Ing. Lubomír Macek, CSc., MBA (1) a doc. Ing. Zbyněk Kulhavý, CSc. (2)
(1) Aquion, s.r.o. Praha a (2) Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i. Praha
Úvod
Regulace drenážního odtoku přispívá k racionálnímu hospodaření s vodou v zemědělsky využívaném povodí a je součástí zásadní inovace drenážních systémů v podmínkách zvyšujících se nároků na hospodaření s vodními zdroji. Strategicky je pro Českou republiku výhodné, v souvislosti se změnou klimatu a jejím vlivem na vodní zdroje, orientovat se na realizaci adaptačních opatření. V současnosti je přebytek nebo nedostatek vody v zemědělské krajině řešen odděleně: odvodňování nebo závlahy. Dvouúčelové drenážní systémy přitom obojí ošetřují jediným opatřením. Význam regulace také podtrhuje velmi vysoký podíl odvodněných půd v zemědělsky produkčních oblastech ČR, přesahující 30 % celkové plochy (např. okresy Hradec Králové, Nymburk, České Budějovice), resp. kolem 25% z plochy zemědělské půdy v celorepublikovém měřítku.
Se zvyšující se četností výskytu hydrologických extrémů, zejména sucha, může být funkce odvodnění v některých obdobích vnímána jako kontraproduktivní. Například po fázi odvedení přebytku zimních srážek a po dokončení jarních polních prací již nebývá důvod nadále půdní vodu odvádět. Naopak. Je vhodné vytvářet zásoby pro letní období a snižovat tak rizika i dopady výskytu sucha agronomického, případně hydrologického.
V období současné dynamiky klimatu má regulace hypodermického odtoku, tedy složky odtoku výrazně ovlivněného existencí drenážního odvodnění, mimořádný význam nejen při ochraně vodních zdrojů a životního prostředí, ale i při lepším hospodaření s vodními zdroji na zemědělském pozemku s cílem minimalizovat dopady období s nedostatkem vláhy pro pěstované plodiny (viz Usnesení Vlády ČR č.620, 2015). Vhodně řízená regulace odtoku (v optimálním případě samočinně fungující) vytváří dostatečné akumulační, retenční a infiltrační kapacity půd. Právě v těchto případech lze hovořit o vícefunkčním melioračním systému, neboť může odvodnění plnit i řadu dalších, s regulací souvisejících funkcí: kompenzaci ztrát vody způsobených evapotranspirací (závlahový efekt s využitím kapilárního vzlínání z vyšší, regulované úrovně hladiny podzemní vody), posílení procesů podpovrchové infiltrace při doplňování zásob podzemní vody, dočištění drenážních vod (uplatněním efektu prodloužení doby odčerpávání živin kořeny rostlin ze zadržené podzemní vody), zvýšení diverzity vodních režimů a s tím související podpora biodiverzity atd.
Obr. 1 Dva hlavní typy systémů řízení regulace drenážního odtoku, odvozené podle vlastností vytvořené kaskády regulovaných hladin podzemní vody
A: hladiny se ve svažitějším území nepřekrývají a fáze regulace jsou odvozeny z úrovně horní hladiny;
B: hladiny se v rovinném území překrývají, což umožňuje řízení fází regulačního prvku z úrovně dolní hladiny
Hydrotechnické posouzení drenážní sítě
Vzhledem ke složitosti podmínek proudění v drenážní síti s uplatněním nových objektů - regulačních prvků, je vhodné provést posouzení hydraulické funkce vhodným numerickým modelem. Pozornost je třeba věnovat výsledkům, popisujícím průtokové rychlosti při zvolených zátěžových stavech, což souvisí zejména s riziky zanášení drenážního potrubí. Dále je zásadní kapacita plnění průtočného profilu a tlakové poměry v potrubí, hydraulické ztráty na objektech drenážní sítě, především na regulačních prvcích i v dalších kritických profilech drenážní sítě.
Lokální přítok do jednotlivých větví drenážního systému lze řešit s využitím různých metod. Komplexní řešení poskytuje model DRAINMOD (Skaggs, 1980), lze také použít drenážní kalkulátor (Štibinger, Kulhavý, 2010) nebo jiný vhodný početní postup.
Modelování 1-D proudění v drenážní sítí simulačním modelem
Program SiteFlow je vyvíjen společností Aquion, s.r.o. od roku 1993 a je určen pro správu, projektování a simulační modelování trubních sítí, s hlavním zaměřením na vodovody, kanalizace, drenážní a závlahové soustavy a plynovody (Macek, Škripko, 2013). Využití programu SIteFlow pro projektování potrubního úseku nebo trubní soustavy zrychluje a zkvalitňuje postup projektování a zpřesňuje výstupy. Pro simulační výpočty jsou k dispozici tři výpočetní jádra: z toho pro účely výpočtů hydraulických parametrů a kvality vody v drenážních soustavách používáme výpočetní jádro SWMM (Storm Water Management Model, US EPA), konkrétně metodu dynamické vlny.
Regulační prvek je definován například jako přepad s ostrou přepadovou hranou přes celou šířku drenážní šachtice, v tomto případě 1,0 m. Objekt lze definovat jako funkci závislosti průtoku (odtoku) na výšce hladiny ve vstupním uzlu. Simulační výpočty mohou být provedeny pro různé výšky H hrany přepadu viz obr. 2 a obr. 5.
Obr. 2 Grafické vyjádření efektu regulace pomocí hydrogramu drenážního odtoku pro pevně nastavitelný regulační prvek
-zde pro 4 úrovně regulace (vlevo) a pro regulační prvek s automatickým vyhrazením (vpravo), kdy až do dosažení hladiny 0,50 m je regulační prvek zahrazen, pokud se hladina horní vody dále zvyšuje, dojde k vyhrazení hradítka. Hydrogram drenážního odtoku neovlivněného regulací znázorňuje tmavě modrá linka u obou grafů.
Poznámka: Zpracováno pro měřením kalibrovaný drenážní odtok na drenážní skupině u obce Kladno (okr. Chrudim) pro srážko-odtokovou událost ve dnech 21. - 22. 7. 2013.
Regulační prvky s pevným hradítkem snižují unášecí rychlost v úseku drenážního potrubí před regulačním prvkem. Proto zde existuje riziko zanášení usazováním jemných půdních částic. Simulačním modelem bylo prokázáno, že regulační prvek s pulsním režimem činnosti napomáhá v pročišťování potrubí pomocí velkých rychlostí průtoku.
Optimalizace výšky regulované hladiny podzemní vody
Regulace drenážního odtoku probíhá v zásadě ve dvou hydrologických situacích:
- Hladina podzemní vody se nachází pod úrovní uložení drénů. V takovém případě převažuje vodohospodářský efekt, kdy zadržená drenážní voda podpovrchově infiltruje z drénů do zóny aerace a zvyšuje vlhkost v oblasti poblíž drénu, resp. gravitačně převáděná voda obohacuje první podzemní zvodeň a zvyšuje HPV.
- Hladina podzemní vody se nachází nad úrovní uložení drénů, nebo v její těsné blízkosti. V tomto případě přistupuje efekt zemědělský, projevující se závlahou, kdy zadržená drenážní voda zvyšuje úroveň HPV (v úseku dosahu regulačního prvku – viz obr. 5) a následně zvyšuje vlhkost půdy v zóně aerace, tedy nad HPV vlivem kapilárního efektu.
V obou případech může být intenzita přítoku drenážních vod do úseku drénu ovlivněného regulačním prvkem menší nebo větší, než je intenzita podpovrchové infiltrace drenážní vody z drénu do přilehlého půdního prostředí.
Limity pro nastavení výšky regulace jsou dány přípustnou minimální a maximální HPV, resp. hladinou vody v drénech či v regulačním objektu, vyjádřenou k nárokům konkrétní plodiny. Regulační výška hladiny musí být nastavována v rozmezí těchto limitních výšek.
Regulační prvek s pulsním režimem činnosti
Hlavním parametrem řízení regulace je nastavitelná úroveň vzdutí hladiny podzemní vody v místě nad regulačním prvkem. Režim průtoku regulačním prvkem je spouštěn a zastavován v dynamických rázech, což eliminuje riziko zanášení drenážního potrubí usazovanými zemitými částicemi. Řízení regulace podle úrovně horní hladiny umožňuje využití i ve svažitějších podmínkách, kde není vytvořena vzájemně propojená kaskáda podzemních zdrží (viz obr. 1. a nahoře). Řešení umožňuje jak aplikaci v novostavbách, tak při rekonstrukci stávajících provozovaných staveb. Optimálně se instalace provádí v drenážní šachtici.
Při regulaci drenážního odtoku se za optimálních podmínek, tedy při sklonech terénu do 1-2 % a vzdálenosti regulačních prvků 50-80 m, uplatňuje vzájemný přesah úrovní kaskád podzemní vody (viz obr. 1. b dole), což umožňuje závislé řízení fází regulace odvozením z úrovně "dolní" vody na každém regulačním prvku. Automatizace v obou případech musí řešit převádění "velkých vod" přes regulační prvek a to jeho vyhrazením.
Důležitým aspektem zajištění dlouhodobě spolehlivého provozu drenáže s regulovaným odtokem, je již zmíněné riziko zanášení potrubí. Riziko zmírňuje dodržení dolního limitu unášecí rychlosti proudící vody a tomu přizpůsobená dimenze potrubí. Instalace regulačního prvku snižuje při zahrazení rychlost vodního proudu v místech před regulačním prvkem a tyto úseky potrubí jsou potom k zanášení náchylnější. Je proto vhodné, aby regulace pracovala v cyklech, kdy silný proud vody při vyhrazení prvku proplachuje potrubí.
Většina principů automatizované regulace pulzní režim řízení odtoku nevyužívá a regulaci zakládá na statické rovnováze přítoku a regulovaného odtoku (plynulé otevírání nebo zavírání uzávěru), což je nevýhodné při zmíněném riziku chodu splavenin v drenážní vodě. Proto bylo navrženo v rámci PUV2014-22970 řešení, využívající k automatizaci činnosti principu hydrodynamického, plovákem ovládaného klapkového uzávěru. Je-li dosaženo nastavené úrovně manipulované hladiny vody v akumulačním prostoru drenážní šachtice, střídá se v pracovních cyklech fáze zahrazení a vyhrazení odtoku (viz obr. 3).
Obr. 3 Průběh dosahovaných úrovní hladin v akumulačním prostoru regulačního prvku; hydrogram přítoku a odtoku; cyklus otevírání a zavírání uzávěru regulačního prvku
Pokud se hladina v drenážní šachtici nachází pod nastavenou otevírací úrovní, klapkový uzávěr zahrazuje vtokový otvor regulačního prvku a hydrostatickou silou nebo tíhou konstrukčních dílů je dotlačován na těsnění (viz obr. 4), průtok je zahrazen. Pokud se poté hladina v akumulačním prostoru drenážní šachtice zvýší, plovák zajistí otevření prvku. Konstrukční varianty navrženého řešení jsou dvě: s osou otáčení klapkového uzávěru na úrovni horní hrany vtokového otvoru nebo na úrovni dolní hrany.
Obr. 4 Dílenské provedení a schéma regulačního prvku s pulsním režimem činnosti.
Obr. 5 a Situace simulované plochy Kladno s vyznačením průměru drenážního potrubí
Obr. 5. b Pohled na drenážní skupinu Kladno (Google Street View). Pohled jižním směrem.
Závěry
Navrhovaná opatření pro rekonstrukci stávajících drenážních systémů mají vysoký vodohospodářský i hydrologický potenciál při zlepšování bilance zemědělsky využívané krajiny. Ve vhodných stanovištních podmínkách může malá investice do úpravy stávajícího drenážního systému přinést vysoký ekonomický efekt, vyjádřený zvýšením vláhové zabezpečenosti pěstovaných plodin a snížením potřeby vody pro závlahu (vykrytím části závlahové dávky vzlínáním z vyšší - regulované úrovně HPV). Hospodářsky se projevuje opatření snížením dopadů agronomického sucha. Zadržení vody přímo v místě pozemku snižuje náklady na provoz závlah, zvyšuje využití retenčního a akumulačního potenciálu pórovitého půdního prostředí, zkracuje období s deficitem vláhy a snižuje ztráty na produkci plodin. Lepší využití reziduí živin v (ne)odtékající drenážní vodě přispívá k lepšímu vykrytí nutričních potřeb pěstovaných plodin, zároveň snižuje zátěž vodních toků a snižuje případné náklady na čištění vod při jejich následném využití (pokud je např. vodní tok přítokem vodárenské nádrže).
Samostatnou kapitolou jsou obtížně vyčíslitelné celospolečenské přínosy při zvýšení retence a akumulace srážkových vod v povodích drobných vodních toků, při nalepšování zásob podzemních vod a při hospodárném užívání vodních zdrojů. Tento efekt se uplatňuje zejména v letním období, kdy po předchozím (jarním) odčerpání zásob půdní vody za účelem zlepšení přístupnosti pozemku, dochází k znovunaplnění podpovrchových zdrží infiltrovanou vodou z dešťových srážek. Zlepšuje se také úrodnost půdy a zabezpečenost půdní vláhy, zvyšuje se stabilita agro-ekosystému (snižuje se odnos půdy větrnou erozí), zlepšuje se celková vodohospodářská bilance území.
Nezanedbatelným sekundárním aspektem rekonstrukcí, je zvýšení péče o stávající odvodňovací systémy, neboť očekávaného efektu lze dosáhnout pouze u funkční a odborně provozované odvodňovací soustavy. Investice vložené do průzkumu aktuálních podmínek existence odvodňovací stavby, do konceptu návrhu rekonstrukce, do dílčích oprav a přestaveb i do zajištění provozu znamenají obecně prodloužení doby funkčnosti stavby při současném snížení možných negativních projevů stavby v krajině.
Dedikace:
Tento článek vznikl s podporou TAČR v rámci projektu TA02020384 „Autoregulace hypodermického odtoku v malých povodích“.
Literatura:
Kulhavý, Z., Čmelík, M.; Štibinger, J.; Macek, L. a Škripko, J. (2015): Rekonstrukce staveb odvodnění s uplatněním principu regualce drenážního odtoku. Metodika. ISBN 978-80-87361-47-4, 58 stran.
Kulhavý Z., Čmelík M., 2014: Drenážní regulační prvek s pulsním režimem činnosti. PUV 2014-29970, PV 2014-629
Skaggs, R. W., Nassehzadeh-Tabrizi, A., 1982: Effect of drainage system design on surface and subsurface runoff from artificially drained lands. Proceedings of the Inst. Symposium on Rainfall-Runoff Modeling. Mississippi State University, Mississippi State, Miss. pp. 337-354.
Kulhavý Z., Štibinger J., Hurda J., 2013: Kalkulátor - kvantifikace efektu regulace odtoku na odvodňovacím prvku. Autorizovaný software a manuál publikovaný na http://www.hydromeliorace.cz/sw/regulace VÚMOP, v.v.i., ČZU v Praze
Macek L., Škripko J., 2013: Rekonstrukce kanalizací: význam plánování rozvoje a projektování založeném na modelu z hlediska budoucích investičních úspor a zlepšování provozu. Sborník konference Rekonštrukcie stokových sítí a čistiarní odpadových vod, VÚVH Bratislava, Podbanské, 7 stran.
Usnesení Vlády ČR č. 620 ze dne 29. července 2015 k přípravě realizace opatření pro zmírnění negativních dopadů sucha a nedostatku vody.
1985: Regulované odvodňovací systémy (ROS). Směrnice MZVž ČSR, MPVž SSR, VÚZZP Praha
