Hydrologický model drenážního systému

Hydrologický model drenážního systému
Josef Eichler, Zbyněk Kulhavý
Je možné získat metodami GIS podklady pro hydrotechnické výpočty ? Ano, je. Příkladem je zpracování detailu
odvodňovacího systému a následné vytvoření orientovaných stromů z prvků drenážní sítě (trubních podzemních
i navazujících otevřených povrchových). Výsledky hydrotechnických výpočtů jsou promítnuty zpět do prostředí
GIS a slouží ke klasifikaci, analýze funkčnosti i vymezení rizik v komplexním hydrologickém modelu.
GIS application be open to create of foundations to hydrodynamic calculation. In this paper is describe example
drainage system as oriented tree (under-ground pipes and/or open canals). Results of calculation are project back
in to GIS medium and attempt to systematically categorise and to analyse of functionality of drainage systems.
Their hydrological roles in agricultural catchments have become a focus of interest.
Role odvodňovacích systémů v krajině
Na území dnešní České republiky se odvodňovací systémy budovaly již od poloviny 19. století. Dnes je
evidováno kolem 1,1 miliónu hektarů zemědělských půd, odvodněných převážně podpovrchovými drenážními
systémy. Doposud nebyla celoplošně provedena jejich systematická kategorizace. Zemědělská vodohospodářská
správa (ZVHS, dříve SMS) již od r. 1970 systematicky shromažďuje záznamy a dokumentaci o hlavních
melioračních zařízeních (HMZ) a o melioračním detailu, jehož významnou součástí jsou informace o
zemědělských odvodňovacích soustavách (ZOS). Většina dokumentů nebyla doposud převedena do digitální
formy a zatím nezačalo ani systematické zpracování údajů metodami GIS. Využitím uvedených nástrojů a
podkladů pro kategorizaci ZOS jsme se začali systematicky zabývat v rámci řešení níže citovaných projektů,
přičemž hlavní důraz byl kladen na polygonovou složku ZOS. Kulhavý a kol. 1,2 popisují důvody pro nutnost
systematické kategorizace ZOS.
Zemědělské odvodňovací soustavy hrají významnou roli ve vodním režimu půd a potažmo v odtokových
poměrech povodí drobných vodních toků. Jejich parametry a aktuální stav se významným způsobem projevují i
při extrémních hydrologických jevech. Pokud se účinek odvodnění posuzuje například s ohledem na vývoj
povodňových situací, uplatňuje se zde časový faktor předvyprázdnění půdního prostoru s pozitivním potenciálem
zvýšení infiltrační a retenční kapacity půd. Na druhé straně mohou stavby odvodnění zrychlit složky podzemního
odtoku, což může ovlivnit kulminaci povodňové vlny v dolní části vodního toku. Jedním ze základních kritérií
kategorizace odvodňovacích systémů je posouzení hydrologických parametrů systému a aktuálního stavu. To
není dost dobře možné bez hydraulických propočtů. Oproti postupům, užívaným pro návrh nových trubních
systémů (analogie s kanalizačními sítěmi apod.), je cílem prací posoudit aktuální stav. K přípravě podkladů jsme
využili technologie GIS. Data jsme zpracovali v prostředí ArcView verze 3.1 s využitím extenze Spatial Analyst
a vlastních extenzí nástrojů pro práci s drény.
Zpracování vstupních dat modelu
Prvotní činností je digitalizace vstupních podkladů a navedení atributů. Jedná se zejména o liniové vrstvy
vrstevnic, sběrných a svodných drénů. Sběrné drény se digitalizují s nepatrným přesahem přes svodné drény (je
to nezbytné pro pozdější intersekt); u obou se po změně směru trasy vyčleňují samostatné arky. Svodné drény se
dělí na samostatné arky i v bodech změn. U sběrných a svodných drénů smí mít každý ark pouze počáteční a
koncový bod. Dále se digitalizují vrstvy bodů: výustě, šachtice, významná místa svodných drénů (změny sklonu,
průměru a jiných hydraulicky důležitých charakteristik – např. materiálu), pramenné jímky, zaměřovací body
apod. Navíc se vytváří polygonová vrstva plochy drenážního systému a liniová vrstva vrstevnic, pořízených v
rámci projektové dokumentace, sloužící jako podklad sestrojení digitálního modelu terénu (slouží k odvození
sklonových poměrů sběrných drénů). Pro výsledný grid se osvědčuje hodnota pixelu 1m x 1m nebo menší.
Problémem bývá zahuštění bodového pole.
Při navádění atributů se zadávají identifikační charakteristiky drenážního systému (číslo stavby, drenážní
skupina, označení větve a typ drénu), vlastnosti sběrných a svodných drénů, u bodů jejich charakteristiky.
Projektová dokumentace je zpracována nejčastěji v měřítku 1:1000, případně v měřítku 1:2000. Zdigitalizovaná
data jsou proto v lokálních souřadnicích, měřítko je zachováno. Pro transformaci všech dat do reálu je nutné na
mapě identifikovat, nebo aktuálně zaměřit souřadnice známých prvků drenážního systému (drenážní výustě a
šachtice, odkryté podzemní prvky či jiné identifikační body).
Obr. 1: Schema výpočtu (doplňující grafická příloha - její uvedení není podmínkou, je možné ji převést do
tabulkové podoby, nebo ji graficky upravit)
Následuje vlastní zpracování dat pro vytvoření podkladů pro hydraulické výpočty. V provozované verzi je
základním předpokladem větevná síť, tj. jednotlivé drenážní skupiny jsou orientované stromy bez cyklení.
Naprostá většina pracovních operací se realizuje pomocí nabídek a nástrojů extenze "nástroje pro práci s drény",
kterou jsme pro tento účel sestrojili.
♦
Provede se intersekt sběrných a svodných drénů do vrstvy potrubního systému A a jeho očistění od přesahů
sběrných drénů přes svodné drény a očíslování všech arků (úseků) potrubního systému. Dopočítá se délka
jednotlivých arků.
♦
Liniová vrstva potrubního systému A se převede na bodovou vrstvu B počátečních a koncových bodů arků.
Základním identifikačním prvkem je číslo arku.
♦
Na bodovou vrstvu B se navedou souřadnice (x,y), případně se z DMT navede i souřadnice z. Další operací
je generace unikátních čísel bodů (n1-počáteční, n2-koncový bod úseku). Stýká-li se totiž více arků, pak se
společný bod vyskytuje tolikrát, kolik je arků se společným uzlovým bodem, i když je to ve skutečnosti
pouze jeden bod potrubního systému a má pouze jedno unikátní číslo. Generace unikátních čísel bodů je
nezbytná pro další práci.
♦
Ručně se označí výstupní body drenážního systému, tzv. výusti (postup umožňuje současnou práci s
několika nepropojenými drenážními skupinami se samostatnými výustmi).
♦
Do atributů vrstvy A potrubního systému se pomocí propojení s atributy bodové vrstvy B přenesou
souřadnice (x,y,z) krajních bodů arků a unikátní čísla n1 a n2.
♦
Vybuduje se topologie orientovaných stromů. Základními topologickými údaji jsou pro každý ark informace
o tom, kam tento ark ústí a kolik arků do něj vstupuje. Topologie se může budovat buď ze souřadnic (x,y,z),
nebo častěji z čísel unikátních bodů n1 a n2 (zde se postupuje od výusti proti směru toku).
♦
Provede se kontrola správnosti vygenerované topologie.
♦
Samostatnou pracovní etapou je příprava hydrologických podkladů, poskytujících lokální informace o
intenzitě drenážního přítoku v jednotlivých větvích podzemního trubního systému. Vedle meteorologických
podkladů jsou zpracovány územní informace o půdních vlastnostech, hydrogeologických podmínkách,
morfologii terénu, o technologii provádění stavby a jsou využity výsledky průzkumu aktuální funkčnosti
drenážního systému včetně stavu povrchu půdy a využití území (pěstované kultury, užitá agrotechnika atd.).
Tyto podklady, zpracované technologiemi GISu, jsou vstupem modelu tvorby drenážního odtoku pro
elementární, vlastnostmi relativně homogenní odtokové plochy (dříve např. užívaný model SWATRE resp.
SWACRO, dnes DRAINMOD apod. - viz lit. 4). Připojením modelu tohoto typu vzniká komplexní
distribuovaný hydrologický model popisu drenážního odtoku pro řešení rozsáhlejších odtokových ploch
(uceleného rozsahu hydromeliorační stavby, subpovodí), který lze kombinovat s dalšími hydrologickými
modely, detailně řešícími např. složku povrchového odtoku apod.
Obr. 2 : Ukázka vytvořené topologie - orientovaný strom model 1
Hydrotechnické výpočty
Po dokončení předchozích pracovních etap následuje hydrotechnické posouzení drenážního systému.
Hydraulické výpočty se provádějí v Excelu. Veškerá vstupní data jsou naplněna jako atributy zadaného
potrubního systému A. Základem výpočtu je řešení ustáleného proudění ve větevné trubní síti podzemní
drenáže3. Systém je zatížen spojitým drenážním přítokem, bodovými přítoky, přítoky z podchycených pramenů
apod. Postup umožňuje i zadání parametrů filtrace z drenážního systému do nižších zvodní, pokud k takovému
případu na ploše dochází. Z důvodů počáteční rozpracovanosti konstrukce hydraulického modelu, odpovídající
současným požadavkům řešení, je třeba dynamiku odtokových podmínek volit v diskrétních periodách daného
hydrologického zatížení a při posouzení ustáleného proudění v systému potrubí. Pro tyto podmínky jsou
stanoveny v každém uzlu střední rychlosti, průtoková množství i kapacity plnění potrubí, vyhodnoceny jsou
podmínky při proudění o volné hladině nebo při tlakovém proudění.
Výsledky hydraulických výpočtů se vyexportují do dbf-formátu a propojí se s atributy potrubního systému. Dále
se s nimi v prostředí ArcView pracuje obvyklými metodami. Zobrazení těchto charakteristik umožňuje odhalit
kritická místa systému, posoudit jak jeho funkčnost, tak i kvalitu návrhu a především kategorizovat drenážní
systém s ohledem na hydraulické poměry v potrubí a z nich odvozené podmínky existence systému
v zemědělské krajině. Výsledky lze využít také pro návrh rekonstrukce a modernizace drenážního systému.
Úloha pro GIS
Podstatným přínosem aplikace GIS je automatizace procesu posouzení, podstatné zvýšení počtu posuzovaných
profilů a variant hydrologického zatížení, možnost přehledného vymezení kritických úseků v terénu atd. Je třeba
si uvědomit, že naprostá většina prvků drenážního systému je ukryta pod povrchem terénu. Jsou-li data projektu
souřadnicově připojena k reálu, pak po odečtení souřadnic kritických úseků není technický problém nalézt místa
s dostatečnou přesností v terénu. Podobné možnosti se nabízí i pro účely rekonstrukcí a modernizací.
Obr. 3: Výsledek hydraulických výpočtů pro drenážní systém Synkov 3 (okres Rychnov n.Kn.): kapacita plnění
profilu, rychlost průtoku a Reynoldsovo číslo
Literatura
1. Kulhavý, Z., Doležal, F., Soukup, M. a Havel, M., 2000b: Identifikace a kategorizace odvodňovacích soustav
na zemědělské půdě v povodí Orlice. Agromagazín (2000) č. 12, str.33-36
2. www.telecom.cz/vumop_pce
3. Šerek M., Šálek J., Mičín J., 1983: Stokování a odvodnění. Vodohospodářské tabulky. VUT v Brně, fakulta
stavební. ISBN 80-214-1065-5
4. Modely SWATRE/M1, DRAINMOD/M2. M1: Simulation model of the Water balance of a cropped soil
(Feddes, R.A., Belmans, C.) - Journal of Hydrology, 1983, No.63, pp.271-286; M2: Simulation model for the
performance of drainage, subirrigation and controlled drainage systems. (Skaggs, R.W.), User's Guide, version
4.0, U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service, 1994
Práce je dílčím výsledkem řešení grantového projektu GAČR č. 103/99/1470 a projektů NAZV č. EP 090006150
a EP 9154 a je východiskem zahajovaného projektu NAZV p.č.1294 "Návrh a využití územního informačního
systému hydromelioračních staveb".
Poděkování
Děkujeme regionální kanceláři ZVHS v Hradci Králové a jejím územním pracovištím v Rychnově nad Kněžnou
a v Ústí nad Orlicí za zpřístupnění technické dokumentace vybraných zemědělských odvodňovacích staveb. Dále
děkujeme p. RNDr. Štěpánu Kafkovi z Okresního úřadu v Kutné Hoře za poskytnutí skriptu pro intersekt
liniových vrstev se současným přenosem atributů.
Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha
pracoviště Pardubice
[email protected]
RNDr. Josef Eichler, CSc. vystudoval Přírodovědeckou fakultu Masarykovy univerzity v Brně, obor fyzika
(1960). Ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy (od 1999) pracuje v odd. vodního režimu půd.
Ing. Zbyněk Kulhavý, CSc. vystudoval Stavební fakultu ČVUT v Praze (1985). Ve Výzkumném ústavu
meliorací a ochrany půdy se zabývá vodohospodářskými problémy zemědělské krajiny - optimalizací vodních
režimů v půdě a hydrologií malých povodí.