V9 Fank Auswertung - Lysimeter › seminar2008 › V9_Fank_Auswertung.pdf4596 4598 4600 14.01.2006...

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1IS

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SeminarWasserkreislaufparameter

SeminarWasserkreislaufparameter

Parameter des Wasserkreislaufs an der Forschungsstation Wagna(Auswertung und Ergebnisse)

Johann Fank01. April 2008 Seggauberg

2

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t3

Institut fürWasserRessourcenManagementHydrogeologie und Geophysik


InhaltEinleitung

Datenkontrolle und Korrektur

AuswertemethodenGras – Referenzverdunstung aus WetterdatenWasserkreislaufparameter aus Lysimeterdaten

Auswerteergebnisse auf unterschiedlichen Zeitskalen

Ergebnisdokumentation

ZusammenfassungWasserbilanzMassenbilanz

Schlussfolgerungen und Ausblick

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t4



Wasser- und Stoffbilanz(ebene homogene Standorte)

WasserbilanzP + I – ET – D - ∆S = 0

StoffbilanzDep + F – V – L – ∆M = 0Dep = atm. DepositionF = DüngungV = Vegetationsentzug und

gasförmige VerlusteL = Auswaschung∆M = Änderung des MasseinhaltsDep = P * Pc + I * IcL = D * Dc

Eine detailliert bekannteWasserbilanz ist Grundlagejeder Stoffbetrachtung

P + IP + I

DD

ETET

∆∆SS

DepDepVV FF

LL

∆∆MM

3

ISO

900

1 ze

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zier

t5



Lysimeter in EuropaCh. Lanthaler (www.lysimeter.at/HP_EuLP)

2125.5

2126.0

2126.5

2127.0

2127.5

2128.0

2128.5

2129.0

2129.5

2130.0

10.07.200600:00

10.07.200606:00

10.07.200612:00

10.07.200618:00

11.07.200600:00

Lysi

met

erge

wic

ht [k

g]

VERD

UN

STUN

GVER

DU

NSTU

NG

VERD

UN

STUN

GVER

DU

NSTU

NG

NIE

DER

SCH

LAG

NIE

DER

SCH

LAG

4

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t7



WiegegenauigkeitHYDROLYS (10.10.2007)

2150.53

2155.53

2160.53

2165.53

2170.53

2175.53

2180.53

2185.53

0 5 10 15 20 25 30 35

kumuliertes Hantelgewicht [kg]

Lysi

met

erge

wic

ht [k

g]

GewichtszugabeGewichtsabnahme

Zeitraum: 16:10 - 17:40Gewichtszugabe: 33.50 kg

Lysimetermessungen: 33.54 kgSickerwasser: 0.00 kgcalc. Diff.: -0.04 kgBilanz: 33.50 kg

Zeitraum: 17:40 - 19:04Gewichtsabnahme: -33.50 kg

Lysimetermessungen: -33.58 kgSickerwasser: 0.00 kgcalc. Diff.: 0.08 kgBilanz: -33.50 kg

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t8



Datenkorrekturexterne Beeinflussung

4588

4590

4592

4594

4596

4598

4600

14.01.200614:00

14.01.200614:15

14.01.200614:30

14.01.200614:45

14.01.200615:00

Lysi

met

erge

wic

ht [k

g]

5

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t9



DatenkorrekturBewirtschaftungsmaßnahmen

4427.0

4427.2

4427.4

4427.6

4427.8

4428.0

4428.2

4428.4

23.04.05 10:30 23.04.05 11:00 23.04.05 11:30

Lysi

met

erge

wic

ht [k

g]

Gewicht Gülledüngung

10:55 – 10:57∆ Gewicht = 1.382 kg

~ 12.830 kg ha-1

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t10



Erfassung des Niederschlags-Überlaufs

Im Zuge von Wartungsarbeiten 2007 Einbau einer umlaufen-den Rinne

Registrierung des Überlauf-Niederschlagsüber eine eigene Wippe

Im ersten Jahr derBeobachtung (April 2007 bis März 2008)

5.3 mm NiederschlagIn erster Linie beiStarkregenereignissen imSommer

6

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t11



Auswertung Gewichtsganglinie

2163

2163.1

2163.2

2163.3

2163.4

2163.5

2163.6

13.03.2008 15:00 13.03.2008 18:00 13.03.2008 21:00

Lysi

met

er [k

g]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Sick

erw

asse

rkor

rekt

ur [k

g]

Gewicht originalgefiltertes GewichtSW-korrigiertes Gewichtkumulierte SW-korrekturmenge

WWss WWee

WWdd

-SWSW

-RWRWdd

>0

Y

N

PPLL ETETrr

+ P + P -- DD -- ET ET = = ∆∆SS

WWss WWee

WWdd

--SWSW

--RWRWdd

>0

Y

N

PPLLPPLL ETETrrETETrr

+ P + P -- DD -- ET ET = = ∆∆SS

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t12



Tageswerte derWasserbilanzparameter (BIO)

300

250

200

150

100

50

0

50

01.0

1.05

01.0

7.05

01.0

1.06

01.0

7.06

01.0

1.07

01.0

7.07

01.0

1.08

Bod

enw

asse

r-Sp

eich

erän

deru

ng [k

g]

30

25

20

15

10

5

0

Out

put (

ET+S

W) [

mm

]

Niederschlag (P)Evapotranspiration (ET)Sickerwassermenge (SW)Änderung des Bodenwasserspeicherinhalts

Inpu

t [m

m]

7

ISO

900

1 ze

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zier

t13



NiederschlagsmessungVergleich von Messgeräten

0

5

10

15

20

25

04.05.200716:15

04.05.200717:15

04.05.200718:15

04.05.200719:15

04.05.200720:15

04.05.200721:15

P [m

m]

ZAMG - METEOHYDROLYSSOPHYLYS - KONSOPHYLYS - BIO

0

10

20

30

40

50

60

70

01.0

2.05

08.0

2.05

15.0

2.05

22.0

2.05

01.0

3.05

kum

. Nie

ders

chla

g (S

chne

e) [m

m] Wippe (ZAMG)

Waage (PLUVIO)Lysimeter (KON)Lysimeter (ORG)

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t14



Niederschlagsmessung(Vergleich Regen – Schnee)

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

P Lysimeter [mm]

P Ti

ppin

g B

ucke

t (ZA

MG

) [m

m] Fallow Ground

Snow Cover

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

P Lysimeter [mm]

P Ti

ppin

g B

ucke

t (Su

rface

) [m

m] Fallow Ground

UnterschätzungUnterschätzung SchneeniederschlagSchneeniederschlag > 20 %> 20 %

8

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t15



Niederschlag 2007Vergleich Monats- und Jahressummen

2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr

Wippe (ZAMG) 38.7 35.3 96.3 7.7 122.6 64.4 125.6 122.8 146.9 54.2 26.8 50.8 892.1

Waage (PLUVIO) 35.8 32.3 91.6 6.6 117.4 57.0 113.0 110.7 133.2 47.5 24.8 47.1 817.0

Totalisator (UMS) 35.0 33.4 101.9 8.3 121.0 62.4 113.8 105.5 138.7 51.9 28.3 51.0 851.3

HYDROLYS 45.9 36.6 105.5 12.8 129.7 66.9 117.9 119.6 144.9 60.0 32.7 58.5 931.0

SOPHYLYS (KON) 47.0 36.8 97.8 15.2 130.7 62.0 120.3 119.1 144.9 60.6 33.9 56.4 924.6

SOPHYLYS (BIO) 43.0 35.7 105.6 13.6 129.4 63.1 146.9 134.6 157.2 58.3 31.9 53.3 972.6

2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr

Wippe (ZAMG) 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0% 100.0%

Waage (PLUVIO) 92.5% 91.5% 95.1% 85.7% 95.8% 88.5% 90.0% 90.1% 90.7% 87.6% 92.5% 92.7% 91.6%

Totalisator (UMS) 90.5% 94.7% 105.8% 107.5% 98.7% 96.8% 90.6% 85.9% 94.4% 95.8% 105.7% 100.3% 95.4%

HYDROLYS 118.6% 103.6% 109.5% 166.4% 105.8% 103.9% 93.9% 97.4% 98.7% 110.7% 121.9% 115.1% 104.4%

SOPHYLYS (KON) 121.4% 104.2% 101.6% 196.8% 106.6% 96.2% 95.8% 97.0% 98.6% 111.9% 126.3% 111.0% 103.6%

SOPHYLYS (BIO) 111.1% 101.2% 109.7% 177.3% 105.5% 98.0% 117.0% 109.6% 107.0% 107.5% 119.0% 104.9% 109.0%

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t16



FAO Penman-MonteithGleichung

Berechnung auf Tagesbasis Berechnung für kurze Zeitschritte ( ) ( )

( )

]

]

]]

]]

1273

900408.0

2

1

1

0

2

2

0

1-a

s

1-

1-

2-

2-

1-

1-

asn

m[s sbeiwertWiderstand scherAerodynamiC[kPa] Dampfdruck aktuellere[kPa] dampfdruckSättigungse

s[m Boden über Höhe m 2 in indigkeitWindgeschwuC][ Boden über Höhe m 2 in aturLufttemperT

[d] ttszeitschriBerechnungzC[kPa eerkonstantPsychromet

zm[MJ stromBodenwärmeGdm[MJ erflächeReferenzob der anbilanz StrahlungsRn

C[kPa kkurvesdampfdruc Sättigungder Steigung]d[mm rdunstungReferenzveET

uC

eeuT

zGRET

⋅===

⋅=°=

=°⋅=

⋅⋅=⋅⋅=

°⋅=∆⋅=

⋅+⋅+∆

−⋅⋅+

⋅⋅+−⋅∆⋅

=

−

−

γ

γ

γ

G = 0T = (Tmin+Tmax) / 2RH = (RHmin+RHmax) / 2

G = 0.5 * Rn during night time0.1 * Rn during day time

T, RH = mean value of time stepC = 0.96 during night time

0.24 during day time

9

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t17



Auswertung VerdunstungVergleich berechnter ET0 and gemessener ETc

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

17.07.0600:00

17.07.0606:00

17.07.0612:00

17.07.0618:00

18.07.0600:00

cum

. ET

[mm

]

0

150

300

450

600

750

900

1050

Rad

iatio

n [W

*s-1

*m-2

]

cum. ETc (1') [mm] cum. ET0 (10') [mm]

ET0 (d) [mm] Radiation (10')

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

00:3

002

:30

04:3

006

:30

08:3

010

:30

12:3

014

:30

16:3

018

:30

20:3

022

:30

ET

[mm

*h-1

]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Kc

[ ]

ET0 [mm] ETc [mm]Kc (10') Kc (d)

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t18



Referenzverdunstung : Pflanzenverdunstung

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006

ET /

P [m

m]

c. P [mm]c. ETc [mm]c. ET0 [mm]

Feucht-periode

TrockenTrocken--periodeperiode

Periode mit Trockenstress

ETc=ET0*(Ke+Kcb)

ETc=ET0*Kcb

ETc=ET0*Kcb*Ks

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006

ET /

P [m

m]


Feucht-periode



-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006

ET /

P [m

m]


-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10.07.2006 17.07.2006 24.07.2006

ET /

P [m

m]


Feucht-periode



ETc=ET0*(Ke+Kcb)

ETc=ET0*Kcb

ETc=ET0*Kcb*Ks

10

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t19



Verdunstung abhängig von Wasser, Boden, Pflanze

0

100

200

300

400

500

600

11.0

4.20

07

25.0

4.20

07

09.0

5.20

07

23.0

5.20

07

06.0

6.20

07

20.0

6.20

07

04.0

7.20

07

18.0

7.20

07

01.0

8.20

07

15.0

8.20

07

29.0

8.20

07

12.0

9.20

07

26.0

9.20

07

Verd

unst

ung

[mm

]

TROCKENSTRESS

TRANSPIRATION

EVAPORATION

Mais auf konventionellbewirtschafteter Parzelle

geringere Bodenwasser-speicherkapazität

0

100

200

300

400

500

600

11.0

4.20

07

25.0

4.20

07

09.0

5.20

07

23.0

5.20

07

06.0

6.20

07

20.0

6.20

07

04.0

7.20

07

18.0

7.20

07

01.0

8.20

07

15.0

8.20

07

29.0

8.20

07

12.0

9.20

07

26.0

9.20

07

Verd

unst

ung

[mm

]

TROCKENSTRESS

TRANSPIRATION

EVAPORATION

Mais auf organisch - biologischbewirtschafteter Parzelle

bessere Bodenwasser-speicherkapazität

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t20



SickerwasserregistrierungSOPHYLYS

KIPP100: digitaleKippwaage100 ml = 0.1 mm

3.5 % alsSammelprobe

WöchentlicheProbenahme fürDetailanalyse

Monatssummen-Proben für

Standard ChemieanalyseIsotopen-analysen

11

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t21



SickerwasserwaageHYDROLYS

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t22



Sickerwassermengen 20072007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr

HYDROLYS (Wiese) 17.0 32.4 69.0 1.6 0.0 0.0 0.0 0.6 40.2 16.3 14.4 43.6 235.3

SOPHYLYS (KON - Mais) 15.1 33.4 63.8 15.9 6.2 21.7 6.8 3.7 40.0 26.5 23.6 39.1 295.8

SOPHYLYS (BIO - Mais) 0.0 5.5 55.3 12.4 10.0 37.4 6.7 1.1 0.3 20.6 24.3 43.6 217.2

0

10

20

30

40

50

60

70

Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Sick

erw

asse

r [m

m]

HYDROLYS (Wiese)SOPHYLYS (KON - Mais)SOPHYLYS (BIO - Mais)

12

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t23



Änderung des Bodenwasserspeicherinhalts

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

01.0

1.07

01.0

2.07

01.0

3.07

01.0

4.07

01.0

5.07

01.0

6.07

01.0

7.07

01.0

8.07

01.0

9.07

01.1

0.07

01.1

1.07

01.1

2.07

01.0

1.08

∆ S

peic

herä

nder

ung

[kg]

SOPHYLYS (BIO)

SOPHYLYS (KON)

HYDROLYS

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t24



Standörtliche Wasserbilanz10. 07. 2006 (BIO)

Precipitation P [mm] 3.68 ETr [mm] 4.16 Seepage Water SW [mm] 0.40 Weight Balance WB [kg] -0.88

Water balance P - ET - D - ∆S = 03.68 - 4.16 - 0.40 + 0.88 = 0

-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.03.04.05.0

10.0

7.20

0600

:00

10.0

7.20

0606

:00

10.0

7.20

0612

:00

10.0

7.20

0618

:00

11.0

7.20

0600

:00

kg /

mm

c. WB [kg] c. SW [mm] c. ETr [mm] c. P [mm]

13

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t25



Monats- und Jahreswasserbilanz(HYDROLYS 2007)

2007 Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez JahrP [mm] 45.9 36.6 105.5 12.8 129.7 66.9 117.9 119.6 144.9 60.0 32.7 58.5 931.0ETr [mm] 9.9 17.0 41.7 84.3 99.6 111.2 95.0 96.2 74.6 36.0 20.0 15.8 701.3SW [mm] 17.0 32.4 69.0 1.6 0.0 0.0 0.0 0.6 40.2 16.3 14.4 43.6 235.3∆S [kg] 18.9 -12.9 -5.3 -73.1 30.0 -44.3 23.0 22.8 30.1 7.7 -1.8 -0.9 -5.6

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

[mm

]

P [mm] ETr [mm] SW [mm]

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t26



Bilanzierung der Verdunstung(HYDROLYS 2007)Wasserbilanzgleichung: P – D – ∆S = ET

P variabel aus unterschiedlichen MessgerätenD fix aus Lysimetermessungen

(= 235.3 mm)∆S fix aus Gewichtsänderung minus Sickerwasser

(= 229.6 mm – 235.3 mm = -5.7 mm)ET Bilanzergebnis

HYDROLYS – AuswertungP = 931 mm ET = 701 mm ET0 = 763 mm TS = 62 mm

ZAMG – NiederschlagswippeN = 892 mm ET = 663 mm ET0 = 763 mm TS = 100 mm

PLUVIO – NiederschlagswaageN = 817 mm ET = 587 mm ET0 = 763 mm TS = 176 mm

14

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t27



Tracerversuch zur Klärung der Frage des Makroporenflusses nach der Entnahme und zurErmittlung von Massenbilanzen

Inner Circle Outer Circle Inner Circle Outer CircleArea [m²] 0.5 0.5 0.5 0.5Tracer ²H NaBr ²H NaBrTracer Amount 10 ml 99.8 % 50 g 10 ml 99.8 % 50 gSolution Amount 1000 ml 1000 ml 1000 ml 1000 mlStart Time 12.04.2005 16:46 12.04.2005 17:00 12.04.2005 16:53 12.04.2005 17:09End Time 12.04.2005 16:48 12.04.2005 17:01 12.04.2005 16:55 12.04.2005 17:11Weight Difference [kg] 0.98 0.98 0.99 0.98

ORGANIC FARMING CONVENTIONAL FARMING

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t28



Tracerversuche zur Ermittlungvon Wasser- und Stoffbilanzen

0

300

600

900

1200

1500

01.04.2005 30.09.2005 01.04.2006 30.09.2006 01.04.2007 30.09.2007

Bro

mid

Mas

senf

luss

[mg]

0

10

20

30

40

50

Bro

mid

Kon

zent

ratio

n[m

g l-1

]

BMSK180 (Massenfluss) BMSK180 (Konzentration)

Massenbilanz [g]Inj.– V – L – ∆M = 038.3–24.1–13.9–0.3 = 0100%-63% -36% -1% = 0

Wasserbilanz [mm]P - ET - D -∆S = 01811-1155-584-72 = 0100%-64% -32%-4% = 0

15

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t29



Sickerwasserverweilzeitvolumen in den obersten 2 m ungesättigte Zone

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600 700 800cum. SW [mm]

Br [

mg/

l]

KMSK180

BMSK180

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t30



Stickstoffaustrag aus den Lysimetern in Wagna

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Apr.06

Mai.06

Jun.0

6Ju

l.06

Aug.06

Sep.06

Okt.06

Nov.06

Dez.06

Jän.07

Feb.07

Mär.07

Apr.07

Mai.07

Jun.0

7Ju

l.07

Aug.07

Sep.07

Okt.07

Nov.07

Dez.07

Jän.08

Mon

atss

umm

en [k

g*ha

-1]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

kum

. Mon

atss

umm

en [k

g*ha

-1]Monatssummen konventionelle Bewirtschaftung

Monatssummen organisch - biologische Bewirtschaftung

kumulierte Monatssummen konventionelle Bewirtschaftung

kumulierte Monatssummen organisch biologische Bewirtschaftung

16

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t31



Stoffaustrag in RichtungGrundwasser

Parameter EinheitKonventionelle Bewirtschaftung

Organisch - biologische Bewirtschaftung

Sickerwassermenge mm 497 300Mittelwert el. Leitfähigkeit µS cm-1 280 365Mittelwert pH-Wert - 6.98 7.24AuswaschungNatrium kg ha-1 33.93 14.60Kalium kg ha-1 3.56 1.37Magnesium kg ha-1 21.08 12.57Kalzium kg ha-1 252.49 197.99Chlorid kg ha-1 38.24 4.77Nitrat kg ha-1 168.69 68.33Sulfat kg ha-1 174.70 99.79Mittlere KonzentrationenNatrium mg l-1 7.05 5.19Kalium mg l-1 0.76 0.51Magnesium mg l-1 4.08 4.32Kalzium mg l-1 47.47 67.98Chlorid mg l-1 7.59 1.90Nitrat mg l-1 30.25 25.47Sulfat mg l-1 36.44 34.03

01.04.2006 - 31.01.2008

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t32



Zusammenfassung und AusblickModerne monolithische Präzisionslysimeter vermeidendie meisten der bekannten Lysimeterfehler

Alle Parameter der standörtlichen Wasserbilanz könnenfür beliebige Zeitschritte aus den Lysimetermessungen abgeleitet werden

Dabei ist auf exakte Datenerfassung, -bearbeitung und –auswertung zu achten

Lysimetermessungen bilden eine unverzichtbare Basisfür die Modellentwicklung und -validierungfür Stofftransportuntersuchungen

Lysimeter-Mess- und Auswerteergebnisse sollten künftigin die hydrografische Dokumentation Eingang finden

17

ISO

900

1 ze

rtifi

zier

t33



Das beste Lysimeter ist das, dasman nicht sieht

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