Hydrologi - Vandbalanceligningen og grundvand

Side 1

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

STX 2.g

Side 1 af 7

Hydrologi

1. Vandbalanceligning

1.1 Vandbalanceligningen opstilles normalt for et afgrænset opland. Forklar hvorledes man normalt afgrænser et opland. Forklar begreberne topografisk opland og hydrologisk opland.

Man bruger betegnelsen opland, om et landområde, hvor vandet løber til samme vandløb. Det topografiske opland afgrænses af et højt punkt i landskabet omkring det vandløb, da vandet altid vil søge dertil. Det høje punkt, også kaldet højderyggen, er en grænse, som går gennem landskabets højeste punkter, fx bakker og andre høje punkter i landskabet. Denne højderyg kaldes for topografisk vandskel. Hvis man har et fald fra to sider, vil der for enden af disse to sider dannes et vandløb, som vist på tegningen nedenfor. Her gælder det, at hvis det har regnet, vil regnen falde ned STX 2.g topografiske opland ses oftest i bjergene områderne, hvor der er en fast overflade. Da inflationen er lav, det vil sige at vand og andre former for nedbør ikke vil kunne trænge ned i jorden. [1] Der findes også en anden type for opland, som hedder det hydrologiske opland. Det hydrologiske opland ses mest i Danmark. I Danmark vil en stor del af smeltevandet nemlig blive infiltreret

(uddybning kommer senere i opgaven), og ryger ned til de næst liggende lag, da vi i Danmark ikke har så mange bakker med hård og fast bund. Grænserne for grundvandoplandet følger næsten altid det topografiske opland dog med nogle undtagelser, fx hvis de næst liggende jordlag har en anden hældning i forhold til de øverste lag. Hvis en dråbe falder ned lige til venstre for pilen til det topografiske vandskel, vil dråben blive infiltreret i jorden med det samme og derefter kommer det

                     2
ned til grundvandsskellet.

1

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 60-61)

2

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 60-61)

Side 2

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 2 af 7

Tegningen viser det topografiske opland samt det hydrologiske opland. Som tegningen viser, foregår det topografiske opland på overfladen, hvorimod det hydrologiske opland sker under de nedre lag. Vi antager, at en dråbe vil falde på venstre side af det topografiske vandskel, så vil dråben løbe til vandløbet til venstre. Hvis dråben faldt på højre side af skellet, ville dråben løbe mod vandløbet til højre.

1.2 Opskriv vandbalanceligningen for et vilkårligt opland og beskriv de enkelte komponenter.

Vandbalanceligningen er en ligning, der kan beskrive sammenhængen i vandets kredsløb, hvis man laver nogle forskellige beregninger med den. Ligningen kan beskrive fordelingen og den mængde

                           3
vand der er tilgængelig på jorden.

Ligningen for vandbalancen hedder sådan:

N = betegnelse for den mængde vand der bliver tilført til overfladen, og det er lige meget om den

mængde nedbør der falder ned, falder ned som regn eller sne. Der findes 4 forskellige former for nedbør, hvilke er regn, hagl, slud og til sidst sne.

Selve tallet A = afstrømning. I hydrologien kan afstrømningen opdeles i to forskellige kategorier.

Komponenten A står for overfladeafstrømning. Overfladeafstrømning er den mængde af vand, der o ikke kan trænge ned i jorden, og derfor løber på overfladen. I Danmark ses det b.la om vinteren, hvor sneen smelter og ikke kan trænge ned i jorden på grund af jordens hårdhed. Og så bliver det hele så smattet og vådt.

3

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 60-61)

N = A_{o} + A_{u} +F+ Δ R

Side 3

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 3 af 7

A er den underjordiske afstrømning. Ved den underjordiske afstrømning løber vandet igennem de u umættede jordlag eller strømmer videre, som en grundvandsstrøm. Og på den måde løber vandet under jorden hen til et vandløb.

F = fordampningen. Fordampningen er en proces, der sker, når en væske eller et fast stof bliver til

damp, fx ved hjælp af varmen fra solen.

ΔR = Denne ændring kan både være positiv og negativ. Den er positiv når der bliver tilført vand fra

nedbør, infiltration, tristrømning fra grundvandet eller gennem kunstvanding. Den er negativ når fordampning og planternes vandforbrug øges eller når der oppumpes vand fra et

grundvandsmagasin.^{4}
P = betegnelsen for op pumpning. Man kan fx have en vandboring, hvor man pumper vand op fra
jorden.^{5}

1.3 For et givet topografisk opland på 52 km^{2} gælder følgende gennemsnitstal pr. år.

Nedbør 963.188 m^{3} / år
Evaporation 161.700 m^{3} /år
Under jordisk afstrømning 0,027 m^{3} /minut 🡪 14191,2 m^{3} / år
Overflade afstrømning 0,0013 m^{3} / sekund 🡪 40996,8 m^{3} / år
Transpiration 146.300 m^{3} / år

For at finde ud af, hvor meget vand der pumpes op til drikkevand i oplandet pr. år, skal den underjordiske- og overfladeafstrømning omregnes, så de får den samme benævnelse, som de fire andre.

Da jeg nu kender de 5 led i vandbalanceligningen ud over ΔR, gør jeg så, at ΔR kommer til at stå alene, og de andre ”bogstover” kommer til at stå på højre side af lighedstegnet:

4

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 60-61)

5

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 60-62)

U nderjordisk ⋅ afstroem ning = 0.027 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365

afstroem ning ⋅ underjordisk = 14191.2

Overfladestroem ning = 0.0013 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365

overfladestroem ning = 40996.8

Side 4

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 4 af 7

Jeg kan nu sætte alle værdierne ind i ligningen:

Der bliver altså pumpet 600.000 m^{3} / år vand op til drikkevand gennemsnitlig pr. år.

1.4. Under samme opland som behandles i opgave 1.3 ligger et grundvandsmagasin indeholdende

6.200.000 m^{3} vand. Pludselige klimaændringer har forsaget at den samlede fordampning er
steget med 149.542 m^{3} / år og afstrømningen er samlet set steget med 0,096 m^{3} / minut. Borgerne

pumper stadig den samme mængde drikkevand op og ud af oplandet som de gjorde i 1.3. Hvor mange år går der inden man ud fra overstående data kan forvente at grundvandsressourcen vil være sluppet op?

For beregne det antal år der vil gå, inden at grundvandsressourcen vil være sluppet op, så vil jeg

først beregne fordampningen (Evaporation+Transpiration) og dernæst den samlede afstrømning
(underjordisk + overfladeafstrømning):

Nu vil jeg så sætte alle værdierne ind i et skema igen, for at gøre det mere overskueligt ligesom i forrige opgave.

For at finde ændringen i grundvandsmagasinet skal ΔR isoleres over på den anden side af lighedstegnet, så den kommer til at hedde sådan her i stedet for.

Δ R= N - A_{u} - A_{O} - F - P

Δ R = 146300

Δ ⋅ r = 600000.

F = 161700 + 146300 + 149542
f = 457542.
A = 14191.2 + 40996.8 + ⎛ 0.096 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 ⎞

⎜⎜ ⎟⎟

⎝ ⎠

a = 105646.

Δ R = N -A-F-P

Nedbør | 963.188 m3/år

Evaporation + Transpiration 457.542 m^{3} / år
Underjordisk + overfladeafstrømning 105645.6 m^{3} / år

Grundvandsmagasinet | 6.200.000
Pumpning | 600.000

Side 5

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 5 af 7

Nu kan jeg sætte mine værdier ind i formlen og beregne ΔR:

Nu har jeg fundet ud af, hvor meget vand der bliver pumpet op pr. år. Så kan jeg finde ud af, hvor mange år der vil gå før grundvandsressourcen vil være sluppet op. Den mængde vand der er i grundvandsmagasinet skal derfor divideres med den mængde vand, der bliver pumpet op pr. år.

Så om 31 år forventes det altså, at grundvandsressourcen er sluppet op.

2. Grundvandet

2.1. Forklar begreberne porøsitet og infiltration og angiv cirka værdier for størrelserne for hhv. lerjord og sandjord.

Hvis vi taler om infiltration, er det godt at tale om grundvandsoplandet, da en stor del af vandet netop bliver infiltreret i jorden. En infiltration er den mængde vand, der siver ned i jordlagene. Vi kan også snakke om infiltrationskapaciteten.

Infiltrationskapaciteten er den evne, jorden har til at optage nedbøren. Infiltrationshastigheden er ikke kun afhængig af nedbørsintensiteten, men afhænger også af den type jord, som nedbøren skal sive igennem. Sandjord har store partikler, og har der med også store luftfyldte hulrum. Sandjorden har derfor en stor infiltrationskapacitet, da nedbøren let kan ligge sig i de store hulrum, og på den måde kan sandjorden lettere optage meget nedbør. Dette er vist på billedet til højre.

Lerjord har, i modsætning til sandjord, en dårlig infiltrationskapacitet. Lerjord består af meget små partikler, og hulrummene mellem partiklerne er derfor meget små. Hulrummene er så små, at

Δ R=0

Δ ⋅ r = -200000.

6200000

-200000

-31.

Denne tegning viser de "store hulrum" i sandjordens struktur

Side 6

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 6 af 7 vandmolekylerne har svært ved at ligge sig i disse rum. Det vil sige at lerjord har en meget lav infiltrationskapacitet, da evnen til at optage vandet er meget dårligt pga. af de små hulrum mellem lerjordspartiklerne. Dette er vist på billede til højre.

Porøsiteten er et udtryk for hvor stor en procentdel af jordlagene, der består af disse hulrum mellem partiklerne. Porøsiteten for sandjord kan være helt ned til ca.

30 %, hvorimod porøsiteten for lerjord kan være op til 50 %. Jo større porøsiteten er desto større

mængde vand kan jorden indeholde.^{6}

2.2. Redegør for de udfordringer / trusler den danske grundvandsressource står overfor.

Den største trussel vi står overfor på nuværende tid, er forurening, fx den forurening man tænker, som er den allerværst er landmændene, når de kører gødning ud på markerne, fordi markerne skal vokse bedre. Det gødning er møg og kunstgødning, altså gødning ved hjælp af piller. Dette er et problem, når disse former kommer ned i jorden, og så ikke alt næring fra gødningen bliver optaget, så når der kommer nedbør, tager det noget af den næring med ned i grundvandet, og i den næring ligger der så nogle former for forurening, og så bliver grundvandet forurenet. [7]

2.3. Præsenter dit eget realistiske bud på hvordan den danske grundvandsressource ville kunne opretholdes og eksistere i et bæredygtigt samspil med de aktiviteter der truer denne.

En ting der ville kunne sikre den danske grundvandsressource bedre, ville være hvis nogle forskellige forskere gik sammen, for at finde en bedre form for gødning til landmændene. Altså fx bare lavede om på de nuværende kunstpiller, at de kunne nedsætte nogle af forureningerne der er ved sådan en pille.

En anden ting der ville kunne hjælpe grundvandsressourcen, er hvis de forskellige fabrikker, som bruger meget vand på at gøre rent, begyndte at genbruge deres vand, altså så de brugte det mere end en gang til at gøre rent med. Så skulle fabrikkerne få stillet nogle rensningsanlæg op, så de selv kunne rense deres vand, og så skulle de også få sat en tank eller to op, hvor de kunne opbevare vandet i. På den måde ville vi spare lidt på at hive alt det vand op fra grundvandsmagasinerne.

6

(Brun, 2012)

7

(Nørrekjær, Pedersen, & Vinther, 2009, s. 66)

Denne tegning viser de "små hulrum" i lerjorden

Side 7

[navn fjernet] NG – 2.c 29/1 – 2012

Side 7 af 7

Litteraturliste

Brun, P. A. (Januar 2012). (M. Sørensen, Interviewer)

Nørrekjær, T. W., Pedersen, P. L., & Vinther, N. (2009). Naturgeografi C. København: L&R Uddannelse.