ETc-Int.dag -1
KALIBRATIE VAN DE TDR‐LOOPTIJD IN FUNCTIE VAN HET VOCHTGEHALTE
Op verschillende tijdstippen werden bodemstalen genomen waarop gravimetrische bodemvochtbepalingen werden uitgevoerd. Wanneer beide methoden werden vergeleken, bleek dat voor sommige horizonten grote afwijkingen bestonden, voornamelijk in die horizonten met een hoog kleigehalte. Vandaar dat aan de hand van de gravimetrische vochtbepalingen een kalibratiecurve werd opgesteld die specifiek is voor de heersende condities in een welbepaalde horizont. In de kalibratiecurve wordt θ berekend i.f.v. na voor verschillende gravimetrisch opgemeten vochtgehaltes. Gray & Spies (1995) suggereren eveneens dat het aan te raden is om bij TDR‐metingen in bos een specifieke kalibratie uit te voeren voor elk proefvlak.
2.3.3 Metingen
In elke profielkuil werden in het midden van elke horizont horizontaal 2 TDR‐sondes geïnstalleerd. Op die manier worden storingen, die worden veroorzaakt doordat de sonde verschillende horizonten bestrijkt, geëlimineerd (Gray & Spies, 1995). Per profielkuil werden maximaal 12 sondes (dus 6 horizonten) geïnstalleerd.
Wekelijks werden de plaats van de eerste en de tweede reflectie opgemeten. De metingen met de TDR‐ sondes werden gebruikt om het bodemvochtgehalte in de verschillende horizonten te meten en het verloop ervan te bestuderen. De bodemvochtgehaltemetingen werden gebruikt voor de kalibratie van het WAVE‐model en voor het analyseren van de dynamiek van de wateropslag in de bodem.
Voor de omrekening van TDR‐meetgegevens naar watergehaltes wordt gebruik gemaakt van volgende relatie: θ = A + B x (X2 ‐ X1) waarin θ volumetrisch vochtgehalte [cm³.cm‐3] A, B regressiecoëfficiënten per sonde, bepaald op basis van ijkingsmetingen X1 afstand [m] tot de eerste discontinuïteit X2 afstand [m] tot de tweede discontinuïteit HOOFDSTUK 2: Materiaal 46
2.4 Waterinvoertermen
2.4.1 Waterinvoer in het systeem
Het systeem, waarover de waterbalans in dit onderzoek wordt beschouwd, is bovenaan begrensd door de vegetatie en onderaan door de ondergrens van het bodemprofiel. De verschillende termen van de waterbalans zijn de verandering van de hoeveelheid water opgeslagen in het systeem, de hoeveelheid water die het systeem binnendringt en de hoeveelheid water die uit het systeem verdwijnt. Wiskundig kan dit als volgt worden uitgedrukt:
Wateropslag = Water in – Water uit
Wanneer de termen in hun verschillende componenten worden opgesplitst, kan de algemene waterbalans worden voorgesteld als(zie ook Fig. 14):
ΔO = (N + C) – (E + I + T + OA + P)
Daarin staat ΔO voor de verandering van het bodemvochtgehalte [mm], N voor totale neerslag boven de opstand of brutoneerslag [mm], C voor capillaire opstijging [mm], E voor bodemevaporatie [mm], I voor interceptie‐evaporatie [mm], dit is de rechtstreekse verdamping van water op de natte delen van het gewas, T voor transpiratie door het gewas [mm], OA voor oppervlakte‐afvoer [mm] en P voor percolatie/drainage [mm]. Bodemwater (opslag) Stamafvloei Doorval Bruto-neerslag Drainage Percolatie Capillaire opstijging Bodem-evaporatie Transpiratie Infiltratie Oppervlakte-afvoer Interceptie-evaporatie Fig. 6 De veldwaterbalans HOOFDSTUK 2: Materiaal 47
Zolang de infiltratiecapaciteit niet overschreden wordt, kan de bodem alle neerslagwater opnemen. Zodra deze capaciteit echter wordt overschreden, loopt het water langs een helling naar beneden. Oppervlakte‐afvoer vindt zelden plaats in bossen gezien de hoge waterbergingscapaciteit van de organisch rijke deklaag. De term OA in de waterbalansvergelijking mag dan ook meestal voor bossen in Vlaanderen worden verwaarloosd.
2.4.2 Doorval, stamafvloei en interceptiewater
MEETSYSTEMENHet opmeten van vrije veldneerslag en doorvalneerslag is van groot belang voor de invoer van het WAVE‐model. Boomkruinen vangen een groot gedeelte van de neerslag op. Hierdoor is het volume water dat wordt opgevangen onder het kronendak lager dan de hoeveelheid die op een open veld wordt opgemeten. Het geïntercepteerde water verdampt rechtstreeks vanop het blad en moet worden meegerekend in de evapotranspiratie van het bestand. Valt er meer water dan de boomkruinen kunnen opnemen, dan komt dit water alsnog op de bodem. Dit is het doorvalwater.
De vrije veldneerslag en de doorvalneerslag worden opgevangen in een polyethyleenfles met een inhoud van twee liter die in de grond worden ingegraven. Deze flessen worden beschermd door een PVC‐buis van 150 cm lang die 40 cm diep in de grond wordt ingebracht. Bovenop deze buis wordt een cirkelvormige trechter geplaatst voorzien van een filter om grove onreinheden te weren. Een buisje verbindt de trechter met de polyethyleenfles. Op deze manier worden de PET‐flessen koel en donker bewaard. De rechtstreekse neerslag (vrije veld) wordt opgemeten buiten het bos in de onmiddellijke omgeving van de bemonsterde bosbestanden. De meting van het vrije veldwater gebeurt ofwel door middel van vier collectoren ofwel door middel van een automatische pluviometer. Voor de meting van het doorvalwater worden tien van deze collectoren, elk op tien meter afstand van elkaar, volgens een kruis in het proefvlak geïnstalleerd (6 collectoren in een richting en 4 loodrecht op de richting). Een deel van het water dat bij neerslag op de kronen terecht komt, vloeit langs de stam naar beneden. Voor het inzamelen van het stamafvloeiwater wordt in ieder proefvlak aan één boom uit elke diameterklasse een spiraalvormig gootsysteem in polyurethaan aangebracht. Het water stroomt hierlangs in een gesloten vat. Met behulp van een geijkte stok wordt het volume water in dit vat opgemeten. Om verstopping van de goot te voorkomen (o.m. door allerlei invertebraten, bladeren, …) wordt in de goot eveneens een filter aangebracht.
BEREKENINGSMETHODEN
De hoeveelheid interceptiewater wordt berekend uit de opgemeten vrije veldneerslag, doorvalneerslag en stamafvloei. Omdat veldmetingen wekelijks plaatsvinden, zijn er geen dagelijkse meetwaarden beschikbaar. De volgende twee paragrafen bevatten een korte beschrijving van de werkwijze om dagelijkse waarden voor vrije veld, doorval, stamafvloei te berekenen en hieruit dagelijkse interceptiehoeveelheden te berekenen.
Dagelijkse waarden voor vrije veldneerslag zijn beschikbaar van automatische regenmeters die op enkele proefvlakken staan en van naburige KMI‐stations. Indien neerslaggegevens van de regenmeters ontbreken, worden deze gaten opgevuld via regressievergelijkingen opgesteld tussen beschikbare gegevens van de regenmeter en overeenkomstige gegevens van een naburig weerstation. De regressievergelijkingen worden opgesteld met de gegevens voor een periode die vooraf gaat aan de ontbrekende waarden. Het intercept van de rechte wordt op nul gezet en uitbijters, b.v. veroorzaakt door plaatselijke stortbuien, worden verwijderd.
Wekelijkse doorval‐ en stamafvloeimetingen worden omgerekend naar dag‐waarden door middel van lineaire interpolatie met de dagelijkse vrije veldneerslag, gemeten met de regenmeter in het proefbestand of in een naburig KMI‐station. De dagelijkse interceptieneerslag wordt in principe berekend als het verschil tussen de dagelijkse vrije veldneerslag en de som van dagelijkse doorval en stamafvloei. Deze werkwijze resulteert soms in negatieve interceptiehoeveelheden, doordat het neerslagpatroon opgemeten in het naburige KMI‐station of geplaatste regenmeter verschilt van het doorval‐ of het stamafvloeipatroon. Dit kan te wijten zijn aan:
• een te grote afstand tussen het proefvlak en het punt waar de vrije veldneerslag wordt opgemeten; • dempingseffecten van het kronendak waardoor tijdsverschuivingen optreden tussen het tijdstip van de bui en de doorval of stamafvloei. Om negatieve interceptiepatronen te vermijden wordt volgende techniek voorgesteld: STAP 1: de wekelijkse doorval‐ en stamafvloeihoeveelheden wordt opgesplitst naar dagelijkse waarden aan de hand van een lineaire interpolatie van vrije veldneerslag.
STAP 2: een regressierechte met intercept nul wordt opgesteld voor de dagelijkse doorval‐ en
stamafvloeihoeveelheden in functie van de vrije veldneerslag. STAP 3: dagelijkse interceptiehoeveelheid wordt dan berekend als:
INTi = VVi x (1 ‐ DVi ‐ SFi) waarin INTi dagelijkse interceptiehoeveelheid [mm] VVi dagelijkse vrije veldneerslag [mm]
DVi en SFi de helling [dimensieloos] van de doorval in functie van de VVi respectievelijk de stamafvloei in functie van de VVi.
i 1, 2, 3 of 4 (zie verder).
De coëfficiënten van de regressierechten worden bepaald voor vier verschillende periodes gedurende het jaar:
Periode 1: 15 november tot 30 maart bladloze periode i = 1
Periode 2: 1 april tot 14 juni bladzetting i = 2
Periode 3: 15 juni tot 14 september max. bladbezetting i = 3
Periode 4: 15 september tot 14 november bladverlies i = 4
Deze methode corrigeert de tijdverschuivingen tussen vrij veldneerslag en doorvalneerslag niet op een modelmatige wijze, maar filtert wel de negatieve interceptiehoeveelheden rekening houdend met het stadium van de bladontwikkeling aan de bomen.
2.4.3 Grondwaterstand en drainage
Aan de onderzijde van het bodemcompartiment (zie Fig. 14) moet de in‐ en uitstromende waterflux worden gemeten of bepaald door toepassing van de fluxvergelijking op basis van het meten van de gradiënt en het vochtgehalte. Het model laat toe vier situaties voor de onderzijde van het bodemcompartiment te analyseren: • een gekende grondwatertafel in functie van de tijd; • een gekende drukhoogte van de bodem (Dirichlet randvoorwaarde) in functie van de tijd; • een gekende flux (Neuman randvoorwaarde) voor elke tijdstap; • vrije drainage. De onderste randvoorwaarden van de proefvlakken in dit project kunnen allen herleid worden tot een gemeten grondwaterstandsverloop, gemeten bodem‐matrixdrukken onderaan het bodemcompartiment, en vrije drainage.
De grondwaterstand of de drukhoogte van het bodemwater onderaan het profiel werden wekelijks opgemeten met behulp van een peilbuis, respectievelijk tensiometers.
2.4.4 Bodemwateropslag
De bodem vormt een heel belangrijk waterreservoir voor boomwortels. Het vochtleverend vermogen van de bodem is van cruciaal belang vooral omdat het bufferend werkt voor periodes zonder neerslag. Waarden voor de verschillende proefvlakken zijn terug te vinden in paragraaf 2.2.5.
Veranderingen in bodemvochtgehalte en de waterfluxen aan de rand van het systeem laten toe de hoeveelheid water die door de vegetatie uit de bodem wordt onttrokken te bepalen. Hiervoor werden op regelmatige tijdstippen (wekelijks) met TDR‐sondes het bodemvochtgehalte bepaald op de verschillende proefvlakken (zie paragraaf 2.3).
2.4.5 Wortelextractiefunctie
De bodemvochtextractie door de wortels voor het transpiratieproces wordt verondersteld evenredig te verlopen met de worteldichtheid. Gebaseerd op de profielbeschrijving wordt de worteldensiteit voor elk bodemcompartiment geschat. Dit verloop wordt de wortelextractiefunctie genoemd. De bodemvochtextractie door de wortels gebeurt gelijktijdig over het gehele effectieve worteldiepte en niet zoals voorheen. In de “oude” WAVE‐versie van 1994 (Vanclooster et al., 1994) extraheren de wortels het water eerst uit het bovenste compartiment totdat daar geen water meer kan onttrokken worden. Op deze manier verschuift de wateronttrekking naar het onderste bodemcompartiment. HOOFDSTUK 2: Materiaal 502.4.6 Bladoppervlakteindex LAI
INLEIDINGOm de evapotranspiratie op te splitsen naar transpiratie, interceptieverdamping en bodemevaporatie, wordt gebruik gemaakt van een bladoppervlakte‐index (LAI)(zie ook Fig. xx hoofdstuk 1, paragraaf 1.3.3.). Gezien de grote arbeidsintensiteit voor het direct bepalen van de bladoppervlakte werd geopteerd voor het indirect meten van deze grootheid.
De bladoppervlakte‐index van bosbestanden wordt zeer vaak bepaald d.m.v. optische methoden (Nilson, 1999). De methode met hemisferische beelden is gebaseerd op inversie van de gatenfrequentie voor homogene vegetatie. De formule die hierbij wordt gebruikt, is afgeleid voor de veronderstelling dat bladeren of naalden willekeurig en onafhankelijk van elkaar in de ruimte zijn verdeeld. Hierdoor kan het aantal overlappingen worden beschreven m.b.v. een Poissonverdeling (Nilson, 1971), waarbij de gatenfrequentie de waarschijnlijkheid is voor nul overlappingen.
De meeste resultaten voor bosbestanden, en in het bijzonder in naaldbossen, zijn echter steeds een onderschatting van de werkelijke waarde, te wijten aan clustering van de bladeren of naalden op verschillende structurele niveaus (scheuten, takken, ...) Clustering leidt steeds tot een stijging in de gatenfrequentie in vergelijking met de willekeurige verspreide bladeren. Een interessante methode om deze clustering in rekening te brengen is het introduceren van clusterindices als correctiefactoren voor de inversieformule (b.v. Gower & Norman, 1991). De correctiefactor die in dit project werd gebruikt werd afgeleid uit de fractale dimensie van het hemisferische kronendakbeeld.