ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ, ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ, ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Π. ΠΑΓΩΝΑ ΓΕΩΠΟΝΟΣ Δ.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ Μ. ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη 15

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ, ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Π. ΠΑΓΩΝΑ ΓΕΩΠΟΝΟΣ Δ.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ Μ. ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Π.Θ. ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ Ζ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Π.Θ. ΓΕΩΡΓΙΟΥ Ε. ΠΑΝΤΑΖΗΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Α.Π.Θ.

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η αρδευόμενη γεωργία κατέχει σήμερα το μεγαλύτερο μερίδιο στην παγκόσμια κατανάλωση νερού. Αν και οι αρδευόμενες εκτάσεις του πλανήτη καταλαμβάνουν περίπου το 17% των καλλιεργημένων εκτάσεων, καταναλώνουν περισσότερο από το 7% των παγκόσμιων υδατικών πόρων. Στις μεσογειακές χώρες, όπως και στην Ελλάδα, η κατανάλωση νερού στη γεωργία είναι ακόμα μεγαλύτερη πλησιάζοντας το -5% του νερού καλής ποιότητας. Το γεγονός αυτό καθιστά επιτακτική την ανάγκη της ορθολογικής διαχείρισης του νερού που χρησιμοποιείται για αρδευτικούς σκοπούς. Η ορθολογική αυτή διαχείριση συνδέεται με την ακριβή εκτίμηση των αναγκών σε νερό των καλλιεργειών, ώστε να ικανοποιούνται οι ανάγκες τους, ενώ παράλληλα να αποφεύγεται η σπατάλη του αρδευτικού νερού. Μέτρο εκτίμησης της αναγκαίας ποσότητας νερού που χρειάζεται μία καλλιέργεια αποτελεί η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ). Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συγκριτική ανάλυση των διαφόρων μεθόδων εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, η τοπική προσαρμογή των εμπειρικών συντελεστών στη σχέση εκτίμησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας καθώς και η ανάλυση ευαισθησίας μερικών από τις παραμέτρους που υπεισέρχονται σε αυτές. Τα μετεωρολογικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πάρθηκαν από τον Αυτόματο Μετεωρολογικό Σταθμό στη θέση Πιπεριά του νομού Πέλλας. Η μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών, στην ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων, του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του τμήματος Γεωπονίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Με την ολοκλήρωση της εκπόνησης της μεταπτυχιακής μου διατριβής, και πέρα από κάθε τυπικότητα, θέλω να ευχαριστήσω θερμά: Τον καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. κ. Παπαμιχαήλ Δημήτριο, μέλος της τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής, ο οποίος ήταν και ο Επιβλέπων, για την επιλογή του θέματος, για τη συνεχή και γόνιμη καθοδήγηση που μου παρείχε στη διάρκεια εκπόνησης της έρευνας και τις εύστοχες παρατηρήσεις και υποδείξεις του. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα για την υπομονή του αλλά και την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο μου από την αρχή της συνεργασίας μας. Το επίκουρο καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. κ. Γεωργίου Πανταζή, μέλος της Εξεταστικής Επιτροπής για την συστηματική επίβλεψη, για τη διαρκή ανταλλαγή απόψεων και την ολοκληρωμένη εκμάθηση του αντικειμένου που στάθηκαν καταλυτικά στην επιστημονική τεκμηρίωση της έρευνας και την περάτωση της παρούσας διατριβής. Τον καθηγητή του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. κ. Αντωνόπουλο Βασίλειο, για τη συμμετοχή του στην Εξεταστική Επιτροπή, για τις εύστοχες υποδείξεις στην παρούσα διατριβή και για τις εποικοδομητικές συμβουλές του ιδιαίτερα στο ξεκίνημα των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Τους ομότιμους καθηγητές του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. κ. Καραμούζη Διαμαντή και κ. Μπαμπατζιμόπουλο Χρήστο για τις πολύτιμες γνώσεις που μου μετέδωσαν και για τις εποικοδομητικές τους συμβουλές σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου.

4 Το διδακτικό και ερευνητικό προσωπικό της Μεταπτυχιακής Ειδίκευσης Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων, του Τμήματος Γεωπονίας του Α.Π.Θ. για τη συνεργασία μας και τις γνώσεις, που μου μετέδωσαν κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Τους συναδέλφους και συμφοιτητές Λαμπρούση Φ., Παμπουκίδου Π. και Ζαχαρόπουλο Ι. για τη συνεργασία που είχαμε όλο αυτό το διάστημα. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω ολόψυχα την οικογένεια μου και τη σύντροφό μου για την κατανόηση και την ηθική στήριξη που μου παρείχαν καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. ΠΑΓΩΝΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Θεσσαλονίκη 15

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ/ABSTRACT Κεφάλαιο 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ 1 1. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 1.3 ΔΟΜΗ ΤΗΣΔΙΑΤΡΙΒΗΣ 3 1. ΔΟΜΗ ΤΗΣΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Κεφάλαιο Ο : ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ ΤΩΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΩΝ.1 ΥΔΑΤΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ. ΟΡΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ 11.3 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ 1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΕΡΕΥΝΩΝ ΣΤΗΝ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ 13.5 ΑΜΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ Μέθοδος των διαδοχικών δειγματοληψιών Μέθοδος του υδατικού ισοζυγίου Μέθοδος του λυσιμέτρου 1. ΕΜΜΕΣΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ 19.7 ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ. ΦΥΤΙΚΟΙ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΩΝ

6 Κεφάλαιο 3 ο : ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΤΗΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 5 3. ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ PENMAN-MONTEITH ΚΑΤΑ FAO Ενεργειακή Συνιστώσα 3.. Αεροδυναμική Συνιστώσα ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ ASCE-standardized PENMAM-MONTEITH 3. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΜΕΘΟΔΟΣ FAO- PENMAN (corrected) Ενεργειακή Συνιστώσα Αεροδυναμική Συνιστώσα ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ HARGREAVES-SAMANI 3 3. ΜΕΘΟΔΟΣ ΤΩΝ PRIESTLEY-TAYLOR ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ 33 Κεφάλαιο ο : ΚΛΙΜΑΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΣΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ.1 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 35. ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ 3.3 ΠΙΕΣΗ ΚΟΡΕΣΜEΝΩΝ ΥΔΡΑΤΜΩΝ 37. ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΥΔΡΑΤΜΩΝ 3.5 ΚΛΙΣΗ ΤΗΣ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΣΤΗ ΣΧΕΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΟΡΕΣΜΟΥ ΤΩΝ ΥΔΡΑΤΜΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ. ΨΥΧΡΟΜΕΤΡΙΚΗ ΣΤΑΘΕΡΑ 1.7 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ 1. ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ 1.9 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑ.1 ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑ 3

7 .11 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ.1 ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Καθαρή μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία.1. Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία.1.3 Καθαρή μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία για -ωρες περιόδους Εξίσωση καθαρής ακτινοβολίας Rn ΡΟΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ 55.1 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ Ταχύτητα του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημέρας ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΛΛΙΠΩΝ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ 5 Κεφάλαιο 5 ο : ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΤΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΤΗΛΕΜΕΤΡΙΚΟΥ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΗΣ ΠΙΠΕΡΙΑΣ 5.1 ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ 1 5. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΤΗΛΕΜΕΤΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΤΗΣ ΠΙΠΕΡΙΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΤΗΣ ΠΙΠΕΡΙΑΣ 5 5. ΚΛΙΜΑΤΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΤΟΥ Α.Μ.Σ. ΤΗΣ ΠΙΠΕΡΙΑΣ 71 Κεφάλαιο ο : ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ.1 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗΣ 7. ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΣΧΕΣΕΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑΣ ΗΛΙΑΚΗΣ Rs Επαναπροσδιορισμός του συντελεστή προσαρμογής krs στη σχέση του Hargreaves 77.. Σύγκριση μεταξύ των σχέσεων εκτίμησης της προσπίπτουσας Ακτινοβολίας Rs 7.3 ΜΕΘΟΔΟΣ PΕΝΜΑΝ FAO- (corrected).3.1 Λόγος ταχυτήτων ανέμου.3. Διορθωτικός παράγοντας.3.3 Ροή θερμότητας προς το έδαφος.3. Ενεργειακή-αεροδυναμική συνιστώσα Πίεση κορεσμένων υδρατμών Καθαρή ακτινοβολία 9

8 . ΜΕΘΟΔΟΣ FAO-5 PENMAN-MONTEITH Ενεργειακή-Αεροδυναμική συνιστώσα 11.. Καθαρή Ακτινοβολία Παράγοντας Ροής Θερμότητας 11.. Πίεση κορεσμού των υδρατμών ΜΕΘΟΔΟΣ PRIESTLEY-TAYLOR Επαναπροσδιορισμός του συντελεστή μεταγωγής apt Καθαρή ακτινοβολία Παράγοντας ροής θερμότητας Πίεση κορεσμού των υδρατμών 119. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 11.7 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΩΡΙΑΙΑΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 135. ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ 15 Κεφάλαιο 7 ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 7.1 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ 1 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΕΠΕΚΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 19 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 195 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 11 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 15

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Γεωπονίας, Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος Τμήμα Γεωπονίας Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευση Γεωργικής Μηχανικής και Υδατικών Πόρων Συγκριτική Ανάλυση Μεθόδων Εκτίμησης Εξατμισοδιαπνοής Αναφοράς Μεταπτυχιακή Διατριβή: Παγώνας Κωνσταντίνος, Γεωπόνος Δ.Π.Θ. Επιβλέπων καθηγητής: Παπαμιχαήλ Δημήτρης, Καθηγητής Α.Π.Θ. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή έγινε συγκριτική ανάλυση των διαφόρων μεθόδων εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Πιο συγκεκριμένα έγινε χρήση και ανάλυση των μεθόδων : Τροποποιημένη μέθοδος Penman κατά FAO-, FAO-5 Penman-Monteith, ASCEstandardized Penman-Monteith, Hargreaves-Samani και Priestley-Taylor. Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν λήφθηκαν από τον αυτόματο τηλεμετρικό μετεωρολογικό σταθμό της Πιπεριάς Αριδαίας και αφορούσαν τα έτη Επειδή στον συγκεκριμένο μετεωρολογικό σταθμό υπήρχαν σφάλματα στις μετρήσεις της καθαρής ακτινοβολίας, αυτή υπολογίστηκε μέσω της μετρημένης προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, και μέσω της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας όταν αυτή υπολογίζεται μέσω της ηλιοφάνειας. Οι σχέσεις υπολογισμού της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή είναι του Angstrom, του Hargreaves, των Glower-McCulloch, των Dogniaux-Lemoine, των Ogelman et al., των Torgul and Onat, των Almorox and Hontoria και των Chen et al.. Όσον αφορά τη σχέση του Angstrom έγινε τοπικός προσδιορισμός των εμπειρικών συντελεστών a και b με σκοπό την ακριβέστερη προσέγγισή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας για την περιοχή της Πιπεριάς. Κάτι ανάλογο έγινε και με τη σχέση του Hargreaves όπου έγινε τοπικός επαναπροσδιορισμός του συντελεστή k Rs. Για όλες τις μεθόδους υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς που αναφέρθηκαν παραπάνω εξετάζεται η επίδραση των διαφόρων σχέσεων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, η επίδραση των σχέσεων υπολογισμού της πίεσης των κορεσμένων υδρατμών και η επίδραση της συμμετοχής της ροής θερμότητας προς το έδαφος στον τελικό υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής. Επιπλέον, στη τροποποιημένη μέθοδο Penman κατά FAO- ελέγχθηκε ο λόγος της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημέρας, προς την ταχύτητα του ανέμου κατά τη διάρκεια της νύχτας για να επιβεβαιωθεί ότι σε περίπτωση απουσίας δεδομένων μπορεί να θεωρείται ίσος με. Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση των διαφόρων σχέσεων υπολογισμού του διορθωτικού

10 παράγοντα c στην εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Ο διορθωτικός παράγοντας υπολογίστηκε με τις σχέσεις των Frevert et al., των Allen and Pruitt και Κωτσόπουλου- Μπαμπατζιμόπουλου. Στις μεθόδους Penman κατά FAO- και FAO-5 Penman-Monteith εξετάστηκε η συμμετοχή της ενεργειακής και της αεροδυναμικής συνιστώσας στον τελικό υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Για τη μέθοδο των Priestley-Taylor αρχικά έγινε επαναπροσδιορισμός του συντελεστή μεταγωγής (adnection coefficient) apt, παίρνοντας ως βάση τη μέθοδο ASCE-standardized Penman-Monteith και χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από τον μετεωρολογικό σταθμό της Πιπεριάς. Στη συνέχεια γίνεται σύγκριση και ανάλυση των αποτελεσμάτων για τις 5 μεθόδους που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή, με βάση ημερήσια δεδομένα (Τροποποιημένη μέθοδος Penman κατά FAO-, FAO-5 Penman-Monteith, ASCEstandardized Penman-Monteith, Hargreaves-Samani και Priestley-Taylor). Για τις μεθόδους FAO- 5 Penman-Monteith και ASCE-standardized Penman-Monteith έγινε σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από ημερήσια δεδομένα και των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από ωριαία. Ο υπολογισμός έγινε για τους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο και κατά τα έτη 1997,199,7 και. Τέλος, έγινε μία προσπάθεια ανάλυσης ευαισθησίας στους παράγοντες που επηρεάζουν τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς με τις μεθόδους που αναφέρθηκαν παραπάνω.

11 ABSTRACT Aristotle University of Thessaloniki Faculty of Agriculture, Forestry and Natural Enviroment School of Agriculture Postgraduate Program Agricultural Engineering and Water Resources Comparative analysis of reference evapotranspiration methods. MSc Thesis : Pagonas Konstantinos, D.U.TH., Agriculturist Supervisor: Papamichail M. Dimitris, A.U.TH., Prefessor In the present MSc thesis a comparative analysis of the different estimation methods of Reference Crop Evapotranspiration was done. More specifically, the following methods of: FAO- Modified Penman, FAO-5 Penman-Monteith, ASCE-standardized Penman-Monteith, Hargreaves- Samani and Priestley-Taylor were analyzed. The used climate data were obtained from the automatic telemetric meteorological station of Piperia Aridaias, Greece and are referred to the years Because of the errors in the measurements of net radiation, the net radiation was estimated by using the measured solar radiation. In this thesis for estimation of the radiation the relations of the Angstrom, Hargreaves, Glower-McCulloch, Dogniaux-Lemoine, Ogelman et al., Torgul and Onat, Almorox and Hontoria and Chen et al., were used. In the relationship of the Angstrom a local estimation of the empirical coefficients a and b was done for a more accurately estimation of the solar radiation at the station of Piperia. Also in the relationship of Hargreaves a local estimation of the factor KRs was done. For all estimating methods of reference crop evapotranspiration mentioned above, the effects of the different relationships for the estimation of the solar radiation, the saturation water vapour pressure, and the contribution of heat flow from the ground were examined. In addition, in the FAO- modified Penman method the ratio of the speed of the wind during the day, to the speed of the wind during the night was used in order to confirm that in case of absence of such data the above ration can be taken equal to. Also, the influence of the different relations for the calculation of the adjustment factor c in estimating reference evapotranspiration, was examined. The adjustment factor c was calculated by using the relations of Frevert et al., Allen and Pruitt and Kotsopoulos-Babatzimopoulos. In the FAO- modified Penman method and the FAO-5 Penman-Monteith method the participation of the energy and the aerodynamic component to the final estimation of reference evapotranspiration was examined. For the method of Priestley- Taylor a recalculation of the adnection coefficient apt, was done, taking as a basis the ASCEstandardized Penman-Monteith method and using the data from the weather station of Piperia. In continuous, a comparative analysis of the daily reference evapotranspiration estimated by using the five methods (FAO- Modified Penman, FAO-5 Penman-Monteith, ASCE-standardized

12 Penman-Monteith, Hargreaves-Samani and Priestley-Taylor). Also, a comparative analysis of the daily and the hourly reference evapotranspiration estimated by using the FAO-5 Penman- Monteith method and the ASCE-standardized Penman-Monteith was done. The daily and the hourly data are referred to the months of January, April, July and October by the years of 1997,199,7 and. Finally, an attempt for a sensitivity analysis of the variables that influence in the reference evapotranspiration estimation, by using the methods mentioned above, was done.

13

14 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. ΓΕΝΙΚΑ Η ιστορική πορεία του ανθρώπου άλλαξε όταν άρχισε να ασχολείται με τη γεωργία εγκαταλείποντας τη νομαδική ζωή και εγκαθιστόμενος μόνιμα σε έναν τόπο. Έτσι άρχισε να χρησιμοποιεί τους φυσικούς πόρους. Ο πρώτος φυσικός πόρος που διαπιστώθηκε ότι μεγάλωνε σημαντικά τη γεωργική παραγωγή ήταν το νερό. Έτσι, την τέταρτη προ Χριστού χιλιετία, στη Μεσοποταμία, χρησιμοποιώντας τα νερά του Τίγρη και του Ευφράτη εφαρμόστηκαν αρδεύσεις στις καλλιέργειες. Αποκορύφωμα της τεχνικής των αρδεύσεων που εφαρμόσθηκε είναι οι κρεμαστοί Κήποι της Βαβυλώνας, ένα από τα Επτά θαύματα του Αρχαίου κόσμου. Για τα φυτά η παρουσία του νερού κρίνεται αναγκαία για την ύπαρξη και την ανάπτυξή τους. Είναι απαραίτητο για τη δομική ακεραιότητα των μορίων τους και κατ επέκταση των κυττάρων, των ιστών και του φυτικού οργανισμού σαν συνόλου γενικά. Η παρουσία του επίσης παίζει ζωτικό ρόλο στη διαδικασία της θρέψης, καθώς μεταφέρει διαλυμένα σ αυτό θρεπτικά συστατικά από το έδαφος στο σώμα του φυτού. Στο χώρο της γεωργίας ένα μέρος των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό καλύπτεται από τις βροχοπτώσεις. Η επί πλέον απαιτούμενη ποσότητα νερού δίνεται στις καλλιέργειες από διάφορες πηγές υπό την μορφή των αρδεύσεων. Με τις αρδεύσεις επιδιώκεται η διατήρηση της υγρασίας σε ορισμένα όρια. Υπέρβαση των ορίων αυτών μπορεί να αποβεί επιζήμια για τα φυτά, όπως επίσης και η πτώση της εδαφικής υγρασίας κάτω από τα επιτρεπτά επίπεδα, μπορεί να επιφέρει μαρασμό και τελικά θάνατο των φυτών. Είναι επομένως αναγκαίος ο ακριβής προσδιορισμός των αναγκών σε νερό των καλλιεργειών. Αντικειμενικός σκοπός της άρδευσης είναι ο εφοδιασμός των καλλιεργειών με το απαραίτητο νερό για την κανονική ανάπτυξη και βέλτιστη απόδοσή τους, σε συνδυασμό με υψηλή ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Η ποσοτική εκτίμηση του νερού αυτού αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για τη σωστή εφαρμογή και τον προγραμματισμό των αρδεύσεων, όπως επίσης και για τη μελέτη και σχεδιασμό των αρδευτικών δικτύων. Ένα καλλιεργούμενο χωράφι χάνει νερό προς την ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της διαπνοής από τα στόματα των φύλων των φυτών και της εξάτμισης από την επιφάνεια του εδάφους. Ακόμη, μετά από βροχή ή άρδευση με καταιονισμό, το νερό που συγκρατείται από το υπέργειο μέρος των φυτών εξατμίζεται προς την ατμόσφαιρα. Δηλαδή, εξάτμιση είναι η φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό μεταπίπτει στην αέρια φάση. Ενώ διαπνοή είναι η διαδικασία κατά την οποία το νερό απομακρύνεται από το έδαφος, μέσω των ριζών των φυτών και στη συνέχεια μετακινείται από το εσωτερικό του φυτού προς την επιφάνεια των φύλλων, από όπου μεταφέρεται στην ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της εξάτμισης. 1

15 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Αθροιστικά, το νερό που μετακινείται προς την ατμόσφαιρα, με τη μορφή υδρατμών, από ένα καλλιεργημένο χωράφι, με διαπνοή από τα φυτά, εξάτμιση από το έδαφος και εξάτμιση από το φύλλωμα όταν αυτό είναι υγρό, αναφέρεται ως εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ). 1.. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Το νερό, ως γνωστόν είναι απαραίτητο για την ύπαρξη της ζωής και χρησιμοποιείται σε κάθε τομέα της ανθρώπινης δραστηριότητας, αποτελεί έναν υπό περιορισμό, φυσικό πόρο. Τα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της διαθεσιμότητας των υδατικών πόρων έχει ενταθεί, γεγονός που επιβάλει την ορθολογική διαχείρισή τους. Κύριος χρήστης των υδατικών αποθεμάτων αποτελεί, σε παγκόσμιο επίπεδο, ο γεωργικός τομέας και κατά συνέπεια είναι λογικό, στα πλαίσια της προστασίας των υδατικών πόρων, να δίνεται ιδιαίτερη σημασία στη σωστή διαχείρισή του, ως προς την κάλυψη των αγροτικών αναγκών σε νερό. Οι σημαντικότερες πιέσεις που δέχεται η γεωργία αφορούν τους υδατικούς πόρους. Η αρδευόμενη γεωργία είναι αυτή του χρησιμοποιεί περίπου το % των διαθέσιμων υδατικών πόρων, και συχνά θεωρείται υπεύθυνη για τη διατάραξη των υδατικών ισοζυγίων διαφόρων περιοχών και τη δημιουργία έλλειψης νερού. Ως εκ τούτου, οι υπόλοιποι καταναλωτές απαιτούν από τον κύριο καταναλωτή του νερού επιπλέον ποσότητες. Δεδομένης της αναντιστοιχίας μεταξύ του όγκου νερού που χρησιμοποιείται πραγματικά και εκείνου που απαιτείται από τις καλλιέργειες, για τα ίδια επίπεδα απόδοσης, παρουσιάζεται μια σπατάλη νερού, η οποία πρέπει να μηδενισθεί. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα ποσά που χρησιμοποιούνται στη γεωργία είναι τεράστια, υπάρχουν σημαντικά περιθώρια εξοικονόμησης νερού που μπορούν να επιτευχθούν με την ορθολογική διαχείριση του νερού στη γεωργία. Η ορθολογική χρήση του νερού είναι μια αναγκαιότητα κυρίως σε περιοχές με έλλειψη νερού. Στην αναπτυγμένη γεωργία, οι απώλειες της παραγωγής λόγω μη σωστής θρέψης ή φυτουγείας έχουν μειωθεί σημαντικά, ενώ αυτές που έχουν σχέση με τη διαθεσιμότητα του νερού άρδευσης συνεχίζουν να είναι μεγαλύτερες από τις απώλειες που προκαλούνται από όλες τις άλλες αιτίες συνολικά (Passioura, ). Γι αυτό τα τελευταία χρόνια γίνονται σημαντικές προσπάθειες προκειμένου να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα του νερού άρδευσης μέσω καλύτερης διαχείρισης. Ο αγρότης, ως τελικός χρήστης του νερού, αρδεύει εμπειρικά και για να αισθάνεται ασφαλής τείνει να αυξήσει την ποσότητα του νερού άρδευσης, ιδιαίτερα όταν το κόστος του είναι χαμηλό. Σαν αποτέλεσμα, περίπου το % του εφαρμοζόμενου κατά την άρδευση νερού χάνεται. Για να σταματήσει η εμπειρική άρδευση, πρέπει να γίνεται επιστημονικά ο ακριβής υπολογισμός των αναγκών της καλλιέργειας σε νερό και οι υπολογισμένες ποσότητες νερού να εφαρμόζονται στην πράξη, με ένα σχεδιασμό άρδευσης. Οι καθαρές απαιτήσεις μιας καλλιέργειας σε νερό, ποσοτικά εκφράζονται μέσα από τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής της κάθε καλλιέργειας με διάφορες μεθοδολογίες. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η συγκριτική ανάλυση των διαφόρων μεθόδων εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, η τοπική προσαρμογή των εμπειρικών συντελεστών στη σχέση

16 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή εκτίμησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας καθώς και η ανάλυση ευαισθησίας μερικών από τις μεταβλητές που υπεισέρχονται σε αυτές ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Η διατριβή αυτή αποτελείται από επτά Κεφάλαια και δύο Παραρτήματα. Στο παρόν Κεφάλαιο δίνονται, ο σκοπός της διατριβής, η δομή της διατριβής και η γενική βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι κύριοι ορισμοί της εξατμισοδιαπνοής καθώς και οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Στο 3 ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται όλες οι χρησιμοποιούμενες στην παρούσα διατριβή μέθοδοι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Στο ο Κεφάλαιο γίνεται αναλυτική παρουσίαση των κλιματικών παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στις εξισώσεις υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Στο 5 ο Κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή του Αυτόματου Μετεωρολογικού Σταθμού της Πιπεριάς καθώς και λεπτομερής αναφορά των μετεωρολογικών οργάνων του σταθμού. Επίσης γίνεται παρουσίαση υπό μορφή συγκεντρωτικών διαγραμμάτων των μετεωρολογικών παραμέτρων που καταγράφηκαν σ αυτόν. Στο ο Κεφάλαιο δίνονται τα αποτελέσματα, τα οποία περιλαμβάνουν έλεγχο των εμπειρικών σχέσεων εκτίμησης των κλιματικών παραμέτρων, βελτίωση των εμπειρικών συντελεστών που συμμετέχουν στις σχέσεις εκτίμησης της καθαρής ακτινοβολίας καθώς και σύγκριση των διαφόρων σχέσεων εκτίμησης της πίεσης των κορεσμένων υδρατμών. Γίνεται υπολογισμός και σύγκριση της ημερήσιας και της ωριαίας εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, όπως αυτές υπολογίστηκαν με τις μεθόδους που αναφέρονται στο 3 ο Κεφάλαιο. Πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας των μεθόδων αυτών ως προς την καθαρή ακτινοβολία, την πίεση κορεσμένων υδρατμών και τη ροή θερμότητας προς το έδαφος. Επιπλέον στην τροποποιημένη μέθοδο Penman κατά FAO-, εξετάζεται η ορθότητα του λόγου της ταχύτητας του ανέμου που παίρνεται ίση με δύο, σε σχέση με τις μετρημένες τιμές. Για την ίδια μέθοδο εξετάζεται η επίδραση του των διαφόρων σχέσεων που προτείνονται για τον υπολογισμό του παράγονται c, ενδεικτικού της διαφοράς των συνθηκών που υπάρχουν μεταξύ ημέρας και νύχτας, στην εκτιμούμενη εξατμισοδιαπνοή αναφοράς. Επίσης εξετάζεται η επίδραση της ενεργειακής και της αεροδυναμικής συνιστώσας στο σύνολο της εξατμισοδιαπνοής. Για τη μέθοδο Priestley-Taylor, γίνεται επαναπροσδιορισμός του συντελεστή μεταγωγής apt. Ακολουθεί η σύγκριση μεταξύ των μεθόδων εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς. Τέλος, γίνεται μία προσπάθεια ανάλυσης ευαισθησίας των μεθόδων εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς όταν οι μεταβλητές που τις επηρεάζουν αυξομειώνονται κατά 1% και %. Στο 7 ο Κεφάλαιο περιλαμβάνονται η ανασκόπηση της διατριβής, τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα διατριβή, καθώς και προτάσεις για συνέχιση και επέκταση της έρευνας. Στο Παράρτημα Ι γίνεται παρουσίαση των συμβόλων που χρησιμοποιούνται στις σχέσεις υπολογισμού των κλιματικών παραμέτρων και της εξατμισοδιαπνοής. 3

17 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Στο Παράρτημα ΙΙ δίνονται οι μονάδες μέτρησης των διαφόρων κλιματικών παραμέτρων και οι συντελεστές μετατροπής των μονάδων αυτών. 1.. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Η επίδραση των διαφόρων μετεωρολογικών μεταβλητών στις καλλιέργειες είναι ένα πολυσύνθετο φαινόμενο καθώς απαιτούνται γνώσεις φυσικής της ατμόσφαιρας και γνώσεις φυσιολογίας των φυτών. Έτσι για τις πιο πολλές από τις κλιματικές μεταβλητές υπάρχει βιβλιογραφία από ερευνητές της φυσικής της ατμόσφαιρας. Για τις διάφορες ατμοσφαιρικές μεταβλητές έχουν ασχοληθεί: ο Brunt (195) για τη ψυχρομετρική σταθερά, ο Harrison (193) για τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης, ο List (19) για την ατμοσφαιρική πίεση. Για την υγρασία του ατμοσφαιρικού αέρα και τις διάφορες παραμέτρους της έχουν παρουσιάσει εργασίες οι Tetens (193), Murray (197), Smith et al. (1991), Μπαλτάς (). Η μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος έχει εξετασθεί από τους Monin and Obukhov (195), Lumley and Panofsky (19), Tennekes (1973), Thomson et al. (191) και Allen et al. (199). Η ηλιακή σταθερά εκτιμήθηκε αρχικά από τους Laue and Drummond (19) και η τιμή της τροποποιήθηκε αργότερα από τους Frohlich (1977), London and Frohlich (19) και Lean (199). Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε κάθετη επιφάνεια στο απώτερο άκρο της ατμόσφαιρας και ονομάζεται εξωγήινη ακτινοβολία δόθηκε από τους Duffie and Beckman (19,1991,) για ημερήσιες και ωριαίες (ή και μικρότερη χρονική περίοδο) τιμές. Η ηλιακή ακτινοβολία ολικής αιθρίας αρχικά είχε εκτιμηθεί από τη σχέση των Monteith and Unsworth (199), ενώ το 199 οι Allen et al. έδωσαν μια σχέση υπολογισμού που στηρίζεται στη διαδρομή που διανύει η ηλιακή ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα και μια σχέση που στηρίζεται σε προηγούμενες εργασίες των Majumdar et al. (197), Boes (191), Erbs et al. (19) και Reindl et al. (199). Ο υπολογισμός της καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας στηρίζεται σε εργασίες των Brunt (1939, 195), Penman (19), Doorenbos and Pruitt (1977), Irmak et al. (3), Γεωργίου και Παπαμιχαήλ (). Η εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας αποτελεί βασικό στοιχείο σε διάφορα είδη μελετών. Έτσι πολλοί είναι οι ερευνητές που ασχολήθηκαν με αυτό το αντικείμενο και με διαφορετικές θεωρήσεις. Οι πιο πολλές σχέσεις στηρίχθηκαν στη γραμμική μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας με τη διάρκεια ηλιοφάνειας που παρουσίασε ο Αngstrom (19). Τέτοιες σχέσεις είναι των Prescott (19), Penman (19), Fritz and Mc Donald (199), Black et al. (195), Page (191), Duffie and Smith (19), Linacre (197), Rijks and Huxley (197), Baars (1973), Doorenbos and Pruitt (1977), Φλόκας (19, 19), Naragaja Rao et al. (19), Massaquoi (197), Louche et al. (1991), Karsten (199), Λαλάγκα (1997), Halawa and Sugiyatno (1), Zenkai (1), Udo (), Trnka et al. (3), Akpabio and Εtuk (3), Ahmad and Ulfat (), Tiba et al. (5), Akbari et al. (), Άμπας και Μπαλτάς (, 7), Yin et al. (), Almorox et al. (). Την εφαρμογή σε μηνιαία βάση της σχέσης των Αngstrom - Prescott με υπολογισμό αντίστοιχων μηνιαίων τιμών χρησιμοποίησαν οι Μακρής (1959), Dogniaux and Lemoine (193), Σαχσαμάνογλου και Μακρογιάννης (19), Soler (199), Πανώρας και Μαυρουδής (199),

18 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Hussain (1999), Dallacort et al. (), Almorox et al. (5), Todorova (), Yen et al. (). Οι Klabzuba et al. (1999) παρουσίασαν μια σχέση που στηρίζεται στην ημέρα του έτους. Τοπογραφικοί παράγοντες προστέθηκαν στις σχέσεις υπολογισμού της ηλιακής ακτινοβολίας από τους Glover and McCulloh (195), Dogniaux and Lemoine (193), Kiliç and Öztürk (193), Gopinathan (19), Luwalira (199), Nasitwitwi et al. (), Chen et al. (). Την προσθήκη και άλλων κλιματικών παραγόντων εκτός της σχετικής ηλιοφάνειας πρότειναν οι Swartman and Ogunlade (197), Sabbagh et al. (1977), Rietveld (197), Gariepy (19), Garg and Garg (19), Lewis (193), Barra (193), Ojosu and Komolafe (197), Abdall (199), Ododo et al. (1995), Oduro-Afriyie (1995), Ertekin and Yaldiz (1999), Togrul and Onat (1999), Chen et al. (), Chandel et al. (5). Μη γραμμική σχέση για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας από τη διάρκεια ηλιοφάνειας έδωσαν οι Ögelman et al. (19), Zabara (19), Akinoglu and Ecevit (199), Wahab (1991), Bahel (197), Samuel (1991), Badescu (1999), Ampratwum and Dorvlo (1999), Jin et al. (5), El Metwally (5), Chen et al. (). Ο Hay (1979) τροποποίησε τη θεωρητική ηλιοφάνεια για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι Jain (19, 19) και Ramachandra and Subramanian (1997) χρησιμοποίησαν την τροποποιημένη θεωρητική ηλιοφάνεια. Νευρωνικά δίκτυα για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας εφάρμοσαν οι Santamouris et al. (1999), Reddy and Ranjan (), Soares et al. (), Elminir et al. (), Tymvios et al. (5). Σημαντικές εργασίες αξιολόγησης των σχέσεων υπολογισμού της ηλιακής ακτινοβολίας έκαναν οι Εrtekin and Yaldiz (), Almorox and Hontoria (), Mubiru (7), Menges et al. (), Yorukoglu and Celik (), Ampas et al. (7), Evrendilek and Ertekin (7, ). Εργασίες για την ωριαία ηλιακή ακτινοβολία παρουσίασαν οι Revfeim (1997), Yang et al. () και Ampas and Baltas (7). Σχέσεις για την εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας από το ημερήσιο θερμοκρασιακό εύρος σχέσεις παρουσίασαν οι Hargreaves and Samani (19), Hargreaves (193), Bristow and Campbell (19), Donatelli and Campbell (199), Irizarry-Ortiz (3). Με τη ροή της αισθητής θερμότητας στο έδαφος, έχουν ασχοληθεί οι Wijk and de Vries (193), Wright and Jensen (197), Wright (19), Clothier et al. (19), Choudhury et al. (197) και Allen (199), Allen et al. (199), Παπαμιχαήλ και Γεωργίου (1999), S.R.E.T.C. της ASCE το 5 και Antonopoulos (). Ανάλυση συχνότητας για το μέγεθος ακραίων γεγονότων έχει κάνει ένα πλήθος ερευνητών. Χαρακτηριστικές είναι οι εργασίες των Flocas and Angouridakis (1979), Παπαζαφειρίου (199), Παπαμιχαήλ (199), Τσακίρης (1995), Γεωργίου (), Dorner (5). Με τη διαχείριση των υδατικών πόρων, στην οποία σημαντικό ρόλο παίζει η κατανάλωση νερού από τα φυτά, ασχολήθηκαν οι Mimikou and Baltas (1997), Mimikou et al. (1999) Mimikou et al. (), Varanou et al. (), Άμπας (3), Σπυρίδης και Άμπας (), Άμπας (), Sofios et al. (). Οι πρώτοι ερευνητές που ασχολήθηκαν με την εξατμισοδιαπνοή ήταν οι Mead (17), Mills (195), Buffum (19), Briggs and Shantz (1913, 191), Penman (19), Budyko (19), Jensen (19), Monteith (1973). Την επίδραση επί της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής της φυτικής 5

19 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή καλλιέργειας δίνουν οι φυτικοί συντελεστές. Τέτοιους φυτικούς συντελεστές έχουν δώσει οι Doorenbos και Pruitt (1977), Αθανασιάδης (1979), Burman et al. (19, 193), Wright (191, 19), Παπαζαφειρίου (1991, 1999) και Allen et al. (199). Η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς είναι ένα αντικείμενο με το οποίο ασχολήθηκαν πολλοί ερευνητές και αναπτύχθηκαν πολλές μέθοδοι υπολογισμού, όπως οι Monteith (195,195), Wright and Jensen (197), Jensen (197), Doorenbos and Pruitt (1977), Perrier (197), Wright (19), Jensen et al. (199), Allen et al. (199) και ASCE (5). Η πρώτη μέθοδος ευρείας αποδοχής είναι η μέθοδος Blaney-Criddle. Εργασίες που σχετίζονται με τη μέθοδο αυτή έκαναν οι Blaney and Morin (19), Blaney and Criddle (195, 19), Blaney et al. (195), Pruitt (19), USDA (197), Doorenbos και Pruitt (1977), Shih et al. (191), Frevert et al. (193), Allen and Pruitt (19), Allen and Pruitt (1991), Πανώρας και Μαυρουδής (199), Trajkovic et al. (), Jacobs (1), Άμπας κ.α. (7). Σημαντική είναι η μέθοδος του Makkink (Makkink, 1957, Doorenbos and Pruitt, 1977). Η μέθοδος Penman (193) βρήκε σημαντική απήχηση, εργασίες πάνω στη μέθοδο αυτή είναι των Doorenbos και Pruitt (1977), Weiss (19), Frevert et al. (193), Castrignano et al. (195), Pruitt and Swann (19), Allen et al. (199), Jensen et al. (199), Παπαζαφειρίου (199, 199), Allen and Pruitt (1991), Tarantino (1991), Πανώρας και Μαυρουδής (199), Papamichail and Terzidis (1997), Γεωργίου κ.α. (), Valiatzas (), Gianniou and Antonopoulos (7). Ο Monteith (191) παρουσίασε μια τροποποιημένη σχέση του Penman η οποία έχει γίνει η μέθοδος που προτείνεται από την επιτροπή των εμπειρογνωμόνων του FAO αλλά και από την ASCE. Εργασίες που οδήγησαν στη διαμόρφωση της μεθόδου και στην οριστικοποίηση των παραμέτρων της είναι αυτές των Μonteith (195), Rijtema (195), Brutsaert (1975), Perrier et al. (19), Perrier (19), Katarji and Perrier (193), Sharma (195), Watts and Hancock (195), Hatfield and Fucks (199), Pereira and Smith (199), Smith et al. (1991), Allen et al. (199), Allen et al. (199), Jensen et al. (199), Alexandris and Kerkides (3), Alexandris et al. (), Aschonitis and Antonopoulos () και Moteva and Stoyanova (). Η εμπειρική μέθοδος του Hargreaves (1975) χρησιμοποιώντας μόνο θερμοκρασιακά δεδομένα έδινε εξαιρετικά αποτελέσματα σύμφωνα με αξιολογήσεις άλλων ερευνητών για πολλά μέρη της γης. Έτσι λόγω της μικρών απαιτήσεων σε δεδομένα έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές όπως Knapp (19) Jensen et al. (199, 1997), Allen (1993, 1995), Allen et al. (199), Samani (), Droogers and Allen (), Allen et al. (), Hargreaves and Allen (3), Vanderlinden et al. (), Lopez-Urrea et al. (), Trajkovic (7), Davidov and Stoyanova (), Stoyanova (9), Stoyanova and Gospodinov (9), Χατζηγιαννάκης κ.α. (9) και Ράπτη κ.α. (9). Η ανάλυση ευαισθησίας των διαφόρων μοντέλων είναι σημαντική ανάλυση και γίνεται για τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων σε ένα μοντέλο. Σημαντικές εργασίες έχουν κάνει, κυρίως πάνω σε υδρολογικές εφαρμογές, οι ΜcCuen (1973, 197), Saxton (1975), Coleman and DeCoursey (197), Beven (1979), Smajstrla et al. (197), Sohrabi et al. (19), Piper (199), Μπαμπατζιμόπουλος κ.α. (199), McKenney and Rosenberg (1993), Ley et al. (199), Άμπας (199, 199), Rana and Kateji (199), Rudra et al. (1), Eitzinger et al. (), Rim (), Fitzmaurice and Beswick (5), Nandagiri and Kovoor (5), Gong et al. (), Kisi (),

20 Κεφάλαιο 1 : Εισαγωγή Irmak et al. (), Ampas and Baltas 7, 9), Thornley and France (7), Saltelli et al. (), Yin et al. (), Liang et al. (), Άμπας κ.α. (9) Ampas et al. (9). 7

21 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ο ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ ΤΩΝ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΩΝ.1. ΥΔΑΤΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ Το νερό είναι σήμερα ένα από τα βασικότερα εργαλεία ανάπτυξης της οικονομίας και ίσως το πολυτιμότερο αγαθό για την ίδια την ύπαρξη των ανθρώπων. Αποτέλεσε και αποτελεί συγκριτικό πλεονέκτημα ανάπτυξης μιας περιοχής, λειτουργώντας συμπληρωματικά με τους άλλους φυσικούς πόρους. Είναι παράγοντας που καθορίζει αφενός την ποιότητα του περιβάλλοντος και αφετέρου τη δυνατότητα ή αδυναμία επέκτασης των παραγωγικών δραστηριοτήτων, και επομένως επιβάλλει νέα, σύγχρονη αντιμετώπιση, σύμφωνα με τις εξειδικευμένες ανάγκες της χώρας και τις διακυρήξεις και τα πρότυπα των διεθνών οργανισμών. Αν και το νερό αποτελεί το.5% του βάρους της Γης, το 75% περίπου της επιφάνειας της λιθόσφαιρας καλύπτεται από νερό. Αλλά από το νερό που υπάρχει στη Γη, το 97% είναι αλμυρό και βρίσκεται στους ωκεανούς, ενώ το γλυκό νερό είναι μόνο το 3%. Από αυτό, το.15% παραμένει στους παγετώνες και στους δύο πόλους, το.1% στην ατμόσφαιρα, το.35% σε υπόγειους υδροφόρους ορίζοντες και το υπόλοιπο σε ποτάμια, λίμνες και υδροβιοτόπους. Από τις τεράστιες αυτές ποσότητες νερού μόνο το 1% είναι διαθέσιμο για πόσιμο νερό. Επίσης, σημαντικές ποσότητες νερού υπάρχουν με τη μορφή υδριτών με πυριτικά άλατα και οξείδια μετάλλων της λιθόσφαιρας. Από τα ανωτέρω και μόνο γίνεται κατανοητό ότι το γλυκό νερό ως φυσικός πόρος βρίσκεται σε ανεπάρκεια. Όμως το νερό αποτελεί βασικό στοιχείο του κύκλου ζωής των φυτών και κάθε ζωντανού οργανισμού στη γη, γιατί το έχουν ανάγκη για να αναπτυχθούν και να επιβιώσουν (Βαλαβανίδης και Βλαχογιάννη, 11). Στην Ελλάδα, οι υδρολογικές και γεωμορφολογικές ανισότητες, σε συνδυασμό με τη χρονική αντιστροφή της κατανομής της ζήτησης και της υπερσυγκέντρωσής της σε περιορισμένους χώρους με ασήμαντους υδατικούς πόρους, δεν ευνοούν την κάλυψη των αναγκών στις διάφορες χρήσεις του νερού. Η κρισιμότητα των θεμάτων διαχείρισης υδατικών πόρων εντείνεται από τις επιλογές που γίνονται χωρίς σχεδιασμό και πρόβλεψη, με υποτίμηση των προβλημάτων ποιότητας και ποσότητας των υδατικών πόρων. Τα διαθέσιμα υδατικά αποθέματα διαρκώς μειώνονται και η δυνατότητα ανεύρεσης νέων πηγών καλής ποιότητας έχει περιορισθεί σημαντικά. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, η εξοικονόμιση των υδατικών πόρων αποκτά μεγάλη σημασία, ιδιαίτερα στη γεωργία που αποτελεί τον κύριο χρήστη νερού σε παγκόσμιο επίπεδο, εκκινώντας από ένα επίπεδο 7%, που φτάνει σε ένα επίπεδο του % στις χώρες της Μεσογείου. Στη χώρα μας ανέρχεται στο ύψος του 7.5% (Παπαμιχαήλ, ). Σε νεότερα στοιχεία που έδωσε το ΥΠΕΧΩΔΕ το φαίνεται ότι το συντριπτικά μεγάλο ποσοστό των καταναλωτικών χρήσεων του νερού (>%) ανήκει στην άρδευση(πίνακας.1). Αυτό το ποσοστό, που είναι μεγαλύτερο σε σχέση με κάθε άλλη ευρωπαϊκή χώρα, έχει θεωρηθεί

22 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών από πολλούς ως δείκτης της κυριαρχίας της αγροτικής παραγωγής στην χώρα. Το ποσοστό αυτό, καθώς και οι διαφοροποιήσεις σε σχέση με άλλες ευρωπαϊκές χώρες, επιβάλλονται από φυσικούς παράγοντες και κυρίως από την κλιματολογία της χώρας. Πίνακας.1: Ετήσια ζήτηση νερού κατά καταναλωτική χρήση και υδατικό διαμέρισμα το έτος (hm 3 ) (Πηγή : ΥΠΕΧΩΔΕ, ) Στις χώρες του Βορρά, λόγω χαμηλότερων θερμοκρασιών και υψηλότερου ύψους βροχής το καλοκαίρι, οι αρδευτικές ανάγκες είναι πολύ περιορισμένες ή και μηδενικές. Στις χώρες του Νότου, όπως και στην Ελλάδα, οι αρδευτικές ανάγκες είναι μεγαλύτερες. Όπως, χαρακτηριστικά φαίνεται στο Σχήμα.1, στη χώρα μας το ποσοστό της αρδευόμενης έκτασης επί της συνολικής ξεπερνά κατά πολύ τον ευρωπαϊκό μέσο όρο, αλλά και εκείνο των μεσογειακών χωρών της Ευρώπης. 9

23 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών Σχήμα.1: Αρδευόμενη επιφάνεια ως ποσοστό της συνολικής για διάφορες χώρες της Ευρώπης. (Πηγή: ΥΠΕΧΩΔΕ,). Στην Ελλάδα η αύξηση των αρδευόμενων εκτάσεων υπήρξε ραγδαία κατά τα τελευταία 5 χρόνια. Εκτιμάται ότι κατά τη διάρκεια του 19 οι αρδευόμενες εκτάσεις ήταν -.5 εκατομμύρια στρέμματα και σήμερα ξεπερνούν τα 13 εκατομμύρια (Παπαμιχαήλ,). Αυτό συντέλεσε στην αλματώδη αύξηση της γεωργικής παραγωγής, αφού η μεταροπή των ξηρικών εκτάσεων σε αρδευόμενες, αύξησε την παραγωγή και κατ επέκταση το εισόδημα των αγροτών. Γενικά το υφιστάμενο καθεστώς σήμερα στον τομέα των αρδεύσεων χαρακτηρίζεται από την κατασπατάληση της χρήσης των υδατικών πόρων. Η κυριότερη αιτία ύπαρξης αυτού του φαινομένου είναι ο μη ακριβής προσδιορισμός των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό. Άλλες αιτίες απωλειών νερού είναι ο τρόπος μεταφοράς του νερού προς τα αγροτεμάχια και η μεθοδολογία εφαρμογής του. Η αρδευόμενη γεωργία θεωρείται υπεύθυνη για την αύξηση της ζήτησης νερού που προκάλεσε την διατάραξη των υδατικών ισοζυγίων παγκοσμίως. Σήμερα αποτελεί στόχο η μεγαλύτερη δυνατή εξοικονόμηση νερού στην άρδευση. Η ποσότητα του νερού που καταναλώνεται συνήθως δεν αντιστοιχεί στην πραγματική ανάγκη σε νερό των καλλιεργειών, με αποτέλεσμα τη σπατάλη αυτού. Σκοπός της άρδευσης είναι ο εφοδιασμός των καλλιεργειών με το απαραίτητο νερό για την κανονική ανάπτυξη και βέλτιστη απόδοσή τους, σε συνδυασμό με υψηλή ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Οι καθαρές απαιτήσεις μιας καλλιέργειας σε νερό, ποσοτικά εκφράζονται μέσα από τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής. Με το υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής επιτυγχάνεται η ακριβής γνώση των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό, που συμβάλλει σημαντικά στην ορθολογική διαχείριση των υδατικών πόρων. 1

24 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών.. ΟΡΙΣΜΟΙ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ Υπολογισμοί και μετρήσεις της εξατμισοδιαπνοής που έχουν γίνει κατά καιρούς χρησιμοποιούν διάφορους τρόπους και μεθοδολογίες. Αξιοποίηση των ιστορικών δεδομένων ή συγκρίσεις δεν είναι δυνατές, αν προηγουμένως δεν ξεκαθαριστεί τι ακριβώς αντιπροσωπεύουν. Για το λόγο αυτό και για την εύρεση ενός κοινού παρονομαστή, είναι χρήσιμο να παρατεθούν οι ορισμοί που είναι σε κοινή χρήση και αναφέρονται στις διαδικασίες μέτρησης και υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής. Παρακάτω δίνεται ομαδοποίηση των ορισμών όπως δόθηκαν από τους Doorenbos and Pruitt(1977), Jensen et al.(199), Παπαζαφειρίου (1999), Παπαμιχαήλ () κ.α. Εξάτμιση είναι η φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό μεταπίπτει στην αέρια φάση. Διαπνοή είναι η διαδικασία κατά την οποία το νερό απομακρύνεται από το έδαφος, μέσω των ριζών των φυτών και στη συνέχεια μετακινείται από το εσωτερικό του φυτού προς την επιφάνεια των φύλλων, από όπου μεταφέρεται στην ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της εξάτμισης. Δυναμική εξάτμιση, Εp, είναι η εξάτμιση από μία επιφάνεια όπου όλες οι επαφές της με την ατμόσφαιρα είναι υγρές, έτσι που δεν υπάρχει κανένας περιορισμός της έντασης της εξάτμισης που να οφείλεται στην επιφάνεια. Το μέγεθος της Εp εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τις συνθήκες που επικρατούν στην ατμόσφαιρα και την ανακλαστικότητα της επιφάνειας, αλλά παραλλάσσει ανάλογα με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας όπως είναι η αεροδυναμική τραχύτητα. Εξατμισοδιαπνοή, ΕΤ, είναι η συνδυασμένη διαδικασία με την οποία νερό μεταφέρεται προς την ατμόσφαιρα με τη διαπνοή από τα φυτά και την εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους και την επιφάνεια των φύλλων όταν αυτά είναι υγρά. Δυναμική εξατμισοδιαπνοή, ΕΤp, είναι η ένταση (ρυθμός) με την οποία το νερό, κάτω από συνθήκες πλήρους διαθεσιμότητας, απομακρύνεται από το υγρό έδαφος και τις φυτικές επιφάνειες. Η δυναμική εξατμισοδιαπνοή εκφράζεται είτε σαν ροή λανθάνουσας θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας, λετp, είτε σαν ισοδύναμο πάχος εξατμιζόμενου νερού ανά μονάδα χρόνου, ΕΤp. Εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς (ή βάσική εξατμισοδιαπνοή), ΕΤο, είναι η ένταση με την οποία νερό, εφόσον είναι άμεσα διαθέσιμο, απομακρύνεται από τις εδαφικές και φυτικές επιφάνειες μιας καλλιέργειας αναφοράς. Καλλιέργειες αναφοράς είναι ο χορτοτάπητας με ομοιόμορφο ύψος -15 cm ή η μηδική με μέσο ύψος 5 cm. Οι επιφάνειες των φύλλων της καλλιέργειας αναφοράς, τυπικά, δεν είναι υγρές. Η εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς ή απλώς εξατμισοδιαπνοή αναφοράς εκφράζεται είτε σαν ροή λανθάνουσας θερμότητας ανά μονάδα επιφάνειας, λετο, είτε σαν ισοδύναμο πάχος εξατμιζόμενου νερού ανά μονάδα χρόνου, ΕΤο. Εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας, ΕΤc, είναι η ένταση με την οποία νερό, εφόσον είναι άμεσα διαθέσιμο, απομακρύνεται από τις εδαφικές και φυτικές επιφάνειες μιας καλλιέργειας που αναπτύσσεται δυναμικά (είναι δηλαδή ελεύθερη από ασθένειες και οποιουσδήποτε άλλους παράγοντες ανασχετικούς της ανάπτυξης και έχει στη διάθεσή της όλα τα απαιτούμενα θρεπτικά συστατικά) και επιτυγχάνει το μέγιστο της ανάπτυξης και απόδοσης, κάτω από τις συγκεκριμένες 11

25 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών συνθήκες περιβάλλοντος, στο οποίο αναπτύσσεται. Η συνήθης έκφραση της είναι σε ισοδύναμο πάχος εξατμιζόμενου νερού ανά μονάδα χρόνου. Πολλές φορές η ΕΤc αναφέρεται και σαν μέγιστη εξατμισοδιαπνοή ΕΤmax. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας, ΕΤa, είναι η ένταση με την οποία νερό απομακρύνεται από τις εδαφικές και φυτικές επιφάνειες μιας καλλιέργειας που αναπτύσσεται κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες ενός χωραφιού (πλήρης ή μερική διαθεσιμότητα νερού και θρεπτικών στοιχείων, προσβολή ή μη από ασθένειες κλπ.). Εκφράζεται σαν ισοδύναμο πάχος εξατμιζόμενου νερού ανά μονάδα χρόνου. Είναι προφανές ότι ΕΤα ΕΤc..3. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ Η εξατμισοδιαπνοή εξαρτάται από κλιματικούς παράγοντες, από φυτικούς και εδαφικούς παράγοντες και παράγοντες διαχείρισης και περιβαλλοντικών συνθηκών. Οι κλιματικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών είναι: 1) Θερμοκρασία ) Υγρασία 3) Ακτινοβολία )Ταχύτητα ανέμου Σχήμα. Παράγοντες που επηρεάζουν την εξατμοδιαπνοή σε σχέση με τις ανάλογες έννοιες της εξατμοδιαπνοής (Πηγή: Allen et al., 199). 1

26 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών Οι φυτικοί και εδαφικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών είναι: 1) Φυτικό είδος ) Ανακλαστικότητα της καλλιέργειας 3) Ποσότητα κάλυψης του εδάφους από την καλλιέργεια ) Ύψος καλλιέργειας και τραχύτητα φυλλώματος 5) Βάθος και πυκνότητα ριζικού συστήματος ) Στάδιο ανάπτυξης της καλλιέργειας Οι παράγοντες διαχείρισης και περιβαλλοντικών συνθηκών που επηρεάζουν την εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών είναι: 1) Εδαφική αλατότητα ) Μικρή γονιμότητα 3) Περιορισμένη εφαρμογή λιπασμάτων ) Η παρουσία αδιαπέρατων εδαφικών οριζόντων 5) Η έλλειψη φυτοπροστασίας. ) Η εδαφική υγρασία.. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΕΡΕΥΝΩΝ ΣΤΗΝ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ Πρώτη συστηματική μελέτη εκτίμησης των αναγκών σε νερό των καλλιεργειών μπορεί να θεωρηθεί αυτή του Mead (17) στο Colorado των ΗΠΑ, ο οποίος άρχισε πειράματα άρδευσης στο σιτάρι, το κριθάρι, τη σίκαλη, το καλαμπόκι και κάποια κηπευτικά, το καλοκαίρι του 17. Ο Mills (195) άρχισε παρόμοια πειράματα στη Utah των ΗΠΑ από το 19. Ο Buffum (19) παρουσίασε συνοπτικά αποτελέσματα από αρδευτικά πειράματα κατά την περίοδο στο Wyoming των ΗΠΑ. Εκτεταμένες μελέτες έγιναν από τους Briggs and Shantz (1913, 191) στο Akron του Colorado κατά την περίοδο και περιελάμβαναν 55 είδη και ποικιλίες φυτών. Οι μελέτες αυτές δεν έγιναν κάτω από συνθήκες αγρού και, για το λόγο αυτό, οι ερευνητές αυτοί κάνουν τη διευκρίνιση ότι οι μετρήσεις των αναγκών σε νερό των φυτών που έγιναν δεν πρέπει να θεωρούνται σαν απόλυτες. Παράλληλα, οι Briggs και Shantz (191a,b) έκαναν παρατηρήσεις και κλιματικών παραμέτρων, διαπίστωσαν δε ότι η ηλιακή ακτινοβολία είναι η πρωταρχική αιτία για την περιοδική μεταβολή των περιβαλλοντικών παραμέτρων και ότι η μεταφορά αισθητής θερμότητας από τον αέρα συνεισφέρει ουσιαστικά στην ενέργεια που χρησιμοποιείται για διαπνοή. Η έννοια του ισοζυγίου ενέργειας, η οποία χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της εξάτμισης από ελεύθερες επιφάνειες νερού κατά τις δεκαετίες 19 και 193, εφαρμόστηκε στις χαμηλές καλλιέργειες (κατά κύριο λόγο σε χορτοτάπητες) από τον Penman (19) και τον Budyko (19). Ο Penman συνδύασε τις σχέσεις του ισοζυγίου ενέργειας και των αεροδυναμικών σχέσεων σε αυτό που κοινώς λέγεται "συνδυασμένη εξίσωση". Παραλλαγές των σχέσεων αυτών χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται σε ευρεία κλίμακα σε όλο τον κόσμο. Εκτεταμένες 13

27 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών ιστορικές αναφορές πάνω στο αντικείμενο αυτό μπορεί να αναζητηθούν στην εργασία του Jensen (19) και στα συγγράμματα των Monteith (1973) και Brutsaert (19). Η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς έχει μελετηθεί επί σειρά ετών από πολλούς ερευνητές (Doorenbos and Pruitt, 1977; Jensen et al., 199; USDA, 1993; Αllen et al., 199, 199, 199; Allen and Pruitt, 1991; Michalopoulou and Papaioannou, 1991; Παπαμιχαήλ κ. άλ., 199; Papazafiriou, 199; Papamichail and Terzidis, 199; Aλεξίου και Παπαμιχαήλ, 199; Σακελλαρίου- Μακραντωνάκη, 199; Kotsopoulos and Babajimopoulos, 1997; Παπαζαφειρίου, 1999; Παπαμιχαήλ και Γεωργίου, 1999β; Γεωργίου κ. άλ., ; Alexandris and Kerkides, 3; Σακελλαρίου-Μακραντωνάκη και Βαγενάς, 3; Παπαμιχαήλ, ; Alexandris et al., ; Γεωργίου και Παπαμιχαήλ, ; Άμπας κ. άλ., 7; Ampas et al., 7; Γεωργίου και Παπαμιχαήλ, ; Διαμαντοπούλου κ. άλ., ; Γεωργίου κ.αλ., 1). Γενικά, πάμπολλες δημοσιεύσεις δείχνουν ότι η εξατμισοδιαπνοή αποτελεί ένα από τα πιο δημοφιλή αντικείμενα που έχουν μελετηθεί τόσο στην υδρολογία όσο και στις αρδεύσεις. Κύριος σκοπός στη σύγχρονη γεωργία είναι η επίτευξη της μέγιστης παραγωγής, με το λιγότερο δυνατό κόστος. Ένας από τους κυριότερους παράγοντες που επιτελούν στην πραγματοποίηση του παραπάνω στόχου είναι η άρδευση των καλλιεργειών. Σκοπός της άρδευσης είναι ο εφοδιασμός των καλλιεργειών με το απαραίτητο νερό για την κανονική ανάπτυξη και βέλτιστη απόδοσή τους, σε συνδυασμό με την υψηλή ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Η ποσοτική εκτίμηση του νερού αυτού αποτελεί τη βάση για τη σωστή εφαρμογή και τον προγραμματισμό των αρδεύσεων, όπως επίσης και για τη μελέτη και σχεδιασμό των αρδευτικών δικτύων. Ένα καλλιεργούμενο χωράφι χάνει νερό με τη διαδικασία της διαπνοής από τα φυτά και της εξάτμισης από την επιφάνεια του εδάφους. Ακόμη, μετά από βροχή ή άρδευση με καταιονισμό, το νερό που συγκρατείται από το υπέργειο μέρος των φυτών εξατμίζεται προς την ατμόσφαιρα. Αθροιστικά, το νερό που χάνεται από ένα καλλιεργούμενο χωράφι με διαπνοή από τα φυτά, εξάτμιση από το έδαφος και εξάτμιση από το φύλλωμα όταν αυτό είναι υγρό, αναφέρεται σαν εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των φυτών και του εδάφους, τη διαθέσιμη ενέργεια και τις συνθήκες που επικρατούν στην ατμόσφαιρα. Στο Σχήμα.3 απεικονίζεται ως συνάρτηση του χρόνου ο επιμερισμός της εξατμισοδιαπνοής σε εξάτμιση και διαπνοή σε σχέση με το δείκτη φυλλικής επιφάνειας (leaf area index / LAI). Στη σπορά, σχεδόν το 1% της εξατμισοδιαπνοής προέρχεται από την εξάτμιση, ενώ στην πλήρη κάλυψη από καλλιέργεια, περισσότερο από το 9% της εξατμισοδιαπνοής προέρχεται από τη διαπνοή (Allen et al., 199). 1

28 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών Σχήμα.3. Επιμερισμός της εξατμισοδιαπνοής σε εξάτμιση και διαπνοή κατά την περίοδο ανάπτυξης για αγρό ετήσιας καλλιέργειας (Πηγή: Allen et al., 199)..5. ΑΜΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗΣ Η εξατμισοδιαπνοή μίας καλλιέργειας μπορεί να μετρηθεί στο χωράφι από παρατηρήσεις μεταβολής της εδαφικής υγρασίας και με λυσίμετρα. Οι συνήθεις μέθοδοι άμεσης μέτρησης της εξατμισοδιαπνοής δίνονται στη συνέχεια Μέθοδος των διαδοχικών δειγματοληψιών Η εξατμισοδιαπνοή μιας καλλιέργειας, κάτω από πραγματικές συνθήκες αγρού, μπορεί να βρεθεί με μέτρηση των μεταβολών της εδαφικής υγρασίας κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου. Μια μέτρηση γίνεται στην αρχή της περιόδου και μία στο τέλος, που συνήθως έχει διάρκεια από μέχρι 7 ημέρες. Ο προσδιορισμός της υγρασίας μπορεί να γίνει με τη βαρυμετρική μέθοδο ή με τη συσκευή νετρονίων ή με κάποιο άλλο τρόπο. Οι προσδιορισμοί, σε δείγματα ή απευθείας στο χωράφι, γίνονται σε διαδοχικά βάθη που είναι αντιπροσωπευτικά των στρώσεων του εδάφους. Γενικότερα, έχει επικρατήσει οι προσδιορισμοί να γίνονται ανά 3 εκατοστά βάθους εδάφους, ανεξάρτητα από το πραγματικό πάχος και τον αριθμό των στρώσεων, σε συνολικό βάθος ίσο με το ενεργό ριζόστρωμα των καλλιεργειών, αλλά μπορεί να επεκτείνονται και κάτω από αυτό. Η σχέση με την οποία προσδιορίζεται η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας έχει τη μορφή: 1 n ΕΤ c = Σ θ1 - θ d i i (.1) Δt i=1 όπου: ΕΤc = ημερήσια εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας, Δt = ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ των μετρήσεων σε ημέρες, θ1-θ = η κατ όγκο περιεχόμενη υγρασία στο έδαφος στην αρχή και 15

29 Κεφάλαιο : Εξατμισοδιαπνοή των καλλιεργειών στο τέλος της περιόδου αντίστοιχα, d = το πάχος κάθε εδαφικής στρώσης και n = ο αριθμός των στρώσεων στο βάθος του ενεργού στρώματος. Έτσι που είναι διατυπωμένη η παραπάνω σχέση, για να είναι αντιπροσωπευτική η τιμή της ETc που υπολογίζεται, η εδαφική υγρασία κατά τη διάρκεια της χρονικής περιόδου που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών προσδιορισμών πρέπει να είναι απόλυτα επαρκής για την κανονική ανάπτυξη της καλλιέργειας, να μην πέσει βροχή ή να γίνει άρδευση κατά την περίοδο αυτή και να μην υπάρχει κατακόρυφη κίνηση υγρασίας από το ριζόστρωμα προς τα κατώτερα στρώματα του εδάφους και αντίστροφα. Είναι γνωστό ότι οι καλλιέργειες χρησιμοποιούν νερό κατά τη διάρκεια μιας βροχής ή άρδευσης, όπως και κατά την ανακατανομή του νερού στο έδαφος αμέσως μετά απ αυτές. Το νερό δεν μπορεί να μετρηθεί με τη μέθοδο και, για το λόγο αυτό, η περίοδος προσδιορισμών πρέπει να αρχίζει - ημέρες μετά από βροχή ή άρδευση και ανάλογα με τον τύπο του εδάφους. Επειδή μετακίνηση νερού μπορεί να παρατηρηθεί κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώματος, αν κατά την άρδευση εφαρμοστεί υπερβολική ποσότητα νερού, ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να παρθεί ώστε το εφαρμοζόμενο νερό να μην προκαλεί μετακίνηση υγρασίας κάτω από το ριζόστρωμα, δηλαδή να μην προκαλεί βαθιά διήθηση. Επειδή όμως, κάποιες ποσότητες νερού ανταλλάσσονται μεταξύ της κάτω ζώνης του ριζοστρώματος και των αμέσως υποκείμενων εδαφικών στρώσεων, καλό είναι οι προσδιορισμοί της εδαφικής υγρασίας να επεκτείνονται και κάτω από το ριζόστρωμα, σε βάθος τέτοιο που η υγρασία της τελευταίας στρώσης να μην παρουσιάζει καμία μεταβολή μεταξύ του πρώτου και του τελευταίου προσδιορισμού. Στις περισσότερες περιπτώσεις η παραπάνω συνθήκη επιτυγχάνεται αν η περιοχή μετρήσεων επεκταθεί εκατοστά κάτω από το ριζόστρωμα. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην επιλογή της θέσης του χωραφιού. Η θέση αυτή πρέπει να επιλέγεται έτσι που η στάθμη του υπόγειου νερού να είναι πολύ κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώματος για να μην υπάρχει τροφοδοσία της ζώνης αυτής με ανοδική κίνηση από την υπόγεια στάθμη. Ενδεικτικό του μεγέθους του σφάλματος υπολογισμού της ΕΤc είναι η περίπτωση όπου σε χωράφι με υψηλή υπόγεια στάθμη νερού, καλλιεργημένο με μηδική, εφαρμογή της σχέσης (.1) έδειξε ότι η ΕΤc κατά τη διάρκεια του πρώτου δεκαημέρου του Ιουλίου ήταν μηδενική ενώ, στην πραγματικότητα, όπως έδειξε εγκατεστημένο λυσίμετρο στο ίδιο χωράφι, η ΕΤc για το δεκαήμερο αυτό ήταν 5mm. Συμπερασματικά, μπορεί να λεχθεί ότι, για την εγκατάσταση πειραματικών που προορίζονται για τον προσδιορισμό της ΕΤc με τη μέθοδο αυτή, πρέπει να επιλέγονται θέσεις με υπόγεια στάθμη πολύ κάτω από το ριζόστρωμα της καλλιέργειας, να εφαρμόζονται ποσότητες νερού τέτοιες ώστε να μην προκαλείται βαθιά διήθηση και επιφανειακή απορροή, οι προσδιορισμοί της υγρασίας να αρχίζουν - ημέρες μετά από βροχή ή άρδευση και να επεκτείνονται σε κάποιο βάθος κάτω από τη ζώνη του ριζοστρώματος. Η πειραματική θέση πρέπει να βρίσκεται μέσα σε εκτεταμένα χωράφια που καλλιεργούνται με την ίδια καλλιέργεια και να αρδεύονται με τον ίδιο τρόπο, για να μην επηρεάζεται η τιμή της ΕΤc από τη μεταφορά θερμότητας από γειτονικές περιοχές. Μια σε βάθος ανάλυση ανάλυση των προβλημάτων που παρουσιάζονται κατά τον προσδιορισμό της ΕΤc με μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας, δίνεται στις εργασίες των Jensen (197), Pratt et al. (197) και Jensen and Wright (197). 1