VÝVOJ TRENDŮ V ŘADÁCH PRŮMĚRNÝCH DENNÍCH PRŮTOKŮ A JEJICH VLIV NA VODNÍ DÍLA

Transkript

1 VÝVOJ TRENDŮ V ŘADÁCH PRŮMĚRNÝCH DENNÍCH PRŮTOKŮ A JEJICH VLIV NA VODNÍ DÍLA M. Zukal Abstrakt Příspěvek je zaměřen na vývoj trendů v řadách průměrných denních průtoků a jejich dopadu na vodní díla. Dopady změny klimatu patří v posledních letech mezi velmi diskutovaná témata odbornou veřejností v mnoha odvětvích lidské činnosti. V oblastech vodního hospodářství a krajinného inženýrství existuje celá řada nástrojů, jak zmírnit případné negativní vlivy. K hlavním patří optimalizace hospodaření s vodou v nádržích. U 23 vybraných profilů rozmístěných po celé České republice byla nejprve provedena analýza reálných řad průměrných denních průtoků a řad denních srážkových úhrnů. Následně byl u výhledových víceúčelových vodních děl realizován rozbor jejich plánovaných funkcí, kdy důraz byl kladen hlavně na dvě funkce nádrží a to zásobní a retenční. V praxi bývají požadavky na zajištění těchto účelů protichůdné a je zapotřebí najít optimální přístup tak, aby byly zabezpečeny všechny účely plánovaného či již vybudovaného vodního díla. V dalším kroku byla provedena vodohospodářská bilance u těchto nádrží v řadách reálných hydrologických dat. Abstract The paper is focused on the development of mean daily discharges and impacts to dams. In the last years, the impacts of climate change have become a topic widely discussed by the professional public in many fields of human activity. In the area of water management and landscape engineering, there is a wide range of tools available to mitigate potential negative effects. The principal ones include the optimization of water management in reservoirs. For 23 selected profiles distributed across the whole Czech Republic, the analysis of real series of mean daily discharges and series of total daily discharges was made first. Subsequently, for perspective multipurpose dams and reservoirs, the analysis of their planned functions was made with a special emphasis on two reservoir functions: storage and water retention. In practice, the requirements for meeting these purposes tend to be in conflict, and an optimum approach must be found to guarantee the fulfilment of all purposes of a planned or existing hydraulic structure. In the next step, water management balance for these reservoirs was made using series of real hydrological data. Klíčová slova průměrný denní průtok; změna klimatu; nádrže; zásobní funkce nádrže; retenční funkce nádrže Key words mean daily discharge; climate change; reservoirs; storage function; retention function Úvod Příspěvek je zaměřen na vývoj trendů v řadách průměrných denních průtoků a jejich vlivu na vodní díla, resp. na zásobní a retenční funkci nádrží v souvislosti s dopady změny klimatu. Byl zpracován v rámci výzkumného projektu Spolehlivost a bezpečnost vodohospodářských děl v měnících se klimatických podmínkách" (hlavní řešitel: doc. Ing. L. Satrapa, CSc., poskytovatel: Ministerstvo zemědělství ČR). Jedním z cílů zmíněného projektu je otázka protikladných požadavků na zásobní a retenční funkci nádrží. Pro analýzu funkce vodohospodářské nádrže s ohledem na maximalizaci zásoby vody pro zásobování vodou současně s maximalizací volného objemu nádrže pro retenci při povodních a současně s účinky klimatické změny se vyžaduje detailnější popis přítoků a odběrů, než poskytuje přístup prostřednictvím průměrných měsíčních průtoků. Proto jako podkladu bylo využito řad průměrných denních průtoků, což umožnilo zachytit v dostatečně krátkém časovém kroku zejména povodňové situace. Jejich průběh byl následně analyzován současně se zásobní funkcí nádrže.

2 Současný stav problematiky Dopadům klimatických změn na oblast vodního hospodářství je věnována pozornost již řadu let. Co nejlepší hospodaření s vodou je z celospolečenského pohledu zásadní pro zajištění požadovaných potřeb. V podmínkách očekávaných klimatických změn se mohou výrazně změnit podmínky pro pokrytí potřeb vody a bezpečné odvádění povodňových průtoků. Ve světě se v současné době analyzují projevy změny klimatu a studují se pravděpodobné příčiny klimatických změn. Tento proces je prezentován řadou dohadů a odborných diskusí s poměrně malým důrazem na praktické aspekty řešení [4]. Mezivládní panel pro změnu klimatu (IPCC) ve své zprávě "Climate Change 2007: The Physical Science Basis [5] konstatoval, že pokrok, jehož bylo dosaženo v oblasti modelování chování klimatu a analýzy měřených dat, poskytuje vědcům velmi vysokou míru jistoty (90 procent) v chápání toho, jak činnost člověka ovlivňuje oteplování světa. Ve zprávě Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability [2] IPCC jsou pak na straně 177 uvedeny pozorované změny v posledních desetiletích u jednotlivých složek koloběhu vody v celosvětovém měřítku. Byl pozorován nárůst srážkových úhrnů v pevninských oblastech nad 30 s. š. v období V období po roce 1970 byl pak pokles srážkových úhrnů nad pevninou v oblastech mezi 10 j. š. a 30 s. š. V oblasti arktické Eurasie došlo ke zvýšení povrchového odtoku. Docházelo k dřívějšímu výskytu jarních kulminačních průtoků a v zimních obdobích v oblastech Severní Ameriky a Eurasie bylo celkově více vody. Možné dopady klimatické změny na území České republiky jsou popsány například ve zprávě k projektu VaV/740/1/00 Výzkum dopadů klimatické změny vyvolané zesílením skleníkového efektu na Českou republiku [3]. Dle výsledků výzkumu se projevují zřetelné změny hydrologického režimu všech klimatických scénářích, zejména pak pokles průměrných průtoků průměrně o cca 15%, v některých povodích až téměř o 20%. U pesimistických scénářů jsou poklesy průměrných průtoků v rozmezí 25% - 40%. Nepříznivé jsou i změny ročního chodu odtoku. Vlivem vyšších teplot v zimních měsících se redukuje či zaniká zásoba vody ve sněhu a zvyšuje se územní výpar. Rozbory dopadů klimatické změny na zásobní funkci nádrží prokázaly rostoucí riziko výskytu významné redukce této funkce. Ukazuje se, že povodí, ve kterých jsou významné akumulační prostory, ať ve formě zásob podzemní vody nebo přehradních nádrží, jsou vůči důsledkům klimatické změny odolnější. Z výše uvedeného vyplývá nutnost hledání takových adaptačních opatření, které do budoucna poskytnou větší zásoby vody, jenž bude možné využít v předpokládaných delších suchých období. Realokace prostorů vodních nádrží patří k opatřením, která nevyžadují mnoho investičních prostředků, ale k optimalizaci řízení odtoku z nádrží, s uvažováním protichůdných požadavků zásobní a ochranné funkce nádrží je zapotřebí přistupovat maximálně zodpovědně s využitím všech dostupných poznatků. Použité metody zpracování dat Analyzováno bylo celkem 23 řad denní průměrných průtoků. Zájmové lokality jsou vyznačeny na následující mapě (obr. 1). Délka řad se pohybuje v rozmezí 50 až 90 let. Zvláštní pozornost byla věnována především profilů hájených ve Směrném vodohospodářském plánu z roku 1988 (SVP) pro výstavbu výhledových vodních nádrží (Borovnice 4410, Lata 0130, Klášterec 0240, Skuhrov 0290,Vlčinec 0170, Otaslavice 4010, Rejštejn 1370, Pěčín 0270). Analýza řad průměrných denních průtoků V pozorovaných řadách bylo využito lineární regrese vždy od počátku řady do roku 1980 a dále pak zvlášť pro období po roce 1980 až do konce řady (nejčastěji rok 2005 či 2006) (obr. 2). Rok 1980 je

3 obecně považován za pomyslnou hranici, kdy před tímto datem lze hydrologická data považovat za neovlivněná klimatickou změnou, kdežto po roce 1980 mohlo již jejich ovlivnění nastat. Obr. 1 Mapa pilotních oblastí [4] V dalším kroku byly rozboru podrobeny minimální a maximální hodnoty denních průtoků zjištěných v každém hydrologickém roce. Aby se předešlo zkreslení výsledků, kdy jedna extrémní hodnota by mohla zkreslit celý soubor dat, bylo uvažováno ne s jednou hodnotou extrému, ale s výběry 10, 20 a 30 minim a maxim v každém roce. Tyto hodnoty byly následně aritmeticky zprůměrovány a vyneseny do grafů a analyzovány stejným přístupem jako průměrné denní průtoky. 0,8 Minima 10-denní - trendy 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Lineární ( ) Lineární ( ) Klouzavý průměr/30 ( ) Lineární ( ) Exponenciální ( ) Obr. 2 Profil denní minima - trendy v období a Z grafu je patrná změna vývoje trendu v období kolem roku Trend minimální hodnot má po roce 1980 výrazněji klesající tendenci. Rozbor mimořádných situací (povodně, sucho) Hlavní důraz byl kladen na vztah mezi příčinnou srážkou a následným odtokem z povodí. Z řad denních úhrnů srážek a z řady průměrných denních průtoků bylo vybráno 20 maximálních hodnot.

4 Za předpokladu, kdy maximální srážkový úhrn způsobí maximální odezvu v povodí, by z každého profilu mělo být vybráno 20 povodňových období. Jenže tento předpoklad nebyl potvrzen. Srážka o stejné intenzitě v průběhu let způsobovala různé odezvy v povodí. To mohou způsobovat různé faktory, například odlišný stupeň nasycení povodí, roční období, teplota, atd. Z tohoto důvodu bylo dále 20 maximálních hodnot srážek a průtoků zkoumáno vždy v období 10 dní před maximální hodnotou srážky nebo průtoku a v druhém případě i 5 dní po maximální hodnotě srážky nebo průtoku. Dále byla pozornost věnována četnostem překročení mezních hodnot průtoků v jednotlivých letech a trendům ve výskytu. Mezní hodnoty byly nejprve zvoleny na úrovni jednoleté povodně Q 1, ale z důvodu velmi malého výskytu v některých profilech byly přidány hodnoty 0,5násobek Q 1 a dále pak dvounásobek a třínásobek průměrného dlouhodobého ročního průtoku Q a. Popis období sucha byl proveden obdobnou metodou jako popis období se zvýšenými průtoky. Jako limitní hodnota pro sucho byl zvolen průtok Q 355d. K intenzivnímu nárůstu výskytu situací, kdy průměrný denní průtok klesne pod limitní hodnoty, dochází v období po roce I odhady dopadu klimatické změny pro území České republiky naznačují zvyšující trend ve výskytu minimálních průtoků v tocích [1]. Dle zprávy IPCC [2] je zvyšující se celosvětový výskyt suchých období zaznamenáván lokálně od 70.let 20. století. Vodohospodářské řešení v řadě průměrných denních průtoků Ve složitých hydrologických podmínkách našich toků je sladění zásobní a ochranné funkce nádrže obtížnější než u nádrží na řekách s pravidelným režimem, kdy jsou vodná a málovodná období soustředěna do určitých ročních období a charakter rozdělení průtoku je ve všech letech obdobný. Vhodným vodohospodářským provozem nádrže lze využít zásobního prostoru nádrže pro povodňové řízení odtoku, aniž by byla narušena jeho hlavní funkce. Pro vodohospodářské řešení bylo využito řad průměrných denních průtoků, což umožnilo zachytit v dostatečně krátkém časovém kroku zejména povodňové situace. Pokud se profil shodoval s SVP byla data o výhledovém vodním díle převzata bezezbytku z SVP. U zbývajících profilů byly hydrologické charakteristiky převzaty z Hydrologického atlasu ČSR a jako velikost zásobního prostoru (A z ) potencionální nádrže byla zvolena hodnota 10% ročního odteklého množství W a. Následně byla provedena vodohospodářská bilance plánovaného vodního díla s časovým krokem jeden den, kdy jednotlivé manipulace podléhaly pravidlům: požadovaný odběr je uvažován v procentuálních hodnotách Q a, minimální zůstatkový průtok je Q 355d, nebylo uvažováno s předvypouštěním nádrže Maršov n. Metují nad Mz pod Ms počet dní výskytu 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Odběr (% z Qa) Obr. 3 Závislost počtu překročení Mz resp. podkročení Ms v závislosti na velikosti odběru vody z nádrže

5 Při překročení hladiny zásobního prostoru (M z ) nebo při situaci, kdy hladina vody v nádrži zaklesla pod hladinu prostoru stálého nadržení (M s ) byla tato informace zaznamenána jako porucha. Výsledkem provedených vodohospodářských bilancí jsou tedy záznamy dní v časové ose, kdy došlo k překročení M z a nádrž tak plnila retenční funkci a na straně druhé, kdy byla podkročena hladina M s, což způsobilo přerušení dodávek vody a poruchu v zásobní funkci nádrže. Výsledná data byla zpracována do několika grafů. Na obr. 3 je patrný výrazně klesající trend situace, kdy docházelo k překročení M z v souvislosti se zvyšujícím se odběrem. Opačný charakter má závislost vyjadřující četnost podkročení M s (tj. porucha v dodávce vody.) 0170 _ Četnost překročení kóty zásobního prostoru počet dní v roce Z_10 Z_20 Z_30 Z_40 Z_50 Z_60 Z_70 Z_80 Z_90 Z_100 Lineární (Z_20) Lineární (Z_30) Lineární (Z_10) Lineární (Z_40) Lineární (Z_50) Lineární (Z_60) Lineární (Z_70) Lineární (Z_80) Lineární (Z_90) Klouzavý průměr/30 (Z_10) Klouzavý průměr/30 (Z_50) roky Obr. 4 Vývoj četnosti dní kdy dochází k překročení M z Poznámka: Značení Z_10 symbolizuje variantu řešení překročení M z při odběru 10%Q a apod. Výše uvedené poznatky lze díky přesně stanovené frekvenci poruch využít pro rizikovou analýzu vodního díla se dvěma účely. Záleží pouze na metodice stanovení škod způsobených jednotlivými situacemi (podkročení M s a překročení M z nebo M ro ). Vodohospodářská bilance zpracována postupem uvedeným výše poskytuje nejenom informace o počtu dní, kdy došlo k poruše, ale tyto dny jsou zaznamenávány v čase a lze tedy stanovit vývoj poruch v čase. Na obr. 4 jsou v časové ose znázorněny výsledky analýz výskytu poruch opět v závislosti na velikosti odběru. Trendy výskytů, dominantně znázorněných pomocí lineární regrese, poukazují na fakt, že u překročení M z je trend klesající. U profilu 0170 se u podkročení M s vyskytoval trend rostoucí. Při stejném odběru, například 40%Q a a porovnání let 1940 a 2000 docházelo k překročení hladiny zásobního prostoru častěji a to konkrétně zhruba o jednu třetinu. U zásobní funkce je situace opačná. V roce 1940 nedošlo k poruše dodávky vody při odběru 40%Q a nikdy, oproti tomu v roce 2000 je již výskyt téměř jeden měsíc v roce. Výsledky analýz Poznatky získaných z analýz řad denních průtoků lze shrnout do následujících bodů:

6 téměř u všech profilů se v řadách minimálních denních průtoků v období po roce 1980 vyskytuje klesající trend, profily situované ve stejných lokalitách jsou si navzájem velmi podobné, v řadách maximálních hodnot průměrných denních průtoků je do roku 1980 převážně klesající trend, zatímco po roce 1980 je trend většinově rostoucí, v celkových dostupných řadách průměrných ročních průtoků nelze na základě této analýzy dovodit jednoznačně převládající trend a usuzovat tak na přímé ovlivnění hydrologických podmínek klimatickou změnou, trendy u dlouhodobých ročních průtoků nejsou významné. Rozbor mimořádných situací (povodně, sucho) Rozbor povodňových situací se zaměřil na hledání trendů ve vývoji interakcí mezi příčinnou srážkou a odezvou v povodí. Pro přesnější popis odezvy povodí, bylo uvažováno vždy s dostatečně dlouhým obdobím, aby byl postihnut stupeň předchozího nasycení povodí. Do rozboru nebyl zahrnut vliv teploty vzduchu ani ročního období. Avšak i u událostí, které se vyskytovaly v různých letech ale stejných měsících nedocházelo ke shodě. Vazby mezi srážkou a odtokem se v průběhu času měnily a nepodařilo se najít pravidla či zákonitosti, podle kterých by daný problém bylo možno popsat. Vodohospodářské řešení v řadě průměrných denních průtoků Při návrhu víceúčelových vodních děl, případně při změně rozložení prostorů v nádrži stávajících vodních je nutno zohlednit rozdílné požadavky daných účelů vodního díla. Asi nejmarkantnějším protikladem, navrhovaných parametrů jsou právě účely ochranné a zásobní. Na obr. 3 je znázorněn vztah mezi vývojem poruch překročení hladiny zásobního prostoru nádrže a podkročením hladiny prostoru stálého nadržení, tj. přerušení dodávek vody. Tento vztah je ovlivněn v první řadě velikostí zásobního prostoru nádrže, v druhé řadě velikostí požadovaného odběru vody z nádrže. Požadované odběry byly voleny jako procentuální část z Q a tak, aby byla nalezena mezní hodnota, kdy je odběr z nádrže maximální, ale zabezpečenost podle trvání plné dodávky neklesla pod normou stanovenou hodnotu 99,5 %. U profilů výhledových nádrží byla velikost zásobního prostoru nádrže A z stanovena dle SVP, u ostatních profilů byl A z zvolen jako A z = 0,1W a. Limitní hodnoty odběrů jsou shrnuty v tabulce 1 a dále jsou zde stručně charakterizovány trendy poruch jednotlivých funkcí nádrže. Tab. 1 Souhrn poznatků chování jednotlivých trendů řad u výhledových nádrží Profil trend Qa limit odběru trend poruch %Qa zásobní funkce retenční funkce % % % % % % % % 0 0 Poznámka: Trendy + rostoucí, - klesající, 0 stagnující. Závěr Analýzou trendů průměrných denních průtoků ve 23 profilech rozmístěných na území České republiky byly získány výsledky, které korespondují s poznatky jiných prací zaměřených na dopady klimatických změn na hydrologické podmínky u nás. Trendy průměrných ročních průtoků nejsou významné. Dominantním poznatkem jsou klesající trendy u minimálních hodnot průměrných denních průtoků v obdobích po roce Trendy řad profilů situovaných ve stejných lokalitách jsou si navzájem velmi podobné, tudíž by se v budoucnu dala využít v určitých případech analogie

7 sousedních profilů v regionech. Pro lepší poznání míry ovlivnění hydrologických dat klimatickou změnou a odfiltrování dalších vlivů je do budoucna zapotřebí do analýz dále zahrnout další popisné informace jednotlivých povodí, jako jsou například: hloubka půd, sklonitost, klimatický region, hydrologické skupiny půd, infiltrace a propustnost půd, retenční vodní kapacita půd, čísla odtokových křivek se zohledněním deště. Z vodohospodářské bilance u osmi vybraných výhledových nádrží, uvedených též ve Směrném vodohospodářském plánu ČSR z roku 1988 vyplývá, že maximální možné odběry vody, kdy nedochází k poruše v dodávce vody, se pohybují v rozmezí 60-80% Q a. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Ministerstva zemědělství Spolehlivost a bezpečnost vodohospodářských děl v měnících se klimatických podmínkách" s označením NAZV QH Seznam použité literatury 1. Kašpárek, L. a kol. Vliv klimatických změn na množství a kvalitu vodních zdrojů a na hydrologické poměry v ČR. Závěrečná zpráva úkolu VaV/650/3/02. VÚV T.G.M., Praha, 2003, 192 s. 2. M.L. Parry, O.F. Canziani, J.P. Palutikof, P.J. van der Linden and C.E. Hanson, Eds. Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 976 str. Dostupné z WWW: < port_impacts_adaptation_and_vulnerability.htm> 3. Projekt VaV/740/1/00 Výzkum dopadů klimatické změny vyvolané zesílením skleníkového efektu na Českou republiku, Shrnutí výsledků získaných v DP 02 Výzkum dopadů klimatické změny vyvolané zesílením skleníkového efektu na sektory hydrologie, zemědělství a lesního hospodářství a vliv klimatických změn na lidské zdraví, NKP, Praha Dostupné z WWW: < 4. Satrapa, L., Horský, M., Zukal, M. Spolehlivost a bezpečnost vodohospodářských děl v měnících se klimatických podmínkách Bulletin QH 71201/2007 roční zpráva, Praha, Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 996 str. Dostupné z WWW: < Autor Ing. Milan Zukal Katedra hydrotechniky, Fakulta stavební České vysoké učení technické v Praze Thákurova 7, Praha 6, Česká republika zukal@fsv.cvut.cz