Urządzenia wodno-melioracyjne i drenaże. Kompendium

Znaczenie drenaży i urządzeń wodno-melioracyjnych

Drenaże i melioracje należą do zabiegów mających kształtować optymalne stosunki wodne w podłożu wynikające z potrzeb maksymalizacji plonów i upraw. Rozstawy ciągów drenarskich są większe dla łąk, a mniejsze dla pól uprawnych.

Drenaże wiążą się również z budownictwem, gdzie pełnią funkcję odwodnienia terenu budowy, obniżenia zwierciadła wody gruntowej na czas prowadzenia robót fundamentowych w głębokich wykopach, osuszania obiektów budowlanych (drenaże opaskowe) itp.

Sprawdź: Woda wyzwaniem w planowaniu miast

Znaczenie odpowiednio zaprojektowanych drenaży i urządzeń wodno-melioracyjnych wzrasta w ostatnim czasie w związku z alarmującymi sygnałami i zapisami Rządowego Centrum Bezpieczeństwa (RCB) dotyczącymi anomalii pogodowych, jak również dotkliwych skutków dla rolnictwa w związku z nasilaniem się nawalnych deszczy, gwałtownych powodzi lub długotrwałych okresów suszy.

Wieloznaczeniowość melioracji dotyczy także klimatologii, a szczególnie polepszenia warunków klimatu lokalnego przez właściwe i planowe zagospodarowanie terenu z uwzględnieniem synergii między środowiskiem naturalnym i działalnością człowieka. Właściwym przykładem mogą być leśne pasy wiatrochronne zmniejszające wielkość parowania terenowego i nadmiernego wysuszania gleby.

Fot. stock.adobe (robert6666)

W ten sposób osiąga się teren bardziej przydatny zarówno dla rolnictwa, jak i budownictwa. Całość działań związanych z racjonalną gospodarką wodną na danym terenie powinna być zróżnicowana i dostosowana do istniejących warunków gruntowo-wodnych, ukształtowania terenu, rodzaju warstw gruntów i gleb, rodzaju upraw czy prowadzenia robót budowlanych. Wobec powyższego doskonała znajomość podstawowych zasad gospodarowania wodą powinna iść w parze z odpowiednią wiedzą o różnych postaciach wody w gruncie, rodzajach warstw gruntów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych, zależnościach wynikających z przepływów wód gruntowych i odpowiedzialnością za podejmowane działania.

Należy pamiętać, że woda w swoim obiegu w przyrodzie jest najbardziej agresywnym czynnikiem powodującym niejednokrotnie niepowetowane straty zarówno w erozyjności gruntów i gleb, jak i sufozyjności. Z istniejących podziałów postaci wody w gruncie, tj. wody gruntowej, kapilarnej, błonkowej czy związanej, to właśnie woda gruntowa ma najbardziej istotny wpływ na roboty fundamentowe, posadowienia i stateczność konstrukcji budowlanych.

Ruch wody w gruncie zwany filtracją lub przesączaniem zależy od ośrodka gruntowego, rodzaju gleb, jego uziarnienia, struktury i porowatości.

Rys. 1. Krzywa depresji między dwoma ciągami drenarskimi: a) zwierciadło wody gruntowej, b) obniżone zwierciadło wody gruntowej po zdepresjonowaniu

Drenaże

Drenowanie ma zastosowanie w robotach budowlanych przy odwodnieniu terenów zurbanizowanych, przemysłowych, sportowych, dróg, parkingów, lotnisk oraz w rolnictwie.

Rys. 2. Konstrukcja drenażu opaskowego i studni chłonnej przy obiekcie budowlanym

Optymalne warunki dla drenowania uzyskuje się dla gruntów piaszczystych. Dla gruntów gliniastych stosuje się gęstsze sieci drenarskie, a dla iłów drenowanie bywa często problematyczne. Głębokości założenia drenów zależą od rodzaju podłoża i celów, jakim one służą. Dla celów rolnictwa przyjmuje się następujące głębokości:

• grunty orne, gleby ciężkie – 1,0 m,
• grunty orne, gleby średniozwięzłe – 1,10 m,
• łąki – 0,70-0,90 m.

Jednak minimalna głębokość zbieraczy, elementów, do których dochodzą poszczególne ciągi drenarskie, wynosi 0,80 m.

Generalnie konieczność stosowania drenowania występuje w przypadku szybkiego i stałego obniżenia poziomu wody gruntowej i przewietrzenia dostatecznie grubej warstwy gleby i podglebia.

Fot. 1 Najczęściej stosowane dreny PCV w osłonie z geowłókniny i włókna kokosowego

Szczególnie duże połacie terenu z zalegającymi głębiej nieprzepuszczalnymi warstwami gruntów spoistych sprawiają duże trudności w przepływie wód gruntowych i opadowych ze spływem powierzchniowym w kierunku dolin rzecznych lub innych odbiorników, nadmiernie zawilgacając gleby. Chcąc przeciwdziałać temu, a jednocześnie dążąc do głębszego obniżenia poziomu wody gruntowej, należałoby wykonać sieć równoległych rowów głębokości 1,0 m w rozstawie 20-25 m, z tym że ten sposób w przeliczeniu na ha wymaga wykonania ok. 1000 m³ robót ziemnych i zajętości 15-20% terenu zmeliorowanego (!).

Biorąc pod uwagę taką sytuację, drenowanie i stosowanie ciągów drenarskich zakrytych stanowi wyjątkowo opłacalną alternatywę dla rowów odkrytych.

Należy jednak pamiętać, że o wyborze konkretnej technologii decyduje wiele czynników – terenowych, organizacyjnych, ekonomicznych z optymalizacją warunków wykorzystania rolniczego.

Rys. 3. Rozwój systemów drenarskich na przestrzeni lat: a) rurki ceramiczne, b) dreny PCV ciągłe karbowane, c) drenaże objętościowe z osłoną z geowłókniny, d) dreny taśmowe ze wzajemnie połączonych rurek w osłonie z geowłókniny

W gruntach ornych i glebach uprawnych ok. 50% ich objętości stanowią ziarna i cząstki, resztę stanowią pory wypełnione powietrzem, a częściowo wodą. Zaburzenie stosunku zawartości powietrza i wody w glebie jest przyczyną wielu niechcianych efektów. Ze względu na fakt, że dla roślin uprawnych lub plantacji najważniejsza jest grupa bakterii tlenowych, które rozwijają się tylko w obecności tlenu w porach gruntu, tym należy tłumaczyć wszystkie zabiegi w kształtowaniu odpowiednich stosunków wodnych w glebie. Przy okresowych tendencjach podnoszenia się poziomu zwierciadła wody gruntowej w glebie strefa aeracji i saturacji się zmienia.

Rys. 4. Strefa aeracji i saturacji w podłożu gruntowym: 1 – soczewka gliny, 2 – warstwa gruntów spoistych

Podnoszenie się poziomu wody gruntowej wypiera powietrze z porów i tym samym zanikają bakterie tlenowe, a rozwijają bakterie z grupy beztlenowców. Efekt takiego stanu łatwo zauważyć przy tworzeniu się lokalnych zastoisk wodnych i obumieraniu roślinności z powodu nadmiaru kwaśnych związków humusowych.

Warto pamiętać, że większość roślin uprawnych i drzew nie znosi wysokiego poziomu wody w glebie i podtopienia systemu korzeniowego. Zrozumienie tych wszystkich zależności i wyznaczenie synergii warunków w danym terenie stanowi o podniesieniu wartości gospodarczej upraw.

Dziedzina budownictwa wodnego zwana melioracją stanowi ogół zabiegów mających na celu trwałe polepszenie rolniczych, miejskich lub leśnych zdolności produkcyjnych gleb lub gruntów. Do zabiegów tych zaliczamy:

• drenowanie ceramiczne,
• drenowanie rurami karbowanymi z perforacją,
• wykonywanie rowów nawadniających i odwadniających w zależności od potrzeb terenowych,
• ochronę przez zabudowę przeciwpowodziową,
• różnego rodzaju nasadzenia, zwłaszcza terenów zalesionych i nieużytków rolnych.

W naszych warunkach klimatycznych i przy zmiennym stanie wilgotności gleb stosowane są zarówno zabiegi odwadniające, jak i nawadniające.

Rys. 5. Fragment projektu drenowania pola uprawnego

Rys. 6. Fragment projektu nawadniania łąk rowami rozlewowymi

Fot. 2. Układ rowów odwadniających na polach / Fot. 3. Rów melioracyjny rozdzielający pola

Podział melioracji wodnych

Pojęcie melioracji wodnych zostało określone w art. 195 ustawy – Prawo wodne, który stanowi, że melioracje wodne polegają na regulacji stosunków wodnych w celu polepszenia zdolności produkcyjnej gleby i ułatwienia jej uprawy.

Melioracje wodne dzielą się na:

• podstawowe obejmujące obudowę górskich potoków, regulację rzek, budowę kanałów, wałów przeciwpowodziowych, zapór i zbiorników wodnych – retencyjnych;
• szczegółowe związane z odwadnianiem gleb i terenów podmokłych za pomocą urządzeń melioracji wodnych, tj. kanałów lub rowów otwartych (głównie na użytkach zielonych), drenowania (głównie na gruntach ornych), jak również nawadniania gleb suchych za pośrednictwem rowów i ciągów drenarskich.

Do urządzeń melioracji wodnych szczegółowych zalicza się m.in.:

• rowy wraz z budowlami związanymi z ich funkcjonowaniem,
• dreny,
• rurociągi,
• stacje pomp do nawodnień,
• ziemne stawy rybne,
• wszelkiego rodzaju groble wzdłuż rowów na obszarach nawodnionych,
• systemy nawodnień grawitacyjnych i ciśnieniowych służących polepszeniu zdolności produkcyjnych gleb.

Fot. 4. Rów melioracyjny z małym przepływem wody (rzęsa) / Fot. 5. Efekt podniesienia poziomu wody

Przykłady urządzeń wodno-melioracyjnych

Fot. Kaskada w korycie rowu / Mnich

Fot. Ruchome zamknięcie na rowie / Zamknięcie na rowie pod szandory

Fot. Przepławka / Próg wodny

Fot. Przepławka w nurcie / Rowy melioracyjne z ochroną z kiszek faszynowych

Czytaj: Utrzymanie kanałów i rowów melioracyjnych

Urządzenia wodno-melioracyjne i drenaże. Podsumowanie

Ostateczny cel melioracji wodnych, czyli stworzenie optymalnych warunków do rozwoju roślin, oraz czynniki, które decydują dobrym urodzaju, są po stronie nauk przyrodniczych, natomiast środki, którymi rozporządzają melioracje, zdecydowanie należą do techniki. Przez to nie tylko mechaniczne, ale jednocześnie i przyrodnicze ujmowanie zagadnień prac melioracyjnych to podstawowa charakterystyczna cecha melioracji wodnych.

Należy stwierdzić, że obecnie stan techniczny urządzeń zarówno melioracji podstawowych, jak i szczegółowych nie spełnia ich funkcji i nie zapewnia wymaganej skuteczności funkcjonowania.

Fot. 6. Zarośnięty rów melioracyjny bez odpowiedniej konserwacji
Fot. 7. Rów melioracyjny zarośnięty trzciną
Fot. 8. Żeremie bobrowe w rowie melioracyjnym

Nakłady przeznaczane na utrzymywanie urządzeń melioracyjnych czy to podstawowych czy szczegółowych są co najmniej niewystarczające.

Wystarczy spojrzeć na statystyki. W Wielkopolsce w latach 2005 -2010 nakłady te pozwoliły na objęcie coroczną konserwacją średnio 39% zewidencjonowanej długości cieków i kanałów użytkowych dla celów rolniczych oraz 53% długości wałów przeciwpowodziowych. Jeżeli dodamy do tego stosunkowo niskie wynagrodzenia pracowników vs. ciężkie lub bardzo ciężkie warunki prac w większości wykonywanych ręcznie, to uzyskujemy perspektywę wcale nienapawającą optymizmem. Zaniedbania w okresowej i stałej konserwacji powodują na wielu odcinkach brzegów i skarp rowów oraz kanałów melioracyjnych porosty dużych skupisk drzew i krzaków, które z kolei implikują szybsze zamulanie dna, gubienie nadanych spadków podłużnych i wręcz całkowity zanik urządzeń. Do tego dochodzą jeszcze budowane przez bobry żeremie.

Skutki takich wieloletnich zaniedbań są w dużej części nieodwracalne, mają wpływ na zalewanie pól, konieczność zmian zasiewu lub ich wyłączenie ze zmianą jednocześnie określonych typów siedlisk przyrodniczych oraz ograniczenie różnorodności przyrodniczej takich terenów.

Pamiętajmy, że woda gruntowa lub swobodnie płynąca jest żywiołem nieznoszącym jakichkolwiek błędów ludzkich, zaniechań lub zaniedbań i na pewno nie przymknie na te bolączki „oka”. Stała konserwacja urządzeń melioracyjnych jest tańsza od odbudowy i tworzenia nowych systemów melioracji.

UWAGA: W znalezieniu odpowiedzi na pytania dotyczące osuwisk i innych problemów z zakresu geotechniki, hydrotechniki, posadawiania obiektów czy stosowania geosyntetyków pomocna może być internetowa encyklopedia prezentowana przez autora artykułu na http://www.inzynieriasrodowiska.com.pl/ encyklopedia.

Piotr Jermołowicz, Inżynieria Środowiska, Szczecin

Ilustracje autora