Simon Brigitta1 – Anda Angéla2 – Soós Gábor3 – Kucserka Tamás4
Víztestek módosított párolgás mérésének gyakorlati jelentősége Practical importante of modified evaporation estimation
[email protected] Georgikon Kar, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, PhD hallgató 2PE Georgikon Kar, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, egyetemi tanár 3PE Georgikon Kar, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, tanársegéd 4PE Georgikon Kar, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, adjunktus 1PE
Bevezetés és célkitűzések A párolgás a vízkörforgás egyik legjelentősebb kiadási tagja, meglehetősen nehezen meghatározható, így vízgazdálkodási szempontból kiemelkedően fontos annak vizsgálata. Egy tó vagy víztározó párolgásának pontos előrejelzése mind a vízgazdálkodás területén, mind a vízgyűjtő-gazdálkodás szempontjából kiemelkedő fontosságú. A víz párolgása igen jelentős energiaigényű folyamat. A párolgási folyamat ismerete alapvető fontosságú annak megismerésében, hogy egy tó vagy víztározó párolgása során keletkező vízveszteség mennyiben köszönhető az emberi tevékenység által nem szabályozható energetikai meghatározottságnak. A párolgás mértéke a felszínről az időegység alatt egy területegységről a légkörbe jutó vízmennyiség, melyet mmben adunk meg. Mértéke fontos információ az időjárási folyamatok megismerése és előrejelzése, a felszín-légkör kölcsönhatások vizsgálata, továbbá a mezőgazdasága és a hidrológia számára egyaránt. A párolgás több összetevőből áll: a. evaporáció, amely a vízfelszín, illetve hófelszín és a csupasz talajfelszín párolgása, a transzspiráció, amely a növények párolgása. A két mennyiséget együtt evapotranszspirációnak nevezzük (Mészáros, 2013). A szabad vízfelszín párolgása időben állandó folyamat. Intenzitás a függ attól a hőmennyiségtől, amelyet a víztömeg a külső energiaforrástól (NAP) kap, továbbá a vízfelszínnel érintkező levegő sajátosságaitól. A legfontosabb hőforrás a párolgás szempontjából a nap sugárzási energiája. A vízfelszínnel érintkező légréteg sajátosságai közül pedig a levegő párabefogadó képessége játszik fontos szerepet (Antal et. al., 1977). A természetes szabad vízfelszínek párolgását közvetlenül nem tudjuk mérni, helyette ismert térfogatú zárt rendszer vízmennyiségének (térfogat)változását határozzuk meg (Dunay, 1965). A legegyszerűbben az „A” típusú kádakkal lehet meghatározni a vízfelület párolgásának mértékét egy adott területen. Mindemellett, ez a módszer a világon a legelterjedtebb is, mivel a WMO javaslata alapján a meteorológiai szolgálatok és vízügyi hatóságok kiterjedten alkalmazzák, ami könnyebbé teszi méréseink más földrajzi térségben kapott eredményekkel való összehasonlítását. Az első párolgásszámítási modellek mérsékelt övi viszonyokra készültek (Mintz - Walker 1993; Posza – Stollár, 1983; Thornthwaite, 1944). Először a potenciális evapotranszspirációt számították ki, melyből aztán bizonyos faktorok segítségével a tényleges evapotranszspirációt származtatták (Monteith, 1965). Később a tényleges evapotranszspiráció számításánál alapul vették a vízgőz szállítódását befolyásoló ellenállásokat. Elterjedtek a teljes tenyészterületet borító vegetációval számoló, felszíni ellenállás-modellek (Monteith, 1965) is. A párolgás mérése régóta áll a meteorológiával, illetve vízgazdálkodással foglalkozó kutatók érdeklődésének középpontjában, épp ezért hosszú múltra tekint vissza. Magyarországon az 1950-es évek végétől kezdtek „A” kádas párolgásos kísérleteket. Az előző időszakban a kádak nemzetenként eltérőek voltak, ezért a WMO javaslatára egységesen a standard A-kád került bevezetésre (amerikai szabvány) 1964-ben. A bevezetés idején Magyarországon már elterjedt volt az „U” kád (Ubell, 1958) és a GGI-3000 kád. Az „A” kád bevezetését
334
követően széles körű kutatómunka vette kezdetét a káddal mért párolgás jellemzőinek, annak időjárás függésének és mérési pontosságának feltárására (Péczely 1965, Dunay 1966a, 1966b, 1969). Megfigyelésünk célja a vízben lévő makrovegetáció párolgásra gyakorolt hatásának detektálása volt. Emellett a meteorológiai elemek közül a leggyakrabban elérhető hőmérséklettel való kapcsolat feltárása képezte elemzésünk tárgyát. A kísérlet során hagyományos párolgásmérő „A” kádba Balatonból származó hínárnövényt telepítettünk, mely a vizsgálat gyakorlati alkalmazhatóságának egy lehetséges megoldását körvonalazta. A természetes vizek nagy része tartalmaz számos egyéb szerves és szervetlen anyagot, melyek párolgásra gyakorolt hatását gyakran nem vesszük figyelembe. Ezen elhanyagolás jogosságát kívántuk közelebbről is megvizsgálni. Célunk volt olyan kutatást végezni, amely a jövőben erre a területre irányuló kísérletek alapjául szolgál, hozzájárul azok sikeréhez és összehasonlítási alapot képez. Mindezek mellett gyakorlati szemszögből is használható eredményeket szerettünk volna felmutatni. Anyag és módszer A kísérleteket a keszthelyi Pannon Egyetem Georgikon Karának keszthelyi Agrometeorológiai Kutatóállomásán végeztük (NY 17°15’, É 46°47’, 143 m). Az állomást a múlt század 60-as éveiben kimondottan párolgásmérőállomásként létesítették, mely során mind az evaporáció, mind az evapotranszspiráció monitorozása célként került kitűzésre. Jelen kutatás során a nyílt- és a hínárral borított szabad vízfelszín párolgásában (evaporáció) mutatkozó eltérést vizsgáltunk, mely elemzésnél a kontroll kezelést a standard „A” kád jelentette (1. ábra). Az alábbi kezelések beállítására került sor: 1. Kontroll (tiszta vízzel töltött) standard „A” kád 2. Üledékkel ellátott „A” kád 3. Hínárral és üledékkel ellátott „A” kád A mérési folyamat megegyezett a meteorológiai gyakorlatban alkalmazott eljárással, mely során a kádban elhelyezett mérőhenger furatát csavarral megnyitottuk, majd megvártuk, míg a hengerbeli vízszint megegyezik a kádban lévő szinttel. A vízszint kiegyenlítődését követően a furatot elzártuk, a hengert kiemeltük, majd 0,1 mm beosztású mérőhengerbe töltöttük, ezzel meghatároztuk a vízoszlop magasságát. A mérés befejeztével a kivett vizet a kádba öntöttük vissza. A napi párolgásösszeg a két egymást követő napon mért vízoszlop magasságok különbsége. A mérést a szokásos megfigyelési időpontban, reggel 7 órakor (local mean time: LMT) végeztük.
1. ábra Magyarországon használt párolgásmérő „A” kád (Forrás: Mészáros Róbert: Meteorológiai műszerek és mérőrendszerek)
A terület meteorológiai paramétereit az állomáson elhelyezett mérőműszerek segítségével határoztuk meg. Iszapot a Balaton Keszthelyi-medencéjéből szedtünk, továbbá itt került begyűjtésre a kádba telepített 3 hínárfaj is (Myriophyllum spicatum, Potamogeton perfoliatus, Najas marina). Ezen hínárfajok a legelterjedtebbek a Keszthelyiöbölben. A csapadék mennyiségét, szélsebességet és hőmérsékleti értékeket a helyszínen elhelyezkedő, Országos
335
Meteorológiai Szolgálat tulajdonában levő QLC-50 típusú automata mérő-állomás mérései alapján regisztráltuk. Az állomás globálsugárzás mérővel (pyranométer) is fel volt szerelve. A kádak feletti sugárzás mérése HD 2303.0 típusú fénysugárzás érzékelő műszerrel történt, a beeső és visszavert sugárzás hányadából albedót számoltunk. A vizsgálatok során a napi csapadékok levonásával meghatároztuk a tényleges evapo(transzspi)rációt (ETm), a Penman-Monteith egyenlet (Penman, 1948, Monteith, 1965) segítségével pedig a napi referenciapárolgást kaptuk meg (ETo):
ahol Rn a növény felszíni nettó sugárzása (MJ m-2 nap-1), G a talaj napi hőfluxusa (MJ m-2 nap-1), T a 2 m magasságban mért átlagos napi átlaghőmérséklet (°C), u2 a 2 m magasságban mért szélsebesség (ms-1), es a telítési vízgőznyomás (kPa), ea a aktuális vízgőznyomás (kPa), Δ a vízgőz nyomásgörbe esése (kPa °C-1), γ a pszichrometrikus állandó (kPa °C-1). Utolsó lépésben a napi adatokból kiszámítottuk a növénykonstansokat az alábbi összefüggés segítségével:
Ez a formula kimondja, hogy az ETm arányos az ET0-al, s időbeli változása egy adott talajtípuson függ a Kc együtthatótól, vagyis a növény fajától, fajtájától, fejlődési fázisától és állapotától (Antal et al. 1974). A kísérleteket 2014 és 2015 nyári időszakában állítottuk be, előbbit július 20. és augusztus 31., utóbbit június 7. és szeptember 10. között. Az adatok rögzítése és kiértékelése Microsoft Office Excel felhasználásával történt. A párolgásra vonatkozó mérési eredményeinket (eltéréseket) párosított t-próbával elemeztük, melyet normalitásvizsgálat előzött meg. Eredmények és értékelés Párolgás és léghőmérséklet A meteorológiai elemek közül a levegő napi középhőmérséklete nagymértékben befolyásolja a párolgási értékeket; a melegedéssel megnő a párolgás mértéke (1. ábra).
1. ábra Az egyes kádakban mért párolgási értékek és a napi középhőmérséklet adatok 2014 (a) és 2015-ben (b)
336
A 2014-es évben napi középhőmérsékleti értékekkel a kontroll (R2= 0,15) és az iszapos kád (R2= 0,10) jobban korrelál a hínáros kádhoz képest (R2= 0,02). A mért párolgási értékek a kontroll kádnál 1,70 – 5,88, az iszapos kezelésnél 1,76 – 6,18, az üledék és hínáros kezelés esetében 1,44 – 5,71 között alakultak. 2015 melegebb évjáratában valamivel szorosabb kapcsolat alakult; bár változatlanul a hínáros kezelés (R 2=0,32) kapcsolata volt kevésbé szoros. míg a kontroll (R2=0,41) és iszapos (R2=0,42) kezelések egy kissé magasabb korrelációs koefficienssel rendelkeztek. A hínárral borított víztest ebben az évben jobban korrelált a léghőmérsékleti értékekkel, mint a korábbi év során, ennek oka lehet, hogy a 2015-ös nyár szélsőséges időjárási hullámokat produkált (hőséghullámok), ezzel szemben a 2014-es év vizsgálati időszaka szokatlanul nagy mennyiségű csapadékot hozott. A mért párolgási értékek a kontroll kezelésnél 1,18 – 6,71, az iszapos kádnál 1,47 – 7,01, a hínárral borított víztest esetében 0,88 – 8,24 között alakultak. Ubell (1958) két, földbe süllyesztett párolgásmérő káddal indított 5 éven keresztül tartó kísérletsorozatot. A mért adatok segítségével többek között az időjárási elemek és a kád vizének párolgása közötti összefüggéseket vizsgálták. Megállapításuk szerint – amennyiben csak a legfontosabb befolyásoló tényezőket vesszük figyelembe – a kádakban elhelyezett víz gyorsan követi a léghőmérséklet ingadozásait, a nyári hónapokban erősen felmelegszik. Párolgás és vízhőmérséklet
2.ábra A kádakban mért párolgási értékek és a víz napi középhőmérsékletének viszonya 2014 (a) és 2015-ben (b)
A párolgás szempontjából a levegő hőmérséklete mellett meghatározó a vízhőmérséklet. A 2. ábrán a párolgás és a vízhőmérséklet kapcsolata látható. A kezelések közül a kontrollként beállított kád mutatta a legszorosabb összefüggést mindkét évben (2014: R2=0,39; 2015: R2=0,41), ezt követi az iszapos (2014: R2=0,33; 2015: R2=0,38), majd a hínáros kezelés (2014: R2=0,21; 2015: R2=0,28). Jacobs et. al. (1998) az „A” kád termikus viselkedését és energiaháztartását vizsgálták egy szabadtéri kísérlet keretein belül. A megfigyeléseik azt mutatták, hogy a víz hőmérséklete többé-kevésbé homogén az egész napi ciklus során. Ez azt jelenti, hogy a víz a kádban jól keveredik, továbbá gyenge szél jelenlétében (<2 m s -1) jellemző hőmérsékleti profilt mutat. Párolgás, légnedvesség és szélsebesség
337
3. ábra A kádakban mért párolgási értékek és a napi átlagos légnedvesség 2014 (a) és 2015-ben (b)
A 3. ábrán jól látható, hogy a levegő páratartalmának emelkedésével csökken a párolgás mértéke. Ez megfelelt a várakozásainknak, hiszen adott hőmérsékleten a párás levegő egyre kevesebb nedvességet tud befogadni. A három kezelés közül a hínáros kezelés kapcsolata a leggyengébb (2014: R2=0,1 és 2015: R2=0,16), illetve a kontroll kezelésé a legszorosabb (2014: R2=0,2 és 2015: R2=0,21). Az iszapos kád esetében 2014-ben 0,16-os, 2015-ben 0,17-es R2 értékeket figyeltünk meg. A napi párolgási értékek és az átlagos szélsebesség nagyon laza kapcsolatot mutatnak, az adatok között rendkívül nagy a szórás. Ennek legfőbb oka az „A” kád kis felülete (kb. 1 m2), illetve, hogy ezen összefüggések feltárásához nem elég a napi átlagokat és 24 órás párolgási értékeket vizsgálni. Chu et al. (2010) egy sor kísérletet végeztek szélcsatornában, ahol azt vizsgálták, hogy a szél sebessége és a vízmélység hogyan hat a párolgás mértékére. Megállapították, hogy ugyanolyan szélsebesség mellett a víz mélysége befolyásolja a kád párolgását. 6 ms -1 szélsebességnél a párolgás 16 cm és 20 cm (standard) vízmélység esetén nem okoz számottevő eltérést, de 12 cmnél már lényegesen kisebb a transzspiráció sebessége. Albedó napi menete 2015-ben kiegészítettük méréseinket és meghatároztuk az albedó napi menetét, mely a következő ábrán (4. ábra) látható. Kontroll kád albedója
Iszapos kád albedója
Hínáros kád albedója
Kontroll kád vízhőmérséklete
Iszapos kád vízhőmérséklete
Hínáros kád vízhőmérséklete
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
35
Hőmérséklet ( C)
Albedó
Levegő hőmérséklete
30 25
20 15 7
8
9
10
11 12 Idő (óra)
13
14
15
16
4. ábra Az „A” kádak albedója a víz- és a levegő középhőmérsékleti értékeivel
338
Az ábrán jól látszik, hogy élesen különválik a kontroll kezelés albedója, melynek oka a fehér kádban lévő tiszta víz színe, mely lényegesen világosabb a másik két kezelt kád színénél. A hínárral borított víztest albedója magasabb az iszappal borítotténál, hisz a növényzet zöldes színe jobban visszaveri a fényt, mint az üledékes kád sötétbarna tartalma. A kádak párolgásának összehasonlítása A 2014-es évben beállított kísérletnél 2309 g hínárt telepítettünk, mely őszre 4327 g-ra gyarapodott, tehát 2018 grammal nőtt a biomassza tömege. A 2015-ös évben összességében 2047 g tömegű növényzetet telepítettünk a hínáros kádba. A kísérlet végén újra mértük, 3942 g élő tömeget emeltünk ki. A hínár tömeggyarapodása ebben az évben 1895 gramm volt. A kezelt kádak párolgási értékekeit párosított t-próbával vizsgáltuk. Elmondható, hogy mind két évben a kontroll és az iszapos kezelés között nem találtunk szignifikáns különbséget, míg a hínárral telepített kezelés párolgási értékei különböztek a másik két kádtól (P<0,05). McMahon et al. (2013) szerint a makrovegetációval borított víz párolgása nagyobb, mint a nyílt vízfelület párolgása. Ez megegyezik az általunk tapasztaltakkal. A napi párolgási értékeket tekintve megfigyeltük, hogy az hínárnövényzettel borított kád párolgása nagyobb, mint a másik két kezelésé. Ezt több módon is magyaráztuk. Az iszap sötét színe és a növények biológiai folyamatai miatt nagyobb mértékben nőtt a víz hőmérséklete és megváltoztak sugárzási tulajdonságai is. Miután a makrovegetáció nőni kezdett, intenzívebb párolgás vette kezdetét és mindkét évben kissé meghaladta az iszappal rendelkező kád párolgását. A vizsgálat gyakorlati jelentősége a vízmérleg számításánál jelentkezik. Az 1. táblázat szemlélteti a két vizsgálati időszak összesített egyszerű vízmérlegét. Csapadék (mm)
Párolgás (mm)
Csapadék - párolgás (mm)
2014
208,4
117,3
91,1
2015
187,0
360,6
-173,6
2014
208,4
122,3
86,1
2015
187,0
376,0
-189,0
Vízmérleg (Kontroll kezelés)
Vízmérleg (Iszap+hínár kezelés)
1. táblázat Vízmérleg alakulása a különböző kezelések hatására 2014-ben és2015-ben Ha figyelembe vesszük, hogy a víztest a vízen kívül üledéket és gyökerező hínárnövényeket is tartalmaz, akkor a módosított evapotranszspiráció magasabb a kizárólag tiszta vizet tartalmazó A-káddal számoltnál. Ez a gyakorlatban – a víztest nagyságától függően – több millió m3-nek felelhet meg egy szabad vízfelület esetében. A hínárt és üledékeket tartalmazó párolgásmérő „A” kád méréseiből származtatott, az agrometeorológia gyakorlatából „növény konstansként” nyilvántartott együtthatók (Kap – iszapos kezelés és Kas – hínáros kezelés) lehetővé tehetik a korábbiaknál pontosabb tópárolgás becslését, mivel a természetben „tiszta” víz, amellyel az „A” kádat feltöltjük, nincsen. A 2014-es együttható szezonális átlagai a Kas és Kap esetében 1,04±0,14 és 1,09±0,18 voltak. Valamivel magasabb értékeket figyeltünk meg a melegebb és szárazabb 2015-ös szezonban (Kas : 1,15±0,22; Kap : 1,26±0,23). Az 1-et meghaladó együttható érték azt jelzi, hogy a hínárt és üledéket tartalmazó „A” kád párolgása meghaladja a standard „A” kád E értékét. Az empirikus együtthatók hasznosak lehetnek az alámerülő hínárfajokkal rendelkező tavak párolgásának becslésében. Modellünk alapján két év átlagában a
339
Keszthelyi-öböl párolgása 9,85%-al módosult abban az esetben, ha figyelembe vettük a tó hínárral borított és üledékkel bíró részének párolgást befolyásoló hatását.
Összefoglalás A 2014-ben és 2015-ben beállított kísérlet három kezelésből állt: egy kontroll „A” kád mellett egy iszappal borított, illetve egy hínárral telepített kezelés került beállításra. A mért meteorológiai elemek hatással voltak a párolgásra, de csak több változó figyelembe vételével kaphatunk teljes képet. A vizsgálati időszakok időjárása eltérő volt a két évben, a 2014 csapadékosabb, míg 2015 melegebb és forróbb volt a kísérlet időtartama alatt. A levegő, illetve víz hőmérséklete, továbbá a levegő relatív páratartalma mutatta a legerősebb összefüggést a tényleges párolgási értékekkel, melyek megfeleltek a várakozásainknak. A különböző kezelések hatására megváltozott a párolgás mértéke, szignifikáns különbséget azonban csak a hínárral telepített kád esetében tapasztaltunk (P<0,05). A kísérlet után módosított párolgás értékek esetében a vízmérleg számítások magasabb értékeket mutattak a gyakorlatban elterjedt tiszta vízzel töltött párolgásmérő „A” káddal végzetteknél. A kísérletet lehetőség szerint a továbbiakban megismételjük, tovább bővítve a vizsgált környezeti változók körét.
Irodalomjegyzék Antal E., Baranyai S., Kozmáné T.E. (1977): A Balaton hőháztartása és párolgása. Hidrológai Közlöny, 57. évf. 4. szám: 182-189. Chu C.-R., LI M.-H., Chen Y.-Y., Kuo Y.-H. (2009): A wind tunnel experiment on the evaporation rate of Class A evaporation pan. Journal of Hydrology 381: 221–224. Dunay S. (1965): A vízfelszín evaporációja párolgásmérő kádakban. Beszámolók az 1965-ben végzett tudományos kutatásokról, Az Országos Meteorológiai Intézet hivatalos kiadványa, XXIX. kötet: 115-122. Dunay S. (1966): Különböző párolgásmérők adatainak összehasonlítása. Országos Meteorológiai Igazgatóság X. témakörében elhangzott beszámoló. Dunay S. (1966): Párolgásmérés A típusú kádakkal.Időjárás 70. évfolyam, 6. szám: 337-347. Dunay S. (1969): A levegő párologtatóképességének meghatározása. Beszámolók az 1969-ben végzett tudományos kutatásokról, Az Országos Meteorológiai Intézet hivatalos kiadványa, XXXVI. kötet: 407-412. Jacobs A.F.G., Heusinkveld B.G., Lucassen D.C. (1998): Temperature variation in a class A evaporation pan. Journal of Hydrology 206: 75-83. Mcmahon T. A., Peel M. C., Lowe L., Srikanthan R., Mcvicar T. R. (2013): Estimating actual, potential, reference crop and pan evaporation using standard meteorological data: a pragmatic synthesis. Hydrol. Earth Syst. Sci., 17: 1331–1363. Mészáros R. (2013): Meteorológiai műszerek és mérőrendszerek, Elektronikus oktatási anyag, Eötvös Loránd Tudományegyetem Mintz Y., Walker G. K. (1993): Global fields of soil moisture and land surface evapotranspiration derived from observed precipitation and surface air temperature. J. Appl. Meteorol. 32. 1305–1335 Péczely Gy. (1965): Az A típusú párolgásmérő kádak párologtatásának meghatározása éghajlati adatokból. Időjárás 69.évfolyam 4-5. szám: 231-239. Penman H. L. (1948): Natural evaporation from open water, bare soil and grass Proc, Royal Soc. London, A 193: 120-146.
340
Posza I., Stollár A. (1983): A tényleges párolgás számításához használt növénykonstansok értékei többévi mérés alapján. Időjárás. 87. 170–177. Simon B., Kucserka T., Anda A., Soós G. (2015): Hínárral és üledékkel rendelkező víztest párolgásának mérése párolgásmérő „A” kádban. Hidrológiai Közlöny 95. évf. 2. szám: 59-63 Thornthwaite C.W. (1944): Report of the Committee on Transpiration and Evaporation. Trans. Am. Geophys Union, V.25: 687.Monteith J. L. (1965): Evaporation and environment. In: Proc. 19th Symp. Soc. Exp. Biol. 205–236. Cambridge University Press. Cambridge. Ubell K. (1958): Nagyobb vízfelületek párolgási veszteségeinek meghatározása párolgásmérő kádak segítségével. Időjárás 62. évfolyam 1. szám: 26-38.
341
