DRAINET - hydraulický model drenážního systému Zbyněk Kulhavý - Josef Eichler - František Doležal - Mojmír Soukup

Transkript

1 DRAINET - hydraulický model drenážního systému Zbyněk Kulhavý - Josef Eichler - František Doležal - Mojmír Soukup Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, Žabovřeská 20 vumop.kulhavy@telecom.cz 1. Úvod Podzemní trubková drenáž s navazující sítí otevřených příkopů a drobných vodních toků (DVT) jako recipientů těchto hydromelioračních staveb přispívá k odvodňování pozemků a vstupuje tak do hospodaření vodou v povodí. Intenzita jejího působení je závislá na typu stavby a na klimatických a místních podmínkách (přírodních, hospodářských atd.). V ČR je podzemní drenáží odvodněno přibližně 1,1 mil.ha zemědělské půdy, což v celorepublikovém průměru představuje cca 26 % výměry zemědělských půd (tj. 13,9 % plochy území ČR) a v řadě povodí DVT pak dosahuje 60 % i více. K objektivizaci posuzovacích nástrojů přispívá využití územních databází geografických informačních systémů (GIS) a kvantitativní analýza komplexních integrací pomocí simulačních a jiných numerických modelů. Pokud jsou těmito nástroji posuzovací práce automatizovány, je možné poměrně detailně analyzovat hydraulické poměry odvodňovacího systému a jeho interakci s okolím v míře, která nebyla technicky zvládnutelná v době projektování a výstavby těchto systémů. Tento příspěvek představuje jeden z takových nástrojů, model nekonzervativního (přesněji řečeno po úsecích konzervativního) ustáleného proudění vody ve větevné drenážní síti bez okruhů, nazvaný DRAINET. Jsou diskutovány možnosti využití tohoto modelu k posouzení existujících drenážních systémů za účelem vymezení rizikových částí systémů (pro stanovení priorit údržby) a hodnocení hydrologického potenciálu odvodňovacích staveb při zvládání extrémních srážkových a odtokových situací. Jsou uvedeny příklady vyhodnocení typických odtokových situací a je diskutována možnost uplatnění prvků regulace odtoku v těchto systémech. Popisovaný hydraulický model je součástí komplexního postupu, řešícího funkci drenážních systémů v širším kontextu, zahrnujícím jak tvorbu drenážního odtoku v půdním a horninovém prostředí, tak příspěvek drenážního odtoku k celkovému odtoku v malém povodí. 2. Metody a materiál Příprava podkladů Aplikaci hydraulického modelu musí předcházet: - shromáždění, resp. pořízení situačních podkladů řešené oblasti v digitalizované formě (stavební výkresy odvodnění se zákresy skutečného provedení, výškopis a polohopis území). Předpokládá se využití ověřených podkladů, případně jejich aktualizace doměřením a polohovou transformací v GIS; - stanovení hydrologických zátěžových stavů, odvozených pro z měřené či syntetické časové řady relevantních meteorologických prvků - zpravidla se zaměřením na extrémní situace - nebo empirickými postupy určené kritické (návrhové) hodnoty intenzit přítoku vody do drenážního potrubí; - plošné rozdělení zátěžových charakteristik v rámci řešeného území s využitím standardních mapových podkladů, výsledků hydropedologických průzkumů, půdních map a z nich odvozených vlastností půd, uplatněním výsledků vlastních šetření (mj. laboratorních a terénních zkoušek) atd.;

2 - stanovení lokálního drenážního přítoku, tj. konkretizace výsledků předchozích dvou etap práce ve formě časových řad středních denních drenážních přítoků nebo extrémních přítoků se známou pravděpodobností překročení pro jednotlivé úseky drenážní sítě. K tomuto účelu může být např. využit model DRAINMOD (Skaggs, 1980, Doležal aj., 2001), který simuluje lokální přítok do systematické trubkové drenáže a umožňuje i jednoduchý odhad přítoku cizích vod. V zásadě je možné použít libovolných metod stanovení přítoku do podzemní trubní sítě jako funkce polohy, času, úrovně hladiny podzemní vody a pod.. Lokalizace je provedena v prostředí GIS. Místně tak může být zohledněn bodový přítok vod (pramenní vývěry), zasakovací funkce drénů atd. Hydraulický popis proudění vody v drenážní síti je poté řešen níže popsaným modelem DRAINET, který umožňuje přímý vstup datových podkladů o prostorových vazbách z prostředí GIS, generuje topologii sítě a výstupy konvertuje za účelem zobrazení dosažených výsledků zpět do prostředí GIS. Výběr modelových území Na základě předchozí plošné kategorizace odvodňovacích staveb (Kulhavý a aj., 2001), respektující hydrologické podmínky existence těchto staveb v povodí (morfologii terénu, půdní a geologické poměry, zpětné ovlivnění vodním tokem, stáří systému, způsob provedení a aktuální stav systému), bylo vybráno 10 reprezentativních lokalit v povodí Orlice (Byzhradec, Častolovice, Černíkovice, Javornice, Kulvald, Lukavice 1 a 2, Synkov 1 a 3, Trnov). Dále byly využity podklady o drenážních systémech v experimentálním povodí VÚMOP v Černičí u Čechtic a na pokusné ploše ve Valečově (viz Tab.1). Tento soubor je postupně dále rozšiřován. Jednotky Byzhradec Častolovice Černíkovice Javornice Charakteristika min. nadmořská výška m max. nadmořská výška m průměrná sklonitost % 3,27 8,42 1,60 2,3 7,21 4,90 4,17 2,67 3,00 3,13 4,07 2,93 plocha ha 1,76 4,73 22,80,62 24,1 10,77 3,78 8,76 8,73 33,8 21,99 34,94 rozdíl X-ových pořadnic m rozdíl Y-ových pořadnic m poměr X/ Y - 0,74 0,60 2,13 1,8 0,69 2,0 3,29 3,06 2,03 0,9 1,2 1,23 rok výstavby rozchod sběrných drénů m 10 9;10 8; ; ;13 hloubka sběrných drénů m 0,9 1;0,9 1,0 0,9 1,1 1,0 1,1 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 zeměpisná délka prům. v.d zeměpisná šířka prům. s.š Tab.1 Základní charakteristiky zpracovaných drenážních systémů Struktura modelu DRAINET Výpočtový modul je programován ve Visual Basicu jako extenze tabulky MS Excel. Využívá obvyklých postupů pro řešení trubních sítí s volnou hladinou, přizpůsobených zvláštnostem drenážních systémů. Nejprve je sestavena struktura větevné sítě. Vstupními daty jsou souřadnice X a Y uzlových bodů, stanovené v GIS a vstupující do výpočtu prostřednictvím DBF tabulky. Zadání svislých pořadnic (Z) není podmínkou, avšak po sestavení digitálního modelu terénu (DMT), odvozeného z vrstevnic nebo z přímého měření systémem GPS Kunvald Lukavice 1 Lukavice 2 Synkov 1 Synkov 3 Trnov Černičí Valečov

3 (Kulhavý aj., 2001), jsou tyto pořadnice k dispozici a mohou být s výhodou použity ke stanovení sklonů sběrných drénů. Sklony svodných drénů jsou převzaty z projektové dokumentace. Potrubní síť je tak rozdělena na úseky, definované polohou počátečního a koncového uzlu. Výpočtové operace nad tímto tématem (shapefile potrubí ) provedou jednoznačný popis topologie systému sběrných a svodných drénů, resp. navazující sítě otevřených příkopů. Správnost generované topologie je ověřena kontrolními procedurami. Pro podrobnější výpočet mohou být do sítě vkládány další zahušťující uzly, a to i do přímých úseků potrubí. Automatizace výpočtů dovoluje zpracovat systémy, členěné až na několik desítek tisíc úseků. Příklad části větevné sítě a tomu odpovídající tabulka topologie jsou uvedeny na obr Zadání Výpočet Oi = q * L Ozn.větve Kam ústí q L Q1 Q Obr.1 Schéma větevné sítě s navazující tabulkou topologie a výpočtem průtoků uzlovými body Poznámky k obr.1: - na pořadí větví a na jejich značení nezáleží - u závěrného úseku se v konečné verzi uvádí textovým identifikátorem označení drenážní výusti (značených výustí může být v jednom výpočtovém cyklu libovolné množství, musí však být respektována větevnatost sítí, tj. kolik je značeno výustí, tolik je samostatných sítí) - průtok na vstupním uzlu větve je Q 1, na výstupním uzlu je Q 2 - specifický průtok větví (q) a délka větve (L) určuje přírůstek na větvi (je řešeno samostatně hydrologickou větví programu, zde je uvedeno konstantní hodnotou); průtok na výstupu z větve se v tomto případě vypočte: Q 2 = Q 1 + L*q - u koncových větví platí: Q 1 = 0, Q 2 = q*l - v tomto příkladu se nepředpokládá lokální přítok Při importu tabulky DBF jsou z prostředí GIS přeneseny parametry trubní sítě do excelovského sešitu a poté jsou doplněna případná individuální nastavení (náhradní ztrátové délky vložených objektů, parametry dopravovaného média (teplota vody, obsah suspendovaných látek), bodové přítoky apod. Výpočtový modul dovoluje zadat obecný (tj. nekruhový) průřez potrubí, což umožňuje hydraulicky řešit i objekty na drenáži, zatrubněné vodoteče i krátké úseky otevřených příkopů, pokud vyhovují hydraulickým předpokladům výpočtu.

4 Hydraulické řešení trubní sítě Hydraulický výpočet předpokládá v jednotlivých úsecích potrubí existenci ustáleného, rovnoměrného a konzervativního proudění. Toto zjednodušení je při podobných výpočtech sítí běžné a není v příkrém rozporu se skutečným charakterem proudění vody v drenážní síti. Předpoklad ustálenosti proudění je oprávněný s ohledem na silné tlumení filtračními odpory při vtoku vody do drénu i hydraulickými odpory samotného proudění vody v drenážním potrubí. Vliv reálné nerovnoměrnosti proudění v potrubí lze ve většině případů ( (bez vlivu regulačních prvků a zpětného vzdutí) oprávněně zanedbat. Nekonzervativnost proudění lze zanedbat, nejsou-li definované úseky příliš dlouhé. Výpočet je rozdělen na proudění beztlakové (o volné hladině) s užitím Colebrook-Whiteova vzorce a na tlakové proudění (v současné verzi modelu je použito zjednodušeného postupu, který pouze mechanicky extrapoluje rovnice použité pro popis beztlakového proudění). Výpočet předpokládá neprovzdušený vodní proud o známé teplotě a respektuje dále změnu viskozity vlivem (zadaného) obsahu unášených zemních částic. Pro každý úsek potrubí je zadáno: - světlost kruhového potrubí (D = 2R), případně parametry obecného tvaru koryta/potrubí (průtočná plocha =f(y), omočený obvod O=f(y) a maximální výška vody max (y), kde y je výška vody v korytě/v potrubí) - materiál a současný stav potrubí (charakterizuje drsnost) - délka úseku - sklon nivelety - teplota vody - obsah suspendovaných látek ve vodě - parametry přítoku vody do úseku (spojité zatížení nebo bodový přítok v počátečním uzlu obojí je možné zadávat v kladných i záporných hodnotách, případně i jako funkci výšky vody v potrubí y) Vztah mezi střední průřezovou rychlostí v a sklonem čáry energie i při proudění plným profilem potrubí je dán Darcy-Weisbachovou rovnicí: 2 1 v i = λ D 2g (1) kde i je hydraulický sklon čáry energie, λ je součinitel tření, D je světlý průměr potrubí (m), v je střední průřezová rychlost (m.s -1 ), g je zrychlení zemské tíže 9,8066 (m.s -2 ). Při ustáleném rovnoměrném beztlakovém proudění je hydraulický sklon čáry energie roven sklonu hladiny i sklonu potrubí. O typu proudění a způsobu výpočtu součinitele tření λ se rozhoduje na základě Reynoldsova čísla: vd Re = ν (2) kde ν je kinematická viskozita proudící kapaliny (m 2.s -1 ) jako funkce teploty: -6 1,78.10 ν = ,0337 t + 2, t (3) kde t je teplota vody ( C) Při laminárním proudění (pro kruhové potrubí Re < 2 320) platí λ = 64/Re (4)

5 střední průřezové rychlosti proudění při beztlakovém proudění plným profilem. S výjimkou laminární oblasti proudění je nutný iterační postup. Pro vztah mezi součinitelem tření λ a střední průřezovou rychlostí při beztlakovém nelaminárním proudění plným profilem (tj. pro přechodové i turbulentní typy proudění) je použita rovnice Colebrooka a Whitea: 1 2,1 k = 2 log + () λ Re λ 3,71 D kde λ je součinitel tření, D je světlý průměr potrubí (m), k je absolutní drsnost (m), případně k=1/n, kde n = součinitel drsnosti, Re Reynoldsovo číslo. Postup výpočtu zohledňuje změnu viskozity nejen v závislosti na změně teploty drenážních vod, ale i s ohledem na předpokládaný obsah nerozpustných příměsí (Šerek aj., 1989). Při obsahu nerozpuštěných látek do 00 g.m -3 je vypočtena kinematická viskozita suspenze podle vzorce: 8 2 ν = ν o B t (6) kde ν je kinematická viskozita suspenze (m 2.s -1 ), ν o je kinematická viskozita čisté vody (m 2.s -1 ), B je obsah suspendovaných látek (g.m -3 ), t je teplota vody ( C). Při vyšším obsahu nerozpuštěných látek je počítáno s doplňkovou ztrátou, vyjádřenou pomocí parametru a, rozšiřujícího Colebrook- Whitovu rovnici: 1 2,1 k = 2 log a + + (7) λ Re λ 3,71 D Při obsahu nerozpuštěných látek v rozmezí od 00 g.m -3 do 1000 g.m -3 je použito vzorce: ,013 a = B (2,6 B) + 3,6 10 1,464 1,12 (Re 3000) (8) ( D /1000) zatímco při obsahu nerozpuštěných látek od 1 do kg/m 3 (vyšší se nepředpokládá) platí 10 2/ 3 B 0,9 10 a = + 0,3 10 (9) 1,2 1,12 (Re 000) [0,016 + ( D /1000)] kde B je obsah suspendovaných látek (g.m -3 ), D je světlý průměr potrubí (m). Použité výrazy byly odvozeny pro kanalizační sítě a předpokládají střední průměr minerálních suspendovaných částic přibližně 1 mm (maximální průměr nepřevyšuje 6 mm). Při výpočtu součinitele tření λ podle vzorce (7) se stanoví hodnota Re podle vzorce (2) dosazením kinematické viskozity čisté vody. Při neúplném (nekapacitním) plnění potrubí se používá redukce průtoku podle Chézyho Manningovy rovnice: 2/3 1/ 2 v = k R I (10) kde R je hydraulický poloměr (m), tj. podíl průřezové plochy S a omočeného obvodu O; R=S/O) (m) I je sklon nivelety potrubí, k je absolutní drsnost potrubí (m). Podle této rovnice je redukce průtoku na neúplné plnění potrubí dána vztahem:

6 kde Q S R 2/3 S R = * * * Q (11) Q S R je průtok (m 3.s -1 ) při obecné výšce proudu y (Q * je totéž při plném profilu), je průtočný průřez (m 2 ) při výšce proudu y (S * je totéž při plném profilu), je hydraulický poloměr (m) při výšce proudu y (R * je totéž při plném profilu). Pro úplnost je třeba uvést, že dimenzování svodných drénů je v normě ČSN věnována v přílohové části kapitola B.1 se dvěma nomogramy (B.1 a B.2), kde střední průřezová kapacitní rychlost (m.s -1 ) je odvozena právě ze Chézyho-Manningova vzorce (10). Průřezová rychlost v úseku potrubí se při zahájení výpočtu stanoví z kapacitního průtoku. Následují iterační cykly, v nichž se posuzuje shoda mezi nastavenou střední průřezovou rychlostí a rychlostí nově vypočtenou. Pokud není dosaženo shody v tolerančním rozmezí 1%,je výpočet opakován v novém iteračním kroku, v opačném případě je výpočet úseku ukončen. Po ukončení výpočtu je každý úsek potrubí je charakterizován dvojicí následujících parametrů (pro vtokový a výtokový profil úseku) : - rychlost při plném profilu (v při y = D) - Reynoldsovo číslo - typ proudění: laminární/přechodové/turbulentní (užité hraniční hodnoty Re: 2320, 4000) - součinitel tření λ, odpovídající skutečnému průtoku po iteraci - hodnota Q max pro kapacitní plnění (y = D) - tlakovost proudění v potrubí, je-li přítok vyšší než je kapacita beztlakového proudění plným profilem (ano/ne) - výška plnění profilu (y) - průtočná plocha S pro výšku plnění y - střední průřezová rychlost proudění (v) Pro celý úsek potrubí: - doba průtoku částice vody úsekem (t) - čas potřebný k tomu, aby částice vody nacházející se na začátku daného úseku opustila trubní systém (doba doběhu) tato hodnota je vypočtena z topologie trubní sítě. Hydraulický výpočet je prováděn postupně pro jednotlivé úseky trubní sítě v posloupnosti určené topologií sítě, tj. od koncových větví směrem k výusti. V opačném pořadí je pak stanovována doba doběhu vodních částic k uzávěrovému profilu větevného systému. Zadávané hodnoty drsností potrubí se řídí zkušenostmi, získanými při předchozích výzkumech, případně přejímají tabulky z citované literatury. Literaturou doporučované hodnoty se uvádí v širších rozpětích - drsnost totiž značně závisí na stavu potrubí. Všemi autory, je respektováno členění drenážního potrubí podle materiálu do dvou skupin: potrubí z pálené hlíny a potrubí z plastických hmot. Pro potrubí z pálené hlíny doporučuje Kolář (1966, 1983) hodnoty absolutních drsností uvedené v tab. 2. Těmto hodnotám se přibližují i hodnoty z nomogramů Šereka aj. (1989). Tab. 2 Absolutní drsnosti k (mm) drenážního potrubí z pálené hlíny podle Koláře (1966, 1983) v dobrém stavu 0,610 v normálním stavu 1,24 ve špatném stavu 3,048

7 Wertz (196) doporučuje pro potrubí z pálené hlíny hodnoty k= 0, až 0,6 mm. Drsnost závisí na tvarové nepravidelnosti spojů i vlastních drenážek, na přímosti a rovnoměrnosti uložení drénů. Blažis (196) naměřil pro ideální případy dokonce k = 0,1mm. U drénů z plastických hmot drsnost více závisí na typu a způsobu výroby. Rozlišují se: - hladké drény z PVC, PE apod., - flexibilní vlnité drény z PVC a PE, - ostatní typy drénů (např. fóliových) s různými způsoby spojování. Saxen a Karge (1968) odvodili pro Colebrook-Whitův vzorec průměrné hodnoty absolutních drsností uvedené v tab. 3 Tab. 3 Průměrné hodnoty absolutních drsností k (mm) drenážního potrubí z plastických hmot podle Saxena a Karga (1968) hladké drény z PVC 0,1 jednoduše zvlněné flexibilní drény 1,4 spirálně zvlněné drény 2,2 Van der Becken A. (1971) doporučuje u flexibilních drénů průměru 37,9 až 91, mm pro praktické využití hodnotu k = 2, mm. Kasprzak a Šálek (1974, 197) odvodili hodnoty uvedené v tab. 4. Tab. 4 Absolutní drsnosti drenážního potrubí z plastických hmot podle Kasprzaka a Šálka (1974, 197): Druh drénů Hodnota absolutní drsnosti k (mm) k min. k max. k prům. Jmenovitý světlý průměr Js (mm) Hladké drény z PVC 0,016 0,183 0,1/ * 40 až 160 Fóliové drény z PVC typu VÚM 0,014 0,030 0, Flexibilní drény 2,9 2,9 2,9 0 / * Pozn.: Minimální hodnoty byly stanoveny na neperforovaných drénech největších průměrů s hrdlovými spoji Pro praktický hydraulický výpočet drénů československé výroby pak titíž autoři doporučují hodnoty k (mm) uvedené v tab.. Tab. Doporučené návrhové hodnoty absolutní drsnosti k (mm) drenážního potrubí z plastických hmot československé výroby podle Kasprzaka a Šálka (1974, 197) a Šereka aj. (1989) a/ Hladké potrubí z PVC bez spojů a perforací, nové 0,01 1 b/ Hladké potrubí bez perforací s hrdlovými spoji po 4m 0,0 c/ Drenážní potrubí s perforacemi a hrdlovými spoji Js ,1 2 Fóliové drény z PVC 0,02 3 Flexibilní drény Js 0mm 3,0

8 V současnosti např. pro korugované kanalizační gravitační potrubí z HDPE typu BOCR- Polycor a Ecopal uvádí výrobce hodnoty k = 0,1 a 0,067 mm (zde se však jedná o profily potrubí od jmenovitého světlého průměru 110 mm výše). 3. Výsledky a diskuse Zpracování výsledků řešení a jejich zobrazení v GIS Využití nástrojů GIS umožňuje efektivní vyhodnocení výsledků. Datové výstupy modelu jsou pro zobrazení v GIS předávány prostřednictvím databázové tabulky, navázané pomocí identifikátorů úseků sítě na grafický podklad. Uvedeným postupem lze ve zvolených třídních intervalech zobrazit zejména: - rychlosti vody v potrubí, odpovídající uvažovanému hydrologickému zatížení, - stupeň naplnění potrubí, případně tlakové poměry v síti (obr. 2). - S ohledem na potřebu vyhodnotit dobu zdržení vody v drenážním systému mohou být po interpolaci výstupních dat v prostředí GIS znázorněny doby doběhu k výusti. Postupem, který bude popsán dále, může pak být vyjádřena charakteristika trubního systému jako diferenciální čára četností dob zdržení, ze které lze odvodit hydrogram odtoku z drenážního systému za daného zatěžovacího stavu. kapacita plnění profilu % %[ výústě %[ %[ %[ %[ %[ Obr. 2 Stupeň kapacity plnění potrubí v trubní síti (stavba Černíkovice, pro specifický přítok 0,003 l.s -1.m -1 ) Konstrukce diferenciálních čar četnosti dob zdržení vody v trubním systému Ze středních průřezových rychlostí vody v koncových profilech úseků a z délky úseku jsou stanoveny doby postupu vodní částice trubním systémem. Pro každý počáteční bod úseku je s využitím topologie sítě vypočtena doba doběhu vodní částice od tohoto bodu k drenážní výusti (resp. u kombinovaných a složených sítí doba doběhu k závěrovému profilu povodí). Největší hodnota udává dobu doběhu pro drenážní síť jako celek, analogickou době koncentrace, používané v hydrologii povrchových vod. Doby doběhu v počátečních uzlech jednotlivých úseků jsou spojitě interpolovány pomocí nástrojů GIS pro tvorbu digitálního modelu terénu v celém zájmovém území. Tak vznikne plocha dob doběhu, která je vhodná pro názorné zobrazení (obr. 3). Znázornění ilustruje skutečnost, že bodům bližším k

9 závěrovému profilu (výusti) odpovídají krátké doběhové doby vodních částic. Tyto doby se plynule zvyšují se vzdáleností od závěrového profilu, v případě sběrných drénů též se vzdáleností od svodných drénů, nejdelší doby doběhu pak odpovídají těm bodům potrubního systému, které jsou nejvzdálenější od drenážních výustí. Tímto způsobem konstruovaná plocha (lze ji přirovnat ke členitému terénu, svažujícímu se k výusti) představuje integrální vyjádření podmínek, ovlivňujících vývoj odtoku drenážním systémem. Zdržení vody v půdním a horninovém prostředí přitom ovšem není vzato v úvahu. Doba doběhu [sec.] při qzat = 0,003 l/s/bm Obr. 3 Drenážní systém s izoliniemi dob doběhu k drenážní výusti (s) (Valečov, specifický přítok 0,003 l.s -1.m -1 ) S takto konstruovaným digitálním modelem plochy dob doběhu lze v prostředí GIS nakládat stejným způsobem jako s klasickým modelem terénu (DMT), tj. vyjadřovat v definované síti (čtverců, trojúhelníků či polygonů) střední sklonitost či střední výškovou odlehlost (tj. Střední dobu doběhu) od srovnávací vodorovné roviny. Tak lze charakterizovat danou odvodňovací soustavu a umožnit její porovnání s jinými soustavami. Použitou matematickou operací je vynásobení plochy každého trojúhelníku generované sítě (aproximujícího část plochy) odpovídající pořadnicí doby doběhu. Tyto hodnoty pro všechny elementy plochy vytvářejí diferenciální distribuční funkci, případně mohou být vyjádřeny kumulativně součtovými čarami (intergrálními distribučními funkcemi), jak znázorňuje obr. 4. Zde jsou porovnány tři, strukturou topologie sítě odlišné odvodňovací systémy: Černičí, Valečov a Černíkovice.

10 Četnost [% plochy],0 4, 4,0 3, 3,0 2, 2,0 1, 1,0 0, 0,0 Černičí Černíkovice Valečov Doba doběhu [s] Č.kumulativní [% celk.plochy] Obr. 4 Čáry četnosti a součtové čáry prostorové analýzy dob doběhu pro tři vybrané drenážní systémy (specifický přítok 0,003 l.s -1.m -1 ) Srovnávané plochy byly zatíženy jednotným spojitým přítokem na jednotku délky drénu 0,003 l.s -1.m -1. Tato hodnota odpovídá drenážnímu odtoku q d =3 l.s -1.ha -1 neboli 2,9 mm.d -1 při rozchodu drenáže 10 m (pro R=13m by tomu odpovídalo q d =2.3 l.s -1.ha -1, tj. 20 mm.d -1, případně pro R=8, m pak q d =3, l.s -1.ha -1, tj. 30,2 mm.d -1 atd.). Tyto hodnoty přibližně odpovídají pozorovaným maximům okamžitých drenážních odtoků v podmínkách ČR (Doležal aj., 2001) v v4 v3 plocha [m2] v2 v ,0 1, 3,0 4, 6,0 7, 9,0 10, 12,0 doba doběhu [min.] Obr. (a) Velikosti drenážních skupin, (b) odpovídající parciální čáry četnosti dob doběhu (plocha Černíkovice, specifický přítok 0,003 l.s -1.m -1 - topologie drenážní sítě viz obr.2) Byly rovněž analyzovány závislosti tvarů čar četnosti dob doběhů na volbě zátěžového stavu drenážního přítoku i na topologii sítě (např. při existenci několika drenážních skupin se samostatnými výustěmi). Pro plochu Černíkovice (s rozchody sběrných drénů 8 a 9m), která se vyznačuje variabilitou velikostí ploch jednotlivých drenážních skupin (obr. a) byly zpracovány výpočty s různým zatížením drenážního systému spojitým drenážním přítokem podle tab. 6

11 Tab. 6 Charakteristiky proudění v drenážní síti při různém zatížení spojitým drenážním přítokem q zat. q spec. H q T k v prům. N L tlak L tlak [l/s/bm] [l/s/ha] [mm/den] [min] [m/s] [-] [km] [%] 0,0001 0,12 1,0 43,3 0,34 0 0,00 0,0 0,0003 0,3 3,0 27,1 0,1 0 0,00 0,0 0,0006 0,71 6,1 21,8 0,6 0 0,00 0,0 0,0008 0,94 8,1 19, 0,72 9 0,08 0,4 0,0010 1,18 10,2 17,9 0,77 9 0,08 0,4 0,001 1,76 1,2 1,3 0, ,10 0, 0,0020 2,3 20,3 14,0 0,99 1 0,17 0,8 0,0030 3,3 30, 12,3 1,14 8 0,6 2,7 0,0040 4,71 40,7 10,3 1, ,12,3 0,000,88 0,8 9,2 1, ,2,9 kde q zat je ustálený výpočtový přítok do sběrných drénů (l.s -1.m -1 ) q spec je přítok q zat. přepočtený na jednotku plochy (l.s -1.ha -1 ) H q je přítok q zat. přepočtený na náhradní denní odtokovou výšku (mm) T k je doba koncentrace odtoku z trubního systému (min) v prům je průměrná průřezová rychlost v trubní síti za daného zátěžového stavu (m.s -1 ) N je počet úseků s tlakovým prouděním L tlak je celková délka trubních úseků s tlakovým prouděním (km), totéž je v dalším sloupci vyjádřeno v procentech celkové délky trubního systému Zvýrazněné hodnoty zátěžových přítoků korespondují s obr. 6 a 7. Uvedené průměrné průřezové rychlosti vody v potrubí jsou zkresleny dosavadním zjednodušeným výpočtem proudění za tlakových poměrů v daném úseku sítě (v tabulce proto nejsou uvedeny např. maximální dosažené rychlosti). Jak však vyplývá z posledního sloupce tabulky (procenta celkové délky úseků s tlakovým prouděním), ovlivnění by se mělo pohybovat v řádech jednotek procent, a tato chyba je tedy srovnatelná či nižší než chyba závislá na stanovení součinitele drsnosti potrubí. 6 q zat=0,001 l/s/bm Diferenciální čáry q zat=0,003 l/s/bm Diferenciální čáry % (dílčí) plochy All % (dílčí) plochy All doba doběhu [s] doba doběhu [s] Obr. 6 Čáry četnosti dob doběhu vody do drenážní výusti pro dvě různé hodnoty drenážního přítoku (a) q=1,18 l.s -1.ha -1 ; (b) q=3,3 l.s -1.ha -1 pro samostatně řešených drenážních skupin a pro soustavu jako celek - silná čára (stavba Černíkovice)

12 Doby doběhu se prodlužují s ubývajícím drenážním přítokem (obr. 6 a,b), tvar čar četnosti se však mění jen málo a odráží topologii potrubního systému. Proto je možné využít principu superpozice při sčítání dílčích grafů. Graf (b) na obr. 7 znázorňuje prodlužování doby koncentrace T k v závislosti na snižování drenážního přítoku pro tuto závislost je vhodná mocninová funkce (v daném případě T k = 18,943q -0,3823 s velmi těsným koeficientem korelace R 2 = 0,996). Graf (a) vyjadřuje nárůst počtu úseků (resp. celkových délek), v nichž došlo k zahlcení profilu, případně kde dochází k tlakovému proudění. Svislicemi jsou zvýrazněny výpočtové drenážní přítoky q zat =0,001 a 0,003 l.s -1.m -1 (viz text výše). N [-] 180 1, , , , ,0 80 0,8 60 0,6 40 Počet N 0,4 20 Délka L[km] 0,2 0 0, q spec. [l/s/ha] L [km] Tk [min.] 0 1,6 4 1, ,2 30 1,0 2 Tk [min] 0,8 20 v prům. [m/s] 0, ,4 0,2 0 0, q spec. [l/s/ha] v prům. [m/s] Obr. 7 Závislost počtu a délek zatopených úseků při daném výpočtovém zatížení přítokem do drenáže (a); závislost doby koncentrace a průměrných průřezových rychlostí (b) Při hodnocení hydraulických poměrů za průtoků, odpovídajících průtoku návrhovému, by mělo být zpětně posuzováno splnění kritérií, stanovených v ČSN , metodikách apod. pro maximální přípustné průřezové rychlosti. Ve stručnosti lze charakterizovat doporučené mezní hodnoty takto: v MAX - pro trubky z pálené hlíny 1, m.s -1, - pro trubky z plastů 2,0 m.s -1, v MIN - pro půdy těžké 0,20 m.s -1, - pro půdy lehké a pro vyšší obsah Fe 0,30 až 0,3 m.s -1. Uvedené hodnoty by bylo možné aktualizovat s užitím navrženého výpočtového postupu při doplnění o výpočet unášecích rychlostí. Pravděpodobně však zůstanou citované hodnoty v platnosti právě z důvodů jejich ověřenosti praxí, neboť respektují různorodost podmínek výstavby. Pro vybudované stavby je posuzování sklonů podle těchto kritérií již bezpředmětné. 4. Závěr Představený model je součástí komplexního hydrologického modelového systému pro popis tvorby podpovrchového odtoku z odvodněných zemědělských pozemků. Původně byl tento sytém navržen pro analýzu funkce odvodnění za mimořádně vysokých srážek a pro odhad příspěvku odvodnění k průběhu povodňových průtoků. Dosažené výsledky však vytvářejí předpoklad pro uplatnění téhož systému při hodnocení průtoku za běžných situací, resp. při odvození hydrogramů drenážního odtoku v časových řadách (reálných či syntetických) a pro následné zpracování. Pro zvýšení věrohodnosti výpočtu za tlakových podmínek proudění vody v potrubí se uvažuje se zdokonalením příslušného výpočtového modulu. Pokud by byl výpočet rozšířen o řešení nerovnoměrného proudění, bude umožněno řešení hydraulických podmínek při regulaci odtoku v drenážní síti (vzdouvací objekty apod.). Využití prostředí GIS pro realizaci hydraulických analýz umožňuje automatizaci pracovních operací, využití řady

13 dalších územních podkladů a řešení v takovém detailu, který v době návrhu drenážních systémů nebyl z důvodů pracnosti reálný. Dodatečný výpočet exponovaných drenážních systémů poskytuje podklad pro objektivní hodnocení jejich funkce, vlivu zanedbání údržby, efektu modernizace či rekonstrukce atd. Poděkování Pracovní postupy prezentované v tomto článku byly navrženy a ověřeny v rámci řešení projektů NAZV EP914 a QC1294 a projektu GA ČR č.103/99/1470. Literatura ČSN Hydromeliorace - Úprava vodního režimu zemědělských půd odvodněním. Český normalizační institut, 1993 Doležal F., Soukup M., Kulhavý Z., Kodešová R. Semikvantitativní odhad příspěvku odvodňovacích systémů na zemědělských půdách v průběhu povodní. Sborník Workshopu 2001 Grantový projekt GAČR č.103/99/1470, str , ČVUT Praha 2001 Doležal F., Kulhavý Z., Soukup M., Kodešová R. - Hydrology of tile drainage runoff. Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans & Atmosphere, Vol. 26, No. 7-8, pp , 2001 Eichler J., Kulhavý Z. - Meliorace a modelování v GIS. Hydrologický model drenážního systému. GeoInfo č.3, ročník Kulhavý Z., Doležal F., Eichler J., Havel M., Soukup M. - Categorisation of land drainage systems in subhumid climate based on their contribution to flood runoff. ICID 1 st Asian Regional Conference and 2 nd International Executive Council Meeting. Seoul, Korea Skaggs, R.W. - DRAINMOD - Simulation model for the performance of drainage, subirrigation and controlled drainage systems. User's Guide, version 4.0. U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, Washington, s s. příloh Šerek M., Šálek J., Mičín J. - Stokování a odvodnění. Vodohospodářské tabulky. FAST VUT, Brno, 1983, 238 s. Yang, X., Zhou, Q., and Melville, M. - An Integrated drainage network analysis. System for agricultural drainage management: Part 1., 2 the system. Agricultural Water Management, 2000, 4(1): Kulhavý Z. a kol. Využití retenčního potenciálu krajiny při snižování povodňových průtoků a návrh opatření na jejich neškodné odvádění. Závěrečná zpráva projektu NAZV ev.č.ep 914, VÚMOP Praha, prosinec 2001 Kolář V., Patočka C., Bém J. - Hydraulika. SNTL Praha 1983

14 Abstract Příspěvek představuje hydraulický model zemědělských drenážních systémů, plně kompatibilní s prostředím GIS. Model počítá ustálené, po úsecích rovnoměrné a konzervativní proudění vody ve větevné drenážní potrubní síti. Jsou uvedeny výsledky, dosažené na vybraných drenážních systémech v povodích Orlice a Sázavy. Hydraulika a topologie jednotlivých sítí může být integrálně charakterizována distribučními funkcemi dob doběhu. Popsaný výpočtový modul je součástí komplexního hydrologického modelovacího systému. Model DRAINET umožňuje dodatečné posouzení existujících drenážních systémů s cílem vymezení rizikových úseků (pro stanovení priorit údržby) a odhadu úlohy těchto systémů při zvládání vlivu extrémních srážkových a odtokových situací DRAINET - a hydraulic model of drainage systems The paper presents a hydraulic model of agricultural drainage systems, fully compatible with the GIS environment. The model computes steady, section-wise uniform and conservative flow of water in a tree-like system of drainage pipes. The hydraulics and topology of individual drainage networks can be characterised in an integral way through distribution functions of travel times to outlet. The results for selected drainage systems in the Orlice and the Sázava river basins are also presented. The computational module described here is a part of a comprehensive hydrological modelling system. The DRAINET model makes it possible to assess the existing drainage systems a posteriori, in order to identify their critical spots (for the purpose of setting up maintenance priorities) and to estimate the role of these systems in the management of extreme precipitation and runoff events.