| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Omfang og effekt af herbicidafdrift til læhegn

3 Model for afdrift

• 3.1 Introduktion
• 3.2 Dråbemodel
• 3.3 Model for spredning og deposition
  • 3.3.1 Valg af spredningsmodel
  • 3.3.2 OML-DEP beskrivelse
  • 3.3.3 Deposition
  • 3.3.4 Yderligere tilpasninger
• 3.4 Kobling af dråbe- og spredningsmodel
  • 3.4.1 Sammenhæng mellem sprøjtning i spor og stationære modelkoncentrationer
• 3.5 Kalibrering og parameterværdier
• 3.6 Sammenligning med målinger
• 3.7 Beregningseksempler på afdrift til hegn
  • 3.7.1 Valg af parametre for dyser og meteorologi til modelberegninger
  • 3.7.2 Modelresultater for forskellige dysetyper, sprøjtetidspunkter, doseringer og bredder af sprøjtefrie bufferzoner

3.1 Introduktion

Når en dråbe forlader en dyse på en sprøjtebom, begynder den straks at fordampe og blive mindre under transporten mod overfladen. Store dråber vil umiddelbart falde til jorden (afsættes) uden nævneværdig ændring af størrelse; men jo mindre dråben er, jo større er sandsynligheden for, at dråben ’fanges’ af (middel-)vinden og turbulente hvirvler, hvilket betyder at opholdstiden i luften forøges betydeligt, og at dråben begynder at mindskes og dermed også mindske faldhastighed. Til bestemmelse af denne afdrift er der i projektet udviklet en afdriftsmodel.

Det generelle princip i den udviklede afdriftsmodel bygger på sammenbygningen af en dråbemodel og en spredningsmodel. Dråbemodellen beskriver, som det centrale, en dråbes størrelse og faldhastighed, som er afgørende for afsætningshastigheden til (jord-)overfladen. Spredningsmodellen beskriver spredning, fortynding og deposition (den vandrette afsætning) af en udsendt ’sky’ af dråber.

Den udviklede afdriftsmodel tager udgangspunkt i en dråbestørrelsesfordeling bestemt af tabelværdier for den anvendte dyse samt den udsprøjtede mængde væske og herbicid pr. arealenhed. Den andel, der ikke umiddelbart afsættes, men føres videre med vinden, betegnes ”initiel afdrift” og er omtrent proportional med vindhastigheden. Dråbestørrelsesfordelingen er i modellen repræsenteret ved et endeligt antal diameterintervaller à 10 µm, hvor egenskaberne for en dråbe med den centrale værdi beskriver hele intervallet. Beregningen foregår for et sprøjtespor ad gangen, og bidrag fra et givet antal spor adderes.

For et sprøjtespor beregnes fordampning og deposition på (jord-)overfladen i skridt henover små arealelementer nedstrøms for sporet. Ved hvert skridt beregnes dråbernes nye diameter (efter fordampning) og nye faldhastighed, som bestemmer afsætningshastigheden til (jord-)overfladen. Princippet er skitseret i Figur 3.5 og 3.6.

I det følgende beskrives dråbe- og spredningsmodellen hver for sig, koblingen af modellerne, kalibreringen af den samlede model mod målinger samt resultater af nogle scenarieberegninger.

3.2 Dråbemodel

Dråbemodellen beskriver udviklingen af en dråbes størrelse og faldhastighed, efter den har forladt en dyse. Modellen tager hensyn til udgangshastigheden på dysen, luftens fugtighed og temperatur. Modellen tager også hensyn til, at dråberne indeholder opløste stoffer som fx metsulfuron eller farvestoffet natriumfluorescein; men ikke eventuelle hjælpestoffer.

 Dråbemodellen tager ikke hensyn til interaktionen mellem dråber og er i den større modelsammenhæng anvendt til at beskrive den tidslige udvikling af dråbediameteren efter en empirisk bestemmelse af den initielle afdrift, hvor dråberne kun har minimal interaktion.

Dråbers fald mod jorden styres af påvirkningen fra tyngdekraften, luftmodstanden samt fordampningen af vand. Faldet og fordampningen beskrives gennem løsning af masse-, moment-, og energi-ligningerne for en enkelt dråbe (Appendiks 6), hvor det antages at dråbens opførsel ikke er påvirket af de andre dråber i dråbeskyen. Det antages også at der kan ses bort fra dråbens indflydelse på den omgivende lufts temperatur og fugtighed.

Modellens evne til at beskrive dråbers fordampning og faldhastighed er blevet testet ved sammenligning med eksperimentelle data fra litteraturen og andre modeldata.

Hvis dråberne opholder sig tilstrækkelig lang tid i luften, vil de til sidst fordampe til en mindste størrelse, hvor det opløste stof ’holder’ på det sidste vand. Slutdiameteren afhænger af startkoncentrationen af det opløste stof. For natriumfluorescein og metsulfuron er slutdiametrene vist i Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Mindste/slutdråbediameter (µm) for startkoncentration af natriumfluorescein på 1,83 g/L hhv. metsulfuron på 0,0133 g/L.

Både en dråbes begyndelsesdiameter og luftens fugtighed er af afgørende betydning for, hvor hurtigt diameteren mindskes under faldet. I Figur 3.1 og 3.2 er vist udviklingen af dråbestørrelsen som funktion af begyndelsesdiameteren hhv. fugtigheden. Det ses, at det er de mindste dråber, som fordamper relativt hurtigst, og at lav luftfugtig medfører en stor fordampningshastighed.

Figur 3.1. Tidslig udvikling af dråbestørrelser for forskellige begyndelsesdråbestørrelser ved en temperatur på 200°C, en relativ luftfugtighed på 80 % og starthastighed på 20 m/s. Dråberne når en mindstediameter, som er bestemt af den initielle stofkoncentration i dråben (Tabel 3.1).

Figur 3.2. Tidslig udvikling af størrelsen af en dråbe på 100 µm for forskellige relative luftfugtigheder ved en temperatur på 20°C og en starthastighed på 20 m/s. Dråben når en mindstediameter, som er bestemt af den initielle stofkoncentration i dråben (Tabel 3.1).

Den tidslige udvikling af den vertikale faldhastighed af dråber efter udsendelse fra en dyse med 20 m/s fremgår af Figur 3.3 og er vist for dråber med forskellig begyndelsesdråbestørrelse. Det ses, at dråber under 100 µm nedbremses til en lav sluthastighed i løbet af mindre end 0,1 sek.. Dette gælder dog kun for en enkelt dråbe. Når en hel sky af dråber udsendes fra en dyse, vil luften omkring dråberne også sættes i bevægelse, og nedbremsningen vil tage lidt længere tid. Sluthastigheden for 50, 100 og 200 µm dråber er 0,071, 0,25 hhv. 0,71 m/s.

Figur 3.3. Den tidslige udvikling af den vertikale hastighed for forskellige begyndelsesdråbestørrelser. Begyndelseshastighed fra dysen er 20 m/s, temperaturen er 20^o C og den relative luftfugtighed er 80 %. Efter kort tid vil dråbens vertikale hastighed antage en konstant sluthastighed.

3.3 Model for spredning og deposition

3.3.1 Valg af spredningsmodel

CFD-modeller (Computational Fluid Dynamics models) og Gaussiske røgfanemodeller anvendes i almindelighed til spredningsberegninger uden deposition (vandret afsætning) eller omdannelse. I sådanne modeller kræver en tilføjelse af yderligere processer, som fx deposition og dråbefordampning, et indgående kendskab til modelkoden og de simulerede processer. Mange modeller er kommercielle, hvor brugeren ikke har mulighed for at ændre i modelkoden.

CFD-modeller er generelt tilpasset/valideret for neutrale atmosfæriske turbulensforhold (forholdsvis meget vind og beskeden solindstråling/overskyet) og til dels for stabile forhold (nat). Ustabile forhold (dagtimer med sol) er vanskeligere at modellere. CFD-modeller er i stand til at simulere strømninger omkring/gennem delvist gennemtrængelige forhindringer (læhegn). Modellerne kræver ofte tilpasning til den konkrete meteorologiske situation gennem sammenligning med rumligt detaljerede meteorologiske målinger på lokaliteten. Resultaterne er meget følsomme over for de anvendte ’setup’-betingelser i modellen, dvs. brugerens valg af fx tætheden i det rumlige beregningsgitter, hvori strømningsligningerne løses, og den indkommende vindprofil. Dette kan vanskeliggøre ekstrapolation til andre forhold.

Røgfanemodeller er udviklet til at håndtere alle normalt forekommende meteorologiske forhold, men ikke meget lokale turbulensforhold omkring fx læhegn. Et læhegn vil på luv side have tendens til mest at bremse vinden og i ringere grad ændre på turbulensen, men på læsiden vil turbulensen selvfølgelig være forøget betydeligt. Ved meget gennemtrængelige læhegn vurderes denne mangel at være af mindre betydning i forbindelse med anvendelse af røgfanemodeller, idet påvirkningen vil være størst efter læhegnet. I nærværende projekt skal dette også ses i forhold til andre måleusikkerheder i projektet.

DMU/ATMI har udviklet røgfanemodellen OML samt en version til håndtering af deposition, OML-DEP, og har derfor en fuldstændig indsigt i modelkoden og de simulerede processer.

På denne baggrund er derfor valgt at anvende OML-DEP som udgangspunkt for den del af modellen, som beskriver spredning og deposition af sprøjtemiddelafdriften, og heri implementere et dråbemodul, som beskriver fordampning og faldhastigheder af dråber.

3.3.2 OML-DEP beskrivelse

OML-DEP modellen er en såkaldt Gaussisk røgfanemodel, hvori der er indbygget metoder til at beregne depositionen. Den er baseret på den atmosfæriske spredningsmodel OML (Olesen et al., 2007), som beregner spredningen (uden deposition) fra multiple punkt- og flade-/arealkilder. OML er udviklet af DMU. I modsætning til ældre modeller, som beskriver atmosfærens turbulenstilstand ved 7 diskrete klasser af turbulenstilstande, hører OML til gruppen af nye spredningsmodeller, hvor turbulensen er beskrevet ved kontinuerte, mikrometeorologiske parametre som bl.a. friktionshastighed og varmefluks fra jordoverfladen. Modellen anvendes af danske myndigheder i forbindelse med miljøgodkendelser af luftforurenende virksomheder og landbrug.

At modellen er Gaussisk, betyder, at for punktkilder følger den vertikale og horisontale spredning/koncentrationsfordeling en Gaussisk (normal)fordeling. For en punktkilde placeret i (0,0,0) beregnes koncentrationen c i et punkt (x,y,z) i princippet efter følgende formel:

hvor Q er kildens emissionsrate (g/s), u er vindhastigheden, H er kildens højde, y og z er den horisontale hhv. vertikale spredningsparameter. Refleksionsled refererer til refleksion fra jordoverfladen af det emitterede stof. For fladekilder bliver den horisontale spredning integreret (analytisk og numerisk) over arealet, hvilket medfører, at for aflange arealer (sprøjtespor) reduceres betydningen af den horisontale spredning væsentligt.

OML-modellen er tidligere blevet valideret på mange forskellige spredningsforsøg (Olesen et al., 2007). Et relevant eksempel på en evaluering er vist i Figur 3.4 for et stort spredningsforsøg i USA, hvor der blev udsendt svovldioxid fra en lav (0,5 m) kilde og målt koncentrationer i 1,5 m højde på tværs af fanen i flere afstande. Koncentrationerne er normerede tværvindskoncentrationer, hvilket vil sige, at koncentrationen er integreret på tværs af fanen og normeret med emissionen. Det betyder, at den horisontale spredning ikke indgår i sammenligningen.

Disse måledata er meget benyttet og er anvendt til udvikling og validering af stort set alle anerkendte spredningsmodeller. Det ses, at modellen undervurderer koncentrationen med 15-30 %, mest for store afstande. For disse data konstateres samme fænomen også for andre modeller. Modellen er ikke korrigeret for denne bias, idet modellen ikke har denne bias for andre typer kilder.

Figur 3.4. Sammenligning af målt og modelleret tværvindskoncentration i forskellige afstande. Målinger er fra et spredningsforsøg i USA fra en 0,5 m høj kilde. Tværvindskoncentrationen er normeret med kildestyrken.

Depositionen indgår i OML-DEP ved det såkaldte ’surface depletion’-princip (Horst 1977). Det betyder, at depositionen fra en kilde i en given afstand - længere nedstrøms - indgår som en negativ kilde med samme styrke som depositionsraten. I modellen betyder det i praksis, at beregningsdomænet opdeles i 40´40 arealelementer, hvortil depositionen (den negative emission) sker. En mere simpel metode er ’source depletion’, som i stedet for negative fladekilder fratrækker depositionsraten fra kildes emission. Dette giver fejlagtige resultater, og specielt vil den vertikale profil af koncentrationen ved jorden blive forkert, idet ’svinget’ i profilet ved jorden, som fx ses i Figur 2.8, ikke kan reproduceres.

3.3.3 Deposition

Beregningen af afsætningen til vandrette flader (fx jordoverfladen) –depositionen - udføres med sædvanlige metoder. Depositionsraten, Dep, er proportional med depositionshastigheden, v_d, og koncentrationen, c:

hvor z er referencehøjden. Da beregningerne her er udført på meget små horisontale skalaer er z sat til 0,5 m.

Depositionshastigheden er bestemt ved den såkaldte resistansmetode baseret på en analogi til elektrisk modstand. Tørdepositionshastigheden for partikler/dråber er givet ved (Seinfeld & Panis, 1998):

hvor v_s er faldhastigheden af dråben, som er en funktion af diameteren, r_a er den aerodynamiske modstand, og r_b er den quasi-laminære overflademodstand.

Den aerodynamiske modstand mod turbulent transport i grænselaget:

hvor κ er den dimensionsløse von Karman’s konstant (≈0,35), u_* (m/s) er friktionshastigheden og z₀ (m) er den mekaniske ruhedslængde.

For partikler er den quasi-laminære modstand for det meget tynde luftlag (millimeter) ved overfladen givet ved:

hvor Sc er det det dimensionsløse Schmidttal:

hvor D er den molekylære diffusivitet af gas i luft, og n er den kinematiske viskositet, og hvor St er det dimensionsløse Stoketal:

hvor g er tyngdeaccelerationen (m/s²). Dråbernes faldhastighed indgår her som den del af Stoketallet.

3.3.4 Yderligere tilpasninger

Da de største dråber har en meget stor faldhastighed og dermed en stor depositionshastighed, har det været nødvendigt at justere OML-DEP-modellens beregningen af depositionen, idet der ellers kunne ske en større deposition, end der er stof til rådighed. Derfor er depositionen beregnet implicit, dvs. der tages hensyn til at depositionens størrelse i et arealelement påvirker koncentrationen i arealelementet, som igen påvirker depositionen.

Generelt vil dråber med en større faldhastighed end den hastighed, hvormed sprøjtefanen bevæger sig i vertikal retning, afsættes umiddelbart, og der vil antages at der ikke vil være afdrift for sådanne dråber efter første sprøjtefri arealelement. Modellens afsætningsberegninger er dermed mindre præcis for store (>200-250 m) dråber.

3.4 Kobling af dråbe- og spredningsmodel

Spredningsmodellen OML-DEP kan som nævnt umiddelbart håndtere spredning og deposition af en dråbe, som har en konstant faldhastighed. Når en dråbe under transporten med vinden ændrer diameter, vil depositionshastigheden også ændres. Det tager afdriftsmodellen hensyn til ved at koble dråbemodellen på som et modul i spredningsmodellen. Spredningsmodellen beregner spredningen af afdriftsfanen i trin væk fra sprøjtezonen, og for hvert trin anvendes dråbemodellen til at beregne en aktuel dråbestørrelse og faldhastighed på basis af transporttiden, inden depositionshastigheden og dermed depositionen beregnes. Dette princip anvendes for en hel række dråber med forskellig startdiameter. Princippet er skitseret i Figur 3.5.

Figur 3.5.  Skematisk fremstilling af afdriftmodellen, som sammenkobler dråbemodellen og sprednings- og depositionsmodellen OML-DEP. For en vind fra venstre mod højre bevæger modellen sig i trin (Δt) væk fra sprøjtesporet med en emission Q_0,1..N, hvor indeks 0 refererer til arealet inkluderet i første trin og 1..N til klasser for initielle dråbestørrelser, D₀. I næste trin væk fra sprøjtesporet er der forløbet en tid t. Med dråbemodellen beregnes for hver initielle dråbestørrelse en ny diameter d_i(t), som har indflydelse på depositionshastigheden. Spredningsmodellen bestemmer derefter fortyndingen og en deposition (afsætning til vandret flade), Q_1,1..N, i dette trin. Denne deposition fratrækkes derefter den tilgængelige stofmængde i den videre beregning længere væk fra sprøjtesporet. v_s er faldhastigheden af dråber og v_d er depositionshastigheden, hvor begge er funktion af diameteren d.

Afdriftsmodellen regner i et såkaldt domæne på 40×40 arealelementer (enheder) à 4×4 m². Domænet dækker således 160×160 m², hvor der de yderste 40×3 arealelementer repræsenterer et sprøjtespor. Den største afstand fra et sprøjtespor, hvori der kan beregnes deposition, er således 37 arealelementer, dvs.148 m. I Figur 3.6 er vist et principielt eksempel på beregnede koncentrationer af stof 0,5 m over jorden, hvor vindretningen er fra venstre mod højre (vestlig vind). Afdriften sker fra de 3 vestligste rækker af arealelementer. I den videre behandling af resultaterne anvendes kun data fra positioner på en øst-vest-linje midt i domænet.

Afdriftsmodellen kan herved bestemme en koncentration af en given dråbestørrelse i en vilkårlig afstand til sprøjtesporet og i vilkårlig højde over jorden. Hver dråbe har fra starten den samme koncentration uanset størrelsen, og dermed et givet stofindhold. Selv om dråberne bliver mindre under transporten, vil de stadig indeholde den samme stofmængde som ved start, idet de anvendte stoffer har meget lavt damptryk. Derfor kan modellen i et givet punkt beregne den samlede stofmængde pr. m³ (eventuelt for et interval af størrelser) ved at summere over dråbestørrelsernes stofmængde og deres antal.

Figur 3.6. Et eksempel på afdriftsmodellens beregningsdomæne (samling af arealelementer á 4 × 4 m²), hvori beregning af deposition til ’jord’-overfladen og koncentrationer i luften foretages. Domænet dækker 160 m × 160 m. Vindretningen er fra venstre mod højre (vestlig vind). Der er emission fra ét sprøjtespor, som dækker de 3 vestligste rækker af arealelementer.  Farverne i arealelementerne angiver luftkoncentrationen af stof beregnet 0,5 m over jorden. Farveskalaen i bunden af figuren viser koncentrationen i relative enheder. Koncentrationen er størst ved lækanten af sprøjtesporet og aftager hurtigt med afstanden fra sporet på grund af fortynding og deposition til overfladen. Der anvendes kun data fra positioner på en øst-vest-linie midt i domænet, hvor effekter fra den nordlige og sydlige rand ikke har indvirkning.

3.4.1 Sammenhæng mellem sprøjtning i spor og stationære modelkoncentrationer

Afdriftsmodellen er en stationær model. Det vil sige, at den forudsætter en konstant emissionsrate fra en stationær kilde, og modellen beregner umiddelbart koncentrationer (g/m³). Et sprøjtespor genereres af en ikke-stationær kilde med konstant emissionsrate, som giver anledning til en dosis i en vertikal flade (g/m²). Sammenhængen mellem disse to ’forskellige’ situationer er beskrevet herunder.

Når et spor er blevet sprøjtet, er der tilført en bestemt stofmængde pr. areal, fx Q g/m². I afdriftsmodellen antages denne mængde at tilføres på én gang over hele sporets længde. Dette udgør ingen approksimation til de faktiske forhold, idet et spredningsforsøg udført på disse to måder heller ikke ville give forskelle i målte stofmængder. Tilførslen antages at ske i løbet af tiden t (s), dvs. emissionsraten bliver Q/t g/s/m². Når der skal beregnes en dosis i et vertikalt areal nedstrøms for sporet, ’udtager’ man en tilsvarende fluks over tiden t i den kontinuerte og stationære modelfane fra sporet. Dosis er da lig den samlede fluks, som modtages fra sprøjtning over tiden t.

Dosis bliver c(z) · u(z)· t (g/m²), hvor c er koncentrationen (g/m³) og u er vindhastigheden (m/s). Heraf ses, at størrelsen af t ikke har betydning for dosen, idet c(z) er proportional med emissionsraten, Q/t. Dermed har traktorens hastighed heller ikke nogen direkte betydning for beregningen, men indgår selvfølgelig indirekte, idet Q er bestemt som q_Dys/(12 m u_T), hvor q_Dys er den samlede emissionsrate fra alle dyser (g/s), 12 m er bommens bredde og u_T er traktorens hastighed (m/s).

3.5 Kalibrering og parameterværdier

I løbet af de 5 forsøgsdage varierede nogle af parametrene for sprøjtningerne (Tabel 2.1). Dråbestørrelserne for de 2 første forsøgsdage er simuleret med fordelingen fra dysen XR11002 ved 4,1 atm og de 3 sidste dage med et tryk på 3,1 atm (Figur 3.7), idet vi ikke havde adgang til tilsvarende data for den anvendte dysetype. Ved de to første sprøjtninger var dysetrykket 5,5 atm. Idet der ikke findes dråbestørrelsesdata for dette tryk, anvendte vi i stedet data for 4,1 atm tryk. Fordelingerne af dråbestørrelser er aflæst fra kurver i Klein & Golus (2004). I afdriftsmodellen opdeles antallet af dråber i diameterintervaller af 10 µm for intervallernes centerværdier for diametrene er 35, 45, 55,..., 495 µm. Der antages således ingen emission af dråber mindre end 30 µm fra en dyse, og det antages at eventuelle dråber større end 500 µm umiddelbart afsættes på overfladen.

Modellen har kun én ’fri’ parameter, som skal kalibreres, nemlig den initielle afdrift af dråber, som her forstås som afdriften fra den enkelte dyse. Da dråber fra den initielle afdrift fra vindsiden af sprøjtebommen delvist afsættes inde i sporet, er den initielle afdrift altså forskellig fra (og større end) den ’sædvanlige’ afdrift, der kan måles på læsiden af bommen.

Figur 3.7. De anvendte dråbestørrelsesfordelinger ved modelberegninger for forsøgsdagene (Klein & Golus, 2004).

I første omgang er alle sprøjteforsøgene blevet gennemregnet med modellen under forudsætning af, at den initielle afdrift i alle forsøg er ens. Derefter er der for hver af de 5 forsøgsdage lavet grafer af modelberegnede doser mod målte doser på curlere. For hver dag er det bedste lineære fit bestemt. Korrelationen mellem model og måling var rimelig god; men hældningen af bedste-fit-linjerne varierede betydeligt (hældningen er i høj grad styret af de største doser, altså af målingerne nærmest sprøjtesporet). For hver forsøgsdag blev den initielle afdrift, der gav en hældning tæt på 1, bestemt ved simpel proportionalitet.

Som det fremgår af Figur 3.8, viste den initielle afdrift sig at være godt korreleret med den meteorologiske parameter u_* (friktionshastigheden), som beskriver mængden af turbulens og er tilnærmelsesvis proportional med vindhastigheden, u_* (m/s) blev beregnet som gennemsnit over dagens 5 forsøgsperioder. Korrelationen mellem den initielle afdrift og vindhastigheden var dårligere end mellem den initielle afdrift og u_*. Den initielle afdrift i modellen blev herefter beskrevet som 0,2 · u_*. Da u_* groft regnet er ca. 1/10 af vindhastigheden i 10 m højde, så udtrykker relationen, at den initielle afdrift er ca. 2 % af den numeriske værdi af vindhastigheden i m/s – altså ved 1 m/s er den initielle afdrift ca. 2 %.

Figur 3.8. Den initielle afdrift for de 5 forsøgsdage som giver bedst korrelation mellem curler-målinger og model (punkter). I modellen er den initielle afdrift antaget beskrevet ved linjen. Initiel afdrift er defineret i teksten.

De komplicerede afdriftsforhold som følge af vindpåvirkningen pga. traktorens kørehastighed samt turbulensforholdene bag traktoren og i mindre grad bag sprøjtebommen er således indeholdt i den empiriske relation for initiel afdrift. Det skal bemærkes, at den initielle afdrift i modellen er ens for alle dråbestørrelser, hvilket ikke er fysisk rimeligt. En mere variabel og realistisk initiel afdrift vil kunne etableres i en senere modeludvikling.

3.6 Sammenligning med målinger

I Figur 3.9 er modelberegninger sammenlignet med målingerne beskrevet i kapitel 2. Alle dråbestørrelser indgår i modelberegningen. I beregningerne er der taget hensyn til, at vindretningen under de forskellige sprøjtninger har forskellig vinkel på hegnet. I forhold til en vinkelret vindretning kan afvigelsen være op til 42 grader. De anvendte meteorologiske data til beregningerne er vist i Appendiks 2. For at få pålidelige og stabile statistiske værdier af de mikrometeorologiske parametre er de beregnet som middel over 10 minutter for tidspunktet omkring sprøjtningen af de enkelte spor.

Figur 3.9. Sammenligning af målinger og beregninger med afdriftmodellen på lineær og logaritmisk skala. Alle dråbestørrelser indgår i modelberegningen. ’Ekstra’ refererer til ekstraforsøg på de 3 sidste forsøgsdage, hvor der blev sprøjtet 10 gange i 24-28 m afstand fra målere (3. spor). Regressions-linierne er for curlere. Linien for funktionel regression går gennem tyngdepunktet og har hældning varians(model)/varians(måling). Enheden er µg natriumfluorescein /curler. Alle data er normeret til tankkoncentration på 1,63 g/l og en udsprøjtning af 200 l/ha.

Det skal bemærkes, at spredningen på alle typer af målinger ligger omkring 60 %. For målinger, der viser lavt indhold af stof, dvs. lave afdriftsværdier, beregner modellen større afdrift. Det kan skyldes, at de lave værdier er knyttet til større afstande fra sprøjtesporet og dermed situationer med længere tid til fordampning af dråber, som når at blive så små, at de ikke afsættes på curlerne, hvilket understøttes af nedenstående.

Figur 3.10 viser forholdet mellem den gennemsnitlige mængde af fluorescein, der blev opsamlet på sugefiltrene og curlerne i 2 m højde i hegnet, fordelt på de fem sprøjtespor. Resultaterne fra sugefiltrene er omregnet, således at de svarer til curlernes projicerede areal og den vindhastighed, som curlerne i gennemsnit er eksponeret ved. Alle målingerne er behæftet med stor variation, men det ses, at forholdet øges markant efter andet spor. Chemvol-partikelopsamlingerne tyder på, at mængden af stof mellem 10 og 20-25 µm er lille, uanset sprøjtespor (Figur 2.9), og det må formodes, at sugefiltrene derfor hovedsagelig repræsenterer stof med en størrelse under 10 µm. Da sugefiltrene viser betydeligt højere værdier end curlerne ved de fjernere liggende sprøjtespor, kunne dette bekræfte, at curlerne ikke opsamler dråber/partikler af så lille størrelse, idet der vil være relativt flest små dråber i stor afstand, hvor der er mest tid til fordampning. En sammenligning af vindhastighederne under spredningsforsøgene for de enkelte spor viser således også, at de laveste hastigheder for et givent spor korrelerer med de største forholdstal, altså svagere vind giver mere tid til at danne små dråber.

Dette støttes af sammenligningen i Figur 3.11, hvor målingerne er sammenlignet med modelberegninger for dråber større end 20 µm. Her er der god overensstemmelse mellem modelberegnet afdrift og afsætning på curlere. Dette indikerer, at emissionen/den initielle afdrift af små dråber underestimeres i modellen. Da den senere vurdering af effekter fra afdrift bygger på den empiriske relation mellem afsætning på curlere og blade, har vi derfor valgt hovedsagelig at modellere scenarier for afdrift af stof fra dråber større end 20 µm.

Figur 3.10. Forholdet mellem den fluorescein der blev opsamlet på sugefiltrene og curlerne i 2m højde i hegnet, fordelt efter sprøjtespor. Hvert sprøjtespor var 12 m bredt. Resultaterne fra sugefiltrene er omregnet, således at de tilsvarer curlernes projicerede areal og den vindhastighed, som curlerne i gennemsnit er eksponeret ved. Filterværdierne er gennemsnit af fire målinger, mens curlerværdierne er gennemsnit af ti. Alle opsamlingerne er behæftet med stor variation, og det er forholdstallet derfor også.

På trods af at vi ikke kunne fremskaffe data for den initielle dråbestørrelsesfordeling for den anvendte dyse og i stedet har anvendt tilsvarende data for dysen XR 11002, er der temmelig god overensstemmelse mellem den målte og den modellerede dråbestørrelsesfordeling i hegnet for alle sprøjtespor undtagen det nærmest hegnet (Figur 3.12). Årsagen til, at der er målt en større andel små dråber i spor 1, end modellen forudsiger, skal formentlig findes i det faktum, at der den 19. maj fejlagtigt blev sprøjtet med 5,5 atm dysetryk, mens modellen har regnet på 4,1 atm tryk. Der var ikke tilgængelige data for højere tryk, idet man normalt ikke vil sprøjte med et tryk højere end ca. 4 atm i denne type dyser.

Figur 3.11. Sammenligning af målinger og beregninger med afdriftmodellen på lineær og logaritmisk skala. Kun dråber større end 20 µm indgår i modelberegningen. (Se også tekst til Figur 3.9.)

Figur 3.12. Målte og modellerede dråbestørrelsesfordelinger i ½ m højde i hegnet ved sprøjtning i forskellig afstand fra hegnet den 19. maj.

3.7 Beregningseksempler på afdrift til hegn

Ved vurdering af afsætningen af sprøjtemiddel i læhegn i forhold til påvirkningen på bærsætningen har forskellige parametre betydning. Idet bærsætningen relaterer sig til bestemte højder i læhegnene, får denne parameter betydning. Sprøjtetågen udsendes i lav højde (i nærværende forsøg 0,5 m), og dens videre forløb afhænger af de meteorologiske forhold, både med hensyn til dråbernes størrelse og dermed deposition til marken inden læhegnet og selve spredningen med turbulensen. Spredningen tager tid (sekunder), og det betyder, at der er en betydelig variation over højden, når man er tæt på kilden (sprøjten). Jo længere væk kilden er, jo mere vil tågen fordele sig over højden. I forhold til læhegnet betyder det, at sprøjtesporet tæt på hegnet har størst indflydelse i lavere højder, mens sprøjtespor længere væk i højere og højere grad vil påvirke læhegnet over hele højden, men samtidig vil mængden af stof reduceres, både pga. fortynding og fordi mere stof kan nå at afsættes til marken.

Som nævnt i introduktionen til dette kapitel, vil en dråbe, der forlader en dyse på en sprøjtebom, straks begynde at fordampe, men graden af fordampning er afhængig af dråbens størrelse. Store dråber vil umiddelbart falde til jorden uden nævneværdig ændring af størrelse. Er dråben mindre, øges sandsynligheden for, at dråben ’fanges’ af turbulente hvirvler i luften. Dette øger dråbens opholdstid i luften betydeligt, og den kan dermed transporteres længere. Dråbernes fordampning er afhængig af luftens relative fugtighed og temperatur samt transport med turbulensen, der har en afhængighed til vindhastigheden. Meteorologiske forhold har derfor en indflydelse på sprøjtetågens ”levetid” og spredning. Selve dysen og det tryk, der sprøjtes med, har indflydelse på fordelingen af dråbestørrelserne, og dette får således også en indflydelse på sprøjtetågens videre forløb i forhold til deposition i marken samt fordampning.

3.7.1 Valg af parametre for dyser og meteorologi til modelberegninger

For at kunne belyse betydningen af meteorologiske forhold, sprøjtefrie randzoner og valg af sprøjteudstyr/-indstillinger har vi valgt et sæt af parametre til brug for modelberegningerne. Disse parametre er beskrevet nedenfor.

3.7.1.1 Valg af dyser og dysetryk

Betydningen af dyser er illustreret med scenarieberegninger for 2 typer af dyser: XR11002 og AI11004 ved 3,1 atm. tryk og udsprøjtning af 300 l/ha samt XR11002 ved 1,0 atm. tryk og 300 l/ha. De initielle dråbestørrelsesfordelingerne for de tre situationer fremgår af Figur. 3.13, hvor fordelingen er taget fra data i Klein & Golus (2004).

Figur 3.13. De anvendte dråbestørrelsesfordelinger ved modelberegninger for de 3 scenarier (dysetyper og –tryk). Fordelingen er taget efter data i Klein & Golus (2004).

3.7.1.2 Valg af meteorologiske betingelser

Der er i princippet uendelig mange forskellige meteorologiske scenarier, for hvilke der kunne foretages beregninger. Vi har her valgt at beregne for tre typiske situationer, som forekommer i løbet af en sommer-/sprøjtesæson. I Figur 3.14 er vist den gennemsnitlige døgnvariation af 3 meteorologiske parametre, som er vigtige for graden af afdrift, nemlig luftfugtighed, vindhastighed og temperatur. Data er beregnet som gennemsnit for de 4 måneder maj til august for en lokalitet ved Ringsted i 2005. Forløbet og niveauerne af parametrene er som forventet. Der er foretaget beregninger for 3 klokkeslæt (kl. 6, 11 og 16) inden for den del af døgnet, hvor der kan forventes at blive sprøjtet. Kl. 6 repræsenterer forhold med forventet mindst afdrift, kl. 16 forventes størst afdrift, og kl. 11 repræsenterer gennemsnitlige forhold for dagtimerne. Centrale meteorologiske parametre er vist i Tabel 3.2. Den aerodynamiske ruhed er 0,1 m.

Figur 3.14. Meteorologiske parametres gennemsnitlige variation over en sommerdag. Forholdene kl. 6, 11 og 16 er anvendt ved scenarieberegninger.

Tabel 3.2. Centrale meteorologiske parametre brugt i scenarieberegningerne.

w_* beskriver størrelsen af den termiske genererede turbulens.

3.7.1.3 Parametre for højde af hegn, antal sprøjtespor og bredde af sprøjtefri zone

Der er beregnet afdrift til hegnet op til en højde på 8 m. Vi har valgt at beregne afdrift med bidrag fra op til 10 sprøjtespor. Da sprøjtebommen er 12 m lang, vil det sige, at der regnes på en sprøjtet arealbredde på op til 120 m. Der er lavet beregninger med en sprøjtefri zone op til 36 m.

3.7.2 Modelresultater for forskellige dysetyper, sprøjtetidspunkter, doseringer og bredder af sprøjtefrie bufferzoner

I det følgende gives nogle udvalgte eksempler på beregning af afdrift til læhegn. Eksemplerne belyser betydningen af forskellige dysetyper og dysetryk, meteorologiske forhold, antallet af sprøjtespor, afstand til sprøjten set som en sprøjtefri zone/bufferzone og højden over jorden.

Det er ikke afsætningen i hegnet, men den modellerede afdrift, der vises. Som tidligere nævnt stemmer den beregnede afdrift af dråber større end 20 µm godt overens med afsætningen på curlere. Omregning til afsætning på blade i tjørnehegn kan foretages efterfølgende med den empiriske relation, der er fundet mellem curler og blade (se kapitel 2).

3.7.2.1 Betydning af dyser og dysetryk

Figur 3.15 viser den beregnede afdrift af sprøjtemiddel som funktion af højden i hegnet med dyserne XR 11002 og AI11004 ved et dysetryk på 3,1 atm. For XR 11002 er der også udført beregninger ved et dysetryk på 1 atm, hvilket i praksis vil kræve flere dyser på sprøjtebommen, idet den normale 60 graders spredningsvinkel ved 3 atm vil mindskes ved det lavere tryk. Afdriften er modelleret i forskellige højder umiddelbart op ad en sprøjtet mark (ingen bufferzone), og der er medtaget afdrift fra de 10 nærmeste spor. Det er meget tydeligt, at dysen XR 11002 ved 3,1 atm, som er den med de mindste dråber (jf. Figur 3.13), giver den største afdrift. Hvor andet ikke er anført, er der anvendt meteorologidata for kl. 11 fra Tabel 3.2 samt bidrag fra 10 sprøjtespor (120 m).

Figur 3.15. Modelleret afdrift af dråber > 20 µm til en vertikal flade for tre forskellige dysetyper/-tryk som funktion af højde i hegnet. Uden bufferzone, sprøjtning kl. 11. Bidrag fra 10 spor (120 m).

3.7.2.2 Betydning af sprøjtetidspunkt

Figur 3.16 illustrerer den modelberegnede afdrift af stof med en dråbestørrelse større end 20 µm i forhold til højden, og der er beregnet afdrift for de tre ovennævnte meteorologiske situationer (karakteriseret gennem tidspunktet på dagen).

Sammenholdes afdriften kl. 6 med afdriften kl. 11 og kl. 16, ses, at afdriften af stof er markant mindre tidligt om morgenen. Kl. 16-scenariet viser lidt højere værdier end kl. 11. Den markante forskel mellem den tidlige morgensprøjtning og sprøjtningen senere på dagen relaterer sig til dråbernes afhængighed af relativ luftfugtighed (og temperatur) samt vindhastigheden. Kl. 6-scenariet har høj luftfugtighed, lav temperatur og lav vindhastighed. Det betyder, at dråberne fordamper ”langsommere” og dermed i højere grad vil afsættes på marken, og da vindhastigheden er lav, mindskes transporten også. Selve mønstret i afdriften med højden ændres ikke markant i forhold til tid på dagen. Af Figur 3.16 ses også, at effekten af sprøjtetidspunkt er den samme i alle højder i hegnet.

Figur 3.16. Modelleret effekt af sprøjtetidspunkt på herbicidafdrift af dråber større end 20 µm i forskellige højder i læhegn. Bidrag fra 10 spor (120 m).

For at afdække betydningen af de meteorologiske forhold, der er forskellige ved de forskellige sprøjtetidspunkter, gennemgås effekten af vindhastighed, luftfugtighed og temperatur i det følgende.

Betydningen af vindhastighed

I Figur 3.17 er vist beregninger af afdriften som funktion af vindhastigheden i 4 m højde. Effekten af vindhastigheden er isoleret ved dels at anvende 100 % fugtighed, således at dråberne beholder deres initielle størrelse, og dels at antage at den initielle afdrift er konstant og uafhængig af vindhastigheden. Det ses, at en øget hastighed øger afdriften. Det skyldes, at i en given afstand vil en større vindhastighed betyde kortere tid til, at dråberne kan deponere. Den relative ændring med højden er næsten ens ved de forskellige vindhastigheder.

Figur 3.17. Modelleret effekt af vindhastighed i 4 m højde på herbicidafdrift af dråber i forskellige højder i læhegn. Den initielle afdrift er her antaget konstant og uafhængig af vindhastigheden. Meteorologi: rel. fugtighed 100 %, 15° C, varmefluks 100 W/m² og vindhastighed 2, 4 og 6 m/s. Bidrag fra 10 spor (120 m).

Betydningen af luftfugtighed

I Figur 3.18 ses afdriften som funktion af luftens relative fugtighed, når andre parametre holdes konstante. Den samlede afdrift for alle dråbestørrelser (øverst) stiger med faldende fugtighed, hvilket skyldes, at ved lav fugtighed fordamper dråberne hurtigere og bliver mindre, således at depositionshastigheden til jorden også bliver mindre, hvorved en større andel af dråberne bliver ’hængende’ i luften.

Ses kun på dråber større end 20 µm, forholder sagen sig modsat (midten). Afdriften aftager med faldende fugtighed. Det skyldes, at en stor del af dråberne fordamper til en diameter under 20 µm og således ikke indgår i opgørelsen. Denne effekt er altså mere betydende, end at depositionshastigheden til jorden mindskes. Dråber mindre end 20 µm (nederst) dominerer således det samlede billede mht. effekten af fugtighed.

Figur 3.18. Modelleret effekt af luftfugtighed på herbicidafdrift af dråber i forskellige højder i læhegn for alle dråbestørrelser (øverst) og for diametre større end 20 µm (midten) og diametre mindre end 20 µm (nederst). Bidrag fra 10 spor (120 m).

Betydningen af temperatur

Betydningen af luftens temperatur på afdriften af sprøjtemiddel ses i Figur 3.19. Effekten af en stigende temperatur er, at afdriften stiger. Stigende temperatur virker i samme retning som en faldende luftfugtighed; dog er effekten betydeligt mindre. Opdeles afdriften mellem dråbediametre større og mindre end 20 µm (ikke vist), ses - som for fugtigheden – den modsatte effekt for dråbediametre større end 20 µm, dvs. afdriften aftager med stigende temperatur. Forklaringen er den samme som for fugtigheden.

Figur 3.19. Modelleret effekt af lufttemperatur på herbicidafdrift i forskellige højder i læhegn. Alle dråbestørrelser indgår. Bidrag fra 10 spor (120 m).

3.7.2.3 Betydningen af koncentration i sprøjteblandingen

Der er beregnet afdrift for sprøjtninger, hvor koncentrationen i sprøjteblandingen er reduceret, uden at dyseoutputtet er ændret. I alle tilfælde er afdriften direkte proportional med sprøjtekoncentrationen. Således giver den halve koncentration den halve afdrift. Det er kun på 4. betydende ciffer, at der ikke er proportionalitet. Grunden til denne linearitet er, at dråbernes fordampningshastighed først influeres af sprøjtekoncentrationen, når dråberne bliver ekstremt små og nærmer sig deres mindste ligevægtsstørrelse, hvor deres faldhastighed ikke længere har betydning for deres depositionshastighed.

3.7.2.4 Betydning af antal sprøjtespor

Betydningen af antallet af sprøjtespor, som bidrager til afdriften, skal ses i forhold til højden i hegnet. Således ses af Figur 3.20 (uden sprøjtefri zone), at en eksponering i 0,5 m højde hovedsagligt vil bestå af bidrag fra første sprøjtespor (1 spor), hvorefter bidraget fra første sprøjtespor aftager med højden.

Figur 3.20. Modelleret effekt af den medregnede sprøjtezone (antal sprøjtspor) på herbicidafdrift af dråber større end 20 µm i forskellige højder i læhegn.

Højere oppe i hegnet vil der være en eksponering, der hidrører fra sprøjtespor, der ligger længere væk. Vurderes afdriften af sprøjtetågen i højden, er det således afgørende, at der medtages fjernereliggende sprøjtespor, da disse har stigende indflydelse med stigende højde. En udeladelse af fjernereliggende sprøjtespor vil give en betydelig undervurdering af eksponeringen.

3.7.2.5 Betydning af sprøjtefri bufferzoner

I Figur 3.21 vises eksempler på, hvordan afdriften til hegnet afhænger af bredden af den sprøjtefrie zone. I den nederste del af hegnet aftager dosis forholdsvis hurtigt. I større højder kræver det en bredere zone, for at afdriften reduceres. I fx 4 m højde er afdriften omtrent konstant med bredden de første 12 m, hvilket skyldes, at bidraget fra første sprøjtespor ikke kan nå at blandes op til højden på den korte afstand, og det er således de fjernere spor, som bidrager til afdriften her. I 8 m højde er der stort set ingen effekt af sprøjtefrie bufferzoner (Figur 3.21).

Fordelingen af sprøjtemiddel over højden i hegnet er mest varierende, når der ikke er en bufferzone. Tæt på sprøjtesporet optræder de største doser i den laveste højde. Jo bredere den sprøjtefri zone er, jo mere jævnt eksponeres hegnet over højden. Bredden af en eventuel sprøjtezone har indflydelse på den absolutte mængde, der afsættes. I takt med en øget bufferzone, øges fortyndingen, og samtidig får depositionen til marken større indvirkning, hvorved de største doser i profilerne optræder i større og større højder.

Figur 3.21. Modelleret effekt af sprøjtefrie bufferzoner på herbicidafdrift af dråber større end 20 µm i forskellige højder i læhegn.

Den beregnede afdrift i 4 m højde svarer til ca. 10 % af den udsprøjtede mængde metsulfuron (4 g/ha), mens den i ½ m højde er ca. 30 %, når der ikke er nogen usprøjtet bufferzone. Med en bufferzone på 6 m er afdriften i 4 m højde stadig ca. 10 % af det udsprøjtede, mens afdriften i ½ m højde falder til ca. 12 %.

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

Version 1.0 September 2008, © Miljøstyrelsen.