4. De kringloop van het water

Transcriptie

1 4. De kringloop van het ater 4.1. Onderdelen en proceen De hydrologiche kringloop van het landoppervlak i gechematieerd in fig Stralingenergie van de zon i de drijvende kracht achter de kringloop. Het grootte gedeelte van het ater op aarde bevin zich in zeeën en oceanen en e kunnen du zeggen dat de kringloop begint met het effect van de zonnetraling op het zeeoppervlak. Hierdoor onttaat verdamping (evaporatie), aarna het ater in de gafae deel uitmaakt van de atmofeer, hier verblijft het ater gemiddeld 10 dagen. Door koeling or de aterdamp eer vloeibaar (condenatie), aardoor olken onttaan. Afhankelijk van de atmoferiche geteldheid onttaat neerlag (precipitatie) in de vorm van regen, neeu of hagel. Uiteindelijk keert het ater eer terug naar de oceaan, ofel rechttreek, ofel na een lange rei door en over het land. Doordat een deel van het landater ook eer verdampt, kan het ater enkele malen tuen land en atmofeer circuleren (re-cycling) voordat het de zee bereikt. De neerlag (P) die valt, or eert opgevangen door alle at zich op het aardoppervlak bevin: de grond, de vegetatie, het verharde oppervlak, bebouing, afgevallen bladeren etc. Voor een gedeelte van het ater gel dat het in korte tijd vanaf het natte oppervlak verdampt, nog voordat het de kan heeft gekregen te infiltreren of af te tromen. Dit proce van tijdelijke berging en verdamping noemen e interceptie (I). Het i een belangrijk proce dat aanzienlijke hoeveelheden ater kan vererken, maar dat vaak in modellen or veraarlood of ondergebracht bij andere verdampingproceen. De neerlag die niet in het interceptieproce achterblijft (de netto neerlag P n ) kan aftromen via het landoppervlak (oppervlakkige aftroming) of infiltreren. Een deel van het geïnfiltreerde ater kan op teile hellingen ook dicht onder de oppervlakte aftromen (nelle ondergronde afvoer of fat uburface flo). Na infiltratie (F) in de onverzadigde zone, kan een deel van het ater via percolatie (R) de grondaterpiegel bereiken (de verzadigde zone). Het ater dat achterblijft in de onverzadigde zone (de bodem, betaande uit vat materiaal, ater en lucht) kan orden opgenomen door vegetatie die het door tranpiratie (T) eer in de atmofeer brengt. De grondatertroming kelt uiteindelijk naar het oppervlakteater, aar het amenkomt met de nelle afvoerproceen (de oppervlakkige afvoer en de nelle ondergronde afvoer). Samen vormen zij troompje en rivieren, het ater hieruit kan tijdelijk orden vatgehouden in meren en daaruit eer verdampen, maar komt uiteindelijk in zee terecht. Er zijn tee vormen van oppervlakkige afvoer: de afvoer die optree al de regen een hogere inteniteit heeft dan de infiltratiecapaciteit (Hortonian overland flo), en de afvoer die optree al de ondergrond verzadigd i (Satuaration overland flo). De eerte tree vooral op bij verharde oppervlakken zoal egen, paden of dichtgelagen grond, en de teede vooral op natte gravelden aan de voet van een helling. Verdamping (E) i een zeer belangrijk proce in de natuur, omdat het een zuiverende erking heeft: opgelote toffen blijven na verdamping achter (detillatie), aardoor de neerlag eer uit zoetater betaat en het ater op de continenten du grotendeel zoet i. Een uitzondering hierop vormt het grondater dat door invloed van verdamping of zeeater indringing brak kan zijn. De oppervlakteafvoer verloopt zeer nel in verhouding tot ondergronde aftroming. De bijdrage van het grondater tot de rivierafvoer kan orden geplitt in langzame en relatief nel reagerende componenten. Al de grondaterpiegel daalt, en er meer greppel en troompje droogvallen, vallen eert de nelreagerende en vervolgen de minder nel reagerende 29

2 componenten af. De langzaam reagerende component heet de baiafvoer. Een trakke cheiding tuen oppervlakteafvoer en de verchillende ondergronde bijdragen i erg moeilijk te maken. Figuur Kringloop van het ater over het landoppervlak Zoet en zout ater Tabel 4.1 geeft de verdeling van ater over de verchillende vormen van berging in het globale hydrologiche yteem. Hieruit blijkt dat 96,5% van het ater op aarde zich in de ereldzeeën bevin en du door het hoge zoutgehalte niet gechikt i voor direct gebruik. Behalve in de oceanen bevin zich ook zout ater in binnenzeeën zonder uittroming (bv. Kapiche Zee, Dode Zee, Great Salt Lake) en in de grond. In binnenzeeën kan het zoutgehalte veel groter zijn dan in de oceaan en er kan zelf verzadiging optreden, zoal in de Dode Zee. Dat grondater zout i, kan vaak verklaard orden uit de aanezigheid van mariene afzettingen of het binnendringen van zeeater in een atervoerende bodemlaag. Van de totale atervoorraad i maar ongeveer 2,5% zoet, aarvan ruim teederde in de vorm van ij en neeu: voornamelijk de ijkappen bij de polen. Verder i 30% van de zoetatervoorraad al grondater geborgen. Slecht een heel klein gedeelte van het ater bevin zich in de atmofeer en in rivieren; hieruit blijkt dat bij de actieve hydrologiche kringloop maar een relatief kleine hoeveelheid ater betrokken i. De verblijftijden van het ater in de verchillende bergingelementen (zee, bodem, ijkappen etc.) zijn gemiddeld dan ook zeer groot. 30

3 Tabel Waterhoeveelheden in verchillende faen van de hydrologiche kringloop Aard en Verblijfplaat Percentage van totale atervoorraad Percentage van Zoetatervoorraad Oceanen 96,5 Grondater: zoet 0,76 30,1 zout 0,93 Bodemvocht 0,0012 0,05 Poolij 1,7 68,6 Ander ij en neeu 0,025 1,0 Meren: zoet 0,007 0,26 zout 0,006 Rivieren 0,0002 0,006 Moeraland 0,0008 0,03 Atmofeer 0,001 0,04 Figuur Grootte en verdeling van de jaarlijke gemiddelde neerlag en verdamping (ereldijd) 4.2. Waterbalanen De hydroloog hou zich meetal bezig met een open yteem aarvan de begrenzingen bijvoorbeeld de grenzen van een troomgebied zijn. De kringloop van het ater in zo'n yteem i te kantificeren met een eenvoudige maabalan. De verandering van de berging i gelijk aan het verchil tuen de inkomende en de uitgaande fluxen. Hoeel de aterbalan i gebaeerd op het behoud van maa or in de praktijk altijd met volume geerkt. De onnaukeurigheid die hierdoor onttaat, valt echter in het niet bij de onnaukeurigheden in het kantificeren van de termen van een aterbalan. In formulevorm or de aterbalan: Q Q in uit [L3 T -1 ] 31

4 S berging [L 3 ] Q in intromende fluxen [L 3 T -1 ] Q uit uittromende fluxen [L 3 T -1 ] In de meete troomgebieden, bijvoorbeeld van rivieren, orden Q in en Q uit gevormd door de volgende onderdelen: Qin PA en Q EA Q [L 3 T -1 ] uit P neerlag [LT -1 ] A oppervlakte [L 2 ] E verdamping [LT -1 ] Q rivierafvoer [L 3 T -1 ] De oppervlakte, de verdamping en de berging betaan vaak uit verchillende onderdelen: A A A [L 2 ] A oppervlakte land [L 2 ] A oppervlakte ater [L 2 ] De totale verdamping betaat uit vier componenten: E I T E E [LT -1 ] I interceptie [LT -1 ] T tranpiratie [LT -1 ] E bodemverdamping [LT -1 ] E openater verdamping [LT -1 ] De interceptie verdampt van de oppervlakteberging kort nadat de regen op het land i gevallen (een ketie van één of tee dagen). De tranpiratie verdampt vanuit de berging in de onverzadigde zone via de vegetatie. De bodemverdamping verdampt ook uit de onverzadigde zone, maar via de poriën in de grond. De open ater verdamping verdampt uit de open ater berging. De totale berging betaat du uit vier componenten: S S S S S u g [L 3 ] S berging op het landoppervlak [L 3 ] S u berging in de bodem (bodemater in de onverzadigde zone) [L 3 ] S g berging in de verzadigde zone (grondater) [L 3 ] S berging in het open ater [L 3 ] 32

5 Van al deze compartimenten kunnen deelbalanen orden gemaakt aarbinnen de berging kan variëren. In fig. 4.3 taan alle bergingelementen en fluxen tuen deze compartimenten eergegeven. De getippelde kader tellen de yteemgrenzen voor van de deelgebieden. Het doorgetrokken kader telt de yteemgren van de totale aterbalan voor. Figuur 4.3 fluxen en bergingelementen van de aterbalan Uit fig. 4.3 en met de verchillende elementen uit de balan, kunnen in formulevorm de ondertaande deelbalanen orden opgeteld. Dit zijn el mondiale aterbalanen, maar in principe kan voor elk klein of groot yteemgebied op dezelfde manier een aterbalan orden opgeteld. ( P I F) A Q (oppervlak, horizontaal getreept, it) [L 3 T -1 ] Q oppervlakkige aftroming naar oppervlakte ater [L 3 T -1 ] u ( F T E R) A (bodem, diagonaal geruit, groen) [L 3 T -1 ] R percolatie [LT -1 ] F infiltratie vanaf het oppervlak naar de onverzadigde zone [LT -1 ] g RA Q (aanvulbaar of hernieubaar grondater, g diagonaal getreept, lichtblau) [L 3 T -1 ] Q g ondergronde aftroming naar oppervlakte ater [L 3 T -1 ] 33

6 ( P E ) A Q Q Q (oppervlakte ater, recht geruit, donkerblau) [L 3 T -1 ] g Door al deze onderdelen amen te voegen, krijg je de totale aterbalan van het land: d( S S S S ) u g ( P I T E ) A ( P E ) A Q [L 3 T -1 ] Al je de totale aterbalan vergelijkt met de deelbalanen, zie je dat er een aantal termen niet meer terug komt in de totale aterbalan. Dit zijn interne fluxen binnen het totale yteemgebied en deze zorgen du niet voor een verandering van de totale berging. Voor de deelyteemgebieden van elk bergingelement zijn deze interne tromingen natuurlijk el van belang. Daarnaat zie je in fig. 4.3 ook tee gebieden en een flux taan die helemaal niet in de totale aterbalan of de deelbalanen terug komen. Dit komt omdat deze elementen (de oceanen, de atmofeer en de verdamping vanaf de oceanen naar de atmofeer) niet binnen het yteemgebied van het land liggen. Voor de oceaan en de atmofeer gel repectievelijk: o a Q P E A Q E A [L 3 T -1 ] o o o net o ( I T E ) A E A PA E A [L 3 T -1 ] net o Ze zijn in fig. 4.3 eergegeven omdat ze de kringloop van het ater compleet maken en bij de yteemomgeving horen. Syteemgren Een aterbalan kan opgeteld orden al de grootte van de verchillende termen redelijk te chatten i. Om alle termen te kunnen chatten, moet eert duidelijk de yteemgren orden gedefinieerd, zodat duidelijk i elke termen el en elke termen niet meegenomen orden in de balan. Daarnaat i het belangrijk om na te gaan elke termen eventueel mogen orden veraarlood. Voor de totale aterbalan zal men de yteemgren meetal op een kleine hoogte boven het terreinoppervlak van het gebied aanbrengen. De neerlag op het gebied en de verdamping van het oppervlak zijn namelijk gemakkelijker te bepalen dan de hoeveelheden ater die in dampvorm boven het gebied de atmofeer in- en uittromen. Daar komt nog bij dat ook de hoeveelheid ater in de atmofeer moeilijk naukeurig i vat te tellen. Bij verchillende aterbalanen, i de yteemgren natuurlijk ook verchillend. Een troomgebied or bijvoorbeeld begrend door een atercheiding die bepaald or door de topografie. Deze atercheiding i bepalend voor de richting van de aftroming. Voor grondater kan om een andere gren gelden dan de topografiche gren zoal eergegeven in fig. 4.4; via een atervoerende laag kan het ater dat aan de ene kant van de topografiche atercheiding infiltreert (A) aan de andere kant (B) een bijdrage leveren aan de introming. 34

7 Figuur Oppervlakteater- en grondatercheiding Menelijke factoren De aterbalan hoeft niet alleen uit natuurlijke factoren te betaan; vaak or door menelijke ingrepen zoal onttrekking van grond- en oppervlakteater de natuurlijke balan beïnvloed. Een goed voorbeeld hiervan i een polder. Polder kunnen orden opgevat al zeer peciale troomgebieden. De aan- en afvoer van ater or kuntmatig geregeld met luizen of gemalen. Al gevolg van de diepe ligging kan grondater uit de omgeving toetromen dat al kel in de polder aan de dag tree. Naat de natuurlijke termen moeten in dit geval een aantal termen voor menelijke ingrepen aan de aterbalan orden toegevoegd. Vanzelfprekend neemt de invloed van menelijke ingrepen op de aterbalan af naarmate het yteem dat bechoud or groter i. Tijdinvloed Tijden het optellen en het erken met een aterbalan i het belangrijk om een goede tijdchaal te kiezen. Naarmate een langere periode or bechoud nemen de ingetroomde en uitgetroomde hoeveelheden van een yteem toe; de bergingverandering zal echter zoel toenemen al afnemen, zodat op langere termijn de invloed van de bergingverandering afneemt. Al bijvoorbeeld een periode van jaren or bekeken, kan de bergingverandering meetal buiten bechouing gelaten orden. 35

8 Voorbeeld aterbalan Van een troomgebied zijn de volgende gegeven verzameld: - gemiddelde jaarlijke neerlag = 800 mm/a - gemiddelde jaarlijke afvoer = 3,0 m 3 / - oppervlakte = 432 Mm 2 = 432 (km) 2 De topografiche atercheiding komt overeen met de grondatercheiding a) Bepaal de gemiddelde jaarlijke verdamping E in mm/a In het troomgebied or een reervoir aangelegd. De gemiddelde jaarlijke verdamping E 0 van het reervoir or gechat op 1181 mm/a. Na contructie van het reervoir blijkt de gemiddelde jaarlijke afvoer uit het troomgebied 2,8 m 3 / te zijn. b) Bepaal de oppervlakte van het reervoir in km 2. Uiterking: a) Omdat er op jaarlijke bai or gekeken, mag bergingverandering = 0 orden veronderteld. Er gel dan du: PA EA Q 0 d t, daaruit volgt: Q E P. Door de gegeven aarden in te vullen A volgt de aarde voor de verdamping: 9 3*10 *3600* 24*365 E mm/a *10 b) Er or eer op jaarbai gekeken, du er gel eer: PA EA Q 0, door de termen onder d t te verdelen volgt hier uit: PA ( A) EA EA Q 0. Door de gegeven aarden in te vullen (in m /a) volgt: 800 *10 (432 *10 ) 581*10 (432 *10 A ) 1181*10 A 2,8*3600 * 24 *365 0, hieruit volgt dat 2 A 10, 5 Mm. Een andere mogelijkheid i te rekenen met het feit dat de afname van het afvoervolume gelijk i aan de toename van het verdampingvolume uit het reervoir. 0, 2 *3600 * 24 *365 ( ) *10 3 A. Ook hieruit volgt dat A 10, 5 Mm 2 10, 5 km Modellen Omdat de hydrologiche kringloop een fyich proce i, kunnen de deelproceen in principe bechreven orden met behulp van maabalanen en beegingvergelijkingen. Echter het totale yteem en de deelproceen zijn dudanig complex dat het niet alleen latig i om een exacte berekening te maken, maar aantoonbaar onmogelijk. De hoofdreden hiervoor i de heterogeniteit van de fluxen en de media aardoor het ater zich begeeft, maar ook de moeilijkheid om correcte parameter te vinden voor de vergelijkingen. De neerlag bijvoorbeeld i al dudanig heterogeen in plaat en in tijd, en daarmee moeilijk exact te bepalen, dat modellen nooit naukeurige uitkomten kunnen geven. Door de heterogeniteit van de bodem en ondergrond zijn de precieze etmatigheden aaraan atertromen in de ondergrond voldoen nog teed niet helemaal bekend. Hetzelfde geld voor de parameteriatie van ruheden, grenlagen, turbulentie, energie-uitieling, etc. Om toch tot bruikbare reultaten te komen, or de hydrologiche erkelijkheid vaak vertaald naar een conceptueel model. Een model i een perceptie van de erkelijkheid, vertaalt in mathematiche relatie. In zo'n model or een (deel)gebied 36

9 gekarakterieerd door gebiedparameter (oppervlakte, grondeigenchappen, begroeiing, etc.) en de maabalan en de beegingvergelijkingen orden hierin zo goed mogelijk eergegeven. Een model aarin het yteem or bechreven aan de hand van fyiche relatie, or een determinitich model genoemd. Veel hydrologiche proceen vertonen echter een zekere tochatiche variabiliteit (illekeurige variatie in grootheid en voorkomen), die niet altijd voldoende bechreven kunnen orden met determinitiche etmatigheden. De metingen aarmee geerkt or, zijn dikijl lecht een kleine teekproef uit een grote of oneindige populatie. Daarnaat zijn er onzekerheden door meetfouten of het verkeerd interpreteren van proceen. Om deze reden orden in de hydrologie ook veel tochatiche modellen gebruikt. Dit zijn modellen die gebruik maken van tatitiche kenmerken van hydrologiche gegeven. Hydrologiche proceen bezitten du zoel determinitiche al tochatiche componenten. Zo kan bijvoorbeeld een neerlag-afvoer model met behulp van fyiche relatie de troming over en door het land naar de rivier bechrijven al functie van een bepaald neerlagpatroon. Al men vervolgen de kan van optreden van dit neerlagpatroon il meenemen al invoer voor het model, kan met behulp van methoden uit de tochatiek zo'n neerlagpatroon uit meetreeken orden bepaald. 37

10 38