PRINCIP IN UPORABA VODNO BILAN ČNEGA MODELA …mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2013_2014/seminarValher... · Seminar Ib, 4. letnik, stari program PRINCIP IN UPORABA VODNO BILAN

Seminar Ib, 4. letnik, stari program

PRINCIP IN UPORABA VODNO BILANČNEGA

MODELA WinISAREG

Avtor: Ajda Valher

Mentorja: dr. Gregor Gregorič mag. Andreja Sušnik

Ljubljana, november 2013

POVZETEK Dobro poznavanje vodne bilance koreninskega sloja kmetijskih tal je bistvenega pomena za uporabo ustrezne kmetijske prakse. Pri tem so nam lahko v veliko pomoč vodno bilančni modeli, s katerimi lahko spremljamo in predvidimo stanje vodne bilance v tleh, ocenimo namakalne potrebe rastlin ter tudi relativni delež pridelka ob koncu vegetacijske sezone. Vodno bilančni modeli vključujejo kopico principov, ki skušajo čim bolj natančno (a empirično) opisati vpliv rastline, tal ter seveda meteoroloških spremenljivk. Model WinISAREG, ki je opisan v tem seminarju, se je izkazal za primerno orodje za sledenje vodne bilance v Sloveniji. Prikazan je tudi praktični primer uporabe modela WinISAREG na lokaciji Bilje v obdobju od leta 1962 do 2012.

Ajda Valher Princip in uporaba vodno bilančnega modela …

2

KAZALO 1. UVOD ................................................................................................................................ 3 2. OPIS PROCESOV ............................................................................................................. 4

2.1. DEFINICIJE EVAPOTRANSPIRACIJE ................................................ 4 2.2. LASTNOSTI RASTLINE........................................................................ 5

2.2.1. Izhlapevanje iz rastline............................................................................. 5 2.3. LASTNOSTI TAL ................................................................................... 8

2.3.1. Transport vode v tleh................................................................................ 8 2.3.2. Vezava vode v tleh ................................................................................... 8

2.3.2.1. Vpliv slanosti............................................................................................ 9 3. VODNOBILANČNI MODEL WinISAREG..................................................................... 9

3.1. OPIS MODELA ..................................................................................... 10 3.2. ANALIZA VODNE BILANCE KORUZE V OBDOBJU 1961–2012 . 11

4. ZAKLJUČEK................................................................................................................... 13 5. VIRI.................................................................................................................................. 13

SIMBOLI b parameter rastline, ki opisuje stopnjo zmanjšanja pridelka na povečano enoto soli v tleh [ ]m

S

DP globoka perkolacija [ ]mm

eEC dejanska električna prevodnost nasičenih tal [ ]mS

emejniEC specifična električna prevodnost tal za določeno rastlino na kateri se že poznajo vplivi slanosti

[ ]mS

iniE0 povprečna evapotranspiracija začetnega obdobja [ ]mm

SOE potencialno izhlapevanje/evaporacija iz tal [ ]mm

0ET referenčna evapotranspiracija [ ]mm

cET potencialna evapotranspiracija [ ]mm

cadjET dejanska evapotranspiracija [ ]mm

ewf delež tal, ki so izpostavljena (neporaščena) in namočena (t. j. delež vrhnjega sloja tal iz katerega se zgodi večji del evaporacije) [ ]%

GW kapilarni dvig / porazdelitev podzemne vode [ ]mm

h višina rastline [ ]m

I količina namakalne vode [ ]mm

nI neto količina namakalne vode [ ]mm

cbK bazalni koeficient rastline [ ]

cK koeficient rastline [ ]

maxcK najvišja vrednost koeficienta rastline dosežena po dežju ali namakanju [ ]

eK evaporacijski del koeficienta rastline [ ]

rK Koeficient zmanjšanja evaporacije, ki je odvisen od kumulativne izhlapele vode iz vrhnje plasti tal [ ]

yK odzivni faktor pridelka [ ]

LR delež pronicanja [ ]%

NIR sezonska količina neto namakalne vode [ ]mm p delež črpanja vode iz tal [ ]%

PKθ vsebnost vode pri točki poljske kapacitete [ ]3

3

mm

REW lahko izhlapela voda [ ]mm


3

minRH minimalna relativna vlaga [ ]%

RO površinski odtok [ ]mm

RR padavine [ ]mm

RYD relativni delež pridelka [ ]

1t trajanje prve faze, ki določa lahko izhlapelo vodo TAW celotna rastlini dostopna voda [ ]mm

TEW celotna izhlapela voda [ ]mm

TVθ vsebnost vode pri točki venenja [ ]3

3

mm

wt povprečen interval med dežnimi oz. namakalnimi dogodki

2u povprečna dnevna hitrost vetra [ ]sm

rz globina korenin [ ]m

S∆ kumulativna sprememba spremembe talnega vodnega rezervoarja v koreninskem območju med vegetacijsko sezono [ ]3

3

mm

iθ vsebnost vode v tleh [ ]3

3

mm

pθ meja vsebnosti vode v tleh za začetek namakanja [ ]3

3

mm

1. UVOD

Vodna bilanca koreninskega sloja tal je pomemben dejavnik, ki vpliva na rast in razvoj rastlin ter posledično tudi na kvaliteto in količino pridelka. Zato je potrebno dobro poznati procese, ki vplivajo na spremembo vodne bilance v tleh. Osnovni princip na katerem temelji vodna bilanca, je prav gotovo vodni krog, katerega glavna elementa sta padavine ter izhlapevanje. Njima se pridružijo tudi površinski odtok, podtalni tok, pronicanje, kapilarni dvig itn. Vse naštete komponente, z izjemo padavin, pa so odvisne tudi od tal in rastlinskega pokrova, zato je dobro poznavanje medsebojnih vplivov bistveno pri modeliranju vodne bilance. Procesi, ki so povezani z rastjo in razvojem rastlin, kmetijsko in namakalno prakso, vplivajo tudi na izhlapevanje iz tal in rastline. Vplivi pa se spreminjajo glede na fenološke faze rastline. Talne značilnosti so bistvenega pomena za določitev meja, ki določajo kdaj je rastlina optimalno preskrbljena z vodo, kdaj se pokažejo prvi znaki pomanjkanja vode in kdaj doseže mejo, ko pride do poškodb, ko se rastlina ne more več obnoviti. Te meje določajo zadrževalno sposobnost tal za vodo, ki pove koliko vode lahko tla zadržijo oz. koliko vode je na voljo rastlini ob polnem talnem rezervoarju. Vsebnosti organskih in anorganskih snovi v tleh vplivajo na sposobnost zadrževanja vode v tleh. Tako na slanih tleh rastline težje črpajo vodo iz tal. Procese, ki povezujejo sistem atmosfera-tla-rastlina in so v večini določeni empirično, skušajo v čim večji meri vključiti v vodno bilančne modele. Vodno bilančni modeli so izjemnega pomena pri modeliranju vodne bilance kmetijskih rastlin, saj je z njihovo pomočjo načrtovanje kmetijske prakse bolj optimalno. Z njimi lahko poleg vodne bilance ocenjujemo tudi namakalne potrebe, dejanske vrednosti izhlapevanja, prilagojene koeficiente, ki se tekom rasti in razvoja rastline spreminjajo, ter končno tudi vpliv na pridelek. Obstaja mnogo vodno bilančnih modelov. V tem seminarju pa so opisani procesi, ki jih zajema model WinISAREG, ki je bil razvit na tehniški univerzi v Lizboni (Pereira in Paredes, 2010a).


4

2. OPIS PROCESOV

2.1. DEFINICIJE EVAPOTRANSPIRACIJE

Evapotranspiracija združuje dva procesa: evaporacijo oz. izhlapevanje iz površinskega sloja tal in transpiracijo oz. izgubo vode iz listnih rež. Tako je opisana najenostavneje, seveda pa lahko z vpeljavo dodatnih ali le bolj razdelanih procesov definicijo evapotranspiracije spreminjamo in jo opisujemo bolj natančno. Evaporacija je proces, ko tekoča voda v in na tleh (v zemlji ali pa voda v rekah, jezerih itn.) preide s pomočjo energije direktnega sončnega sevanja in toplote okoliškega zraka v plinasto stanje ter zapusti površje. Hitrost procesa je odvisna od spremembe tlaka vodne pare v tleh in vodne pare v okoliškem zraku. Ob tem zrak nad površino tal postaja vedno bolj nasičen ter s tem upočasnjuje proces evaporacije. Možen proces odstranjevanja tako nasičenega zraka je z vetrom, ki piha nad tlemi. Evaporacija je ob zadostni količini vode v tleh, ko jo je dovolj za pokritje izgub zaradi izhlapevanja iz tal, odvisna le od meteoroloških spremenljivk. Ob pomanjkanju vode v tleh vrednosti evaporacije hitro upadejo in so v ekstremnih pogojih, ko je zemlja suha, nične. Transpiracija pa je proces, ko voda izhlapeva v okoliški zrak iz rastlinskih tkiv po analognem procesu, kot je opisan v procesu evaporacije. Poleg prejete energije, gradienta pritiska in vetra pa ta proces določa še vsebnost vode v tleh ter sposobnost rastline za črpanje te vode, vrsta rastline, njene razvojne faze, slanost tal, kmetijska praksa in druge Na poraslih površinah je torej proces izhlapevanja sestavljen iz evaporacije in transpiracije ter ga imenujemo evapotranspiracija. Deleža obeh procesov je težko ločiti, saj sta tesno povezana. Ob setvi rastlin in v njihovih zgodnjih razvojnih fazah prevladuje proces evaporacije, ko sta najpomembnejši spremenljivki za določitev izhlapevanja vsebnost vode v tleh ter direktno sončno sevanje. Z nadaljnjim razvojem rastline delež evaporacije upada, veča pa se delež transpiracije, saj imajo v procesu vedno večjo vlogo parametri, ki opisujejo rastlino. Ob koncu rastne sezone rastline prevladuje proces transpiracije (Slika 2). Z vpeljavo različnih parametrov definicija evapotranspiracije postaja natančnejša. Tako ločimo:

- referenčno evapotranspiracijo ( 0ET ),

- potencialno evapotranspiracijo ( cET ),

- dejansko evapotranspriacijo ( cadjET ).

V osnovni shemi evapotranspiracije nastopajo najpomembnejše meteorološke spremenljivke: sončno sevanje, temperatura zraka, vlažnost zraka in hitrost vetra. Referenčna

evapotranspiracija je definirana kot količina vode, ki izhlapi iz površine tal, ki jih pokriva ekstenzivna travna ruša visoka 0,12 m, z albedom 0,23 in fiksnim površinskim koeficientom trenja 70 s/m. Površina je zelena in dobro preskrbljena z vodo in pokriva celotna tla enakomerno. Obstaja veliko metod za izračun evapotranspiracije, npr. Haudejeva metoda, Antalova metoda, Priestley-Taylorjeva metoda, Penman-Monteithova metoda in druge. Food and Agricultural Organization (FAO) je za standardno metodo predlagala Penman-Monteithovo metodo. Tudi v Sloveniji je ta metoda v operativni praksi. Penman-Monteithova enačba je sestavljena iz energijskega (sevalni del) in aerodinamičnega (veter in vlažnost) dela. V brezvetrnih pogojih prevlada energijski člen, v suhih predelih, kjer je veter običajno


5

močnejši pa aerodinamični člen. Enačba vključuje neto sevanje na površini rastline, tok toplote iz površja, ki je običajno zanemarljiv, psihrometrično konstanto, ki je odvisna od tlaka na lokaciji izračuna, povprečno dnevno temperaturo zraka na 2 metrih višine, hitrost vetra na 2 metrih višine, razliko med dejanskim in nasičenim parnim tlakom ter parameter, ki je odvisen od temperature zraka in naklon krivulje parnega tlaka. Obstajajo pa tudi prilagojene različice enačbe, ki so uporabne v primerih, ko je na voljo manj meteoroloških meritev. Opis izračuna evapotranspiracije po Penman-Monteithovi metodi je natančneje opisan v literaturi (Kurnik, 2002; Allen in sod., 1998). Ob vpeljavi značilnosti rastline (vrsta rastline, fenološke faze rastline, višina rastline, globina korenin itn.) v osnovno shemo, se ob predpostavkah, da rastejo rastline, ki so zdrave, na obsežnem območju v optimalnih pogojih, ob ustrezni kmetijski praksi, brez izgub pridelka, v danih klimatskih pogojih, govorimo o potencialni evapotranspiraciji ( cET ). Običajno jo

ocenimo s pomočjo koeficienta rastline ( cK ), ki je določen eksperimentalno.

Nazadnje vpeljemo še lastnosti tal, vodni primanjkljaj, gostoto rastlinskega pokrova, kmetijsko prakso, namakalno prakso itn., zaradi česar se potencialna evapotranspiracija zmanjša in govorimo o dejanski evapotranspiraciji. Zavedati pa se moramo, da na stanje rastline in s tem povezano evapotranspiracijo ne vpliva zgolj možno pomanjkanje vode v tleh temveč tudi nasičenost tal z vodo ter s tem poškodbe koreninskega sistema in posledično zaradi omejenosti srkanja vode iz tal zmanjšano dihanje rastlin. Dejansko evapotranspiracijo ocenimo s pomočjo koeficienta vodnega stresa ( sK ) in prilagoditvijo koeficienta rastline

( cadjK ).

Slika 1: Sheme potencialne, referenčne in dejanske evapotranspiracije (Allen in sod., 1998).

2.2. LASTNOSTI RASTLINE

2.2.1. Izhlapevanje iz rastline

Značilnosti rastline so opisane s koeficientom rastline ( cK ), s katerim lahko določamo

potencialno evapotranspiracijo. Po vpeljavi koeficienta rastline lahko ocenimo potencialno evapotranspiracijo s pomočjo empirične enačbe:

0ETKET cc ⋅= ... (1)


6

Koeficient rastline je odvisen od: - višine rastline, ki vpliva na aerodinamično upornost ter na turbulentni tok

izhlapevanja vodne pare iz rastlinskih rež v okoliški zrak; - albeda površja rastlina/tla, ki je odvisen od deleža pokritosti tal z rastlinskim

pokrovom ter od namočenosti tal; - upornosti rastlinskega pokrova, ki je odvisna od števila listov (števila listnih rež,

starosti listov, stanja in stopnje kontroliranja listnih rež) in vpliva na površinsko upornost;

- evaporacije iz neporaščenih tal. Gosto rastoče rastline, večja višina rastlin ter hrapavost rastlinskega pokrova določajo višje vrednosti koeficienta rastline (večje od 1). Zelo nizek koeficient pa imajo rastline, ki listne reže podnevi zapirajo ali pa imajo listne reže le na spodnji strani listov in/ali veliko listno upornost. Za bolj natančen izračun koeficient rastline razdelimo na dva dela: bazalni ( cbK ) in

evaporacijski del ( eK ), njun seštevek pa je enak celotnemu koeficientu (Slika 2):

ecbc KKK += ... (2)

Zaradi poenostavitve privzamemo, da se koeficient rastline spreminja linearno. Evaporacijski del koeficienta rastline je najvišji, ko so tla mokra, vendar koeficient rastline nikoli ne more preseči najvišje vrednosti maxcK , ki je določena z dostopno energijo za proces

evapotranspiracije na zemljinem površju (enačba 3). Ko pa se tla osušijo, je na voljo manj vode za proces evaporacije in zmanjšanje evaporacije vpliva na delež količine preostale vode v tleh (enačba 4).

cbce KKK −≤ max ... (3)

( ) maxmax cewcbcre KfKKKK ≤−= ... (4)

* Brezdimenzijski evaporacijski koeficient redukcije rK ima po dežju ali namakanju vrednost 1, ko je zemlja

izsušena do te mere, da ni več izhlapevanja iz tal pa 0.

Slika 2: Prikaz komponent koeficienta rastline: bazalnega koeficienta rastline (

cbK ) in evaporacijskega dela

koeficienta (eK ) (Allen in sod., 1998).

Slika 3: Splošna krivulja koeficienta rastline. (Allen in sod., 1998).

Običajno v celotnem rastnem ciklu rastline razdelimo koeficient rastline na tri dele: začetni ( ciniK ), v sredini sezone ( cmidK ) in končni ( cendK ) koeficient (Slika 3). Začetno obdobje je

čas, ki se začne s setvijo ter konča, ko je približno desetina tal pokrita z vegetacijo (pri drevesih pa, ko se začno tvoriti novi listi). Obdobje razvoja rastline traja do popolnega stanja


7

rastlinskega pokrova, npr. ko se začne faza cvetenja. V sredini sezone, ki se konča s polno zrelostjo rastlin, ki je običajno določena z začetkom staranja rastlin, rumenenja, staranja, odpadanja listov ali rjavenja plodov, je koeficient rastline najvišji in običajno konstanten. Pozno obdobje pa traja do popolne odmrlosti rastlin, žetve, odpadanja listov... Koeficient rastline je na začetku vegetacijske sezone rastline ( ciniK ) zelo majhen (v tem

obdobju prevladuje evaporacijski člen) in začne naraščati ob rasti in razvoju (evaporacijski delež se zmanjšuje na račun bazalnega koeficienta rastline) ter doseže maksimalno vrednost, ko je rastlina v polnem razvoju ( cmidK ). Ob koncu sezone pa močno upade in doseže najnižjo

vrednost pri cendK . Za večino rastnih razmer je vrednost cmidK relativno stabilna. Koeficienta

ciniK in cendK pa se lahko glede na pogostnost padavin oziroma namakanja na dnevni skali

močno spreminjata. Zato za opis evaporacije z uporabo koeficienta rastline v začetnih fenoloških fazah ( ciniK )

rastlin enoletnic, proces razdelimo na dve fazi. V prvi fazi je evaporacija določena z energijo na površini tal, ki vpliva na procese v tej vrhnji plasti. V drugi fazi pa je evaporacija odvisna od vsebnosti vode v tleh in upada glede na dostopno vodo v tleh. Vrednost izhlapele vode je torej odvisna od obeh faz. Prva faza določa t. i. lahko izhlapelo vodo ( REW ), druga faza pa celotno izhlapelo vodo (TEW ) (Slika 4).

( )( )

iniw

REWTEWREW

SOw

ciniETt

TEW

EttREWTEWTEW

K0

1 1)(exp

+−−−−

=

−

... (5)

Koeficienti rastlin v sredini in ob koncu sezone so podani v preglednici Allen in sod. (1998) za tipično vlažno/humidno podnebje, kakršnega ima tudi Slovenija. Če pa so podnebne razmere drugačne pa koeficienta prilagodimo s pomočjo enačb:

( ) ( )[ ]( ) 3,0

3min2)( 45004,0204,0 htabcmidcmid RHuKK −−−+= ... (6)

( ) ( )[ ]( ) 3,0

3min2)( 45004,0204,0 htabcendcend RHuKK −−−+= ... (7)

Slika 4: Dvofazni model koeficienta zmanjšanja evaporacije v začetnem fenološkem razvoju enoletnih rastlin z označenima REW in TEW fazama (Allen in sod., 1998).

Slika 5: Linearna rast korenin (Allen in sod., 1998).

Vse enačbe koeficientov rastlin so zgolj približki. Najnatančneje jih kljub vsem opisom določimo z meritvami na terenu.


8

Rast korenin enoletnih rastlin je ponazorjena na Slika 5. Korenine so ob začetku rasti najmanjše minrz , največjo globino pa dosežejo v sredini sezone, ko rastlina doseže polno

zrelost maxrz . Poenostavljen princip razvoja korenin predvideva linearno rast, ter nato

konstantno globino do konca vegetacijske sezone rastline.

2.3. LASTNOSTI TAL

2.3.1. Transport vode v tleh

Tla so kompleksen odprt sistem v katerem potekajo številni procesi, ki vplivajo na vsebnost vode v tleh. Najočitnejši vnos vode v tla je s padavinami in namakanjem, voda pa v tla lahko pride tudi s podpovršinskim tokom. Izgube vode se vršijo z direktnim površinskim odtokom, evapotranspiracijo in podpovršinskim odtokom. Tla so sestavljena iz večih slojev, ki imajo vsak svoje značilnosti. Voda lahko prehaja v nižje sloje s pronicanjem, v nasprotni smeri pa s kapilarnim dvigom.

2.3.2. Vezava vode v tleh

Voda se v tleh nahaja v sistemu talnih por in vpliva na mnoge fizikalne, kemične in biološke procese. Nujna je za rast in razvoj rastlin in je tudi eden izmed ključnih dejavnikov rodovitnosti tal. Voda v tleh se veže na površino talnih delcev z adsorpcijo molekul vode na površino talnih delcev preko Van der Valsovih sil in z menisknimi silami. Manjši ko je v tleh delež vode, večja je moč vezave. To silo imenujemo sila vpijanja oz. sorpcije in jo običajno izražamo v enotah tlaka. Delci, ki sestavljajo tla, imajo različno sposobnost vezanja vode in tako je dostopnost vode močno odvisna od teksture in strukture tal. Tla opisujemo tudi z deleži vsebnosti peska, gline in melja. Tla z večjim deležem gline so sposobna zadržati več vode, prav tako tudi če imajo velik delež organske snovi (cit. po Adam, 2004).

Slika 6: Vodna bilanca tal v območju koreninskega sistema (Allen in sod., 1998).

Slika 7: Vodne konstante tal (cit. po Adam, 2004).

Značilna stanja vlažnosti tal so definirana z energijo, s katero se zadržuje voda v tleh. Kroženje vode v tleh se prične, ko je večina por zapolnjena z vodo, taka tla so nasičena tla. Pod vplivom gravitacijskih sil del vode, čez večje oz. transmisijske pore, odteče v podtalnico. Voda, ki se obdrži v tleh predstavlja zgornjo vrednost vsebnosti vode v tleh, ki jo tla lahko zadržujejo brez gravitacijskih izgub. To vrednost poimenujemo poljska kapaciteta ( PKθ ). Manjše pore pa zadržujejo vodo zaradi kapilarnih sil. Kapilarno gibanje se lahko vrši v vseh smereh in je nadvse pomembno za enakomernejšo porazdelitev vlage v tleh. Taka kapilarna


9

oz. dostopna voda je na razpolago rastlinam, ki jo črpajo s svojim koreninskim sistemom. Rastline črpajo vodo do takrat, ko postanejo sile, ki povezujejo vodo s trdnimi delci večje kot je energijska sposobnost korenin črpanja vode, to pa imenujemo točka venenja ( TVθ ) (Slika

7). Razlika med volumnom vode pri poljski kapaciteti in volumnom vode pri točki venenja ter globina korenin rastline določajo vrednost celotne rastlini dostopne vode v tleh (TAW ):

( ) rTVPK zTAW θθ −= 1000 ... (8)

Rastline črpajo vodo do točke, ko sila, ki drži vodo na trdnih talnih delcih še ni prevelika. Ko pa nimajo več dovolj moči za črpanje, se pojavi sušni stres. Sušni stres je fiziološki pojav stanja rastline, ko ta nima več na voljo optimalne vodne preskrbe. Najprej se pozna v venenju, ki je posledica spremenjenega turgorja (notranjega tlaka) v rastlini, upočasni se tudi rast. Če se preskrba tal z vodo še slabša sušni stres narašča; zunanji znaki sušnega stresa se stopnjujejo do sušenja rastline, ki je nepovraten proces in končno rastlina propade. Torej so tla lahko še vedno založena z vodo, a so že na meji sušnega stresa. To lahko opišemo z deležem črpanja

vode iz tal ( p ), ki pove, do katere vrednosti vsebnosti vode v tleh rastlina še ni v sušnem stresu. Deleži črpanja vode iz tal so zbrani v preglednici Allen in sod. (1998) za posamezne rastline za povprečni ETP=5 mm/dan in jih moramo zato popraviti za dejansko evapotranspiracijo na lokaciji izračuna s pomočjo enačbe:

( )ctab ETpp −+= 504,0 ... (9)

Ob izredno visokih temperaturah zraka in nizki vsebnosti vlage v zraku je potencialna evapotranspiracija visoka, zato je potrebno p znižati za 10 do 25 %, kot so tabelirane

vrednosti ( tabp ). Ko je potencialna evapotranspiracija nizka pa moramo tabelirane vrednosti

povečati za okrog 20 %. Običajno je p konstanten vsaj za posamezne fenološke faze.

2.3.2.1. Vpliv slanosti

Slana tla, vplivajo na vrednost celotne rastlini dostopne vode v tleh, prek spremenjene vrednosti točke venenja. Točka venenja se zaradi slanosti poviša, posledično pa se rastlini dostopna voda v tleh zniža. Slanost tal lahko določimo z merjenjem električne prevodnosti tal. Točka venenja je tako:

( )( )TVPK

emejnie

TVTVslanost

ECECb

θθθθ

−

−+=

10 ... (10)

Celotno rastlini dostopno vodo (TAW ) pa nato lahko izračunamo po enačbi 8. Spremeni pa se tudi meja začetka sušnega stresa. Delež praznjenja vode v tleh ( p ) se prilagodi s pomočjo enačbe:

( )( )pECECbpp emejniepopr −−= ... (11)

3. VODNO BILANČNI MODEL WINISAREG

Vse opisane procese, ki se dogajajo v atmosferi, tleh in v rastlini, združujejo različni vodnobilančni modeli, med njimi tudi WinISAREG.


10

3.1. OPIS MODELA

Model WinISAREG združuje dva različna modela, model EVAP56 za izračun referenčne evapotranspiracije in ISAREG model, namakalni model, ki simulira vodno bilanco. Vključuje več algoritmov, ki opisujejo stanje rastlin, procese v tleh, vpliv sušnega stresa itn. EVAP56 izračunava referenčno evapotranspiracijo po metodi Penman-Monteith, ISAREG model pa izračunava vodno bilanco glede na metodologijo po Allen in sod. (1998) in upošteva različne alternative namakalnih shem.

Slika 8: Poenostavljena shema vodno bilančnega modela WinISAREG (Paredes in Pereira, 2010a).

WinISAREG model potrebuje naslednje vhodne podatke (Slika 8): podatke o tleh, meteorološke podatke, podatke o rastlini, namakalne možnosti, podatke o doprinosu podzemne vode in omejitvi oskrbe z vodo pri namakanju. Glavni produkti modela so vodna bilanca tal (ob nenamakanju ali ob namakanju), količina namakalne vode (dnevna, desetdnevna, sezonska), relativni delež pridelka in frekvenčna analiza neto namakalne vode. Obrobni produkti in izračuni pa prilagojeni koeficienti rastlin, preračunane evapotranspiracije, vrednost celotni rastlini dostopne vode v tleh itn. Model ima vgrajen tudi grafični prikaz izračunov.

Izračun količine namakalne vode Potrebno količino namakalne vode za oskrbo kmetijskih rastlin lahko izračunamo na različnih časovnih skalah, za dan, dekado ali pa celotni vegetacijski sezoni rastline. Priporočena namakalna voda je ocenjena z vsebnostjo vode v tleh, ki je odvisna od komponent, ki so opisane v poglavju 2.3.1. Vsebnost vode v tleh iθ , za dan ali izbrano obdobje, je podana z

enačbo: ( )

ri

iiciiii

iiz

GWDPETIRORR

10001

+−−+−+= −θθ ... (12)

Meja vsebnosti vode v tleh za začetek namakanja ( pθ ) je določena z deležem praznenja vode

v tleh ter točkama poljske kapacitete in venenja: ( )( )

PKTVPKp p θθθθ +−−= 1 ... (13)

s tem pa lahko ocenimo neto količino namakalne vode v izbranem časovnem intervalu nI :

( )pPKrini zI θθ −= 1000 ... (14)

Sezonski izračun količine neto namakalne vode ( NIR ) je končn podan kot:


11

( )

LR

SGWRORRETNIR iic

−

∆−−−−=

1

... (15)

Relativni delež pridelka Na relativni delež pridelka ( RYD ), glede na pridelek, ki bi ga dosegli v optimalnih pogojih, vplivajo vsi opisani procesi. Na delež pridelka torej vpliva slanost (opisana s prvim členom enačbe 16), značilnosti rastline, vodni primanjkljaj, namakalna praksa itn., ki so opisane z dejansko in potencialno evapotranspiracijo (v drugem členu enačbe 16). Odzivni faktor pridelka ( yK ), ki ga je najbolje določiti eksperimentalno, pa prilagodi evapotranspiracijo

glede na optimalno rast v celotnem fenološkem ciklu rastline.

( )

−⋅

−=

c

cadj

y

emejnie

ET

ETK

bECECRYD 1

100 ... (16)

3.2. ANALIZA VODNE BILANCE KORUZE V OBDOBJU 1961–2012

Za praktično uporabo modela WinISAREG smo preučevali sezonske količine neto namakalne vode ter relativni delež pridelka v izbranem obdobju ter vodno bilanco brez in z namakanjem za ekstremno suho leto 2003 na izbrani postaji. Analiza je bila narejena za glavno meteorološko postajo Bilje, ki se nahaja v Spodnje Vipavski dolini, za obdobje od leta 1962 do 2012. Vsi uporabljeni meteorološki podatki so iz baze Agencije RS za okolje, prav tako tudi uporabljene dnevne vrednosti evapotranspiracije, ki je izračunana na dnevni bazi po Penman-Monteithovi metodi. Podatki o rastlini – koruzi, so bili pridobljeni iz fenološkega monitoringa Agencije RS za okolje. Koeficienti s katerimi opisujemo rastlino (koeficient rastline, odzivni faktor rastline), ki za slovenske razmere še niso določeni pa so povzeti po literaturi (Allen in sod., 1998), enako tudi tabelirane vrednosti deleža črpanja vode iz tal. Podatki o zadrževalni spodobnosti tal za vodo za izbrano lokacijo so bili pridobljeni iz pedoloških analiz, ki jih je opravil Center za pedologijo in varstvo okolja na Biotehniški fakulteti na Oddelku za agronomijo. Izračun neto namakalne vode ( NIR ) za tla s slabo zadrževalno sposobnostjo je prikazan na Slika 9. Vrednosti količine neto namakalne vode se gibljejo od 33 mm v najbolj mokrem letu, 1980, do 282 mm v najsušnejšem letu 2003. Letu 2003 sledijo leta 2006 z 281 mm, 2012 (263 mm), 2011 (239 mm), 2001 (214 mm) ter 1986 (203 mm). Na relativni delež pridelka ( RYD ) koruze vplivajo različni dejavniki: sušni stres, vročinski stres, toča, močan veter in drugi. V analizi sta upoštevana zgolj sušni (pomanjkanje padavin) in vročinski (visoke temperature zraka) stres. V najbolj sušnem letu, 2006, glede na izračun relativnega deleža pridelka, je v Biljah delež pridelka 67 % (Slika 10), sledi mu leto 2003 s 65 % deležem in leto 2012 s 60 % deležem. V slovenski zakonodaji je prag za ocenjevanje škode po suši določen na 30 % deleža pričakovane proizvodnje. V Biljah je v izbranem obdobju delež prideleka ta prag presegel kar v 55 % let. Za ilustracijo vodne bilance sta na Slika 11 in Slika 12 prikazani še vodni bilanci brez in z namakanjem za koruzo v letu 2003, ko je suša dosegla razsežnosti naravne katastrofe in je v arhivih (Arhiv suš ..., 2013) zabeležena kot suša, ki je v Sloveniji povzročila največ škode.


12

20

06

20

12

20

11

20

01

19

86

20

00

19

62

20

09

19

95

19

69

20

05

19

88

19

85

19

93

19

90

19

98

19

67

19

82

20

10

19

96

19

73

20

02

19

76

19

79

19

87

19

63

19

92

19

68

19

97

19

71

19

81

19

66

20

08

19

83

19

72

19

89

19

91

19

84

19

70

19

64

19

78

19

77

19

74

19

65

19

75

19

80

20

03

19

99

20

07

19

94

20

04

0

50

100

150

200

250

300

98

96

94

92

90

89

87

85

83

81

79

77

75

73

71

69

67

65

64

62

60

58

56

54

52

50

48

46

44

42

40

39

37

35

33

31

29

27

25

23

21

19

17

15

14

12

10 8 6 4 2

frekvenčna porazdelitev

NIR

[m

m]

Slika 9: Prikaz izračunanih vrednosti sezonskih neto količin namakalne vode na tleh s slabo zadrževalno sposobnostjo za postajo Bilje.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

20

06

20

03

20

12

19

86

20

11

19

62

20

01

19

94

19

69

19

95

19

67

20

07

20

05

20

00

20

04

20

09

19

99

19

63

19

68

19

88

19

79

19

90

19

96

19

82

19

87

19

93

19

73

19

76

19

85

20

02

19

98

20

10

19

66

19

71

19

81

19

92

19

72

19

84

19

91

19

83

19

97

19

70

19

77

19

89

20

08

19

78

19

64

19

74

19

65

19

80

19

75

leto

de

lež

pri

de

lka

(%

)

Slika 10: Delež pridelka na postaji Bilje v obdobju 1961-2012 na tleh s slabo zadrževalno sposobnostjo.

Slika 11: Graf vsebnosti vode v tleh brez namakanja za koruzo na postaji Bilje v sušnem letu 2003.

Slika 12: Graf vsebnosti vode v tleh z vključenim namakanjem za koruzo na postaji Bilje v sušnem letu 2003.


13

4. ZAKLJUČEK

Ob pomanjkanju meritev vode v tleh so vodno bilančni modeli dobrodošel pripomoček pri simuliranju vodne bilance koreninskega sloja tal, ki je pomembna za določanje optimalne preskrbe rastlin z vodo. Z njimi lahko detektiramo začetek sušnega stresa ter tako sprožimo priporočene tehnološke ukrepe ob morebitni suši. Ukrepi v procesu prilagajanja na sušo so lahko učinkoviti le, če smo na sušo pripravljeni. Model WinISAREG se je izkazal kot eden izmed primernih orodij tudi za Slovenijo (Sušnik in Valher, 2012a). Za razliko od mnogih enostavnih vodno bilančnih modelov zaobjema model WinISAREG precej natančne opise procesov tako rastline kot tudi tal. Še posebno pomemben segment v modelu so tla, saj jih lahko opišemo v več plasteh, od katerih ima vsaka plast svoje talne značilnosti, med katerimi prehaja voda. Z modelom lahko sledimo poteku talne vodne bilance oz. vsebnosti vode v tleh, lahko računamo, glede na dano meteorološko situacijo in stanja rastline ter tal, priporočene količine namakalne vode ter ob koncu vegetacijske sezone tudi relativni delež pridelka glede na optimalne razmere. Sezonsko oceno namakalne vode in deleža pridelka lahko tudi umestimo v daljši časovni niz ter s tem pridobimo informacijo o kmetijskih razmerah v vegetacijski sezoni, ki temeljijo na meteorološki situaciji (suhe, normalne ali mokre razmere) ter o jakosti morebitne suše.

5. VIRI

[1] Adam G. 2004. Primerjava različnih naprav za posredno merjenje volumskega deleža vode v tleh. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta: 73 str.

[2] Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., 1998. Crop Evapotranspiration. Guidelines for Computing Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome, Italy, Food and Agricultural Organization: 300 str.

[3] Arhiv suš 1961–2012. 2013. Ljubljana, Agencija RS za okolje (arhiv podatkov).

[4] Fenološki podatki 1961–2012. 2013. Ljubljana, Agencija RS za okolje (arhiv podatkov).

[5] Kurnik B. 2002. Primerjava različnih metod za izračun referenčne evapotranspiracije v Sloveniji. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Oddelek za fiziko: 66 str.

[6] Meteorološki podatki 1961–2012. 2013. Ljubljana, Agencija RS za okolje (arhiv podatkov).

[7] Paredes P., Pereira L.S. 2010a.Water balance and irrigation scheduling simulation model. The WinISAREG model. Draft manual (v. 1.3.). CEER-Biosystems Engineering, Institute of Agronomy, Technical University of Lisbon: 69 str.

[8] Paredes P., Pereira L.S. 2010b. Model Winisareg 1.3 (stable version). http://ceer.isa.utl.pt/cms/index.php?option=downloads&Itemid=50&task=info&id=6&-WINISAREG-1-3-STABLE-Version (17.11.2013)

[9] Pereira L.S., Teodoro P.R., Rodrigues P.N., Teixeira J.L. 2003. Irrigation scheduling simulation: the model ISAREG. V: Tools for drought mitigation in Mediterranean regions. Rossi G., Cancelliere A., Pereira L.S., Oweis T., Shatanawi M., Zairi A. (ur.). Kluwer, Dordrecht: 161-180

[10] Sušnik A., Valher A. 2012a. Orodje za sledenje kmetijske suše v sklopi Centra za upravljanje s sušo v jugovzhodni Evropi (DMCSEE): Analiza suše 2012 v Sloveniji. Ljubljana, Center za upravljanje s sušo v jugovzhodni Evropi. (interno poročilo)

[11] Sušnik A., Valher A. 2012b. Spomladanska suša in drugi vremenski vplivi na kmetijske rastline. Ljubljana, UJMA, 26: 55-68

Documents

PRINCIP IN UPORABA VODNO BILAN ČNEGA MODELA …mafija.fmf.uni-lj.si/seminar/files/2013_2014/seminarValher... · Seminar Ib, 4. letnik, stari program PRINCIP IN UPORABA VODNO BILAN