Ekologie tekoucích vod

Transkript

1 Ekologie tekoucích vod řfuk, MB6O, Katedra ekologie, 008 Ekologie tekoucích vod Josef K. Fuksa, Kat. ekologie řfuk, VÚV T.G.M., Zuzana Hořická, Kat. ekologie řfuk, Jakub Langhammer, Kat. fyz. geografie etc. řfuk, Daniel Mattas, Kat. hydrauliky a hydrologie, FS ČVUT, Ondřej Slavík, VÚV T.G.M. Základní hydrologické elementy a přístupy RNDr. Jakub Langhammer, h.d. Katedra fyzické geografie a geoekologie řírodovědecká fakulta Univerzita Karlova v raze rogram Základní geografické elementy vodního prostředí ovodí vymezení a tvar Říční síť struktura, tvar a hierarchie Vodní tok základní elementy Vliv hydrografických charakteristik povodí na odtokový proces Literatura Chow, Ven Te(959):Open-Channel Hydraulics. McGraw-Hill Goudie, A. (99):The Nature of the Envrionment. Oxford: Blackwell ublishers. Kemel, M. (99):Hydrologie. raha: Vydavatelství ČVUT. Netopil, R. a kol. (98): Fyzická geografie. SN, raha. Netopil, R. (970): Základy hydrologie povrchových a podpovrchových vod. SN, raha. Strahler, A., Strahler, A. (000): Introducing hysical Geography. Wiley, New York. Základní elementy systému vodního prostředí Základní geografické elementy prostorových struktur systému povrchových vod ovodí Říční síť Vodní tok Koryto Metodický aparát pro analýzu prostorových aspektů systému povrchových vod Hydrografie Geoinformatika ovodí Vymezení locha Tvar

2 ovodí Základní hydrologická oblast, na které zkoumáme odtokový proces a zjišťujeme vzájemný vztah bilančních prvků ovodí - rozvodnice Vymezení povodí Uzavřené území, z něhož voda, na něj srážkami spadlá, odtéká povrchovou i podzemní cestou do jediného závěrečného profilu Hranice povodí rozvodnice růběh rozvodnice podle vrstevnic a vrcholů Hydrologické povodí x Hydrogeologické povodí ovodí - rozvodnice Nejednoznačnost vymezení hranice povodí Bifurkace rozdělení říční sítě na více ramen, odvádějících vodu do jiného povodí Říční pirátství načepování sousedního povodí zpětnou erozí říčiny řirozené geomorfologie a vývoj reliéfu Antropogenní zásahy do říční sítě Říční pirátství - Casiquiare přírodní propojení Orinoka a Rio Negro Orinoko se štěpí v oblastitama-tama / průtoku je odváděna řekou kanálem Casiquiare do povodí Amazonky Délka kanálu 0 km Od soutoku s Guainía vytváří Río Negro. Rio Negro po 800km ústí do Amazonky. Objevil jezuita páter Roman (7), prozkoumal a popsal Humboldt(80) Orinoko - Casiquiare Geografické charakteristiky povodí locha Vývoj povodí Tvar Výškové poměry

3 Vývoj povodí Stanovení plochy povodí Kartometrie GIS Graf vývoje povodí ravoúhlý graf vývoje povodí vyjádření nárůstu plochy povodí podle vzdálenosti od pramene. Stanovení plochy dílčích povodí Mezipovodí Vyjádření vývoje plochy povodí Tvar povodí Tvar povodí Obecný princip kvantitativního hodnocení tvaru povodí: -vyjádření míry jeho kruhovosti nebo protáhlosti. Gravelliův koeficient Lr K G = L R.π délka rozvodnice plocha povodí Koeficient protáhlosti povodí (Elongation ratio). R E = /π L L délka povodí plocha povodí Charakteristika povodí L α = L délkapovodí plochapovodí tvar 50km >50 km protáhlý <0. <0.8 přechodný vějířovitý >0.6 >0.0 Výškopisné poměry povodí Hypsografická křivka. řevýšení. Spád povodí. Koeficient reliéfu h = h max h min h I = h R h = L nadm. výška (m.n.m.) Vyjadřuje podíl plochy výškových pásem na celkové ploše povodí Vyjadřuje vlastnosti reliéfu oužití v hydrologii a geomorfologii % plochy povodí nadm. výška (m.n.m.) % plochy povodí

4 Hierarchické uspořádání říční sítě Řádovost vodních toků Říční síť Řádovost říční sítě Hustota říční sítě Uspořádání říční sítě Různé modely systému hierarchického uspořádání vodních toků v říční síti Hlavní systémy. Absolutní pořadí toku. Relativní řád toku Strahler. Magnitudo toku - Shreve Absolutní pořadí toku Relativní model řádovosti toků Absolutní model řádovosti Řád toku udává počet posloupných zaústění od moře Strahler - model řádovosti Hodnoceny ne toky, ale úseky mezi soutoky Toky prvního řádu ústí do moří a oceánů Toky. řádu pramenné úseky toků Toky druhého řádu tvoří přítoky toků prvního řádu, atd. Zvýšení řádu soutok toků stejného řádu Strahler význam Řádovost a morfometrie toků V tocích stejného řádu můžeme ve stejných (antropogenně neovlivněných) geografických, klimatických a geologických podmínkách nalézt srovnatelná společenstva vodních organismů, stejné fyzikální podmínky nebo stejné nebo velmi podobné pozaďové (neovlivněné) koncentrace chemických látek. Řád toku podle Strahlera je v ekologické literatuře používán jako základní souhrnná typologická charakteristika. Hortonovy zákony uspořádání říční sítě. počet toků určitého řádu klesá geometrickou řadou spolu se stoupajícím číslem řádu. průměrná délka toku určitého řádu geometricky stoupá spolu s rostoucím číslem řádu. průměrná plocha povodí toku určitého řádu goemetricky stoupá s rostoucím číslem řádu říklad Lužanka přítok Cidliny Absolutní řád -5 Strahler - Ř ád toku - STRAHLER ( ) (7) () ( )

5 Kvantifikace morfometrických charakteristik hierarchie říční sítě R b koeficient bifurkace podíl počtu toků určitého řádu počtem toků a počtu toků s řádem o vyšším koeficient bifurkace povodí průměr z dílčích hodnot obvyklé hodnoty -5 Analogie R l, R a R l koeficient délky toků R a koeficient plochy povodí Výpočet charakteristik Rb Rl říklad povodí celkem 88 toků všech řádů celková délka toků 80 km řád toku počet toků Rb celková délka toků průměrná délka toků povodí Rl Strahler ukázka (povodí Želivky) Aplikace Strahlerovy metody vymezení vodních útvarů Rámcová směrnice o ochraně vod - WFD ředmětem Rámcové směrnice je ochrana a zlepšování stavu všech vod. Základní podmínkou úspěchu WFD je stav vodních útvarů vodní útvary jsou jednotky pro stanovení shody se základními environmentálními cíli WFD. Základní prostorovou jednotkou WFD pro management a stanovení environmentálních cílů -vodní útvar (WB) rincip vymezení vodních útvarů řádovost dle Strahlera Vodní útvary v ČR Nejmenší samostatnou jednotkou je tok řádu podle Strahlera a jemu odpovídající povodí. Vodní útvary toků. řádu podle Strahlera označujeme jako horní, protože výše už neleží žádný samostatný vodní útvar a jejich rozvodnice tvoří hranici s jinými povodími toků. nebo vyššího řádu. Toky vyšších řádů (5-8) jsou považovány za samostatné ( průtočné ) vodní útvary včetně jejich mezipovodí. Na celém území ČR vymezeno celkem 00 vodních útvarů tekoucích povrchových vod. Typologie vodních útvarů geografické charakteristiky Typologie vodních útvarů tekoucích povrchových vod Geografická analýza dalších charakteristik vodních útvarů. říslušnost k ekoregionu. Nadmořská výška uzávěrového profilu toku.. Typ geologického podloží. locha povodí k uzávěrovému profilu toku. Kombinací typologických charakteristik bylo 00 vodních útvarů v ČR rozděleno do 89 typů. Sousedící vodní útvary stejného typu následně sdruženy do skupin vodních útvarů. Celkem 0 skupin vodních útvarů a 96 samostatných vodních útvarů, které netvoří skupinu. VÚV (00): Vodní útvary v ČR Výchozí vymezení vodních útvarů povrchových a podzemních vod a typologie vodních útvarů povrchových vod. VÚV TGM, raha. 5

6 Strahler - problémy Data potreba podrobné mapy alespoň :50000 řada zdrojnic není na mapách zachycena, pro hodnocení jsou ale rozhodující pro podrobné hodnocení kombinace map s fotogrammetrií Citlivost na generalizaci kartografických podkladů řes možnost kvantifikace neexistuje obecně platný vztah morfometrie povodí k charakteristikám odtoku Magnitudo toku - Shreve rincip členění Tok rozdělen na elementy, obdobně jako u Strahlera Element. řádu - zdrojnice Magnitudo úseku = počet elementů. řádu na výše položených úsecích říklad Lužanka Magnitudo -0 Strahler - Řád toku - MAGNITUDO to () to 5 (9) 5 to 8 () 8 to () to 0 (8) Hustota říční sítě Hustota říční sítě oměr délky všech vodních toků k celkové ploše povodí Vyjadřuje schopnost krajiny odvádět vodu z povodí souvislost s Q Závisí na: morfologii povrchu vegetaci klimatických poměrech geologických poměrech land-use aj. ΣL r = Změna říční sítě v zásvislosti na klimatických poměrech v rámci roku mezi periodami Hustota říční sítě a řádovost povodí podle Strahlera Hustota říční sítě a průtok Hustota říční sítě Uspořádání říční sítě Berounka - hustota říční sítě 0,7 to 0,77 (5) 0,77 to,0 (9),0 to,8 (8),8 to,9 (7) more (0) říklad -povodí Berounky odklad digitální ZVM : Analýza GIS MapInfo závislost hodnoty hustoty na charakteru reliéfu a využití území nejvyšší hustota v hornatých a zalesněných oblastech Brd, Hřebenů, Slavkovského lesa a Doupovských hor nejnižší hustota říční sítě je v zemědělsky využitých zarovnaných úsecích toků střední a dolní povodí Rakovnického potoka, Litavky, Klabavy a vlastní Berounky stromovité pravoúhlé listovité vějířovité paralelní prstencovité neuspořádané dostředivé km 6

7 odélný profil toku Vodní tok Základní vyjádření výškopisných poměrů říční soustavy Odráží geologické a geomorfologické poměry povodí Umožňuje hodnotit vývojová stádia jednotlivých toků podélný profil meandry Meandry Nepřetržitá erozněakumulační činnost v důsledku nerovnoměrného rozdělení rychlostí proudění v příčném profilu koryta Činnost vody v meandru Částice vody směřují setrvačností šikmo ke břehu Zde narážejí a rozrušují břeh břeh nárazový (výsepní, konkávní) Na protilehlém břehu dochází k poklesu rychlostí proudění, unášecí schopnosti a tím k sedimentaci břeh Vznik meandru Vynucená (orografická) křivolakost toku přizpůsobení se toku geologickým a geomorfologickým poměrům Hydraulická křivolakost volné zákruty důsledek složitých podmínek proudění v korytě, nerovnoměrné odolnosti a struktuře břehů nebo překážek v korytě toku ohyb meandrů Meandry se díky nepřetržité erozně - akumulační činnosti toku a působení gravitace vyvíjejí ve dvou směrech:. Zvětšování amplitudy meandrů. osun v meandrovém pásu Zvětšování amplitudy meandrů Amplituda meandrů se díky erozněakumulační činnosti zvětšuje ostupně dochází ke vzniku zaklesnutých meandrů okud se dvě protilehlá ramena meandru přiblíží příliš blízko, dochází k zaškrcení meandru a vzniku mrtvého ramene a k druhotnému napřímení toku 7

8 Zvětšování amplitudy meandrů říklad zaklesnutý meandr na dolním toku Rakovnického potoka u Křivoklátu osun v meandrovém pásu Zákruty meandru se pozvolna posunují ve směru sklonu údolního dna Dochází k posunu celé struktury meandrového pásu směrem po toku Ukázka - meandrový pás Vltavy Meandry morfometrické vztahy soutok Studené a Teplé Vltavy nad nádrží Lipno N Koryto toku Koryto toku Morfometrie koryta Vztah k průtoku Vztah koryta toku k proudění sklon hladiny plocha průtočného profilu drsnost koryta Q = A * v 8

9 říčný profil koryta toku růtočný profil část příčného řezu korytem, kterým protéká voda locha průtočného profilu B Šířka průtočného profilu O Omočený obvod - délka omočené části průtočného profilu R Hydraulický poloměr vyjádření odporu třením o dno a břehy R = O Vztah morfometrie koryta k odtokovým poměrům Hlavní faktory, ovlivňující parametry odtoku. tvar příčného profilu hydraulický poloměr. sklon čáry energie sklon hladiny. drsnost dna Manning, tabulky, měření R v =. I n v rychlost proudění R hydraulický poloměr I sklon čáry energie n drsnost Tabulka Manningova koeficientu drsnosti n Koeficient drsnosti n pro různé charakteristiky koryta dnový materiál příčný profil vegetace písek aštěrk hrubý štěrk balvany Ukázka výpočtu hydraulických parametrů Výpočet hydraulických parametrů koryta pomocí modelů Modely HEC-RAS, MIKE, Hydrocheck aj. Ukázka model proudění v úseku Vltavy mezi Hněvkovicemi a Orlíkem pravidelný žádná 0,00 0,00 0,050 nepravidelný žádná 0,00 0,00 0,055 pravidelný mírná 0,00 0,050 0,060 nepravidelný mírná 0,050 0,060 0,070 velmi nepravidelný velmi nepravidelný žádná 0,055 0,070 0,080 bujná 0,080 0,090 0,00 Vývoj základních elementů toků v jednotlivých zónách toku Vliv geografických činitelů na odtokový proces Rozdílná morfometrie a charakter procesů v hlavních zónách toku horní tok střední tok dolní tok 9

10 Vliv geografických charakteristik na odtokové poměry Vliv geografických charakteristik na odtokové poměry locha povodí větší plocha povodí vyšší průměrný Q vyšší hodnoty průměrné roční povodně menší plocha povodí vyšší specifický odtok při povodni Hustota říční sítě vyšší hustota ř.s. vyšší hodnoty průměrné roční povodně Mean annual flood (m /s) , 0,0 Tvar povodí Uspořádání říční sítě Hustota říční sítě 0,0 0, Drainage area (km ) 0