HYDROLOGI

Generelt og i Danmark

Torben O. Sonnenborg

Hydrologisk Afdeling

Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser

(GEUS)

GEUS – De nationale geologiske

undersøgelser for Danmark og Grønland

• Forskningsinstitution under Klima- og Energi-

ministeriet

• Ca. 300 medarbejdere

ENERGI

• Geologi (kontinentals.)

• Mineraler (guld, mm)

• Energi (olie, gas)

VAND

• Hydrologi

• Grundvandskortlægning

• Geokemi

Disposition

• Vandets kredsløb

– Nedbør

– Fordampning

• Nettonedbør

• Overfladevandsafstrømning

• Grundvandsdannelse

• Strømningsveje og transporttider

Det hydrologiske kredsløb

Nedbør

Vandets kredsløb - Nedbør

• Nedbør

– Måling af nedbør

Vandets kredsløb - Nedbør

• Korrektion af nedbør

Shelter Class Angle to horizon (α) Shelter description

A 19 < α 30 Well

B 5 < α 19 Moderately

C 0 < α 5 Unsheltered

D α > 30 Overprotected

Vandets kredsløb - Nedbør

• Korrektion af nedbør (%)

Shelter

Class J F M A M J J A S O N D Y

A 29 30 26 19 11 9 8 8 9 10 17 26 16

B 41 42 35 24 13 11 10 10 11 14 23 37 21

C 53 53 45 29 12 13 12 12 13 17 29 48 27

P k) + (1 = P mc

• De fleste målere er kategori B

• Problemer med vandbalancen!

Vandets kredsløb - Nedbør

• Geografisk fordeling

Observeret nedbør Korrigeret nedbør

Nedbør - mekanismer

Vigtigste betingelse: Afkøling af luftmasse

1. Front-systemer

2. Konvektion

3. Orografisk

Vandets kredsløb - Nedbør

• Årsager til geografisk fordeling

Korrigeret nedbør

Vandets kredsløb - Nedbør

• Sæsonmæssig fordeling

Nedbør

0

20

40

60

80

100

120

140

J F M A M J J A S O N D

Måned

mm

/mån

ed

Vestjylland

Sjælland

Fordampning

Fordampning

• Hvad er fordampning?

• Evaporation

• Transpiration

• Evapotranspiration

• Hvad styrer fordampningen?– Gradient i vanddampindhold

– Energitilførsel (sol)

– Transportmekanisme (vind)

• Damptryk, e:

Mættet damptrykskurve

0

20

40

60

80

0 10 20 30 40

Temperatur (C)

Van

dd

am

ptr

yk (

hP

a)

Fordampning

• Hvordan bestemmes fordampning?

• Måles ikke direkte

• Beregnes:

1. Referencefordampning, ET0Fordampning fra areal med 15 cm højt græs,

som er velforsynet med vand

2. Potentiel fordampning, ETpFordampning fra areal med bestemt afgrøde,

som er velforsynet med vand

3. Aktuel fordampning, ETaFordampning fra areal med bestemt afgrøde,

under de aktuelle vækstbetingelser

Fordampning - Referencefordampning

• Makkink:

2

2

034.01

273

900408.0

u

eeuT

GRET

e

asne

g

e

eobs

RET 7.0,0

• Penman:

Mættet damptrykskurve

0

20

40

60

80

0 10 20 30 40

Temperatur (C)

Van

dd

am

ptr

yk (

hP

a)

Fordampning - referencefordampning

Makkink Penman

Vandets kredsløb - Fordampning

• Referencefordampning: Sæsonvariationer

Reference fordampning

0

20

40

60

80

100

120

J F M A M J J A S O N D

Måned

mm

/mån

ed

Vestjylland

Sjælland

Fordampning – Potentiel fordampning

• Potentiel fordampning (ETp)

– Afgrødekoefficient

cp KETET 0

Vegetationstype Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec

Jord 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1 1,0-1,1

Vårafgrøder 1,0 1,0-1,05 1,05-1,15 1,05-1,15 1,0

Vinterafgrøder 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,05 1,0-1,15 1,0-1,15 1,0-1,15 1,0

Skov 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2

Vådområder 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Fordampning – Aktuel fordampning

• Afhængig af vandindhold i rodzonen

Vandindhold mk

1.0

0

ETa/ETp

vp

50% af tilgængeligt vandindhold

)(fETET pa

• Eksempel på f( ):

Nettonedbør

Vandets kredsløb - Nettonedbør

• Definition:

– Nedbør – aktuel fordampning

– Mængden af vand der er til rådighed for

grundvand og overfladevand

• Kvantificering i praksis

Nettonedbør

• Min. nettonedbør (Nedbør – Ref.evap.)

Datatype 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Middel

Nedbør (korrigeret) 985 785 853 912 1072 801 599 750 1036 1105 947 895

Referencefordamp. 581 556 617 551 598 620 568 627 536 598 554 582

Forskel 404 229 236 361 475 181 31 123 500 507 393 313

Alle tal i mm/år

Nettonedbør

• Baseret på

vandløbs-

afstrømning

Nettonedbør

Beregning:

1. Vandbalance

2. Vandstrømningsbeskrivelse

Nettonedbør – vandbalance metode

• Konceptuel model Nedbør

Infiltration Jord evaporation

Rodzone Transpiration

Perkolation

Grundvandsdannelse

Grundvandsspejl

Evapotranspiration

Umættet og mættet zone

Vandindhold

Volumen relationer

– Porøsitet:

– Vandindhold:

t

f

V

Vn

t

w

V

V

– Eksempel 1:

• 2 m3 vandmættet jord

• n = 0.25

• Hvor meget vand?

– Eksempel 2:

• 1 m3 umættet jord

• n = 0.30; = 0.10

• Hvor meget vand?

Nettonedbør – vandbalance metode

• Rodzonen opfattes som ét system

Jordoverflade

N

NN

1. 2 = 1 + N

2. ETa( 2) findes

3. 3 = 2 - ETa( 2)

4. NN = 3 - MK

Parametre:• Rodzonekapacitet

Tidsskridt:• Daglig

Bund af rodzonen

Beregning af nettonedbør

• Beregning af vandstrømning (f.eks. Daisy)

N

Grundvandsspejl

Jordoverflade

),),(( az ETIKfq

Parametre:• Hydraulisk ledningsevne

• Retentionskurve

ETa

Tidsskridt:• Minutter - timer

Nettonedbør i Danmark

Vandets kredsløb - Nettonedbør

• Sæsonvariation

Nettonedbør

-20

0

20

40

60

80

100

120

J F M A M J J A S O N D

Måned

mm

/mån

ed

Vestjylland

Sjælland

Afstrømningsfordeling

Fordeling af nettonedbør

Grundvandsdannelse

Nettonedbør

Terræn

Dræn

Grundvandsstand

Overfladeafstrømning

• Svært at kvantificere umiddelbart

• Afstrømning på jordoverfladen

– Grundvandsstand = terræn

– Nedbørsintensitet > infiltrationskapacitet

– Befæstede arealer; Lerjorde (stor hældning)

– Jordbund frossen + regnhændelse

Fordeling af nettonedbør

• Opsplitning af vandløbshydrograf

TidVandlø

bsafs

trø

mnin

g Overfladevand + Interflow + Baseflow

Interflow + Baseflow

Baseflow

Nedbørshændelse

Afstrømningskomponenter

• Modelresultater fra Skjern Å systemet

Omme Å

0

2

4

6

8

10

12

14

16

J F M A M J J A S O N D

Måned

m3/s

Total

Baseflow

Dræn

Overflade

Grundvandsdannelse

(dybe systemer)

mm/år

Vandbalance for Danmark

Vandbalance for Danmark

Vandbalance for Danmark - Sjælland

Kote (m)

Hav

Sand og opsprækket ler

Ler

Sandet ler

Sand

Kalk

Kote (m)

Hav

Sand og opsprækket ler

Ler

Sandet ler

Sand

Kalk

Vandbalance for Danmark - Vestjylland

Overfladenær

afstrømning

og drænafstrømning

til vandløb

Grundvands-

afstrømning

til vandløb

Vandbalance for JSV

196

289

HavKvartssandSmeltevandssandGlimmersandMorænelerGlimmerler

Transporttider

Transporttider og -hastigheder

• Hurtigst: Overfladevandsafstrømning

– Timer til dage

• Middel: Drænafstrømning

– Dage

• Langsom: Grundvandsafstrømning

– År

Transporttid og –hastighed:

Umættet zone

Fluks og porevandshastighed:

– Fluks: NNqq

v

– Eksempel 1:

• Vandmættet jordsøjle

• NN = 500 mm/år

• n = 0.25

• Hvor hurtigt strømmer

vandet?

– Eksempel 2:

• Umættet jordsøjle

• NN = 500 mm/år

• n = 0.30

• = 0.10

• Hvor hurtigt strømmer

vandet?

Hastighed:

Strømningshastigheder i grundvandet

• Fluksen er styret af Darcy’s lov:

hIKL

hK

dx

dhKq

hvor K er hydraulisk ledningsevne, h er det

hydrauliske trykniveau, L er afstanden og Ih er

gradienten på trykniveauet (grundvandsspejlet)

• Hydraulisk trykniveau:

– Vandstandens højde over middel havniveau

Strømningshastigheder i grundvandet

• Hastigheden er givet ved:

n

qv

hvor n er porøsiteten (0,1 – 0,4)

Øvelse: Transporttid til vandløb

• Hvad er transporttiden fra punktet til

vandløbet?

30 m

25 mK = 10 m/dag

n = 0,25

Målepunkt

Vandløb

Vertikalt profil

2 m

1. Årlig gennemsnitsbetragtninger

2. Transporttid gennem umættet zone

(vandindhold: 0.1; Nettonedbør: 500 mm/år)

3. Transporttid gennem grundvandszone

1 km

Jordoverflade