Effect of meteorological conditions and water management on hydrological processes in agricultural fields: Parameterization and modeling of Estonian case studies

This thesis was a study of the effect of meteorological conditions and water management on
hydrological processes in agricultural fields. The emphasis was put on parameterization,
validation and critical analysis of the different methods commonly used in field-scale
hydrological models.

The study object was a two dimensional soil profile covered with cultivated grass that
completely shaded the ground. Both energy and water balance components were estimated and
compared with observed values and experimental results. A standard procedure for estimating net
radiation was parameterized with new values to get a better fit with observed radiation in Estonia.
The commonly used set of parameters were found to systematically overestimate net radiation
during the summer months and underestimate in winter months. New equations for the net
long-wave radiation that may also be used in the Priestley-Taylor equation were developed.
Soil heat flux was estimated numerically for both bare soil and grass covered soil. The soil
heat flux from grass-covered surfaces was less than 10% of the net radiation during the March-
September period. The highest soil heat flux, in June (21 MJ m-2 month-1), was equal to 5.8% of
net radiation. The largest relative value, in October (-13.7 MJ m-2 month-1), was equal to -173.4%
of net radiation.

Measured evapotranspiration obtained from the hydraulic pan covered with a clipped grass
canopy was used to validate the Penman-Monteith equation in Estonian conditions. In three out
of four years the results were very good. The highest coefficient of determination was obtained in
May 1985 (r2=0.922), and the lowest in July 1988 (r2=0.421). On a monthly basis comprising all
years of experimentation the correlation was the best in June (r2=0.913). It was also shown that
vapor pressure deficit correlated well with net radiation both on a daily basis (r2=0.602) and on a
long-term monthly basis (r2=0.976). These results validate the use of the Priestly-Taylor equation
in Estonian conditions. A comparison of the measured and estimated evapotranspiration revealed
a higher r2 with the Penman-Monteith method. However the difference between the two
methods was small to negligible in several months.

Water retention curves and soil hydraulic conductivity functions were determined with two
methods: 1) Wind’s evaporation method and 2) Andersson’s method based on the soil particle
size distribution. Wind’s method yielded a rather smooth curve for θ(h) and a scattered cloud for
K(h). The shape of the water retention curves were unexpectedly of a ’clay’-type, although the
clay fraction was small in the samples. Andersson’s method resulted in ’loamy soil’-type curves.
The experiment of controlled drainage by raising the water table at a nearby ditch showed
that with very simple and low-cost hydraulic structures the water regime in an adjacent field
could be affected. The agro-hydrological model, SWAP, developed in the Netherlands, was used
to simulate the controlled drainage experiment. Calculated depths of the groundwater table and
drainage flux using SWAP and CROPWATN (developed in Finland) were almost identical. The
effect of different drainage design parameters, soil properties and different water management
strategies was revealed using CROPWATN for continuous simulations over a period of 30 years.

———————

Tämän työn päätavoitteena oli tutkia meteorologisten olosuhteiden ja pellon vesitalouden
säädön vaikutusta hydrologisen kierron komponentteihin. Erityisesti keskityttiin yleisesti käytössä
olevien mallien ja menetelmien parametrisointiin, validointiin ja niiden soveltuvuuden
arviointiin.

Työssä tutkittiin kaksidimensionaalista profiilia, jossa maanpinta oli yhtenäisen kasvillisuuden
peitossa. Tutkimuksessa arvioitiin sekä maanpinnan energia- että vesitaseen komponentit ja
estimoituja tuloksia verrattiin koekentillä mitattuihin arvoihin. Työssä määritettiin uudet,
paremmin Viron olosuhteisiin soveltuvat parametriarvot nettosäteilyn laskemiseksi. Aiemmin
yleisesti käytössä olleet menetelmät yliarvioivat systemaattisesti kesäajan nettosäteilyn ja
aliarvioivat sen talvikuukausina. Työssä kehitettiin uudet laskentakaavat pitkäaaltoiselle säteilylle.
Tuloksia voidaan käyttää laskettaessa potentiaalista evapotranspiraatiota Priestley-Taylorin
menetelmällä.

Maan lämmönvaihdon osuus koko säteilytaseesta arviotiin numeerisilla malleilla sekä
paljaalle, että ruohopeitteiselle pinnalle. Maan lämmönvaihdon osuus ruohopeitteisen pinnan
energiataseesta oli pienempi kuin 10 % nettosäteilystä maalis-syyskuun välisenä ajanjaksona.
Maan lämmönvaihdon absoluuttinen arvo oli suurin heinäkuussa (21 MJ m2 kk-1, 5.8 %
nettosäteilystä) ja suhteellinen arvo oli korkein lokakuussa (-13.7 MJ m2 kk-1, -173.4 %
nettosäteilystä).

Ruohopeitteisestä, punnitsevasta haihdunta-astiasta mitattua todellista evapotranspiraatiota
käytettiin validoitaessa Penman-Monteithin menetelmää Viron olosuhteisiin. Kolmena vuotena
neljästä menetelmän antamat tulokset olivat erittäin hyviä. Vuorokausiarvojen korrelaatio oli
paras toukokuun 1985 mittauksille (r2=0.922) ja huonoin kesäkuun 1988 aineistolle (r2=0.421).
Kuukausitasolla paras selitysaste saatiin kesäkuun havainnoille (r2=0.913). Työssä osoitettiin
myös, että Priestley-Taylorin kehittämä potentiaalisen haihdunnan laskentakaava soveltuu hyvin
Viron olosuhteisiin. Tämä perustuu siihen, että kyllästysvajauksen ja nettosäteilyn välillä oli hyvä
korrelaatio sekä vuorokausitasolla (r2=0.602), että kuukausiarvoilla (r2=0.976). Penman-
Monteithin ja Priestley-Taylorinin menetelmillä laskettuja haihdunnan arvoja verrattiin
mitattuihin ja ensin mainittu antoi hieman parempia tuloksia, mutta erot olivat melko pieniä.
Vedenpidätyskäyrä ja kyllästymättömän maan hydraulinen johtavuus arvioitiin kahdella eri
menetelmällä: 1) Windin haihduntamenetelmällä ja 2) Anderssonin kehittämällä menetelmällä,
joka perustuu rakeisuuskäyrän käyttöön. Windin menetelmän antaman pF-käyrän keskihajonta
oli pieni, mutta K(h)-käyrä tulostui pisteparvena. Vedenpidätyskäyrä muistutti tyypillistä saven
käyrää vaikka näytteiden saven osuus oli hyvin pieni. Anderssonin menetelmä antoi tulokseksi
hiesumaan tyypillisen vedenpidätyskäyrän.

Säätösalaojituskoe osoitti, että pellon vesitalouteen voidaan vaikuttaa yksinkertaisella ja
halvalla patorakenteella, jolla nostettiin vedenpintaa läheisessä valtaojassa. Hollannissa kehitettyä
SWAP-mallia käytettiin simuloitaessa säätösalaojituskokeen vaikutuksia pellon vesitalouteen.
SWAP-mallilla ja Suomessa kehitetyllä CROPWATN-mallilla lasketut pohjavedenpinnan
syvyyden ja salaojavalunnan tulokset olivat lähes identtisiä. Kuivatuksen suunnitteluparametrien,
maalajin ja eri säätövaihtoehtojen vaikutus hydrologisiin prosesseihin pitkällä aikavalillä
arvioitiin käyttäen 30 vuoden meteorologista havaintojaksoa ja CROPWATN-mallia.