RETENCE VODY NA ODVODNĚNÝCH ZEMĚDĚLSKÝCH PŮDÁCH.

Transkript

1 Příspěvek pro konferenci Praga Krajina a voda RETENCE VODY NA ODVODNĚNÝCH ZEMĚDĚLSKÝCH PŮDÁCH. M. Soukup, Z. Kulhavý Abstrakt: Přibližně 26 % původně zamokřených zemědělských pozemků bylo v České republice převážně ve druhé polovině 20. století odvodněno. Realizované odvodňovací systémy i dnes slouží zemědělské výrobě, ačkoliv si jejich funkci často uživatel ani neuvědomuje a systémům nevěnuje náležitou péči. Změny hospodářských podmínek, přirozená oscilace ročních úhrnů srážek a pravděpodobné změny klimatických podmínek vyvolávají však potřebu doplnit jednostrannou odvodňovací funkci systémů o schopnost zadržet část drenážních odtoků a zlepšit tak hospodaření s vodou v povodí, alespoň na lokalitách, kde projev těchto změn je významný, nebo kde změny významně ovlivňují návrhové parametry těchto podzemních hydromelioračních staveb. V příspěvku jsou prezentovány možné způsoby rekonstrukcí odvodňovacích systémů, upravující odtokové poměry s důrazem na ochranu vod a optimalizaci hospodaření s vodou v krajině. Pro uvedené způsoby jsou definovány podmínky použití a je vyjádřen jejich podíl na zvýšení retence vody v zemědělsky využívané krajině. Úvod Nové ekologické a vodohospodářské požadavky na ochranu vod vedly v našich specifických regionálních a lokálních podmínkách k postupnému vývoji několika způsobů regulace odvodňovacích systémů a zařízení (Radčenko I., Němec J., 1980,.Fídler J., 1997 aj.). Vyhodnocení potřeby regulace a retardace v podmínkách České republiky z hlediska výskytu suchých období prokázalo potřebu retardace každý třetí až čtvrtý rok (Soukup a kol., 1998). Dvoufunkční systémy, umožňující kromě odvedení přebytků vod také zdržení odtoku vody na odvodněných půdách, byly presentovány v metodice 26/2001 Opatření pro regulaci odtoku v zemědělsky využívaném povodí (Soukup M. a kol., 2001) a nověji jsou zahrnuty v připravované technické normě pro vodní hospodářství TNV Regulace a retardace odtoku na zemědělských pozemcích odvodněných trubkovou drenáží, kterou připravuje Hydroprojekt a.s. ve spolupráci s VÚMOP Praha. Regulační systémy lze použít jak při nových stavbách, tak především při rekonstrukci stávajících děl. Přehled opatření/systémů: 1. Regulační drenáž - RD. 2. Retardační plošná drenáž - RPD. 3. Drenáž s regulovaným (ovládaným, řízeným, přerušovaným) odtokem - DŘO. 4. Systém podzemní retardace drenážního odtoku systém PRO. 5. Regulace odtoku z pramenních jímek - RPJ. 6. Převod drenážních vod - PDV. 7. Omezení / eliminace funkce drenážního systému. Některé systémy je možno použít nejen v rovinném terénu, ale i při sklonu do 5 %. Při určité specifičnosti uvedených systémů je jim oproti standardnímu, tj. klasickému odvodnění, společné to, že hospodaří v půdě lépe s vodu. Vyjádřit potenciál zadržené vody v případě jednotlivých opatření je cílem této práce. 1

2 Materiál a metody Ověřování a měření účinku jednotlivých opatření bylo provedeno ve dvou posledních desetiletích na několika plochách v povodích Labe, Dyje, Žebrakovského potoka, Cerhovického p., Soboteckého p. aj. Výpočty retence vody pro elementární plochu jsou provedeny na základě návrhových parametrů daného systému, druhu půdy a vlhkostních režimů půdy. Výsledky jsou vztaženy ke stavu při klasickém odvodnění půdy. V přehledném zpracování není možné uvádět specifické podmínky jednotlivých povodí, proto jsou celkové výsledky vyjádřeny v širším rozmezí, které odpovídá použití daných opatření jednak na daném druhu půdy a jednak s ohledem na reálný rozsah vlhkosti půd. 1. Regulační drenáž - RD Vodohospodářské řešení RD spočívá v zabezpečení přívodu závlahové vody do podzemního systému k drenážnímu podmoku. Dvoufunkční systém RD spojuje závlahu a odvodnění do jediného celku. V provozu RD se odlišují tři základní fáze: fáze odvodňovací, při níž je plněna odvodňovací funkce, fáze závlahová a fáze udržovací (doplňování vody spotřebované evapotranspirací, ztrát průsakem aj.). RD je složena z rozváděcích a navlažovacích drénů, doplněných regulačními prvky a drény větracími. Regulační prvky jsou umístěny v šachticích a každému z nich odpovídá určité navlažované pole. Systém je doplněn dalšími objekty a je vhodný do rovinného terénu se sklonem do 2 %. Regulovaná výška h r se volí dle požadavku plodin v závislosti na sklonových poměrech drénů a povrchu terénu. Podmínkou efektivní funkce je výška hladiny podzemní vody v úrovni drénů nebo existence tzv. nepropustné vrstvy (nejméně 1,5 m pod drény). Hladina vody nesmí klesat pod úroveň uložení drénů, aby zahájení závlahové fáze nebylo zdrženo a aby byly omezeny neproduktivní ztráty vody. Systém je vhodný pro střední až lehké půdy se součinitelem nasycené hydraulické vodivosti větším než 0,2 m.d -1 a drenážní pórovitostí větší než 3 %. Základní parametry RD jsou: rozchod drénů, hloubka drénů, specifický přítok a regulovaná výška. Podrobně viz ČSN Retardační plošná drenáž - RPD Tento systém je založen na principu plošné regulace úrovně HPV. V drenážní rýze je namísto původního drénu instalována nepropustná U-konstrukce, která zvyšuje vtokovou výšku po délce zařízení. RPD je určeno pro nové stavby, avšak ani rekonstrukce není vyloučena. Navíc ji lze použít také v kombinaci s dalšími způsoby regulace. Zavedením U-konstrukce je zvýšen vstupní odpor do odvodňovacího zařízení (omezením radiální složky přítoku do drénu) a zvyšuje se ekvivalentní hloubka nepropustné vrstvy. Oproti tradiční systematické trubkové drenáži odvádí RPD z půdního prostředí jen nezbytně nutné množství vody a výrazně snižuje drenážní odtok. RPD má několik konstrukčních modifikací (Dvořák P., 1988). RPD je zvláště vhodná do bezodtokých oblastí a poldrů, kde snižuje náklady na přečerpávání drenážních vod. Je vhodná do středně těžkých a lehkých půd s vysokou HPV. Systém je vhodný pro půdy s K > 0,2 m.d -1 a drenážní pórovitostí Pd > 3 %. Dobré hydraulické vlastnosti U-prvku umožňují použít umělý podélný sklon i pod 0,1 %. Návrhové parametry se určují pro nestacionární podmínky proudění vody. Návrhovými parametry retardační plošné drenáže jsou: hloubka uložení (nivelety) retardační drenáže h d šířka drenážní rýhy úroveň horní hrany nepropustného liniového U-prvku - h 1 2

3 rozchod drénů R specifický odtok z drénované plochy 3. Drenáž s regulovaným (řízeným) odtokem DŘO Jedná se o drenážní podmok, který je zajišťován speciálními retardačními prvky umístěnými obvykle v šachticích. Účinek vzdouvacího prvku je zajištěn sítí sběrných (navlažovacích) drénů. DŘO je vhodná na pozemcích se sklonem do 1 %, aby plocha ovlivněná jedním prvkem byla co největší. Účinek regulace se projevuje: permanentním nebo občasným zvýšením HPV zvyšováním zásob půdní vody, snížením drenážního odtoku o cca ¼ až ½, zkrácením období kritických (minimálních) hodnot půdních vlhkostí, zvýšeným podílem evapotranspirace, zvýšením dotace podzemních zásob vody, zvýšením výnosů zemědělských plodin. Voda je vzdouvána na výšku regulace h r a je akumulována v profilu drénů, z nichž je šířena do přilehlého půdního profilu. Drenáž hospodaří s vodou, která přitéká z vlastní plochy odvodňovacího systému z jeho výše položené části. Při podmoku se významně uplatňuje kapilární vzlínání. Hloubka sběrných drénů je 0,8 0,9 m, svodných 0,9 1,0 m. Regulovaná výška se pohybuje od 0,3 0,4 m. Konstrukce prvku je řešena se stabilní výškou regulace nebo umožňuje její proměnlivé nastavení. DŘO nenahrazuje závlahu, ale umožňuje retenci vody. Základní parametry jsou regulovaná výška, velikost ovlivněné plochy, rozchod a hloubka drénů. 4. Podzemní retardace drenážního odtoku PRO Systém PRO rozšiřuje možnosti drenáže s regulovaným (řízeným) odtokem. Retardace je zajištěna vložením určitého počtu retardačních prvků do podzemní drenážní sítě, v níž je tak vytvořena podzemní vodní kaskáda. Podzemní prvky jsou opatřeny hradítky. Počet prvků se pohybuje od 4 do 12ti prvků na 1 ha v závislosti na sklonu terénu a trubní sítě a rozchodu paralelních drénů stávající sítě. V lučních porostech lze regulační výšku nastavovat, na orné půdě je tato výška stabilní. Regulovaná výška h r je navrhována s ohledem na kulturu resp. na plodinu. Obvyklá výška regulace pro polní plodiny je 0,25 0,35 m a pro luční porosty 0,40 0,45 m. Návrh systému PRO lze vypracovat klasickými metodami nebo s využitím speciálních metod v GIS (EICHLER J., SOUKUP M., 2003). Retardační prvky se navrhují ob jeden drén. Novostavba je možná, ale předpokládá se spíše rekonstrukce stávajících odvodňovacích systémů. Systém PRO je vhodný pro střední a středně těžké půdy, resp. pro hydrologické skupiny půd B C. Nejvýše přípustný sklon terénu je 5 %. 5. Regulace odtoku z pramenních jímek - RPJ Jde o úpravu pramenných jímek, která umožňuje regulaci odtokové výšky. Úprava vyžaduje vytvoření ochranného pásma s travními porosty, doplněnými případně odpovídající vegetací. Základem jímky je obvykle svislá perforovaná roura, nebo kamenná rovnanina uložená na betonovém základu a obsypaná propustným záhozem. Voda byla při odvodnění lokality obvykle podchycena cca 1,0 m pod úrovní terénu. Úprava spočívá v doplnění jímky o hradítko, resp. ve změně odtokové výšky, která se zvyšuje směrem k terénu. Pro návrh je rozhodující vydatnost zdroje a zhodnocení abiotických a biotických podmínek lokality, včetně posouzení stávajícího technického stavu systému odvodnění.minimální vydatnost zdroje by 3

4 měla být 0,1 l.s -1. Z hlediska půdního druhu není pro tuto regulaci zvláštní omezení. Regulaci lze doporučit na půdách středně těžkých až těžších, tj. hlinitojílovitých až jílovitých při drenážní pórovitosti cca 5 15 %. 6. Převod drenážních vod PDV Soustředěné drenážní vody lze převádět na vhodné lokality k podzemní závlaze podmokem nebo k jejich povrchovému rozlivu. K převedení vody se používá transferové potrubí. Podmínkou návrhu je dostatek vody ve svodném drénu a relativně sušší blízká poloha, v níž lze vodu povrchově nebo podpovrchově rozvést. Použití PDV je limitováno zdrojem vody, nejedná se o plošnou, ale spíše o lokální úpravu. Z hlediska vodohospodářského má převod význam ve zpomalení odtoku a zvýšení retence vody v povodí. Převod drenážních vod je složen ze čtyř částí: sběrná oblast, v níž odvodňovací systém jímá vodu, odběrný objekt na svodném drénu, transferová (převáděcí) větev, rozvodná část, v níž je voda přiváděna k drenážnímu podmoku, k rozlivu nebo k povrchovému přeronu. Systém lze použít ve sklonu terénu do cca 4 %. Pro návrh PDV nejsou vhodné půdy lehké a půdy těžké. Použití je vymezeno půdami hydrologických skupin B a C. U lehkých půd je relativně nízká výška kapilárního vzlínání). Podmínky použití a doporučené návrhové parametry (Metodika VÚMOP Praha č.26/2001): - minimální zdroj vody 0,15 l.s -1 ; - sklon převáděcí větve 0,02 0,2 %; - průměr transferového potrubí 0,04 0,06 m; - hloubka navlažovací drenáže (drenážního podmoku) je 0,7 m; - rozchod navlažovacích drénů 6 až 10 m; - maximální délka navlažovacích resp.zasakovacích drénů 100 m, resp.150 m; - šířka přeronové tabule do 100 m; délka do 50 m; 7. Omezení/eliminace funkce drenážního systému Jen výjimečně, a to na základě doporučení odborného posudku o funkci stávajícího drenážního systému, lze funkci systému odvodnění omezit nebo zcela eliminovat. V případě, že pozemek bude nadále zemědělsky využívaný lze doporučit vyřazení pouze lichých nebo sudých sběrných drénů. Pokud pozemky jsou vyňaty ze zemědělského půdního fondu, pak lze funkci odvodňovací stavby omezit nebo zcela eliminovat. Na zemědělských půdách lze pro omezení funkce použít soustavu záslepek, instalovaných na sudých nebo lichých sběrných drénech. Záslepky se vkládají do drenážního potrubí ve vzdálenosti m na sběrné drény a z hlediska funkce jsou dvojího typu: s úplným zaslepením, se zúžením průtočného profilu. Použitím záslepek na lichých nebo sudých drénech se výrazně mění základní parametr odvodnění, tj. rozchod drénů. Omezení nebo eliminaci funkce odvodnění na nezemědělském pozemku lze technicky provést instalací záslepek na všech drénech nebo náhradou určité délky potrubí méně propustným zásypem. 4

5 Výsledky a diskuse. Regulační drenáž je schopna v závislosti na druhu půdy, úrovni řízení HPV a výchozím vlhkostním stavu půdy zvýšit množství vody o 400 až m 3.ha -1. Ostatní dále uvedená opatření mají obvykle nižší schopnost zadržet a akumulovat vodu s ohledem na technické řešení daného systému a specifika opatření. Retardační plošná drenáž, drenáž s řízeným odtokem a systém podzemní retardace drenážního odtoku jsou schopny zadržet oproti normálnímu plošnému odvodnění jednorázově cca m 3.ha -1. Podle vývoje klimatické situace a jejího reálného dopadu na půdní vlhkost se však účinek této retardace může opakovat v jednom roce i vícekrát. Převodem drenážních vod a jejich rozvodem v navlažovaném poli lze při dostatečné infiltraci prakticky snížit drenážní odtok na nulu. Neznamená to však, že by voda neodtékala, drenážní odtok je však redukován a jeho část je převedena na odtok podzemní. Význam akumulace a zdržení vody v půdním profilu odvodněných půd však spočívá i v dalších momentech, např. ve zvýšené dotaci podzemních vod. Úprava odtoku pramenních jímek v pramenných oblastech je specifickým případem, kdy po instalaci hradítek jsou ovlivněny hladiny podzemní vody v přilehlém ochranném pásmu a celkový objem zadržené vody lze vyjádřit z rozdílu objemu vody vymezeného tvarem depresní křivky před a po vzdutí vody. Účinek regulačních opatření se projevuje v daném půdním prostoru a čase a lze jej vyjádřit z různých pohledů a aspektů. Kromě vodohospodářského hodnocení, které je základní z hlediska kvantitavního lze účinek hodnotit agronomicky dle výnosů pěstovaných plodin a ekologicky, hodnocením změny biologické diverzity krajinného systému nebo hodnocením ekologické stability území. Jednou z významných předností klasického odvodňovacího systému při povodňových situacích je vytvoření uvolněného retenčního prostoru, který vzniká snížením HPV na odvodněných lokalitách, a který je za příznivých okolností (kapacity infiltrace) využit k retenci vody při dlouhotrvajících regionálních deštích. Zemědělsky využívaná, odvodněná krajina, je v takovém případě odolnější proti poškození než krajina neodvodněná. Je to samozřejmě jeden aspekt, který platí ještě za určitých podmínek. Při použití principu regulace a retardace je samozřejmě část těchto prostorů opět zaplněna, jinými slovy vláhový stav pozemků při regulaci je vrácen směrem k původnímu stavu pozemku před odvodněním. Přesto, že mezi opatřeními je uvedena také metoda omezení či eliminace funkce drenážního systému je nutno konstatovat, že odvodnění původně zamokřených zemědělských pozemků je v našich podmínkách základní funkcí, kterou je pro potřeby zemědělství nutno zachovat neboť, zvláště ve vlhkých letech a v jarním období, nadále existuje potřeba snížení hladiny podzemní vody. Závěr Pro jednotlivé způsoby regulace a retardace drenážního odtoku byl vyjádřen potenciál objemu retence, akumulace vody či jiná změna bilančních faktorů v odvodněném půdním profilu. Regulace eliminuje jednostrannou funkci odvodnění, snižuje podíl odtoku drenážních vod v celkovém odtoku a vyrovnává celkový odtok v povodích. Při plošné aplikaci principů a způsobů regulace v zemědělsky obhospodařovaných povodích tato regulace optimalizuje podmínky pro pěstování zemědělských plodin a umožňuje zlepšení lokálních odtokových poměrů v zemědělsky využívaných tj. odvodněných povodích. Dosažení účinků regulovaných 5

6 odvodňovacích systémů na zemědělských půdách je podmíněno vhodnými agrotechnickými a agromelioračními zásahy, které zlepšují propojení podzemních systémů s půdním profilem a umožňují jejich optimální využití. Poděkování Příspěvek byl vypracován v rámci řešení etapy 106 výzkumného záměru MZe-M Komplexní řešení problémů hospodaření s půdou, vodou a krajinou VÚMOP Praha. Autoři děkují RNDr. J. Eichlerovi, CSc., Ing. E. Pilné, Ing. J. Maxové a P. Hospodkovi za zpracování naměřených dat z jednotlivých povodí. Použitá literatura DVOŘÁK P.: Určování návrhových parametrů plošné retardační drenáže. Sborník ČSVTS Vodohospodářské aspekty melioračních staveb. Pardubice, Agroprojekt 1988, str EICHLER J., SOUKUP M.: Metoda návrhu podzemní retardace odvodnění. Konference GIS Seč 2003 GIS ve veřejné správě, Seč 2003 FÍDLER J.: Podmínky zřizování a provozu retardační a regulační drenáže. In Sborník semináře Hospodaření vodou na odvodněných půdách a v suchém období a v podmínkách změn v současné restrukturalizaci zemědělství. Praha 1997, str IVANEK O., SOUKUP M., KRÁLOVCOVÁ K.: Ochrana podzemních vod regulací vodního režimu půd. Závěr. zpráva. projektu GA ČR č. 502/95/0826, VÚMOP Praha, 1998, str příl. RADČENKO I., NĚMEC J. a kol. - Regulační drenáž. Studijní informace. ÚVTIZ Praha, 1980, str. 64. SOUKUP M. a kol: Opatření pro regulaci odtoku v zemědělsky využívaném povodí. Metodika 26/2001. VÚMOP Praha, SOUKUP M.: Převod drenážních vod k navlažení půdy a infiltraci. Sborník ÚVTIZ Meliorace, roč. 26 (LXII), ÚVTIZ, Praha 1990, str SOUKUP M. a kol.: Regulace odtoku povrchové a půdní vody v povodí s ohledem na ochranu vod. Závěrečná zpráva projektu NAZV EP , VÚMOP Praha, 2000, str příl. SOUKUP M., MIMROVÁ K., PILNÁ E.: Retardace odtoku z pramenných oblastí. VÚMOP Praha, Konference IUAPPA Praha 2000, sekce B. str Ing. Mojmír Soukup CSc., Ing. Zbyněk Kulhavý CSc., Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, Žabovřeská 250, Praha 5 - Zbraslav, tel , fax , soukup@vumop.cz, kulhavy@hydromeliorace.cz, 6