PLAVENINY JAKO PRODUKT A INDIKÁTOR VODNÍ EROZE PŮDY V GEOGRAFICKY ROZDÍLNÝCH PODMÍNKÁCH ČESKÉ REPUBLIKY

Transkript

1 J. Hydrol. Hydromech., 53, 2005, 4, PLAVENINY JAKO PRODUKT A INDIKÁTOR VODNÍ EROZE PŮDY V GEOGRAFICKY ROZDÍLNÝCH PODMÍNKÁCH ČESKÉ REPUBLIKY ZDENĚK KLIMENT Katedra fyzické geografie a geoekologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, Albertov 6, Praha 2, Česká republika; maito: kliment@natur.cuni.cz Hlavním cílem projektu bylo porovnat transport plavenin ve čtyřech modelových povodích, která jsou navzájem porovnatelná svojí plochou a zároveň reprezentují odlišné geografické prostředí území České republiky. Jako modelová území byla zvolena povodí Blšanky, Lužické Nisy, Loučky a Olšavy. Pro sledovaná povodí byl vytvořen model erozní ohroženosti založený na multikriteriálním bodovém hodnocení hlavních erozních faktorů s cílem porovnat potenciál povodí pro transport plavenin a vymezit hlavní rizikové oblasti. Transport plavenin byl vyhodnocen pro uzávěrové profily modelových povodí. Pro bližší charakteristiku vztahu mezi obsahem plavenin a průtokem vody byly vymezeny základní typy odtokových situací. V závěru jsou diskutovány trendy ve vývoji erozních procesů a transportu plavenin. KLÍČOVÁ SLOVA: vodní eroze, erozní ohrožení, plaveniny. Zdeněk Kliment: THE SUSPENDED LOAD AS A WATER EROSION PRODUCT AND INDICATOR IN DIFFERENT GEOGRAPHICAL ENVIRONMENTS OF THE CZECH REPUBLIC. J. Hydrol. Hydromech., 53, 2005, 4; 20 Refs, 18 Figs, 7 Tabs. The project was aimed at comparing suspended load in four model river basins which are about of the same area and where each of them represents different geographical environment within the territory of the Czech Republic. We have chosen the Blšanka River basin, and basins of the rivers of Lužická Nisa, Loučka and Olšava as model territories. We have developed a model of the erosion risk for these basins. The model is based on a multi-criterion scale evaluation of chief erosion factors so that we can compare the potential of river basins for the sediment transport and define the chief risky areas. The sediment transport was evaluated for closing profiles of model river basins. We defined basic types of run-off situations to characterise the relationship between the content of sediments and the water flow. Mains trends in the development of erosion processes and suspended load are discussed in conclusion. KEY WORDS: Water Erosion, Erosion Risk, Suspended Load. Úvod Plaveniny přemísťované v suspenzi představují důležitou složku v celkové bilanci oběhu látek v povodí. Obsahují minerální složku, detrit a živé substance jako jsou řasy a sinice. V celosvětovém měřítku zaujímají až 75 % množství látek přemísťovaných řekami do moří (Meybeck, 1983). Za jejich hlavní zdroj je považována vodní eroze. Zatímco hrubozrnná frakce plavenin je spojována přímo s výmolnou činností vodních toků v době extrémních průtoků, převažující jemná frakce má původ ve svahové půdní erozi (wash load). Do vodních toků se přitom dostává jen určitá část. Tzv. poměr odnosu sedimentu (Robinson, 1977) je nepřímo úměrný ploše povodí. Pro povodí o rozloze cca 300 km 2 činí asi 1/10 celkového erodovaného materiálu. Část produkce plavenin je vázána na bodové, zejména průmyslové zdroje znečištění. Plaveniny zanášejí koryta vodních toků a vodní nádrže, snižují jejich průtočnou a retenční kapacitu. Kontaminované suspendované látky představují značné nebezpečí pro vodní ekosystémy. V České republice se od hydrologického roku 1985 systematickým sledováním režimu plavenin zabývá Český hydrometeorologický ústav. Každodenní monitoring zahrnuje asi 50 vodoměrných stanic. Na většině z nich bylo od r zahájeno s měsíční a menší četností odběrů pozorování kvalitativních parametrů plavenin a říčních sedimentů (těžké kovy, specifické organické látky). V dlouhodobém průměru odtéká ročně řekami asi 1 231

2 Z. Kliment mil. t plavenin v suspenzi. Nejvyšší průměrné ročné hodnoty odnosu jsou dosahovány v povodí Odry a na přítocích Moravy (i více než 50 t km -2 ), nejnižší v pánevních rovinatých oblastech jižních a západních Čech (Kliment, 1995). Výjimečnost flyšového podloží pro transport plavenin potvrdil i téměř 30- letý monitoring v horských zalesněných povodích Moravskoslezských Beskyd (Ostravice, 270 t km -2 Buzek, 2004). Odnos plavenin z povodí je ovlivněn celou řadou faktorů. Vedle klimatických, reliéfových, půdních a geologických poměrů, tvaru a velikosti povodí se projevují rozdílné způsoby krajinného pokryvu území. Kromě přírodních činitelů je nutné vzít do úvahy i přímé antropogenní zásahy, jako zemědělskou a lesnickou činnost, úpravy odtokových poměrů v povodí, produkci odpadů. Cíl Cílem studie bylo porovnat podmínky pro vodní erozi a transport plavenin ve čtyřech modelových povodích: povodí Blšanky, Loučky, Lužické Nisy a Olšavy. Povodí jsou navzájem porovnatelná svojí plochou ( km 2 ) a zároveň reprezentují geograficky rozdílné prostředí České republiky (obr. 1). Důležitým kritériem pro výběr modelových povodí byla existence datových zdrojů a dostupnost digitalizovaných geografických podkladů. Vybrané charakteristiky modelových povodí jsou uvedeny v tab. 1. Povodí Blšanky leží v srážkově chudé oblasti Žatecka, tradiční je pěstování chmele. Povodí Loučky reprezentuje chladnější zemědělsky využívanou oblast Českomoravské vrchoviny. Povodí Olšavy se nachází v klimaticky teplé oblasti Moravskoslovenských Karpat na flyšovém podloží. Povodí Lužické Nisy leží v klimaticky chladnější a na srážky bohaté oblasti Jizerských hor. V povodí jsou významné aglomerace Liberec a Jablonec nad Nisou s významným zastoupením průmyslu. Úkol byl řešen v několika krocích: stanovení podmínek pro vodní erozi v jednotlivých povodích, porovnaní potenciálu povodí pro transport plavenin, vyhodnocení transportu plavenin v povodích, sledování vztahu plavenin k průtoku vody a příčinným jevům, analýza situací s největším transportem plavenin, stanovení trendů v odnosu plavenin. Práce byla řešena v prostředí GIS s využitím digitální databáze DMÚ 25, CORINE Landcover, BPEJ. Data o průtoku, plaveninách, srážkách a sněhové pokrývce poskytl ČHMÚ. Při zpracování tématu bylo využito i vlastních měření. Obr. 1. Vymezení modelových povodí na území České republiky. Fig. 1. Delimitation of the model river basins in the Czech Republic. 232

3 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky T a b u l k a 1. Vybrané charakteristiky modelových povodí. T a b l e 1. Selected characteristics of model river basins. Povodí 1) Plocha 2) [km 2 ] Prům. nadm. výška 3) [m] Průměrný sklon 4) [º] Podloží Půdy 6) (převládající) 5) (převládající) Blšanka 374,06 406,3 4,6 permokarbon (arkózy, písk., jílovce) Loučka 385,70 532,9 2,4 metamorfity (pararuly, ortoruly) kambizemě hnědozemě Luž. Nisa 355,60 486,3 8,4 biotitická žula podzoly kambizemě Olšava 401,13 363,2 7,1 magurský flyš kambizemě černozemě Lesnatost 7) [%] Další specifika 8) 30 Žatecko, klimaticky teplá, srážkově chudá oblast, chmelařství, strže kambizemě 20 Českomoravská vrchovina, chladnější oblast, pěstování brambor, obilí 50 Lužické hory, srážkově bohatá, chladná oblast, významné městské aglomerace 40 Moravsko-slovenské Karpaty, intenzivní zemědělství i ve sklonitějších polohách, strže 1 name of a basin, 2 area, 3 average altitude above sea level, 4 average slope, 5 lithology (prevailing types), 6 soils (prevailing types), 7 forest area, 8 other specific characteristics. Stanovení erozního rizika Ve sledovaných povodích byl aplikován model erozní ohroženosti založený na multikriteriálním bodovém hodnocení hlavních erozních faktorů v podobě gridového modelu v prostředí GIS (Kliment, Langhammer, 2005a). Předností modelu, který byl vytvořen a testován v modelovém povodí Blšanky a posléze v dalších povodích, je jeho jednoduchost a možnost použití ve velkých územních celcích. Lze jím stanovit erozní riziko a vymezit hlavní rizikové oblasti na základě rozdílného zastoupení faktorů ovlivňujících erozi v daném území. Podobný postup použili například pro oblast Středomoří Lore, Magaldi (1994). Vedle klasicky používané USLE, která byla odvozena jako empirický model pro výpočet erozního odnosu ze zemědělsky obhospodařovaných pozemků, umožňuje zahrnout i další hlediska a erozní faktory, zejména faktor geologického podloží. Do použitého modelu erozní ohroženosti byly zahrnuty čtyři hlavní faktory: faktor reliéfu vyjádřený sklonitostí (S), dále geologické podloží (G), půdní poměry (P) a krajinný pokryv (L). Faktory byly odvozené z digitálních podkladů a převedeny do jednotného gridu o velikosti 100 x 100 m. Uvedeným faktorům byly přisouzeny míry náchylnosti k erozi podle šestibodové stupnice na základě vlastního terénního výzkumu a poznatků domácích i zahraničních autorů, včetně používaných empirických rovnic (tab. 2). Při hodnocení vlivu sklonu svahu bylo uplatněno krajinně ekologické hledisko, při kterém lze předpokládat střední ohrožení vodní erozí při sklonech větších než 5, silné nad 8. Geologické podloží bylo posuzováno na základě schopnosti zastoupené horniny odolávat zvětrávání a erozním procesům. Nejnepříznivěji byly hodnoceny sprašové pokryvy, následované nezpevněnými fluviálními, proluviálními, deluviálními a glacifluviálními sedimenty, naopak největší odolnost byla shledána u vyvřelých a silně metamorfovaných hornin (Kliment, Langhammer, 2005b). Půdní poměry byly vyjádřeny faktorem erodovatelnosti půd, který v sobě zahrnuje půdní texturu, strukturu, zastoupení humusu a propustnost půdního profilu (Janeček a kol., 1992). Při bodovém hodnocení vlivu krajinného pokryvu byla využita databáze Corine landcover, kdy největší erozní ohrožení bylo po vzoru obdobných prací (Šuri, 2002 apod.) přisouzeno chmelnicím a vinicím a dále orné půdě jako celku. T a b u l k a 2. Meřítko hodnocení erozního rizika. T a b l e 2. Erosion hazard scoring. Body Erozní ohrožení 1 ohrožení žádné až nepatrné 2 ohrožení nízké 3 ohrožení střední 4 ohrožení silné 5 ohrožení velmi silné 6 ohrožení extrémní 1 no or very low risk, 2 moderate risk, 3 average risk, 4 increased risk, 5 high risk, 6 extreme risk. Základní varianta modelu (I) představovala prostý součet bodů ze čtyř hlavních vrstev. (I) S + G + P + L 233

4 Z. Kliment (II) S + G + P + 2 L (III) S + G + P + L+ H. Celkovou situaci v povodích ve vztahu k transportovanému množství plavenin lépe charakterizoval model (II), ve kterém byla zvětšena váha faktoru krajinného pokryvu na dvojnásobek. Zdůraznění tohoto faktoru do určité míry substituovalo zohlednění délky svahů u méně sklonitých intenzivně zemědělsky využívaných povodí (Loučka, Blšanka). Ke čtyřem základním faktorům byly jako samostatný variantní vstup zejména pro nedostatek informací o intenzitě srážek na celé ploše povodí přidány údaje o srážkových úhrnech (H). Jejich přímé použití se ukázalo nepříliš vhodné a vedlo k celkovému zkreslení situace, zejména u Lužické Nisy (III). Rozložení erozního ohrožení modelových povodí ukazuje obr. 2 a tab. 3. Nejvíce náchylné k erozi, výrazně vystupující nad ostatní studovaná povodí, je povodí Olšavy. V povodí se 20 % plochy orné půdy nachází na sklonech větších než 8 0. Vysoké erozní riziko je v něm rovnoměrně rozloženo na celém území i vzhledem k přítomnosti málo odolného flyšového podloží. Následuje povodí Blšanky, kde vedle sprašové oblasti v dolní části povodí jsou ohrožené plochy koncentrovány na zemědělsky obdělávané údolní svahy podél hlavního toku a pravostranných přítoků, včetně okrajových svahů Doupovských hor. Nepříznivě se zde projevují rozsáhlé plochy chmelnic, představující v systému kla- Obr. 2. Model erozní ohroženosti (II). Fig. 2. The erosion risk model (II). 234

5 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky T a b u l k a 3. Výsledky výpočtu modelů erozního ohrožení. T a b l e 3. The results of erosion risk models. Povodí 1) Sklon 2) Geologie 3) Půdy 4) Využití 5) S+G+P+L Model (I) 6) Model (II) S+G+P+2L 7) Model (III) S+G+P+L+H 8) Blšanka Loučka Lužická Nisa Olšava Pozn. Hodnoty představují součty bodů v gridovém poli v daných povodích. Comment: The values are sums of points in a grid file in river basin areas. 1 name of a basin, 2 slope factor, 3 lithology factor, 4 soil factor, 5 landcover factor, 6 8 models. sifikace nejvyšší možný stupeň erozní ohroženosti. Zcela heterogenně působí povodí Lužické Nisy, ve kterém je významné erozní riziko soustředěno na dolní část povodí, naopak na srážky bohatá zalesněná horní část povodí je charakterizována žádným až nepatrným erozním ohrožením. Povodí Loučky s nepříliš členitým reliéfem a největším zastoupením orné půdy (60 %) působí celkově nižším stupněm erozního ohrožení, které je však rovnoměrně zastoupeno na celé ploše povodí. Výsledky modelů erozní ohroženosti byly porovnány s mapou erozní ohroženosti půd a transportu sedimentu v České republice, zpracované na podkladě USLE (Dostál a kol., 2002). Přesto, že proporce erozního ohrožení mezi sledovanými povodími zůstavají přibližně zachovány, je evidentní, že absence faktoru geologického podloží vede k značnému podhodnocení erozního rizika i odvozeného výpočtu transportu sedimentu v oblastech s podložím náchylným k vodní (stržové) erozi. Tuto skutečnost potvrzují jak práce Buzka (2002, 2004), tak i situace v modelovém povodí Olšavy, kde dlouhodobý průměrný odtok plavenin až více než 10-krát překračuje odvozené hodnoty. Transport plavenin Transport plavenin byl vyhodnocen pro uzávěrové profily modelových povodí. K analýze bylo využito víceletých řad pozorování plavenin Českým hydrometeorologickým ústavem a dat z vlastního monitoringu plavenin na řece Blšance: 4180 Uherský Brod-Olšava ( ), 4470 Dolní Loučky- Loučka ( ), 3200 Hrádek nad Nisou- Lužická Nisa ( ) a 2170 Holedeč-Blšanka ( ). Vzorky vody byly odebírány stejným postupem, a to pozorovatelem pomocí vzorkovače integrační metodou ve svislici jednou, v případě potřeby vícekrát denně. Obsah plavenin byl stanoven poté v laboratoři. Denní hodnoty obsahu plavenin (nebo-li kalnost) vykazovaly v průběhu sledovaného období značné rozpětí a rozkolísanost. Nejčastěji se vyskytovaly nízké obsahy plavenin do 20 mg l -1. V dlouhodobém průměru překračovala kalnost hodnotu 70 mg l -1 po 60 dní v roce, na Loučce, která je po většinu roku nejméně kalná, dokonce jen po 30 dní v roce. Maximální denní obsahy plavenin dosáhly hodnot přes 5000 mg l -1, nejvíce na Loučce 9826,2 mg l -1, nejméně na Lužické Nise 1321,6 mg l -1. Při kalnostech nad 1000 mg l -1 bylo odneseno % celkového množství plavenin. Odlišná situace nastala na Lužické Nise, na které nebyly zaznamenány vysoké hodnoty obsahu plavenin a 62,3 % celkového množství plavenin bylo odneseno při kalnosti do 100 mg l -1 (obr. 3). Nejvyšší průměrná měsíční kalnost byla u sledovaných toků shodně dosažena v květnu až červenci, druhé období vyšší kalnosti následovalo v únoru až březnu (tab. 4). Obdobím vyšší kalnosti provázeným zvýšenými průtoky vody odpovídá i výsledný režim průtoku plavenin (obr. 4.). Nejvyšší průměrný obsah plavenin za sledované období byl zjištěn u Olšavy (64,6 mg l -1 ) a Blšanky (61,3 mg l -1 ), nejnižší u Lužické Nisy (38,5 mg l -1 ). Hodnoty průměrného zakalení korespondovaly s celkovým vypočteným erozním potenciálem modelových povodí (tab. 5). Výsledné průtoky plavenin danými profily byly u sledovaných řek ovlivněny vedle hodnot obsahů plavenin celkovou vodností toku. Vztah průměrných ročních obsahů plavenin s průměrnými ročními průtoky vody dává do souvislosti přehledný obr. 5. Blšanka i přes nejmenší vodnost ze studovaných toků dosahuje vysokou průměrnou kalnost. Nejmenší zakalení spojené s velkým průměrným průtokem vody a naprostou nezávislost mezi sledovanými veličinami vykazuje Lužická Nisa. Sklon 235

6 Z. Kliment Obr. 3. Podíl rozdílných hodnot obsahu plavenin na průměrném ročním odtoku plavenin. Fig. 3. The share of different turbidity values on the annual suspended load. T a b u l k a 4. Průměrná měsíční kalnost a průtok vody za sledované období. T a b l e 4. Average monthly turbidity and discharge values in the period observed. Blšanka Loučka Luž.Nisa Olšava XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X c [mg l -1 ] 31,5 33,5 34,4 68,1 64,8 52,1 69, ,8 66,9 79,4 35,7 Q [m 3 s -1 ] 0,58 0,53 0,82 0,93 1,17 0,96 0,51 0,66 0,46 0,29 0,43 0,70 c [mg l -1 ] 14,4 26,8 19,7 41,1 60,8 26,4 98,2 98,7 40,4 46,1 33,5 18 Q [m 3 s -1 ] 1,26 1,91 2,05 3,03 5,02 3,61 2,33 1,67 1,37 0,89 0,84 1,06 c [mg l -1 ) 32 30,9 30,7 36,5 47,2 38,3 46, ,4 43,7 28,1 26,3 Q [m 3 s -1 ] 4,19 6,61 6,52 6,01 8,30 8,72 5,34 4,89 5,36 3,35 3,87 3,12 c [mg l -1 ] 41,2 82,6 60,3 76, ,3 90, ,8 39,1 52,2 27,6 Q [m 3 s -1 ] 1,31 1,95 2,10 2,94 4,19 2,96 2,45 2,24 1,72 1,08 0,99 1,09 Obr. 4. Průměrné měsíční průtoky plavenin za sledované období. Fig. 4. Average monthly suspended load in the period observed. 236

7 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky T a b u l k a 5. Průměrné srážkové, průtokové a plaveninové údaje pro modelová povodí. T a b l e 5. Average annual values of precipitation, discharge and suspended load for model basins. Povodí 1) Hydr. obd. 2) [m 3 s -1 ] Qr c [mg l -1 ] G [t rok -1 ] qpl [t/rok/km 2 ] Hp [mm] Blšanka ,67 61,3 2840,1 7,6 517 Loučka ,08 44,3 8283,4 21,5 655 Luž. Nisa ,52 38,5 8058,2 22,7 897 Olšava ,08 64, ,7 46, name of a basin, 2 hydrological period, Qr discharge, c turbidity, G outflow of suspended sediments, qpl specific outflow of suspended sediments, Hp precipitation. Obr. 5. Vztah mezi průměrnými ročními hodnotami obsahu plavenin a průtoku vody. Fig. 5. The relationship between annual values of turbidity and the water flow in the period observed. směrnice a těsnost regresního vztahu jsou ovlivněny rozdílnou vodností toku a rozdílnými podmínkami pro vodní erozi v modelových povodích. Největší průměrný roční odtok plavenin byl za sledované období na Olšavě (18572,7 t rok -1 ); rovná se přibližně součtu odtoku plavenin ve zbývajících povodích. Téměř shodnou velikost průměrného ročního odtoku plavenin vykazovalala Loučka a Lužická Nisa, i přes rozdílné podmínky pro transport plavenin. Nejmenší odtok plavenin při vysokém průměrném obsahu plavenin měla Blšanka (2840,1 t rok -1 ). Vzhledem k tomu, že plocha povodí je téměř shodná, podobné vztahy platí i u specifického odtoku plavenin. V případě, že bychom brali do úvahy jen plochu orné půdy jako hlavní zdrojovou oblast transportovaných plavenin, průměrný specifický odtok plavenin by vypadal následovně (v t km 2 rok -1 ): Olšava 106,9, Blšanka 15,7, Loučka 36,4, Lužická Nisa 99,2. Roční odtok plavenin dosáhl za sledované období největších hodnot v mimořádně vodných letech ve vazbě na vyšší roční úhrny srážek (až 300 % průměrného ročního odtoku plavenin), naopak v letech mimořádně málo vodných byl odtok plavenin nejmenší (do 20 %). O velikosti odtoku plavenin během roku rozhoduje především výskyt, četnost a charakter odtokových situací s vyšší vodností a vyšším obsahem plavenin. Při průtocích Q 30 (jsou dosaženy a překročeny po 30 dní v roce) odteklo v případě Olšavy až 89,4 % ročního množství plavenin, u Loučky 76,9 %, u Blšanky 69,3 % a u Lužické Nisy jen 37,5 %. Tato skutečnost vypovídá o vztahu mezi množstvím transportovaných plavenin a průtokem vody a potvrzuje hlavní původ plavenin z plošných zdrojů v návaznosti na erozní procesy v povodí. U Lužické Nisy můžeme přisoudit nižší hodnotu odtoku plavenin a kalnosti při vyšších průtocích zejména vysokému stupni zalesnění plochy povodí. Odtok plavenin u sledovaných povodí ve vegetačním půlroce v přibližně stejném poměru mírně převýšil odtok v chladném půlroce. Situace je o něco rozdílná z hlediska hlavních ročních sezón, nicméně zhruba 1/3 odtoku připadla na jaro, 1/3 na léto, 1/4 na zimu a 1/8 na podzim. Určitou výjimku v tomto schématu projevila Loučka, kde 1/2 připadla na samotné jaro, a to i přes eliminaci extrémní situace z května 1985, při které odteklo až 235 % průměrného ročního množství plavenin. 237

8 Z. Kliment Vztah plavenin k průtoku vody a příčinným jevům Většina transportovaného množství plavenin je vázána na několik dnů v roce. Období vyšší kalnosti je obvykle spojeno s nárůstem průtoku vody způsobeným srážkami, popř. i táním sněhové pokrývky v povodí, provázeným srážkami (obr. 6). Situace je podobná ve všech sledovaných povodích s výjimkou Lužické Nisy, kde vazby na velikost průtoku a tedy i na příčinné jevy nejsou na první pohled průkazné. V chladném půlroce se obvykle vyskytují velké průtoky provázené nižšími kalnostmi, ve vegetačním období naopak vysoké obsahy plavenin provázené nevelkými průtoky. Vztah mezi plaveninami a průtokem vody dále negativně ovlivňují vysoké hodnoty plavenin naměřené při velmi malých průtocích vody, ze kterých je možné usuzovat na určitý přímý antropogenní vliv a také nižší kalnosti v sestupné fázi průtokové vlny. V neposlední řadě se zde projevuje momentální charakter povodí (např. stav zemědělského využití) a průběh příčinných atmosférických jevů. Obsah plavenin roste obecně se zvětšujícím se průtokem. K tomuto závěru můžeme například dospět, pracujeme-li s hodnotami skupinových průměrů. Hledání přímého vztahu mezi denními hodnotami obsahu plavenin a průtoku vody bylo problematické. Z regresních závislostí byly testovány klasické typy matematických modelů (tab. 6): lineární: c = A + B.Q, (1) kvadratický: c = A + B.Q + C.Q 2, (2) mocninný: c = A.Q B. (3) Na základě poznatků z analýzy časových řad byly aplikovány dále modely závislosti ve tvaru: lineární: c = A +B. Q, (4) kvadratický: c = A + B. Q + C. Q 2, (5) lineární: c = A +B.Q + C. Q, (6) kde Q je podíl Q/Q 1 (nárůst průtoku vyjádřený podílem daného denního průtoku oproti průtoku předchozího dne). Přestože nebylo dosaženo vyhovujících těsností sledovaných vztahů, objevily se určité trendy. Nejlepší výsledky regresní analýzy byly získány pro období zimy s použitím modelů (1) a zejména (2), které potvrdily určitou závislost hodnoty kalnosti na velikosti průtoku vody. Tyto modely se však ukázaly nepoužitelné pro zbylou část roku, kde se naopak potvrdila výraznější závislost hodnoty kalnosti na nárůstu průtoku vody oproti předchozímu dni Q (4) (obr. 7). Pro letní a zejména podzimní období byl s největší kvalitou testován lineární model závislosti obsahu plavenin na velikosti průtoku, rozšířený o položku Q (6). Jarní období vzhledem k častému výskytu extrémních hodnot kalnosti vykazovalo mezi průtokem vody a obsahem plavenin při použití rozdílných modelů vůbec nejslabší závislost, resp. nezávislost. Uspokojivější výsledky regresní analýzy poskytlo sledování vztahu mezi průtokem plavenin Qpl a průtokem vody Q. Při hledání vztahu byly testovány tři základní typy matematických modelů: lineární: Qpl = A + B.Q, (7) kvadratický: Qpl = A + B.Q + C.Q 2, (8) mocninný: Qpl = A.Q B. (9) a) b) Obr. 6. Roční chod průtoku vody, obsahu plavenin (a), srážek a výšky sněhové pokrývky (b) (Blšanka Holedeč 1995). Fig. 6. Courses of water discharge and turbidity (a), rainfall and snow cover altitude (b) (Blšanka River Holedeč 1995). 238

9 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky a) b) Obr. 7. Vztah mezi obsahem plavenin a průtokem vody (a) a nárůstem průtoku vody Q (b) (Loučka, , IX. XI.). Fig.7. The turbidity in relation to water discharge (a) and discharge increase Q (b) (Loučka River, , IX XI.). Závislost nejlépe charakterizoval kvadratický model (8). Mocninný vztah i přes vyšší hodnoty korelačního koeficientu nepostihoval dostatečně zejména vyšší hodnoty kalnosti. Vyšší míry těsnosti bylo dosaženo zejména v zimním období, nejmenší na jaře (obr. 8). Situace s obsahem plavenin vyšším než 500 mg l -1 Zvláštní pozornost byla věnována situacím, při kterých byla dosažena a překročena kalnost 500 mg l -1. Situace byly vymezeny na základě časového průběhu denních hodnot kalnosti a průtoku vody. Četnost situací se u jednotlivých povodí liší (Olšava v průměru 5x ročně, Loučka 3,4x, Blšanka 3x, Lužická Nisa 1x). Odtok plavenin během těchto situací dosáhl s výjimkou Lužické Nisy více jak 70 % z celkového odtečeného množství plavenin. Zároveň byla provedena u jednotlivých povodí typizace těchto situací. Obecně je můžeme charakterizovat takto: Typy situací Obr. 8. Vztah mezi průtokem plavenin a průtokem vody (Olšava, , IX. XI.). Fig. 8. The suspended load in relation to water discharge (Olšava River, , IX. XI.). Obecně největší závislost bylo možné sledovat u Olšavy, u Blšanky a Loučky až po vyloučení výrazně se vychylujících hodnot. U Lužické Nisy nebyla shledána žádná závislost. Vztah mezi velikostí plaveninových charakteristik a srážkovými úhrny ve smyslu denních hodnot se nepodařilo spolehlivě prokázat, ani při korelaci k dennímu srážkovému úhrnu posunutému vůči kulminaci o jeden a dva dny nazpátek. Určitým řešením by mohla být sumace spadlých dešťových srážek k odteklému množství plavenin nebo zahrnutí ukazatele intenzity příčinných srážek. 1. intenzivní letní krátkodobé (jednodenní, maximálně dvoudenní) srážky v celém povodí, které způsobily náhlé až několikanásobné nárůsty průtoku vody, při kterých byly naměřeny nejvyšší obsahy plavenin. Průtoky vody většinou vzhledem k předchozímu bezesrážkovému období nedosáhly nejvyšších hodnot. 2. lokální intenzivní letní srážky, které sice vyvolaly vyšší kalnost, ale prakticky se neprojevily nárůstem průtoku vody v korytě hlavního toku. 3. vícedenní srážky v celém povodí, které vyvolaly nejvyšší průtoky vody, obsah plavenin ale nedosáhl nejvyšších hodnot. 4. tání sněhu v povodí s následnými dešťovými srážkami, které vyvolaly vzhledem k nasycenosti povodí vodou vyšší průtokové stavy a zvýšené obsahy plavenin. 5. antropogenní ovlivnění kalnosti vody bez znatelných projevů v průtoku vody a srážkách (vypou- 239

10 Z. Kliment štění odpadních vod, stavební práce v řečišti apod.) Nejčastěji se vyskytovala u sledovaných povodí situace typu 1. (v průměru 34 %) a situace typu 4. (30 %). U Lužické Nisy převažovaly naopak situace typu 5. (28,6 %). Z obr. 9 je možné vysledovat, že proporce odnosu plavenin pro jednotlivé typy situací zůstávají u sledovaných povodí zhruba podobné. U Blšanky se výrazněji na vysokých kalnostech projevily lokální deště, u Loučky tání sněhu a u Lužické Nisy je patrný určitý antropogenní vliv. U odtokových situací byl znovu šetřen vztah mezi kalností a průtokem vody. Podařilo se prokázat, že v době vzestupné fáze průtokové vlny dosahují kalnosti při stejné velikosti průtoku vody vyšších hodnot než při sestupné fázi (obr. 10). Výsledné regrese, i vzhledem k tomuto faktu, dosahovaly ve vybraných souborech sice většinou vyšších, ale celkově stále nepříliš významných ukazatelů spolehlivosti zkoumaného vztahu. Nejvyšší hodnota obsahu plavenin byla během průtokové vlny dosažena v jejím vrcholu nebo velmi často tento vrchol předcházela. Zatímco kalnost opadávala poměrně rychle, průtok vody se jen pomalu vracel do svého normálu. Obr. 9. Podíl typů situací na celkovém odtoku plavenin. Fig. 9. The share of situation types in the total suspended sediments outflow. Trendy v odnosu plavenin V souvislosti s nastupující změnou klimatu a změn ve struktuře a využívání krajiny lze očekávat i změny v průběhu erozních procesů a transportu plavenin. Mezi nejčastěji uváděné příčiny zvýšeného transportu plavenin patří změny ve způsobu obdělávání povodí, zejména odlesňování, zornění, těžba surovin, popř. dočasné stavební práce. Snížení transportu plavenin je dáváno do souvislosti vedle změn v krajinném pokryvu s výstavbou vodních nádrží (např. in Walling, Fang, 2003, Buzek, 2000). Řady pozorování plavenin v České republice jsou prozatím krátké a jen nevýrazně odráží některé naznačené změny, ke kterým dochází v posledních letech. Oteplování klimatu se projevuje zejména teplejšími zimami. Úbytek počtu dní se sněhovou pokrývkou v nižších polohách kompenzovaný navýšením dešťových úhrnů v zimním období vytváří podmínky pro větší odnos plavenin z povodí v mimovegetačním období. Výrazná letní sucha na přelomu 80. a 90. let způsobila úbytek transportovaného množství plavenin na 20 % ročního průměru, podobně se jeví začátek nového tisíciletí (tab. 7). Pozorovaný úbytek množství transportovaných plavenin ve vztahu k průměrné vodnosti toků může být dán do souvislosti i se zatravněním dříve obhospodařovaných pozemků ve sklonitějších podhorských polohách po roce 1994 (obr. 11). Snížení celkového transportu plavenin vodními toky však nutně neznamená nižší intenzitu erozních procesů v povodí, naopak. Jejich projev může být zastřen relativně nízkou hodnotou povrchového odtoku, a to i po přívalových srážkách, jejichž narůstající účinek se očekává s uvažovanými klimatickými změnami. Ukázalo se, že letní přívalové deště následující po suchém období sice nevyvolaly vysoké průtoky vody, nicméně způsobily nejvyšší pozorovaná zakalení vodních toků. Obr. 10. Obsah plavenin ve vztahu k fázím průtokové vlny (Blšanka, nad 500 mg l -1, 1. typ). Fig. 10. The turbidity in relation to phases of hydrograph wave (Blšanka River, more than 500 mg l -1, type 1); rising limb, recession limb. Obr. 11. Podvojná součtová čára ročních průtoků vody a odtoku plavenin (Loučka, ). Fig. 11. Double mass curve of annual water discharge and suspended load (Loučka River, ). 240

11 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky T a b u l k a 6. Výsledky regrese s použitím daných matematických modelů (R 2 ). T a b l e 6. The results of regression with used mathematical models (R 2 values). Rok (Year) III-V VI-VIII IX-XI XII-II Regrese Olšava Blšanka Loučka Luž.Nisa Olšava Blšanka Loučka Luž.Nisa Olšava Blšanka Loučka Luž.Nisa Olšava Blšanka Loučka Luž.Nisa Olšava Blšanka Loučka Luž.Nisa (1) 0,25 0,11 0,07 0,03 0,19 0,06 0,05 0,03 0,24 0,21 0,13 0,03 0,33 0,11 0,06 0,03 0,36 0,36 0,28 0,02 (2) 0,25 0,12 0,08 0,04 0,19 0,06-0,04 0,26 0,30 0,13 0,04 0,33 0,12 0,07 0,05 0,52 0,37 0,30 0,03 (3) 0,14 0,01 0, ,27 0,27 0,17 0,03-0,01 0,02 0,02-0,27 0,24 0,02 (4) 0,24 0,25 0,09 0,06 0,25 0,04 0,14 0,14 0,35 0,35 0,25 0,04 0,34 0,47 0,42 0,10 0,06 0,11 0,14 0,07 (5) 0,24 0,32 0,14 0,07 0,28 0,07 0,10 0,15 0,36 0,41 0,25 0,07 0,35 0,51 0,43 0,10 0,08 0,11 0,15 0,07 (6) 0,35 0,37 0,15 0,07 0,34 0,09 0,17 0,15 0,40 0,43 0,30 0,05 0,45 0,49 0,43 0,10 0,37 0,37 0,35 0,08 (7) 0,41 0,38 0,09 0,27 0,34 0,33 0,09 0,36 0,53 0,47 0,17 0,31 0,52 0,17 0,14 0,37 0,33 0,55 0,32 0,32 (8) 0,51 0,41 0,14 0,40 0,35 0,44 0,12 0,40 0,57 0,47 0,25 0,40 0,66 0,20 0,20 0,73 0,69 0,63 0,40 0,34 (9) 0,63-0,56-0,69-0,59-0,75 0,70 0,62 0,31 0,56 0,24 0,34 0,17 0,52 0,61 0,63 0,34 T a b u l k a 7. Roční odtok plavenin v modelových povodích [t rok -1 ]. T a b l e 7. Annual suspended load in model river basins [t year -1 ]. Cílem studie bylo porovnat transport plavenin v geograficky rozdílných oblastech České republiky. Výzkum proběhl ve čtyřech modelových povodích: povodí Blšanky, Loučky, Lužické Nisy a Olšavy. Povodí jsou navzájem srovnatelná svojí plochou a zároveň r eprezentují odlišné podmínky pro Blšanka Loučka Luž. Nisa Olšava ,8 7923, , ,5 8864, , , , , , , , , ,5 6686, ,6 6532,0 2758, ,4 3101,4 5989, ,1 3941, , ,2 4916, , ,4 7021, , ,8 6141,4 8401, , , ,6 5829, , ,7 8087, , , ,6 1905, , ,8 8683, , ,5 7389,0 8249, ,4 2088,6 9772, ,1 5038,8 5409, ,4 5653,2 4682, ,6 4291,8 8637,6 Závěr Obr. 12. Projevy eroze po tání sněhu v chmelnici v povodí Blšanky. Fig. 12. Erosion effects following snow melting in the Blšanka River basin. 241

12 Z. Kliment Obr. 13. Akumulace plavenin při okrajích koryta Blšanky. Fig. 13. Sediment accumulation at the channel margins of the Blšanka River. Obr. 16 Převažující málo ukloněné svahy v povodí Loučky jsou využívané pro pěstování obilí a brambor. Fig. 16. Prevailing low slopes are utilized agriculturally in the Loučka River basin, potato and corn growing is typical. Obr. 14. Důsledky vodní eroze na pěstované kultuře v povodí Blšanky. Fig. 14. Results of water erosion on the cover crop in the Blšanka River catchment. Obr. 17 V povodí Olšavy se nacházejí zemědělsky obdělávané pozemky i na sklonitějších svazích na flyšovém podloží. Fig. 17. In the Olšava River basin, there are also rather sloped areas utilized agriculturally on the flysch subsoil. Obr. 15. Pro povodí Blšanky je tradiční pěstování chmele. Fig. 15. Hop growing is a traditional activity in the Blšanka River basin. Obr. 18 V povodí Lužické Nisy zaujímá orná půda jen 20 % plochy povodí, 50 % je zalesněno. Fig. 18. Arable land occupies only 20 % of the Lužická Nisa River basin area, 50 % is wooded. 242

13 Plaveniny jako produkt a indikátor vodní eroze půdy v geograficky rozdílných podmínkách České republiky zapojení erozních procesů. Pro sledovaná povodí byl vytvořen model erozní ohroženosti založený na multikriteriálním bodovém hodnocení hlavních erozních faktorů, který byl porovnán s mapou erozního ohrožení půd a transportu sedimentu v České republice. Nejvíce náchylné k erozi, výrazně vystupující nad ostatní studovaná území se projevilo povodí Olšavy, následované povodím Blšanky. Nejméně vhodné podmínky pro vodní erozi vykázalo jako celek povodí Lužické Nisy. Transport plavenin byl vyhodnocen pro uzávěrové profily modelových povodí, kde bylo využito i vlastního monitoringu plavenin na řece Blšance. Výsledné hodnoty odnosu plavenin jsou ovlivněny vedle celkového erozního potenciálu daného území rozdílnými srážkovými a odtokovými poměry jednotlivých povodí. Transport plavenin je až na výjimky (Lužická Nisa) především přírodním procesem bez významného přímého antropogenního ovlivnění. Nejvyšší hodnoty byly shledány shodně v povodí Olšavy. Povodí Blšanky, i přes velké erozní ohrožení a vysoké hodnoty kalnosti, figuruje vzhledem k nízkým průtokovým charakteristikám na posledním místě. Naopak v povodí Lužické Nisy je výsledný vyšší odnos plavenin způsoben především velkou průměrnou vodností toku. Naprostá většina z ročního množství plavenin odtéká v době vyšších průtoků. Z hlediska příčinných hydrometeorologických jevů bylo vymezeno pět základních odtokových situací s podobným zastoupením ve všech sledovaných povodích. Pro charakteristiku vztahu mezi obsahem plavenin a průtokem vody byly použity s různou úspěšností různé typy vztahových rovnic. Nejlepší závislosti byly získány v povodí Olšavy. Prospěšné se ukázalo zařazení rozšiřujícího parametru Q, tj. nárůstu průtoku vyjádřeného podílem daného denního průtoku oproti průtoku předchozího dne, zejména za letních situací. Do hodnocení plaveninového režimu se promítly prozatím relativně krátké časové řady sledování plavenin, zejména u Blšanky. Přesto bylo možné naznačit určité trendy ve vývoji plaveninového režimu, zejména mírný nárůst zimního odtoku plavenin v návaznosti na oteplování klimatu. Význam uvedených trendů ukáže až další sledované období. Výzkum byl podpořen grantovou agenturou UK a Výzkumným záměrem geografické sekce PřF UK. LITERATURA BUZEK L., 2000: Eroze lesní půdy při vyšších vodních srážkách a tání sněhové pokrývky (na příkladu střední části Moravskoslezských Beskyd). Geografie - Sborník ČGS, 105, č.4, Praha, s BUZEK L., 2004: Plaveninový režim jako ukazatel intenzity vodní eroze v horských zalesněných povodích (na příkladu Moravskoslezských Beskyd). J. Hydrol. Hydromech., 52, č. 1, s DOSTÁL T. a kol., 2002: Mapa erozního ohrožení půd a transportu sedimentu v České republice. Vodní hospodářství, 52, č. 2, s COLLINS A.L., WALLING D.E., 2004: Documenting catchment suspended sediment sources: problems, approaches and prospect. Progress in Physical geography, 28, č. 2, s JANEČEK a kol., 1992: Ochrana zemědělské půdy před erozí. Metodiky pro zavádění výsledků výzkumu do zemědělské praxe, č. 5, ÚVTIZ Praha, 110 s. KLIMENT Z., 1995: Balance of the suspended sediments in the Czech Republic. Sborník IGU konference Environment and Quality of Life in Central Europe: Problems of Transition, Praha, KLIMENT Z., 1996: Co odnášejí řeky? Geografické rozhledy, 5, č. 2, Praha, s KLIMENT Z., KOPP J., 1997: Hodnocení plaveninového režimu na zdrojnicích Berounky. Geografie sborník ČGS, 102, č. 2, ČGS Praha, s KLIMENT Z., 2000: Bilance, režim a chemismus plavenin říčky Blšanky. Geografie - Sborník ČGS, 105, č. 3, Praha, s KLIMENT Z., 2000: Changes of Soil Erosion Conditions due to Agriculture Collectivization. Sborník International Symposium IGU-GERTEC on Geomorphic Response to Land Use Changes, SAV, Slovensko-Smolenice, KLIMENT Z., LANGHAMMER J., 2005a: Modelling of the erosion risk in the Blšanka river basin. Modelling natural environment and society. Sborník VZ MSM Teorie geografické struktury a vývoj prostředí a společnosti. PřF UK, Praha, (v tisku). KLIMENT Z., LANGHAMMER J., 2005b: Modelování erozního ohrožení ve velkých územních celcích. Geomorfologický sborník 4, PFJU, České Budějovice, (v tisku). KLIMENT Z., LANGHAMMER J., JURČÁK P., 2003: Dynamika plošného odnosu látek z povodí v geograficky odlišných podmínkách České republiky. [Závěrečná zpráva grantu GAUK 178/2000/B-GEO/PřF.] Praha, 98 s. KNIGHTON D., 1984: Fluvial forms and processes. Edward Arnold, London, 218 s. LORE A., MAGALDI D., 1994: A Metod for assessing soil erosion hazard on regional scale. IGU Regional Konference Environment and Duality of Life in central Europe, Praha. MEYBECK M., 1983: Dissolved Loads of Rivers and Surface Water Quantity/Quality Relationship. International Association of Hydrological Sciences Publication, 141, London, s PETRŮJOVÁ T. a kol.., 1998: Sledování plavenin a sedimentů v povodí Labe, Moravy a Odry. [Dílčí zpráva úkolu PPŽP 510/3/98.] ČHMÚ a VÚV, Brno. ROBINSON A.R., 1977: Relationship between soil erosion and sediment delivery. Erosion and Solid Matter Transport in Inland Watters Symposium, IAMS-AISH, USA, s ŠÚRI, M. a kol., 2002: Soil erosion assessment of Slovakia at a regional scale using GIS. Ekológia, č. 4, s

14 Z. Kliment WALLING D.E., FANG D., 2003: Recent trends in the suspended sediment loads of the world s rivers. In: Global and Planetary Change, 39, s Došlo 9. februára 2005 Štúdia prijatá 2. júna 2005 THE SUSPENDED LOAD AS A WATER EROSION PRODUCT AND INDICATOR IN DIFFERENT GEOGRAPHICAL ENVIRONMENTS OF THE CZECH REPUBLIC Zdeněk Kliment Sediments in a suspension represent an important component in the overall balance of material circulation in river basins. The slope erosion or soil erosion, respectively, is considered to be their main source. The amount of suspended sediments in natural conditions provides information on the intensity of denudation and erosion processes in river basins. The goal of the study has been to compare the transport of suspended sediments in four model river basins of a comparable area ( sq. km), where each one represents different environment from the geographic point of view. The existence of data sources and availability of geographic data bases in the GIS environment represented an important criterion for selection of the model river basins. The Blšanka River basin is situated in a region of north-western Bohemia with a warm climate and with a poor volume of rainfalls. Permian and Carboniferous sediments prevail in the subsoil, hop growing is a traditional activity. The Loučka River basin is represented by a region of the Bohemian- Moravian Uplands having a rather cold climate. Metamorphed rocks prevail in the subsoil. The region with its low slopes is utilized agriculturally, only 20 % of area is wooded. The Olšava River basin is found in a region of Moravian-Slovak Carpathian Mountains having a warm climate. The subsoil is formed by flysch. There are also rather sloped areas here, utilized agriculturally. The Lužická Nisa River basin is found in the Jizerské Mountains region with a rather cold climate and a rich volume of rainfalls. There are significant agglomerations found in the river basin, namely Liberec and Jablonec nad Nisou. We have developed a model of the erosion risk for these basins. The model is based on a multi-criterion scale evaluation of chief erosion factors as a grid model in the GIS environment. Four main factors were used for modelling: the inclination, the geological subsoil, the soil erodibility, and the land cover. The basic variant of the model represented a simple sum of points from the four main layers. The overall situation in the river basins was better characterized by a model in which the region cover factor weight was doubled (see Fig. 2). Data on annual precipitation were added as an individual variant input. The Olšava River basin was shown to be most liable to erosion, markedly higher than other river basins studied, followed by the Blšanka River basin and the Loučka River basin. Suspended load was evaluated for closing profiles of the model river basins. Series of suspended load observations of the Czech Hydrometeorological Institute were used for analysis as well as data from own monitoring. Daily values of the turbidity showed a marked span and instability in the course of the period observed. The maximum daily levels of the turbidity exceeded the values of 5000 mg l -1. The highest average content of suspended sediments for the period observed was found in the Olšava River (64.6 mg l -1 ) and the Blšanka River (61.3 mg l -1 ), the lowest one in the Lužická Nisa River (38.5 mg l -1 ). The extent of the suspended load in the course of the year was determined especially by the incidence, rate, and nature of outflow situations with a higher water discharge and a higher turbidity. In discharges Q 30 (reached and exceeded in 30 days per year), in the Olšava River, there were transported up to 89.4% of suspended sediments of its yearly amount. In the case of Lužická Nisa River it was only 37.5%. The highest average suspended load in the period observed was seen in the Olšava River basin ( t year -1 ), and it was roughly equal to the sum of the sediments outflow in the remaining river basins. The suspended load in the vegetation half-year in the river basins observed exceeded slightly the suspended load in the cold half-year. The situation is somewhat different from the viewpoint of main year seasons, nevertheless about 1/3 of the outflow fell on the spring, 1/3 on the summer, 1/4 on the winter. The relationship between the suspended sediments, water flow and causal phenomena were analysed. There was found more marked dependency of the turbidity value on the water flow increase compared to the previous day ( Q). A special attention was devoted to the situations in which the turbidity value of 500 mg l -1 was achieved and exceeded (more than 70% of the total suspended load). We defined five basic types of run-off situations: 1. intensive summer short-term rainfalls in the whole area of a basin (the highest turbidity values were measured), 2. local intensive summer rainfalls (higher turbidity and low flow values), 3. several days lasting rainfalls (the highest water flow and suspended load values were measured), 4. melting of snow with subsequent rainfalls (higher flow and higher turbidity values), 5. anthropogenous influence (higher turbidity value without perceptible manifestation in water flow and rainfalls). The graph indicates that proportions between individual situation types remain roughly similar in the river basins examined. In Lužická Nisa basin, a certain anthropogenous effect was apparent (see Fig. 9). In relation to the global warming increasing of water flow and possibilities for erosion effects during winter period and increasing of extremities of suspended load parameters during summer period (high rainfalls and droughts) together with landcover changes were discussed. 244