| Forside | | Indhold | | Forrige |

Kolloid-faciliteret transport af glyphosat og pendimethalin

Bilag 10
1 Testning af modelkomponenter

Der er foretaget dels en videreudvikling af eksisterende moduler og dels udvikling af nye modelkomponenter til MIKE SHE modellen, som kan simulere den kolloid-faciliterede transport af pesticider i den umættede zone.

Først er makroporemodulet, der er et videreudviklet modul til MIKE SHE WM (Water Movement), dvs. strømningsmodulet, beskrevet ved en række tests i Kapitel 1.1.

Dernæst er kolloidmodulet, der er et videreudviklet modul til MIKE SHE AD (Advection Dispersion), dvs. stoftransportmodulet, beskrevet ved en række tests. I Kapitel 1.2 er kolloid-genereringen og –filtreringen testet, og i Kapitel 1.3 er nedbrydning testet. I Kapitel 1.4 testes associeringen mellem pesticid og kolloider på jordoverfladen, hvor associeringen mellem pesticid og kolloider er beskrevet som en ikke-ligevægtsproces. Modelkomponenten indeholder desuden en beskrivelse af transporten af det kolloid-faciliterede pesticid gennem jordkolonnen og den kinetiske frigivelse af pesticid fra kolloid-bundne tilstand. Den udviklede modelkomponent er nærmere beskrevet i Bilag 5.

1.1 Test af makroporemodulet

Makroporemodulet er et modul til MIKE SHE WM (Water Movement), dvs. beskrivelsen af vandstrømningen. Modulet beskriver makroporestrømning i den umættede zone.

1.1.1 Generelt setup

Der laves en søjle med én aktiv beregningscelle omgivet af impermeable celler, som vist i Figur 1.1. Simuleringsperioden er tilfældig valgt til ni dage (1/1-2000 til 10/1-2000).

Figur 1.1. Model setup – en aktiv beregningscelle i alle lag. Omkringliggende celler impermable. Midtercellen er den aktive beregningscelle (rød), mens de øvrige farvede celler er randceller (pink).

Figure 1.1. Model setup. One active calculation cell in each layer. The surrounding cells are impermeable. The centre cell is the active cell (red), while the other coloured cells ar boundary cells.

Søjlen er tilfældigt valgt til at være 2 meter lang, og der indlægges i bunden en General Head Boundary (GHB), således at vandspejlet konstant holdes 1,5 meter under terræn. I de øverste 20 cm af søjlen anvendes beregningslag af 2,5 og 5 cm tykkelse, mens resten af søjlen deles op i 10 cm tykke beregningslag. Da det er i de øverste beregningslag, at der sker de største ændringer i vandindhold, trykforhold osv., er der anvendt mindre beregningslag i toppen af søjlen for at sikre, at modellen er numerisk stabil, dvs. giver fornuftige resultater.

Der påføres regnhændelser som vist i nedenstående Figur 1.2, dvs. to hændelser med en intensitet på 2400 mm/dag svarende til 100 mm/time eller 2,78··10^-5 m/s. Den første hændelse har en varighed på 18 timer, mens den anden hændelse har en varighed på 3 gange 24 timer. De kraftige regnhændelser er valgt for at sikre, at der sker en stor gennemstrømning af kolonnen. Der anvendes en tilfældigt valgt konstant evapotranspiration på 5 mm/dag.

Figur 1.2. Regnhændelser, som påføres søjlen.

Figure 1.2. The rainfall events that are added to the column.

Der anvendes forskellige forsøgs-setup til testning af makroporemodulet. Dels anvendes en grov sand med gennemgående makroporer og dels anvendes en ”Danish Till” (moræne) ligeledes med gennemgående makroporer, se Tabel 1.1. Forsøgs-setup’ene og opnåede resultater er nærmere beskrevet i det følgende.

Tabel 1.1. Jordtyper benyttet i modeltestning.

Table 1.1. The soil types used for model testing.

Der henvises til Bilag 5, kapitel 2 (User Guide) for nærmere beskrivelse af parametrene.

1.1.2 Setup no. 1: Grov sand med makroporer

I første setup anvendes en grov sand med en mættet hydraulisk ledningsevne på 2,0·10^-4 m/s og makroporer hele vejen gennem søjlen til grundvandsspejlet. De øvrige parametre for makroporerne fremgår af Tabel 1.1. Beregningerne med denne opsætning viser (Figur 1.3), at der kun i den absolutte begyndelse af hver af de to hændelser sker en infiltration til makroporerne, altså i det tidrum hvor den hydrauliske ledningsevne af matricen er så lav, at der sker en tilstrækkelig ‘ophobning’ af vand til, at der ledes vand til makroporen.

Figur 1.3. Akkumuleret infiltration til makroporer fra overfladen (for setup no. 1).

Figure 1.3. Accumulated infiltration to macropores from the surface (setup no. 1)

Med det givne setup og parameterværdier løber alt vand fra makroporen og ud i matricen, før grundvandsspejlet nås; der sker altså ingen vandtransport gennem makroporerne til grundvandet. Det vand, som infiltrerer til makroporerne, bliver ’hevet’ ud af makroporerne igen pga. den lave mætning og dermed hydrauliske ledningsevne af matricen på dette tidlige tidspunkt. Når udveksling mellem makroporer og matrix (beta-værdien) i stedet sættes til 0, infiltrerer samme mængde vand til den mættede zone i stedet for ud i matricen, som vist i Figur 1.4. De opnåede resultater er endvidere vist i Tabel 1.2.

Figur 1.4. Akkumuleret strømning til mættet zone (SZ) fra makroporer når udveksling mellem makroporer og matrix sættes til 0 (for setup no. 1).

Figure 1.4. Accumulated flow to the saturated zone (SZ) from macropores when the exchange between macropores and matrix is set to 0 (For setup no. 1).

Tabel 1.2. Resultater af testkørsel med setup no 1 til testning af makroporemodulet.

Table 1.2. Results of test run with setup no. 1 for testing of the macropore module.

Udvekslingen fra matrix til makroporer er i begge tilfælde lig nul hele vejen igennem, da den hydrauliske ledningsevne af sandet generelt er stor nok til at lede vandet.

1.1.3 Setup no. 2: Danish Till med makroporer

I stedet for den grove sand anvendes nu en ”Danish Till” (morænejord), med en mættet ledningsevne på 2,64·10^-6 m/s, hvilket er mindre end intensiteten i regnhændelserne, og med gennemgående makroporer i søjlen til grundvandsspejlet. De anvendte inputparametre for Danish Till med makroporer er vist i Tabel 1.1.

Ved anvendelse af dette setup ser man nu, at der sker en fordeling af vandet mellem makroporer (Figur 1.6) og matrix (Figur 1.5), således at matricen transporterer vandet indtil K_sat nås, hvorefter makroporerne transporterer resten af det infiltrerede vand. I begyndelsen er matricen så tør, at K_sat på 2,64·10^-5 m/s kan overskrides som følge af kapillarkræfter, men herefter stabiliseres infiltrationen gennem matrixen i resten af regnhændelsen til et niveau svarende til K_sat.

Figur 1.5. Infiltration til matrix for setup no 2 (Danish Till). K_sat for Danish Till ligger på ca. 9,5 mm/time.

Figure 1.5. Infiltration to matrix for setup no. 2 (Danish Till). K_sat for Danish Till is approximately 9.5 mm/hour.

Figur 1.6. Infiltration til makroporer for setup no 2 (Danish Till). Den mængde vand, som ikke infiltrerer til matrix (Figur 1.5), løber i makroporerne.

Figure 1.6. Infiltration to macropores  for setup no.2 (Danish Till). The amount of water that does not infiltrate in the matrix (Figure 1.5) runs in the macropores.

Stort set alt det vand, der løber i makroporerne fra toppen, forbliver i makroporerne helt til mættet zone (grundvand). Dette ses af Figur 1.6 og Figur 1.7, der viser, at infiltrationen til makroporer fra toppen (Figur 1.6) svarer til strømningen fra makroporer til grundvandet (Figur 1.7).

Figur 1.7. Strømning fra makroporer til mættet zone (SZ) for setup no. 2.

Figure 1.7. Flow  from the macropores to the saturated zone (SZ) for setup no. 2.

Der er dog en vis interaktion mellem matrix og makroporer – op til ca. 2 mm/time ved afslutningen af regnhændelserne, ellers ca. 0,2 mm/time. Dette kan ses ud fra afbildningen af vandudvekslingen fra matrix til makroporer på Figur 1.8. Ved ophør af regn sker der en lille afgivelse af vand fra makroporer til matrix (0,014 mm/time). Denne vandudveksling sker over det meste af udstrækningen af makroporerne.

Figur 1.8. Vandudvekslingen fra matrix til makroporer for setup no 2 (Danish Till).

Figure 1.8. The exchange of water from matrix to macropores for setup no. 2 (Danish Till).

1.1.3.1 Ændring af vandudvekslingen mellem makroporer og matrix

I setup no. 2 er der anvendt makropore-parametre som tidligere angivet, dvs. med beta-værdien til beskrivelse af udvekslingen fra makroporer til matrix (Beta_MP_Matrix) en faktor 100 mindre end beta-værdien til beskrivelse af udvekslingen den modsatte vej (Beta_Matrix_MP). Dette ændres nu således, at beta-værdien er den samme for udveksling både fra matrix til makroporer og den modsatte vej (begge beta-værdier sættes lig 10).

I Figur 1.9 er afbildet samme plot som i Figur 1.8, men med den nye værdi for vandudvekslingen fra makroporer til matrix (Beta_Mp_Matrix). Som man kan se af Figur 1.9, har ændringen af beta-værdien en stor effekt på vandudvekslingen mellem makroporer og matrix, idet vandudvekslingen nu overvejende går i retning fra makroporer til matrix (vist med negative værdier i figuren) og med betydeligt større værdier end før. Dette betyder, at beta-værdierne har stor betydning for vandstrømningen i kolonner, og at beta-værdierne skal bestemmes ud fra kalibrering mod målte data. Det vil i praksis sige, at et strømningsmønster beregnes på basis af bl.a. beta-værdierne. Dernæst beregnes en (konservativ) stoftransport baseret på strømningsmønstret, hvorefter f.eks. en simuleret gennembrudskurve sammenlignes med en observeret gennembrudskurve. For at matche den observerede gennembrudskurve, skal der således skrues på bl.a. beta-værdierne.

Figur 1.9. Vandudveksling fra matrix til makroporer for setup no 2 for ens beta-værdier (Beta_Mp_Matrix = Beta_Matrix_Mp = 10 m^-2).

Figure 1.9. Exchange of water from matrix to macropores for setup no. 2. with equal beta-values (Beta_Mp_Matrix = Beta_Matrix_Mp = 10 m^-2).

Som en yderligere testning af modellen gennemføres to kørsler, hvor hver af de to beta-værdier på skift sættes til nul. I begge tilfælde reagerer modellen reagerer korrekt ved at give en nul-udveksling af vand fra hhv. makroporer til matrix (Beta_MP_Matrix = 0) eller fra matrix til makroporer (Beta_Matrix_MP = 0).

1.1.3.2 Ændring af psi_threshold

I de hidtidige simuleringer har psi_threshold (trykket i matricen, som skal overskrides for at makropore strømning kan forekomme), været sat til -0,05 m. Ved testning af modellen sættes denne nu lig med henholdsvis 0 og -0,10 m for at se effekten på vandudvekslingen. Resultatet af dette er vist på Figur 1.10 i form af vandudvekslingen fra matrix til makroporer for psi_threshold = henholdsvis 0 m (grøn), -0,05 m (sort) og -0,10 m (rød). Psi_threshold = 0 giver stort set ingen vandudveksling fra matrix til makroporer, og falder derfor sammen med x-aksen. Psi_threshold = -0,10 m giver derimod en meget betragtelig stigning i vandudvekslingen fra matrix til makroporer.

Figur 1.10. Vandudveksling fra matrix til makroporer for psi_threshold = 0 m (grøn), -0,05 m (sort) og -0,10 (rød).

Figure 1.10. Exchange of water from matrix to macropores for psi_threshold = 0 m (green), -0,05 m (black) og -0,10 (red).

Til sammenligning med Figur 1.10 er på Figur 1.11 vist vandudvekslingen fra makroporer til matrix. Det ses, at vandudvekslingen forøges, jo mindre psi_threshold er, men reaktionen på ændringen af psi-threshold er mindre kraftig end for den modsat rettede transport. Samtidig er raterne for vandudvekslingen ca. to størrelsesordner mindre, hvilket skyldes, at beta-værdien for vandudveksling fra makroporer til matrix er en faktor 100 mindre end beta-værdien for vandudveksling fra matrix til makroporer.

Figur 1.11. Vandudveksling fra makroporer til matrix for psi_threshold = 0 m (grøn), -0,05 m (sort) og -0,10 m (rød).

Figure 1.11. Exchange of water from macropores to matrix for psi_threshold = 0 m (green), -0,05 m (black) og -0,10 m (red).

Samlet er den totale ændring i vandudvekslingen mellem makroporer og matrix (nettoudvekslingen) følsom ved ændringer af psi_threshold. Dette skyldes, at den samlede vandudveksling domineres af udvekslingen fra matrix til makroporer, hvor ændringer i psi_threshold resulterer i store ændringer. Psi_threshold vil derfor ofte være en vigtig parameter at bestemme i simuleringer af kolonneforsøg, og typisk ligger psi_threshold i intervallet 0 til -0,15 m.

1.1.4 Setup no 3: Danish Till med dæklag af sand

Dette setup er det samme som Setup no. 2, men morænen (”Danish Till”) med makroporer er nu overlejret af et 5 cm lag af groft sand uden makroporer, således at morænen med makroporer først begynder i celle nr.3 (under overfladen). Parameterværdierne for denne opsætning er i øvrigt som for setup no 2, dog med beta-værdier = 10 m^-2 for udveksling begge veje.

Infiltrationen af vand til matrix med denne opsætning er vist på Figur 1.12. Med denne opsætning bliver infiltrationen fra overfladen til makroporer lig nul, som den skal, da der ikke er makroporer i de øverste 5 cm.

Figur 1.12. Infiltration til matrix for setup no. 3. Bemærk, at infiltrationen varer længere end regnhændelserne.

Figure 1.12. Infiltration to matrix for setup no. 3. Note that the infiltration lasts longer than the rain events.

Da regnhændelserne har en intensitet på 100 mm/time og morænen har en mættet hydraulisk ledningsevne på 5,64·10^-6 m/s (eller ca. 20 mm/time) kan makroporerne ikke aftage de resterende ca. 80 mm/time. Dette skyldes, at vandudvekslingen fra matrix til makroporer er begrænset til ca. 4 mm/time (se Figur 1.13). Derfor afdrænes al nedbøren ikke, men bygger i stedet op oven på jorden og løber bort ved overfladisk afstrømning, når vanddybden overstiger 0,1 m, som magasineringen på overfladen er sat til. Man ser også, at infiltrationen af vand til den umættede zone (UZ) fortsætter efter ophør af regnhændelserne (se Figur 1.12), hvilket netop skyldes opbygningen af vand oven på jorden.

Figur 1.13. Udveksling fra matrix til makroporer for setup no. 3. Makroporerne kan ikke aftage den resterende del af infiltrationen.

Figure 1.13. Exchange from matrix to macropores for setup no. 3. The macropores cannot conduct the rest of the infilatration.

Det har ingen betydning, at man forøger længden af sandsøjlen til 0,5 meter eller ændrer på parameterværdierne for tilførsel af vand til makroporerne. Der opnås stadig en ligevægt, hvor der bygges vand op på jordoverfladen. Præcis den samme effekt opnås ved at lægge sandlaget i bunden af søjlen, således at makroporerne ikke når vandspejlet. Makroporerne kan nu ikke komme af med vandet, og samme effekt opstår. Det er med andre ord kun i tilfældet med gennemgående makroporer, at der ikke bygges vand op på jordoverfladen, og den begrænsende faktor er vandudvekslingen fra matrix til makroporer (Beta_Matrix_MP).

1.1.5 Setup no 4: Danish Till med dæklag af sand med ændret beskrivelse af makroporer

For at undersøge den kraftige effekt af indførelsen af et sandlag hhv. over og under moræne-laget med makroporer, laves nu simuleringer med samme setup som anvendt i foregående kapitel, men hvor makroporerne i moræne-laget forlænges opad, så de rækker op i det nærmestliggende sandlag. Dvs. de øverste 2,5 cm af kolonnen består af groft sand uden makroporer, herunder kommer 2,5 cm groft sand med makroporer, og herunder Danish Till (moræne) i resten af kolonnen. Parametrene for den grove sand er vist i

Tabel 1.1, dog er Beta_MP_matrix sat til 0.

Ved anvendelse af dette setup sker der ingen infiltration af vand til makroporerne, da de øverste 2,5 cm sand ikke indeholder makroporer. Til gengæld sker der en strømning fra matricen til makroporerne i sandlaget umiddelbart over moræne-laget, da dette sandlag indeholder makroporer (se Figur 1.14). I moræne-laget strømmer vandet så fra makroporerne tilbage til matricen (se Figur 1.15). Da den hydrauliske ledningsevne af moræne-laget er mindre end regnintensiteten, sker der en opstuvning af vand på terræn, på trods af at makroporerne har en ledningsevne, der er højere end regnintensiteten.

Figur 1.14. Vandudveksling fra matrix til makroporer umiddelbart over moræne-laget (5 cm dybde) for setup no. 4.

Figure 1.14. The exchange of water from matrix to macropores just above the moraine layer (5 cm depth) for setup no. 4.

Figur 1.15 .Vandudveksling fra makroporer til matrix i morænelaget i 105 cm dybde (dvs. 45 cm over grundvandsspejlet) for setup no. 4.

Figure 1.15. The exchange of water from macropores to matrix in the moraine layer in 105 cm depth (45 cm above the groundwater level) for setup no. 4.

1.2 Test af kolloidgenerering

De følgende tests omhandler stoftransportmodulet i MIKE SHE og i modsætning til testning af makroporemodulet, der er en del af vandtransportmodulet MIKE SHE, vil der i det følgende blive taget udgangspunkt i setups, der beskriver kolonneforsøgene udført i dette projekt. Dette betyder bl.a. at kolonnen har den rigtige længde (50 cm), at der simuleres fri afdræning i bunden af kolonnen, og at start- og sluttidspunktet for simuleringsperioden svarer til laboratorie-forsøgene.

1.2.1 Generelt setup

I denne test regnes der kun med frigivelse og filtrering af kolloider, dvs. der tilføres ikke pesticid, som i de rigtige kolonneforsøg. Der regnes på kolonne 6 (minimalt bearbejdet) – se Kapitel 3.4.3. Nedbøren ses af Figur 1.16, og viser dels en opfugtning ved høj intensitet (ca. 50 mm/time) og dels de tre regnhændelser med en intensitet på 14,5 mm/time (se Kapitel 3.5). Det antages, at fordampningen er 1 mm/dag, når udsugningen er slukket, og 5 mm/dag når den er tændt (hverdage kl. 8-17). Foreløbige erfaringer fra laboratorieforsøgene viser, at der i alt udvaskes ca. 75 g kolloid/m², dvs. fra en kolonne med et areal på 0,0707 m², udvaskes der i alt ca. 5 g kolloid i løbet af de tre regnhændelser.

Figur 1.16. ”Nedbør” på kolonne 6 (minimalt bearbejdet) under forsøget.

Figure 1.16. ”Rainfall” on column 6 (minimally tilled) during the experiment.

Udvalgte inputparametre til denne test er vist i Tabel 1.3. Som kolloidgenereringsmodel benyttes en model baseret på kinetisk energi svarende til den, som benyttes af modellen MACRO, og med en Eurosem model til at udregne vanddybde-korrektionen, se Bilag 5.

Af Figur 1.17 ses en test af kolloidgenerering og filtrering af kolloider. Som det ses af figuren er genereringen af kolloider på overfladen (sorte firkanter) i dette eksempel af størrelsesordenen 14 g, mens der genereres ca. 1,5 g i den umættede zone (hvide trekanter). Der fjernes godt 10 g kolloider ved kolloidfiltrering (hvide cirkler). Som det fremgår af figuren er genereringen af kolloider i kolonnen i dette eksempel lille i forhold til den mængde kolloider, der dannes på overfladen, hvilket også ofte vil være tilfældet i praksis. Dette ses også ved, at der er sammenfald mellem stigningen i kolloidgenereringen og regnhændelserne, idet opfugtningen genererer ca. 8 g kolloider, og de tre efterfølgende regnhændelser genererer hver ca. 2 g kolloider.

Det skal bemærkes, at de valgte parameterværdier ikke nødvendigvis er repræsentative for de aktuelle kolonneforsøg, men blot er vist som et eksempel.

Tabel 1.3. Udvalgte inputvariable til test af kolloidgenerering.

Table 1.3 Selected input variables for the test of colloid generation.

For en mere udførlig beskrivelse af parametrene henvises til Bilag 5.

Figur 1.17. Test af kolloidgenerering og -filtrering. Akkumulerede værdier.

Figure 1.17. Test of colloid generation and – filtration. Accumulated values.

1.3 Test af nedbrydning

I denne test regnes der på to stoffer (pesticid og metabolit) og to processer: Nedbrydning af pesticid til metabolit og nedbrydning af metabolit. Dvs. der regnes ikke med kolloider og/eller sorption/desorption. Der udsprøjtes 12,25 mg pesticid (Glyphosat) dagen efter opfugtningen, dvs. den 15/9 2005, da kolonne 6U (minimalt bearbejdet jordtype) også benyttes i denne test. Udsprøjtningen af pesticid antages at vare 1 minut, og medfører en ”regnhændelse” med en intensitet på 11,16 mm/time, idet blandingen indeholder i alt 13,25 ml (inklusiv rensning af sprøjte), og da arealet af kolonnen er 0,0707 m². Pesticid-udsprøjtningen er inkluderet i strømningsberegningen som et ekstra bidrag til nedbøren, men har ingen betydning for vandbalancen eller strømningen. Derimod er pesticid-udsprøjtningen den eneste tilførsel af stof i denne test. Hvis det antages, at udsprøjtningen varer 1 minut, bliver det til 0,01764 kg pesticid pr. dag, hvilket er enheden der benyttes i modelberegningerne. I Figur 1.18 ses opfugtningen, pesticidudsprøjtningen og de tre regnhændelser.

Figur 1.18. ”Nedbør” på kolonne 6 (minimalt bearbejdet) under glyphosat-forsøget.

Figure 1.18. ”Rainfall” on column 6 (minimally tilled) during the glyphosate experiment.

Udvalgte inputparametre til denne test er vist i Tabel 1.4.  Som nedbrydning benyttes en 1. ordens nedbrydning, se Bilag 5.

Tabel 1.4. Udvalgte inputvariable til test af nedbrydning.

Table 1.4. Selected input variable for test of degradation.

For en mere udførlig beskrivelse af parametrene henvises til Bilag 5.

I Figur 1.19 ses nedbrydningen af pesticid på henholdsvis overfladen, i matricen og i makroporerne. Med de valgte parametre ses det, at der på jordoverfladen nedbrydes ca. 4 mg ud af de i alt 12,25 mg, der blev udsprøjtet, men at nedbrydningen stopper omkring den 20/9 2005, dvs. kort tid efter den første regnhændelse. Herefter sker nedbrydningen primært i den umættede zone (matricen), mens nedbrydningen i makroporerne, i dette tilfælde, er forsvindende lille. Dette skyldes, at strømningen er betydelig hurtigere i makroporerne end i matricen, hvorved der ikke når at nedbrydes så meget pesticid.

En tilsvarende figur kan optegnes for metabolitten, hvilket ikke er vist for dette eksempel.

Figur 1.19. Test af pesticid-nedbrydning: På overfladen (sorte firkanter), i matricen (hvide cirkler) og i makroporerne (hvide trekanter, ligger på x-aksen). Figuren viser akkumuleret nedbrydning.

Figure 1.19. Test of pesticide breakdown: On the surface (black squares), in the matrix (white circles) and in the macropres (white triangles on the x-axis). The figure shows accumulated breakdown.

1.4 Test af sorption/desorption

I denne test regnes der med fire stoffer:

            - Pesticid

            - Metabolit

            - Sorberet pesticid

            - Sorberet metabolit

og seks processer:

- Kinetikstyret sorption af pesticid

- Kinetikstyret sorption af metabolit

- Nedbrydning af opløst pesticid

- Nedbrydning af opløst metabolit

- Nedbrydning af sorberet pesticid

- Nedbrydning af sorberet metabolit

Pesticid og metabolit antages kun at kunne sorbere til den faste jordfase, dvs. der regnes på en kolonne uden kolloider. Nedbøren er den samme som for test af nedbrydning (Kapitel 1.3), og er vist i Figur 1.18. Tilførsel af pesticid (i dette eksempel ligeledes Glyphosat) sker på samme måde som for test af nedbrydning, dvs. der udsprøjtes 12,25 mg Glyphosat på toppen af kolonnen i løbet af 1 minut, svarende til 0,01764 kg/dag.

Udvalgte parametre til sorption/desorptions-testen er vist i Tabel 1.5. Der regnes på ren kinetikstyret sorption/desorption inklusiv hysterese, dvs. ingen ligevægtssorption.

Tabel 1.5. Udvalgte inputvariable til test af sorption/desorption.

Table 1.5. Selected input variable for test of sorption/desorption.

1) Beta-MP = Matrix-Macropore Mass Transfer Coefficient

2) Halveringstiden gælder for både matrice og makroporer

Da der regnes på fire stoffer og seks processer, bliver det meget hurtigt uoverskueligt at præsentere data grafisk, så i stedet er der udvalgt nogle få parametre som vist i Figur 1.20 og Figur 1.21. Det ses at nedbrydningen er nogenlunde konstant (stiger lineært som funktion af tiden), mens desorptionen fra jordbundet stof til opløst stof kommer i spring svarende til regnhændelserne. Grunden til at der frigives mere stof fra jordbundet til opløst end omvendt skyldes, at stoffet sprøjtes ud på jorden, og dermed som udgangspunkt er bundet til jorden.

Nedbrydningen af pesticid/metabolit kan gøres afhængig af temperatur og/eller vandindhold. Hvis nedbrydningen antages at være temperaturafhængig, skal der gives en initiel jordtemperatur (evt. varierende med dybden) samt en tidsserie for lufttemperaturen. Herved bliver jordtemperaturen udregnet for en given dybde som funktion af tiden til brug i beregningen af nedbrydningen. Metoden er dog ikke så egnet til kolonneforsøg, hvor det må formodes at omgivelsernes temperatur påvirker kolonnen fra alle sider, og ikke blot toppen af jorden, som det er tilfældet i markforsøg. Temperaturafhængig nedbrydning er testet, men da optionen ikke er relevant for dette projekt, er resultaterne er ikke vist.

Figur 1.20. Test af sorption/desorption: Sorp/DeSorp -> UZ er pesticid der frigives fra jord og bliver opløst i vand, UZ -> Sorp/DeSorp er pesticid, der sorberes på jord, og UZ -> Decay er pesticid, der bliver nedbrudt (i dette tilfælde til ”Metabolit”).

Figure 1.20. Test of sorption/desorption: Sorp/DeSorp -> UZ is pesticide that is released from soil to the solution, UZ -> Sorp/DeSorp is pesticide, which is sorbed on the soil and UZ -> Decay is pesticide that is degraded (here to ”Metabolite”).

Figur 1.21. Test af sorption/desorption: Sorp/DeSorp -> UZ er metabolit, der frigives fra jord og bliver opløst i vand, UZ -> Sorp/DeSorp er metabolit, der sorberes på jord, og UZ -> Decay er metabolit, der bliver nedbrudt.

Figure 1.21. Test of sorption/desorption: Sorp/DeSorp -> UZ is metabolite that is released from soil to the solution, UZ -> Sorp/DeSorp is metabolite, which is sorbed on the soil and UZ -> Decay is metabolite that is degraded.

2 Simuleringsresultater

Simuleringen af kolonneforsøgene består dels af konservative stoftransport-simuleringer af en tracer (bromid) samt reaktive stoftransport-simuleringer af to pesticider (Glyphosat og Pendimethalin). De reaktive simuleringer inkluderer nedbrydning og sorption/desorption af pesticid samt generering og filtrering af kolloider, se yderligere beskrivelse i Bilag 5 (Technical Reference Manual). Forud for alle simuleringer ligger en testning af de nyudviklede moduler. Disse testninger er nærmere beskrevet i Kapitel 1.

2.1 Hydrauliske egenskaber af forsøgskolonnerne

Den pløjede og minimalt bearbejdede jord antages at have forskellig vægtfylde, andel af makroporer samt andre jordparametre afhængig af dybden under terræn. Generelt er andelen af (gennemgående) makroporer større i den minimalt bearbejdede jord end i den pløjede jord. De hydrauliske parametre er udregnet ved hjælp af Hypress-funktioner (Wùsten et al. (1998)) på basis af indholdet af ler, silt og organisk materiale samt jordens vægtfylde. I Tabel 2.1 ses de benyttede hydrauliske input-parametre til den numeriske model.

Tabel 2.1. Hydrauliske inputparametre til numerisk model.

Tabel 2.2. Hydraulic input parameters for the numerical model.

*) Organisk stof = Organisk kulstof / 0,58

**) Van Genuchten parametre

I virkeligheden vil der naturligvis være forskel på de enkelte kolonners hydrauliske egenskaber, men i simuleringerne betragtes kolonnerne kun som henholdsvis pløjet og minimalt bearbejdet jord. Efter forsøgene er udført kan kolonnerne evt. skæres op, og deres kornstørrelsesfordeling, porøsitet, andel af makroporer osv. undersøges nærmere, hvilket vil give større viden om de enkelte kolonner. Dette vil delvist ske ved de planlagte farvestofforsøg.

2.2 Konservative simuleringer: Bromid

De konservative simuleringer omfatter simulering af en tracer (bromid) i forsøg på 11 kolonner (seks pløjede og fem minimalt bearbejdede jorde). Sporstofforsøgene med bromid er nærmere beskrevet i Bilag 2.

2.2.1 Beskrivelse af setup

Simuleringen af bromid-forsøgene er udført med følgende MIKE SHE setup:

Simuleringsperiode: 9 dage. De enkelte simuleringer benytter de aktuelle start-og slutdatoer for forsøgene.

Tidsskridt: Der anvendes et maksimum tidsskridt på 0,1 time = 6 minutter for både evapotranspiration (ET), overfladeafstrømning (OL), umættet zone (UZ) og mættet zone (SZ). Hvis et af stabilitetskravene – en maksimum nedbør eller infiltration på 1 mm per tidsskridt overskrides, skruer MIKE SHE automatisk ned for tidsskridtet.

Modeldomæne: En enkelt beregningscelle omgivet af impermeable celler, se Figur 2.1. Beregningscellen har en sidelængde på 0,2659 m, hvilket giver samme areal (0,0707 m²) som de cylindriske kolonner med en diameter på 30 cm. Søjlen er 0,51 m høj, og der indlægges et dræn 1 cm over bunden af kolonnen til at simulere fri dræning. I vertikal retning er kolonnen inddelt i 51 beregningselementer hver med en tykkelse på 1 cm. Beregningspunktet er placeret i midten af en celle, så hvis bunden af nederste beregningscelle havde været 50 cm fra toppen, ville beregningspunktet have været placeret en halv cellehøjde over bunden (svarende til 49,5 cm dybde).

Figur 2.1. Modeldomæne for en beregningscelle.

Figure 2.1. Model domain for a calculation cell.

Nedbør: Nedbøren består af to hændelser: opfugtning af kolonnen og selve bromidforsøget. Hver hændelse har en intensitet på 15 mm/time og en varighed på 2 timer. Der er fem dage imellem de to hændelser – første hændelse indtræffer 24 timer efter start på simulering.

Fordampning: Fordampningen er sat til en konstant værdi (1 mm/dag) i hele simuleringsperioden. Da der ikke er udsugning under bromid-forsøgene, vil fordampningen derfor være af en beskeden størrelse.

Vegetation: Da der ikke er nævneværdig vegetation på overfladen af kolonnerne, er både roddybde og blad-areal-indeks (LAI) sat til 0.

Makroporer: Det antages, at andelen af makroporer er som vist i Tabel 8.1, dvs. stigende fra 0,1% til 1% i kolonnerne med pløjet jord og 1% i de minimalt bearbejdede jorde.

Bromid-tilførsel: Der tilføres 37,8 mmol bromid med molekylevægten 79,9 g/mol, hvilket giver i alt ca. 3,02 g bromid. Tilførslen sker i praksis nærmest momentant, men i modellen antages tilførslen at ske i løbet af 1 minut. Dette giver en bromidtilførsel på ca. 5,03·10^-5 kg/s.

2.2.2 Resultater

I alt er der mulighed for at udtrække ca. 40 forskellige resultatparametre. F.eks. kan vandindholdet i den umættede zone vises som funktion af tiden (x-aksen) og dybden (y-aksen), hvilket er illustreret på Figur 2.2. Af figuren ses, at de to regnhændelser får vandindholdet i kolonnen med den minimalt bearbejdede jord til at stige, hvorefter vandet gradvist dels afdræner via bunden og dels forsvinder som følge af fordampning. Det forhøjede vandindhold i 38 cm’s dybde i forhold 40 cm’s dybde skyldes, at den øverste jordhorisont netop har en nedre grænse i 38 cm’s dybde.

Figur 2.2. Vandindholdet i den umættede zone (minimalt behandlet jord). Regnhændelserne er vist med pile.

Figure 2.2. Water content in the unsaturated zone (minimally tilled soil). The rain events are shown with arrows.

I Figur 2.3 ses nettoudvekslingen af vand fra matricen til makroporerne i kolonnen med den pløjede jord. Af figuren fremgår det, at vandet primært strømmer fra matricen til makroporerne, mens kun en meget lille vandmængde strømmer fra makroporerne til matricen, hvilket stemmer fint overens med virkeligheden. Vandudveksling fra makroporer til matrix kan med den valgte skala ikke vises på figuren.

Figur 2.3. Nettoudveksling af vand fra matrix til makroporer i kolonnen med den pløjede jord.

Figure 2.3. Netto exchange of water from matrix to macropores in the column with ploughed soil.

Resultatet af bromidsimuleringerne viser, at der udvaskes ca. 0,27 g bromid (svarende til knap 9% af den tilsatte mængde) fra de pløjede jorde, mens der udvaskes ca. 0,67 g (svarende til ca. 22% af den tilsatte mængde) fra de minimalt bearbejdede jorde. Dette stemmer ikke så godt overens med forsøgene, hvor der blev udvasket mere bromid fra de pløjede jorde (ca. 7-9%) end fra de minimalt bearbejdede jorde (ca. 4-5%). Det vil derfor blive undersøgt, om der kan opnås bedre bromidsimuleringer, hvilket der pt. arbejdes på.

Til gengæld er det tydeligt, at en overvejende del af strømningen (og dermed stoftransporten) foregår i makroporerne, idet beregninger uden makroporer ikke udvasker bromid overhovedet. Dette stemmer med det forventede, idet nedbøren i forbindelsen med bromidtilførslen kun udgør ca. 30 mm. Med en antaget porøsitet i jordkolonnerne på 0,38 vil bromidfronten kun være kommet ca. 80 mm ned i kolonnen, hvis der udelukkende ses på advektion (ingen makropore-transport). Gennembrud af bromidfronten i de 50 cm lange jordkolonner er således først forventeligt efter ca. 55 dage, mens simuleringsperioden som nævnt er sat til på 9 dage.

2.3 Reaktive simuleringer: Pesticid

De reaktive stoftransportsimuleringer omfatter to pesticider, nemlig glyphosat og pendimethalin. Forsøgene med glyphosat er udført på i alt fire kolonner, to pløjede og to minimalt bearbejdede jorde (hhv. 4P, 5P, 2U, 6U). Forsøgene med pendimethalin er endnu ikke færdigbearbejdet, og er således heller ikke simuleret endnu.

Til forskel fra bromid-forsøgene, er der udsugning i laboratoriet under pesticid-forsøgene. Udsugningen styres automatisk og finder sted på hverdage mellem kl. 8 og 17. Det betyder, at fordampningen ikke kan forventes at være konstant, hvilket uden tvivl vil have en effekt på forsøgene.

Der er blevet oplyst et luftskifte på ca. 300 m³/time ved udsugning, hvilket betyder, at fordampningen forsøges estimeret i forhold til ”normalt” luftskifte, der er på ca. 100 m³/time. Foreløbige resultater viser, at den varierende udsugning har nogen betydning for strømningsberegningerne.

Temperaturen i jordkolonnen vil også have betydning for forsøgene, idet bl.a. nedbrydningsrater ofte er temperaturafhængige. Kolonnerne opbevares på køl ved 2-5 °C, mens forsøgene foregår ved stuetemperatur 20-25 °C. Dette betyder, at kolonnerne initielt vil være koldere end i slutningen af forsøgene. Det er vanskeligt at sige, hvor hurtigt kolonnerne får samme temperatur som omgivelserne, og om det har nogen betydning for forsøgene. I simuleringerne antages det, at jord- og lufttemperaturen er konstant 22 °C, hvilken bør være en rimelig antagelse, da kolonnerne efter første opfugtning har ca. et døgn til at indstille sig inden pesticid-tilførsel og efterfølgende udvaskningsforsøg (efter yderligere fire døgn).

Mønsteret for pesticid-forsøgene er som følger:

Dag 0:      opfugtning

Dag 1:      pesticidudsprøjtning

Dag 5:      1. vandingshændelse

Dag 8:      2. vandingshændelse

Dag12:     3. vandingshændelse

Samme mønster anvendes i modelsimuleringerne. Bl.a. er klokkeslæt for start og slut på vandingen anført i tidsseriefilerne for nedbør, da denne varierer en anelse fra kolonne til kolonne. Tidspunktet for pesticidudsprøjtningen er dog ikke fastlagt mere præcist end +/- 1 time, så i simuleringerne er dette sat til kl. 11:00 til 11:01 dagen efter opfugtningen.

I de pløjede jorde observeres der ponding (vandpyt-dannelse) et stykke tid efter regnhændelsens begyndelse, og der er tendens til øget ponding ved 2. og 3. regnhændelse. Dette kan tolkes som om makroporerne stopper til, hvilket kan være svært at modellere, idet det antages, at jordens hydrauliske egenskaber er konstante gennem hele forsøget. Det bør derfor overvejes, om der i stedet skal laves beregninger med varierende hydraulisk ledningsevne, hvilket kan ske ved brug af opdeling/hotstart af simuleringen.

2.3.1 Glyphosat

Ved udsprøjtning af pesticid tilføres i alt 12,25 mg glyphosat i en 13,25 ml blanding (inklusiv rensning af sprøjte). Hvis det antages, at udsprøjtningen varer 1 minut, bliver det til 0,01764 kg pesticid pr. dag og en ”regnhændelse” på 11,16 mm/time (da arealet er 0,0707 m²).

Simuleringerne af glyphosat er beskrevet i hovedrapporten.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Top |

Version 1.0 Februar 2007, © Miljøstyrelsen.