NA TERENACH ROLNICZYCH
Robert Kasperek 1, Mirosław Wiatkowski2
1 Instytut InŜynierii Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
2 Katedra Ochrony Powierzchni Ziemi, Uniwersytet Opolski
Wstęp
Współczesne melioracje powinny zapewniać gruntowne ulepszanie ekosystemów uŜytków rolnych, leśnych i wód powierzchniowych, z utrzymaniem równowagi przyrodniczej, a takŜe ograniczać wpływ ekstremalnych zjawisk naturalnych (powodzie, erozja, susze) na gospodarkę. Potrzeba melioracji wynika z niesprzyjających naszemu rolnictwu warunków klimatycznych, a zwłaszcza niekorzystnego rozkładu opadów w ciągu roku, występowania lat suchych i mokrych [MARCILONEK i in.1995]. Jak podaje LIPIŃSKI [2006], ze względu na czasową i przestrzenną zmienność warunków pogodowych na terenie naszego kraju, które prowadzą na przemian do powodzi i susz, naleŜy budować i utrzymywać w sprawności odpowiednie urządzenia wodne.
Podstawowym zadaniem melioracji jest optymalizacja układu czynników plonotwórczych w środowisku (woda, powietrze, temperatura, światło, składniki pokarmowe) w całym okresie rozwoju roślin w celu zwiększenia produkcji rolnej, ulepszanie i kształtowanie siedliska, ochrona, kształtowanie i reprodukcja zasobów wodnych. Melioracje obejmują działania polepszające zdolność produkcyjną gleb, ułatwiają jej uprawę oraz chronią uŜytki rolne przed powodziami [PRAWO WODNE 2001;
NYC, POKŁADEK 2007]. Podstawowym zagadnieniem związanym z gospodarką wodną gleb jest zapewnienie optymalnej wilgotności w warstwie korzeniowej. Wilgotność ta jest uzaleŜniona od ilości i rozkładu opadów, a takŜe temperatur powietrza, głębokości zalegania zwierciadła wody gruntowej oraz właściwości fizyko-wodnych profilu glebowego [PŁYWACZYK i in. 2007]. Podobnie stwierdza w swojej pracy Kostrzewa [KOSTRZEWA i in. 1994], Ŝe wielkość zapasów wody w glebie uzaleŜniona jest od opadów atmosferycznych i ewentualnego zasilania wodami rzecznymi.
Zgodnie z Prawem Wodnym [PRAWO WODNE 2001] kierunki rozwoju melioracji wodnych powinny wynikać z rzeczywistych potrzeb gospodarki, a takŜe racjonalnego kształtowania i ochrony cennych zasobów przyrody. Podstawowym kryterium w działalności gospodarczej i melioracyjnej powinna być zasada zrównowaŜonego rozwoju. Ponadto zadania w zakresie melioracji powinny uwzględniać aktualną kondycję rolnictwa oraz występujące i prognozowane w nim przemiany. Prawidłowo
R. Kasperek, M. Wiatkowski 214
zaprojektowane i eksploatowane systemy melioracyjne o działaniu odwadniająco-nawadniającym, zdolne do odpowiedniego kształtowania stosunków powietrzno-wodnych w glebie, pozwalają na stabilizację poziomu produkcji rolniczej na odpowiednio wysokim poziomie, zwiększenie efektywności zuŜycia wody przez rolnictwo, poprawę jakości wód w odbiornikach w wyniku lepszego wykorzystania biogenów przez roślinność [NYC, POKŁADEK 2007].
Celem pracy jest ocena działania urządzeń melioracji szczegółowych oraz ich wpływ na zdolność produkcyjną gleb terenów przyległych na przykładzie obiektu we wsi Chrząszczyce.
Metodyka i zakres badań
W celu określenia skuteczności działania rowów melioracyjnych autorzy pracy wykonali:
• inwentaryzację terenu i urządzeń melioracyjnych objętych analizą,
• niwelację terenu i określili kierunki spływu wód opadowych,
• odwierty hydrogeologiczne i wywiad terenowy z uŜytkownikami gruntów rolnych,
• analizę opadów deszczowych oraz wyznaczyli obszar oddziaływania urządzeń melioracyjnych stopnia szczegółowego,
• obliczenia spływu powierzchniowego ze zlewni badanego terenu,
• obliczenia przepustowości hydraulicznej rowów melioracyjnych,
• obliczenia zasięgu depresji rowu melioracyjnego [KASPEREK, WIATKOWSKI 2006a].
Badania zrealizowano w okresie jesiennym 2006 roku na terenie gruntów rolnych wsi Chrząszczyce (gmina Prószków).
Charakterystka badanego obszaru
Teren badań stanowią grunty rolne połoŜone w obrębie wsi Chrząszczyce w gminie Prószków (rys. 1). Badany teren (działki Nr 158/12 i 159/12) ma kształt równoległoboku o wymiarach boków 24 m i 90 m (rys. 2) i graniczy z następującymi działkami: Nr 157/12, 318/12, 160/12, 161/12, 162/12 i 171/12.
Badany teren wg aktualnej ewidencji gruntów powinien być uŜytkowany jako łąki (ŁIV), natomiast z inwentaryzacji przeprowadzonej przez autorów wynika, Ŝe jest on uŜytkowany jako grunty orne.
Na badanym terenie oraz w jego sąsiedztwie znajdują się następujące rowy (rys. 1 i 2):
• rów R1 o szerokości w dnie 30 cm, głębokości 60 cm, długości ok. 100 m i spadku dna 4%, który przebiega zgodnie ze spadkiem terenu. Jest on zarośnięty krzakami, niekonserwowany i okresowo prowadzi wodę,
• rów melioracyjny RF-2 o długości 500 m, szerokości w dnie 0,5 m i głębokości 1
OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA ROWÓW MELIORACYJNYCH ... 215 m. Odbiera on wodę z badanych terenu oraz z gruntów połoŜonych powyŜej,
• rów melioracyjny RF-1 ma długość 270 m, szerokość w dnie 0,5 m i głębokość 1 m. Jest on usytuowany prostopadle do rowu RF-2, od którego odbiera wodę i przekazuje do cieku podstawowego Olszanka.
O odwierty; drilling wells R rowy; ditches
RF rowy melioracyjne; ditches irrigation M występowanie margli; marl occurrence D drenarz; drainage
Rys. 1. Mapa badanego obszaru (BD) we wsi Chrząszczyce Fig. 1. Map of the studied area (BD) in Chrząszczyce village
R. Kasperek, M. Wiatkowski 216
Rys. 2. Schemat lokalizacji badanego terenu we wsi Chrząszczyce Fig. 2. Schematic diagram of the studied area in Chrząszczyce village
Badania i dyskusja wyników
Zarówno pomiary, jak i obliczenia wykazały, Ŝe spadek badanego terenu jest rzędu 4%. Kierunki spływu wód opadowych są tu takie, Ŝe część wód będzie kierować się do lokalnego obniŜenia terenu, a następnie do rowu R1 i rowu R2, dalej przez przepust p1 do rowu R3. W efekcie wody te dostaną się do rowu melioracyjnego RF-2, RF-1 i do cieku Olszanka, która jest dopływem Odry. NaleŜy dodać, Ŝe część wód, które wsiąkną przejmie niesystematyczny drenaŜ podziemny D (rys. 1), który znajduje się na tym terenie, tuŜ poniŜej [KASPEREK, WIATKOWSKI 2006a].
Odwierty hydrogeologiczne
OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA ROWÓW MELIORACYJNYCH ... 217
Na badanym terenie wykonano trzy odwierty O1, O2 i O3 do głębokości 1,5–2,1 m w celu określenia wysokości połoŜenia wód gruntowych (rys. 1 i 2, fot. 1) [KASPEREK, WIATKOWSKI 2006b]. Pierwszy odwiert O1 wykonano tuŜ przy drodze polnej (rys. 1).
Zwierciadło wody układało się na głębokości 67-70 cm od terenu. Profil glebowy tworzy warstwa urodzajna i piaski, które zaczynają się na głębokości 40 cm.
Fot. 1. Widok na badany teren i rowy w Chrząszczycach: 1 - kierunki spływu wody, 2 - badany teren, 3 - rów R1, 4 - rów R2, 5 - rów R3, 8 - rów RF-2
Photo 1. View of the studied area and drainage ditches in Chrząszczyce village: 1 - directions of water flow, 2 - studied field, 3 - ditch R1, 4 - ditch R2, 5 - ditch R3, 8 - ditch RF-2 Drugi odwiert O2 wykonano w północnej części obiektu. Zwierciadło wody gruntowej zalegało na głębokości 68-70 cm od terenu. W profilu glebowym znajdują się gleby dobrej klasy i piaski (równieŜ na głębokości 35-40 cm).
Trzeci odwiert O3 został wykonany tuŜ przy drodze polnej (rys. 1). W profilu odwiertu, który wykonano do ponad 1,8 m nie stwierdzono wody. Odwiert ten wykonano w lokalnym obniŜeniu, w celu określenia przyczyn występujących tu często zastoisk wód opadowych. Okazało się, Ŝe pobrany materiał podczas wierceń to margle M (rys. 1), tworzące nieprzepuszczalne podłoŜe, które nie pozwalają na wsiąkanie nadmiaru wód z opadów i ze spływu powierzchniowego. Jest to jedna z przyczyn - oprócz nieistniejącego tu juŜ rowu - powstawania lokalnych podtopień.
Spływ powierzchniowy
Woda spływająca z terenu po ulewnych deszczach i roztopach tworzy spływ
R. Kasperek, M. Wiatkowski 218
powierzchniowy, który w efekcie wywołuje erozję wodną gleby. Szczególnie dotkliwa jest ona na terenach, których spadek jest rzędu kilku % i więcej. Na badanym terenie występują spadki terenu dochodzące do 4%, a występujące tu gleby pylasto-rędzinowe są bardzo podatne na działanie erozyjne. Wśród wielu działań rolniczych i technicznych zapobiegających niszczeniu gleb i upraw rolniczych na szczególną uwagę zasługują prace melioracyjno-techniczne.
Autorzy dokonali obliczeń spływu powierzchniowego wód z opadów dla badanego obszaru w okresie wezbrań z formuły (1):
Q = 0,278α⋅I⋅F = B⋅F (1)
gdzie: Q natęŜenie przepływu (m3⋅s-1),
0,278 współczynnik przeliczeniowy jednostki, α współczynnik odpływu z opadów deszczowych, I natęŜenie deszczu (mm⋅h-1),
F powierzchnia zlewni w km2.
NatęŜenie deszczu nawalnego obliczono ze wzoru Lambora (2) [LAMBOR 1971]:
I = [(38-12log(p))⋅H0,28]⋅(t+o)n (2)
gdzie: p prawdopodobieństwo przekroczenia opadu (%), H wysokość średniego rocznego opadu (m), t czas trwania deszczu (godz.),
o, n parametry wzoru, będące funkcjami wysokości opadu H.
Z obliczeń wynika, Ŝe jednostkowy spływ powierzchniowy wynosi 3 dm3⋅s-1, na-tomiast z całej powierzchni obszaru objętego oddziaływaniem rowu RF-2 jest on rzędu 200 dm3⋅s-1.
Oddziaływanie rowów na tereny przyległe i ich hydrauliczna przepustowość
Podstawowym celem odwadniania jest usuwanie przyczyn powstawania nad-miernego uwilgotnienia i jego skutków. Najczęściej wykonuje się to przez obniŜenie poziomu wód gruntowych i odprowadzenie ich nadmiaru siecią rowów melioracyjnych i drenaŜy podziemnych. Dlatego teŜ działanie rowów powinno polegać na przechwyceniu nadmiaru wód w taki sposób, aby ich spływ po zakończeniu długotrwałych opadów lub wiosennych roztopów nie trwał dłuŜej niŜ przez dopuszczalny okres nieszkodliwego uwilgotnienia lub zalania upraw. Czas ten zaleŜy od rodzaju upraw oraz od okresu ich rozwoju. Orientacyjnie wynosi on 20-25 dni dla łąk i 7-15 dni dla ozimin i upraw jarych w okresie pozawegetacyjnym, a w okresie wegetacyjnym 1,5 dnia dla łąk i 0,5 dnia dla upraw rolnych [KLUGIEWICZ 1992]. Rowy szczegółowe odwadniająco-nawadniające mają za zadanie równomiernie osuszyć teren przez przechwycenie wód powierzchniowych oraz obniŜyć zwierciadło wody gruntowej w terenie przylegającym.
Autorzy w celu sprawdzenia czy rowy funkcjonują skutecznie i czy spełniają podstawowe zadanie, tj. przechwytują nadmiar wód, oraz czy korzystnie oddziaływują na tereny przyległe, przeanalizowali zasięg ich depresji. Obliczenia zasięgu krzywej depresji wykonano dla okresu wegetacyjnego IV-IX. Z analizy pomiarów i danych wynika, Ŝe:
OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA ROWÓW MELIORACYJNYCH ... 219
• średni opad miesięczny dla tego okresu (rok 2006) wynosi 53 mm,
• współczynnik filtracji k dla warstw tworzących profil glebowy wynosi 8,64 m⋅d-1,
• napełnienie Ho w rowie przyjęto w zakresie 0,2-1,0 m,
• połoŜenie zwierciadła wody gruntowej kształtuje się na poziomie 0,70 m (HR = 7,8 m).
Z obliczeń wynika, Ŝe w zakresie głębokości wody w rowie od 0,2 m do 1,0 m zasięg krzywej depresji pokrywa się z granicą obszaru oddziaływania rowu wyznaczoną w oparciu o pomiary terenowe oraz analizę map badanego terenu. W planach melioracyjnych wyznaczane są obszary oddziaływania melioracji szczegółowych dla określenia zasięgu ich oddziaływania. Zgodnie z polską normą [MELIORACJE WODNE
1996] obszar oddziaływania jest rozumiany jako obszar znajdujący się w zasięgu dodatniego wpływu urządzeń melioracyjnych. Podstawą do wyznaczania obszaru oddziaływania urządzeń melioracyjnych są mapy sytuacyjno-wysokościowe w skali 1 : 2000 z wrysowaną siecią urządzeń melioracyjnych, mapy glebowo-wodne z wrysowanymi konturami gleb wymagających melioracji i profile podłuŜne rowów i rurociągów. Wyznaczone strefy oddziaływania melioracji powinny uwzględniać jakość gleb w obszarze drenowania. Jednak, wraz z działaniami melioracyjnymi, właściwości gleb ulegają zmianie. Skutkuje to zmianą granic strefy oddziaływania melioracji. Strefa ta pod względem zasięgu jest zatem zmienna – zaleŜnie od aktualnej jakości gleb i innych czynników (w tym przede wszystkim klimatycznych). Dlatego do celów projektowych przyjmuje się uproszczenia w wyznaczaniu stref oddziaływania i nie w pełni odzwierciedlają one rzeczywisty zasięg odwadniający melioracji – zwłaszcza w terenach przyległych do granic strefy oddziaływania.
Najkorzystniejsze w okresie wegetacyjnym głębokości zwierciadła wody dla naszych polskich warunków w gruntach mineralnych wynoszą dla łąk 50-80 cm, dla pastwisk 70-120 cm i dla pól uprawnych 90-120 cm. W celu uniknięcia zarastania i zamulania rowu, głębokość wody nie powinna być zbyt mała i poŜądane jest, aby wynosiła co najmniej 0,2-0,5 m [PAŁYS, SMORĘDA 1986].
Autorzy przeprowadzili obliczenia hydraulicznej przepustowości rowu RF-2. W celu sprawdzenia, czy jest ona wystarczająca do przejęcia i odprowadzenia wód pochodzących ze spływu powierzchniowego podczas deszczów nawalnych z badanego terenu wykorzystano wzór na natęŜenie przepływu Q = v⋅F oraz formułę Chezy na średnią prędkość wody w korytach otwartych:
vśr = C⋅(R⋅I)0,5 gdzie: vśr średnia prędkość wody (m⋅s-1),
C współczynnik prędkości Chezy, C = R1/6⋅n-1, R promień hydrauliczny, R = F⋅U-1 (m),
F pole powierzchni czynnego przekroju rowu (m2), U obwód zwilŜony (m),
n współczynnik szorstkości, I spadek hydrauliczny.
NaleŜy zaznaczyć, Ŝe przepustowość rowów melioracyjnych zmienia się w zaleŜności od ich stanu. W tym celu obliczenia wykonano w dwóch wariantach:
• gdy stan koryta rowu jest dobry (prowadzona jest systematyczna konserwacja, n
= 0,02),
• gdy koryto jest zarośnięte i zamulone (brak jest konserwacji, n = 0,08).
R. Kasperek, M. Wiatkowski 220
Obliczenia przepustowości rowu RF-2 wykazały, Ŝe moŜe on przejmować całość wód opadowych oraz spływ, a takŜe odprowadzać je do odbiornika cieku Olszynka.
Analiza spływu powierzchniowego i ocena konfiguracji badanego terenu wskazują na potrzebę wykonania dodatkowych rowów, które by przechwytywały wody podczas deszczów nawalnych. Są to rowy R4, R5 i R6 (rys. 1), które odprowadzałyby wody do rowu RF-2.
Wnioski i zalecenia
Przeprowadzone badania wskazują, Ŝe niesystematyczna sieć rowów otwartych na badanym terenie poprawia stosunki wodne, w granicach ich bezpośredniego oddziaływania. Wynika z nich m.in., Ŝe:
• badany teren we wsi Chrząszczyce podlega bezpośredniemu oddziaływaniu rowu RF-2, przez co poprawia się zdolność produkcyjna gleb,
• rów RF-2 przejmuje opad i spływ wód z badanego terenu, a jego przepustowość jest wystarczająca, co pozwala na znaczną redukcję negatywnych skutków susz, roztopów i wezbrań,
• zasięg krzywej depresji, tj. skutecznego i korzystnego oddziaływania rowu RF-2, pokrywa się z obszarem, który został wyznaczony w oparciu o pomiary terenowe i kierunki spływu wód. Tym samym rów ten wywiera korzystny wpływ na stosunki wodno-powietrzne gleb na przyległym terenie. NaleŜy równieŜ zaznaczyć, Ŝe rów RF-1, do którego są odprowadzane wody z rowu RF-2, odgrywa teŜ waŜną rolę, gdyŜ jest odbiornikiem wód z ww. rowu, i przekazuje je dalej do Olszanki jako cieku podstawowego,
• odwierty hydrogeologiczne wykazały, Ŝe zwierciadło wody gruntowej zalega tu na głębokości rzędu 0,65–0,70 m. W dolnej części badanego obszaru występują nieprzepuszczalne margle, które zatrzymują wody opadowe i wywołują lokalne uwilgotnienie terenu.
Aby zdolność produkcyjna badanego obszaru uległa znacznej poprawie, autorzy pracy w odniesieniu do sieci rowów otwartych zalecają:
• systematyczną konserwację istniejących rowów polegającą na odmulaniu i wykaszaniu roślinności,
• odtworzenie zaoranego rowu R2 i R3,
• wykonanie nowych rowów R4, R5 i R6,
• modernizację podziemnej sieci drenarskiej w rejonie zalegania nieprzepusz-czalnych margli.
Literatura
KASPEREK R., WIATKOWSKI M. 2006a. Inwentaryzacja działek i urządzeń melioracyjnych, pomiary, wywiad terenowy i dokumentacja fotograficzna we wsi Chrząszczyce, gmina Prószków. Maszynopis, Wrocław-Opole. Obliczenia hydrologiczno-meteorologiczne, hydrogeologiczne i hydrauliczne działek oraz urządzeń melioracyjnych we wsi Chrząszczyce, gmina Prószków. Maszynopis, Wrocław-Opole.
KASPEREK R., WIATKOWSKI M. 2006b. Wykonanie odwiertów hydrogeologicznych na wybranych działkach we wsi Chrząszczyce, gmina Prószków oraz ich analiza. Ma-szynopis, Wrocław-Opole.
KLUGIEWICZ J. 1992. Polderyzacja terenów depresyjnych. TWWP, Bydgoszcz: 467 ss.
OCENA SKUTECZNOŚCI DZIAŁANIA ROWÓW MELIORACYJNYCH ... 221 KOSTRZEWA S., PŁYWACZYK A., ORZEPOWSKI W., NOWACKI J. 1994. Odnawialność zaso-bów retencji wodnej gleb. Zeszyty Naukowe AR we Wrocławiu, Konferencje III, Tom 2, Nr 246: 127-134.
LAMBORJ.1971. Hydrologia inŜynierska. Arkady, Warszawa: 364 ss.
LIPIŃSKI J. 2006. Zarys rozwoju oraz produkcyjne i środowiskowe znaczenie melioracji w świetle badań. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 5(1): 3-15.
MARCILONEK S., KOSTRZEWA S., NYC K., DRABIŃSKI A. 1995. Cele i zadania współczes-nych melioracji wodwspółczes-nych, w: Ekologiczne aspekty melioracji wodwspółczes-nych. L. Tomiałojć (red.). Wyd. Instytutu Ochrony Przyrody PAN, Kraków: 71-84.
MELIORACJE WODNE 1996. Obszar oddziaływania. PN-92/B-12041.
NYC K., POKŁADEK R. 2007. Celowość i kierunki rozwoju melioracji w Polsce. Wia-domości Melioracyjne i Łąkarskie 3: 101-105.
PAŁYS F., SMORĘDA Z. 1986. Poradnik technika melioranta. PWRiL, Warszawa: 620 ss.
PAZDRO Z. 1977. Hydrogeologia ogólna. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa: 735 ss.
PŁYWACZYK L., OLSZEWSKA B., ŁYCZKO W., KLAUS R. 2007. Oddziaływanie stopnia wodnego na Odrze w Brzegu Dolnym na koryto rzeki i warunki wodne w dolinie.
Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie 3: 106-114.
PRAWO WODNE 2001. Ustawa z dnia 18 lipca 2001, z późn. zmianami.
Słowa kluczowe: rowy, uŜytki rolne, spływ, krzywa depresji Streszczenie
Praca dotyczy oceny działania rowów melioracyjnych i ich wpływu na kształtowanie się stosunków wodnych na terenach rolniczych. Przeanalizowano m.in.
drogi spływu wód na terenach znajdujących się we wsi Chrząszczyce (gmina Prószków, województwo opolskie), dokonano obliczeń spływu powierzchniowego w zlewni obejmującej oddziaływanie rowów melioracyjnych oraz oszacowano ich hydrauliczną przepustowość. Wykonano odwierty hydrogeologiczne i pomierzono głębokość zalegania wód gruntowych na badanym obszarze. Stwierdzono, Ŝe obliczenia zasięgu krzywej depresji rowu są zgodne z pomiarami wykonanymi na badanym obszarze.
Wyniki badań świadczą o skutecznym działaniu rowu i jego pozytywnym wpływie na zdolność produkcyjną przyległych terenów.
ESTIMATIONOFWORKINGEFFICIENCY
OFTHEDRAINAGEDITCHESONTHEAGRICULTURALLANDS Robert Kasperek 1, Mirosław Wiatkowski 2
1 Institute of Environmental Engineering, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław
2 Department of Land Protection, Opole University Key words: ditch, arable land, run-off, depression curve
Summary
R. Kasperek, M. Wiatkowski 222
The paper concerns the estimation of working of the drainage ditches and their influence on forming water relations on the agricultural lands. Run-off directions of surface water on lands located in Chrząszczyce village (Prószków community, Opole province) were analyzed, calculations of run-off from the basin area including the interaction range of drainage ditch were performed, and hydraulic flow capacity of drainage ditches was calculated. Hydro-geological bore-holes were made and depth of the ground water level was measured in the studied area. It was stated that calculations of depression curve range of the ditch are compatible with the measurements performed in the studied area. The results of in the studies attested about the effective working of the ditch and its positive influence on the productive potential of the adjacent lands.
Dr inŜ. Robert Kasperek Instytut InŜynierii Środowiska
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Pl. Grunwaldzki 24
50-363 WROCŁAW e-mail: kasp@iis.ar.wroc.pl Dr inŜ. Mirosław Wiatkowski Katedra Ochrony Powierzchni Ziemi Uniwersytet Opolski
ul. Oleska 22 45-052 OPOLE
e-mail: wiatkowski@uni.opole.pl
ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 528: 223-229