Verktækni - 2018, Page 36

36 VERKTÆKNI 2018/24
RITRÝNDAR VÍSINDAGREINAR
3.7 Mat á vatnafræðilegri virkni
3.7.1 Vatnsheldni
Varanleg vatnsheldni (e. water retention) er það hlutfall heildarákomu
(regn og snjór) sem skilar sér ekki sem afrennsli, reiknuð fyrir hvern
atburð sem (Hathaway o.fl. 2008).
(1)
Á mynd 4 sést að afrennsli af bárujárnsþaki (svört lína) helst vel í
hendur við úrkomu. Þess vegna var vatnsheldni reiknuð líka sem hlut-
fall afrennsli af gróður- og ógegndræpu bárujárnsþaki. Þar sem var
snjóeiginleikar voru nokkuð jafnir yfir þökin (sjá töflu 3) var hægt að
sleppa leiðréttingum vegna snjóbráðnunar (þ.e.a.s. snjódýpi og eðlis-
massa snjós). Gott samræmi fékkst á milli vatnsheldni reiknaða sem
hlutfall af ákomu og vatnsheldni í hlutfalli við afrennsli af bárujárns-
þaki yfir lengri tímabil. Hins vegar gat verið töluverður munur í eins-
taka atburðum með miklum vindi. Í þessari grein eru eingöngu sýndar
niðurstöður á vatnsheldni sem hlutfall af afrennsli af bárujárnsþaki, því
það mat er talið nákvæmara. Vegna óútskýrða sveiflna í gömlu upp-
setningunni (sjá töflu 2) var vatnsheldni einstaka atburða einungis
reiknuð í nákvæmari uppsetningunni.
3.7.2 Seinkun afrennslis
Auk varanlegrar vatnsheldni myndast tímabundin vatnsheldni (e. det-
ention) í upphafi atburða þar til jarðvegurinn nær mettun og afrennsli
hefst. Seinkunin ræðst af hversu áköf úrkoman er (e. rainfall intensity
distribution) og eðliseiginleikum þaksins s.s. þykkt, halla, stærð hol-
rýma í jarðvegi ofl. (Locatelli, o.fl., 2014). Mælikvarði á tímabundinni
vatnsheldni er upphafsseinkun (tseinkun) skilgreind sem tíminn sem líður
frá því að úrkoma hefst (tupphaf), þangað til að að regn skilar sér sem
afrennsli af þaki (tupphaf,þakX, sjá mynd 4), þ.e.
(2)
Einnig var reiknuð seinkun á massamiðju afrennslis af gróðurþökum
í samanburði við bárujárn. Massamiðja afrennslis tcm er skilgreind sem
sú tímasetning þegar 50% heildarafrennslisins sem mælist í hverjum
afrennslisatburði hefur runnið af þökunum, þ.e.
(3)
Qi stendur fyrir rúmmál afrennslis í hverju tímaskrefi í L/mín, og ti
er tímasetning á hverju tímaskrefi.
3.7.3 Lækkun afrennslistoppa
Að lokum, til þess að leggja mat á álag á fráveitukerfin og minnkun
flóða, þá er notast við lækkun afrennslistopps stuðul Kp sem er skil-
greindur sem hlutfall hámarksútflæði [Qmax = L/mín] tiltekins gróð-
urþaks X (e. peak effluent) af hámarksinnflæði (e. peak influent)
(4)
Í þessari rannsókn var miðað við 10 mínútna hámörk, sem samsvar-
ar stysta samrennslistíma í hönnun fráveitukerfa á Íslandi og mestu
upplausn í úrkomumælingum. Í stað innrennslis var notast við afrennsli
af bárujárnsþaki, sem lýsir þá hversu mikið gróðurþak miðlar flóð-
toppum í samræmi við hefðbundin ógegndræp þök.
4 Niðurstöður og umræður
4.1 Árstíðabundin vatnsheldni
Á rannsóknatímabilinu febrúar til desember 2015 reyndist kleift að
greina 52 staka afrennslisatburði. Vatnsheldni hvers mánaðar ársins
2015 var reiknuð út frá samanlögðu afrennsli af gróðurþökum frá
öllum atburðum innan hvers mánaðar í hlutfalli við samanlagt afrennsli
frá bárujárnsþaki. Mynd 5 sýnir mánaðarmeðaltölin samhliða mæling-
um á lofthita og úrkomu á frá Veðurstofu Íslands. Vetrarmánuðirnir
framan af á árinu voru umhleypingasamir, og einkenndust af miklum
stormum með snjókomu og vindi. Mánuðirnir maí til júlí voru hins
vegar þurrir. Vatnsheldnin fylgdi öfugri árstíðasveiflu miðað við
úrkomu og lofthita. Mest vatnsheldni mældist í þurrasta og heitasta
tímabilinu, eða að meðaltali 85% fyrir öll þökin í júní og júlí. Haustið
var úrkomusamt, sér í lagi október mánuður þar sem rigndi alla daga
nema einn og heildarúrkoman var 86% meiri en meðal október-
mánaðar samkvæmt Veðurstofu Íslands. Í þessum mánuði var vatns-
heldnin milli 12-35%, og hélst nokkuð óbreytt fram í desember.
Á ársgrundvelli héldu íslensku gróðurþökin um 35-39% af heildar-
ákomu (regn og snjó) í mældum afrennslisatburðum. Þetta virðist vera
í lægri kantinum miðað við erlendar rannsóknir með 5-8 cm þykku
jarðvegslagi (sjá töflu 1). Hluti af þessum mun getur legið í mæliað-
ferðum, þar sem vatnsheldni var einungis reiknuð fyrir markverða
úrkomuatburði í þessari rannsókn meðan aðrar rannsóknir mæla sam-
fellt yfir allt mælitímabilið, og innihalda þannig úrkomu sem gefa ekki
af sér afrennsli.
Til þess að skilja betur þennan mun á vatnsheldni, þá skoðum við
betur árstíðasveiflur í vatnsheldni á úthagaþökunum við 6 kassa- og
þríhyrningslaga hnoðraþök með 5-8 cm þykku jarðvegslagi og
0-26,8% halla í Skotlandi (Uhl og Schiedt 2008). Lækkun afrennslis
þessara sex þaka var mun hærri en í okkar rannsókn, eða 61-69% á
ársgrundvelli, en var mjög breytileg allt frá 0 - 100% eftir atburðum
(tafla 4). Vatnsheldnin á sumrin var mjög sambærileg í báðum löndum,
en vatnsheldnin á veturna mældist töluvert lægri á Íslandi. Sama
niðurstaða fæst ef borið er saman við danska rannsókn af hnoðra þaki
með 4 cm þykkum jarðvegi (Locatelli o.fl. 2014), þar mældist 35%
vatnsheldni yfir vetrartímann (nóvember til mars) sem er hærri en
mældist í okkar rannsókn, meðan hún var sambærileg, í kringum 53%,
að sumri (apríl til október).
4.2 Breytileiki milli atburða
Meðan sterk árstíðasveifla greindist í mælingum, var dreifni vatns-
heldni fyrir hvern og einn afrennslisatburð mikil. Rannsóknir sýna að
vatnsheldni gróðurþaka hverju sinni er háð úrkomumagni, rakastigi
jarðvegsins fyrir úrkomuatburð og jarðvegsgerð (þykkt jarðlaga, halla,
jarðvegs og gróðurefni ofl.). Hraði raungufunar ræðst meðal annars af
því hversu langt þurrkatímabil hefur verið fyrir úrkomuatburðinn (e.
antecedent dry weather period), hitastigsmuni á jarðvegi og andrúms-
lofti og vindhraða (Stovin o.fl. 2012). Línuleg aðfallsgreining var fram-
kvæmd við margvíslega veðurþætti í aðdraganda og á meðan á atburði
stóð. Marktæk (R2 > 0,3; p < 0,05) línuleg vensl greindust milli vatns-
heldni og nokkurra veðurþátta sem samræmdust fræðunum (sjá töflu
5). Minni vatnsheldni greindist eftir því sem úrkoman yfir atburð og 14
daga fyrir atburð var meiri. Hærri lofthiti og meiri vindhraði stuðluðu
að meiri vatnsheldni, sem samræmist meiri raungufun. Með margvíðri
línulegri greiningu þessara veðurþátta og vatnsheldni var dreifnin sam-
bærileg og í einvíðri línulegri aðfallsgreiningunni sem gefur til kynna
að aðrir þættir en þeir veðurþættir sem voru til skoðunar hafi áhrif á
vatnsheldnina eða að venslin séu ekki línuleg.