Využití hydrologického bilančního modelu při posouzení retenčního potenciálu malého zemědělsko-lesního povodí

Transkript

1 Krajina, meliorace a vodní hospodářství na přelomu tisíciletí Strana 1 Využití hydrologického bilančního modelu při posouzení retenčního potenciálu malého zemědělsko-lesního povodí Zbyněk KULHAVÝ Retenční schopnost povodí je dynamická charakteristika, závislá na přírodních, organizačněhospodářských a klimatických podmínkách. Pro dlouhodobě bilanční hodnocení lze využít hydrologických modelů, rozčleňujících celkovou retenci vody v povodí na jednotlivé složky (povrch půdy, půdní profil, koryto). Statistické zpracování rozsáhlejších datových řad umožňuje provést porovnání složek retence a stanovit retenční potenciál povodí. Komentován je prakticky řešený příklad. retence vody v povodí, hydrologické modelování, čára trvání retenčních objemů Retenci vody v povodí, tj. schopnosti dočasně zadržet vodu na půdním povrchu, v půdě, v korytě a v nádržích [1], je věnována zejména v posledním období zvýšená pozornost. Vedle hodnocení vlivu na vývoj povodňových situací, je retence významná i při popisu režimu minimálních průtoků ve vodních tocích, při využití vody jako krajinotvorného prvku, i v programech účelného zadržení vody v krajině [3]. Jde o charakteristiku proměnnou, odrážející nejen přírodní podmínky, způsob využití území a správy vodních děl, ale i časový vývoj hydrometeorologické situace. Tím je dána složitost vyjádření, vztažená zpravidla ke konkrétnímu termínu, nebo návrhovému stavu za konkrétních podmínek (viz potenciální retence A, vyjádřená pomocí CN /metoda čísla odtokových křivek/ [4]). Postup posouzení lze členit z hlediska popisu jednotlivých srážkoodtokových epizod, nebo z hlediska dlouhodobě bilančního. Se zvyšující se nasyceností povodí předchozími srážkami se aktuální retenční schopnost snižuje (v objemu zadržené vody), současně se zkracuje doba jejího zdržení retardace [1]. Je možné definovat limity retenční schopnosti, které nemohou být prakticky překročeny a úzce přitom souvisí s pravděpodobnostním charakterem vývoje hydrometeorologické situace tu lze vystihnout například ve dvou extrémech: intenzivní krátká srážka (používaná pro návrhový stav řady vodohospodářských staveb), dlouhé srážkové období s nízkými intenzitami dešťů. V uvedených souvislostech bývá obtížné popisovat dlouhodobou střední, případně potenciální retenční schopnost daného povodí. Řešením může být využití bilančního modelu, popisující dvě nejvýznamnější složky retence vody v povodí retenci v půdním profilu a na povrchu půdy. Praktický příklad je řešen pro vodní tok Čižinu v okrese Bruntál.

2 Krajina, meliorace a vodní hospodářství na přelomu tisíciletí Strana 2 Podmínky aplikace hydrologického modelu při popisu retenční schopnosti povodí Využití simulačních modelů hydrologického procesu v povodí má některá omezení z hlediska teoretických i praktických [2, 4]. Přesto lze předpokládat jejich postupné využívání v projekční, expertizní i dispečerské praxi zejména pro jejich vysokou efektivitu práce, adaptabilitu na změnu podmínek a široké uplatnění při scénářových simulacích. Samozřejmostí bude jejich zdokonalování a přizpůsobování pracovních postupů pro řešení specifických problémů v oborech vodního hospodářství a ochrany krajiny. Aplikaci hydrologického modelu předchází rozbory: - účelu aplikace modelu, jeho výběr, volba pracovních postupů, kritéria pro verifikaci získaných výsledků, - disponibility s relevantními datovými podklady, - charakteru a formy zpracování výstupu, podřízeného účelu studie či posudku. Vyjdeme-li z principu konstrukce některých typů hydrologických modelů srážko-odtokového procesu (parametrických modelů), bývá u nich respektována fyzikální představa hydrologického cyklu (resp. jeho příslušné části). Liší se však typy parametrů modelu, metodami distribuce po ploše povodí i metodami jejich stanovení. Pro povodí s malou sběrnou plochou (cca do 50 km 2 ) se významnější měrou projevují antropogenní vlivy změny využití území (odlesňování, změna kultur, urbanizace, provoz vodohospodářských staveb) a vliv zemědělství (střídání plodin v osevních postupech, agrotechnika). Uplatňují se i sezónní vlivy v rámci ročních období růstové fáze pěstovaných plodin v intenzivních zemědělských oblastech. Popsaným vlivům byla věnována pozornost v rámci řešení tříletého projektu Hodnocení vlivu zemědělského hospodaření na odtokové poměry malých povodí aplikací metod matematického modelování [2]. Projekt analyzoval vztah mezi podrobným, avšak podkladově i strukturně velmi náročným řešením distribuovanými modely a koncepčním, robustnějším přístupem celistvých modelů - ve většině případů již vyhovujícím praktickým požadavkům využití bilančních modelů v podmínkách uvedených typů povodí. Vnějšková srozumitelnost celistvých modelů pro simulaci procesů v povodí a snadnost manipulace s nimi přibližuje jejich využití při předpovědích, nebo při popisu vývoje procesů v čase (tam, kde nestačí statické, nebo pseudostatické koncepce), avšak s vědomím nedostatku těchto modelů, totiž že veličiny a parametry, se kterými je operováno, nejsou přímo měřitelné, resp. je třeba využít složitých pracovních postupů (včetně optimalizačních)

3 Krajina, meliorace a vodní hospodářství na přelomu tisíciletí Strana 3 k jejich stanovení pro vlastní plochu povodí. Podporou širšího uplatňování takových postupů může být existence dnes již kompaktních územně orientovaných databází (GIS). Vedle časových řad vstupů a vedle parametrů modelů sehrávají v průběhu simulace významnou roli vnitřní stavové proměnné modelu, což jsou zejména okamžité hodnoty zásoby vody v povodí, nebo v jeho víceméně hypotetických složkách, definovaných strukturou modelu (v půdě, na povrchu půdy, ve vodních nádržích a pod.). Přijmeme-li pro řešení určitého problému uvedená východiska, včetně vědomí jejich slabin zejména jejich přímou neměřitelnost, lze s jejich pomocí konstruovat pracovní postupy, které umožní charakterizovat vlastnosti daného povodí s cílem jeho posouzení, porovnání, nebo návrhu korekčních opatření. Pokud je celistvý model zkalibrován pro místní podmínky, lze jej použít k simulaci v několikaleté datové řadě s měřenými vstupními parametry (prakticky postačují srážkové úhrny a výpar z blízké meteorologické stanice). Pokud se použije jako vstup srážkoodtokového modelu generovaná řada denních úhrnů srážek (v délce let při zobecnění platnosti podmínek kalibrace pro celé toto období), bude i v tomto případě výstupem simulací řada průtoků včetně jeho složek, doplněná časovými řadami vnitřních stavových charakteristik (stupně nasycení půdních horizontů, resp. retenční schopnost půdního profilu), z nichž můžeme vyhodnotil periodicitu výskytu (čáry trvání). Vedle využití modelů ke scénářovým simulacím, které samozřejmě budou v četnostech aplikací převažovat, se tak naskýtá možnost využití tohoto typu modelů ke stanovení charakteristik s obecnou platností v rozsahu reálných klimatických podmínek např. při stanovení retenčního potenciálu povodí. Příkladem aplikace koncepčního hydrologického modelu SMAR (Soil Moisture Accounting and Routing, U.C.G., Irská republika) pro dílčí povodí vodního toku Čižiny k určujícímu profilu v obci Lichnov (okr. Bruntál, F subpovodí = 50km 2 ) je v Obr.1 uvedená čára trvání retenčních objemů aktivního půdního profilu (do vodní kapacity 125mm) v denním kroku. Závěrem je třeba zmínit mechanismy zvyšování retenčního potenciálu malého zemědělskolesního povodí (tzv. povodí drobných vodních toků s plochou do 50 km 2 ) a v konkrétních

4 Krajina, meliorace a vodní hospodářství na přelomu tisíciletí Strana 4 podmínkách diskutovat reálnost jejich změny v případech, kdy je retenční schopnost prokazatelně nedostatečná. Definované prvky mají souvislost s popisovaným řešením při využití bilančního hydrologického modelu, kdy lze v další fázi prokázat efekt navrženého opatření. Jedná se zejména o: snížení složek přímého odtoku: - snížením povrchového odtoku (zvýšením infiltrace, zvýšením retence vody v depresích) - zvýšením retenční kapacity půdního profilu - snížením složek hypodermického odtoku (retardační drenáž, převod podpovrchových vod) - snížením odtoku soustředěných vod z povodí (retence v korytech vodních toků, v nádržích) převedení vody do nižších geologických zvodní tj. prodloužením doby retardace současně s mírným zvýšením složky základního odtoku nepřímo také - zvýšením klimatických ztrát (ET, intercepce) s efektem krajinněekologickým. Odkazy na literaturu: [1] ČSN Názvosloví hydrologie [2] KULHAVÝ Z. A KOL. Hodnocení vlivu zemědělského hospodaření na odtokové poměry malých povodí aplikací metod matematického modelování. Výroční zprávy projektu NAZV - EP 7062, VÚMOP Praha, XII.97, XII.98 [3] HRÁDEK F., KOVÁŘ P. Regulace odtoku povrchové a podpovrchové vody v povodí, s ohledem na ochranu vod. Průběžná zpráva projektu NAZV - RE (řešitel M.Soukup - VÚMOP Praha), Praha XII.96 [4] KOVÁŘ P. Využití hydrologických modelů pro určování maximálních průtoků na malých povodích. VŠZ Praha-Suchdol, 1990 Adresa: Zbyněk KULHAVÝ, Ing., CSc., VÚ MOP Praha, pracoviště Pardubice, B.Němcové 231, Pardubice, tel , vumop.kulhavy@telecom.cz

5 Krajina, meliorace a vodní hospodářství na přelomu tisíciletí Strana 5 25 Histogram četnosti a kumulativní četnost výskytu Třídní četnosti [%] Kumulativní četnost [%] Retenční prostor půdního profilu [mm] (do vodní kapacity 125mm) 0 Obr. 1 Retence vody v půdním profilu, odvozená z celkové nasycenosti vrstevného prostření s maximální vodní kapacitou 125mm, definovanou bilančním modelem SMAR (Příklad řešení: Čižina, zpracováno dní rozšířeného vegetačního období v letech ) Distribuce retenční kapacity půdního profilu pro vrstvy (rezervoáry) ekvivalentní vodní kapacity 25mm Aplikace modelu s daty 37-mi leté řady v denním výpočtovém kroku Vrstva 4 10% Vrstva 5 4% Vrstva 3 19% Vrstva 1 39% Vrstva 2 28% Obr. 2 Vyjádření poměru dlouhodobých průměrných retenčních kapacit pěti svrchních vrstev půdního profilu. Odvozením z dat řešeného příkladu - Čižina ( )