Rožnovský, J., Litschmann, T. Středová, H., Středa, T. (eds): Voda, půda a rostliny Křtiny, , ISBN

Transkript

1 Měření hydropedologických charakteristik pro určení účinnosti modernizace drenáží Hydropedological characteristics measurement for determination of field drainage modernization effectiveness Igor Pelíšek, Zbyněk Kulhavý, Milan Čmelík Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i. VÚMOP, v.v.i., pracoviště v Pardubicích, B.Němcové 231, Pardubice Abstrakt Příspěvek shrnuje výsledky terénních měření vybraných hydropedologických charakteristik zemědělských půd za použití přístrojového vybavení, vyvíjeného na VÚMOP, v.v.i. (infiltrometry a permeametry). Měření jsou podkladem pro kvantifikaci účinnosti řízené (dvojfunkční) drenáže, v některých případech vhodné jako alternativa vyžadovaných oprav či pro dílčí eliminaci negativních funkcí stávajícího systému drenážního odvodnění. Měření byla realizována na experimentální zemědělské ploše v povodí Kotelského potoka (okr. Chrudim). Celkově bylo za období roku 2012 získáno přes 80 záznamů průběhu infiltrace povrchovou výtopou a přes 30 záznamů měření metodou plněné sondy. Klíčová slova: hydropedologické podklady; retardace drenážního odtoku; infiltrační zkoušky; hydraulická vodivost půd Abstract This paper summarizes results of field measurements of selected hydropedological characteristics of agricultural soils, using equipment (infiltrometers and permeameters) developed at the VÚMOP, v.v.i.. Measurements are the basis for quantifying the effectiveness of the controlled drainage, in some cases be an appropriate alternative for required repairs or partial elimination of negative features of existing drainage systems. Measurements were carried out on an experimental field in the catchment area of the Kotelský Brook (Chrudim District). More than 80 records of surface ponding infiltration method and over 30 shallowwell pump-in-method records were obtained for the 2012 period. Keywords: hydropedological data; drainage runoff retardation; controlled drainage; infiltration tests; soil s hydraulic conductivity

2 Úvod Návrhy modernizací zemědělských drenážních systémů (dále jen DS) předpokládají vypořádání se s otázkami ovlivnění dynamiky a kvantity půdní vody. Aktuální požadavky na modernizaci vycházejí z koncepčních požadavků zemědělské praxe. Koncepční začlenění v příspěvku popsaných hydropedologických měření zachycuje schéma na Obr. 1. Konkrétní technická opatření na drenážích řeší příslušné technické normy, aktualizované podle technických možností v oboru (např. TNV , 2004). V příspěvku popsané hydropedologické analýzy slouží jako podklad pro kvantifikaci účinků dvoufunkční (řízené) drenáže, především drenáže s regulovaným odtokem (DRO) a případně dalších opatření. Kvantifikaci účinků pro různě zvolená nastavení regulačních prvků DRO lze vyjádřit pomocí výsledků polních hydrofyzikálních experimentů a doplňkových laboratorních testů. Při variantním teoretickém řešení lze použít srovnání výsledků dle webové aplikace drenážního kalkulátoru (kolektiv, 2010; dále případně jen DK). Při realizaci experimentálních zásahů na drenážním systému je třeba mít na zřeteli, kromě testování parametrů vláhového zabezpečení a nalepšení podzemního odtoku do vodních toků, také možné vyčerpání retenční kapacity půdních pórů při zadržování velkého množství vody v půdním profilu. Související rizika jsou popsána např. v metodikách zpracovaných VÚMOP v.v.i. pro MŽP ČR (kolektiv, 2013). Pro orientaci je uveden stručný popis experimentální zemědělské plochy v k.ú. Pokřikov (dále jen ExP Pokřikov), jedné z řady experimentálních ploch VÚMOP, v.v.i. Nachází se v okrese Chrudim, v povodí Kotelského potoka, v nadm. výšce 500 až 510 m n.m. Zájem projektu je soustředěn na plochu o velikosti 2,3 ha, odvodněnou systematickou trubkovou drenáží, uloženou v hloubce 0,8 až 1,1 m. Plochu pokrývají agrikosoly na původně dystrických a oglejených kambizemích, vyvinutých na fylitických břidlicích a fluviálních písčitých hlínách a štěrcích. Mocnost půd se pohybuje od 0,7 m na svazích do 1,1 m v údolnici, obsah skeletu byl ověřen fyzikálními rozbory, do hloubky 30 cm činí 8 %, v hloubce 70 cm 22 % hmotnosti suchého vzorku půdy. Na ploše je pěstována pšenice nebo vojtěška, plocha je v obvyklých agronomických lhůtách sečena a orána. Povrch půdy bývá po aplikaci hnojiv pokryt krustou.

3 Obr. 1. Koncepční začlenění měření hydropedologických charakteristik pro účely modernizace zemědělských drenážních systémů Materiál a metody Pro výše definované účely (Obr. 1.) byly stanovovány, z obvyklých charakteristik, nasycená hydraulická vodivost půd (K), momentální vlhkost půdy (θ) a pórovitost (p). Cílem bylo jednak stanovení hodnot a rozptylu hodnot klíčových parametrů, jednak objasnění dynamiky procesů, které mohou tyto parametry ovlivňovat. Ačkoli objasnění souvisejících procesů není standardní součástí projektových návrhů DRO, v případě podrobné analýzy v rámci experimentální plochy je cílem přesnější argumentace a podpora výpočtů, účelně zjednodušených pro praxi. Terénní měření probíhala za účelem optimálního datového pokrytí ExP Pokřikov. Sestava 3 infiltrometrů a 2 permeametrů s automatickým záznamem (Obr. 2) umožňuje opakovaná a dlouhodobá měření infiltrace povrchovou výtopou i metodou plněné sondy. Grafy na Obr. 3. uvádějí přehled experimentálních opakování ve všech bodech měření, celkově se jedná o 58 různých bodů měření v 13 termínech od dubna do listopadu Laboratorně byla stanovena momentální vlhkost a nasycená hydraulická vodivost, na základě odebraných (standardních) neporušených vzorků o objemu 100 cm 3 v blízkosti infiltračních bodů, z hloubky 2 7 cm. Pro výpočty hodnot parametrů jsou použity vlastní nastavené výpočetní formuláře v.xls souborech s variantami optimálního výpočtu. Přehled použitých rovnic je v Tab. 1. Analýzy průběhu křivek zahrnovaly mj. oddělení fází průběhu křivek pro další interpretaci. Výsledky jsou zpracovány v.xls souborech (vlastní nastavené výpočetní formuláře) s přehledy směrnic

4 Rožnovský, J., Litschmann, T. Středová, H., Středa, T. (eds): Voda, půda a rostliny lineárních regresí. Pro ověření míry ovlivnění hodnot infiltrace a propustnosti půd byly pro tyto parametry provedeny korelace s indexem předchozích srážek (IPS30) a vlhkostí půdy (q). Obr. 2. Terénní přístrojová sestava 3 infiltrometrů pro měření infiltrace povrchovou výtopou, 2 permeametrů pro měření metodou plněné sondy a 1 kontrolní nádoby. Nepřesnosti měření lze eliminovat nepřímým odvozením hodnot parametrů dalšími metodami, např. podtlakovou zkouškou infiltrace pro získání hodnot parametrů půdní matrix, prokázáním aktuální přítomnosti makropórů a aktivity edafonu, zejména žížal, v bodě měření (řešeno přiřazením atributu v prostředí GIS) a doplněním charakteristik zaznamenaných makropórů (průměr a četnost). U hodnot získaných pro drenážní kalkulátor se vychází z předpokladu, že pro dílčí časová období lze vždy 1 až n faktorů považovat za stálé nebo konstantní (půdní druh, pozice měrného bodu vůči drénu; plodiny, kultivace; teplota vzduchu) a 1 až m faktorů za proměnlivé (pro případ ExP Pokřikov se jedná především o vlhkost půdy a aktivitu edafonu).

5 Obr. 3. Přehled dob měření infiltrometry (nahoře) a permeametry na experimentální lokalitě Pokřikov Tab. 1. Rovnice použité pro výpočty nasycené hydraulické vodivosti půdy veličina autor rovnice vysvětlení členů rovnice nasycená hydraulická vodivost půdy (pro měření infiltrometry) 2-parametrická rovnice PHILIP (1969) 3-parametrická rovnice PHILIP (1969) v(t) = A + 0,5.S.t -0.5 K = (C1.C3) 0,5 + C2 v(t) = 0,5.C1.t C2 + 1,5.C3.t 0,5 v = rychlost (nebo i = intenzita) infiltrace; A = součinitel dlouhodobé infiltrace (jako parametr aproximační funkce), v opodstatněných případech lze považovat za K; S = sorptivita (jako parametr aproximační funkce); t = časový interval; Ks = nasycená hydraulická vodivost; C1 = sorptivita; C2, C3 = vyrovnávací parametry; t = časový interval hydraulická vodivost půdy (pro měření permeametry) součinitel hydraulické vodivosti (metoda plněné sondy) ZHANG (1998) LUTHIN (1966, U.S. Bureau of Reclamation, in: NĚMEC, 1979) K s = (C.A.dH/dT) / / (2πH 2 + πr 2 C + 2π H/α) [m.s -1 ] Ks = nasycená hydraulická vodivost; C = tvarový koeficient (dle ZHANG et al., 1998); A = průřezová plocha zásobní nádoby; dh/dt = ustálený pokles hladiny v zásobní nádobě; H = výška konstantní hladiny ve vrtané sondě; r = poloměr vrtané sondy; α = parametr charakterizující půdní strukturu. Pro další analýzy bylo nutné vypořádat se, alespoň rámcově na úrovni orientačních výpočtů, hypotéz a rešerší, s problematikou nehomogenity půdního prostředí, související s půdní

6 matrix, horizonty promísenými orbou a pravidelností výsevu plodin. Obdobně jsou řešeny preferenční cesty (biogenní a abiotického původu) a biotické vlivy (zejm. zoosložka edafonu) jako specifická úroveň velmi malé hydrografické sítě, zčásti vázané na rostlinný pokryv. Kromě standardních měření propustnosti půd proto byly okrajově testovány i hypotézy vlivu proměnlivé činnosti edafonu při dlouhodobém měření. Variabilita makropórů na lokalitě byla ověřena orientační statistikou dle ohledání v terénu a fotodokumentace (zarážecí válce, přiléhající objem pedonů a volná plocha půdy). Navazovalo odlišení výsledků měření. Metodicky se postup odvíjel dle požadavku na zjištění infiltrační schopnosti půd, s případným odlišením influkčních procesů. Zaznamenané jsou typové situace při měření: a) 1 bod měření, bez dolití nádrže infiltrometru a beze změn hodnoty K, b) 1 bod měření, vícenásobné dolití nádrže infiltrometru a výsledné hodnoty K ve stejné nebo rozdílné kategorii vždy pro jedno dolití, c) 1 bod měření, bez dolití nádrže infiltrometru a změna hodnoty K v průběhu vyprazdňování jednoho objemu nádrže, d) 1 bod měření, vícenásobné dolití nádrže a výsledné hodn. K se liší v rámci každého dolití, e) více bodů měření. Další postup rozdělení záznamů z měření probíhal za účelem interpretace zjištěných ustálených hodnot K z opakovaných měření v jednom bodě a interpretace změn průběhů infiltračních rychlostí. Závěrečným krokem je ověření hypotéz pomocí drenážního kalkulátoru (kol., 2010) a popis variability výsledků drenážního kalkulátoru. Předpokladem je obměna hodnot zadávaných parametrů do výpočtů, zejména nasycené hydraulické vodivosti K (min; max) [m.den -1 ], v 2. úrovni půdní matrix a [%] skeletu, zastoupení makropórů a preferenčních cest, ovlivnění influkce. Hloubka regulované hladiny podpovrchové vody (H reg ) je pro všechny výpočty stejná. Nepřesnosti, způsobené v detailu malé experimentální plochy různým stavem drénů, jsou zahrnuty v parametrech rovnic DK. Výsledky Zpracovány byly všechny záznamy z měření infiltrometry verze 2 (z celkových 42 bodů měření získáno 95 záznamů, z toho pro analýzy K ověřeno 64 záznamů a jako influkcí

7 ovlivněné hodnoty 31 záznamů) a z měření permeametry verze 1 a 2 (17 bodů měření, 39 záznamů). Tyto údaje jsou zaneseny do GIS databáze. Obecnou charakteristiku propustnosti půd na experimentální ploše shrnují Tab. 2 a graf na Obr. 4. Ověřen byl málo těsný vztah hodnot laboratorně stanovené objemové vlhkosti půdy a indexu předchozích srážek (IPS 30 ), tuto korelaci reprezentuje graf na Obr.8. Tato skutečnost je zřejmě dána ovlivněním vsaku dešťových srážek zatemovaným povrchem půdy po aplikaci hnojiv. Tab. 2. Variabilita hodnot nasycené hydraulické vodivosti na experimentální ploše a přehled hodnot K v závislosti na hloubce měření; hodnoty po vyřazení výsledků ovlivněných influkcí. Pro definici počáteční rychlosti sycení půdy vodou (zahrnuje sorptivitu a počátek ustalování infiltrace) je provedeno samostatné vyhodnocení začátků měření (viz graf pro měření infiltrometry na Obr. 5.). Všechny na Obr. 5 použité řady hodnot infiltrací jsou záznamem z 1. měření v daném bodě. Pro infiltrometry je převzata řada hodnot za počátečních 20 min s 20 sec intervalem. Pro permeametry je převzata datová řada s výběrem po 5 min intervalech. Lineární regrese za počáteční interval 5 min u infiltrometrů (příp. za celkovou dobu ustáleného odtoku 1. měření u permeametrů) je zvolena jako vhodnější ukazatel počáteční intenzity infiltrace vody, neboť logika výpočtu logaritmickou funkcí nebo víceparametrickou rovnicí může deformovat reálný průběh hodnot (tendence vyrovnávat průběh funkce a skrývat indicie detailních procesů v půdním profilu).

8 Obr. 4. Přehled hodnot K podle hloubky měření v lokalitě Pokřikov

9 Obr. 5. Přehled trendů počátečních infiltračních rychlostí pro měření infiltrometry (interval 0 až 5 min, vlevo) a permeametry (interval 0 až 5 hod, vpravo) na ExP Pokřikov. Zachycena jsou všechna měření, včetně měření výrazně ovlivněných makropóry (vzestupné přerušované křivky), které lze považovat za hodnoty rychlostí influkce.

10 Obr. 6. Příklad variability infiltračních rychlostí během dlouhodobých opakovaných měření v jednom bodě. Přehled trendů s lineárními směrnicemi jednotlivých měření 3 infiltrometry na ExP Pokřikov, dne ; pozn.: 3 infiltrometry odpovídají 3 bodům měření A, B, C. Obr. 7. Průběh parametru IPS 30 (indexu předchozích srážek) pro ExP Pokřikov s vyznačenými termíny odběru vzorků a měření parametrů půd. V případech minimálně ovlivněných influkcí nebo v případech zborcení preferenční cesty bez aktuálního oživení má infiltrační rychlost tendenci blížit se limitě funkce (viz graf na Obr. 6.). V případech změn infiltrační rychlosti, v rámci jednoho dolití zásobní nádoby, po každé změně průběhu následovalo s různě dlouhým časovým odstupem ustálení infiltrační rychlosti na nové hodnotě. Pro interpretaci změn je vodítkem přítomnost jedinců žížal na povrchu půdy v zarážecím prstenci nebo v objemu zeminy bezprostředně v okolí měřícího bodu. Výsledky vyhodnocení výše definovaných změn zachycuje Tab. 4. Celkově bylo prokazatelně přítomností zoogenních hydropedatod od průměru 3 mm ovlivněno 26 % měření, přičemž relativně náhlé navýšení infiltrační rychlosti převažovalo (23 %). Zaznamenán je také opačný, méně častý trend snížení infiltrační rychlosti (4 %). Tento poměr je však ovlivněn metodikou

11 měření, kdy pro extrémně vysoké hodnoty počátečních rychlostí po relativně dlouhou dobu (řádově x.10 min) byly makropóry považovány za stabilní v daných podmínkách, a tato měření byla ukončena. Obr. 8. Nízká hodnota korelace mezi hodnotami vlhkosti půdy a indexu předchozích srážek na ExP Pokřikov. Tab. 3. Přehled opakovaných měření za účelem zjištění influkčního ovlivnění hodnot nasycené hydraulické vodivosti na experimentální ploše. pořadové č. měření celkem záznamů počet záznamů z infiltrometrů počet záznamů z permeametrů Ve vazbě na modernizaci drenáží je klíčové zjištění variability výsledků při vložení dat do drenážního kalkulátoru (kol., 2010). Variabilitu výsledných rozchodů drenáže na základě zadávaných hodnot nasycené hydraulické vodivosti K zachycuje Tab.5. Modelově byly zahrnuty také extrémní minimální a maximální hodnoty K, přestože vykazují malou četnost. Z výsledků je patrné, že pro experimentální plochu Pokřikov, kde rozchody trubkových drénů dle projektu činí 8 až 10 m, je za stávajících podmínek (viz hodnoty K podle hloubky měření, Obr. 4.) a modelového ustáleného přítoku v plošné převaze dostatečná rezerva půdního prostředí pro nalepšování vláhových poměrů regulací drenážního odtoku z dešťových srážek.

12 Tab. 4. Přehled míry influkčního ovlivnění hodnot nasycené hydraulické vodivosti. průměrný koeficient influkcí ovlivněného navýšení hodnoty K 7,6 maximální koeficient influkcí ovlivněného navýšení hodnoty K 73,4 průměrný koeficient prudkého snížení hodnoty K 0,6 minimální koeficient prudkého snížení hodnoty K 0,1 maximální hodnota influkcí ovlivněné hodnoty K [cm.hod -1 ] (dle 2-parametrické rovnice dle Philipa) maximální hodnota influkcí ovlivněné hodnoty K [cm.hod -1 ] (dle 3-parametrické rovnice dle Philipa) 136,0 142,0 Tab. 5. Variabilita výsledků rozchodu trubkové drenáže na základě variability hodnot nasycené hydraulické vodivosti na experimentální ploše. Diskuse V případě změny časové distribuce srážek může být, vzhledem k variabilitě hodnot hydraulické nasycené vodivosti K, ovlivněno množství vody akumulované v půdním profilu. Kromě standardních měření propustnosti půd byly okrajově testovány i hypotézy vlivu proměnlivé činnosti edafonu při dlouhodobém měření. Zjištěny jsou nové souvislosti, které byly rešeršně prověřovány. Část otázek dynamiky přirozené tvorby a zániku chodeb edafonu a

13 trvalosti typu chodeb podle typu půdního prostředí není v dostupné odborné literatuře doposud dořešena. Zcela hypoteticky lze vycházet z kombinace: 1. pro velikostní kategorie makropórů určujících druhů edafonu, 2. dynamiky chodeb edafonu, 3. rozdílné atraktivity prostředí o různé vlhkosti, 4. limitujících faktorů výskytu edafonu (teplota, chemismus, půdní druh, predace). V úvahu přicházejí varianty aktivace makropórů pohybem anektických druhů pouze vertikálním pohybem, horizontálním stažením jedinců z blízkého okolí, přesunem edafonu opačným směrem (od zóny zvlhčení) z důvodu nevyhovujícího zvýšení vlhkosti a samovolným uvolněním a borcením stěn makropórů. V rovině spekulativní hypotézy lze uvažovat, z hlediska proměnlivé aktivity edafonu, proměnlivý dočasný prostor (vrstvu půdy), který se projeví odlišným průběhem vsaku vody jen za určitých podmínek (intenzity srážky, vlhkosti a zrnitostního složení půdy). Závěr Na experimentální ploše Pokřikov je prokázána výrazná variabilita hodnot nasycené hydraulické vodivosti K, která je dána přirozenými procesy diferenciace půdního prostředí a ve výsledném návrhu technických prvků regulačních opatření na drenáži ovlivňuje jejich zvolené technické parametry. Na experimentální ploše Pokřikov, Za kněžourem se projevuje dominantní vliv drenáže a dlouhodobého zemědělského obdělávání půd na vodní režim půd. Výsledkem je stav homogenizace parametrů matrix půdních horizontů A a B. Relativní homogenita prostředí byla prověřena analýzou odebraných porušených půdních vzorků a rámcovou analýzou výskytu makropórů. Zároveň se projevuje variabilita hodnot infiltrace vody, neboť edafon, zejména žížaly a drobní savci, vytvářejí v půdě zčásti stabilní a zčásti proměnlivou síť chodeb. Opakovaná měření infiltrací a permeability nepřímo ukazují na změnu dalších parametrů dlouhodobě testovaného (promývaného) prostředí: a) u permeametrů trend snižování hodnoty hydraulické vodivosti K při opakovaných dolitích zásobní nádoby a spuštění zkoušky v jednom vrtu, b) u infiltrometrů je obdobně zaznamenán trend snižování aproximované hodnoty K.

14 Použité zkratky DK = drenážní kalkulátor; DRO = drenáž s regulovaným odtokem; DS = drenážní systém; ExP = experimentální plocha; IPS 30 = index předchozích srážek; ostatní uvedeny v Tab. 1. Literatura kolektiv (2010): Drenážní kalkulátor. Výsledek VZ ČZU Praha a VÚMOP v.v.i. Aplikace dostupná na webových stránkách: kolektiv (2013): Pracovní postupy eliminace negativních funkcí odvodňovacích zařízení v krajině. Metodická příručka pro žadatele OPŽP. MŽP, VÚMOP, v.v.i., 28s.+79s., ISBN ( KUTÍLEK, M., KURÁŽ, V., CÍSLEROVÁ, M. (2000): Hydropedologie 10. Praha: ČVUT. NĚMEC, J. (1979): Polní metoda stanovení hydraulické vodivosti půdy za nepřítomnosti hladiny podzemní vody. Vodohospodářský časopis, 27 (3): NOVÁK, V., ŠOLTÉSZ, A. (1984): Infiltrácia vody do pôdy s puklinami. Vodohospodársky časopis, (32): PHILIP, J. R., (1969): Theory of infiltration. In: CHOW, V. T. (ed.) (1969): Advances in Hydroscience, Vol. 5. New York : Academic Press. s RITZEMA, H. P. (ed.) (1994): Drainage Principles and Applications. ILRI s. ŠTIBINGER, J., KULHAVÝ, Z. (2010): Úpravy vodního režimu půd odvodněním. Praha: ČZU, Česká zemědělská univerzita v Praze, VÚMOP v.v.i., Výzkumný ústav meliorací a ochrany půd. 110 s. TNV (2004): Regulace a retardace odtoku na zemědělských pozemcích odvodněných trubkovou drenáží. 44 s. VAŠKŮ, Z. (2003): Sozologické interakce niv s okolní krajinou. In: SÁŇKA, M., KULHAVÝ, J. (eds.) (2003): Pedologické dny Ochrana a využití půdy v nivních oblastech. MZLU v Brně, ČPS, Česká pedologická společnost, MŽP ČR. s ZEITHAML, J. (2007): Společenstva žížal (Lumbricidae) v ekotonu pole les a jejich vliv na retenční potenciál půdy. Autoreferát disertační práce. Praha: FŽP ČZU. 28 s. ZHANG, Z. F., GROENEVELT, P. H., PARKIN, G. W. (1998): The well shape-factor for the measurement of soil hydraulic properties using the Guelph permeameter. Soil Tillage Resources, 49 : webové stránky

15 Poděkování Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu Národní agentury pro zemědělský výzkum (NAZV), evid.č. QJ Posílení infiltračních procesů regulací odtoku vod z malých povodí. Poděkování patří také Ing. Veronice Matouškové za laboratorní zpracování půdních vzorků. Kontakt: Igor Pelíšek, Mgr. Ph.D. a Zbyněk Kulhavý, doc. Ing. CSc. Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i Praha 5 Zbraslav, Žabovřeská 250 pracoviště Pardubice, B. Němcové , pelisek.igor@vumop.cz, kulhavy@hydromeliorace.cz