Γιάννης Λ. Τσιρογιάννης Γεωργικός Μηχανικός M.Sc., PhD Επίκουρος Καθηγητής ΤΕΙ Ηπείρου Τμ. Τεχνολόγων Γεωπόνων Κατ. Ανθοκομίας Αρχιτεκτονικής Τοπίου ΦΥΣΙΚΗ -ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ ΚΑΙ ΓΕΩΡΓΙΑ Υδρολογικός κύκλος Φυτά και Νερό Εξατμισοδιαπνοή FAO CropWat Έκδοση 1, 2015 This presentation is available under the Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC) license and is freely 1 accessible online to anyone.
Υδρολογικός κύκλος Η μάζα της υδρόσφαιρας είναι σχεδόν σταθερή σε όλες τις μετεωρολογικές χρονικές κλίμακες, εκτός ίσως από εκείνες που σχετίζονται με πολύ αργές κλιματικές αλλαγές. Όμως, μέσα στην υδρόσφαιρα γίνεται μια πολύ πιο γρήγορη κίνηση του νερού Με τον όρο "υδρολογικό κύκλο" εννοούμε τη γενική κίνηση της υδάτινης μάζας σε όλες της τις φάσεις και από όλους τους δυνατούς δρόμους 2
Υδρολογικός κύκλος Σημαντικά συστατικά του υδρολογικού κύκλου θεωρούνται: η εξατμισοδιαπνοή, η βροχή και η αποθήκευση νερού στην επιφάνεια του εδάφους και μέσα σ' αυτό (λίμνες, κοιτάσματα νερού) καθώς και η οριζόντια μεταφορά του νερού από ή προς μία περιοχή (ποτάμια) 3
4
Εξατμισοδιαπνοή: ένας σύνθετος κλιματικός παράγοντας Στην Ελλάδα το 80% των υδατικών πόρων χρησιμοποιείται για άρδευση http://probiosis.teiep.gr
Παγκόσμια κρίση νερού 97% αλμυρό νερό, 2% γλυκό νερό σε παγόβουνα, 1% άμεσα διαθέσιμο γλυκό νερό Παγκόσμια: 69% αγροτικός τομέας, 21% ύδρευση, 10% βιομηχανία Παγκόσμια, κάθε 20 χρόνια, η χρήση του νερού διπλασιάζεται. Σε αναπτυγμένες χώρες για κάθε διπλασιασμό στον πληθυσμό, η κατανάλωση του νερού πολλαπλασιάζεται κατά 8 φορές 6
Στην Ελλάδα το 80% των υδατικών πόρων χρησιμοποιείται για άρδευση Υπάρχει ανάγκη δράσεων για την αποτελεσματικότερη χρήση του νερού (Οδηγία 2000/60/ΕΚ) 7
WFD 2000/60/EC (στην Ελλάδα νόμος από το 2003 με ορίζοντα υλοποίησης έως 2015) Οδηγία 2000/60/ΕΕ Σχέδιο διαχείρισης των Λεκανών Απορροής Ποταμών του Υδατικού Διαμερίσματος Ηπείρου 8
Κίνηση νερού Έδαφος Φυτό - Ατμόσφαιρα Το νερό εισέρχεται στα φυτά μέσω του ριζικού συστήματος και εξέρχεται ως υδρατμός μέσω των φύλλων. Η συγκέντρωση του νερού στα φυτά εξαρτάται από δύο κύριους παράγοντες: τη διαθεσιµότητα του νερού στο υπόστρωµα και την απορρόφησή του από τις ρίζες και τον ρυθμό εξάτµισης του νερού από τα φύλλα, δηλαδή τη διαπνοή. SPAC Soil / Substrate Plant Atmosphere Continuum 9
Υδατική καταπόνηση Σε περίπτωση άστοχης διαχείρισης προκαλείται υδατική καταπόνηση η οποία επηρεάζει άμεσα τη λειτουργία και την ανάπτυξη των φυτών. Για να αποφευχθεί η υδατική καταπόνηση απαιτείται επιθεώρηση του συστήματος άρδευσης και εφαρμογή κάποιας στρατηγικής για τον έλεγχο και την καταγραφή των αρδευτικών γεγονότων. Σε αυτό το πλαίσιο έχουν αναπτυχθεί από απλές εμπειρικές πρακτικές έως πολύπλοκα συστήματα διαχείρισης. 10
Εξατμισοδιαπνοή [Evapotranspiration] Εξατμισοδιαπνοή = Εξάτμιση + Διαπνοή Ακτινοβολία Θερμοκρασία και υγρασία αέρα Ταχύτητα ανέμου Τύπος Ποικιλία Στάδιο ανάπτυξης FAO, paper 56, http://www.fao.org/ docrep/x0490e/x04 90e00.htm Αλατότητα εδάφους Θρέψη Σκληροί αδιαπέραστοι εδαφικοί ορίζοντες Έλεγχος ασθενειών και λοιπών εχθρών Πυκνότητα φύτευσης Άρδευση Η εξάτμιση από το έδαφος ή το υπόστρωμα μπορεί να μηδενιστεί
Σχέση κάλυψης αναγκών σε νερό - παραγωγής Η άρδευση είναι ένας από τους κρισιμότερους παράγοντες όσο αφορά την ποσότητα και την ποιότητα της παραγωγής των καλλιεργειών. FAO Irrigation and drainage paper 66, Crop yield response to water at: http://www.fao.org/docrep/016/i2800e/i2800 e00.htm
Μονάδες Ύψος νερού: mm (m 3 /στρέμμα, l/m 2 ) ανά μονάδα χρόνου (συνήθως ώρα, ημέρα, μήνας, έτος) Ποσότητα ανά φυτό: L ή ml ανά φυτό ανά μονάδα χρόνου (συνήθως ώρα, ημέρα)
Μονάδες Ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας: Λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης νερού (λ) = 2,45 MJ kg -1 (στους 20 ο C, όπου η πυκνότητα είναι 1000 kg m -3 ) Συντελεστές μετατροπής: 1 mm day -1 = 2,45 MJ m -2 day -1 1 MJ m -2 day -1 = 0,408 mm day -1
Εξατμισοδιαπνοή Υπολογισμός εξατμισοδιαπνοής Προσέγγιση: ΕTc = Kc x ETo όπου: ΕTc Kc ETo δυνητική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας φυτικός συντελεστής εξατμισοδιαπνοή αναφοράς Σε περιπτώσεις που δεν έχουμε βέλτιστες αγρονομικές συνθήκες αλλά υπάρχει κάποιου είδους καταπόνηση (stress) χρησιμοποιούμε την προσέγγιση ETc adj c: crop s: stress adj: adjustment
Εξατμισοδιαπνοή Πιπεριά 10/11/2005, Γυαλ. Θερμ. τμ. ΑΑΤ ΤΕΙ Ηπείρου Tr_contr Solar_rad_control Εξατμισοδιαπνοή (gr/10min/3plants) 40 35 30 25 20 15 10 5 350 300 250 200 150 100 50 Ηλιακή ακτινοβολία εντός (W/m2) 0 0 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 Ώρα H ένταση της εξατμισοδιαπνοής μεταβάλλεται συνεχώς Το απόγευμα έχει ζεσταθεί πολύ ο χώρος και θέλει ώρα να πέσει η θερμοκρασία για αυτό και έχει μεγαλύτερη ΕΤ 16
Ισοζύγιο ενέργειας Rn G λet H = 0 Rn καθαρή ακτινοβολία G ροή θερμότητας στο έδαφος λετ λανθάνουσα ροή θερμότητας (εξατμισοδιαπνοή) Η αισθητή θερμότητα Μόνο κατακόρυφη μεταφορά θερμότητας λαμβάνεται υπόψη άρα ακριβής μόνο για μεγάλες επιφάνειες με ομοιογενείς καλλιέργειες Συνδυάζεται με τις σχέσεις μεταφοράς μάζας για να δώσει τη σχέση PM
Ισοζύγιο υγρασίας εδάφους ΕΤ = Ι + P + CR - RO - DP ± ΔSF ± ΔSW I άρδευση P βροχόπτωση CR ανερχόμενο νερό από αβαθή υδ. Ορίζ. RO επιφανειακή απορροή DP βαθιά διήθηση ΔSF οριζόντια μεταφορά από υπόγεια ροή ΔSW μεταβολή υγρασίας εδάφους
Μέδοδοι μέτρησης και υπολογισμού Εκτίμηση από εξατμισήμετρα Λυσίμετρα Υπολογισμός από μετεωρολογικά δεδομένα
Η σχέση Penman-Monteith (PM) Σύμφωνα με τη σχέση Penman-Monteith η εξατμισοδιαπνοή (λετ) υπολογίζεται: λet = ( es ea ) ( Rn G) + ρac p ra rs + γ (1 + ) r a λετ σε MJ m -2 day -1, στους 20 C, το λ (λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του νερού) είναι περίπου ίση με 2,45 MJ kg -1, ΕΤ σε mm day -1 όπου: R n η καθαρή ακτινοβολία (net radiation), G η ροή θερμότητας προς το έδαφος (soil heat flux), (e s - e a ) το έλλειμμα κορεσμού υδρατμών του αέρα (vapour pressure deficit of the air), ρ a η μέση πυκνότητα του αέρα (mean air density), c p η ειδική θερμότητα του αέρα υπό σταθερή πίεση (specific heat of the air), Δ η κλίση της καμπύλης της πίεσης κορεσμού υδρατμών σε σχέση με τη θερμοκρασία (slope of the saturation vapour pressure temperature relationship), γ η ψυχρομετρική σταθερά (psychrometric constant), και rs, ra η επιφανειακή (χονδρική) και αεροδυναμική αντιστάσεις αντίστοιχα [(bulk) surface and aerodynamic resistances].
Η μέθοδος Hargreaves Όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα σχετικά με την ηλιακή ακτινοβολία, την σχετική υγρασία, την ταχύτητα του ανέμου θα πρέπει αυτά να εκτιμηθούν μέσω υπολογιστικών προσεγγίσεων. Εναλλακτικά η ET o μπορεί να εκτιμηθεί από τη σχέση Hargreaves ET o σύμφωνα με την οποία: ET o 0,0023 ( 17.8) = Tmean + ( Tmax Tmin R a όπου ET o και R a σε mm day -1 και Τ σε o C
Τυπικές τιμές Kc για διάφορα είδη φυτών σε πλήρη ανάπτυξη
Δικτυακοί τόποι με πληροφορίες ΕΤ http://wwwcimis.water.ca.gov/cimis/welcome.jsp http://probiosis.teiep.gr, http://arta.irrigation-management.eu
FAO CropWat Το CROPWAT είναι ένα υπολογιστικό εργαλείο που βοηθά στη διαχείριση της άρδευσης. Έχει αναπτυχθεί από το Land and Water Development Division του FAO και η τρέχουσα έκδοσή του είναι η 8.0 (http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_cropwat.html). Με το πρόγραμμα μπορούν να υπολογιστούν οι υδατικές ανάγκες καλλιεργειών με βάση κλιματικά και φυτικά δεδομένα. Επιπρόσθετα το CROPWAT δίνει τη δυνατότητα ανάπτυξης προγραμμάτων άρδευσης υπό διάφορες καλλιεργητικές πρακτικές. Τέλος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των εφαρμοζόμενων πρακτικών άρδευσης και την εκτίμηση της συμπεριφοράς των καλλιεργειών ανεξάρτητα του εάν εφαρμόζεται ή όχι άρδευση. Το πρόγραμμα ουσιαστικά εφαρμόζει τις διαδικασίες που περιγράφονται σε δύο οδηγούς της σειράς Irrigation and Drainage του FAO και συγκεκριμένα του «No. 33 - Yield response to water» (FAO, 1979) και του «No. 56 - Crop Evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements». 24
Για τον υπολογισμό των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό το CROPWAT χρειάζεται μία σειρά από εδαφικά, φυτικά και κλιματικά δεδομένα. Το πρόγραμμα είναι εξαρχής εφοδιασμένο με κάποια ενδεικτικά σχετικά δεδομένα. Αυτά προτείνεται να χρησιμοποιούνται μόνο όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα στοιχεία για την περιοχή ενδιαφέροντος που να αντικατοπτρίζουν τις πραγματικές συνθήκες που ισχύουν για εκεί. Μία ακόμη δυνατότητα για την περίπτωση που δεν υπάρχουν διαθέσιμα κλιματικά δεδομένα για την ειδική περιοχή ενδιαφέροντοςείναι να χρησιμοποιηθούν δεδομένα από τη βάση κλιματικών δεδομένων CLIMWAT (τρέχουσα έκδοση 2.0) που αναπτύσσει ο FAO. Η βάση αυτή περιλαμβάνει δεδομένα για πάνω από 5.000 μετεωρολογικούς σταθμούς σε όλο τον κόσμο. 25
Η ανάπτυξη προγραμμάτων άρδευσης στο CROPWAT βασίζεται στην κατάρτιση ισοζυγίου νερού για το σύνολο της καλλιεργητικής περιόδου. Η εκτίμηση των απαιτήσεων νερού μπορεί να γίνει σε επίπεδο γεωργικής εκμετάλλευσης, περιοχής (υδρολογικής υπολεκάνης ή και λεκάνης). Ένας υπολογισμός περιοχής λαμβάνει υπόψη το χωρικό ποσοστό των καλλιεργειών που ορίζει ο χρήστης, ενώ μπορεί να περιλαμβάνει έως και 20 διαφορετικά είδη καλλιεργειών. Τα κύρια χαρακτηριστικά του CROPWAT (έκδοση 8.0 για Windows) είναι τα ακόλουθα: Υπολογισμός εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤ ο ) με χρήση κλιματικών δεδομένων σε χρονικό επίπεδο μήνα, δεκαήμερου και ημέρας. Δυνατότητα εκτίμησης κλιματικών πληροφοριών όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμες σχετικές τιμές. Κατάρτιση προγραμμάτων άρδευσης (μέσω υδατικών ισοζυγίων) σε επίπεδο γεωργικής εκμετάλλευσης και περιοχής με εκτεταμένες δυνατότητες ρυθμίσεων από το χρήστη. Πίνακες αποτελεσμάτων ημερήσιου ισοζυγίου νερού για όλη την καλλιεργητική περίοδο. Γραφικές παρουσιάσεις δεδομένων και αποτελεσμάτων (ανάγκες καλλιεργειών σε νερό και προγράμματα άρδευσης). Εύκολη εισαγωγή και εξαγωγή δεδομένων μέσω του πρόχειρου (clipboard) των Windows ή αρχείων χαρακτήρων ASCII 26
CLIMWAT To CLIMWAT παρέχει κλιματικά δεδομένα 15-30 ετών που αφορούν μηνιαίες τιμές των ακόλουθων παραμέτρων: Μέση ημερήσια μέγιστη θερμοκρασία σε C Μέση ημερήσια ελάχιστη θερμοκρασία σε C Μέση σχετική υγρασία σε % Μέση ταχύτητα ανέμου σε km/day Μέσο ημερήσιο αριθμό ωρών ηλιοφάνειας σε h Μέση ηλιακή ακτινοβολία σε MJ/m 2 /day Μηνιαία βροχόπτωση σε mm/month Μηνιαία ενεργή βροχόπτωση σε mm/month Δυνητική εξατμισοδιαπνοή αναφοράς (υπολογισμένη σύμφωνα με τη μέθοδο Penman- Monteith) σε mm/day Η περίοδος που καλύπτεται κατά κύριο λόγο είναι από το 1971 έως το 2000, αλλά όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα για αυτή την περίοδο, κάθε σειρά δεδομένων που τελειώνει μετά το 1975 και περιλαμβάνει τουλάχιστον 15 έτη είναι ανεκτή. Κάποιες σειρές είναι τμηματικές, αλλά σε κάθε περίπτωση καλύπτουν τουλάχιστον 15 έτη (π.χ. 1961-70 και 1992-2000). 27
CLIMWAT Ελλάδα 28
Διαδικασία Για τον υπολογισμό των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό (CWR) το CROPWAT χρειάζεται: δεδομένα εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ET o ). Το CROPWAT επιτρέπει στο χρήστη είτε να εισάγει μετρημένα ή εξωτερικά υπολογισμένα δεδομένα ET o ή να εισάγει μία σειρά από κλιματικά δεδομένα (θερμοκρασίες, υγρασία αέρα, ταχύτητα ανέμου και ηλιοφάνεια) και στην συνέχεια το πρόγραμμα να υπολογίσει με βάση την επιλεγμένη μέθοδο Penman-Monteith ή Hargreaves την εξατμισοδιαπνοή αναφοράς, δεδομένα βροχόπτωσης (και ενεργού βροχόπτωσης) και πληροφορίες σχετικά με τις καλλιεργητικές περιόδους και τις φυτικές παραμέτρους (φυτικοί συντελεστές, βάθος ριζοστρώματος κοκ). Για την ανάπτυξη προγράμματος άρδευσης το πρόγραμμα χρειάζεται και εδαφικές παραμέτρους. Τέλος το CROPWAT εκτός από τον υπολογισμό προγραμμάτων για μία μόνο καλλιέργεια έχει τη δυνατότητα να υπολογίζει και παροχές (ανάγκες) σε επίπεδο περιοχής (υπολεκάνης, scheme) όπου μπορεί να υφίστανται διάφορες καλλιέργειες που καταλαμβάνουν κάποιο ποσοστό της περιοχής η κάθε μία και να έχουν διαφορετικές ημερομηνίες σποράς (καλλιεργητικό μοτίβο - crop pattern). 29
Εισαγωγή δεδομένων στο CROPWAT 30
Καλλιεργητικές περίοδοι και φυτικές παράμετροι 31
Εδαφικές παράμετροι 32
Υπολογισμός αναγκών καλλιέργειας σε νερό 33
Υπολογισμός αναγκών καλλιέργειας σε νερό 34
Κατάρτιση προγράμματος άρδευσης 35
Κατάρτιση προγράμματος άρδευσης 36