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. V minulosti vybudované drenážní systémy v podmínkách České republiky postrádají možnost regulace odtoku, neboť jejich prvotním účelem bylo odvádění vod v období jejich přebytku. Ojediněle vybudované systémy s dvoučinnou regulací přestaly z důvodů zanedbání údržby fungovat a jejich účinnost se tak omezila pouze na funkci odvodňovací. 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. Dvojfunkční 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)...
Možnosti rekonstrukce melioračních staveb s uplatněním principu regulace drenážního odtoku
Doc. Ing. Zbyněk Kulhavý, CSc. (1) a ing. Lubomír Macek, CSc., MBA (2)
(1) Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i. Praha
(2) Aquion, s.r.o. Praha
Tradiční odvodňovací systémy na zemědělských půdách byly navrhovány jako jednoúčelové, tedy k odvádění přebytků vod z pozemku. Se zvyšujícím se výskytem hydrologických extrémů, zejména sucha, může být tato funkce v některých obdobích vnímána jako kontraproduktivní a nežádoucí. 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.
Obor hydromeliorací k tomuto účelu využívá retenční potenciál půdy, který je vytvářen pórovitostí půdního prostředí a projevuje se např. změnou vlhkosti. Optimalizací limitů při manipulaci s hladinou podzemní vody v úrovních mezi uložením drénů a hloubkou cca 50-60 cm pod povrchem (zpravidla ne výše, z důvodů minimalizace přemokření povrchu půdy kapilárním vzlínáním v závislosti na druhu půdy), tedy nejčastěji pro mocnost aktivní půdní vrstvy cca 40 cm, umožňuje půda akumulovat jednorázově až 140 mm vody, což reprezentuje pro plochu 1 ha objem 1.400 m3 vody. Pokud by toto množství měla zadržet povrchová vodní nádrž, měla by na každý hektar ekvivalentní rozměr 31,0 x 31,0 x 1,45 m! V průběhu jednotlivých srážko-odtokových epizod však dochází k retardaci až dvojnásobně většího objemu infiltrovaných srážkových vod, neboť se retardace zúčastní i vyprázdněné půdní póry nad hladinou regulované podzemní vody. K akumulaci vody dochází v průběhu roku opakovaně, efekt regulace se v takovém případě zvyšuje, neboť tato voda z odvodněného pozemku drenážním systémem neodtéká.
Systémy s možností regulace HPV například regulací drenážního odtoku se u nás i v zahraničí začaly rozvíjet zejména po roce 1970. Jsou poněkud náročnější na návrh, provoz i údržbu. Tyto důvody, společně s obdobím odsunutí společenského zájmu o téma meliorací po roce 1990 a zejména fakt, že se jednalo o systémy závlahové (regulační drenáž), s dodávkou cizí vody, způsobily útlum jejich využívání a nyní již úplnou nefunkčnost těchto staveb. Situace se však začíná měnit vzhledem k objektivní potřebě zadržovat vodu v povodí pro řešení jejího nedostatku v letním období (viz Usnesení Vlády ČR č.620, 2015).
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. Vhodně řízená regulace odtoku (v optimálním případě samočinně fungující) vytváří dostatečné akumulační, retenční a infiltrační kapacity půd. Právě v těchto případech lze hovořit o více-funkčním systému odvodnění, neboť kromě druhé funkce, tj. regulace odtoku, může odvodnění plnit i řadu dalších, s regulací souvisejících funkcí: kompenzaci ztrát vody způsobených evapotranspirací (závlahový efekt), posílení procesů podpovrchové infiltrace při doplňování zásob podzemní vody, dočištění drenážních vod, zvýšení diverzity vodních režimů a s tím související podpora biodiverzity atd.
Definice drenážní retenční kapacity
Existencí drenážních systémů v zemědělské krajině dochází ke snižování hladiny podzemní (podpovrchové) vody a k drenážnímu odtoku. Tím se v půdních povrchových vrstvách vytváří tzv. drenážní retenční kapacita (DREC), která výrazně zvýší jejich infiltrační schopnosti a retenční kapacitu. Koncept DREC je zaveden Peškovou a Štibingerem (2015) a reprezentuje hydro-fyzikální charakteristiky pórovitého půdního prostředí s existencí systémů odvodnění za účelem kvantifikace vlivu odvodnění při zmírňování extrémních klimatických jevů, především vydatných dešťů, jejichž intenzita nepřekračuje infiltrační kapacitu konkrétního povrchu odvodněné půdy. DREC povrchových vrstev lze definovat jako objem půdního prostředí bez gravitační vody, vyjádřený v jednotkách délky, ohraničený povrchem půdy a tvarem hladiny depresní křivky podzemní podpovrchové vody nad drény. Tento termín lze s výhodou použít i pro zdůvodnění potřeby manipulačního řádu u regulovaných systémů drenážního odvodnění, neboť vyjadřuje míru snížení retenční schopnosti půdního profilu při zvýšení úrovně HPV vlivem regulace drenážního odtoku. Aplikaci DREC pak lze pro regulaci kombinovat s postupy pro stanovení efektu regulace drenážního odtoku.
V případě uplatnění regulace se efekt DREC přiměřeně snižuje, neboť se zvyšuje odvodňovací báze a úměrně tomu se snižuje prostor potenciálně retenčně aktivních půdních pórů nad regulovanou HPV. Regulací se však zvyšuje akumulace vody v půdním prostředí a posilují se procesy infiltrace podzemních vod do nižších zvodní, resp. ve svažitém území se zvyšuje složka hypodermického odtoku.
Kalkulátor pro kvantifikaci efektu regulace drenážního odtoku
Výpočet efektu regulačního opatření na odvodňovacích prvcích, jakými je otevřený odvodňovací příkop nebo drén, vychází z koncepčních úprav kalkulátoru, publikovaného na adrese http://www.hydromeliorace.cz/sw/kalkulator. Kalkulátor umožňuje také vyjádřit změny drenážního odtoku vlivem regulace v konkrétních místních podmínkách konkrétní stavby odvodnění a může být použit také k vyjádření změn zásob podzemní vody v zóně saturace. Řešení je založeno na popisu dosahu vzdutí, daného sklonem terénu a výškou vzdutí vody regulačním prvkem. Dále respektuje vrstevnatost půdního profilu a jeho hydrofyzikální parametry. Umožňuje volit různé metody výpočtu, odpovídající přírodním a technickým podmínkám fungování systému odvodnění (zejména z hlediska podmínek působení drenáže: ustálené, neustálené a tranzientní proudění). Výsledkem je kvantifikace vlivu regulace odtoku na množství odtékajících vod a tedy nepřímo stanovení změny retenční schopnosti odvodněného pozemku.
Vyjádření dosahu regulace je odvozeno z výšky vzdutí hladiny regulačním prvkem, hloubky uložení potrubí a ze sklonu terénu, resp. sklonu souběžně vedeného drénu. Stanovení délkového výpočtového kroku je dosaženo zadáním počtu příčných/výpočtových profilů. Zadání je odvozeno ze situačního uspořádání odvodňovacího prvku v terénu, např. z projektové dokumentace stavby, z podkladu GIS apod.
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.
Obr. 1 Dva typy řízení regulace drenážního odtoku podle kaskády úrovní hladiny podzemní vody
A: řízení horní hladinou; B: řízení dolní hladinou
LEGENDA: ΔH - diference regulovaných hladin; MVH - maximální výška hladiny v šachtici; L - vzdálenost regulačních prvků; DR - dosah regulace; i - sklon terénu resp. sklon drenážního systému [-], [%]
1 –regulační prvek , 4 – drenážní šachtice , 13 –manipulovatelná hladina vody , 16 - terén . 17 – drenážní potrubí – nutno doplnit do obr b- a do obr a 1 – regulační prvek.
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.
Problematiku posouzení hydraulických podmínek drenážního potrubního systému nástroji GIS popsali pomocí modelu DRAINET Kulhavý, Eichler a kol. (2002). Provedli přitom literární rešerši různými autory doporučovaných drsností drenážního potrubí pro různé materiály i různé stupně jejich opotřebení a zanesení. Na tuto práci navázaly úpravy metod využití modelu SiteFlow (Macek, Škripko, 2013-15), popsané dále.
Modelování 1-D proudění v drenážní sítí simulačním modelem SiteFlow
Program SiteFlow je dlouhodobé vyvíjený společností Aquion, s.r.o. od roku 1993 a je nyní určen pro správu, projektování a simulační modelování trubních sítí, s hlavním zaměřením na vodovody, kanalizace, drenážní a závlahové soustavy a plynovody (Macek, Škripko, 2013) . Navazuje na programování výpočtů vodovodních sítí Lubomíra Macka, které začalo již v roce 1984. Použití programu SiteFlow jako GIS pro správu trubní sítě je založeno na trojrozměrném modelu sítě, což umožňuje data použít přímo pro další práci – projektování rekonstrukcí nebo změn sítě - a může být doplněno o využití digitálního modelu terénu s vrstevnicemi, o podkladní mapy a výkresy ve formátu DXF a online webové mapové služby. Využití programu SIteFlow pro projektování potrubního úseku nebo trubní soustavy zrychluje a zkvalitňuje postup projektování a zpřesňuje výstupy. Projektování probíhá na základě tvorby modelu trubní sítě, dostupných modelů okolních inženýrských sítí a digitálního modelu terénu. V současnosti je program SiteFlow schopen z modelu sítě vygenerovat přehledné a podrobné stavební situace, vytyčovací situace, přehledné a podrobné podélné profily a výkazy výměr zemních prací, podsypů, obsypů a zásypů potrubí a případných vrstev komunikace. Typ a formát výstupních výkresů a výkazů výměr je plně uživatelsky definovatelný.
Pro simulační výpočty jsou k dispozici tři výpočetní jádra: pro ustálené a pomalu časově proměnné proudění ve vodovodech a závlahových soustavách využívá program SiteFlow EPANET 2 US EPA (Rossman, 2000), pro simulační výpočty ustáleného proudění v nízkotlakých a středotlakých plynovodech využívá SiteFlow původní výpočetní jádro pro výpočty vodovodů za využití metodiky Plynoprojektu a pro simulační výpočty stokových a drenážních sítí využívá program SiteFlow výpočetní jádro SWMM (Storm Water Management Model, US (EPA) (Rossman 2010).
Pro hydrodynamické výpočty stokových a drenážních sítí má v sobě program SiteFlow implementován výpočetní modul SWMM (Storm Water Management Model), řešící proudění s volnou hladinou i tlakové proudění v potrubí různými postupy: jako ustálené proudění, kinematickou vlnou nebo dynamickou vlnou. Toto výpočetní jádro umožňuje provádět simulační výpočty potrubních soustav i otevřených kanálů dohromady v jednom modelu.Pro tlakové proudění používá výpočtové jádro EPANET.
Metoda dynamické vlny řeší kompletně Saint-Venantovy rovnice jednorozměrného proudění a poskytuje tak nejpřesnější výsledky. Tyto rovnice se skládají z rovnice kontinuity a hybnosti v úsecích a výsledku rovnice kontinuity v uzlech. Tato rovnice dobře definuje tlakové proudění při zaplněném uzavřeném potrubí tak, aby mohly průtoky překročit velikost kapacitního průtoku. Výpočet proudění dynamickou vlnou uvažuje počáteční zdržení vody v potrubí, zpětné vzdutí, vstupní a výstupní ztráty, obrácení směru proudění a tlakové proudění. Metodu lze použít na všechny obecně uspořádané sítě, a to i na ty, které obsahují více navazujících odklonů sítí a smyček. Je to vhodná metoda pro systémy zatížené zpětným vzdutím způsobeným omezením na potrubí (průtočným omezením, překážkou) a tedy i regulací průtoků. Toto zevšeobecnění si vyžaduje použití menších časových kroků výpočtu, zpravidla v řádu sekund.
Perforace drenážního potrubí působí na vtok půdní vody do drenáže:
- perforace způsobuje zvětšení hydraulického gradientu jak v případě bez přítoku, tak v případě přítoku perforovanými otvory
- perforace se chová jako prvek drsnosti a zvyšuje koeficient tření, vyjádřený tzv. drsnostní funkcí
Implementace regulačního prvku do simulačního modelu
Stávající možnosti programu SiteFlow umožňují použít několik funkcí, které mohou regulovat průtok v trubním systému, dosud převážně v oblasti stokových sítí. Jedná se např. o čerpadla, přepady (odlehčovací komory) nebo definovatelné výtoky do volna. Definovatelné výtoky do volna lze využít např. při simulaci zatopení koncové výustě zvýšenou hladinou v recipientu s konstantním nebo proměnným průběhem hladiny. Vývojem nového specifického objektu "regulačního prvku – R.P." je tak rozšířena možnost simulačního modelování pro oblast hydromeliorací.
Objekt lze definovat jako funkci závislosti průtoku (odtoku) na výšce hladiny ve vstupním uzlu. Tato závislost je v SiteFlow popsaná křivkou z knihoven křivek, kde si uživatel vytvoří její libovolný tvar definující podmínky regulace odtoku. Dalším parametrem je výška R.P. nad dnem šachty (vstupním uzlem).
Společně s akumulační nádrží je možné objekt použít u všech metod výpočtu proudění v SiteFlow – ustálené proudění, metoda kinematické vlny i metoda dynamické vlny. Bez akumulační nádrže je použitelná jenom metoda dynamické vlny. Vypouštěcí otvor je možné definovat koeficientem průtoku nebo dynamicky časem otevření a uzavření (viz obr. 8).
Numerická simulace odtoku s regulačním prvkem
Prvek je definován například jako přepad s ostrou přepadovou hranou přes celou šířku drenážní šachtice, v tomto případě 1,0 m. Simulační výpočty mohou být provedeny pro různé výšky hrany přepadu. Použito bylo např. 0,2 m – 0,4 m – 0,6 m a 0,8 m při hloubce drenážní šachtice 1,0 m – viz obr. 9.
Obr. 2 Grafické vyjádření vlivu pevně nastaveného regulačního prvku (pro 4 úrovně regulace) /vlevo/ a regulačního prvku s automatickou regulací (do dosažení hladiny 0,50 m je R.P. zahrazen) /vpravo/ srovnáním s hydrogramem drenážního odtoku bez regulace (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.
Vliv regulace drenážního systému na unášecí rychlosti
a související rizika zanášení potrubí jemnými půdními částicemi
Regulační prvky s pevným hradítkem snižují unášecí rychlost v úseku drenážního potrubí před regulačním prvkem. Proto zde existuje riziko zanášení usazováním jemných půdních částic, pokud tyto částice drenážní voda obsahuje. Simulačním modelem bylo prokázáno, že regulační prvek s pulsním režimem činnosti napomáhá v pročišťování potrubí pomocí velkých rychlostí, optimálně v rozmezí 1,5 m.s-1 až 2,5 m.s-1. Krátké období experimentálního provozu dosud nemohlo tyto závěry potvrdit. Je proto potřeba v této fázi využít také praktické zkušenosti, promítnuté do technických norem.
ČSN 75 4200 doporučuje největší profilovou rychlost při návrhovém průtoku ve svodných drénech z trubek z pálené hlíny hodnotou 1,50 m.s-1, u trubek z plastů 2,00 m.s-1. Naopak nejmenší průměrná profilová rychlost ve svodných drénech nemá klesnout při návrhovém průtoku u těžkých půd pod 0,20 m.s-1, u lehkých půd a při vyplavování železitých částeček pod 0,30 m.s-1 až 0,35 m.s-1. Směrnice ROS (1985) doporučuje v oddílu D, článku 26 pro novostavby ROS minimální profilovou rychlost 0,20 m.s-1 u těžkých půd, 0,25 m.s-1 u ostatních půd a 0,30 m.s-1 u půd s nebezpečím zanášení železitými a jinými částicemi.
Pro větší dimenze svodných drénů lze převzít z ČSN 75 6101 doporučení na minimální samočistící rychlost s hodnotou 0,7 m.s-1 (tečné napětí musí být ≥ 4,0 Pa, pro plastové potrubí ≥ 3,0 Pa), pro malé průměry potrubí do DN 300 mm.
Optimalizace výšky regulované hladiny podzemní vody
Regulace drenážního odtoku probíhá v zásadě ve dvou hydrologických situacích:
- HPV 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
- HPV 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 R.P. – viz obr. 5) a následně zvyšuje vlhkost půdy v zóně aerace, tedy nad HPV vlivem kapilárního efektu
V obou výše popsaných případech dále rozlišujeme situace:
- intenzita přítoku drenážních vod do regulačním prvkem ovlivněného úseku drénu je menší než intenzita podpovrchové infiltrace drenážní vody z drénu do přilehlého půdního prostředí. V takovém případě hladina vody v drénu nejvýše dosáhne úrovně přelivné hrany R.P., veškerá voda zasakuje a za R.P. není měřitelný drenážní odtok. (Pozn.: Obtoky R.P. jsou eliminovány neperforovaným úsekem drenážního potrubí před nebo za místem instalace R.P.)
- intenzita přítoku drenážních vod do R.P. ovlivněného úseku drénu je větší než intenzita infiltrace drenážní vody z drénu do přilehlého půdního prostředí (i při zohlednění zvýšení intenzity infiltrace zvyšováním hladiny/tlaku v potrubí). Po dosažení úrovně nastavené přelivné hrany v R.P. dojde k jejímu přelití a je generován drenážní odtok pod tímto regulovaným úsekem. Drenážní odtok je snížen o objem vody infiltrované do půdy. Situace nastává za významných srážko-odtokových epizod
Limity pro nastavení výšky regulace jsou dány přípustnou minimální a maximální hladinou vody v drénech či v regulačním objektu, vyjádřenými k nárokům konkrétní plodiny. Regulační výška hladiny by měla 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 (tzv. horní vody). 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. 14A nahoře). Řešení umožňuje aplikaci v novostavbách i 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 při automatizaci řízení provozu, uplatňuje vzájemný přesah úrovní kaskád podzemní vody (viz obr. 14B dole). Toto řešení však není vhodné do sklonitých lokalit, kde sice nedochází k tak vyrovnanému navlažení, uplatňují se však vodohospodářské a částečně i zemědělské efekty retence a akumulace drenážních vod. Automatizace v těchto podmínkách musí řešit převádění "velkých vod" přes regulační prvek a to jeho vyhrazením.
Dalším důležitým aspektem zajištění dlouhodobě spolehlivého provozu drenáže s regulovaným odtokem, je splaveninový režim. Zemní částice jsou erodovány a odnášeny z půdního profilu a společně s vodou vnikají do drenážního potrubí. Riziko zanášení potrubí zmírňuje dodržení dolního limitu unášecí rychlosti proudící vody a tomu přizpůsobená dimenze potrubí. Pro neškodné usazování sedimentů je využíván usazovací prostor drenážních šachtic, odkud jsou usazeniny pravidelně odtěžovány. Regulace drenážního odtoku obecně snižuje rychlost vodního proudu v místech před regulačním prvkem a tyto úseky potrubí jsou potom k zanášení mnohem náchylnější. Je proto výhodné, pokud je regulace prováděna v cyklech, kdy silný proud vody v časových periodách proplachuje potrubí, čímž se snižuje riziko zanášení. Uměle se tak zvyšuje ve vhodném období přirozeně méně častý výskyt maximálních drenážních odtoků (překročení návrhových podmínek je přitom eliminováno automatickým vyhrazením R.P. během povodně).
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. 15).
Obr. 3 Průběh dosahovaných úrovní hladin v akumulačním prostoru R.P.; hydrogram přítoku a odtoku; cyklus otevírání a zavírání uzávěru R.P.
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. 16). V tomto stavu je průtok drenážních vod regulačním prvkem zahrazen. Pokud se poté hladina v akumulačním prostoru drenážní šachtice zvýší, např. z důvodu zvýšení přítoku drenážních vod, začíná plovák prostřednictvím táhla působit momentem hybnosti proti hydrostatické síle, tíze pohyblivých konstrukčních dílů a proti síle potřebné pro překonání úvrati ovládacího ramene a v určité fázi klapkový uzávěr naráz otevře.
Dynamika změn z otevřený/zavřený R.P. je podpořena konstrukčním provedením ovládacího ramene (excentrickým vystředěním úvrati, pružným provedením táhla, působením permanentního magnetu na uzavřený ventil apod.).
Poměr sil, potřebných na vyhrazení a na udržení klapky v otevřeném stavu je výrazně odlišný (např. 5:1 až 10:1 podle konstrukčního řešení). Pokud je kapacita odtoku výtokového potrubí větší než intenzita drenážního přítoku na vtokovém potrubí, hladina v akumulačním prostoru drenážní šachtice klesá, klesá i plovák a pokud hydrodynamická síla vody, obtékající klapku klapkového uzávěru převýší vztlak plováku, dojde k rázovému uzavření vtokového otvoru regulačního prvku a fáze otevření se ukončí. Poměr působících sil je při otevírání přibližně v opačném poměru než při uzavírání (viz např. zmíněných 1:5 / 5:1).
Konstrukční varianty navrženého řešení jsou dvě: s osou otáčení klapkového uzávěru na úrovni horní hrany vtokového otvoru nebo na úrovni dolní hrany (viz obr. 16 – I. a II.).
Obr. 4 Dílenské provedení regulačního prvku s pulsním režimem činnosti.
Poznámka: Vlastní blok je proveden z PVC formy, vylité betonem; jsou použity odpadní kanalizační PVC tvarovky KG, kovové části jsou z nerez plechu a nerez páskové oceli. Dvojice plováků je instalována každý na jednom z dvojice táhel (plovák není na obrázku znázorněn, táhla jsou připevněna k ovládacím ramenům – viz obr. 16).
Obr. 5
Sklony
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 často snížením potřeby doplňkových závlah. Hospodářsky se projevuje opatření snížením dopadů agronomického sucha. Zadržení vody přímo v místě pozemku snižuje náklady na provoz závlah (energie na čerpání vody, případně poplatky za odběr závlahové vody – uplatňují se nad rámec nezpoplatněného množství vody k vyrovnání vláhového deficitu plodin nepřímo), 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).
V textu citovaná Směrnice Regulované odvodňovací systémy (1985) definuje některé, i v současných podmínkách platné ekonomické účinky, jako např. ve sféře stabilizace a zvýšení produkce rostlinné výroby (kvalitativně i kvantitativně - rozšíření odrůdové i druhové skladby pěstovaných plodin, prodloužení doby racionálního obhospodařování půdy), zvýšení účinnosti investičních nákladů a snížení provozních nákladů v porovnání s jednoúčelovými stavbami (např. odvodnění + závlaha), atd. Lze předpokládat i další vedlejší účinky: vytvoření předpokladů pro dodržování agrotechnických lhůt a zásad u příslušné plodiny, snížení provozních nákladů (zejména na pohonné hmoty) a to jak snížením odporů půdy při provádění agrotechnických operací, tak umožněním jejich agregace.
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 odčerpání zásob půdní vody 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, přicházejícím po období dlouhodobého útlumu péče o systémy zemědělského odvodnění, je obnovení povědomí o funkcích těchto staveb v krajině i souvisejících ekonomických motivů. Zvýší se tak úroveň 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.
Navržené postupy minimalizují realizační náklady na rekonstrukci při současné maximalizaci užitků v rámci oborů zemědělství i vodního hospodářství. Celorepublikové odhady vhodnosti uplatnění rekonstrukcí systémů odvodnění byly prováděny v období let 1980-2000, později již tyto údaje nebyly aktualizovány. Odhad předpokládá vhodnost cca 20 % staveb z celkové rozlohy 1,1 mil. ha systematického odvodnění zemědělských pozemků v ČR. Pokud bychom tento odhad snížili s ohledem na aktuální stav stavebních objektů na 10 % celkové plochy vybudovaného odvodnění, jednalo by se o plochu 110 tis. ha. Při schopnosti dlouhodobě zadržet až 3.000 m3.ha-1, jednorázově 300 – 1.400 m3.ha-1 podle místních podmínek, reprezentuje opatření potenciál retence 33 – 154 mil. m3 vody, resp. 330 mil. m3 vody dlouhodobě akumulované. To odpovídá např. přibližně polovině maximálního objemu vodní nádrže Orlík (716 mil. m3), resp. přesahuje objem stálého nadržení této vodní nádrže (280 mil. m3). Přitom náklady na vybudování tohoto akumulačního prostoru v půdě reprezentují částku cca 550 mil. Kč při průměrných nákladech 5 tis. Kč/ha odvodněné plochy, upravené k regulaci drenážního odtoku, tj. dosahuje jednotkových nákladů cca 2,50 Kč na jeden metr krychlový akumulačního prostoru.
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, Uživatelský výstup projektu TAČR, ev. č. TA02020384, Praha, 30 stran.
PEŠKOVÁ J., ŠTIBINGER J., 2015: Method of Computation the Drainage Retention Capacity (DREC) of Soil Layers with a Subsurface Pipe Drainage System. Soil and Water Research. 10: str. 24-31
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