|
Etablering af pileanlæg - Baggrundsrapport 5 VandbalancePileanlægs evne til at fordampe vand indgår som en vigtig faktor i dimensioneringen af anlæggene. For lukkede anlæg (anlæg med membran) skal anlæggene på årsbasis være i stand til at fordampe både den mængde regn, der falder i anlægget, og det spildevand der tilledes anlægget.
Derudover er årstidsvariation i fordampning og i nedbør vigtig for at bestemme det nødvendige bassinvolumen til opmagasinering af vand i vinterperioden.
Figur 5.1. 5.1 FordampningFordampning beskriver den proces, der foregår, når vand omsættes fra væskeform til dampform. I pileanlæg fordamper vand fra anlægget ved tre processer: (i) vand fordamper direkte fra jordoverfladen ved en proces, der kaldes evaporation ; (ii) vand fordamper fra planternes grønne dele ved en proces, der kaldes transpiration; og (iii) endelig sker der en fordampning af regn, der fanges på blade og grene, ved en proces der kaldes interception af nedbør. Den samlede fordampning fra et anlæg er summen af de tre og benævnes total evaporation (total fordampning) eller evapotranspiration. 5.1.1 EvaporationBegrebet evaporation anvendes til at beskrive den proces, hvorved vand omdannes til vanddamp og føres bort i atmosfæren. Evaporation er en proces, der kræver tilførsel af energi (vands fordampningsvarme, l = 2,45 MJ/kg ved 20° C). Denne energi kommer hovedsageligt fra solen, men også den omgivende luft kan afgive varme (energi) til evaporation og derved selv blive afkølet. Den dannede vanddamp diffunderer bort fra den våde overflade på grund af forskelle i vanddamptryk ved overfladen og i den omgivende luft. Den omgivende luft vil efterhånden blive vandmættet som følge af evaporationen, hvorved processen bliver langsommere og kan gå helt i stå, hvis vanddampen ikke transporteres bort til atmosfæren. Vind er af stor betydning for at udskifte den fugtige luft med tør luft fra omgivelserne og dermed vigtig for størrelsen af evaporationen. Evaporationen påvirkes således af solindstråling, lufttemperatur, luftfugtighed og vindhastighed. Tilgængeligheden af vand ved jordoverfladen og graden af skygge fra planter har også betydning for størrelsen af evaporationen fra jorden. Såfremt de øverste jordlag tørrer ud, falder evaporationen fra jorden kraftigt. Ligeledes vil evaporationen fra jordoverflader, der er dækket af f.eks. nedfaldne blade, blive kraftigt reduceret. 5.1.2 TranspirationTranspiration er betegnelsen for vandtabet til atmosfæren fra levende planter. Planter mister især vand til atmosfæren gennem bladenes spalteåbninger (stomata), men der kan også mistes vand ved fordampning gennem planternes overflade. Omdannelsen af vand fra væskeform til dampform sker inde i hulrummene i planternes blade, og herfra diffunderer vanddamp gennem spalteåbningerne til den omgivende luft. Planter kan regulere tabet af vanddamp ved at åbne og lukke spalteåbningerne. Dette sker ofte, hvis planterne lider af vandmangel. Transpiration kræver - ligesom evaporation fra jord - tilførsel af energi. Transpirationen påvirkes af solindstråling, lufttemperatur, luftfugtighed og vindhastighed. Endvidere kan vandtilgængeligheden i jorden samt faktorer som salinitet og plantetype have betydning for transpirationen. 5.1.3 InterceptionTabet af vand ved interception kan defineres som forskellen mellem den totale mængde nedbør, der falder på bevoksningen, og den mængde nedbør der passerer plantens øvre dele og når jordoverfladen. For træer og skove kan tabet af vand ved interception være af betydeligt omfang (typisk 20-40% af nedbøren). Fordampningen fra en træbevoksning, der har stor interception af nedbør, er derfor betydeligt større end fordampningen fra en urte- eller afgrødebevoksning. Der er to hovedårsager til det øgede vandtab. For det første udgør træer en meget ru overflade for vind, hvilket bevirker, at der er større grad af turbulent flow i luften i trækronen sammenlignet med i luften over en urteafgrøde. Dette bevirker, at transporten af vanddamp væk fra bladene til den omkringliggende luft bliver en størrelsesorden mere effektiv. For det andet vil der ved interceptionen dannes en vandfilm på plantens overflade, hvorfra vand let kan fordampe uden at skulle passere en spalteåbning. Tabet af vand ved interception er hovedsageligt afhængigt af strukturen af trækronen, der bestemmer, hvor meget vand der kan bindes til overfladerne samt nedbørsmængde og nedbørens fordeling i tid. Ved korte, intensive regnskyl er mængden af vand, der kan bindes til planternes overflade af stor betydning for vandtabet. Ved mere langvarige og lavintensive regnhændelser er raten, hvormed vandet kan fordampe fra planteoverfladen vigtig for tabet, idet der under disse regnhændelsen kan ske en stor fordampning til atmosfæren. Det skyldes, at det turbulente flow i luften sikrer en effektiv bortførsel af vanddampen - selv under regn. 5.1.4 Total evaporationEvaporation og transpiration foregår simultant, og der er ingen let måde at adskille de to processer på. Evaporation dominerer på bar og sparsomt bevokset jord, men når vegetationen dækker hele jordoverfladen, og der ikke trænger solindstråling ned på jordoverfladen, bliver evaporationen fra jordoverfladen minimal. Evaporation sker også fra overfladen af våde planter under og efter regn. I det totale vandbudget for en bevoksning er det imidlertid ikke afgørende, om vandtabet skyldes evaporation eller transpiration. Derfor anvendes ofte betegnelsen total evaporation, der er summen af evaporation fra jord og våde planteoverflader og transpiration. Begrebet "evapotranspiration" anvendes ofte som en betegnelse for den mængde vand, der tabes ved fordampning, men betegnelsen total evaporation er mere korrekt, idet vand, der transpireres af planterne, også evaporeres, blot i planternes indre. I landbrugs-sammenhæng anvendes begrebet fordampning ofte synonymt med total evaporation og evapotranspiration, hvilket vi også vil gøre i denne rapport. Fordampning angives normalt i mm per tid. Raten angiver mængden af vand tabt fra en overflade målt i vanddybde (på tilsvarende måde som nedbør). Vanddybder kan imidlertid også udtrykkes i energienheder per overfladeenhed. Energien refererer til den mængde energi (eller varme), der kræves for at overføre vand fra væskeform til vanddamp. Vands fordampningsvarme (l ) er 2,45 MJ/kg, dvs. der kræves 2,45 MJ for at fordampe 1 kg eller 0,001 m3 vand. Der kræves således en energitilførsel på 2,45 MJ per m2 for at fordampe 0,001 m eller 1 mm vand, og derfor er 1 mm vand ekvivalent med 2,45 MJ/m2. 5.1.5 Potentiel evaporation (=potentiel fordampning)Begrebet potentiel evaporation blev først defineret af Penman /1/ som fordampningen fra en fri vandoverflade, men der er generelt nogen forvirring omkring begrebet, idet det ofte bruges til at beskrive den maksimale fordampning fra forskellige typer af bevoksninger og afgrøder. Potentiel evaporation eller potentiel evapotranspiration er dog en meget brugbar parameter, der beskriver en øvre grænse for, hvor stor den totale fordampning kan være i et givet miljø. De vigtigste parametre, der bestemmer den potentielle fordampning, er sol-indstråling, lufttemperatur, fugtighed og vindhastighed. Fordampningen af vand kræver energi, der kan tilføres enten som stråleenergi eller varmeenergi. Derfor er fordampningens størrelse begrænset af, hvor meget energi der tilføres bevoksningen. Den potentielle fordampning kan beregnes ud fra kendskab til energi input, idet den mængde energi, der tilføres, skal modsvare den energi, der forbruges i en bevoksning. Der er i tidens løb udviklet mange forskellige mere eller mindre raffinerede metoder til bestemmelse af den potentielle fordampning baseret på dette princip om konservering af energi. Danmarks Meteorologiske Institut anvender i deres Klimagrid Danmark en modificeret Penman formel /2/ , hvori indgår registreret globalstråling, temperatur, relativ fugtighed og vindhastighed samt nogle empirisk bestemte konstanter. Den potentielle fordampning estimeret med denne metode repræsenterer den maksimale fordampning fra en klippet græsbevoksning, der ikke på noget tidspunkt lider af vandmangel. Allen et al. /3/ definerer en "reference afgrøde evapotranspiration (ET0)" som den potentielle fordampning fra en ’hypotetisk reference afgrøde med en højde på 12 cm, en overflade modstand på 70 s m-1 og en albedo på 0,23’ (figur 5.2). Reference afgrøden ligner til forveksling en bevoksning af lavt, grønt græs med ensartet højde, i god vækst, af en tæthed, så jordoverfladen skygges fuldstændigt, og med tilstrækkelig vandforsyning. Bevoksningen skal have en stor udstrækning og være ensartet, fordi alle fluxe antages at være én-dimensionale. Modellen tager ikke hensyn til situationer med øget turbulens, f.eks. som følge af større ruhed i bevoksningen (som hos træer).
Figur 5.2. Allen et al. /3/ definerer også en "afgrøde koefficient (Kc)" for at beskrive fordampningen fra forskellige typer af planter i forhold til reference værdien (ET0). Kc er forholdet mellem den aktuelle fordampning og reference afgrøde fordampningen. Kc tager hensyn til effekten af plantetype og aerodynamisk modstand i forhold til reference afgrøden (figur 5.3). Afgrødekoefficienten antager ofte værdier, der er mindre end én (dvs. den aktuelle fordampning er mindre end reference afgrødens), men for visse typer af planter og på særlige tidspunkter af året kan afgrødekoefficienten være betydeligt større end én.
Figur 5.3. 5.1.6 Oase effektOase effekten er et fænomen, der opstår, når en bevoksning med rigeligt vand i jorden omgives af relativt tørre områder, f.eks. en ørken (figur 5.4). Varm og tør luft fra de tørre omgivelser vil passere bevoksningen og afgive varme til fordampning og fraføre vanddamp ved advektion /4-6/.
Figur 5.4. Den såkaldte tøjsnors effekt (figur 5.5 og 5.6) findes hos planter, der vokser på række, og som er væsentligt højere end planterne i omgivelserne (f.eks. læbælter). På grund af vindpåvirkning vil luftudskiftningen – og dermed både tilførsel af energi fra luften og fraførsel af vanddamp – være større end i en ensartet høj bevoksning /3/.
Figur 5.5. Et eksempel på betydningen af tøjsnors effekten for fordampningen ses i figur 5.6. Fordampningen (transpirationen) fra en græsart (Sudan græs) blev målt i to døgn med tre dages mellemrum. Det første døgn (den 23. juli) blev transpirationen målt i en intakt sammenhængende bevoksning. Herefter blev bevoksningen skåret ned, undtagen én kvadratmeter, og transpirationen fra den ikke-nedskårne bevoksning blev målt tre døgn efter den første måling (den 26. juli). Temperatur og solindstråling var næsten ens de to måledøgn, men fordampningen fra planterne var ca. 50% højere, når den omgivende vegetation var skåret ned. Dette skyldes en bedre luftudskiftning omkring planterne; – tøjsnors effekten.
Figur 5.6. 5.1.8 Forhold af betydning for oase og tøjsnors effekterneOase og tøjsnors effekterne er størst for en lille bevoksning, hvor grænsefladen med omgivelser er stor. Fordampningen er størst, hvis planterne står på række (som et læhegn), og hvis rækken står vinkelret på den fremherskende vindretning. Under danske forhold vil det sige, at pileanlæggene skal placeres som smalle bevoksninger i nord-syd retning på vindåbne lokaliteter. Derved maksimeres tilførslen af energi fra vinden. Planternes højde har også stor betydning. Jo højere planterne er, jo større ruhed og dermed mulighed for at absorbere energi fra vinden. Betydningen af bredden af vegetationen for fordampningen – her illustreret ved afgrødekoefficienten - er vist i figur 5.7. Afgrødekoefficienten (Kc), som er forholdet mellem den aktuelle fordampning og den potentielle fordampning, er større jo smallere bevoksningen er. I et 10 meter bredt plantebælte i tørre omgivelser er fordampningen 2,5 gange den potentielle fordampning. Er plantebæltet bredere, aftager effekten. Pileanlæg skal derfor etableres som så smalle bede som muligt for at maksimere fordampningen. Figuren viser også, at fordampningen er størst når anlægget placeres i tørre omgivelser.
Figur 5.7. 5.1.9 Forhold, der maksimerer fordampningUd fra ovenstående gennemgang kan det ses, at en stor fordampning opnås under følgende forhold:
5.2 Fordampning fra pilebevoksningerI de følgende gives en oversigt over undersøgelser, hvor fordampningen fra pil og pilebevoksninger er målt. Der er anvendt forskellig metodik i undersøgelserne, hvorfor de målte værdier ikke kan overføres direkte til forholdene i pileanlæg. Der kan dog uddrages nogle generelle konklusioner fra undersøgelserne, der kan anvendes til vurdering af fordampningen fra pileanlæg. 5.2.1 Fordampning fra pil i lysimeter, Lake Oneida, NY, USA /8/ Fordampningen fra 0,16 m2 (40 x 40 cm) lysimetre med planter blev målt i et område med varmt klima. Planternes krone var væsentligt større i omfang end potterne. Derfor kan fordampningsraterne ikke omregnes til arealbasis (potteeffekt). En art af pil (Salix babylonica) havde højere fordampning (16 mm/døgn) end andre sumpplanter. Generelt var fordampningen fra planterne væsentligt højere (8x) end fordampningen fra en fri vandoverflade og våd jord (2 mm/dag). Der var ikke formindsket fordampning om middagen, dvs. bladenes spalteåbninger blev ikke lukket. De høje fordampningsrater skyldes delvist ’potteeffekten’, dvs. det faktum, at plantens udstrækning går ud over pottens dimensioner. Undersøgelsen viser også, at oase og/eller tøjsnors effekt kan øge fordampningen fra planter betydeligt. 5.2.2 Fordampning fra pil i lysimeter, Arlon, Belgien /9/Forsøg i 1 m2 lysimetre med Salix cinere: Fordampningen fra S. cinere var væsentligt højere end fra de andre undersøgte sumpplanter og 10 gange højere end den potentielle fordampning (>20 mm/dag). Under ekstremt varme og tørre forhold sås delvis lukning af spalteåbninger midt på dagen hos Salix viminalis. Målingerne tyder på, at S. viminalis har god kontrol over spalteåbningerne. 5.2.3 To pilebevoksninger ved Tjele, Danmark /10/ Fordampningen fra to pilebevoksninger blev bestemt ved hjælp af den svenske COUP-model, der er en én-dimensional model udviklet til at beskrive forskellige afgrøders vandbalance. Modellen er baseret på to koblede differentialligninger, der beskriver vand- og varmeflow i en én-dimensional jordprofil. Modellen kræver som input døgn- eller timeværdier af klimatiske data samt parameterværdier, der beskriver vegetationen og jordprofilen. Fordampningen estimeres ved Penman-Monteith ligningen. De undersøgte pilebevoksninger var 12 x 13 m og bestod af to kloner af Salix viminalis, klon 78-112 og 78-183. Pilene blev plantet i 1993 og skåret ned i vinteren 1996-97. Målingerne af vandbalance blev foretaget for perioden 1997-99, dvs. 1. til 3. år efter høst. Den gennemsnitlige årlige fordampning fra de to pilekloner var henholdsvis 530 og 445 mm/år (figur 5.8).
Figur 5.8. Den totale fordampning (evaporation fra jord, transpiration, tab ved interception) fra pilebevoksningerne var høj sammenlignet med den beregnede potentielle reference fordampning fra klippet græs (ET0). Forholdet mellem den aktuelle totale fordampning og reference fordampningen kan tolkes som en afgrødekoefficient, Kc, for pil. Figur 5.9 viser afgrødekoefficienten udregnet måned for måned for de to kloner i de tre undersøgte år. Generelt var fordampningen fra klon 112 større end fordampningen fra klon 183, og den aktuelle fordampning var ofte større end den potentielle fordampning. Afgrødekoefficienten var større end én i stort set hele vækstsæsonen, dvs. pilene fordamper mere vand end den potentielle fordampning. Jørgensen & Schelde /10/ angiver, at der er to hovedårsager til, at den aktuelle fordampning overstiger den potentielle. For det første danner en pilebevoksning en ru overflade sammenlignet med klippet græs, og derfor bliver den aerodynamiske modstand mindre som følge af turbulens i luften. Det betyder, at nedbør, der bindes på overfladen af planterne ved interception, nemt kan fordampe, og på grund af den gode luftudskiftning vil der stadig være energi til at drive transpirationen. For det andet bevirker den store ruhed af en pilebevoksning – sammenlignet med klippet græs – at overflademodstanden er mindre. For klon 112 blev overflademodstanden i perioden maj-august estimeret til at være 35-50 s m-1, hvilket er betydeligt lavere end modstanden for kortklippet græs (70 s m-1). Det resulterede i, at transpirationen alene oversteg den potentielle fordampning betydeligt. For klon 183 blev overflademodstanden estimeret til at være 70-90 s m-1 i perioden maj til august og altså på samme niveau som kortklippet græs. De målte årlige fordampningtal, 445 og 530 mm per år, er dog stadig væsentligt lavere end de 1200-1500 mm per år, der er registreret i pileanlæg. Dette skyldes formodentligt, at fordampningen om sommeren har været begrænset af vandtilgængelighed, og at bevoksningerne ikke har været frit eksponeret, således at tøjsnors effekten har været lille.
Figur 5.9. 5.2.4 To pilebevoksninger i Ultuna, Uppsala (Sverige) /11;12/Fordampning i pilebevoksningerne blev modelleret ud fra klima og jordvandstatus. Fordampningen var større end den potentielle fordampning (op til 31% større i 3 ud af 4 år). Fordampningen var 416-584 mm i perioden maj-oktober. Tab ved interception udgjorde 5-23% af nedbøren. Planterne led af vandmangel i en periode, hvilket har mindsket fordampningen. Målingerne er foretaget i tæt og sammenhængende bevoksning. Derfor var der ikke samme tilførsel af energi ved advektion som i pileanlæg. De målte fordampningsrater var påvirket af perioder med vandmangel. 5.3 Fordampning fra pileanlæg5.3.1 Pileanlægget i Tappernøje, Danmark /13;14/Den totale fordampning fra pileanlægget Marjatta i Tappernøje over en 4 årig periode (1992-1996) angives at være 1310 mm/år baseret på tilledt mængde spildevand og registreret nedbør. Den aktuelle fordampning i 1999 er estimeret til 1370 mm/år. At fordamningen kan blive så stor kan skyldes, at der konstant er rigeligt med vand til pilene, da der konstant er vand i anlægget. Anlæggets udstrækning i forhold til energiskove er desuden så lille, at der er tale om en stor randeffekt, en slags oaseeffekt. 5.3.2 Pileanlæggene i Gesten, Vejle og Hjortshøj /14/Stubsgaard /14/ har undersøgt fordampningen fra 6 pileanlæg, inklusive anlægget i Tappernøje (Marjatta). Det ses at fordampningen fra anlæggene var 1,96–2,93 gange højere end den beregnede potentielle fordampning (figur 5.10).
Figur 5.10. 5.3.3 Fordampning fra 24 pileanlæg Der er indhentet oplysninger fra ejere af danske pileanlæg om spildevands-belastning i anlæggenes totale driftsperiode, og for 24 anlæg er der brugbare data. For fire anlæg er der data for en 4 års periode (1998-2001); for ét anlæg er der data for en 3 års periode (1999-2001), og for de resterende 19 anlæg er der data for ét eller to år (2000-2001). Der er indhentet data for nedbør fra den nærmeste og/eller den mest repræsentative meteorologiske station, og disse er anvendt til at opgøre den samlede vandbelastning af anlæggene i perioden.
Figur 5.11. I de fem anlæg, der har været i drift siden 1997/98, har nedbøren varieret mellem 636 mm/år i 1997 til 1115 mm/år i 1999 (figur 5.11). Den tilledte mængde spildevand har varieret mellem 383 og 658 mm/år. Den samlede tilledte mængde vand var mellem 1110 og 1685 mm/år. Anlæg 5 er ikke omgivet af en høj kant, og der er derfor ikke registreret spildevand på overfladen af anlægget. For de øvrige anlæg var der vand på overfladen om foråret.
Figur 5.12. For de resterende 19 anlæg, der har været i drift i mindst et år, er nedbørsbelastningen gennemsnitlig 758 mm/år, spildevandsbelastningen 485 mm/år og den totale belastning 1249 mm/år (figur 5.12). Ved ca. halvdelen af anlæggene har der været vand på overfladen den første vinter. For et enkelt anlæg blev der pumpet vand væk fra anlægget, og et anlæg blev ikke belastet med spildevand den første vinter i perioden november-marts. 5.4 Vurdering af mulig fordampning fra pileanlægPå baggrund af ovenstående gennemgang vurderes det, at fordampningen fra pileanlæg efter første års vækst kan være op til ca. 1500 mm/år forudsat, at anlæggene er opbygget som lange, smalle anlæg, at de ligger relativt åbent og vindeksponeret i landskabet, at der er en god og sund bestand af pil i anlæggene, og at bevoksningen holdes sund ved årlig høst af en del af anlægget. En fordampning på 1500 mm/år er større end 2½ gange den potentielle fordamp-ning fra velvandet kortklippet græs og svarer til en afgrødekoefficient på > 2,5 (figur 5.13). Fordampningen er væsentligt mindre det første år, hvor pilene er små, og derfor skal der sandsynligvis ske bortpumpning af vand fra anlægget den første vinter.
Figur 5.13. 5.5 AnbefalingerDet anbefales, at der ved dimensionering af pileanlæg tages udgangspunkt i den potentielle fordampning på lokaliteten, hvor pileanlægget skal etableres, og at der anvendes en afgrødekoeefficient på 2,5. Fordampningskapaciteten fra anlægget beregnes derfor som 2,5 gange den potentielle fordampning. Pileanlæg skal anlægges som lange, smalle anlæg og placeres åbent og vindeksponeret i landskabet, helst vinkelret på den fremherskende vindretning (nord-syd) for at maksimere fordampningen. Den første vinter efter etablering skal der muligvis bortpumpes vand for at undgå overløb og modvirke, at pilenes vækst hæmmes pga. for meget vand. 5.6 Referencer
|
