Funkce odvodňovacích systémů v době extrémních srážek

FUNKCE ODVODŇOVACÍCH SYSTÉMŮ V DOBĚ EXTRÉMNÍCH
SRÁŽEK
M. Soukup, F. Doležal, Z. Kulhavý, J. Maxová
Anotace
Příspěvek je zaměřen na drenážní odtok, jako reprezentativní charakteristiku funkce
odvodňovacího systému a neopominutelnou složkou hydrologické bilance. Z mnohaletého
pozorování odtoků v povodí Cerhovického potoka u Hořovic jsou zpracovány základní
statistiky a křivky pravděpodobnosti překročení drenážního odtoku. Reakce drenážních
systémů na srážky je simulována modelem DRAINMOD. Na tomto základě je odhadnut
příspěvek odvodňovacích systémů k celkovému odtoku z povodí a hodnocena funkce těchto
systémů v době výskytu extrémních srážek, tání sněhu a odtoků. Lze konstatovat, že
příspěvek odvodňovacích systémů k povodňovým odtokům nižších a četnějších povodní je
sice číselně významný, nejde však o vodu navíc, nýbrž o vodu, která by i bez odvodňovacích
systémů z povodí odtekla, a to pravděpodobně rychleji. Při extrémně vysokých povodních je
vliv odvodňovacích systémů prakticky zanedbatelný.
Abstract
This paper is focused on the drainage runoff, a representative characteristic of functioning of
the drainage system and a non-negligible component of hydrological balance. Data from
multi-annual runoff measurement in the Cerhovický potok catchment near Hořovice town
were processed in order to obtain basic statistics and a probability-of-exceedance curve of
drainage runoff. The reaction of drainage systems to precipitation was simulated using the
DRAINMOD model. On this basis, the contribution of drainage systems to the total
catchment runoff and the functioning of drainage systems at the time of extreme precipitation,
snowmelt and runoff were estimated. One can state that the contribution of drainage systems
to the total runoff during lower and more frequent floods is numerically substantial. However,
this is not water in addition but water that would become a part of the runoff anyway, even if
there were no drainage systems in the catchment. In the latter case the runoff would be
probably even quicker. During extremely high floods the effect of drainage systems is
practically negligible.
Úvod
V uplynulém století, zvláště v letech 1960–1990, bylo v České republice odvodněno 1,087
mil. ha zemědělské půdy, což činí cca 25 % její celkové výměry. V některých oblastech
bývalého Jihočeského a Východočeského kraje bylo odvodněno více než 60 % zemědělské
půdy. Odvodňovací systémy byly koncipovány jako kombinace podrobného drenážního
odvodnění s povrchovými odvodňovacími příkopy a kanály a upravenými drobnými vodními
toky. I když o funkci těchto vypovídá celá řada charakteristických znaků a faktorů, drenážní
odtok je hlavním znakem a důkazem jejich funkce. Na území ČR se hodnoty návrhového
specifického drenážního odtoku pohybovaly vesměs v rozmezí 0,6 – 1,0 l.s-1.ha-1. Skutečné
drenážní odtoky jsou po většinu času značně menší, avšak během krátkých extrémně vlhkých
období mohou výrazně převyšovat návrhové hodnoty. Cílem této práce je zhodnotit velikost a
proměnlivost drenážních odtoků a významnost jejich příspěvku k povodňovým průtokům.
Materiál a metody
Experimentální povodí Cerhovického potoka (Doležal aj., 2002; Soukup, 2002; Soukup aj.,
2001) náleží do hydrologického pořadí 1-11-04-034. Plocha povodí nad současným
závěrovým profilem činí 7,36 km2. Nadmořská výška se pohybuje mezi 390 a 572 m.
Dlouhodobý průměr ročních srážek je 617 mm (Holoubkov, 1901-1950), dlouhodobá
průměrná teplota vzduchu je 7,5 oC (Jince 1901-1950). Geomorfologicky náleží povodí do
České vysočiny, celku Hořovické pahorkatiny. Geologický podklad je tvořen břidličnatými
souvrstvími staršího paleozoika a proterozoika, překrytými vrstvou pleistocenních sedimentů.
Kvartér je zastoupen deluviofluviálními a fluviálními sedimenty. Podložní horniny mají
omezenou propustnost, ale obsahují puklinové podzemní vody. Převažujícími půdními typy
jsou oglejené subtypy luvizemí, koluvizemí a fluvizemí, hlinito-jílovité až jílovito-hlinité.
Systematickou a místy i sporadickou drenáží bylo v tomto povodí v letech 1970–1980
odvodněno celkem 146 ha zemědělské půdy. Drenážní systémy byly navrženy na specifický
návrhový odtok 0,65 l.s-1ha-1. Povodí je odvodňováno Cerhovickým potokem, do něhož jsou
zaústěny 3 příkopy o celkové délce cca 1,5 km. V tomto experimentálním povodí byly
v letech 1990-2002 kontinuálně měřeny srážky, průtoky vody v recipientu, drenážní odtoky a
řada dalších veličin. Drenážní odtoky byly měřeny na měrných Thomsonových přelivech
umístěných v betonových šachticích. V tomto článku jsou uváděny výsledky z drenážní
skupiny ležící na orné půdě a uzavírané šachticí Š7, o výměře 40,5 ha.
Výsledky a diskuse
Z 12-leté řady sledování drenážních odtoků na skupině Š7 byla zhotovena křivka
pravděpodobnosti překročení průměrných denních drenážních odtoků (viz obr. 1).
Pravděpodobnost překročení je nutno interpretovat jako průměrné procento dní v roce, během
kterých je průměrný denní odtok stejný nebo větší než příslušná hodnota na svislé ose.
(Kulhavý aj., 2002). V tab. 1 jsou uvedeny roční srážkové úhrny a charakteristiky drenážního
odtoku za jednotlivé roky období 1992 – 2002.
Tab. 1. Srážky a drenážní odtoky na skupině Š7 v letech 1992 - 2002
Rok
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
Prům. Prům. roční Roční
roční
specif.
srážkový
průtok
odtok
úhrn
Qd (l.s-1) qd (l.s-1.ha-1)
(mm)
1,10
0,027
416,7
1,01
0,025
553,5
1,74
0,043
558,5
3,51
0,087
669,0
7,79
0,191
(457,8)*
6,49
0,164
422,0
2,59
0,064
517,4
2,95
0,074
481,2
1,87
0,046
573,0
1,92
0,047
660,9
***
***
811,2**
Roční
součinitel
odtoku
0,20
0,14
0,24
0,41
(1,32)
1,22
0,39
0,48
0,25
0,22
***
Max. prům.
Max.
Max.
Datum
denní specif, okamžitý
okamžitý maxima
odtok qd
specif. odtok průtok Qd
(l.s-1.ha-1)
qd (l.s-1.ha-1)
(l.s-1)
0,33
0,35
14,34
29.3.
0,22
1,31
53,03
18.3.
0,52
1,37
55,52
13.4.
1,42
1,78
71,92
1.9.
1,44
2,33
94,37
12.7.
1,82
2,78
112,68
10.2.
1,15
1,78
71,92
1.11.
0,98
1,43
58,08
22.2.
1,03
1,57
63,40
31.3.
0,65
1,08
43,75
23.3.
2,06
2,33
94,37
14.8.
Poznámky k tab. 1:
* Měření srážek v r.1996 není úplné, roční úhrn je mírně podhodnocen.
** Srážkový úhrn je získán z objemového měření (tj. nikoli z ombrografu, což však
nezpůsobuje systematickou chybu srážkového úhrnu.
*** Data dosud nejsou zpracována.
Drenážní odtok je jednou z výslednic průběhu srážko-odtokového procesu na odvodněném
pozemku a v jeho okolí. Tento proces je velmi složitý, a proto ani roční objem drenážního
odtoku, ani maximální odtok v daném roce nejsou v těsné korelaci s ročním srážkovým
úhrnem. Roční součinitel drenážního odtoku se v období 1992-2002 pohyboval v poměrně
širokém rozmezí od 0,14 (1993) do 1,22 (1997), což ukazuje na značné rozdíly mezi
jednotlivými roky. Existuje významná korelace mezi průměrným ročním drenážním odtokem
a maximálním drenážním odtokem v daném roce (R2 = 0,7075) a také mezi maximálním
průměrným denním odtokem a maximálním okamžitým odtokem (R2 = 0,7606). Vůbec
nejvyšší hodnota okamžitého odtoku 112,68 l.s-1 byla naměřena paradoxně ve
srážkově suchém roce 1997. K nejvyššímu odtoku došlo 10.2.1997, odtok v kulminaci trval
celkem 5 hodin a byl způsoben táním sněhu. Dlouhá doba trvání kvaziustáleného
kulminačního průtoku naznačuje, že výtok z odvodňovacího systému je omezován
hydraulickými možnostmi půdy, potrubní sítě a možná i měrného přelivu. Druhý nejvyšší
naměřený kulminační odtok z drenážního systému Š7 nastal po srážce 97.3 mm dne
12.8.2002., a to 94,37 l.s-1, čemuž odpovídá kulminační specifický odtok 2,33 l.s-1.ha-1.
Dochází pochopitelně k určitému zpoždění kulminace drenážního odtoku za kulminací odtoku
povrchového. Při tak velkých průtocích dochází v nádrži měrného objektu k bouřlivému
vývaru navzdory tomu, že vtokové potrubí do této nádrže je opatřeno usměrňovačem.
Hodnota naměřeného průtoku je proto vzhledem k nepříznivým hydraulickým podmínkám
pouze přibližná. Na odvodněných lokalitách nejde jen o transformaci vod pocházejících ze
srážek. Určitý podíl přítoku vod je přítok podzemní, který se od místa k místu či od lokality
k lokalitě proměňuje. Z hlediska hydrogeologického lze dílčí části povodí (lokality)
charakterizovat jako hydrologicky více či méně aktivní.
Vyhodnocení příspěvku odvodňovacích systémů k celkovému odtoku závěrovým profilem je
uvedeno v tab. 2 pro roky 1997-1999 (závěrový profil byl během několika let před r. 1997
nefunkční z důvodu výstavby dálnice v dolní části povodí). Data v tab. 2 jsou odvozena za
předpokladu, že odvodňovací systémy zaujímají v povodí 146 ha a specifické odtoky jsou u
všech systémů stejné jako u Š7.
Tab. 2 Podíl drenážního odtoku na celkovém odtoku závěrovým profilem
Rok
1997
1998
1999
Prům.
roční
průtok
závěr.
profilem
(l.s-1)
Prům.
roční
průtok
z dren.
systémů
(l.s-1)
Příspěve
k drenáží
k prům.
odtoku
(%)
23,40
113,69
9,34
47,25
10,63
42,08
20,58
19,76
25,27
Max.
prům.
denní
průtok
závěr.
profilem
(l.s-1)
Max.
prům.
denní
průtok
z dren.
systémů
(l/s)
Příspěvek
drenáží k
max.
prům.
dennímu
odtoku (%)
375,89
265,22
70,56
372,32
168,57
45,28
246,91
143,19
57,99
Datum
maxima
v potoce
/ v dren.
systému
Š7
26.2. /
10.2.
1.11. /
1.11.
20.2. /
22.2.
Z tab. 2 vyplývá, že tímto způsobem vyhodnocené procentuální hodnoty příspěvku drenáží
jsou nadhodnocené (v jednom případě dokonce vyšší než 100 %), neboť ne všechny drenážní
systémy v povodí reagují na tání sněhu a srážky tak intenzivně jako Š7. Nicméně je vidět, že
drenáže výrazně přispívají k celkovému objemu odtoku závěrovým profilem Cerhovického
potoka, a to zejména ve srážkově chudém roce 1997. Významný je rovněž příspěvek
odvodňovacích systémů k povodňovým průtokům v potoce.
Skutečnost, že značná část odtoku v potoce je tvořena vodou z drenážních systémů, ovšem
neznamená, že drenážní systémy průtok v potoce zvyšují. Naprosto převažující část této vody
by musela z povodí tak jako tak odtéci, a to zčásti po povrchu, zčásti v mělké a propustné
povrchové vrstvě půdy. Tento odtok by byl pravděpodobně stejně rychlý, ne-li rychlejší než
odtok drenážní, a proto by celkové kulminační průtoky v povodí byly zhruba stejné, popř. o
něco vyšší. Tato úvaha je ilustrována na obr 2., kde je vynesen výsledek simulace procesu
drenážního odtoku modelem DRAINMOD (Doležal aj., 2001), kalibrovaným pro jiné
pokusné povodí VÚMOP u obce Černičí u Čechtic (hydrologické pořadí 1-09-02-105).
DRAINMOD neumožňuje simulovat podpovrchový odtok mimo drenážní systém, a proto
čára překročení povrchového odtoku z nedrénovaného pozemku leží pod čárou překročení
drenážního odtoku, avšak při extrémních povodňových situacích se obě čáry sbíhají. Za ještě
extrémnější situace, jak naznačuje tvar křivek, by se křivka povrchového odtoku dostala nad
křivku drenážního odtoku, neboť na rozdíl od drenážního odtoku není povrchový odtok ničím
omezen. Pro drénovanou lokalitu vycházel podle DRAINMODu vždy nulový povrchový
odtok. Součet povrchového a podzemního mimodrenážního odtoku z nedrénované lokality by
pravděpodobně dal čáru překročení prakticky shodnou s čárou překročení drenážního odtoku
na drénované lokalitě.
Velmi zřídka se vyskytující extrémní povodně jsou natolik převážně tvořeny povrchovým
odtokem, že příspěvek odvodňovacích systémů, jehož absolutní hodnota je omezena shora
hydraulikou pohybu vody v půdě a v drenážní síti, je zcela zanedbatelný. Tak např. v noci
z 11. na 12.8.2002, kdy v povodí Cerhovického potoka spadla extrémní srážka 97,3 mm,
přičemž půda byla již nasycena předchozími srážkami, došlo k extrémní povodňové vlně,
která vybřežila z koryta potoka, takže nebylo možno změřit kulminační průtok. Kulminační
průtok byl rekostruován z nepřímých informací a na základě hydraulických výpočtů byl
odhadnut na cca 4900 l/s (Soukup a Johanovský, 2002). Drenážní odtok ze skupiny Š7 byl
během této povodně cca 94,4 l/s, tj. pouhé cca 2 % celkového průtoku.
Závěry
Na základě 12 let pozorování drenážních odtoků v horní části experimentálního povodí
Cerhovického potoka byla vyhodnocena křivka pravděpodobnosti překročení průměrných
denních drenážních odtoků a byl odhadnut příspěvek drenážních systémů k celkovému
průtoku v potoce. Tento příspěvek je významný, zejména v suchých letech. Značný je i
příspěvek odvodňovacích systémů ke kulminačním průtokům v potoce za malých, častěji se
vyskytujících povodní. To však neznamená, že drenážní systémy průtok v potoce zvyšují.
Převažující část této vody by musela z povodí odtéci povrchovým a rychlým podpovrchovým
odtokem mimo drenážní síť, a tomu odpovídající čára překročení odtoku z neodvodněného
území by byla přibližně stejná jako čára překročení drenážního odtoku na odvodněném území.
Při extrémních povodních je pak příspěvek odvodňovacích systémů k celkovému odtoku
zanedbatelný (řádu jednotek procent).
Poděkování:
Příspěvek byl vypracován v rámci řešení etap 10 a 14 výzkumného záměru VÚMOP č. MZeM07- 99-01 “Komplexní řešení problémů hospodaření s půdou, vodou a krajinou VÚMOP
Praha“ a projektu Grantové agentury ČR č. 103/99/1470 „Extrémní hydrologické jevy
v povodích“. Autoři děkují kolegovi P. Hospodkovi za mnohaleté a pečlivé měření v povodí
Cerhovického potoka.
Literatura
DOLEŽAL, F., ČMELÍK, M., KULHAVÝ, Z., KVÍTEK, T., PILNÁ, E., SOUKUP, M., TIPPL, M. Úvod.
Základní charakteristika pokusných povodí. In: Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve
středočeském krystaliniku. Srovnání základních souborů dat. Sborník z workshopu, Nové
Hrady, 16. října 2001. Praha: VÚMOP Praha., 2002, s. 5-12.
DOLEZAL, F., KULHAVY, Z., SOUKUP, M., KODESOVA, R: Hydrology of tile drainage runoff.
Physics and Chemistry of the Earth, Part B: Hydrology, Oceans & Atmosphere, sv. 26, 2001,
DOLEŽAL, F., SOUKUP, M., KULHAVÝ, Z., KODEŠOVÁ, R.: Semikvantitativní odhad příspěvku
odvodňovacích systémů na zemědělských půdách k průběhu povodní. In: Extrémní
hydrologické jevy v povodích. Sborník přípsěvků z workshopu 2001, Praha, 28.-29.listopadu
2001. Praha, ČVUT a ČVTVS, s. 115-129.
KULHAVÝ, Z., ČMELÍK, M., KVÍTEK, T., SOUKUP, M., TIPPL, M.: Extrémní průtoky
/v pokusných povodích a pravděpodobnost jejich výskytu. . In: Pokusná zemědělsko-lesní
povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku. Srovnání základních souborů dat. Sborník z
workshopu, Nové Hrady, 16. října 2001. Praha: VÚMOP Praha., 2002, s. 37-48.
SKAGGS, R.W., Drainmod, Reference Report. USDA - SCS, South National Technical Center,
Fort Worth, TX, USA, 1980.
SOUKUP, M.: Rozsah a funkce odvodňovacích systémů v experimentálních povodích
VÚMOP. . In: Pokusná zemědělsko-lesní povodí VÚMOP ve středočeském krystaliniku.
Srovnání základních souborů dat. Sborník z workshopu, Nové Hrady, 16. října 2001. Praha:
VÚMOP Praha., 2002, s. 23-35.
SOUKUP, M., JOHANOVSKÝ, Z.: Vyhodnocení kulminačního průtoku v Cerhovickém potoce
v srpnu 2002. Presentace na workshopu VÚMOP „Metody interpretace a využití dat z
pokusných povodí a ploch“, Dolní Věstonice, 19.-20.9.2002.
SOUKUP, M., PILNÁ, E., DOLEŽAL, F.: Srovnání obsahu dusičnanů v drenážních a povrchových
vodách při extrémním průtoku v povodí Cerhovického potoka. Vodohospodársky časopis 49,
2001, č. 3-4, s. 223-236.
Ing. Mojmír Soukup CSc., Ing. František Doležal CSc., Ing. Zbyněk Kulhavý CSc., Ing.
Jana Maxová
Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, Žabovřeská 250, 156 27 Praha 5 - Zbraslav,
tel. 257 921 640, fax 257 921 246, [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Legendy k obrázkům:
Obr. 1 Pravděpodobnost překročení průměrného denního drenážního odtoku na drenážní
skupině Š7 (40,5 ha) v povodí Cerhovického potoka na základě dat z let 1992-2002
Obr. 2 Čáry překročení specifického drenážního odtoku (je-li na pozemku drenáž) a
specifického povrchového odtoku (není-li na pozemku žádná drenáž), simulované modelem
DRAINMOD, běh fd24-xx3, Černičí, Š1, 1.3.1997 - 31.5.2000
Prům. denní spec. dren. odtok qd (l/s/ha)
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,01
0,1
1
Pravděpodobnost překročení (%)
10
100
4
3,5
Spec. odtok (cm/den)
3
Dren. odtok (s drenáží)
2,5
Povrch. odtok (bez drenáže)
2
1,5
1
0,5
0
0,0001
0,001
0,01
Pravděpodobnost překročení
0,1
1