Transportní procesy a strukturální změny v uměle vytvořených technosolech

Abstract

Prvky městské modrozelené infrastruktury jsou stále častěji využívány jako řešení pro hospodaření se srážkovými vodami v urbanizovaných oblastech. Tyto prvky často využívají antropogenní půdy. Přírodě blízká řešení, jako jsou bioretenční buňky, se stávají běžnou součástí městského prostředí, kde zajišťují vsakování srážkové vody a přispívají ke zvýšení biodiverzity a plní estetickou funkci. Přesto chybí dlouhodobá data o jejich hydrologické funkci při dlouhodobém provozu. Tato dizertační práce se věnuje analýze dlouhodobého vývoje půdní struktury a hydrologického chování experimentálních bioretenčních buněk s různým vodním režimem. V rámci výzkumu byly založeny dvě bioretenční buňky s filtrační vrstvou (biofiltrem) tvořenou antropogenní půdou určené k dlouhodobému intenzivnímu monitorování. První bioretenční buňku zásobuje přítok ze střechy blízké budovy, zatímco na druhá bioretenční buňka je bez přítoku vody ze střechy a voda byla dodávána z přilehlé nádrže formou simulovaných umělých výtopových experimentů s různými intenzitami a dobou trváním srážek. Pro hodnocení hydraulické výkonnosti během šesti let byla využita laboratorní měření hydraulických vlastností biofiltru a dlouhodobé monitorování bilance vody a podmínek v biofiltru v bioretenční buňce s přítokem srážkové vody. Ověřena byla schopnost modelovacího nástroje Hydrus 2D, řešícího Richardsovu rovnici, simulovat odtok z bioretenční buňky s přítokem srážkové vody. Pomocí inverzního modelování byla určena změna nasycené hydraulické vodivosti biofiltru v druhém, třetím a šestém roce provozu vždy pro vybraný časový úsek vegetační sezóny. Výsledky ukázaly, že hydraulická vodivost biofiltru se postupně zvyšovala, zejména vlivem růstu vegetace, zatímco vodivost písčité vrstvy se snížila. Změny půdní struktury v biofiltru během v prvních 31 měsících ve dvou bioretenčních buňkách s odlišným vodním režimem byly hodnoceny pomocí rentgenové mikrotomografie provedené na rozsáhlé sérii neporušených vzorků. Rentgenová mikrotomografie analýza byla použita k vyhodnocení základních charakteristik struktury půdy, jako je např. makroporozita a pravděpodobnost propojení pórů. Výsledky rentgenové mikrotomografie v kombinaci se standardní fyzikální analýzou vzorků v laboratoři ukázaly výrazné časové změny retenčních křivek a strukturálních vlastností biofiltru s přítokem srážkové vody. Bylo prokázáno, že nejprve došlo ke snížení makroporozity vlivem konsolidace půdy, následně se makroporozita zvýšila půdotvornými procesy. Naopak v bioretenční buňce bez přítoku srážkové vody docházelo k postupné ztrátě makroporozity, což odráželo vliv sušších podmínek na vývoj biofiltru. Během sledovaného období vykazovala bioretenční buňka s přítokem srážkové vody postupné snižování ročního odtokového koeficientu díky růstu vegetace a zvýšené evapotranspiraci. Z analýzy srážkoodtokových epizod byla zjištěna zvyšující se variabilita redukce špičkového průtoku. Zároveň se během druhého až čtvrtého roku zkracoval medián doby odtoku při zvyšující se variabilitě.

Systems of urban blue-green infrastructure are increasingly employed as solutions for managing stormwater in urbanized areas. These systems frequently make use of constructed Technosols. Nature-based solutions, such as bioretention cells, are becoming common in urban areas, where they ensure the infiltration of stormwater and contribute to enhancing biodiversity, while also fulfilling an aesthetic function. Nevertheless, long-term observational data are deficient regarding their hydrological performance over prolonged operational periods. This dissertation examines the long-term evolution of soil structure and changes in hydrological behavior of experimental bioretention cells subjected to different water regimes. Two bioretention cells with a filter layer (biofilter) built of constructed Technosol have been established for comprehensive long-term monitoring. The first bioretention cell was supplied by stormwater inflow from the roof of a nearby building. The second bioretention cell did not receive stormwater inflow from the roof; instead, water supply was facilitated by an adjacent water tank through simulated ponding experiments characterized by varying rainfall intensities and durations. The evaluation of hydraulic performance over a six-year duration was conducted through the employment of laboratory measurements of the biofilter's hydraulic properties, coupled with the long-term monitoring of water balance and conditions within the biofilter of the bioretention cell receiving stormwater inflow. The effectiveness of the Hydrus 2D model, which applies to the Richards equation, in simulating the outflow from the bioretention cell receiving stormwater inflow has been confirmed. Changes in the saturated hydraulic conductivity of the biofilter were determined through inverse modeling over specified temporal intervals during the growing seasons of the second, third, and sixth years. The results demonstrated that the hydraulic conductivity of the biofilter progressively increased, primarily due to vegetation growth, whereas the conductivity of the sandy layer decreased. Changes in soil structure within the biofilter over the initial 31-month period in two bioretention cells, subject to contrasting water regimes, were evaluated through the application of X-ray microtomography on an extensive series of intact samples. X-ray microtomography analysis was utilized to assess fundamental soil structure characteristics, including macroporosity and the pore connection probability. The results of X-ray microtomography combined with standard physical characterization of the samples in the laboratory showed significant temporal changes in the retention curves and structural properties in the case of biofilter with the stormwater inflow. It was evidenced that an initial reduction in macroporosity occurred due to soil consolidation, which was later increased by pedogenic processes. In contrast, the bioretention cell that did not receive stormwater inflow exhibited a gradual decline in macroporosity, indicative of the effects of drier conditions on the biofilter's development. During the study period, the bioretention cell with inflow of stormwater demonstrated a gradual decrease in the annual runoff coefficient, attributable to vegetation growth and increased evapotranspiration. The analysis of rainfall-runoff episodes revealed increasing variability in peak flow reduction. Concurrently, the median runoff duration exhibited a decline during the second to fourth year, accompanied by an increase in variability.