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

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

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

Klimasmart drenering Hove(NLH, 1981), effekter av forskjellige grøfteavstander (4, 8, 16 og 32 m) på såtidspunkt, avlingen og jordarbeiding høsten. (siltrik leire, perioden 1976 1980) 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

Hva blir været i framtida Relativ forandring (%) i årsnedbør fra 1971 2000 til periodene 1985 2015 (A), 2031-2060 (B) og 2071 2100 (C). (Median framskrivning, RCP 8.5 - Representative Concentration Pathways) 1 2 3 4 5 6 A B C A B C A B C A B C A B C A B C År 8 18 7 7 15 7 6 10 6 7 11 1 8 17 2 9 21 DJF 5 16 11 14 28 17 10 28 12 8 23 0 4 13 1 4 10 MAM 4 13 6 18 25 3 15 23 7 11 18 13 7 8 15 4 6 JJA 14 16 16 1 4 19 1 1 13 6 2 4 7 16 4 16 26 SON 1 16 3 5 12 3 0 4 2 4 10 7 6 14 2 13 27 1 Norge; 2 Østlandet; 3 Sørlandet; 4 Sør Vestlandet; 5 Sogn og Fjord/Nordhordland; 6 Trøndelag/Helgeland

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?

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

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

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 0.8 1.00 m/6 m 0.8 m/8 m 1 m/10 m Main crops Grass ley Spring cereals Spr. cereals/potato Measurement period 1997 2013 1992 2005 1992 2013 Bye er fortsatt i drift, del av JOVA Vandsemb til 2004 del av JOVA Øvre Time; det måles, ikke rapportert i JOVA

Grøfteavrenningen og den totale avrenningen

Avrenningen fra mindre nedbørsfelter Store endringer i vannføringen innenfor en dag Hva er flashiness indeks? Flashiness index Catchment Day Hour Vandsemb 0.64 1.50 Bye 0.36 0.77 Vinningland 0.48 2.03 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.

Avrenningsprosesser Ofte en to eksponent tilnærming var nødvendig som,,

Noe som kan tyde på 2 strømningsprosesser

Bye small field scale catchment Resultater Bye halveringstid (time) 150 100 50 0 0,00 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) http://www.forskning.no/artikler/2011/mai/288798 20 Bye Halveringstid (timer) en eksp to eksp begg antall avr. epi 40 96 136 gjennomsnitt 30 32 31 maks 101 84 101 min 6 2 2 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 halvtime (hrs)

30 Resultater Vandsemb Vandsemb, small field scale catchment halveringstid 20 10 0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Vannføring ved start recession periode Halveringstid en eksp to eksp begge Antall avr. epi 87 44 131 gjennomsnitt 11 10 11 maksimum 25 23 25 minimum 5 4 4

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

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

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?

start end length half time (hrs) (hrs) 17. Nov 12 19. Nov 12 33 15 18. Aug 13 23. Aug 13 118 14 18. Nov 13 26. Nov 13 191 10 24. Dec 13 25. Dec 13 26 13 Synkehastighet grunnvann, Øvre Time field k d 2 L

Resultater Øvre Time 80 Øvre Time, small field scale catchment halveringstid 60 40 20 0 0 0,5 1 1,5 2 Vannføring ved start recession periode 35 Øvre Time Halveringstid (timer) en eksp to eksp begge antall avr epi 20 130 150 gjennomsnitt 17 9 10 maks 62 40 62 min 5 2 2 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 halvtime(hrs)

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 http://www.extension.umn.edu/agriculture/water/planning a subsurface drainage system/

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 2015. 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%. )

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

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.

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

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

Fureneset/Drainimp, noen resultater

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

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

Noen resultater Målingene begynte i September 2014 Precipitation (mm) 500 400 300 200 100 Precipitation and Evapotranspiration Actual Prec Normal Prec ETref 20 Temperature Askvoll Actual Temp Normal Temp 0 date Temperature ( 0 C) 15 10 5 0 Mange måneder med nedbør >> normal Månedstemp (med unntak av 2)> normal Et ref beregnet med programmet ET 0 (Raes, FAO) ET ref << nedbør Date

Resultater avrenning Drain Spacing Runoff (mm) spacing mean max min 12 899 1059 617 6 1399 2194 993 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) 1 12 617 2 1052 3 12 793 4 941 9 12 666 10 1019 11 12 1059 12 1047 5 6 1269 6 1829 7 6 2194 8 1437 13 6 1047 14 1251 15 6 993 16 1171

Resultater; oppførselen grunnvannet døgnverdier timeverdier

Resultater; oppførselen grøfteavrenningen døgnverdier timeverdier

Hydrologisk oppførsel Forskjellen mellom døgn og timeverdier grøfteavstand 12 6 FI hr 0.90 1.59 FI day 0.36 0.53 Drain Spacing Q FI (m) hr FI max,hr Q max,day day (l.s.ha 1 ) 1 0.86 0.37 0.89 0.71 2 0.92 0.4 1.41 1.15 3 0.7 0.34 0.77 0.55 4 12 0.86 0.33 1.21 0.68 9 0.75 0.31 0.81 0.62 10 0.98 0.37 1.31 1.1 11 1.03 0.4 1.5 1.18 12 1.06 0.39 1.54 1.24 5 1.44 0.46 2.42 1.84 6 1.41 0.49 3.73 2.49 7 1.7 0.56 5.03 3.84 8 6 1.7 0.6 3.06 2.42 13 1.61 0.54 2.47 1.93 14 1.91 0.59 4.88 2.52 15 1.47 0.51 1.56 1.32 16 1.45 0.48 2.05 1.55

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) H2 12 290 135 155 11 835 H2 12 190 90 100 9 867 H3 12 190 93 97 17 843 H3 12 290 133 157 18 1053 H2 6 190 134 56 15 1549 H2 6 290 168 122 17 1816 H3 6 290 136 155 13 1149 H3 6 190 95 96 12 1082 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)

More results; where does the nitrogen go N loss (kg/ha) 20 15 10 5 0 N balance and N loss (through drains) 0 50 100 150 200 N balance (kg/ha)

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=>)

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

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

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

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 864 360 485 20 86 5 864 360 484 20 86 10 864 361 473 29 85 20 864 370 419 74 75 40 Rk mod, 3. sikt RAINFALL ET DRAIN RUNOFF WORKDAYS L 864 361 480 23 85 5 864 365 457 42 80 10 864 381 385 97 68 20 864 404 261 197 53 40 sikt cm bss cm/hr Ap 0 26 6.13 Eg/Bt 26 34 2.38 Bt 34 71 12.63 BCg 71 + 0.01 sikt cm bss cm/hr mod Ap 0 26 6.13 Eg/Bt 26 34 2.38 Bt 34 71 1.26 BCg 71 + 0.01 Vannledningsevne tredje sikt alt for høy. Endret det til originalverdi x 0.1 (12.63 x 0.1) = 1.26 cm/hr

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?

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

Målinger foretatt av Erling Haraldstad, perioden fra 1952 1962, Melding nr. 14, Norges landbrukshøgskole. Institutt for Kulturteknikk Østlandet Areal (da) Jordbruk Normal flom 1 Max flom 1 (%) (dim. grunnlag) Melsom Stokke Morene 470 35 2.5 3.6 Olberg Trøgstad Leire 236 68 2.5 6.1 Runni Nes. Romer. Mjele 484 68 2.5 4.0 Kjelsberg Grue. Solør Sandjord 387 77 1.5 2.5 Østre Os Sør-Odal Sand/mor. 132 80 2.0 8.0 Rød Nes. Romer. Mjele 631 90 2.5 3.0 4.9 Nålum Skjeberg Leire 804 77 3.0 9.5 Grønseth Slagen Leire/mor. 790 70 3.0 3.5 9.0 Staur Stange Morene 1050 88 2.0 2.3 4.5 Skårås Vallset Morene 1651 51 3.0 7.5 Hvitsten Vestby Leire/myr/mor. 5002 48 3.0 11.4 Sønsterud Vinger Sandjord/mor. 11851 1 1.0 1.8 Mangnesåen Våler i Solør Sand/mor./myr 26000 11 2.0 4.5 Jæren Sørbø Klepp Morene 109 67 3.0 10 Hauge.... 267 87 3.0 20 Bryne Time.. 643 52 2.0 2.6 Nærland Nærbø.. 953 74 3.0 7.0 Årsvoll Høyland Morene/myr 1878 60 3.0 5.0 1 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 8.12.2016 295000 daa

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 208 16 27 25 32 16/51 0.64 1.50 Bye 155 21 30 10 39 14/69 0.36 0.77 Vinningland 712 10 39 37 14 42/150 0.48 2.03

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 1.57 2.38 41 1.14 1.95 42 Vandsemb subsurface 1.63 2.34 22 1.23 1.78 18 Øvre Time 4.50 9.95 39 2.07 4.58 37 1 l s 1 ha 1 =? mm døgn 1

Hvor ofte skjer høy avrenning, døgn eller time verdier?

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 1.6 2.4 13.6 20.6 1.1 2.0 9.8 16.8 Vand grøft 1.6 2.3 14.1 20.2 1.2 1.8 10.6 15.4 Øvre Time 4.5 10.0 38.9 86.0 2.1 4.6 17.9 39.6 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 = 0.002 (fall på 2 m per 1000 m) Og hva er Manning s koeffisient for rør?

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 = 0.002 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 0.025 2.67 x (1/2) 0.667 x 0.002 0.5 = 0.326 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)

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

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?

Hva hvis vi legger grøftene tettere Grøfteavstand og synkehastighet Rk mod, 3. sikt RAINFALL ET DRAIN RUNOFF WORKDAYS L 864 361 480 23 85 5 864 365 457 42 80 10 864 381 385 97 68 20 864 404 261 197 53 40 Grøftene tettere hva skjer med avrenningen ut av et nedbørsfelt Hva må skje med diameteren på røret?

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

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