Konstrukční prvky vertikálního odvodnění, výpočet, návrh

Vertikální drenáž je typ odvodnění, který umožňuje řízení vodního a solného režimu půdy pomocí drenážních vrtů; je to jedna z nových metod meliorace. Použití vertikální drenáže umožňuje automatizaci procesu řízení vodního režimu půdy, což zajišťuje stabilnější a vysoké výnosy, plně mechanizuje stavební práce, 3–5krát zvyšuje produktivitu práce a hospodárněji využívá vodní zdroje.

Vertikální drenáž byla poprvé použita v letech 1923-1925 v USA. Ve středoasijských zemích se široce uplatňuje od 1950. let XNUMX. století.

Vertikální odvodnění se dělí na systematické odvodnění (rovnoměrné uspořádání studní pro příjem vody po ploše v rozích čtvercové nebo trojúhelníkové sítě), selektivní odvodnění (studny se instalují pouze v jednotlivých nadměrně vlhkých oblastech), pobřežní odvodnění (lineární systém studní, který chrání oblast před záplavami z řeky, nádrže nebo jezera) a kombinované odvodnění (kombinace studní s horizontálním odvodněním).

Vertikální drenáž se používá k regulaci vodního režimu půdy vytvářením:

• odvodňovací a zavlažovací systémy využívající podzemní vodu zachycenou vrty pro kropení;

• regulovat hladinu podzemní vody;

• chránit rekultivované plochy před přítokem podzemní vody zvenčí, před záplavami z řek, jezer, nádrží;

• snížit tlak podzemní vody a omezit (regulovat) přítok vody do odvodněné vrstvy z hlubokých tlakových horizontů;

• pro využití netlakové a tlakové podzemní vody z odvodněné oblasti k zavlažování přilehlých suchých pozemků, zásobování vodou obydlených oblastí, farem atd.

Odvodňovací a závlahové systémy vertikálního odvodnění jsou souborem hydraulických konstrukcí (studny, ochranné a vodoodvodné kanály, stavidla, akumulační nádrže atd.), dešťových jednotek, podzemních nebo povrchových potrubí, řídicích bodů a automatizačních zařízení.

Vertikální odvodnění je často doplněno vakuovými systémy – sifony ve formě podzemních potrubí. V drenážních systémech vertikálního odvodnění nejsou žádné prvky, které zajišťují zavlažování polí.

Na jaře a po delších deštích pracuje vertikální drenáž v drenážním režimu: zapínají se studniční čerpadla a zemina a voda, které zachycují, se přivádějí do plnicích nádrží nebo do drenážních kanálů.

Regulací průtoků vrtů a doby jejich provozu je možné zajistit požadovanou rychlost odvodnění. Během období sucha se vlhkost kořenové zóny půdy reguluje kropením: vrty se zapínají a podzemní voda, kterou zachytávají, je uzavřeným potrubím přiváděna do dešťových jednotek. Zásoby podzemní vody používané k zavlažování se doplňují v podzimně-zimním a jarním období.

Využití vertikální drenáže na odvodněných pozemcích vyžaduje určité hydrogeologické, geomorfologické a půdní podmínky a především je nutné, aby krycí ložiska byla reprezentována dostatečně propustnými zeminami podloženými silnou vrstvou vodou nasycených písčitých ložisek.

Vertikální drenáž je hluboký vrt (vrtná díra), který dosahuje k mohutné zvodnělé vrstvě a částečně nebo úplně ji prořezává. Hloubka vrtu se určuje v závislosti na geologické struktuře, hydrogeologických podmínkách a hloubce zvodnělé vrstvy.

Vertikální vrty (drenáže) se obvykle staví s hloubkou 30–80 m nebo více, s průměrem 0,7–1 m, přičemž stěny vrtu jsou zajištěny pažnicovými trubkami.

Při čerpání vody vertikální studnou klesá hladina podzemní vody kolem odtoku a vytváří se depresní trychtýř. Ten může být symetrický (při čerpání vody z povodí podzemní vody) a asymetrický (při čerpání z toku podzemní vody).

Podle umístění odvodňovacích trubek v plánu se rozlišuje plošná (systematická), kdy je nutné snížit hladinu podzemní vody v zavlažované oblasti, a lineární, kdy řada vrtů zachycuje zemní tok vstupující do dané zavlažované oblasti z přilehlých pozemků.

V souladu s tím se odvodnění rozlišuje v několika typech – systematické, lineární a selektivní. Druhý typ je omezen na jednotlivé oblasti, kde je vyžadováno selektivní snížení hladiny podzemní vody.

Podle umístění v plánu mohou být vertikální vrty jednotlivé nebo seskupené. Pokud je skupina vertikálních vrtů v plánu umístěna ve vzájemné vzdálenosti menší než je poloměr jejich vlivu, pak se takové vrty nazývají interagující.

Přívodní část studny je vybavena filtry. Filtry jsou obvykle vyrobeny z kulatých kovových perforovaných trubek (lze použít i tyčové nebo jiné konstrukce a materiály). V blízkosti každé studny je instalován transformátor z elektrické sítě a skříň se zařízením pro automatické ovládání odvodňovacího čerpadla. Pro organizaci dálkového ovládání a údržby se vertikální studny slučují do systémů 20–100 studní.

Vertikální drenáž je vhodné zařídit v takové geologické struktuře půdní vrstvy, kde se nacházejí mocné hrubozrnné nebo oblázkové zvodnělé vrstvy s tlakovými vodami bez souvislých nepropustných vrstev, s vodonosnou kapacitou zvodnělé vrstvy T větší než 100 m2/den:

T = k * m

k — koeficient filtrace zvodnělé vrstvy půdy, m/den;

m je tloušťka této vrstvy, m.

Navrhování vertikální drenáže spočívá ve vytvoření sestupného toku vody, určeného analýzou vodní a solné bilance, a zajištění potřebného snížení hladiny podzemní vody v zavlažované oblasti. Na základě této pozice se nejprve určí parametry systému, tj. typ drenáže, její produktivita atd., a poté se vypočítají parametry vrtů, jejich počet, vzdálenosti mezi nimi, průtoky a v konečném důsledku návrh vrtu a čerpací zařízení pro něj.

Proveditelnost výstavby vertikálních drenáží s různou vodní kapacitou se určuje na základě technických a ekonomických výpočtů.

Vertikální drenáž se používá na zavlažovaných i odvodněných pozemcích, v oblastech s nedostatečnou, nestabilní i nadměrnou vlhkostí.

Měrný průtok vertikální studny, tj. průtok na 1 m hloubky čerpání, nesmí být menší než 5 l/s. Konstrukce studní s nízkým měrným průtokem je neefektivní.

Vertikální drenáž má oproti horizontální drenáži mnoho výhod:

• podporuje rychlé snižování hladiny podzemní vody a odsolování půdy s rozšířením těchto procesů do větších hloubek;

• při jeho použití je možné čerpanou vodu (pokud je mírně mineralizovaná) využít k zavlažování a proplachování zasolených půd;

• v důsledku provozu vertikální drenáže je zajištěna dostatečná kapacita aerační zóny, umožňující efektivní podzimní, zimní a jarní vyplavování zasolených půd, a je možné regulovat polohu hladiny podzemní vody, což umožňuje vytvoření optimální půdní a zemní vlhkosti v aerační zóně.

Udržování optimálního režimu podzemní vody během vegetačního období v kombinaci s dobrým zemědělským komplexem zabraňuje obnově zasolení a vytváří příznivé podmínky pro získání vysokých výnosů zemědělských plodin.

Navzdory mnoha pozitivním aspektům má vertikální drenáž i nevýhody:

• pro zajištění jeho provozu je nutné jej vybavit ponornými elektrickými čerpadly, což výrazně zvyšuje náklady na výstavbu odvodňovacích kanálů a zvyšuje provozní náklady;

• při provozu drénu se v jeho blízkosti a kolem něj vytváří trychtýř stlačení hladiny podzemní vody, v důsledku čehož je půda nerovnoměrně odvodněna;

• při prodlouženém a intenzivním provozu vertikálních drénů, zejména jejich velké skupiny, je možné výrazné oslabení a pokles tlaku vod zvodně, ze které čerpají vodu, a to v některých případech může vést k pronikání vysoce mineralizovaných artézských vod, nacházejících se hlouběji, do zvodně a do horních vrstev půdního krytu.

Existují příklady, kdy v důsledku hlubokého poklesu hladiny podzemní vody dochází ke zvýšení vyplavování živin z půdy a ke snížení její úrodnosti.

Vertikální drenáž by měla být navržena tak, aby odčerpávala převážně dynamické zásoby podzemní a podzemní vody. To vyžaduje materiály z rozsáhlého komplexu průzkumů a studií přírodních podmínek konkrétního masivu. Na základě těchto materiálů a údajů z analýzy vodní a solné bilance se určí zatížení drenáže a také objem přebytečné vody, který musí být odveden mimo zavlažovanou plochu.

Během provozu musí vertikální drenáž zajistit vytvoření sestupného toku vody s poklesem hladiny podzemní vody do stanovené hloubky (nejméně 2,5 m) a tento režim udržovat po celou dobu provozu zavlažovacího systému.

Při návrhu a provádění filtračních výpočtů pro vertikální drenáž se stanovují její parametry, typ a provedení drenáže, kapacita spotřeby vody (průtok vrtu), zaručené snížení hladiny podzemní vody, poloměr vlivu vrtu (plocha odvodněného území jednou vrtu a skupinou vrtů) a vzdálenosti mezi vrty.

Parametry vertikálního odvodnění jsou určeny průměrným ročním zatížením provozního období, kdy odvodňovací kanály pracují v ustáleném i neustálém režimu.

V závislosti na obdobích vývoje zasolených zavlažovaných pozemků se bude provozní režim vertikálního drenážního systému lišit. Během melioračního období provozní režim zajišťuje odvod drenážní vody při odsolování půdy a během provozního období optimální vodně-slaný režim.

Provozní režim vrtů závisí také na přírodních a ekonomických podmínkách. Může být konstantní v průtoku, konstantní v čase a proměnlivý v počtu provozovaných vrtů, konstantní v ročních obdobích. Při použití čerpané vody k zavlažování je provozní režim vrtů koordinován s harmonogramem spotřeby vody rostlinami.

Výběrová bibliografie

Monografie a brožury