Obrana doktorskog rada: Vedran Krevh, mag. ing. agr.
Estimation of soil water balance in arable hillslope using high-resolution field measurements and numerical simulations (Procjena vodne bilance poljoprivrednog padinskog tla primjenom terenskih mjerenja visoke razlučivosti i numeričkih simulacija)
20.12.2023. u 9 sati :: Velika vijećnica
Mentorica doktorskog rada:
- doc. dr. sc. Lana Filipović
Povjerenstvo za obranu doktorskog rada:
- doc. dr. sc. Ivan Mustać, Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
- izv. prof. dr. sc. Vilim Filipović, Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
- doc. dr. sc. Zoran Kovač, Sveučilište u Zagrebu Rudarsko-geološko-naftni fakultet
Sažetak doktorskog rada:
Detaljna procjena dinamike vode u vadoznoj zoni padinskih agroekosustava je često izazovna zbog širokog spektra prisutnih procesa kao što su površinsko otjecanje, erozija, vertikalni i lateralni tok vode te stvarna evapotranspiracija. Površinski i potpovršinski tokovi vode mogu značajno utjecati na stvarnu evapotranspiraciju mijenjajući vlažnost tla u zoni korijena. Povećanje vlage u tlu može poticati rast biljaka i povećavati stopu evapotranspiracije, ali istovremeno mogu uzrokovati zasićenje tla stagniranjem vode, smanjujući evapotranspiraciju i mijenjajući strukturu tla. Stoga je važno imati kvantitativan uvid u komponente vodne bilance padinskih agroekosustava. Taj uvid je ključan za održivo upravljanje vodnim i zemljišnim resursima, pomažući ublažavanje utjecaja povezanih s intenzivnim korištenjem zemljišta i sveprisutnijom varijabilnošću klime.
Ovo istraživanje je provedeno u razdoblju od dvije godine (2021–2022) u SUPREHILL opservatoriju kritične zone, smještenom na padinskom tlu vinograda pri eksperimentalnom pokušalištu Jazbina u Zagrebu. Istraživanje je provedeno kombiniranjem određivanja svojstva tla, terenskih mjerenja korišteći mrežu instrumenata (vagajući i nevagajući lizimetri, sustavi za prikupljanje površinskog i potpovršinskog toka vode) i senzora (senzori za volumetrijsku vlagu tla i vodni potencijal tla) s meteorološkim podacima te numeričkih simulacija.
Izvršena je opsežna ručna i automatska kontrola plauzibilnosti te smanjenje šuma na podacima mase s vagajućih lizimetara kako bi se kvantificirale komponente vodne bilance (oborine od padalinskih i nepadalinskih događaja, stvarna evapotranspiracija, ulazni i izlazni tokovi vode na dnu lizimetra) s visokom preciznošću i vremenskom razlučivošću. Komponente vodne bilance između vrha i podnožja padine uspoređene su kako bi se identificirale razlike koje otkrivaju hidrološki uzrokovane procese na padini. Uobičajeno ograničenje ovih instrumenata, to jest stjenke koji sprečavaju lateralni protok vode kroz vlastitu domenu, pri ovom pristupu djelovali su kao razlikovno sredstvo promatranja, budući da je nedostatak vanjskog lateralnog potpovršinskog toka vode kompenziran pumpom na podnožju padine. Lizimetarski podaci su uspoređeni s mjerenjima iz sustava za potpovršinski tok vode. Podaci s vagajućih lizimetara pokazali su da lateralni potpovršinski tok vode kontrolira stvarnu evapotranspiraciju i upućuju da navedeni tok doprinosi prostornoj distribuciji vegetativnog razvoja na padini.
U sklopu ovog istraživanja primijenjene su različite metode optimizacije podataka, koje su testirane jedno- i dvo-dimenzionalnim numeričkim simulacijama za vinovu lozu i biljni pokrov koristeći agrohidrološki simulator HYDRUS, dok je uspješnost modela evaluirana kontinuiranim terenskim mjerenjima sa senzorske i instrumentalne mreže. Pristup inverzne optimizacije korišten je za optimizaciju parametra hidrauličke vodljivosti kao glavnog hidrauličkog parametra tla koji kontrolira stope infiltracije. Shuffled Complex Evolution algoritam korišten je za optimizaciju hidrauličkih parametara tla generiranih iz terenske senzorske mreže na padini. Primijenjen je ansambl model u kojem su hidraulički parametri tla generirani uobičajeno korištenim pedotransfernim funkcijama. U svim slučajevima, optimizacija je unaprijedila ishod modela. Rezultati modela ukazali su da je potrebna adekvatna parametrizacija i odabir optimizacije kako bi se uspješno kvantificirali hidropedološki procesi erozijom zahvaćenih tala.
Dodatno, analizom osjetljivosti parametara koji utječu na usvajanje vode, određeni su najosjetljiviji parametri biljaka unutar modela. Na temelju analize osjetljivosti utvrđeno je da indeks površine lista imao najvišu razinu odaziva unutar modela te da ima značajan utjecaj na procjenjivanje komponenata vodne bilance. Zbog navedenog, važno je oprezno postupati pri korištenju ovog parametra u modeliranju te po mogućnosti koristiti eksperimentalno određene podatke, dok su mogućnosti korištenja ovog parametra istražene na primjeru vinove loze i biljnog pokrova.
Ovo istraživanje pruža sveobuhvatan pregled primijenjenih metoda za agro-hidrološki terenski monitoring, primjenjivih u sličnim agroekosustavima i/ili kulturama i biljnim pokrovima. Ovaj rad uključuje detaljan prikaz korištenih instrumenata te načina primjene, uz analizu njihove funkcionalnosti u kombinaciji s numeričkim modeliranjem.
Ključne riječi: vadozna zona; agroekosustav; lizimetri; senzori; voda u tlu; terenski monitoring; modeliranje, evapotranspiracija, površinsko otjecanje; lateralni potpovršinski tok