Användarmanual MACRO-DB 4.1

Transkript

1 KompetensCentrum för Kemiska Bekämpningsmedel (CKB) RAPPORT Användarmanual MACRO-DB 4.1 SLU, Box 7066, SE Uppsala, Sweden tel: +46 (0)

2 Innehåll Översiktlig programbeskrivning... 4 Användarhandledning... 5 Programkomponenter... 5 Systemkrav... 5 Nedladdning, installation och handhavande... 5 Projekt... 7 Projektöversikt... 8 Skapa ny simulering... 8 A. Simuleringsnamn och beskrivning... 8 B. Markegenskaper och hydrologiska faktorer... 9 C. Markanvändning och markprofil D. Klimatzon E. Val av aktiv substans och gröda Hantera simuleringar Visa resultat Grundvatten Ytvatten Mer information BILAGA 1. Rutiner för att uppskatta modellparametrar Fysikaliska och hydrauliska egenskaper Vattenhållande förmåga Organisk kolhalt Makroporositet och strukturparametrar Hydraulisk konduktivitet Genomsläppligt bergsubstrat Ämnestransport Hydrologi Hydrologiska klasser Dränering Grödparametrar Referenser BILAGA 2. Utspädningsrutiner (31)

3 3(31)

4 Översiktlig programbeskrivning MACRO-DB är ett simuleringsverktyg baserat på simuleringsmodellen MACRO Med simuleringsverktyget kan man genomföra simuleringar av bekämpningsmedelstransport för ett fält och bedöma förluster av bekämpningsmedel till yt- och grundvatten. För bedömningen av risken för transport av bekämpningsmedel till grundvatten redovisas en medelkoncentration vid botten på den simulerade profilen. Förluster till ytvatten simuleras som förluster via dränering. De simulerade förlusterna till ytvatten är avsedda att användas för bedömningar ur ett dricksvattenperspektiv, och inte med avseende på ekotoxikologiska effekter. En simulering definieras genom val av jord (modermaterial, texturklass och mullhaltsklass), aktiv substans, gröda, klimatzon och definition av besprutningar (dos och tidpunkt). Användaren har inte tillgång till modellens faktiska parametrar utan modellparametrarna bestäms genom att kombinera samband som relaterar exempelvis jordegenskaper till en viss modellparameter, standardvärden, och rimliga värsta-falls-antaganden. De funktioner och rutiner som används för att beräkna modellens parametrar beskrivs i Bilaga 1. Utifrån val av hydrologiska faktorer och markegenskaper skapas en jordprofil som används för simuleringen. Det går att redigera jordegenskaperna, exempelvis ler-, silt- och sandhalt. En databas (Pesticide Properties Database; PPDB) med aktiva substanser ingår i verktyget. Databasen tillhandhålls och underhålls av University of Hertfordshire 2 och bygger i första hand på det underlag som tas fram av Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) i samband med att substanserna registreras på EUnivå. Databasen innehåller en stor mängd aktiva substanser, däribland substanser som inte är godkända för användning i Sverige eller inom EU. Ett antal vanliga grödor finns att välja för simulering. Användaren definierar också de behandlingar av aktiv substans som ska genomföras i simuleringen. Utdata från simuleringen beror på om transport bedöms ske till yt- eller grundvatten, eller både och. Då transport av bekämpningsmedel bedöms ske till grundvatten redovisas en medelkoncentration vid botten på den simulerade jordprofilen. Förluster till ytvatten redovisas som koncentration i dräneringsvattnet 1 Larsbo, M., Roulier, S., Stenemo, F., Kasteel, R., Jarvis, N., An improved dual-permeability model of water flow and solute transport in the vadose zone. Vadose Zone Journal 4, (31)

5 vid fältkanten. Efter en utspädningsberäkning som tar hänsyn till andel jordbruksmark i avrinningsområdet och behandlingsfrekvens kan man också få fram en uppskattad medelkoncentration i hela grundvattenmagasinet. På motsvarande sätt som för grundvatten kan man beräkna en uppskattad koncentration i uttagspunkten för dricksvatten i en ytvattentäkt. Användarhandledning Nedanstående avsnitt syftar till att ge en överblick av användargränssnittet till MACRO-DB 4.1. Avsnitten kan användas som en steg-för-steg-manual första gången verktyget används, och senare som referensinformation. På CKB:s hemsida ( kommer löpande information om nya versioner, kurser m.m och även svar på vissa vanliga frågor att läggas upp. Programkomponenter Simuleringsverktyget MACRO-DB består av ett antal komponenter (Figur 1): 1) ett användargränssnitt, 2) simuleringsmodellen MACRO, 3) databasfiler som innehåller egenskaper för aktiva substanser, sparade simuleringar och resultat, och 4) drivdatafiler (väderfiler). Som resultat av simuleringarna skapas också 5) resultatfiler och eventuellt 6) logg-filer sparade av användaren. Databasfilen som innehåller sparade simuleringar kan kopieras och skickas mellan användare. 1. Användargränssnitt 2. MACRO 3. Databaser 5. Resultatfiler 6. Logg-filer 4. Drivdatafiler Figur 1. Komponenter i simuleringsverktyget MACRO-DB. Systemkrav MACRO-DB är testat på Windows XP och Windows 7. För att köra programmet krävs fullständiga läs- och skrivrättigheter till programkatalogen. Programmet ställer inga speciella krav på processor eller tillgängligt internminne. För en normal modern dator tar en simulering cirka 30 minuter att köra. Programmet upptar cirka 90 Mb på hårddisken vid installation. Nedladdning, installation och handhavande Installationsprogrammet laddas ned från CKB:s hemsida. Den nedladdade filen sparas på datorn. För att starta installationen dubbelklickas den nedladdade filen. 5(31)

6 En installationsguide startas. Vid start av installationsguiden kan en säkerhetsvarning visas som t.ex. ser ut som i figur 2. Utgivare är SLU, även om det inte framgår av meddelandet och installationen kan köras utan problem. Figur 2. Säkerhetsvarning vid start av installationspaket För att kunna fullfölja installationen måste licensvillkor avseende exempelvis användning av de väderfiler tillhandhållna av SMHI som ingår i programmet accepteras. En mapp som heter MACRODB4 skapas på datorn. Programmet startas genom att dubbelklicka den körbara filen MACRO-DB (filändelse exe) som återfinns i programkatalogen (mappen där programmet installerades). Efter installation återfinns även en Acces-databas i denna mapp som heter Projects.mdb. I denna lagras samtliga definierade simuleringar och utdata från simuleringar. Det kan vara en god idé att göra en kopia av denna databas för att ha en tom vid behov. Exempelvis kan olika databaser användas för olika projekt. Det är dock alltid databasen som heter Projects.mdb och som ligger i programkatalogen som används av programmet. Vill man arbeta i en annan databas får man kopiera den databas man vill arbeta i och döpa om den till Projects.mdb. Vid ominstallation, exempelvis vid uppdateringar ska programmet först avinstalleras som vanligt. Detta görs genom att använda verktyg som nås via Windows Kontrollpanelen. Därefter ska mappen där programmet var installerat och samtliga filer i den (ofta c:\macrodbx) raderas helt. Detta för att säkerställa att samtliga filer uppdateras på ett korrekt sätt. Det räcker således inte med att enbart avinstallera programmet via kontrollpanelen i Windows. För att spara gamla 6(31)

7 simuleringar ska databasfilen Projects.mdb kopieras innan ominstallation och sparas på t.ex. skrivbordet till ominstallationen är klar, varefter filen kopieras tillbaka. Notera, som ovan, att den databas som programmet arbetar med är den som är namngiven Projects.mdb. Uppdateringar av ämnesegenskaper sker genom att databasfilen Ämnesegenskaper.mdb ersätts med den senaste versionen. Vid uppdateringar av databasen kommer en ny version tillhandahållas från CKB för nedladdning. Projekt Arbetet med simuleringar i MACRO-DB är organiserat i projekt. Varje projekt innehåller ett antal simuleringar. Exempelvis kan ett projekt innehålla simuleringar för en viss aktiv substans, eller för en viss jordart. Tillgängliga projekt syns i Projekthanteraren (Figur 3), från vilken även nya projekt definieras (Figur 4). Härifrån raderas också projekt, vilket också raderar samtliga ingående simuleringar. Figur 3. Projekthanteraren Figur 4. Definition av nytt projekt. 7(31)

8 Projekt och simuleringar sparas i en Access-databas (Projects.mdb). Databasen ligger i programkatalogen. Projektöversikt Genom att via Projekthanteraren (Figur 3) välja ett befintligt projekt och öppna detta kommer man till Projektöversikt (Figur 5). I det här fallet är projektet tomt, och det första steget är att skapa en ny simulering. Figur 5. Projektöversikt för ett tomt projekt. Här finns funktioner för att skapa nya simuleringar och köra dessa. Simuleringar kan raderas och kopieras. Då en tidigare definierad simulering kopieras sparas alla inställningar i en ny simulering. Man kan då ändra t.ex. bara aktiv substans och låta alla resterande inställningar finnas kvar. Skapa ny simulering En ny simulering skapas genom att klicka på Ny simulering i Projektöversikt (Figur 5). En ny simulering skapas genom att gå igenom ett antal steg i en guide. A. Simuleringsnamn och beskrivning 1. Ange simuleringsnamn och beskrivning I det första steget anges ett namn och en beskrivning för simuleringen (Figur 6). 8(31)

9 Figur 6. Simuleringsnamn och beskrivning B. Markegenskaper och hydrologiska faktorer Hydrologiska faktorer och markegenskaper bestäms genom att gå igenom en guide. För varje steg i guiden finns det en hjälp-knapp som ger viss vägledning för det aktuella steget. Det går också att gå tillbaka i guiden genom att trycka på knappen Föregående, men när man då trycker på Nästa måste man göra om sina val på nytt. 2. Välj modermaterial I det första steget väljs lämpligt modermaterial för den aktuella platsen (Figur 7). Modermaterial ska väljas i enlighet med SGU:s klassificeringssystem vilket är karterat på 50 cm djup. Detta modermaterial finns tillgängligt i SGU:s jordartskartor 3. I huvudsak bör kartorna med upplösning 1: användas. Det bör noteras att terminologin för SGU:s digitala 1: är den som används i MACRO-DB. För kartblad med annan skala, och papperskartor, används en något annorlunda terminologi. Det krävs en viss kunskap för att kunna identifiera korrekt modermaterial. Det är viktigt att detta steg ges tillräckligt med uppmärksamhet eftersom valet är viktigt för hur simuleringen i stort definieras, exempelvis om det främst föreligger läckage till grundvatten eller om det är riskerna för transport av bekämpningsmedel till ytvatten som är styrande. 3 (skala 1:50 000) och (skala 1: ) 9(31)

10 Figur 7. Val av modermaterial Välj texturklass Efter val av modermaterial följer två steg med val av texturklass för alven och matjorden (Figur 8). Texturklasserna följer EU:s klassificeringssystem som finns beskrivet om Hjälp -knappen klickas, samt i Figur 9. De val av texturklass som finns tillgängliga begränsas i viss mån av tidigare valt modermaterial. För vissa modermaterial är texturklassen i alven förutbestämd och detta steg hoppas i så fall över automatiskt. Figur 8. Val av texturklass Figur 9. Texturklass i enlighet med EU:s texturklassificeringssystem: Finkornig (klass 4, 5) = >35% lera; Medium-finkorning (klass 3) = lerhalt <35% och sandhalt <15%; Grovkornig (klass 1) = sandhalt >65% och lerhalt <18%; Medium (klass 2) i övrigt; (clay = ler; coarse = grov, fine = fin, very fine = mycket fin; sand = grovmo + sand, silt = mjäla + finmo). Klasserna gäller för både matjord och alv. 10(31)

11 5. Välj mullhaltsklass Efter val av texturklass följer ett val av mullhaltsklass för matjorden (Figur 10). Sifforna inom parentes i Figur 10 avser gränserna för respektive mullhaltsklass. Figur 10. Val av mullhaltsklass. 6. Välj dräneringsstatus I nästa steg görs ett val angående dräneringsstatus för området (Figur 11). Artificiell dränering innebär att fältet är dränerat genom täckdikning. För vissa av modermaterialen och vald texturklass i alven är dräneringsstatusen förutbestämd och detta steg hoppas automatiskt över. Figur 11. Val av dräneringsstatus. Val av dräneringsstatus avslutar guiden för markegenskaper och hydrologiska faktorer. Efter att guiden avslutas visas en sammanfattning av valda markegenskaper och en beskrivning av hydrologiska faktorer (Figur 12). Här anges också den hydrologiska klassen vilken visar vilka flödesvägar som är relevanta i det område som ska simuleras. I Bilaga 1 beskrivs de olika hydrologiska klasserna i mer detalj. För att redigera sina inställningar kommer man tillbaka till guiden för hydrologiska faktorer och markegenskaper genom att klicka på Redigera inställningar. Går man tillbaka får man göra om alla sina val avseende markegenskaper och hydrologiska faktorer på nytt. 11(31)

12 Figur 12. Sammanfattning av markegenskaper och hydrologiska faktorer. C. Markanvändning och markprofil 7. Välj markanvändning Olika val kan göras för att beskriva markanvändningen (Figur 13). Valet av markanvändning påverkar hur de fysikaliska och hydrauliska egenskaperna för matjorden sätts. Valet påverkar inte exempelvis halt av organiskt kol i jorden, men påverkar den typ av horisonter som utgör matjorden (A, At, eller Ap; se vidare nedan). Reducerad jordbearbetning avser markanvändning där plöjning inte används, medan det för direktsådd varken harvning eller plöjning antas användas. Figur 13. Definition av markanvändning. 12(31)

13 8. Redigera markprofil De fysikaliska egenskaperna för den definierade jordprofilen visas i nästa steg (Figur 14). Texturen (ler, silt och sand) är ursprungligen satt till medelpunkten i den valda EU-klassen. Den simulerade jordprofilen består av fem horisonter, varav de två översta utgör matjorden (0-30 cm) och betecknas A. Beteckningarna At och Ap innebär en harvad respektive plöjd horisont. Har fältet plöjts är dessa två lager omblandade och bör ha samma värden med avseende på textur och organisk kolhalt. De tre nästföljande horisonterna ( cm) utgörs av alven. Det är möjligt att redigera ler-, silt- och sandhalterna, samt organisk kolhalt, i de olika horisonterna. Om de nya värden som läggs in ligger utanför de ramar som den valda EU-texturklassen anger (Figur 9) ges en varning. Notera att den organiska kolhalten sätts utifrån det val av mullhaltsklass som gjordes när en ny simulering definieras. Omvandlingsfaktor från mullhalt till organisk kolhalt är 0,58. ph påverkar i viss mån adsorption och nedbrytning av vissa substanser, men dessa effekter är svåra att parameterisera i modellen. Därför ingår inte ph som modellparameter i dagsläget, och behöver därmed inte anges. Figur 14. Redigera markprofil. D. Klimatzon 9. Välj klimatzon I verktyget går det att välja att köra simuleringar för ett antal klimatzoner. Klimatzonen väljs i detta steg (Figur 15). Information om årsmedeltemperatur och årsmedelnederbörd visas. Genom att klicka på Visa karta erhålls en karta där de olika klimatzonerna är markerade. Klimatzonerna är avsedda att representera ett större område varför lokala avvikelser kan förekomma. Vid osäkerhet vilken klimatzon som bäst representerar en viss plats, om platsen ligger på gränsen mellan 13(31)

14 två zoner, kan en utvärdering göras exempelvis med avseende på årsmedeltemperatur och årsmedelnederbörd. Figur 15. Val av klimatzon. E. Val av aktiv substans och gröda 10. Välj aktiv substans Den aktiva substans som ska användas i simuleringen väljs ur en rull-lista (Figur 16). Egenskaper för de olika substanserna tas från databasen PPDB (Pesticide Properties Database) 4. Databasen tillhandhålls och underhålls av University of Hertfordshire och bygger i första hand på det underlag som tas fram av Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) i samband med att substanserna registreras på EU-nivå. Den aktiva substansens halveringstid (DT 50 ; dagar) och sorptionskoefficient, d.v.s. bindningsförmåga till organiskt kol (K oc ; ml/g) visas i fönstret efter val av substans. I databasen finns ofta flera olika värden angivna för varje parameter. När det gäller halveringstiden används i första hand DT 50 -lab (vilket är det som i första hand används vid registreringen både på EU-nivå och i Sverige). När det gäller sorptionskoefficienten används det värde som är lägst (alltså mest konservativt) av K oc (sorptionskoefficient vid linjär sorption) och K foc (sorptionskoefficient då Freundlich sorptionsisoterm används) vid de tillfällen då båda värdena finna angivna i databasen. För aktiva substanser som har en halveringstid som är mindre än eller lika med 2 dagar körs en simulering för en relevant nedbrytningsprodukt, om en sådan finns, istället för modersubstansen. Om nedbrytningsprodukt saknas så simuleras modersubstansen som vanligt. Finns det flera nedbrytningsprodukter så väljs den som modersubstansen till största del bryts ned till. Ett meddelande visas med information om vilken nedbrytningsprodukt som kommer att simuleras. Denna information återfinns också i logg-filen efter avslutad simulering (31)

15 Figur 16. Val av aktiv substans. 11. Välj gröda I MACRO-DB finns det fördefinierade grödor att välja mellan (Figur 17). De grödor som går att välja beror på vilken klimatzon som valts i tidigare steg. Figur 17. Val av gröda. 12. Definiera behandlingar I det sista steget definieras de behandlingar som ska göras av den aktiva substansen (Figur 18). Valet av behandlingsmetod påverkar hur mycket av substansen som fångas upp av grödan och inte når marken. Om Bomspruta eller Fruktspruta väljs fångas en del av behandlingsmängden upp av grödan. Exakt hur stor del som fångas upp beror på när behandlingen sker i förhållande till grödans tillväxt. Datum för behandling definieras genom att ange tidpunkt för första behandling. Ett minsta intervall mellan behandlingarna anges ifall fler än en behandling sker per säsong, liksom dosen (kg aktiv substans/ha) för varje enskild behandling. Vid flera behandlingar med olika dos kan en medeldos för behandlingarna användas. Dosen som anges avser modersubstansen. I det fall en nedbrytningsprodukt simuleras korrigeras dosen automatiskt i samband med simuleringen för att ta hänsyn till hur stor del av modersubstanser som bryts ned till aktuell nedbrytningsprodukt. 15(31)

16 Figur 18. Definition av behandlingar. Med hjälp av Dosberäknare (Figur 19) kan dosen aktiv substans (a.s.) i enheten kg a.s./ha beräknas utifrån den dos av produkten som används vid behandlingen (l/ha, tablett/ha (15 g tablett), kg produkt/ha) och koncentrationen av aktiv substans i produkten (g/l, vikt-%). Koncentrationen av aktiv substans i ett visst preparat kan exempelvis fås från bekämpningsmedelsregistret på Kemikalieinspektionens hemsida ( Figur 19. Dosberäknare för beräkning av dos aktiv substans Genom att klicka Avsluta avslutas guiden för att definiera en simulering. Hantera simuleringar Simuleringar i ett projekt hanteras i Projektöversikt (Figur 20). En ny simulering skapas genom Ny simulering. Kryssmarkerade simuleringar körs genom att klicka Kör markerade. Det är alltså möjligt att kryssmarkera ett större antal simuleringar och låta programmet köra dessa i följd, exempelvis över natten. Vald simulering kan också kopieras ( Kopiera ). Efter det att en simulering har körts blir knappen Resultat aktiv. Genom att klicka på Resultat visas resultaten för den markerade simuleringen. 16(31)

17 Figur 20. Projektöversikten med en definierad simulering för ett projekt Visa resultat Resultat för grundvatten och för ytvatten visas i två olika flikar (Figur 21, ). Utöver resultaten visas också en logg-fil för simuleringen som innehåller information om den körda simuleringen. Logg-filen kan sparas ( Spara logg-fil ) till en textfil och uppdateras ( Uppdatera logg-fil ) efter ändringar i resultatflikarna. Om simulerade eller uppskattade koncentrationer underskrider 0,001 µg/l visas resultaten som 0. Grundvatten För grundvatten presenteras resultaten i form av en simulerad medelkoncentration (µg/l) i vatten som lämnar botten (2 m) på den angivna jordprofilen (Figur 21). Utifrån den koncentrationen uppskattas också en medelkoncentration i hela grundvattenmagasinet. Hänsyn till spädning och behandlingsfrekvens kan tas genom att ändra Andel jordbruksmark i avrinningsområdet och/eller Behandlingsfrekvens. Utgångspunkten i programmet är att 100 % av arealen inom vattenskyddsområdet behandlas varje år, något som är ett värsta-fallsantagande och sällan är fallet i praktiken. Genom att klicka på Uppdatera resultat beräknas en ny uppskattad medelkoncentration i grundvattenmagasinet. Utspädningsrutinerna beskrivs i Bilaga 2. 17(31)

18 Figur 21. Grundvattenresultat. Ytvatten För ytvatten presenteras resultaten som en simulerad medelkoncentration i dräneringsvatten vid fältkanten (Figur 22). Utifrån den koncentrationen uppskattas också en medelkoncentration i hela vattenskyddsområdet, i princip vid uttagspunkten för dricksvatten i ytvattentäkten. Hänsyn till spädning i avrinningsområdet kan tas genom att ändra Andel jordbruksmark i avrinningsområdet och/eller Behandlingsfrekvens. Utgångspunkten i programmet är att 100 % av arealen inom vattenskyddsområdet behandlas varje år, något som är ett värsta-falls-antagande och sällan är fallet i praktiken. Genom att klicka på Uppdatera resultat beräknas en ny uppskattad koncentration i uttagspunkten för dricksvatten i ytvattentäkten. Utspädningsrutinerna beskrivs i bilaga 2. Den nuvarande versionen av MACRO-DB hanterar förluster till ytvatten via dräneringsvatten, men inte via ytavrinning och erosion vilket gör att i de fall där dessa transportvägar är relevanta kan koncentrationerna i ytvattnet underskattas. De simulerade förlusterna till ytvatten är avsedda att användas för bedömningar ur ett dricksvattenperspektiv, och inte med avseende på ekotoxikologiska effekter då hänsyn till fler faktorer såsom toppkoncentration, återhämtning etc. bör beaktas. 18(31)

19 Figur 22. Resultat för ytvatten. Mer information Information om MACRO-DB finns på CKBs hemsida ( Där kommer det att publiceras svar på vissa vanliga frågor som dyker upp och information om eventuella uppdateringar av modellen. Ni är även välkomna att kontakta oss direkt på CKB via e-postadressen 19(31)

20 BILAGA 1. Rutiner för att uppskatta modellparametrar Denna bilaga beskriver de rutiner som används i MACRO-DB för att bestämma modellparametrar. Fysikaliska och hydrauliska egenskaper Vattenhållande förmåga För jordmatrisen uppskattas parametrarna i van Genuchtens (1980) funktion för vattenretention (parametrarna, och det mättade vatteninnehållet ) genom att använda de kontinuerliga pedotransferfunktioner (PTF) som utarbetats av Wösten et al. (1999) från HYPRES-databasen, under antagandet att och att det residuala vatteninnehållet är noll. Det mättade vatteninnehållet korrigeras för mängden sten: ( ) ( ( )) (1) där ( ) [m 3 m -3 ] är det mättade vatteninnehållet uppskattat med HYPRES pedotransferfunktionen, är den volymetriska andelen stenar i jorden [m 3.m -3 ] och är stenporositeten [m 3.m -3 ]. I egenskap av en modal funktion, kan inte van Genuchten-ekvationen återspegla effekterna av jordens makroporer på jordens vattenbindande förmåga. Därför används inte som en parameter i MACRO. Istället används den nominella mättade vattenhalten, tillsammans med och för att uppskatta vattenhalten vid vissningsgränsen ( vid en tryckpotential på -150 m) och ( ), den mättade vattenhalten i jordmatrisen. Den vattenpotential som definierar gränsen mellan mikroporer och makroporer, föreslagits i en litteraturstudie (Jarvis, 2007)., sattes till - 10 cm, som Organisk kolhalt Ursprungsvärdet för den organiska kolhalten i matjorden bestäms utifrån den valda mullhaltsklassen. Den organiska kolhalten för övriga horisonter sätts till konstanta värden: cm 0.5 %, cm 0.3%, cm 0.1 %. Notera att den organiska kolhalten sätts utifrån det val av mullhaltsklass som gjordes när en ny simulering definieras. Omvandlingsfaktor från mullhalt till organisk kolhalt är 0,58. Tabell 1. Organisk kolhalt för matjorden för olika mullhaltsklasser Mullhaltsklass för matjorden Organisk kolhalt (%) Mullfattig (mf) 1 Något mullhaltig (nmh) 1,5 Måttligt mullhaltig (mmh) 2,6 Mullrik (mr) 5,3 Mycket mullrik (mycket mr) 8,2 Mineralblandad mulljord 17,6 20(31)

21 Skrymdensitet Skrymdensiteten, γ (g/cm 3 ), uppskattas genom { } (2) där SOC är den organiska kolhalten (%), C lerhalten (%) och H z en djupfaktor som sätts till 1 för 0-60 cm, 1,05 för cm och 1,1, för 100+ cm. Makroporositet och strukturparametrar Parametrar som är relaterade till makroporer i jord uppskattas genom en kombination av konstanter (parametrar som inte varierar med lokal eller jordegenskaper) och klass- och kontinuerliga PTFer. Den volymetriska makroporositeten,, bestäms med hjälp av klass-ptfen som presenteras i Tabell 2. Denna PTF utvecklades från expertkunskap och är baserad på USDAs jordartsklasser, FAOs horisontbeteckningar och aktuell jordbearbetning. summeras med ( ) för att få den totala porositeten i jorden. Tabell 2. Klasspedotransferfunktion för att uppskatta makroporositet i MACRO (horisontbeteckningar följer FAO). Jord Horisont 1 Textur Fin Medium Grov Matjord (mineral) 2 Ostörd A T A P Alv (mineral) 5 Övre B eller E Nedre B eller E BC C Organisk O eller H Fin är lera, siltig lera, siltig lera (loam från USDAs textur-triangel), Grov är sand och loamy sand, Medium är alla andra klasser 2 perenna grödor, d.v.s. gräsmark, fruktträdgårdar 3 harvat och plöjt övre jordlager 4 Plöjt men inte harvat 5 mittpunktsdjupet av horisonten är <50 cm 6 mittpunktsdjupet av horisonten är >50 cm Den effektiva diffusionslängden,, som reglerar utbytet av vatten och lösta ämnen mellan makroporer och mikroporer och den kinematiska exponenten,, som återspeglar storleksfördelning, tortuositet (slingrighetsfaktor) och konnektivitet för makroporer, samt även kontrollerar flödeshastigheten i makroporsområdet, erhålls från den klass-ptf som presenteras i Tabell 3, vilken särskiljer fyra olika klasser med olika grad av förutsättningar för makroporflöde. 21(31)

22 Tabell 3. Klass-pedotransfer-funktioner för parametrar relaterade till struktur. Den aktuella flödesklassen väljs med hjälp av beslutsträdet som presenterats av Jarvis et al. (2009). Flödesklass 1 Effektiv diffusionslängd, d [mm] I (ingen) 1 6 II (svag) 15 4 III (måttlig) 50 3 IV (stark) Kinematisk exponent, n* [-] 1 Den effektiva diffusionslängden (d) tilldelas värdet 3 mm i det övre harvade lagret för odlingsbar jord oberoende av klass. Förutsättningen för makroporflöde i varje enskild horisont bestäms med hjälp av ett beslutsträd som beskrivs i detalj, och framgångsrikt har testats av Jarvis et al. (2009). Beslutsträdet baseras på USDAs jordartsklasser, FAOs horisontbeteckningar, aktuell jordbearbetning (ingen eller reducerad plöjning, konventionell plöjning eller harvning) och halt av organiskt kol. Beslutsträdet utnyttjar också ett underliggande beslutsträd för att förutsäga mängden bioporer (maskhål) (Lindahl et al., 2009) utifrån klimat, markanvändning, textur-klass samt närvaro av begränsningsfaktorer (såsom horisonter utan pedogenetiska kännetecken eller som har grov struktur, ligger under grundvattenytan, har hög skrymdensitet). De MACRO-parametervärden som associeras med varje klass (Tabell 3) bestämdes med hjälp av expertkunskap baserat på omfattande erfarenheter från kalibrering och validering av modellen mot experimentella data (exempelvis Jarvis, 2007; Köhne et al., 2009a;b). Hydraulisk konduktivitet Den mättade hydrauliska konduktiviteten i jordmatrisen ( ) (d.v.s. jordens hydrauliska konduktivitet vid ) uppskattas med en ny PTF: ( ) ( ) (3) där och är konstanter som härletts från experimentella data från Jarvis et al. (2002) och satts till mm h -1 respektive [-]. ( ) och är vatteninnehållet vid -10 cm och van Genuchten parametrarna som beräknats med hjälp av Wösten et al. (1999) pedotransfer funktioner. Ett enkelt uttryck för makroporers mättade hydrauliska konduktivitet ( ) kan härledas från capillary bundle -modellen för hydrauliska egenskaper hos makroporer i jord som beskrivs i Jarvis (2008): ( ) ( ) (4) där är en sammansatt matchningsfaktor som tar hänsyn till både fysikaliska konstanter och till geometrin hos makroporsystemet. B har satts till 6000 mm.h (31)

23 Genomsläppligt bergsubstrat Som ett specialfall, tilldelas hydrauliska parametrar för genomsläppligt bergsubstrat (R-horisonter) konstanta värden, under antagandet om hög potential för makroporflöde (d.v.s. klass IV), som visats av Roulier et al. (2006): = 150 mm; ( ) = 30 mm.h -1 ; ( ) = 0.04 mm.h -1 ; ( ) = 0.1 m 3.m -3 ; = cm - 1 ; = 1.8; = 2; = 0.01 m 3.m -3. Ämnestransport Förutom den effektiva diffusionslängden, har ämnestransportparametrar satts till konstanter (identiska för alla jordar). Diffusionskoefficienten i vatten har satts till m 2.s -1, blandningsdjupet vilket kontrollerar ett ämnen fördelas till makroporer eller mikroporer vid markytan, har satts till 1 mm. Ingen hänsyn togs till uteslutande av anjoner. Dispersiviteten har satts till 3.4 cm, vilket är medelvärdet för ett urval av 116 prover taget från Vanderborght och Vereeckens (2007) databas, gällande experiment som utförts vid konstanta flöden lägre än 1 mm.h -1, vilket borde exkludera påverkan från dispersion på grund av makroporflöde. Slutligen, den andel av löst ämne som tas upp av grödors rötter med vattnet har satts till 1 (d.v.s. helt passivt upptag). Hydrologi Hydrologiska klasser Fyra hydrologiska klasser har definierats, baserat på de viktigaste transportvägarna för vattenflöde och pesticidförlust i profilen (figur 22). Dessa hydrologiska klasser utgör sedan basen för de parametrar som kontrollerar dränering i MACRO, i synnerhet bottenrandvillkoret och utformningen av dräneringssystem (Tabell 4). 23(31)

24 Hydrologisk klass Genomsläpplig modermaterial - Inströmning - Odränerad - Flöde till grundvatten - Ganska genomsläppligt modermaterial - Inströmning/ Utströmning - Odränerad - Flöde till grundvatten och ytvatten - Långsamt genomsläpplig modermaterial - Inströmning/ Utströmning - Dränerad (lerig morän) - Odränerad (urberg) - Flöde till grundvatten och ytvatten - Ogenomsläpplig modermaterial eller låglänt terräng - Utströmning - Dränerad - Flöde till ytvatten Figur 22. Flödesvägar i landskapet och de hydrologiska klasserna Klass 1 representerar jordar med fri dränering till djupt liggande grundvatten. Som bottenrandvillkor utnyttjas en hydraulisk enhetsgradient, inga dräneringsrör simuleras, allt överflödigt vatten perkolerar till grundvatten och endast pesticidutlakning blir utdata från modellen (Tabell 4). Klass 2 och klass 3 representerar jordar med svagt genomsläppliga modermaterial som tillåter både perkolation till grundvatten och avrinning till ytvatten (via underjordsdränering och/eller lateralt markflöde). En grundvattenyta återfinns i profilen och bottenrandvilkoret ges av en perkolations-hastighet definierad som en linjär funktion av höjden till grundvattenytan. Klass 3 är dränerade jordar som har lägre genomsläpplighet i alven och/eller i modermaterialet jämfört med klass 2 vilket betyder att grundvattnet stiger högre i markprofilen. Endast avrinning till ytvatten simuleras för klass 4 jordar, vilka antingen har ogenomsläppliga substrat (d.v.s. ogenomtränglig lera) eller är lokaliserade i låglänt 24(31)

25 terräng i landskapet (d.v.s. utströmningsområden). Bottenrandvillkoret är således nollflöde. Avrinning simuleras via dränering. Tabell 4. Hydrologiska klasser som underlag för MACRO-parameterisering. Kvartärgeologi Alvens textur b Hydrologisk klass Dränerad Odränerad Isälvssediment (huvudsakligen sand/grus) - 1 Sedimentärt berg - 1 Morän, Moränlera eller lerig morän grov - 2 medium, medium-fin 3 2 fin 3 - Berg - 3 Grovsilt/finsand, sand eller grus 4 2 Lera/silt 4 2 Organisk jordart 4 - Sväm/älvsediment 4 - b Röd = inströmningsområde. Flöde till grundvatten. b Blå = både in- och utströmningsområden. Flöde till både grund- och ytvatten. b Grön = utströmningsområden. Flöde till ytvatten. Den hydrologiska klassen bestäms av kvartärgeologin på platsen (som kan identifieras m.h.a. SGU kartor), alvens textur (endast för moräner) samt om fältet är dränerat eller ej (tabell 4). Dränering Ett effektivt dräneringsavstånd, L, beräknas för varje jord som tillhör en av de hydrologiska klasser som inkluderar avrinning till ytvatten (klasser 2, 3 och 4), enligt den metodik som introducerades av Hooghoudt (1941): L 8K 2dh 4 q eff K h 1 2 (5) 25(31)

26 d D 8D D ln 1 L u (6) där d är ett reducerat effektivt jorddjup under dräneringsbasen, q eff är önskat avrinningsflöde, h är önskad höjd till grundvattenytan ovanför dräneringsbasen, D är det egentliga jorddjupet mellan dräneringsdjupet och botten av profilen (se Tabell 4), K 1 och K 2 är de viktade medelvärdena för mättad hydraulisk konduktivitet över jorddjupen h respektive D och u är den våta perimetern för dräneringskanalen. Det kan noteras från ekvationer 5 och 6 att L beror av d och d av L. Avstånd mellan dräneringsrör, L, beräknas därför iterativt när D>0. L är ett effektivt dräneringsavstånd : för hydrologiska klasser 3 och 4 har fältdränering installerats (exempelvis parallella rör- eller tegeldragningar eller öppna diken som omger fältet). För klass 2 simuleras ett effektivt dräneringssystem som ska efterlikna den verkliga situationen med lateralt mättat flöde utmed ett sluttande plan ovanför ett långsamt genomsläppligt substrat i riktning mot diken och vattendrag. I frånvaron av parallella dräneringsrör kan avståndet mellan fiktiva dräneringsrören, L, istället kopplas till den effektiva arean tillhörande en kvadratisk dräneringsbassäng (Larsbo och Jarvis, 2003). Den våta perimetern för dräneringskanalen, vilken är okänd, är låst till 0.2 m, även om den i själva verket kan variera mellan ca 0.1 och 0.5 m beroende på typen av dräneringssystem. Grundvattenytans önskade höjd, h, väljs som det minsta värdet av antingen dräneringsdjupet eller 0.7 m. Med andra ord; vi förutsätter att för att erhålla uthållighet i ett jordbrukssystem (åtminstone för sådana där pesticider typiskt skulle utnyttjas), så måste dräneringen (antingen anlagt eller naturligt) vara tillräckligt bra för att förhindra att grundvattenytan stiger till markytan vid den önskade avbördningshastigheten. Den designade avbördningen/avrinningen beräknas enligt: q P eff q out (7) där P är grundvattenbildning och q out är en genomsnittlig perkolation vid jordprofilens bas under samma tidsperiod. Perkolationen, q out, är självklart låst till noll för klass 4 som har ett nollflöde som randvillkor vid botten av profilen, men det krävs ett positivt värde för klasser med svagt genomsläppliga substrat (2 och 3). Givet det bottenrandvillkor som används i MACRO för denna hydrologiska grupp, så kan q out uttryckas som en linjär funktion som beror av grundvattenytans 26(31)

27 genomsnittliga höjd ovanför jordprofilens bas, under naturliga dräneringsförhållanden (d.v.s. utan anlagd dränering), H: q out B grad H (8) där B grad är den parameter (tidskonstant) i MACRO-modellen som kontrollerar perkolation till grundvattnet. I MACRO-DB estimeras B grad enligt: B grad p gw H R (9) där R är perkolationen (överskott av nederbörd efter faktisk evapotranspiration) vid fältkapacitet och p gw är andelen överskottsvatten som perkolerar till grundvattnet (bidrar till grundvattenbildningen). Sålunda kan ekvation 6 skrivas om på följande sätt: q eff P p gw R (10) Parametern R beror av klimatet och den har uppskattats genom enkel vattenbalansmodellering. För enkelhets skull sätts p gw och H till 0.5 respektive 0.5 m för klass 2 och till 0.25 respektive 1.5 m för klass 3. Av detta följer att i samma klimatzon så är B grad 6 gånger så stor för klass 2 som för klass 3. Tabell 5 visar värdena på R och korresponderande värden för B grad (BGRAD) för varje klimatzon. Denna parameterisering ger grovt sett en fördelning mellan perkolation till grundvatten av avrinning till ytvatten i enlighet med erfarenhet. Tabell 5. Uppskattade värden på R (mm/dag) och BGRAD (1/timme) för svagt permeabla substrat Klimatzon Beskrivning R (mm/dag) BGRAD (1/timme) Klass 2 Klass 3 1a Skåne och Hallands slättbygd, Skånedelen * *10-5 1b Skåne och Hallands slättbygd, * *10-5 Hallandsdelen 2a Sydsvenska mellanbygden, skånedelen * *10-5 2b Sydsvenska mellanbygden, Blekinge- och * *10-5 Kalmardelen 3 Öland och Gotland * * Östgötaslätten * *10-6 5a Vänerslätten, södra delen * *10-5 5b Vänerslätten, norra delen * * Mälar- och Hjälmarbygden * *10-6 7a Sydsvenska höglandet, västra delen * *10-5 7b Sydsvenska höglandet, östra delen * * Östsvenska dalbygden * * Västsvenska dalbygden * * Södra Bergslagen * * (31)

28 Klimatzon Beskrivning R (mm/dag) BGRAD (1/timme) 11 Västsvenska dalsjöområdet * * Norra Bergslagen * * Östra Dalarna och Gästrikland * * Kustlandet i nedre Norrland * * Kustlandet i övre Norrland * * Nordsvenska mellanbygden * * Jämtländska silurområdet * * Fjäll- och moränområdet * *10-6 P ska återspegla en typisk maxgräns för den mängd vatten som kan fylla på grundvattenmagasinet under en dag, vilken som helst, och kommer därför att vara starkt beroende av djupet till grundvattenytan i jorden (kortvariga flödestoppar i ytliga jordlager kommer att dämpas med djupet). Därför har P satts till: P = 20; z<0.5 P = R; z>(30-r)/20 I övriga fall: P = 30 20z (11) där z är djupet till dräneringsbasen från markytan (i meter) och P och R ges i enheten mm dag -1. Detta enkla uttryck antyder att P varierar mellan ett maximum på 20 mm dag -1 för ytliga, laterala flöden (d.v.s. dräneringsdjup på 0.5 m eller mindre) till ett minimum som motsvarar R om dräneringsbasen ligger mycket djupare än 1 m under markytan. Grödparametrar Grödparametrar (Tabellerna 5, 6 och 7) har satts delvis i enlighet med FOCUS (2001) och är delvis baserade på information om tålighet mot torka och rotdjup från Allen et al. (1998). Det bör noteras att det maximala rotdjup som visas i Tabell 5 och 6 reduceras om det finns en begränsande jordhorisont i jordprofilen i enlighet med de beslutsregler som finns i MACRO_DB (Jarvis et al., 1997). En horisont anses begränsa rotgenomträngning om: ( C eller R horisont) eller f st > 0.2 eller ( B eller BC ) och (texturklass = grov ) 28(31)

29 Tabell 6. Grödparametrar för olika ett-åriga grödor. Parameter Grödgrupp A B C D E F G Max bladyteindex (LAIMAX) Bladyteindex vid ,01 skörd (LAIHARV) Tålighet mot torka a Medium Medium Låg Medium Låg Medium Medium Max rotdjup (m) 1,1 0,8 0,5 0,8 0,5 1,1 1,4 (ROOTMAX) Max interceptionsförmåga (mm) (CANCAP) Kvot av evaporation 1,0 1,0 1,0 1,0 1, av intercepterat vatten och transpiration (ZALP) A: Höstsäd, vårsäd, höstraps, vårraps; B: Sockerbetor, foderbetor; C: Potatis; D: Ärter; E: Rotgrönsaker, bladgrönsaker; F: Majs, fodermajs; G: Bär a transpiration adaptability factor transpirationsanpassningsfaktor (BETA): låg = 0.5, medium = 0.2, hög = 0.1; kritiskt tryck för transpirationsreducering (WATEN) beräknas från de kända jordegenskaperna tillsammans med procenten extraherbart mikroporvatten som kan tömmas innan en reducering av transpirationen inträffar: låg = 50%, medium = 65%, hög = 80% Tabell 7. Grödparametrar för fleråriga grödor. Parameter Grupp Gräs/vall Fruktträdgård Bladyteindex (LAIC) 5 5 Tålighet mot torka a Medium Medium Rotdjup (m) (ROOTDEP) 0,8 1,4 Max interceptionskapacitet (mm) 2 2 (CANCAP) Kvot av evaporation av intercepterat vatten 1,0 2,0 och transpiration (ZALP) a transpirationsanpassningsfaktor (BETA): låg = 0.5, medium = 0.2, hög = 0.1; kritiskt tryck för transpirationsreducering (WATEN) beräknas från de kända jordegenskaperna tillsammans med procenten tillgängligt vatten som kan tömmas innan en reducering av transpirationen inträffar: låg = 50%, medium = 65%, hög = 80% Tabell 8. Parametrar konstanta för alla grödor. Parameter Värde Rotfördelning (RPIN) 67% Formfaktor, tillväxt (CFORM) 1,6 Formfaktor, mognad (DFORM) 0,3 Bladyteindex på specificerad dag a 0,01 (LAIMIN) Rotdjup på ZDATEMIN a (m) 0,01 (ROOTINIT) Kritiskt luftinnehåll för reducering av 0,05 transpiration (m 3 m -3 ) (CRITAIR) a För vårsådda odlingsbara grödor. För höstsådda odlingsbara grödor sätts LAIMIN och ROOTINIT till 1.0 respektive 0.2. För grödgrupp G sätts ROOTINIT till 95% av det maximala rotdjupet 29(31)

30 Referenser Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation & Drainage Paper 56. Boorman, D.B., Hollis, J.M., Lilly, A. (1995). Hydrology of Soil Types: a hydrologicallybased classification of the soils of the United Kingdom. Institute of Hydrology Report No. 126, Wallingford, UK. 137 pp. FAO-ISRIC. (1990). Guidelines for profile description (3 rd edition, revised), Food & Agricultural Organization of the United Nations (FAO), Rome, Italy, 70 pp. FOCUS. (2001). FOCUS Surface water scenarios in the EU evaluation process under 91/414/EEC, EC document reference SANCO/4802/2001-rev 2, 245 pp. Goncalves, M.C., Leij, F.J., Schaap, M.G. (2001). Pedotransfer functions for solute transport parameters of Portuguese soils. European Journal of Soil Science, 52: Hoffmann-Riem, H., van Genuchten, M.T., Flühler, H. (1999). General model of the hydraulic conductivity of unsaturated soils. In: van Genuchten, M.T., Leij, F.J., Wu, L. (Eds.), Characterization and measurement of the hydraulic properties of unsaturated porous media. US Salinity Laboratory, ARS-USDA, Riverside CA, pp Hooghoudt, S.B. (1940). Bijdrage tot de kennis van enige natuurkundige grootheden vad de grond. Verslagen van Landbouwkundige Onderzoekingen, 46, (in Dutch). Jarvis, N.J., Hollis, J.M., Nicholls, P.H., Mayr, T., Evans, S.P. (1997). MACRO_DB: a decision-support tool to assess the fate and mobility of pesticides in soils. Environmental Modelling & Software, 12: Jarvis, N.J., Zavattaro, L., Rajkai, K. Reynolds, W.D. Olsen, P-A., McGechan, M., Mecke, M., Mohanty, B., Leeds-Harrison, P.B., Jacques, D. (2002). Indirect estimation of nearsaturated hydraulic conductivity from readily available soil information. Geoderma, 108: Jarvis, N.J. (2007). A review of non-equilibrium water flow and solute transport in soil macropores: principles, controlling factors and consequences for water quality. European Journal of Soil Science, 58: Larsbo, M., Jarvis, N. (2003). MACRO5.0. A model of water flow and solute transport in macroporous soil. Technical description. Emergo 2003:6, Studies in the Biogeophysical Environment, SLU, Dept. Soil Sci., Uppsala, 47 pp. Mishra, S., Parker, J.C. (1990). On the relation between saturated conductivity and capillary retention characteristics. Ground water, 28: Perfect, E., Sukop, M.C., Haszler, G.R. (2002). Prediction of dispersivity for undisturbed soil columns from water retention parameters. Soil Science Society of America Journal, 66: Roulier, S., Baran, N., Mouvet, C., Stenemo, F., Morvan, X., Albrechtsen, H-J., Clausen, L., Jarvis, N. (2006). Controls on atrazine leaching through a soil-unsaturated fractured limestone sequence at Brevilles, France. Journal of Contaminant Hydrology, 84: van Genuchten, M.T. (1980) A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, 44: Vanderborght, J., Vereecken, H. (2007). Review of dispersivities for transport modeling in soils. Vadose Zone Journal, 6: Wise, W.R., Clement, T.P., Molz, F.J. (1994). Variably saturated modeling of transient drainage: sensitivity to soil properties. Journal of Hydrology, 161: Wösten, J.H.M., Lilly, A., Nemes, A., Le Bas, C. (1999). Development and use of a database of hydraulic properties of European soils. Geoderma, 90: (31)

31 BILAGA 2. Utspädningsrutiner MACRO-DB simulerar pesticidförluster från ett fält. Emellertid är vi främst intresserade av pesticidkoncentrationer i ytvatten och grundvatten, vilka generellt kommer att vara mindre till följd av utspädning. Utspädning uppkommer av två orsaker: i.) alla landytor behandlas inte med pesticider, och ii.) basgrundvattenutflödet till ytvatten innehåller oftast lägre pesticidkoncentrationer än andra, relativt snabba flödesvägar till ytvatten (dränering) som simuleras av MACRO-DB. Båda dessa aspekter kan behandlas på relativt enkla men ändå realistiska sätt. Koncentrationen i grundvatten, C GW, beräknas som: där C p är medelkoncentrationen i vattnet som perkolerar till grundvattnet, f är frekvensen för besprutning uttryckt som fraktion (d.v.s. en gång vart fjärde år blir 0,25) och A c är andelen jordbruksmark i vattenskyddsområdet. Med antagandet att ingen nedbrytning sker i grundvattnet ges koncentrationen i ytvatten, C SW, av: ( ) där C d är medelkoncentrationen i dräneringsflödet och Q d och Q p är den totala mängden dränering respektive perkolerat vatten och fås från MACRO-DB simuleringen. 31(31)