agrohydrologi, grøfting, kalkulatorer og mer Johannes Deelstra, mm Norsk Institutt for Bioøkonomi NIBIO

Transkript

1 agrohydrologi, grøfting, kalkulatorer og mer Johannes Deelstra, mm Norsk Institutt for Bioøkonomi NIBIO

2 Drenering, hvordan, hvorfor, utfordringer Grøfting i Norge før Grøfting hvordan fungerer det Grøfting framover med endret klima eller klimasmart drenering

3 Klimasmart drenering Hove(NLH, 1981), effekter av forskjellige grøfteavstander (4, 8, 16 og 32 m) på såtidspunkt, avlingen og jordarbeiding høsten. (siltrik leire, perioden ) Særlig viktig er god drenering om høsten, mindre vann og dermed mindre is i jorda, noe som har stor betydning for tidspunkt våronna Dette var klimasmart drenering

4 Hva blir været i framtida Relativ forandring (%) i årsnedbør fra til periodene (A), (B) og (C). (Median framskrivning, RCP Representative Concentration Pathways) A B C A B C A B C A B C A B C A B C År DJF MAM JJA SON Norge; 2 Østlandet; 3 Sørlandet; 4 Sør Vestlandet; 5 Sogn og Fjord/Nordhordland; 6 Trøndelag/Helgeland

5 Hva er tilstanden til grøftesystemer i Norge nå Spørsmål i Landbrukstellinga 2010 om tilstand drenering. I gjennomsnitt for hele landet var 8 prosent av arealet dårlig drenert. Men hva er dårlig drenert, hva betyr dette svaret?

6 Klimasmart drenering for framtiden En viktig funksjon av et grøftesystem er å senke grunnvannsnivået så rask som mulig, nå og under framtidige værhold for å oppnå; - gode vekst forhold - optimale forhold for jordarbeiding gjennom året

7 Klimasmart drenering for framtiden Hvordan skal vi dimensjonere, dvs beregne hvilken grøfteavstand(eller diameter grøfterør?) Og hvordan beregne grøfteavstanden? Glover Dumm eller Hooghoudt

8 Hvordan fungerer de eksisterende grøftesystemer Øvre Time (Time/Jæren) Vandsemb (Mørdre/Romerike) Bye (Kolstad/Hedmark) Size 2.4 ha 6.5/5 ha 4 ha Temperature 7.1 C 4.0 C 3.6 C Precipitation 1189 mm 665 mm 585 mm Texture topsoil Loamy medium sand Silt loam/silt, silty clay loam Loam Drain depth/spacing m/6 m 0.8 m/8 m 1 m/10 m Main crops Grass ley Spring cereals Spr. cereals/potato Measurement period Bye er fortsatt i drift, del av JOVA Vandsemb til 2004 del av JOVA Øvre Time; det måles, ikke rapportert i JOVA

9 Grøfteavrenningen og den totale avrenningen

10 Avrenningen fra mindre nedbørsfelter Store endringer i vannføringen innenfor en dag Hva er flashiness indeks? Flashiness index Catchment Day Hour Vandsemb Bye Vinningland Hvor fort blir avrenningen redusert? Avrenningen i en resesjons periode kan beskrives som, hvor og q t and q 0 avrenningen ved tid, t = t og t = 0 α en resesjonskoeffisient.

11 Avrenningsprosesser Ofte en to eksponent tilnærming var nødvendig som,,

12 Noe som kan tyde på 2 strømningsprosesser

13 Bye small field scale catchment Resultater Bye halveringstid (time) ,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Vannføring ved start recession period Fuktig jord er svært utsatt for pakking ved traktorkjøring. (Foto: Sissel Hansen) 20 Bye Halveringstid (timer) en eksp to eksp begg antall avr. epi gjennomsnitt maks min halvtime (hrs)

14 30 Resultater Vandsemb Vandsemb, small field scale catchment halveringstid ,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Vannføring ved start recession periode Halveringstid en eksp to eksp begge Antall avr. epi gjennomsnitt maksimum minimum 5 4 4

15 Mer nedbør, hva kan, må eller skal vi gjøre? Mer nedbør med ofte høy intensitet Er nedbørintensitet > jorda s infiltrasjonsevne overflate avrenning, erosjon og P tap (tiltak mot overflateavrenning/erosjon) Nedbør over lengre perioder Metning nedenfra som fører til overflateavrenning Vi må legge grøftene tettere på hverandre/øke kapasiteten, eller må vi dette (?) Mer om dette senere

16 Målinger på Øvre Time kombinert grunnvann og avrenningen Ekstreme mengder med nedbør Normal; 148 mm. Nov. 2012; 243 ved Time og 312 mm ved Særheim Både grunnvannet og grøfteavrenningen ble registrert

17 Noen resultater Meget hurtige endringer i bade grunnvannsnivå og grøfteavrenningen. Sammenhengen mellom grunnvannsnivå og grøfteavrenningen (døgn verdier) Presenterer dette noe som likner på Hooghoudt s likning Med hovedsakelig strømning mot grøfter over grøftenivået?

18 start end length half time (hrs) (hrs) 17. Nov Nov Aug Aug Nov Nov Dec Dec Synkehastighet grunnvann, Øvre Time field k d 2 L

19 Resultater Øvre Time 80 Øvre Time, small field scale catchment halveringstid ,5 1 1,5 2 Vannføring ved start recession periode 35 Øvre Time Halveringstid (timer) en eksp to eksp begge antall avr epi gjennomsnitt maks min halvtime(hrs)

20 Hva/hvordan videre Er denne halveringstiden som ble beregnet ut i fra resesjonskurves god nok? Fungerer systemet? Grøftesystemer ser ut til å fungerer veldig bra Halveringstid brukt andre steder, «To protect crops, a subsurface drainage system must be able to remove excess water from the upper portion of the active root zone 24 to 48 hours after a heavy rain, fra a subsurface drainage system/

21 Hva/hvordan videre Klima endringer med økt nedbør Effekter på jordarbeiding legge en grøft inn i mellom? Når vi har drenert bort det drenerbare vannet (pf = 0 2) kan vi da starte med jordarbeiding/andre aktiviteter. Vi måventetilenmatrikspoth m = 200 til 300 cm (ref.: Hugh Riley, Bioforsk Apelsvoll. Research note of 19 th May The percentage amount of topsoil moisture, relative to that held at field capacity, is used as a criterion for trafficability. Literature suggests that suitable values lie in the region of 70 95%. )

22 Avstand mellom grøftene og nitrogen avrenning Legger vi grøfter tettere får vi mer nitrogen avrenning (I all fall resultater fra utlandet viser dette. Hvordan i Norge? Kanskje Furenest/Kvithamar skal gi resultater.) «Drainage intensity (DI)» er mengde vann som skal dreneres bort når vannhøyde mellom grøftene er ved overflate (m = D) 4 2 Når K e = 0.1 m/d, d e = 0.5 m og D = 1 m blir DI L = 10 m DI = 0.8 cm/d L = 5 m DI = 3.2 cm/d

23 Hva/hvordan videre Legger vi grøfter tettere får vi mer nitrogen avrenning (I all fall resultater fra utlandet viser dette. Hvordan i Norge? Kanskje Furenest/Kvithamar skal gi resultater.) Gjør vi ikke det får vi kanskje mer tap av lystgass(n 2 O) Mean N 2 O-N flux from moderately well drained (MD, imperfectly drained (ID) and poorly drained (PD) plots, (b) mean daily water filled pore spaces (WFPS),. FromTesfai, M., Hauge, A., and Hansen, S. (2015): N 2 O emissions from a cultivated mineral soil under different soil drainage conditions, Acta, Vol. 65: 128:138.

24 Agrohydrologi, hydroteknikk og forskning Viktig å se, måle effekter av grøftesystemer, hva er effekter, hvordan påvirker det mulighet for jordarbeiding, unngå jordpakking avling nitrogen avrenning, fosfor, suspendert stoff lystgass utslipp Forskningsprosjekter nå Riktig dren, klimasmart drenering 1 og 2(Kvithamar) Kjelle videregående skole, Aurskog Høyland/Bjørkelangen Agropro Drainimp

25 Kvithamar, Klimasmart drenering 2 x 6 ruter Godt, og dårlig drenert Effekter på avrenning og N tap, grunnvannet, jordas fuktinnhold N tap

26 Fureneset/Drainimp, noen resultater

27

28 Målingene Avrenningen med vippekar Vannprøvetaking(N tot, NO 3 N) Jordfukt og temp, grunnvannsnivå Værdata (prec, temp, wind speed, rel.hum.)

29 Målingene Lystgass Avling Tilvekst I tillegg jordprofil beskrivelser Tekstur analyse Jordfysiske parameter (k sat, pf)

30 Noen resultater Målingene begynte i September 2014 Precipitation (mm) Precipitation and Evapotranspiration Actual Prec Normal Prec ETref 20 Temperature Askvoll Actual Temp Normal Temp 0 date Temperature ( 0 C) Mange måneder med nedbør >> normal Månedstemp (med unntak av 2)> normal Et ref beregnet med programmet ET 0 (Raes, FAO) ET ref << nedbør Date

31 Resultater avrenning Drain Spacing Runoff (mm) spacing mean max min Over måleperioden Nedbør = 3336 mm og Et ref = 485 mm Gir et nedbør overskudd 2851 mm Målt avrenning (1140 gj) << nedbør overskudd Hvor går vannet hen? Runoff (m) (mm)

32 Resultater; oppførselen grunnvannet døgnverdier timeverdier

33 Resultater; oppførselen grøfteavrenningen døgnverdier timeverdier

34 Hydrologisk oppførsel Forskjellen mellom døgn og timeverdier grøfteavstand 12 6 FI hr FI day Drain Spacing Q FI (m) hr FI max,hr Q max,day day (l.s.ha 1 )

35 Resultater nitrogen Fert. N appl. N removed N balance N loss Runoff Alt. L (kg ha 1) (kg ha 1) (kg ha 1) (kg ha 1) (mm) H H H H H H H H Tettere grøfter mer avrenning + mer N tap Større N tilførsel større N balanse N tap= f(n balanse)? Hvor ble det av nitrogenet? Tap som; klimagass(n 2 O, CH 4 )? Naturlig drenering mot grunvannet? (ref nedbør overskudd)

36 More results; where does the nitrogen go N loss (kg/ha) N balance and N loss (through drains) N balance (kg/ha)

37 Noen spørsmål,konklusjoner Hvor går nitrogen og hvor går vannet Her må det gjøres en innsats Er det drenering mot grunnvannet og tar det med seg nitrogen. Det er store døgnvariasjoner i grunnvannet og grøfteavrenningen Vi må ikke la oss lure av gjennomsnittlige døgnverdier En analyse av timeverdier gir viktig info om hvordan grøftesystemet fungerer, som for de andre småfelt (Øvre Time, Bye og Vandsemb) skal halveringstid beregnes Mer resultater kommer snart (jordfukt, jordfysiske parameter, naturlig drenering, mm=>)

38 En dreneringskalkulator, hva er det, har vi den, finnes det Hva er det, hvordan brukes den Beregne Grøftedistansen? Diameter på rør Dimensjonere åpne kanaler En kalkulator kan være en model

39 Drainmod model DRAINMOD is a computer simulation model (Skaggs, NCSU) Simulates the hydrology of poorly drained, high water table soils Subsurface drainage calculated using Hooghoudt equation Predicts the effects of drainage and associated water management practices on water table depths, the soil water regime and crop yields. Predicts soil temperature, capable of simulating winter conditions. Predict the effects of drainage and water management practices on the hydrology and water quality of agricultural and forested lands both on field and watershed scale. It s main input Soil physical parameters Drainage spacing, depth Crop characteristics Driving variables (Temp, PET) Main output Subsurface drainage Surface runoff

40 Dreneringskalkulator eller å anvende modeller Dersom man skal bruke den til å beregne grøfteavstand (vekst, N tap,mm) Modeller kan være et glimrende verktøy for å beregne den grøfteavstand som gir best avling, minst nitrogen avrenning og tap av lystgass Men man trenger data Vær Jordfysiske data som pf, vannledningsevne Målte verdier for jordfukt, avrenning mm for å kunne kalibrere modellene

41 Modeller og agrohydrologi/drenering Effekter av grøfteavstand på avrenningen/vannbalansen Brukt DRAINMOD modellen for å overflateavrenning (RUNOFF) og grøfteavrenning (DRAIN) Rk standard kartlagt RAINFALL ET DRAIN RUNOFF WORKDAYS L Rk mod, 3. sikt RAINFALL ET DRAIN RUNOFF WORKDAYS L sikt cm bss cm/hr Ap Eg/Bt Bt BCg sikt cm bss cm/hr mod Ap Eg/Bt Bt BCg Vannledningsevne tredje sikt alt for høy. Endret det til originalverdi x 0.1 (12.63 x 0.1) = 1.26 cm/hr

42 En dreneringskalkulator Hva er det, hvordan brukes den Beregne Diameter på rør Dimensjonere åpne kanaler Men i så fall hvilke kriterier skal man anvende eller hvor mye vann må ledes bort? Vi trenger målinger kanskje? Men hva slags?

43 Dersom kalkulator skal beregne diameter på rør Vi dimensjonerer diameter på en grøfterør ved å anvende en viss mengde vann som skal ledes bort, men hvor får opplysninger fra? På Øvre Time målte vi avrenning tilsvarende 1 mm/hr Som er 24 mm/dag

44 Målinger foretatt av Erling Haraldstad, perioden fra , Melding nr. 14, Norges landbrukshøgskole. Institutt for Kulturteknikk Østlandet Areal (da) Jordbruk Normal flom 1 Max flom 1 (%) (dim. grunnlag) Melsom Stokke Morene Olberg Trøgstad Leire Runni Nes. Romer. Mjele Kjelsberg Grue. Solør Sandjord Østre Os Sør-Odal Sand/mor Rød Nes. Romer. Mjele Nålum Skjeberg Leire Grønseth Slagen Leire/mor Staur Stange Morene Skårås Vallset Morene Hvitsten Vestby Leire/myr/mor Sønsterud Vinger Sandjord/mor Mangnesåen Våler i Solør Sand/mor./myr Jæren Sørbø Klepp Morene Hauge Bryne Time Nærland Nærbø Årsvoll Høyland Morene/myr Normal - og max flom er i sl ha -1 Skuterud 9,51 sl/ha; Mørdre 7,94 sl/ha; Høgfoss 2,34 sl/ha 4500 daa 6700 Vestfold, daa daa

45 Vi trenger målinger, og vi har småfelt (Bye, Øvre Time, Vandsemb) Kan vi bruke avrenningsdata fra disse feltene Når, hvordan og hvor fort skjer avrenningen Year Seasonality(%) Days to generate Flashiness index Catchment (mm) sum aut win spr 50/90% of yearly runoff day hour Vandsemb / Bye / Vinningland /

46 Hva må eller kan anvendes i dimensjoneringen? Målte verdier for avrenningen (l s 1 ha 1 ) avrenning time (l s 1 ha 1 ) avrenning døgn(l s 1 ha 1 ) mean max cv (%) mean max cv (%) Bye subsurface Vandsemb subsurface Øvre Time l s 1 ha 1 =? mm døgn 1

47 Hvor ofte skjer høy avrenning, døgn eller time verdier?

48 Hva er dimensjonerings grunnlaget for grøftesystemer i Norge? Er det 1 l s 1 ha 1 noe som tilsvarer 8.64 mm d 1 Det er dette vi har målt timeverdier (l s 1 ha 1) timeverdier (mm/d) døgn verdier (l s 1 ha 1) døgn verdier (mm/d) gj.snitt maks gj.snitt maks gj.snitt maks gj.snitt maks Bye grøft Vand grøft Øvre Time Q = km x A x R^2/3 x S^1/2 = A x (A/P)^2/3 x S^1/2 Hva er kapasitet av et rør med diameter = 5 cm Dersom helning s = (fall på 2 m per 1000 m) Og hva er Manning s koeffisient for rør?

49 Hva er dimensjonerings grunnlaget for grøftesystemer i Norge? Når det gjelder diameter. Q = km x A x R 2/3 x S 0.5 = km x A x (A/P) 2/3 x s 0.5 R hydraulic radius A wetted perimeter Hva er kapasitet av et rør med diameter = 5 cm og helningsgrad, s = Og Manning s koeffisient kan settes til 1/n (n = 0.014) > km ~ 70 A = x r 2 og P = 2 x x r R = A/P = r/2 gir Q = 70 x 3.14 x x (1/2) x = l/s, Er dette nok? Dersom det dimensjoneres på q = 1 l s 1 ha 1 = 8.64 mm/d, så blir det for Øvre Time med lengde = 200 og avstand = 6 m 200 x 6 x 8.64 /(24 x 3600)=0.12 l s -1 Men det ble målt 86 mm/d = 200 x 6 x 86 / (24 x 3600) = 1.19 l/s (!?!, hva skjer i så fall)

50 Hva blir diameter på rør dersom 1000 l/s Mannings formel Q = km x A x R^2/3 x S^1/2 = A x (A/P)^2/3 x S^1/2 Q vannføring. A = tverrsnit, R hydraulisk radius = A/P, P wetted perimeter km Mannings koeffisient ved rør A = x r^2 og P = 2 x x r R = A/P = r/2 km = 50 tenk en helning på 1/1000 så blir formelen 1 = 50 x x r^2 x (r/2)^2/3 x S^1/2 og som gir en radius på røret på 0.65 m

51 Grøfteavstand og avrenning. Effekten av grøfteavstand på avrenninghastighet Hva er sammenhengen mellom drenavstand, grunnvannsnivå og den dimensjonerende avrenningen > ref. Hooghoudt s formel 4 2 Tettere grøfteavstand, raskere tømming av jordprofil, men fører det til en økning i avrenningsintensistet/vannføringen ved utløpet av et nedbørsfelt?

52 Hva hvis vi legger grøftene tettere Grøfteavstand og synkehastighet Rk mod, 3. sikt RAINFALL ET DRAIN RUNOFF WORKDAYS L Grøftene tettere hva skjer med avrenningen ut av et nedbørsfelt Hva må skje med diameteren på røret?

53 Dreneringskalkulator, hva er det da? Sjekk dette Minnesota kalkulator Eller dette, egen kalkulator Oppgaver i ettermiddag Beregne diameter på rør (sidegrøft, samleledning) Bruk Manning s formel og en gitt avrenningsmengde

54 Takk for meg. Tea For a standard cup of tea of 250 ml we require 30 liters of water. Coffee A cup of coffee will take as much as 140 liters of water