Γεωπονική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124, Θεσσαλονίκη.

Transcript

1 ΧΡΗΣΗ ΠΕΔΟΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΥΔΡΑΥΛΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΔΑΦΩΝ ΤΗΣ ΠΕΔΙΑΔΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ: Ι. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΕΔΟΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Α. Μουσουλιώτης 1, Χ. Γεωργούσης 1, Χ. Μπαμπατζιμόπουλος 1, Α. Πανώρας 2, Ε. Χατζηγιαννάκης 2, Γ. Αραμπατζής 2 1 Εργ. Γενικής & Γεωργικής Υδραυλικής & Βελτιώσεων, Γεωπονική Σχολή, Α.Π.Θ., 54124, Θεσσαλονίκη. 2 Ινστιτούτο Εγγείων Βελτιώσεων ΕΘ. Ι.ΑΓ.Ε., Σίνδος Θεσσαλονίκης. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της εργασίας αυτής, είναι η αξιολόγηση της δυνατότητας εφαρμογής πεδοσυναρτήσεων που έχουν διατυπωθεί στη βιβλιογραφία, στην πεδιάδα Θεσσαλονίκης. Για το σκοπό αυτό, το καλοκαίρι του 2005 διεξήχθησαν δειγματοληψίες εδάφους σε 20 θέσεις και σε 2 βάθη ανά θέση σε τμήμα της πεδιάδας. Στα 40 δείγματα που συγκεντρώθηκαν, προσδιορίστηκαν οι χαρακτηριστικές καμπύλες, η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό, το φαινόμενο ειδικό βάρος, η οργανική ουσία και η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων. Η απόδοση των πεδοσυναρτήσεων της βιβλιογραφίας ενισχύει την άποψη πως οι πεδοσυναρτήσεις χαρακτηρίζονται από τοπική ισχύ και η χρήση τους δεν πρέπει να γίνεται άκριτα. Η ανάπτυξη νέων βελτιωμένων πεδοσυναρτήσεων φαίνεται να είναι απαραίτητη. USE OF PEDOTRANSFER FUNCTIONS FOR THE DESCRIPTION OF SOIL HYDRAULIC PROPERTIES IN THE THESSALONIKI PLAIN: I. EVALUATION OF PUBLISHED FUNCTIONS A. Mousouliotis 1, H. Georgoussis 1, Ch. Babajimopoulos 1, A. Panoras 2, E. Hatzigiannakis 2, G. Arampatzis 2 1 Aristotle University of Thessaloniki, School of Agriculture, Department of Hydraulics, Soil Science and Agriculture Engineering, 54124, Thessaloniki. 2 LRI-NAGREF Sindos, Thessaloniki. ABSTRACT The aim of this paper is the study of pedotransfer functions (PTFs) in the Thessaloniki plain. Towards this goal, during the summer of 2005 soil samples were collected from 20 places and 2 depths per site. Soil water retention curve, saturated hydraulic conductivity, bulk density, organic matter and cation exchange capacity were determined for each sample. Performance of existing PTFs in literature, reveals that they are site specific equations and therefore their application should be done with caution. Development of more accurate PTFs is needed. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Από τη δεκαετία του 1930 οι διαδικασίες της κίνησης του νερού στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους έχουν διατυπωθεί με τη μορφή της γνωστής εξίσωσης Richards

2 (Richards, 1931). Σε αυτή, σημαντικό ρόλο παίζουν οι ιδιότητες του εδάφους με κυριότερες τη χαρακτηριστική καμπύλη του εδαφικού νερού (ΧΚΥ) και την υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό (K s ). Η γνώση των υδραυλικών ιδιοτήτων του εδάφους αποτελεί επίσης κλειδί για την αξιολόγηση διαφορετικών αρδευτικών πρακτικών (Vereecken et al., 1989). Ο προσδιορισμός της ΧΚΥ είναι μια διαδικασία επίπονη, χρονοβόρα και συνεπώς μεγάλου κόστους (Wösten and Van Genuchten, 1988). Παρά το γεγονός πως διάφορες τεχνικές και μέθοδοι μέτρησης των ιδιοτήτων αυτών έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς, έχει διαπιστωθεί πως παραμένουν σχετικά δυσχερείς στην εκτέλεσή τους και απαιτούν τόσο εξειδικευμένο εξοπλισμό όσο και αρκετό χρόνο (Wösten and Van Genuchten, 1988). Για τους λόγους αυτούς έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες ώστε να προσδιοριστούν μαθηματικές σχέσεις οι οποίες, από εύκολα μετρήσιμα εδαφολογικά στοιχεία (π.χ. μηχανική σύσταση, περιεχόμενη οργανική ουσία, φαινόμενο ειδικό βάρος, ph, ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων κ.α.) να υπολογίζουν τις υδραυλικές ιδιότητες ενός εδάφους (Hack-ten Broeke and Hegmans, 1996). Τέτοιες σχέσεις αναφέρονται στη βιβλιογραφία ως πεδοσυναρτήσεις. Ο όρος «πεδοσυνάρτηση» ή «pedotransfer function» (PTF) εισήχθη από τον Johan Bouma το 1989 (Bouma, 1989) για να περιγράψει τη μαθηματική εκείνη συνάρτηση η οποία μπορεί να μετασχηματίσει δεδομένα που υπάρχουν διαθέσιμα στο πεδίο, σε δεδομένα που χρειαζόμαστε (Minasny et al., 1999). Οι πεδοσυναρτήσεις συνεπώς αυξάνουν τη σπουδαιότητα των πληροφοριών που αφορούν το έδαφος διότι, ελαχιστοποιούν το χρόνο που απαιτούν οι επίπονες και δαπανηρές μέθοδοι προσδιορισμού των υδραυλικών του παραμέτρων. Για τη δημιουργία πεδοσυναρτήσεων έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες τεχνικές ανάλυσης όπως α) η ανάλυση παλινδρόμησης, β) τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα γ) μέθοδοι ομαδοποίησης μεταβλητών όπως η GMDH (Group Method of Data Handling) με πιο διαδεδομένη την ανάλυση παλινδρόμησης (Minasny et al., 1999). Με βάση την βιβλιογραφία υπάρχουν δύο τύποι πεδοσυναρτήσεων α) οι πεδοσυναρτήσεις κλάσης και β) οι συνεχείς πεδοσυναρτήσεις (Wösten and Van Genuchten, 1988, Sinowski et al., 1997). Στην πρώτη περίπτωση τα δεδομένα διαχωρίζονται σε κλάσεις βάσει εδαφολογικών κριτηρίων. Με τον τρόπο αυτό, η πεδοσυνάρτηση που αναπτύσσεται είναι θεωρητικά πιο ακριβής (καθώς αφορά ένα ομοιογενές σύνολο εδαφών). Αντίθετα, οι συνεχείς PTFs αναπτύσσονται από το σύνολο των διαθέσιμων δεδομένων χωρίς να προηγηθεί οποιαδήποτε ομαδοποίηση. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι, η αξιολόγηση διαφόρων πεδοσυναρτήσεων που έχουν διατυπωθεί κατά το παρελθόν στη βιβλιογραφία, βάσει δεδομένων που συγκεντρώθηκαν στην πεδιάδα Θεσ/νίκης. Σε επόμενη εργασία (Μουσουλιώτης κ.α., 2009 σε αυτό το τεύχος) θα παρουσιασθούν νέες πεδοσυναρτήσεις που αναπτύχθηκαν για την ίδια περιοχή. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1 ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΕΣ ΕΔΑΦΟΥΣ Οι εργασίες υπαίθρου και οι απαραίτητοι εργαστηριακοί προσδιορισμοί πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού του έτους 2005, οπότε έγινε δειγματοληψία σε 20 αγροτεμάχια και σε δύο βάθη ανά θέση δειγματοληψίας (0-30cm και 30-60cm). Στα 40 αυτά συνολικά δείγματα προσδιορίστηκαν: i) η μηχανική σύσταση με τη μέθοδο Βουγιούκου, ii) οι παράμετροι θ s, θ r, α και n της εξίσωσης Van Genuchten, μέσω μη γραμμικής ανάλυσης παλινδρόμησης σε δεδομένα που προήλθαν από συσκευή

3 κεραμικών πλακών, iii) η υδατοϊκανότητα μέσω της ΧΚΥ για πιέσεις 0.08bar για τα ελαφράς σύστασης εδάφη, 0.33bar για τα μέσης σύστασης εδάφη και 0.50bar για τα βαριάς σύστασης εδάφη (New Zealand Ministry of Agriculture and Forestry, 1997), iv) η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό με υδροπερατόμετρο σταθερού φορτίου, v) η οργανική ουσία με προσθήκη θειϊκού οξέος vi) η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων CEC με έκπλυση δια αραιού οξέος, vii) η φαινομενική πυκνότητα του εδάφους και viii) το πορώδες από τη σχέση p = 1 b όπου ρ s : η πυκνότητα των εδαφικών κόκκων ρ ρ s που συνήθως λαμβάνει την τιμή 2.65g/cm 3 ) (Αντωνόπουλος, 1999). Μετά από στατιστική ανάλυση από το αρχικό πλήθος των 40 δειγμάτων απομακρύνθηκαν 12 δείγματα, καθώς για κάποια από τις προσδιοριζόμενες παραμέτρους παρατηρήθηκε σημαντική εκτροπή από τη στατιστική συμπεριφορά των υπολοίπων μετρήσεων. Ως αποτέλεσμα, η αξιοποίησή τους θα εισήγαγε χονδροειδή σφάλματα στους περαιτέρω υπολογισμούς και θα μείωνε την αξιοπιστία των συμπερασμάτων της εργασίας αυτής. Οι μετρημένες τιμές της υδραυλικής αγωγιμότητας στον κορεσμό Ks κρίθηκαν ως μη αξιόπιστες και, ως εκ τούτου, δεν συμμετείχαν σε κανένα περαιτέρω στάδιο της παρούσας εργασίας. Τα εναπομείναντα 28 δείγματα (Σχήμα 1) χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση πεδοσυναρτήσεων της βιβλιογραφίας που αφορούν τις παραμέτρους της ΧΚΥ κατά Van Genuchten και την υδατοϊκανότητα του εδάφους Clay (%) SC SCL SL LS S C CL L SiC SiCL SiL Silt (%) Si Sand (%) Σχήμα 1. Κατηγορίες μηχανικής σύστασης των 28 εδαφικών δειγμάτων που συλλέχθηκαν. 2.2 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΕΔΟΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ ΤΗΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ Κατά την πρώτη φάση της εργασίας αξιολογήθηκαν διάφορες πεδοσυναρτήσεις της βιβλιογραφίας. Τα διαθέσιμα δεδομένα από εδαφικά δείγματα της πεδιάδας Θεσσαλονίκης, προσαρμόστηκαν σε κάθε μία από τις ανωτέρω εξισώσεις. Καθώς οι πεδοσυναρτήσεις της βιβλιογραφίας δεν παρουσίασαν υψηλούς συντελεστές προσδιορισμού, επιλέχθηκε να υπολογιστούν νέοι συντελεστές για τις ανεξάρτητες μεταβλητές που περιέχουν, διατηρώντας την αρχική μορφή των εξισώσεων. Οι νέες PTFs που προέκυψαν, βάσει των διαθέσιμων δεδομένων, παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 όπου: θ15 : η εδαφική υγρασία σε πίεση 15bar (cm 3 /cm 3 ), FC: η υδατοϊκανότητα, a, n παράμετροι προσαρμογής της εξίσωσης Van Genuchten, S: το κλάσμα άμμου (%), Si : το κλάσμα ιλύος (%), Cl : το κλάσμα αργίλου (%), p: πορώδες =1- ρ b /2.65, ρ b = φαινόμενη πυκνότητα του εδάφους (g/cm 3 ), C: οργ.ουσία(%).

4 Πίνακας 1: Τροποποίηση των πεδοσυναρτήσεων της βιβλιογραφίας για χρήση τους στην πεδιάδα Θεσ/νίκης. Αρχική μορφή PTFs PTFs με συντελεστές κατάλληλους για την πεδιάδα Θεσ/νίκης Εδαφική υγρασία σε πίεση 15bar, θ 15 Vereecken et al., (1989) θ 15 = (Cl) (C) θ 15 = (Cl)+0.014(C) (R 2 =0.700) (R 2 =0.5417) Sinowski et al., (1997) θ 15 =0.52(Cl) (C) Gupta and Larson (1979) FC=[0.3075(S) (Si) (Cl) (C) (ρ b )]/(ρ b ) (R 2 =0.670) Bell and Van Keulen (1996) FC= (CEC)+0.441(C) (R 2 =0.890) Vereecken et al, (1989) ln(n) = (S) 0.013(Cl) (S 2 ) (R 2 =0.560) Rajkai et al., (2004) ln(n)= (ρ b ) (C) (Cl 2 ) ln(Cl) (ρ b )(S) (ρ b 2 )(Cl) (S/Si) (ρ b 2 )(Cl 2 ) (R 2 =0.61) θ 15 = (Cl) (C) (R 2 =0.4689) Υδατοϊκανότητα, FC FC=[ (S) (Si) (Cl) (C) (ρ b )]/ (ρ b ) (R 2 =0.1811) FC= (CEC) (C) (R 2 =0.0945) Παράμετρος εξίσωσης Van Genuchten, n ln(n) = (S) (Cl) (S) 2 (R 2 =0.1717) ln(n) = (ρ b ) (C) (Cl 2 ) ln(Cl) (ρ b )(S) (ρ b 2 )(Cl) (S/Si) (ρ b 2 )(Cl 2 ) (R 2 =0.1902)

5 Πίνακας 1 (συνέχεια): Τροποποίηση των πεδοσυναρτήσεων της βιβλιογραφίας για χρήση τους στην πεδιάδα Αρχική μορφή PTFs Hutson and Cass, (1987) ln(a)= (S) (Si) (ρ b ) (C) (Si 2 ) Ε-05(Si 3 ) E-04(Cl 2 ) (C 2 ) (R 2 =0.340) Vereecken et a.l, (1989) ln(a) = (S)-0.351(C) (ρ b )-0.023(Cl) (R 2 =0.621) Wagner et al.,(2001) ln(a)= (ρ b ) /(ρ b ) (C) /(C) ln(C) (ρ b )(C) Rajkai et al., (2004) ln(a)= (ρ b )(Si) (Cl) ln(Si) (ρ b 2 )(Cl) (Si) (Cl 2 ) (S/Si) (ρ b 2 )(Si 2 ) (R 2 =0.23) Θεσ/νίκης. PTFs με συντελεστές κατάλληλους για την πεδιάδα Θεσ/νίκης Παράμετρος εξίσωσης Van Genuchten, a ln(a)= (S) (Si) (ρ b ) (C) (Si 2 ) (Si 3 ) (Cl 2 ) (C 2 ) (R 2 =0.2111) ln(a) = (S) (C) (ρ b ) (Cl) (R 2 =0.1343) ln(a)= (ρ b ) /(ρ b ) (C) /(C) Ln(C) (ρ b )(C) (R 2 =0.1369) ln(a) = (ρ b )(Si) (Cl) ln(Si) (ρ 2 b )(Cl) (Si) (Cl 2 ) (S/Si) (ρ 2 b )(Si 2 ) (R 2 =0.1895)

6 Όπως προκύπτει από τις χαμηλές τιμές του συντελεστή προσδιορισμού του Πίνακα 1 (0,0945 έως 0,5417), οι PTFs της βιβλιογραφίας φαίνεται πως δεν επιτυγχάνουν να εκτιμήσουν ικανοποιητικά, τις υδραυλικές παραμέτρους θ15, FC και τις παραμέτρους της εξίσωσης Van Genuchten a και n, για το σύνολο των δεδομένων που συλλέχθηκαν από την πεδιάδα Θεσσαλονίκης. Η χαμηλή αυτή περιγραφική ικανότητα των PTFs της βιβλιογραφίας, μπορεί να αποδοθεί α) στη μη καταλληλότητα της μορφής των συναρτήσεων και β) στο γεγονός πως, οι συγκεκριμένες πεδοσυναρτήσεις (που χαρακτηρίζονται ως συνεχείς πεδοσυναρτήσεις), δε διακρίνονται από την αυξημένη ακρίβεια που διακρίνει τις πεδοσυναρτήσεις κλάσης. Ο μικρός αριθμός των διαθέσιμων δειγμάτων (28) όμως, δεν επέτρεπε το διαχωρισμό τους σε κλάσεις κοινής μηχανικής σύστασης και τη μετέπειτα αξιολόγηση των πεδοσυναρτήσεων εντός έκαστης κλάσης. Επιπλέον εξήγηση, αποτελεί το σύνολο των δεδομένων από το οποίο προέρχεται μια πεδοσυνάρτηση. Πιο συγκεκριμένα, οι διάφορες πεδοσυναρτήσεις προκύπτουν από δεδομένα εδαφών τα οποία, είναι συνήθως διαφορετικά από τα εδάφη τις ιδιότητες των οποίων καλούνται να εκτιμήσουν. Από τα ανωτέρω, γίνεται εύκολα κατανοητό πως, οι πεδοσυναρτήσεις της βιβλιογραφίας δεν μπορούν άκριτα να αντικαταστήσουν τις μετρήσεις πεδίου. Ως ελάχιστη προληπτική ενέργεια, η επιλογή κάποιας πεδοσυνάρτησης θα πρέπει να γίνεται μεταξύ πεδοσυναρτήσεων που έχουν αναπτυχθεί σε παρόμοια εδάφη. 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι PTFs μπορούν να αποτελέσουν ένα ταχύ και χαμηλού κόστους εργαλείο στην πρόβλεψη των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων των εδαφών. Επιπλέον, μπορούν να συνδυαστούν με Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) ή/και με μαθηματικά μοντέλα για τη διαχείριση των εδαφικών και υδατικών πόρων. Τα ανωτέρω, χαρακτηριστικά, με την πρώτη ματιά, καθιστούν τις πεδοσυναρτήσεις ιδιαίτερα ελκυστική λύση στο πρόβλημα του προσδιορισμού των υδραυλικών παραμέτρων του εδάφους. Από την παρούσα εργασία, και τα αποτελέσματα που προέκυψαν, επιβεβαιώνεται όμως το γεγονός πως, η ισχύς των διατυπωμένων στη βιβλιογραφία πεδοσυναρτήσεων, μειώνεται σημαντικά σε περίπτωση χρήσης τους σε εδάφη διαφορετικά από αυτά για τα οποία αναπτύχθηκαν. Συνεπώς, η εφαρμογή πεδοσυναρτήσεων της βιβλιογραφίας φαίνεται πως δε μπορεί να υποκαταστήσει τον απευθείας εργαστηριακό προσδιορισμό των υδραυλικών παραμέτρων του εδάφους. Η ανάπτυξη νέων, ακριβέστερων πεδοσυναρτήσεων αποτελεί μια πιθανώς ενδεικνυόμενη αντιμετώπιση. Σε κάθε περίπτωση, όπου η χρήση πεδοσυναρτήσεων αποτελεί τη μόνη επιλογή, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η σημαντική διαφοροποίηση των αποτελεσμάτων που μπορεί να προκύψει. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Αντωνόπουλος, Β.Ζ., Υδρολογία της ακόρεστης ζώνης του εδάφους. Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη. 2. Bell, M.A. and H. Van Keulen, Effect of soil disturbance on pedotransfer function development for field capacity. Soil Technology, 8, Bouma, J., Using soil survey data for quantitative land evaluation. Advances in Soil Science, 9,

7 4. Gupta, S.C. and W.E. Larson, Estimating soil water retention characteristics from particle size distribution, organic matter content and bulk density. Water Resources Research, 15, Hack-ten Broeke, M.J.D., J.H.B.M., Hegmans, Use of soils physical characteristics from laboratory measurements or standard series for modeling unsaturated water flow. Agricultural Water Management, 29: Hutson, J.L. and A., Cass, A retentivity function for use in soil-water simulation models. Journal of Soil Science, 38, Minasny, B., A.B., McBratney, K.L. Bristow, Comparison of different approaches to the development of pedotransfer functions for water-retentions curves. Geoderma, 93: New Zealand Ministry of Agriculture and Forestry, Best Management Guidelines for Sustainable Irrigated Agriculture. MAF Policy Technical Paper No 00/05. ISBN June Rajkai, K., S. Kabos, M.Th. Van Genuchten, Estimating the water retention curve from soil properties: comparison of linear, nonlinear and concomitant variable methods. Soil and Tillage Research, 79, Richards, L.A., Capillary conduction of liquids through porous mediums. Physics, 1: Sinowski, A.C. Scheinost, K Auerswald, Regionalization of soil water retention curves in a highly variable soilscape, II. Comparison of regionalization procedures using a pedotransfer function. Geoderma, 78: Vereecken, J. Maes, J. Feyen, and P. Darius, Estimating the soil moisture retention characteristic from texture bulk density, and carbon content. Soil Science, 148: Wagner B., V.R. Tarnawski, V., Hennings, U., Muller, G. Wessolek, R. Plagge, Evaluation of pedo-transfer functions for unsaturated soil hydraulic conductivity using an independent data set. Geoderma, 102, Wösten and M. Th. Van Genuchten, DIVISION 5-6 Soil and Water Management and Conservation. Using Texture and Other Soil Properties to Predict the Unsaturated Soil Hydraulic Functions. Soil Sci. Am. J. 52: