IDENTIFIKACE DRENÁŽNÍCH SYSTÉMŮ A VYMEZENÍ VAZEB NA VODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ KRAJINY
Zbyněk Kulhavý, Milan Čmelík
Abstrakt Polohová identifikace povrchových a zejména podpovrchových objektů drenážního odvodnění je významná nejen pro údržbu, ale i při projektování a realizaci nové stavební činnosti v území, kde se tyto systémy nacházejí. V takových místech je třeba drenážní systém polohově vytyčit a to i v případech, kdy neexistuje žádná projektová dokumentace, respektive dokumentace neodpovídá stavu skutečného provedení. Technikami GIS jsou tyto systémy plošně identifikovány a následně v terénu vytyčeny. Bylo ověřeno využití ortorektifikovaných leteckých snímků, terénních měření a překládání geografických vrstev přes mapové podklady tak, aby výsledek vyhověl s odpovídající přesností. Použité metody minimalizují náklady na průzkum a zemní práce a podporují respektování drenážních systémů v nových podmínkách využívání krajiny.
Abstract Positional identification of surface and especially undersurface objects of the drainage is significant among others at the projection and realization of new construction activities in the territory where are these systems situated. The drainage system must be positional mark out in such cases and also in the cases when there is no project documentation, or the documentation do not reply to state of real accomplishment. These systems are areal identified and they are sequentially demarcate trough the GIS technologies. The utilization of ortorectific air photographs, terrain observation and overlays of geographical measures over charted data was verify in so far that drains would be identify with sufficient accuracy. These works minimalize the spending on the survey and earthworks and they make possible respecting the trench systems in new conditions of land use.
Úvod Drenážní systémy na zemědělských půdách byly budovány zpravidla do roku 1990. Jak ukazuje praxe, životnost těchto staveb je značně rozdílná. Závisí na přírodních podmínkách, způsobu provedení, materiálu potrubí i na rozsahu údržby. Setkáváme se s funkčními systémy z počátku 20.století, avšak největší rozvoj výstavby v našich podmínkách náleží do období let 1960-1990
1
(viz Obr.1, který reprezentuje území o rozloze cca 2 tis. km2, ale platí obecně pro ČR) a tyto
7 6 5 4 3 2 1 1991-00
1981-90
1971-80
1961-70
1951-60
1946-50
1939-45
1919-38
0 do r.1918
Plocha dokončeného odvodnění [tis. ha]
systémy v převážné míře plní nadále svou hydrologickou funkci v povodí.
Období let
Obr.1
Plocha dokončeného plošného odvodnění (tis. ha) v povodí Orlice podle etap výstavby
Důvodem k identifikaci starších podpovrchových systémů je vedle plánovaných stavebních činností v blízkosti či napříč stavbou i potřeba provádět opravy či rekonstrukce. Běžné jsou případy, kdy se mění využití pozemku a kdy intenzita odvodnění nevyhovuje těmto novým podmínkám (převod role na louky či les) a uvažuje se s jejím snížením technickými opatřeními. U systematického plošného odvodnění je určující vymezení odvodňované plochy. Tyto orientační údaje (v měřítku 1:10 000 resp. 1:5 000) poskytuje informační systém ZVHS. Obtížná je polohová identifikace odvodnění sporadickou drenáží a odvodnění v případech, kdy provedení stavby není identické s projektovou dokumentací či kde kolaudační paré projektu schází. Technické možnosti identifikace podzemní drenážní sítě na zemědělských pozemcích pro účely rekonstrukcí analyzovala Svobodová (1990). Vzhledem k tomu, že technologické možnosti se významně změnily, je jako jedna ze součástí nově řešeného projektu QF3095 (Racionalizace využívání, údržby a oprav odvodňovacích staveb; 2003-2006) v rámci Národního programu výzkumu (TPD3-DP6) řešena i otázka využití dostupných metod pro identifikaci odvodňovacích systémů. Z dosavadních výsledků se jeví jako velmi perspektivní využití dálkového průzkumu Země (DPZ) pro lokalizaci nejen povrchových objektů, ale i pro systémy liniové, podpovrchové.
2
Distanční metody pro identifikaci drenáží Tuto kategorii metod rozdělujeme na nadzemní (letecké a družicové fotosnímkování, radiolokace a termovize) a pozemní (vyhledávací nedestruktivní a destruktivní metody). Současná rozlišovací úroveň dostupných družicových snímků není pro identifikaci drenáží vhodná, využití metod DPZ je proto orientováno na uplatnění leteckých snímků. Pravděpodobně perspektivní bude právě využití družicových leteckých snímků, pokud měřítko originálu snímku bude v rozmezí 1:5 000 až 1:15 000, resp. v digitálním zpracování bude rozlišení podkladu lepší než 20cm/pixel. V takovém případě bude opodstatněné uplatnit dále popisované metody využití leteckých snímků i na snímky družicové. Metody nadzemní obecně umožňují identifikovat celý drenážní systém, tj. vyhodnocují plošně rozsáhlejší území na rozdíl od metod pozemních, které jsou vhodné pro identifikaci jednoho či několika podzemních potrubí nebo jen omezeného rozsahu drenážní skupiny. Metody pozemní vychází převážně ze zkušeností, získaných při identifikaci kanalizačních sítí či podzemních kabelů. Pro nově budované systémy lze zvažovat náměty, podle nichž je vhodné k drénu zabudovávat elektrický vodič, nebo přidávat magnetický minerál do konstrukčního materiálu apod. Zvyšují se tím náklady na výstavbu, přínosem je úspora při následném vyhledání (významné je u sporadické drenáže). Alternativou je přesné zaměření trasy potrubí a důsledná archivace těchto podkladů.
Pro identifikaci drenážních systémů byly ověřovány i další nadzemní metody: Radiolokační, která je účinnou metodou, vyžaduje speciální vybavení a náročné způsoby zpracování dat. (ověřené parametry metody: frekvence signálu 10MHz-1GHz; doporučení 80MHz, aby nebylo ovlivňováno hledání mělkými nehomogenitami, optimální termín: promrzlá půda, nebo suché léto; při vysoké HPV a za deštivého počasí je identifikace nemožná). Termovizní snímkování – tato metoda je podle dvou vyhodnocených projektů nepoužitelná (Svobodová, 1990; Kulhavý, Eichler, Kvítek, 2002). Dominantně se zobrazují linie pojezdů techniky, aplikace hnojiv, méně pak lokální rozdíly vlhkosti půdy nad drenážní rýhou.
Ověřeny byly další pozemní metody (Svobodová, 1990): Geofyzikální metody zaměřené na popis: elektrických vlastností (anomálie elektrického pole – tzv. odporové profilování); magnetických vlastností (měření hodnot vektoru geomagnetického pole pomocí protonových magnetometrů); geotermických vlastností (vztah tepelné vodivosti a pórovitosti - měření v sondách); měrné hmotnosti (anomálie gravitačního pole - projev drenážní
3
rýhy); akustického vlnění (zejména šum vyvolaný proudící vodou v drenáži - rezonance v uzavřeném prostoru); nebo obdobná metoda elektroakustická (cizí zdroj signálu), která je doporučena pro hledání hlavníku (ověřené parametry metody: f=100-200Hz, P=14W, vpichy sondy do hl. 10cm, identifikace drénu do vzdálenosti 90m); včetně dalších okrajových metod (seismické, natlakování potrubí plynem a měření koncentrací v půdním vzduchu atd.). Biolokační (tzv. proutkaření), které s ohledem na dosahování 50% míry spolehlivosti nejsou v řadě případů vhodnou metodou přes svoje ostatní výhody: operativnost, nízké náklady, veřejné povědomí o metodě.
Vedle těchto metod jsou perspektivní metody, rozvíjené ve vodárenství, stokování a v elektrotechnice - vyhledávání nekovových potrubí. Pro vyhledávání drenáží se uplatní metody s aktivním vysílačem elektromagnetického signálu, zasouvaným do potrubí, případně doplněným inspekční kamerou. Využívány jsou spirálové kabely či tlakové hydročističe s možností identifikace trasy potrubí. Uplatnění naleznou zejména při opravách poruch. Obecně tyto metody nejsou efektivní při plošné identifikaci celých drenážních systémů, tak jak popisuje tento příspěvek uplatnění leteckých snímků.
Využití leteckých snímků Původní pozornost při využití leteckých snímků byla zaměřena na metody mapování místních změn vlhkosti povrchu půdy, která předpokládá vliv liniového odvodňovacího prvku na vysoušení části půdního profilu nad drenáží a jeho barevný projev na fotografickém snímku (černobílém, barevném či spektrálně korigovaném). Tyto mechanismy obecně působí, lze je kombinovat s principy lokálních změn tepelné vodivosti půdy vlivem nasycení vodou v době tání sněhové pokrývky, vysoušení bezprostředně po srážce atd. Avšak z dnešního stavu poznání problematiky se tyto viditelné projevy vyskytují na snímcích náhodně, resp. jsou ovlivněny poměrně širokou variabilitou vlivů, které jsou časově poměrně úzce ohraničené a proto pro praktické využití ztrácejí významu. V rámci řešení projektu QC1294 (Kulhavý, Hodovský, Žaloudík, 2002) byly formulovány nepřímé interpretační metody založené na fytoindikačním principu. Využívá se mapování lokálních diferencí vývoje růstu rostlin jako dominantního vlivu drenážní rýhy, která z hlediska vybraných kultur optimalizuje vodno-vzdušný režim půdního profilu. Vliv drenážní rýhy se na leteckých snímcích projevuje jako linie, často výrazně ohraničená a po zpracování měřického snímku např. v GIS je vytvořen podklad pro velmi přesnou identifikaci drenážního systému v terénu. Podklad pro následné vytyčení lze zpracovat
4
pro plošně rozsáhlé drenážní systémy s úspěšností vykrytí identifikované plochy odvodnění 75až 95%. Pro letecké snímkování jsou použity běžné materiály (ČB, B). Lze využít, s určitými omezeními, archivované letecké měřické snímky (zpravidla jsou k dispozici v měřítkách originálu 1:18 000 až 1:25 000, což je na hranici použitelnosti pro popsanou metodu fytoindikace). Pokud byly archivované snímky zhotoveny v roce výstavby odvodňovací sítě (VTOPÚ archivuje negativy leteckých snímků asi od roku 1930 !), lze jich využít k identifikaci drenážních systémů v kvalitě prakticky kolaudačních elaborátů. Optimální je však provést k tomuto účelu přizpůsobené snímkování, kdy výsledkem je měřický snímek v měřítku 1:5 000 až 1:15 000.
Základním předpokladem je diference půdních vlastností rostlého terénu a drenážní rýhy. Drenážní rýha si zachovává po dlouhou dobu specifické, od okolního profilu odlišné, vlastnosti (hydrofyzikální, chemické, biologické). Účinek drenážní rýhy je podepřen fungováním liniového odvodňovacího prvku na jejím dně (drenážní potrubí). Dlouhodobost působení popsaných diferencí násobí tento účinek, který se projeví na růstových odchylkách stavu vegetace. Zpravidla pozorujeme, že vegetace nad drénem je na začátku vegetačního období vitálnější, což se projeví barvou, hustotou porostu a jeho výškou. Vlhkostní režim drenážní rýhy byl studován vzhledem k projevům na leteckých snímcích (Kulhavý Z. a kol., 2003). Vertikální šíření vlhkosti mezi svrchní vrstvou půdy (homogenizovanou orbou) a drenážní rýhou, za předpokladu její dobré funkce, je prostorově významně ohraničené. Efekt drenážní rýhy lze tímto způsobem doložit na stavbách s rokem výstavby 1970, ale i starších. Určující jsou půdní vlastnosti a technologie výstavby. Středně těžké a těžké půdy (např. lokality Černíkovice – povodí Bělá, Králíky – povodí Tichá Orlice, Černičí – povodí Sázavy) vykazují i po letech dobrou diferenciaci růstových podmínek mezi pásem nad drenážní rýhou a nad rostlým terénem. Pro identifikaci drenážních systémů slouží základní popisné údaje (o existenci odvodnění), resp. typická stromovitá struktura linií systematického odvodnění.
V stručnosti lze uvést základní parametry popsané metody, které se v rámci jedné z aktivit řešeného projektu (QF3095) dále zpřesňují: - u polních plodin se snímkování provádí přibližně v době dosažení plošné zapojenosti porostu. Širokořádkové plodiny a okopaniny nejsou vhodné; - u luk a trvalých travních porostů je vhodné snímkovat v období po seči (tj. s výškou porostu 510cm). U těchto kultur lze snímkovat prakticky celoročně po splnění uvedeného kritéria výšky porostu;
5
- předpokladem je dobrý stav porostu, předcházející období s normálním průběhem srážek a rozvojem vegetace, optimální termíny jsou květen a začátek června; - není potřeba žádný doplňující či kalibrační průzkum; pro polohovou rektifikaci snímků je třeba postupovat podle zásad měřických metod DPZ. Přednosti uplatnění metody leteckého snímkování - v současnosti dostupná technika a nízké náklady (postačuje ČB měřický snímek). Instalace záměrných křížů u nového snímkování, resp. lze doměřit na snímku identifikované objekty při využití archivních snímků (využití cestní sítě, šachtic a jiných nadzemních stavebních objektů); - vůle při stanovení vhodného termínu snímkování (nízká citlivost na okamžité vlhkostní poměry půdy v době snímkování); - nevyžaduje kalibraci v průběhu snímkování; - vysoký podíl identifikované plochy (nad 70%), identifikace svodných i sběrných drénů; - velká přesnost stanovení polohy drénů (do 30cm); - použitelnost i při scházející projektové dokumentaci resp. zákresech skutečného provedení; - lze využít archivů leteckých snímků.
Nedostatky metody - závislost na aktuální kultuře pozemku i na druhu pěstované plodiny; - splnění pedologických kritérií (odlišnost vlastností drenážní rýhy a okolního prostředí); - splnění kritérií (výkopové) technologie výstavby drenáže (uplatnění drenážní rýhy).
Vazba stávajícího drenážního odvodnění na jiné vodohospodářské systémy Stávající drenážní systémy doplňují detail hydrografické kostry povodí a podílejí se na procesu transformace srážek v odtok. Jejich existenci je třeba respektovat nejen u staveb funkčních, ale i v případě výskytu lokálních poruch, jejichž častou příčinou bývá nedostatečná údržba, konflikt s liniovou stavbou či jiným stavebním objektem. Drenáží odvodněná plocha je trvale tímto vodohospodářským opatřením ovlivněna a k jejím specifickým vlastnostem je třeba přihlížet v případě jakýchkoli souvisejících činností. Je třeba respektovat: - topologii drenážní sítě (směrové poměry) a způsob odvádění drenážních vod; - výškové poměry stavby (hloubku uložení drénů, spádové poměry); - kapacitu drenáže a vodohospodářskou bilanci odvodněného území; - materiál drénů, aktuální stav drenážního systému a kritická místa či místa (opravených) poruch.
6
Drenážní systém je nutné napojit na recipient podle změněných odtokových podmínek. Individuálně je třeba řešit jednotlivá místa křížení nových objektů nejen s hlavním melioračním zařízením (otevřenými příkopy či trubními odpady), ale i se sběrnými či svodnými drény. Pokud bude záměrem eliminovat funkci drenáže na určitém pozemku, vyžaduje takový zásah zohlednění odvodňovací stavby jako celku, nejen části bezprostředně přiléhající. Odvodnění působí plošně, tj. předpokládá spojitý přítok po celé délce drénů (přítok vody je funkcí délky drénu). Při posouzení vhodného technického zásahu je třeba vycházet z hydraulických vlastností půd a spádových poměrů, neboť přerušením drénu se v přilehlém půdním prostředí vytváří kaskáda hladin podzemní vody a vzniklý „obtok“ má parametry dané filtračními vlastnostmi půdního prostředí. Vedle kvantitativních hledisek je třeba zvažovat i hlediska kvality odváděných drenážních vod. Drenáž zrychluje odtok vody a zvětšuje půdní retenční prostor, což se negativně může projevit na pozemcích s nově zakládanou průmyslovou činností či s dočasným skladováním látek nebezpečných životnímu prostředí (týká se i zemědělských půd při dočasném uskladnění hnoje apod.). V uvedených případech je třeba zohlednit existenci stávajícího drenážního odvodnění. Vzhledem k tomu, že projektová dokumentace všech hydromelioračních staveb byla v předchozích letech předávána vlastníkovi pozemku, bývá v některých případech obtížné dohledat prováděcí dokumentaci, u řady starších staveb tato dokumentace scházela i v předchozí etapě evidence. V těchto případech nabývá zvláštního významu identifikace drenážních systémů popisovanými metodami. Cenová úspora spočívá v přímé finanční i časové náročnosti klasického vyhledávacího průzkumu s uplatněním výkopových technik.
Závěr V praxi se setkáváme s případy, kdy je cíleně snižována intenzita odvodnění např. z důvodů změny kultury (převod orné půdy na louky, resp. na lesní pozemky). Funkci drenáže bývá třeba eliminovat i v případech rozšiřování intravilánu obcí. Následující stavební činnost může negativně ovlivnit zbývající část odvodněné plochy. Při střetu nově realizované liniové stavby je třeba respektovat starší drenážní systémy. Evidujeme příklady poškození drenáže výstavbou podzemních kabelů, cestní sítě, ale např. i přeložením trasy vodního toku. Ve všech uvedených případech je třeba zodpovědně zvážit změnu odtokového režimu při stavebním zásahu do stávajícího drenážního systému. Příspěvkem k uvedeným činnostem jsou efektivní metody identifikace plošných systémů odvodnění.
7
Literatura Svobodová D., 1990: Podklady a technika řešení drenáže. Výzkumná zpráva VE04 projektu P 06-329-813-02 Technika a technologie rekonstrukce odvodnění. VÚZZP Praha Kulhavý Z., Hodovský J., Žaloudík J. a kol., 2002 : Návrh a využití územního informačního sytému hydromelioračních staveb. Závěrečná zpráva projektu Návrh a využití územního informačního systému hydromelioračních staveb, NAZV ev.č.QC1294, VÚMOP Praha, ZVHS, ÚEK AV ČR, prosinec 2002 Kulhavý Z. a kol.: Periodická zpráva projektu Racionalizace využívání, údržby a oprav odvodňovacích staveb, NAZV ev. č. QF 3095, Pardubice, VÚMOP Praha, prosinec 2003 Kulhavý Z., Eichler J., Kvítek T.: Pracovní podklady projektu NAZV evid.č.QC02-242 – Termovizní snímky z lokalit Káraný, Radiměř, Havl.Brod, Zpracování pro účel identifikací drenáží; VÚMOP Praha, 2002
Použité zkratky GIS
– geografický informační systém
ZVHS
– Zemědělská vodohospodářská správa, dříve Státní meliorační správa
DPZ
– dálkový průzkum země
NAZV
– Národní agentura pro zemědělský výzkum při MZeČR
VÚZZP Praha – Výzkumný ústav pro zúrodňování zemědělských půd Praha, dnes Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha VTOPÚ
– Vojenský topografický ústav Dobruška
ČB, B
– černobílé, barevné (forografický materiál)
TP3-DP6
– Tématický program 3 (Konkurenceschopnost při udržitelném rozvoji) – dílčího programu Využití přírodních zdrojů, priority 6 (Rozvoj technologií úpravy a čištění vod a racionalizace hospodaření s vodou v krajině)
Příspěvek vznikl jako součást řešení grantového projektu QF3095 (Racionalizace využívání, údržby a oprav odvodňovacích staveb) v rámci Národního programu výzkumu (TPD3-DP6).
8
_____________________________________________________________________________ Ing. Zbyněk Kulhavý, CSc. Ing. Milan Čmelík Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, pracoviště Pardubice B.Němcové 231, 530 02 Pardubice tel. 466310265, fax 466300041, e-mail:
[email protected] [email protected]
9
