View More View Less
  • 1 BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, Budapest
  • 1 Department of Sanitary and Environmental Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Budapest
  • 2 NAIK Erdészeti Tudományos Intézet, Sárvár
  • 2 Forest Research Institute, National Agricultural Research and Innovation Centre, Sárvár
  • 3 MTA ATK Talajtani és Agrokémiai Intézet, Budapest
  • 3 Institute for Soil Sciences and Agricultural Chemistry, Centre for Agricultural Research, Hungarian Academy of Sciences, Budapest
  • 4 PE Georgikon Kar, Keszthely
  • 4 Georgicon Faculty, University of Pannonia, Keszthely
Open access

Összefoglalás

A folyamatalapú hidrológiai számításoknak és az azokra épülő vízminőségi, ökológiai elemzéseknek jelentős a bemenő adatigénye, ami a jövőben várhatóan tovább növekszik. A méréstechnológia rohamos fejlődésével a hidrológiai modellek bemenő adatai közül mára a szűk keresztmetszetet lokális és vízgyűjtő léptéken is a felszín alatti viszonyok, és elsősorban a talajok szivárgáshidraulikai tulajdonságainak számszerűsítése jelenti. A helyzetet felismerve a közelmúltban különböző módszertannal több talajtani, talajhidrológiai adatbázist is kidolgoztak. Kutatásunkban azt vizsgáljuk, hogy a 100 m felbontású hazai talajadatok és európai becslő algoritmusok alapján számított talajhidrológiai paraméterek (i) megbízható bemeneti adatforrást biztosítanak-e, és (ii) a korábban rendelkezésre álló adatállományokhoz képest javítják-e a hidrológiai számítások jóságát talajszelvény szintű vízforgalmi modellben.

Az Erdészeti Tudományos Intézet (NAIK ERTI) két mintaterületén (Fiad és Szalafő) mért meteorológiai és talajnedvesség-idősorok segítségével 5-5 darab talajszelvényszintű vízforgalmi modellváltozatot állítottunk fel Hydrus-1D környezetben. Ezek kizárólag a talajtani paraméterezésükben (réteghatárok helye, telített vízvezető képesség és retenciós görbe együtthatók) tértek el: a talajrétegek jellemzésére felhasználtuk (i) a kalibráció-validáció eredményeit (“legjobbnak vélt” verzió), (ii) a helyszíni mintavételből származó laboratóriumi méréseket, (iii) a mért talajtulajdonságok alapján, az európai becslő függvényekkel (EU-PTF) számított talajhidrológiai tulajdonságokat, (iv) a hazai DOSoReMI adatbázis alapján, az EUPTF- ekkel számított talajhidrológiai tulajdonságokat, illetve (v) az EUSoilHydroGrids térképeket. A modellváltozatokat a mért és számított talajnedvesség-idősorok összevetése (NSME, RMSE, R2) alapján értékeltük. Emellett összehasonlítottuk a számított vízmérlegeket is.

Az öt-öt modellváltozat esetében lényegesen eltért a mért-számított talajnedvességi idősorok illeszkedése. Fiadon egyedül a kalibráció adott elfogadható eredményt (NSME = 0.49), a másik négy változat kifejezetten gyengének bizonyult (három esetben NSME < 0). Szalafőn minden változat pozitív NSME-re vezetett, a kalibráció kiválónak tekinthető (NSME = 0.75). A várakozással ellentétben a mért talajhidrológiai paraméterekre épülő modellváltozatok adták a legrosszabb illeszkedést, míg a hatékonysági rangsorban a kalibrált modellek után az EU-SoilHydroGrids változatok következtek. A szimulációkból levezetett vízmérlegek Fiadon csak kevéssé, míg Szalafőn nagymértékben függtek a talajparaméterezéstől. A vizsgálat fontos tapasztalata, hogy a talajszelvény feltárás gyakorlata – érthető módon – elsősorban nem a hidrológiai modellezés szempontjaihoz igazodik, így az adatbizonytalanság forrása lehet. A vizsgálat eredményei alapján folytatjuk a Balaton vízgyűjtő talajhidrológiai paramétereinek 3D térképezését.

If the inline PDF is not rendering correctly, you can download the PDF file here.

  • Arnold, J.G., D. N. Moriasi, P. W. Gassman, K. C. Abbaspour, M. J. White, R. Srinivasan, C. Santhi, R. D. Harmel, A. van Griensven, M. W. Van Liew, N. Kannan, M. K. Jha. (2012). SWAT: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE. Vol. 55 (4). 14911508.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Bakacsi, Z., Pásztor, L., Szabó, J., Kuti, L., Laborczi, A., (2012) 3D textúra adatbázis létrehozása indikátor-krigeléssel, talajtani és agrogeológiai adatbázisok egységesítésével. Agrárinformatika / Agricultural Informatics (2012) Vol. 3, No. 1: 4651.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Bréda, N.J. (2003) Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments and current controversies. J. Exp Bot. 2003 Nov; 54. (392). 24032417. DOI: 10.1093/jxb/erg263

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Buzás I. (szerk.), 1988. Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv 2. A talajok fizikai-kémiai és kémiai vizsgálati módszerei. Mezőgazdasági Kiadó. Budapest.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Buzás I. (szerk.), 1993. Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv 1. A talaj fizikai, vízgazdálkodási és ásványtani vizsgálata. Inda 4231 Kiadó. Budapest. 357.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Chaney, N. W., Wood, E. F., McBratney, A. B., Hempel, J. W., Nauman, T. W., Brungard, C. W. and Odgers, N. P. (2016) POLARIS: A 30-meter probabilistic soil series map of the contiguous United States, Geoderma, 274. 5467, doi: 10.1016/j.geoderma.2016.03.025

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Cui, Y. J., Tang, A. M., Loiseau, C., Delage, P. (2008) Determining the unsaturated hydraulic conductivity of a compacted sand-bentonite mixture under constant-volume and free-swell conditions, Phys. Chem. Earth, 33. 462471.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Dai, Y., Shangguan, W., Duan, Q., Liu, B., Fu, S. and Niu, G.-Y. (2013) Development of a China Dataset of Soil Hydraulic Parameters using pedotransfer functions for land surface modeling, J. Hydrometeorol., 14. (3). 869887, doi: 10.1175/JHM-D-12-0149.1

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Dorigo, W.A., Xaver, A., Vreugdenhil, M., Gruber, A., Hegyiová, A., Sanchis-Dufau, A.D., Zamojski, D., Cordes, C., Wagner, W., Drusch, M. (2012) Global automated quality control of in situ soil moisture data from the international soil moisture network. Vadose Zone Journal; 12. (3). vzj2012. 0097.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Farkas, C., Hernádi, H., Makó, A., Máté, F. (2011) Estimating climate change effects on soil water balance elements of Hungarian calcic chernozem soils. Agrokémia és Talajtan, 60. 4156.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Feddes R A , Kowalik P J, Zaradny H (1978) Simulation of Field Water Use and Crop Yield. John Wiley & Sons, New York, NY.

  • Federer, C.A. (2002) BROOK 90: A simulation model for evaporation, soil water, and streamflow. http://www. ecoshift.net/brook/brook90.htm

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Fiala, K., Blanka, V., Ladányi, Z., Szilassi, P., Benyhe, B., Dolinaj, D., Pálfai, I., (2014) Drought severity and its effect on agricultural production in the Hungarian-Serbian cross-border area. Journal of Environmental Geography 7. (3–4). 43-51. doi: 10.2478/jengeo-2014-0011

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Fodor, N., Blaskó, J., Éri, L., Rajkai, K. (2009) Hidraulikus vezetőképesség mérési és becslési eredmények összehasonlítása homoktalajra. Agrokémia és Talajtan 58. (2). 369380.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Fodor, N., Pásztor, L., Németh, T. (2014) Coupling the 4M crop model with national geo-databases for assessing the effects of climate change on agro-ecological characteristics of Hungary. International Journal of Digital Earth, 7 (5), 391410, https://doi.org/10.1080/17538947. 2012.689998

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Ganot, Y., Holtzman, R., Weisbrod, N., Nitzan, I., Katz, Y., Kurtzman, D. (2017) Monitoring and modeling infiltration-recharge dynamics of managed aquifer recharge with desalinated seawater. Hydrol. Earth Syst. Sci., 21. 44794493, 2017. https://doi.org/10.5194/hess-21-4479-2017

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Gribovszki, Z., Kalicz, P., Kucsara, M. (2006) Streamflow characteristics of two forested catchments in Sopron Hills. Acta Silvatica et Lignaria Hungarica, 2. 8192

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Harmel, R.D., Baffaut, C., Douglas-Mankin, K. (2018) Review and development of ASABE Engineering Practice 621: “Guidelines for calibrating, validating, and evaluating hydrologic and water quality models” Transactions of the ASABE. 61. (4). 1393-1401. doi: 10.13031/trans.12806

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Johnson, S. G. (2014), The NLopt nonlinear-optimization package, http://abinitio.mit.edu/nlopt

  • Karimi, P., Bastiaanssen, W. G. M. (2015) Spatial evapotranspiration, rainfall and land use data in water accounting – Part 1: Review of the accuracy of the remote sensing data. Hydrol. Earth Syst. Sci., 19. 507532, 2015.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Kiss, K. A., Gribovszki, Z., Kalicz, P. (2005) Rainfall interception by forest canopy and forest litter in three different forest ecosystems at the eastern border of the Alps. Geophysical Research Abstracts, 7. 05430

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Kozma Zs. , Ács T., Koncsos L. (2014) Unsaturated zone modelling – The role of soil database classification. In: C A Brebbia, H Bjornlund (szerk.) Sustainable Irrigation and Drainage V. (WIT Transactions on Ecology and the Environment; 185.) pp. 197208.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Marthews, T. R., Quesada, C. A., Galbraith, D. R., Malhi, Y., Mullins, C. E., Hodnett, M. G. and Dharssi, I. (2014) High-resolution hydraulic parameter maps for surface soils in tropical South America, Geosci. Model Dev., 7. (3). 711-723, doi:10.5194/gmd-7-711-2014

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Mazzacavallo MG , Kulmatiski A (2015) Modelling water uptake provides a new perspective on grass and tree coexistence. PLoS ONE 10. (12). e0144300. doi:10.1371/journal.pone.0144300

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Mohanty, B.P.; Cosh, M.H.; Lakshmi, V.; Montzka, C. (2017) Soil moisture remote sensing: State-of-the-science. Vadose Zone J. 2017, 16. 19. doi:10.2136/vzj2016.10.0105

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Montzka, C., Herbst, M., Weihermüller, L., Verhoef, A. and Vereecken, H. (2017) A global data set of soil hydraulic properties and sub-grid variability of soil water retention and hydraulic conductivity curves, Earth Syst. Sci. Data, 9. (2). 529543, doi:10.5194/essd-9-529-2017

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Monteith, J.L. (1965): Evaporation and the environment. Symposium of the Society of Experimental Biology, 19. 15791590

  • Móricz, N., Mátyás, C., Berki, I., Rasztovits, E., Vekerdy, Z., Gribovszki, Z. (2012) Comparative water balance study of forest and fallow plots. iForest - Biogeosciences and Forestry, 5. (4). 188-196 DOI: 10.3832/ifor0624-005

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • MSZ-08-0205-78. MÉM Ágazati Szabvány 1979. A talaj fizikai és vízgazdálkodási tulajdonságainak vizsgálata, Budapest.

  • Nemes, A., Schaap, M. and Wösten, J. (2003) Functional evaluation of pedotransfer functions derived from different scales of data collection, Soil Sci. Soc. Am. 67. 10931102.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Pásztor, L., Laborczi, A., Bakacsi, Z., Szabó, J., Illés, G. (2018a) Compilation of a national soil-type map for Hungary by sequential classification methods, Geoderma, 311. 93108.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Pásztor, L., Laborczi, A., Takács, K., Szatmári, G., Bakacsi, Z., Szabó, J., Illés, G., (2018b) DOSoReMI as the national implementation of GlobalSoilMap for the territory of Hungary, In: D. Arrouay, I. Savin, J. Leenaars, A. B. McBratney (eds.), Proceedings of the Global Soil Map 2017 Conference, July 46, 2017, CRC Press, Moscow, Russia, pp. 1722,

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Právetz, T., Sipos, Gy., Benyhe, B., Viktória Blanka, V., (2015) Modelling runoff on a small lowland catchment, Hungarian great plains, Journal of Environmental Geography, 8. (12). 4958. DOI: 10.1515/jengeo-2015-00

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Qu, W., Bogena, H. R., Huisman, J. A., Schmidt, M., Kunkel, R., Weuthen, A., Schiedung, H., Schilling, B., Sorg, J., Vereecken, H. (2016) The integrated water balance and soil data set of the Rollesbroich hydrological observatory, Earth Syst. Sci. Data, 8. 517529.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Scanlon, B. R., M. Christman, R. C. Reedy, I. Porro, J. Simunek, and G. N. Flerchinger (2002), Intercode comparisons for simulating water balance of surficial sediments in semiarid regions, Water Resour. Res., 38. (12). 1323.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Simunek, J., Sejna, M., van Genuchten, M.T., (1998) The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably-saturated media: version 2.0 IGWMC-TPS-70. International Groundwater Modeling Center, Colorado School of Miners, Golden, 1998.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Tóth, B., Weynants, M., Nemes, A., Makó, A., Bilas, G. and Tóth, G. (2015) New generation of hydraulic pedotransfer functions for Europe. Eur. J. Soil Sci., 66. (1). 226-238, doi:10.1111/ejss.12192, 2015.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Tóth, B., Weynants, M., Pásztor, L., Hengl, T. (2017) 3D soil hydraulic database of Europe at 250 m resolution. Hydrological Processes. 31. 26622666.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Trodahl, M.I., Jackson, B.M., Deslippe, J.R., Metherell, A.K. (2017) Investigating trade-offs between water quality and agricultural productivity using the Land Utilisation and Capability Indicator (LUCI) – A New Zealand application. Ecosystem Services, 26. Part B. 388-399, https://doi.org/10.1016/j.ecoser. 2016.10.013.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Van Looy, K., Bouma, J., Herbst, M., Koestel, J., Minasny, B., Mishra, U., Montzka, C., Nemes, A., Pachepsky, Y. A., Padarian, J., Schaap, M. G., Tóth, B., Verhoef, A., Vanderborght, J., van der Ploeg, M. J., Weihermüller, L., Zacharias, S., Zhang, Y., and Vereecken H. (2017) Pedotransfer functions in Earth system science: Challenges and perspectives, Rev. Geophys., 55. (4). 1199-1256, doi:10.1002/2017RG000581

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Várallyay, G. (2015) Magyarország talajainak vízraktározó képessége, Agrokémia és Talajtan, 54. (12). 524.

  • Vereecken, H., A. Schnepf, J.W. Hopmans, M. Javaux, D. Or, T. Roose, J. Vanderborght, M.H. Young, W. Amelung, M. Aitkenhead, S.D. Allison, S. Assouline, P. Baveye, M. Berli, N. Brüggemann, P. Finke, M. Flury, T. Gaiser, G. Govers, T. Ghezzehei, P. Hallett, H.J. Hendricks Franssen, J. Heppell, R. Horn, J.A. Huisman, D. Jacques, F. Jonard, S. Kollet, F. Lafolie, K. Lamorski, D. Leitner, A. Mcbratney, B. Minasny, C. Montzka, W. Nowak, Y. Pachepsky, J. Padarian, N. Romano, K. Roth, Y. Rothfuss, E.C. Rowe, A. Schwen, J. Šimůnek, A. Tiktak, J. Van Dam, S.E.A.T.M. van der Zee, H.J. Vogel, J.A. Vrugt, T. Wöhling, and I.M. Young. (2016) Modeling soil processes: Review, key challenges, and new perspectives. Vadose Zone J. 15. doi: 10.2136/vzj2015.09.0131

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Vereecken, H., Diels, J., Van Orshoven, J., Feyen, J. and Bouma, J. (1992) Functional evaluation of pedotransfer functions for the estimation of soil hydraulic properties, Soil Sci. Soc. Am. J., 56. 13711379.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Wang, Q., Adiku, S., Tenhunen, J., Grainer, A. (2005) On the relationship of NDVI with leaf area index in a deciduous forest site. Remote Sensing of Environment, 94: 244255.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Wu, X., Lu, G. and Wu, Z. (2018) An integration approach for mapping field capacity of china based on multi-source soil datasets, Water, 10. (6). 728.

    • Search Google Scholar
    • Export Citation
  • Zhao, H., Zeng, Y., Lv, S. and Su, Z. (2018) Analysis of soil hydraulic and thermal properties for land surface modeling over the Tibetan Plateau, Earth Syst. Sci. Data, 10. (2). 10311061, doi:10.5194/essd-10-1031-2018

    • Search Google Scholar
    • Export Citation