METÓDY MERANIA EVAPORÁCIE A EVAPOTRANSPIRÁCIE (EVAPORIMETRICKÉ MERANIA)

Pri stanovovaní potenciálneho výparu meraním sa využívajú dva základné princípy:

  1. porézny povrch, pri ktorom výparomernú plochu tvorí mokrý porézny povrch – papier, ktorý uzatvára otvor kalibrovanej trubice. Vyparená voda sa z nej nahrádza a podľa výšky hladiny sa priamo odčíta potenciálny výpar (Obr. 4 A),
  2. vodná hladina, pri kt. Vyparujúcim povrchom týchto prístrojov je vodná hladina, poprípade pôda v nádobách, alebo nádržiach rôznej plochy a hĺbky. Sleduje sa pokles hladiny vody, alebo úbytok hmotnosti (Obr. 4 B).

obr-4-graficke-znazornenie-zakladnych-principov-merania-potencialneho-vyparu

Obr. 4 Grafické znázornenie základných princípov merania potenciálneho výparu (A – porézny povrch, B – vodná hladina)

Meranie potenciálneho výparu (výparnosť, E0)

Výparomery sú väčšinou relatívne prístroje, ktoré slúžia na pozorovanie výparnosti na rôznych lokalitách. Podľa princípu merania sa delia na atmometre, evaporimetre a lyzimetre.

Atmometre

Sú výparomery, ktorých výparomernú plochu tvorí mokrý porézny povrch a vyparená voda sa nahrádza z kalibrovanej nádoby (sklenená trubica), na ktorej sa priamo odčíta potenciálny výpar. Najznámejší z nich je Picheho výparomer (Obr. 5), ktorý sa používa na určenie rozdielov potenciálneho výparu na rôznych miestach v rovnakom čase. Používa sa hlavne pri terénnych bioklimatických meraniach. Zostrojil ho Piche v roku 1873.

Je tvorený kalibrovanou sklenenou odmerkou, ktorá má na  svojom dne oko na zavesenie. Otvorený koniec odmerky naplnenej  destilovanou vodou sa uzavrie krúžkom zeleného pijavého  papiera v strede prepichnutým a pritláčaným k otvoru pružinou. Pri meraní sa inštaluje otvoreným koncom smerom k zemi. Z papiera nasýteného vodou z odmerky sa voda vyparuje. Jej  úbytok sa určí z poklesu výšky hladiny v odmerke. Výpar E0 sa určí zo vzťahu:

3-picheho-vyparomer

kde f je konštanta závislá od priemeru terčíka (terčík 30 mm má  f=0,749, terčík 32 mm má f=0,666), m je množstvo odparenej vody v cm3.

obr-5-picheho-vyparomer

Obr. 5 Picheho výparomer

Evaporimetre

Vyparujúcim povrchom týchto prístrojov je vodná hladina, poprípade pôda v nádobách, alebo nádržiach rôznej plochy a hĺbky. Z tejto skupiny najznámejšie sú: výparomer Wildov, rozdielový výparomer Rónov a výparomer GGI 3000.

Na meteorologických staniciach sa na meranie výparu z vodnej hladiny používa výparomer GGI 3000 (Obr. 6). Je tvorený nádobou tvaru valca s odparovacou plochou 3000 cm2, hlbokou asi 60 cm, ktorá sa zapustí do zeme tak, aby hladina vody bola na úrovni okolitého terénu. Zmeny hladiny vo výparomernej nádobe sa určujú 2-krát denne o 7 h a 19 h miestneho slnečného času pomocou odmernej nádobky s uzavierateľným otvorom dna, ktorá sa umiestňuje do presne definovanej, pri každom meraní rovnakej polohy voči nádobe výparomeru. Objem odobranej vzorky vody sa  zmeria odmerkou a z rozdielu objemov dvoch po sebe naledujúcich odberov sa určia rozdiely výšky hladiny s presnosťou na 0,1 mm. Spolu s výparomerom sa na stanici inštaluje špeciálny zrážkomer s rovnakou záchytnou plochou 3000 cm-2. Záchytná plocha zrážkomeru sa umiestňuje rovnako na úroveň zemského povrchu. Hodnota výparu E0 sa vyjadruje s presnosťou na desatiny milimetra vodného stĺpca z meraní počiatočnej hladiny vo výparomeri (H1), konečnej výšky (H2) a množstva spadnutých zrážok (S), medzi dvomi pozorovacími termínmi:

4-ggi-3000

Obr. 6 Výparomer GGI 3000.jpg

Obr. 6 Výparomer GGI 3000

Meranie evapotranspirácie

Na priame meranie výparu z pôdy sa používajú zariadenia nazývané lyzimere, v prípade pôdy s vegetáciou sú nazývané evaptranspirometre. Sú to nádoby naplnené pôdnym monolitom a kryté porastom zhodným s okolitým prostredím. Lyzimetre a evaptranspirometre sú pôdne výparomery umožňujúce tiež meranie množstva, poprípade zisťovanie chemického zloženia vody presiaknutej pôdou do podložených nádob.

Pri zisťovaní úbytku vody z meracích nádrží sa používajú metódy:

a) metóda gravimetrická – nádrž je zasunutá do puzdra trvale zapusteného v zemi. Vážením sa zisťuje odparené a zrážkami, alebo závlahou dodané množstvo vody a jeho kolísanie v pôdnom monolite. Malé typy sa vážia po vybratí z puzdra, pri veľkých typoch spočíva nádoba na jednom ramene váhy zabudovanej v podzemnom priestore,

b) metóda volumetrická (kompenzačná) – mierou výparu z pôdneho monolitu je množstvo vody potrebné na udržanie stálej hladiny. Odtok za prípadných zrážok sa zachytáva v nádobe pod monolitom. Výpar je daný rozdielom medzi dodanou a presiaknutou vodou pri započítaní zrážkovej vody, ktorá musí byť zvlášť meraná zrážkomerom.

Váhový lyzimeter (Obr. 7) je najčastejšie využívaný. Pracuje na gravimetrickom princípe. Je to blok pôdy vybratý bez poškodenia prirodzeného zvrstvenia horizontov a zasadený do nádoby umiestnenej do priestoru vybudovaného pod okolitým terénom. Nádoba spočíva na ramene váh, kde je jej okamžitá hmotnosť zisťovaná tak, ako sa mení pod vplyvom zrážok, ich prienikom pôdnym profilom do zbernej nádoby alebo naopak, výparom z povrchu pôdy a rastlín. Pôdny monolit má plochu 1 m2, hĺbku 1,5 m. Hmotnosť bloku je asi 3000 kg.

obr-7-schema-vahoveho-lyzimetra-l-evapotranspirometer-lyzimeterv-vaha-automaticka-registracia-hmotnosti-s-zberna-nadoba-presakujucej-vlahy-zrazok

Obr. 7 Schéma váhového lyzimetra (L – evapotranspirometer (lyzimeter)V – váha (automatická registrácia hmotnosti), S – zberná nádoba presakujúcej vlahy – zrážok)

Popovov pôdny lyzimeter (Obr. 8) pozostáva z dvoch nádob s plochou po 500 cm2. Dno nádob tvorí drôtená sieťka. Do nádob sa umiestni pôdny monolit. Puzdra, do ktorých sa pôdny výparomer zasúva, majú okraje v rovine okolitého terénu. Jedno z puzdier je len o niekoľko mm hlbšie než nádoba a dno je tiež z drôtenej sieťky. Druhé puzdro je o 0,05 m hlbšie pereto, aby sa tam mohla podložiť miska s plytkým lievikom. Dno tohto puzdra je pevné. V prvom puzdre, v ktorom je pôdny monolit v styku s okolitou pôdou, sa celý deň a noc vyrovnáva pôdna vlhkosť s vlhkosťou profilu (Obr. 8 a). V druhom puzdre (Obr. 8 b) prebieha v tom istom čase meranie a je zachytávaná presakujúca voda. Ďalší deň sa nádoby vymenia. Pri každej výmene sa nádoby zvážia s presnosťou na 5 g, t.j. 0,1 mm zrážok alebo výparu. Z rozdielu hmotností zisťujeme množstvo vyparenej vody.

Obr. 8 Schéma Popovho pôdneho výparomeru lyzimetra.jpg

Obr. 8 Schéma Popovho pôdneho výparomeru/lyzimetra (c – nádoba na zachytávanie presakujúcej vody, s – husté pletivo na dne nádoby s pôdnym monolitom)

Stanovenie evapotranspirácie výpočtom

Priame merania evapotranspirácie sa na území Slovenska robia len na veľmi malom počte staníc, čo neumožňuje získať údaje o priestorovom a časovom rozložení tejto základnej zložky rovnice vodnej bilancie pre väčšie územné celky. Z toho dôvodu evapotranspiráciu určujeme tiež pomocou empirických a poloempirických vzťahov, ktoré vyjadrujú spojitosť evapotranspirácie s meteorologickými prvkami, resp. charakteristikami prostredia a rastliny. Podstatné je, aby zvolená metóda brala do úvahy všetky základné činitele, ktorými je evaporanspirácia určovaná. Pri týchto metódach ide o výpočet – odhad evapotranspirácie.

Najčastejšie sú využívané nasledovné metódy pre nepriame stanovenie evaporácie, resp. evapotranspirácie:

  • komplexná metóda
  • metóda energetickej bilancie
  • metóda pulzácií
  • metóda vodnej bilancie
  • metóda s dendrometrickým prístupom na základe merania transpiračného prúdu

Penmanova-Monteithova metóda kombinuje aerodynamickú metódu a metódu energetickej bilancie. Penman (1968) pôvodne odvodil rovnicu pre výpar z voľnej vodnej hladiny, ktorú neskôr sám aplikoval na listy. Monteith (1973) upravil túto rovnicu pre vyjadrenie evapotranspirácie porastov. Zdôrazňuje, že rezistencia vegetácie nie je zanedbateľná voči aerodynamickému odporu. Doplnil preto rovnicu Penmana o odpor prieduchov pre prenos vodnej pary. V súčasnosti je základným nástrojom pre výpočet transpirácie zo suchého homogénneho porastu definovaného ako „veľký list“, neuvažuje sa s priestorovým členením porastu. Rovnica sa označuje ako Penmanova-Monteithova rovnica a vyzerá takto:

5-penman-montieth

Pričom pravú stranu Penmanovej-Monteithovej rovnice môžeme rozdeliť na energetický člen (v čitateli má výraz D(Rn‑G) a na aerodynamický člen (v čitateli má výraz p.cp.de/ra). Z rovnice vyplýva, že pomer energetického a aerodynamického člena nezávisí od rezistencie porastu, ale od pomeru radiačnej bilancie k sýtostnému doplnku…

Na výpočet evapotranspirácie podľa rovnice sú potrebné tieto vstupné údaje: radiačná bilancia, sýtostný doplnok, teplota vzduchu, rýchlosť vetra (na výpočet aerodynamickej rezistencie) a rezistencia porastu (jej výpočet robí najväčšie problémy a vyžaduje si niekedy vytvorenie samostatného submodelu). Aj keď je Penmanova-Monteithova rovnica založená na určitých zjednodušeniach (napr. porast sa považuje za jednoduchú vrstvu), výsledky s jej použitím nevedú k väčším chybám. Rovnica má dobrý fyzikálny základ a potrebné vstupné údaje sa dajú získať zväčša bez veľkých ťažkostí. Z týchto dôvodov našla pri štúdiu evapotranspirácie lesných porastov široké uplatnenie.

Pri hydrologických štúdiách je evapotranspirácia určovaná najčastejšie metódou vodnej bilancie. Je to najstaršia a najjednoduchšia metóda merania evapotranspirácie, založená na zostavení bilancie obsahu vody v špecifikovanom objeme pôdy. Evapotranspirácia porastu sa tu stanovuje z rovnice vodnej bilancie určitého územia väčšinou ako rozdiel medzi zrážkami a odtokom pri zohľadnení zmien obsahu vody v pôde. Rovnica vodnej bilancie lokality, porastu, alebo povodia má podľa Kaufmanna a Kellihera (1991) tvar:

6-kaufmann-a-k

kde sa používajú ročné hodnoty P, R, a D. Ak budeme D považovať za zanedbateľné, evapotranspiráciu môžeme jednoducho vypočítať ako rozdiel zrážok a odtoku. Takýmto prístupom je možné získať len rámcové hodnoty zaťažené veľkou chybou, znásobenou nepresnosťou stanovenia každej z veličín rovnice.

Metóda s dendrometrickým prístupom podľa Čermáka a Kučeru (Čermák a Kučera 1990) využíva pri stanovení transpirácie porastu priamo merané hodnoty transpiračného prúdu na úrovni jednotlivých stromov. Autori zastávajú názor, že pri výpočtoch transpirácie porastov je výhodnejšie použiť kontinuálne nedeštrukčné merania transpiračného prúdu na vybratých vzorníkoch stromov reprezentujúcich porast. Za pomoci vhodných dendrometrických parametrov (hrúbka kmeňa v prsnej výške d1,3, kruhová základňa a pod.) je možné údaje reálne namerané na vzorníkoch prepočítať na porast, prípadne povodie. Na určenie transpirácie porastu sa aplikuje vzťah, zväčša vyjadrený regresnou rovnicou, medzi transpiráciou jedinca a vybraným parametrom. Na základe zisteného vzťahu medzi zvolenou biometrickou veličinou a transpiráciou jednotlivých stromov sa tá na základe štruktúry porastu a jeho vlastností (napr. početnosti hrúbkových tried) prepočíta na celý lesný porast. Pri extrapolácii (“upscaling” z anglickej literatúry) transpirácie zo vzorníkov na celý porast, alebo jednotku plochy porastu je potrebný starostlivý výber skupiny vzorníkov stromov reprezentujúcich daný porast. Počet vzorníkov závisí od variability porastu a požadovanej presnosti výsledkov. Vzorové stromy by mali byť vyberané zohľadnením rozdelenia stromov podľa vybraného vhodného biometrického parametra, s prihliadnutím na zdravotný stav stromov, ktorý sa obyčajne pri modelovaní transpirácie porastu prehliada. Tento dendrometrický prístup k stanoveniu transpirácie v kombinácii s meraniami transpirácie na úrovni celých stromov namiesto modelovania procesu transpirácie za pomoci mnohých premenných sa javí byť výhodnejší a jednoduchší pri prepočte na celý porast.

Meranie transpiračného prúdu (TR) prebiehajúceho v xyléme dospelých stromov je možné uskutočniť metódou tepelnej bilancie podľa Čermáka a Kučeru („Tree-trunk Heat Balance method“, ďalej THB). Metóda sa už mnoho rokov úspešne používa pri ekofyziologickom a hydrologickom výskume v rôznych častiach sveta. Touto metódou je možné zistiť množstvo vody transpirované dospelým stromom za predpokladu, že všetka voda, pretečená vodivým xylémom je transpirovaná do atmosféry, pričom spotreba vody na biochemické procesy (cca 2%) sa zanedbáva. THB metóda spočíva na princípe kvantifikácie množstva tepla unášaného prúdom vody cez vopred definovaný priestor vodivého xylému z celkového množstva tepla dodaného do tohto priestoru. Metóda je absolútna, stanovuje intenzitu transpiračného prúdu v jednotkách hmotnosti (resp. objemu) vody za určitý čas. Merané hodnoty transpiračného prúdu sa ukladajú do pamäte dataloggera vo zvolenom intervale počas celého dňa, celú vegetačnú sezónu (Obr. 9 a 10). Výhody THB metódy sú najmä kontinuita meraní, nedeštruktívnosť, automatizovaný záznam a možnosť merať za každého počasia aj na dospelých drevinách. Na Obr. 11 je znázornený priebeh nameraného transpiračného prúdu jedincov smreka a smrekovca počas slnečného dňa bez zrážok s doplňujúcim zobrazením priebehu globálnej radiácie a teploty vzduchu.

obr-9-meranie-transpiracneho-prudu-v-kmeni-stromu-metodou-tepelnej-bilancie

Obr. 9 Meranie transpiračného prúdu v kmeni stromu metódou tepelnej bilancie. Schéma zapojenia elektród s termočlánkami pri THB metóde merania transpiračného prúdu (EMS Brno)

obr-10-aplikacia-thb-metody-sapflow-metre-vo-vyskumnej-praxi

Obr. 10 Aplikácia THB metódy (SapFlow metre od firmy EMS Brno) vo výskumnej praxi

obr-11transpir_graf

 Obr. 11 Priebeh hodnôt transpiračného prúdu smreka (SM) a smrekovca (SMC) zobrazený s globálnou radiáciou a teplotou vzduchu počas slnečného dňa bez zrážok – výskumná lokalita vo Vysokých Tatrách