hydrologi generelt og i danmark - landbrugsinfo · hydrologi generelt og i danmark torben o....
TRANSCRIPT
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 Energi-
ministeriet
• 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
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
P k) + (1 = P mc
• 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
Vandets kredsløb - Nedbør
• Sæsonmæssig fordeling
Nedbør
0
20
40
60
80
100
120
140
J F M A M J J A S O N D
Måned
mm
/mån
ed
Vestjylland
Sjælland
Fordampning
Fordampning
• Hvad er fordampning?
• Evaporation
• Transpiration
• Evapotranspiration
• Hvad styrer fordampningen?– Gradient i vanddampindhold
– Energitilførsel (sol)
– Transportmekanisme (vind)
• Damptryk, e:
Mættet damptrykskurve
0
20
40
60
80
0 10 20 30 40
Temperatur (C)
Van
dd
am
ptr
yk (
hP
a)
Fordampning
• Hvordan bestemmes fordampning?
• Måles ikke direkte
• Beregnes:
1. Referencefordampning, ET0Fordampning fra areal med 15 cm højt græs,
som er velforsynet med vand
2. Potentiel fordampning, ETpFordampning fra areal med bestemt afgrøde,
som er velforsynet med vand
3. Aktuel fordampning, ETaFordampning fra areal med bestemt afgrøde,
under de aktuelle vækstbetingelser
Fordampning - Referencefordampning
• Makkink:
2
2
034.01
273
900408.0
u
eeuT
GRET
e
asne
g
e
eobs
RET 7.0,0
• Penman:
Mættet damptrykskurve
0
20
40
60
80
0 10 20 30 40
Temperatur (C)
Van
dd
am
ptr
yk (
hP
a)
Fordampning - referencefordampning
Makkink Penman
Vandets kredsløb - Fordampning
• Referencefordampning: Sæsonvariationer
Reference fordampning
0
20
40
60
80
100
120
J F M A M J J A S O N D
Måned
mm
/mån
ed
Vestjylland
Sjælland
Fordampning – Potentiel fordampning
• Potentiel fordampning (ETp)
– Afgrødekoefficient
cp KETET 0
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
Vandindhold mk
1.0
0
ETa/ETp
vp
50% af tilgængeligt vandindhold
)(fETET pa
• Eksempel på f( ):
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
vandløbs-
afstrømning
Nettonedbør
Beregning:
1. Vandbalance
2. Vandstrømningsbeskrivelse
Nettonedbør – vandbalance metode
• Konceptuel model Nedbør
Infiltration Jord evaporation
Rodzone Transpiration
Perkolation
Grundvandsdannelse
Grundvandsspejl
Evapotranspiration
Umættet og mættet zone
Vandindhold
Volumen relationer
– Porøsitet:
– Vandindhold:
t
f
V
Vn
t
w
V
V
– Eksempel 1:
• 2 m3 vandmættet jord
• n = 0.25
• Hvor meget vand?
– Eksempel 2:
• 1 m3 umættet jord
• n = 0.30; = 0.10
• Hvor meget vand?
Nettonedbør – vandbalance metode
• Rodzonen opfattes som ét system
Jordoverflade
N
NN
1. 2 = 1 + N
2. ETa( 2) findes
3. 3 = 2 - ETa( 2)
4. NN = 3 - MK
Parametre:• Rodzonekapacitet
Tidsskridt:• Daglig
Bund af rodzonen
Beregning af nettonedbør
• Beregning af vandstrømning (f.eks. Daisy)
N
Grundvandsspejl
Jordoverflade
),),(( az ETIKfq
Parametre:• Hydraulisk ledningsevne
• Retentionskurve
ETa
Tidsskridt:• Minutter - timer
Nettonedbør i Danmark
Vandets kredsløb - Nettonedbør
• Sæsonvariation
Nettonedbør
-20
0
20
40
60
80
100
120
J F M A M J J A S O N D
Måned
mm
/mån
ed
Vestjylland
Sjælland
Afstrømningsfordeling
Fordeling af nettonedbør
Grundvandsdannelse
Nettonedbør
Terræn
Dræn
Grundvandsstand
Overfladeafstrømning
• Svært at kvantificere umiddelbart
• Afstrømning på jordoverfladen
– Grundvandsstand = terræn
– Nedbørsintensitet > infiltrationskapacitet
– Befæstede arealer; Lerjorde (stor hældning)
– Jordbund frossen + regnhændelse
Fordeling af nettonedbør
• Opsplitning af vandløbshydrograf
TidVandlø
bsafs
trø
mnin
g Overfladevand + Interflow + Baseflow
Interflow + Baseflow
Baseflow
Nedbørshændelse
Afstrømningskomponenter
• Modelresultater fra Skjern Å systemet
Omme Å
0
2
4
6
8
10
12
14
16
J F M A M J J A S O N D
Måned
m3/s
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
Kote (m)
Hav
Sand og opsprækket ler
Ler
Sandet ler
Sand
Kalk
Vandbalance for Danmark - Vestjylland
Overfladenær
afstrømning
og drænafstrømning
til vandløb
Grundvands-
afstrømning
til vandløb
Vandbalance for JSV
196
289
HavKvartssandSmeltevandssandGlimmersandMorænelerGlimmerler
Transporttider
Transporttider og -hastigheder
• Hurtigst: Overfladevandsafstrømning
– Timer til dage
• Middel: Drænafstrømning
– Dage
• Langsom: Grundvandsafstrømning
– År
Transporttid og –hastighed:
Umættet zone
Fluks og porevandshastighed:
– Fluks: NNqq
v
– 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?
Hastighed:
Strømningshastigheder i grundvandet
• Fluksen er styret af Darcy’s lov:
hIKL
hK
dx
dhKq
hvor K er hydraulisk ledningsevne, h er det
hydrauliske trykniveau, L er afstanden og Ih er
gradienten på trykniveauet (grundvandsspejlet)
• Hydraulisk trykniveau:
– Vandstandens højde over middel havniveau
Strømningshastigheder i grundvandet
• Hastigheden er givet ved:
n
qv
hvor n er porøsiteten (0,1 – 0,4)
Øvelse: Transporttid til vandløb
• Hvad er transporttiden fra punktet til
vandløbet?
30 m
25 mK = 10 m/dag
n = 0,25
Målepunkt
Vandløb
Vertikalt profil
2 m
1. Årlig gennemsnitsbetragtninger
2. Transporttid gennem umættet zone
(vandindhold: 0.1; Nettonedbør: 500 mm/år)
3. Transporttid gennem grundvandszone
1 km
Jordoverflade