Funkce odvodnění na zemědělských půdách během extrémních průtoků Functioning of Drainage on Agricultural Lands During Extreme Flows

Transkript

1 Příspěvek Bratislava 1999 Soukup, Kulhavý, Doležal Strana 1 (5) Funkce odvodnění na zemědělských půdách během extrémních průtoků Functioning of Drainage on Agricultural Lands During Extreme Flows Mojmír Soukup, Zbyněk Kulhavý, František Doležal Úvod Při hodnocení příčin povodňových situací v r bylo mimo jiné také odvodnění zemědělských půd označováno jako jedna z možných příčin extrémně vysokých odtoků. Drenážní odtok je jednou ze složek (celkového) odtoku, přičemž je, obdobně jako ostatní složky hydrologické bilance značně proměnlivý v závislosti na mnoha faktorech. Na území České republiky bylo odvodněno více než 1,1 mil. ha zemědělských půd. Převážná část odvodnění byla provedena jako podzemní trubková drenáž. Hlavním účelem odvodnění byla úprava a vyrovnání polních vláhových režimů s ohledem na požadavky převládajících pěstovaných plodin. K definovaným zemědělským požadavkům postupně přibývaly požadavky vodohospodářské a požadavky ochrany přírody. Celkový postupný úbytek zemědělské půdy, k němuž docházelo ve druhé polovině XX. století, byl pro intenzivní zemědělské hospodaření částečně kompenzován odvodněním zamokřených zemědělských pozemků, čímž však v krajině došlo ke značnému úbytku vlhkých stanovišť mokřadního typu a k dílčí změně vodohospodářské bilance. Vlivem odvodnění na vodní režim povodí, respektive na jednotlivé komponenty hydrologické bilance, se u nás zabývali např. Fídler (1976, 1997), Švihla (1984, 1985), Pulda (1987), Soukup (1987) a Tlapák (1997). Drenážní odtoky byly soustavně sledovány jen na několika experimentálních plochách či povodích. Nejdelší časové řady drenážních odtoků byly u nás naměřeny v povodí Křepelka ve Ždárkách (okr. Náchod) a v povodí Cerhovického potoka (okr. Beroun). Švihla a kol. (1992) shrnul výsledky dlouhodobých měření na dvou experimentálních povodích VÚMOP v Ovesné Lhotě a Cerhovickém potoce a k vlivu odvodnění na průtok drobných vodních toků uvádí: 90-ti až 365-ti denní průtoky jsou po odvodnění vyšší než před odvodněním, 20-ti až 90-ti denní průtoky jsou po odvodnění nižší než před odvodněním, vyšší než 20-ti denní průtoky nejsou srovnatelné, neboť se tvoří za složitých hydraulických a odtokových podmínek. Závěr formulovaný pro vyšší než 20-ti denní průtoky je zdůvodněn celou řadou příčin a okolností, za nichž drenážní odtok vzniká. Jde nejen o skutečnost, že při vysokých průtocích je obtížné průtok měřit (z technických i hydraulických důvodů) a je zřejmé, že lokálně vzniká i tlakové proudění v drenážní trubní síti. Každá trubní síť má svá specifika, v nichž dochází ke složité skladbě odtoku z jednotlivých drenážních souřadů a zvláště skupin. Tvorba drenážního odtoku je v době maximálního nasycení půd závislá na prostorové vyrovnanosti (variabilitě) půdních vlastností. Autor tak svým závěrem nepřímo definoval úlohu, jejíž řešení je vysoce aktuální. Ostatně potřebu řešení této úlohy proudění vody v uzavřených profilech, při níž je třeba řešit též otázku přechodu beztlakového proudění do proudění tlakového, kterou uvedl Klopček (1985) ve své doktorské dizertační práci Teoria navrhovania krytých melioračných odpadov, zavlažovacieho a drenážného potrubia s premenným prietokom. V meliorační praxi bylo použito potrubí kruhového průřezu, přičemž se při řešení vycházelo z požadavku, aby návrhový průtok protékal při volné hladině (nejčastěji za podmínky h 0.80*D /kde D = průměr potrubí a h = výška vody v potrubí/). Je možno však předpokládat, že při extrémních situacích (při současné existenci preferovaných vodních cest v půdním profilu) může být tento

2 Příspěvek Bratislava 1999 Soukup, Kulhavý, Doležal Strana 2 (5) při projekci vložený limit překračován a v některých úsecích sítě (např. šachtice) může docházet k zahlcení či zatopení. Pokud by k překročení za určitých (extrémních) podmínek docházelo, bylo by zřejmě vhodné snížit hodnoty návrhového průtoku, respektive vestavět do trubní sítě regulátory, které by omezovaly průtoky v době extrémních stavů. Tento článek je příspěvkem k výše uvedené problematice s cílem zhodnocení extrémních drenážních odtoků, naměřených při dlouhodobých pozorováních na experimentálních povodích. Metoda Za účelem posouzení funkce a vlivu odvodnění na hydrologický režim povodí v době extrémních průtoků byla provedena analýza hydrogramů s nejvyššími drenážními odtoky, naměřenými na dvou dlouhodobě sledovaných experimentálních povodích: Křepelka (dále jen K) a Cerhovickém potoce (dále jen C). Pro povodí K bylo vybráno 7 hydrogramů (drenážní odtok) a pro povodí C 9 hydrogramů (drenážní a povrchový odtok). Drenážní odtok v povodí K byl měřen na výusti skupiny o ploše 0,8 ha a v povodí C v měrných šachticích Š5 a Š6 drenážních skupin o ploše 24,5 ha a 22 ha. Drenážní skupiny v povodí C byly provedeny jako systematická drenáž na orné půdě s drenážními rozchody 9m (Š5) a 9 18m (Š6). Hlavní charakteristiky drenážních skupin odvodnění jsou uvedeny v tabulce: Tab. 1. povodí č.dren. skupiny HS (mm) půdní druh sklon v % R/h (m) plocha drenážní skupiny (ha) Křepelka V1 742 sprašové hlíny 3,1 0,8 Cerhovický p. Š5 558 hlinitojílovitá 2,0 9/0,9 24,5 Š6 558 hlinitojílovitá 4,0 9-18/0,9 22,0 Kulminace průměrných denních drenážních odtoků byly posouzeny podle součtových čar rozdělení četnosti drenážních odtoků podle Fídlera a Švihly (Graf 1). K jednotlivým hydrogramům drenážního (povrchového) odtoku jsou přiřazeny denní srážkové úhrny. V povodí C byl porovnáván drenážní odtok s povrchovým odtokem, naměřeným na měrných přepadech Thomsonova typu. Pro obě povodí z celé doby sledování byly vybrány srážky, respektive srážkové sekvence za účelem posouzení vztahu mezi příslušnými odtoky a předchozím srážkovým vývojem. Byly vybrány tyto srážky (sekvence): a) denní srážkové úhrny vyšší než 30mm. b) denní srážkové úhrny vyšší než 50mm. c) dvoudenní srážkové úhrny vyšší než 50mm. d) dvoudenní srážkové úhrny vyšší než 80mm. e) třídenní srážkové úhrny vyšší než 60mm. f) třídenní srážkové úhrny vyšší než 100mm. Srážky byly měřeny vlastními ombrografy. Experimentální povodí K bylo sledováno v letech tehdejší Katedrou meliorací VŠZ Praha (Fídler, 1983, 1998) a povodí C v letech je nejdéle sledovaným povodím v ČR, v němž jsou vedle povrchového odtoku měřeny rovněž drenážní odtoky.

3 Příspěvek Bratislava 1999 Soukup, Kulhavý, Doležal Strana 3 (5) Výsledky a diskuse Analýzy hydrogramů drenážního odtoku Z celkem 15 analyzovaných hydrogramů uvádíme 4, které dokumentují vznik extrémních drenážních odtoků za odlišných srážkových a teplotních podmínek. V Grafech 2. až 4. jsou uvedeny hydrogramy v období nejvyšších drenážních odtoků ve vztahu k příčinným srážkám, naměřeným v povodí Křepelka. Drenážní odtoky skupin Š5 a Š6 spolu s celkovým odtokem měřeným k profilu B1 pro povodí Cerhovického potoka jsou uvedeny v Grafu 5. Drenážní odtok (Graf 2.) vznikl v době tání sněhu na nepromrzlém půdním profilu, při němž byla voda na povrchu půdy postupně uvolněna k infiltraci a vytvořila v době od výraznou vlnu, která kulminovala po srážce 11,4mm při maximálním průměrném denním odtoku 2,93 l.s -1.ha -1. Odtoková situace uvedená v Grafu 3. vznikla až po opakovaných srážkách. První srážka ve výši 19,8mm spadlá dne spolu se srážkou 10mm ze dne dosytila půdní vláhu a po další srážce 19,5mm (13.10.) došlo k výrazné vlně drenážního odtoku, která kulminovala při odtoku 1,45 l.s -1.ha -1. V Grafu 4. jsou uvedeny dvě vlny drenážních odtoků. První způsobila vysoká srážka 55mm, která ještě týž den vyvolala drenážní odtok v kulminaci 1,34 l.s -1.ha -1. Druhá vlna vznikla po srážkách v celkovém úhrnu 50,6mm spadlých ve dnech 10 až Stav nasycení půdy se přiblížil 100%, neboť poslední srážka ve výši 9,2mm vyvolala odtok s kulminací 1,36 l.s -1.ha -1. Plocha této sledované drenážní skupiny v povodí Křepelka je 0,8ha. Plocha drenážních skupin sledovaných v povodí Cerhovického potoka je 24,5ha (Š5) a 22,0ha (Š6). V případě drenáže v povodí Cerhovického potoka jde tedy o hydraulicky mnohem složitější drenážní systém, v němž dochází k tvorbě odtoku. Drenážní odtoky naměřené ve dnech až vznikly po dvoudenní srážce v úhrnu 78,7mm. Kulminace v denním průměru drenážního odtoku ve výši 24,1 l.s -1 (Š5) a 26,7 l.s -1 (Š6) tj. 0,98 l.s -1.ha -1 a 1,21 l.s -1.ha -1. Hydrogramy a uvedené hodnoty kulminací jsou vyjádřeny pro průměrné denní drenážní odtoky. Okamžité maximální odtoky dosahují sice vyšších hodnot než průměrné denní hodnoty, avšak vzhledem k tomu, že vyšší odtoky obvykle (a platí to pro šetřené vlny drenážních odtoků) trvají poměrně dlouhou dobu (i několik dnů) lze považovat průměrné denní odtoky za vhodné k provedené analýze. Překročení návrhových hodnot drenážních odtoků Z provedené analýzy hydrogramů drenážního odtoku vyplývá, že návrhová hodnota specifického drenážního odtoku v době extrémních odtoků při kulminaci byla překročena až 1,7-krát v povodí Cerhovický p. a až 2,9-krát v povodí Křepelka. Přičemž návrhová hodnota 1,0 byla překročena v povodí C ve třech případech a v povodí K v 5-ti případech z celkového počtu hodnocených odtokových epizod. Kulminace denních drenážních odtoků byly posouzeny podle součtových čar rozdělení četnosti drenážních odtoků podle Fídlera a Švihly (viz Graf 1.). Maximální odtoky, které byly zařazeny do analýzy spadají v součtových čarách četnosti výskytu do oblasti s velmi nízkým výskytem, tj. s pravděpodobností výskytu více než jedenkrát za 100 let. Poměr celkového a drenážního odtoku k danému profilu se mění dle stavu nasycení půd a podmínek hydrogeologické situace. Ke každému jinému profilu se vzájemný poměr mění nejen vzhledem k právě uvedenému konstatování, ale rovněž s ohledem na rozdíly odvodněné a neodvodněné plochy k danému profilu v povodí. Některá zemědělsky využívaná povodí v ČR byla odvodněna až z 50-ti procent. Pro zemědělskou výrobu, ač si to mnohdy dnes ani neuvědomujeme, znamená odvodnění půd značnou stabilizaci. Drenážní odtok je ve svých maximech pravděpodobně limitován průtočnou kapacitou svodných drénů a jejich uzlů (soutoky, šachtice, úseky s minimálním sklonem apod.). V daném systému vzniká zvláště při extrémní odtokové situaci hydraulicky velmi složité proudění. Důkazem (zatím ojedinělým) je limnigrafický záznam třech za sebou jdoucích

4 Příspěvek Bratislava 1999 Soukup, Kulhavý, Doležal Strana 4 (5) extrémních vln drenážního odtoku v době od do , které jsou u obou měřených skupin limitovány přibližně ve stejné úrovni odtoku. V záznamech pořízených VŠZ byla shledána obdobná situace, která však dříve byla interpretována jako závada na plovákovém systému. Vyjadřování podílu drenážního odtoku v odtoku celkovém v sobě skrývá nejeden problém. Základní rozdíl funkce odvodnění totiž spočívá nejen v uložení vlastního odvodňovacího systému v povodí, ale je výslednicí příčin zamokření. Pro funkci systému odvodnění jsou rovněž důležité všechny dynamické, či zvolna se měnící fyzikální i biochemické vlastnosti půd. Avšak rozhodující je hydrogeologická a hydropedologická situace spolu s technickým řešením návrhu podrobné odvodňovací sítě - velikost a uspořádání, které má nemalý vliv na tvorbu odtoku. Pro účely hodnocení funkce odvodnění a zpětného vlivu extrémních průtoků v recipientech lze odvodnění rozdělit dle jejich polohy a sklonu do tří typů: a) Odvodňovací systémy v nivě (v inundaci). Při povodňové situaci dochází nejprve k zahlcení trubní sítě ve výustních tratích a postupnému vyrovnání tlakových poměrů. Drenážní odtok je retardován, a po zatopení pozemku dochází ke zpětnému vtoku do podzemní sítě. Funkce odvodnění (zvláště povrchových odvodňovacích kanálů) je důležitá po ukončení povodňové situace. b) Odvodňovací systémy ve svahových polohách (v transportní zóně). Při vyšším průtoku jsou vlivem zvýšení hladin v recipintech zahlceny výustě. Výustě jsou také často zanášeny sedimentací. Podle infiltrační schopnosti půdního drénovaného profilu dochází k postupnému odvádění vody z nasycené zóny. Odtoky jsou tedy limitovány půdními vlastnostmi a charakteristikou řešení trubní sítě. c) Odvodňovací sítě ve vyšších rovinatých polohách, případně s nižším sklonem terénu. Vzhledem k nižšímu sklonu terénu a trubní sítě jsou rychlosti v drénech nižší, cca do 0,3 l.s -1. Limitující jsou zde hydraulické vlastnosti odvodňovacího systému až k jeho vyústění do recipientu. Je třeba uvést, že v typovém rozdělení (Soukup, Fídler, Kulhavý, 1998) jde o schématické zjednodušení a řada, zvláště plošně rozsáhlejších systémů může obsahovat kombinace uvedených typů. Závěr V období extrémních srážek se plošné odvodnění podílí na transformaci odtoku z povodí. Obecně lze konstatovat, že má pozitivní vliv na vývoj odtokové vlny z důvodu zvýšení infiltrace srážkové vody do půdy a zvýšení retence půdního profilu. Odvodnění tak přispívá ke sploštění hydrogramu v nižších profilech postiženého povodí DVT a naopak k prodloužení doby doběhu odtoku vody z povodí. V konkrétních případech je však určující podíl odvodněných ploch v povodí a jejich poloha k recipientu, přírodní podmínky a hydrotechnické parametry dílčích staveb, ale i vývoj meteorologické situace v období předcházejícím. Významné pro snížení objemu povrchového odtoku je totiž předchozí vyprázdnění prostoru gravitačních půdních pórů. Limitujícími faktory kulminačního odtoku je vedle vodohospodářského a hydrotechnického návrhu systému odvodnění i provozní stav objektů či celých staveb, u objektů s možností regulace odtoku zároveň dodržování manipulačné-provozního řádu.

5 Příspěvek Bratislava 1999 Soukup, Kulhavý, Doležal Strana 5 (5) Odvodnění se podílí na ovlivnění tzv. hypodermického odtoku, který nesporně urychluje. Podstatné zároveň je, že permanentně snižuje hladiny podzemní vody, čímž uvolňuje prostor v půdním prostředí, který může být za extrémních situací využit. Použitá literatura: FÍDLER J.: Vliv meliorací na povodně. KBÚLF ČZU Praha, 1997 FÍDLER J., SOUKUP M.: Podíl odtoku z drenáží na velikosti povodňového průtoku. Rostlinná výroba, 44, 1998 (5): SOUKUP M., FÍDLER J., KULHAVÝ Z.: Vliv melioračních opatření na retenční potenciál krajiny, maximální odtok a průběh povodní. Zpráva ze etapu dílčího úkolu Vliv stavu a využívání krajiny na povodňovou situaci. VÚMOP Praha, 1998, str.: 30 + přílohy. ŠVIHLA V.: Metodika pro stanovení vlivu odvodnění na vodohospodářskou bilanci v povodí. VÚZZP Praha, ŠVIHLA V.: Vliv odvodnění na hydrologický cyklus v malém povodí se sklonitými terény. Sb. ČSAZ č. 91, Praha 1985, str.: ŠVIHLA V. A KOL.: Monografie Výzkumný objekt Ovesná Lhota. VÚMOP Praha, 1992 TLAPÁK V.: Vliv meliorací na ochrannou a produkční funkci krajiny a jejich možný vliv na průběh povodní. Sborník konference ICID Povodně a krajina 97, Brno, Dopsat a doplnit v textu citovanou literaturu: FÍDLER J.: 1976, 83, 98 Pulda: 1987 SOUKUP M.: 1987 KLOPČEK: Doktorská dizertační práce Teoria navrhovania krytých melioračných odpadov, zavlažovacieho a drenážného potrubia s premenným prietokom (1985) Seznam příloh: Graph 1. Čáry rozdělení četnosti průměrných denních drenážních odtoků (podle Fídlera a Švihly) Graph 2. Extreme Drainage Outflow from Snowmelt Watershed Křepelka, 1965 Graph 3. Saturation of Soil Profile and Drainage Outflow Watershed Křepelka, 1965 Graph. 4. Drainage Outflow in the Periods with Saturated Soils Křepelka Catchment, 1981 Graph 5. Hydrograms of Surface and Drainage Flow Catchment of Cerhovický Stream, 1986