Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)
5. szám - Stekauerová, Vlasta–Sútor, Július: A talaj víznyelő és vízáteresztő képességének mérését helyettesítő módszer
24 § 1 lim v(t) = ~r S) 100 150 time [min] 200 A talaj víznyelő és vízáteresztő képességének mérését helyettesítő módszer Vlasta Stekauerová - Július Sútor Szlovák Tudományos Akadémia Hidrológiai Intézete, Bratislava, Szlovákia Kivonat: Módszert fejlesztettünk ki a víz talajfelszínen keresztüli talajba szivárgása fö jellemzőinek mennyiségi meghatározására. A beszivárgás jellemzői a szivárgás sebessége y = y(t) és a beszivárgott víz mennyisége i = i(t). A kidolgozott módszer a vízbeszivárgás numerikus szimulációjának matematikai modelljén alapszik. A matematikai modellt úgy módosítottuk, hogy különböző talajok víznyelése, vízáteresztése számítható legyen. A módszer a szabadföldi mérést helyettesítheti. A mérési eljárás a duplakeretes módszer, de más módszer is lehet. A beszivárgás-mérések általában idő és munkaigényesek. A y = y(t) és i = i(t) összefüggések használhatók mind a talaj állandósult víznyelése, mind víztelítelítődése megállapítására. E talajjellemzőknek mezőgazdasági és öntözési szempontból van nagy jelentősége. A szimulációs módszert szabadföldi körülmények között érvényesítettük. Kulcsszavak: víznyelés, vízáteresztés (infiltráció), duplakeretes módszer, beszivárgásmérés, matematikai modell. Bevezetés Az 1. ábrán egy-egy tipikus kumulált víznyelési és vízA beszivárgás (infiltráció) a hidrológiában a talaj fel- nyelési sebesség idő függvényt mutatunk be. színen keresztüli vízáteresztést jelenti. Talajtani szempontból az esővíznek a különböző mechanikai összetételű talajokba szivárgása a leginkább érdekes (Gombos, 2007; Sútor and Gombos, 2006). A esővíz azon része, amelyik a talajba szivárog a gyökereken keresztül a növények vízellátását biztosítja, esetleg a talajvizet táplálja és/vagy elpárolog (Tesar et al., 2007; Mészáros and Miklánek, 2006). A talajba nem szivárgó, felszínen maradó esővíz pedig a felszíni elfolyást váltja ki (Holko et al., 2006; Sebín et al„ 2007). Ebből következően a talaj vízbeszivárgása a hidrológiai ciklus központi eleme. A természetben a nem egyensúlyi típusú vízbeszivárgás fordul elő jellemzően. Az egyik ilyen az esőzés utáni az ún. Neuman-féle határfeltétellel leírható, a másik a talajfelszín vízborítását követő ún. Dirichlet-féle határfeltételű. Utóbbi természetes körülmények között ritka, azonban a duplakeretes méréskor megvalósul. A duplakeretes víznyelő, vízáteresztő-képesség mérési módszer két fontos jellemzője - a kumulált beszivárgás i = f(t) és a beszivárgási (víznyelési) sebesség v = f(t), ahol t az idő kapható meg és használható fel a folyamatot leíró matematikai modellben. A modell alkalmazása egyszerűbb, mint a mérés. A két talajjellemző segítségével a talaj víztelítettsége, azaz a felszín vízborítása is számítható. Ezek a talajjellemzők mezőgazdasági szempontból kiemelten fontosak, például az öntözés tervezésben a kiadagolható öntözővízmennyiség és az öntözési intenzitás megállapításában (Velísková, 2006), valamint a klímaváltozással összefüggésben (Farkas et al., 2005; Stehlová, 2007; Mikulec and Stehlová, 2006; Várallyay, 2006, Jolánkai et al., 2007, Tóth et al., 2006). Anyag és módszer A duplakeretes helyszíni víznyelési, vízvezetőképesség-mérési módszer alkalmazásakor a talajfelszínen meghatározott vastagságú vízréteget tartanak fennt t > 0 ideig, mialatt a talaj víztelítetté válik. A beáztatás előtti talajnedvességet tekintjük a talaj kezdeti nedvességtartalmának, amelyet a talaj szelvényre azonosnak veszünk. A beszivárgás (víznyelés) sebességét a belső keret időegység alatti vízszint süllyedéséből állapítjuk meg. A külső keret hidraulikus pufferként működik azáltal, hogy a belső keret alatti oldalirányú vízmozgást kis értékűre csökkenti. A duplakeretes mérés során gyűjtött adatok a kumulált víznyelési érték (i) cm-ben és az idő függvényében i = f(t) és a víznyelési vízáteresztési sebesség (v = di/dt). 1. ábra. A kumulált víznyelés (i) és víznyelési sebesség v ídőfiiggése. K s a telített talaj vízvezető képessége. Bal oldali függőleges tengely felirata: víznyelési sebesség (cm/perc) Jobb oldai függőleges tengely felirata: kumulált víznyelés (cm) Vízszintes tengely: Idő (perc) Az egyirányú függőleges vízbeszivárgás matematikai leírására a Richárd-egyenletet (1) alkalmaztuk homogén és izoterm esetre: (1) w 8t dz . dz y dz ahol: QT/J-vízkapacitás a vízpotenciál függvényében (m"), k(hj - telítettlen vízvezető képesség (m s"), h w-talajvíz-potenciál (m), z - függőleges (felfelé pozitív) koordináta, z = 0 a talajfelszínen (m), és t — az idő (s). A Richárd-egyenlet Crank-Nicholson véges differencia módszerű numerikus megoldását alkalmazta Stekauerová (1995) homogén talajra, később pedig rétegezett talajra. Az utóbbit alkalmaztuk a duplakeretes mérés leírására. A modell bemenő adataiként szükséges talaj-hídrofizikai jellemzőket méréssel határoztuk meg. A száradási víztartóképesség-görbéket nyomáskamrában mértük a talaj szelvény 20 cm-es rétegeire. A víztelített vezetőképességet szintén minden egyes 20 cm-es rétegre a csökkenő víznyomás módszerével határoztuk meg. A mért víztartóképesség-értékeket a van Genuchten-függvény illesztésével alakítottuk folyamatos függvénnyé (van Genuchten, 1980). A határfeltételeket és a kezdeti értékeket a helyszíni mérési körülmények szerint írtuk fel: t=0 z> 0 h w(z)=h m(z)
