkende bombe af drivhusgasser?

DET JORDBRUGSVIDENSKABELIGE FAKULTET AARHUS UNIVERSITET

Transportprocesser i umættet zone

KORTLÆGNING AF KILDER TIL FOSFORTAB FRA DET ÅBNE LAND

Lossepladser og vandressourcer

Fra vandføring til grundvandsoplandets areal og transport af opløste stoffer i Naturgeografi

Undersøgelse af flow- og trykvariation

Hvordan vil det se ud, hvis vi i højere grad nedsiver?

Håndtering af. ved LAR

Opskalering og potentiale for implementering

Pilotområdebeskrivelse - Hagens Møllebæk

Frederikshavn Vand A/S. Januar 2012 KONSEKVENSANALYSE AF REDUCERET INDVINDING PÅ SKAGEN VANDVÆRK

Kapitel 7 FASTLÆGGELSE AF RANDBETINGELSER

Grøn Viden. Teknik til jordløsning Analyse af grubberens arbejde i jorden. Martin Heide Jørgensen, Holger Lund og Peter Storgaard Nielsen

RAPPORT Karakteristik af tangtag nedbrydelighed og kemisk sammensætning

Konference om videreudvikling af det faglige grundlag for de danske vandplaner. 28. september 2012

Kombinationer af våde og tørre arealer samt forskellige græsningsdyr

DANISH METEOROLOGICAL INSTITUTE MINISTRY OF TRANSPORT TECHNICAL REPORT KLIMAGRID - DANMARK

10. Naturlig dræning og grundvandsdannelse

Skov er win-win for grundvand og CO 2 (?) Ulla Lyngs Ladekarl og Anders Gade ALECTIA A/S

UNDERSØGELSESMETODER I UHÆRDET SKRIVEKRIDT

KVANTIFICERING AF FORURENINGSFLUXE FRA EN GAMMEL LOSSEPLADS TIL OMKRINGLIGGENDE VANDRESSOURCER

Notat. Baggrund. Internt notat om AEM beregninger Nord og Initialer Syd modellen

Makroporetransport på Drænet Jord. Carsten Petersen Institut for Grundvidenskab og Miljø KU-Life

Hvad er de miljømæssigt acceptable koncentrationer af kvælstof i drænvand i forhold til vandmiljøets tilstand

Nitrat retentionskortlægningen

NEDSIVNINGSFORHOLD I OMRÅDET OMKRING SKOVBAKKEVEJ, FREDERIKSVÆRK

NOTAT. Forudsætninger for fravælgelse af LAR-metoden nedsivning. Indhold

Grundvandsmodel for infiltrationsbassin ved Resendalvej

ANVENDELSE AF GRUNDVANDSMODELLER

Referencelaboratoriet for måling af emissioner til luften

Skiverod, hjerterod eller pælerod

Kvælstofomsætning i mark og markkant

Værktøjer, der kan regne på LAR-elementer

Ådalshydrologi. Naturårsmøde ENVINA 2018 Ole Munch Johansen WATSONC

Pilotområdebeskrivelse Norsminde

Nedsivning af tagvand fra parcelhuse

AARHUS UNIVERSITY. NLES3 og NLES4 modellerne. Christen Duus Børgesen. Seniorforsker Institut for Agroøkologi, AU

Hydrologiske forhold i ådale og betydning for stoffer og processer

Om betydningen af valg af modelleringskoncepter ved beregning af udvaskningen fra drænede arealer

Transkript:

Måling og simulering af vandindhold og vandtransport i umættet zone på lokal skala ULLA LYNGS LADEKARL Ladekarl, U.L. 2005 11 21: Måling og simulering af vandindhold og vandtransport i umættet zone på lokal skala. DGF Grundvandsmøde 2005. Geologisk Tidsskrift 2005 hæfte 2, pp. 7 11, København. Viden om vandindholdet og vandets transport i den umættede zone er grundlæggende for forståelsen af både vandbalance og stoftransport på lokal skala. Vandets transport i sandjord adskiller sig væsentligt fra transporten i lerjord. I sandjord kan man ofte antage, at vandets bevægelse er lodret, og afstrømningen er da lig med grundvandsdannelsen. På lerjord er det mere reglen, at en del af vandet transporteres sideværts til dræn, grøfter eller vandløb. I sådanne jorde er den umættede zone stærkt påvirket af ændringer i grundvandsspejlet. I sandjorde med en dyb umættet zone er der bedre mulighed for at studere vanddynamik, sammenhænge mellem tekstur og strømning og få et godt overblik over grundvandsdannelsen. Der findes et utal af metoder til bestemmelse af vandbalance, vandindhold, vandets transporthastighed og strømningsveje på lokal skala. I Boks 1 er vist nogle eksempler på gængse modeltyper. Kalibrering og validering af modellerne kan foregå ved at måle en række parametre som jordvandsindhold og jordvandspotentiale samt nedsivning med lysimetermetoder og tracere. Fordelen ved empiriske modeller er, at de ikke kræver mange input parametre. Muligheder for kalibrering er dog begrænsede, og de giver ikke en detaljeret forståelse af vandbevægelsen eller vandindholdet i rodzonen. Med numeriske modeller fås større nøjagtighed og detaljegrad, men de stiller også større krav til modelløren. De to øvrige modeller/ metoder i Boks 1 er mere simple metoder til beskrivelse af nedsivning og transport. De kan f.eks. også bruges til validering af en vandbalancemodel, fordi de giver en alternativ beskrivelse af nedsivningen. Generelle målemetoder Præsentation af lokaliteter, feltforsøg Til illustration af måling i felten og bestemmelse af vandindhold og transport benyttes to sandjordslo- DGF Grundvandsmøde 27. oktober 2005 7

undersøgt i ringe grad. Bøgeskoven er grøftet, og der er målt klimaparametre, transpiration og nedsat TDR-prober i rodzonen. COUP-modellen er opstillet for skoven, og valideret på målinger af den totale fordampning (vanddampflux; Ladekarl et al. 2005b). Fig. 1. Feltlokaliteter. kaliteter i Midtjylland (Hjelm Hede og Hald Ege) og en lerjordslokalitet på Sjælland (Lille Bøgeskov, Sorø; Fig. 1). Lokaliteterne er valgt fordi de giver to forskellige indgangsvinkler til bestemmelse af vandbalancen. På sandjordslokaliteterne er nedsivningen studeret i detaljer, og på lerjordslokaliteten er fordampningen brugt som kontrol på beregningen af den totale afstrømning. Studierne af vandbalance og nedsivning har været led i et Ph.D. studie, og desuden har Hjelm Hede og Lille Bøgeskov indgået som lokaliteter i Statens Miljøforskningsprojekt I og II. På sandjordslokaliteterne er den umættede zone dyb, hhv. 21 og 35 m, og der er udført sporstofforsøg, målt jordvandsindhold med TDR (Time Domain Reflectometry) i rodzonen og under rodzonen i en 6 7 m dyb brønd. På begge lokaliteter er der målt klimaparametre og opstillet en numerisk model, COUP. Til validering af den numeriske model er der opstillet en klorid massebalance og nedsivningshastigheden er bestemt ud fra bromidtracer forsøg med CXTFIT2. Begge lokaliteter er semi-naturlige i den forstand, at der har været hhv. hede og egeskov i mange hundrede år. Udførlige kalibrerings- og valideringsresultater er vist i Ladekarl et al. (2005a). På lerjordslokaliteten varierer grundvandsspejlet mellem 0,2 og > 2 meter under terræn. Lokaliteten består både af en 80 år gammel bøgeskov og en mark i omdrift, men den umættede zone på marken er kun Måling og simulering af vandindhold og vandtransport på sandjord, dyb umættet zone Vandbalancemodellen COUP er kalibreret på målinger af jordvandsindholdet med lodrette TDR-prober i rodzonen i egeskoven og på heden. I egeskoven er målinger med vandrette prober brugt til at validere modellen. Målinger af jordvandsindhold i brøndene er brugt til at kalibrere modellerne under rodzonen. I brønden i Hald Ege viste det sig, at vandindholdet varierer både horisontalt, vertikalt og med tiden (Fig. 2). Den horisontale variation kan ses i niveauer med 2 prober, hvor vandindholdet ved den ene udviser en tydelig årstidsvariation, mens den anden probe kun viser en svagt stigende tendens i vandindholdet (300, 350 og 400 cm; 700 cm). Målingerne viser, at nogle horisonter, eller afgrænsede områder i den umættede zone, ikke fugtes op, selvom både over- og underliggende lag bliver fugtige. I andre horisonter eller områder foregår opfugtningen meget langsomt og følger ikke den generelle nedsivningsfront, som genfindes i 7 m dybde. Strømningen er formentlig karakteriseret af både fingerog tragtstrømning. Fingerstrømning skyldes horisontale og vertikale poreskalavariationer. Hvis fint materiale ligger over groft, vil vandet stuves op i det fine indtil trykket er stort nok til, at vandet kan trænge ind i de store porer i det underliggende grove materiale. Der hvor trykket er størst, eller hvor porerene er mindst i det grove materiale, siver vandet ned, og der dannes våde fingre i det grove materiale. Fingrene udvides langsomt ved opfugtning. Ved tragtstrømning strømmer vandet oven på et hældende groft lag indtil der sker en ændring i porestørrelse. Det er ikke sandsynligt, at makroporer har nogen effekt under rodzonen. Ganske vist kan enkelte rødder nå dybere end den effektive roddybde, som karakteriserer rodzonen, men det vil være meget få rødder. Ormegange er selvfølgelig udelukket og sprækker forekommer ikke i smeltevandssand. På begge lokaliteter er de opstillede modellers estimat af sporstoftransport sammenlignet med målinger af bromidkoncentrationer i jordvæsken ned til maksimalt 20 m dybde. På Hjelm Hede er nettonedbøren lidt større end i Hald Ege og nedsivningshastigheden er større. Det giver mulighed for lokalt 8 Geologisk Tidsskrift 2005 / 2

Fig. 2. Måling og simulering af vandindhold i 7 m dyb brønd i Hald Ege. Fig. 3. Måling og simulering af bromidkoncentrationer på Hjelm Hede. meget hurtig stoftransport, som det ses i Fig. 3 øverst, hvor der er fundet bromid i 14 meters dybde, 26 dage efter stoffet er blevet spredt på jordoverfladen. Figur 3 illustrerer, at selvom en model simulerer en gennemsnitlig transporthastighed og en nogenlunde spredning af stoffet vil der i en jord med foretrukne strømretninger være mulighed for, at noget af stoffet faktisk er kommet langt dybere, end simuleringen viser. For at få et bedre estimat af den stedvise hurtige strømning er det en mulighed at opstille en stokastisk stoftransportmodel. Det kræver så en del målinger at få et overblik over modellens fit til virkeligheden. Foretrukne strømretninger giver en voksende variation i vandindhold med dybden (Fig. 4). Det ville være naturligt, at variationen i stofkoncentrationen fulgte samme mønster, og det gør den sandsynligvis også i mere homogene jorde. I en permanent vegetation som i egeskoven er der udover fingerstrømning også mange makroporer i de øverste 2 m. Det giver en stor variation i stofkoncentration men ikke i vandindhold, fordi vandet er til stede i mere eller mindre grad hele tiden. Variationen i stofkoncentration og vandindhold gør det vanskeligt at kalibrere modellerne, og det er derfor vigtigt også at kunne validere modellerne. På begge sandlokaliteter er transporthastighed bestemt med bromidtracer og kloridmassebalance brugt til at validere vandbalancemodellerne (Ladekarl 2001). Kloridmassebalancen er dog stærkt usikker, fordi man sammenholder et års kloridinput med et output fra en given dybde under rodzonen, som helt sikkert stammer fra et andet år. Metoden er bedst i mere tørre områder, hvor der er relativ lille variation årene imellem. Bromid tracer kan derimod bruges, så længe der er nogenlunde ensartet vandindhold fra ter- DGF Grundvandsmøde 27. oktober 2005 9

Fig. 4. Variationskoefficient for vand og stof med dybden. I beregningerne indgår generelt flere replikater i de øverste 4 meter af jorden end dybere. Fig. 5. Sammenligning af grundvandsdannelse estimeret med COUP-modellen og bromid tracer test i Hald Ege. ræn og ned til bromidfronten, fordi man bruger det gennemsnitlige vandindhold til beregningen (se Boks 1). I Fig. 5 ses, at der er stor overensstemmelse mellem bromidtracertesten og COUP-modellens estimering af grundvandsdannelsen. I de første 81 dage efter traceren er spredt på overfladen, er tracerfronten stadig i rodzonen, hvor vandindholdet er nogenlunde ensartet fra overfladen og ned. Efter 545 dage er bromidfronten et stykke under rodzonen og vandindholdet varierer fra få procent til måske 30 procent i rodzonen. Det gør det vanskeligt at bruge metoden til stor dybde. Kalibrering og validering af vandbalancemodel på lerjord med lille umættet zone I Lille Bøgeskov ved Sorø er vandbalancemodellen, COUP, kalibreret på lodrette målinger af vandindholdet i rodzonen, gennemfald og målinger af transpirationen i træernes ved. Modellen er valideret på målinger af den totale fordampning, dvs. vanddampflux målt over skoven. Grundvandsspejlet står i rodzonen om vinteren og det meste af foråret, så træerne kan optage vand direkte fra grundvandet. Ved nedbør fugter jorden op Fig. 6. Hurtig opfugtning af jorden langs en bøgestamme. Den øverste figur viser vandindholdet i forskellige dybder og afstande fra en bøgestamme før en nedbørsbegivenhed. Den nederste figur viser vandindholdet samme sted, men efter 14 mm nedbør. Fra Ladekarl (2001). 10 Geologisk Tidsskrift 2005 / 2

Fig. 7. Sammenligning af målt (flux) og simuleret fordampning (EA). Flux-data er beregnede af Forskningscenter Risø og ligger til grund for resultater i Ladekarl et al. (2005b). vurdere nedsivningshastighed og mængde. Det er især vigtigt at have styr på vandindholdet i rodzonen, fordi variationen i vandindholdet stiger med dybden og det er upraktisk at måle i dybden. Der er generelt større spredning på stofkoncentrationer end vandindhold, og det gør det vanskeligere at bruge stofkoncentrationer til kalibrering og validering. På lerjorde er det vanskeligt at holde styr på i hvilken grad afstrømningen foregår horisontalt eller vertikalt, og om den kapillære stigning er af betydning for fordampningen. Specielt ved højtstående grundvandsspejl er det vanskeligt at estimere både afstrømning og fordampning. Det er derfor vigtigt at kunne kalibrere en model på andre parametre end vandindhold. Det kan f.eks. være fordampning eller pejlinger og grøft/drænafstrømning. meget hurtigt langs trærødder, som det ses i Fig. 6. Målingerne i Fig. 6 er foretaget i august måned, hvor grundvandsspejlet er dybere end 2 meter under terræn. På lerjorden er det vanskeligt at vurdere afstrømningen på baggrund af målinger af jordvandsindholdet, fordi variationen i vandindholdet er stor, og den kapillære stigning og grundvandsspejlets niveau spiller en rolle. For at få styr på afstrømningen er det en mulighed at opstille en vandbalancemodel for området med pejlinger og vandføringsmålinger i grøfter i skoven som kalibreringsparametre. Det var dog ikke inde i overvejelserne, da projektet startede. I stedet var det vigtigt at kende fordampningen nøje, og det har derfor været muligt at kalibrere modellen på interceptionstab og transpiration, og validere den på målinger af vanddampflux. Det eneste led i fordampningen, der ikke er målt direkte, er fordampningen fra jordoverfladen. En sammenligning af målt og simuleret fordampning over alle tre måleår er vist i Fig. 7. Nedbørsdage er udeladt fordi vindfølerne ikke måler korrekt, når de er våde. Dage med høje vindhastigheder er ligeledes udeladt, fordi luften da kan stamme fra andre områder end over skoven. Konklusion Jordtypen og grundvandsspejlets beliggenhed er væsentlige for hvilke metoder, man bør vælge til bestemmelse af afstrømningen på lokal skala. På sandjorde, hvor man kan betragte afstrømningen som lig med nedsivning og lig med grundvandsdannelse, er det muligt via relativt simple målemetoder at Referencer Hansen, S. 2002: Daisy, a flexible soil plant atmosphere system model. (Daisy-modellens hjemmeside: http:// www.dina.kvl.dk/~daisy). Jansson, P-E & Karlberg, L. 2004: Coupled heat and mass transfer model for soil plant atmosphere systems, 435 pp. Stockholm: Royal Institute of Technolgy, Department of Civil and Environmental Engineering. (ftp://www.lwr.kth.se/coup- Model/CoupModel.pdf) Ladekarl, U.L. 2001: Soil moisture, evapotranspiration and groundwater recharge in forest and heathland. Aarhus Geoscience, Ph.D. Thesis 11. Ladekarl, U.L., Rasmussen, K.R., Christensen, S., Jensen K.H., & Hansen, B. 2005a: Groundwater recharge and evapotranspiration for two natural ecosystems covered with oak and heather. Journal of Hydrology 300, 76 99. Ladekarl, U.L., Beier, C. & Dellwik, E. 2005b: Fordampning fra landbrug og skov. Vand og Jord 12(2), 44 47. Olesen, J.E. & Heidmann, T. 1990: EVACROP. Et program til beregning af aktuel fordampning og afstrømning fra rodzonen. Version 1.00. Afdeling for Jordbrugsmeteorologi, Statens Planteavlsforsøg, Arbejdsnotat 9 Starr, M. 1999. Watbal: A model for estimating monthly water balance components, including soil water fluxes. I: Kleemola, S. & Forsius, M. (red.). 8th Annual Report. 1999. UN ECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution. International Cooperative Programme on Integrated Monitoring of Air Pollution Effects on Ecosystems. The Finnish Environment 325, 31 35. Toride, N., Leij, F.J., van Genuchten, M.Th. 1995: The CXTFIT code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments. Version 2.0. U.S. Salinity Laboratory, Agricultural Research Service, U.S. Department of Agriculture, Research Report 137, 121 pp. Wood, W.W. 1999: Use and misuse of the chloride mass balance method in estimating ground water recharge. Ground Water 37(1), 2 3. Ulla Lyngs Ladekarl, Watertech, Søndergade 53, 8000 Århus C, e-post: ula@watertech.dk DGF Grundvandsmøde 27. oktober 2005 11