Abstract
The main goal of the research was to determine the water balance and its elements for Miscanthus giganteus in the case of different irrigation doses in an experiment set in three weighing lysimeters in the lysimeter station of the Research Institute of Karcag. The lysimeters were irrigated with different doses of water: 10, 15, 20 l/week (5.88, 8.82, 11.76 mm), respectively from May to August in 2018. Beyond the height of the plants, the water balance and its components, a water use efficiency index was calculated from the rate of total water input and evapotranspiration in order to characterize the differences among the irrigation treatments. We established that in each month of the investigated period the larger was the water input the highest was the evapotranspiration. The same correlation was characteristic to the height of the plants. The water use efficiency index was more favourable (lower) in the case of the higher irrigation doses.
Keywords: irrigation, evapotranspiration, water balance
56
INTEGRÁLT VÍZGYŰJTŐ MODELLEZÉS: MIKE SHE
CSENGERI Erzsébet1 – TAKÁCS Sándor2 - CSÁNYI Dániel3 – BARNA Sándor4 – JAKAB Gusztáv5
Szent István Egyetem, Agrár- és Gazdaságtudományi Kar, Víz- és Környezetgazdálkodási Intézet 1 csengeri.erzsebet@gk.szie.hu; 2 csanyidani@gmail.com; 3 tsanyi91@gmail.com;
4 barna.sandor@gk.szie.hu; 5 jakab.gusztav@gk.szie.hu Bevezetés
Magyarországon húsz év átlagában az utolsó négy év volt a legmelegebb, az éghajlatváltozásnak köszönhetően. Vízkészleteink mennyisége csökken, ahogya Duna kritikus vízállása mutatta meg számunkra 2018 nyarán. A jövőre nézve a legtöbb vízhasznosítással érintett ágazat számára szükség lesz egy előrejelző rendszerre, mely megmutatja a tervezhető vízhasználatokat (pl. öntözés) a változó környezeti feltételek mellett. A Duna teljes vízgyűjtőjére elkészült országos tervekkel összhangban a kisebb részvízgyűjtők vagy a legkisebb vízgazdálkodási egységet képező táblaszintű területegységek vízháztartásának tervezésére is szükség van. A DHI (Danish Hydraulic Institute) vezetésével az Egyesült Királyság Hidrológiai Intézet, valamint, SOGREAH, Franciaország által kifejlesztett MIKE SHE
(
Systeme Hydrologique Europeen) szimulációs rendszer alkalmas lehet a vízháztartási elemekben (csapadék, hőmérséklet, besugárzás, hóborítottság, evaportanspiráció, talajtulajdonságok, vegetáció borítottság, geomorfológia) bekövetkező változások modellezésére mind vízgyűjtő-, mind táblaszinten.Irodalmi áttekintés
A DHI egy nemzetközi szoftverfejlesztő és mérnöki tanácsadó cég, mely hidrológiai modellezési szoftverekre specializálódott. A fejlesztő ismert szoftverei a felszíni és a felszín alatti vizek áramlástani, illetve transzport modellezésével foglalkoznak. Ilyenek a FEFLOW - melynek segítségével talajvízáramlást, összegyülekezést, anyagátvitelt és hőátadás szimulálhatunk a felszín alatti rendszerekben. A MIKE 3 - három dimenzióban szimulálja a folyók, azok torkolataiban, illetve tavak, azok öbleiben, egyéb part menti területeken, az áramlásokat, kohéziókat, vízminőséget és ökológiát. . A MIKE 11 - egy egydimenziós modell, mely a vízfolyások vízminőségét és üledékszállítását is képes a valóságban lejátszódó folyamatokhoz hasonlóan jól modellezni. A MIKE 21 - a folyók torkolataiban, tavak öbleiben, továbbá part menti területeken és tengerekben szimulálja az áramlásokat, az üledéklerakódási folyamatokat, és ezen víztestek ökológiáját. MIKE 21C - két dimenzióban ábrázolja (görbe vonalú differenciál rácsokkal) a folyó meder és csatorna tervek formáját. A MIKE BASIN - már vízgyűjtő területek kezeléséhez és tervezéséhez készült és vízkészletgazdálkodás tervezésre alkalmas. MIKE FLOOD - dinamikusan párosítja az 1 dimenziós MIKE 11-t és a kétdimenziós MIKE 21-t, így alkalmassá válik, folyók, azok ártereinek, valamint városi vízelvezető rendszerek elárasztásának szimulációjára. A MIKE SHE a teljes hidrológiai ciklust szimulálja, miközben lehetővé teszi a komponensek önálló használatát, a helyi igényekhez való igazodást. A teljes vízgyűjtő terület modellezésére alkalmas, melyben a felszíni és
57
felszín alatti vízáralmások, valamint víztestek környezetvédelmi problémáinak elemzését, felszín alatti vizek tervezését teszi lehetővé, alkalmas továbbá vizes élőhelyek kezelésére, helyreállítására. A táblaszintű hidrológiai modellezésekhez használható Mike SHE szoftvercsomag a felszíni lefolyás, a telítetlen zónában történő áramlások, evapotranspiráció, talajvíz áramlás modellezésére is alkalmas.
A nemzetközi szakirodalomban már találkozunk olyan tanulmányokkal, melyek teljes vízgyűjtőterületre alkalmazták a szoftvert. X. Zhou, M. Helmers, Z. Qi (2013) a szoftver korábbi (2004-ben közreadott) verzióját alkalmazták Iowa-i szántó területek vízelvezető képességének modellezésére, ahol a mesterséges felszín alatti vízelvető rendszerek környezeti problémák előidézőjévé vált. A vizsgálat során szükségessé vált a szoftver kalibrálására és validálására az adott talaj típus vízelvezető képességének megfelelően.
A szoftver tartalmaz egy Windows alapú grafikus felhasználói felületet (GUI), numerikus modell motorokat, valamint a GUI-n belül működő különböző elő és utófeldolgozó segédprogramokat. A MIKE SHE alkalmas integrált felszíni, felszín alatti vizek eloszlására eltérő méretű vízgyűjtó területeknél, 1 km2 –től, akár néhány ezer négyzetkilométeres területig.
A modell létrehozásához szükség van agrometeorológiai, hidrológiai, szivárgáshidraulikai, talajtani és hidrogeológiai adatokra egyaránt A modell felépítéséhez szükséges bemeneti adatok:
Meteorológiai adatok: A meteorológiai adatok közül a legfontosabb input adatok lehetnek a meteorológiai állomásokon elérhető 5 percenként mért adatok, mint a csapadék, a léghőmérséklet, a besugárzás, a páratartalom, valamint a szélsebesség.
Természetesen egyéb forrásokból rendelkezésre álló adatok is bevihetők a rendszerbe.
A további adatok a variancián általában finomítanak. Fontos megemlíteni, főként a hegyvidéki vizsgálatok esetén a hóadatok fontosságát. Ebben az esetben adatainkat ki kell egészíteni hóval borított napok számával is. A hó borítottság kardinális klímaszabályozóként szerepel a modell rendszerben. A MIKE SHE a meteorológiai adatokból napi hőmérsékleti koefficienst és olvadási küszöbértéket számol. Egyes tanulmányok akár 30 évnyi meteorológiai adattal dolgoznak a MIKE SHE-ben.
Földhasználati adatok: Főként az evapotranspiráció meghatározásához szükséges.
Befolyásoló tényező, a vegetációval borított napok száma, a vegetáció (termesztett növény) típusa (1. táblázat). ). A folyamatmodell további finomításához szükség van olyan paraméterek ismeretére, mint a levélfelület index (LAI), mely mérhető ceptométerrel (PAR/LAI), a gyökér zóna mélysége (GyM), (Oogathoo S., 2006) és termés együtthatók (TE) (Al-Kaisi, 2000). A MIKE SHE Kristensen és Jensen evapotranspirációs modell alapján számolj az értékeket.
1. táblázat.Különböző növények szimulált értékei evapotranspiráció meghatározásához
Kukorica Szója Legelő
58
176 2,5 900 0,55 143 4,22 800 0,3 150 4,0 700 0,9
270 4,0 700 0,9
330 2,0 300 0,7
365 1,0 300 0,1
Table 1. Evapotranspiration parameters for the simulated crops
Vegetációs napok száma - Growth Day, LAI - lesf area index, GyM - root depth, TE - crop coefficient Felszíni folyások, áramlások: A felszíni vízfolyások szintén részét képezik az integrált modellnek. Az input adatok számbavételekor figyelembe kell vennünk, hogy a vízfolyásokban lejátszódó folyamatok érzékenyek egyrészt, felületi értékre (M), ami a felületi érdesség együtthatójának (n) reciprok értéke. Magas felületi értéknél, gyors felszíni áramlás, és alacsonyabb felszín alatti áramlást tapasztalhatunk. Művelés alatt álló termőföldek esetén 0,6 M érték javasolt. Más tényezők által befolyásolt M-et kalibrálásnak kell alávetni. Kis és lapos vízgyűjtő területek esetében a felszíni érték M hatása a felszíni lefolyásra és a felszín alatti áramlásra, valamint a tárolási mélységre relatíve kis hatást gyakorolt, ami közelít a 0-hoz.
Telítetlen zóna: A telítetlen zóna beintegrálása a vízháztartási modellbe a modell egyik kardinális pontja. A telítetlen zóna jellemzésére felhasználhatóak a talajvizsgálatokon alapuló adatok, illetve a területre vonatkozó szakirodalmi adatok egyaránt. A telítetlen zónát jellemző paraméterek az alábbiak lehetnek, mint a térfogatsűrűség, a részecskeméret eloszlás, illetve a hidraulikus vezetőképesség. A talajban lévő makrokapillárisok nemcsak a felszín alatti áramlás szempontjából fontosak, nagy hangsúlyt kapnak, az oldott anyagok dinamikájának meghatározása során, a telítetlen talajban. A MIKE SHE képes a makropapillárisokban történő áramlást is szimulálni (DHI, 2004). Ez meghatározható a talajfrakciók maximális száma és a minimális víztartalom ismeretében, mely mellett lehetséges a kapilláris áramlás.
Telített zóna: A talaj telített zónájában lévő kapcsolatok alapvetően befolyásolják a vízszintes és függőleges vízvezető képességet. A felszín alatti vizek hidraulikus kapcsolat útján befolyásolják a felszíni vizek vízhozamát, valamint áramlásviszonyait.
A modell érzékeny a vízzel telített zóna felszínhez viszonyított távolságára is. A talajvíz helyzetére amennyiben nem állnak rendelkezésre helyszíni vizsgálati adatok, szakirodalmi adatok is használhatók, illetve a vegetációs borítottság ismeretében becsülhetők. Erre vonatkozólag kísérleteket már korábban végeztek (2. táblázat) (Singh et al., 2006)
2. táblázat. Talaj tulajdonságok kísérleti körülmények között Mélység
Table 2. Soil properties of the study site
Mélység – Depth, BD – bulk density, Homok – Sand, Iszap – Silt, Ksat - saturated hydraulic conductivity, θr - residue water content, θS - saturated water content
59
A modell kalibrálását és validálását, osztott minta módszerrel végezték, napi szivárgási adatok alapján 2007 és 2008 között, ezt követően további egy évig finomították a validálást. A MIKE SHE egyes konkrét vizsgálatoknál, melyek mért adatokra épülnek, javaslatot tesz a validálásra, elsősorban talaj és klímaadatok tekintetében.
Összefoglalás
A MIKE SHE szoftver segítségével egy vizsgált területen a vízháztartási paraméterek becslésével létrehozható modellel lehetőségünk nyílik eltérő időszakokban (múltban, jövőben) a mintaterület vízháztartásának szimulációjára. Továbbá lehetőség van a felszíni vízfolyások esetén az árvizek feltételeinek, kialakulás esélyének vagy akár elöntések előre jelzésére. Felszín alatti vizek esetén a talajban tárolt vízmennyiségek becslésére belvizek, aszályok bekövetkezésének előre jelzésére alkalmas. Alkalmas vizes területek (mocsarak, wetlandek) hidrológiai modellezésére, vízmérlegének becslésére, káros anyagok akkumulációjának becslésére, kárelhárítási terv elkészítésére.
Erdősítések vízgyűjtő területre való hatásának becslésére.
A MIKE SHE segítségével eltérő klíma-forgatókönyvek adatai alapján adott vízgyűjtőterület vízmennyiségei (felszíni, felszín alatti) becsülhetők, az eredmények grafikusan jól ábrázolhatók
Kulcsszavak: szimulációs modell, vízmennyiségek becslése, felszín- felszín alatti víz Köszönetnyilvánítás
A publikáció az EFOP-3.6.1-16-2016-00016 azonosítószámú, SZIE Szarvasi Campusának kutatási és képzési profiljának specializálása intelligens szakosodással:
mezőgazdasági vízgazdálkodás, hidrokultúrás növénytermesztés, alternatív szántóföldi növénytermesztés, ehhez kapcsolódó precíziós gépkezelés fejlesztése című projekt keretében jött létre.
Irodalom
Al-Kaisi, M. 2000. Crop water use or evapotranspiration. Integrated Crop Management 484, 85-86. Ames, Iowa: Iowa State University-University Extension.
DHI. 2004. MIKE SHE User Manual. Hørsholm, Denmark: Danish Hydraulic Institute DHI. 2017. MIKE SHE User Manual. Vol. 1. Hørsholm, Denmark: Danish Hydraulic Institute.
Oogathoo, S. 2006. Runoff simulation in the Canagagigue creek watershed watershed using the MIKE SHE Model. M.S. thesis. Sainte Anne-de-Bellevue, QC: McGill University, Department of Agricultural and Biosystems Engineering.
Singh, R., M. J. Helmers, and Z. Qi. 2006. Calibration and validation of DRAINMOD to design subsurface drainage systems for Iowa’s tile landscape. Agricultural Water Management 85(3): 221-232.
X. Zhou, M. Helmers, Z. Qi: 2014. Modeling of subsurface tile drainage using MIKE SHE Applied Engineering in Agriculture Vol. 29(6) 865-873
60
Integrated Modelling system: Mike She
Abstract
In the natural hydrological cycle,we know some processes like water evaporates. water falls, water infiltration and water flow. The natural hydrological cycle is a close a loop and human interventions do not remove water, rether they affect the movment and transfer of water within the natural hydrologic cycle. MIKE SHE is an advanced, flexibile framework for hydrologic modelling. Many cases for the analyses, there is a problem related to subsurface water and ground water, such as: river basin management, water suply design, management and optilization, impact of agriculture (irrigation and drainage, soil and water management, floodplain studies, impact of land use and climate change.
Keywords: hydrologic modelling, surface, subsurface and ground water management
61