BILANČNÍ ODHADY PŘÍSPĚVKU ODVODŇOVACÍCH SOUSTAV K PRŮBĚHU POVODNÍ. II. APLIKACE. František Doležal - Mojmír Soukup - Zbyněk Kulhavý

Transkript

1 BILANČNÍ ODHADY PŘÍSPĚVKU ODVODŇOVACÍCH SOUSTAV K PRŮBĚHU POVODNÍ. II. APLIKACE František Doležal - Mojmír Soukup - Zbyněk Kulhavý Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, Žabovřeská 250, Praha 5 - Zbraslav, Česká republika, dolezal@vumop.cz Teorie z v první části práce je aplikována na data z pokusných povodí Černičí u Čechtic a Cerhovického potoka u Hořovic ve středních Čechách. Z několikaletých časových řad odtoků v závěrových profilech povodí nebo drenážních systémů byly vybrány povodňové dny, ve kterých odtok z referenčního drenážního systému v daném povodí překročil zvolenou prahovou hodnotu. K simulaci situací, které nebylo možno změřit, byl použit deterministický model pohybu vody v drénované půdě DRAINMOD, který byl kalibrován pro podmínky povodí Černičí. Shoda výsledků modelu po kalibraci a měření je dostatečná k tomu, aby model mohl být použit k odhadu autochtonního odtoku z drénovaných ploch. Poměr celkového odtoku z drénovaných ploch k autochtonnímu odtoku z týchž ploch, který je roven součiniteli dosahu drenážních systémů N, vychází při velkých prahových hodnotách odtoku pro drenážní systém S1 v Černičí přibližně 1,3. Pro poněkud delší období vychází za jinak stejných podmínek přibližně 1,6. Tyto hodnoty považujeme za ilustrativní charakteristikou typických drenážních systémů v podsvahových polohách Českomoravské vysočiny. Jejich průměr N = 1,45 je aplikován i na poměry povodí Cerhovického potoka v Podbrdské pahorkatině. Předpokládá se, že zamokřená a dosud neodvodněná plocha soustřeďuje vodu zhruba ze stejně velkého území jako tatáž plocha po odvodnění. Odtud vychází součinitel zvýšení celkového odtoku z drénované plochy α v důsledků odvodnění přibližně 1,7 pro skupinu S1 v Černičí a 3,2 pro skupinu S7 v povodí Cerhovického potoka. Odhady součinitel zvýšení autochtonního odtoku z drénované plochy α 0 pak vycházejí přibližně 1,2 pro S1 v Černičí a 2,2 pro S7 v povodí Cerhovického potoka. Odtud vychází, že při povodních menší extremity a častějšího výskytu mohou být průtoky v podobných malých vodních tocích v důsledku přítomnosti drenážních systémů, zvýšeny cca o 3 až 19 %, tedy že vliv drenážních systémů na kvaziustálené průtoky během kulminace povodní je malý, ne však zcela zanedbatelný. K tomuto závěru je proto nutno přihlédnout při projektech komplexních pozemkových úprav a revitalizace povodí. Nelze však jednoznačně tvrdit, že vyřazením drenážních systémů z funkce by se snížila povodňová rizika. povodňový odtok, vliv drenáže, malá povodí, model DRAINMOD, měření průtoku, simulace Úvod Intuitivní bilanční hodnocení příspěvku povodní k povodňovému průtoku bylo v první části této práce (Doležal aj., 2003) podrobeno teoretickému rozboru. Vznikla tak teorie, které umožňuje objektivně vyhodnotit výsledky měření a výpočtů ve vztahu ke kvaziustálené vrcholové fázi povodně, kdy nehraje zásadní roli plnění ani vyprazdňování retenčních prostorů (povrchových ani podpovrchových). V předkládané druhé části práce je tato teorie aplikována na data některých pokusných ploch VÚMOP. Předpokládá se, stejně jako v první části, že hodnocené povodí je malé, a omezujeme se na případy, kdy odvodnění půdy je provedeno systematickou trubkovou drenáží. Definice pojmů a použité symboly jsou stejné jako v první části. V následujícím oddíle jsou pro zvýšení srozumitelnosti textu stručně rekapitulovány. Stejně jako v první části pracujeme se specifickými, nikoli s celkovými

2 Termín "odtok", pokud u něho nestojí upřesňující přívlastek, zahrnuje jak odtok povrchový či přímý, tak odtok podpovrchový či základní a tam, kde je vybudována drenáž, také odtok drenážní, který ovšem sám může obsahovat dvě až tři složky (Kulhavý aj., 2001). Rekapitulace teorie Před odvodněním odtéká za povodně z celého povodí průměrný specifický odtok q 0. Po odvodnění odtéká z odvodněné části povodí za povodně více vody. Tu tvoří jednak autochtonní odtok ze samotné drénované plochy, jednak alochtonní odtok, který je stahován drénovanou plochou z okolních nedrénovaných ploch (ke stahování by nedocházelo, kdyby odvodňovací systém neexistoval). V důsledku toho je plocha skutečně odvodňovaná, A a, větší než plocha A d, kterou fyzicky zaujímají drenážní systémy. Skutečně odvodňovaná plocha je ta, která by v případě, že by z ní odtékal autochtonní specifický odtok z drénované plochy q d0, produkovala stejný celkový odtok, jaký ve skutečnosti produkuje samotná drénovaná plocha. Označujeme: A t celková plocha povodí (m 2 ), A d drénovaná plocha, tj. plocha, kterou v povodí zaujímají drenážní systémy (m 2 ), A u plocha povodí po odečtení drénované plochy (m 2 ), A a plocha, skutečně odvodňovaná drenážními systémy (m 2 ), DD hustota odvodnění (bezrozměrná), q d celkový specifický odtok z drénované plochy (m.s -1 ), q d0 specifický autochtonní odtok z drénované plochy (m.s -1 ), q u specifický odtok z nedrénované plochy (m.s -1 ), q 0 celkový specifický odtok z povodí, ve kterém nejsou drenážní systémy (m.s -1 ), q t celkový specifický odtok z povodí, ve kterém působí drenážní systémy (m.s -1 ), N součinitel dosahu drenážního systému (bezrozměrný), FEF součinitel zvýšení povodňového odtoku v důsledku přítomnosti drenáže (bezrozměrný), α součinitel zvýšení celkového specifického odtoku z drénované plochy v důsledku přítomnosti drenáže (bezrozměrný), α 0 součinitel zvýšení autochtonního specifického odtoku z drénované plochy v důsledku přítomnosti drenáže (bezrozměrný), β součinitel snížení specifického odtoku z nedrénované plochy v důsledku přítomnosti drenážních systémů v jejím okolí (bezrozměrný). Očekáváme, že v naprosté většině případů budou platit nerovnosti: q q q q q (1) d d0 Aa A d (2) Součinitel zvýšení odtoku z drénované plochy je: qd α = (3) q0 Součinitel zvýšení autochtonního odtoku z drénované plochy je: qd0 α α0 = = (4) q0 N Součinitel dosahu drenážního systému je Aa qd N = = (5) Ad qd 0 V první části této práce (Doležal aj., 2003) byl odvozen vzorec: t 0 u - 2 -

3 FEF = 1 (1 α ) 0 DD (6) který umožňuje odhadnou účinek drenáže na základě jediného součinitele, totiž α 0 (DD je známou veličinou). Autochtonní specifický odtok z drénovaných ploch, q d0 může být odhadnut pomocí kombinace hydraulického modelování a přímého měření. Jestliže model poskytuje na výstupu vedle drenážního odtoku i povrchový odtok z drénované plochy a přijmeme-li předpoklad, že podzemní voda do drénovaného území pouze přitéká a neodtéká z něho jinudy než drenážním systémem, je možno součet simulovaného povrchového a drenážního odtoku považovat za odhad celkového odtoku z drénovaných ploch, tedy q d. Provedeme-li nyní navíc paralelní simulaci s týmiž parametry půdy, počasí a drenážního systému, ale s vyloučením přítoku cizích vod, dostaneme odhad autochtonního odtoku z drénovaných ploch q d0, opět jako součet povrchového odtoku a drenážního odtoku. Popis pokusných povodí Vliv odvodňovacích systémů na povodňové odtoky je analyzovány bilančními metodami za použití teorie popsané v první části práce pro data dvou pokusných povodí VÚMOP, a to povodí bezejmenného potoka u obce Černičí u Čechtic a povodí Cerhovického potoka u Cerhovic. Základní charakteristiky obou povodí jsou uvedeny v tab. 1. Základní charakteristiky sledovaných drenážních systémů v obou povodích jsou uvedeny v tab. 2. Metody vyhodnocení dat Předmětem vyhodnocení byly střední denní průtoky v závěrových profilech povodí nebo drenážních systémů, vyhodnocené lichoběžníkovou nebo obdélníkovou metodou integrace záznamů limnigrafů (metodu diskutují např. Doležal aj., 1999, Kulhavý aj., 2002) a denní srážkové úhrny, měřené převážně srážkoměry VÚMOP přímo v pokusných povodích. Pokud to bylo možné, byly různé systémy a způsoby vyhodnocení srovnávány na základě dat z téhož období. Průtoky byly převedeny na specifické odtoky vydělením plochou povodí nebo drénovanou plochou. Pro řady středních denních specifických odtoků a srážek byly vypočteny základní statistiky, z nichž zejména aritmetické průměry byly použity v dalších výpočtech. Vzhledem k tomu, že teoretický rozbor se týká kvaziustálených vysokých ( povodňových ) odtoků, byly z časových řad odtoků vybrány povodňové dny, ve kterých střední denní průtok v referenčním systému (v povodí Cerhovického potoka jím byl drenážní systém S7 a v povodí Černičí drenážní systém S1) byl vyšší než zvolená prahová hodnota nebo byl této hodnotě roven. Výpočet byl proveden pro několik prahových hodnot. Byly rovněž sestaveny a hodnoceny čáry překročení středních denních odtoků (srv. Doležal aj., 1999, 2001, Kulhavý aj. 2002). Souběžně s měřenými daty byly takto hodnoceny i řady simulovaných odtoků, vzniklé jako výstupy modelu DRAINMOD (viz dále). Tab. 1 Základní charakteristiky pokusných povodí (podle Doležala aj., 2002) Název povodí: Cerhovický potok *) Černičí Střední zeměpisná šířka: 49 o 51' E 49 o 37' N Střední zeměpisná délka: 13 o 50' E 15 o 04' E Nadmořská výška (m): min - max (průměr) (481) (496) Plocha (km 2 ) 7,36 1,42 % orných půd: 18 % 73 % % luk a pastvin: 22 %**) 7 % % lesů: 60 % 17 % - 3 -

4 % odvodněných ploch: 16 % 17 % Průměrné roční srážky (mm): 617 (Holoubkov ) 722 (Čechtice ) Průměrná roční teplota ( o C): 7,5 (Jince ) 7,5 (Čechtice ) Převažující matečná hornina: krystalické břidlice pararula Převažující půdy: pseudogleje, hlinité kambizemě, písčitohlinité *) Uvedené charakteristiky se vztahují k současnému pokusnému povodí (A1). Některé výsledky uvedené dále se vztahují k dílčímu podpovodí (B1) o ploše 3,15 km 2, které je převážně zalesněno. **) Včetně půdy uvedené do klidu. Charakteristika použitého simulačního modelu K simulaci situací, které nebylo možno změřit, byl použit deterministický model DRAINMOD (Skaggs, 1980; Anonym, 1994), verze 5.0 pro Windows 98/NT. DRAINMOD je založen na podrobném hydraulickém rozboru proudění podzemní vody k soustavě ekvidistantních rovnoběžných trubkových drénů a bere v úvahu též jednorozměrný (svislý) pohyb v nenasycené zóně půdy (infiltraci a kapilární vzlínání), odběr vody kořeny rostlin a retenci vody na povrchu půdy. Mj. také umožňuje jednoduchým způsobem modelovat přítok cizích vod jako interakci (průtok kolektorem s volnou hladinou) mezi drénovaným pozemkem a fiktivní vodní nádrží umístěnou opodál. Hodnoty parametrů DRAINMODu můžeme do jisté míry kalibrovat srovnáním výstupů simulace s měřenými drenážními odtoky a hladinami podzemní vody. DRAINMOD v námi použité verzi nesimuluje akumulaci a tání sněhu. Model DRAINMOD byl zkusmo (bez použití jakéhokoli automatického optimalizačního programu) kalibrován pro podmínky pokusného povodí Černičí, drenážního systému S1, s ohledem na hladiny podzemní vody ve vrtu V3 cca 1 km po proudu v téže údolní nivě, který reaguje na změny průtoků výstižněji než vrt V2, vzdálený sice od drenážního systému S1 jen několik desítek metrů, ale nedostatečně komunikující se zvodní v nivě. Oba vrty jsou cca 3 m hluboké a procházejí akumulovanými nivními sedimenty z erodovaného materiálu písčitohlinitých půd na zvětralině pararul. Tab. 2 Základní charakteristiky drenážních systémů v pokusných povodích Název povodí: Cerhovický Cerhovický Černičí Černičí potok potok Kód drenážního systému: S7 S8 S1 S2 Drénovaná plocha (ha): 40,5 23,5 0,605 1,815 Rozchody drenů (m): Střední hloubka drénů (cm): Výsledky a diskuse Výstižnost modelu DRAINMOD po zkusmé kalibraci pro podmínky pokusné plochy Černičí (drenážního systému S1 a vrtu V3 pro období do ) je demonstrována na obr. 1, 2, 3 a 4 a v tab. 3 a 4. Shoda modelu a měření je nepříliš ideální, avšak v dané situaci pravděpodobně nejlepší dosažitelná. Tab. 3 a 4 srovnávají základní statistiky měřených a simulovaných drenážních odtoků a hladin podzemní vody. Vedle výsledků realistického simulačního běhu fd25, jehož cílem je co nejlépe se přiblížit měřeným hodnotám, jsou na obr. 1, 2 a 3 a v tab. 3 a 4 uvedeny také výsledky simulačního běhu fd25ac, jehož vstupní - 4 -

5 parametry jsou stejné jako parametry běhu fd25 s jedinou výjimkou, totiž že v fd25ac je vyloučen přítok cizích vod a jedná se tak o simulaci autochtonního odtoku z drénované plochy. V tabulkách jsou pro srovnání uvedeny i statistiky řady odtoků z drenážního systému S2 a v potoce v závěrovém profilu povodí. Statistiky v tab. 3 se vztahují k podmnožině měřeného a simulovaného období, pro kterou byly k dispozici i hodnoty odtoku v potoce a v drenážním systému S2, zatímco hodnoty v tab. 4 se týkají celého období do a tudíž pouze drenážního systému S1. Hodnoty v tabulkách nebyly zaokrouhlovány, aby tím nebyla znemožněna zpětná kontrola. Lze konstatovat, že kalibrace byla úspěšná a kalibrovaného modelu lze v omezené míře použít i k predikcím, jako např. k odhadu autochtonního odtoku z drénované plochy. Statistiky měřených odtoků byly rovněž zpracovány pro povodí Cerhovického potoka a jeho dílčí systémy, abychom mohli posoudit, do jaké míry jsou hodnoty odvozené z Černičí reprezentativní. Model DRAINMOD dosud nebyl kalibrován pro drenážní systémy v povodí Cerhovického protoka, a proto nemohl být pro toto povodí použit. Výsledky, týkající se v případě Cerhovického potoka pouze měřených dat, jsou uvedeny v tab. 5 pro období Základní statistiky uvedené v tab. 3 až 5 jsou odvozeny z úplných řad středních denních průtoků a hloubek hladin podzemní vody. Výše uvedená teoretická analýza se však vztahuje jen ke kvaziustálené povodňové situaci. Proto byly z těchto úplných časových řad vybrány povodňové dny, ve kterých střední denní průtok v referenčním systému (v povodí Cerhovického potoka jím byl drenážní systém S7 a v povodí Černičí drenážní systém S1) byl vyšší než zvolená prahová hodnota nebo byl této hodnotě roven. Výpočet byl proveden pro několik prahových hodnot a jeho výsledky jsou uvedeny v tab. 6 pro Černičí a v tab. 7 pro Cerhovický potok. Slovo povodňové je ve vztahu k těmto datům právem v uvozovkách, neboť se ve skutečnosti jedná o situace s průtoky sice vysokými, nikoli však takovými, které by mohly ve sledovaných malých povodích způsobit výrazné škody. Ve sledovaném období byl maximální střední denní průtok na potoce v Černičí 119 l/s ( ), zatímco Tippl (2002) odhaduje extrémní průtok v tomtéž profilu v noci z 5. na na 4,3 m 3 /s. 10 Černičí, /1997 ( ) fd25 Specifický drenážní odtok (cm/d) fd25ac měřeno S Juliánský den Obr. 1 Ukázka výstižnosti modelu DRAINMOD po zkusmé kalibraci pro drenážní systém S1 v Černičí pro období do srovnání měřených drenážních odtoků v období - 5 -

6 s odtoky simulovanými v běhu fd25. Pro kontrast jsou uvedeny též výsledky simulačního běhu fd25ac (autochtonní odtok). Černičí, /1997 ( ) Hloubka hladiny podzemní vody (cm) fd25 fd25ac měřeno V Juliánský den Obr. 2 Ukázka výstižnosti modelu DRAINMOD po zkusmé kalibraci pro drenážní systém S1 v Černičí pro období do srovnání měřených hloubek hladiny podzemní vody v období s hladinami simulovanými v běhu fd25. Pro kontrast jsou uvedeny též výsledky simulačního běhu fd25ac (hloubky hladiny podzemní vody bez přítoku alochtonní vody). Specifický drenážní odtok (cm/den) Černičí, fd25 fd25ac měřeno S Pravděpodobnost překročení (Hazenova vynášecí poloha) Obr. 3 Ukázka výstižnosti modelu DRAINMOD po zkusmé kalibraci pro drenážní systém S1 v Černičí pro období do srovnání čáry překročení měřených specifických drenážních odtoků s čárou překročení odtoků simulovaných v běhu fd25. Pro kontrast jsou uvedeny též výsledky simulačního běhu fd25ac (bez přítoku alochtonní vody)

7 160 Černičí, Hloubka hladiny podz. vody (cm) fd25 fd25ac měřeno V Probability of exceedance (Hazen plotting position) Obr. 4 Ukázka výstižnosti modelu DRAINMOD po zkusmé kalibraci pro drenážní systém S1 v Černičí pro období do srovnání čáry překročení měřených hlobek hladiny podzemní vody s čárou překročení hloubek simulovaných v běhu fd25. Pro kontrast jsou uvedeny též výsledky simulačního běhu fd25ac (bez přítoku alochtonní vody). Tab. 3 Statistiky simulovaných a měřených řad středních denních specifických odtoků (cm/d) z drenážních systémů a v potoce, Černičí, Povodí nebo drenážnísystém S1 S1 S1 S2 Celé povodí Sběrná plocha (ha) 0,605 0,605 0,605 1, Simulováno/měřeno měř. simul. simul. měř. měř. Simulační běh - fd25 fd25ac - - Průměr Směrodatná odchylka Maximum Minimum Tab. 4 Statistiky simulovaných a měřených řad středních denních specifických odtoků (cm/d) a hloubek hladiny podzemní vody (cm) v drenážním systému S1, Černičí, Povodí nebo S1 S1 S1 vrt V3 S1 S1 drenážní systém Sběrná plocha (ha) 0,605 0,605 0,605-0,605 0,605 Simulováno/měřeno měř. simul. simul. měř. simul. simul. Veličina odtok odtok odtok hladina hladina hladina Simulační běh - fd25 Fd25ac - fd25 fd25ac Průměr Směrodatná odchylka Maximum Minimum

8 Tab. 5 Statistiky měřených řad středních denních specifických odtoků (cm/d) z drenážního systému a v potoce, Cerhovický potok, Povodí nebo S7 B1 A1 drenážnísystém Sběrná plocha (ha) 40, Simulováno/měřeno měř. měř. měř. Průměr Směrodatná odchylka Maximum Minimum Obdobně maximální střední denní průtok na Cerhovickém potoce v profilu A1 se během sledovaného období vyskytl a činil 255 l/s, zatímco odhady extrémního průtoku v témže profilu v noci z 11. na se pohybují mezi 2 a 4 m 3 /s (Soukup a Johanovský, 2002). Při extrémních průtocích hraje hlavní roli povrchový odtok, zatímco drenážní odtok je shora omezen hydraulikou pohybu vody v půdě i hydraulikou drenážního potrubí (Doležal aj, 1999, 2001). Situace, které analyzujeme v tomto článku, mohou působit škody ve větších povodích, pokud srážky je způsobující mají regionální charakter a voda přitéká ze všech nebo z většiny podpovodí. Vliv drenážních systémů na povodňové průtoky v tocích je za těchto situací největší, a právě proto se jimi zabýváme. Tab. 6 Průměry povodňových středních denních specifických odtoků (cm/d) z drenážních systémů a v potoce, Černičí, , pro dny, kdy měřený střední denní specifický odtok v S1 je vyšší než práh nebo je mu roven (sloupce označené fd25 a fd25ac jsou výsledky simulace - viz text). Práh S1-měřeno (cm/d) Dnů překročení Průměry povodňových středních denních odtoků (cm/d) prahu S1 S2 Potok S1 S1 měřeno měřeno měřeno fd25 fd25ac 0,5 36 0,7357 0,8161 0,2922 0,4062 0,3014 0,4 47 0,6659 0,7728 0,2661 0,3495 0,2613 0,3 81 0,5300 0,6670 0,2136 0,2753 0,1972 0, ,4137 0,5461 0,1590 0,2227 0,1585 0, ,2472 0,3485 0,0812 0,1568 0,0839 0, ,1968 0,2832 0,0614 0,1317 0,0617 0, ,1445 0,2116 0,0441 0,1154 0, ,1189 0,1843 0,0372 0,1100 0,0383 Pokusme se interpretovat numerické výsledky uvedené v tab. 6 a 7. Kvaziustálené povodňové situaci nejspíše odpovídají hodnoty získané pro vysoké prahové průtoky. Proto nejlepší odhad součinitele zvýšení odtoku z drénované plochy α podle (3) nebo součinitele zvýšení autochtonního odtoku z drénované plochy α 0 podle (4) získáme jako přibližnou limitu posloupnosti příslušných poměrů pro prahový průtok blížící se maximálnímu možnému. Postup je ilustrován na obr. 5, kde je na vodorovné ose vynesena hodnota prahového drenážního odtoku a na svislé ose tomu odpovídají průměrné hodnoty poměrů středních denních specifických odtoků, přičemž jsou uvažovány pouze dny, ve kterých střední denní specifický drenážní odtok na S1 v Černičí, resp. na S7 v povodí Cerhovického potoka byl vyšší než prahová hodnota nebo jí byl roven. Poměr celkového odtoku z drénované plochy k autochtonnímu odtoku z téže plochy, který je podle (5) roven součiniteli dosahu drenážního - 8 -

9 systému N, je na obr. 5 odhadnut pomocí modelu DRAINMOD jako poměr drenážního odtoku ze simulačního běhu fd25 (s přítokem cizích vod) k drenážnímu odtoku ze simulačního běhu fd25ac (s vyloučeným přítokem cizích vod). Uvedený postup je oprávněný, neboť simulovaný povrchový odtok je ve sledovaném období nulový a podzemní odtok z drénované plochy mimo drenážní potrubí není DRAINMODem vůbec simulován. Tab. 7 Průměry povodňových středních denních specifických odtoků (cm/d) z drenážních systémů a v potoce, Cerhovický potok, , pro dny, kdy měřený střední denní specifický odtok v S7 je vyšší než práh nebo je mu roven Práh S1-měřeno (cm/d) Dnů překročení prahu Průměry povodňových středních denních odtoků (cm/d) S7 potok B1 potok A1 měřeno měřeno měřeno 0,5 33 0,7716 0,1481 0,1682 0,4 49 0,6658 0,1372 0,1432 0,3 75 0,5548 0,1131 0,1262 0, ,3848 0,0680 0,0776 0, ,2696 0,0485 0,0608 0, ,2017 0,0367 0,0496 0, ,1460 0,0272 0, ,1098 0,0221 0,0298 Poměr odtoků nad prahovou hodnotou Černičí fd25/fd25ac Černičí S1/potok Cerhovický potok S7/A ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Práh (qd měřené) (cm/d) Obr. 5 Závislost průměrné hodnoty poměrů středních denních specifických odtoků (viz legendu v rámečku) na prahové hodnotě referenčního středního denního specifického odtoku (definovaného v tab. 6 a 7) Pro drenážní skupinu S1 v Černičí vychází při velkých prahových hodnotách přibližně N = 1,3. Pro jiné drenážní systémy, fungující v jiných klimatických, půdních a hydrogeologických podmínkách, by součinitel N pochopitelně mohl nabývat jiných hodnot. Přesnost odhadu N je ilustrována tím, že pro poněkud delší období , charakterizované v tab. 4, vychází za jinak stejných podmínek přibližně N = 1,6. Hodnota kolem 1,3 až 1,6 může být tedy považována za ilustrativní charakteristiku typických drenážních systémů - 9 -

10 v podsvahových polohách Českomoravské vysočiny a obdobných vrchovin. V této práci aplikujeme pro nedostatek jiných údajů průměrnou hodnotu N = 1,45 i na poměry Podbrdské pahorkatiny v povodí Cerhovického potoka. V první části této práce je navržen přibližný postup pro odhad množství vody, které by odtékalo z plochy, dnes drénované, kdyby na ní odvodnění nebylo vybudováno, tedy hodnoty q 0. Na obr. 5 vidíme odhady průměrných poměrů měřených drenážních odtoků z drenážního systému (S1 v Černičí, resp. S7 v povodí Cerhovického potoka), který zaujímá jen malou část povodí, k odtokům z celého povodí (k profilu A1 v případě Cerhovického potoka). Při vysokých prahových hodnotách se tento poměr blíží k 2,5 pro drenážní systém S1 v Černičí a ke 4,6 pro drenážní systém S7 v povodí Cerhovického potoka. To jsou ovšem příliš vysoké hodnoty, které necharakterizují součinitel zvýšení odtoku z drénované plochy α podle (2), neboť odvodněné (drénované) plochy se prakticky vždy (a ve sledovaných povodích obzvláště) nacházejí v místech, kde se odtok soustřeďuje a byly by vyšší i bez umělého odvodnění. Přijmeme proto, stejně jako v první části práce, předpoklad, že poměr specifického odtoku z celého povodí ke specifickému odtoku ze zamokřených (potenciálně odvodnitelných) ploch je přibližně stejný jako součinitel dosahu drenážního systému, tj. že zamokřená a dosud neodvodněná plocha soustřeďuje vodu zhruba ze stejně velkého území jako tatáž plocha po odvodnění. Součinitel N je, jak jsme zjistili, cca 1,45. Jím tedy musíme vydělit výše získané poměry, abychom se dobrali aspoň zhruba realistických odhadů součinitele zvýšení odtoku z drénované plochy α. Ty činí 2,5/1,45 1,7 pro S1 v Černičí a 4,6/1,45 3,2 pro S7 v povodí Cerhovického potoka. Odhady součinitel zvýšení autochtonního odtoku z drénované plochy α 0 podle (3) se pak získají tak, že se odhadnuté hodnoty α vydělí součinitelem dosahu drenážního sytému N ještě jednou. Vychází tak α 0 1,2 pro S1 v Černičí a α 0 2,2 pro S7 v povodí Cerhovického potoka. Tab. 8 Výpočet odhadu vlivu drenáže na povodňové průtoky na základě hodnot odvozených z tab. 6 a 7 pro vysoké prahové hodnoty Povodí: Černičí Cerhovický potok N = 1,45 1,45 drenážní odtok/odtok v potoce = 2,5 4,6 α = 1, , α 0 = 1, , DD = 0,17 0,16 FEF = 1, , Uvedené odhady spolu se znalostí hustoty odvodnění (viz tab. 1) umožňují odhadnout součinitel zvýšení povodňového průtoku v důsledku přítomnosti drenážních systémů FEF pomocí vzorce (6). Celý postup je rekapitulován v tab. 7, kde mezivýsledky nejsou zaokrouhlovány, aby byla umožněna zpětná kontrola výpočtu. Z výsledků vyplývá, že vysoké (nikoli však extrémně vysoké) průtoky v malých vodních tocích mohou být v důsledku přítomnosti drenážních systémů v typických povodích (jako je Černičí nebo povodí Cerhovického potoka) zvýšeny cca o 3 až 19 %. Výsledky naznačují, že vliv drenážních systémů na kvaziustálené průtoky během kulminace povodní v malých povodích (o ploše řádu několik km 2 ) je malý, při povodních menší extremity a častějšího výskytu však ne zcela zanedbatelný

11 Závěry Zkusmá aplikace teorie odvozené v první části práce (Doležal aj., 2003) potvrdila, že tato teorie a metodika na ní založená jsou použitelné. Závěry byly odvozeny z přímých měření v pokusných povodích, přičemž chybějící informace o hydrologickém režimu povodí před výstavbou odvodňovacích systémů byla doplněna pomocí simulačního modelu. Verifikace těchto výsledků pomocí nezávislých měření bez použití simulačního modelu by ovšem byla žádoucí, stejně jako další ověření předpokladů, na nichž je teorie založena. Závěr, že drenážní systémy, a tím spíše pak větší odvodňovací systémy zahrnující otevřené i zakryté kanály a upravené vodní toky, poněkud zvyšují kulminační průtoky povodní s krátkou dobou opakování a menší extremitou průtoků, potvrzuje i Robinson (1990) na základě přímých měření v několika pokusných povodích na britských ostrovech. K tomuto závěru je proto nutno přihlédnout při projektech komplexních pozemkových úprav a revitalizace povodí. Efekt však není zcela jednoznačný a za určitých okolností může být i opačný (Robinson, 1990). Nelze tedy všeobecně tvrdit, že vyřazením drenážních systémů z funkce by se snížila povodňová rizika. Je třeba zejména vzít v úvahu, že odvodňovací systémy pomáhají obnovit funkčnost zemědělské i urbanizované krajiny po povodních. Poděkování Tento příspěvek byl zpracován při řešení projektu GA ČR 103/99/1470 "Extrémní hydrologické jevy v povodích". Závěrečná redakce byla provedena v rámci etapy 14 výzkumného záměru VÚMOP č. MZE-M , nazvané Komplexní výzkum interakcí mezi půdou, vodou a krajinou v podmínkách malých povodí. Děkujeme zejména P. Pražákovi a P. Hospodkovi za zajištění terénních měření a primární zpracování dat a Ing. R. Kodešové CSc. za pomoc při práci s programem DRAINMOD. Literatura ANONYM DRAINMOD User's Guide, version 4.0, June 1994, United States Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, no DOLEZAL, F., KULHAVY, Z., SOUKUP, M., KODESOVA, R. Hydrology of tile drainage runoff. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans & Atmosphere, sv. 26, 2001, č. 7-8, s DOLEŽAL, F., KULHAVÝ, Z., KVÍTEK, T., SOUKUP, M., TIPPL, M. Úvod. Základní charakteristika pokusných povodí. In: DOLEŽAL, F. (ed.) Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku. Srovnání základních souborů dat. Praha : VÚMOP Praha., 2002, s DOLEŽAL, F., SOUKUP, M., KULHAVÝ, Z. Bilanční odhad příspěvku odvodňovacích soustav k průběhu povodní. I. Teorie. Soil and Water (Scientific Studies VÚMOP Praha), sv. 2, 2003, s KULHAVÝ, Z., DOLEŽAL, F., SOUKUP M. Separace složek drenážního odtoku a její využití při klasifikaci existujících drenážních systémů. Vědecké práce VÚMOP Praha, 2001, sv. 12, s KULHAVÝ, Z., ČMELÍK, M., KVÍTEK, T., SOUKUP, M., TIPPL, M. Extrémní průtoky v pokusných povodích a pravděpodobnost jejich výskytu. In: DOLEŽAL, F. (ed.) Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku. Srovnání základních souborů dat. Praha : VÚMOP Praha., 2002, s

12 ROBINSON, M. Impact of improved land drainage on river flows. Report No. 113, December Wallingford (UK) : Institute of Hydrology, 226 s. SKAGGS, R.W., Drainmod, Reference Report, USDA - SCS, South National Technical Center, Fort Worth, TX, USA, SOUKUP, M., JOHANOVSKÝ, Z. Vyhodnocení kulminačního průtoku v Cerhovickém potoce v srpnu In: DOLEŽAL, F. (ed.) Metody interpretace a využití dat z pokusných povodí a ploch. Sborník workshopu. Dolní Věstonice, Praha : VÚMOP Praha, TIPPL, M. Eroze a odnos splavenin v pokusných povodích. In: DOLEŽAL, F. (ed.) Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku. Srovnání základních souborů dat. Praha : VÚMOP Praha., 2002, s WATER BALANCE-BASED ESTIMATES OF THE CONTRIBUTION OF DRAINAGE SYSTEMS TO THE PATTERNS OF FLOODS. II. APPLICATION The theory developed in the first part of the paper is applied to the data from experimental catchments Černičí near Čechtice and Cerhovický potok near Hořovice, both in Central Bohemia. The flood days, on which the runoff exceeded a pre-determined threshold were selected from several years of data on average daily runoff in closing profiles of the catchments and in outlets of subsurface drainage systems. Unmeasured situations were simulated with a deterministic model, DRAINMOD, of soil water flow in a drained soil. The model was calibrated for the conditions of the Černičí catchment. Agreement between the calibrated model results and the measurement was sufficient for the model to be used for estimation of the autochthonous runoff from drained areas. The ratio of the total runoff from drained areas to the autochthonous runoff from the same areas, which is equal to the coefficient of drainage system influence N, approaches 1.3 at high runoff thresholds for the drainage system S1 in Černičí. For a somewhat longer period but otherwise the same circumstances it appears to be about 1.6. These values can be regarded as illustrative for typical drainage systems in foothill zones of the Bohemo-Moravian Highland. The average, 1.45, was also used for the conditions of the Cerhovický potok catchment in the peneplain around the Brdy highland. It is assumed that a waterlogged, not yet drained area attracts water from a territory of an approximately the same size as the same area that has already been drained. From there, the resulting coefficient of total runoff enhancement due to drainage, α, is about 1.7 for the system S1 in Černičí and 3.2 for the system S7 in the Cerhovický potok catchment. The estimated coefficient of autochthonous runoff enhancement due to drainage, α 0, is then about 1.2 for S1 in Černičí and 2.2 for S7 in the Cerhovický potok catchment. It can be concluded that the discharges occurring in analogous small streams during more frequent and less extreme floods can be increased by 3 to 19 % due to the presence of drainage systems, i.e., that the effect of drainage systems on quasi-steady flood peak flows is small but not completely negligible. This conclusion must be taken into account when designing comprehensive land consolidation and catchment restoration projects. One cannot, however, say in a definite way that the elimination of drainage systems would lower the flood-associated risks. flood runoff, effect of subsurface drainage, small catchments, DRAINMOD model, flow measurement, simulation