Souhrn

Sledování jakosti vody v České republice (ČR) nemá tak dlouhou tradici jako sledování jejího množství, a to i přesto, že pro společnost, průmysl i zemědělství je kvalita vodních zdrojů strategická. Pro šíření znečištění ze zemědělské činnosti je významný podpovrchový odtok. S podpovrchovým (drenážním) odtokem je spojováno především vyplavování dusičnanů, pesticidů a dalších ve vodě rozpustných látek (fosforečnany) aplikovaných na zemědělskou půdu. Stavby zemědělského odvodnění byly v minulosti budovány za účelem podpory a rozvoje zemědělství. Jejich tradice v ČR sahají do konce 19. století, nejintenzivněji však byly realizovány v období do 2. světové války, později pak v letech 1960–1990. Odvodňovací stavby na zemědělských pozemcích byly navrhovány jako jednoúčelové k odvádění přebytku vody z pozemku. Se zvyšujícím se výskytem hydrologických extrémů (zejména sucha, ale i přívalových dešťů) je jejich funkce v některých obdobích kontraproduktivní. Proto jsou v současné době přijímána opatření na drenážních systémech či v jejich návaznosti, která mohou zmírnit a eliminovat dopady obou hydrologických extrémů. Pro návrhy opatření, která stávající jednoúčelovou funkci odvodňovacích systémů rozšíří či jejich negativní efekty minimalizují (drenážní biofiltry, umělé mokřady a tůně na drenážních výustích, regulační drenáže), je však nutná znalost umístění dílčích prvků plošného odvodnění, především drenážních výustí. Informaci o umístění drenážní výusti lze získat dohledáním, naskenováním a následnou orto-rektifikací podrobných situací staveb zemědělského odvodnění. Tento postup však není možné aplikovat vždy, protože v období majetkových transformací v devadesátých letech 20. století byla značná část podkladů ztracena nebo zničena. Z těchto důvodů bylo testováno termografické snímkování jako nová metoda pro identifikaci drenážních výustí. Předpokladem pro její užití je skutečnost, že teplota drenážní vody a teplota vody v povrchovém toku jsou odlišné, zejména v létě a v zimě. Termografickým snímkováním po délce vodního toku lze identifikovat oblasti s náhlou změnou teploty, která identifikují místa přítoku vody do vodního toku. Na základě získaných výsledků lze tvrdit, že termografie představuje užitečnou metodu k identifikaci drenážních výustí.

Úvod

Plocha provedených odvodnění dosahuje na celém světě podle dostupných zdrojů více než 200 milionů hektarů zemědělské půdy [1]. V České republice bylo odvodněno celkem 1 016 500 ha, což představuje více než 25 % zemědělské půdy [2]. Drenážní systémy jsou v ČR obvykle koncipovány jako kombinace podrobného odvodňovacího zařízení (POZ), nejčastěji v podobě plošné podpovrchové trubkové drenáže (záchytné, sběrné a svodné drény), která je zaústěna do povrchových nebo zatrubněných hlavních odvodňovacích zařízení (HOZ) nebo přímo do drobných vodních toků (DVT). Odtok z drenážních systémů představuje zároveň v podmínkách České republiky jeden z hlavních zdrojů podpovrchového plošného znečištění vod. Drenážním odtokem dochází zejména k vyplavování dusičnanů, některých pesticidů a jejich metabolitů i dalších látek rozpustných ve vodě. Množství látek vyplavované z půdy drenážními systémy je přímo úměrné k velikosti a dynamice odtoku vody [3].

Drenážní systémy obecně urychlují odtok z povodí. Dynamika koncentrací většiny látek je v drenážních vodách velmi proměnlivá. Drenážní vody mohou mít pro jednotlivé složky odtoku značnou časovou variabilitu ve vazbě na průběh počasí, půdní a hydrogeologické podmínky povodí, nasycenost půdního profilu, dobu a intenzitu aplikace hnojiv, biochemické reakce v půdním prostředí, způsob využití území a jeho morfologii. Klíčový je tedy původ vody a cesty jejího odtoku do odvodňovacího systému [4–6].

Zabránit zhoršování stavu povrchových i podzemních vod a zlepšení jejich jakostního i kvantitativního stavu je cílem Rámcové směrnice Evropského parlamentu a Rady 2000/60/ES ze dne 23. října 2000, ustavující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky. Plánování v oblasti vod je rozděleno do tří šestiletých období. Plošné zemědělské zdroje znečištění vod však v rámci předchozích dvou plánovacích období v oblasti vod nebyly analyzovány ani hodnoceny. Problematika hodnocení stavu vodních útvarů z hlediska vlivu plošných zemědělských zdrojů znečištění zůstala v procesu plánování v oblasti vod dosud téměř neřešena [7]. Třetí plánovací období probíhá od počátku roku 2016 do roku 2021 a realizace opatření třetího plánovacího období bude probíhat v letech 2022 až 2027. Pro efektivní návrhy opatření, které bude možné promítnout do třetího plánovacího období, musí být proto charakteristický multifunkční přínos. Navržená opatření musí nejen zajistit funkčnost staveb odvodnění zamokřených zemědělských pozemků, ale zároveň také vytvářet zásoby vody pro letní období a tím snižovat rizika i dopady výskytu sucha agronomického, případně hydrologického [8]. Navržená opatření rovněž kromě aspektů optimalizace vodního režimu zemědělských pozemků, tj. eliminace hydrologických extrémů, musí přispět ke zlepšení samotné jakosti drenážních vod. Opatření musí být zaměřena především na snížení odnosu živin a dalších polutantů z povodí prostřednictvím zemědělského odvodnění [9–11].

Kvalita provedených návrhů opatření vychází z detailní znalosti řešeného území, jehož důležitou součástí je znalost umístění dílčích prvků plošného odvodnění, především drenážních výustí.

Odtok z drenáže se soustřeďuje prostřednictvím svodných drénů k drenážním výustím. V drenážních soustavách v ČR se běžně vyskytují drenážní výusti v místech vyústění svodných drénů do odpadových příkopů, kanálů či vodních toků [1]. Historicky znamenala realizace zvýšeného počtu drenážních výustí rovněž zvýšení stavebních nákladů. Z tohoto důvodu bylo drenážních vyústí realizováno co nejméně, a sice zpravidla jedna pro každou drenážní skupinu [1]. Mezi požadavky na konstrukční řešení drenážních výustí patří zajištění volného odtoku drenážní vody, odpovídající nákladovost, trvanlivost a jasné označení. Právě jasná identifikace v terénu s ohledem na stáří realizovaných staveb odvodnění představuje zásadní problém pro návrhy opatření na drenážních systémech a samotných drenážních výustích. Dochované projektové dokumentace jednotlivých staveb zemědělského odvodnění vyžadují navazující pokročilé zpracování pro přibližnou lokalizaci drenážní výusti (navazujících prvků odvodnění). Jedná se především o nutné skenování dochovaných situací staveb odvodnění, jejich následnou rektifikaci a navazující digitalizaci. Výše popsané činnosti však často nevedou k úspěšné identifikaci drenážní výusti v terénu (realizace stavby často nebyla prováděna v souladu s projektovou dokumentací či drenážní výusť byla poškozena). Část situací staveb zemědělského odvodnění také není dochována. V tomto případě se nabízí jako jedna z možných metod identifikace drenážních výustí za pomoci termografického snímkování.

V současné době je v termografii aktuální zejména dílčí disciplína v podobě termografické diagnostiky, která měří charakteristiku vyzařování tepla za účelem zjištění výskytu poruchy, znečištění nebo nemoci. Jedná se o typ infračerveného zobrazování, které detekuje intenzitu tepelného záření v rozsahu elektromagnetického spektra pro vytvoření obrazu – termogramu [12]. Nástroje a poznatky z oboru termografie lze využít jako alternativní přístup pro identifikaci drenážních výustí.

V zahraničí se již podobný výzkum uskutečnil, byl však zaměřen primárně na identifikaci potenciálních zdrojů znečištění. Příkladnými studiemi jsou např. [13–15], kde se autoři věnovali možnostem aplikace nových metod pro odhalování a vyhodnocování kontaminace pobřežních vod s využitím leteckých platforem termografie, řady pokročilých termovizních kamer a nového detekčního softwaru.

Hydrografická síť (vodní toky vč. hlavních odvodňovacích zařízení) je považována za hlavní proměnnou, která ovlivňuje rozmanitost (hydrologickou, biologickou či produkční – zemědělskou složku) v samotném vodním toku, ale i v celé navazující ploše povodí. V současnosti je jen málo známo o tepelné heterogenitě včetně jejích účincích na jakostní ukazatele vody či vodní biotu. Dynamikou a vlivem tepelného znečištění na vodní ekosystém se pomocí technik dálkového průzkumu Země příkladně zabýval ve své studii autor Tonolla a kol. [16]. Složení, uspořádání a stupeň hydrologické propojenosti těchto biotopů určuje stabilitu vodního prostředí a ekosystémové procesy [17, 18].

V oboru vodního hospodářství lze s využitím metod termografického snímkování diagnostikovat místa ve vodních tocích či nádržích se zvýšenou teplotou, která mohou mít negativní dopad na ekologickou stabilitu lokality [19], případně kompletně modelovat teplotní režim vodních toků [20]. Na základě rozdílné teploty mezi povrchovou a podpovrchovou vodou je také možná identifikace vyvěrajících pramenů vody [21]. Pramenné vývěry jsou potenciálně zaměnitelné za drenážní výusti a pro stanovení jakosti daného vývěru je zapotřebí laboratorní ověření, jelikož nutně nepodléhá plošnému zemědělskému znečištění. Právě navazující oblastí využití termografie, tedy identifikací teplotních rozdílů mezi vodními toky (nádržemi) a drenážními vodami, se detailně zabývá představovaný výzkum. Cílem tohoto příspěvku je prezentovat dosažené poznatky z využití termografické metody pro identifikaci míst vtoku drenážních vod do recipientu (drenážních výustí) a zároveň představit zjištěné nesoulady mezi dochovanými situačními výkresy projektových dokumentací vybraných staveb zemědělského odvodnění a reálným stavem zjištěným z výsledků termografického snímkování.

Metodika

V rámci představeného výzkumu bylo využito pozemní termografické měření. Pomocí termovizní kamery byly snímkovány oblasti předpokládaných drenážních výustí do vodních toků, hlavních odvodňovacích zařízení či malých vodních nádrží. Na základě rozdílů v teplotě vody byly identifikovány konkrétní polohy drenážních výustí. Konkrétní lokalizace drenážní výusti byla zaměřena a posléze porovnána s podklady z projektových dokumentací odvodňovací stavby.

Základní myšlenka, která stojí za tímto výzkumem, je rozšířit možnosti využití termografického snímkování od detekce tepelného znečištění k detekci znečištění vod v obecném slova smyslu. Pro úspěšné využití termografie k detekci vstupu znečištění do povrchových vod musí být zároveň splněny dva předpoklady. Prvním předpokladem je, že teplota vody podpovrchového odtoku (drenážního) odtoku se bude lišit od teploty vody odtoku povrchového. Druhým předpokladem je, že se liší koncentrace látek v drenážním a povrchovém odtoku. Vzhledem ke skutečnosti, že teplota drenážní vody vykazuje menší rozdíly mezi letním a zimním období a na změnu teploty vzduchu reaguje se zpožděním oproti povrchovému odtoku [22] a zároveň koncentrace pro drenážní odtok charakteristických polutantů bývají v drenážních vodách vyšší než v povrchovém odtoku [6, 9], termografické snímkování by mohlo umožnit identifikaci vtoku drenážních vod i znečištění drenážním odtokem vnášené. Dále by využití termografického snímkování mohlo poskytnout jednoduchou vizualizaci a popis jeho prostorového rozložení a přispět tak ke snazšímu určení příčin znečištění, respektive lokalizovat místa pro návrh vhodných opatření.

Přístrojové vybavení

V rámci pozemního termografického měření bylo testováno využití termografických kamer FLUKE – TiS20 (obr. 1) a FLIR řady E6 (obr. 2).

Termografická kamera FLUKE – TiS20 se vyznačuje následující základní specifikací

  • rozlišení 120 × 90 pixelu,
  • obnovovací frekvence 9 Hz,
  • rozsah měření teploty -20 °C až +350 °C (-4 °F až 662 °F),
  • prostorové rozlišení (IFOV) 5,2 mRad,
  • zorné pole 35,7° × 26,8°,
  • rozměry (V × Š × D): 26,7 × 10,1 × 14,5 cm,
  • hmotnost 720 g.
Obr. 1. Termografická kamera FLUKE – TiS20
Fig. 1. FLUKE – TiS20 Thermal Imaging Camera

Jedná se o základní termokameru pro měření rozložení teplot. Samotné získání dat probíhá zamířením na snímaný objekt a stisknutím „spouště“ pro pořízení termogramu. Kamera je vybavena funkcí prolínání IR-Fusion® – kdy jsou do samotného termogramu prolnuty hrany získané z optického snímku, což napomáhá snazší orientaci v pořízeném termogramu a identifikaci klíčových detailů. Termokamera disponuje displejem LCD 3,5“ 320 × 240, přičemž je doplněna o digitální fotoaparát s rozlišením 5 Mpx.

Termografická kamera FLIR E6 se vyznačuje následující základní specifikací

  • rozlišení 160 × 120 pixelu,
  • obnovovací frekvence 9 Hz,
  • rozsah měření teploty -20 °C až +250 °C (-4 °F až 482 °F),
  • prostorové rozlišení (IFOV) 5,2 mRad,
  • zorné pole 45° × 34°,
  • rozměry (V × Š × D): 24,4 × 9,5 × 14 cm,
  • hmotnost 575 g.
Obr. 2. Termografická kamera FLIR E6
Fig. 2. FLIR E6 Thermal Imaging Camera

Termokamery FLIR řady Ex, tj. konkrétně termokamery FLIR E4, FLIR E5, FLIR E6, jsou určeny pro všeobecné použití ve stavebnictví i průmyslu. Jsou vhodné i pro termografickou analýzu povrchových vod a identifikaci drenážních výustí. Všechny termokamery této řady jsou plně kompatibilní se softwarem FLIR TOOLS a FLIR TOOLS+ s možností analýzy jednotlivých snímků. Součástí kamery je vestavěný digitální fotoaparát, který umožňuje pořízení fotografie zároveň s termogramem. Největší rozdíl mezi testovanými kamerami je, že termokamera FLIR E6 disponuje funkcí detekce hran snímaného objektu (IR-Fusion®).

Pilotní lokality a termografické kampaně

Výzkum zaměřený na využití termografického snímkování pro potřeby identifikace drenážních výustí probíhal v letech 2018–2019. Jednalo se o jednu měřickou kampaň zaměřenou obecně na identifikaci bodových zdrojů znečištění a o další dvě měřické kampaně pozemního termografického snímkování, které byly speciálně zaměřené na identifikaci drenážních výustí. Dané kampaně probíhaly v termínech 17. 12. 2018 (lokalita Rokytky a Kunratického potoka) a 15. 1. 2019 (lokalita Dolského potoka v povodí Žejbra). Z důvodu špatného stavu projektové dokumentace a rozvíjející se zástavbě (zejména na hydrologicky souvisejícím území Prahy) bylo v rámci dvou kampaní provedeno ověření daného přístupu celkem na pěti vybraných lokalitách (pěti vybraných stavbách zemědělského odvodnění). Vzhledem k výše uvedeným předpokladům pro efektivní využití termografického snímkování za účelem identifikace drenážních výustí byly kampaně provedeny v zimním období, kdy je z dlouhodobých měření teplot drenážní vody patrné, že se její teplota v zimním období pohybuje okolo 5 °C [22, 23]. Pro vyhodnocení termografických snímků drenážních výustí byla zvolena barevná paleta s názvem rainbow HC, jež je prezentována na obr. 3. Barevná stupnice rainbow HC byla zvolena především z důvodu vysoké citlivosti na změnu teploty.

Obr. 3. Barevná škála rainbow HC
Fig. 3. Rainbow HC Thermal Palette

Nejvyšší teploty jsou vždy prezentovány bílou barvou, nejnižší teploty barvou černou. Jednotlivé termogramy jsou vyhodnoceny automaticky, tedy nebyly sjednoceny na stejnou teplotní škálu. Z tohoto důvodu se u každého termogramu teploty liší, ačkoli mohou vypadat podobně.

Povodí Rakovnického potoka

V  povodí Rakovnického potoka proběhlo dne 13. 12. 2018 termografické snímkování, které bylo vázáno primárně na identifikaci bodových zdrojů znečištění, především na bodové zdroje znečištění evidované v databázi správců Povodí (Povodí Vltavy, státní podnik) – objekty vypouštění. Hlavní poznatky z termografické kampaně byly prezentovány v článku Marvala a kol. [24]. V rámci této kampaně byla identifikována v povodí Hájevského potoka (obr. 4) v lokalitě Kněževes, kromě definovaného objektu vypouštění (čistírna odpadních vod), rovněž drenážní výusť. Daná drenážní výusť (obr. 5) nebyla na první pohled patrná a její identifikace a lokalizace proběhla pouze díky využití termografické kamery. Povodí Hájevského potoka (22,8 km2) se nachází na severozápadním okraji Středočeského kraje. Jedná se o intenzivně zemědělsky využívané povodí, přičemž standardní orná půda zabírá 70,6 % území a chmelnice se rozléhají na 12,8 % plochy povodí. Odvodněná plocha se podle vrstvy bývalé Zemědělské vodohospodářské správy (ZVHS) rozléhá na cca 2,5 km2, což činí 11,0 % celkové plochy povodí. Nalezená drenážní výusť byla identifikována náhodně, aniž by předem bylo zřejmé, že se na daném území drenážní stavba nachází. Vrstva odvodnění podle bývalé ZVHS takovouto stavbu nereflektuje, což je zřejmé z obr. 4. Stejně tak není zachován prováděcí výkres stavby odvodnění ve spisové a archivní dokumentaci bývalých pracovišť ZVHS, která se nachází ve spisovně Povodí Vltavy, s. p., na vodním díle Orlík.

Obr. 4. Pilotní lokalita – povodí Hájevského potoka
Fig. 4. The pilot location – the Hájevský stream catchment
Obr. 5. Identifikovaná drenážní výusť (DV1) v povodí Hájevského potoka
Fig. 5. The identified drainage outlet in the Hájevský stream catchment

Získaný poznatek vyvolal potřebu navazujících měřických kampaní, které již byly primárně zaměřeny na možnou identifikaci drenážních výustí pomocí termografického snímkování. S přihlédnutím k nejistotě dosažených poznatků a možnostem využití termokamery v oboru vodního hospodářství byla první kampaň provedena zapůjčenou termokamerou FLUKE – TiS20. V návaznosti na nově získané poznatky v první termografické kampani byl pro druhou a třetí kampaň zajištěn obdobný model termokamery (FLIR E6).

Povodí Kunratického potoka a Rokytky

Pro ověření možnosti identifikace drenážních výustí termografickou kamerou byly na základě dostupnosti podkladů ke stavbám odvodnění (data odvodnění – ZVHS, projektové dokumentace a situace staveb zemědělského odvodnění) vybrány další lokality, kde byly provedeny částečné termografické kampaně. Mimo povodí Hájevského potoka byly částečně monitorovány další lokality plošného zemědělského odvodnění na vybraných povodích IV. řádu. Jednou z nich byla povodí v hydrologicky souvisejícím území Prahy. Konkrétně se jednalo o povodí Kunratického potoka (ČHP 1-12-01-006) a horní povodí Rokytky k Běchovicím (ČHP 1-12-01-026).

Pro hydrologicky související území Prahy, tj. území, ze kterého přitéká povrchová voda na území Prahy (vyjma povodí Vltavy a Berounky), jsou v současnosti digitalizována data o plošném zemědělském odvodnění. Tato aktivita probíhá v rámci projektu s názvem „Nástroje pro efektivní a bezpečné hospodaření se srážkovou vodou na území Prahy – RainPRAGUE“ podpořeným Operačním programem – Praha pól růstu. Na podkladě poskytnutých prováděcích situačních výkresů staveb zemědělského odvodnění od spisovny Povodí Vltavy, s. p., pro hydrologicky související území Prahy byly vytipovány drenážní výusti pro navazující ověření v terénu. Na předem určených místech poté probíhalo ověření možnosti identifikace drenážních výustí pomocí termografického snímkování. Bližší specifikace pilotních lokalit v okolí hl. m. Prahy je uvedena na obr. 6.

Obr. 6. Pilotní lokality – povodí Kunratického potoka a horní část povodí vodního toku Rokytky
Fig. 6. The pilot location – the Kunratický stream catchment and the upper part of the Rokytka catchment

Povodí Žejbro

Třetí lokalitou pro ověření možnosti identifikace drenážních výustí byla vybrána dvě povodí IV. řádu v povodí vodního toku Žejbra. Jedná se o dlouhodobě sledovanou lokalitu Výzkumného ústavu meliorací a ochrany půd, v. v. i., (VÚMOP) pro řešení problematiky plošného zemědělského odvodnění. Na této lokalitě má VÚMOP zajištěné a ortorektifikované prováděcí výkresy staveb zemědělského odvodnění, na jejichž základě byly v minulosti identifikované drenážní výusti. V rámci provedené termografické kampaně byly tyto výusti využité pro ověření jejich identifikace pomocí termografického snímkování. Lokality v povodí vodního toku Žejbro jsou blíže specifikovány na obr. 7.

Obr. 7. Pilotní lokality – povodí Dolského potoka
Fig. 7. The pilot location – the Hájevský stream catchment

Výsledky

Dosažené výsledky jsou prezentovány formou rektifikovaného situačního výkresu stavby odvodnění v kombinaci s pořízenými termogramy doplněné o RGB snímky. Teploty vody a její rozdíly v jednotlivých měřených lokalitách v místech drenážních výustí a nad přítokem drenážní vody jsou prezentovány prostřednictvím tabulky 1, kde jsou uvedeny konkrétní teploty zajištěné prostřednictvím ručního referenčního měření.

Tabulka 1. Teplota na měřených drenážních výustích a recipientu (přítok/nad přítokem)
Table 1. Temperatures of the drainage outlet and the recipient

Na obr. 8 je prezentována identifikovaná drenážní výusť (DV2) v pilotní lokalitě Kunratického potoka. Termogramy demonstrují teplotní rozložení vody v místě drenážní výustě a vodní hladiny rybníku Nový Šeberov. Vodní hladina byla pokryta slabou vrstvou ledu a drenážní voda dosahovala teploty 5,7 °C. Za pomoci vysokého teplotního rozdílu a vodnosti stavby odvodnění bylo možné danou výusť identifikovat. Daná stavba odvodnění (obr. 8) má rozlohu 2,8 ha a celý drenážní odtok je soustředěn do jediné identifikované drenážní výusti. Přestože byla stavba odvodnění vybudována již v roce 1977, je stále funkční. To se pravděpodobně v blízké budoucnosti změní vzhledem k faktu, že je plocha stavby zemědělského odvodnění aktuálně z 60 % zalesněná. Lze předpokládat, že kořenový systém, v současnosti mladého lesa, v brzké budoucnosti funkci drenážní stavby významně omezí. První náznaky lokálního zamokření, které vzniká v místech porušení drénů, jsou již patrné ze satelitních snímků.

V případě pozvolného vtoku vody o vyšší teplotě (drenážní vody) do stojaté vody, jak je prezentováno na obr. 8, dochází k relativně pomalému šíření tepla prouděním neboli konvekcí. Jedná se o jev, kdy dochází ke vzájemnému pohybu jednotlivých částí, které mají odlišnou teplotu a tedy různou hustotu vnitřní energie, tím se přenáší teplo, prostřednictvím čehož se drenážní voda postupně ochlazuje. V zemské atmosféře obvykle hustota kapalin nebo plynů klesá s narůstající teplotou. V gravitačním poli tedy ohřáté vrstvy kapaliny nebo plynu stoupají, zatímco ty chladnější klesají ke dnu. Fakt, že šíření tepla po vodní hladině není ovlivněno turbulentním prouděním, zvyšuje účinnost možné identifikace drenážní výusti s využitím termografického snímkování. To je dáno velikostí oblasti s vodou o vyšší teplotě, což souvisí s prodlouženou dobou, po kterou drenážní voda zůstává na hladině, a proti vtoku do vodního toku není ovlivněna turbulentním prouděním. To však podmiňuje vodnost drenážní výusti, kdy se zvětšujícím se průtokem roste i tepelně znečištěná plocha.

Obr. 8. Rektifikovaná stavba odvodnění, termogramy teplotního rozložení v místě drenážní výustě a recipientu (rybník Nový Šeberov) a fotodokumentace – povodí Kunratického potoka
Fig. 8. The rectified drainage system, thermograms showing temperature distribution at the drainage outlet and recipient (Nový Šeberov pond) and photo documentation – the Kunratický stream catchment

Další drenážní výusť (DV3) identifikovaná pomocí termografického snímkování se nachází v povodí vodního toku Rokytky. V době termografické kampaně byla vodnost hlavního odvodňovacího zařízení (HOZ) minimální, přesto byla podniknuta rekognoskace celé lokality. Identifikovaná výusť se nachází cca 13 m od předpokládané polohy podle rektifikovaného prováděcího výkresu, viz obr. 9. Při pochůzce podél HOZ byla detekována teplá oblast, viz termogram na obr. 9. Stav před a po identifikaci je možné porovnat v přiložené fotodokumentaci. Na první pohled drenážní výusť není patrná a až po odkrytí cca 5 cm silné vrstvy pokryvu bylo možné výusť spatřit. Průtok drenážní výusti byl velmi nízký, avšak pro identifikaci pomocí termografického snímkování dostatečný i vzhledem k promrzlému okolí výusti. Identifikovaná drenážní výusť odvádí vodu z plochy 1,9 ha.

Obr. 9. Rektifikovaná stavba odvodnění, termogram drenážní výusti a fotodokumentace před a po provedené identifikaci v povodí Rokytky
Fig. 9. The rectified drainage structure, a thermogram of the drainage outlet and photo documentation from before and after the identification in the Rokytka catchment

V dokumentaci bývalé ZVHS je uvedeno, že stavba odvodnění byla budována v roce 1970, je však pravděpodobné, že došlo k její částečné obnově vzhledem k materiálu, ze kterého je drenážní výusť vyrobena (tvrzený plast). Podle prováděcího výkresu stavby zemědělského odvodnění jsou zaústěny do HOZ další čtyři svodné drény, ovšem při terénní rekognoskaci se podařilo identifikovat pouze jedinou výusť na této lokalitě. To bylo zapříčiněno z důvodu nízké vodnosti nebo nefunkčnosti dalších částí odvodňovací stavby.

Na obr. 10 jsou prezentovány dvě drenážní výusti (DV4 a DV5), identifikované termografickým snímkováním v povodí Žejbro. Na rektifikovaném situačním výkresu jsou zakreslené výusti na obou stranách Dolského potoka. Na pravém břehu se reálná poloha výusti liší proti prováděcímu výkresu přibližně o 8 m a na levém břehu je rozdíl 50 m. Reálné polohy výustí jsou oproti prováděcí dokumentaci posunuty severním směrem. Dále byly ze situačního výkresu odečteny plochy, odkud daná výusť odvádí vodu. Na pravém břehu se jedná o plochu cca 0,48 ha, na levém 0,38 ha. Vzhledem k minimálním atmosférickým srážkám před provedením termografické kampaně byla funkčnost plošného zemědělského odvodnění z malých rozloh překvapující a je pravděpodobné, že situační výkres plošného zemědělského odvodnění neodpovídá skutečnosti a identifikované výusti reálně odvádějí vodu z rozsáhlejších odvodněných ploch. V pravé části obr. 10 je uvedena fotografie drenážních výustí, termogram zachycující tepelné šíření proti proudu Dolského potoka a kombinace fotografie s částečně zprůhledněným termogramem tepelného šíření po proudu Dolského potoka. Teplotní rozdíl drenážních vod a recipientu dosahoval 4,8 °C, respektive 6,1 °C. Splněnými podmínkami (vodnost drenážních výustí a vysoký teplotní rozdíl) byla opětovně potvrzena využitelnost termografického snímkování za účelem identifikace drenážních výustí, tedy potenciálního znečištění povrchových vod ze zemědělského pozemku.

Obr. 10. Rektifikovaná stavba odvodnění, termogramy drenážních výustí a fotodokumentace v povodí Dolského potoka
Fig. 10. The rectified drainage structure, thermograms of the drainage outlets and photo documentation from the Dolský stream catchment
Obr. 11. Rektifikovaná stavba odvodnění, termogramy drenážních výustí a fotodokumentace v povodí Dolského potoka
Fig. 11. The rectified drainage structure, thermograms of the drainage outlets and photo documentation from the Dolský stream catchment

V daném povodí byla identifikována také třetí výusť (DV6). Jedná se o výusť, která se nachází přibližně o 350 m výše proti proudu Dolského potoka od DV4 a DV5. Předmětná drenážní výusť odvádí vodu z plochy 6,16 ha, přičemž její vodnost byla srovnatelná s předešlými dvěma výustěmi v povodí Dolského potoka, u kterých je sběrná plocha podle dostupné dokumentace cca dvanáctkrát menší. Mimo této identifikované výusti by se v blízkém okolí podle dokumentace mělo nacházet dalších pět drenážních výustí, avšak jejich skutečnou polohu nebylo možné ověřit využitím termografického snímkování z důvodu nulového průtoku v průběhu prováděné kampaně.

Diskuse

Podpovrchové zdroje znečištění jsou v podmínkách ČR zastoupeny zejména plošným zemědělským odvodněním, které způsobuje mj. zvýšené vyplavování rozpuštěných látek (dusičnany a některé pesticidy). Vnos všech těchto polutantů do vod úzce souvisí s dynamikou počasí (zvyšující se nepravidelnost srážek, dlouhá období sucha, přívalové srážky) a nízkou retencí vody v povodí [25]. Pro návrhy přírodě blízkých a technických opatření na zemědělské půdě (stavbách zemědělského odvodnění), které přispějí k eliminaci podpovrchových zdrojů znečištění, je nutná znalost prostorového rozmístění jednotlivých prvků staveb odvodnění. Pro návrh konkrétního opatření na zemědělském pozemku je proto znalost umístění odvodňovací stavby v terénu rozhodující. Odvodnění zemědělské půdy bylo provedeno z  98 % plošnou, tj. systematickou trubkovou drenáží. Přes značnou snahu archivovat a v dobrém stavu uchovávat projektové dokumentace ke stavbám odvodnění, je nutné konstatovat, že evidence provedených staveb odvodnění (zejména podpovrchových) není kompletní [26].

Chybějící datové podklady (či dochované s určitou mírou nepřesnosti) je proto nutné zrevidovat, aby bylo možné pracovat s podklady, které odpovídají samotné realizaci stavby plošného zemědělského odvodnění v terénu. V současnosti neexistuje ucelený celostátní informační systém o realizovaných stavbách odvodnění. Jediným dostupným podkladem v digitální podobě je volně dostupná geoinformační vrstva odvodněných ploch ve vektorovém formátu shapefile (.shp). Uvedený datový podklad představuje historicky pořízený datový zdroj bývalé Zemědělské vodohospodářské správy, který vznikl digitalizací původních analogových map s plochami realizovaných staveb zemědělského odvodnění [26]. Geometrický i atributový rozsah dat této informační vrstvy je však nekompletní a často i lokalizačně nepřesný, přičemž informace o realizovaných výustích drenážních systémů prakticky zcela chybí.

Alternativou pro určení základního identifikačního prvku přítomnosti stavby odvodnění v samotném terénu, v podobě drenážní výusti, se tak nabízí prezentovaný způsob identifikace pomocí využití nástrojů termografického snímkování.

Prezentované dílčí výsledky shrnují závěry získané z prvotních dvou kampaní termografického snímkování zaměřeného na identifikaci drenážních výustí. Provedené kampaně byly uskutečněny jako referenční měřicí akce prostřednictvím ruční termokamery FLUKE – TiS20/FLIR E6. Daný způsob potvrdil potenciál vědního oboru termografie k identifikaci konkrétní polohy drenážní výusti v terénu.

Pro úspěšnou identifikaci drenážních výustí pomocí termografie musí být splněny následující předpoklady:

  • vodnost přítoku (drenážní výusti) a recipientu (vodní tok, hlavní odvodňovací zařízení, vodní nádrž),
  • teplotní rozdíl minimálně 3 °C.

Proto se jako ideální období pro provedení daných kampaní jeví začátek zimy, kdy recipient není zamrzlý, avšak jeho teploty klesají k 0 °C a drenážní voda si drží teplotu přibližně v rozmezí 4–8 °C [22, 23]. Další podmínkou úspěšné identifikace drenážních výustí je vodnost jak přítoku, tak i recipientu. S tím je v posledních letech v podmínkách ČR poměrně značný problém. Především tato podmínka omezuje daný přístup aplikovat v širokém měřítku. Dalším problémem je samotný stav staveb zemědělského odvodnění, kdy poměrně velké procento pravděpodobně není funkční.

Širší aplikovatelnost termografického snímkování pro identifikaci drenážních výustí je možné spatřovat především ve využití leteckého termografického snímkování. Letecká termografie má bezesporu značný potenciál. V současné době tato technologie zažívá nebývalý rozvoj a je možné tedy očekávat nové cesty vývoje leteckých termovizních kamer a jejich rozlišení i s ohledem na vývoj bezpilotních letounů a možnosti družicového snímkování. Letecké řešení sběru dat má výraznou výhodu při vyhledávání teplotních změn v místech, kde není jisté, že se tyto jevy vyskytují. To je umožněno především rychlým získáváním dat na velké ploše a širokým úhlem záběru (žádná hluchá místa, kde by mohly být neznámé teplotní změny) [12].

Naopak využití pozemního řešení sběru dat, ať už dynamickým, či statickým způsobem přináší výraznou flexibilitu a operativnost. Limitujícím faktorem plošného sběru dat pozemním měřením je však jeho časová náročnost. Proto se do budoucna jako ideální řešení jeví kombinace obou těchto řešení v podobě rychlého plošného sběru dat s využitím leteckého řešení, zpřesněný o data následného doměření pozemní metodou v konkrétních vybraných lokalitách.

Závěr

Sběr termografických dat je jedním z řady nových způsobů získávání dat o vodních ekosystémech (identifikace znečištění či právě drenážních výustí). Samotné termografické snímkování pozemní i letecké je dynamicky se rozvíjející obor, který v oblasti vodního hospodářství nabízí efektivní nástroj pro preventivní diagnostiku z pohledu identifikace zdroje znečištění vod [12, 24]. Tepelné znečištění ze stacionárních zdrojů podél vodních toků a ploch je samo o sobě závažným problémem s významnými ekologickými důsledky pro místní ekosystémy. Identifikace zdrojů tepelného znečištění a kvantifikace jejich vlivu je tak důležitým prvním krokem pro ochranu těchto ekosystémů. Zároveň je určení místa vtoku teplotně odlišné vody prvotním indikátorem pro lokalizaci potenciálního zdroje znečištění z pohledu zvýšených koncentrací vnášených polutantů.

V  příspěvku byla pozornost soustředěna na samotnou identifikaci teplotně odlišného vodního zdroje vstupujícího do hlavního vodního toku (hlavního odvodňovacího zařízení) v podobě přítoku z drenážních výustí. Současně běžně dostupné datové podklady neumožňují konkrétní určení místa drenážních výustí. Toto se stává limitujícím faktorem při návrzích opatření směřujících k omezení podpovrchových zdrojů znečištění.

Způsob identifikace drenážních výustí pomocí termografického měření prokázal dobré možnosti uplatnění. Jeho širší využití je vázáno především na leteckou termografii, zejména na autonomní bezpilotní letouny. Předem nadefinované trajektorie letu nad hlavními odvodňovacími zařízeními/vodními toky v povodích s plošným podpovrchovým odvodněním v kombinaci s kontinuálním sběrem termografických dat předurčuje danou metodu k širokému uplatnění v komerční i státní sféře.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Technologické agentury ČR, projektu číslo TH02030396 „Využití letecké termografie jako nového přístupu pro identifikaci znečištění vod z bodových a nebodových zdrojů“ a za podpory Evropské unie v rámci Operačního programu Praha – pól růstu ČR, číslo projektu CZ.07.1.02/0.0/0.0/17_049/0000842, „Nástroje pro efektivní a bezpečné hospodaření se srážkovou vodou na území Prahy – RainPRAGUE“.