Issuu on Google+


Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Γεωπονική Σχολή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΥΣΙΜΕΤΡΩΝ

ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ Γ. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣ Πτυχιούχος Γεωπόνος Α.Π.Θ.

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ

ΧΡΗΣΤΟΣ Σ.

ΠΑΝΤΑΖΗΣ Ε.

ΜΠΑΜΠΑΤΖΙΜΟΠΟΥΛΟΣ

ΓΕΩΡΓΙΟΥ

ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ

ΛΕΚΤΟΡΑΣ

ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010


ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Γ. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑ Πτυχιούχου Γεωπόνου Α.Π.Θ.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΣΤΗΝ ΑΚΟΡΕΣΤΗ ΖΩΝΗ ΤΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΥΣΙΜΕΤΡΩΝ

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Υποβλήθηκε στη Γεωπονική Σχολή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων Ημερομηνία προφορικής εξέτασης :

28 Ιουνίου 2010

ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής Χρήστος Μπαμπατζιμόπουλος, Επιβλέπων Λέκτορας Πανταζής Γεωργίου, Επιβλέπων Καθηγητής Βασίλειος Αντωνόπουλος, Εξεταστής


© Χαράλαμπος Γ. Παρασκευάς © Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων ISBN

«Η έγκριση της παρούσης Μεταπτυχιακής Διατριβής από τη Γεωπονική Σχολή του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παράγραφος 2)


στους γονείς μου, Γιώργο και Μαρία


λυσὶμετρον : συσκευὴ διὰ τὴν μὲτρησιν τῆς διηθὴσεως τοῦ ὔδατος ἐντὸς τῶν ἐδαφῶν καὶ διὰ τὸν προσδιορισμὸν τῶν απομακρυνομὲνων διαλυτῶν συστατικῶν κατὰ τὴν στρὰγγισιν Πολύγλωσσο Τεχνικὸ Λεξικὸ Ἀρδεὺσεων καὶ Ἀποστραγγὶσεων, Τ.Ε.Ε., Ἀθήναι 1975


Πρόλογος

Πρόλογος Το νερό θεωρείται ένας από τους πιο σημαντικούς φυσικούς πόρους. Εκτός από το γεγονός ότι καλύπτει τις βασικές ανάγκες επιβίωσης του ανθρώπινου είδους, αποτελεί βασικό παράγοντα ανάπτυξης και η ύπαρξή του είναι ζωτικής σημασίας για όλα τα παγκόσμια οικοσυστήματα και τη μεταξύ τους ισορροπία. Το πρόβλημα της υποβάθμισης και έλλειψης του νερού αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα του πλανήτη μας. Το πρόβλημα αυτό παρατηρείται εντονότερα στις μεσογειακές χώρες, που υποφέρουν περισσότερο από τις συνέπειές της, ενώ αναμένεται και όξυνση του φαινομένου λόγω και της αλλαγής του παγκόσμιου κλίματος (αύξηση θερμοκρασίας, μείωση βροχοπτώσεων). Σε ευρωπαϊκό επίπεδο, η οδηγία πλαίσιο για το νερό 2000/60 αναγνωρίζει τη μεγάλη σημασία των υδατικών πόρων, θέτοντας το πολιτικό και θεσμικό πλαίσιο για την προστασία και ολοκληρωμένη διαχείριση των υδάτων σε επίπεδο υδρολογικής λεκάνης με ενεργή συμμετοχή των πολιτών. Έτσι λοιπόν είναι αναγκαία μια νέα κουλτούρα όσον αφορά το νερό, η οποία αφενός θα διασφαλίζει την κάλυψη των αναγκών του ανθρώπου στο παρόν και στο μέλλον και αφετέρου θα εξασφαλίζει νερό για τις ανάγκες των φυσικών οικοσυστημάτων. Η εξοικονόμηση νερού έχει αναγνωριστεί ως κεντρική προτεραιότητα διεθνώς, ωστόσο η έλλειψη ενημέρωσης αποτελεί μεγάλο εμπόδιο στην προσπάθεια συνειδητοποίησης του προβλήματος. Προς την κατεύθυνση αυτής της ενημέρωσης και της εξοικονόμησης νερού - στα περιορισμένα πλαίσια των δυνατοτήτων της - ελπίζω να συμβάλει η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή στην εκπόνηση της οποίας συνέβαλαν πολλά άτομα. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Χρήστο Μπαμπατζιμόπουλο για την επιλογή του θέματος της διατριβής, τη συνεχή και πλήρη καθοδήγησή του στα πλαίσια εκπόνησής της και για την εμπιστοσύνη και υπομονή που μου δείχνει σε όλα τα χρόνια της συνεργασίας μας και το λέκτορα της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Πανταζή Γεωργίου για την καθοδήγησή του και τις πολύτιμες και καταλυτικές συμβουλές του, οι οποίοι είναι και οι επιβλέποντες της παρούσας διατριβής. Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. κ. Βασίλειο Αντωνόπουλο - μέλος της εξεταστικής επιτροπής - για τις υποδείξεις και συμβουλές του στα πλαίσια της διατριβής αυτής καθώς και για την ηθική και συμβουλευτική υποστήριξή του σε όλα τα χρόνια των σπουδών μου.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

i


Πρόλογος

Θα ήθελα να ευχαριστώ όλους τους εργαζόμενους/ες του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων του Εθνικού Ιδρύματος Αγροτικής Έρευνας (ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε.) για τη συνεισφορά τους στο πειραματικό κομμάτι της διατριβής που χωρίς την βοήθειά τους θα ήταν πολύ δύσκολη η εκπόνηση και ολοκλήρωσή της. Ειδικά θα ήθελα να ευχαριστήσω το διευθυντή του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων τακτικό ερευνητή κ. Αθανάσιο Πανώρα για τη διάθεση του πειραματικού των λυσίμετρων και όλων των απαραίτητων εργαλείων για την επιτυχή ολοκλήρωση του πειραματικού καθώς και για τις συμβουλές του σε πλήθος ζητημάτων που προέκυψαν κατά τη διάρκεια του πειράματος. Το μεγαλύτερο όμως ευχαριστώ το οφείλω στον ειδικό τεχνικό επιστήμονα του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων κ. Ανδρέα Ηλία. Η συμβολή του και η βοήθεια που μου παρείχε χωρίς καμία οπισθοβουλία σε όλα τα στάδια του πειραματικού ήταν πολύ σημαντική και δίχως αυτήν η περάτωση της εργασίας θα ήταν αδύνατη. Ευχαριστώ τον πρώην διευθυντή του Ινστιτούτου Βάμβακος και Βιομηχανικών Φυτών του ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε. τακτικό ερευνητή κ. Φώτιο Ξανθόπουλο για την προμήθεια των σπόρων βαμβακιού και φυτοπροστατευτικών προϊόντων καθώς και για τις συμβουλές του όσον αφορά την καλλιέργεια. Επίσης, ευχαριστώ την ερευνήτρια του Ινστιτούτου Βάμβακος και Βιομηχανικών Φυτών κα. Ελένη Τσαλίκη για την εκκόκκιση των δειγμάτων βάμβακος και για την επεξήγηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών αυτής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον καθηγητή του πανεπιστημίου της Χαβάης κ. Ali Fares και τον ερευνητή του U.S.D.A. κ. James Ayars για τις συμβουλές τους όσον αφορά τη βαθμονόμηση των οργάνων υγρασίας και για τις εργασίες τους που μου απέστειλαν. Ευχαριστώ τον κ. Δημήτριο Καλαμπίδη μέλος Ειδικού και Εργαστηριακού Διδακτικού Προσωπικού του Εργαστηρίου Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής για το σχεδιασμό και την βοήθειά του στην υλοποίηση του αρδευτικού δικτύου του πειραματικού. Ευχαριστώ το συνάδελφο κ. Βασίλειο Λίτσκα για τη συνεισφορά του στα διάφορα στάδια του πειραματικού και τον τεχνολόγο γεωπόνο κ. Ιωάννη Πανώρα για τη βοήθειά του στη μέτρηση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας με το περατόμετρο μεταβλητού φορτίου. Ευχαριστώ τον αδερφό μου Αργύρη για τη βοήθεια που μου παρείχε στη σχεδίαση των κατόψεων του πειραματικού και του εξώφυλλου της διατριβής καθώς και για την ηθική στήριξη του. Ευχαριστώ όλους τους διδάσκοντες του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών της ειδίκευσης Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. για τη συνεργασία μας και τις γνώσεις που μου μετέδωσαν κατά τη διάρκεια των Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

ii


Πρόλογος

σπουδών μου. Τέλος, θα ήταν αχαριστία να μην αναφέρω τους γονείς μου για την ηθική και υλική υποστήριξή τους σε όλη μου τη ζωή χωρίς την οποία δε θα είχα πετύχει τίποτα. Για όλα αυτά που έχουν κάνει για εμένα αλλά και θα κάνουν, τους ευχαριστώ από τα βάθη της καρδιάς μου και ελπίζω μια μέρα να σταθώ αντάξιος των προσδοκιών τους.

Θεσσαλονίκη, 2010 Χαράλαμπος Γ. Παρασκευάς

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

iii


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

Περιεχόμενα σελ. Κεφάλαιο 1ο......................................................................................................... 1 Εισαγωγή ............................................................................................................. 1 1.1 Γενικά ............................................................................................................... 1 1.2 Σκοπός της διατριβής ......................................................................................... 2 1.3 Δομή της διατριβής ............................................................................................ 4 Κεφάλαιο 2ο......................................................................................................... 6 Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών ............. 6 2.1 Γενικά ............................................................................................................... 6 2.2 Δυναμικό του εδαφικού νερού ............................................................................ 6 2.2.1 Δυναμικό βαρύτητας ................................................................................... 7 2.2.2 Δυναμικό υδροστατικής πίεσης ..................................................................... 7 2.2.3 Ωσμωτικό δυναμικό ..................................................................................... 8 2.3 Ανάγκες καλλιεργειών σε νερό άρδευσης ............................................................. 9 2.3.1 Εξάτμιση .................................................................................................... 9 2.3.2 Διαπνοή .................................................................................................... 12 2.3.3 Εξατμισοδιαπνοή ....................................................................................... 12 2.3.4 Δυναμική και πραγματική εξατμισοδιαπνοή ................................................. 15 2.3.5 Στάδια καλλιέργειας και φυτικοί συντελεστές kc ........................................... 16 2.3.6 Μέθοδος υδατικού ισοζύγιου ...................................................................... 18 2.3.7 Εκτίμηση απορροϊκής βροχής με τη μέθοδο του απορροϊκού συντελεστή CN της S.C.S........................................................................................................... 18 2.4 Γενική εξίσωση κίνησης του εδαφικού νερού ..................................................... 20 2.5 Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους .................................................................... 21 2.5.1 Χαρακτηριστική καμπύλη υγρα��ίας του εδάφους ......................................... 21 2.5.2 Υδραυλική αγωγιμότητα ............................................................................ 24 2.6 Πρόσληψη νερού από το ριζικό σύστημα των φυτών ......................................... 26 2.6.1 Περιγραφή της πρόσληψης υγρασίας S(h)................................................... 27 2.6.2 Μέγιστη πρόσληψη νερού από τις ρίζες Smax ................................................ 27 2.6.3 Περιοριστικός παράγοντας α(h) .................................................................. 28 2.7 Μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης κίνησης του νερού ..................................... 31 2.8 Μαθηματικό μοντέλο S.W.BA.CRO.S. ................................................................ 35 2.8.1 Αριθμητική επίλυση ................................................................................... 36 2.8.2 Οριακές συνθήκες ..................................................................................... 39 2.8.3 Επίλυση συστήματος εξισώσεων με τριδιαγωνικό σύστημα συντελεστών ...... 43 Κεφάλαιο 3ο....................................................................................................... 46 Λυσιμετρία......................................................................................................... 46 3.1 Γενικά ............................................................................................................. 46 3.2 Είδη λυσίμετρων .............................................................................................. 48 3.3 Επιφάνεια και περιβάλλων χώρος λυσίμετρων .................................................... 55 Κεφάλαιο 4ο....................................................................................................... 59 Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού........................................... 59 4.1 Γενικά - συνοπτική περιγραφή πειραματικού ...................................................... 59 4.2 Βαμβάκι .......................................................................................................... 61

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

iv


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

4.2.1 Γενικά ...................................................................................................... 61 4.2.2 Μορφολογία.............................................................................................. 62 4.2.3 Ανάπτυξη.................................................................................................. 63 4.2.4 Κλιματικές απαιτήσεις και εδαφικές συνθήκες .............................................. 64 4.2.5 Σπορά ...................................................................................................... 64 4.2.6 Περιγραφή καλλιέργειας βαμβακιού στο πειραματικό ................................... 65 4.3 Εδαφολογικά χαρακτηριστικά ........................................................................... 65 4.4 Βάθος ριζοστρώματος και ύψος φυτών.............................................................. 67 4.5 Δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) .................................................................... 70 4.5.1 Μέθοδοι προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας ............................. 70 4.5.2 Μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας ................................................... 71 4.6 Μετεωρολογικά δεδομένα ................................................................................. 75 4.6.1 Ωφέλιμη και απορροϊκή βροχή.................................................................... 78 4.7 Εξατμισοδιαπνοή και φυτικοί συντελεστές καλλιέργειας βαμβακιού ..................... 79 4.8 Αρδεύσεις και δίκτυο άρδευσης......................................................................... 80 4.8.1 Άρδευση πειραματικού............................................................................... 82 4.9 Όγκος νερού στράγγισης .................................................................................. 84 4.10 Προσδιορισμός υδραυλικών παραμέτρων εδάφους ........................................... 85 4.11 Μετρήσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας ............................................ 91 4.12 Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας .................................................................. 92 4.12.1 Μέθοδοι υπολογισμού της εδαφικής υγρασίας ........................................... 92 4.12.2 Μέθοδος FDR (αισθητήρες Diviner 2000 και EnviroScan) ............................ 92 4.12.3 Προτεινόμενη βαθμονόμηση οργάνων Diviner 2000 και EnviroScan ............ 97 4.12.4 Βιβλιογραφική ανασκόπηση βαθμονόμησης αισθητήρων υγρασίας Diviner 2000 και EnviroScan .......................................................................................... 99 4.12.5 Βαθμονόμηση Diviner 2000 και EnviroScan ............................................. 103 4.12.6 Διακύμανση υγρασίας ............................................................................ 120 4.13 Αποτελέσματα εκκόκκισης και απόδοσης........................................................ 126 Κεφάλαιο 5ο..................................................................................................... 128 Εφαρμογές και αποτελέσματα ......................................................................... 128 5.1 Γενικά ........................................................................................................... 128 5.2 Εκτίμηση φυτικών συντελεστών με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου ............. 129 5.3 Χαρακτηριστικά προσομοίωσης ....................................................................... 133 5.4 Ρύθμιση τιμών κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας ...................................... 135 5.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης εδαφικής υγρασίας ............................................ 139 5.6 Υδατικό ισοζύγιο εδάφους .............................................................................. 148 5.7 Ανάλυση ευαισθησίας φυτικών συντελεστών και στατιστική αξιολόγηση αποτελεσμάτων του μοντέλου S.W.BA.CRO.S. ...................................................... 151 Κεφάλαιο 6ο..................................................................................................... 162 Ανασκόπηση, συμπεράσματα .......................................................................... 162 6.1 Ανασκόπηση .................................................................................................. 162 6.2 Συμπεράσματα .............................................................................................. 163 6.3 Προτάσεις και επέκτασης έρευνας ................................................................... 165 Περίληψη / Abstract ....................................................................................... 166 Βιβλιογραφία ................................................................................................... 169 Παράρτημα Α Ημερολόγιο εργασιών ..................................................................... 188 Παράρτημα Β Μετεωρολογικά στοιχεία και εξατμισοδιαπνοή αναφοράς ................... 190

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

v


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

Παράρτημα Γ Τιμές υγρασίας................................................................................ 194 Παράρτημα Δ Στιγμιότυπα εργασιών και κατόψεις πειραματικού ............................. 202

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

vi


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

Κατάλογος Πινάκων σελ. Πίνακας 4.1 Μηχανική ανάλυση και φαινόμενο ειδικό βάρος pb εδάφους των τεσσάρων λυσίμετρων ......................................................................................................................... 66 Πίνακας 4.2 Μετρήσεις του βάθους ριζοστρώματος .............................................................. 68 Πίνακας 4.3 Συντελεστές εξισώσεων μεταβολής βάθους ριζοστρώματος ................................. 68 Πίνακας 4.4 Μετρήσεις ύψους φυτών .................................................................................. 70 Πίνακας 4.5 Μετρήσεις του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) των τεσσάρων λυσίμετρων ........ 72 Πίνακας 4.6 Συντελεστές εξισώσεων μεταβολής δείκτη φυλλικής επιφάνειας ........................... 73 Πίνακας 4.7.α Μηνιαίες τιμές μετεωρολογικών δεδομένων..................................................... 76 Πίνακας 4.7.β Μέγιστες και ελάχιστες ωριαίων μετεωρολογικών δεδομένων ............................ 76 Πίνακας 4.8 Συνολικά ύψη ωφέλιμης και απορροϊκής βροχής (σε mm).................................... 78 Πίνακας 4.9 Στάδια καλλιέργειας βαμβακιού ......................................................................... 80 Πίνακας 4.10 Τιμές φυτικών συντελεστών βαμβακιού ανά στάδιο καλλιέργειας ....................... 80 Πίνακας 4.11 Ημερομηνίες, διάρκειες και ύψη νερού άρδευσης .............................................. 83 Πίνακας 4.12 Μετρήσεις όγκου νερού στράγγισης ................................................................ 84 Πίνακας 4.13.α Τιμές πίεσης και εδαφικής υγρασίας για τον προσδιορισμό της Χ.Κ.Ε.Υ. των λυσίμετρων 1 και 2 .............................................................................................................. 85 Πίνακας 4.13.β Τιμές πίεσης και εδαφικής υγρασίας για τον προσδιορισμό της Χ.Κ.Ε.Υ. των λυσίμετρων 3 και 4 .............................................................................................................. 86 Πίνακας 4.14 Παράμετροι της εξίσωσης Van Genuchten και υγρασίες στην υδατοϊκανότητα και στο σημείο μόνιμης μάρανσης............................................................................................... 86 Πίνακας 4.15 Τιμές κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Ksat και μέσες τιμές αυτών.............. 91 Πίνακας 4.16 Ενδείξεις οργάνου ΕnviroScan για κάθε βάθος στον αέρα και στο νερό ............... 96 Πίνακας 4.17 Ενδείξεις οργάνου Diviner 2000 στον αέρα και στο νερό ................................... 96 Πίνακας 4.18 Σταθερές γενικής βαθμονόμησης a, b, c κατασκευάστριας εταιρείας για τους αισθητήρες EnviroScan και Diviner 2000 [Sentek 2007] ........................................................... 96 Πίνακας 4.19 Βιβλιογραφικές σταθερές βαθμονόμησης EnviroScan και Diviner 2000 ...............102 Πίνακας 4.20 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 1 μαζί με τις scaled frequencies (SF) ...............................................................104 Πίνακας 4.21 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του EnviroScan στο λυσίμετρο 2 μαζί με τις scaled frequencies (SF) ...............................................................104 Πίνακας 4.22 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 3 μαζί με τις scaled frequencies (SF) ...............................................................105 Πίνακας 4.23 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 4 μαζί με τις scaled frequencies (SF) ...............................................................105 Πίνακας 4.24 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2 ............................................................106 Πίνακας 4.25 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 2 (EnviroScan) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2 ............................................................107 Πίνακας 4.26 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 3 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2 ............................................................108 Πίνακας 4.27 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 4 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2 ............................................................109 Πίνακας 4.28 Μέση, ελάχιστη, μέγιστη και συνολική διαφορά μη βαθμονομημένων από τις βαθμονομημένες υγρασί��ς για κάθε εδαφική στρώση λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) ...................118 Πίνακας 4.29 Μέση, ελάχιστη, μέγιστη και συνολική διαφορά μη βαθμονομημένων από τις

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

vii


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

βαθμονομημένες υγρασίες για κάθε εδαφική στρώση λυσίμετρου 2 (EnviroScan) .....................118 Πίνακας 4.30.α Εκτίμηση εισροής νερού στο έδαφος από το συμβάν της βροχόπτωσης στις 5/6/2007 και 6/6/2007 με βαθμονομημένες και μη τιμές υγρασίας από το Diviner 2000 και το EnviroScan .........................................................................................................................119 Πίνακας 4.30.β Εκτίμηση εισροής νερού στο έδαφος από το συμβάν της άρδευσης στις 25/7/2007 με βαθμονομημένες και μη τιμές υγρασίας από το Diviner 2000 και το EnviroScan ....119 Πίνακας 4.31.α Αποτελέσματα εκκόκκισης ..........................................................................127 Πίνακας 4.31.β Αποτελέσματα εκκόκκισης ..........................................................................127 Πίνακας 4.32 Στρεμματική απόδοση καλλιέργειας βαμβακιού των λυσίμετρων .......................127 Πίνακας 5.1 Συνολική κατανάλωση νερού της καλλιέργειας βαμβακιού σε mm (από τις 16/5 25/9) με φυτικούς συντελεστές Παπαζαφειρίου [1999] και Allen et al. [1998] ..........................129 Πίνακας 5.2 Συνολικό ισοζύγιο νερού (σε mm) κατά τη διάρκεια του πειραματικού .................130 Πίνακας 5.3 Τιμές βιβλιογραφικών και ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών και διάρκειες σταδίων καλλιέργειας ............................................................................................132 Πίνακας 5.4 Ύψη πίεσης σημείων μόνιμης μάρανσης hPWP, αναεροβίωσης hα και κρίσιμου ορίου hc για τις τρεις στρώσεις του λυσίμετρου 1 ...............................................................................134 Πίνακας 5.5 Τιμές του αποτελεσματικού βαθμού κορεσμού Se και της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας Kr του λυσίμετρου 1 για διάφορες τιμές υγρασίας .............................................138 Πίνακας 5.6.α Στατιστικά κριτήρια εκτελέσεων του μοντέλου με βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές .......................................................................................................................145 Πίνακας 5.6.β Στατιστικά κριτήρια εκτέλεσης του μοντέλου με ισοζυγιακά υπολογισμένους φυτικούς συντελεστές .........................................................................................................145 Πίνακας 5.7 Τιμές συνιστωσών υδατικού ισοζύγιου, του αποθηκευμένου νερού στο λυσίμετρο για κάθε set φυτικών συντελεστών............................................................................................151 Πίνακας 5.8 Χρησιμοποιούμενες τιμές φυτικών συντελεστών για την ανάλυση ευαισθησίας .....152 Πίνακας 5.9.α Στατιστικά κριτήρια εκτέλεσης του μοντέλου με φυτικούς συντελεστές αυξημένους κατά 10 % και 20 % ...........................................................................................................152 Πίνακας 5.9.β Στατιστικά κριτήρια εκτέλεσης του μοντέλου με φυτικούς συντελεστές αυξημένους κατά 30 % και 50 % ...........................................................................................................152 Πίνακας 5.10 Υδατικό ισοζύγιο των εκτελέσεων για κάθε set φυτικών συντελεστών ...............160 Πίνακας 5.11 Συνολική ροή νερού από την κάτω οριακή συνθήκη (σε mm) για τις εκτελέσεις με όλα τα set’s φυτικών συντελεστών.......................................................................................161 Πίνακας Β.1 Ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα μήνα Μαΐου και ημερήσιες τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ETr .......................................................................190 Πίνακας Β.2 Ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα μήνα Ιουνίου και ημερήσιες τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ETr .......................................................................190 Πίνακας Β.3 Ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα μήνα Ιουλίου και ημερήσιες τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ETr .......................................................................191 Πίνακας Β.4 Ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα μήνα Αύγουστου και ημερήσιες τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ETr .......................................................................192 Πίνακας Β.5 Ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα μήνα Σεπτεμβρίου και ημερήσιες τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς ETr .......................................................................193 Πίνακας Γ.1 Βαθμονομημένες υγρασίες κατ’ όγκο % (ή ισοδύναμα ύψη νερού σε mm) για το λυσίμετρο 1 (Diviner 2000) ανά 10 cm βάθους ......................................................................194 Πίνακας Γ.2 Βαθμονομημένες υγρασίες κατ’ όγκο % (ή ισοδύναμα ύψη νερού σε mm) για το λυσίμετρο 2 (EnviroScan) ανά 10 cm βάθους ........................................................................196 Πίνακας Γ.3 Μέσες βαθμονομημένες υγρασίες κατ’ όγκο % για κάθε εδαφική στρώση του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) ................................................................................................199 Πίνακας Γ.4 Μέσες βαθμονομημένες υγρασίες κατ’ όγκο % για κάθε εδαφική στρώση του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) ..................................................................................................200 Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

viii


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

Κατάλογος Σχημάτων σελ. Σχήμα 2.1 Μεταβολή φυτικού συντελεστή kc ετήσιας καλλιέργειας (πηγή : Allen et al. [1998]).. 17 Σχήμα 2.2 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Feddes et al. 1978] ........................... 29 Σχήμα 2.3 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Prasad 1988] .................................... 30 Σχήμα 2.4 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Wyseure et al. 1994] ......................... 31 Σχήμα 2.5 Δίκτυο πεπερασμένων διαφορών ......................................................................... 37 Σχήμα 2.6 Δίκτυο υπολογισμών ........................................................................................... 37 Σχήμα 3.1 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα ζυγιστικών λυσίμετρων στη Νυρεμβέργη (πηγή : Lanthaler [2004]) ............................................................................................................................... 49 Σχήμα 3.2 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων ελεύθερης στράγγισης στην Dedelow της Γερμανίας (πηγή : Lanthaler [2004]) ..................................................................................... 51 Σχήμα 3.3 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων ελεύθερης στράγγισης στην Gumpenstein της Αυστρίας (πηγή : Lanthaler [2004]) ....................................................................................... 51 Σχήμα 3.4 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων αναρρόφησης στην Jülich της Γερμανίας (πηγή : Lanthaler [2004]) ..................................................................................................... 52 Σχήμα 3.5 Είδη λυσίμετρων ................................................................................................ 55 Εικόνα 4.1 Χάρτες Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων και πειραματικού λυσίμετρων .................. 60 Σχήμα 4.2 Κατάταξη των εδαφών στο τρίγωνο μηχανικής σύστασης σύμφωνα με το Soil Survey Manual της Soil Conservation Service του USDA [1993] .......................................................... 67 Σχήμα 4.3 Μεταβολή του βάθους ριζοστρώματος λυσίμετρων μαζί με τις μετρημένες τιμές ....... 69 Εικόνα 4.4 Συσκευή μέτρησης δείκτη φυλλικής επιφάνειας SunScan Canopy Analysis System ... 72 Σχήμα 4.5 Διακύμανση δεικτών φυλλικής επιφάνειας (LAI) λυσίμετρων μαζί με τις μετρημένες τιμές................................................................................................................................... 74 Εικόνα 4.6 Μετεωρολογικός σταθμός πειραματικού ............................................................... 75 Σχήμα 4.7 Διακύμανση μέσων ημερήσιων τιμών ημερήσιας θερμοκρασίας (οC), προσπίπτουσας ακτινοβολίας (kW/m2), ταχύτητας ανέμου (m/s) και σχετικής υγρασίας (%) .............................. 77 Σχήμα 4.8 Διακύμανση απορροϊκής και ωφέλιμης βροχόπτωσης ............................................. 78 Σχήμα 4.9 Διακύμανση τιμών εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς.................................. 79 Σχήμα 4.10 Ύψη νερού άρδευσης και ωφέλιμης βροχής κατά τη διάρκεια του πειραματικού ..... 84 Σχήμα 4.11 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 1 ................................ 87 Σχήμα 4.12 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 2 ................................ 88 Σχήμα 4.13 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 3 ................................ 89 Σχήμα 4.14 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 4 ................................ 90 Εικόνα 4.15 Όργανο Diviner 2000 (αισθητήρας και data logger) ............................................ 94 Εικόνα 4.16 Όργανο EnviroScan (αισθητήρες, ηλιακός συλλέκτης και data logger) .................. 95 Εικόνα 4.17 Τρεις υγρασιακές καταστάσεις εδαφών των εγκαταστημένων σωλήνων PVC για την προτεινόμενη βαθμονόμηση (πηγή : Sentek [2001]) ............................................................... 98 Εικόνα 4.18 Στιγμιότυπα της προτεινόμενης, από την εταιρεία κατασκευής, βαθμονόμησης των αισθητήρων υγρασίας (πηγή : Sentek [2001]) ........................................................................ 98 Σχήμα 4.19 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 1 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος ...............................................106 Σχήμα 4.20 Εξισώσεις βαθμονόμησης EnviroScan του λυσίμετρου 2 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος ...............................................107 Σχήμα 4.21 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 3 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος ...............................................108 Σχήμα 4.22 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 4 (των τριών εδαφικών

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

ix


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το λυσίμετρο .........................................109 Σχήμα 4.23 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας των οργάνων με τις βαρυμετρικά μετρημένες τιμές για τα τέσσερα λυσίμετρα ..........................................................................110 Σχήμα 4.24 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 10, 20, 30 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους........................................112 Σχήμα 4.25 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 40, 50, 60 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους........................................113 Σχήμα 4.26 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 70, 80 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους ..............................................114 Σχήμα 4.27 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 10, 20, 30 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους ..........................................115 Σχήμα 4.28 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 40+, 50, 60 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους ..........................................116 Σχήμα 4.29 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 70, 80 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους ................................................117 Σχήμα 4.30 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1............121 Σχήμα 4.31 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 ..........122 Σχήμα 4.32 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 ..........122 Σχήμα 4.33 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 2............123 Σχήμα 4.34 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (30-65) του λυσίμετρου 2 ..........123 Σχήμα 4.35 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (65-90) του λυσίμετρου 2 ..........124 Σχήμα 4.36 Διακύμανση ποσοτήτων νερού (σε ισοδύναμα ύψη νερού) στο βάθος του ριζοστρώματος και σε όλο το βάθος του λυσίμετρου (0-90 cm) για το λυσίμετρο 1 ..................125 Σχήμα 4.37 Διακύμανση ποσοτήτων νερού (σε ισοδύναμα ύψη νερού) στο βάθος του ριζοστρώματος και σε όλο το βάθος του λυσίμετρου (0-90 cm) για το λυσίμετρο 2 ..................125 Σχήμα 5.1 Εκτίμηση φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 1 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου .131 Σχήμα 5.2 Εκτίμηση φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 2 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου .131 Σχήμα 5.3 Εκτίμηση μέσου φυτικού συντελεστή για τα λυσίμετρα 1 και 2 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου .............................................................................................................132 Σχήμα 5.4 Σύγκριση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών με τον μέσο ισοζυγιακά εκτιμημένο των λυσίμετρων 1 και 2 ......................................................................................................133 Σχήμα 5.5 Διακύμανση σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας για τις διάφορες υγρασιακές καταστάσεις των τριών στρώσεων του λυσίμετρου 1 .............................................................137 Σχήμα 5.6 Προφίλ εδαφικής υγρασίας ημερών 137, 138, 142 και 144 μετά τη ρύθμιση της τιμής κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας..................................................................................139 Σχήμα 5.7 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999] .........................................................................................................................................141 Σχήμα 5.8 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999] .........................................................................................................................................141 Σχήμα 5.9 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999] .........................................................................................................................................142 Σχήμα 5.10 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998] ...142 Σχήμα 5.11 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998] ...143 Σχήμα 5.12 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998] ...143 Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

x


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

Σχήμα 5.13 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους .........................................................................................................................................144 Σχήμα 5.14 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους .........................................................................................................................................144 Σχήμα 5.15 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους .........................................................................................................................................145 Σχήμα 5.16 Μεταβολή του μέσου ανηγμένου τετραγωνικού σφάλματος RMSE (%) των τριών εδαφικών στρώσεων για τα τρία set’s φυτικών συντελεστών ..................................................146 Σχήμα 5.17 Μεταβολή του μέσου σφάλματος ME (cm3  cm-3) των τριών εδαφικών στρώσεων για τα τρία set’s φυτικών συντελεστών ......................................................................................146 Σχήμα 5.18 Μεταβολή του συντελεστή ελλείμματος μάζας CRM των τριών εδαφικών στρώσεων για τα τρία set’s φυτικών συντελεστών .................................................................................147 Σχήμα 5.19 Αθροιστικές τιμές δυναμικής και πραγματικής εξάτμισης και διαπνοής ...................149 Σχήμα 5.20 Αθροιστικές εισροές και εκροές νερού και το αποθηκευμένο νερό στο λυσίμετρο 1 149 Σχήμα 5.21 Διακύμανση αποθηκευμένου νερού στο ριζόστρωμα με μετρημένες τιμές υγρασίας και εκτελέσεων μοντέλου με τους φυτικούς συντελεστές Παπαζαφειρίου και ισοζυγιακά εκτιμημένων .........................................................................................................................................150 Σχήμα 5.22 Διακύμανση μέσου ανηγμένου τετραγωνικού σφάλματος RMSE (%) και μέσου σφάλματος ΜΕ (cm3  cm-3) για τις διάφορες τιμές των φυτικών συντελεστών των τριών στρώσεων του λυσίμετρου 1 ...............................................................................................................153 Σχήμα 5.23 Διακύμανση συντελεστή ελλείμματος μάζας CRM για τις διάφορες τιμές φυτικών συντελεστών των τριών στρώσεων του λυσίμετρου 1 ............................................................154 Σχήμα 5.24 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 10 % .....................................................................................................155 Σχήμα 5.25 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 10 % .....................................................................................................156 Σχήμα 5.26 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 10 % .....................................................................................................156 Σχήμα 5.27 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 30 % .....................................................................................................157 Σχήμα 5.28 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 30 % .....................................................................................................157 Σχήμα 5.29 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 30 % .....................................................................................................158 Σχήμα 5.30 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 50 % .....................................................................................................158 Σχήμα 5.31 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 50 % .....................................................................................................159 Σχήμα 5.32 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

xi


Περιεχόμενα, κατάλογος πινάκων και σχημάτων

λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με αύξηση των ισοζυγιακά υπολογισμένων φυτικών συντελεστών κατά 50 % .....................................................................................................159 Εικόνα Δ.1 Στιγμιότυπα εγκατάστασης σωλήνων PVC μέτρησης υγρασίας ..............................202 Εικόνα Δ.2 Στιγμιότυπα σποράς καλλιέργειας και έναρξης φυτρώματος ..................................203 Εικόνα Δ.3 Στιγμιότυπα πρώτης άρδευσης καλλιέργειας, μέτρησης ύψους φυτών και δείκτη φυλλικής επιφάνειας ...........................................................................................................204 Εικόνα Δ.4 Στιγμιότυπα αρχής ανθοφορίας, άνοιγμα καρυδιών, ψεκασμού εντομοκτόνου και συγκομιδής καλλιέργειας .....................................................................................................205 Εικόνα Δ.5 Στιγμιότυπα από την εξαγωγή και μέτρηση των ριζών ..........................................206 Εικόνα Δ.6 Στιγμιότυπα από τον προσδιορισμό των εδαφικών στρώσεων και του φαινόμενου ειδικού βάρους ...................................................................................................................207 Εικόνα Δ.7 Στιγμιότυπα από τον εργαστηριακό προσδιορισ��ό της χαρακτηριστικής καμπύλης υγρασίας του εδάφους ........................................................................................................208 Εικόνα Δ.8 Στιγμιότυπα από τη λήψη μετρήσεων με το EnviroScan και το Diviner 2000...........209 Σχήμα Δ.9 Κάτοψη πειραματικού λυσίμετρων ......................................................................210 Σχήμα Δ.10 Κάτοψη πειραματικού λυσίμετρων με θέσεις καλλιέργειας βαμβακιού και αποστάσεις φύτευσης ..........................................................................................................................211 Σχήμα Δ.11 Κάτοψη πειραματικού λυσίμετρων με θέσεις αγωγών αρδευτικού (κεντρικός, δευτερεύοντες και εφαρμογής) ............................................................................................212 Σχήμα Δ.12 Κάτοψη πειραματικού λυσίμετρων με θέσεις και αποστάσεις καλλιέργειας βαμβακιού και αγωγών αρδευτικού .......................................................................................................213

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

xii


Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή

Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή 1.1 Γενικά Το φαινόμενο της αλόγιστης και χωρίς προγραμματισμό εκμετάλλευσης των υδατικών πόρων του πλανήτη ανησυχεί έντονα την επιστημονική κοινότητα. Η συνεχής αύξηση του βιοτικού επιπέδου των αναπτυγμένων χωρών σε συνδυασμό με την πληθυσμιακή αύξηση που παρουσιάζουν οι αναπτυσσόμενες χώρες, οδηγεί στην εντατικοποίηση των διαδικασιών παραγωγής προϊόντων, γεννώντας έντονο ανταγωνισμό μεταξύ των διαφόρων χρήσεων του νερού (γεωργική, βιομηχανική, οικιακή κ.λπ.). Ο έντονος αυτός ανταγωνισμός διογκώνει το πρόβλημα της έλλειψης πρόσβασης ενός μεγάλου μέρους του πληθυσμού του πλανήτη μας σε πόσιμο νερό. Η χρήση του νερού με σκοπό την άρδευση είναι με διαφορά ο μεγαλύτερος σε όγκο καταναλωτής νερού παγκοσμίως. Οι αρδευόμενες εκτάσεις του πλανήτη αν και καταλαμβάνουν περίπου το 17 % των καλλιεργούμενων εκτάσεων, καταναλώνουν το 70 % περίπου των παγκόσμιων αποθεμάτων νερού. Το ποσοστό αυτό πέφτει στο 40 % περίπου στις χώρες που εισάγουν τρόφιμα και έχουν καλά ανεπτυγμένες οικονομίες, ενώ ξεπερνά το 95 % σε χώρες με κύρια οικονομική δραστηριότητα τη γεωργία [FAO 2007]. Γίνεται εύκολα αντιληπτό, πως μία από τις μεγαλύτερες προσκλήσεις των επερχόμενων δεκαετιών θα είναι η προσπάθεια αύξησης της γεωργικής παραγωγής με τη χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση νερού, ειδικότερα σε χώρες με περιορισμένους υδατικούς πόρους. Τα προβλήματα που αντιμετωπίζουν όλο και περισσότερες χώρες σε σχέση με το νερό μπορούν εν μέρει να αποδοθούν στην έλλειψη πολιτικών διαχείρισης των υδατικών πόρων. Στα πλαίσια αυτά της διαχείρισης ιδιαίτερα τις τελευταίες δεκαετίες έχει καθιερωθεί η πρακτική εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων. Τα μαθηματικά μοντέλα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στο σχεδιασμό και στην διαχείριση της εκμετάλλευσης των υδατικών πόρων καθώς στην πρόβλεψη και στην αποτίμηση των επιπτώσεων της ανθρωπογενούς δραστηριότητας σε αυτούς. Στο πλαίσιο της προσέγγισης των συστημάτων, το μοντέλο θεωρείται ως μια μορφή αναπαράστασης ενός συστήματος, του οποίου η δυναμική συμπεριφορά (π.χ. χωροχρονικές αλλαγές ή ανταπόκριση σε επιδράσεις από το περιβάλλον) περιγράφεται από ένα σύστημα μαθηματικών σχέσεων. Οι αλληλεπιδράσεις συστήματος - περιβάλλοντος εκφρά-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

1


Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή

ζονται από τα δεδομένα εισόδου και εξόδου του μοντέλου [Diels 1994]. Τα δεδομένα εισόδου είναι μεταβλητές με τις οποίες το περιβάλλον επηρεάζει το σύστημα. Το μοντέλο μετατρέπει τα δεδομένα εισόδου σε αποτελέσματα (δεδομένα εξόδου) με τη χρήση ενός συνόλου συναρτησιακών σχέσεων (δομή του μοντέλου) στις οποίες υπάρχουν μεταβλητές και παράμετροι. Οι μεταβλητές είναι ένα σύνολο εσωτερικών μεταβλητών που περιγράφουν την πραγματική κατάσταση του συστήματος. Οι παράμετροι του μοντέλου είναι σταθερές που υπάρχουν στις μαθηματικές συναρτήσεις και χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά του συστήματος και λέγονται έτσι διότι η τιμή τους δεν επηρεάζεται ούτε από το περιβάλλον, ούτε από την εσωτερική δυναμική του συστήματος.

1.2 Σκοπός της διατριβής Η πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στο έδαφος με χρήση λυσίμετρων ήταν ο πρωτεύων στόχος της παρούσας διατριβής. Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν αφορούν τις υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους, την καθημερινή και ωριαία μέτρηση της υγρασίας του εδάφους σε όλη την καλλιεργητική περίοδο καλλιέργειας βαμβακιού, τα βασικά αγρονομικά στοιχεία της καλλιέργειας αυτής καθώς και μετεωρολογικά στοιχεία της περιοχής μελέτης. Τα δεδομένα αυτά αποτέλεσαν τα στοιχεία εισόδου για την εφαρμογή του μαθηματικού μοντέλου S.W.BA.CRO.S. [Babajimopoulos et al. 1995] και τη διαχρονική μελέτη του υδατικού ισοζύγιου στο έδαφος των λυσίμετρων. Τα δεδομένα συγκεντρώθηκαν στο Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων του Εθνικού Ιδρύματος Αγροτικής Έρευνας στην περιοχή της Σίνδου Θεσσαλονίκης, σε ένα πειραματικό αγρό με τέσσερα λυσίμετρα ελεύθερης στράγγισης. Στο αγροτεμάχιο αυτό εγκαταστάθηκε μετεωρολογικός σταθμός για τη συλλογή των μετεωρολογικών δεδομένων, για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς και των εισροών μέσω της βροχόπτωσης. Η υπό μελέτη καλλιέργεια ήταν το βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.) μια καλλιέργεια ιδιαίτερα σημαντική για την ελληνική γεωργία, ενώ για την κάλυψη των αναγκών σε νερό της καλλιέργειας εγκαταστάθηκε σύστημα στάγδην άρδευσης. Η εδαφική υγρασία μετριόταν με δύο αισθητήρες τύπου FDR (frequency-domain reflectometry) σε ωριαία και ημερήσια βάση. Στη συνέχεια, οι μετρήσεις εδαφικής υγρασίας βαθμονομήθηκαν με τη βοήθεια της βαρυμετρικής μεθόδου. Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης αυτής σε δύο λυσίμετρα από τα τέσσερα ήταν πολύ καλά και έδιναν πολύ καλή απόκριση στις μεταβολές υγρασίες (από βροχοπτώσεις και αρδεύσεις). Η βαθμονόμηση των αισθητήρων υγρασίας - αν και επίπονη - κρίνεται αναγκαία βάση της διεθνούς βιβλιογραφίας, ιδιαίτερα για τη χρήση των δεδομένων υγρασίας σε εφαρμογές γεωργίας ακριβείας και πειραματικούς αγρούς. Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

2


Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή

Μέσω των βαθμονομημένων τιμών υγρασίας έγινε υπολογισμός ενός τιμών φυτικών συντελεστών ανά στάδιο για την καλλιέργεια του βαμβακιού με τη μέθοδο υδατικού ισοζύγιου οι οποίοι, ικανοποιούσαν τις αυξημένες απαιτήσεις της καλλιέργειας σε νερό. Ο έλεγχος, η επαλήθευση και η βελτίωση των τιμών του φυτικού αυτού συντελεστή έγινε και με την εφαρμογή του στο χρησιμοποιούμενο μαθηματικό μοντέλο. Η εφαρμογή αυτή βελτίωσε κατά πολύ τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της κίνησης του νερού εντός των λυσίμετρων. Η εύρεση του φυτικού συντελεστή ανά στάδιο της καλλιέργειας του βαμβακιού σε τοπικό επίπεδο ήταν και ο δευτερεύων σκοπός της παρούσας διατριβής. Ο προσδιορισμός των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους (χαρακτηριστική καμπύλη, υδραυλική αγωγιμότητα και φαινόμενη πυκνότητα) είναι μεγάλης σημασίας για τις ανάγκες της προσομοίωσης. Η χαρακτηριστική καμπύλη θ(h) καθώς και η υδραυλική αγωγιμότητα K(h) αποτελούν παραμέτρους της εξίσωσης Richards, η οποία χρησιμοποιείται για τη περιγραφή της κίνησης του νερού στο έδαφος. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων των υδραυλικών ιδιοτήτων μπορεί να γίνει σε επίπεδο εργαστηρίου μετά από συλλογή αδιατάρακτων δειγμάτων εδάφους. Ο προσδιορισμός των εδαφολογικών και υδραυλικών ιδιοτήτων έγινε στα εργαστήρια του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων με τη χρήση δίσκων πίεσης για τον υπολογισμό της χαρακτηριστικής καμπύλης υγρασίας και περατόμετρου μεταβαλλόμενου φορτίου για τον προσδιορισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. Παρόλο τον λεπτομερή εργαστηριακό προσδιορισμό της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας οι τιμές της - λόγω της παραλλακτικότητας των τιμών που παρουσιάζουν οι ήδη υπάρχουσες μέθοδοι - κρίνονται επισφαλείς. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε η ρύθμιση των τιμών της για τις ημέρες από την σπορά μέχρι το φύτρωμα της καλλιέργειας με τη βοήθεια των μετρημένων τιμών υγρασίας. Στις ημέρες αυτές ο κύριος καταναλωτής νερού είναι η εξάτμιση από το έδαφος. Για την αύξηση της ακρίβειας υιοθετήθηκε στο μοντέλο μια νέα σχέση υπολογισμού της εξάτμισης από το γυμνό έδαφος. Το μοντέλο που επιλέχθηκε να εφαρμοσθεί είναι το S.W.BA.CRO.S. [Babajimopoulos et al. 1995] το οποίο έχει επανειλημμένως χρησιμοποιηθεί σε αγρούς με βαμβάκι [Καλφούντζος 1994, Μπίλας 1995, Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. 1995, Babajimopoulos et al. 1995, 1996, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2006], καλαμπόκι [Babajimopoulos et al. 2007, Γεωργούσης 2007] και ζαχαρότευτλα [Καλφούντζος 1994, Γούκος 1999, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2000, Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. 2000] για την προσομοίωση της κίνησης του νερού στο έδαφος.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

3


Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή

1.3 Δομή της διατριβής Η παρούσα διατριβή αποτελείται από έξι κεφάλαια και τέσσερα παραρτήματα. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνεται ο σκοπός και η δομή της διατριβής. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται το θεωρητικό υπόβαθρο της κίνησης του νερού στο έδαφος, οι υδραυλικές ιδιότητές του καθώς και οι βασικές αρχές των αναγκών σε νερό των καλλιεργειών. Για το λόγο αυτό δίνονται οι βασικές σχέσεις υπολογισμού της εξάτμισης ��αι της διαπνοής καθώς και η θεωρία που διέπει τους φυτικούς συντελεστές των καλλιεργειών. Ακόμη δίνονται η βασική εξίσωση που περιγράφει την κατακόρυφη κίνηση του νερού στο έδαφος, οι συναρτησιακές σχέσεις της χαρακτηριστικής καμπύλης και της υδραυλικής αγωγιμότητας καθώς και οι σχέσεις πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστημα των φυτών. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό γίνεται η περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου S.W.BA.CRO.S. με τις εξισώσεις αριθμητικής επίλυσης της μονοδιάστατης εξίσωσης της κίνησης του νερού και με τις διάφορες οριακές συνθήκες. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση στα λυσίμετρα και τα είδη τους. Ακόμη γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση για την εξέλιξη της λυσιμετρίας καθώς και για την επίδραση του περιβάλλοντα χώρου των λυσίμετρων και τα σφάλματα που προκαλούν οι διαφοροποιήσεις του μεγέθους του. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του πειραματικού των λυσίμετρων και των μεταβλητών του συστήματος νερό - φυτό - ατμόσφαιρα. Στα πλαίσια της περιγραφής των μεταβλητών αυτών γίνεται εκτενής αναφορά στα εδαφολογικά χαρακτηριστικά των λυσίμετρων στη μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας και του βάθους του ριζοστρώματος της καλλιέργειας, στις αρδεύσεις που έλαβαν χώρα, της στράγγισης και των μετεωρολογικών δεδομένων για τον προσδιορισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς καθώς και στα αποτελέσματα της εκκόκκισης του βαμβακιού. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται οι μετρήσεις των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους (χαρακτηριστική καμπύλη, κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα). Τέλος γίνεται εκτενής αναφορά στη βαθμονόμηση των αισθητήρων μέτρησης υγρασίας και στα αποτελέσματα αυτής. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται η εφαρμογή του μοντέλου και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής αυτής. Αρχικά γίνεται εκτίμηση των φυτικών συντελεστών της καλλιέργειας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου με βάση τις μετρημένες τιμές υγρασίας μετά τη βαρυμετρική βαθμονόμησή τους. Οι φυτικοί συντελεστές που προέκυψαν εφαρμόσθηκαν στο μοντέλο και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν αυτά που προέκυψαν με τη χρήση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό έγινε η ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου στις μεταβολές των τιμών του φυτικού συντελεστή. Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

4


Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή

Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται μια ανασκόπηση της διατριβής και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις και γίνονται προτάσεις επέκτασης της έρευνας. Το Παράρτημα Α περιέχει το ημερολόγιο εργασιών που έλαβαν χώρα στο πειραματικό. Στο Παράρτημα Β παρουσιάζονται τα ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα καθώς οι τιμές της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, ενώ στο Παράρτημα Γ παρουσιάζονται οι βαθμονομημένες τιμές της υγρασίας σε ημερήσια βάση. Τέλος στο Παράρτημα Δ παρουσιάζονται φωτογραφικά στιγμιότυπα από τις εργασίες του πειραματικού καθώς και κατόψεις του.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

5


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών 2.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται οι βασικές αρχές της κίνησης του νερού στο έδαφος καθώς και οι ανάγκες σε νερό άρδευσης των καλλιεργειών. Ακόμη γίνεται αναφορά στις υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους, τη χαρακτηριστική καμπύλη, τη συνάρτηση της υδραυλικής αγωγιμότητας οι οποίες είναι απαραίτητες στην επίλυση της εξίσωσης κίνησης του νερού. Η διαδικασία που περιγράφεται είναι η κατακόρυφη κίνηση του νερού στο έδαφος, ο προσδιορισμός της οποίας γίνεται με μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται στην επίλυση της εξίσωσης κίνησης του νερού σε ακόρεστες συνθήκες με αριθμητικές μεθόδους. Για τις ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών γίνεται αναφορά στην εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς και στις σχέσεις που την περιγράφουν, στην εξάτμιση και στη διαπνοή καθώς και στη θεωρία των φυτικών συντελεστών. Κατά τη μελέτη της κίνησης του νερού στο έδαφος εφαρμόζονται οι αρχές της μηχανικής οι οποίες αναφέρονται στην ενεργειακή κατάσταση του νερού του εδάφους [Παπαζαφειρίου 1984, Αντωνόπουλος 1999, Τσακίρης και Μπαμπατζιμόπουλος 2006].

2.2 Δυναμικό του εδαφικού νερού Το εδαφικό νερό συγκρατείται στο έδαφος από δυνάμεις διαφορετικής προέλευσης η συμμετοχή των οποίων στη συγκράτηση του νερού εξαρτάται τόσο από την ποσότητα του νερού, όσο και από τις ιδιότητες της στερεής φάσης του εδάφους. Το αποτέλεσμα της δράσης αυτών των δυνάμεων μαζί και αυτής του πεδίου βαρύτητας, είναι η ενέργεια η οποία έχει το εδαφικό νερό ή όπως αλλιώς ονομάζεται το δυναμικό του εδαφικού νερού. Το νερό του εδάφους βρίσκεται σε διαρκή κίνηση. Λόγω του ότι κατά την κίνηση αυτή του νερού η ταχύτητα είναι συνήθως πολύ μικρή υποθέτουμε ότι η κινητική ενέργεια του εδαφικού νερού είναι αμελητέα. Επομένως, η κίνηση του νερού στο έδαφος προκαλείται από τις διαφορές της δυναμικής ενέργειάς του από το ένα σημείο στο άλλο με τάση κίνησης προς τη διεύθυνση ελαττούμενης δυναμικής ενέργειας. Το δυναμικό του εδαφικού νερού ορίζεται ως το έργο το οποίο απαιτείται για την μετακίνηση ενός διακεΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

6


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

κριμένου όγκου νερού από μία κατάσταση αναφοράς στη θέση που εξετάζεται αντιστρεπτά και ισόθερμα [Αντωνόπουλος 1999, Τσακίρης και Μπαμπατζιμόπουλος 2006]. Στην ολική ενέργεια του εδαφικού νερού συνεισφέρουν ορισμένες δυνάμεις και δυναμικά πεδία. Συγκεκριμένα, τα δυναμικά πεδία και οι δυνάμεις αυτές οφείλονται στο βάρος του νερού, στην αλληλεπίδραση μεταξύ νερού και στερεής φάσης του εδάφους, στην παρουσία διαλυμένων στο εδαφικό νερό συστατικών και στην υψομετρική διαφορά από ένα αυθαίρετο επίπεδο αναφοράς. Κάτω από την επίδραση των δυνάμεων αυτών το νερό μπορεί να κινηθεί προς διάφορες κατευθύνσεις. Ακόμη, το νερό κινείται ως αποτέλεσμα θερμοκρασιακών διαφορών καθώς και της δράσης των ριζών των φυτών. Κάτω από τη συνδυασμένη επίδραση όλων των παραπάνω παραγόντων, το εδαφικό νερό βρίσκεται σε συνεχή κίνηση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της οποίας διαμορφώνονται κατά περίπτωση από την μορφή και την διάταξη των εδαφικών πόρων. Με τον όρο δυναμικό, στη μελέτη της ροής του εδαφικού νερού, εκφράζεται η ενέργειά του ανά μονάδα βάρους, ανά μονάδα όγκου ή ανά μονάδα μάζας. Τα διάφορα πεδία που επιδρούν πάνω στο εδαφικό νερό δημιουργούν το δυναμικό βαρύτητας Ψg, το δυναμικό υδροστατικής πίεσης Ψp και το οσμωτικό δυναμικό Ψο. Το ολικό δυναμικό του εδαφικού νερού Ψ εκφράζεται ως το άθροισμα των επιμέρους δυναμικών από τη σχέση [Αντωνόπουλος 1999] :

Ψ  Ψg  Ψp  Ψο

[2.1]

2.2.1 Δυναμικό βαρύτητας Το δυναμικό βαρύτητας είναι η ενέργεια ανά μονάδα βάρους που έχει το νερό λόγω θέσης και οφείλεται στη βαρύτητα. Η δυναμική ενέργεια του νερού σε ύψος z πάνω από το επίπεδο αναφοράς, ορίζεται από τη σχέση [Αντωνόπουλος 1999] : Ε g  mgz

[2.2]

Έτσι το δυναμικό βαρύτητας είναι ίσο με : Ψg  Εg / mg  mgz / mg  z

[2.3]

όπου : z η απόσταση του στοιχειώδους όγκου νερού πάνω από το επίπεδο αναφοράς (το οποίο θεωρείται τις περισσότερες φορές η επιφάνεια του εδάφους), g η επιτάχυνση της βαρύτητας, m η μάζα του νερού

2.2.2 Δυναμικό υδροστατικής πίεσης Η πίεση που ασκούν τα υγρά εκφράζεται από τη σχέση [Αντωνόπουλος 1999] :

P  ρgh

[2.4]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

7


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

όπου : ρ η πυκνότητα του υγρού, h το ύψος της στήλης του υγρού, g η επιτάχυνση της βαρύτητας Η ανά μονάδα βάρους δυναμική ενέργεια που οφείλεται στις πιέσεις Ρ εκφράζεται από τη σχέση : Ψp  PΔV / ρgΔV  Ρ / γ  h

[2.5]

όπου : V ο στοιχειώδης όγκος νερού, γ (= ρg) το ειδικό βάρος του νερού Η ποσότητα αυτή έχει διαστάσεις μήκους, αναφέρεται ως ύψος πίεσης και αποτελεί τη βασικότερη εξαρτημένη μεταβλητή που χαρακτηρίζει την υγρασιακή κατάσταση ενός ακόρεστου εδάφους. Το ύψος πίεσης συναντάται ως αρνητική πίεση ή τάση ή μύζηση του εδαφικού νερού. Το άθροισμα του δυναμικού της βαρύτητας και της υδροστατικής πίεσης λέγεται υδραυλικό δυναμικό Η [Αντωνόπουλος 1999] όπου :

Η  Ψg  Ψp  z  P / γ   z  h

[2.6]

2.2.3 Ωσμωτικό δυναμικό Η μείωση της δυναμικής ενέργειας του εδαφικού νερού που οφείλεται στις διαλυμένες ουσίες σε σχέση με το καθαρό νερό λέγεται ωσμωτικό δυναμικό. Αυτή η επίδραση δεν επηρεάζει σημαντικά την κίνηση του νερού, είναι σημαντική όμως στην πρόσληψη του νερού από τα φυτά. Στα αραιά διαλύματα, το οσμωτικό δυναμικό είναι ανάλογο προς τη συγκέντρωση του διαλύματος και τη θερμοκρασία, σύμφωνα με τη σχέση [Αντωνόπουλος 1999] :

Ψο  Mc  R  T

[2.7]

όπου : Μc η ολική μοριακή συγκέντρωση των διαλυμένων ουσιών, R η παγκόσμια σταθερά των αερίων (J/Kg/oK), T η απόλυτη θερμοκρασία (οΚ) Η επίδραση του ωσμωτικού δυναμικού είναι έντονη στα αλατούχα εδάφη, όπου η περίσσεια του νατρίου στο εδαφικό διάλυμα δημιουργεί προβλήματα σ��ην απορρόφηση του νερού από τα φυτά. Τα προβλήματα προέρχονται από το γεγονός ότι η ωσμωτική πίεση του εδαφικού διαλύματος είναι υψηλότερη από την πίεση των φυτικών κυττάρων [Παναγιωτόπουλος 1985].

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

8


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.3 Ανάγκες καλλιεργειών σε νερό άρδευσης Ο εφοδιασμός των καλλιεργειών με το απαραίτητο νερό για την κανονική ανάπτυξη και βέλτιστη απόδοσή τους είναι ο αντικειμενικός σκοπός της άρδευσης. Η σωστή εφαρμογή και ο προγραμματισμός των αρδεύσεων απαιτούν τη ποσοτική εκτίμηση του νερού αυτού. Ένας καλλιεργούμενος αγρός χάνει νερό με τη διαδικασία της διαπνοής από τα φυτά και της εξάτμισης από την επιφάνεια του εδάφους. Αθροιστικά το νερό που χάνεται από έναν καλλιεργούμενο αγρό με διαπνοή από τα φυτά, εξάτμιση από το έδαφος και το φύλλωμα, όταν αυτό είναι υγρό, αναφέρεται ως εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας και του εδάφους, τη διαθέσιμη ενέργεια και τις συνθήκες που επικρατούν στην ατμόσφαιρα [Παπαζαφειρίου 1999]. 2.3.1 Εξάτμιση

Η εξάτμιση (evaporation E) είναι η διαδικασία κατά την οποία νερό υγρής φάσης μετατρέπεται σε νερό αέριας φάσης (ατμοποίηση) και απομακρύνεται από την εξατμίζουσα επιφάνεια. Το νερό εξατμίζεται από μια ποικιλία επιφανειών (θάλασσες, λίμνες, ποτάμια, δρόμους, εδάφη και υγρή βλάστηση). Η αλλαγή της κατάστασης των μορίων του νερού από υγρή σε αέρια φάση απαιτεί ενέργεια. Η απευθείας ηλιακή ακτινοβολία και, σε μικρότερο βαθμό, η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα παρέχουν την ενέργεια αυτή. Ο καθοριστικός παράγοντας για την αφαίρεση υδρατμών από την εξατμίζουσα επιφάνεια είναι η διαφορά μεταξύ της πίεσης υδρατμών στην εξατμίζουσα επιφάνεια και αυτής στην περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Καθώς η εξάτμιση προχωρά, ο περιβάλλων αέρας γίνεται σταδιακά κορεσμένος και αν ο υγρός αέρας δεν μεταφερθεί στην ατμόσφαιρα η διαδικασία επιβραδύνεται ή σταματά. Η αντικατάσταση του κορεσμένου αέρα με ξηρότερο αέρα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα του ανέμου. Επομένως η ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία του αέρα, η υγρασία του αέρα και η ταχύτητα του ανέμου είναι κλιματολογικές παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη στον υπολογισμό της εξάτμισης. Όταν η εξατμίζουσα επιφάνεια είναι η εδαφική, ο βαθμός σκίασης του φυλλώματος της καλλιέργειας και το ποσό του διαθέσιμου νερού στην εξατμίζουσα επιφάνεια είναι επιπλέον παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία της εξάτμισης. Οι συχνές βροχές, η άρδευση και το νερό που μεταφέρεται ανοδικά σε ένα έδαφος από έναν ρηχό υδροφόρο ορίζονται διαβρέχουν την εδαφική επιφάνεια. Όταν το έδαφος είναι ικανό να παρέχει νερό αρκετά γρήγορα ώστε να ικανοποιεί τις ανάγκες της εξάτμισης, η εξάτμιση από το έδαφος καθορίζεται μόνο από τις μετεωρολογικές συνθήκες. Αντίθετα, όταν το διάστημα μεταξύ των βροχών και άρδευσης μεγαλώνει και η ικανότητα Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

9


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

του εδάφους να τροφοδοτεί με υγρασία την επιφάνεια μικραίνει, η περιεχόμενη υγρασία του ανώτερου στρώματος του εδάφους ελαττώνεται και η εδαφική επιφάνεια ξηραίνεται. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, η περιορισμένη διαθεσιμότητα του νερού ασκεί καθοριστική επίδραση στην εδαφική εξάτμιση η οποία, ελαττώνεται γρήγορα και μπορεί σχεδόν να σταματήσει σε λίγες μέρες [Allen et al. 1998]. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν παρουσιασθεί πλήθος σχέσεων υπολογισμού της δυναμικής εξάτμισης. Οι σχέσεις που ακολουθούν είναι κάποιες από αυτές και είναι αυτές που χρησιμοποιούνται από το μοντέλο S.W.BA.CRO.S. για τον υπολογισμό της εξάτμισης. Η δυναμική εξάτμιση μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση των Ritchie [1972] και Al-Khafaf et al. [1978] : EP  ETP  e 0.623LAI

[2.8]

όπου : ETp η δυναμική εξατμισοδιαπνοή, LAI ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας Αν η άρδευση / βροχόπτωση είναι μικρότερη από 1 cm/day, η πραγματική εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους Eα μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση [Black et al. 1969, Babajimopoulos et al. 1995, Babajimopoulos et al. 2007] : E α  Ep t b  Ep  t  1

b

[2.9]

όπου : EP η δυναμική εξάτμιση εξαρτώμενη από την επιφάνεια του εδάφους (σε mm/day) όπως υπολογίζεται από τους Al-Khafaf et al. [1978], t ο χρόνος σε ημέρες, b εκθέτης (το b παίρνεται ίσο με 0.6 μετά από πειράματα των Al-Khafaf et al. [1978]) Το μοντέλο S.W.BA.CRO.S. στην τελευταία του έκδοση, που εφαρμόζεται στην παρούσα διατριβή, διαχωρίζει τον τρόπο υπολογισμού της εξάτμισης σε σχέση με την έναρξη φυτρώματος της καλλιέργειας. Για τον υπολογισμό της εξάτμισης από το φύτρωμα της καλλιέργειας μέχρι τη συγκομιδή κάνει χρήση των εξισώσεων [2.8] και [2.9]. Ο υπολογισμός της δυναμικής εξάτμισης από την σπορά μέχρι το φύτρωμα γίνεται με τη βοήθεια της σχέσης των Penman-Monteith [Monteith 1965, Allen et al. 1994] η οποία χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, όπου γίνεται η παραδοχή ότι η επιφανειακή αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας και υδρατμών είναι μηδενική [Van Dam et al. 1997, Brisson et al. 1998, Wallace et al. 1999, Aydin et al. 2005]. Με τη σχέση αυτή υπολογίζεται η δυναμική εξάτμιση από γυμνό έδαφος και είναι : Δ(R n  Gs )  86.4  ρ  c p EP 

λ  Δ+γ 

 es  ea  δ ra

[2.10]

όπου :

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

10


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

 4650.79   Δ  es   0.002545   T  248.57 2   

[2.11]

4 4  Τmax,κ   Τmin,κ   Rs R n  R ns  R nl  0.77  R s  σ   0.35   0.34  0.14 e a 1.35 2 R so    

[2.12]

4 4  Τmax,κ   Τmin,κ   Rs R nl  σ   0.35   0.34  0.14 e a 1.35 2 R so    

[2.13]

ρ

P

[2.14]

0.28987  T  273 

622  γ  λ P 110.89 rα  u0.75

[2.15]

cP 

[2.16]

 17.27  T  e s  0.611  exp    T  237.3 

[2.17]

ea  (es  RHmean ) /100

[2.18]

γ  0.665  10 3  P

[2.19]

 293-0.0065  z  P=101.3   293  

5.26

[2.20]

όπου : EP δυναμική εξάτμιση (mm/day), T μέση ημερήσια θερμοκρασία (οC), ea πραγματική πίεση υδρατμών της ατμόσφαιρας που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του σημείου δρόσου, es πίεση κορεσμένων υδρατμών στη μέση θερμοκρασία (kPa), (esea) έλλειμμα πίεσης κορεσμένων υδρατμών, Δ κλίση της καμπύλης στη σχέση πί-

εσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kPa/oC), P ατμοσφαιρική πίεση (kPa), z υψόμετρο (m), γ ψυχρομετρική σταθερά (kPa/oC), Rn καθαρή ακτινοβολία (MJ/m2  day), R καθαρή μικρού μήκους ακτινοβολία (MJ/m2  day), R καθαρή ns

nl

μεγάλου μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία (MJ/m  day), Rs προσπίπτουσα ακτινοβολία (MJ/m2  day), σ σταθερά των Stefan-Boltzman (4.903  10-9 MJ/K4  m2  2

day), Gs κατακόρυφη μεταφορά θερμότητας προς το έδαφος (MJ/m2  day) (για ημερήσιες τιμές εξάτμισης παίρνεται ίσο με 0 [Παπαμιχαήλ και Γεωργίου 1999]), u0.75 μέση ταχύτητα ανέμου σε ύψος 0.75 m, cP ειδική θερμότητα του αέρα υπό

σταθερή πίεση (KJ/Kg  oC), λ λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης (MJ/kg), rα αεροδυναμική αντίσταση (s/m), Τmax,κ και Τmin,κ μέγιστη και ελάχιστη αντίστοιχα ημερήσια θερμοκρασία (οΚ)

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

11


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.3.2 Διαπνοή

Η διαπνοή (transpiration T) συνίσταται στη μετατροπή του νερού υγρής φάσης που περιέχεται στους ιστούς του φυτού σε αέρια και στην απομάκρυνση του ατμού στην ατμόσφαιρα. Οι καλλιέργειες χάνουν κυρίως το νερό τους μέσω των στομάτων. Αυτά είναι μικρά ανοίγματα στα φύλλα των φυτών μέσω των οποίων περνούν τα αέρια και οι υδρατμοί. Το νερό, μαζί με θρεπτικές ουσίες, απορροφάται από τις ρίζες και μεταφέρεται μέσω του φυτού. Η ατμοποίηση συμβαίνει εντός του φύλλου, δηλαδή στα μεσοκυττάρια διαστήματα και η ανταλλαγή ατμού με την ατμόσφαιρα ελέγχεται από το στοματικό διάφραγμα. Σχεδόν όλο το νερό απορροφάται χάνεται από την διαπνοή και μόνο ένα ελάχιστο κλάσμα χρησιμοποιείται μέσα στο φυτό. Η διαπνοή, όπως και η απευθείας εξάτμιση, εξαρτάται από την παροχή ενέργειας, την κλίση πίεσης υδρατμών και τον άνεμο. Επομένως, οι κλιματικοί παράγοντες ακτινοβολία, θερμοκρασία του αέρα, υγρασία του αέρα και άνεμος πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Η περιεκτικότητα σε νερό του εδάφους και η ικανότητα του εδάφους να μεταφέρει νερό ως τις ρίζες καθορίζουν επίσης τη διαπνοή, όπως και την αλατότητα του εδαφικού νερού. Η διαπνοή επηρεάζεται επίσης από τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας, τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τις πρακτικές καλλιέργειας. Διαφορετικά είδη φυτών μπορεί να έχουν διαφορετική διαπνοή. Όχι μόνο ο τύπος της καλλιέργειας, αλλά και η ανάπτυξη της καλλιέργειας, το περιβάλλον και η διαχείριση πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον υπολογισμό της διαπνοής [Allen et al. 1998]. Η μέτρηση της διαπνοής στον αγρό είναι πολύπλοκη [Klocke et al. 1985]. Για το λόγο αυτό, η διαπνοή μπορεί να προσδιορισθεί με την αφαίρεση της εξάτμισης από τις μετρημένες τιμές της εξατμισοδιαπνοής [Lascano et al. 1987] και με τη βοήθεια προσομοίωσης του ημερήσιου υδατικού ισοζύγιου χρησιμοποιώντας εμπειρικές σχέσεις για το διαχωρισμό της υπολογισμένης διαπνοής από την υπολογισμένη ή μετρημένη εξατμισοδιαπνοή, χρησιμοποιώντας μετρημένες φυτικές παραμέτρους, όπως ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) ή η εδαφοκάλυψη [Ritchie 1972, Tanner 1981, Howell et al. 1984, Hanks 1985]. Οι παραπάνω ��εχνικές υπολογίζουν έμμεσα τη διαπνοή. Ο άμεσος υπολογισμός της διαπνοής παραμένει δύσκολος, αν και πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες από τους Bloodworth et al. [1955] και αργότερα από τους Sakuratani [1984] και Baker and Van Bavel [1987]. 2.3.3 Εξατμισοδιαπνοή

Ο συνδυασμός των δύο παραπάνω διαδικασιών κατά τις οποίες υπάρχει απώλεια νερού από την εδαφική επιφάνεια με την εξάτμιση και από την καλλιέργεια με τη διαπνοή

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

12


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

ορίζεται ως εξατμισοδιαπνοή (evapotranspiration ET) [Allen et al. 1998]. Η εξάτμιση και η διαπνοή συμβαίνουν ταυτόχρονα και δεν υπάρχει εύκολος τρόπος διάκρισης μεταξύ των δύο διαδικασιών. Εκτός από τη διαθεσιμότητα του νερού στο ανώτερο εδαφικό στρώμα, η εξάτμιση από ένα καλλιεργημένο έδαφος καθορίζεται κυρίως από το κλάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους. Αυτό το κλάσμα μειώνεται κατά την περίοδο ανάπτυξης καθώς η καλλιέργεια αναπτύσσεται και το φύλλωμά της σκιάζει όλο και περισσότερο το έδαφος. Όταν η καλλιέργεια είναι μικρή, το νερό χάνεται κυρίως από την εδαφική εξάτμιση, αλλά μόλις η καλλιέργεια αναπτυχθεί καλά και καλύψει πλήρως το έδαφος η διαπνοή γίνεται η βασική διαδικασία. Η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς ETr, σύμφωνα με τη μεθοδολογία του FAO [Doorenbos and Pruitt 1977], διαμορφώνεται από τις κλιματικές συνθήκες που επικρατούν σε ένα τόπο και μόνο από αυτές και ορίζεται ως η εξατμισοδιαπνοή από μία καλλιέργεια “αναφοράς” που αναπτύσσεται δυναμικά κάτω από συνθήκες πλήρους επάρκειας νερού. Η επιλογή της καλλιέργειας αναφοράς αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας πολλών ερευνητών [Wright 1982, Jensen et al. 1990, Allen et al. 1994, 1998] και συνήθως θεωρείται ένας εκτεταμένος χορτοτάπητας, που σκιάζει πλήρως το έδαφος και έχει ομοιόμορφο ύψος από 8 μέχρι 15 cm. Η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς έχει μελετηθεί από πολλούς ερευνητές [Doorenbos and Pruitt 1977, Allen et al. 1989, 1994, 1998, Allen and Pruitt 1991, Michalopoulou and Papaioannou 1991, Παπαμιχαήλ κ.άλ. 1994, Papazafiriou 1996, Papamichail and Terzidis 1996, Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη 1996, Αλεξίου και Παπαμιχαήλ 1996, Kotsopoulos and Babajimopoulos 1997, Papamichail and Alexiou 1998, Παπαζαφειρίου 1999, Παπαμιχαήλ και Γεωργίου 1999, Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη και Βαγενάς 2003, Γεωργίου και Παπαμιχαήλ 2006, 2008, Διαμαντοπούλου κ.άλ. 2008]. Η μέθοδος FAO-24 corrected Penman [Doorenbos and Pruitt 1977] χρησιμοποιήθηκε ευρέως και αποτελεί μία από τις πιο ολοκληρωμένες και αξιόπιστες μεθόδους που αναπτύχθηκαν για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς ETr. Με βάση τη μέθοδο αυτή, προσδιορίσθηκαν φυτικοί συντελεστές προσαρμοσμένοι στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες, για καθένα από τα τέσσερα στάδια ανάπτυξης, για τέσσερις βασικές ετήσιες καλλιέργειες (αραβόσιτος, βαμβάκι, ζαχαρότευτλα, βιομηχανική τομάτα) και κατά μήνα για τα φυλλοβόλα οπωροφόρα, τα εσπεριδοειδή, τους ελαιώνες και τους αμπελώνες [Papazafiriou 1996, Παπαζαφειρίου 1999]. Ωστόσο, η επιτροπή εμπειρογνωμόνων του FAO [Smith et al. 1994, Allen et al. 1994], πρότεινε την αντικατάσταση της μεθόδου Penman, με τη μέθοδο FAO Penman-Monteith, η οποία είναι πιο ακριβής και ανταποκρίνεται καλά σε δεδομένα λυσίμετρων. Ο καθορισμός συγκεκριμένων παραμέτρων στην εξίσωση Penman-Monteith απαιτεί τον επαναπροσδιορισμό του ορισμού της εξατμισοδιαΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

13


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

πνοής αναφοράς (ETr) [Smith et al. 1992, Allen et al. 1994, 1998]. Η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς της μεθόδου FAO Penman-Monteith, ΕΤr, ορίζεται ως ο ρυθμός εξατμισοδιαπνοής μίας υποθετικής καλλιέργειας αναφοράς, με μέσο ύψος

0.12 m, καθορισμένη αντίσταση φυτικής κόμης 70 s  m-1 και σταθερό συντελεστή ανάκλασης ίσο με 0.23, η οποία προσομοιάζει την εξατμισοδιαπνοή από μία εκτεταμένη επιφάνεια γρασιδιού, ομοιόμορφου ύψους, που αναπτύσσεται δυναμικά, καλύπτει πλήρως το έδαφος και δεν υποφέρει από έλλειψη νερού. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς από ημερήσια δεδομένα έχει τη μορφή : ETr 

900  u  (e s  e a ) Τ+273 2 Δ+γ  (1  0.34  u2 )

0.408  Δ  (R n  Gs )  γ 

[2.21]

όπου :   17.27  T   4099 0.611  exp    T  237.3    Δ= 2  T  237.3

[2.22]

Rns  0.77  R s

[2.23]

24  60 G sc dr  ω s sin(φ)  sin(δ)+ cos(φ)  cos(δ)  sin(ω s )  π  2π  dr  1  0.033  cos  J  365 

Ra 

[2.24] [2.25]

 275  M  J  30  D   2  9 

[2.26]

 2π  δ  0.4093  sin  J  1.39   365 

[2.27]

ω s  arccos   tan(φ)  tan(δ) 

[2.28]

R so  0.75  2  10 5  z R a

[2.29]

0.2

2 u2  uz   [2.30] z όπου : ETr εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (mm/day), T μέση ημερήσια θερμοκρασία (οC), es πίεση κορεσμένων υδρατμών στη μέση θερμοκρασία (kPa) (σχέση [2.17]), ea πραγματική πίεση υδρατμών της ατμόσφαιρας που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του σημείου δρόσου (σχέση [2.18]), (es-ea) έλλειμμα πίεσης κορεσμένων υδρατμών, RHmean μέση σχετική υγρασία (%), Δ κλίση της καμπύλης στη σχέση πίεσης κορεσμού υδρατμών και θερμοκρασίας (kPa/oC), P ατμοσφαιρική πίεση (kPa), z υψόμετρο (m), γ ψυχρομετρική σταθερά (kPa/oC) (σχέση [2.19]), Rn καθαρή ακτινοβολία (MJ/m2  day) (σχέση [2.12]), Rns καθαρή μικρού μήκους ακτινοβολία (MJ/m2  day), Rnl καθαρή μεγάλου μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία (MJ/m2 

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

14


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

day) (σχέση [2.13]), Rs προσπίπτουσα ακτινοβολία (MJ/m2  day), Ra θεωρητική ηλιακή ακτινοβολία (MJ/m2  day), Gsc ηλιακή σταθερά (0.082 MJ/m2  min), dr σχετική απόσταση γης-ήλιου (rad), J αριθμός της ημέρας του έτους, M αριθμός του μήνα, D ημέρα του μήνα, ωs ηλιακή γωνία (rad), φ γεωγραφικό πλάτος (rad), δ ηλιακή απόκλιση (rad), Rso μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία ανέφελης ημέρας, σ σταθερά των Stefan-Boltzman (4.903  10-9 MJ/K4  m2  day), Gs κατακόρυφη με-

ταφορά θερμότητας προς το έδαφος (MJ/m2  day), u2 μέση ταχύτητα ανέμου σε ύψος 2 m, 900 συντελεστής της καλλιέργειας αναφοράς, 0.34 συντελεστής της ταχύτητας του ανέμου για την καλλιέργεια αναφοράς Στη μέθοδο Penman-Monteith υπεισέρχεται η κατακόρυφη μεταφορά θερμότητας προς το έδαφος Gs. Από τη μελέτη της επίδρασης της συμμετοχής της στη διαμόρφωση των ημερήσιων εκτιμήσεων της ETr, η παράμετρος Gs μπορεί να θεωρείται ίση με μηδέν [Παπαμιχαήλ και Γεωργίου 1999]. Οι Γεωργίου κ.άλ. [2000] συγκρίνοντας τις μεθόδους Penman και Penman-Monteith συμπέραναν ότι η μέθοδος Penman δίνει μεγαλύτερες εκτιμήσεις εξατμισοδιαπνοής. Οι μετεωρολογικές παράμετροι επηρεάζουν άμεσα και έμμεσα την ανάπτυξη και την παραγωγή των φυτών. Άμεση επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών ασκούν οι μετεωρολογικές παράμετροι της θερμοκρασίας και της ακτινοβολίας. Από την ημερήσια ολική ακτινοβολία μόνο ένα μέρος επηρεάζει άμεσα την ανάπτυξη της καλλιέργειας και το σχηματισμό της φυτικής μάζας (φωτοσύνθεση). Το μέρος αυτό είναι η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία με μήκος κύματος από 400 - 700 nm και διακρίνεται σε άμεση και διαχεόμενη. Η ικανότητα του φυλλώματος να δεσμεύσει την φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία εξαρτάται από την αναλογία της άμεσης προς τη διαχεόμενη. Οι μετεωρολογικές παράμετροι σχετική υγρασία και ταχύτητα ανέμου, καθώς επίσης η θερμοκρασία και η ακτινοβολία ασκούν έμμεση επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών, καθώς διαμορφώνουν το έλλειμμα κορεσμού της ατμόσφαιρας. Το έλλειμμα κορεσμού της ατμόσφαιρας εκφράζεται με την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς και εξειδικεύεται για κάθε καλλιέργεια με τη χρήση των φυτικών συντελεστών. 2.3.4 Δυναμική και πραγματική εξατμισοδιαπνοή

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών ETa (actual evapotranspiration) αντιπροσωπεύει το νερό που χρησιμοποιείται από μία καλλιέργεια κάτω από τις πραγματικές συνθήκες που επικρατούν στο χωράφι και καλύπτεται από την εδαφική υγρασία. Η μείωση της εξατμισοδιαπνοής από δυναμική σε πραγματική εξαρτάται από την υπάρχουσα

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

15


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

ποσότητα νερού στη ζώνη του ριζοστρώματος (βαθμός διαθεσιμότητας του εδαφικού νερού), τα χαρακτηριστικά και τις ιδιαιτερότητες της καλλιέργειας, την ικανότητα της ατμόσφαιρας για εξατμισοδιαπνοή και τα όποια εμπόδια στη διαδικασία της εξατμισοδιαπνοής. Ο πραγματικός ρυθμός άντλησης νερού που εκφράζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή είναι άμεσα συνδεδεμένος με τη δυναμική εξατμισοδιαπνοή και εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα νερού. Όταν το διαθέσιμο νερό του εδάφους είναι επαρκές έτσι ώστε να ικανοποιούνται πλήρως οι ανάγκες της καλλιέργειας, η πραγματική εξατμισοδιαπνοή γίνεται ίση με τη δυναμική. Στην περίπτωση ανεπάρκειας νερού στο έδαφος, οι ανάγκες της καλλιέργειας δεν καλύπτονται και οι τιμές της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής είναι μικρότερές από αυτές της μέγιστης. Η δυναμική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας (ΕΤΡ) (potential evapotranspiration) (σε mm/day) προκύπτει από πολλαπλασιασμό της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας αναφοράς (ETr) με τον φυτικό συντελεστή kc σύμφωνα με τη σχέση :

ETP  k c  ETr

[2.31]

Τέλος, η δυναμική και η πραγματική εξατμισοδιαπνοή ως συνάρτηση των δύο κλασμάτων που την αποτελούν δίνεται από τις σχέσεις 2.32 και 2.33 αντίστοιχα.

ETP  TP  EP

[2.32]

ETa  Ta  Ea

[2.33]

όπου : ΤΡ, ΕP δυναμική διαπνοή και εξάτμιση αντίστοιχ��, Τa, Εa πραγματική διαπνοή και εξάτμιση αντίστοιχα 2.3.5 Στάδια καλλιέργειας και φυτικοί συντελεστές kc

Οι φυτικοί συντελεστές δεν είναι σταθεροί κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου, προσδιορίζονται πειραματικά και αντιπροσωπεύουν τις επιπτώσεις της μεταβολής της φυλλικής επιφάνειας, του ύψους των φυτών, του ποσοστού κάλυψης του εδάφους, της αντίστασης του φυλλώματος στη διακίνηση υδρατμών και θερμότητας και της ανακλαστικότητας του φυλλώματος. Οι φυτικοί συντελεστές συνδέουν την εξατμισοδιαπνοή αναφοράς με τη δυναμική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας με τη σχέση [2.31] της επόμενης παραγράφου. Το ποσοστό κάλυψης του εδάφους των ετήσιων καλλιεργειών μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται και η τιμή των φυτικών συντελεστών. Για τη διευκόλυνση του προσδιορισμού των τιμών των συντελεστών αυτών, η βλαστική περίοδος διακρίνεται σε τέσσερα στάδια ανάπτυξης : Αρχικό στάδιο (initial - kc ini). Το στάδιο αυτό αρχίζει με τη σπορά ή φύτευση και

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

16


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

φτάνει μέχρι την οριστική εγκατάσταση της καλλιέργειας. Κατά το στάδιο αυτό το ποσοστό κάλυψης του εδάφους φτάνει το 10 %. Στάδιο ταχείας ανάπτυξης ή κύριας βλάστησης (crop development). Το στά-

διο αυτό αρχίζει με το τέλος του προηγούμενου σταδίου και τελειώνει με την πλήρη κάλυψη του εδάφους από τα φυτά. Στάδιο μέσης περιόδου (mid season - kc mid). Κατά το στάδιο αυτό η κάλυψη

του εδάφους από τα φυτά είναι πλήρης και περιλαμβάνει την περίοδο ανθοφορίας και το σχηματισμό των καρπών. Τελικό στάδιο ή στάδιο ωρίμανσης (late season - kc end). Το στάδιο αυτό ξεκι-

νά από την ωρίμανση και τερματίζεται με τη συγκομιδή της καλλιέργειας. Η διάρκεια της βλαστικής περιόδου και των επιμέρους σταδίων ανάπτυξης διαφέρει ανάλογα με την καλλιέργεια και επηρεάζεται από τις κλιματικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε τόπο [Allen et al. 1998, Παπαζαφειρίου 1999]. Στο Σχήμα 2.1 παρουσιάζεται η διακύμανση του φυτικού συντελεστή μίας ετήσιας καλλιέργειας. Στο Σχήμα αυτό φαίνονται τα στάδια της καλλιέργειας και οι διάρκειες αυτών.

Σχήμα 2.1 Μεταβολή φυτικού συντελεστή kc ετήσιας καλλιέργειας (πηγή : Allen et al. [1998])

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

17


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.3.6 Μέθοδος υδατικού ισοζύγιου

Η δυνατότητα άμεσης μέτρησης της εξατμισοδιαπνοής μιας καλλιέργειας μπορεί να γίνει από παρατηρήσεις μεταβολής της εδαφικής υγρασίας και με λυσίμετρα. Οι μελέτες που πραγματοποιούνται στα λυσίμετρα βασίζονται στην εξίσωση του υδατικού ισοζύγιου η οποία περιγράφεται από τον τύπο [Aboukhaled et al. 1982, Marshall et al. 1996, Παπαζαφειρίου 1999, Warrick 2001] :

P  I  R o  ET  D  ΔW

[2.34]

όπου : P η βροχόπτωση, Ι η άρδευση, Ro η επιφανειακή απορροή, ΕΤ η εξατμισοδιαπνοή, D η βαθιά διήθηση, ΔW η μεταβολή της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό Η μέθοδος του υδατικού ισοζύγιου χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή στο Κεφάλαιο 5 για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή της καλλιέργειας του βαμβακιού λύνοντας την εξίσωση [2.34] ως προς ΕΤ. 2.3.7 Εκτίμηση απορροϊκής βροχής με τη μέθοδο του απορροϊκού συντελεστή CN της S.C.S.

Από τη βροχόπτωση που πέφτει στο έδαφος, μόνο ένα μέρος αυτής εισέρχεται σε αυτό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από την καλλιέργεια για την κάλυψη των αναγκών της σε νερό. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της βροχής, που είναι κατά κύριο λόγο η ένταση και η διάρκειά της, ένα μέρος της απορρέει επιφανειακά και το υπόλοιπο διηθείται στο έδαφος. Το μέρος της βροχόπτωσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά είναι εκείνο που αποθηκεύεται στο ριζόστρωμα ανάμεσα στην υδατοϊκανότητα και σε κάποιο κατώτερο όριο, μέχρι το οποίο τα φυτά μπορούν να αντλούν χωρίς δυσκολία νερό. Το μέρος αυτό της βροχής που προκύπτει αν αφαιρεθεί η επιφανειακή απορροή και η βαθειά διήθηση ονομάζεται χρήσιμη ή ωφέλιμη βροχή. Το ύψος της ωφέλιμης βροχής που αποθηκεύεται στο έδαφος κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου εξαρτάται από τη συχνότητα, την ποσότητα, τη διάρκεια και την ένταση της βροχής, την κατάσταση της επιφάνειας του εδάφους και της αποθηκευτικής ικανότητας σε νερό του εδάφους κατά το χρόνο πτώσης της βροχής. Η αποθηκευτική ικανότητα σε νερό του εδάφους εξαρτάται από το βάθος και τα χαρακτηριστικά του εδάφους στη ζώνη των ριζών, το χρόνο που πέρασε από την προηγούμενη βροχή ή άρδευση, το επίπεδο υποβιβασμού της εδαφικής υγρασίας που επιτρέπεται πριν εφαρμοσθεί άρδευση και το ρυθμό υποβιβασμού της υγρασίας που προκαλείται από την εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας. Γενικά, η ωφέλιμη βροχή αυξάνει ως ποσοστό

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

18


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

της ολικής βροχής όταν η εξατμισοδιαπνοή είναι αυξημένη και όταν η αποθηκευτική ικανότητα του εδάφους είναι μεγάλη. Η εκτίμηση της απορροϊκής βροχής, στις περιπτώσεις που δεν υπάρχουν ταυτόχρονες παρατηρήσεις βροχής και απορροής για τον υπολογισμό των δεικτών διηθητικότητας γίνεται με τη μέθοδο του απορροϊκού συντελεστή CN (Curve Number) της Soil Conservation Service (S.C.S.) [USDA Soil Conservation Service 1972, 1986, Παπαμιχαήλ 2004]. Σύμφωνα με την S.C.S. η σχέση βροχής - απορροής περιγράφεται με μία σχέση της μορφής :

F Q  S P  Ia

[2.35]

όπου : S μέγιστη ικανότητα συγκράτησης υγρασίας του εδάφους ή αποθηκευτικότητα, F πραγματική συγκράτηση υγρασίας από το έδαφος, Q όγκος απορροής, P όγκος βροχόπτωσης, Ia αρχική συγκράτηση υγρασίας Η πραγματική συγκράτηση υγρασίας είναι : F= P - Ia - Q

[2.36]

Αντικαθιστώντας τη σχέση [2.36] στη [2.35] και λύνοντας ως προς Q προκύπτει : Q

P  Ia 

2

[2.37]

P  Ia  S

H S.C.S. μετά από πειράματα κατέληξε στην παρακάτω εμπειρική σχέση για την αρχική συγκράτηση Ia :

Ia  0.2  S

[2.38]

Αντικαθιστώντας τη σχέση [2.38] στη [2.37] και το Q που αντιπροσωπεύει την άμεση απορροή με το ισοδύναμό του Pe που είναι η απορροϊκή βροχή, προκύπτει η ακόλουθη σχέση : Pe

P  0.2  S  

2

P  0.8  S

, για P> 0.2  S

[2.39.α,β]

, για P  0.2  S

Pe= 0

Εμπειρικές μελέτες έχουν δείξει ότι η αποθηκευτικότητα S (σε mm) μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει ενός παράγοντα CN (Curve Number - απορροϊκός συντελεστής), ο οποίος δίνεται από τη σχέση : S

25400  254 CN

[2.40]

Ο CN είναι ένας συντελεστής που αντιπροσωπεύει τη συνδυασμένη επίδραση του εδάφους, του τρόπου χρήσης και διαχείρισης αυτού, των καλλιεργητικών συνθηκών και της προηγούμενης υγρασιακής κατάστασης του εδάφους (AMC - Antecedent soil Moisture Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

19


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Condition). Η προηγούμενη υγρασιακή κατάσταση του εδάφους, επιδρά σημαντικά τόσο στον όγκο, όσο και στο ρυθμό της απορροής. Οι τιμές του απορροϊκού συντελεστή CN παίρνονται από πίνακες [Παπαμιχαήλ 2004] με βάση την επίδραση των παραπάνω παραγόντων.

2.4 Γενική εξίσωση κίνησης του εδαφικού νερού Η χρήση μαθηματικών μοντέλων για την προσομοίωση της κίνησης του νερού έχει διαδοθεί πολύ μεταξύ των ερευνητών τα τελευταία χρόνια. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται στην επίλυση της εξίσωσης Richards [Richards 1931, Αντωνόπουλος 1999, Parlange and Hopmans 1999, Warrick 2001, Τσακίρης και Μπαμπατζιμόπουλος 2006], η οποία περιγράφει τη μονοδιάστατη κίνηση του νερού στην ακόρεστη ζώνη ενός καλλιεργούμενου εδάφους :

C(h)

h    h    1    S(h) K(θ)  t z   z 

[2.41]

όπου : h το ύψος πίεσης του εδαφικού νερού [L], t ο χρόνος [T], θ η εδαφική υγρασία κατ’ όγκο [L3 L-3], z η κατακόρυφη συντεταγμένη με θετική φορά προς τα κάτω και με αρχή την επιφάνεια του εδάφους [L], S(h) η προσλαμβανόμενη από τις ρίζες του φυτού ποσότητα νερού [T-1], C(h) η υδραυλική χωρητικότητα του εδάφους (∂θ/∂h) [L-1], K(θ) η ακόρεστη υδραυλική αγωγιμότητα [LT-1] Η πρόσληψη του νερού από τα φυτά είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων (πυκνότητα, κατανομή και μήκος των ριζών, είδος του εδάφους και είδος του φυτού) και η ακριβής επίδραση των οποίων είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατανοηθεί. Ο προσδιορισμός των επιδράσεων αυτών συνεπάγεται χρονοβόρο και πολυδάπανο πειραματισμό, ο οποίος όμως με τη σειρά του δε θα μπορούσε να οδηγήσει σε συμπεράσματα και ακριβείς περιγραφές των διαδικασιών που περιλαμβάνονται στην πρόσληψη του νερού από τα φυτά. Για το λόγο αυτό έχουν προταθεί απλούστερες εκφράσεις για την περιγραφή της πρόσληψης του νερού από τα φυτά. Οι εκφράσεις αυτές δεν απαιτούν τη γνώση των πολύπλοκων φυσικών διεργασιών που σχετίζονται με την απορρόφηση του εδαφικού νερού από τις ρίζες, εκφραζόμενες σε μια πιο μακροσκοπική κλίμακα, θεωρώντας το ριζικό σύστημα και το έδαφος που το περιβάλλει σαν ένα ενιαίο κομμάτι. Σ’ αυτή την περίπτωση η πρόσληψη του νερού από τα φυτά περιγράφεται από μία συνεχή συνάρτηση (sink term S(h)), η οποία προστίθεται απλά στην εξίσωση Richards. Ο όρος S(h) περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.6.1.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

20


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.5 Υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους Για την επίλυση της εξίσωσης της κίνησης του νερού στο έδαφος απαιτείται ο προσδιορισμός της συναρτησιακής σχέσης της υγρασίας του εδάφους με το ύψος πίεσης του εδαφικού νερού, γνωστή ως χαρακτηριστική καμπύλη του εδάφους θ(h) καθώς και της σχέσης της ακόρεστης υδραυλικής αγωγιμότητας με την εδαφική υγρασία ή το ύψος πίεσης του εδαφικού νερού K(θ) ή Κ(h). Οι συναρτησιακές αυτές σχέσεις όπως επίσης και η υδραυλική χωρητικότητα του εδάφους που εκφράζεται από την παράγωγο ∂θ/∂h, είναι οι βασικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται στα μαθηματικά μοντέλα κίνησης του νερού και μεταφοράς μάζας. Η χαρακτηριστική καμπύλη του εδάφους παρουσιάζει το φαινόμενο της υστέρησης, που συνίσταται στο γεγονός ότι η υγρασία που αντιστοιχεί σε ορισμένο ύψος πίεσης εξαρτάται από τη διαδικασία που προηγήθηκε, αν δηλαδή είναι αποτέλεσμα ξήρανσης ή διύγρανσης του εδάφους [Αντωνόπουλος 1999]. Έχει αποδειχθεί ότι η ύπαρξη της υστέρησης επηρεάζει τους υπολογισμούς της ροής του νερού στο έδαφος [Russo et al. 1989]. Σε εφαρμογές πεδίου συχνά το φαινόμενο αυτό αγνοείται λόγω της πολυπλοκότητας και της δυσκολίας μέτρησης της επίδρασής του στο εδαφικό σύστημα. 2.5.1 Χαρακτηριστική καμπύλη υγρασίας του εδάφους

Η χρησιμότητα της χαρακτηριστικής καμπύλης θ(h) έγκειται στην εκτίμηση της κατανομής του μεγέθους των πόρων, στην εκτίμηση της ποσότητας του νερού που συγκρατείται από ένα έδαφος σε ορισμένο δυναμικό και είναι εξίσου σημαντική σε προβλήματα αριθμητικής προσομοίωσης της ροής στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους, ενώ δίνει τη δυνατότητα της σύγκρισης των υδραυλικών ιδιοτήτων διάφορων πορωδών μέσων. Η χαρακτηριστική καμπύλη του εδαφικού νερού εξαρτάται από τη μηχανική σύσταση του εδάφους και τη δομή του. Η πλήρως θεωρητική πρόβλεψη της καμπύλης από τη μηχανική σύσταση και τη δομή είναι εξαιρετικά δύσκολη λόγω του πολύπλοκου ρόλου, της γεωμετρίας των πόρων και της προσρόφησης του νερού. Έτσι, οι εξισώσεις είναι κατά κανόνα εμπειρικές και περιέχουν διάφορες παραμέτρους που προσδιορίζονται με εφαρμογή μιας μεθόδου μη γραμμικής παλινδρόμησης. Η βιβλιογραφία περιέχει πολλές σχέσεις που συνδέουν την πίεση του εδαφικού νερού h με την κατ’ όγκο περιεχόμενη υγρασία στο έδαφος θ ή συχνότερα με τον αδιάστατο αποτελεσματικό βαθμό κορεσμού Se (με εύρος τιμών μεταξύ 0 και 1) [Αντωνόπουλος 1999, Τσακίρης και Μπαμπατζιμόπουλος 2006] : Se 

θ  θr θ s  θr

[2.42]

όπου : θ η εδαφική υγρασία (cm3/cm3), θr η υπολειμματική υγρασία (cm3/cm3), θs η ε-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

21


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

δαφική υγρασία κορεσμού (cm3/cm3) Οι σημαντικότερες από τις σχέσεις αυτές παρουσιάζονται παρακάτω. Από τις πρώτες εξισώσεις που παρουσιάστηκαν οι οποίες συνδέουν την πίεση με την περιεχόμενη υγρασία στο έδαφος είναι η σχέση των Brooks and Corey [1964, 1966] και έχει την ακόλουθη μορφή : h  Se=  a   h 

λ

για h  ha

Se=1

[2.43.α,β]

για 0  h  ha

όπου : ha η πίεση φυσαλίδων αέρα (cm), h το ύψος πίεσης (cm), λ ο δείκτης κατανομής του μεγέθους των πόρων (αδιάστατος και η τιμή του σύμφωνα με τους Brooks and Corey κυμαίνεται γύρω στο 2) Η σχέση που παρουσίασε ο Brutsaert [1967] έχει τη μορφή : Se=

A A  hB

[2.44]

όπου : Α, Β σταθερές που προσδιορίζονται με μία ανάλυση συσχέτισης με τη βοήθεια δεδομένων (θ,h) O Laliberte [1969] παρατήρησε ότι η σχέση των Brooks and Corey πέραν του ότι δεν ισχύει για h  ha επιπλέον υπερεκτιμά το S για τιμές του h πλησίον του ha. Για το λόγο αυτό πρότεινε μια διαφορετική εξίσωση της μορφής : S e  0.5 1  erf  ξ  

[2.45]

όπου : erf(ξ) η συνάρτηση σφάλματος (error function) του ξ το οποίο δίνεται από τη σχέση : a c hb (όπου a, b και c σταθερές)

ξ=

[2.46]

Oι Gillham et al. [1976] πρότειναν τη σχέση :

h cosh   ho θ= θo h cosh   ho

b

  θ ο  θr     θ ο  θr b   θ ο  θr     θ ο  θr

     

[2.47]

όπου : θο, θr, b, ho σταθερές που υπολογίζονται με την προσαρμογή στα δεδομένα (θ,h)

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

22


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

O Van Genuchten [1980] πρότεινε μία εξίσωση με σιγμοειδή μορφή η οποία είναι η ακόλουθη : Se=

1 1   α h     n

Εξίσωση   θ  θr    2.42

m

θ s  θr 1   α h n   

[2.48]

m

όπου : α, n και m σταθερές οι οποίες καθορίζουν το σχήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης υγρασίας με τα εξής χαρακτηριστικά α>0, n>1, 0<m<1, m  1 

1 n

Η τιμή της n κυμαίνεται μεταξύ 1.2 και 4 ενώ στη βιβλιογραφία αναφέρονται τιμές έως και 7.6 [Stephens 1995], ενώ η τιμή της α κυμαίνεται μεταξύ 10-3 και 10-2 cm-1. Η τιμή της n και της m [Rawls et al. 1993] συνδέονται με την τιμή λ της εξίσωσης Brooks and Corey από τις σχέσεις : n=λ+1 m

[2.49]

λ 1 λ

[2.50]

O Bumb [1987] πρότεινε μία νέα σχέση η οποία ισχύει για όλο το εύρος κορεσμού και έχει τη μορφή : Se=

1  h  hm  1  exp   b  

[2.51]

όπου : hm, b σταθερές (η τιμή της hm είναι η τιμή της πίεσης για τιμή υγρασίας στο μέσο μεταξύ της υπολειμματικής και της μέγιστης) Οι Zhang and Van Genuchten [1994] πρότειναν μια αρκετά απλή σχέση που αποτελεί το λόγο δύο απλών πολυωνύμων πρώτου και δευτέρου βαθμού με ικανοποιητικά όμως αποτελέσματα. Η σχέση αυτή έχει τη μορφή : Se=

1  γαh 1  αh  β  αh 

[2.52]

2

όπου : α, β, γ σταθερές Οι σχέσεις Se(h) οι οποίες παρουσιάσθηκαν στην Παράγραφο αυτή είναι μόνο μερικές από αυτές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Περισσότερες, ο αναγνώστης μπορεί να συναντήσει στα συγγράμματα του Αντωνόπουλου [1999] και των Τσακίρη και Μπαμπατζιμόπουλο [2006].

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

23


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.5.2 Υδραυλική αγωγιμότητα

Η μέτρηση της υδραυλικής αγωγιμότητας K μπορεί να γίνει τόσο στον αγρό όσο και στο εργαστήριο. Μια ανασκόπηση των μεθόδων αυτών δίνεται από τους Bouwer and Jackson [1974]. Οι περισσότερες από αυτές είναι δαπανηρές, δύσκολες και χρονοβόρες στην εφαρμογή τους. Όταν το υδραυλικό φορτίο μετράται σε θέσεις κάτω από τη στάθμη του νερού στο έδαφος ή όπου αλλού οι πιέσεις του εδαφικού νερού είναι θετικές, δηλαδή σε όλες τις περιπτώσεις που το έδαφος είναι κορεσμένο, η υδραυλική αγωγιμότητα παραμένει σταθερή σε σχέση με το ύψος πίεσης. Στην περίπτωση αυτή αποκαλείται υδραυλική αγωγιμότητα κορεσμένου εδάφους Ksat (saturated hydraulic conductivity). Από την άλλη μεριά σε ακόρεστο έδαφος, δηλαδή όπου το περιεχόμενο νερό μεταβάλλεται ως προς το χρόνο και τη θέση, η υδραυλική αγωγιμότητα είναι συνάρτηση τόσο των χαρακτηριστικών του εδάφους αλλά και της περιεχόμενης υγρασίας και λέγεται ακόρεστη υδραυλική αγωγιμότητα (unsaturated hydraulic conductivity) [Παπαζαφειρίου 1999]. 2.5.2.1 Μέθοδοι μέτρησης της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας

Για τη μέτρηση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας αναπτύχθηκαν πολλές μέθοδοι τόσο σε επίπεδο αγρού όσο και σε επίπεδο εργαστηρίου. Οι μέθοδοι που βρίσκουν εφαρμογή στον αγρό [Τερζίδης και Καραμούζης 1986] είναι η μέθοδος του φρεατίου σε ομογενή εδάφη, η μέθοδος του φρεατίου σε διαστρωμένα εδάφη, η μέθοδος του πιεζόμετρου που προτάθηκε από τον Kirkham, η μέθοδος δύο φρεατίων του Childs [1969] και η μέθοδος του περατόμετρου του Guelph. Οι εργαστηριακές μέθοδοι υπολογισμού της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας είναι η μέθοδος του περατόμετρου σταθερού φορτίου (steady state) και η μέθοδος του περατόμετρου μεταβαλλόμενου φορτίου (transient state) [Τερζίδης και Καραμούζης 1986]. 2.5.2.2 Εμπειρικές μέθοδοι εκτίμησης της ακόρεστης υδραυλικής αγωγιμότητας

Όπως και για τη χαρακτηριστική καμπύλη έτσι και για την υδραυλική αγωγιμότητα υπάρχουν θεωρητικά και εμπειρικά μοντέλα που περιγράφουν την καμπύλη της. Οι μέθοδοι αυτές βασίζονται στην υπόθεση ότι υπάρχει για κάθε έδαφος μια σχέση που συνδέει την ακόρεστη υδραυλική αγωγιμότητα με την υγρασία του εδάφους θ ή το ύψος πίεσης h. Πρέπει να τονιστεί ότι κάποιες από αυτές τις σχέσεις μπορεί να δώσουν τελείως εξωπραγματικά αποτελέσματα για κάποια εδάφη [Fuentes et al. 1992]. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με μεγάλη προσοχή και να επαληθεύονται σε κάθε περίπτωση. Μερικά από τα μοντέλα αυτά που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι τα παρακάτω.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

24


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Οι Brooks and Corey [1964] παρουσίασαν την παρακάτω εξίσωση της συνάρτησης της υδραυλικής αγωγιμότητας :  2  3λ    λ 

Κ(θ)= K S S e 

[2.53]

όπου : λ σταθερά και αναφέρεται ως παράμετρος κατανομής των πόρων, ΚS η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό και Se ο αποτελεσματικός βαθμός κορεσμού Ο Gardner [1958] παρουσίασε τη σχέση :

K(h) 

KS

[2.54]

1  b h 

N

όπου : b, N παράμετροι οι οποίοι εξαρτώνται από το έδαφος και ΚS η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό Οι Gilham et al. [1976] παρουσίασαν την εξής απλή σχέση : Κ(θ)= Ks θc

[2.55]

όπου : c παράμετρος (με μέση τιμή 5.509) και ΚS η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό Ο Van Genuchten [1978, 1980] παρουσίασε τη σχέση που χρησιμοποιείται ευρύτατα :

1   α h  K(h)  K

n 1

1  (α h )n 

m

2

[2.56] m/2 1  (α h )n  όπου : α συντελεστής προσδιοριζόμενος από τη χαρακτηριστική καμπύλη [L-1], n, m εs

μπειρικές παράμετροι προσδιοριζόμενοι από τη χαρακτηριστική καμπύλη (με 0<m<1 και m=1-1/n) και ΚS η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό Παρά τις προσπάθειες εκτίμησης της υδραυλικής αγωγιμότητας μέσα από θεωρητικά ή εμπειρικά μοντέλα, οι μετρήσεις στον αγρό εξακολουθούν να είναι οι πιο αξιόπιστες. Οι μετρήσεις αυτές γίνονται με ιδιαίτερη δυσκολία, κυρίως λόγω της εκτεταμένης μεταβλητότητάς τους και λόγω του ότι είναι χρονοβόρες και δαπανηρές [Τσακίρης και Μπαμπατζιμόπουλος 2006]. Οι σχέσεις που παρουσιάζονται σε αυτή την Παράγραφο είναι μόνο μερικές από αυτές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Περισσότερες, ο αναγνώστης μπορεί να συναντήσει στα συγγράμματα του Αντωνόπουλου [1999] και των Τσακίρη και Μπαμπατζιμόπουλο [2006].

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

25


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.6 Πρόσληψη νερού από το ριζικό σύστημα των φυτών Η πρόσληψη του νερού από τις ρίζες των φυτών είναι μία πολύπλοκη διαδικασία [Gardner 1965], η οποία εξαρτάται από τη γεωμετρία της ρίζας, το μήκος της και την υδραυλική αγωγιμότητα του εδάφους. Ακόμη εξαρτάται από το είδος του φυτού και το στάδιο ανάπτυξής του καθώς και την πυκνότητα του ριζικού συστήματος. Εξαιτίας των παραγόντων αυτών είναι πολύ δύσκολη η ακριβής εκτίμηση της ποσότητας της εδαφικής υγρασίας που προσλαμβάνεται από τα φυτά, μιας και πρόκειται για μια δυναμική διαδικασία με μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας. Για τη διερεύνηση του φαινομένου της πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστημα των φυτών έχουν αναπτυχθεί δύο μεθοδολογίες, η μικροσκοπική και η μακροσκοπική προσέγγιση του φαινομένου [Αντωνόπουλος 1999]. Η μικροσκοπική προσέγγιση θεωρεί τη ρίζα σαν ένα πεπερασμένο κύλινδρο σταθερής ακτίνας και ομοιόμορφων προσροφητικών ιδιοτήτων. Η δυσκολία προσδιορισμού των οριακών συνθηκών καθώς και της ακτίνας επίδρασης των ριζών, καθιστούν την προσέγγιση αυτή δύσχρηστη και αναποτελεσματική σε προβλήματα προσομοίωσης της πρόσληψης του νερού από τα φυτά στον αγρό. Στα μοντέλα μακροσκοπικής προσέγγισης το ριζικό σύστημα θεωρείται ως μια μονάδα και δεν λαμβάνεται υπόψη η επίδραση των χαρακτηριστικών της ρίζας. Το ριζικό σύστημα θεωρείται ότι αποσπά νερό από κάθε στοιχειώδη όγκο του ριζοστρώματος με ρυθμό που είναι συνάρτηση κάποιων εδαφικών παραμέτρων, όπως του ύψους πίεσης ή της εδαφικής υγρασίας, της υδραυλικής αγωγιμότητας, της διαφοράς του ύψους πίεσης μεταξύ του εδάφους και της διεπιφάνειας εδάφους - ρίζας και της πυκνότητας των ριζών. Το πλεονέκτημα της προσέγγισης αυτής είναι ότι δεν απαιτεί τη χρήση φυτικών ή εδαφικών παραμέτρων, οι οποίες δύσκολα προσδιορίζονται. Διάφορες συναρτήσεις έχουν αναπτυχθεί για την περιγραφή του όρου της πρόσληψης, που βασίζονται είτε σε μια προσέγγιση απλοποιημένης μεταφοράς του νερού, είτε σε μια εμπειρική συνάρτηση που λαμβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά των ριζών και άλλες προσαρμοσμένες παραμέτρους [Αντωνόπουλος 1999]. Η έκφραση του όρου της πρόσληψης S(h), που είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη σήμερα στη διεθνή βιβλιογραφία, βασίζεται στην πρόταση των Feddes et al. [1978]. Η ανάλυση των εξισώσεων που περιγράφουν την πρόσληψη της υγρασίας και τους όρους αυτών περιγράφονται στις Παραγράφους 2.6.1 με 2.6.3.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

26


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

2.6.1 Περιγραφή της πρόσληψης υγρασίας S(h)

Ο όρος πρόληψης (sink term) της υγρασίας από τα φυτά S(h), μπορεί να προσεγγιστεί από μία σχέση της μορφής [Feddes et al. 1978] : S(h)  α  h  Smax

[2.57]

όπου : Smax η μέγιστη δυνατή πρόσληψη νερού από τις ρίζες, α(h) ο περιοριστικός παράγοντας ο οποίος είναι μια αδιάστατη συνάρτηση του ύψους πίεσης Οι δύο οροί της σχέσης [2.57] Smax και α(h) αναλύονται διεξοδικά στις Παραγράφους 2.6.2 και 2.6.3 αντίστοιχα. Η διαπνεόμενη από το φυτό ποσότητα νερού Τα υπολογίζεται από τη σχέση : L

Tα   S(h)dz

[2.58]

0

όπου : L το βάθος του ριζικού συστήματος Όταν η εδαφική υγρασία βρίσκεται κοντά στο σημείο υδατοϊκανότητας, τότε η πρόσληψη νερού από το φυτό είναι μέγιστη (α(h)= 1) το ίδιο και η διαπνοή του. Η μέγιστη λοιπόν δυναμική διαπνοή TP υπολογίζεται για α(h)= 1 από τη σχέση : L

TP   Smax (z)dz

[2.59]

0

Η δυναμική διαπνοή ΤΡ υπολογίζεται από τη σχέση [2.32]. 2.6.2 Μέγιστη πρόσληψη νερού από τις ρίζες Smax

Οι Molz and Remson [1970] πρότειναν ένα γραμμικό μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο γίνεται η παραδοχή ότι το 40 % της κατανάλωσης νερού από το φυτό πραγματοποιείται από το ανώτερο τεταρτημόριο του ριζικού συστήματος, το 30 % από το αμέσως κατώτερο τέταρτο και το 20 % και 10 % από τα υπόλοιπα δύο τέταρτα αντίστοιχα. Σύμφωνα με τις παραδοχές αυτές η σχέση τους έχει τη μορφή : 1.6TP 1.8TP z L L L το βάθος του ριζικού συστήματος, ΤΡ η δυναμική διαπνοή όπου : Smax  z   

[2.60]

Οι Feddes et al. [1978] στο μοντέλο που παρουσίασαν, θεώρησαν ότι ισχύει, όσον αφορά την προσλαμβανόμενη ποσότητα νερού, η σχέση [2.57]. Δέχθηκαν επίσης ότι η ποσότητα Smax δε μεταβάλλεται με το βάθος αλλά παραμένει σταθερή εξαρτώμενη αποκλειστικά από τη δυναμική διαπνοή. Έτσι χρησιμοποίησαν την ακόλουθη σχέση : Smax 

TP L

[2.61]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

27


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

όπου : L το βάθος του ριζικού συστήματος, ΤΡ η δυναμική διαπνοή Η σχέση [2.61] συνδυάζει την πολύ καλή ακρίβεια στα αποτελέσματά της, με τη χρήση δεδομένων που μπορούν να προσδιορισθούν εύκολα (δυναμική διαπνοή και βάθος ριζικού συστήματος) [Elmaloglou and Malamos 2000, Γούκος και Μπαμπατζιμόπουλος 2000, Γεωργούσης και Μπαμπατζιμόπουλος 2003]. Οι Hoogland et al. [1981] σε μία προσπάθεια να βελτιώσουν το μοντέλο SWATR, όσον αφορά στον υπολογισμό της προσλαμβανόμενης ποσότητας νερού και σε αντίθεση με τους Feddes et al. [1978], θεώρησαν ότι το Smax κάτω από συνθήκες δυναμικής διαπνοής μειώνεται συναρτήσει του βάθους γραμμικά, σύμφωνα με τη σχέση :

Smax  a  bz

,|z|≤L

[2.62]

όπου : a, b σταθερές που υπολογίζονται από πειραματικά δεδομένα πρόσληψης νερού Ο Prasad [1988] υιοθετώντας τη σχέση [2.62] και υποθέτοντας ότι η πρόσληψη νερού στο κατώτερο άκρο του ριζικού συστήματος είναι μηδέν, καθώς και ότι η συνολική ποσότητα νερού που προσλαμβάνεται από τις ρίζες ισούται με τη δυναμική διαπνοή, κατέληξε σε μία σχέση που είναι από τις ευρύτερα αποδεκτές. Έτσι, θεωρώντας ότι Smax= 0 για z= L προκύπτει από τη [2.62] ότι : [2.63]

a  bL  0

Σύμφωνα με τις σχέσεις [2.62], [2.63] και με την παραδοχή ότι η συνολική ποσότητα νερού που προσλαμβάνεται από τις ρίζες ισούται με τη δυναμική διαπνοή - όταν υπάρχει πλήρης επάρκεια νερού - και με τη βοήθεια της σχέσης [2.26] παίρνουμε τις : a b

2TP L

[2.64]

2TP [2.65] L2 Αντικαθιστώντας τις σχέσεις [2.64], [2.65] στην [2.62] οδηγούμαστε στη :

S max (z) 

2TP L

z  1  L   

[2.66]

2.6.3 Περιοριστικός παράγοντας α(h)

Σύμφωνα με τον Molz [1981], η μαθηματική περιγραφή των μοντέλων, που λαμβάνουν ως καθοριστικό παράγοντα για τον υπολογισμό της προσλαμβανόμενης από τη ρίζα, ποσότητας νερού, τη δυναμική διαπνοή [2.57], περιλαμβάνουν πέραν του Smax και τον περιοριστικό παράγοντα α(h). Ο περιοριστικός παράγοντας α(h), είναι μία αδιάστατη συνάρτηση που εξαρτάται από το ύψος πίεσης (συνεπώς και την υγρασία) και κυμαίνεται

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

28


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

μεταξύ 0 και 1. Η φυσική σημασία του εκφράζει το λόγο μεταξύ της πραγματικά προσλαμβανόμενης ποσότητας νερού από τις ρίζες (S(z)), προς τη μέγιστη δυνατή (Smax), η οποία προκύπτει κάτω από συνθήκες υγρασίας, που επιτρέπουν την απρόσκοπτη πρόσληψη νερού από τη ρίζα. Οι Cowan [1965], Van Keulen [1975] και Nerpin et al. [1976] έδειξαν ότι η δυνατότητα ενός φυτού να διατηρεί τη διαπνοή σε επίπεδο δυναμικής διαπνοής αρχίζει να μειώνεται όταν η τιμή του ύψους πίεσης στο έδαφος πέσει κάτω από μια τιμή, την οποία ονόμασαν κρίσιμη (hc). Οι Yang and De Jong [1971] έδειξαν ότι η τιμή του hc εξαρτάται από την ζήτηση νερού από την ατμόσφαιρα, δηλαδή από τον ρυθμό εξατμισοδιαπνοής. Οι Feddes et al. [1978], δέχθηκαν ότι η τιμή του hc, ανάλογα με την καλλιέργεια κυμαίνεται μεταξύ -1000 και -500 cm όπως και το ότι η τιμή του hc μπορεί να θεωρηθεί σταθερή χωρίς να προκύπτει μεγάλο σφάλμα κατά τη μαθηματική προσομοίωση του φαινομένου. Ο Diels [1994] προτείνει μία μεγαλύτερη κύμανση του hc μεταξύ -1000 και -100 cm. Μία άλλη τιμή του ύψους πίεσης η οποία παίζει καθοριστικό ρόλο στην παραμετροποίηση της συμπεριφοράς της ρίζας, είναι εκείνη, πέραν της οποίας επικρατούν ακατάλληλες συνθήκες αερισμού στο ριζόστρωμα. Η τιμή αυτή της πίεσης ονομάζεται σημείο αναεροβίωσης (hα). Τέτοιες συνθήκες έχουν ως αποτέλεσμα την αναστολή της λειτουργίας της ρίζας σύμφωνα με τον Feddes et al. [1978], άλλα και άλλους [Novak 1987 και Prasad 1988]. Θα πρέπει ακόμα να αναφερθεί το προφανές γεγονός, ότι πέραν του σημείου μόνιμης μάρανσης (hPWP), η ρίζα δεν προσλαμβάνει το νερό. Σύμφωνα με τους De Jong et al. [1992] η τιμή του hPWP κυμαίνεται μεταξύ -20000 και -15000 cm. Στο Σχήμα 2.2 φαίνεται η μεταβολή του όρου S(h) και α(h) σε σχέση με την απόλυτη τιμή του ύψους πίεσης της εδαφικής υγρασίας σύμφωνα με τους Feddes et al. [1978] και τον Novak [1987]. Στο Σχήμα αυτό, η τιμή του α(h) παραμένει μηδέν γ��α 0 < h ≤ hα , παίρνει τη μέγιστη τιμή της (ίση με 1) για hα < h ≤ hc και μεταβάλλεται γραμμικά για hc < h ≤ hPWP (μέχρι το 0).

Σχήμα 2.2 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Feddes et al. 1978]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

29


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Μία διαφορετική περιγραφή της παραμέτρου α(h) δίνεται από τον Prasad [1988] (Σχήμα 2.3). Σύμφωνα με αυτόν, η τιμή του α(h) παραμένει μηδέν για 0 < h ≤ hα , μεταβάλλεται γραμμικά από μηδέν έως ένα για hα < h ≤ hFC, διατηρεί την τιμή ένα για hFC < h ≤ hc και μεταβάλλεται γραμμικά από ένα έως μηδέν για hc < h ≤ hPWP. Ισχύουν δηλαδή οι παρακάτω σχέσεις : α(h)=0 α(h)=

h  ha hFC  ha

α(h)=1 α(h)=

h  hPWP hc  hPWP

για hα ≤ h < 0 ή h ≤ hPWP

[2.67]

για hα < h ≤ hFC

[2.68]

για hc ≤ h < hFC

[2.69]

για hPWP ≤ h < hc

[2.70]

Σχήμα 2.3 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Prasad 1988]

Μία διαφορετική περιγραφή της παραμέτρου α(h) δίνεται από τους Wyseure et al. [1994] (Σχήμα 2.4). Σύμφωνα με αυτούς η τιμή του α(h) παραμένει μηδέν για 0 < h ≤ hα, μεταβάλλεται γραμμικά από μηδέν έως ένα για hα < h ≤ hFC , διατηρεί την τιμή ένα για hFC < h ≤ hc και μεταβάλλεται υπερβολικά από ένα έως μηδέν για hc < h ≤ hPWP. Ισχύουν δηλαδή οι παρακάτω σχέσεις : α(h)=0 α(h)=

h  ha hFC  ha

α(h)=1

για hα ≤ h < 0 ή h ≤ hPWP

[2.71]

για hα < h ≤ hFC

[2.72]

για hc ≤ h < hFC

[2.73]

για hPWP ≤ h < hc

[2.74]

h

α(h)=

hPWP  1 1 hPWP  hc

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

30


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Σχήμα 2.4 Μεταβολή του όρου α(h) με το ύψος πίεσης [Wyseure et al. 1994]

Στην προσέγγιση αυτή η μεταβολή μεταξύ hc και hPWP είναι υπερβολική, καθώς σύμφωνα με τους Mahey et al. [1984], η γραμμική μεταβολή, που υιοθετείται από τις άλλες προσεγγίσεις του περιοριστικού παράγοντα α(h), έχει ως αποτέλεσμα τη χαμηλή ευαισθησία του όσον αφορά στο κρίσιμο σημείο πέραν του οποίου το φυτό βρίσκεται σε κατάσταση στρες. Αν υιοθετηθεί λοιπόν η γραμμική μεταβολή το φυτό θα προσλαμβάνει νερό με ευκολία μέχρι το σημείο μόνιμης μάρανσης, ενώ σύμφωνα με την υπερβολική μεταβολή η δυνατότητα του φυτού να προσλαμβάνει νερό μεταξύ hc και hPWP περιορίζεται κατά πολύ.

2.7 Μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης κίνησης του νερού Η εξίσωση Richards λόγω της παραβολικής μορφής της, σε συνδυασμό με την έντονη μη γραμμικότητα των υδραυλικών συναρτήσεων θ(h) και Κ(θ), δεν έχει αναλυτική λύση εκτός από εξειδικευμένες περιπτώσεις. Για το λόγο αυτό είμαστε αναγκασμένοι να προσφύγουμε σε αριθμητικές μεθόδους. Η αριθμητική επίλυσή της μπορεί να γίνει με κάποια από τις αριθμητικές μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί : η μέθοδος των πεπερασμένων διαφορών [Hanks and Bowers 1962, Rubin and Steinhardt 1963, Hornung and Messing 1981, Redinger et al. 1984, Celia et al. 1990, Ross 1990, Babajimopoulos et al.1995, Pan et al. 1996, van Dam and Feddes 2000, Graham and Kilde 2002, Gong et al. 2006], η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων [Zienkiewicz and Parekh 1970, Neuman 1973, Αντωνόπουλος 1998, Simunek et al. 1998, Diaw et al. 2001, Pop et al. 2004] η μέθοδος του οριακού στοιχείου (boundary element method) [Brebbia and Walker 1980] και η μη επαναληπτική μέθοδος του μετασχηματισμού Kirchhoff [Ross 2003]. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν αναπτυχθεί πλήθος μαθηματικών μοντέλων που κάνουν χρήση κάποιας από τις παραπάνω μεθόδους. Παραδείγματα μερικών γνωστών μαθηματικών μοντέλων, που αναπτύχθηκαν διεθνώς είναι τα ακόλουθα :

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

31


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

S.W.A.T.R. (Soil Water Actual Transpiration Rate) [Feddes et al. 1978]. Το S.W.A.T.R., τρέχοντας σε DOS, χρησιμοποιεί μικρομετεωρολογικά δεδομένα, σχέσεις πρόσληψης του νερού από τις ρίζες και επιλύει την εξίσωση Richards με την πεπλεγμένη μέθοδο. Το μοντέλο δοκιμάστηκε με πραγματικά δεδομένα καλλιεργειών, όπως τα κόκκινα λάχανα και οι πατάτες δίνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα [Feddes et al. 1978]. S.W.A.T.R.E. (Soil Water Actual Transpiration Rate Extended) [Belmans et al. 1983]. Αποτελεί βελτίωση του S.W.A.T.R. με χρησιμοποίηση διαφορετικού σχήματος πεπερασμένων διαφορών και αντιμετώπιση περισσότερων οριακών συνθηκών. Οι Wesseling and Van der Broek [1988] χρησιμοποίησαν το μοντέλο S.W.A.T.R.E. για τον ορθολογικό προγραμματισμό των αρδεύσεων και διαπίστωσαν ότι με τη χρήση σωστών δεδομένων, το μοντέλο είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο στο σωστό προγραμματισμό. Οι Hopmans and Guttierez - Rave [1988] παρουσίασαν μια διαδικασία για τη ρύθμιση του μοντέλου πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστημα λαμβάνοντας υπόψη τη μεταβλητότητα των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε σε διάφορες καλλιέργειες με ικανοποιητικά αποτελέσματα [Dierckx et al. 1988, Wesseling 1991, Dhanpal 1992, Beekma et al. 1995, Bastiaanssen et al. 1996, De Jong and Bootsma 1997]. W.A.V.E. (Water and Agrochemicals in the soil, crop and Vadose Environment) [Vanclooster et al. 1994]. Μαθηματικό μοντέλο που προσομοιώνει τη συμπεριφορά του νερού, της θερμότητας και των αγροχημικών κατά την κατακόρυφη διεύθυνση στο περιβάλλον έδαφος - φυτό - ατμόσφαιρα. Αποτελεί τη σύνθεση παλαιότερων μοντέλων όπως το SWATRER (κίνηση νερού), SOILN (μετακίνηση του αζώτου), LEACHN (θερμότητα και διαλυτές ουσίες) και SUCROS (ανάπτυξη καλλιέργειας). Το W.A.V.E. είναι γραμμένο σε γλώσσα FORTRAN και τρέχει σε περιβάλλον UNIX ή MSDOS. Επιλύει την εξίσωση Richards χρησιμοποιώντας υστερητικές ή μη εκδοχές γνωστών μοντέλων (όπως Van Genuchten, Gardner, Brooks and Corey) για την περιγραφή των υδραυλικών παραμέτρων του εδάφους. Το μοντέλο έχει χρησιμοποιηθεί από τους Zhang et al. [1996], Dawes et al. [1997], Zhang and Dawes [1998], Zhang et al. [1999], Huang et al. [2001], Shao et al. [2002], Fernández et al. [2002] και Αλεξίου [2005]. SWMS_2D και SWMS_3D [Simunek et al. 1994, 1995]. Στηριζόμενοι στο μοντέλο UNSAT2 [Neuman 1973] οι Simunek et al. [1994, 1995], ανέπτυξαν τα πρώτα ολοκληρωμένα μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης του νερού και των διαλυμένων ουσιών σε πορώδη με τα ονόματα SWMS_2D και SWMS_3D. Τα μοντέλα αυτά επιλύουν με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων τη δισδιάστατη και τρισδιάστατη μικτής μορφής εξίσωση της ασταθούς κίνησης του νερού αντίστοιχα, συμπεριλαμβάνοντας και την πρόσληψη του νερού από τα φυτά, χωρίς όμως να έχουν τη δυνατότητα να προσομοιώσουν τη δυναμική Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

32


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

ανάπτυξη του ριζικού συστήματος. Για τη μεταφορά μάζας στο έδαφος χρησιμοποιούν την εξίσωση μεταφοράς - διάχυσης, επιλύοντάς την είτε με την κλασική μέθοδο Galerkin, είτε χρησιμοποιώντας την τεχνική της ανάντη στάθμισης για την αποφυγή των αριθμητικών ταλαντώσεων. MIKE SHE [Refsgaard and Storm 1995, Graham and Kilde 2002]. Μαθηματικό ντετερμινιστικό μοντέλο για την προσομοίωση των κύριων υδρολογικών διαδικασιών (επιφανειακή απορροή, ροή σε ανοικτούς αγωγούς, εξατμισοδιαπνοή αναφοράς, κίνηση νερού υπό ακόρεστες και κορεσμένες συνθήκες). Για την κίνηση του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους επιλύεται η εξίσωση Richards με την πεπλεγμένη μέθοδο, ενώ υπό κορεσμένες συνθήκες επιλέγεται το σχήμα της επαναληπτικής υπερχαλάρωσης (successive overrelaxation). S.W.A.P. (Soil Water Atmosphere Plant) [Van Dam et al. 1997]. To S.W.A.P. προσομοιώνει την κατακόρυφη ροή του νερού, των διαλυτών ουσιών και της θερμότητας σε κορεσμένα και μη εδάφη. Το λογισμικό είναι σχεδιασμένο, ώστε να εκτελεί την προσομοίωση σε επίπεδο αγροτεμαχίου σε όλη την καλλιεργητική περίοδο. Το S.W.A.P. επιλύει την εξίσωση Richards με πεπερασμένες διαφορές, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνει υπόψη του και την επιλεκτική ροή (preferential flow), διαμέσου των ρωγμών του εδάφους. Τρέχει σε περιβάλλον DOS και διαθέτει ένα τυπικό γραφικό περιβάλλον. Αποτελεί τον απόγονο του S.WA.CROP. (Soil WΑter and CROP) [Kabat et al. 1992] το οποίο και προήλθε από το S.W.A.T.R.E. [Belmans et al. 1983]. Παλαιότερη έκδοσή του με την ονομασία SWAP93 [Van den Broek et al. 1994] χρησιμοποίησαν οι Elmaloglou and Malamos [2000]. Σε νεότερη έκδοσή του [Kroes and van Dam 2003] χρησιμοποιεί τη μέθοδο της κλιμάκωσης για το συνυπολογισμό της χωρικής μεταβλητότητας των υδραυλικών παραμέτρων του εδάφους. SWB-2D [Annandale et al. 2003]. Οι Annandale et al. [2003] παρουσίασαν το μοντέλο SWB-2D το οποίο επιλύει τη δισδιάστατη μικτής μορφής εξίσωση ασταθούς κίνησης του νερού στο έδαφος χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. L.E.A.CH.M. (Leaching Estimation And CHemistry Model) [Hutson 2003]. Το L.E.A.CH.M. είναι ένα μονοδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων διαφορών, σχεδιασμένο να προσομοιώνει την κίνηση του νερού και διαλυτών ουσιών σε στρωματωμένα ή μη ακόρεστα ή μερικώς κορεσμένα εδάφη μέχρι βάθους 2 m. Η ανάπτυξή του προχώρησε σταδιακά από το 1987 και συνεχίζεται με διάφορες εκδόσεις μέχρι σήμερα. Για την κίνηση του νερού επιλύεται η εξίσωση Richards με το αριθμητικό σχήμα των Crank-Nicolson, ενώ για την περιγραφή της χαρακτηριστικής καμπύλης εδαφικής υγρασίας χρησιμοποιείται ο συνδυασμός μιας εκθετικής [Campbell 1974] και μιας παραβολικής εξίσωσης [Hutson and Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

33


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Cass 1987]. HYDRUS-1D [Simunek et al. 2008] Αποτελεί ένα από τα πιο πλήρη μαθηματικά μοντέλα. Το HYDRUS-1D αποτελεί το κέλυφος που προσφέρει γραφικό περιβάλλον Windows στο μαθηματικό μοντέλο HYDRUS [Simunek et al. 1998] που είναι ο πυρήνας του. Χρησιμοποιώντας πεπερασμένα στοιχεία για την επίλυση της εξίσωσης Richards, προσομοιώνεται η μονοδιάστατη κατακόρυφη ροή του νερού, διαλυτών ουσιών και θερμότητας σε μη κορεσμένα εδάφη. Οι υδραυλικές παράμετροι του εδάφους περιγράφονται ��πό τις γνωστές εξισώσεις van Genuchten και Brooks-Corey, ενώ λαμβάνεται υπόψη και το φαινόμενο της υστέρησης μέσω ενός εμπειρικού κώδικα. Το μοντέλο μπορεί να εκτελεστεί και σε εδαφικές κλίμακες μεγαλύτερες του αγροτεμαχίου, αφού συμπεριλαμβάνει και μια διαδικασία προσέγγισης της χωρικής μεταβλητότητας των υδραυλικών παραμέτρων. Για την κίνηση του νερού σε δυο και τρεις διαστάσεις κυκλοφορούν οι εκδόσεις HYDRUS-2D και HYDRUS-3D [Simunek et al. 2006]. Στον ελληνικό χώρο, παρόμοιας φύσης μοντέλα που αναπτύχθηκαν είναι τα ακόλουθα : S.W.BA.CRO.S. (Simulation of the Water BAlance of a CROpped Soil) [Babajimopoulos et al. 1995]. Η καινοτομία του μοντέλου συνίσταται στην επίλυση της εξίσωσης Richards με τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών, πρόβλεψης-διόρθωσης Douglas Jones, που είναι γρηγορότερη από την πεπλεγμένη μέθοδο. Το πρόγραμμα, που εκτελείται σε περιβάλλον DOS, έχει δοκιμαστεί σε διάφορες συνθήκες και καλλιέργειες με πολύ καλά αποτελέσματα καθώς και σε συνδυασμό με χρήση συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών σε μεγαλύτερες εκτάσεις με ποικίλες καλλιέργειες [Γεωργούσης 2007]. Η Καλλιτσάρη [2009] προσάρτησε στο μοντέλο S.W.BA.CRO.S. σχέσεις διαθεσιμότητας εδαφικού νερού και παραγωγής των καλλιεργειών. Με πρόσφατες τροποποιήσεις του, το S.W.BA.CRO.S. αποκτά γραφικό περιβάλλον συνδυαζόμενο με το γνωστό λογισμικό MATLAB [Παρασκευάς 2005] και λαμβάνει υπόψη του τις μεταβολές της στάθμης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα. Αναλυτική περιγραφή του μοντέλου S.W.BA.CRO.S. γίνεται στις επόμενες παραγράφους. WA.NI.SIM. (WΑter and NΙtrogen SIMulation) [Αντωνόπουλος 1998]. Το μαθηματικό αυτό μοντέλο αναπτύχθηκε για την προσομοίωση της δυναμικής του νερού και του αζώτου στο σύστημα έδαφος - φυτό - ατμόσφαιρα. Βασίζεται στην αριθμητική επίλυση, με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων Galerkin, των εξισώσεων που περιγράφουν τη ροή του νερού και τη μεταφορά και μετασχηματισμούς των ανόργανων μορφών του αζώτου σε έδαφος με μεταβαλλόμενο βαθμό κορεσμού. Τα διάφορα υπομοντέλα από τα οποία αποτελείται, αφορούν τις διαδικασίες διάχυσης και διασποράς, ανοργανοποίησης της Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

34


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

οργανικής ουσίας, νιτροποίησης των αμμωνιακών ιόντων, προσρόφησης του αμμωνιακού ιόντος στη στερεά φάση και πρόσληψης μορφών αζώτου από τα φυτά. Το μοντέλο αυτό πέρα από την επίλυση των εξισώσεων κίνησης του νερού, ασχολείται και με τη μεταφορά μάζας του αμμωνιακού και νιτρικού αζώτου στο έδαφος κατά την εφαρμογή άρδευσης και λίπανσης είτε οργανικής, είτε ανόργανης. Το μοντέλο δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού του ρυθμού και του προγράμματος εφαρμογής νερού, λιπασμάτων και λυμάτων και τη δυνατότητα εκτίμησης του κινδύνου ρύπανσης των υπόγειων και επιφανειακών νερών από τις εφαρμογές αυτές. Με τον τρόπο αυτό, δίνει τη δυνατότητα να επιτευχθεί η αειφορική ανάπτυξη κάνοντας χρήση νερού, λιπασμάτων και λυμάτων χωρίς να προκαλούνται δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Τέλος, μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο εργαλείο για τη διερεύνηση των εδαφοφυσικών ιδιοτήτων των εδαφών, απαραίτητων για την ανάπτυξη των φυτών, μετά την αποκατάσταση των περιοχών που χρησιμοποιήθηκαν για επιφανειακή εξόρυξη άνθρακα ή άλλων ορυκτών [Αντωνόπουλος 1999]. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιήθηκε σε πειραματικό αγρό με βαμβάκι στην πεδιάδα της Θεσσαλίας [Antonopoulos 1997], σε δύο εδάφη στο Acklington του Northumberland της Μεγάλης Βρετανίας [Antonopoulos and Wyseure 1998, Αντωνόπουλος 1999], σε καλλιέργεια αραβοσίτου [Αντωνόπουλος και Παυλάτου 1998, Antonopoulos 2001, Λεκάκης 2006, Αντωνόπουλος κ.άλ. 2008], σε αγρό καλλιεργημένο με ηλίανθο [Rahil et al. 2006] δίνοντας πολύ καλά αποτελέσματα. Το μοντέλο WA.NI.SIM. έχει πολλές ακόμη εφαρμογές [Antonopoulos 2001, 2004, Αντωνόπουλος και Μιχαηλίδου 2003].

2.8 Μαθηματικό μοντέλο S.W.BA.CRO.S. Στη διατριβή αυτή χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο S.W.BA.CRO.S. (Simulation of the Water Balance of a CROpped Soil) το οποίο είναι βασισμένο στην αριθμητική λύση της

μερικής διαφορικής εξίσωσης του Richards [1931] η οποία περιγράφει τη μη μόνιμη ροή μέσα σε ένα ετερογενές έδαφος, λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία καλλιέργειας. Το μοντέλο αυτό έχει τη δυνατότητα να προβλέπει σε καθημερινή βάση την υγρασιακή κατάσταση του εδάφους, δεχόμενο μόνο εξωτερικές πληροφορίες όπως είναι οι προηγηθείσες αρδεύσεις / βροχοπτώσεις καθώς επίσης και τα μετεωρολογικά δεδομένα. Αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής και Βελτιώσεων από τον καθηγητή κ. Χρήστο Μπαμπατζιμόπουλο [Babajimopoulos et al. 1995]. Η μερική διαφορική εξίσωση του Richards λύνεται με τη μέθοδο πρόβλεψης-διόρθωσης των Douglas-Jones και η γλώσσα που αρχικά προγραμματίστηκε ήταν η Fortran 77, ενώ σημερινή γλώσσα είναι η Fortran 90/95. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πρόβλεψης-διόρθωσης των Douglas-Jones στο μοντέλο επιτυγχάνεται ακριβέστερη και ταχύτερη επίλυση της εξίσωσης Richards έΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

35


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

ναντι άλλων μεθόδων επίλυσης με πεπερασμένες διαφορές [Babajimopoulos 1991, Babajimopoulos 2000, Μπαμπατζιμόπουλος 2002, Καλλιτσάρη 2009]. Το μοντέλο έχει εφαρμοσθεί σε αγρούς καλλιεργούμενους με βαμβάκι [Μπίλας 1995, Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. 1995, Babajimopoulos et al. 1995, Babajimopoulos 1996, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2006], καλαμπόκι [Babajimopoulos et al. 2007, Γεωργούσης 2007] και ζαχαρότευτλα [Καλφούντζος 1994, Γούκος 1999, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2000, Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. 2000]. Όλες οι εφαρμογές έδειξαν ότι το μοντέλο περιγράφει πολύ ικανοποιητικά την κίνηση του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους και μπορεί να παίξει ένα πολύ σημαντικό ρόλο στον ορθολογικό προγραμματισμό των αρδεύσεων [Babajimopoulos et al. 1995, Μπαμπατζιμόπουλος κ.άλ. 1995, Babajimopoulos 2000, Γεωργούσης 2000, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2006, Γεωργούσης 2007]. 2.8.1 Αριθμητική επίλυση

Το μαθηματικό μοντέλο S.W.BA.CRO.S. βασίζεται στην αριθμητική επίλυση της εξίσωσης Richards [2.41] με τη μέθοδο πρόβλεψης-διόρθωσης των Douglas-Jones [Douglas and Jones 1963]. Η μέθοδος αυτή είναι μία πεπλεγμένη (implicit) μέθοδος που έχει αποδειχθεί μία από τις πιο ικανοποιητικές, στην προσομοίωση της μονοδιάστατης κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους [Haverkamp et al. 1977, Babajimopoulos et al. 1991, Babajimopoulos 2000]. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή οι τιμές των συντελεστών C(θ) και Κ(θ) της εξίσωσης Richards εκφράζονται από μία πρόβλεψη του ύψους πίεσης h στο χρονικό βήμα n+1/2 (πεπλεγμένη γραμμικοποίηση - implicit linearization) όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.5.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

36


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Σχήμα 2.5 Δίκτυο πεπερασμένων διαφορών

Θεωρώντας το δίκτυο του Σχήματος 2.6 η μέθοδος περιγράφεται από τις παρακάτω εξισώσεις [Babajimopoulos 1991] : 1 Δz1 …………...……….................................. 2 Δz2 .……….…………………...…...................... : ……………………………...........................  j-1 Δzj-1 ……….....…………………..………………..…… j Δzj ……….....…………………..………………..……  j+1 Δzj-1 ……….....…………………..………………..…… :

 (+)

Σχήμα 2.6 Δίκτυο υπολογισμών

Η εξίσωση πρόβλεψης :

δ z K n δ zhn 1/2  1  S n   C n  

hn 1/2  hn Δt / 2

[2.75]

Η εξίσωση διόρθωσης :

1   n1/2 hn1  hn δz K δzhn1/2  1  K n1/2 δzhn  1   Sn1/2   Cn1/2   2  Δt

[2.76]

όπου : δz ο τελεστής των κεντρικών διαφορών, n η χρονική στιγμή, Δt το χρονικό βήμα

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

37


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

(= tn+1 - tn) Αναλυτικότερα η εξίσωση πρόβλεψης [2.75] μπορεί να γραφεί :      n 1/2 n 1/2   hnj 1/2  hnj11/2  hnj 1/2  hnj 1  n  h j1  h j K j1/2   1   K nj1/2   1    Snj  Cnj Δt / 2 Δz j   Δz j  Δz j1   Δz j1  Δz j           2 2

[2.77]

όπου : zj η απόσταση μεταξύ δύο κομβικών σημείων j και (j+1) και η υδραυλική αγωγιμότητα στο ενδιάμεσο κομβικό σημείο (j+1/2) και (j-1/2) εκτιμάται ως ο γεωμετρικός μέσος, δηλαδή θα έχουμε :

K nj1/2  K nj1  K nj

,

K nj1/2  K nj  K nj1

Η εξίσωση [2.77] μετά την εκτέλεση των πράξεων και αναδιάταξη των όρων γράφεται σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής :      Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 n 1/2     hnj 1/2     h 1  j 1 n n n Δz j1  Δz j Δz j C j  Δz j  Δz j1 Δz j C j   Δz j  Δz j1 Δz j C j 

  Δt  K nj1/2 Δt Δt  hnj11/2   K nj1/2  K nj1/2  hnj  n Snj n n 2Δz jC j 2C j  Δz j1  Δz j Δz j C j 

[2.78]

Η εξίσωση [2.78] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

A jhnj11/2  B jhnj 1/2  C jhnj11/2  D j όπου : A j  

Cj  

 Δz  Δz

[2.79]

Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj Δt  K nj1/2

j 1

 Δz j Δz j C

n j

, Bj 

, Dj 

 Δz

Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj

 Δz

Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz jCnj

1,

Δt Δt K nj1/2  K nj1/2  hnj  n Snj n 2Δz j C j 2C j

Αναλυτικότερα η εξίσωση διόρθωσης [2.76] μπορεί να γραφεί ως εξής :

  1 2 2  Δz j  

       hnj11  hnj 1   hnj 1  hnj11  1/2 1/2 K nj1/2    1   K nj1/2  1    Δz j  Δz j1   Δz j1  Δz j       2 2    

    hnj1  hnj   hnj 1  hnj 1/2   K nj1/2  1     Snj 1/2  Cnj 1/2 Δt  Δz j  Δz j1      2   

[2.80]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

38


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

όπου : zj η απόσταση μεταξύ δύο κομβικών σημείων j και (j+1) και η υδραυλική αγωγιμότητα στο ενδιάμεσο κομβικό σημείο (j+1/2) και (j-1/2) εκτιμάται ως ο γεωμετρικός μέσος με τον τρόπο που υπολογίστηκε στην εξίσωση πρόβλεψης Η εξίσωση [2.80] μετά την εκτέλεση των πράξεων και αναδιάταξη των όρων γράφεται σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής : 1/2 1/2      Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 n 1     hnj 1     h 1 j  1 n n 1/2 n 1/2 Δz j1  Δz j Δz j C j  Δz j  Δz j1 Δz j C j   Δz j  Δz j1 Δz j C j  1/2 1/2   Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt n 1 n 1/2 n 1/2      h K K hnj1  hnj  j 1 j 1/2 j 1/2 Δz j Cnj 1/2 Δz j  Δz j1  1 Δz j Cnj 1/2  Δz j  Δz j1 Δz j Cnj 1/2  1/2 Δt  K nj1/2 Δt  hnj  hnj1  hnj  n1/2 Snj 1/2 [2.81] n 1/2 Cj Δz j  Δz j1 Δz j C j

Η εξίσωση [2.81] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

A jhnj11/2  B jhnj 1/2  C jhnj11/2  D j όπου : A j 

Cj 

 Δz  Δz

[2.82]

1/2  Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj 1/2

, Bj 

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj 1/2

 Δz

j 1

 Δz j Δz jCnj 1/2

1,

1/2 Δt  K nj1/2 Δt n 1/2 n 1/2 K j1/2  K j1/2  , Dj  Δz j Cnj 1/2  Δz j Δz j Cnj Δz j  Δz j1  1 Δz j Cnj 1/2

 Δt  K nj1/2 j 1

1/2 Δt  K nj1/2

 hnj1  hnj 

Δt  K

n 1/2 j 1/2

Δz j  Δz j1 Δz j C

n 1/2 j

h

n j

 hnj1  hnj 

Δt C

n 1/2 j

Snj 1/2

2.8.2 Οριακές συνθήκες 2.8.2.1 Επάνω οριακή συνθήκη

Η οριακή συνθήκη στην επιφάνεια του εδάφους είναι γνωστή εισροή και δίνεται από τη σχέση :  h  P  K   1  z  

[2.83]

Η εισροή Ρ υπολογίζεται από τη σχέση :

P  R  Eα  INT

[2.84]

όπου : R η άρδευση και η βροχόπτωση, ΙΝΤ η υδατοσυγκράτηση, Eα η πραγματική εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους Η αντικατάσταση της [2.81] στην εξίσωση πρόβλεψης [2.75] δίνει τελικά :

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

39


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

    n 1/2 n 1/2   hnj 1/2  hnj 1  n  h j1  h j K j1/2   1   Pjn1/2   Snj  Cnj Δz j  Δt / 2   Δz j  Δz j1      2   

[2.85]

Η εξίσωση [2.85] μετά την εκτέλεση των πράξεων και αναδιάταξη των όρων γράφεται σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής :     Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 n 1/2     hnj 1/2    h 1 j 1  Δz j  Δz j1 Δz j Cnj   Δz j  Δz j1 Δz j Cnj  Δt Δt  Pjn1/2  K nj1/2  hnj  n Snj n Δz j C j 2C j

[2.86]

Η εξίσωση [2.86] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

A jhnj11/2  B jhnj 1/2  D j όπου : A j   Dj 

 Δz

[2.87]

Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj

, Bj 

 Δz

Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj

1,

Δt Δt Pjn1/2  K nj1/2  hnj  n Snj 2Δz j Cnj 2C j

Η εξίσωση διόρθωσης [2.76] αντίστοιχα γράφεται μετά την εκτέλεση των πράξεων και αναδιάταξη των όρων σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής : 1/2 1/2      Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt n 1       h 1 hnj 1  j  1 n 1/2 n 1/2 Δz j Cnj 1/2  Δz j  Δz j1 Δz j C j   Δz j  Δz j1 Δz j C j 

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j C

n 1/2 j

h

n j 1

 hnj  hnj 

Δt C

n 1/2 j

 n1/2 Pjn  Pjn1   K j1/2     2  

Snj 1/2

[2.88]

Η εξίσωση [2.48] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

A jhnj11  B jhnj 1  D j όπου : A j 

 Δz

[2.89]

1/2  Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j Cnj 1/2

Δt Dj  Δz jCnj 1/2

, Bj 

 n1/2 P  P  K j1/2   2  n j

n 1 j

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz jCnj 1/2

1 ,

1/2  Δt  K nj1/2 Δt hn  hnj  hnj  n1/2 Snj 1/2   Δz  Δz Δz Cn1/2 j1 Cj j j 1 j j 

2.8.2.2 Κάτω οριακές συνθήκες Το μοντέλο S.W.BA.CRO.S. είναι γραμμένο ώστε να δέχεται μία από τις ακόλουθες κάτω οριακές συνθήκες : Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

40


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Α. Γνωστή υπόγεια στάθμη (τύπου Dirichlet)

Όταν ο τελευταίος κόμβος του δικτύου βρίσκεται στο όριο της υπόγειας στάθμης του νερού τότε το ύψος πίεσης στο σημείο αυτό θα τείνει προς το μηδέν αφού το έδαφος θα είναι κορεσμένο. Έτσι με γνωστή την τιμή του ύψους πίεσης στον τελευταίο κόμβο Ν, η λύση σταματά στον κόμβο Ν-1. Η εξίσωση πρόβλεψης [2.75] για j= N-1 γράφεται :

hnj 1/2  Fj  G jhnj11/2

[2.90]

Αντίστοιχα η εξίσωση διόρθωσης [2.76] για j= N-1 γράφεται :

hnj 1  Fj  G jhnj11

[2.91]

Οι συντελεστές Fj και Gj εκφράζονται από τις σχέσεις : Fj 

D j  C jFj1 B j  C j G j1

, Gj 

A j B j  C j G j1

όπου : F1 και G1 προσδιορίζονται από την επάνω οριακή συνθήκη Β. Ελεύθερη στράγγιση (τύπου Neumann)

Κατά την ελεύθερη στράγγιση, η ροή στο κάτω όριο qb ισούται με K(h). Έτσι η εξίσωση πρόβλεψης [2.75] στο κάτω όριο (j= N) μπορεί να γραφεί σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής :   Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 n 1/2   1 h hnj11/2    j n n Δz j1  Δz j Δz j C j  Δz j1  Δz j Δz j C j 

Δt Δt K nj1/2  K nj1/2  hnj  n Snj n 2Δz j C j Cj

[2.92]

Η εξίσωση [2.92] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

B jhnj 1/2  C jhnj11/2  D j όπου : B j  Dj 

 Δz

[2.93]

Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz j C

n j

 1 , Cj 

 Δz

 Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz j C

n j

hnj11/2 ,

Δt Δt K nj1/2  K nj1/2  hnj  n Snj n 2Δz j C j Cj

Η εξίσωση [2.53] δίνει τελικά : hnj 1/2  Fj 

D j  C jFj1

[2.94]

B j  C j G j1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

41


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Αντίστοιχα η εξίσωση διόρθωσης [2.76] μπορεί να γράφει σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής : 1/2 1/2   Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt n 1 1/2 1/2   1 h j   K nj1/2  hnj11  K nj1/2 n 1/2 n 1/2 Δz j Cnj 1/2 Δz j  Δz j1 Δz j C j  Δz j1  Δz j Δz j C j 

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j

 Δz j1 Δz j C

n 1/2 j

h

n j

 hnj1  hnj  

Δt C

n 1/2 j

Snj 1/2

[2.95]

Η εξίσωση [2.95] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

B jhnj 1  C jhnj11  D j όπου : B j 

Dj 

 Δz

[2.96] 1/2 Δt  K nj1/2

j 1

 Δz j Δz j C

n 1/2 j

 1 , Cj 

 Δz

1/2  Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz j C

n 1/2 j

hnj11/2 ,

1/2 Δt  K nj1/2 Δt Δt n 1/2 n 1/2 K K hnj  hnj1  hnj  n1/2 Snj 1/2   j 1/2 j 1/2 n 1/2 n 1/2 Δz j C j Cj Δz j  Δz j1 Δz j C j

Η εξίσωση [2.96] δίνει τελικά :

hnj 1  Fj =

D j  C jFj1

[2.97]

B j  C j G j1

Γ. Μηδενική ροή (τύπου Dirichlet)

Όταν η ροή είναι μηδενική στο κάτω όριο (j= N) σύμφωνα με το νόμο του Darcy :

 h  P  K   1  0  z  j N

[2.98]

Η εξίσωση πρόβλεψης [2.75] γράφεται σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής :   Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 Δt n 1/2 n 1/2   1 h j   hnj  n Snj h j1  n n n 2Δz j C j 2C j Δz j1  Δz j Δz j C j  Δz j1  Δz j Δz j C j 

[2.99]

Η εξίσωση [2.99] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

B jhnj 1/2  C jhnj11/2  D j όπου : B j 

 Δz

[2.100]

Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz j C

n j

 1 , Cj  

 Δz

Δt  K nj1/2 j 1

 Δz j Δz j C

n j

, Dj 

Δt  K nj1/2 2Δz j C

n j

 hnj 

Δt n Sj 2C nj

Από την εξίσωση [2.100] προκύπτει τελικά ότι : hnj 1/2  Fj 

D j  C jFj1

[2.101]

B j  C j G j1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

42


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Αντίστοιχα η εξίσωση διόρθωσης [2.76] μπορεί να γραφεί σε τριδιαγωνική μορφή ως εξής : 1/2 1/2     Δt  K nj1/2 Δt  K nj1/2 n 1     hnj11  1 h   j  Δz j1  Δz j Δz j Cnj   Δz j  Δz j1 Δz jCnj 

1/2 Δt  K nj1/2

Δz j C

n 1/2 j

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j

 Δz j1  1 Δz j C

n 1/2 j

h

n j

 hnj1  hnj 

Δt C

n 1/2 j

Snj 1/2

[2.102]

Η εξίσωση [2.102] είναι γραμμένη με την ακόλουθη μορφή, η οποία επιλύεται με τον αλγόριθμο του Thomas (ο οποίος περιγράφεται αναλυτικά στην Παράγραφο 2.8.3) :

B jhnj 1  C jhnj11  D j όπου : B j 

Dj 

 Δz

[2.103]

1/2 Δt  K nj1/2 j 1

1/2 Δt  K nj1/2

Δz j C

 Δz j Δz j Cnj

n 1/2 j

 1 , Cj  

 Δz

1/2 Δt  K nj1/2 j 1

1/2 Δt  K nj1/2

Δz j  Δz j1  1 Δz j C

n 1/2 j

 Δz j Δz j Cnj

h

n j

,

 hnj1  hnj 

Δt C

n 1/2 j

Snj 1/2

Από την εξίσωση [2.103] παίρνουμε τελικά : hnj 1  Fj 

D j  C jFj1

[2.104]

B j  C j G j1

2.8.3 Επίλυση συστήματος εξισώσεων με τριδιαγωνικό σύστημα συντελεστών

Όπως είδαμε στις προηγούμενες παραγράφους συστήματα εξισώσεων με τριδιαγωνικό πίνακα συντελεστών των αγνώστων εμφανίζονται πολύ συχνά κατά την αριθμητική επίλυση μερικών διαφορικών εξισώσεων, όπως επίσης και σε διάφορες άλλες εφαρμογές της αριθμητικής ανάλυσης. Τα συστήματα έχουν τη μορφή [Μπαμπατζιμόπουλος 1999] : b1x1 + c1x2 a2x1 + b2x2 + c2x3 a3x2 + b3x3 + c3x4 … aixi-1+bixi +cixi+1 … an-1xn-2 + bn-1xn-1 + cn-1xn anxn-1 + bnxn

= d1 = d2 = d3 = di

[2.105]

= dn-1 = dn

Είναι προφανές ότι από την πρώτη εξίσωση μπορούμε να εκφράσουμε το x1 ως συνάρτηση του x2. Αν αντικαταστήσουμε την τιμή αυτή του x1 στη δεύτερη εξίσωση, θα μας δώσει το x2 ως συνάρτηση του x3. Επαναλαμβάνοντας αυτές τις αντικαταστάσεις μέ-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

43


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

χρι την τελευταία εξίσωση θα πάρουμε απ’ αυτήν την τιμή του xn και με αντίστροφη αντικατάσταση όλους τους υπόλοιπους αγνώστους. Για να αναπτύξουμε λοιπόν τον αλγόριθμο για τη λύση του συστήματος [2.78], πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα τύπο επαναφοράς της μορφής :

xi  Gi xi1  Fi

[2.106]

όπου : Gi, Fi συντελεστές που χρειάζεται να προσδιορισθούν Αντικαθιστώντας στη γενική εξίσωση του συστήματος [2.105] την εξίσωση [2.106] παίρνουμε τελικά : ai  Gi1 x i  Fi1   bi x i  c i x i1  di  x i 

c i a F  di x i1  i i1 aiGi1  bi aiGi1  bi

[2.107]

Απ’ όπου συμπεραίνουμε ότι : Gi 

c i aiGi1  bi

[2.108]

Fi 

aiFi1  di aiGi1  bi

[2.109]

Η εφαρμογή των εξισώσεων [2.108] και [2.109] απαιτεί τις τιμές των Gi και Fi. Από την πρώτη εξίσωση του συστήματος [2.105] παίρνουμε : x1 

d c i x2  1 bi b1

[2.110]

Απ’ όπου συμπεραίνουμε ότι : G1 

c i bi

[2.111.α,β]

d F1  1 b1

Απομένει η εύρεση του xn για να μπορέσουμε να εφαρμόσουμε τον τύπο επαναφοράς [2.106] για τον υπολογισμό των αγνώστων. Αντικατάσταση της [2.106] στην τελευταία εξίσωση του [2.105] δίνει : an  Gn1 x n  Fn1   bn x n  dn  x n 

anFn 1  dn  Fn an Gn 1  bn

[2.112]

Ο παραπάνω αλγόριθμος, που ονομάζεται αλγόριθμος του Τhomas, συνοψίζεται από τις παρακάτω σχέσεις :

xn  Fn xi  Gi xi1  Fi όπου : G1  

[2.113.α]

, i = n-1, n-2, … , 1

[2.113.β]

c1 d , F1  1 , b1 b1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

44


Κεφάλαιο 2ο Κίνηση του εδαφικού νερού και οι ανάγκες σε νερό των καλλιεργειών

Gi  

ci aiGi1  bi

, Fi 

aiFi1  di aiGi1  bi

, i= 2, 3, 4, … , n

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

45


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία 3.1 Γενικά Η εξέλιξη και η διαφοροποίηση που δίνουν οι διάφοροι ερευνητές στο πέρασμα του χρόνου στον ορισμό της λέξης λυσίμετρο δείχνει τις διάφορες χρήσεις στις οποίες μπορούν αυτά να χρησιμοποιηθούν. Έτσι το 1963 οι McIlroy and Agnus αναφέρουν το λυσίμετρο ως ένα κομμάτι εδάφους, το οποίο περιέχεται σε ένα κατάλληλο δοχείο και εί-

ναι εκτεθειμένο σε φυσικές συνθήκες. Ακολούθως το 1969 οι Hillel et al. θεωρούν τα λυσίμετρα ως μεγάλα δοχεία γεμισμένα με έδαφος, τοποθετημένα στον αγρό στα οποία οι

σχέσεις εδάφους-νερού-φυτού μπορούν να παρατηρηθούν ευκολότερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με αυτές που πραγματοποιούνται στον φυσικό εδαφικό προφίλ. Αργότερα το 1982 οι Aboukhaled et al. στο Irrigation and Drainage Paper 39 του F.A.O. δίνουν τον ακόλουθο ορισμό. Μεγάλα δοχεία γεμισμένα με έδαφος (ή περιέχοντας έναν ό-

γκο εδάφους) τοποθετημένα στον αγρό για να αναπαριστούν τις τοπικές συνθήκες, με γυμνό ή καλλιεργούμενο έδαφος και για να υπολογίζουν την εξατμισοδιαπνοή μιας καλλιέργειας ή της καλλιέργειας αναφοράς ή την εξάτμιση από γυμνά εδάφη. Αντίστοιχα το 2003 ο Andien αναφέρει το λυσίμετρο ως ένα δοχείο εξατμισοδιαπνοής το οποίο δίνει τη

δυνατότητα υπολογισμού της στράγγισης, ενώ η μέτρηση της εξατμισοδιαπνοής γίνεται μέσω της διαφοράς του νερού που εφαρμόζεται στην επιφάνειά του και αυτού που στραγγίζει και της μεταβολής του περιεχόμενου νερού. Τέλος ο ορισμός που δίνει η Lanthaler το 2004 - είναι αυτός που υιοθετείται στην παρούσα διατριβή - αναφέρει τα λυσίμετρα ως δοχεία με διαταραγμένους ή αδιατάρακτους όγκους εδάφους, εγκαταστημένα

στην επιφάνεια του εδάφους τα οποία υπολογίζουν τη στράγγιση / έκπλυση από το κάτω μέρος του λυσίμετρου με διάφορες μεθόδους. Η ποικιλομορφία των ορισμών δείχνει την εξέλιξη της λυσιμετρίας στο χρόνο καθώς και το εύρος των εφαρμογών που μπορούν να έχουν τα λυσίμετρα σε διάφορα προβλήματα υδρολογικής φύσης. Παρά το γεγονός ότι τα πρώτα βήματα της λυσιμετρίας τοποθετούνται στο δέκατο έβδομο αιώνα, τα τελευταία πενήντα χρόνια έχουν γίνει σημαντικότατα βήματα στον τομέα αυτό. Οι πρώτες αναζητήσεις στο χώρο της λυσιμετρίας τοποθετούνται στη Γαλλία του

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

46


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

1688. Ο De La Hire μαθηματικός και μετεωρολόγος του Λουδοβίκου του 14ου παρατήρησε ότι σε δοχεία με χλοοτάπητα χάνεται περισσότερο νερό σε σχέση με αυτά που δεν είχαν κάποια καλλιέργεια [Aboukhaled et al. 1982]. Αρκετά αργότερα ο Maurice στη Σουηδία και ο Dalton στην Αγγλία το 1796 ήταν οι πρώτοι οι οποίοι εγκατέστησαν λυσίμετρα. O Dalton συχνά θεωρείται ότι είναι ο πρώτος ο οποίος εγκατέστησε λυσίμετρα [Aboukhaled et al. 1982]. Το πρώτο λυσίμετρο με αδιατάρακτο έδαφος (monolith) κατασκευάστηκε από τους Lawes and Gilbert το 1870 στο Rothamsted της Αγγλίας ενώ το πρώτο λυσίμετρο με ζυγιστικό μηχανισμό κατασκευάστηκε το 1906 από τον Von Seelhorst στη Γερμανία [Aboukhaled et al. 1982]. To 1923 κατασκευάστηκε το πρώτο αδιατάρακτο ζυγιστικό λυσίμετρο από τους Weaver and Christ στο Lincoln των Η.Π.Α. ενώ το 1936 κατασκευάστηκε το πρώτο αδιατάρακτο ζυγιστικό λυσίμετρο με αυτόματα σύστημα καταγραφής στο Coshocton των H.Π.Α. από τους Harrold and Dreibelbis [Grebet and Cuenca 1991]. Ένα από το πρώτα λυσίμετρα “υδρολογικού κύκλου” με αυτόματο σύστημα καταγραφής των φάσεων του υδρολογικού κύκλου (βαθιά διήθηση, εξατμισοδιαπνοή, βροχόπτωση, απορροή) δημιουργήθηκε στο Coshocton του Οχάιο το 1937 [Aboukhaled et al. 1982]. Η πρώτη εγκατάσταση λυσίμετρων με τενσιόμετρα έγινε το 1937 από τη Soil Conservation Service στην πόλη Clarinda των Η.Π.Α. [Grebet and Cuenca 1991]. Τα δύο πρώτα και από το μεγαλύτερα και ακριβέστερα ζυγιστικά λυσίμετρα εγκαταστάθηκαν στο Davis της Καλιφόρνια το 1958 [Pruitt and Angus 1960] και στο Βόρειο Τορόντο του Καναδά του 1969 [Mukammal et al. 1971]. Για εκτενέστερη αναφορά στην ιστορία και την εξέλιξη της λυσιμετρίας ο αναγνώστης παραπέμπεται στους Kohnke et al. [1940], Aboukhaled et al. [1982], Allen et al. [1991a], Grebet and Cuenca [1991], Howell et al. [1991] και στην Lanthaler [2004]. Τα λυσίμετρα απομονώνουν υδρολογικά το έδαφος το οποίο περιέχουν από αυτό που το περιβάλλει [Kutílek and Nielsen 1994] και θεωρούνται ότι προσομοιώνουν καλύτερα τις φυσικές συνθήκες του αγρού σε σχέση με τις εργαστηριακές στήλες εδάφους [Bergström 1990, Hance and Führ 1992, Winton and Weber 1996, Pütz et al. 1998, Abdou and Flury 2004, Meissmer et al. 2008]. Συγκεκριμένα ο OECD [2000] αναφέρει ότι τα λυσίμετρα σε σχέση τις εδαφικές στήλες υπερτερούν διότι i) δεν διαταράσσουν τόσο το εδαφικό προφίλ σε σχέση με τις εδαφικές στήλες (ειδικά μετά τη ζώνη των 25-30 cm), ii) καθιστούν δυνατή την εγκατάσταση καλλιεργειών και δίνουν τη δυνατότητα της μελέτης της κίνησης χημικών ουσιών (στράγγιση, μετασχηματισμοί) σε συστήματα έδαφος - φυτό, οι οποίες σε στήλες εδάφους μελετούνταν χωριστά, iii) επιτρέπουν την καλύτερη ροή μαζών στο εσωτερικό τους. Στην ίδια εργασία δίνονται οι γενικές αρχές σχεδιασμού και Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

47


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

λειτουργίας πειραμάτων σε λυσίμετρα για τη μεταφορά ουσιών. Παρόλο αυτά παρουσιάζονται διαφορές στη ροή του νερού στα λυσίμετρα σε σχέση με τις συνθήκες αγρού που οφείλονται στην κάτω και στις πλευρικές οριακές συνθήκες [Flury et al. 1999, OECD 2000, Kasteel et al. 2007]. Τα λυσίμετρα χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μελέτη της ροής του νερού στο έδαφος και στη μεταφορά των ουσιών [Bergström and Jarris 1993, Pütz et al. 1998, Abdou and Flury 2004]. Ακόμη χρήση λυσίμετρων έχει γίνει για τη βαθμονόμηση μοντέλων και στον προγραμματισμό των αρδεύσεων με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα [Flury et al. 1999, Roy et al. 2000, Abdou and Flury 2003, Goncalves et al. 2005, Herbst et al. 2005, Zhou et al. 2007]. Σύμφωνα με την επίσημη καταμέτρηση της Εuropean Lysimeter Platform (EuLP) το 2006 τα ενεργά λυσίμετρα στη Ευρώπη φθάνουν τα 2452. Πρωτοπόρες χώρες στον χώρο της λυσιμετρίας είναι οι Γερμανία, Ουγγαρία, Γαλλία, Ιρλανδία έχοντας αντίστοιχα 1269, 368, 194, 125 ενεργά λυσίμετρα. Τα δύο μεγαλύτερα εργαστήρια με λυσίμετρα βρίσκονται στο Szarvas της Ουγγαρίας με 320 λυσίμετρα και στο Limburgerhof της Γερμανίας με 252. Από αυτά το 86.2 % (= 2113) είναι μη-ζυγιστικά και το 70 % αυτών περιέχουν διαταραγμένα εδαφικά προφίλ [EuLP 2006].

3.2 Είδη λυσίμετρων Τα λυσίμετρα που έχουν κατασκευασθεί στον κόσμο παρά τις όποιες διαφοροποιήσεις παρουσιάζουν μεταξύ τους ανήκουν σε δύο κατηγορίες, τα ζυγιστικά (weighing / gravitation lysimeters) και τα μη ζυγιστικά (non-weighing lysimeters) [Aboukhaled et al. 1982]. Oι Aboukhaled et al. [1982] και ο Bergström [1990] αναφέρουν ότι τα λυσίμετρα χωρίζονται ανάλογα με το μέγεθος τους, τον τρόπο τοποθέτησης του εδάφους μέσα τους, με τη μέθοδο που υπολογίζουν τη ροή του νερού μέσω αυτών καθώς και με το υλικό κατασκευής τους. Ο τύπος του λυσίμετρου ο οποίος θα επιλεγεί, εξαρτάται από το φύση του πειράματος καθώς και την ακρίβεια των μετρήσεων που θέλουμε να επιτύχουμε. Τα ζυγιστικά λυσίμετρα στηρίζονται στο ότι η καταγραφή των διαφορών στο βάρος τους οφείλεται στην άρδευση / βροχόπτωση αν η διαφορά είναι θετική και στην εξατμισοδιαπνοή στην αντίθετη περίπτωση. Τα λυσίμετρα αυτά επιτρέπουν ακριβείς μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής καλλιεργειών για μικρά χρονικά διαστήματα [Aboukhaled et al. 1982]. Η δυσκολία εγκατάστασης τους σε συνδυασμό με τα υψηλά κόστη κατασκευής τους καθιστούν περιορισμένη της χρήση τους. Οι διαφορετικές τεχνικές ζύγισης που στηρίζονται τα λυσίμετρα αυτά είναι τεσσάρων κατηγοριών : μηχανικής, ηλεκτρονικής, Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

48


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

υδραυλικής, πλωτής (floating) ζύγισης. Η ακρίβεια που μπορούν να επιτύχουν σε mm

ύψους νερού είναι αντίστοιχα 0.05, 0.15, 0.5 με 1, 0.05 [Aboukhaled et al. 1982]. Τα λυσίμετρα αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για τη σύγκριση μεθόδων υπολογισμού εξατμισοδιαπνοής [Xu and Chen 2005] καθώς και για την εύρεση φυτικών συντ��λεστών καλλιεργειών. Ο Wright [1991] με τη βοήθεια δύο λυσίμετρων μηχανικής ζύγισης στο Idaho των Η.Π.Α. παρουσίασε έναν φυτικό συντελεστή για το τριφύλλι μετά από τρεις καλλιεργητικές περιόδους. O Pruitt [1991] παρουσίασε μετά από τετραετή πειράματα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια με τη χρήση λυσίμετρου πλωτής ζύγισης ενός φυτικού συντελεστή για ένα υβρίδιο του καλαμποκιού. Οι Tyagi et al. [2000] παρουσίασαν τα αποτελέσματα του πειραματικού τους για τον υπολογισμό των φυτικών συντελεστών του ρυζιού και του ηλίανθου από δύο ηλεκτρονικής ζύγισης λυσίμετρα στην Ινδία. Για τη λειτουργία των ζυγιστικών λυσίμετρων ενδεικτικά αναφέρονται οι εργασίες των Winter et al. [1959], Van Bavel and Meyers [1962], McIlroy and Agnus [1963], Visser [1965], Brooks and Pruit [1966], WMO [1974], Pruitt [1991], Xiao et al. [2009] στις οποίες φαίνεται και η εξέλιξη των τεχνολογιών που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Σχήμα 3.1 βλέπουμε το υπέργειο και το υπόγειο τμήμα ενός σύγχρονου εργαστηρίου με ζυγιστικά λυσίμετρα σε μία περιοχή της Γερμανίας.

Σχήμα 3.1 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα ζυγιστικών λυσίμετρων στη Νυρεμβέργη (πηγή : Lanthaler [2004])

Τα μη ζυγιστικά χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες : τα στραγγιστικά (drainage, volumetric), τα ισοσταθμιστικά ή σταθερής υπόγειας στάθμης (constant water table) και τα αναπλήρωσης με σταθερή επιφανειακή στάθμη (compensation with constant surface water level). Τα στραγγιστικά λυσίμετρα είναι τα απλούστερα σε κατασκευή και στηρίζουν τη

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

49


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

λειτουργία τους στην ογκομέτρηση του νερού που καταλήγει στο κάτω μέρος τους. Τα λυσίμετρα αυτά στο κάτω μέρος τους, κάτω από το εδαφικό προφίλ έχουν στη συντριπτική του πλειοψηφία μία στρώση χονδρόκοκκων υλικών (άμμος, χαλίκια κ.λπ.). Μέσω αυτής της στρώσης περνάει το νερό το οποίο στραγγίζει από το εδαφικό προφίλ και συγκεντρώνεται σε δοχεία τα οποία βρίσκονται είτε κάτω από τα λυσίμετρα είτε σε ξεχωριστό χώρο έξω από αυτά. Τα στραγγιστικά λυσίμετρα ανάλογα με τη φύση της κάτω οριακής συνθήκης τους χωρίζονται στα ελεύθερης στράγγισης (free-drainage, zero-tension, zero-pressure, bottomless lysimeters) και στα αναρρόφησης (suction-controlled, suction, tension lysimeters). Τα ελεύθερης στράγγισης λυσίμετρα είναι εκτεθειμένα στο κάτω μέρος τους σε ατμοσφαιρική πίεση. Η σχέση, η οποία περιγράφει την κάτω οριακή συνθήκη των λυσίμετρων αυτών για οποιοδήποτε χρόνο t είναι : h(L,t)=0

[3.1]

όπου : h ύψος πίεσης στο βάθος z, L το βάθος του λυσίμετρου Τα ελεύθερης στράγγισης λυσίμετρα κυρίως λόγω του χαμηλού κόστους κατασκευής και συντήρησης είναι τα πιο διαδεδομένα. Στη χρήση και στις δυνατότητες των λυσίμετρων αυτών ενδεικτικά αναφέρονται οι εργασίες των Shaw and Jones [1974], Till and McCabe [1976], King et al. [1977], Cannel et al. [1980], Reeder [1986], Bergström [1987], Kelemen and Ingram [1999], Roy et al. [2000], Struthers et al. [2003], Abdou and Flury [2004], Goncalves et al. [2005], Herbst et al. [2005], Kasteel et al. [2007]. Λόγω του γεγονότος ότι αυτά τα λυσίμετρα απαιτούν τον κορεσμό της κατώτερης εδαφικής στρώσης για τη δημιουργία στράγγισης, θεωρούνται ότι δεν προσομοιώνουν ικανοποιητικά την βαθιά διήθηση. Η επίδραση της κάτω οριακής συνθήκης σε σχέση με τη ροή του νερού, την κίνηση και τη συγκέντρωση ουσιών μελετήθηκε από τους Kubiak et al. [1988], Μagid et al. [1992], Pütz et al. [1992], Weber and Keller [1994], Jene et al. [1998], Flury et al. [1999]. Στα Σχήματα 3.2.α,β και 3.3.α,β βλέπουμε το υπέργειο και το υπόγειο τμήμα λυσίμετρων ελεύθερης στράγγισης στην Γερμανία και την Αυστρία αντίστοιχα.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

50


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

Σχήμα 3.2 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων ελεύθερης στράγγισης στην Dedelow της Γερμανίας (πηγή : Lanthaler [2004])

Σχήμα 3.3 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων ελεύθερης στράγγισης στην Gumpenstein της Αυστρίας (πηγή : Lanthaler [2004])

Την αδυναμία αυτή έρχεται να καλύψει η δεύτερη κατηγορία στραγγιστικών λυσίμετρων, τα λυσίμετρα αναρρόφησης [Hillel et al. 1969, Armijo et al. 1972, Cronan 1978, Wong et al. 1987, Bergström 1990, Nordmeer and Aderhold 1994, Young et al. 1996, Brye et al. 1999, Jabro et al. 2001, Kosugi and Kotsuyama 2004, Mertens et al. 2005]. Στα λυσίμετρα αυτά η συγκέντρωση του νερού που στραγγίζει γίνεται μέσω δίσκων πίεσης οι οποίες τοποθετούνται στο κάτω μέρος των λυσίμετρων εφαρμόζοντας πίεση ίση με αυτή του εδάφους έξω από το λυσίμετρο η οποία μετράται με τενσιόμετρα. Στα λυσίμετρα αναρρόφησης ο ρυθμός και όγκος στράγγισης είναι μεγαλύτερος σε σχέση με τα ελεύθερης στράγγισης [Colman 1946, Dowdell and Webster 1980, Bergström 1990, Flury et al. 1999]. Παρόλο που προτείνουν την ιδανική λύση - πέραν του κόστους συντήρησης και της δυσκολίας εγκατάστασης - τα λυσίμετρα μύζησης σε σχέση με την κίνηση του εδαφικού νερού και τη στράγγιση, έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία προβλήματα σε σχέση με την χημική αντίδραση του υλικού των δίσκων πίεσης με το νερό που στραγγίζει Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

51


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

(ειδικά όταν αυτό περιέχει χημικές ουσίες) [Rasmussen et al. 1986, Rimmer et al. 1995a,b, Goyne et al. 2000, Abdou and Flury 2004] καθώς και προβλήματα που προέρχονται από σπασίματα της κεραμικής πλάκας πράγμα που οδηγεί και σε υπερεκτίμηση της στράγγισης. Το υπέργειο και υπόγειο τμήμα ενός λυσίμετρου αναρρόφησης στη Γερμανία βλέπουμε στο Σχήμα 3.4.

Σχήμα 3.4 Υπέργειο και υπόγειο τμήμα λυσίμετρων αναρρόφησης στην Jülich της Γερμανίας (πηγή : Lanthaler [2004])

Τα ισοσταθμιστικά λυσίμετρα διαφέρουν σε σχέση με τα υπόλοιπα. Στον πυθμένα των λυσίμετρων αυτών τοποθετείται μία στρώση από χονδρόκοκκο υλικό μέσα στην οποία τοποθετείται ένα δίκτυο από διάτρητους σωλήνες. Οι σωλήνες αυτοί με κατάλληλη διάταξη συνδέονται με ένα ογκομετρικό δοχείο νερού το οποίο είναι έτσι ρυθμισμένο ώστε η στάθμη του νερού στο λυσίμετρο να διατηρείται σταθερή και να ταυτίζεται με το άνω όριο της στρώσης του χονδρόκοκκου υλικού. Το έδαφος πάνω από τη στρώση αυτή εφοδιάζεται με νερό με τριχοειδή ανύψωση. Το νερό αυτό που χάνεται μέσω της εξατμισοδιαπνοής αναπληρώνεται από το ογκομετρικό δοχείο, διατηρώντας πάντοτε σταθερή τη στάθμη του νερού μέσα στη δεξαμενή. Η εξατμισοδιαπνοή κατά τη διάρκεια μίας περιόδου αντιστοιχεί στη μεταβολή του όγκου του νερού στο ογκομετρικό δοχείο κατά την περίοδο αυτή. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής σε αυτά τα λυσίμετρα συνιστάται να γίνεται σε δεκαήμερη βάση [Aboukhaled et al. 1982]. Ένα καταγεγραμμένο μειονέκτημα που παρουσιάζουν τα ισοσταθμιστικά λυσίμετρα είναι το γεγονός ότι σε συνθήκες μεγάλης ζήτησης νερού από τα φυτά η τριχοειδής ανύψωση δεν επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες τους προκαλώντας έτσι ανομοιομορφία και υστέρηση στην ανάπτυξη των φυτών καθώς και υποεκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής [Robelin 1962, Puech and Herhandez 1973]. Γενικά η χρήση ισοσταθμιστικών λυσίμετρων συνίσταται σε περιοχές με υψηλή υπόγεια στάθμη ώστε να προσομοιώνονται στο λυσίμετρο οι συνθήκες της περιοχής [Ab-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

52


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

oukhaled et al. 1982]. Στη Γερμανία τα ελεύθερης στράγγισης λυσίμετρα χρησιμοποιούνται για την πιστοποίηση φυτοφαρμάκων [BBA 1990] και η Ευρωπαϊκή Ένωση προτείνει τη χρήση τους ως εργαλείο πιστοποίησης και έγκρισης φυτοφαρμάκων [European Community 1995] δίνοντας και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τα οποία αυτά θα έχουν. Εργασίες για την κίνηση φυτοφαρμάκων στο έδαφος με τη χρήση λυσίμετρων ενδεικτικά αναφέρονται οι εργασίες των Boesten [1994], Keller and Weber [1995], Vink et al. [1997], Schoen et al. [1999] και Mikata et al. [2003]. Τα λυσίμετρα αναπλήρωσης με σταθερή επιφανειακή στάθμη (compensation with constant surface water level) ομοιάζουν με τα ισοσταθμιστικά με τη διαφορά ότι διατηρούν σταθερή στάθμη νερού πάνω από το έδαφος. Η αναπλήρωση του νερού που χάνεται μέσω της εξατμισοδιαπνοής γίνεται με ένα πλωτό υδραυλικό σύστημα και γίνεται ο υπολογισμός της μέσω αυτού. Λόγω της φύσης των λυσίμετρων η χρήση τους είναι ιδιαίτερα περιορισμένη αφού απαιτεί υδρόβιες καλλιέργειες. Η εγκατάσταση, οι δυνατότητες και η λειτουργία τέτοιων λυσίμετρων παρουσιάζονται στις εργασίες των Dastane et al. [1966] και UNDP/WMO [1974]. Ανάλογα με τον τρόπο τοποθέτησης του εδάφους μέσα στα λυσίμετρα, αυτά χωρίζονται σε αδιατάρακτα (undisturbed, monolith, natural lysimeters) στα οποία το έδαφος τοποθετείται μέσα τους αδιατάρακτο και σε διαταραγμένα (disturbed, filled-in, repacked lysimeters) στα οποία το έδαφος διαταράσσεται και έπειτα επανατοποθετείται μέσα τους [Bergström 1990]. Η εγκατάσταση λυσίμετρων με αδιατάρακτο έδαφος παρουσιάζει, πέραν του αυξημένου κόστους κατασκευής [Bhardwaj and Sastry 1979, Marek et al. 1988], ιδιαίτερες δυσκολίες κατά την εξαγωγή του εδάφους (ειδικά στην περίπτωση που το έδαφος είναι αμμώδες) και κατά την σωστή μεταφορά και τοποθέτησή του. Οι διάφορες τεχνικές εγκατάστασης αδιατάρακτων λυσίμετρων αναλύονται στις εργασίες των Armijo et al. [1972], Fritschen et al. [1973], Belford [1979], Kitching and Shearer [1982], Jarczyk [1983], Scheider and Howell [1991], OECD [2000], Derby et al. [2002]. Σε αντίθεση με τα αδιατάρακτα, την πλειοψηφία των λυσίμετρων αποτελούν τα διαταραγμένα λυσίμετρα. Πέραν του χαμηλότερου κόστους κατασκευής και εγκατάστασης δίνουν τη δυνατότητα της δημιουργίας πολλών διαφορετικών εδαφικών προφίλ σε γειτονικά λυσίμετρα. Παρόλα αυτά έχουν παρατηρηθεί προβλήματα κατά την τοποθέτηση των διαφορετικών εδαφικών στρώσεων στο λυσίμετρο δημιουργίας αδιαπέρατων στρώσεων (λόγω της συμπίεσης του εδάφους) ή και εγκλωβισμού αέρα στο εσωτερικό τους. Ενδεικτικά για τ��ν εγκατάσταση και λειτουργία τέτοιων λυσίμετρων αναφέρονται οι εργασίες Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

53


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

των Pruitt and Agnus [1960], Scholl and Hibbert [1973], King et al. [1977], Farrell et al. [1984]. Οι σημαντικές διαφορές που παρουσιάζει η κίνηση του νερού και των ουσιών στα αδιατάρακτα και στα διαταραγμένα λυσίμετρα αναλύονται στις εργασίες των Cassell et al. [1974] και Bergström [1987]. Οι ΜcMahon and Thomas [1974] παρατήρησαν ότι η ροή στράγγισης σε ένα αδιατάρακτο λυσίμετρο παρουσίαζε μεγαλύτερη ασυνέχεια σε σχέση με ένα διαταραγμένο λυσίμετρο με την ίδια κοκκομετρική σύνθεση και το ίδιο πορώδες. Τα αμμώδη εδάφη στην ίδια εργασία φαίνεται να επηρεάζονται λιγότερο ενώ οι διαφορές που παρουσιάζει η ροή στράγγισης στα βαριά εδάφη είναι πολύ μεγαλύτερες μεταξύ διαταραγμένων και μη εδαφικών προφίλ. Οι Howell et al. [1985] παρουσιάζουν τις διαφορές στις τιμές της εξατμισοδιαπνοής του περιβάλλοντα χώρου και του διαταραγμένου λυσίμετρου το οποίο όμως έχει την ίδια στρωμάτωση και σύσταση με του περιβάλλοντα χώρου. H Lanthaler [2004] διαχωρίζει τα λυσίμετρα ανάλογα με το μέγεθος της επιφάνειας του σε μικρά (< 0.5 m2), μέσα (0.5 - 1 m2) και μεγάλα (> 1 m2) καθώς και με το είδος της βλάστησης που περιέχουν χέρσο, γρασίδι, αροτριαίες καλλιέργειες και δασικές - δενδρώδεις. Τα υλικά κατασκευής των λυσίμετρων ποικίλουν και για τη σωστή επιλογή τους πρέπει να ληφθούν υπόψη το κόστος των υλικών, το βάρος και η ευκολία μετακίνησης, η θερμική αγωγιμότητα και οι ενδεχόμενες χημικές αντιδράσεις μεταξύ του υλικού των λυσίμετρων, του εδάφους και του νερού [Bergström 1990]. Έτσι στη βιβλιογραφία παρουσιάζονται ως υλικά κατασκευής πέραν της πλειοψηφίας του οπλισμένου σκυροδέματος [Jensen 1982, Shih and Rosen 1985], ο ανοξείδωτος χάλυβας [Führ et al. 1976, Majka et al. 1982, Brown et al. 1985 και Bowman 1988], το fiberglass [Belford 1979, Wong et al. 1987] και διάφορα είδη πλαστικών [Shaw and Jones 1974, Dowdell and Webster 1980, Bergström 1987]. Στο Σχήμα 3.5 γίνεται η γραφική παράσταση σε μορφή οργανογράμματος των διάφορων ειδών λυσίμετρων. Ο διαχωρισμός γίνεται, όπως περιγράφηκε στα προηγούμενα, ανάλογα με τον τρόπο γεμίσματος του εδάφους στο εσωτερικό των λυσίμετρων, με το μέγεθος αυτών καθώς και με την ύπαρξη ή όχι ζυγιστικού μηχανισμού μαζί με τις υποκατηγορίες αυτών.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

54


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

Σχήμα 3.5 Είδη λυσίμετρων

3.3 Επιφάνεια και περιβάλλων χώρος λυσίμετρων Οι παρατηρήσεις που προκύπτουν με χρήση λυσίμετρων δεν είναι άμοιρες σφαλμάτων. Τα σφάλματα αυτά, σε πολλές περιπτώσεις, μπορεί να είναι και ουσιώδη και σημαντικά και για το λόγο αυτό πολλοί ερευνητές ασχολήθηκαν με την ανάλυση των σφαλμάτων αυτών. Πολλά σφάλματα οφείλονται στη δυσκολία καθορισμού της πραγματικής εξατμίζουσας και διαπνέουσας φυτικής επιφάνειας του δοχείου του λυσίμετρου, η οποία δεν συμπίπτει με την εσωτερική επιφάνεια του δοχείου του. Η πρώτη είναι συνήθως μεγαλύτερη από τη δεύτερη, διότι τα φύλλα και οι βλαστοί της εσωτερικής βλάστησης του λυσίμετρου εκτείνονται προς τα έξω σε μεγαλύτερο βαθμό από ότι η εξωτερική βλάστηση προς το εσωτερικό του. Επίσης, αν ο δακτύλιος του δοχείου δεν καλύπτεται πλήρως από τη βλάστηση, αισθητή θερμότητα και ακτινοβολία μπορεί να μεταφερθεί από τα τοιχώματά προς την εσωτερική βλάστηση, με αποτέλεσμα αύξηση της εξατμισοδιαπνοής. Το σφάλμα που προκύπτει στην περίπτωση αυτή, κατά τους Allen et al. [1994], εκφρασμένο σε ποσοστό στα εκατό για κυκλικά λυσίμετρα είναι περίπου ίσο με δύο φορές το λόγο της διαμέτρου της επιφάνειας της βλάστησης προς την εσωτερική διάμετρο του δοχείου του λυσίμετρου. Αυτό σημαίνει ότι, αν το πάχος του δακτυλίου είναι 10 cm σε ένα δοχείο διαΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

55


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

μέτρου 1 m και η βλάστηση εκτείνεται 5 cm πέρα από το εσωτερικό του δοχείου, το σφάλμα θα είναι της τάξης του 10 %. Οι Allen et al. [1991b] και Pruitt [1991] αναφέρουν σφάλματα της τάξης του 20 - 50 % που οφείλονται σε λάθη προσδιορισμού της φυτικής επιφάνειας του λυσίμετρου. Σφάλματα της τάξης του 20 % είναι πολύ κοινή περίπτωση [Παπαζαφειρίου 1999]. Οι Sarraf et al. [1969] αναφέρουν υπερεκτίμηση της τάξης του 10 % ενός λυσίμετρου 0.27 m2 σε σχέση με ένα 4 m2 χρησιμοποιώντας μηνιαία δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Η διαφορά αυτή αυξήθηκε στο 17 % όταν χρησιμοποίησαν 10 ημερών δεδομένα. Αντίθετα η διαφορά ήταν ελάχιστη (της τάξης του 1 και 2 %) μεταξύ ενός στραγγιστικού λυσίμετρου 4 m2 και ενός ζυγιστικού 16 m2 για μηνιαίο υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής. Σε ανάλογα αποτελέσματα κατέληξαν οι Samie and de Villèle [1970] μετά από διετές πείραμα και στο ότι λυσίμετρα με εμβαδό 0.27 m2 και 2 m2 υπερεκτιμούν την εξατμισοδιαπνοή σε σχέση με ένα λυσίμετρο των 5 m2 κατά 27 % και 8 % αντίστοιχα. Επίσης συνιστούν ως ελάχιστο δυνατό εμβαδόν λυσίμετρων για πειράματα δυναμικής εξατμισοδιαπνοής τα 2 m2. Οι Aboukhaled et al. [1982] συνιστούν για πειράματα μέτρησης εξατμισοδιαπνοής το εμβαδόν των 4 m2 για καλλιέργειες με μικρή απόσταση φύτευσης. Εκτός από το εμβαδόν του ίδιου του λυσίμετρου μεγάλη σημασία έχει - ιδιαίτερα σε ξηρά και ημίξηρα κλίματα - ο περιβάλλων χώρος των λυσίμετρων και η ομοιομορφία της βλάστησης εντός και εκτός αυτών. Ο Thornthwaite and Mather [1955] προτείνει σε ξηρά κλίματα τη χρήση περιβάλλοντα χώρου 400 φορές μεγαλύτερο από το εμβαδόν των λυσίμετρων. Το ύψος της βλάστησης μέσα και έξω από το λυσίμετρο πρέπει να είναι ακριβώς το ίδιο. Τα αποτελέσματα που έχει η ανομοιομορφία ύψους της βλάστησης μέσα και έξω από το λυσίμετρο στην εξατμισοδιαπνοή έχουν διεξοδικά αναλυθεί και επισημανθεί από τους van Bavel et al. [1963], Pruitt and Lourence [1985], Meyer and Mateos [1990], Pruitt [1991] και Allen et al. [1991b]. Όταν η βλάστηση στο λυσίμετρο είναι ψηλότερη της εξωτερικής, οι μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής έδειξαν ότι αυτή μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 30 - 40 % σε σχέση με την εξωτερική. Αντίστροφα αποτελέσματα παρατηρούνται όταν η βλάστηση του λυσίμετρου είναι χαμηλότερη της εξωτερικής. Είναι χαρακτηριστικό ότι, όπως αναφέρουν οι Meyer and Mateos [1990], η εξατμισοδιαπνοή περιορίστηκε κατά 30 % στη σόγια όταν η βλάστηση του λυσίμετρου ήταν κατά 10 cm χαμηλότερη από την εξωτερική. Αντίθετα οι Grebet and Cuenca [1991], παρατήρησαν ότι η εξατμισοδιαπνοή ήταν αυξημένη κατά 30 % σε ένα λυσίμετρο που η βλάστησή του ήταν ψηλότερη από την εξωτερική κατά τον πρώτο χρόνο των παρατηρήσεων, ως συνέπεια της μικρότερης Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

56


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

πυκνότητας του εδάφους στο εσωτερικού του λυσίμετρου. Ο Penman [1963] υπολόγισε ότι η ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από ένα μικρό λυσίμετρο διαμέτρου 60 cm ήταν διπλάσια όταν τα φυτά στο εσωτερικό των λυσίμετρων ήταν 15 cm ψηλότερα από αυτά του περιβάλλοντα χώρου. Οι McIlroy and Agnus [1963] κατέληξαν σε μηνιαίες τιμές εξατμισοδιαπνοής μεγαλύτερες κατά 30 % όταν το γρασίδι στο εσωτερικό των λυσίμετρο ήταν κατά 10 cm υψηλότερο σε σχέση αυτό στον περιβάλλοντα χώρο. Ο Stanhill [1965] αναφέρει ότι τα 50 πρώτα μέτρα γύρω από το λυσίμετρο είναι σημαντικά για τη ροή του αέρα και ότι μετά τα 200 μέτρα η ροή αυτή δεν επηρεάζει το λυσίμετρο. Ενώ οι Perrier [1976] και Itier et al. [1978] κατέληξαν στο ότι η σχέση η οποία συνδέει την απόσταση του λυσίμετρου από την άκρη του περιβάλλοντα χώρου και το ποσοστό που αυτή επηρεάζει τη ροή του αέρα μέσα σε αυτά, είναι εκθετικής μορφής (με εκθέτη περίπου ίσο με -0.15). Ο Fougerouge [1966] μελέτησε αποστάσεις γύρω από τα λυσίμετρα από 1 έως 5 μέτρα καταλήγοντας στο ότι για απόσταση 1 μέτρου οι τιμές της εξατμισοδιαπνοής ήταν αυξημένες κατά 100 %, ενώ θεώρησε τις τιμές της εξατμισοδιαπνοής αποδεκτές για απόσταση 5 m. Ο Mitchell [1966] κατέληξε στο ότι σε μικρά λυσίμετρα με μικρό περιβάλλοντα χώρο (της τάξης των 6 m ή και μικρότερο) η ροή του αέρα προκαλεί αύξηση στις τιμές της εξατμισοδιαπνοής της τάξης του 50 - 85 %. Ο Tanner [1967] συνιστά ότι ο περιβάλλων χώρος των λυσίμετρων πρέπει να φυτεύεται, λιπαίνεται, αρδεύεται και γενικότερο η διαχείρισή του να είναι ίδια με αυτή του λυσίμετρου. O Chang [1968] πρότεινε 4 προϋποθέσεις για πειράματα εξατμισοδιαπνοής όσον αφορά το σχεδιασμό και τη λειτουργία λυσίμετρων : i) το λυσίμετρο πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδρα-

ση των οριακών συνθηκών και αρκετά βαθύ για να αναπτύσσεται απρόσκοπτα η ρίζα του φυτού, ii) οι φυσικές συνθήκες μέσα στο λυσίμετρο πρέπει να είναι αντίστοιχες με αυτές

του περιβάλλοντα χώρου, iii) το ύψος των φυτών, η πυκνότητα και η διαρρύθμιση των φυτών μέσα στο

λυσίμετρο πρέπει να είναι ίδια με αυτά έξω από αυτό και iv) μεγάλος περιβάλλοντας χώρος πρέπει να υπάρχει γύρω από το λυσίμετρο.

Οι Sarraf et al. [1969] παρατήρησαν ότι όταν άρδευαν πιο συχνά το γρασίδι μέσα

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

57


Κεφάλαιο 3ο Λυσιμετρία

στο λυσίμετρο σε σχέση με του περιβάλλοντα χώρου κατέληξαν σε τιμές εξατμισοδιαπνοής υψηλότερες κατά 30 % περίπου μέσα στο λυσίμετρο. Οι Kowal and Stockiner [1973] προτείνουν ομοιόμορφη ανάπτυξη καλλιέργειας σε ακτίνα 60 m γύρω από το λυσίμετρο. Οι Perrier et al. [1974] διαπίστωσαν ότι τοπική φυσική και βιολογική ανομοιογένεια προκάλεσε μεταβολή της εξατμισοδιαπνοής της τά��ης του 2 - 3 % σε επιφάνεια 5 m2 καλυμμένης με χορτοτάπητα, η οποία αυξήθηκε σε 10 % όταν το ίδιο λυσίμετρο καλλιεργήθηκε με καλαμπόκι. Τα σφάλματα αυτά αυξάνονται όσο η επιφάνεια του λυσίμετρου περιορίζεται. Οι Pruitt and Lourence [1985] αναφέρουν αύξηση 10 % στις τιμές του φυτικού συντελεστή σε ένα πειραματικό με καλαμπόκι όταν τα φυτά στο εσωτερικό του λυσίμετρου ήταν κατά 20 με 30 cm ψηλότερα σε σχέση με αυτά του περιβάλλοντα χώρου. Οι Dugas and Bland [1989] αναφέρουν αύξηση 44 % στις τιμές της εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας σόγιας όταν ο περιβάλλων χώρος έφτανε 0.01 του εκταρίου (= 100 m2). Οι Meyers et al. [1990] αναφέρουν 30 % μείωση τιμών εξατμισοδιαπνοής σε καλλιέργεια σόγιας μέσα στο λυσίμετρο όταν το ύψος των φυτών μέσα σε αυτό ήταν κατά 10 cm χαμηλότερο. Οι Howell et al. [1991] προτείνουν την ακτίνα των 50 m ή το ένα εκτάριο ως εμβαδό για τον περιβάλλοντα χώρος του λυσίμετρου. Ο OECD [2000] προτείνει ως ελάχιστο εμβαδόν λυσίμετρων τα 0.5 m2, ενώ συνιστά για την εξάλειψη των επιρροών ροής από τις πλευρές αυτών το 1 m2 και το συνιστώμενο βάθος να είναι μεταξύ 1 και 1.3 m. Πέρα από αυτά, η γύρω από το λυσίμετρο περιοχή πρέπει να είναι ελεύθερη από κάθε είδους εμπόδιο, όπως είναι φυτοφράχτες, κάθε είδους υπέργειες κατασκευές, δρόμοι και ακάλυπτες επιφάνειες. Όλα αυτά επηρεάζουν δραστικά το μικροκλίμα, με αποτέλεσμα μεγάλα σφάλματα στη μέτρηση της εξατμισοδιαπνοής. Μελέτες πάνω σε αυτό το θέμα δείχνουν ότι σε ακτίνα τουλάχιστον 100 m γύρω από το λυσίμετρο η περιοχή πρέπει να είναι ελεύθερη από κάθε είδους εμπόδιο [Παπαζαφειρίου 1999]. Όλα τα παραπάνω δείχνουν την εξαιρετική φροντίδα που πρέπει να λαμβάνεται κατά το σχεδιασμό και την εκτέλεση πειραματικών με τη χρήση λυσίμετρων για την ελαχιστοποίηση της ύπαρξης σφαλμάτων.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

58


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 4.1 Γενικά - συνοπτική περιγραφή πειραματικού Για τη θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στο έδαφος έγιναν λεπτομερείς μετρήσεις και δειγματοληψίες για τη μελέτη των χαρακτηριστικών του εδάφους (εδαφολογικών και υδραυλικών), των υδατικών εισροών και εκροών και την ανάπτυξη των φυτών σε λυσίμετρα του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων του Εθνικού Ιδρύματος Αγροτικής Έρευνας στη περιοχή της Σίνδου Θεσσαλονίκης (Εικόνα 4.1). Στον αγρό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τέσσερα λυσίμετρα ελεύθερης στράγγισης εμβαδού 4 m2 το καθένα και η καλλιέργεια που επιλέχθηκε είναι το βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.). Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται οι απαραίτητες μετρήσεις που έλαβαν χώρα την καλλιεργητική περίοδο του 2007 στον παραπάνω πειραματικό αγρό για τον προσδιορισμό των μεταβλητών εισόδου του μοντέλου προσομοίωσης S.W.BA.CRO.S. [Babajimopoulos et al. 1995] με σκοπό την προσομοίωση της κίνησης του νερού στο έδαφος και τον υπολογισμό του υδατικού ισοζύγιου. Οι μετρήσεις αυτές αφορούσαν : 1. τις φυσικές και υδραυλικές ιδιότητες του εδάφους των λυσίμετρων. Οι φυσικές ιδιότη-

τες αφορούν τη μηχανική σύσταση και την εκτίμηση της φαινόμενης πυκνότητας. Οι υδραυλικές ιδιότητες αφορούν την εκτίμηση των παραμέτρων της χαρακτηριστικής καμπύλης της υγρασίας του εδάφους και της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας. 2. την μεταβολή της εδαφικής υγρασίας. Η μέτρηση της μεταβολής αυτής επιτυγχανόταν

με ημερήσιο χρονικό βήμα σε τρία λυσίμετρα και με ωριαίο χρονικό βήμα σε ένα λυσίμετρο σε όλη την εδαφική κατατομή των λυσίμετρων με κατάλληλους αισθητήρες μέτρησης υγρασίας. 3. τα μετεωρολογικά στοιχεία. Τα μετεωρολογικά στοιχεία μετρούνταν από το μετεωρο-

λογικό σταθμό που εγκαταστάθηκε στην άκρη του πειραματικού και μέσω αυτών γινόταν ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. 4. τις παραμέτρους ανάπτυξης της καλλιέργειας. Οι παράμετροι αυτοί αναφέρονται στο

δείκτη φυλλικής επιφάνειας και στη μεταβολή του βάθους του ριζικού συστήματος.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

59


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Εικόνα 4.1 Χάρτες Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων και πειραματικού λυσίμετρων

Το πειραματικό αποτελείται από τέσσερα διαταραγμένα, ελεύθερης στράγγισης λυσίμετρα και εσωτερικής διαμέτρου 4 m2. Τα τοιχώματα των λυσίμετρων είναι κατασκευασμένα από σκυρόδεμα και έχουν πάχος 20 cm. Το βάθος του εδάφους μέσα στο λυσίμετρο φθάνει το 1 m και μετά από αυτό υπάρχει χονδρόκοκκο υλικό (άμμος και χαλίκια) για να διευκολύνεται η συγκέντρωση της στράγγισης. Στο κάτω μέρος των λυσίμετρων υπάρχει αγωγός που οδηγεί το νερό που στραγγίζει έξω από αυτά, στα φρεάτια. Ανά δύο τα λυσίμετρα - και σε απόσταση 1 m από αυτά - έχουν ανάμεσα τους ένα φρεάτιο στράγγισης το οποίο κλείνει από πάνω για την αποφυγή εισροής βροχής μέσα σε αυΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

60


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

τά. Τα φρεάτια αυτά εμβαδού 1 m2 έχουν σκάλα που οδηγεί στο αγωγούς στράγγισης στην άκρη των οποίων τοποθετούνται τα δοχεία ογκομέτρησης. Οι κατόψεις και οι φωτογραφίες του πειραματικού παρουσιάζονται στο Παράρτημα Δ.

4.2 Βαμβάκι 4.2.1 Γενικά

Το βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.) είναι ένα φυτό με τεράστιο οικονομικό ενδιαφέρον, το οποίο φέρεται ότι ήταν γνωστό και το καλλιεργούσαν σε προϊστορικούς χρόνους, προέρχεται δε από τροπικές ή υποτροπικές περιοχές, ενώ στην άγρια φύση του είναι πολυετές. Στις περισσότερες βαμβακοπαραγωγικές περιοχές του κόσμου, η καλλιέργειά του είναι μονοετής. Ανήκει στην οικογένεια Malvaceae και είναι του γένους Gossypium. Το βαμβάκι διαφέρει από τις άλλες αγροτικές καλλιέργειες, ως προς το γεγονός ότι αν και θεωρείται διεθνώς ως ελαιούχος καλλιέργεια, καλλιεργείται κυρίως για τις ίνες του οι οποίες αποτελούν τη βασικότερη πρώτη ύλη για τη βιομηχανία της κλωστοϋφαντουργίας σε παγκόσμιο επίπεδο σήμερα. Επιπλέον από το σπόρο του, μετά από ειδική επεξεργασία παράγεται το βαμβακέλαιο, το οποίο βρίσκει πολλαπλές χρήσεις στην ανθρώπινη διατροφή και η βαμβακόπιτα που αποτελεί σημαντική πηγή φυσικής πρωτεΐνης στη διατροφή του ζωικού κεφαλαίου. Όσον αφορά τη μεταποίηση του βαμβακιού, η πρώτη διαδικασία που λαμβάνει χώρα μετά τη συλλογή του είναι η εκκόκκιση και θεωρείται καθοριστικής σημασίας για τα παραγόμενα προϊόντα και ιδιαίτερα για την ίνα του βαμβακιού. Επίσης, η παραγωγική διαδικασία του βαμβακιού είναι στενότατα συνδεδεμένη με τη διαδικασία της εκκόκκισης, καθώς το σύσπορο βαμβάκι, που είναι το προϊόν των βαμβακοπαραγωγών, δεν προσφέρεται για καμία απολύτως χρήση και η εκκόκκιση είναι αναγκαία προκειμένου να καταστεί χρήσιμο για τη βιομηχανία της κλωστοϋφαντουργίας. Η καλλιέργεια του βαμβακιού στη χώρα μας διεξάγεται σχεδόν σε όλες τις περιοχές από την Κεντρική Ελλάδα μέχρι και τη Θράκη καταλαμβάνοντας μια έκταση περίπου 3,530,000 στρεμμάτων αντιστοιχώντας περίπου στο 10 % της συνολικής γεωργικής γης, στο 28 % περίπου της αρδευόμενης έκτασης, στο 40 % των αρδευομένων αροτριαίων καλλιεργειών και στο 18.9 % της έκτασης των ετήσιων καλλιεργειών [Γεωργία και Κτηνοτροφία 2004]. Η ελληνική βιβλιογραφία, σχετικά με το βαμβάκι, έχεις ως σημείο αναφοράς το βιβλίο του Χρηστίδη [1965] με τίτλο “Το βαμβάκι”. Παρά το γεγονός ότι η εργασία αυτή εκπονήθηκε πριν πολλά χρόνια, η αναφορά της κρίνεται απαραίτητη, αποτελώντας για την εποχή εκείνη το μοναδικό επιστημονικό εγχειρίδιο για την ελληνική βαμβακοκαλλιέργεια Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

61


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

και η συμβολή του στην ανάπτυξη του κλάδου υπήρξε καθοριστική. Στο βιβλίο γίνεται λεπτομερής αναφορά σε κάθε στάδιο της εκμετάλλευσης από τη σπορά μέχρι τη μεταποίηση του προϊόντος. Μεταγενέστερο εγχειρίδιο το οποίο αναφέρεται στα βιομηχανικά φυτά και ως εκ τούτου και στο βαμβάκι αποτελεί το βιβλίο της Παπακώστα-Τασοπούλου [2002] με τίτλο “Βιομηχανικά Φυτά”. Στο βιβλίο αυτό γίνεται αναφορά σε κάθε στάδιο της εκμετάλλευσης από τη σπορά μέχρι τη μεταποίηση του προϊόντος καθώς και στους εχθρούς και τις ασθένειες της καλλιέργειας με τους τρόπους αντιμετώπισής τους. 4.2.2 Μορφολογία

Το ριζικό σύστημα του βαμβακιού αποτελείται από μία πασσαλώδη ρίζα, η οποία εισχωρεί κατακόρυφα στο έδαφος και μπορεί να φθάσει σε βάθος 1.2 μέτρων [Anadranistakis et al. 2000], 1.8 μέτρων [Doorenbos and Kassam 1979] ή και 2 μέτρων [Παπακώστα-Τασοπούλου 2002]. Σε απόσταση 10 - 15 cm από το σημείο έναρξης σχηματισμού της ρίζας, αναπτύσσονται πολυάριθμες πλάγιες ρίζες, οι οποίες επεκτείνονται κυρίως οριζόντια σε αρκετό όγκο εδάφους. Τρίτης τάξης διακλαδώσεις σχηματίζονται σε απόσταση περίπου 5 cm από το σημείο έναρξης σχηματισμού των δεύτερης τάξης διακλαδώσεων. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται ένα δίκτυο ριζών. Ο μεγαλύτερος όγκος του ριζικού συστήματος κατανέμεται στα πρώτα 90 cm του εδάφους, αλλά το βάθος αυτό εξαρτάται από τη μηχανική σύσταση, τη δομή και την υγρασία του εδάφους. Η ανάπτυξη των ριζών σταματά αν συναντήσει σκληρό έδαφος ή έδαφος κορεσμένο με νερό ή πολύ αλκαλικό ορίζοντα. Αν το κύριο άκρο της ρίζας καταστραφεί για οποιοδή��οτε λόγο, τη θέση της παίρνουν μία ή περισσότερες από τις πλάγιες ρίζες. Η ανάπτυξη του ριζικού συστήματος ευνοείται από τον καλό αερισμό, την επαρκή υγρασία και τη θερμοκρασία γύρω στους 20 - 25 οC. Η συνολική ξηρά ουσία των ριζών αποτελεί το 10 - 20 % της συνολικής ξηράς ουσίας που παράγει το φυτό καθ’ όλη τη διάρκεια της βλαστικής περιόδου [Oosterhuis 1990]. Παρατηρούνται τριών τύπων φύλλα : οι κοτυληδόνες (νεφροειδές σχήμα), τα παράφυλλα (τα πρώτα φύλλα που σχηματίζονται στο βλαστό) και τα πραγματικά φύλλα. Κάθε πραγματικό φύλλο αποτελείται από το μίσχο και το έλασμα που συνήθως είναι πεντάλοβο. Το σχήμα των φύλλων ποικίλλει από αρκετά στρογγυλό, δείχνοντας τα φύλλα σαν ακέραια, μέχρι το πολύ μυτερό με βαθιές κολπώσεις. Τα άνθη αναπτύσσονται στους ανθοφόρους κλάδους και από τους ανθοφόρους οφθαλμούς που ονομάζονται χτένια. Συνήθως πρέπει να περάσουν τρεις εβδομάδες από την εμφάνιση των χτενιών ως την άνθηση. Το άνθος, αφού γονιμοποιηθεί, εξελίσσεται σε καρπό (καρύδι) που παίρνει το τελι-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

62


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

κό μέγεθος σε τρεις εβδομάδες και θέλει άλλες τέσσερις εβδομάδες περίπου για να ωριμάσει. Στο σύνολο χρειάζονται 45 - 65 ημέρες από την άνθηση έως την ωρίμανση των καρυδιών. Κάθε ώριμο καρύδι ζυγίζει 3 - 10 gr στις αμερικάνικες και 1.5 - 3 gr στις αιγυπτιακές ποικιλίες. Το μέσο βάρος του καρυδιού των ελληνικών ποικιλιών κυμαίνεται από 5.2 - 6.4 gr [Κεχαγιά 2000]. Ο ώριμος σπόρος έχει σχήμα απιοειδές, με μήκος 6 - 12 m και βάρος 0.1 - 0.13 gr κατά μέσο όρο. Οι ίνες του βαμβακιού είναι επιδερμικές τρίχες που σχηματίζονται από τα κύτταρα της επιδερμίδας του σπόρου. Χρειάζονται να περάσουν 15 - 25 ημέρες ώσπου να πάρουν το τελικό τους μήκος και στη συνέχεια ακολουθεί η πάχυνσή τους. 4.2.3 Ανάπτυξη Φύτρωμα : Ο σπόρος του βαμβακιού είναι ευαίσθητος κατά το φύτρωμα. Η επι-

τυχία του φυτρώματος εξαρτάται κυρίως από τον κατάλληλο συνδυασμό θερμοκρασίας και υγρασίας. Ελάχιστη θερμοκρασία για το φύτρωμα του σπόρου θεωρούνται οι 15 οC. Στους 20 - 30 οC η ταχύτητα φυτρώματος είναι διπλάσια από ότι στους 15 οC, ενώ σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 35 oC) είναι επιζήμιες. Παράλληλα, για να ξεκινήσει η διαδικασία του φυτρώματος, ο σπόρος πρέπει να απορροφήσει υγρασία διπλάσια (πολλές φορές τριπλάσια) από το βάρος του. Ανάπτυξη φυτών : Οι παράγοντες που κυρίως επηρεάζουν τη βασική ανάπτυξη

των φυτών είναι η θερμοκρασία, η υγρασία, ο φωτισμός και η επάρκεια θρεπτικών στοιχείων στο έδαφος. Άνθηση και καρποφορία : Το φυτό του βαμβακιού συνεχίζει τη βλαστική του

ανάπτυξη όταν εισέρχεται στο στάδιο της ανθοφορίας. Η άνθηση του βαμβακιού στην Ελλάδα αρχίζει μετά τις 20 Ιουνίου. Κατά την περίοδο ανθοφορίας, η ανάπτυξη του φυτού είναι έντονη και απαιτείται επάρκεια νερού (όχι υπερβολικό) και θρεπτικών στοιχείων, αλλά και έλεγχος της βλαστικής ανάπτυξης. Σύμφωνα με ερευνητές, η απόδοση σε ίνες συσχετίζεται συχνά με τον τελικό αριθμό καρυδιών που σχηματίζονται στο φυτό [Heitholt et al. 1992] και εξαρτάται τόσο από τον αριθμό των παραγόμενων ανθών ανά μονάδα επιφάνειας, όσο και από τον αριθμό των καρυδιών που συγκρατούνται στο φυτό [Heitholt 1999]. Ωρίμανση : Μετά την ολοκλήρωση της ανάπτυξης του καρυδιού σε όγκο, ακο-

λουθεί η πάχυνση των ινών για 15 ημέρες περίπου. Στο διάστημα αυτό η παροχή νερού πρέπει να είναι ικανοποιητική, διότι τόσο η έλλειψη όσο και η περίσσεια είναι το ίδιο επιζήμιες για τα φυτά. Ανεπάρκεια υγρασίας συνεπάγεται μικρότερο μήκος και ανεπαρκή πά-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

63


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

χυνση των ινών, αλλά ευνοεί την πρωιμότητα ανοίγματος. Υπερβολική υγρασία προκαλεί αναβλαστήσεις, οψιμίζει την παραγωγή και δημιουργεί ευνοϊκό περιβάλλον για την ανάπτυξη εχθρών και ασθενειών. 4.2.4 Κλιματικές απαιτήσεις και εδαφικές συνθήκες Θερμοκρασία : Στις περιοχές στις οποίες καλλιεργείται το βαμβάκι, η μέση ετήσια

θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη των 15 οC. Για τη βλάστηση και την ανάπτυξη του βαμβακιού, η κατώτερη θερμοκρασία είναι 15 - 16 οC, η άριστη είναι 33 - 34 οC και η μέγιστη είναι 38 - 39 οC. Βροχόπτωση : Ως ελάχιστο όριο για την επιτυχία της καλλιέργειας του βαμβα-

κιού δίχως άρδευση θεωρείται η ετήσια βροχόπτωση των 500 mm με ομοιόμορφη κατανομή και με τα 175 - 200 mm στην περίοδο της ανάπτυξης. Με μικρότερη βροχόπτωση απαιτείται αντίστοιχη συμπλήρωση του νερού με άρδευση. Βροχές κατά την εποχή συγκομιδής δυσκολεύουν την ωρίμανση και τη συλλογή του βαμβακιού και υποβαθμίζουν την ποιότητα του προϊόντος. Ηλιοφάνεια : Το βαμβάκι απαιτεί άφθονο φωτισμό. Περιοχές με ηλιοφάνεια 50

% είναι επισφαλείς και με ηλιοφάνεια κάτω του 40 % είναι ακατάλληλες για την καλλιέργεια του βαμβακιού. Άριστες συνθήκες κλίματος για την καλλιέργεια του βαμβακιού θεωρούνται η δροσερή άνοιξη, με ελαφριές και συχνές βροχές, το θερμό και μέτρια υγρό θέρος και το ξηρό, δροσερό και παρατεταμένο φθινόπωρο. Εδαφικές συνθήκες : Το βαμβάκι καλλιεργείται σε ποικιλία εδαφών από τα αμ-

μώδη έως τα βαριά αργιλώδη. Τα καλύτερα εδάφη για την καλλιέργεια του βαμβακιού θεωρούνται εκείνα που έχουν ίσες αναλογίες άμμου, ιλύος και αργίλου, ικανή περιεκτικότητα σε οργανική ουσία και μέση γονιμότητα ή μέτρια περιεκτικότητα σε Ν, Ρ και Κ. 4.2.5 Σπορά

Η εποχή που πρέπει να σπαρθεί το βαμβάκι σε μία περιοχή καθορίζεται από τις καιρικές συνθήκες και κυρίως τη θερμοκρασία και την υγρασία. Η θερμοκρασία του εδάφους πρέπει να είναι ανώτερη των 15 οC για να επιτευχθεί καλό φύτρωμα. Οι αποστάσεις μεταξύ των γραμμών καθορίζονται από τα μηχανήματα συγκομιδής τα οποία είναι προσαρμοσμένα για 95 - 100 cm. Οι αποστάσεις αυτές δεν είναι ιδανικές, γιατί ο ανταγωνισμός επί της γραμμής είναι μεγάλος. Οι αποστάσεις επί της γραμμής κυμαίνονται από 10 έως 30 cm, ενώ σε κάθε θέση (όρχο) αφήνονται 1-3 φυτά. Έτσι ο αριθμός των φυτών στο στρέμμα μπορεί να ξεπεράσει και τις 15 χιλιάδες. Το ποσό σπόρου που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από το αν είναι αποχνουδομέ-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

64


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

νος ή όχι. Στην πρώτη περίπτωση χρησιμοποιούμε 2.5 - 3 kg/στρέμμα, ανάλογα με τον όγκο του σπόρου και τον επιθυμητό πληθυσμό. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιμοποιούμε 3.5 - 4 kg/στρέμμα. Η κατηγορία αυτή σπόρου χρησιμοποιείται από ελάχιστους παραγωγούς. Το βαμβάκι σπέρνεται συνήθως σε βάθος 2 - 5 cm και διαφέρει ανάλογα με τις υγρασιακές συνθήκες του εδάφους. Η σπορά γίνεται κατά κανόνα με μηχανές. Στην πεδιάδα Θεσσαλονίκης η σπορά του βαμβακιού γίνεται μέσα στο 1ο δεκαήμερο του Μαΐου ενώ η συγκομιδή του το 3ο δεκαήμερο του Οκτωβρίου ως το 1ο δεκαήμερο του Νοεμβρίου. 4.2.6 Περιγραφή καλλιέργειας βαμβακιού στο πειραματικό

Κατά καλλιέργεια του βαμβακιού στο πειραματικό ακολουθήθηκαν οι συνήθεις καλλιεργητικές πρακτικές που ακολουθούνται στην πεδιάδα της Θεσσαλονίκης μετά από συνεννόηση με τους ερευνητές του Ινστιτούτου Βάμβακος και Βιομηχανικών Φυτών. Η σπορά πραγματοποιήθηκε στις 11 Μαΐου 2007 και η ποικιλία που επιλέχθηκε ήταν η Fibermax Celia μια μεσοπρώιμη ποικιλία με αρκετή αντοχή σε συνθήκες έλλειψης υγρασίας που συναντάται αρκετά στον ελληνικό χώρο. Σε κάθε λυσίμετρο σπάρθηκαν εσωτερικά αυτού τρεις γραμμές, μία κεντρική γραμμή στο μέσο του και εκατέρωθεν της σε απόσταση 70 εκατοστών άλλες δύο, ενώ εξωτερικά σπάρθηκε μία ακόμη γραμμή σε απόσταση 25 εκατοστών από αυτό. Σε κάθε γραμμή φύτευσης τοποθετήθηκαν τρεις σπόροι βαμβακιού σε κάθε όρχο και η απόσταση επί της γραμμής ήταν τα 8 cm. Η βασική λίπανση έγινε στις 18 Μαΐου 2007 με μικτό λίπασμα 21-8-11+0.5 Zn επιφανειακά. Στις 31 Μαΐου 2007 έγινε επανασπορά κυρίως εξωτερικά των λυσίμετρων σε σημεία στα οποία δεν κρίθηκε επιτυχημένη η σπορά. Η εφαρμογή ζιζανιοκτόνου και εντομοκτόνου έγινε στις 3 Ιουλίου και 28 Αυγούστου 2007 αντίστοιχα. Η ολοκλήρωση του αραιώματος των φυτών έγινε στις 4 Ιουλίου 2007 διατηρώντας ένα φυτό ανά όρχο και πυκνότητα 12 - 14 φυτών ανά m (περίπου 19500 φυτά ανά στρέμμα). Τέλος η συγκομιδή της καλλιέργειας έγινε στις 25 Σεπτεμβρίου 2007. Αναλυτική παρουσίαση του ημερολογίου εργασιών στο πειραματικό γίνεται στο Παράρτημα Α, στιγμιότυπα εργασιών φαίνονται στο Παράρτημα Δ, ενώ η κάτοψη της καλλιέργειας στην οποία φαίνονται και οι αποστάσεις φύτευσης παρουσιάζεται στο Σχήμα Δ.10 του Παραρτήματος.

4.3 Εδαφολογικά χαρακτηριστικά Στα τέσσερα λυσίμετρα έγιναν δειγματοληψίες μέχρι το βάθος των 90 εκατοστών για τον προσδιορισμό των εδαφικών στρώσεων και της μηχανικής σύστασης αυτών από το κέντρο των λυσίμετρων. Πέρα του βάθους των 90 εκατοστών ξεκινούσε χοντρόκοκκο

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

65


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

υλικό για τη συλλογή της στράγγισης. Η εργαστηριακή μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε είναι η πυκνομετρική μέθοδος Βουγιούκου [Bouyoucos 1962]. Με βάση τα αποτελέσματα έγινε και ο χαρακτηρισμός των εδαφικών δειγμάτων σύμφωνα με το τρίγωνο μηχανικής σύστασης της Soil Conservation Service του USDA [SCS 1993]. Τα εδάφη των τεσσάρων λυσίμετρων παρουσιάζουν τρεις στρώσεις μέσης σύστασης για τα λυσίμετρα 1 και 3 0-30, 30-60 και 60-90 cm βάθους, για το λυσίμετρο 2 0-30, 30-65, 65-90 cm και για το λυσίμετρο 4 0-30, 30-55, 55-90 cm. Οι επιφανειακές στρώσεις των λυσίμετρων 1 και 3 χαρακτηρίζονται ως Clay Loam, ενώ όλες οι υπόλοιπες στρώσεις και των τεσσάρων λυσίμετρων ως Loam. Οι τρείς στρώσεις διαφέρουν ελάχιστα ως προς τη μηχανική τους σύσταση, το οποίο ενισχύει το γεγονός ότι κατά τα γέμισμα των λυσίμετρων με έδαφος προηγήθηκε η ομογενοποίησή του. Για τον υπολογισμό του φαινόμενου ειδικού βάρους pb λήφθηκαν αδιατάρακτα δείγματα εδάφους από το μέσο κάθε εδαφικής στρώσης. Τα αποτελέσματα των εδαφολογικών αναλύσεων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.1 και στα Σχήματα 4.2. Τα στιγμιότυπα από τον προσδιορισμό των εδαφικών στρώσεων και των προσδιορισμό της φαινόμενης πυκνότητας παρουσιάζονται στις Εικόνες Ε.6 του Παραρτήματος. Πίνακας 4.1 Μηχανική ανάλυση και φαινόμενο ειδικό βάρος pb εδάφους των τεσσάρων λυσίμετρων

θέση Λυσ. 1 Λυσ. 2 Λυσ. 3 Λυσ. 4

βάθος (cm) 0-30 30-60 60-90 0-30 30-65 65-90 0-30 30-60 60-90 0-30 30-55 55-90

άμμος

31.2 35.6 43.2 39.2 41.2 45.2 37.2 41.2 47.6 37.2 39.2 43.2

ιλύς (%) 40.8 38.4 32.4 36 32 36 34.4 34.4 28 38 36 32

άργιλος

28 26 24.4 24.8 26.8 18.8 28.4 24.4 24.4 24.8 24.8 24.8

φ.ε.β. pb (gr/cm3) 1.043 1.220 1.228 1.083 1.296 1.112 1.134 1.186 1.239 1.101 1.296 1.252

χαρακτηρισμός

Clay Loam (αργιλοπηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Clay Loam (αργιλοπηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες) Loam (πηλώδες)

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

66


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0

100

λυσίμετρο 1

10

90

15

85

20

80

CL

25

3

SCL

20

5

S 100

95

85

90

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

15

20

10

λυσίμετρο 3

0

0

95

85

90

80

75

65

70

60

20

80

45

0

100

95

90

85

L

80

70

60

55

50

45

40

35

30

25

20

50

15

Μέσα εδάφη

60 65

10

CL

80 85

0

0

100

90

85

95

Si

LS

S 95

90

SiL

SL

5 100

5

75

3 2L1

10

95

70

SiCL

SCL

80

75

70

άμμος, %

Ελαφρά εδάφη

55

SC

15 90

SiL

65

45

SiC

20

85

Si 75

55

25 80

LS

S

40

C

30

75

1 2

SL

35

60

35 70

SiCL

10

30

65

40

65

CL

25

45 60

SC

35

5

0

20

50

55

SiC

15

10

15

80

ος ,%

ος ,% άρ γιλ

50

50

3

20

100

5

% ς, ιλύ

45

% ς, ιλύ

40

C

SCL

15

10

70

60

25

30

25

Βαριά εδάφη

75 35

65

20

40

35

5

85

30

70

30

95

0

95

25

75

40

45

90

1 (0-30 cm) 2 (30-55 cm) 3 (55-90 cm)

15

55

50

100

λυσίμετρο 4 10

85

55

Μέσα εδάφη

Ελαφρά εδάφη

άρ γιλ

1 (0-30 cm) 2 (30-60 cm) 3 (60-90 cm)

Βαριά εδάφη

5

95

90

Si

LS

S 100

0

90

85

άμμος, %

Μέσα εδάφη 100

80

L SiL

άμμος, %

Ελαφρά εδάφη

75

SL

5 100

5

3

70

SiCL

10

95

Si

SCL

15 90

SiL

LS

60 65

CL

21

20

85

SL

55

SC

25 80

10

50

SiC

30

75

L

15

45

35 70

SiCL

21

55

40

65

30

40

C

45 60

SC

35

60 50

55

SiC

35

0

ος ,%

ος ,% άρ γιλ

50

40

30

65

% ς, ιλύ

45

50

% ς, ιλύ

40

C

45

25

70

60 55

20

80 75

35

65

15

85

30

70

10

90

25

75

5

95

1 (0-30 cm) 2 (30-65 cm) 3 (65-90 cm)

άρ γιλ

1 (0-30 cm) 2 (30-60 cm) 3 (60-90 cm)

0

100

λυσίμετρο 2

5

95

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

100

5

0

άμμος, %

Βαριά εδάφη

Ελαφρά εδάφη

Μέσα εδάφη

Βαριά εδάφη

Σχήμα 4.2 Κατάταξη των εδαφών στο τρίγωνο μηχανικής σύστασης σύμφωνα με το Soil Survey Manual της Soil Conservation Service του USDA [1993]

4.4 Βάθος ριζοστρώματος και ύψος φυτών Ένα από τα σημαντικά στοιχεία των μοντέλων προσομοίωσης του υδατικού ισοζύγιου του εδάφους ή και της καλλιέργειας είναι και η προσομοίωση της πρόσληψης του νερού από το ριζικό σύστημα των φυτών. Το μέγιστο βάθος από το οποίο γίνεται η πρόσληψη, η ποσότητα νερού που προσλαμβάνεται από κάθε εδαφική στρώση και η ολική ποσότητα νερού που μπορεί να προσλάβει το ριζικό σύστημα, είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν το υδατικό ισοζύγιο του εδάφους και τη διαπνοή του φυτού και ως εκ τούτου την ανάπτυξη και την παραγωγή της καλλιέργειας. Το βάθος του ριζικού συστήματος προσδιορίζει το διαθέσιμο νερό που υπάρχει στο εδαφικό προφίλ σε μεγάλο βαθμό. Η μέτρηση του βάθους αυτού είναι βέβαια επίπονη εργασία και επιπλέον το ακριβές οριαΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

67


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

κό βάθος είναι δύσκολο να προσδιορισθεί. Η καταγραφή της αύξησης του μήκους του ριζοστρώματος γινόταν μετά από προσεκτική εξαγωγή της ρίζας με εκσκαφή. Ακολουθούσε ξέπλυμα της με νερό και μέτρηση του μήκους της με μετροταινία (Εικόνες Ε.5). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων του μήκους του ριζοστρώματος παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.2. Πίνακας 4.2 Μετρήσεις του βάθους ριζοστρώματος

ημερομηνία

ημέρα έτους

11/5/2007 22/5/2007 22/6/2007 4/7/2007 25/9/2007 29/10/2007

131 142 173 184 268 302

λυσ. 1

15 30.5 43

βάθος ριζοστρώματος (cm) μέσος όρος λυσ. 2 λυσ. 3 λυσ. 4 λυσίμετρων σπορά καλλιέργειας έναρξη φυτρώματος καλλιέργειας 17 15.5 16 15.8 32 30 31 30.8 συγκομιδή καλλιέργειας 45.5 43 44.5 44

Για την εύρεση της κατάλληλης εξίσωσης για τον υπολογισμό της μεταβολής του βάθους του ριζοστρώματος ελέγχθηκαν η εξίσωση των Borg and Grimes [1986], η λογιστική εξίσωση αύξησης Verhulst-Pearl [Simunek and Suarez 1993, Simunek et al. 2008] και η λογιστική εξίσωση [Dale et al. 1980, Antonopoulos 2000]. Η εξίσωση η οποία έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα είναι η τελευταία και είναι αυτή που επιλέχθηκε. Η λογιστική εξίσωση δίνεται από τη σχέση :

y(x) 

y max RDmax  RD(x)    k  x  x αρχ     k  x  x αρχ     1  δ  e 1  δ  e

για 142  x  268

[4.1]

όπου : x ημέρα του έτους, RDmax μέγιστο βάθος ριζοστρώματος κάθε λυσίμετρου, xαρχ η ημέρα του έτους της πρώτης τιμής των μετρήσεων (δηλαδή xαρχ= 142) Κατά τον υπολογισμό των συντελεστών της εξίσωσης 4.1 έγινε η παραδοχή ότι μετά τη συγκομιδή της καλλιέργειας δε μεταβλήθηκε το βάθος του ριζοστρώματος. Οι συντελεστές της εξίσωσης 4.1 παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.3 για κάθε λυσίμετρο. Στα Σχήματα 4.3 φαίνονται οι τιμές του βάθους του ριζοστρώματος για όλες τις ημέρες του πειράματος. Πίνακας 4.3 Συντελεστές εξισώσεων μεταβολής βάθους ριζοστρώματος

δ k RDmax (cm) R2

λυσίμετρο 1 137.2 0.1385 43 0.999

λυσίμετρο 2 86.74 0.127 45.5 0.999

λυσίμετρο 98.61 0.1294 43 0.999

λυσίμετρο 4 98.72 0.1293 44.5 0.999

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

68


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού ημέρα του έτους 148

160

172

184

196

208

ημέρα του έτους 220

232

244

256

268

50

148 50

30

30

25

25

20

20

15

15

10 5

0

256

268

0 21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

45

40

35

35

30

30

25

25

20

20

15

15

5

0

25/9

0 28/5

9/6

21/6

3/7

184

196

208

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

220

232

244

256

268

ημερομηνία

ημέρα του έτους 172

10

βάθος ριζοστρώματος μετρημένες τιμές βάθους ριζοστρώματος

ημερομηνία

ημέρα του έτους 220

232

244

256

268

50

148 50

160

172

184

196

208

50

Λυσίμετρο 3

50

Λυσίμετρο 4

45

45

45

40

30

30

25

25

20

20

15

15

10 5

0 21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

35

30

30

25

25

20

20

15

15

10

βάθος ριζοστρώματος μετρημένες τιμές βάθους ριζοστρώματος

5

5

0

35

10

10

βάθος ριζοστρώματος μετρημένες τιμές βάθους ριζοστρώματος

40

5

0

25/9

0 28/5

ημερομηνία

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

ημερομηνία

Σχήμα 4.3 Μεταβολή του βάθους ριζοστρώματος λυσίμετρων μαζί με τις μετρημένες τιμές

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

69

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

βάθος ριζοστρώματος (cm)

35

βάθος ριζοστρώματος (cm)

35

45

40

βάθος ριζοστρώματος (cm)

40

βάθος ριζοστρώματος (cm)

244

5

5

9/6

232

50

10

10

βάθος ριζοστρώματος μετρημένες τιμές βάθους ριζοστρώματος

28/5

220

βάθος ριζοστρώματος (cm)

35

βάθος ριζοστρώματος (cm)

35

160

208

40

βάθος ριζοστρώματος (cm)

40

148

196

45

45

40

βάθος ριζοστρώματος (cm)

184

Λυσίμετρο 2

45

9/6

172

50

Λυσίμετρο 1

28/5

160


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Η μέτρηση του ύψους των φυτών γινόταν επί της κεντρικής γραμμής φύτευσης κάθε λυσίμετρου σε 4 σημεία. Στο Πίνακα 4.4 φαίνονται οι μέσες τιμές των μετρήσεων για τα τέσσερα λυσίμετρα σε τρεις ημερομηνίας. Πίνακας 4.4 Μετρήσεις ύψους φυτών

ημερομηνία

ημέρα έτους

11/5/2007 22/5/2007 30/5/2007 12/7/2007 23/7/2007

131 142 150 193 204

ύψος φυτών (cm) λυσ. 1 λυσ. 2 λυσ. 3 λυσ. 4 σπορά καλλιέργειας έναρξη φυτρώματος καλλιέργειας 7-8 52.5 59.3 48.6 61.5 70.6 77.5 58.9 80.7

Το ύψος των φυτών δεν αποτελεί δεδομένο εισόδου του μοντέλου και η παράθεση των τιμών αυτών γίνεται για βιβλιογραφικούς σκοπούς.

4.5 Δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) Ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (Leaf Area Index, LAI) είναι μία αδιάστατη παράμετρος του φυλλώματος των φυτών και ορίζεται ως ο λόγος της φυλλικής επιφάνειας ανά μονάδα επιφάνειας του εδάφους. Ο δείκτης αυτός προσδιορίζει τη συγκράτηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τα φυτά και κατά συνέπεια επηρεάζει την ανάπτυξη και την απόδοσή τους [Wilhelm et al. 2000], ενώ η άμεση σχέση του με τη συγκράτηση της ακτινοβολίας χρησιμοποιείται για τον έμμεσο υπολογισμό του. Ακόμη, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας διαμορφώνει το μικροκλίμα μέσα και κάτω από το φύλλωμα του φυτού, προσδιορίζει τη διαπνοή του, τη συγκράτηση του νερού από το φύλλωμα και τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα [Brèda 2003, Αλεξίου 2005]. Τέλος, σε πολλά μοντέλα προσομοίωσης του υδατικού ισοζύγιου του εδάφους, ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό της εξάτμισης από τη διαπνοή. Για τους λόγους αυτούς είναι απαραίτητη η μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας σε πειράματα που αποβλέπουν στη ρύθμιση και την επιβεβαίωση μοντέλων κατανομής του νερού, φυσιολογίας και αγρομετεωρολογίας. 4.5.1 Μέθοδοι προσδιορισμού του δείκτη φυλλικής επιφάνειας

Οι μέθοδοι για τη μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας οι οποίες έχουν αναπτυχθεί χωρίζονται σε άμεσες και έμμεσες [Brèda 2003]. Στις άμεσες μεθόδους, από ένα αριθμό φυτών αποκόπτονται και διαχωρίζονται τα φύλλα από τα άλλα μέρη του φυτού και προσδιορίζεται το εμβαδόν του συνόλου των φύλλων. Το γινόμενο του μέσου εμβαδού των φύλλων ανά φυτό και της πυκνότητας των φυτών δί��ει το δείκτη φυλλικής επιΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

70


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

φάνειας. Στις έμμεσες μεθόδους ο LAI υπολογίζεται έμμεσα από μετρήσεις ακτινοβολίας πάνω και κάτω από το φύλλωμα της καλλιέργειας (radiation measurement method) ή από την ανάλυση ημισφαιρικής εικόνας (hemispherical image analysis) [Brèda 2003, Αλεξίου 2005]. Οι έμμεσες μέθοδοι προσδιορισμού του LAI οι οποίες στηρίζονται σε μετρήσεις της ακτινοβολίας δεν εκτιμούν το εμβαδό των φύλλων αλλά το εμβαδό όλων των μερών του φυτού (στελέχη, κλάδοι, ταξιανθίες) καθώς κι αυτά συμμετέχουν στη συγκράτηση ακτινοβολίας. Κατά τους Wilhelm et al. [2000] οι έμμεσες μέθοδοι υποεκτιμούν το LAI σε σύγκριση με την άμεση μέθοδο της αποκοπής φύλλων, ενώ κατά τους Jesus et al. [2001] οι εκτιμήσεις του LAI με τις έμμεσες και άμεσες μεθόδους παρουσιάζουν καλή συσχέτιση μεταξύ τους. 4.5.2 Μέτρηση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας

Για τον προσδιορισμό του δείκτη φυλλικής επιφάνειας στον πειραματικό των λυσίμετρων χρησιμοποιήθηκε το σύστημα SunScan Canopy Analysis System [Potter et al. 1996]. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τον ανιχνευτή SunScan, τον αισθητήρα BFS (Beam Fraction Sensor) και το τερματικό συλλογής δεδομένων. Ο ανιχνευτής SunScan είναι ένα φορητό όργανο μέτρησης της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας κάτω από το φύλλωμα των φυτών μέσω των 64 αισθητήρων της ράβδου του ανιχνευτή. Ο αισθητήρας BFS χρησιμοποιείται για την ταυτόχρονη μέτρηση της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας πάνω από το φύλλωμα και για το διαχωρισμό της σε άμεση και διαχεόμενη. Στο τερματικό συλλογής δεδομένων καταγράφονται οι μετρήσεις του ανιχνευτή SunScan και του αισθητήρα BFS και μέσω αυτών υπολογίζεται αυτόματα η τιμή του LAI (Εικόνα 4.4). Το σύστημα SunScan παρουσιάζει έναντι των άλλων έμμεσων μεθόδων το πλεονέκτημα ότι οι μετρήσεις που γίνονται μ’ αυτό, είναι ανεξάρτητες από την κατάσταση του ουρανού όσον αφορά τη νέφωση και δεν επηρεάζονται από τις παροδικές νεφώσεις, ενώ άλλα συστήματα απαιτούν σταθερή κατάσταση του ουρανού για μεγάλο διάστημα της ημέρας [Wilhelm et al. 2000]. Το πλεονέκτημα αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με το σύστημα SunScan Canopy System γίνεται ταυτόχρονη μέτρηση της ακτινοβολίας πάνω και κάτω από το φύλλωμα της καλλιέργειας. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές εργασίες στις οποίες το SunScan Canopy Analysis System έχει χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του LAI, όπως σε καλλιέργεια καλαμποκιού [Wilhelm et al. 2000, Earl and Davis 2003, Αλεξίου 2005, Μπαμπατζιμόπουλος και Πανώρας 2006], σε καλλιέργεια βαμβακιού [Αλεξίου 2005] και σε καλλιέργεια ρυ-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

71


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

ζιού [Lafitte and Courtois 2002]. Οι μετρήσεις του δείκτη φυλλικής επιφάνειας γίνονταν κάθε φορά επί της κεντρικής γραμμής του κάθε λυσίμετρου και σε 4 διαφορετικές θέσεις αυτού. Οι μέσοι όροι των τιμών αυτών παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.5.

Εικόνα 4.4 Συσκευή μέτρησης δείκτη φυλλικής επιφάνειας SunScan Canopy Analysis System Πίνακας 4.5 Μετρήσεις του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) των τεσσάρων λυσίμετρων

ημερομηνία 11/5/2007 22/5/2007 15/6/2007 3/7/2007 25/7/2007 10/8/2007 12/9/2007 25/9/2007

ημέρα έτους 131 142 166 184 206 222 255 268

δείκτης φυλλικής επιφάνειας LAI λυσ. 1 λυσ. 2 λυσ. 3 λυσ. 4 σπορά καλλιέργειας έναρξη φυτρώματος καλλιέργειας 0.23 0.35 0.27 0.21 0.82 1.05 0.69 0.71 2.48 3.17 1.98 2.67 4.03 5.23 4.43 3.83 2.60 3.23 2.75 2.15 συγκομιδή καλλιέργειας

Για τον υπολογισμό της μεταβολής των τιμών του δείκτη φυλλικής επιφάνειας δοκιμάστηκαν η εξίσωση των Vickery et al. [1971], των Dale et al. [1980] καθώς και η εξίσωση που χρησιμοποιείται στο μοντέλο MACRO [Jarvis 1994]. Λόγω του ότι καμία από τις παραπάνω δεν έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα επιλέχθηκε η συνάρτηση της μορφής :

LAI(x) 

a  c  ln(x) 1  b  ln(x)  d  ln(x)2

για 142  x  268

[4.2]

όπου : x η ημέρα του έτους Οι συντελεστές της εξίσωσης [4.2] παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.6 για κάθε λυΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

72


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

σίμετρο. Στο Σχήμα 4.5 παρουσιάζεται η διακύμανση του δείκτη φυλλικής επιφάνειας για όλες τις ημέρες του πειράματος μαζί με τις μετρημένες τιμές. Πίνακας 4.6 Συντελεστές εξισώσεων μεταβολής δείκτη φυλλικής επιφάνειας

a b c d R2

λυσίμετρο 1 -0.028 -0.370 0.006 0.034 0.999

λυσίμετρο 2 -0.035 -0.370 0.007 0.034 0.998

λυσίμετρο 3 -0.021 -0.369 0.004 0.034 0.992

λυσίμετρο 4 -0.023 -0.371 0.005 0.034 0.998

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

73


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού ημέρα του έτους 148

160

172

184

196

208

ημέρα του έτους 220

232

244

256

268 6

4

4

3

3

2

2

1

1

0

0 28/5

9/6

148

160

21/6

172

3/7

184

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

232

244

256

4

3

2

2

1

1

0 28/5

3

2

2

1

1

0

0 15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m2 m -2)

3

3/7

3/7

15/7

27/7

160

172

184

196

208

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

220

232

244

256

268 6

Λυσίμετρο 4

LAI Μετρήσεις LAI

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

0

25/9

0 28/5

9/6

21/6

ημερομηνία

3/7

15/7

27/7

ημερομηνία

Σχήμα 4.5 Διακύμανση δεικτών φυλλικής επιφάνειας (LAI) λυσίμετρων μαζί με τις μετρημένες τιμές Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

74

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m 2 m -2 )

4

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m 2 m -2 )

4

21/6

21/6

6

Λυσίμετρο 3

9/6

9/6

148

5

268

3

268

Μετρήσεις LAI

256

4

ημερομηνία

220

244

5

ημέρα του έτους

208

232

Μετρήσεις LAI

ημερομηνία

196

220

Λυσίμετρο 2

ημέρα του έτους

LAI

28/5

208

0

6

5

196

LAI 5

25/9

6

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m2 m -2)

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m2 m -2)

5

184

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m 2 m -2 )

Μετρήσεις LAI

172

6

Λυσίμετρο 1

LAI 5

160

6

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m 2 m -2 )

δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) (m2 m -2)

6

148


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.6 Μετεωρολογικά δεδομένα Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς και μέσω των φυτικών συντελεστών της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας γίνεται με την μέτρηση των μετεωρολογικών δεδομένων όπως παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 2. Τα μετεωρολογικά δεδομένα (θερμοκρασία και σχετική υγρασία αέρα, ταχύτητα ανέμου, ηλιακή ακτινοβολία και ύψος βροχόπτωσης) μετρήθηκαν από τον μετεωρολογικό σταθμό του πειραματικού (Εικόνα 4.6) με ωριαίο χρονικό βήμα. Ο μετεωρολογικός σταθμός αποτελούνταν από ένα μηχανικό βροχόμετρο (ακρίβειας 0.2 mm), ένα πυρανόμετρο, ένα υγρόμετρο, ένα ανεμόμετρο (σε ύψος 2 m), ένα θερμόμετρο καθώς ένα data-logger το οποίο τροφοδοτούνταν ηλεκτρικά από έναν ηλιακό συλλέκτη. Ο μετεωρολογικός σταθμός τοποθετήθηκε στην άκρη του πειραματικού ενώ διατηρούνταν στο έδαφος κάτω από αυτόν γρασίδι ύψους περίπου 10 cm για την εξασφάλιση της μέγιστης δυνατής πιστότητας μέτρησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Το γεωγραφικό μήκος και πλάτος καθώς και το υψόμετρο του μετεωρολογικού είναι 40ο40’, 22ο48’ και 6 m αντίστοιχα. Στον Πίνακα 4.7.α παρουσιάζονται οι μηνιαίες τιμές του ύψους βροχόπτωσης (σε mm), της μέσης θερμοκρασίας του αέρα Τ (σε oC), της μέσης ταχύτητας του ανέμου στο ύψος των 2 m u2 (σε m/s), της μέσης προσπίπτουσας ακτινοβολίας Rs (σε kW/m2) και της σχετικής υγρασίας RH (%) για τις ημέρες μεταξύ 11/5/07 (σπορά) και 25/9/07 (συγκομιδή). Στα Σχήματα 4.7 και στους Πίνακες Β.1-5 του παραρτήματος παρουσιάζονται οι ημερήσιες τιμές των μετεωρολογικών δεδομένων για τους πέντε μήνες του πειραματικού. Στον Πίνακα 4.7.β παρουσιάζονται οι μέγιστες (max) και ελάχιστες (min) τιμές των ωριαίων μετεωρολογικών δεδομένων.

Εικόνα 4.6 Μετεωρολογικός σταθμός πειραματικού

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

75


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Πίνακας 4.7.α Μηνιαίες τιμές μετεωρολογικών δεδομένων

μήνας

ύψος βροχής (mm)

θερμοκρασία αέρα T (οC)

Μάιος# Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος# Συνολικά

90 115.6 0 66.2 24 295.8

21.43 25.65 27.41 26.30 20.83 24.32

μέση ταχύτητα προσπίπτουσα ανέμου ακτινοβολία u2 (m/s) Rs (kW/m2) 1.07 0.25 0.729 0.291 0.858 0.302 0.595 0.249 1.094 0.193 0.8692 0.257

σχετική υγρασία RHmean (%) 67.33 63.04 58.14 68.84 66.65 64.8

Πίνακας 4.7.β Μέγιστες και ελάχιστες ωριαίων μετεωρολογικών δεδομένων

μήνας #

Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σεπτέμβριος#

θερμοκρασία αέρα T (οC) min 13.39 14.68 14.19 15.00 9.19

max 34.61 39.66 40.77 38.40 34.24

ταχύτητα ανέμου u2 (m/s) min max 0 4.3 0 3 0 5.2 0 3.8 0 4.5

προσπίπτουσα ακτινοβολία Rs (kW/m2) min max 0 1.0208 0 0.9632 0 0.9528 0 0.890 0 0.873

σχετική υγρασία RHmean (%) min max 22.71 99.89 23.07 99.94 24.03 98.71 25.74 100 24.92 100

#

Οι μηνιαίες τιμές των μετεωρολογικών για τους μήνες Μάιο και Σεπτέμβριο αφορούν τις ημέρες του πειραματικού (για το Μάιο από τις 16/5 και ύστερα ενώ και για το Σεπτέμβριο μέχρι τις 25/9)

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

76


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

220

232

244

256

268

100

136 100

148

160

60

50

50

40

40

30

μέση ημερήσια προσπίπτουσα ακτινοβολία (kW/m2)

μέση ημερήσια σχετική υγρασία (%)

60

30

20 28/5

9/6

21/6

3/7

136

148

160

172

184

15/7 27/7 ημερομηνία ημέρα του έτους 196 208

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

220

232

244

256

268

32

268

0.3

0.3

0.25

0.25

0.2

0.2

0.15

0.15

0.1

0.1

0.05

0.05

0

0 16/5

136

28/5

148

9/6

160

21/6

172

3/7

184

15/7 27/7 ημερομηνία ημέρα του έτους 196 208

8/8

220

20/8

232

1/9

244

13/9

256

25/9

268

4

4

μέση ημερήσια ταχύτητα ανέμου U2 (m/s)

30

3.5

3.5

3

3

2.5

2.5

2

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

26

24

24

22

22

20

20

18

18

16

μέση ημερήσια ταχύτητα ανέμου (m/s)

26

μέση ημερήσια ταχύτητα ανέμου (m/s)

28 μέση ημερήσια θερμοκρασία (οC)

μέση ημερήσια θερμοκρασία (oC)

256

0.4

μέση ημερήσια θερμοκρασία (οC) 28

244

0.35

32

30

232

0.35

20 16/5

220

μέση ημερήσια προσπίπτουσα ακτινοβολία (kW/m2)

70

μέση ημερήσια σχετική υγρασία (%)

80

70

ημέρα του έτους 196 208

μέση ημερήσια προσπίπουσα ηλιακή ακτινοβολία Rs (kW/m2) 90

80

184

0.4

μέση ημερήσια σχετική υγρασία RHmean (%) 90

172

16

14

14

12

12 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

0

25/9

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.7 Διακύμανση μέσων ημερήσιων τιμών ημερήσιας θερμοκρασίας (οC), προσπίπτουσας ακτινοβολίας (kW/m2), ταχύτητας ανέμου (m/s) και σχετικής υγρασίας (%)

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

77


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.6.1 Ωφέλιμη και απορροϊκή βροχή

Η εκτίμηση της απορροϊκής και μέσω αυτής της ωφέλιμης βροχής έγινε με τη μέθοδο του απορροϊκού συντελεστή, η οποία περιγράφηκε στην Παράγραφο 2.7.3. Η επιλογή του απορροϊκού συντελεστή γίνεται από πίνακες [Παπαμιχαήλ 2004]. Η τιμή του απορροϊκού συντελεστή για υδρολογικό τύπο εδάφους Β με μέση υγρασιακή κατάσταση (τύπου ΙΙ) και για γραμμικές καλλιέργειες (σε ευθείες γραμμές) με δυσμενείς υδρολογικές συνθήκες πάρθηκε ίση με CNII= 81, ενώ για ξηρή υγρασιακή κατάσταση (τύπου Ι) η τιμή του απορροϊκού συντελεστή πάρθηκε ίση με CNI=64.62. Κατά τον υπολογισμό της απορροϊκής βροχής στην παρούσα διατριβή έγινε χρήση των δύο αυτών τιμών του απορροϊκού συντελεστή ανάλογα με το επίπεδο της υγρασίας στο έδαφος. Στον Πίνακα 4.8 παρουσιάζονται το συνολικό ύψος βροχής και τα συνολικά ύψη της ωφέλιμης και της απορροϊκής, ενώ στο Σχήμα 4.8 παρουσιάζεται η διακύμανση των ημερήσιων τιμών των δύο κλασμάτων της βροχής σε mm. Πίνακας 4.8 Συνολικά ύψη ωφέλιμης και απορροϊκής βροχής (σε mm)

συνολική ωφέλιμη απορροϊκή βροχόπτωση (mm) 295.8 200.82 94.98

136

148

160

172

184

ημέρα έτους 196 208

220

232

244

256

268

70

ωφέλιμη βροχή (mm) απορροϊκή βροχή (mm)

60

συνολικό ύψος νερού (mm)

50

40

30

20

10

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

Σχήμα 4.8 Διακύμανση απορροϊκής και ωφέλιμης βροχόπτωσης

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

78

25/9


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.7 Εξατμισοδιαπνοή και φυτικοί συντελεστές καλλιέργειας βαμβακιού Η εκτίμηση των αναγκών της καλλιέργειας - όπως περιγράφηκε στις Παραγράφους 2.3.3 με 2.3.5 - γίνεται με τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς και τη βοήθεια των φυτικών συντελεστών. Ο υπολογισμός της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς ΕΤr έγινε με τη μέθοδο PenmanMonteith (σχέση [2.21]) (σε mm/ημέρα) με βάση τα ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα που μετρήθηκαν στο μετεωρολογικό σταθμό του πειραματικού. Οι ημερήσιες τιμές της ΕΤr, μαζί με τις ημερήσιες τιμές των μετεωρολογικών δεδομένων παρουσιάζονται στο Παράρτημα Β και στο Σχήμα 4.9. Οι τιμές αυτές παρουσιάζουν μέγιστη τιμή στις 12/7/07 ίση με 7.92 mm και ελάχιστη στις 5/6/07 ίση με 1.44 mm.

136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

220

232

244

256

268

8

8 εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς

7

7

6

5

5

4

4

3

3

2

εξατμισοδιαπνοή (mm/day)

εξατμισοδιαπνοή (mm/day)

6

2

1

1

0

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.9 Διακύμανση τιμών εξατμισοδιαπνοής καλλιέργειας αναφοράς

Τα στάδια της καλλιέργειας του βαμβακιού μαζί με κάποιους βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές των αντίστοιχων σταδίων του πειραματικού παρουσιάζονται στους Πίνακες 4.9 και 4.10. Οι βιβλιογραφικοί συντελεστές που παρουσιάζονται είναι αυτοί των Allen et al. [1998], του Παπαζαφειρίου [1999] και των Farahani et al. [2008].

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

79


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Οι πρώτοι παρουσιάζονται στο Irrigation and Drainage Paper No 56 του FAO και είναι οι συντελεστές που χρησιμοποιούνται διεθνώς. Οι επόμενοι είναι οι φυτικοί συντελεστές που χρησιμοποιούνται στην Ελλάδα και προέκυψαν από τους προηγούμενους προσαρμόζοντάς τους στις ελληνικές κλιματικές συνθήκες. Τέλος οι συντελεστές των Farahani et al. [2008] προέκυψαν από τον οργανισμό έρευνας βάμβακος της Συρίας και προέκυψαν από 3-ετή πειράματα σε αγρούς βόρεια της χώρας. Πίνακας 4.9 Στάδια καλλιέργειας βαμβακιού

ημερομηνία 11/5/2007 22/5/2007 16/7/2007 2/9/2007 25/9/2007

ημέρα έτους 131 142 197 245 268

στάδιο καλλιέργειας σπορά καλλιέργειας έναρξη φυτρώματος καλλιέργειας αρχή ανθοφορίας αρχή ανοίγματος καρυδιών (ωρίμανση) συγκομιδή καλλιέργειας

Πίνακας 4.10 Τιμές φυτικών συντελεστών βαμβακιού ανά στάδιο καλλιέργειας

στάδιο καλλιέργειας ημερομηνίες ημέρες έτους διάρκεια (ημέρες) Allen et al. (FAO56) [1998] Παπαζαφειρίου [1999] Farahani et al. [2008]

μέσος φυτικός συντελεστής kc kc(mid) kc(end) kc(ini) ταχείας μέση αρχικό ανάπτυξης τελικό περίοδος 11-31/5 1/6-15/7 16/7-2/9 3-25/9 131-151 152-196 197-245 246-268 21 45 49 23 0.35 0.75 1.15 - 1.2 0.5 - 0.7 0.45 0.7 1.05 0.6 0.29 0.67 1.05 0.66

4.8 Αρδεύσεις και δίκτυο άρδευσης Η απόδοση μιας καλλιέργειας κατά κύριο λόγο επηρεάζεται από τη διαθεσιμότητα του νερού στα στάδια της βλαστικής περιόδου. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ως παράδειγμα ότι περιορισμένη διαθεσιμότητα νερού στο βαμβάκι κατά την περίοδο της βλάστησης, συνεπάγεται την πρώιμη ανθοφορία. Μια σωστή διαχείριση του διαθέσιμου αρδευτικού νερού είναι ο εφοδιασμός της καλλιέργειας με νερό, όταν αυτή το χρειάζεται και αυτό επιτυγχάνεται με σωστό προγραμματισμό των αρδεύσεων [Γεωργίου 2004]. Η βροχόπτωση στη χώρα μας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού δεν επαρκεί για την κάλυψη των αναγκών του βαμβακιού σε νερό, προκειμένου να επιτευχθούν μεγάλες αποδόσεις. Η άρδευση στον κατάλληλο χρόνο, στις απαιτούμενες ποσότητες και με την ενδεδειγμένη μέθοδο, αποτελεί την πιο αποδοτική καλλιεργητική επέμβαση της βαμβακοκαλλιέργειας. Η άρδευση μπορεί να αυξήσει σημαντικά την απόδοση, μέχρι και τέσσερις φορές συγκριτικά με το ξηρικό βαμβάκι.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

80


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Για την άρδευση του βαμβακιού η συνολική ποσότητα νερού ποικίλει από περιοχή σε περιοχή και εξαρτάται από τις επικρατούσες κλιματικές συνθήκες και το μήκος της καλλιεργητικής περιόδου. Στην αρχή της καλλιεργητικής περιόδου κατά την ανάπτυξη των φυτρών, οι ανάγκες της καλλιέργειας σε νερό είναι χαμηλές και ανέρχονται στο 10 % των συνολικών [Doorenbos and Kassam 1979]. Κατά τη διάρκεια της άνθησης, όταν η φυλλική επιφάνεια είναι μέγιστη, οι ανάγκες σε νερό είναι υψηλές και κυμαίνονται στο 50 - 60 % των συνολικών. Προς το τέλος της καλλιεργητικής περιόδου οι ανάγκες μειώνονται. Τα συμπτώματα έλλειψης νερού στο βαμβάκι είναι χαρακτηριστικά : 1) αλλαγή του χρώματος των φύλλων από ανοιχτό πράσινο σε σκούρο-μουντό πράσινο, 2) προσωρινή μάρανση των φυτών νωρίς το μεσημέρι, 3) διακοπή της ανάπτυξης της κορυφής, ενώ στο φυτό υπάρχουν πολλά χτένια και λουλούδια και 4) αλλαγή του χρώματος του βλαστού σε μήκος 6-10 cm από την κορυφή [Οργανισμός Βάμβακος 1995]. Πρέπει να επισημανθεί ότι με την εμφάνιση των οπτικών συμπτωμάτων έλλειψης νερού, το φυτό ήδη έχει υποστεί καταπόνηση, η οποία έχει δυσμενή επίδραση στην απόδοση. Ο χρόνος εφαρμογής της άρδευσης, η ποσότητα νερού ανά άρδευση και ο τρόπος χορήγησής της, εξαρτώνται κυρίως από τις κλιματικές συνθήκες, τον τύπο του εδάφους, την καλλιεργούμενη ποικιλία, το στάδιο ανάπτυξης του βαμβακιού, τον πληθυσμό φυτών, τη λίπανση και το διαθέσιμο νερό για άρδευση. Κατά τη σπορά, πρέπει να υπάρχει ικανοποιητική εδαφική υγρασία για το φύτρωμα και την εγκατάσταση των φυτών. Κατά τη βλαστική περίοδο, η διαθέσιμη υγρασία δεν πρέπει να εξαντλείται περισσότερο από 50 %. Μεγαλύτερη εξάντληση της διαθέσιμης υγρασίας μειώνει την ανάπτυξη των φυτών και καθυστερεί την έναρξη εμφάνισης χτενιών. Αντίθετα, αλόγιστες αρδεύσεις οδηγούν σε υπερβολική και ανεπιθύμητη βλαστική ανάπτυξη, οψίμιση της παραγωγής, πτώση των χτενιών, άνοδο της υπόγειας στάθμης του νερού και πιθανών αλάτων, με αρνητικά αποτελέσματα στην απόδοση. Η κρίσιμη περίοδος όσον αφορά τις ανάγκες σε νερό τοποθετείται στο στάδιο έναρξης μέχρι την ελάττωση της ανθοφορίας και το άνοιγμα των πρώτων καρυδιών. Τα φυτά βρίσκονται σε έντονη παραγωγική δραστηριότητα και έντονο μεταβολισμό (παραγωγή ανθών, θρέψη μικρών καρυδιών, σχηματισμός σπόρων και ινών), παρουσιάζουν τις μεγαλύτερες ανάγκες σε θρεπτικά στοιχεία και νερό και εκδηλώνουν πιο έντονα την ευαισθησία τους στην έλλειψη νερού. Για το λόγο αυτό, πιο συχνές αρδεύσεις πραγματοποιούνται στην περίοδο άνθησης και καρποφορίας. Με την έναρξη του ανοίγματος των καρυδιών, η άρδευση περιορίζεται ή διακόπτεΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

81


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

ται. Παρ’ όλα αυτά, νερό χρειάζεται και τότε για να ωριμάσουν τα όψιμα καρύδια. Αντιθέτως, η υψηλή ποσότητα νερού την εποχή εκείνη προκαλεί οψίμιση και προσβολές από έντομα και ασθένειες. Για την ομαλή ανάπτυξη της καλλιέργειας πρέπει να υπάρχει διαθεσιμότητα νερού στο έδαφος. Υδατική καταπόνηση της καλλιέργειας είναι αποδεκτό ότι προκύπτει μετά από ένα ποσοστό απομάκρυνσης του διαθέσιμου εδαφικού νερού της τάξης του 65 % [Doorenbos and Kassam 1979] ή κατά άλλους της τάξης του 50 - 70 % [Φαρδής 1981]. Κατά το στάδιο έναρξης της καρπόδεσης, η έλλειψη νερού είναι ευεργετική αλλά δεν πρέπει να ξεπερνά τις 4 - 7 ημέρες που απαιτούνται για την ανάπτυξη ζώνης αφοριστικού ιστού [Μαρέτης 1981]. Στην περίπτωση της πεδιάδας Θεσσαλονίκης οι συνήθως 3 - 5 αρδεύσεις σταματούν περίπου 5 εβδομάδες πριν από τη συγκομιδή. Κρίσιμη αρδευτικά περίοδος θεωρείται αυτή από τα μέσα Ιουλίου ως τα μέσα Αυγούστου [ΠαπακώσταΤασοπούλου 2002], όπου το φυτό παρουσιάζει ταυτόχρονα χτένια, άνθη και καρύδια και έχει έντονη παραγωγική δραστηριότητα, έντονο μεταβολισμό και συνεπώς υψηλές απαιτήσεις σε νερό. 4.8.1 Άρδευση πειραματικού

Η άρδευση στο πειραματικό γινόταν με τη μέθοδο της στάγδην άρδευσης. Ένα ολοκληρωμένο σύστημα στάγδην άρδευσης αποτελείται από τους αγωγούς μεταφοράς και εφαρμογής και από τη μονάδα ελέγχου. Οι αγωγοί μεταφοράς μεταφέρουν το νερό από την υδροληψία στους αγωγούς τροφοδοσίας και μέσω αυτών στους αγωγούς εφαρμογής στους οποίους, τοποθετούνται ή ενσωματώνονται οι σταλακτήρες μέσω των οποίων φτάνει το νερό στο έδαφος με τη μορφή σταγόνων. Η μονάδα ελέγχου τοποθετείται στην αρχή του δικτύου αμέσως μετά την υδροληψία και μπορεί να περιλαμβάνει τον μετρητή ροής και τα φίλτρα [Παπαζαφειρίου και Παπαμιχαήλ 1996]. Η υδροληψία του αρδευτικού γινόταν από τη γεώτρηση του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων. Στην κορυφή του αρδευτικού εγκαταστάθηκε φίλτρο για την παρεμπόδιση διόδου στους κατάντη αγωγούς φερτών υλικών για την αποφυγή απόφραξης των σταλακτήρων. Ο κύριος αγωγός μεταφοράς από τη γεώτρηση στο πειραματικό ήταν ένας αγωγός Φ32. Ο αγωγός αυτός στο πειραματικό διαχωριζόταν σε δύο αγωγούς Φ16. Ο διαχωρισμός αυτός έγινε για να αρδεύεται ξεχωριστά ο εσωτερικός χώρος των λυσίμετρων από τον εξωτερικό και να γίνεται ευκολότερα ο υπολογισμός του ύψους νερού το οποίο εφαρμοζόταν. Στην κορυφή του αγωγού που αντιστοιχούσε στην άρδευση του εσωτερικού των λυσίμετρων εγκαταστάθηκε υδρόμετρο για τον υπολογισμό του όγκου νερού άρδευσης. Οι δύο αγωγοί κατέληγαν σε σταλακτηφόρους αγωγούς ίδιας διατομής, αυτορυθμι-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

82


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

ζόμενους, με παροχή 2 l/h ανά σταλάκτη και απόσταση σταλακτών ίση με 30 cm. Σε κάθε γραμμή καλλιέργειας αντιστοιχούσαν δύο σταλακτηφόροι σωλήνες με απόσταση 20 cm εκατέρωθεν της. Σε όλες τις αρδεύσεις που έλαβαν χώρα στο πειραματικό επιτυγχανόταν πλήρης διαβροχή του εσωτερικού των λυσίμετρων. Το ύψος άρδευσης που εφαρμοζόταν εσωτερικά είναι ίδιο με αυτό που εφαρμοζόταν εξωτερικά των λυσίμετρων. Στο Παράρτημα Δ παρουσιάζεται η κάτοψη του αρδευτικού με όλες τις αποστάσεις (αγωγών, φύτευσης). Στο πειραματικό κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου έλαβαν χώρα 8 συνολικά αρδεύσεις με συνολικό ύψος νερού τα 496.7 mm (Πίνακας 4.11) και πλήρη διαβροχή των λυσίμετρων. Η μεταχείριση και για τα τέσσερα λυσίμετρα ήταν η ίδια. Η επιλογή του χρόνου άρδευσης καθώς και του ύψους νερού που εφαρμοζόταν, γινόταν με τη βοήθεια των μετρήσεων υγρασίας και μετά από συνεννόηση με τους ερευνητές του Ινστιτούτου Εγγείων Βελτιώσεων [Πανώρας 1996]. Στον Πίνακα 4.11 παρουσιάζονται οι δόσεις άρδευσης (σε mm), οι ημερομηνίες που αυτές έλαβαν χώρα καθώς και οι διάρκειές τους. Στο Σχήμα 4.10 παρουσιάζονται τα ύψη νερού των αρδεύσεων καθώς και οι ωφέλιμες βροχοπτώσεις σ’ όλη τη διάρκεια του πειραματικού. Πίνακας 4.11 Ημερομηνίες, διάρκειες και ύψη νερού άρδευσης

ημ/νία (ημέρα έτους) 25/6/07 (176) 12/7/07 (193) 19/7/07 (200) 25/7/07 (206) 2/8/07 (214) 16/8/07 (228) 23/8/07 (235) 5/9/07 (248)

ώρα έναρξης 9:25 10:10 9:25 8:50 8:25 8:20 8:20 9:55

ώρα λήξης 12:10 12:10 12:10 11:50 11:25 11:20 11:20 11:55

διάρκεια άρδευσης (ώρες:λεπτά’) 2:45’ 2:00’ 2:45’ 3:00’ 3:00’ 3:00’ 3:00’ 2:00’ σύνολο

δόση άρδευσης (mm) 63.5 46.2 63.5 69.3 69.3 69.3 69.3 46.2 496.7

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

83


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

220

232

244

256

268

80

80 ωφέλιμη βροχόπτωση (mm) άρδευση (mm)

70

70

60

50

50

40

40

30

30

20

ύψος νερού (mm)

ύψος νερού (mm)

60

20

10

10

0

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.10 Ύψη νερού άρδευσης και ωφέλιμης βροχής κατά τη διάρκεια του πειραματικού

4.9 Όγκος νερού στράγγισης Τα λυσίμετρα στα οποία έγινε το πείραμα είναι ελεύθερης στράγγισης. Κατά τη διάρκεια του πειραματικού ο έλεγχος για την εμφάνιση της στράγγισης στα δοχεία του φρεατίου γινόταν σε τακτά χρονικά διαστήματα και συχνότερα μετά από αρδεύσεις και ισχυρές βροχοπτώσεις. Τα αποτελέσματα της ογκομέτρησης του νερού στράγγισης παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.12. Όπως φαίνεται δεν παρατηρήθηκε καθόλου στράγγιση παρά μόνο την 12 Ιουνίου 2007 μετά από έντονες βροχοπτώσεις. Ο όγκος της στράγγισης όπως βλέπουμε στα λυσίμετρα 1, 2 και 4 είναι πολύ μικρός, ενώ στο λυσίμετρο 3 δεν παρατηρήθηκε καθόλου στράγγιση. Πίνακας 4.12 Μετρήσεις όγκου νερού στράγγισης

ημερομηνία (ημέρα έτους)

12/6/2007 (163)

λυσ. 1 65 ml/4 m2 (= 0.01625 mm)

όγκος νερού στράγγισης λυσ. 2 λυσ. 3 λυσ. 4 2 1550 ml/4 m 5530 ml/4 m2 (= 0.3875 mm)

(= 1.3825 mm)

Οι έντονες καιρικές συνθήκες (έντονες βροχοπτώσεις και ισχυροί άνεμοι) που προηγήθηκαν της ημέρας που μετρήθηκε η στράγγιση, προκάλεσαν την είσοδο νερού στα φρεάτια μέτρησής της και για το λόγο αυτό θεωρήθηκε ότι δεν πραγματοποιήθηκε στράγγιση (γεγονός που επαληθεύεται από τις τιμές της υγρασίας της τελευταίας στρώσης όπως φαίνεται στις επόμενες παραγράφους). Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

84


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.10 Προσδιορισμός υδραυλικών παραμέτρων εδάφους Η χρησιμότητα της χαρακτηριστικής καμπύλης θ(h) έγκειται στην εκτίμηση της κατανομής του μεγέθους των πόρων και στην εκτίμηση του νερού που συγκρατείται από ένα έδαφος σε ορισμένο δυναμικό [Αντωνόπουλος 1999]. Ο προσδιορισμός της χαρακτηριστικής καμπύλης εδαφικής υγρασίας (Χ.Κ.Ε.Υ.) έγινε κάνοντας χρήση της τεχνικής της αφαίρεσης νερού από αδιατάρακτα δείγματα εδάφους με τη βοήθεια των δίσκων πίεσης. Έτσι, έγιναν δειγματοληψίες αδιατάρακτων δειγμάτων εδάφους ύψους 5 cm από το μέσο κάθε εδαφικής στρώσης κάθε λυσίμετρου με την υπόθεση ότι το μέσο κάθε εδαφικής στρώσης είναι αντιπροσωπευτικό της στρώσης αυτής. Τα αδιατάρακτα αυτά δείγματα μαζί με τις κεραμικές πλάκες κορέστηκαν για 24 ώρες. Μετά τον πλήρη κορεσμό τους τα δείγματα ζυγιστήκαν και αμέσως μετά τοποθετήθηκαν σε συσκευές πιεζόμενων κεραμικών πλακών χαμηλών (0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1 και 2.5 bar) και υψηλών (5, 7.5, 10, 13 και 15 bar) πιέσεων [Klute 1986] (Εικόνες Δ.7). Μετά την ισορροπία των δειγμάτων - μηδενική εκροή νερού - τα δείγματα ζυγίζονταν ξανά και μέσω της διαφοράς που προέκυπτε υπολογιζόταν, με τη βοήθεια του φαινόμενου ειδικού βάρους, η κατ’ όγκον υγρασία που αντιστοιχούσε σε συγκεκριμένη πίεση. Τα αποτελέσματα των ζευγών μετρήσεων (υγρασίας - πίεσης) κάθε δείγματος παρουσιάζονται στους Πίνακες 4.13.α και β για τα τέσσερα λυσίμετρα. Πίνακας 4.13.α Τιμές πίεσης και εδαφικής υγρασίας για τον προσδιορισμό της Χ.Κ.Ε.Υ. των λυσίμετρων 1 και 2

πίεση h

(bar)

(m)

0 0.1 0.3 0.5 0.7 1 2.5 5 7.5 10 13 15

0 1 3 5 7 10 25 50 75 100 130 150

0-30

0.570 0.277 0.237 0.218 0.203 0.178 0.152 0.138 0.120 0.108 0.101 0.097

υγρασία κατ’ όγκο θv (cm3  cm-3) λυσίμετρο 1 λυσίμετρο 2 30-60 60-90 0-30 30-65 65-90 (cm) (cm) 0.508 0.517 0.574 0.476 0.560 0.294 0.283 0.287 0.245 0.307 0.260 0.254 0.238 0.192 0.254 0.240 0.235 0.225 0.180 0.231 0.228 0.218 0.211 0.173 0.204 0.197 0.184 0.183 0.149 0.184 0.180 0.164 0.159 0.130 0.165 0.127 0.132 0.150 0.107 0.138 0.114 0.119 0.129 0.097 0.123 0.105 0.110 0.115 0.091 0.114 0.100 0.105 0.109 0.087 0.108 0.096 0.102 0.105 0.084 0.105

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

85


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Πίνακας 4.13.β Τιμές πίεσης και εδαφικής υγρασίας για τον προσδιορισμό της Χ.Κ.Ε.Υ. των λυσίμετρων 3 και 4

πίεση h

(bar)

(m)

0 0.1 0.3 0.5 0.7 1 2.5 5 7.5 10 13 15

0 1 3 5 7 10 25 50 75 100 130 150

0-30

0.546 0.298 0.252 0.238 0.227 0.205 0.183 0.163 0.139 0.122 0.115 0.111

υγρασία κατ’ όγκο θv (cm3  cm-3) λυσίμετρο 3 λυσίμετρο 4 30-60 60-90 0-30 30-55 55-90 (cm) (cm) 0.541 0.513 0.566 0.491 0.507 0.339 0.302 0.293 0.268 0.297 0.287 0.263 0.256 0.228 0.265 0.269 0.244 0.230 0.212 0.245 0.252 0.225 0.211 0.199 0.222 0.217 0.193 0.179 0.167 0.184 0.188 0.169 0.156 0.148 0.159 0.147 0.153 0.129 0.130 0.133 0.126 0.131 0.118 0.117 0.118 0.113 0.117 0.109 0.108 0.109 0.107 0.111 0.104 0.104 0.103 0.104 0.107 0.100 0.101 0.100

Για την περιγραφή της χαρακτηριστικής καμπύλης εδαφικής υγρασίας χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση του Van Genuchten [1980]. Στη διαδικασία της ανάλυσης παλινδρόμησης επιλέχθηκε να προσδιοριστούν τα α, n, m καθώς και η υπολειμματική υγρασία θr. Η υγρασία στον κορεσμό θs μετρήθηκε πειραματικά. Η υγρασία στο σημείο μόνιμης μάρανσης θPWP αντιστοιχεί στην πίεση των 15 bar. Τα αποτελέσματα της παλινδρόμησης παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.14 και στα Σχήματα 4.11 - 4.14. Στον Πίνακα 4.14 θεωρήθηκε ότι η υγρασία στην υδατοϊκανότητα θFC, λόγω του ότι τα εδάφη μας χαρακτηρίζονται ως μέσης σύστασης, αντιστοιχεί στην υγρασία της χαρακτηριστικής καμπύλης για πίεση 0.3 bar [Αντωνόπουλος 1999].

λυσ. 4

λυσ. 3

λυσ. 2

λυσ. 1

Πίνακας 4.14 Παράμετροι της εξίσωσης Van Genuchten και υγρασίες στην υδατοϊκανότητα και στο σημείο μόνιμης μάρανσης

στρώση (cm) 0-30 30-60 60-90 0-30 30-65 65-90 0-30 30-60 60-90 0-30 30-55 55-90

θs θr (cm3  cm-3) 0.570 0 0.508 0 0.517 0 0.574 0 0.476 0 0.560 0 0.546 0 0.541 0 0.513 0 0.566 0 0.491 0 0.507 0

α (1/m) 28.1110 7.5918 12.3349 31.5163 21.6272 14.5234 20.9739 4.9760 9.8835 15.7622 17.6583 7.3776

n

1.2033 1.2225 1.2084 1.1931 1.2118 1.2152 1.1852 1.2358 1.2049 1.2185 1.1978 1.2244

m =(1-1/n)

0.1689 0.1820 0.1725 0.1618 0.1747 0.1771 0.1563 0.1908 0.1701 0.1793 0.1651 0.1833

R2

0.9972 0.9858 0.9915 0.9972 0.9987 0.9984 0.9936 0.9902 0.9935 0.9963 0.9969 0.9907

θPWP θFC (cm3  cm-3) 0.2314 0.1045 0.2522 0.1059 0.2430 0.1077 0.2383 0.1120 0.1965 0.0858 0.2481 0.1070 0.2531 0.1227 0.2842 0.1136 0.2553 0.1148 0.2433 0.1036 0.2235 0.1032 0.2518 0.1049

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

86


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.6 λυσίμετρο 1 στρώση 0-30 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.57-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 28.11095382 n = 1.203286127 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.997214

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 1 στρώση 30-60 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.508-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 7.591764325 n = 1.222523006 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.985763

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 1 στρώση 60-90 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.517-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 12.33487806 n = 1.208427264 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.991511

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

Σχήμα 4.11 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

87


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.6 λυσίμετρο 2 στρώση 0-30 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.574-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 31.51625596 n = 1.193098524 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.99722

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 2 στρώση 30-65 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3

0.2

0.1

Fit Results Equation : theta = thetar+(0.476-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 21.6272156 n = 1.211751811 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.998696

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 2 στρώση 65-90 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3

0.2

0.1

Fit Results Equation : theta = thetar+(0.56-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 14.52341764 n = 1.215180217 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.998382

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

Σχήμα 4.12 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 2

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

88


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.6 λυσίμετρο 3 στρώση 0-30 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.546-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 20.97393306 n = 1.185216265 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.99358

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 3 στρώση 30-60 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.541-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 4.976043542 n = 1.235803035 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.990197

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 3 στρώση 60-90 cm

θ (cm3 cm-3)

0.5

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.513-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 9.883454606 n = 1.204908655 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.993488

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

Σχήμα 4.13 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 3

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

89


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.6 λυσίμετρο 4 στρώση 0-30 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3 Fit Results

0.2

0.1

Equation : theta = thetar+(0.566-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 15.76219063 n = 1.21847637 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.996256

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 4 στρώση 30-55 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3

0.2

0.1

Fit Results

Equation : theta = thetar+(0.491-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 17.65832253 n = 1.197808713 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.996896

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

0.6 λυσίμετρο 4 στρώση 55-90 cm

0.5

θ (cm3 cm-3)

0.4

0.3

0.2

0.1

Fit Results

Equation : theta = thetar+(0.507-thetar)/pow((1+pow(a*x,n)),(1-1/n)) a = 7.377577218 n = 1.224443383 thetar = 0 Coef of determination, R-squared = 0.990669

0 0.001

0.01

0.1

1 h (m)

10

100

1000

Σχήμα 4.14 Χαρακτηριστικές καμπύλες εδαφικής υγρασίας λυσίμετρου 4

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

90


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.11 Μετρήσεις κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Στη διατριβή αυτή οι μετρήσεις υδραυλικής αγωγιμότητας στον κορεσμό έγιναν με χρήση περατόμετρου μεταβαλλόμενου φορτίου. Για την εφαρμογή της μεθόδου αυτής ελήφθησαν αδιατάρακτα δείγματα εδάφους από το κέντρο της κάθε εδαφικής στρώσης. Τα δείγματα κατόπιν κορέστηκαν για τουλάχιστον 24 ώρες. Ο σκοπός του αργού κορεσμού έγινε για να αποφευχθεί ο εγκλωβισμός του αέρα στους πόρους το οποίο είναι κάτι που θα παρεμπόδιζε την κίνηση του νερού μέσα από αυτούς. Κατά την μέτρηση των δειγμάτων έγιναν 2 ή 3 επαναλήψεις όταν αυτό ήταν δυνατό και δεν είχαμε καταστροφή του αδιατάρακτου δείγματος. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αυτών καθώς και των μέσων τιμών αυτών παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.15. Πίνακας 4.15 Τιμές κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Ksat και μέσες τιμές αυτών

λυσίμετρο 1

στρώση (cm) 0-30 30-60 60-90

λυσίμετρο 4

λυσίμετρο 3

λυσίμετρο 2

0-30 30-65 65-90 0-30 30-60 60-90 0-30 30-55 55-90

(m/day) 1.230 1.018 0.353 0.942 0.874 0.961 0.483 0.203 0.388 0.415 0.407 0.321 0.257 0.081 3.949 3.569 0.511 0.459 3.552 3.346 3.619 0.684 0.579 0.848 0.808

Ksat (cm/min) 8.541  10-2 7.067  10-2 2.450  10-2 6.542  10-2 6.073  10-2 6.670  10-2 3.355  10-2 1.409  10-2 2.771  10-2 2.884  10-2 2.827  10-2 2.231  10-2 1.786  10-2 5.634  10-3 2.742  10-1 2.478  10-1 3.548  10-2 3.188  10-2 2.467  10-1 2.324  10-1 2.513  10-1 4.749  10-2 4.020  10-2 5.889  10-2 5.613  10-2

μέση τιμή Ksat (m/day) (cm/min)

1.124

7.804  10-2

0.353

2.450  10-2

0.926

6.428  10-2

0.343

2.382  10-2

0.404

2.827  10-2

0.289

2.009  10-2

0.081

5.634  10-3

3.759

2.610  10-1

0.485

3.368  10-2

3.506

2.435  10-1

0.631

4.384  10-2

0.828

5.751  10-2

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

91


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.12 Προσδιορισμός εδαφικής υγρασίας 4.12.1 Μέθοδοι υπολογισμού της εδαφικής υγρασίας

Κατά τη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι που ταξινομούνται σε άμεσες και έμμεσες [Gardner et al. 1991]. Για τις άμεσες μεθόδους απαιτείται η λήψη δειγμάτων εδάφους για κάθε φορά που επιζητείται η μέτρηση της υγρασίας. Από τα δείγματα αυτά αφαιρείται το νερό με θέρμανση ή με κάποια χημική διαδικασία και υπολογίζεται η ποσότητα του νερού που απομακρύνεται. Η βαρυμετρική μέθοδος είναι η κυριότερη αυτής της κατηγορίας κατά την οποία το νερό απομακρύνεται από το εδαφικό δείγμα με θέρμανση στους 105 οC μέχρι σταθεροποίησης του βάρους του [Gardner et al. 1991]. Το χρονοβόρο της διαδικασίας αυτής καθώς και η αδυναμία χωρικής επανάληψης της μέτρησης καθιστά την μέθοδο ανεπαρκή σε πειράματα στα οποία απαιτείται η μελέτη της χρονικής μεταβολής της υγρασίας. Οι άμεσες μέθοδοι παρόλα τα μειονεκτήματα τα οποία παρουσιάζουν είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες για τη μέτρηση εδαφικής υγρασίας καθώς και στη βαθμονόμηση των έμμεσων μεθόδων λόγω της ακρίβειας των μετρήσεων που παρέχουν [Gardner et al. 1991]. Οι έμμεσες μέθοδοι προσδιορίζουν έμμεσα την εδαφική υγρασία από τις μετρήσεις των φυσικών ιδιοτήτων του εδάφους οι οποίες συναρτώνται με αυτήν. Οι μετρήσεις αυτές γίνονται, είτε με μόνιμα τοποθετημένους στο έδαφος αισθητήρες, ή μέσω της κίνησης των αισθητήρων σε ειδικούς σωλήνες οι οποίοι τοποθετούνται μόνιμα στο έδαφος. Έτσι με τις μεθόδους αυτές καθίσταται δυνατή η λήψη διαδοχικών στο χρόνο μετρήσεων στην ίδια θέση πολύ σύντομα και χωρίς διατάραξη του εδάφους [Αλεξίου 2005]. Οι πιο διαδομένες από τις έμμεσες μεθόδους είναι η μέθοδος της διηλεκτρικής σταθεράς, των νετρονίων, της ηλεκτρικής αντίστασης και της θερμικής αγωγιμότητας. Στη μέθοδο της διηλεκτρικής σταθεράς ανήκουν η μέθοδος της χωρητικότητας (capacitance) [Gardner et al. 1991], η μέθοδος Theta [Delta-T Devices 1996] και η μέθοδος TDR [Τοpp et al. 1980, 1984, Dalton et al. 1984, Rhaodes and Oster 1986, Παπαζαφειρίου 1999]. Αισθητήρες που κάνουν χρήση της μεθόδου χωρητικότητας χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή για τον υπολογισμό της υγρασίας. 4.12.2 Μέθοδος FDR (αισθητήρες Diviner 2000 και EnviroScan)

Με τη μέθοδο FDR (frequency-domain reflectometry / ανακλομέτρησης συχνότητας) η κατ’ όγκο υγρασία υπολογίζεται μέσω της αλλαγής της διηλεκτρικής σταθεράς του εδάφους. Το έδαφος ως γνωστόν αποτελείται από τρεις διαφορετικές συνιστώσες (στερεά, υγρή, αέρια) και επομένως η τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς εξαρτάται από τη συμβολή της κάθε μίας απ’ αυτές [Campbell 1990]. Η μετατροπή του σήματος εξόδου του Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

92


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

αισθητήρα (χρόνος, συχνότητα, εμπέδηση, φάση) σε περιεχόμενη εδαφική υγρασία στηρίζεται σε εμπειρικές σχέσεις βαθμονόμησης. Οι αισθητήρες που κάνουν χρήση της τεχνολογίας FDR έτυχαν γρήγορης αποδοχής λόγου του άμεσου χρόνου απόκρισης και των συνεχών μετρήσεων που επιστρέφουν. Οι αισθητήρες αυτοί έχουν χρησιμοποιηθεί στο εξωτερικό σε εργασίες υδατικών ισοζυγίων [Starr and Paltineanu 1998, Fares and Alva 2000, Girona et al. 2002], προγραμματισμού των αρδεύσεων [Fares and Polaykov 2006, Thompson et al. 2007] και κίνησης νιτρικών στο έδαφος [Vazquez et al. 2006, Arregui and Quemada 2006]. Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα χρήσης των αισθητήρων FDR είναι τα ακόλουθα [Munoz-Carpena et al. 2000] : +

η υψηλή ακρίβεια που προσφέρουν μετά από επιτυχή βαθμονόμηση (± 0.01 cm3  cm-3)

+

η δυνατότητα μέτρησης της υγρασίας σε εδάφη με υψηλή αλατότητα στα οποία οι αισθητήρες TDR αδυνατούν

+

καλύτερη ακρίβεια σε σχέση με τους αισθητήρες TDR

+

δυνατότητα σύνδεσης με συμβατικούς data loggers

+

σχετικά χαμηλότερη τιμή σε σχέση τους TDR αισθητήρες λόγω της χαμηλής τιμής που έχουν τα κυκλώματα χαμηλής συχνότητας που χρησιμοποιούν

-

η σχετικά μικρή σφαίρα μέτρησης γύρω από τον αισθητήρα (ακτίνας περίπου 4 cm)

-

η ύπαρξη - για αξιόπιστες μετρήσεις - καλής επαφής μεταξύ εδάφους και αισθητήρα

-

η μεγαλύτερη ευαισθησία που παρουσιάζει σε σχέση με τους αισθητήρες TDR στις μεταβολές της θερμοκρασίας, του φαινόμενου ειδικού βάρους καθώς και στον εγκλωβισμένο αέρα του εδάφους

-

απαιτεί τοπική βαθμονόμηση Εκτενείς αναφορές για τις γενικές αρχές που διέπουν την τεχνολογία, την εγκατά-

σταση, τη βαθμονόμηση και τις χρήσεις αισθητήρων χωρητικότητας γίνονται στις εργασίες των Fares and Polyakov [2006], Topp et al. [2006], IAEA [2008]. Η μέτρηση της εδαφικής υγρασίας σ’ όλη τη διάρκεια του πειραματικού γινόταν με την βοήθεια των οργάνων Diviner 2000 και EnviroScan της εταιρίας Sentek Pty Ltd [Sentek 1997, 2001, 2006, 2007]. Τα δύο όργανα χρησιμοποιούν την τεχνολογία FDR και έχουν συχνότητα λειτουργίας περίπου τα 100 MΗz. Για την μέτρηση της υγρασίας προαπαιτείται η εγκατάσταση σωλήνων PVC στο έδαφος. Μέσα σ’ αυτούς, ο αισθητήρας είτε ολισθαίνει είτε τοποθετείται μόνιμα. Η εγκα-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

93


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

τάσταση έγινε στο κέντρο κάθε λυσίμετρου με τη χρήση των οργάνων της κατασκευάστριας εταιρείας και σύμφωνα με τους κανόνες που αυτή θέτει και κάθετα με το επίπεδο του εδάφους (Σχήματα Ε.1). Το Diviner 2000 (Εικόνα 4.15) [Sentek 2007] είναι φορητό όργανο μέτρησης υγρασίας. Η μέτρηση γίνεται με την τοποθέτηση του αισθητήρα μέσα στο σωλήνα PVC. Ο αισθητήρας με τη βοήθεια του χρήστη ολισθαίνει μέσα στον σωλήνα. Το όργανο παίρνει δύο μετρήσεις υγρασίας ανά 10 cm μία προς την κάθοδο και μία προς την άνοδο. Ο μέσος όρος αυτών των μετρήσεων εμφανίζεται στο τέλος της διαδικασίας αριθμητικά και γραφικά στο data logger του οργάνου. Οι μετρήσεις του Diviner 2000 γινόταν στα λυσίμετρα 1, 3 και 4 (Εικόνες Ε.9) σχεδόν σε καθημερινή βάση κατά κανόνα πριν τις 8:30 π.μ. όταν αυτό ήταν δυνατό (Εικόνες Ε.8).

Εικόνα 4.15 Όργανο Diviner 2000 (αισθητήρας και data logger)

Το EnviroScan (Εικόνα 4.16) [Sentek 1997, 2006] είναι σταθερό όργανο μέτρησης υγρασίας. Αποτελείται - όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.16 - από 10 αισθητήρες υγρασίας οι οποίοι τοποθετούνται ο ένας πάνω στον άλλο. Το EnviroScan τοποθετείται μόνιμα στο έδαφος μέσα στο σωλήνα PVC. Η παραπάνω δυνατότητα που δίνει το όργανο αυτό σε σχέση με το Diviner 2000 είναι ότι μπορεί να παίρνει μετρήσεις υγρασίας ανά τακτά χρονικά διαστήματα ορισμένα από το χρήστη. Παράλληλα με την εγκατάσταση του οργάνου γίνεται εγκατάσταση του data logger και του ηλιακού συλλέκτη ο οποίος βοηθά στη διατήρηση των δεδομένων του data logger και τροφοδοτεί με ενέργεια το όργανο για τις μετρήσεις του. Οι μετρήσεις του EnviroScan γινόταν στο λυσίμετρο 2 (Εικόνα Ε.9) και το βήμα το οποίο επιλέχθηκε για τις μετρήσεις ήταν η μία ώρα (Εικόνα Ε.8).

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

94


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Εικόνα 4.16 Όργανο EnviroScan (αισθητήρες, ηλιακός συλλέκτης και data logger)

Τα δύο όργανα έχουν όμοια τεχνική μέτρησης. Η κάθε μέτρηση γίνεται ανά 10 cm βάθους και η ακτίνα επιρροής έξω από το σωλήνα είναι 5 cm [Sentek 1997, 2007]. Έτσι, η μέτρηση των 10 cm αφορά τη στρώση 5 μέχρι 15 cm, η μέτρηση των 20 cm τη στρώση 15 μέχρι 25 cm κ.ο.κ.. Η λήψη των δεδομένων από τους data loggers γίνεται συνδέοντάς τους με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η μετατροπή των μετρήσεων και των δύο οργάνων σε κατ’ όγκο υγρασία γίνεται με τη βοήθεια μιας κλιμακωτής συχνότητας (Scaled Frequency, SF) η οποία δίνεται από τη σχέση : SF 

Fa  Fs Fa  Fw

[4.35]

όπου : Fw ένδειξη οργάνου σε δοχείο 200 lt γεμάτο με νερό 22 οC, Fa ένδειξη οργάνου στο ίδιο άδειο δοχείο, Fs ένδειξη οργάνου στο έδαφος Οι τιμές των ενδείξεων Fw και Fa της παραπάνω εξίσωσης είναι σταθερές για κάθε αισθητήρα και δίνεται στους Πίνακες 4.16 και 4.17 για το Diviner 2000 και το EnviroScan αντίστοιχα.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

95


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Πίνακας 4.16 Ενδείξεις οργάνου ΕnviroScan για κάθε βάθος στον αέρα και στο νερό

βάθος αισθητήρα (cm) 10 20 30 40 50 60 70 80

ένδειξη οργάνου στον αέρα Fa στο νερό Fw 36554 24958 37010 25184 36487 24928 36629 24976 36559 24986 36950 25067 36855 25087 36643 24878

Πίνακας 4.17 Ενδείξεις οργάνου Diviner 2000 στον αέρα και στο νερό

ένδειξη οργάνου στον αέρα Fa στο νερό Fw 164122 121976

Η μετατροπή των τιμών της κλιμακωτής συνάρτησης σε υγρασία κατ’ όγκο θv (%) γίνεται με τη σχέση : SF  aθbv  c  θ v 

b

SF  c a

[4.36]

όπου : a, b, c σταθερές βαθμονόμησης Λόγω του ότι οι μετρήσεις της % κατ’ όγκο υγρασίας θv των αισθητήρων και των δύο οργάνων αναφέρονται σε έδαφος ύψους 10 cm, οι τιμές αυτές αντιστοιχούν σε τιμές ισοδύναμων υψών νερού σε mm. Οι σταθερές βαθμονόμησης που προτείνει η εταιρεία κατασκευής των δύο οργάνων Sentek [2007] δίνονται στον Πίνακα 4.18. Οι σταθερές αυτές έχουν προέλθει από ένα μέσο όρο δειγμάτων, από τρία είδη εδαφών (Sands, Loams, Clay Loams) και δίνουν σχετικές μετρήσεις υγρασίας. Οι μετρήσεις οι οποίες προκύπτουν από τις σταθερές αυτές είναι πολύ συχνά ανακριβείς και συνήθως υπερεκτιμούν την περιεχόμενη υγρασία [Starr and Paltineanu 1998b, Heng et al. 2002, Leib et al. 2003] ενώ σε ελαφρά εδάφη την υποεκτιμούν [Morgan et al. 1999]. Πίνακας 4.18 Σταθερές γενικής βαθμονόμησης a, b, c κατασκευάστριας εταιρείας για τους αισθητήρες EnviroScan και Diviner 2000 [Sentek 2007]

σταθερά EnviroScan Diviner 2000 a 0.1957 0.2746 b 0.404 0.3314 c 0.02852 0

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

96


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Η αδυναμία ελέγχου του μικροκλίματος στο εσωτερικό του σωλήνα PVC, τα κενά που δημιουργούνται μεταξύ του σωλήνα και του αισθητήρα κατά την κίνηση του τελευταίου, η ανομοιογένεια του σωλήνα και οι αλλαγές στο πάχος του, καθώς και η κακή εγκατάσταση των σωλήνων, η οποία προκαλεί κενά αέρα και αλλαγές στο φαινόμενο ειδικό βάρους του εδάφους, είναι κάποια από τα συνήθη προβλήματα που δημιουργούνται κατά την χρήση αισθητήρων ανάλογης τεχνολογίας με αυτής των αισθητήρων της εταιρείας Sentek [Paltineanu and Starr 1997, Morgan et al. 1999]. Λόγω του ότι η μέτρηση του οργάνου αναφέρεται σε ένα δακτύλιο 10 cm γύρω από το σωλήνα, η μέτρηση αυτή επηρεάζεται από το μακροπορώδες και τις ρωγμές του εδάφους [Burgess et al. 2006]. Η ασυμφωνία που μπορεί να προκαλείται μεταξύ των εξισώσεων σε ίδια εδάφη μπορεί να προκαλείται από διαφορές σε χημικές ιδιότητες των εδαφών (EC), στη θερμοκρασία του εδάφους καθώς και από ύπαρξη πετρών στην ακτίνα μέτρησης των οργάνων [Burgess et al. 2006]. Η μεγάλη σημασία βαθμονόμησης σε διαφόρους τύπους εδαφών των δύο οργάνων σε επίπεδο εργαστηρίου και πεδίου καταδεικνύεται από το πλήθος των επιστημόνων που έχουν ασχοληθεί με αυτήν. Ενδεικτικά αναφέρονται οι εργασίες των Mead et al. [1995], Paltineanu and Starr [1997], Morgan et al. [1999], Evett et al. [2002], Geesing et al. [2004], Grooves and Rose [2004], Pasturel [2004], Reinhard [2005], Burgess et al. [2006], Evett et al. [2006]. Εκτενής αναφορά στις εργασίες οι οποίες αναφέρονται στη βαθμονόμηση των αισθητήρων αυτών παρουσιάζονται στην Παράγραφο 4.12.4. 4.12.3 Προτεινόμενη βαθμονόμηση οργάνων Diviner 2000 και EnviroScan

Η χρήση όλων των οργάνων έμμεσου υπολογισμού της εδαφικής υγρασίας απαιτεί τη βαθμονόμησή τους. H διαδικασία βαθμονόμησης που προτείνεται από την εταιρεία κατασκευής των οργάνων είναι η ακόλουθη και περιγράφεται στο εγχειρίδιο βαθμονόμησης των οργάνων [Sentek 2001]. Αρχικά εγκαθίστανται το λιγότερο 6 σωλήνες PVC, οι κάθε δύο εκ των οποίων αφορούν τρεις υγρασιακές καταστάσεις (ξηρή, μέση και μετά από άρδευση) (Εικόνα 4.17). Η προτεινόμενη απόσταση μεταξύ των σωλήνων ίδιας υγρασιακής κατάστασης είναι 2 m και μεταξύ δύο διαφορετικών υγρασιακών καταστάσεων 5 m. Μετά την ισορροπία του εδαφών από άρδευση δημιουργείται όρυγμα παράλληλα με τους σωλήνες μέχρι το κατώτερο βάθος του σωλήνα. Κατόπιν λαμβάνονται το λιγότερο τρία set’s βαρυμετρικών δειγμάτων τα οποία εφάπτονται εξωτερικά κάθε σωλήνα ανά 10 cm βάθους (Εικόνες 4.18). Με τον τρόπο αυτό τα δείγματα τα οποία λαμβάνονται αφορούν ακριβώς την μέτρηση την οποία τα όργανα έχουν πάρει και είναι μέσα στη σφαί-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

97


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

ρα επιρροής μέτρησης των οργάνων. Έτσι για το ελάχιστο των έξι σωλήνων (οι οποίοι αντιπροσωπεύουν και τις τρεις υγρασιακές καταστάσεις) προκύπτουν 18 δείγματα ανά 10 cm βάθους. Στο σύνολο αυτών των 180 μετρήσεων για το βάθος του ενός μέτρου εφαρμόζεται η σχέση 4.36 και με μια διαδικασία παλινδρόμησης προκύπτουν οι συντελεστές βαθμονόμησης a, b και c των οργάνων.

Εικόνα 4.17 Τρεις υγρασιακές καταστάσεις εδαφών των εγκαταστημένων σωλήνων PVC για την προτεινόμενη βαθμονόμηση (πηγή : Sentek [2001])

Εικόνα 4.18 Στιγμιότυπα της προτεινόμενης, από την εταιρεία κατασκευής, βαθμονόμησης των αισθητήρων υγρασίας (πηγή : Sentek [2001])

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

98


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.12.4 Βιβλιογραφική ανασκόπηση βαθμονόμησης αισθητήρων υγρασίας Diviner 2000 και EnviroScan

Το καταστροφικό και επίπονο της διαδικασίας βαθμονόμησης οδήγησε τους επιστήμονες που ασχολήθηκαν με τους αισθητήρες υγρασίας της Sentek να καταφύγουν σε άλλους εργαστηριακούς τρόπους ή σε κάποια παραλλαγή της προτεινόμενης διαδικασίας βαθμονόμησης ή να καταφύγουν στη χρησιμοποίηση κάποιας άλλης βιβλιογραφικής εξίσωσης βαθμονόμησης. Μία από τις πρώτες εργασίες που παρουσιάστηκαν για τους αισθητήρες υγρασίας της εταιρείας Sentek αφορούσε το EnviroScan και έγινε από το Υπουργείο Γεωργίας των Η.Π.Α. και τους Mead et al. [1995]. Η εργασία αυτή αφορούσε τη βαθμονόμηση και την ανάλυση ευαισθησίας του οργάνου στην αλατότητα και τις αλλαγές στο φαινόμενο ειδικό βάρος. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια εργαστηριακή μέθοδος βαθμονόμησης τριών εδαφικών τύπων : ενός ελαφρού (χονδρόκοκκη άμμος 100 %), δύο μέσων (sandy loam, άμμος 59 %, ιλύς 22 %, άργιλος 19 % με δύο φαινόμενα ειδικά βάρη 1.3 g/cm3 και 1.5 g/cm3) και ενός βαρέος (clay, άμμος 16 %, ιλύς 35 %, άργιλος 49 %). Η βαθμονόμηση έδειξε σημαντικές διαφορές ακόμα και στα δύο μέσα εδάφη που η μόνη τους διαφορά είναι το φαινόμενο ειδικό βάρος. Η ανάλυση ευαισθησίας στην αλατότητα του οργάνου έδειξε ότι για ECw= 5 dS/m το όργανο υπερεκτιμά τις υψηλές τιμές υγρασίας κατά 10 % ενώ για χαμηλές τιμές υγρασίας κατά 67 %. Ανάλογα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν για ECw= 20 dS/m. Στην περίπτωση αυτή το ΕnviroScan υπερεκτίμησε τις υψηλές τιμές υγρασίας κατά 40 % ενώ τις χαμηλές τιμές υγρασίας κατά 174 %. Οι Morgan et al. [1999] προχώρησαν στην βαθμονόμηση του EnviroScan για 3 αμμώδη εδάφη στη Florida των Η.Π.Α. με πολύ ικανοποιητικούς συντελεστές προσδιορισμού R2= 0.83. Ακόμη σύγκριναν την εξίσωση που αυτοί εξήγαγαν με αυτή της κατασκευάστριας εταιρίας και κατέληξαν ότι αυτή υποεκτιμά την περιεχόμενη υγρασία στους συγκεκριμένους εδαφικούς τύπους. Οι Evett et al. [2002] σε δύο εδάφη (silty clay loam και silt loam) στην Αυστρία βαθμονόμησαν το Diviner 2000 παρουσιάζοντας ένα μεγάλο εύρος τιμών στα δεδομένα τους και σχετικά χαμηλούς συντελεστές προσδιορισμού (R2= 0.533 και 0.416 αντίστοιχα). Στην ίδια εργασία γίνεται ανάλυση της ευαισθησίας των μετρήσεων του Diviner 2000 στην αλατότητα. Η ανάλυση αυτή έδειξε ότι σε αλατότητα νερού ECw= 0.3 mScm-1 η μετρημένη από το όργανο υγρασία δε μεταβάλλεται, ενώ αντίστοιχα αλατότητες των 3.8 και 10.2 mScm-1 μετέβαλλαν τις μετρήσεις αυτές κατά 7.55 και 15.72 % αντίστοιχα. Οι Geesing et al. [2004] βαθμονόμησαν το Diviner 2000 σε δύο εδαφικούς τύπους (silt-loamy Cambisol και loamy Cambisol) και μέσα από ένα μεγάλο πλήθος δειγμάτων (n= Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

99


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

282) παρουσίασαν μία εξίσωση με σχετικά μεγάλους συντελεστές προσδιορισμού (R2= 0.78). Στην ίδια εργασία συγκρίνουν την εξίσωση που αυτοί εξήγαγαν με τις εξισώσεις των Paltineanu and Starr [1997] και Morgan et al. [1999] καθώς και με την εξίσωση της κατασκευάστριας εταιρείας. Οι Grooves and Rose [2004] πρότειναν μια εργαστηριακή μέθοδο βαθμονόμησης και μέσω της ομογενοποίησης εδαφικών δειγμάτων παρουσίασαν για το Diviner 2000 για έξι εδαφικούς αντίστοιχες εξισώσεις βαθμονόμησης με υψηλούς συντελεστές προσδιορισμού. Ο Pasturel [2004] και σε συνέχεια του ερευνητικού του ο Reinhard [2005] στα πλαίσια των μεταπτυχιακών τους διατριβών σύγκριναν τις μετρήσεις του Diviner 2000 και μίας συσκευής νετρονίων σε αργιλώδη εδάφη. Ακόμη βαθμονόμησαν τα δύο όργανα και σύγκριναν τις εξισώσεις που εξήγαγαν με αυτές των Grooves and Rose [2004], Evett et al. [2002] και της κατασκευάστριας εταιρείας. Τέλος, ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα προβλήματα που προκαλούνται στα αργιλώδη εδάφη από τις ρωγμές που δημιουργούνται από τη διόγκωση και τη συρρίκνωση των ορυκτών της αργίλου μεταβάλλοντας έτσι τη μέτρηση του αέρα του εδάφους από το όργανο. Οι Burgess et al. [2006] βαθμονόμησαν και σύγκριναν τις μετρήσεις του Diviner 2000 και μίας συσκευής νετρονίων (τύπου Wallington) σε αργιλώδη εδάφη. Για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 ακολουθήθηκε η προτεινόμενη από την κατασκευάστρια μέθοδος. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων μετά τη βαθμονόμησή τους, έδειξε ότι τα δύο όργανα έχουν παρόμοια ακρίβεια. Οι Starr and Rowland [2007] σύγκριναν τις τιμές των κατ’ όγκων υγρασιών και των scaled frequencies του EnviroScan και του Diviner 2000. Η σύγκριση αυτή έγινε σε 48 σωλήνες PVC σε τρία διαφορετικά εδάφη και κατέληξαν σε δύο γραμμικές σχέσεις, οι οποίες συνδέουν τις μετρήσεις των δύο οργάνων με πολύ ικανοποιητικούς συντελεστές προσδιορισμού (R2> 0.98). Οι Luis Gabriel et al. [2010] βαθμονόμησαν το EnviroScan με δύο μεθόδους για εδάφη Loam στη Μαδρίτη. Οι δύο μέθοδοι (εργαστηριακή και πεδίου) έδωσαν ικανοποιητικούς συντελεστές προσδιορισμού (R2= 0.96 και 0.92 αντίστοιχα) και οι εξισώσεις που προέκυψαν έδωσαν πολύ κοντινά αποτελέσματα υγρασίας, ενώ και οι δύο απείχαν αρκετά από τη γενική εξίσωση βαθμονόμησης της εταιρείας κατασκευής. Στον Πίνακα 4.19 εμφανίζονται συγκεντρωμένα τα αποτελέσματα βαθμονόμησης των παραπάνω εργασιών. Παρουσιάζονται ο αισθητήρας για τον οποίο έγινε η βαθμονόμηση (EnviroScan/Diviner, En/D), η μηχανική σύσταση, η οργανική ουσία και το φαινόμενο ειδικό βάρος των δειγμάτων. Ακόμη παρουσιάζονται το είδος της βαθμονόμησης (ΕρΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

100


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

γαστηριακή/Πεδίου, Ερ/Π), το πλήθος των δειγμάτων που χρησιμοποιήθηκαν (n), οι συντελεστές προσδιορισμού R2 - όπου αυτά ήταν βιβλιογραφικά διαθέσιμα - και οι συντελεστές βαθμονόμησης. Οι συντελεστές αυτοί εμφανίζονται σε δύο μορφές (μία για τον τύπο της μορφής SF  aθbv  c και μία άλλη με τη μορφή θ v  A  SFΒ  C ).

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

101


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Πίνακας 4.19 Βιβλιογραφικές σταθερές βαθμονόμησης EnviroScan και Diviner 2000 En/ D*

άμμος

ιλύς

Sentek

En D

Mead et al. [1995]

En

100 59 59 16

(%) 0 22 22 35

En

35

En

>95

εργασία

Platineanu and Starr [1997] Morgan et al. [1999]

άργιλος

οργ. ουσία

χαρακτηρισμός εδάφους

φ.ε.β. (gr/cm3)

Ερ/ Π**

πλήθ. (n)

R2

0 19 19 49

-

Sands, Loams, Clay Loams Sands, Sandy Loams, οργανικά εδάφη Sand Sandy Loam Sandy Loam Clay

1.3 1.3 1.5 1.01

Π Π

40 40 40 40

56

9

0.08 g/kg

Silt Loam

1.24 - 1.58

-

-

-

Sand

-

Π

SF  aθbv  c  θv 

b

 SF  c 

a

0.9737 0.9985 0.987 0.965 0.987 0.979

a 0.1957 0.2746 0.17 0.013 0.013 0.012

b 0.404 0.3314 1 1 1 1

c 0.02852 0 0.268 0.326 0.372 0.146

15

0.992

0.5512

0.2582

-0.5272

-

0.831

1.454984

0.471453

0

θ v  A  SFΒ  C Evett et al. [2002]

-

Grooves and Rose [2004]

Reinhard [2005]

-

-

D -

Geesing et al. [2002]

-

D

D

32.9 ± 8.1 32.7 ± 10.5 20.8 ± 7.6 46.5±9.4 47.6 ± 18.8 43.6 ± 23.9 91 78 47 37 60 29

46.8 ± 6.3 46.3 ± 7.9 53.0 ± 4.4 37.2 ± 5.3 33.2 ± 13.4 34.6 ± 15.2 4 10 22 19 16 29

20.4 ± 2.6 20.9 ± 3.4 26.2 ± 5.9 16.3 ± 4.8 19.2 ± 7.5 21.8 ± 11.0 5 12 31 44 24 42

0.34 0.96 2.13 3.59 12.9 19.3

% % % % % %

Silt Loam (0-60 & 100-120 cm), Silty clay loam (60-100 & 120-135 cm) Silt Loam (0-80 & 100-140 cm), Silt (80-100 cm) Silt-loamy Cambisol (0-30 & 30-60 & 60-90 cm αντίστοιχα) Loamy Cambisol (0-30 & 30-60 & 60-90 cm αντίστοιχα) Sand Sandy Loam Silty Clay Loam Clay Organic Sandy Clay Loam Organic Mineral Soil

-

-

0.533

A= 0.567

B= 5.276

C= 0.039

-

-

0.416

A= 1.94

B= 0.326

C= -1.56

1.51 - 1.56

140

0.93

1.360126

0.468011

0

1.64 - 1.68

142

0.88

1.769508

0.516316

0

1.58 (±0.1) 1.44 (±0.1) 1.39 (±0.08) 1.09 (±0.07) 1.02 (±0.08) 0.83 (±0.14)

15 15 15 15 15 15

0.97 0.97 0.96 0.93 0.97 0.97

0.2162 0.2532 0.3531 0.3107 0.1765 0.2161

0.4149 0.3628 0.2621 0.2966 0.4434 0.3785

0 0 0 0 0 0

Π

Π

Ερ

θ v  A  SFΒ  C D

19

25

54

-

Clay

1.3

Π

16

0.809

A= 0.4754

B= 0.4185

C= 0

Β

Burgess et al. [2006]

θ v  A  SF  C D

19

26

55

-

Clay

1.3

Π

15

0.81 0.78

A= 0.475 A= 0.228

B= 0.418 B= 1

C= 0 C= 0.250

θ v  A  SFΒ  C Evett et al. [2006]

En

D

17 13 25 17 13 25

53 39 40 53 39 40

30 48 35 30 48 35

-

Silty clay loam Clay Clay loam Silty clay loam Clay Clay loam

1.42 1.45 1.41 1.42 1.45 1.41

Ερ

178

0.993

A= 0.605

B= 3.812

C= 0.024

90

0.996

A= 0.781

B= 4.981

C= 0.041

336

0.992

A= 0.457

B= 5.421

C= 0.034

192

0.993

A= 0.563

B= 6.182

C= 0.028

Β

θ v  A  SF  C Luis Gabriel et al. [2010]

*

En

25 ± 1

49 ± 3

26 ± 3

1.27 - 1.85 %

1.23 - 1.44

Ερ

4

0.96

1.24 - 1.69

Π

16

0.92

Loam

Αισθητήρας υγρασίας En (EnviroScan) / D (Diviner 2000) Μέθοδος βαθμονόμησης Ερ (Εργαστηριακή), Π (Πεδίου)

**

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

102

A= 0.478 ή A= 0482 A= 0.444 ή A= 0443

B= 3.303 ή Β= 3.097 B= 3.049 ή Β= 2.536

C= 0.010 ή C= 0 C= 0.027 ή C= 0


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.12.5 Βαθμονόμηση Diviner 2000 και EnviroScan

Η προτεινόμενη από την εταιρεία κατασκευής των αισθητήρων υγρασίας βαθμονόμηση, θα ήταν αδύνατο να εφαρμοσθεί στο πειραματικό των λυσίμετρων στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διότι θα προκαλούσε καταστροφή των εδαφών τους. Για το λόγο αυτό προτιμήθηκε μια εναλλακτική βαθμονόμηση παρόμοια με αυτές που ακολουθούνται στη διεθνή βιβλιογραφία και με γνώμονα την ελάχιστη δυνατή διαταραχή του εδαφικού προφίλ. Έτσι για τη βαθμονόμηση των δύο οργάνων ελήφθησαν δείγματα για τον υπολογισμό της περιεχόμενης υγρασίας σε τρεις υγρασιακές καταστάσεις (ξηρή, μέση και υγρή) και για όλα τα βάθη (10…80 cm). Τα δείγματα λαμβάνονταν περιμετρικά του σωλήνα υγρασίας σε ακτίνα 20 - 30 cm η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη της σφαίρας επιρροής μέτρησης του οργάνου αλλά ικανή να θεωρηθεί αντιπροσωπευτική της μέτρησης υγρασίας της στρώσης. Παράλληλα με τη λήψη των δειγμάτων γινόταν μέτρηση υγρασίας με τους αισθητήρες. Στους Πίνακες 4.14 - 4.17 παρουσιάζονται οι κατά βάρος και οι κατ’ όγκο υγρασίες που υπολογίσθηκαν βαρυμετρικά μαζί με τις μετρήσεις των scaled frequencies των δύο οργάνων. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή τα δείγματα εδάφους λαμβάνονται από την επιθυμητή στρώση, τοποθετούνται σε προζυγισμένους μεταλλικούς κυλίνδρους και καλύπτονται αεροστεγώς για τη μείωση κατά το δυνατό της εξάτμισης. Στο εργαστήριο οι κύλινδροι ζυγίζονται με το περιεχόμενο έδαφος και οδηγούνται στο πυριατύριο στους 105 οC. Μετά από 24 ώρες ζυγίζονται ξανά και έτσι προκύπτει η υγρασία (%) ξηρού βάρους. Η υγρασία κατά βάρος θm εκφράζει την υγρασία με βάση τη μάζα και είναι ίση με τη μάζα του νερού προς τη μάζα του ξηρού βάρους. Η περιεχόμενη εδαφική υγρασία εκφρασμένη επί τοις εκατό (%) ξηρού βάρους εκφράζεται από τη σχέση :

θm 

υγρό βάρος εδάφους - ξηρό βάρος εδάφους  100 ξηρό βάρος εδάφους

[4.37]

Η περιεχόμενη υγρασία κατ’ όγκο θv εκφράζει την υγρασία του εδάφους με βάση τον όγκο και είναι ίση με το λόγο του όγκου του νερού προς τον όγκο του εδάφους (στερεά και πόροι, Vt). Η σχέση μεταξύ των θv και θm είναι η εξής [Παπαζαφειρίου 1999] : θv 

ρb  θm ρw

[4.38]

όπου : θm η υγρασία επί τοις εκατό ��ηρού (gr  gr-1 εδάφους), θv η υγρασία επί τοις εκατό κατ’ όγκο (cm3  cm-3), ρb η φαινόμενη πυκνότητα του εδάφους (gr  cm-3 εδάφους) και ρw το ειδικό βάρος του νερού (gr  cm-3) Ο υπολογισμός των συντελεστών βαθμονόμησης a, b γίνεται με την εφαρμογή μί-

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

103


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

ας εκθετικής συνάρτησης στα δεδομένα μας (Πίνακες 4.20 - 4.23) της μορφής SF  aθbv για κάθε εδαφική στρώση. Στα Σχήματα 4.19 - 4.22 και στους Πίνακες 4.24 - 4.27 παρουσιάζονται αυτοί οι συντελεστές για κάθε στρώση. Για κάθε λυσίμετρο υπολογίζεται και μία μέση εξίσωση βαθμονόμησης, οι οποίες παρουσιάζονται για βιβλιογραφικούς μόνο σκοπούς και για τη διευκόλυνση του αναγνώστη στη σύγκριση μεταξύ των εξισώσεων βαθμονόμησης. Κατά τη μετατροπή των δειγμάτων υγρασίας από κατά βάρος σε κατ’ όγκο του βάθους των 30 cm χρησιμοποιήθηκε ένα μέσο φαινόμενο ειδικό βάρος των δύο στρώσεων στα οποία αναφέρεται η μέτρηση των 30 cm (δηλαδή 0-30 και 30-60 cm) και για τα τέσσερα λυσίμετρα. Ένα μέσο φαινόμενο ειδικό βάρος (των στρώσεων 30-60 και 60-90 cm) χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη μέτρηση των 60 cm των λυσίμετρων 1 και 3. Πίνακας 4.20 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 1 μαζί με τις scaled frequencies (SF)

υγρασία υγρασία υγρασία κατά κατά κατά κατ’ κατ’ κατ’ SF SF SF βάρος όγκο βάρος όγκο βάθος βάρος όγκο θm θm θm θv θv θv (cm) ξηρή υγρασιακή υγρή υγρασιακή μέση υγρασιακή κατάσταση (19/9/07) κατάσταση (5/11/07) κατάσταση (20/3/08) 10 9.89 10.317 0.546 29.47 30.739 0.816 21.09 22.000 0.690 20 10.28 10.722 0.550 28.71 29.948 0.838 21.77 22.707 0.723 30 9.28 10.506 0.597 29.66 33.560 0.868 22.17 25.091 0.789 40 9.28 11.323 0.733 27.54 33.596 0.905 21.50 26.231 0.856 50 9.70 11.832 0.809 25.69 31.344 0.931 22.61 27.590 0.899 60 9.13 11.179 0.814 25.71 31.464 0.926 18.32 22.428 0.898 70 9.44 11.588 0.809 24.87 30.542 0.922 19.77 24.281 0.898 80 9.13 11.215 0.764 21.36 26.232 0.911 21.38 26.256 0.879 Πίνακας 4.21 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του EnviroScan στο λυσίμετρο 2 μαζί με τις scaled frequencies (SF)

υγρασία υγρασία υγρασία κατά κατά κατά κατ’ κατ’ κατ’ SF SF SF βάρος όγκο βάρος όγκο βάθος βάρος όγκο (cm) θm θm θm θv θv θv ξηρή υγρασιακή υγρή υγρασιακή μέση υγρασιακή κατάσταση (19/9/07) κατάσταση (5/11/07) κατάσταση (20/3/08) 10 8.95 9.692 0.545 28.15 30.485 0.834 19.67 21.299 0.694 20 8.32 9.014 0.578 26.47 28.671 0.825 21.89 23.711 0.716 30 8.69 10.337 0.655 24.67 29.341 0.864 18.41 21.898 0.792 40 9.39 12.166 0.710 23.20 30.067 0.875 18.85 24.435 0.822 50 8.95 11.600 0.658 23.06 29.888 0.878 19.23 24.921 0.825 60 9.05 11.726 0.656 22.90 29.683 0.836 19.95 25.855 0.804 70 8.91 9.908 0.608 21.77 24.210 0.784 21.10 23.466 0.785 80 7.53 8.370 0.592 21.42 23.814 0.766 20.30 22.571 0.767 Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

104


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Πίνακας 4.22 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 3 μαζί με τις scaled frequencies (SF)

υγρασία υγρασία υγρασία κατά κατ’ κατ’ κατ’ κατά κατά SF SF SF βάρος όγκο βάρος όγκο βάθος βάρος όγκο θm θv θv θv θm θm (cm) υγρή υγρασιακή μέση υγρασιακή ξηρή υγρασιακή κατάσταση (19/9/07) κατάσταση (5/11/07) κατάσταση (20/3/08) 10 9.11 10.331 0.527 27.64 31.342 0.784 24.14 27.376 0.642 20 8.00 9.072 0.579 28.14 31.907 0.851 21.99 24.935 0.712 30 8.39 9.734 0.636 26.47 30.706 0.880 21.43 24.864 0.771 40 9.18 10.890 0.702 24.80 29.417 0.917 21.21 25.150 0.845 50 9.49 11.256 0.760 27.41 32.503 0.925 22.40 26.563 0.884 60 9.45 11.455 0.729 24.15 29.281 0.899 24.00 29.105 0.858 70 9.45 11.704 0.768 23.18 28.723 0.909 21.16 26.218 0.878 80 9.17 11.363 0.785 24.02 29.759 0.921 20.97 25.984 0.900 Πίνακας 4.23 Εδαφική υγρασία κατά βάρος και κατ’ όγκο για τη βαθμονόμηση του Diviner 2000 στο λυσίμετρο 4 μαζί με τις scaled frequencies (SF)

υγρασία υγρασία υγρασία κατά κατά κατά κατ’ κατ’ κατ’ SF SF SF βάρος όγκο βάρος όγκο βάθος βάρος όγκο θm θm θm θv θv θv (cm) υγρή υγρασιακή μέση υγρασιακή ξηρή υγρασιακή κατάσταση (19/9/07) κατάσταση (5/11/07) κατάσταση (20/3/08) 10 9.42 10.368 0.531 31.39 34.563 0.816 24.05 26.484 0.685 20 12.63 13.905 0.654 30.16 33.207 0.858 22.85 25.158 0.731 30 8.65 10.361 0.747 27.24 32.646 0.927 19.92 23.873 0.829 40 8.42 10.908 0.803 25.83 33.477 0.939 21.34 27.659 0.869 50 9.26 11.995 0.794 23.66 30.661 0.930 18.98 24.594 0.861 60 8.61 10.781 0.810 23.16 28.997 0.931 19.02 23.816 0.882 70 9.02 11.295 0.791 23.22 29.073 0.926 19.28 24.144 0.882 80 8.29 10.376 0.732 23.81 29.804 0.861 20.35 25.481 0.855

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

105


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.9

0.95

λυσίμετρο 1 στρώση 0-30 (βάθη 10, 20, 30 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

λυσίμετρο 1 στρώση 30-60 (βάθη 40, 50, 60 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

0.85 0.9 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.8

0.75

0.7

0.65

0.55

SF=a*θvb a = 0.5473642693 b = 0.1488813059

0.8

R2 = 0.811894

SF=a*θvb a = 0.2352296422 b = 0.367186477

0.6

0.85

0.75 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

R2 = 0.960991

0.5

0.7 5

0.95

10

15

20

25

30

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

35

5

0.95

λυσίμετρο 1 στρώση 60-90 (βάθη 70, 80 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

20

25

30

35

λυσίμετρο 1 στρώση 0-90 (όλα τα βάθη)

0.85 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

R2 = 0.52994 Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

15

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

μέση εξίσωση βαθμονόμησης SF=a*θvb a = 0.3941713665 b = 0.2362539636

0.9

0.9

10

0.85

SF=a*θvb a = 0.5312649878 b = 0.1612912445

0.8

0.8

0.75

0.7

0.65

0.6

R2 = 0.927973

υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 10-20-30) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 40-50-60) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 70-80) SF=a*θvb

0.55

μέση εξίσωση βαθμονόμησης 0.75

0.5 5

10

15

20

25

30

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

35

5

10

15

20

25

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

30

35

Σχήμα 4.19 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 1 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος Πίνακας 4.24 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2

a b c

γενική βαθμονόμηση Diviner 2000 [Sentek] 0.2746 0.3314 0

0-30 (cm)

0.2352 0.3672 0

R

2

0.961

30-60 (cm)

0.5474 0.1489 0

R

2

0.812

60-90 (cm)

0.5313 0.1613 0

R

2

0.928

μέση 0-90 (cm)

R2

0.3942 0.2363 0

0.530

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

106


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.9

0.9

λυσίμετρο 2 στρώση 0-30 (βάθη 10, 20, 30 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

λυσίμετρο 2 στρώση 30-65 (βάθη 40, 50, 60 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

0.85 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

0.85

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.8

0.75

0.7

0.65

SF=a*θvb a = 0.2907818144 b = 0.3082425721

0.6

0.55

SF=a*θvb a = 0.3514338681 b = 0.2634147294 0.8

R2 = 0.949401

0.75

υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

0.7

R2 = 0.867941

0.5

0.65 5

10

15

20

25

30

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

35

10

0.8

0.9

15

20

25

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

30

35

λυσίμετρο 2 στρώση 0-90 (όλα τα βάθη)

λυσίμετρο 2 στρώση 65-90 (βάθη 70, 80 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b 0.85

μέση εξίσωση βαθμονόμησης SF=a*θvb a = 0.3142844216 b = 0.290446773

0.75

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.8

0.7 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb 0.65

SF=a*θvb a = 0.330761981 b = 0.2697923567

R2= 0.889689

0.75

0.7

0.65

0.6

υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 10-20-30) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 40-50-60) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 70-80) SF=a*θvb

0.6

R2 = 0.992139 0.55

μέση εξίσωση βαθμονόμσης 0.55

0.5 5

10

15

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

20

25

5

10

15

20

25

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

30

35

Σχήμα 4.20 Εξισώσεις βαθμονόμησης EnviroScan του λυσίμετρου 2 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος Πίνακας 4.25 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 2 (EnviroScan) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2

a b c

γενική βαθμονόμηση EnviroScan [Sentek] 0.1957 0.404 0.02852

0-30 (cm)

0.2908 0.3082 0

R

2

0.868

30-65 (cm)

0.3514 0.2634 0

R

2

0.949

65-90 (cm)

0.3308 0.2698 0

R

2

0.992

μέση 0-90 (cm)

R2

0.3143 0.2904 0

0.890

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

107


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.9

0.9

λυσίμετρο 3 στρώση 0-30 (βάθη 10, 20, 30 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

λυσίμετρο 3 στρώση 30-60 (βάθη 40, 50, 60 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

0.85 0.85

υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

0.75

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.8

0.7

0.65

0.8

SF=a*θvb a = 0.3839242226 b = 0.2334684082

0.75

R2 = 0.916067

0.6

SF=a*θvb a = 0.3040360515 b = 0.2800398898

0.55

0.7 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

R2 = 0.702741 0.5

0.65 5

0.95

10

15

20

25

30

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

35

10

0.95

λυσίμετρο 3 στρώση 60-90 (βάθη 70, 80 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.85

SF=a*θvb a = 0.5091470938 b = 0.1723899273

0.8

30

35

R2 = 0.545891

0.8

0.75

0.7

0.65

υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 10-20-30) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 40-50-60) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 70-80) SF=a*θvb

0.6

R2 = 0.97483

25

μέση εξίσωση βαθμονόμησης SF=a*θvb a = 0.3913611937 b = 0.2326709687

0.85 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

20

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

λυσίμετρο 3 στρώση 0-90 (όλα τα βάθη)

0.9

0.9

15

0.55

μέση εξίσωση βαθμονόμησης 0.75

0.5 10

15

20

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

25

30

5

10

15

20

25

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

30

Σχήμα 4.21 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 3 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το βάθος Πίνακας 4.26 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 3 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2

a b c

γενική βαθμονόμηση Diviner 2000 [Sentek] 0.2746 0.3314 0

0-30 (cm)

0.3040 0.28 0

R

2

0.703

30-60 (cm)

0.3839 0.2335 0

R

2

0.916

60-90 (cm)

0.5091 0.1724 0

R

2

0.975

μέση 0-90 (cm)

R2

0.3914 0.2327 0

0.546

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

108

35


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 0.95

0.95

λυσίμετρο 4 στρώση 0-30 (βάθη 10, 20, 30 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

λυσίμετρο 4 στρώση 30-55 (βάθη 40, 50 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

0.9 υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb 0.9

0.8

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

0.85

0.75

0.7

0.65

0.55

SF=a*θvb a = 0.5677270776 b = 0.1375930959 R2 = 0.883152

0.8

SF=a*θvb a = 0.3449667208 b = 0.2531764146

0.6

0.85

υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

2

R = 0.555285 0.5

0.75 5

0.95

10

15

20

25

30

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

35

10

0.95

λυσίμετρο 4 στρώση 55-90 (βάθη 60, 70, 80 cm) εύρεση συντελεστών βαθμονόμησης a, b

30

35

R2 = 0.412387

0.85

0.8

SF=a*θvb a = 0.5454033964 b = 0.148830451 0.75

25

λυσίμετρο 4 στρώση 0-90 (όλα τα βάθη)

0.85

Scaled frequency, SF

Scaled frequency, SF

υγρασίες κατ' όγκο (%) SF=a*θvb

20

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

μέση εξίσωση βαθμονόμησης SF=a*θvb a = 0.4802545635 b = 0.1749762757

0.9 0.9

15

0.8

0.75

0.7

0.65 υγρασίες κ��τ' όγκο (%) (βάθη 10-20-30) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 40-50) υγρασίες κατ' όγκο (%) (βάθη 60-70-80) SF=a*θvb

0.6

R2 = 0.785638 0.55

μέση εξίσωση βαθμονόμησης 0.7

0.5 5

10

15

20

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

25

30

5

10

15

20

25

υγρασία θv κατ' όγκο (%)

30

35

Σχήμα 4.22 Εξισώσεις βαθμονόμησης Diviner 2000 του λυσίμετρου 4 (των τριών εδαφικών στρώσεων) και μέση εξίσωση βαθμονόμησης για όλο το λυσίμετρο Πίνακας 4.27 Συντελεστές εξίσωσης βαθμονόμησης λυσίμετρου 4 (Diviner 2000) κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τους συντελεστές προσδιορισμού R2

a b c

γενική βαθμονόμηση Diviner 2000 [Sentek] 0.2746 0.3314 0

0-30 (cm)

R2

30-55 (cm)

R2

55-90 (cm)

R2

μέση 0-90 (cm)

R2

0.3445 0.2532 0

0.555

0.5678 0.1376 0

0.883

0.5454 0.1488 0

0.786

0.4803 0.1750 0

0.412

Στα Σχήματα 4.23 γίνεται σύγκριση των τιμών υγρασίας των Πινάκων 4.20 4.23 με τις βαθμονομημένες τιμές υγρασίας. Στα Σχήματα αυτά φαίνεται ότι τα βαθμονομημένα δείγματα υγρασίας προσεγγίζουν πολύ καλύτερα τα δείγματα που προέΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

109


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

κυψαν βαρυμετρικά σε σχέση με τα μη βαθμονομημένα. θv % (Sentek, factory settings) 45

40

35

30

25

20

θv % (Sentek, factory settings) 15

10

5

45

45 45

40

35

30

25

40

40

35

35

30

25

25

20

20

15

Λυσίμετρο 1 Diviner 2000

5 40

35

30

25

20

15

10

(0-30) R2=0.868 (30-65) R2 =0.949 (65-90) R2 =0.992

θv (Factory settings)

30

30

25

25

20

20

15

15

15

10

10

5

5

5

35

30

25

20

10

Λυσίμετρο 2 EnviroScan

5 45

40

35

θv % (gravimetrically)

40

30

25

15

10

5

45

40

35

30

25

40

40

35

35

30

25

25

20

20

15

Λυσίμετρο 3 Diviner 2000

5 30

25

20

15

10

15

10

5 45

(0-30) R2=0.555 (30-55) R2 =0.883 (55-90) R2 =0.786

40

θv (Factory settings)

35

R2=0.4553

30

30

25

25

20

20

15

15

15

10

10

5

5

5

10

Λυσίμετρο 4 Diviner 2000

5 45

θv % (gravimetrically)

θv % (gravimetrically)

30

θv % (gravimetrically)

θv % (Sentek, calibrated settings)

R 2=0.5557

35

20

θv % (Sentek, calibrated settings)

θv (Factory settings)

40

5

θv (Calibrated settings)

(0-30) R 2=0.703 (30-60) R2 =0.916 (65-90) R2 =0.975

45

10

45

θv (Calibrated settings)

10

15

θv % (gravimetrically)

45

35

20

θv % (Sentek, factory settings)

45

40

35

R 2=0.8926

θv % (Sentek, factory settings) 45

40

θv % (gravimetrically)

30

θv % (gravimetrically)

θv % (Sentek, calibrated settings)

R2=0.5492

45

5

θv % (Sentek, calibrated settings)

θv (Factory settings)

10

10

θv (Calibrated settings)

(0-30) R2=0.961 (30-60) R2 =0.812 (60-90) R2 =0.928

35

15

45

θv (Calibrated settings) 40

20

45

40

35

30

25

20

15

10

5

θv % (gravimetrically)

Σχήμα 4.23 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας των οργάνων με τις βαρυμετρικά μετρημένες τιμές για τα τέσσερα λυσίμετρα

Στα Σχήματα 4.23 φαίνεται ότι η βαθμονόμηση και των τεσσάρων λυσίμετρων βελτίωσε τις υγρασίες σε σχέση με τις μη βαθμονομημένες τιμές. Στα λυσίμετρα 1 και 2 η βαθμονόμηση κρίνεται πολύ ικανοποιητική με υψηλούς συντελεστές προσδιορισμού και για τις τρεις στρώσεις. Συγκεκριμένα, στο λυσίμετρο 1 οι συντελεστές προσδιορισμού για τις τρεις στρώσεις είναι αντίστοιχα 0.961, 0.812 και 0.928. Αντίστοιχα στο λυσίμετρο 2 οι τιμές αυτές είναι 0.868, 0.949 και 0.992. Στο λυσίμετρο 2 οι βαθμονομημένες τιμές και των τριών στρώσεων βρίσκονται αριθμητικά τόσο κοντά ώστε θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μία ενιαία εξίσωση βαθμονόμησης το οποίο φαίνεται και από τον υψηλό συντελεστή προσδιορισμού 0.890 των μέσων

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

110


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

εξισώσεων βαθμονόμησης. Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης των άλλων δύο λυσίμετρων (3 και 4) θεωρούνται μη ικανοποιητικά. Στο λυσίμετρο 3 συγκεκριμένα, παρόλο που η δεύτερη και η τρίτη στρώση έχουν υψηλούς συντελεστές προσδιορισμού στη βαθμονόμηση (R2 > 0.9), η πρώτη στρώση παρουσιάζει χαμηλό συντελεστή προσδιορισμού ίσο με 0.703. Η σημασία της υψηλότερης δυνατής ακρίβειας στην επάνω στρώση (με μεγάλες αυξομειώσεις υγρασίας και βασικός τόπος ανάπτυξης του ριζικού συστήματος) καθώς και οι εξαιρετικά υψηλές τιμές υγρασίας που προέκυψαν μετά τη βαθμονόμηση (θv > 50 %) σε σχέση με τις αισθητά πιο χαμηλές τιμές των λυσίμετρων 1 και 2 για τις ίδιες μέρες (θv περίπου 35 με 40 %) οδήγησε στην απόρριψη των τιμών της υγρασίας και εξαίρεση του λυσίμετρου 3 από τις εκτελέσεις του μαθηματικού μοντέλου και από τον υπολογισμό του ισοζυγιακών φυτικών συντελεστών που ακολουθούν. Ανάλογα αποτελέσματα βαθμονόμησης με το λυσίμετρο 3 έδωσε και το λυσίμετρο 4. Με συντελεστή προσδιορισμού στην επιφανειακή στρώση ίσο με 0.555 κρίνεται εξαιρετικά επισφαλής η χρήση των δεδομένων υγρασίας πράγμα που οδηγεί στην εξαίρεση του λυσίμετρου 4 όμοια με του 3. Από το σημείο αυτό της διατριβής και έπειτα όλοι οι υπολογισμοί και οι εκτελέσεις του μοντέλου θα αφορούν τα λυσίμετρα 1 και 2 τα οποία παρουσιάζουν αποτελέσματα υγρασίας με μικρές διαφορές μεταξύ τους και πολύ καλή απόκριση στις εισροές νερού (αρδεύσεις και βροχόπτωση). Στα Σχήματα 4.24 - 4.29, παρουσιάζονται οι διαφορές των βαθμονομημένων τιμών υγρασίας (σε % κατ’ όγκο και σε ισοδύναμα ύψη νερού) από τις μη βαθμονομημένες για κάθε βάθος ξεχωριστά στα λυσίμετρα 1 και 2. Ακόμη παρουσιάζεται η συνολική διαφορά αυτών των μετρήσεων, η οποία ουσιαστικά είναι το συνολικό σφάλμα χρησιμοποίησης μη βαθμονομημένων τιμών για την καλλιεργητική περίοδο.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

111


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

30 25

20 15

10

219.63 mm

θv(calibr.) - θv(Sentek)

3

5

200

2.5

150

2

125

100

1.5

75

1

0

0

45

4

50

40

0 250

3.5

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

θv (Calibrated)

35

25

219.87 mm

βάθος 20 cm θv (Sentek settings)

30 25

20 15

10

175

2.5

150

2

125

100

1.5

0

0 4

25

20 15

βάθος 30 cm θv (Sentek settings)

10

0 250 231.79 mm

175

2.5

150

2

125

100

1.5

75

βάθος 30 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

1

50

θv(calibr.) - θv(Sentek)

25

0

0

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

225

200

3

0.5

θv (Calibrated)

5

25

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

30

50

θv(calibr.) - θv(Sentek)

3.5

35

75

βάθος 20 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

1

45

40

225

200

3

0.5

5

225

175

0.5

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

θv (Calibrated)

35

250

βάθος 10 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

3.5

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

4 βάθος 10 cm θv (Sentek settings)

40

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.24 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 10, 20, 30 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

112


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

30 25

20 15

10

-500

-600

-11

-700

-12

-800 -900

-986.00 mm

-1000 0

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

30 25

20 15

βάθος 50 cm θv (Sentek settings)

10

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-9

-400

-10

-500

-600

-11

-700

-12

-800 -900

-944.25 mm

-14

0

-1000

-6

45

35

-7

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

40

0 -100

θv (Calibrated)

30 25

20 15

10

βάθος 60 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-8

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-9

-400 -500

-10

-600 -700

-11

-800

-12

-900

-1000

-13

5

-200 -300

-1005.42 mm

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

-1100

-1200

-14

0

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

βάθος 60 cm θv (Sentek settings)

-200 -300

-13

θv (Calibrated)

5

-8

-100

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

βάθος 50 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-7

35

-200

-400

-10

-6

40

-100

-300

-9

-14

45

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-8

-13

5

0

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

βάθος 40 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-7

θv (Calibrated)

35

0

-6

βάθος 40 cm θv (Sentek settings)

40

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.25 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 40, 50, 60 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

113


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

-11.2 θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

θv (Calibrated)

35

30 25

20 15

10 5

βάθος 70 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-11.4

-200 -400

-11.8

-500

-12

-600

-12.2

-700

-800

-12.4

-900

-12.6

-1000

-12.8

0

-100 -300

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-11.6

-1067.08 mm

-13

45

-11

-1100

-1200 0 -100

βάθος 80 cm θv (Sentek settings)

35

θv (Calibrated)

30 25

20 15

10

βάθος 80 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-11.5

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

40

-200 -300

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-12

-400 -500

-600

-12.5

-700

-13

-800 -900

-13.5

5

-1096.08 mm

0

-14

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

0

-11

βάθος 70 cm θv (Sentek settings)

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

40

-1000 -1100

-1200 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.26 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 70, 80 cm του λυσίμετρου 1 (Diviner 2000) μαζί με τη συνολική διαφορά τους

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

114


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

-2 θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

35

30 25

20 15

βάθος 10 cm θv (Sentek settings)

10 5

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-200 -3

-250

-300 -3.5

-350

-400

θv (Calibrated) -4.5

45

-1.5

-459.92 mm

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

30 25

20 15

βάθος 20 cm θv (Sentek settings)

5

-450

-500 0

βάθος 20 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-2

35

10

-100

-2.5

0

40

0 -50

-150

-4

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-50

-100 -150

-2.5

-200 -3

-250

-300 -3.5

-350

-400

-4

θv (Calibrated)

0

-4.5

45

-1.5

-450

-485.98 mm

-500 0 -50

40

-2

30 25

20 15

βάθος 30 cm θv (Sentek settings)

10 5

-100 -150

-2.5

-200 -3

-250

-300 -3.5

-350

βάθος 30 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-4

-400

θv(calibr.) - θv(Sentek)

θv (Calibrated)

-450

-454.08 mm

-500

-4.5

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

35

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

βάθος 10 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

-1.5

40

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.27 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 10, 20, 30 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

115


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού βάθος 40 cm θv (Sentek settings)

40

θv (Calibrated)

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

35

30 25

20 15

10 5

-100

-6.4

-200

-6.6

-300

-6.8

-400

-7

-500

-7.2 -7.4

-600

βάθος 40 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-7.6

-700

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-788.87 mm

-8

45

40

30

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

βάθος 50 cm θv (Sentek settings)

35

θv (Calibrated)

25

20 15

10 5

-6

0

-6.2

-100

βάθος 50 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-6.4 -6.6

-400

-6.8 -7

-500

-600

-7.2 -7.4

-700

-7.6

-800

45

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

βάθος 60 cm θv (Sentek settings)

30

θv (Calibrated)

25

20 15

10 5

-1000

-6

0

-6.2

-100

βάθος 60 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-6.4

-200

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-6.6

-300

-6.8

-400

-7

-500

-7.2

-600

-7.4

-700

-7.6

-800

-7.8

-900

-982.63 mm

-1000

-8

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

35

-900

-963.16 mm

-8

40

-200 -300

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-7.8

0

-800 -900

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

0

-7.8

0

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

-6 -6.2

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

25/9

Σχήμα 4.28 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 40+, 50, 60 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους +

Οι μηδενικές τιμές υγρασίας οφείλονται σε πρόβλημα στον αισθητήρα του βάθους των 40 cm

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

116


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

βάθος 70 cm θv (Sentek settings)

35

θv (Calibrated)

30 25

20 15

10 5

βάθος 70 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-4.4

-300

-4.8

-400

-5

-5.2

-500

-5.4

-600

-5.6 -654.43 mm

40

θv(calibrated) - θv(Sentek) (mm)

30

θv (Calibrated)

25

20 15

10 5

-4

0

-4.2

-50

-4.4

-100

-4.6

-150

-4.8

-200

-5

-250

-5.2

-300

βάθος 80 cm Σ(θv(calibr.) - θv(Sentek))

-5.4

-350

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-5.6

-400 -661.33 mm

-5.8

0

-6 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

βάθος 80 cm θv (Sentek settings)

35

-700

-800

-6

45

-100

-200

θv(calibr.) - θv(Sentek)

-4.6

-5.8

0

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

0

-4 -4.2

40

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) (mm)

υγρασία κατ' όγκο θv (%), ισοδύναμο ύψος νερού y (mm)

45

-450

-500 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7

27/7

8/8

Σχήμα 4.29 Σύγκριση βαθμονομημένων και μη τιμών υγρασίας για τα βάθη των 70, 80 cm του λυσίμετρου 2 (EnviroScan) μαζί με τη συνολική διαφορά τους

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

117


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Στους Πίνακες 4.28 - 4.29 παρουσιάζονται οι μέσες, ελάχιστες και οι μέσες διαφορές καθώς και η συνολική διαφορά των μη βαθμονομημένων από τις βαθμονομημένες τιμές υγρασίας για κάθε αισθητήρα των λυσίμετρων 1 και 2. Πίνακας 4.28 Μέση, ελάχιστη, μέγιστη και συνολική διαφορά μη βαθμονομημένων από τις βαθμονομημένες υγρασίες για κάθε εδαφική στρώση λυσίμετρου 1 (Diviner 2000)

λυσίμετρο 1

βάθος (cm)

10 20 30 40 50 60 70 80

θv(calibrated) - θv(Sentek) μέση ελάχιστη μέγιστη (mm) 2.50 1.83 3.23 2.50 1.80 2.85 2.63 2.10 2.85 -11.20 -12.55 -7.02 -10.73 -12.44 -7.67 -11.43 -12.41 -10.14 -12.13 -12.54 -11.67 -12.46 -12.55 -12.24

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) συνολική

219.63 219.87 231.79 -986.00 -944.25 -1005.42 -1067.08 -1096.08

Πίνακας 4.29 Μέση, ελάχιστη, μέγιστη και συνολική διαφορά μη βαθμονομημένων από τις βαθμονομημένες υγρασίες για κάθε εδαφική στρώση λυσίμετρου 2 (EnviroScan)

λυσίμετρο 2

βάθος (cm)

10 20 30 40 50 60 70 80

θv(calibrated) - θv(Sentek) μέση ελάχιστη μέγιστη (mm) -3.41 -3.89 -1.87 -3.60 -3.89 -2.46 -3.36 -3.89 -1.96 -7.11 -7.53 -6.39 -7.13 -7.53 -6.31 -7.28 -7.53 -6.95 -4.85 -5.23 -4.04 -4.90 -5.23 -4.26

Σ(θv(calibrated) - θv(Sentek)) συνολική

-459.92 -485.98 -454.08 -788.87 -963.16 -982.63 -654.43 -661.33

Όπως βλέπουμε στον Πίνακα 4.28 για την πρώτη στρώση (0-30) του λυσίμετρου 1 οι βαθμονομημένες τιμές του Diviner 2000 είναι μεγαλύτερες κατά 2.5 mm μέσο όρο μετρήσεων. Η χρήση μη βαθμονομημένων τιμών όπως παρουσιάζεται στη συνολική διαφορά θα οδηγούσε σε υποεκτίμηση του υδατικού ισοζύγιου για όλη την καλλιεργητική περίοδο κατά περίπου 200 mm. Αντίθετα στις δύο επόμενες στρώσεις (30-60), (60-90) βλέπουμε ότι η χρήση η μη βαθμονομημένων τιμών θα οδηγούσε σε υπερεκτίμηση του υδατικού ισοζύγιου περίπου 1000 mm. Συνολική υπερεκτίμηση του υδατικού ισοζύγιου θα προκαλούσε η χρήση μη βαθμονομημένων τιμών σε όλες τις στρώσεις του λυσίμετρου 2 (Πίνακας 4.29). Συγκεκριμένα για την πρώτη στρώση το συνολικό σφάλμα στο οποίο η χρησιμοποίησή τους θα οδηγούσε ξεπερνά τα 450 mm. Αντίστοιχα, για τη δεύτερη και τρίτη στρώση τα σφάλματα αυτά είναι

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

118


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

περίπου 900 και 650 mm. Στους Πίνακες 4.30.α,β γίνεται μια ενδεικτική παρουσίαση μίας ισχυρής βροχόπτωσης (ωφέλιμης και ολικής) και μίας άρδευσης σε σχέση με την ποσοτική εκτίμησή τους από το EnviroScan και το Diviner 2000. Ακόμη γίνεται σύγκριση με την εκτίμηση που δίνουν για τις εισροές αυτές η χρήση μη βαθμονομημένων τιμών υγρασίας. Συγκεκριμένα τα συμβάντα που περιγράφονται είναι οι βροχοπτώσεις τις 5/6/2007 και 6/6/2007 (συνολικού ύψους 109.6 mm) και η άρδευσης της 25/6/2007 (συνολικού ύψους 69.3 mm). Στον Πίνακα 4.30.α η δεύτερη μέτρηση αφορά τις 14:00 μ.μ. για το Diviner 2000 και το EnviroScan ώρα κατά την οποία σταμάτησε η βροχόπτωση. Πίνακας 4.30.α Εκτίμηση εισροής νερού στο έδαφος από το συμβάν της βροχόπτωσης στις 5/6/2007 και 6/6/2007 με βαθμονομημένες και μη τιμές υγρασίας από το Diviner 2000 και το EnviroScan ύψη νερού (mm) ολική βροχόπτωση ωφέλιμη βροχόπτωση συνολικό ύψος νερού από βαθμονομημένες τιμές υγρασίας Diviner 2000 συνολικό ύψος νερού από μη βαθμονομημένες τιμές υγρασίας Diviner 2000 συνολικό ύψος νερού από βαθμονομημένες τιμές υγρασίας EnviroScan συνολικό ύψος νερού από μη βαθμονομημένες τιμές υγρασίας EnviroScan

5/6/07 8:00

7/6/07 9:00

βροχοπτώσεις 5/6 και 6/6/07 109.60 48.92

διαφ. υγρασιών 5/6/07 από 7/6/07

180.26

222.19

41.93

213.13

246.19

33.06

189.15

228.84

39.69

235.29

270.38

35.09

Πίνακας 4.30.β Εκτίμηση εισροής νερού στο έδαφος από το συμβάν της άρδευσης στις 25/7/2007 με βαθμονομημένες και μη τιμές υγρασίας από το Diviner 2000 και το EnviroScan ύψη νερού (mm)

25/7/07

άρδευση συνολικό ύψος νερού από βαθμονομημένες τιμές υγρασίας Diviner 2000 συνολικό ύψος νερού από μη βαθμονομημένες τιμές υγρασίας Diviner 2000 συνολικό ύψος νερού από βαθμονομημένες τιμές υγρασίας EnviroScan συνολικό ύψος νερού από μη βαθμονομημένες τιμές υγρασίας EnviroScan

69.3

25/7/07 8:00

26/7/07 8:00

διαφ. υγρασιών 25/6/07 από 26/6/07

128.43

195.57

67.14

213.45

272.28

58.83

161.17

224.80

63.63

235.46

284.70

49.24

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

119


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

Όπως φαίνεται στους Πίνακες 4.30.α,β η χρήση των βαθμονομημένων τιμών υγρασίας αποτυπώνουν πολύ καλύτερα τις εισροές σε σχέση με τη μη βαθμονομημένες. Οι αρδεύσεις γενικά αποτυπώνονται πολύ καλύτερα όπως φάνηκε και στον Πίνακα 4.30.β, ενώ οι βροχοπτώσεις παρουσιάζουν μια μικρή διαφορά (Πίνακας 4.30.α). Αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι η ωφέλιμη βροχόπτωση προέκυψε από την ολική - όχι με απευθείας μέτρηση της - αλλά βάσει του εμπειρικού τύπου της S.C.S. που περιγράφηκε στην Παράγραφο 2.3.7. Παρόλα αυτά η χρήση της ολικής βροχόπτωσης αντί της ωφέλιμης θα οδηγούσε σε ένα πολύ μεγαλύτερο σφάλμα. Οι μεγάλες διαφορές υγρασίας καθώς και τα σφάλματα στα οποία θα οδηγούσε η χρήση μη βαθμονομημένων τιμών κάνει απαραίτητη τη βαθμονόμηση των αισθητήρων υγρασίας. Οι μη βαθμονομημένες τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενδεικτικά και όχι για ποσοτικούς υπολογισμούς. 4.12.6 Διακύμανση υγρασίας

Ο υπολογισμός και η παρουσίαση της διακύμανσης της υγρασίας σε κάθε στρώση προϋποθέτει τον υπολογισμό μιας μέσης τιμής υγρασίας για αυτήν. Οι μέσες τιμές % κατ’ όγκο υγρασιών κάθε εδαφικής στρώσης των δύο λυσίμετρων προκύπτει από τους σταθμισμένους μέσους όρους των παρακάτω σχέσεων [4.39] με [4.44]. Τα αποτελέσματα των παρακάτω τύπων παρουσιάζονται στους Πίνακες Γ.3 και Γ.4.

θv(λυσ.1) (0-30) (%) 

1.5  θ v(λυσ.1) (10)  θ v(λυσ.1) (20)  0.5  θ v(λυσ.1) (30) 3

θv(λυσ.1) (30-60) (%)  θ v(λυσ.1) (60-90) (%)  θv(λυσ.2) (0-30) (%) 

0.5  θ v(λυσ.1) (30)  θ v(λυσ.1) (40)  θ v(λυσ.1) (50)  0.5  θv(λυσ.1) (60) 0.5  θ v(λυσ.1) (60)  θ v(λυσ.1) (70)

3  1.5  θ v(λυσ.1) (80)

3

1.5  θ v(λυσ.2) (10)  θ v(λυσ.2) (20)  0.5  θv(λυσ.2) (30)

θv(λυσ.2) (30-65) (%)  θv(λυσ.2) (65-90) (%) 

3 0.5  θ v(λυσ.2) (30)  θ v(λυσ.2) (40)  θ v(λυσ.2) (50)  θ v(λυσ.2) (60) 3.5 θ v(λυσ.2) (70)  1.5  θ v(λυσ.2) (80) 2.5

[4.39] [4.40] [4.41] [4.42] [4.43] [4.44]

όπου : θv(λυσ.Χ) (10) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 5-15 cm, θv(λυσ.Χ) (20) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 15-25 cm, θv(λυσ.Χ) (30) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 25-35 cm, θv(λυσ.Χ) (40) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 35-45 cm, θv(λυσ.Χ)

(50)

μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 45-55

cm, θv(λυσ.Χ) (60) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 55-65 cm, θv(λυσ.Χ) (70) μέση υγρασία % κατ’ όγκο στρώσης βάθους 65-75 cm, θv(λυσ.Χ) (80) μέση υγρασία % Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

120


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

κατ’ όγκο στρώσης βάθους 75-85 cm Στα Σχήματα 4.30 - 4.35 παρουσιάζονται οι διακυμάνσεις της εδαφικής υγρασίας % κατ’ όγκο κάθε εδαφικής στρώσης μαζί με τις τιμές των ωφέλιμων βροχοπτώσεων και των αρδεύσεων. Η διακύμανση της υγρασίας στα δύο λυσίμετρα είναι παρόμοια. Όπως φαίνεται η ανταπόκριση της διακύμανσης της υγρασίας της επιφανειακής στρώσης από τις εισροές (αρδεύσεις, βροχοπτώσεις) είναι πολύ καλή.

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

0 20 40 60 80

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09 0 20 40 60 80

μετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση άρδευση θFC θPWP

40

θv (%)

14/06

40

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

ημέρα του έτους Σχήμα 4.30 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

121

0


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 μετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση άρδευση θ FC

40

θv (%)

14/06

40

θ PWP

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0

ημέρα του έτους Σχήμα 4.31 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 μετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση άρδευση θFC

40

θv (%)

28/08

θPWP

40

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

ημέρα του έτους Σχήμα 4.32 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

122

0


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 μετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση άρδευση θ FC θ PWP

40

θv (%)

14/06

40

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0

ημέρα του έτους Σχήμα 4.33 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 2

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 μ ετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση ά ρδευση θ FC

40

θv (%)

28/08

40

θ PWP

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

ημέρα του έτους Σχήμα 4.34 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (30-65) του λυσίμετρου 2

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

123

0


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 μετρημένες τιμές υγρασίας ωφέλιμη βροχόπτωση άρδευση θFC

40

θv (%)

28/08

40

θPWP

30

30

20

20

10

10

0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0

ημέρα του έτους Σχήμα 4.35 Διακύμανση εδαφικής υγρασίας θv (%) στρώσης (65-90) του λυσίμετρου 2

Στα Σχήματα 4.36 και 4.37 παρουσιάζονται σε ισοδύναμα ύψη νερού (σε mm) οι διακυμάνσεις, της συνολικής ποσότητας του νερού στα 90 cm βάθους του λυσίμετρου ytot(90 cm),

της ποσότητας του νερού στο βάθος του ριζοστρώματος yrootdepth καθώς και των ποσο-

τήτων νερού στο σημείο μόνιμης μάρανσης yPWP, στην υδατοϊκανότητα yFC και στο ελάχιστο επιτρεπόμενο όριο μείωσης της υγρασίας yLAL (Lower Allowable Limit) για τα δύο λυσίμετρα. Η τιμή της ελάχιστης επιτρεπόμενης μείωσης της υγρασίας επιλέχθηκε στο 35 % της μέγιστης διαθέσιμης υγρασίας για την καλλιέργεια του βαμβακιού [Doorenbos and Pruit 1977].

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

124


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού 136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

250

220

232

244

256

268

ύψη νερού στο βάθος του ριζοστρώματος στο λυσίμετρο 1

225

225

200

175

175

150

150

yPWP ytot(90 cm)

125

125

yFC yrootdepth

100

100

yLAL 75

ισοδύναμα ύψη νερού y (mm)

ισοδύναμα ύψη νερού y (mm)

200

250

75

50

50

25

25

0

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.36 Διακύμανση ποσοτήτων νερού (σε ισοδύναμα ύψη νερού) στο βάθος του ριζοστρώματος και σε όλο το βάθος του λυσίμετρου (0-90 cm) για το λυσίμετρο 1

136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

220

232

244

256

268

250

250

ύψη νερού στο βάθος του ριζοστρώματος στο λυσίμετρο 2

225

200

200 175

175

150

150

125

125

yPWP ytot(90 cm)

100

100

yFC yrootdepth

75

ισοδύναμα ύψη νερού y (mm)

ισοδύναμα ύψη νερού y (mm)

225

75

yLAL 50

50

25

25

0

0 16/5

28/5

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

8/8

20/8

1/9

13/9

25/9

Σχήμα 4.37 Διακύμανση ποσοτήτων νερού (σε ισοδύναμα ύψη νερού) στο βάθος του ριζοστρώματος και σε όλο το βάθος του λυσίμετρου (0-90 cm) για το λυσίμετρο 2

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

125


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

4.13 Αποτελέσματα εκκόκκισης και απόδοσης Η εκκόκκιση, η ανάλυση και η αξιολόγηση των τεχνολογικών χαρακτηριστικών του συγκομισμένου βαμβακιού έγινε στο Ινστιτούτο Βάμβακος και Βιομηχανικών Φυτών στη Σίνδο. Η εκκόκκιση έγινε σε rollergin (εκκοκκιστική μηχανή με μαχαίρια - η οποία συνίσταται για πειραματικούς σκοπούς και δεν είναι ο συνήθης εμπορικός τρόπος εκκόκκισης). Το μήκος και η ομοιομορφία μετρήθηκε με το Fibrograph 530, το micronaire με το Fibronaire, ενώ τα άλλα ποιοτικά χαρακτηριστικά μετρήθηκαν με το AFIS Zellweger Uster Model 4.0. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων των σημαντικότερων ποιοτικών χαρακτηριστικών των ινών του βαμβακιού, μαζί με τις τιμές των χαρακτηριστικών αυτών που δίνονται από την εταιρεία παραγωγής των σπόρων παρουσιάζονται στους Πίνακες 4.31.α,β. Οι ίνες (%) αναφέρονται στο ποσοστό των ινών σε gr στα 100 gr του σύσπορου βαμβακιού. Η εύρεση του μήκους 2.5 % σε mm έγινε με χρήση ινογράφου, ο οποίος επιτρέπει την ηλεκτρονική απεικόνιση δέσμης ινών και δίνει το μήκος τους για καθορισμένες συχνότητες. Το μήκος 2.5 % σε mm αναφέρεται στο ανώτερο μήκος του 2.5 % του πληθυσμού των ινών του βαμβακιού. Δηλαδή στο λυσίμετρο 1 σε πλήθος π.χ. 1000 ινών, οι μακρύτερες 25 ίνες έχουν μήκος 30.06 mm. Ο δείκτης micronaire είναι ένας έμμεσος δείκτης εκτίμησης της λεπτότητας και ωριμότητας και αντιστοιχεί στην αντίσταση που προβάλει στη ροή του αέρα συγκεκριμένης πίεσης, δείγμα βαμβακιού ορισμένου βάρους, το οποίο πιέζεται σε χώρο σταθερών διαστάσεων. Η ομοιομορφία (%) του μήκους αναφέρεται στη σχέση του μέσου μήκους προς το ανώτερο μήκος των ινών. Ο δείκτης SFC (n) (%) <12.7 περιγράφει το ποσοστό των κοντών ινών (short fiber) (αυτών που έχουν μήκος μικρότερο από 12.7 mm) στο σύνολο του πληθυσμού των ινών. Η μέτρηση των ινών αυτών είναι απαραίτητη διότι οι κοντές ίνες δημιουργούν προβλήματα στην κλώση και ατέλειες στο νήμα. Η λεπτότητα του βαμβακιού (fineness) αναφέρεται στις διαστάσεις της ίνας και κυρίως της περιμέτρου της. Η μονάδα μέτρησης της λεπτότητας είναι το millitex (mTex) και δηλώνει το βάρος σε mg 1000 μέτρων ινών. Η ωριμότητα (mat ratio) αναφέρεται στην ανάπτυξη του δευτερογενούς τοιχώματος και εξαρτάται κυρίως από τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Άλλες παράμετροι του βαμβακιού με ιδιαίτερη επίδραση στην ποιότητα του τελικού προϊόντος είναι τα κομπάκια (neps), τα κομμάτια περισπερμίου (seed coat neps) και οι ξένες ύλες. Το πλήθος των δύο πρώτων ανά gr σύσπορου βαμβακιού περιγράφεται από τους όρους neps cnt/g και SCN cnt/g αντίστοιχα. Το πλήθος των ξένων υλών, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως σκόνη ή σκουπίδια (ανάλογα με το μέγεθός τους) περιγράφονται από τους όρους dust cnt/g και trash cnt/g αντίστοιχα. Ο όρος dust cnt/g αναφέρεται στο πλήθος των σωματιδίων με μέγεθος μικρότερο των 500 μm ανά gr σύσπορου βαμβακιού, ενώ ο όρος trash cnt/g αναφέρεται στο πλήθος των σωματιδίων με μέγεθος μεγαλύτερο των 500 μm ανά gr σύσπορου βαμβαΠειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

126


Κεφάλαιο 4ο Περιγραφή και ανάλυση μετρήσεων πειραματικού

κιού [Τσαλίκη και Κεχαγιά 2003]. Πίνακας 4.31.α Αποτελέσματα εκκόκκισης

βάρος σύσπορου ίνες ομοιομορφία μήκος micronaire (gr/4 m2) (%) 2.5 % (mm) (%) λυσίμετρο1 1524 41 30.06 5.3 53 λυσίμετρο 2 1100 41 31.46 5.0 53 λυσίμετρο 3 1037 41 30.16 5.1 46 λυσίμετρο 4 1399 41 31.46 4.8 54 * Fibermax Celia 39 29.9 4.0 δείγμα

*

τιμές οι οποίες δίνονται στο δικτυακό τόπο της εταιρείας παραγωγής των σπόρων

Πίνακας 4.31.β Αποτελέσματα εκκόκκισης

δείγμα λυσίμετρο λυσίμετρο λυσίμετρο λυσίμετρο

1 2 3 4

SCN dust trash SFC (n) fineness mat neps (%) <12.7 (mTex) ratio cnt/gr cnt/gr cnt/gr tn/gr 5.7 196 1.08 66 3 105 5 6.5 178 1.03 90 4 73 9 6.2 196 1.07 85 4 137 11 7.6 185 1.04 100 4 99 14

Στον Πίνακα 4.32 παρουσιάζεται η στρεμματική απόδοση σε kg/στρ των τεσσάρων λυσίμετρων καθώς και η μέση στρεμματική απόδοση της Ελλάδας του έτους 2003. Πίνακας 4.32 Στρεμματική απόδοση καλλιέργειας βαμβακιού των λυσίμετρων

*

λυσίμετρο 1 λυσίμετρο 2 λυσίμετρο 3 λυσίμετρο 4 μέσος όρος λυσίμετρων μέση στρεμματική απόδοση Ελλάδας έτους 2003*

στρεμματική απόδοση (kg/στρ.) 381 275 259.25 349.75 316.25

275

πηγή : ιστοσελίδα Ο.Π.Ε.Κ.Ε.Π.Ε.

Όπως βλέπουμε στον Πίνακα 4.32 η απόδοση της καλλιέργειας σε όλα τα λυσίμετρα κρίνεται ικανοποιητική και ιδιαίτερα στα λυσίμετρα 1 και 4. Η διαπίστωση αυτή φαίνεται να αντιτίθεται στο γεγονός που παρουσιάσθηκε στην προηγούμενη Παράγραφο βάσει του οποίου η συνολική υγρασία του λυσίμετρου 1 και 2 στο βάθος του ριζοστρώματος βρισκόταν για κάποιες ημέρες κάτω από το όριο της ελάχιστης επιτρεπόμενης μείωσης της υγρασίας (Σχήματα 4.36 και 4.37) το οποίο θα προκαλούσε και μείωση της παραγωγής της καλλιέργειας.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

127


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα 5.1 Γενικά Στο Κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της δυναμικής του νερού στο πειραματικό των λυσίμετρων. Στην αρχή με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου, που περιγράφηκε στην Παράγραφο 2.3.6 και με βάση τις βαθμονομημένες τιμές υγρασίας υπολογίσθηκε ένας τοπικός φυτικός συντελεστής ανά στάδιο καλλιέργειας για το βαμβάκι. Η εκτίμηση αυτή του φυτικού συντελεστή έγινε με την παρακολούθηση της εδαφικής υγρασίας σε καθημερινή βάση ενώ μέσω του εγκατεστημένου μετεωρολογικού σταθμού υπολογιζόταν - με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια - η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς. Αυτός ο φυτικός συντελεστής συγκρίθηκε με βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές με σκοπό την επαλήθευση και αξιολόγησή τους τόσο σε επίπεδο καλλιεργητικής περιόδου όσο και σε ημερήσιο επίπεδο. Στο επίπεδο της καλλιεργητικής περιόδου η σύγκριση αυτή έγινε υπολογίζοντας το συνολικό υδατικό ισοζύγιο, σύμφωνα με τις συνολικές εισροές νερού, τις συνολικές εκροές και τις μεταβολές του περιεχόμενου στα λυσίμετρα νερού. Για τη σύγκριση των ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών με τους βιβλιογραφικούς σε ημερήσιο βήμα, χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο S.W.BA.CRO.S. μέσω της προσομοίωσης της κίνησης του νερού για όλη την καλλιεργητική περίοδο του βαμβακιού στο πειραματικό των λυσίμετρων. Στο τέλος του Κεφαλαίου αυτού γίνεται ανάλυση ευαισθησίας των τιμών των φυτικών συντελεστών εφαρμόζοντάς τους τόσο στο μοντέλο όσο και υπολογίζοντας το συνολικό υδατικό ισοζύγιο της καλλιεργητικής περιόδου. Τα πειραματικά δεδομένα για την καλλιέργεια, το έδαφος, τις βαθμονομημένες τιμές των υγρασιών στα διάφορα βάθη, τα μετεωρολογικά στοιχεία για τον υπολογισμό της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο S.W.BA.CRO.S. για την προσομοίωση καθώς και για τον υπολογισμό των τοπικών φυτικών συντελεστών ανά στάδιο της καλλιέργειας του βαμβακιού είναι αυτά τα οποία παρουσιάσθηκαν στο προηγούμενο Κεφάλαιο και καταγράφηκαν στο πειραματικό των λυσίμετρων.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

128


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

5.2 Εκτίμηση φυτικών συντελεστών με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου Η επεξεργασία των δεδομένων υγρασίας σε σχέση με τις εισροές και τις εκροές νερού από τα λυσίμετρα οδήγησε σε σημαντικές ποσοτικές ασυμφωνίες. Οι ασυμφωνίες αυτές επαληθεύονταν τόσο σε ημερήσιο επίπεδο όσο και σε επίπεδο καλλιεργητικής περιόδου. Ενώ οι εισροές νερού (μέσω της βροχόπτωσης και της άρδευσης) παρουσίαζαν καλή απόκριση στα δεδομένα υγρασίας όπως και φάνηκε στους Πίνακες 4.30.α και β, οι εκροές νερού (μέσω της εξατμισοδιαπνοής) παρουσίαζαν μεγάλες διαφορές. Η ασυμφωνία που παρατηρήθηκε μεταξύ της διαφοράς υγρασίας διαδοχικών ημερών και της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής η οποία υπολογίσθηκε με βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές [Allen et al. 1998, Παπαζαφειρίου 1999] οδήγησε στην αναζήτηση φυτικών συντελεστών οι οποίοι θα επαλήθευαν τις διαφορές αυτές και θα αντικατόπτριζαν τις αυξημένες ημερήσιες ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας του βαμβακιού στο πειραματικό των λυσίμετρων. Η ασυμφωνία αυτή παρατηρείται και συγκρίνοντας τις συνολικές ανάγκες της καλλιέργειας. Στον Πίνακα 5.1 παρουσιάζονται οι συνολικές ανάγκες σε νερό της καλλιέργειας υπολογίζοντας το σύνολο των ημερήσιων τιμών της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τους βιβλιογραφικούς φυτικούς συντελεστές. Στον Πίνακα 5.2 παρουσιάζεται το υδατικό ισοζύγιο της βλαστικής περιόδου το οποίο όπως φαίνεται στην δεύτερη στήλη είναι ελλειμματικό (Δθ < 0) παίρνοντας την διαφορά των υγρασιακών καταστάσεων της αρχής του πειραματικού (16/05/07) από το τέλος αυτού (25/09/07). Αυτό σημαίνει ότι οι βροχοπτώσεις και οι αρδεύσεις δεν επαρκούσαν για την κάλυψη των αναγκών της καλλιέργειας με αποτέλεσμα να χρησιμοποιηθεί μέρος του αποθηκευμένου νερού του εδάφους (για το λυσίμετρο 1 ίσο με 39.03 mm και για το 2 ίσο με 72.94 mm) θεωρώντας ότι δεν απομακρύνθηκε νερό από το λυσίμετρο με βαθιά διήθηση (Παράγραφος 4.9). Οι ανάγκες της καλλιέργειας φαίνονται στην τελευταία στήλη του Πίνακα 5.2 όπου υπολογίζεται το συνολικό ισοζύγιο νερού της καλλιεργητικής περιόδου σύμφωνα με τις συνολικές εισροές νερού και τη μεταβολή του αποθηκευμένου νερού στα λυσίμετρα. Οι τιμές αυτές συγκρινόμενες με αυτές που υπολογίσθηκαν στον Πίνακα 5.1 δίνουν μία διαφορά η οποία είναι αρκετά μεγάλη (της τάξης των 200 mm) για να θεωρηθεί ως σφάλμα μέτρησης των οργάνων. Πίνακας 5.1 Συνολική κατανάλωση νερού της καλλιέργειας βαμβακιού σε mm (από τις 16/5 25/9) με φυτικούς συντελεστές Παπαζαφειρίου [1999] και Allen et al. [1998]

Παπαζαφειρίου [1999] Allen et al. (FAO56) [1998]

συνολικές ανάγκες καλλιέργειας (ΣETr  kc) (mm) 497.9 537.3

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

129


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

Πίνακας 5.2 Συνολικό ισοζύγιο νερού (σε mm) κατά τη διάρκεια του πειραματικού

Δθ=

λυσ. 1 λυσ. 2

εισροές (mm) συνολικές άρδευση εισροές I (Ι+R)

Σθ(0-90)(26/9) Σθ(0-90)(16/5) (mm)

ωφ. βροχή R

-39.03 -72.94

200.82

496.7

697.52

συνολικές εισροές - Δθ (mm) 736.55 770.46

Η εκτίμηση των φυτικών συντελεστών για τα λυσίμετρα 1 και 2 έγινε με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου που περιγράφηκε στην Παράγραφο 2.7.3. Ο υπολογισμός του ημερήσιου φυτικού συντελεστή έγινε με τη βοήθεια του τύπου : k c (t) 

Rain(t)  Irrigation(t)  ΔS ETr

όπου : kc

(t)

[5.1]

(t)

προσαρμοσμένος φυτικός συντελεστής ημέρας t, Rain(t) και Irrigation(t)

βροχή και άρδευση την ημέρα t αντίστοιχα (mm), ΔS μεταβολή της αποθηκευμένης υγρασίας σε όλο το λυσίμετρο (mm) την ημέρα t, ΕΤr (t) εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς την ημέρα t (mm/day) Η μεταβολή της αποθηκευμένης υγρασίας ΔS σε όλο το λυσίμετρο για δύο διαδοχικές ημέρες δίνεται από τον τύπο : L

L

0

0

ΔS   θ  z, t  1 dz   θ  z, t  dz

[5.2]

όπου : θ περιεχόμενη υγρασία (cm3  cm-3), z βάθος (mm), L βάθος λυσίμετρου (mm) Οι ημερήσιες τιμές που προέκυψαν παρουσιάζονται στα Σχήματα 5.1 και 5.2. Από τις τιμές αυτές εξαιρέθηκαν αυτές που αναφέρονταν σε ημέρα με βροχόπτωση ή άρδευση. Ο υπολογισμός των μέσων φυτικών συντελεστών έγινε για το αρχικό (1ο) στάδιο kc(ini) και το στάδιο μέσης (3ο) περιόδου kc(mid) από το μέσο όρο των ημερήσιων τιμών. Η τελική τιμή του τελευταίου (4ου) σταδίου kc(end) προέκυψε από το μέσο όρο των τεσσάρων τελευταίων τιμών, ενώ η μέση τιμή του φυτικού συντελεστή για το στάδιο ταχείας ανάπτυξης (2ο) από το μέσο όρο του kc(ini) και kc(mid). Στο Σχήμα 5.3 παρουσιάζεται ένας μέσος φυτικός συντελεστής με τις τιμές και από τα δύο λυσίμετρα. Στον Πίνακα 5.3 παρουσιάζονται οι τιμές των φυτικών συντελεστών που εκτιμήθηκαν με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου καθώς και οι βιβλιογραφικές τιμές αυτών μαζί με τη χρονική διάρκεια των σταδίων ενώ στο Σχήμα 5.4 γίνεται η γραφική σύγκρισή τους.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

130


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα 135

145

155

165

175

185

ημέρα του έτους 195 205 215

225

235

245

255

265

3

3

βάθος ριζοστρώματος (cm)

2

μέσος φυτικός συντελεστής kc

2.5

ημερήσιες τιμές φυτικού συντελεστή

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

0 10

φυτικός συντελεστής kc

φυτικός συντελεστής kc

2.5

0 18/5

28/5

7/6

17/6

27/6

7/7

20

17/7 27/7 ημερομηνία

6/8

30

16/8

26/8

5/9

15/9

25/9

βάθος ριζοστρώματος (cm)

40 50

1ο στάδιο kc = 0.2525  0.25

2ο στάδιο kc = 1.075  1.1

3ο στάδιο kc= 1.917  1.90

4ο στάδιο kc = 0.5837  0.60

Σχήμα 5.1 Εκτίμηση φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 1 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου

135

145

155

165

175

185

ημέρα του έτους 195 205 215

225

235

245

255

265

3

3

βάθος ριζοστρώματος (cm)

2

μέσος φυτικός συντελεστής kc

2.5

ημερήσιες τιμές φυτικού συντελεστή

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

0

0

10

18/5

28/5

7/6

17/6

27/6

20

7/7

17/7 27/7 ημερομηνία

30

6/8

16/8

26/8

5/9

15/9

25/9

βάθος ριζοστρώματος (cm)

40 50

1ο στάδιο kc = 0.2525  0.25

2ο στάδιο kc= 1.1

3ο στάδιο kc= 1.952  1.95

4ο στάδιο kc = 0.558  0.55

Σχήμα 5.2 Εκτίμηση φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 2 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

131

φυτικός συντελεστής kc

φυτικός συντελεστής kc

2.5


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα 135

145

155

165

175

185

ημέρα του έτους 195 205 215

225

235

245

255

265

3

3

βάθος ριζοστρώματος (cm)

ημερήσιες τιμές φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 1

2.5

2

ημερήσιες τιμές φυτικού συντελεστή λυσίμετρου 2

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

0 10

φυτικός συντελεστής kc

φυτικός συντελεστής kc

μέσος φυτικός συντελεστής 2.5

0 18/5

28/5

7/6

17/6

27/6

20

7/7

17/7 27/7 ημερομηνία

30

6/8

16/8

26/8

5/9

15/9

25/9

βάθος ριζοστρώματος (cm)

40 50

1ο στάδιο kc = 0.2524  0.25

2ο στάδιο kc = 1.093  1.1

3ο στάδιο kc= 1.9338  1.95

4ο στάδιο kc = 0.555  0.55

Σχήμα 5.3 Εκτίμηση μέσου φυτικού συντελεστή για τα λυσίμετρα 1 και 2 με τη μέθοδο του υδατικού ισοζύγιου Πίνακας 5.3 Τιμές βιβλιογραφικών και ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών και διάρκειες σταδίων καλλιέργειας

στάδιο καλλιέργειας

kc(ini) αρχικό

ταχείας ανάπτυξης

ημερομηνίες ημέρες έτους διάρκεια (ημέρες) Παπαζαφειρίου [1999] Allen et al. (FAO56) [1998] Farahani et al. [2008] kc ισοζυγιακά εκτιμημένος του λυσίμετρου 1 kc ισοζυγιακά εκτιμημένος του λυσίμετρου 2 kc ισοζυγιακά εκτιμημένος των λυσίμετρων 1 και 2 (μέσος)

11-31/5 131-151 21 0.45 0.35 0.29 0.2525 ≈ 0.25 0.2524≈ 0.25

1/6-15/7 152-196 45 0.7 0.75 0.67 1.075 ≈ 1.1

0.2524≈ 0.25

1.093 ≈ 1.1

1.1

kc(mid) μέση περίοδος 16/7-2/9 197-245 49 1.05 1.15 - 1.2 1.05 1.917 ≈ 1.90 1.952≈ 1.95

3-25/9 246-268 23 0.6 0.5 - 0.7 0.66 0.5496 ≈ 0.55 0.558≈ 0.55

1.9338 ≈ 1.95

0.555≈ 0.55

kc(end) τελικό

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

132


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα 136

148

160

172

184

ημέρα του έτους 196 208

220

2 32

24 4

256

268

2

2

1.8

1.8

1.6

1.6 1.4

1.2

1.2

1

1

0.8

0.8

0.6

0.6

Allen et al. [1998] Παπαζαφειρίου [1999]

0.4

0.4

Farahani et al. [2006] μέσος (λυσίμετρων 1, 2)

0.2

φυτικός συντελεστής kc

φυτικός συντελεστής kc

1.4

0.2

0

0 16/5

28/5

1ο στάδιο

9/6

21/6

3/7

15/7 27/7 ημερομηνία

2ο στάδιο

8/8

3ο στάδιο

20/8

1/9

13/9

25/9

4ο στάδιο

Σχήμα 5.4 Σύγκριση βιβλιογραφικών φυτικών συντελεστών με τον μέσο ισοζυγιακά εκτιμημένο των λυσίμετρων 1 και 2

Από τον Πίνακα 5.3 φαίνεται ότι οι τιμές των ισοζυγιακά εκτιμημένων φυτικών συντελεστών είναι ιδιαίτερα αυξημένες στο στάδιο της μέσης περιόδου. Η διαφορά είναι της τάξης των 70 % περίπου, το οποίο μπορεί να οφείλονταν στην ύπαρξη πολύ μικρού σε επιφάνεια και ακτίνα περιβάλλοντα χώρου καθώς και στη γειτνίαση του πειραματικού με αγρό στον οποίο καλλιεργούνταν καλαμπόκι ύψους 2 και πλέον μέτρων. Βάσει αυτών όπως παρουσιάσθηκε στην Παράγραφο 3.4 δικαιολογείται η αύξηση των αναγκών της καλλιέργειας και μέσω αυτών του φυτικού συντελεστή. Οι συντελεστές αυτοί θα δοκιμασθούν μέσω εκτελέσεων του μοντέλου για τον έλεγχο και την αξιολόγησή τους στις Παραγράφους που ακολουθούν μόνο για το λυσίμετρο 1.

5.3 Χαρακτηριστικά προσομοίωσης Η εκτέλεση ενός μαθηματικού μοντέλου απαιτεί τον ορισμό κάποιων χαρακτηριστικών οι οποίες δεν αφορούν μόνο τις μετρήσεις του πειραματικού αλλά και στοιχείων σημαντικών για την προσομοίωση. Τα στοιχεία αυτά αφορούν τη διάρκεια της προσομοίωσης, τον ορισμό των κόμβων επίλυσης και των εδαφικών στρώσεων, του χρονικού βήματος επίλυσης, του μοντέλου πρόσληψης υγρασίας από το ριζικό σύστημα καθώς και τον ορισμό της αρχικής και των οριακών συνθηκών.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

133


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

Η προσομοίωση έλαβε χώρα για τη χρονική περίοδο μεταξύ 16/5/07 έως 25/9/07 (136η έως 268η ημέρα του έτους) για το λυσίμετρο 1. Η επίλυση στην εδαφική κατατομή έγινε σε 16 κόμβους πάχους 5 cm ο καθένας και μέχρι βάθους 80 cm. Το εδαφικό προφίλ χωρίστηκε σε τρεις στρώσεις ανάλογα με την κοκκομετρική σύσταση του καθενός. Έτσι τα βάθη των στρώσεων για το λυσίμετρο 1 πάρθηκαν 0-30, 30-60 και 60-80 cm. Σε κάθε στρώση εισάγονται τα υδραυλικά χαρακτηριστικά της κάθε μιας. Το χρονικό βήμα επίλυσης είναι σταθερό και ίσο με 5 λεπτά. Τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας και η μεταβολή των παραμέτρων της, κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, αφορούν τον φυτικό συντελεστή, την ανάπτυξη του ριζικού συστήματος και τη μεταβολή του δείκτη φυλλικής επιφάνειας (LAI) και είναι αυτά που περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 4. Η πρόσληψη του νερού από τα φυτά, περιγράφεται από την εξίσωση των Feddes et al. [1978] η οποία αποτελεί συνάρτηση της κατανομής της μέγιστης πρόσληψης Smax(z) και του ύψους πίεσης h του εδάφους (Σχήμα 2.2). Στην εξίσωση συμπεριλαμβάνεται ο περιοριστικός παράγοντας α(h), ο οποίος εξαρτάται από το ύψος πίεσης του εδάφους. Τα ύψη πίεσης που αντιστοιχούν στο σημείο μόνιμης μάρανσης hPWP, σημείο αναεροβίωσης hα και κρίσιμο σημείο hc προκύπτουν από τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές καμπύλες υγρασίας κάθε στρώσης και παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.4. Πίνακας 5.4 Ύψη πίεσης σημείων μόνιμης μάρανσης hPWP, αναεροβίωσης hα και κρίσιμου ορίου hc για τις τρεις στρώσεις του λυσίμετρου 1

στρώση (cm)

0-30 30-60 60-80

-0.028 -0.052 -0.037

hc (m) -21.417 -20.809 -20.809

hPWP

-150 -150 -150

Ως αρχική συνθήκη χαρακτηρίζεται η κατανομή της εδαφικής υγρασίας στην κατατομή του εδάφους τον χρόνο που ξεκινά η προσομοίωση. Στην περίπτωση που εξετάζουμε, η αρχική συνθήκη αφορά την κατανομή της εδαφικής υγρασίας της ημερομηνίας 16/5/2007. Η άνω οριακή συνθήκη που χρησιμοποιήθηκε είναι η συνθήκη γνωστής ροής από την επιφάνεια του εδάφους. Η ροή αυτή υπολογίζεται από τις βροχοπτώσεις, τις αρδεύσεις και τις απώλειες νερού με εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους και διαπνοή από την καλλιέργεια. Τα δύο πρώτα αποτελούν δεδομένα εισόδου του μοντέλου, ενώ η εξάτμιση και η διαπνοή υπολογίζεται από το μοντέλο όπως παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 2. Τέλος ως κάτω οριακή συνθήκη επιλέχθηκε αυτή της ελεύθερης στράγγισης.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

134


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

5.4 Ρύθμιση τιμών κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Η απευθείας εργαστηριακή εκτίμηση των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους κάποιες φορές είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Αυτό μπορεί να συμβαίνει είτε γιατί δεν είναι εφικτή η λήψη αξιόπιστων εδαφικών δειγμάτων για τον εργαστηριακό προσδιορισμό των παραμέτρων των υδραυλικών ιδιοτήτων, είτε λόγω της μεγάλης παραλλακτικότητας των υδραυλικών ιδιοτήτων στο πεδίο. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η εκτίμηση των παραμέτρων της υδραυλικής αγωγιμότητας κορεσμού να γίνεται έμμεσα λύνοντας το αντίστροφο πρόβλημα, χρησιμοποιώντας μετρημένες τιμές της εδαφικής υγρασίας. Η διαδικασία αυτή οδηγεί στη ρύθμιση του μοντέλου, η οποία είναι μία έμμεση μέθοδος προσδιορισμού ορισμένων παραμέτρων που επηρεάζουν την ροή του νερού στο έδαφος (υδραυλικές ιδιότητες του μέσου). Η όλη τεχνική στηρίζεται στην ελαχιστοποίηση μίας αντικειμενικής συνάρτησης που αποτελείται από το άθροισμα των τετραγώνων των διαφορών μεταξύ των μετρημένων και των προσομοιωμένων τιμών [Κωτσόπουλος 2008]. Η μη ύπαρξη αξιόπιστης μεθόδου υπολογισμού της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας αλλά και η παραλλακτικότητα των τιμών που παρουσιάζουν οι ήδη υπάρχουσες μέθοδοι [Reynolds et al. 2000] οδήγησε στην επιλογή της τιμής της μέσω της ρύθμισης του μοντέλου. Το μαθηματικό μοντέλο S.W.BA.CRO.S. χρησιμοποιεί τη μέθοδο Rosenbrock [Kuester and Mize 1973] για τον υπολογισμό των παραμέτρων ρύθμισης. Στην περίπτωση της ρύθμισης με δεδομένα υγρασίας η αντικειμενική συνάρτηση Ο(b) έχει τη μορφή [Babajimopoulos et al. 1995] : O(b) 

dm tm

  θ i 1 j 1

* i, j

 θi, j  b  

2

[5.3]

όπου : θ*i,j και θi,j (b) οι μετρημένες και υπολογισμένες αντίστοιχα τιμές υγρασίας στα βάθη zi και στη χρονική στιγμή tj, b το διάνυσμα των παραμέτρων ρύθμισης, dm και tm το πλήθος των βαθών και ημερών αντίστοιχα για τις οποίες έχουμε μετρημένες τιμές υγρασίας Η ρύθμιση της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας έγινε από την αρχή του πειραματικού 16/5 (ημέρα 136) μέχρι και την ημέρα που ολοκληρώθηκε η φύτρωση σε όλα τα λυσίμετρα στις 24/5 (ημέρα 144), μέρες στις οποίες η εξάτμιση από το έδαφος ήταν ο μοναδικός καταναλωτής νερού από το έδαφος. Ως αρχική συνθήκη χρησιμοποιήθηκαν οι μετρήσεις υγρασίας της ημέρας 136 ενώ για τη ρύθμιση χρησιμοποιήθηκαν οι υγρασίες για τα προφίλ των ημερών 17/5 (ημέρα 137), 18/5 (ημέρα 138), 22/5 (ημέρα 142) και 24/5 (ημέρα 144). Αρχικές τιμές πάρθηκαν οι μετρημένες τιμές κορεσμένης υδραυλικής

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

135


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

αγωγιμότητας ενώ μέγιστη και ελάχιστη επιτρεπόμενη τιμή η τιμή 90 και 0.01 αντίστοιχα. Η σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr και η υδραυλική αγωγιμότητα K δίνονται από τις σχέσεις [5.4] και [5.5] αντίστοιχα ως συνάρτηση του αποτελεσματικού βαθμού κορεσμού Se (σχέση [2.9]) [Αντωνόπουλος 1999] :

K r (Se )  Se 1  1  Se1/m 

m

 

K(S e )  K sat S e 1  1  S e1/m 

2

m

 

2

για m=1-1/n, 0≤m≤1

[5.4]

για m=1-1/n, 0≤m≤1

[5.5]

Στα Σχήματα 5.5 παρουσιάζεται η διακύμανση της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας Κr(θ) για διάφορες τιμές υγρασίας (από την υπολειμματική υγρασία θr μέχρι και τον κορεσμό θs) για τις τρεις στρώσεις του λυσίμετρου 1. Στον Πίνακα 5.5 παρουσιάζεται οι τιμές αυτές της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας ως προς την υγρασία θ και ως προς τον αποτελεσματικό βαθμό κορεσμού Se. Συγκεκριμένα για την στρώση (0-30) η τιμή της Kr στην υδατοϊκανότητα είναι ίση με 4.189  10-7 και στο σημείο μόνιμης μάρανσης ίση με 2.29  10-11. Αντίστοιχα οι τιμές αυτές για την στρώση (30-60) είναι αντίστοιχα 1.095  10-5 και 5.026  10-10, ενώ για την στρώση (60-90) είναι 3.262  10-6 και 1.716  10-10. Όπως φαίνεται οι τιμές της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας είναι πολύ μικρές και δεν επηρεάζονται ιδιαίτερα από την τιμή της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας, ιδιαίτερα στο εύρος τιμών μεταξύ υδατοϊκανότητας θFC και σημείου μόνιμης μάρανσης θPWP.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

136


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα υγρασία θv (cm3 cm-3 )

0.6

0.55

0.5

0.4

0.45

0.35

0.3

0.2

0.25

0.1 5

0.1

0

0.05

θs Κr= 1

1E+000 1E-002 1E-004 1E-006

σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

1E-008

θS

1E-010

θFC

θPWP Κr= 2.294E-011

θPWP

1E-012 1E-014 1E-016 1E-018

σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

θFC Κr= 4.189E-007

1E-020

λυσίμετρο 1 στρώση (0-30 cm)

1E-022 θr Κr 0

1E-024

υγρασία θv (cm cm ) 3

0.6

0.55

0.5

0.4

0.45

0.35

0.3

-3

0.2

0.25

θs Κr= 1

0.1 5

0.1

0

0.05

1E+000 1E-002

θFC Κr= 1.091E-005

1E-004

1E-008

θS

1E-010

θPWP Κr= 5.026E-010

θFC θPWP

1E-012 1E-014 1E-016

σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

1E-006

σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

1E-018

λυσίμετρο 1 στρώση (30-60 cm)

1E-020 θr Κr 0

1E-022

υγρασία θv (cm cm ) 3

0.6

0.55

0.5

0.45

0.4

θs Κr= 1

0.35

0.3

-3

0.2

0.25

0.1 5

0.1

0.05

0

1E+000 1E-002

θFC Κr= 3.262E-006

1E-004

1E-008

θS

1E-010

θPWP Κr= 1.716E-010

θFC θPWP

1E-012 1E-014 1E-016 1E-018

σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

1E-006 σχετική υδραυλική αγωγιμότητα Kr

1E-020

λυσίμετρο 1 στρώση (60-90 cm)

θr Κr 0

1E-022 1E-024

Σχήμα 5.5 Διακύμανση σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας για τις διάφορες υγρασιακές καταστάσεις των τριών στρώσεων του λυσίμετρου 1

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

137


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

Πίνακας 5.5 Τιμές του αποτελεσματικού βαθμού κορεσμού Se και της σχετικής υδραυλικής αγωγιμότητας Kr του λυσίμετρου 1 για διάφορες τιμές υγρασίας

υγρασία θv (cm3/cm3) 0.00 0.01 0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.41 0.45 0.49 0.50 0.51 0.53 0.55 0.57

0-30 cm

30-60 cm

60-90 cm

Se

Kr

Se

Kr

Se

Kr

0.00000 0.01753 0.08765 0.15776 0.22788 0.29800 0.36811 0.43823 0.50835 0.57847 0.64858 0.71870 0.78882 0.85893 0.87646 0.89399 0.92905 0.96411 0.99917

0.000E+00 6.115E-24 2.574E-15 3.633E-12 3.394E-10 9.298E-09 1.263E-07 1.090E-06 6.865E-06 3.441E-05 1.459E-04 5.493E-04 1.920E-03 6.598E-03 9.056E-03 1.253E-02 2.507E-02 5.732E-02 3.511E-01

0.00000 0.01970 0.09850 0.17730 0.25610 0.33490 0.41369 0.49249 0.57129 0.65009 0.72889 0.80769 0.88649 0.96529 0.98499

0.000E+00 8.458E-22 9.056E-14 7.753E-11 5.300E-09 1.157E-07 1.317E-06 9.861E-06 5.543E-05 2.549E-04 1.023E-03 3.814E-03 1.440E-02 7.204E-02 1.351E-01

0.00000 0.01935 0.09674 0.17413 0.25152 0.32891 0.40631 0.48370 0.56109 0.63848 0.71587 0.79326 0.87066 0.94805 0.96739 0.98674

0.000E+00 5.612E-23 1.598E-14 1.956E-11 1.672E-09 4.294E-08 5.549E-07 4.608E-06 2.822E-05 1.393E-04 5.924E-04 2.304E-03 8.852E-03 4.059E-02 6.636E-02 1.295E-01

Στα Σχήματα 5.6 παρουσιάζονται οι μετρημένες τιμές υγρασίας στις ημερομηνίες 17/6/07 (ημέρα 137), 18/6/07 (ημέρα 138), 22/6/07 (ημέρα 142) και 24/6/07 (ημέρα 144) και τα προβλεπόμενα από το μοντέλο προφίλ της εδαφικής υγρασίας χρησιμοποιώντας τις ρυθμισμένες τιμές της κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας Ksat.

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

138


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα θv % (cm3/cm3) 0

0.05

0.1

0.15

0.2

θv % (cm3/cm3) 0.25

0.3

0.35

0.4

0

0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

θv μετρημένη

θv μετρημένη

20

20

20

20

30

30

30

30

40

40

40

40

50

50

50

50

60

60

60

60

70

70

βάθος εδάφους (cm)

10

70

ημ/νία 17/5/2007 ημέρα 137

ημ/νία 18/5/2007 ημέρα 138

80

80 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

80

0.4

80 0

0.05

0.1

θv % (cm3/cm3 )

0.15

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.25

0.3

0.35

0.4

θv % (cm3/cm3) 0.25

0.3

0.35

0.4

0

0 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0

0

θv υπολογισμένη

θv υπολογισμένη

θv μετρημένη

θv μετρημένη

20

20

20

20

30

30

30

30

40

40

40

40

50

50

50

50

60

60

60

60

70

70

70

10

70

ημ/νία 22/5/2007 ημέρα 142

ημ/νία 24/5/2007 ημέρα 144

80

80 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

βάθος εδάφους (cm)

10

βάθος εδάφους (cm)

10

βάθος εδάφους (cm)

10

0.2

θv % (cm3/cm3 )

θv % (cm3/cm3) 0

10

βάθος εδάφους (cm)

10

βάθος εδάφους (cm)

βάθος εδάφους (cm)

θv υπολογισμένη

70

βάθος εδάφους (cm)

0.4 0

θv υπολογισμένη 10

0.35

0

80

0.4

80 0

θv % (cm3/cm3 )

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

θv % (cm3/cm3 )

Σχήμα 5.6 Προφίλ εδαφικής υγρασίας ημερών 137, 138, 142 και 144 μετά τη ρύθμιση της τιμής κορεσμένης υδραυλικής αγωγιμότητας

5.5 Αποτελέσματα προσομοίωσης εδαφικής υγρασίας Η αξιολόγηση ενός μοντέλου γίνεται με σύγκριση μεταξύ των τιμών των μετρήσεων και των τιμών των αποτελεσμάτων σε διαφορετικά βάθη, κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, με τη χρήση, τόσο ποιοτικών όσο και ποσοτικών διαδικασιών. Οι ποιοτικές διαδικασίες αφορούν στη γραφική σύγκριση των τιμών των μετρήσεων και των τιμών των αποτελεσμάτων, ενώ οι ποσοτικές διαδικασίες περιλαμβάνουν την ανάλυση στατιστικών κριτηρίων. Οι ποσοτικές διαδικασίες για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός μοντέλου, αποτελούνται από στατιστικά κριτήρια που αφορούν στην ανάλυση του υπολειμματικού (ολικού) σφάλματος, που είναι η διαφορά μεταξύ των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών. Με την ανάλυση του υπολειμματικού σφάλματος που εκφράζεται με στατιστικά Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

139


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

κριτήρια, προσδιορίζεται η συστηματική υποεκτίμηση ή υπερεκτίμηση των μεταβλητών εξόδου. Τα στατιστικά κριτήρια που συνήθως χρησιμοποιούνται στην αξιολόγηση των μοντέλων είναι το μέσο ανηγμένο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE, root mean square error) (%), το μέσο σφάλμα (ME, mean error) (cm3  cm-3), η αποδοτικότητα του μοντέλου (MEF, modeling efficiency), o συντελεστής προσδιορισμού (CD, coefficient of determination) και ο συντελεστής ελλείμματος μάζας (CRM, coefficient of residual mass) και οι σχέσεις που το περιγράφουν είναι οι παρακάτω [Loague and Green 1991, Αντωνόπουλος 1998] :

RMSE  100

n

 P  O  i

i1

2

i

n O

[5.6]

n

ME   Pi  Oi  n

[5.7]

i1

 n

MEF 

i1

  O  O

Oi  O

2

[5.8]

2

i

 O  O n

2

i

i1 n

 i1

Pi  O

n

CRM 

2

i1

n

i1

CD 

n

 Pi  Oi 

[5.9]

2

n

 O  P i1

i

i1

i

[5.10]

n

 Oi i1

όπου : Pi και Oi η προβλεπόμενη και η μετρημένη τιμής της μεταβλητής αντίστοιχα, Ō η μέση τιμή των μετρημένων τιμών και n ο αριθμός των τιμών αυτών Οι βέλτιστες τιμές των στατιστικών κριτηρίων RMSE, ME, MEF, CD και CRM είναι αντίστοιχα 0, 0, 1, 1 και 0. Η τιμή του συντελεστή ελλείμματος μάζας, CRM μπορεί να είναι θετική ή αρνητική. Η θετική τιμή του σημαίνει ότι το μοντέλο υποεκτιμά, ενώ η αρνητική τιμή σημαίνει ότι το μοντέλο υπερεκτιμά τη μεταβλητή εξόδου. Όταν η αποδοτικότητα του μοντέλου, MEF είναι αρνητική τότε ο μέσος όρος των παρατηρούμενων τιμών προβλέπει ή εκτιμά καλύτερα την μεταβλητή του συστήματος από ότι η πρόβλεψη του μοντέλου [Loague and Green 1991, Αντωνόπουλος 1998]. Στα Σχήματα 5.7 - 5.15 γίνεται η παρουσίαση των εκτελέσεων του μοντέλου για τα διάφορα set’s φυτικών συντελεστών για τις τρεις εδαφικές στρώσεις μαζί με τις μετρημένες τιμές υγρασίας. Οι τρεις φυτικοί συντελεστές που δοκιμάσθηκαν είναι αυτοί του

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

140


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

Παπαζαφειρίου [1999], των Allen et al. [1998] (που περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 4) και οι ισοζυγιακά εκτιμημένοι που υπολογίσθηκαν στην Παράγραφο 5.2.

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.7 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999]

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.8 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

141


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.9 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές του Παπαζαφειρίου [1999]

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.10 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

142


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.11 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998]

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.12 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (60-90) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές των Allen et al. [1998]

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

143


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.13 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (0-30) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

0.0

ημέρα του έτους Σχήμα 5.14 Σύγκριση υπολογισμένων από το μοντέλο υγρασιών θcomp της στρώσης (30-60) του λυσίμετρου 1 με τις μετρημένες τιμές θmeas, με φυτικούς συντελεστές ισοζυγιακά υπολογισμένους

Πειραματική και θεωρητική μελέτη της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους με χρήση λυσίμετρων

144


Κεφάλαιο 5ο Εφαρμογές και αποτελέσματα

θv (cm3 cm-3)

άρδευση βροχόπτωση (mm)

ημερομηνία

15/05

30/05

14/06

29/06

14/07

29/07

13/08

28/08

12/09

27/09

0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 θmeas

θcomp

θFC

ωφ. βροχόπτωση

θPWP

άρδευση

0.5