Drenowanie – korzyści, projektowanie, dobór elementów systemu

Projektowanie i dobór systemów drenowania są związane z optymalizacją stosunków wodnych w podłożu. W przypadku rolnictwa optymalizacja ta wynika z potrzeby maksymalizacji plonów i upraw. W przypadku budownictwa często zmuszeni jesteśmy do odwodnienia terenów przeznaczonych pod zabudowę i wiąże się to z koniecznością obniżenia zwierciadła wody gruntowej na czas budowy, prowadzenia robót fundamentowych w głębokich wykopach i osuszania obiektów budowlanych z użyciem drenaży opaskowych. Przyjmując prawidłowy proces projektowania drenowania i melioracji rolnych, uzyskuje się wiele korzyści:

• obniżenie poziomu wody gruntowej umożliwia głębsze zakorzenienie się roślin, a także zmianę upraw w sposób świadomy;
• po obniżeniu poziomu wody gruntowej w podłożu następuje dopływ powietrza do gleby i podglebia i tym samym rozwój bakterii z grupy tlenowców, rozkład nawozów, wietrzenie i przemianę składników gleby na związki bardziej przyswajalne przez rośliny;
• dzięki przyspieszeniu procesu ruchu wody gruntowej i dopływowi powietrza następuje łagodne utlenianie szkodliwych dla roślin związków żelaza;
• skutkiem wywołanej synergii między powietrzem, zjawiskami przemarzania, permanentnym przepływem wody następuje rozluźnienie zwięzłego podglebia;
• dzięki łatwiejszemu wsiąkaniu wody opadowej zmniejsza się spływ powierzchniowy i erozja gleb;
• zmienia się charakterystyka cieplna gleb, przez co drenowanie umożliwia wcześniejsze wiosenne uprawy i siewy, pozwalając roślinom osiągnąć silniejszy system korzeniowy i przetrwać okresy suszy;
• drenowanie umożliwia racjonalną gospodarkę rolną, zwłaszcza z udziałem maszyn, przez redukcję zajętości terenu o 15-20% w stosunku do rowów;
• drenowanie poprawiające warunki fizyczne gleb pozwala również na uruchomienie systematycznego działania nawożenia (naturalnego i sztucznego);
• zmniejszona zostaje rozpiętość między plonami najniższymi i przeciętnymi z wielolecia w latach nieurodzaju (lata mokre i zimne).

Wad drenowania praktycznie nie ma!

Fot. Najczęściej stosowane dreny PCV w osłonie z geowłókniny i włókna kokosowego

Elementy drenowania

System melioracji oparty na drenach składa się z sączków – rurociągów drenażowych o średnicy 5-7,5 cm, i zbieraczy o średnicy od 5 do 20 cm odbierających wodę doprowadzaną sączkiem i dalej odprowadzających ją do systemów rowów odpływowych i strumieni. Tworząc projekt drenowania, należy przede wszystkim zaplanować: układ rowów odpływowych, zbieraczy, ciągów drenaży, głębokość założenia, spadki, średnice rurociągów, rozstawy ciągów drenarskich i długości ciągów drenaży.

Rys. 1. Fragment projektu drenowania pola uprawnego

Polecamy też: Urządzenia wodno-melioracyjne i drenaże. Kompendium

Głębokość drenowania

Na wybór optymalnej głębokości drenowania ma wpływ wiele czynników:

• wymóg roślin uprawianych na danym obszarze lub potrzeba zdepresjonowania zwierciadła wody gruntowej dla potrzeb budowlanych,
• głębokość przemarzania gruntu w okresie zimowym,
• wodoprzepuszczalność gruntów podłoża,
• układ warstwicowy terenu.

Fot. stock.adobe / Frank

W zależności od upraw preferowanych na danym terenie należy tak zakładać drenowanie, aby otwory w drenach nie były zatykane najdrobniejszymi korzonkami. I tak mniejsze głębokości drenowania stosuje się dla roślin kłosowych i większe pod buraki i rzepak, sięgające korzeniami na ponad 1,5 m w głąb gruntu.

Należy jednak pamiętać, że na tym samym areale możemy mieć uprawiane rośliny kłosowe, motylkowe, okopowe i tym samym przyjmuje się pewną przeciętną głębokość uwzględniającą wymagania roślin, warunki klimatyczne, glebowe i gospodarcze.

Z wielu badań dotychczas przeprowadzonych i opracowanych licznych instrukcji wynika wspólna tendencja zmniejszania głębokości drenowania gleb bardzo zwięzłych.

Dla żyznych gleb średniozwięzłych zachowana została głębokość 1,1-1,3 m przy uwzględnieniu upraw buraków cukrowych i rzepaku. W tym przypadku szablonowe i nieprzemyślane zmniejszanie głębokości drenów implikuje zarastaniem otworów drenaży i kolejnymi częstymi naprawami.

Dla łąk nawadnianych głębokości drenowania ustala się w granicach 0,9-1,0 m, na nienawadnianyoh to 0,7-0,9 m. Dla pastwisk głębokość drenowania jest pośrednią między głębokością drenowania łąk i pól. Wszelkie areały pod uprawy chmielu i lucerny należy drenować na głębokości 1,4 m, a sady i uprawy winorośli na 1,5 m.

Tab. 1. Głębokości drenowania w funkcji części spławialnych w glebie

Drenowanie: rozstawy drenów

Wielkości rozstawy ciągów drenarskich wynikają z:

• przyjętej głębokości drenowania,
• wymaganego obniżenia poziomu zwierciadła wody gruntowej oraz
• kształtu krzywej depresji.

Rys. 2. Krzywa depresji między dwoma ciągami drenarskimi: a – zwierciadło wody gruntowej, b – obniżone zwierciadło wody gruntowej po zdepresjonowaniu

Odstępy między drenami (rozstawę) obliczamy, wychodząc z prawa Darcy’ego dla ustalonego ruchu wody w gruncie:

gdzie: H – wysokość maks. zdepresjonowanego zw.w.g. [m], k – współczynnik wodoprzepuszczalności gruntu [m/s], q – współczynnik odpływu.

Ze względu jednak na wiele problemów w ustalaniu poszczególnych wartości i precyzji pomiarów częściej stosuje się metody empiryczne oparte na badaniach wcześniej wykonanych na poletkach doświadczalnych dla różnych gruntów i przy zastosowaniu zmiennych rozstaw i głębokości drenowania.

Metody empiryczne związane są również z wieloma właściwościami fizykochemicznymi gruntów wpływającymi na ich wodoprzepuszczalność.

Przykładowe rozstawy drenów pokazuje tab. 2.

Tab. 2. Typowe rozstawy drenów [m]

Rys. 3. Wykres do wyznaczania rozstawy drenów

Drenowanie: spadki i średnice drenów

Warunkiem koniecznym dobrego i długotrwałego funkcjonowania drenowania jest możliwość samooczyszczania się drenów z osadzających się cząstek gruntowych wewnątrz przekroju drenu. Z wieloletnich doświadczeń wynika, że bezpieczną prędkością przepływu wewnątrz
drenu dla glin i iłów jest V_min ≥ 0,20 m/s, a dla gruntów pylastych z możliwością tworzenia się kurzawek V_min ≥ 0,35 m/s.

Tab. 3. Wielkości minimalnych spadów i prędkości przepływów wewnątrz drenów

Drenowanie: obliczanie średnic zbieraczy

Obliczanie średnio zbieraczy z reguły przeprowadzane jest z wykorzystaniem odpowiednich nomogramów. Do tego celu wykorzystuje się również tablice, np. z użyciem wzoru Kuttera. Sposób korzystania jest opisany każdorazowo przy nomogramach.

Nomogramy te można znaleźć, korzystając z encyklopedii zamieszczonej na stronie internetowej www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia pod hasłami: „Projekty wodno-melioracyjne” od 1 do 46.

Potrzebny przepływ oblicza się najczęściej ze wzoru:

Q = F_os  · W_odp

gdzie: F_os – powierzchnia osuszana [ha], W_odp – współczynnik odpływu równy:

0,5 l/s/ha dla gruntów spoistych zwięzłych i średniozwięzłych i 0,6 l/s/ha dla gruntów piaszczystych.

Podane wartości dotyczą opadu rocznego 600 mm. W przypadku różnic w opadach wartości współczynników odpływu należy odpowiednio zwiększać na każde 50 mm ponad 600 mm:

• o 0,05 l/s/ha dla gruntów zwięzłych i
• o 0,07 l/s/ha dla gruntów piaszczystych.

Czytaj: Utrzymanie kanałów i rowów melioracyjnych

Drenowanie: długości sączków i zbieraczy

Ilość wody, którą może odprowadzić dren odsączający o średnicy 5 cm ze spadkiem najmniejszym z dopuszczalnych 4‰, oblicza się z odpowiednich wzorów i wynosi 0,220 l/s.

Natomiast powierzchnia osuszana przez taki sączek dla odpływu 0,6 l/s/ha wynosi odpowiednio:

0,220 : 0,60 = 0,366 ha, czyli 3660 m²

Największa teoretyczna długość I sączków o średnicy 5 cm dla przyjętego spadku i = 4‰, odpływu 0,60 l/s/ha i powierzchni osuszanej 3660 m² wyniesie:

I = 3660/e

gdzie: e – rozstawa drenów [m].

Należy jednak pamiętać, że w praktyce nie powinno się przekraczać długości 200 m ciągów drenarskich. Dla uniknięcia zbyt głęboko instalowanych zbieraczy i nierównomiernego osuszania gruntów sączkami o zmiennej głębokości stosuje się w podobnych warunkach sączki krótsze, nieprzekraczające długości 100-120 mb.

Długości zbieraczy wynikają najczęściej z warstwicowego układu terenu oraz wydatku rurociągów o największych średnicach (15-20 cm). Zwykle są to długości od 1,0 do 1,2 km.

Tab. 4. Przykładowe wartości obliczeń

Drenowanie: projektowany układ drenów

Jak podano wcześniej, ustalenie potrzeby drenowania, jego zasięgu i typu z układem drenów wynika z wcześniejszych opracowań studialnych, ekspertyz i szczegółowych projektów opartych na mapach warstwicowych w skali od 1 : 5000 do 1 : 25000, dokładnym rozpoznaniu podłoża z sondowaniem i niwelacją.

Ustalone w wyniku wszystkich analiz przyczyny nadmiernego zawilgocenia gruntów w podłożu umożliwiają ustalenie potrzebnego typu drenowania (całkowitego, systematycznego, stopniowego lub częściowego).

Z analizy map sytuacyjno-wysokościowych i ukształtowania terenu będą też wynikały decyzje o sposobach drenowania i układach drenów.

Na rysunkach 4, 5, i 6 przedstawiono kilka układów drenowania w zależności od przyjętego projektu.

Rys. 4. Drenowanie podłużne

Rys. 5. Drenowanie poprzeczne

Rys. 6. Drenowanie w zakosy przy spadkach
terenu większych od 10‰

Projektowanie drenowania, dobór systemów. Podsumowanie

Podstawą wszelkich obliczeń hydraulicznych, przyjmowania układów warstw gruntów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych oraz warunków wodoprzepuszczalności jest dokładne i zgodne z przepisami rozpoznanie podłoża.

Wszystkie przedstawione zasady projektowania wymagają przyjęcia odpowiednich wartości liczbowych. Pomijanie wielu czynników lub tzw. przyjmowanie potrzebnych wielkości wcześniej niezbadanych może implikować wiele niechcianych zjawisk i w sumie dyskredytować prace studialne, analizy i projekty melioracyjne.

Woda nie znosi żadnych pomyłek lub niedoróbek. Na pewno nie przymknie „oka” na nasz słabszy warsztat projektowy. Wszelkie nomogramy i materiały aplikacyjne wskazane w tym tekście na pewno ułatwią pracę projektantom i umożliwią racjonalne zaprojektowanie drenaży.

Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska, Szczecin

Sprawdź:

Woda wyzwaniem w planowaniu miast

Produkty budowlane