Eichler J., Kulhavý Z. : přednáška Seč březen 2002
1 z 5
Využití hydrologického modelu drenážního systému při popisu vodního režimu odvodněných půd RNDr. Josef Eichler CSc., Ing. Zbyněk Kulhavý CSc. Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha pracoviště Pardubice, B.Němcové 231, Pardubice 530 02 e-mail :
[email protected] Anotace Je ukázán způsob tvorby hydrologického modelu drenážního systému pomocí technologií GIS ve spojení s hydraulickými výpočty. Zpětné zobrazení výsledků v prostředí GIS umožňuje posoudit aktuální stav a funkčnost drenážních systémů a jejich příspěvek k transformaci odtoku za běžných i extrémních situací. Souhrnné vyhodnocení umožňuje kategorizovat stávající drenážní systémy pro plánování údržby, identifikovat kritická místa podzemního potrubního systému a využít analýz při návrhu jejich rekonstrukcí a modernizací. Výsledky jsou ilustrovány na příkladech reálných drenážních systémů. Úvod Zemědělské odvodňovací systémy hrají důležitou roli v procesu transformace srážek v odtok. Jejich původním účelem je snižovat hladinu podzemní vody a optimalizovat půdní vlhkost pro zemědělské plodiny. Na území dnešní České republiky se odvodňovací systémy budovaly již od poloviny 19. století. Dnes je v celé zemi kolem 1,1 miliónu hektarů odvodněných půd (což představuje cca 25,6 % zemědělské půdy), převážně s vybudovanými podpovrchovými drenážními systémy. Odvodnění území systematickou podzemní trubkovou drenáží a navazující sítí otevřených příkopů a vodních koryt ovlivňuje hospodaření s vodou v povodí. Při kategorizaci existujících odvodňovacích systémů lze užít různé skupiny kriterií, nás v tomto příspěvku zajímají technické parametry systému, jeho funkčnost, způsob propojení jednotlivých podsystémů a jejich dopad na vodní režim odvodněných půd. K odhadu vlivu odvodňovacích systémů na odtokové poměry užíváme deterministické simulační modelování. Struktura hydrologického modelu Hydrologický model vyjadřuje následující vazby dílčích procesů : a. zadání zátěžového stavu – podle účelu aplikace zahrnuje následující vstupy : měřenou časovou řadu se zaznamenanými extrémy, syntetickou časovou řadu, reprezentativní hodnoty specifického přítoku do drenáže b. plošné rozdělení zátěžových charakteristik v rámci řešeného území (hydropedologický průzkum, stanovení drenážních okrsků, využití půdních map a z nich odvozených vlastností, např. rychlosti infiltrace srážkové vody, filtrační procesy vody v půdě …) c. situační řešení drenážního systému (digitalizace stavebních výkresů, generování topologi e ) . d. model tvorby drenážního odtoku – bylo využito dosavadních zkušeností s modelem DRAINMOD, který simuluje lokální přítok do systematické drenáže. model proudění vody v drenážní síti – řeší ustálené proudění ve větevné trubní síti. Model umožňuje přímý vstup datových podkladů o prostorových vazbách z prostředí GIS, generuje topologii sítě a konvertuje výstupy pro další použití a analýzy v prostředí GIS
Eichler J., Kulhavý Z. : přednáška Seč březen 2002
2 z 5
e. Původní model proudění v drenážní síti je přizpůsoben k posouzení hydraulických poměrů v reálné drenážní soustavě za vyšetřovaných hydrologických podmínek, k identifikaci kritických míst soustavy (kritické rychlosti, tlakové poměry, místa se zvýšeným rizikem sedimentace nesených částic …) s ohledem na dynamiku odtoku za povodňových situací a v neposlední řadě i z hlediska možností retardace odtoku z plochy instalací různých regulačních prvků. Postup zpracování a výsledky 1. digitalizace projektu drenážního systému a navedení atributů (sběrné a svodné drény, vrstevnice, výústě, šachtice, důležité body, polygony drenážních skupin) 2. vytvoření topologie větevné sítě – prvky sítě nesmí být zacyklené, systém může obsahovat více orientovaných stromů 3. výpočet digitálního model terénu DMT a výpočet sklonitostí sběrných drénů pomocí DMT (sklony svodných drénů jsou určeny z projektové dokumentace) 4. hydrologické modelování a hydraulické výpočty v prostředí MS Excel97 5. zobrazení a analýza výsledků v prostředí GIS 6. přenos vybraných charakteristik na bodové vrstvy – jedná se zejména o doby doběhu, které se navádějí na vstupní body drénů 7. výpočet digitálního ekvivalentu dob doběhu, jeho reklasifikace a převod na polygonovou vrstvu dob doběhu s krokem 10 s 8. konstrukce diferenciálních čar četnosti dob zdržení vody v trubním systému a výpočet statistických charakteristik dob doběhu. Tyto dále slouží ke konstrukci rozdělovacích funkcí v závislosti na specifickém přítoku a v konečné fázi pak ke klasifikaci a posouzení funkčnosti drenážního systému odvodnění Data byla zpracována v prostředí ArcView 3.2 s využitím extenze Spatial Analyst a vlastní extenze nástrojů pro práci s drény.V prostředí Excelu (+Visual Basic) se realizují hydraulické výpočty a konverze výsledků do dbf-formátu, veškeré ostatní činnosti se provádějí v prostředí ArcView. Hydraulický výpočet pro jednotlivé úseky potrubí je realizován pro podmínky ustáleného rovnoměrného proudění. Počítají se zejména následující charakteristiky : A. rychlost a průtok při kapacitním plnění B. hodnota Reynoldsova čísla a typ proudění (laminární/přechodové/turbulentní) C. tlakovost v potrubí (ano/ne) D. hodnota součinitele tření λ (po iteraci ke skutečnému Q) E. výška plnění profilu, průtočná plocha a pro skutečný průtok střední průřezová rychlost pr oudu F. doba průtoku částice úsekem G. doba doběhu (čas potřebný k tomu, aby částice vody opustila trubní systém) Vybrané části výstupní tabulky se exportují pro další použití v prostředí GIS. Ve zvolených kategoriích lze zobrazit zejména : rychlosti vody v potrubí, odpovídající zpracovanému hydrologickému zatížení kapacitu plnění potrubí, případně tlakové poměry v síti doby doběhu vody k výústi (viz bod 7 postupu zpracování)
Eichler J., Kulhavý Z. : přednáška Seč březen 2002
3 z 5
Výsledky demonstrujeme na třech melioračních odvodňovacích stavbách : Černičí a Valečov (obě v povodí Sázavy) a Černíkovice (povodí Orlice). Na obr. 1 jsou zobrazeny střední průřezové rychlosti, kapacity plnění profilu, tlakovost a rychlosti průtoku při zahlcení pro Černíkovice při zatížení drenážního systému specifickým přítokem 0,003 l/s/m. Tato hodnota reprezentuje při rozchodu drenáže R=9,5 m rovnoměrný specifický odtok q=3,5 l/s/ha, což je ekvivalentní srážkovému úhrnu 300 mm/den. Již pouhé srovnání jednotlivých oken umožňuje snadno odhalit a identifikovat kritická místa systému při daném „povodňovém“ zatížení. Obr.1 : Vybrané hydraulické charakteristiky – Černíkovice
Obrázek 2 ukazuje doby doběhu a to jak příspěvky jednotlivých drenážních skupin, tak i celkovou diferenciální distribuční funkci drenážní soustavy pro zatížení specifickým přítokem 0,003 l.ha-1s-1.
Obr.2 : Doby doběhu a distribuční funkce – Černíkovice Na obrázku 3 je ukázán vliv specifického přítoku na distribuční křivky. S klesajícím specifickým přítokem se distribuční křivky zplošťují a současně se maximum posouvá k delším dobám doběhu. Tvar distribučních křivek včetně lokálních extrémů zůstává zachován.
Eichler J., Kulhavý Z. : přednáška Seč březen 2002
4 z 5
Obr. 3a,b : Vliv specifického přítoku na distribuční křivky Obrázek 3b dokumentuje tvarovou podobnost křivek (s užitím lineární transformace) eliminující vliv zátěžového stavu a potvrzuje oprávněnost předpokladu využití křivky jako integrální charakteristiky trubního systému. Obrázek 4 ukazuje doby doběhu pro drenážní systémy Černičí a Valečov. Tmavší barva odpovídá delším dobám doběhu.
Obr. 4 : Doby doběhu pro Černičí a Valečov Následující obrázek porovnává distribuční křivky dob doběhu tří systémů rozdílné geometrické konfigurace pro stejnou zátěž specifickým přítokem 0,003 l.ha-1s-1. Vidíme, že právě charakteristiky distribučních křivek (hladkost, počty lokálních extrémů, statistické charakteristiky jako průměr, rozptyl, maximum, medián, rozpětí, kvartilové míry šikmosti a koncentrace, atd.) lze dobře použít jako jedno z kritérií klasifikace odvodňovacích soustav.
Eichler J., Kulhavý Z. : přednáška Seč březen 2002
5 z 5
Obr. 5 : Graf plošného zastoupení dob doběhu vody do drenážní výústi při zvoleném zátěžov é m s t a v u 0 ,0 0 3 l / s / m Závěry Výsledky hydrologického modelování ve spojení s technikami GIS přispívají k popisu vodního režimu odvodněných půd. Přinášejí nový globální pohled na celý drenážní systém odvodnění, dávají informace, které jsou při zpracování jinými metodami těžko dostupné resp. nedostupné. Získané výsledky lze proto efektivně využít zejména při • hodnocení příspěvků odvodnění k transformaci odtoku vody z povodí za definovaných situací (normální stav, extrémní situace : povodňové periody extrémní sucha) • kategorizaci stávajících drenážních systémů • posouzení funkčnosti a k identifikaci kritických úseků. Právě globální pohled na celý systém odhaluje kritická místa a ukazuje souvislosti, které jsou při tabelárním zpracování prakticky nepostižitelné • využití v programech údržby, návrzích na rekonstrukci Poděkování Tato práce vznikla díky podpoře Národní agentury pro zemědělský výzkum, projekt NAZV EP 9154 „Využití retenčního potenciálu krajiny při snižování povodňových průtoků a návrh opatření na jejich neškodné odvádění“ a projekt NAZV č. QC1294 : „Návrh a využití územního informačního systému hydromelioračních staveb“
