dr.v. ZUPANC, dr.vesna ZUPANC * Branka BRAČIČ-ŽELEZNIK** prof. dr. Marina PINTAR* - 169 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA DOLOČITEV VODNE BALANCE Z NATANČNIM TEHTALNIM LIZIMETROM V KLEČAH UVOD Infiltracijska kapaciteta terena, to je sposobnost infiltracije padavinske vode, ni odvisna le od razporeditve padavin, temveč tudi od fizikalnih lastnosti terena, krajevnih, klimatskih in sezonskih značilnosti, od predhodne vlažnosti terena, rastlinskega pokrova. Poleg infiltracijske kapacitete terena je pomembna tudi retenzijska kapaciteta tal, to je zmožnost zadrževanja vode v slojih in je odvisna od fizikalnih lastnosti talnih slojev. Lizimetre uporabljamo z meritve količine in kakovosti vode pod rastlinskim pokrovom, izgube vode preko evapotranspiracije kot tudi številne druge uporabe v agronomiji in okoljskih znanostih (Meissner s sod., 7). Določitev količine toka vode je nujna za točno napoved prenosa onesnažil znotraj nezasičene cone, s čimer lahko dobimo odgovore na raziskovalna in praktična vprašanja glede zaščite in bogatenja podzemnih voda. Pri uporabi modelov za podzemno vodo je lahko ovira pomanjkanje parametrov, ki bi opisali zapletene vzorce bogatenja podzemnih voda pod urbanimi površinami (Vižintin s sod., ). Za potrebe proučevanja parametrov nenasičene cone je bil nameščen monolitni lizimeter, katerega v prispevku predstavljamo. MATERIALI IN METODE DELA Lizimeterska postaja v Klečah je bila zgrajena v osemdesetih z namenom izvajanja meritev potrebnih za izračun vodne balance (Brilly in Gorišek, 1985) na območju vodarne Kleče v ograjenem območju črpališča (8 m altitude, 46 5 11 N, 14 29 56 E), vendar so meritve nakazale potrebo po prenovi (Zupanc s sod., 5, Bračič-Železnik s sod., 8). V letu je bil vgrajen monolitni lizimeter (Bračič-Železnik s sod., 11), ki je bil izkopan na črpališču Kleče (površina 1 m 2, globina 2 m, zunanji premer 1,65 m, skupna višina 2,35 m). Struktura ogrodja monolita je narejena tako, da so mogoče namestitve različnih senzorjev po globinah. Na novem monolitnem lizimetru v Klečah se izvajajo meritve količine vode v tleh, temperature tal in tenzije vode (slika 1). Meritve teže monolitnega lizimetra omogočajo izračun evapotranspiracije. Členi osnovne vodne balance lizimetra so padavine (P), iztok (O), evapotranspiracija (ET) ter sprememba zaloge vode v tleh (ΔS), kar lahko zapišemo kot P ET O ΔS = (1) Če je masa lizimetra beležena v nekem določenem časovnem razkoraku ter sta prav tako ločeno beleženi količina padavin in količina iztoka, lahko dejansko evapotraspiracijo določimo iz razlike v masi (Young s sod., 1996). ET a izračunamo kot ET a = (P i+1 P i ) (W i+1 W i ) (O i+1 O i ), (2) kjer so ET a dejanska evapotranspiracija (mm), P i padavine (mm), W i masa lizimetra (kg) in O i masa posode za iztok (kg) ter i časovni razkorak. Vsi parametri morajo biti merjeni v enakem časovnem koraku. Na lizimetrski postaji Kleče sta W in O merjeni v 1-minutnem intervalu (Bračič Železnik in sod., 11). * dr. Vesna ZUPANC,univ. dipl. inž., Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Jamnikarjeva 1, Ljubljana. **Branka BRAČIČ-ŽELEZNIK, univ. dipl. inž. geol., JP Vodovod Kanalizacija d.o.o., Vodovodna c.9, Ljubljana, * prof. dr. Marina PINTAR univ. dipl. inž. agr., Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Jamnikarjeva 1, Ljubljana.
dr. V. ZUPANC, - 17 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA P so merjene v Klečah (P site ) in na meteorološki postaji Agencije RS za okolje (ARSO) v Ljubljani (P city ) (299 m, 46 3 57 N, 14 31 2 E) s standardni dežemerom, ki da vsoto padavin v 24 urah (od 7 h do 7 h). Prav tako je bila količina padavin (P lys ) določena s pomočjo meritev mase lizimetra. Najprej smo s pomočjoo slike mase lizimetra W ugotovili padavinski dogodek (dvig W), nato pa izračunali spremembo W med zadnjo vrednostjo W preden se je ta začela dvigovati ter navišjo vrednostjo W preden je začela ponovno upadati (kar je posledica ET ali O). Osnovni princip je, da v kratkih intervalih nastopitaa ali pozitivna sprememba (P) ali negativna (ET), če upoštevamo O (von Unold in Fank, 8). Tako določena P ne more povsem nadomestiti neodvisnih meritev padavin, saj se v časuu padavin hkrati vršita procesa evaporacijee in transpiracije, kar lahko znatno vpliva na rezultat, če je padavinski dogodek majhen ter površina vroča. Slika 1: Shema delovanja monolitnega lizimetra, vgrajenega na območju črpališča Kleče v Ljubljani Zaradi velike prostorske variabilnosti nevhit (Barros in Lettenmeier, 1994), so meritve na mikrolokaciji lizimetra nujne. Tehtalni lizimetri z enako natančnostjo so dali uporabne rezutlate za meritve rose (Meissner s sod., 7, Xiao s sod., 9), tako so uprabni za oceno P, čee druge meritve niso dostopne ali uporabne (oddaljenost, neustrezna časovna resolucija meritev, nedelovanje naprave). ET a je bila izračunana po enačbi (2), kjer je bil i 24 ur. Referenčna evapotranspiracija je bila izračunana po Penman Monteithvi metodi na osnovi meritev, opravljenih na meteorološki postaji Ljubljanaa Bežigrad (Allen in sod., 1998). Rastlinski pokrov v lizimetru mora biti enake kompozicije in gostote rastlin, kot ju ima površina okoli lizimetra v okolici, okoliška tla morajoo biti ustrezna tlem v lizimetru. Površina lizimetra mora biti reprezentativna za površino okoli lizimetra, v kateri je lizimeter namaščen; reprezentativnost pomeni primerljive lastnosti vegetacije, hidrološke ter mikroklimatološke pogoje. REZULTATI Z DISKUSIJO Masa lizimetra W je bila v mesecu juliju 111 med, 6 kg (17.7.11) in 4219,9 kg (24.7., Slika 2), kar pomeni, da se je zaloga vode v lizimetru ΔS spremenila za okoli 19 mm. Količina iztoka vode O je bila 131 mm. Na osnovi spremembe W smo določili 15 padavinskih dogodkov, od tega dva znatna (17.7. in 24.7., preglednica 1, slika 2). Skupna količina padavin za mesec julij 11 je bila 246,5 mm. Padavine med 22.7. in 24.7. so povzročile močan iztok vode še nekaj dni po padavinah, ki je zakril kasnejši padavinski dogodek 27..7. (3,9 mm, slika 2). Dežemer na lizimetrski postaji po 23.7. ni beležil padavin, verjetno zaradi okvare inštrumenta, ki je bila verjetno posledica visoke intenzitetee padavin tistega dne. Padavinski dogodek 23.7. se je začel ob : 17 (W = 76,6 kg, slika 2) ter trajal do 22:9 (W = 4134,7 kg, slika 2) z visoko intenziteto padavin (31,1 mm h -1 ), nato po krajšem premoru nadaljeval do naslednjega dne 8:8 (W max = 4219,9 kg) z nižjo intenziteto (8,5 mm h -1, slika 2).
dr.v. ZUPANC, - 171 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA Izmerjene količine padavin z meteorološke postaje ARSO v mestu (P city ) so se močno razlikovale od meritev na lizimetru, zato so bile v izračunu ET a uporabljene P lys. Preglednica 1: Parametri vodne balance sprememba mase lizimetra dw 7h in posode za izcedno vodo do 7h, padavine Ljubljana Bežigrad P city (ARSO), padavine na lizimetrski postaji P site (ARSO) ter padavine P lys, določene iz podatkov W; ET (ARSO) in ET a izračunana po en. 2 s pomočjo P lys in O. Datum dw 7h (mm) do 7h (mm) P city (mm) P site (mm) P lys (mm) ET (mm) ET a (mm) 1.7.11 1,3 1,8 3,8 2,5 2.7.11-4,5 1,6 4,2 5,6 6,2 4,1 3,2 3.7.11-5,9,6 5,1 3,9 4.7.11-7,9 1,5 5,9 4,4 5.7.11 3,2 2,6 4,2 5,4 6.7.11-5,5 1,2,3 7,4 7,7 5, 3,1 7.7.11-5,9,9 5,8 4,7 8.7.11-6,,8 6,2 5, 9.7.11-6,,7 6,2 5,3.7.11-5,9,7 6,5 5,3 11.7.11-5,2,7 6,1 5,2 12.7.11-4,8,5 5,4 4,8 13.7.11-4,9,6 5,7 4,2 14.7.11-4,7,3 5,9 4,5 15.7.11 7,3,4 3, 4,3 16.7.11-4,3,4 7,4 7,8 9, 4,3 1,3 17.7.11 27,1,4 5,2 4, 18.7.11 3,9,2 21,8 28, 31, 3,9 3,7 19.7.11-2,,3 4,5 6,6 6,9 4, 2,6.7.11 4,3,3 1,3 1,8 1,8 3,5 3,5 21.7.11-6,2,2 6,5 6,6 6,7 5,5 2,2 22.7.11 13,1,3 4,7 5,8 23.7.11 1,9,3,2-16,3 2,4 3,7 24.7.11-57,4 3,8 65,5-146,2 1,7 1,2 25.7.11-35,5 64,1 7,8-11,4 2,1 3,9 26.7.11-8,9 32,4-3,4 3,3 27.7.11-2,7 5, -,2 4,6 4, 28.7.11-3, 3,1 5,2-4,5 2,3 4,2 29.7.11-2,4 2,1,5 -,6 3,6 1,4.7.11-1, 1,4,8-1,7 3,3 2,7 31.7.11-4,7 1,4 1,2-2,3 3,4 1,8 Skupaj 5,8-131 157,2 * 252,7 136,8 115
dr. V. ZUPANC, - 172 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA Slika 2: Masi lizimetra in posode za iztok vode (kg) ter zaznani podavinski dogodki za julij 11 na lizimetru Kleče, Ljubljana 7 Padavine Series1 Tmax Tmin 6 35 Padavine (mm) 5 25 15 Temperatura zraka ( o C) 5 1.7.11 2.7.11 3.7.11 4.7.11 9.7 5.7.11 6.7.11 7.7.11 8.7.11 7.11.7.11 11.7.11 12.7.11 13.7.11 14.7.11 1 15.7.11 16.7.11 17.7.11 18.7.11 Slika 3: Padavine (mm) ter maksimalna in minimalna temperatura zraka ( C) v Ljubljani, julij 11 (ARSO) Prva polovica julija je bila vroča in brez padavin (Slika 3), povprečna ET za Ljubljano je bila 5,4 mm na dan (preglednica 1). V enakem obdobju je bila ET a vedno nižja, v povprečju 4,5 mmm na dan (preglednica 1). Mesečna ET a je bila 115 mm. V drugi polovici julija je bilo več padavin, ET a je presegla izračunano ET po padavinah, najverjetneje zaradi evaporacije in razlik v mikroklimi med postajama. Okolica lizimetrske postaje v Klečah ustvarjaa specifično mikroklimo, ki se zaradi gozda in senčnosti razlikuje od mikroklime meteorološke postaje Ljubljana Bežigrad. Za izračun eferenčne evapotranspiracije, ki bi bila ustrezna razmeram v Klečah, bi bile potrebne meritve z vremensko postajo (hitrost vetra, osončenost, relativnaa zračna vlaga, minimalna in maksimalna temperatura zraka, padavine) neposredno na lizimetrski postaji. Senzorji za merjenjee količine vode na 5 in cm globine kažejo, da je količina vode na 5 cm med 26 in 37 % (Slika 4). Največ vode se zadržuje v plasti cm (konstantno med 33 in 36 %). Najbolj sušen je skeleten, spodnji del plasti v lizimetru (15 cm), kjer se količina vode giblje med 6 in % vode (Slika 4). Postopno zmanjševanje količine vode na 5 cm (do 22.7.) lahko razložimo s gibanjem vode proti območju korenin. Padavinski dogodki po 22. 7. so povečali količino vode tudi na 15 cm, vendar na slednji le za krjši čass (36 ur). Predvidoma je to zaradi nasičenja, ki je nastalo v spodnjih plasteh lizimetra, ko voda ni mogla tako hitro odteči iz lizimetra, kot so to narekovali robni pogoji (slika 5). Tenzija vode na 19 cm ustreza nenasičenim pogojem in je med 9 in hpa. Trenutne zasičene razmere po 24.7. so povzročile pozitivno tenzijo (25 hpa) znotraj lizimetra. Tenzija vode na 19 cm izven lizimetra je ostala negativna ( 3 hpa, slika 5), kar nakazuje, da se vodna fronta po padavinskem dogodku 24.7. v spodnjih plasteh ni zadržala, temveč se je premaknila preko skeletnih in peščenih sedimentov v globje plasti v nekaj urah. 19.7.1111.7.11 21.7.11 22.7.11 23.7.11 24.7.111 25 5.7.11 26.7.11.7 27.7.11 28.7.11 29.7.11.7.11 31.7.11
dr.v. ZUPANC, - 173 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA 5 5 cm cm 15 cm Količina vode (%) 1.7.11 4.7.11 7.7.11.7.11 13.7.11 16.7.11 19.7.11 22.7.11 25.7.11 28.7.11 31.7.11 Slika 4: Količina vode v tleh (%) na treh globinah (5, in 15 cm) v lizimetru Kleče za July 11 T8 lizimeter 19 cm T8 polje 19 cm Tenzija vode v tleh (hpa) - - - 1.7.11 4.7.11 7.7.11.7.11 13.7.11 16.7.11 19.7.11 22.7.11 25.7.11 28.7.11 31.7.11 Slika 5: Tenzija vode v tleh(hpa) na globini 19 cm v lizimetru ter na polju na lizimetrski postaji Kleče, Ljubljana za julij 11
dr. V. ZUPANC, - 174 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA ZAKLJUČKI Mesec julij 11 je dober primer ekstremnih vremenskih razmer, sprva suho, vroče obdobje, ki mu je sledilo obdobje z izrednim padavinskim dogodkom ter z za letni čas zelo nizkimi temperaturami. Vodna bilanca je bila pozitivna (252,7 mm padavin, 115 mm dejanska evapotranspiracija). V sušnih razmerah, kot so vladale v prvi polovici julija 11, lahko h toku vode v nižje plasti prispevajo le večji padavinski dogodki. Hkrati imajo skeletni, peščeni horizonti nizko ali celo nično sposobnost zadrževanja vode. Če vodna fronta zapusti zgornji, mineralni sloj tal, se v spondnje plasti premakne zelo hitro. LITERATURA Allen Richard G., Pereira Luis S., Raes Dirk, Smith Martin, 1998. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and drainage paper 56. Rome, Food and Agriculture Organization of the United Nations. Barros A.P., Lettenmaier D.P. 1994: Dynamic modeling of orographically induced precipitation. Reviews of geophysics, 32 (3): 265-284 Bračič-Železnik Branka, Zupanc Vesna, Pintar Marina, 8: Soil water balance for lysimeter station Kleče. V: Abstracts of the contributions of the EGU General Assembly 8 : Vienna, Austria, 13-18 April 8, (Geophysical Research Abstracts, Vol. ). [Katlenburg-Lindau: European Geophysical Society: Copernicus], str. [1]. Bračič-Železnik Branka, Zupanc Vesna, Pintar Marina, 11: Naravno ozadje nitratov - meritve na lizimetru Kleče na Ljubljanskem polju. V: 22. Mišičev vodarski dan 11, Maribor, 6. december. Zbornik referatov, (Mišičev vodarski dan). Maribor: Vodnogospodarski biro, 11, str. 1-125. [ Brilly Mitja, Gorišek Meta, 1985: Matematični model podtalnice Ljubljanskega barja : II. faza raziskave podtalne vode na Ljubljanskem barju, Ljubljana : FAGG, Laboratorij za mehaniko tekočin Meissner R., Seeger J., Rupp H., Seyfarth M., Borg H. 7. Measurement of dew, fog, and rime with a high precision gravitation Lysimeter. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 17, 335 344 Vižintin Goran, Souvent Petra, Veselič Miran, Čenčur Curk Barbara, 9: Determination of urban groundwater pollution in alluvial aquifer using linked process models considering urban water cycle. Journal of Hydrology, 377 (3-4), 261-273 von Unold Georg, Fank Johan, 8: Modular Design of Field Lysimeters for Specific Application Needs. Water Air Soil Pollut: Focus 8: 233-242 Xiao H., Meissner R., Seeger J., Rupp H., Borg H. 9. Effect of vegetation type and growth stage on dewfall, determined with high precision weighing lysimeters at a site in northern Germany. Journal of Hydrology 377: 43 49 Young M.H., Wierenga P.J., Mancino C.F. 1996: Large weighing lysimeters for water use and deep percolation studies. Soil Science, 161: 491-51 Zupanc Vesna, Bračič-Železnik Branka, Pintar Marina, 5 Water balance assessment for lysimeter station based on Water Pumping Station Kleče in Ljubljana = Ocena vodne bilance za lizimetrsko postajo pri Vodarni Kleče v Ljubljani. Acta agric. Slov.. 85 (1), 83-9