Vláhový režim odvodněné půdy s regulací drenážního odtoku Soukup Mojmír, Pilná Eva, Maxová Jana a Kulhavý Zbyněk VÚMOP Praha Úvod V České republice bylo odvodněno zhruba 26 % výměry zemědělské půdy. Vzhledem k tomu, že se naše území nachází vesměs v semihumidní oblasti, je třeba na obdělávaných pozemcích odvádět přebytky akumulované zimní vláhy. Snížení hladiny podzemní vody (dále jen HPV) je nutné zvláště v jarním období a ve vlhkých letech, v nichž nadměrná vlhkost půdy spolu s nedostatkem provzdušnění odsouvají termíny jarních agrotechnických operací a redukují tvorbu výnosů zemědělských plodin. Návrh odvodňovací sítě, realizované převážně ve druhé polovině XX. století, odpovídal svou intenzitou odvodnění nárokům v té době převládajících pěstovaných plodin. Návrh hlavních parametrů odvodňovací sítě vycházel z dané klimatické situace a místních hospodářských a hydropedologických podmínek. Některé odvodňovací systémy dokonce překrývají starší systémy, s nimiž jsou propojeny, aby byl zajištěn odtok ze staré trubní sítě. Již před II. světovou válkou došlo k poměrně rozsáhlé výstavbě odvodnění. Výstavba reagovala na chladné intersekulární období 1897 – 1942 současného klimatického optima (Svoboda J., Vašků Z., Cílek V., 2003), které bylo zvláště v letech 1910, 1915,1926 a 1939 až 1941 doprovázeno zvýšenou srážkovou činností a enormními průtoky na Vltavě. V těchto letech se pochopitelně projevily nejvíce i důsledky zamokření pozemků a to ve snížení výnosů hospodářských plodin. Po válce byly vyvinuty nové technologie a výstavba odvodňovacích sítí byla iniciována nejen potřebou pěstovaných plodin, ale také potřebou zpřístupnění pozemků pro mechanizaci a homogenizace a scelování zemědělských pozemků. Z těchto důvodů se postupně také navyšoval podíl povrchového odvodnění na vrub odvodnění podzemního. Jednou ze základních návrhových hodnot systémů byl specifický drenážní odtok, který byl pro naše území použit v rozmezí od 0,33 do 0,65 l.sec. ha -1. Vyšší hodnota byla používána hlavně po válce. Další parametr - rozchod drénů - byl navrhován především dle druhu půd a požadavku plodin na snížení hladiny podzemní vody v určitém čase po srážce. U těžkých půd převládají rozchody drénů 8 – 10 m, u středních půd 12 - 15 m. Lehké půdy byly odvodněny jen v případě trvale zvýšené hladiny podzemní vody. Hloubka uložení svodných drénů se pohybuje vesměs v rozmezí 1,0 - 1,2 m (výjimečně i hlouběji) a sběrné drény jsou uloženy převážně v hloubce 0,7 - 0,9 m. Odvodnění odvádí z půdního profilu jen volně pohyblivou gravitační vodu. Celá řada původních mezofytních až hygrofytních rostlinných druhů tak byla eliminována a na zemědělských pozemcích byly vytvořeny podmínky pro polní plodiny nebo mezoxerofytní travní porosty. Účelem odvodnění zvláště těžších půd nebylo jen odvedení vody, ale provzdušnění půd a rovněž úprava teplotního režimu půd. Výsledkem odvodnění půd je mimo jiné i významné prodloužení vegetační doby. Rozšíření zemědělských ploch, které bylo umožněno odvodněním může být posuzováno jako ekologicky nepříznivé. Nutno však podotknout, že klíčem k řešení otázek ochrany zdrojů není odvodnění jako takové, ale řešení rozměru a struktury zemědělských pozemků, jejich vazeb a situování. Klíčem k řešení krajinného prostoru z hlediska ekologie je důsledná organizace zemědělské výroby, respektující pravidla ochrany krajiny.
1
Cíle regulace a retardace odtoku v krajině Změny vláhových režimů na zemědělských pozemcích je nutno kompenzovat změnou struktury a využívání pozemků, resp. změnou krajinné mozaiky, v jejíž skladbě musí být uplatněny, jak půdoochranné prvky a prvky posilující ekologickou stabilitu území, tak opatření směřující k navýšení retenční schopnosti povodí. Tyto funkce lze podpořit zajištěním regulačních opatření vodohospodářských staveb. Proto při modernizaci a rekonstrukci staveb odvodnění bude úkolem adaptovat tyto systémy tak, aby plnily nejen odvodňovací (derivační) funkci, ale aby umožňovaly také retenci vody (zachycením případného odtoku, při němž nemusí být ještě půda vláhou dosycena, neboť proces dosycení půdy trvá po určitou dobu). Způsoby regulace odtoku jsou známy. Ve vhodných podmínkách se vesměs jedná o vestavbu regulačních a retardačních prvků do odvodňovací sítě, případně o doplnění přídatných větví ke zdržení vody a posílení infiltrace. Zásadní konflikt zemědělské výroby a ochrany přírody (představované produkční funkcí zemědělství na jedné straně a požadavkem na zvýšení biodiverzity a dynamické rovnováhy ekologického systému krajiny na straně druhé) je nutno řešit cestou organizačně-hospodářských úprav krajiny, jejichž cílem bude prolnutí a vzájemného doplnění požadovaných krajinných subsystémů a funkcí zemědělství jako takového (např. KPÚ). V podstatě to znamená soustředit se na výstavbu a realizaci systémových opatření přímo v zemědělsky obhospodařovaných částech povodí (s vyšším podílem opatření aplikovaných v ploše povodí oproti úpravám a výstavbě vodních nádrží na vodních tocích). Vyšší vklady do systémových opatření prováděných v ploše povodí se nakonec projeví snížením nežádoucího povrchového odtoku, který je příčinou jak eroze půdy, tak vysokých kulminačních průtoků za povodní. Řízení odtokového procesu v krajině má mnoho aspektů. Tento příspěvek je zaměřen především na možnost regulace odtoku z odvodňovacích sítí a systémů. Cílem regulace odtoku ze zemědělských odvodněných pozemků je optimalizace vláhového režimu odvodněných půd, zajištění retence (akumulace) vody v odvodněném půdním profilu, regulace v čase a snížení drenážního odtoku. Dalším cílem je optimalizace funkce stávajících systémů s ohledem na ochranu krajiny a její využívání v souladu s požadavkem udržitelnosti zemědělského hospodaření, resp. v souladu s ochranou vodních zdrojů a posílením ekologické stability území. Účinek regulačních opatření se projevuje v prostoru povodí a čase a lze jej vyjadřovat z různých úhlů pohledů. Kromě agronomických a krajinářských hodnocení je třeba vyhodnotit tento účinek z hlediska vodohospodářského, tj. vyjádřením změny odtoku a retence vody jako složek hydrologické bilance povodí, mezipovodí resp. části povodí. Způsoby retardace a regulace odtoku Hospodářské, hydrogeologické, morfologické a půdní podmínky, zemědělské a ekologické požadavky vedly k postupnému vývoji celé řady specifických regulačních opatření (M. Soukup a kol. 2004). K opatřením již v praxi používaným (např. regulační drenáž) tak přibyly nové, které byly v posledních desetiletích výzkumem otestovány. Podmínky návrhu jednotlivých regulačních a retardačních opatření a jejich řešení uvádí nová TNV 75 4221 (MZe, Hydroprojekt CZ a.s., 2004), která rozšiřuje použití principu regulace a retardace odtoku v zemědělsky využívané krajině. Některá z uvedených opatření lze použít i ve sklonu terénu do 5 %. Přehled opatření umožňujících regulaci či retardaci drenážního odtoku: 1. Regulační drenáž - RD.
2
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Retardační plošná drenáž - RPD. Drenáž s regulovaným (ovládaným, řízeným, přerušovaným) odtokem - DŘO. Systém podzemní retardace drenážního odtoku – systém PRO. Regulace odtoku z pramenních jímek - RPJ. Regulace a retardace odtoku v pramenných oblastech - RPO Převod drenážních vod - PDV. Omezení / eliminace funkce drenážního systému.
ad.1. Regulační drenáž – RD. Vodohospodářské řešení této drenáže spočívá v zabezpečení přívodu závlahové vody do podzemní sítě k drenážnímu podmoku. RD spojuje závlahu a odvodnění do jediného celku. Zdroj závlahové vody může být různý a závisí na ekonomických a přírodních podmínkách lokality. V provozu RD jsou rozlišovány tři základní fáze: odvodňovací, závlahová a fáze udržovací (doplňování vody spotřebované evapotranspirací, ztráty průsakem aj.). ad.2. Retardační plošná drenáž – RPD. Je založena na principu plošné regulace úrovně HPV, resp. na zvýšení vtokové výšky do speciálně upravených drénů. V drenážní rýze je instalována U-konstrukce z nepropustného materiálu, která zvyšuje vtokovou výšku po celé délce tohoto odvodňovacího zařízení. V případě rekonstrukce ji lze použít i v kombinaci s dalšími způsoby regulace. Oproti tradiční trubkové drenáži odvádí z půdního prostředí jen nezbytně nutné množství vody a výrazně snižuje drenážní odtok. ad.3. Drenáž s regulovaným (ovládaným, řízeným) odtokem – DŘO. K regulaci drenážního odtoku dochází v regulačních objektech (šachticích) umístěných na svodných drénech. Plošná účinnost regulačních prvků, umístěných v šachticích, je zajištěna zdržením odtoku vody v síti sběrných drénů a jim přilehlého půdního profilu. V Čechách je pro tuto drenáž používáno synonymum: drenáž s regulovaným, ovládaným, řízeným či přerušovaným odtokem. Termín je významově blízký anglosaskému výrazu „controlled drainage“. DŘO je vhodná na pozemky s mírným sklonem do 1 %, aby plocha ovlivněná regulací byla co největší. ad.4. Podzemní retardace drenážního odtoku – PRO. Systém rozšiřuje možnosti drenáže s regulovaným (řízeným) drenážním odtokem. Regulace je zajištěna vložením určitého počtu retardačních prvků do podzemní trubní sítě, v níž je tak na sběrných drénech vytvořena podzemní vodní kaskáda. Podzemní regulační prvky jsou opatřeny hradítkem, umožňujícím vzdutí vody o regulovanou výšku hr. Počet regulačních prvků je závislý na kombinaci sklonu terénu a nivelety drenážního potrubí a pohybuje se v rozmezí od 4 do 12ti prvků na 1 ha. Všechny vkládané vzdouvací prvky jsou podzemní. V lučních porostech lze prvky ovládat táhlem, vyčnívajícím nad povrch půdy. Regulovaná výška hr je volena s ohledem na kulturu resp. na druh pěstovaných plodin. Obvyklá výška regulace pro polní plodiny je 0,25 – 0,35 m a pro trvalé travní porosty 0,40 – 0,45 m. ad.5. Regulace odtoku z pramenních jímek – RPJ. Jedná se o úpravu výšky odtoku u pramenních jímek, která splňuje požadavky a podmínky ochrany vodních zdrojů. Prostřednictvím hradítka umístěného v jímce nebo v její těsné blízkosti je zvedána úroveň hladiny vody až k povrchu půdy. Kolem jímky je navrhováno ochranné pásmo s travními porosty doplněné případně odpovídající vegetací. ad.6. Převod drenážních vod – PDV. Drenážní vody soustředěné ve svodných drénech lze převádět na vhodné lokality k podzemní závlaze podmokem nebo k povrchovému rozlivu vody po pozemcích (přeronu). K převedení vody se používá plné potrubí. Podmínkou návrhu je dostatek vody ve svodném drénu, z něhož je odtok vody odváděn na relativně sušší polohu.
3
Použití PDV není plošné, ale lokální. Z hlediska vodohospodářského má převod význam především jako systém umožňující zpomalení a snížení odtoku vody v povodí. ad.7. Omezení/eliminace funkce drenážního systému. Na základě doporučení odborného posudku o funkci stávajícího drenážního systému lze funkci odvodnění omezit nebo zcela eliminovat. V případě, že pozemek bude nadále zemědělsky využíván, lze doporučit vyřazení pouze lichých nebo sudých sběrných drénů (vyřazení z funkce ob jeden drén). Pokud pozemky jsou vyňaty ze zemědělského půdního fondu lze funkci odvodňovací stavby omezit nebo zcela eliminovat. Omezení či úplná eliminace funkce odvodnění drenážní sítě lze dosáhnout použitím soustavy záslepek, instalovaných na sudých nebo lichých sběrných drénech. Záslepky se vkládají do sběrných drénů ve vzdálenosti 15 – 25 m. Z hlediska funkce jsou záslepky dvojího typu: s úplným zaslepením, se zúžením průtočného profilu. Záslepky nelze použít u svodných drénů. Vodní režim při retardaci drenážního odtoku Na odvodněných pozemcích experimentálního povodí Cerhovického potoka byl proveden test regulačních prvků (hradítek) systému podzemní retardace drenážního odtoku. Test retardace drenážního odtoku byl proveden na dvou drenážních skupinách, na nichž byly sledovány srážky, drenážní odtoky, vlhkost půdy a hladina podzemní vody. Srážky byly měřeny elektronickým srážkoměrem Anemo SR 52B. Srážková data byla zpracována programem Wrain. První test retardace drenážního odtoku probíhal v letech 1994 -1995 na drenážní skupině Š1 na zorněném pozemku pod obcí Cerhovice. Vlhkost půdy při prvním testu byla sledována gravimetricky, odběrem půdních vzorků sondovací tyčí. Při druhém testu (1998 – 2003) byly podrobně monitorovány HPV a vlhkosti půdního profilu v několika svislých vrtech polního modelu. Při druhém testu bylo měření vlhkosti půdy prováděno neutronovou sondou (AmBe) Troxler (obr. 2). Účinek retardace a vodní režim lokalit byl dokumentován průběhem HPV a vlhkosti půdy. Podzemní hradítka byla při testech nastavena na stálou výšku 0,3 m a prvky byly otevřeny jen při odkrytí hradítek při jejich kontrole. Pro kontrolu byl sledován a hodnocen i vodní režim pozemku odvodněného klasickým způsobem tj. plošným odvodněním na representativní drenážní skupině Š7. Výsledky a diskuse Na základě získaných výsledků měření drenážního odtoku a hladiny podzemní vody u klasického odvodnění bez regulace a odvodnění s retardací odtoku byl odvozen vztah těchto dvou veličin. Vztah u klasického odvodnění je zde aproximován polynomem 2. st. Drenážní odtok byl měřen kontinuálně, takže jsou k dispozici jeho denní hodnoty, avšak hladiny podzemní vody byly měřeny jen ve 14 denním intervalu. Z měření vyplývá: o vztah těchto veličin je zde vyjádřen spojnicí polynomu 2. st., resp. rovnicí y = 1,1186x2 – 2,0072x + 0,8317, o hladiny podzemní vody, pokud je odtok nulový, zaklesávají na úroveň 0,6 až 0,8 m, o trvá-li bezodtoký stav déle, zaklesávají HPV až pod úroveň drénů do hloubky 1,2 m, respektive na dno vrtu, o nejvyšší úrovně HPV se vyskytly po extrémní srážce 96,3 mm ze dne 12.8.2002. Z hodnoceného vztahu vyplývá, že drenážní skupina Š7 je v místě sledování HPV zcela funkční a HPV byla snižována podle předpokladu. V době s nulovým odtokem je HPV snižována přirozeným vsakem a filtrací do podložních navětralých vrstev krystalinika,
4
zároveň je vlhkost snižována odčerpáváním evapotranspirací. Na obr. 1 je zobrazen vývoj HPV u drénů při retardaci drenážního odtoku na polním modelu podzemní retardace drenážního odtoku v povodí Cerhovického potoka. Na rozdíl od klasické drenáže existují při režimu s retardací zřejmé rozdíly frekvence a pohybu hladin při retardaci odtoku. Dělící čára vlivu retardace je v hloubce 0,45 – 0,50 m. Nad touto výškou jsou HPV permanentně snižovány odvodněním. Pod úroveň 0,8 m hladiny klesají jen při nedostatku srážek a nedostatečného přítoku z vyšší části systému. V intervalu hladin od 0,45 m do 1,1 m jsou permanentně dosahovány vyšší frekvence u drénů, což znamená, že v retardovaném odvodněném profilu dochází podle očekávání k převrácení tvaru depresní křivky typické např. pro regulační drenáž. Dále byl hodnocen vztah HPV a tří a šestidenních předchozích srážek ve vegetačním a mimovegetačním (zimním) období. V době mimovegetační je pro třídenní předchozí srážky hlavní hustota bodového pole hladin vyšší zhruba o 0,3 m. Na polním modelu byla současně monitorována vlhkost půdy. Na obr. 2. je vlhkost půdy (v % obj.) graficky vyjádřena pro čtyři hloubky u drénu za období 14.10.1998 – 6.11. 2002. I když se roční cyklus opakuje jsou patrny rozdíly v jednotlivých letech např. v roce 2002 je značný pokles vlhkosti v hloubce 0,2 - 0,5 m způsobený dvouměsíčním suchem. Hlavní změnou při použití regulačních opatření oproti klasickému odvodnění je „návrat“ vodního režimu směrem k režimu lokality před odvodněním. U systémů s regulací je prostřednictvím HPV řízen vodno-vzdušný režim a jsou ovlivněny hydrologické procesy a některé fyzikální vlastnosti půd: -
hydropedologické, zvláště procesy oxidační a redukční hydrologické tj. odtok, perkolace, filtrace, retence, kapilarita, aj.
Doba působení je důležitý aspekt regulace, který klade nárok na řízení hydrologických a hydropedologických procesů s ohledem na plodinu a ochranu základních zdrojů. Závěr V článku jsou presentovány možnosti a způsoby regulace a retardace drenážního odtoku v odvodněném povodí. Dále jsou uvedeny výsledky regulace drenážního odtoku provedené v polních podmínkách na odvodněných pozemcích v povodí Cerhovického potoka. Retardace drenážního odtoku eliminuje jednostrannou funkci odvodnění a vyrovnává odtok vody z povodí. Při aplikaci principu retardace drenážního odtoku je optimalizován vodní režim pro pěstování zemědělských plodin a je snižováno napětí mezi zemědělskou výrobou a ochrannými funkcemi krajiny. Retardace odtoku je zajišťována formou modernizace, rekonstrukce či revitalizace odvodňovacích systémů s ohledem na změny, které nastaly v zemědělském užívání pozemků. Účinek retardace odtoku se projevuje snížením objemu drenážního odtoku. Jsou snižovány kulminace průtoků, je opožděn počátek odtoku a časově jsou posouvána odtoková maxima. Tyto změny se promítají ve tvaru hydrogramu drenážního odtoku. V zimním a jarním období se retardace projevuje více než ve vegetačním období. Ve vegetačním období je voda permanentně odčerpávána evapotranspirací. Retardace odtoku zlepšuje hospodaření s vodou na odvodněných zemědělských pozemcích. Poděkování Příspěvek byl vypracován v rámci řešení VE 10 VZ M-07-09-01-VÚMOP Praha. Autoři děkují p. P. Hospodkovi za dlouhodobé měření klimatických a hydrologických dat v tomto povodí.
5
Použitá literatura: Janeček M. a kol.: Komplexní řešení problémů hospodaření s půdou, vodou a krajinou. Závěrečná zpráva výzkumného záměru. VÚMOP Praha, březen 2004. Soukup M., Kulhavý Z., Kuráž V., Maxová J. a Vopravil J.: Doporučené postupy hodnocení vlivu melioračních opatření na půdní a hydrologické režimy a hodnocení hydrofyzikálních vlastností vybraných půdních představitelů. Uživatelský výstup VE 10 záměru M07 – 99 – 01, VÚMOP Praha, prosinec 2003 , 42 str. + přílohy. Soukup M.: Rozsah a funkce odvodňovacích systémů v experimentálních povodích VÚMOP Praha. Sborník workshopu Nové Hrady, 2001 Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku. Editor F. Doležal, VÚMOP Praha, 2002 str. 23 – 36. Svoboda J., Vašků Z., Cílek V.: Velká kniha o klimatu zemí koruny české. Regia, 2003. TNV 75 4221 Regulace a retardace odtoku na zemědělských pozemcích odvodněných trubkovou drenáží. MZe ČR a Hydroprojekt CZ a.s., Praha, 2004. Adresa autorů: Ing. Mojmír Soukup CSc, Ing. Eva Pilná, Ing. Jana Maxová, Ing. Zbyněk Kulhavý CSc., VÚMOP Praha , Žabovřeská 250, 156 27 Praha 5, Kontakt: e-mail:
[email protected] Přílohy: Obr. 1. Vývoj HPV při retardaci drenážního odtoku na polním modelu podzemní retardace drenážního odtoku v Cerhovicích za období 14.10.1998 – 29.10.2003. Obr. 2. Vývoj vlhkosti půdy odvodněného profilu při retardaci drenážního odtoku za období 14.10.1998 – 6.11. 2002.
6
