Inleiding - UvA/FNWI

Moleculaire diffusie in een zandbodem
29-05-2008 9:20
M.C.E. Faasse
Universiteit van Amsterdam
Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics
Bachelor Thesis Aardwetenschappen
Amsterdam, juni 2008
Begeleidend docent
Dr. J.H. van Boxel
Inhoudsopgave
1
Samenvatting.......................................................................................................... 3
2
Inleiding .................................................................................................................. 5
3
4
5
2.1
Doelstelling ....................................................................................................... 6
2.2
Hypothese ......................................................................................................... 6
2.3
Leeswijzer ......................................................................................................... 7
Materialen en Methoden ........................................................................................ 8
3.1
Metingen ........................................................................................................... 8
3.2
Calibratie ......................................................................................................... 12
3.3
Model .............................................................................................................. 13
Resultaten metingen ............................................................................................ 16
4.1
Calibratie ......................................................................................................... 16
4.2
Bodemvochtgehalte ........................................................................................ 18
4.3
Omgevingsfactoren ......................................................................................... 22
Discussie resultaten metingen ............................................................................ 25
5.1
Calibratie ......................................................................................................... 25
5.2
Bodemvochtgehalte ........................................................................................ 26
5.3
Omgevingsfactoren ......................................................................................... 26
6
Modelresultaten.................................................................................................... 28
7
Discussie modelresultaten .................................................................................. 32
8
Conclusie .............................................................................................................. 34
9
Nawoord................................................................................................................ 36
10 Referenties ........................................................................................................... 37
11 Bijlagen ................................................................................................................. 38
2
Universiteit van Amsterdam
1 Samenvatting
Planten hebben water nodig om te kunnen overleven. Dit water wordt voornamelijk uit de
bodem gehaald. Het water- of vochtgehalte in de bodem is afhankelijk van verschillende
factoren. Ook transport van waterdamp zou kunnen zorgen voor een herverdeling van
water in de bodem.
Kosmas et al. (1998) en Van der Poll (2007) hebben onderzoek gedaan naar
bodemvocht. Het vochtgehalte leek ’s nachts toe te nemen en Kosmas et al. (1998)
verklaarde dat door de aanvoer van vochtige lucht en de condensatie daarvan in de
bodem. De vraag die in dit onderzoek centraal staat, is de volgende. Vindt er in een
zandbodem op dagelijkse basis verticaal transport van waterdamp plaats als gevolg van
moleculaire diffusie of spelen er andere processen een rol bij dit fenomeen?
Om tot een antwoord op deze vraag te kunnen komen, zijn metingen uitgevoerd in de
Amsterdamse Waterleidingduinen. Voorafgaand aan de meetperiode zijn de
bodemvochtsensoren in het laboratorium gecalibreerd. In het veld zijn op vier diepten
bodemvochtgehalte en bodemtemperatuur gemeten. Daarnaast is de neerslag gemeten
en er is een meetmast opgesteld die windsnelheid, netto straling, luchttemperatuur en
luchtvochtigheid meet. Daarnaast is een model gemaakt waarin moleculaire diffusie
centraal staat. Op basis van de geïnterpoleerde bodemtemperatuur wordt de
concentratie waterdamp in de bodem berekend. Vervolgens wordt de flux berekend en
omgezet van een concentratie in een volume om het nieuwe bodemvochtgehalte te
berekenen.
Na calibratie van de bodemvochtsensoren bleek dat deze gevoelig zijn voor de
temperatuur. Dit is terug te zien in de gemeten bodemvochtgehalten, die een hoog
vochtgehalte tonen wanneer de temperatuur hoog is. De vochtgehalten nemen in de
loop van de geselecteerde meetperiode af en vertonen hierbij een dagelijkse gang in de
bovenste lagen. Naarmate de diepte toeneemt, wordt deze golfbeweging minder groot.
De uitkomsten van het model laten een afnemend bodemvochtgehalte zien. Op drie cm
diepte vertoont deze een lichte golfbeweging. Deze is echter zo klein dat nauwelijks
gesproken kan worden van een dagelijkse gang. Het vochtgehalte in het model neemt
minder snel af dan de veldmetingen laten zien. Dit wijst erop dat moleculaire diffusie
3
Universiteit van Amsterdam
waarschijnlijk een rol speelt bij de herverdeling van bodemvocht, maar dat er andere
processen zijn die een grotere rol spelen. Er zal nader onderzoek gedaan moeten
worden naar de rol van convectief transport in de bodem, dat waarschijnlijk ook invloed
heeft op het bodemvochtgehalte.
4
Universiteit van Amsterdam
2 Inleiding
Planten hebben water nodig om te kunnen overleven. Dit water wordt voornamelijk uit de
bodem gehaald. Het water- of vochtgehalte in de bodem is afhankelijk van verschillende
factoren, namelijk de aanvoer van water door middel van neerslag, capillaire opstijging
en laterale aanvoer van water en een verlies van water door evapotranspiratie
(verdamping vanaf landoppervlakten en transpiratie door planten), laterale afvoer van
water en opname door planten. Ook transport van waterdamp zou kunnen zorgen voor
een herverdeling van water in de bodem. Dit zou wel eens van groot belang kunnen zijn
voor vegetatie en landbouw.
In aride en semi-aride gebieden is er een tekort aan water voor vegetatie. Gedurende
een korte periode valt de jaarlijkse neerslaghoeveelheid. Tijdens het overige deel van
het jaar is de neerslaghoeveelheid minimaal. In combinatie met hoge temperaturen
ontstaat droogtestress voor planten. Gedurende deze periode zijn planten afhankelijk
van de hoeveelheid water die nog aanwezig is in de bodem en water dat wordt
aangevoerd door middel van condensatie van waterdamp. Kosmas et al. (1998) heeft
onderzoek gedaan naar dit proces in Griekenland. Door een concentratiegradiënt van
waterdamp tussen de bodem en de atmosfeer, vindt er transport van waterdamp plaats.
Door de ligging van de proeflocaties van Kosmas vlakbij zee is er ’s nachts aanvoer van
vochtige lucht vanaf zee, waardoor de aanvoer van waterdamp wordt verzorgd. Door
transport van waterdamp in de bodem, wordt dit water beschikbaar voor vegetatie.
Uit eerder onderzoek in de Amsterdamse Waterleidingduinen (Van der Poll, 2007) is
gebleken dat, wanneer het enige tijd niet heeft geregend, het vochtgehalte op een diepte
van 10 cm ’s nachts lijkt toe te nemen en dieper in de bodem afneemt. Overdag lijkt dit
proces andersom plaats te vinden. Dit proces lijkt vergelijkbaar met het hierboven
beschreven onderzoek van Kosmas et al (1998). In het onderzoek van Van der Poll
bevond de bovenste sensor zich op een diepte van 10 cm. Wat zich in de bovenste laag
van de bodem afspeelt, heeft Van der Poll niet gemeten. In de bovenste lagen van de
bodem is de temperatuuramplitude groter dan dieper in de bodem. De verwachting is
dan ook dat door ondiepere metingen aan bodemvocht te doen dit proces beter
begrepen en geanalyseerd kan worden.
5
Universiteit van Amsterdam
2.1 Doelstelling
Het bovenstaande brengt mij op de volgende hoofdvraag: Vindt er in een zandbodem op
dagelijkse basis verticaal transport van waterdamp plaats als gevolg van moleculaire
diffusie of spelen er andere processen een rol bij dit fenomeen?
De volgende deelvragen zullen leiden tot het beantwoorden van de hoofdvraag:
- Hoe verandert het bodemvochtgehalte met de diepte in de tijd?
- Is er een dagelijkse gang in bodemvochtgehalte op verschillende diepten te
constateren?
- Hoe verandert de hoeveelheid waterdamp in de bodem met de diepte in de tijd?
- Is de verandering van het bodemvochtgehalte met de diepte te verklaren met behulp
van een model waarbij moleculaire diffusie centraal staat?
Het doel van dit onderzoek is een model te bouwen waarin het proces van moleculaire
diffusie centraal staat. Vervolgens worden de uitkomsten van het model vergeleken met
de resultaten van de metingen. Deze vergelijking dient om te kunnen beoordelen of
moleculaire diffusie een belangrijke rol speelt in de herverdeling van bodemvocht.
2.2 Hypothese
In dit onderzoek wordt de hieronder besproken hypothese getest.
In de bodem is vocht aanwezig. Mits de bodem niet zeer nat is, vindt transport van vocht
plaats door middel van waterdamp. Omdat de poriën waarin zich waterdamp kan
bevinden klein zijn en niet in directe verbinding staan met de atmosfeer, kan de
aanname gedaan worden dat de hoeveelheid waterdamp in de lucht in evenwicht is met
de omgeving en de lucht daarom verzadigd is met waterdamp. Dit betekent dat de
hoeveelheid waterdamp die in een bepaalde laag in de bodem aanwezig is, afhankelijk
is van de temperatuur. Als er veranderingen optreden in het bodemvochtgehalte, is dit
volgens bovenstaande theorie te verklaren vanuit verdamping of condensatie van
waterdamp.
6
Universiteit van Amsterdam
2.3 Leeswijzer
In het volgende hoofdstuk, Materialen en Methoden, worden de gebiedsbeschrijving,
calibratie, meetopstelling en de theorie van het model behandeld. Vervolgens worden de
resultaten van de metingen besproken in Resultaten metingen en Discussie resultaten
metingen. Daarna zullen de uitkomsten van het model worden verwerkt in de
Modelresultaten model en Discussie modelresultaten. Tot slot volgen de Conclusies en
Nawoord. Achterin is een referentielijst opgenomen met geraadpleegde literatuur,
gevolgd door de Bijlagen.
7
Universiteit van Amsterdam
3 Materialen en Methoden
Om antwoorden te kunnen vinden op de vragen die in paragraaf 2.1 zijn geformuleerd,
zijn metingen noodzakelijk. Er zijn gegevens nodig over bodemvochtgehalte en
bodemtemperatuur, evenals omgevingsfactoren. Daarom is een meetopstelling
opgesteld in de Amsterdamse Waterleidingduinen, waarmee verschillende parameters
worden gemeten. In het onderzoek van Van der Poll (2007) vertoonden zich na
ongeveer 6 dagen van droge weersomstandigheden de eerste golfbewegingen in
bodemvochtgehalte. Om het proces van waterdamptransport in de bodem te kunnen
onderzoeken is er een langere periode (ongeveer anderhalve week) van droge
weersomstandigheden noodzakelijk.
In dit deel worden achtereenvolgens de meetlocatie, geselecteerde meetperiode, de
calibratie en het model behandeld.
3.1 Metingen
Meetlocatie
De veldmetingen voor dit onderzoek zijn gedaan in de Amsterdamse Waterleidingduinen
(AWD). De AWD zijn één van de bronnen voor het drinkwater in Amsterdam. Een deel
van de duinen is infiltratiegebied en is daarom afgesloten voor publiek. In grote delen
van het gebied vindt begrazing plaats door runderen. Het noordelijke deel is een druk
bezocht recreatiegebied en het zuidelijke deel is een rustig recreatiegebied. Alle delen
van de duinen, exclusief het infiltratiegebied, zijn vrij toegankelijk voor publiek en
wandelen buiten de paden is toegestaan.
Voor de meetlocatie is het van belang dat het zich in een rustig deel van de duinen
bevindt, om te voorkomen dat mensen de metingen verstoren. De bodem mag geen
invloed ondervinden van sterk fluctuerende grondwaterstanden, die in het
infiltratiegebied voorkomen. De gekozen meetlocatie ligt aan de Vogelenvelderweg in
het rustige zuidelijke deel van de AWD. Zie figuur 3.1. De locatie is lastig te bereiken en
daardoor is de kans klein dat er mensen in de buurt komen van de meetopstelling. Er is
enig reliëf in dit gebied aanwezig.
8
Universiteit van Amsterdam
Figuur 3.1 Luchtfoto Amsterdamse Waterleidingduinen en omgeving. De meetlocatie is
aangegeven met een gele punaise, ten zuidwesten van Bennebroek en Vogelenzang. (bron:
Google Earth)
Meetopstelling
De meetopstelling bestaat uit een meetmast met op anderhalve meter hoogte een
cupanemometer (windsnelheid) en iets daar beneden een netto stralingsmeter en een
sensor voor luchttemperatuur en –vochtigheid. Deze mast staat opgesteld op een open
plek tussen struiken duindoorn om de kans op verstoring door grazende runderen te
minimaliseren. Een meter verderop, op een vlakke plaats, is de neerslagmeter geplaatst.
Deze heeft een kantelbakje dat omslaat bij 0,2 mm neerslag. Zie voor de opstelling ook
figuur 3.2.
9
Universiteit van Amsterdam
Figuur 3.2 Meetopstelling: in het midden de meetmast, links, binnen de rode cirkel de
neerslagmeter en rechtsvoor de dataloggerkast. De bodemvocht- en temperatuursensoren zijn
ingegraven ter plaatse van de gele cirkel. De foto is genomen in noordoostelijke richting.
De bodemvocht- en –temperatuursensoren zijn twee meter verder geïnstalleerd. Voor
deze sensoren is gekozen voor een zuidhelling met weinig vegetatie. Hier zijn de
uitdrogings- en temperatuureffecten naar verwachting groter en extremer. Voor het
meten van het bodemvochtgehalte zijn vier ThetaProbes ML2x gebruikt van Campbell.
Er is een kuil gegraven van ongeveer 30 cm diepte waarin, op diepten van 2,5; 7,5; 15
en 25 cm, bodemvochtsensoren horizontaal zo ver mogelijk de bodem in zijn gestoken.
Enkele centimeters daarnaast zijn bodemtemperatuursensoren horizontaal in de bodem
gestoken. De kuil is vervolgens dichtgemaakt en aangestampt, zodat verschillen in
dichtheid van de bodem zo klein mogelijk worden gemaakt. De kabels van de sensoren
naar de dataloggers toe zijn ingegraven om te voorkomen dat ze stukgebeten worden
door runderen of konijnen, muizen, of andere knaagdieren. In bijlage 1 is een lijst met
opgestelde apparatuur opgenomen.
Op de locatie is vegetatie te vinden, van grassen en mossen tot middelhoge duindoorn
en hoge meidoorn. ’s Morgens bevindt de meetopstelling zich deels in de schaduw.
Rond elf uur staat de zon hoog genoeg om de meetopstelling volledig te beschijnen.
10
Universiteit van Amsterdam
Datalogger
Alle sensoren zijn aangesloten op dataloggers. Omdat niet alle sensoren op één
datalogger kunnen worden aangesloten is gekozen voor een tweede datalogger. De
CR10x datalogger biedt de mogelijkheid om apparatuur tussen de metingen door uit te
schakelen om stroom te besparen. De bodemvochtsensoren hebben veel stroom nodig
en zijn daarom aangesloten op de CR10x, samen met de neerslagmeter. Alle
temperatuursensoren en omgevingsfactoren (windsnelheid, netto straling,
luchttemperatuur en –vochtigheid) zijn aangesloten op een gewone CR10 datalogger.
De dataloggers worden gevoed door accu’s van 12 V / 7Ah. De dataloggerprogramma’s
zijn opgenomen in de bijlagen (bijlage 2 en 3).
De twee dataloggers, accu’s en een reserveaccu zijn opgesteld in een dataloggerkast
die, als extra bescherming tegen neerslag, wordt afgedekt door een krat.
Veldbezoeken
De opslagcapaciteit van de CR10 datalogger bedraagt 64 KB. Minus de 4 KB die nodig
is voor het draaien van het programma, is er ongeveer 60 KB beschikbaar voor data. Dit
betekent dat er vier tot vijf dagen aan data kan worden opgeslagen voordat het systeem
zichzelf vanaf het begin overschrijft. (zie voor berekening Bijlage 4) Om onnodig
dataverlies te voorkomen is het belangrijk twee keer per week een bezoek te brengen
aan de AWD. Dit is tevens een moment om te controleren of de apparatuur nog naar
behoren werkt.
Selectie meetperiode
Zoals eerder dit hoofdstuk kort is aangegeven, is voor dit onderzoek een langere periode
van droog weer noodzakelijk. Om gedurende een zo lang mogelijke periode te kunnen
meten, met meer kans op droge weersomstandigheden, is reeds op 28 april 2008 de
meetopstelling in het veld geïnstalleerd. Kort daarna brak er een lange periode, ruim
vijftien dagen, met droog weer aan. Er zijn in deze droge periode geen technische
mankementen ontstaan, en de data vertoont een, op het oog, verwachte dagelijkse
gang. Hierdoor lijkt de data uit deze periode geschikt voor analyse en input van het
model. De periode erna werd gekenmerkt door wisselvallig weer, waardoor deze data
11
Universiteit van Amsterdam
niet bruikbaar is voor dit onderzoek. Wellicht dat deze data voor verder onderzoek wel
bruikbaar of interessant is.
De geselecteerde meetperiode valt binnen de periode die in onderstaande figuur 3.3
wordt weergegeven. De selectie begint op 2 mei (dagnummer 123) om 12:00 en eindigt
op 16 mei (dagnummer 137) om 12:00.
Gemeten bodemvochtgehalte op 4 diepten
bodemvochtgehalte 2,5 cm
bodemvochtgehalte 7,5 cm
bodemvochtgehalte 15 cm
bodemvochtgehalte 25 cm
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.1750
0.1550
0.1350
0.1150
0.0950
0.0750
0.0550
0.0350
0.0150
123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 3.3 Gemeten bodemvochtgehalte op 4 diepten in de meetperiode, de geselecteerde
periode (dag 123 tot 137) valt hierbinnen.
3.2 Calibratie
Om de bodemvochtsensoren te kunnen calibreren is voor aanvang van de
onderzoeksperiode een monster genomen van C-materiaal in de Amsterdamse
Waterleidingduinen. Dit monster C-materiaal van ongeveer twee kilo is één nacht
gedroogd bij een temperatuur van 70 °C. Om een ijklijn te kunnen maken zijn
bodemvochtgehaltes nodig bij verschillende vochtpercentages. Een bekerglas van een
liter is voor 80% gevuld met gedroogd monster (800 ml). De bodemvochtsensoren zijn
genummerd van 1 tot en met 4, om het verschil te kunnen bepalen tussen de
verschillende sensoren.
Bij elke stap is 10ml water toegevoegd aan het monster. Het monster is
gehomogeniseerd door gebruik te maken van een tweede bekerglas, een lepel en
handen. Het monster is na homogenisatie aangeduwd en één voor één zijn de
12
Universiteit van Amsterdam
bodemvochtsensoren in het bekerglas gezet om het vochtgehalte te meten. De
sensoren zijn aangesloten op een accu van 12V en met een multimeter zijn de
spanningen gemeten die de bodemvochtsensoren afgeven. Voor de verschillende
sensoren is dezelfde multimeter gebruikt. Deze procedure is dertig keer herhaald bij
labtemperatuur (22 °C). Hieruit is een ijklijn te berekenen voor de verschillende
sensoren.
Voor calibratie bij een temperatuur van 2,5 °C zijn er vijf monsters voorbereid van
verschillende vochtgehalten. Deze zijn een middag (vier uren) in de koelcel geplaatst om
op temperatuur te komen, samen met de bodemvochtsensoren. Vervolgens zijn de
bodemvochtgehalten gemeten in de koelcel (volgens bovenstaande procedure), om
andere temperatuurseffecten uit te sluiten. Ook van deze gegevens is een ijklijn
gemaakt. In paragraaf 4.1 zullen de resultaten van deze ijkmetingen worden besproken.
3.3 Model
De hypothese die in dit onderzoek wordt getest staat beschreven in de inleiding (§2.2).
Volgens de hypothese kan waterdamptransport in de bodem worden beschreven met
behulp van een diffusievergelijking. Diffusiemodellen hebben met elkaar gemeen dat de
concentratieverschillen in de loop van de tijd worden vereffend (als het model lang
genoeg draait). De diffusievergelijking in zijn zuiverste vorm wordt weergegeven door de
volgende formule
F = -D* ΔC/Δx
(1)
F= flux
D= diffusieconstante
ΔC= verandering van de concentratie
Δx= verandering van de afstand
De waarde voor de diffusieconstante van waterdamp in lucht is bij benadering 0.2 *10-4
[m2*s-1] (Johansson, 2006). De verandering van de concentratie wordt berekend in [kg
H2O *m-3] en voor de verandering van de afstand wordt de laagdikte genomen die een
maat is voor de verandering van de diepte. Hierbij is de tortuositeit1 van belang. De weg
die de moleculen moeten afleggen is ongeveer twee maal de verticale afstand.
1
Tortuositeit van poriën is een maat voor de bochtigheid van de poriën waar luchtmoleculen zich
doorheen bewegen.
13
Universiteit van Amsterdam
Er wordt verondersteld dat de drijvende kracht achter het waterdamptransport een
verschil in concentratie van waterdamp is. Aangenomen wordt dat de lucht in de bodem
verzadigd is met waterdamp. De dampspanning is daarom in evenwicht met de actuele
temperatuur in de bodem, en zal gelijk zijn aan de verzadigingsdampspanning. De
dampspanning kan vervolgens met behulp van de specifieke luchtvochtigheid worden
omgerekend naar een concentratie waterdamp. De concentraties in twee aangrenzende
laagjes wordt vergeleken en er zal transport plaatsvinden van de laag met een hoge
concentratie waterdamp naar de laag met een lage concentratie. De concentratie in de
laagjes verandert en is niet meer in evenwicht met de temperatuur, ofwel de nieuwe
dampspanning is niet gelijk aan de verzadigingsdampspanning. Om de
verzadigingsdampspanning te herstellen moet er water verdampen of condenseren.
Afhankelijk van het transport van waterdamp in de bodem vindt dus een toename of
afname plaats van het bodemvochtgehalte door middel van condensatie of verdamping.
Tenslotte wordt gekeken of het berekende bodemvochtgehalte overeen komt met de
gemeten waarden in de Amsterdamse Waterleidingduinen.
De bodem in het model is een vereenvoudigde weergave waarvoor een aantal
aannames zijn gedaan. De bodem heeft 25 laagjes van één cm. Er wordt aangenomen
dat de eigenschappen binnen het laagje niet verschillen. Tussen de verschillende
laagjes vindt uitwisseling plaats in verticale richting. De uitwisseling in horizontale
richting wordt verwaarloosd. De onderkant van de onderste laag wordt gezien als het
einde van de bodem en er vindt geen transport plaats vanaf beneden de bodem in of
vanuit de bodem naar beneden. In de werkelijke situatie kan er capillaire opstijging
plaatsvinden. De meetopstelling in het veld is zo geplaatst dat de metingen geen invloed
ondervinden van capillaire opstijging, zodat hier ook in het model geen rekening mee
gehouden hoeft te worden.
In tijdstappen van 10 seconden worden veranderingen in bodemvochtgehalte berekend.
Per vijf minuten (300 sec) worden de veranderingen opgeslagen.
Modelparameters
De bodemtemperatuur wordt gemeten op vier verschillende diepten. Om de temperatuur
ook in de tussenliggende laagjes te weten, wordt geïnterpoleerd tussen de gemeten
bodemtemperaturen. Voor de temperatuur aan het aardoppervlak wordt de temperatuur
op 2,5 cm diepte genomen. Hierdoor zijn er vijf waarden waartussen geïnterpoleerd
14
Universiteit van Amsterdam
wordt. Door onderstaande formule (van Boxel, 2005) toe te passen is de
verzadigingsdampspanning van de lucht in de bodem te berekenen.
Es = 6.107817.2694 * T / (237.3 + T)
T = temperatuur
[mbar]
(2)
[°C]
De verzadigingsdampspanning kan vervolgens worden omgerekend naar een
concentratie met behulp van de specifieke luchtvochtigheid Q.
Q = ε * E / (P-(1-E) * ε
ε = 0,622
[kg H2O * kg lucht-1]
(3)
verhouding tussen moleculair gewicht van vochtige en droge lucht
E = dampspanning
[mbar]
P = luchtdruk
[mbar], standaardluchtdruk op zeeniveau 1013,25 mbar
Om de concentratie waterdamp C te berekenen moet de specifieke luchtvochtigheid
worden vermenigvuldigd met de dichtheid van lucht.
C = Q * ρL
[kg H2O * m-3]
Q = specifieke luchtvochtigheid
ρL= 1.2
(4)
[kg H2O * kg lucht-1]
[kg * m-3]
Vervolgens kan het waterdamptransport worden berekend tussen de verschillende
lagen, met behulp van de diffusievergelijking (1). De waterdampconcentratie in de
verschillende lagen hoeft dan niet meer overeen te komen met de concentratie
behorend bij de bodemtemperatuur op dat moment. Het verschil tussen de concentraties
is een maat voor de verandering van het bodemvochtgehalte. Het concentratieverschil
moet worden omgerekend naar een volume door gebruik te maken van de dichtheid van
water.
Θ = C / ρw
[m3 * m-3]
C = concentratie waterdamp
ρw = 1000
(5)
[kg H2O * m-3]
[kg * m-3]
Dit staat voor de verandering van het bodemvochtgehalte en wordt daarom verrekend
met het bodemvochtgehalte uit de voorgaande tijdstap.
15
Universiteit van Amsterdam
4 Resultaten metingen
Hieronder worden de resultaten van de calibratie en de metingen behandeld.
4.1 Calibratie
In onderstaande figuren 4.1 en 4.2 zijn de ijklijnen weergegeven voor respectievelijk de
sensoren 1 & 3 en 2 & 4. De curven van de calibratie bij labtemperatuur en een
temperatuur van 2,5 °C liggen duidelijk uit elkaar.
sensor 1
y = 0.4949x - 0.02
R2 = 0.987
Calibratiecurve sensoren 1 & 3
Volumetrisch watergehalte [m3/m3]
0.4
sensor 3
y = 0.5123x - 0.0232
R2 = 0.9882
0.35
0.3
sensor 1 2,5C
y = 0.3435x + 0.0169
R2 = 0.9675
0.25
0.2
sensor 3 2,5C
y = 0.3574x + 0.0177
R2 = 0.9717
0.15
0.1
Sensor 1
0.05
Sensor 3
0
sensor1 2.5c
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
sensor 3 2.5C
Gemeten spanning [V]
Figuur 4.1 Calibratiecurve sensoren 1 & 3 (blauw en geel bij labtemperatuur, paars
bij 2,5 °C)
Linear (Sensor
3)
Linear (Sensor
1) lichtblauw
en
Linear (sensor1
2.5c)
Linear (sensor
3 2.5C)
16
Universiteit van Amsterdam
Calibratiecurve sensoren 2 & 4
sensor 2
y = 0.4966x - 0.0184
2
R = 0.9841
Volumetrisch watergehalte [m3/m3]
0.4
sensor 4
y = 0.5058x - 0.0184
0.35
2
R = 0.9847
0.3
0.25
sensor 2 2,5C
y = 0.3438x + 0.0181
2
R = 0.957
0.2
0.15
sensor 4 2,5C
y = 0.347x + 0.0193
0.1
R = 0.967
2
0.05
Sensor 2
Sensor 4
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
sensor2 2,5c
sensor4 2,5c
Gemeten spanning [V]
Figuur 4.2 Calibratiecurve sensoren 2 & 4 (blauw en geel bij labtemperatuur, paars en lichtblauw
bij 2,5 °C)
Op grond van deze curven lijkt het aannemelijk dat het door de sensoren gemeten
bodemvochtgehalte temperatuursafhankelijk is. In droge bodems bij lage temperaturen
wordt het bodemvochtgehalte onderschat door de sensoren ten opzichte van hoge
temperaturen.
17
Universiteit van Amsterdam
4.2 Bodemvochtgehalte
Bodemvochtgehalte vanaf 29 april 0:00
bodemvochtgehalte 2,5 cm
bodemvochtgehalte 7,5 cm
bodemvochtgehalte 15 cm
bodemvochtgehalte 25 cm
neerslag
1.2
0.175
1
0.155
0.135
0.8
0.115
0.6
0.095
0.075
0.4
0.055
0.2
0.035
0.015
0
120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 141 142 143 144 145 146
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.3 Bodemvochtgehalte vanaf 29 april 0:00 [m3*m-3]. Zie voor grote figuur Bijlage 5.
In figuur 4.3 is te zien dat het vochtgehalte op 7,5 cm diepte hoger is dan op 2,5 cm
diepte. Dit is zowel in de natte als droge periode te zien. Wat opvalt, is dat bij neerslag
het bodemvochtgehalte op zowel 2,5 cm als 7,5 cm sterk reageren (zie rode ellips). Na
de bui neemt het bodemvochtgehalte op 7,5 cm diepte sterker af dan op 2,5 cm diepte.
Op 15 cm diepte zien we bij buien ook een toename van het vochtgehalte. De toename
na de bui op dag 122 is echter niet zo sterk als in de bovenste 10 cm en er treedt een
vertraging op ten opzichte van de bui en de bovenliggende lagen. Op een diepte van 25
cm is niet meer te herkennen wanneer de bui is gevallen. De fluctuaties in
bodemvochtgehalte worden hier sterk uitgedempt, zodat het verloop door een vloeiende
lijn wordt weergegeven.
Het poriënvolume van een zandbodem is groot. Dit betekent dat er veel ruimte aanwezig
is voor water om zich te verspreiden door de bodem. Het lijkt zo te zijn dat de neerslag
zich tot 7,5 cm snel de bodem indringt. Deze snelle herverdeling zou een gevolg kunnen
zijn van de zwaartekracht. Andere processen zoals herverdeling door middel van
moleculaire uitwisseling, duren veel langer en krijgen in deze korte tijdspanne nog geen
kans.
Op donderdag 1 mei tussen 13:00 en 14:30 is de laatste grote hoeveelheid neerslag
gevallen voorafgaand aan de droge periode. Het bodemvochtgehalte in de bovenste
18
Universiteit van Amsterdam
Neerslag [mm]
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.195
centimeters van de bodem vertoont hier nog een laatste sterke piek. Daarna neemt het
vochtgehalte in de loop van de tijd af. Op 2,5 cm diepte is al snel een sterke dagelijkse
gang te herkennen met aan het einde van de dag een piek en ’s ochtends de laagste
waarden voor het bodemvochtgehalte. Op 7,5 cm is eveneens een lichte golfbeweging
te herkennen die vanaf ongeveer 7 mei (dagnummer 128) sterkere fluctuaties laat zien
in het vochtgehalte (zie paarse ellips). Op 15 en 25 cm diepte is er geen dagelijkse gang
meer te herkennen in de data.
De eerste bui na de droge periode is niet terug te vinden in het bodemvochtgehalte op
de verschillende diepten. De overheersende windrichting op dag 138, 17 mei, was
noordoost, terwijl deze op 18 mei overwegend noord was (KNMI). Na de tweede grote
bui na de droge periode is wel een toename te zien in het bodemvochtgehalte. De
locatie van de bodemvochtsensoren ondervond waarschijnlijk invloed van de vegetatie
en stond bij noordoostelijke winden in de regenschaduw van de vegetatie (meidoorn). Bij
de noordelijke wind van een dag later is dit effect minder groot.
Bij de bui op dag 138 neemt het bodemvochtgehalte op 15 cm diepte sterk toe. Sterker
zelfs dan op een diepte van 2,5 cm en 7,5 cm. Wellicht was hier sprake van laterale
aanvoer van bodemvocht.
19
Universiteit van Amsterdam
bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.030
0.028
Bodemtemperatuur en bodemvochtgehalte
Bodemtemperatuur & -vochtgehalte op 2,5 en 7,5 cm diepte
vanaf 1 mei 12:00
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.025
35
30
25
0.023
0.06
Temperatuur [°C]
0.2
0.18
bodemvochtgehalte 2,5 cm
bodemvochtgehalte 7,5 cm
bodemtemperatuur 2,5 cm [°C]
bodemtemperatuur 7,5 cm [°C]
20
15
10
0.04
5
0.020
0
0
122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141
142 143 123
144 145 146124 125 126 1
122
0.02
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.4 Bodemtemperatuur en –vochtgehalte op 2,5 en 7,5 cm diepte vanaf donderdag 1 mei
12:00.
In figuur 4.4 is te zien dat de temperatuurcurve geen vloeiende sinus-beweging vertoont,
(zie rode cirkel). Na het nachtelijke temperatuurdal warmt de bodem langzaam op, tot
een uur of elf, waarna de temperatuur sterker toeneemt. Een verklaring voor dit
fenomeen, dat in de rode cirkel wordt uitgelicht, is dat de meetopstelling op een
zuidhelling staat, waarbij de plaats ’s morgens wordt overschaduwd door hoge
meidoorn. Aan de temperatuurcurve van 2,5 cm diepte is te zien wanneer de opstelling
in de volle zon komt te liggen, door de veranderende hellingshoek van de lijn. Op 7,5 cm
diepte is van dit effect weinig meer te zien, omdat de temperatuurcurve hier al genoeg is
uitgedempt en vertraagd.
In figuur 4.4 is ook goed te zien dat het bodemvochtgehalte op hetzelfde tijdstip pieken
vertoont als het temperatuurverloop. Er blijkt een temperatuurseffect aanwezig te zijn bij
de bodemvochtsensoren. Bij hoge temperaturen worden hoge bodemvochtgehalten
gemeten, en vice versa. Dit wordt bevestigd door Verhoef et al. (2005) die verschillende
methoden voor de bepaling van bodemvochtgehalte met elkaar heeft vergeleken.
Als de etmalen van dagnummers 137 en 138 worden vergeleken met de rest van de
meetperiode, blijkt dat de bodemtemperatuur overdag tot slechts 20 °C opliep, met
20
Universiteit van Amsterdam
gedurende de etmalen een kleine temperatuuramplitude. Het bodemvochtgehalte
vertoont gedurende deze periode nauwelijks een golfbeweging.
Er is dus een temperatuurseffect aanwezig, maar de variaties in bodemvochtgehalte zijn
klein.
Bodemtemperatuur & -vochtgehalte op 15 en 25 cm diepte
vanaf 1 mei 12:00
bodemvochtgehalte 15 cm
bodemvochtgehalte 25 cm
bodemtemperatuur 15 cm [°C]
bodemtemperatuur 25 cm [°C]
0.2
20
0.18
Bodemvochtgehalte
[m3/m3]
0.14
16
0.12
0.1
14
0.08
12
0.06
0.04
10
0.02
0
122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.5 Bodemtemperatuur en –vochtgehalte op 15 en 25 cm diepte vanaf 1 mei 12:00
In figuur 4.5 worden de bodemtemperaturen en –vochtgehalten weergegeven. De
temperatuursamplitude is hier zodanig klein (in de orde van 2,5 °C) dat er geen duidelijk
temperatuurseffect optreedt op deze diepten. De lijnen vertonen geen duidelijke
dagelijkse gang. In de loop van de tijd neemt, net als hoger in de bodem, het
vochtgehalte af doordat de bodem uitdroogt. De waarden van de vochtgehalten op 15 en
25 ontlopen elkaar niet veel in de droge tijd. Na de bui op dag 138 neemt het
vochtgehalte op 15 cm sterk toe, terwijl de bui op 25 cm diepte niet meer terug te vinden
is.
21
Universiteit van Amsterdam
8
Temperatuur [°C]
18
0.16
4.3 Omgevingsfactoren
Netto straling en luchttemperatuur
Netto straling en luchttemperatuur
vanaf 1 mei 12:00
netto straling [W/m2]
luchttemperatuur [°C]
bodemtemperatuur 2,5 cm [°C]
900
35
800
Netto straling [W/m2]
25
600
20
500
400
15
300
10
200
5
100
0
122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
-100
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.6 Netto straling en luchttemperatuur vanaf 1 mei 12:00
In figuur 4.6 is te zien dat de luchttemperatuur en bodemtemperatuur vertraagd reageren
op de netto straling. De pieken van de luchttemperatuur en bodemtemperatuur op 2,5
cm bevinden zich later in de tijd dan de piek van de hoogste netto straling.
De netto straling is het hoogste op het moment dat de zon het hoogst aan de hemel
staat (bij onbewolkte hemel). Tussen 11 en 15 uur worden de hoogste waarden van
netto straling per tijdseenheid bereikt, terwijl de temperatuur daarna nog doorstijgt. De
luchttemperatuur bereikt zijn hoogste waarde tussen 15 en 18 uur. Ook is te zien dat de
pieken van de bodemtemperatuur op 2,5 cm diepte hoger zijn dan de pieken van de
luchttemperatuur. Dit is te verklaren vanuit het feit dat de zon het aardoppervlak
verwarmt. Het aardoppervlak geeft vervolgens zijn warmte voor een deel af aan de lucht
en slaat een ander deel op in de bodem.
22
Universiteit van Amsterdam
0
-5
Luchttemperatuur [°C]
30
700
Luchttemperatuur en luchtvochtigheid
Luchttemperatuur & -vochtigheid
luchttemperatuur [°C]
luchtvochtigheid [%]
35
100
90
30
70
60
20
50
15
40
30
10
20
5
10
0
122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
0
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.7 Luchttemperatuur & -vochtigheid
Zoals te zien is in figuur 4.7, vertonen de luchttemperatuur en luchtvochtigheid een
tegengesteld verloop. Bij hoge temperaturen is de luchtvochtigheid laag en vice versa.
Warme lucht kan meer waterdamp bevatten dan koude lucht. Als lucht met een
bepaalde hoeveelheid waterdamp opwarmt, hoeft er niets aan de hoeveelheid
waterdamp te veranderen om de luchtvochtigheid te laten afnemen.
Gedurende de nachten is te zien dat de temperatuur daalt en het vochtgehalte
toeneemt, waardoor de curven elkaar kruisen. Uitzondering hierop vormt de periode
tussen de dagen 137 en 139, waarin er nauwelijks een temperatuurverandering was. De
luchtvochtigheid in deze periode is hoger, namelijk boven de 80%. De luchtvochtigheid
kon niet dalen door aanvoer van vocht door middel van buien.
23
Universiteit van Amsterdam
Luchtvochtigheid [%]
Temperatuur [°C]
80
25
Windsnelheid
Windsnelheid
windsnelheid
4
windsnelheid [m/s]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 4.7 Windsnelheid op 1,5 meter hoogte
In figuur 4.7 is te zien dat in de periode vanaf 2 mei (dagnummer 123) de windsnelheid
niet meer dan 2,5 meter per seconde bedraagt (een windkracht 2 op de schaal van
Beaufort). ’s Nachts valt de wind vaak weg, dit is te zien aan de platte dalen op 0,2 m/s.
De aanloopsnelheid van de cupanemometer is 0,2 m/s. Een lagere windsnelheid kan
daarom niet gemeten worden.
Bij lage windsnelheden is er relatief gezien minder turbulentie aanwezig, waardoor de
uitwisseling van waterdamp tussen de atmosfeer en de bodem niet wordt vergroot. De
windsnelheid wordt in het model dan ook niet meegenomen als een bepalende factor
voor het waterdamptransport in de bodem.
24
Universiteit van Amsterdam
5 Discussie resultaten metingen
5.1 Calibratie
Uit de calibratiecurven van figuur 4.1 en 4.2 blijkt dat er een temperatuurseffect
aanwezig is bij de bodemvochtsensoren. Bij een gelijk bodemvochtgehalte wordt bij
hoge temperaturen een hoger bodemvochtgehalte gemeten dan bij lage temperaturen.
Verhoef et al. (2006) heeft onderzoek gedaan naar de temperatuursafhankelijkheid van
verschillende methoden om bodemvochtgehalten te meten. Hij heeft volumetrische
bepalingen vergeleken met gravimetrische bepalingen en zowel proeven in het veld als
in het laboratorium uitgevoerd. Een van de onderzochte methoden was het gebruiken
van de ThetaProbes ML2x, die ook voor dit onderzoek worden gebruikt. Hij heeft twee
formules gebruikt om de gemeten bodemvochtgehalten te corrigeren voor de
temperatuur. Voor de eerste formule die Verhoef geeft, is het werkelijke
bodemvochtgehalte nodig. In dit onderzoek is het bodemvochtgehalte niet op een
andere manier gemeten dan met de ThetaProbes ML2x. De tweede (onderstaande)
formule zou bruikbaar kunnen zijn. Echter, de correctiefactor is afhankelijk van het
bodemvochtgehalte en wellicht ook van de temperatuur.
Θc = {(Tr + C) / (Ti + C) } * Θm
(6)
Θc = gecorrigeerd bodemvochtgehalte
Θm = gemeten bodemvochtgehalte
Tr = temperatuur van de calibratie (22 °C)
Ti = temperatuur waarbij de metingen hebben plaatsgevonden
C = correctiefactor (variërend van 10 tot 500)
Θc volgt de temperatuuramplitudo. Als gevolg hiervan vertoont Θc een grote variatie als
voor correctiefactor C lage waarden worden gekozen. Om de amplitudo zo klein mogelijk
te maken, moet daarom een zo hoog mogelijke waarde van C worden gekozen. De
resultaten van de correctie lijken erg op de data uit de metingen. Daarom wordt de
correctie verder in dit onderzoek niet gebruikt.
Een ander discussiepunt met betrekking tot de calibratie is de calibratie zelf. Bij de
calibratie bij 2,5 °C zijn er niet genoeg monsters voorbereid met lage
bodemvochtgehalten. Hierdoor wordt de ijklijn bij deze temperatuur voor een groot deel
25
Universiteit van Amsterdam
bepaald door het punt met een vochtgehalte van 0,05 [-]. Bij vervolgonderzoek is dit een
punt van aandacht.
5.2 Bodemvochtgehalte
Het bodemvochtgehalte in het bovenste deel van de bodem vertoont een dagelijkse
gang, waarbij de hoogste waarden aan het einde van de dag optreden. Op een diepte
van 15 cm is er geen dagelijkse gang meer te herkennen, waarschijnlijk als gevolg van
uitdemping met de diepte.
Overdag stijgen zowel de temperaturen van de lucht als van de bodem. Bij een
temperatuurtoename wordt ook een afname van het bodemvochtgehalte verwacht.
Immers, bij hogere temperaturen kan de lucht meer waterdamp bevatten en zal er door
middel van verdamping van bodemvocht een nieuw evenwicht ontstaan tussen de
temperatuur en de hoeveelheid waterdamp in de lucht. Een piek in bodemvochtgehalte
aan het einde van de dag ligt niet in de lijn der verwachtingen.
Als we dit punt vergelijken met de uitkomsten van de calibratie, is te zien dat bij
eenzelfde bodemvochtgehalte en hoge temperaturen een hoger bodemvochtgehalte
wordt gemeten dan bij de combinatie met lage temperaturen. De hoogste temperaturen
komen voor aan het einde van de middag, het bodemvochtgehalte wordt hier overschat
ten opzichte van de perioden met lagere temperaturen.
De Thetaprobes ML2x zijn geen betrouwbare methode om bodemvochtgehalte mee te
onderzoeken als bij verschillende metingen een temperatuursverschil aanwezig is. De
data is dan niet goed te vergelijken en resultaten zijn niet betrouwbaar. Bij toekomstig
onderzoek waarbij het bodemvochtgehalte in de tijd wordt geregistreerd, is het
raadzaam om een andere methode te gebruiken voor de metingen.
5.3 Omgevingsfactoren
De meetperiode werd gekenmerkt door een wind uit het oosten. Ten oosten van de
meetopstelling bevond zich hoge vegetatie, waardoor de opstelling in de luwte stond. De
stralingskap die de luchttemperatuur en –vochtigheidssensor moest beschermen tegen
straling, werkte niet optimaal. De stralingskap heeft gleuven, waardoor de wind de kap
afkoelt. Hierdoor wordt de werkelijke temperatuur gemeten en niet een temperatuur die
beïnvloed wordt door straling. Doordat er weinig wind aanwezig was, werkte het
26
Universiteit van Amsterdam
koelende effect van de wind niet. Hierdoor is de luchttemperatuur waarschijnlijk
overschat. Voor dit onderzoek is dit effect niet relevant. Bij vervolgonderzoek waarbij de
luchttemperatuur wellicht wel input is voor een model, dient dit effect vermeden te
worden.
27
Universiteit van Amsterdam
6 Modelresultaten
Modeloutput Bodemvochtgehalte
0.18
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
123
bodemvochtgehalte model
bodemvochtgehalte model
bodemvochtgehalte model
bodemvochtgehalte model
124
125
126
127
128
3 cm
8 cm
15 cm
25 cm
129
130
131
132
133
134
135
136
137
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 6.1 Modeloutput Bodemvochtgehalte: uitkomsten model moleculaire diffusie voor
verschillende diepten.
In figuur 6.1 zijn de resultaten van het model te zien, voor de diepten waar ook de
metingen zijn gedaan. Het bodemvochtgehalte neemt bovenin de bodem af. Hoe dieper
in de bodem, hoe minder snel het bodemvochtgehalte afneemt. Alleen op een diepte
van 25 cm neemt het bodemvochtgehalte toe.
De rode curve van 3 cm diepte vertoont een lichte golfbeweging. De hoogste dagwaarde
doet zich voor aan het einde van de ochtend. Dit komt niet overeen met de gemeten
waarden, die een piek vertonen aan het einde van dag, wanneer de temperatuur het
hoogst is. De golfbeweging in bovenstaande figuur is echter zo klein dat er nauwelijks
gesproken mag worden van een dagelijkse gang.
28
Universiteit van Amsterdam
Vergelijking bodemvochtgehalte gemeten & model;
2,5 & 7,5 cm
0.18
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
bodemvochtgehalte gemeten 2,5 cm
bodemvochtgehalte model 3 cm
bodemvochtgehalte gemeten 7,5 cm
bodemvochtgehalte model 8 cm
0.02
0.00
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 6.2 Vergelijking bodemvochtgehalte gemeten & model; 2,5 & 7,5 cm. Vergelijking tussen
gemeten waarden en modeloutput.
In figuur 6.2 is te zien dat het model en de gemeten waarden niet met elkaar overeen
komen. De bodemvochtgehalten nemen zowel bij de gemeten waarden als de resultaten
van het model af. De gemeten waarden vertonen echter een duidelijke dagelijkse gang,
terwijl de resultaten van het model dit niet hebben.
29
Universiteit van Amsterdam
Vergelijking bodemvochtgehalte gemeten & model;
15 & 25 cm
0.18
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
bodemvochtgehalte gemeten 15 cm
bodemvochtgehalte model 15 cm
bodemvochtgehalte gemeten 25 cm
bodemvochtgehalte model 25 cm
0.02
0.00
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 6.3 Vergelijking bodemvochtgehalte gemeten & model; 15 & 25 cm. Vergelijking tussen
gemeten waarden en modeloutput.
Figuur 6.3 laat zien dat op een diepte van 15 cm het model nog steeds een daling van
het bodemvochtgehalte voorspelt. Het vochtgehalte daalt echter minder snel dan bij de
gemeten waarden te zien is.
Op een diepte van 25 cm voorspelt het model een stijgend bodemvochtgehalte. Dit komt
niet overeen met de metingen die zijn uitgevoerd.
Het model vertoonde ook afwijkende uitkomsten. De lagen die een toename in
bodemvochtgehalte vertonen, worden in figuur 6.4 weergegeven.
30
Universiteit van Amsterdam
Toename bodemvochtgehalte
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
123
6 cm
11 cm
16 cm
21 cm
25 cm
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
Tijd [Juliaanse dagen]
Figuur 6.4 Toename bodemvochtgehalte
De lagen in figuur 6.4 vertonen elk een stijgende trend. Wat hierbij opvallend is, is dat
deze lagen zich op onderling gelijke afstand bevinden. Tussen deze lagen bevindt zich
vijf cm waarin het bodemvochtgehalte wel afneemt. Hier zal verder op in worden gegaan
in het hoofdstuk Discussie modelresultaten.
31
Universiteit van Amsterdam
7 Discussie modelresultaten
De uitkomsten van het model komen niet geheel overeen met de gemeten data. De
gemeten data en de uitkomsten van het model tonen een dalend bodemvochtgehalte,
maar in verschillende mate. In een aantal lagen neemt het bodemvochtgehalte toe. Er
zijn een aantal factoren te noemen die er mogelijk toe leiden dat de uitkomsten van het
model en de data niet overeenkomen.
Temperatuurseffect ML2x
Zoals al eerder is genoemd, is de temperatuur van invloed op het bodemvochtgehalte
dat de ThetaProbes ML2x meten. Hierdoor moeten vraagtekens worden geplaatst bij de
betrouwbaarheid van metingen. Als gevolg daarvan zijn de uitkomsten van de
vergelijking tussen de metingen en model niet te beoordelen op betrouwbaarheid.
Vochtopname door planten en mossen
In de veldsituatie is er vegetatie te vinden op de plaats van de meetopstelling. Dit is
weliswaar lage vegetatie die bestaat uit grassen en mossen, maar de grassen nemen
water op uit de bodem. In dit model over moleculaire diffusie is geen rekening gehouden
met de wateropname door planten.
Mossen leven op water uit de atmosfeer en zorgen daarom niet voor een daling van het
bodemvochtgehalte. In de veldsituatie vormen de mossen een extra barrière voor het
transport van waterdamp, waardoor er minder waterdamp naar de bodem zal worden
getransporteerd.
Bodemvochtgehalte
Het bodemvochtgehalte is niet van invloed op de hoeveelheid waterdamp die zich in de
poriën kan bevinden. Alleen als de bodem volledig is uitgedroogd en er geen
bodemvocht meer aanwezig is, kan er geen transport meer plaatsvinden.
Het lijkt onlogisch om het bodemvochtgehalte geen rol te laten spelen in het proces van
moleculaire diffusie. Echter, bij stilstaande lucht boven een wateroppervlak, maakt het
niet uit hoeveel water er aanwezig is. Met andere woorden, het maakt niet uit of het een
kleine waterplas na een regenbui is of een enorm meer. De hoeveelheid waterdamp in
de lucht, net boven het oppervlak, is dan slechts afhankelijk van de temperatuur. Dit
32
Universiteit van Amsterdam
voorbeeld is ook te vertalen naar de bodem. Van de lucht in de poriën van de bodem
wordt aangenomen dat die stil staat en daarom in evenwicht is met de temperatuur. Het
is dan niet van belang of zich veel of weinig vocht in de bodem bevindt.
Interpolatie
Om het transport van waterdamp te kunnen berekenen is de temperatuur in alle
bodemlaagjes nodig. Omdat deze niet is gemeten, zijn de gemeten waarden
geïnterpoleerd. In deze interpolatie zijn, op onderlinge afstanden van vijf cm, ‘lage’
temperaturen te vinden. Deze waarden verschillen ongeveer 1 °C met de omliggende
laagjes. Hierdoor kan zich in deze lagen bodemvocht ophopen.
Uit het bovenstaande kan worden geconcludeerd dat het model de veldsituatie niet
optimaal beschrijft. Echter, het feit dat de uitkomsten van het model niet volledig
overeenkomen met de metingen, wil niet zeggen dat het doel van dit onderzoek niet is
gehaald. Het doel van dit onderzoek was het proces van moleculaire diffusie beschrijven
met een model. Vervolgens wordt ekeken aan de hand van de metingen of dit proces
een goede beschrijving vormt voor veranderingen van het bodemvochtgehalte.
33
Universiteit van Amsterdam
8 Conclusie
Op basis van de hiervoor gepresenteerde resultaten en discussie zullen de deelvragen
en hoofdvraag puntsgewijs worden beantwoord.
-
Hoe verandert het bodemvochtgehalte met de diepte in de tijd?
Het bodemvochtgehalte vertoont een dagelijkse gang, waarbij de hoogste waarden van
het gemeten bodemvochtgehalte worden bereikt aan het einde van de middag. Dit ligt
niet in de lijn der verwachtingen. De data vertoont een temperatuursafhankelijkheid,
waardoor de betrouwbaarheid van de metingen onzeker is.
-
Is er een dagelijkse gang in bodemvochtgehalte op verschillende diepten te
constateren?
In de bovenste lagen (2,5 en 7,5 cm) is een dagelijkse gang in bodemvochtgehalte te
ontdekken. Deze dagelijkse gang lijkt echter een gevolg te zijn van de
temperatuursafhankelijkheid van de bodemvochtsensoren.
Op grotere diepten wordt de dagelijkse gang in temperatuur te veel uitgedempt. Met de
gebruikte instrumenten zijn op grotere diepten geen veranderingen in
bodemvochtgehalte op dagelijkse basis te constateren.
-
Hoe verandert de hoeveelheid waterdamp in de bodem met de diepte in de tijd?
Over de werkelijke hoeveelheid waterdamp in de bodem is niets bekend, dit is niet goed
te meten met de beschikbare instrumenten. Daarom is het bodemvochtgehalte gemeten
en de hoeveelheid waterdamp die in de bodem aanwezig kan zijn gemodelleerd. Het
model laat de hoeveelheid waterdamp afhangen van de temperatuur. Deze varieert dan
ook van een grote hoeveelheid waterdamp bij hoge temperaturen, aan het einde van de
dag, tot kleine hoeveelheden bij lage temperaturen aan het einde van de nacht en in de
vroege morgen.
-
Is de verandering van het bodemvochtgehalte met de diepte te verklaren met behulp
van een model waarbij moleculaire diffusie centraal staat?
Als de uitkomsten van het model worden vergeleken met de data van de metingen, zijn
er overeenkomsten en verschillen te vinden.
34
Universiteit van Amsterdam

In de meeste lagen is een afnemend bodemvochtgehalte gesimuleerd. Dit komt
overeen met de metingen. Echter, een aantal lagen vertoont een toenemend
bodemvochtgehalte.

In de metingen is een dagelijkse gang te zien, in tegenstelling tot de uitkomsten van
het model. Daarin is nauwelijks een dagelijkse gang of golfbeweging te herkennen.

Enkele afwijkende resultaten uit het model laten zien dat het model niet optimaal de
verandering van het bodemvochtgehalte met de diepte beschrijft.
Bovenstaande conclusies leiden tot het beantwoorden van de hoofdvraag.
-
Vindt er in een zandbodem op dagelijkse basis verticaal transport van waterdamp
plaats als gevolg van moleculaire diffusie of spelen er andere processen een rol bij
dit fenomeen?
Het proces van moleculaire diffusie is lastig te beschrijven met een model. De resultaten
van het model en de metingen komen niet zodanig overeen dat gesteld kan worden dat
het model de veldsituatie goed beschrijft. Dit geeft aan dat er andere processen een
grotere rol spelen in de verandering van bodemvochtgehalte. Om de veranderingen in
bodemvochtgehalte beter te begrijpen, dient nader onderzoek te worden gedaan naar dit
fenomeen. Bij verder onderzoek is aan te raden het bodemvochtgehalte (ook) op andere
manieren vast te stellen dan met de bodemvochtsensoren ThetaProbes ML2x. Dit is
noodzakelijk om temperatuurseffecten uit te kunnen sluiten of om op juiste wijze de data
te kunnen corrigeren.
35
Universiteit van Amsterdam
9 Nawoord
Dit onderzoek maakt duidelijk dat veranderingen in bodemvochtgehalte lastig te
simuleren zijn. Het proces van moleculaire diffusie, zoals dat door dit model wordt
beschreven, is geen verklaring voor deze veranderingen. Dit betekent dat er andere
processen spelen die nader moeten worden onderzocht om bodemvochttransport te
kunnen begrijpen.
Een proces waaraan gedacht moet worden is de invloed van convectief transport in de
bodem. Door het opwarmen van de bodem zet de lucht in de bodem uit en zal er lucht,
met daarin waterdamp, ontsnappen naar de atmosfeer. Als vervolgens de bodem
afkoelt, zal de lucht in de bodem een minder groot volume aannemen en zal er lucht uit
de atmosfeer de bodem indringen. Wat de invloed is van dit proces kan nader worden
onderzocht.
Voor de bepaling van bodemvochtgehalte is het, zoals al eerder aangegeven, raadzaam
om een andere methode te gebruiken dan de ThetaProbes ML2x.
Tot slot dank ik John van Boxel voor het beschikbaar stellen van de benodigde
apparatuur en zijn begeleiding en inspanningen bij dit onderzoek .
36
Universiteit van Amsterdam
10 Referenties
Boxel, J.H. van, 2005. ‘Syllabus Atmosferische Fysica 2005-2006’. Universiteit van
Amsterdam, 166 pp.
Boxel, J.H. van, 2007. ‘Syllabus Klimatologie 2007-2008’. Universiteit van Amsterdam,
138 pp.
Johansson, R., 2006. ‘Modelling of biofuel combustion in fixed beds’. Department of
Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 74
pp.
Kosmas, C., Danalatos, N. G., Poesen, J., Wesemael, B. van, 1998. ‘The effect of water
vapour adsorption on soil moisture content under Mediterranean climatic conditions’.
Agricultural Water Management 36, p. 157-168
Van der Poll, J.W., 2007. ‘Het bepalen van de evapotranspiratie door middel van
bodemvochtafname en de variatie van het ruimtelijke patroon van het vochtgehalte aan
het oppervlak’. BSc Thesis Aardwetenschappen, Universiteit van Amsterdam, 41 pp.
Verhoef,A., Fernández-Gálvez, J., Diaz-Espejo, A., Main, B.E., El-Bishti, M., 2006. ‘The
diurnal course of soil moisture as measred by various dielectric sensors: Effect of soil
temperatre and the implications for evaporation estimates’. Journal of Hydrology 321, p.
147-162
Verstraeten, W.W., Veroustraete, F., Feyen, J., 2008. ‘Assessment of
Evapotranspiration and Soil Moisture Content Across Different Scales of Observation’.
Sensors 8, p. 70-117
Overige Bronnen
In volgorde van gebruik
Google Earth: http://earth.google.com (afbeelding meetlocatie)
KNMI: http://www.knmi.nl/klimatologie/daggegevens/index.cgi (windrichting)
37
Universiteit van Amsterdam
11 Bijlagen
Bijlage 1
Opgestelde apparatuur Amsterdamse Waterleidingduinen:
Accu
2
12V/7Ah
Bodemtemperatuursensoren
4
Campbell Scientific P107
Bodemvochsensoren
4
ThetaProbes ML2x
CR10 datalogger
1
Campbell Sci. Inc. CR10
CR10x datalogger
1
Campbell Sci. Inc. CR10x
Cupanemometer
1
Vector instruments A100R
Haringen
2
Luchttemperatuur &-vochtigheid
1
Meetmast & uithouder
1
Netto stralingsmeter
1
Regenmeter
1
Scheerlijn
1
Vaisala HMP45C
Campbell Scientific Q-7
Bijlage 2
Dataloggerprogramma CR10
CR10_MF.csi
;{CR10}
;
*Table 1 Program
01: 10
Execution Interval (seconds)
1: Batt Voltage (P10)
1: 1
Loc [ Accu
]
2: If (X<=>F) (P89)
1: 1
X Loc [ Accu
2: 4
<
3: 10.5
]
F
38
Universiteit van Amsterdam
4: 0
Go to end of Program Table
3: Pulse (P3)
1: 1
Reps
2: 1
Pulse Input Channel
3: 22
Switch Closure, Output Hz
4: 2
Loc [ Wind
5: 1.25
6: .2
]
Mult
Offset
4: Volt (Diff) (P2)
1: 1
Reps
2: 4
250 mV Slow Range
3: 1
DIFF Channel
4: 3
Loc [ NetStrali ]
5: 10
Mult
6: 0.0
Offset
5: Volt (SE) (P1)
1: 2
Reps
2: 5
2500 mV Slow Range
3: 3
SE Channel
4: 4
Loc [ TRLV_1
5: 0.1
Mult
6: 0.0
Offset
]
6: Z=X+F (P34)
1: 4
2: -40
3: 4
X Loc [ TRLV_1
]
F
Z Loc [ TRLV_1
]
7: Temp (107) (P11)
1: 4
Reps
2: 5
SE Channel
39
Universiteit van Amsterdam
3: 1
Excite all reps w/Exchan 1
4: 6
Loc [ BodTemp ]
5: 1.0
Mult
6: 0.0
Offset
8: If time is (P92)
1: 0
Minutes (Seconds --) into a
2: 5
Interval (same units as above)
3: 10
Set Output Flag High
9: Real Time (P77)
1: 1220
Year,Day,Hour/Minute (midnight = 2400)
10: Average (P71)
1: 9
Reps
2: 1
Loc [ Accu
]
11: Standard Deviation (P82)
1: 8
Reps
2: 2
Sample Loc [ Wind
]
*Table 2 Program
02: 0.0000
Execution Interval (seconds)
*Table 3 Subroutines
End Program
40
Universiteit van Amsterdam
Bijlage 3
Dataloggerprogramma CR10x
CR10X_MF.csi
;{CR10X}
;
*Table 1 Program
01: 10
Execution Interval (seconds)
1: Batt Voltage (P10)
1: 1
Loc [ Accu
]
2: If (X<=>F) (P89)
1: 1
X Loc [ Accu
2: 4
<
3: 10.5
4: 0
]
F
Go to end of Program Table
;
; 12V aanzetten
;
3: Do (P86)
1: 41
Set Port 1 High
;
; Effe wachten
;
4: Excitation with Delay (P22)
1: 1
Ex Channel
2: 000
Delay W/Ex (units = 0.01 sec)
3: 100
Delay After Ex (units = 0.01 sec)
4: 0000
mV Excitation
;
; Meten
;
5: Volt (Diff) (P2)
41
Universiteit van Amsterdam
1: 4
Reps
2: 5
2500 mV Slow Range
3: 1
DIFF Channel
4: 2
Loc [ Bodvoch_1 ]
5: 1.0
Mult
6: 0.0
Offset
;
; 12 V uitzetten
;
6: Do (P86)
1: 51
Set Port 1 Low
7: Pulse (P3)
1: 1
Reps
2: 1
Pulse Channel 1
3: 2
Switch Closure, All Counts
4: 6
Loc [ Neerslag ]
5: .2
Mult
6: 0.0
Offset
;
; Opslaan gemiddelde per 5 minuten
;
8: If time is (P92)
1: 0
Minutes (Seconds --) into a
2: 5
Interval (same units as above)
3: 10
Set Output Flag High (Flag 0)
9: Real Time (P77)
1: 1220
Year,Day,Hour/Minute (midnight = 2400)
10: Average (P71)
1: 5
Reps
2: 1
Loc [ Accu
]
42
Universiteit van Amsterdam
11: Standard Deviation (P82)
1: 4
Reps
2: 2
Sample Loc [ Bodvoch_1 ]
12: Totalize (P72)
1: 1
Reps
2: 6
Loc [ Neerslag ]
*Table 2 Program
02: 0.0000
Execution Interval (seconds)
*Table 3 Subroutines
End Program
Bijlage 4
Berekening opslagcapaciteit CR10 in dagen
Opslag: 42 bits per 5 minuten
12 perioden van 5 minuten in een uur
24 uren in een dag
Capaciteit CR10: 60 KB
42 bits *12 *24 = 12 096 bits per dag (12,096 KB)
60 / 12.096 = 4,96 dagen opslagruimte
43
Universiteit van Amsterdam
Bijlage 5
Figuur 4.3: Bodemvochtgehalte vanaf 29 april 0:00
Bodemvochtgehalte vanaf 29 april 0:00
1.2
0.175
1
0.155
0.135
0.8
0.115
0.6
0.095
0.075
0.4
0.055
0.2
0.035
0.015
0
120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 141 142 143 144 145 146
Tijd [Juliaanse dagen]
Neerslag [mm]
Bodemvochtgehalte [m3/m3]
0.195
bodemvochtgehalte 2,5 cm
bodemvochtgehalte 7,5 cm
bodemvochtgehalte 15 cm
bodemvochtgehalte 25 cm
neerslag