Studium dominantních vlivů ovlivňujících formování mělkého podpovrchového odtoku na malých povodích

Abstract

Na zemědělských povodích dochází vlivem agrotechnických operací k rychlým změnám hydraulických vlastností půd v ornici, vzniku kolejových řádků a zhutňování půdy v podorničí. Zatímco kolejové řádky ovlivňují směrování povrchového odtoku, zhutnělá vrstva, která je v porovnání s ornicí málo propustná, může přispívat k vzniku hypodermickému odtoku. Konceptuální model srážko-odtokové transformace byl definován na malých zemědělských povodích. Model uvažuje rychlý transport srážkové vody ornicí k podorničí, kde dochází ke vzniku zavěšené mělké zvodně a rychlému hypodermickému odtoku. V rámci tohoto konceptu jsou velký rozdíl půdní struktury mezi ornicí a podorničím a přítomnost kolejových řádků hlavními faktory ovlivňujícími odtok z těchto území. Z měření vyplývá, že ornice je oproti podorničí relativně heterogenní. Při tvorbě povrchového odtoku hraje kolejový řádek významnou roli. V závislosti na jeho orientaci snižuje nebo zvyšuje množství povrchového odtoku a odteklého sedimentu. V průběhu srážky se povrch zplošťuje a stává se více propojený nehledě na přítomnosti či orientaci kolejové řádky. Z numerického experimentu vyplývá, že povrchový odtok vzniká nejdříve v kolejové řádce kvůli překročení infiltrační kapacity. Následně se do povrchového odtoku zapojuje zbytek povrchu kvůli nasycení ornice. K laterálnímu toku dochází pouze pokud je zanedbán vliv morfologie podorničí. Ta způsobuje, že voda při infiltraci směřuje do depresí v morfologii podorničí a nestéká laterálně po svahu. Výsledky naznačují, že kolejové řádky ovlivňují formování odtoku z povodí a je tedy třeba je zahrnovat do modelů například pomocí konceptu funkční konektivity. Zhutnělá vrstva a její morfologie ovlivňují transport vody pouze lokálně. Přesto může mít vliv na distribuci živin a vody v mělké části půdního profilu.

Rapidly changing soil hydraulic properties, the presence of wheel tracks and the compacted layer in the shallow subsoil are phenomena formed in agricultural areas due to agrotechnical operations. While wheel tracks affect surface runoff routing, the compacted layer with its low permeability can contribute to hypodermic runoff formation. A conceptual model of the rainfall-runoff transformation was formulated. The model assumes fast passage of rainfall water through the topsoil to compacted subsoil where a shallow perched water table causes a rapid hypodermic runoff, while wheel tracks route the overland flow. Within this framework, the abrupt change in soil properties between the topsoil and subsoil and the wheel tracks are the first-order control of the runoff from such areas. Data showed that the topsoil is orders of magnitude more heterogeneous compared to the subsoil. Wheel tracks played an important role in surface runoff generation. A wheel track can increase or decrease surface runoff and sediment transport depending on its orientation. Furthermore, it was shown that rainfall and runoff flattened the soil surface microtopography regardless of the presence or orientation of the wheel track. Based on the numerical analysis, surface runoff is first generated on the wheel track due to infiltration excess followed by the saturation excess overland flow in the surrounding soil. Lateral subsurface flow occurred only if subsoil morphology was neglected. The subsoil morphology caused predominant flow in the depressions in the morphology, preventing the development of lateral flow. It was concluded that the wheel tracks affect the runoff from agricultural catchments and should be included in hydrological models, e.g. with the concept of functional connectivity. The compacted layers affect the subsurface runoff only locally; however, they can affect the distribution of nutrients and water in the shallow part of the soil profile.