SUCHO A JAK MU ČELIT

Transkript

1 Odborný seminář SUCHO A JAK MU ČELIT Sborník abstraktů dne 15. května 2013 v Klubu techniků, Praha 1, Novotného Lávka 5 Česká vědeckotechnická vodohospodářská společnost Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i. Český hydrometeorologický ústav s podporou Svazu vodního hospodářství ČR a Global Water Partnership

2 ISBN

3 OBSAH ÚVOD 4 Elleder, L. HYDROLOGICKÉ HODNOCENÍ A PARAMETRY SUCHA V ROCE Radek Vlnas, Vojtěch Havlíček, Pavel Treml, Ladislav Kašpárek NÁVRH SYSTÉMU MONITORINGU A HODNOCENÍ HYDROGICKÉHO SUCHA 10 Martin Hanel, Ladislav Kašpárek, Miloň Boháč, Hana Kourková, Pavel Kukla, Bohuslava Kulasová MOŽNÉ DOPADY KLIMATICKÉ ZMĚNY NA REŽIM NÍZKÝCH PRŮTOKŮ 15 Jana Poórová, Lotta Blaškovičová, Peter Škoda, Viliam Šimor TRENDY MINIMÁLNYCH ROČNÝCH A MESAČNÝCH PRIETOKOV NA SLOVENSKÝCH TOKOCH 20 Jana Pechková DLOUHODOBÉ PŘEDPOVĚDI SRÁŽEK A METEOROLOGICKÉHO SUCHA 24 Eva Soukalová, Radomír Muzikář PERIODICITA A PŘEDPOVĚDI VÝSKYTU SUCHA V PODZEMNÍCH VODÁCH 27 Jaroslava Nietscheová PRÁVNÍ NÁSTROJE K ZVLÁDÁNÍ SUCHA 33 Marie Adámková KONCEPCE ENVIRONMENTÁLNÍ BEZPEČNOSTI 35 Pavla Finfrlová JSME PŘIPRAVENI ZVLÁDNOUT SUCHO? 39 Jana Saňáková GENEREL ÚZEMÍ CHRÁNĚNÝCH PRO AKUMULACI POVRCHOVÝCH VOD A JEHO UPLATNĚNÍ V ÚZEMNĚ PLÁNOVACÍCH CELCÍCH 43 Svatopluk Šeda, Jana Vrbová JÍMACÍ ŘÁD JAKO ÚČINNÝ NÁSTROJ K ŘÍZENÍ ODBĚRU VODY Z VÝZNAMNÝCH HYDROGEOLOGICKÝCH STRUKTUR V OBDOBÍ DLOUHODOBÉHO ÚTLUMU ODTOKOVÉHO PROCESU ČI V JINÝCH EXTRÉMNÍCH SITUACÍCH 48 Milan Látal, Jiří Novák PROBLEMATIKA SUCHA V PODMÍNKÁCH VODÁRENSKÉ AKCIOVÉ SPOLEČNOSTI, a.s. 54 Magdalena Mrkvičková, Pavel Balvín, Jarmila Skybová NÁVRH POSTUPU KE STANOVENÍ MINIMÁLNÍHO ZŮSTATKOVÉHO PRŮTOKU 59 Petr Pařil, Světlana Zahrádková, Michal Straka, INDIKACE VYSYCHÁNÍ TOKŮ POMOCÍ VODNÍCH BEZOBRATLÝCH A TVORBA MAP TOKŮ OHROŽENÝCH RIZIKEM VYSCHNUTÍ 64 Jaroslav Beneš, Ladislav Kašpárek, Martin Keprta MOŽNOSTI ZMÍRNĚNÍ SOUČASNÝCH DŮSLEDKŮ KLIMATICKÉ ZMĚNY ZLEPŠENÍM AKUMULAČNÍ SCHOPNOSTI V POVODÍ RAKOVNICKÉHO POTOKA (PILOTNÍ PROJEKT) 68

4 ÚVOD V důsledku výskytu několika velkých povodní v posledních patnácti letech byla pozornost vodohospodářů i správních orgánů soustředěna na problematiku ochrany před povodněmi, kdežto sucho bylo spíše mimo centrum zájmu. Přesto nám sucho v roce 2003 hned po povodňovém roce připomnělo, že jde o neméně závažný nebezpečný jev s potenciálně velkými důsledky u nás i ve světě. V rámci metodiky užívané pro hodnocení přírodních katastrof je sucho zařazeno mezi katastrofy klimatického původu, spolu s extrémními teplotami a doprovodnými jevy. Důsledky extrémního sucha nejvíce postihují méně rozvinuté země, kde způsobují rozsáhlé škody na úrodě a vlny hladomoru. S nepříznivými důsledky sucha však bojují i vyspělé státy, např. v roce 2011 byly zaznamenány značné škody ve Spojených státech a v Mexiku. Na rozdíl od ostatních přírodních katastrof nastupuje sucho pozvolna a jeho projevy jsou obvykle patrné až svými negativními důsledky. Proto je odpovídající pozornost věnována stanovení vhodných indikátorů, které by na nebezpečí sucha včas upozorňovaly a umožňovaly provedení účinných opatření. Zvyšování pravděpodobnosti výskytu sucha je jedním z očekávaných důsledků změn klimatu, a to i v přírodních podmínkách střední Evropy. I když se výsledky jednotlivých klimatických modelů pro naše území značně liší v predikci změny režimu srážek, a to v obou směrech, odhady změny teplot vzduchu jednoznačně směřují k nárůstu evapotranspirace s negativními důsledky na vodní bilanci. Tento seminář je podporován z programu Global Water Partnership, jehož vizí je rozvoj mezinárodní spolupráce pro trvale udržitelné využívání vodních zdrojů na všech úrovních. Problematice sucha bude také věnována část diskuze v průběhu čtvrtého zasedání Globální platformy pro redukci rizika katastrof, která se bude konat 19. až 23. května 2013 v Ženevě. Také u nás se problematikou hydrologického sucha v posledních letech zabývalo několik výzkumných projektů, např. Vývoj metod predikce stavů sucha a povodňových situací na základě infiltračních a retenčních vlastností půdního pokryvu ( ), Zpřesnění dosavadních odhadů dopadů klimatické změny v sektorech vodního hospodářství, zemědělství a lesnictví a návrhy adaptačních opatření ( ), Časová a plošná variabilita hydrologického sucha v podmínkách klimatické změny na území České republiky ( ), Návrh koncepce řešení krizové situace vyvolané výskytem sucha a nedostatkem vody na území ČR ( ). Cílem semináře je připomenout sucho jako hydrologický extrém, představit nové poznatky hodnocení jeho výskytu a projevů a presentovat vhodná strukturální i organizační opatření k omezení jeho negativních důsledků. Seminář je zaměřen na vodohospodářskou problematiku sucha, nikoli na projevy a důsledky sucha v zemědělství. Není to dáno podceněním významu dopadů sucha na rostlinou produkci, ale časovými omezeními jednodenní akce. Program semináře je proto rozdělen do tří tématických okruhů: A. Hydrologické sucho a jeho projevy B. Opatření k omezení důsledků sucha C. Ekologické aspekty sucha 4

5 HYDROLOGICKÉ HODNOCENÍ A PARAMETRY SUCHA V ROCE 1904 Elleder, L. Hydrologické studie odvolávající se na historická sucha vycházejí u nás většinou z epizod 1947 a Důvodem je fakt, že denní průměrné průtoky z těchto let jsou dostupné v ročenkách anebo v databázi CHMÚ. V některých případech byla využita i data starší např. z let 1934 anebo dokonce z r Využití starších údajů je výjimečné. Důvody jsou jasné, počátek měření vodních stavů je sice mnohem staršího data (r v Praze a měření na všech důležitých řekách jsou k dispozici přibližně od r. 1885), ale chybí vyčíslení průtoků. V mnoha případech chybí i měrná křivka a dokonce ve stanici nebyla prováděná hydrometrická měření. Typickým příkladem je stanice Plasy (tab. 1), kde měření začala poměrně brzy (1884) ale hydrometrická měření velice pozdě (1913). Opačným příkladem je Lužnice a Jizera, kde je počátek měření i rokem s prvním hydrometrováním. Tab. 1. Výběr toků. Počátky měření a nejstarší hydrometrická měření Tok Počátek měření stavů Nejstarší hydrometrování Vltava 1825 (Praha) 1837 před (Praha) Labe 1851 (Děčín) 1871 (Hřensko) 1876 (Děčín) Lužnice (U Týna) Ploučnice (Benešov n. P.) Ohře 1879 (Cheb) 1887 (Cheb) Jizera 1884 (Železný Brod) 1884 (Mladá Boleslav) Sázava 1884 (Poříčí n. S.) 1884 (Poříčí n. S.) Střela 1884 (Plasy) 1913 (Plasy) Berounka (horní) 1884 (Plzeň) 1886 (Plzeň) Otava 1886 (Písek) 1893 (Písek) Úpa 1886 (Poříčí) 1888 (Velká Úpa) Berounka (dol.) 1891 (Beroun) 1893 (Beroun) Rakovnický pot (Křivoklát) 1913 (Křivoklát) Kde jsou hranice, jak hluboko do minulosti lze jít? Bezesporu to záleží na tom, jaký výsledek očekáváme, uvedená tab. 1 ale tyto hranice naznačuje. Rok 1904 je zjevně jistým zlomem, kdy začíná být k dispozici více hydrometrických měření ve větším počtu stanic. Výhodu této epizody je i, že reprezentuje relativně přirozený hydrologický režim, který v podstatě zanikl v druhé polovině 20. století. Rok 1904 byl vždy považován z hlediska sucha za nejvýznamnější 5

6 případ 20. století. Jak vypadá tedy po hydrologické stránce jeho průběh a celkové hodnocení? K zodpovězení této otázky můžeme využít v lepším případě výsledky hydrometrických měření, extrapolace měrné křivky vycházející z nejstarších měření anebo odhadu na základě bilance. Vzhledem k významnosti sucha r. 1904, byla tehdy provedena dobově nejčetnější hydrometrická měření. Provedlo je c. k. Zemským hydrografické oddělení (Labe, Orlice, Vltava, Ohře), na podnět Zemské komise pro úpravu řek (Jizera, Chrudimka, Blšanka), na žádost knížete Schaumburg Lippe (Úpa) a ředitelství pro stavbu vodních drah (Labe Plácky). Další měření provedl vrchní inženýr Machulka. Tato měření z 90 % obsahuje ročenka Hydrografické služby za rok Jen ve výjimečných případech tato měření chybí a jsou uvedena pouze v záznamu hydrometrických měření (Stará hydrometrie ). Pro převod vodních stavů na průtoky bylo nutné častěji provést extrapolaci měrné křivky směrem dolů pod nejnižší měření. Kontrolně je vhodné dát do souvislosti výsledná minima i s hodnotami na přítocích, případně naopak na hlavním toku a ostatních přítocích. Např. pro přítoky Vltavy bylo možné využít vyhodnocená měření vždy nad a pod příslušným přítokem a poněkud omezit možné nepřesnosti. Bylo přitom vhodné využít nejcennější měření provedená v období absolutního minima, tj. kolem 18. srpna. Určení minimálních průtoků Velmi cenné údaje poskytuje hydrometrování v Brandýse nad Labem z a V prvním případě je udán okamžitý vodní stav 57cm a průtok m 3.s 1 v druhém 64 cm, průtok m 3.s 1. Přes obrácenou relaci získaných průtoků odpovídají obě dvě hodnoty podle metodiky zpracované v ČHMÚ pro klouzavé průměry sedmidenního trvání cca stoletému suchu. Přitom vodní stavy pod 60cm tvoří nepřerušenou řadu od 9. 8 do 3. 9., tedy přibližně měsíc, tedy více než 4krát déle než 7 dní. Takže hodnocení by bylo s ohledem na trvání ještě mnohem významnější. Problémem je však posouzení průtoků v celém povodí horní Vltavy. V povodí Otavy se hydrometrická měření v r neprováděla, v povodí Berounky, Sázavy a Lužnice v závěrových profilech. Vodítkem jsou hydrometrování na Lužnici a Vltavě koncem července, která poukazují na příspěvek Vltavy cca 4.8 m 3.s 1, Lužnice při stavu 18 cm cca 2.5 m 3.s 1 a Vltavy v Kamýku n. V. cca 11,5 m 3.s 1. Pro hodnocení obou toků jsou důležité i údaje z Kamýku a Davle. Pokles vodních stavů v Kamýku v srpnu pokračoval, a podle vodních stavů můžeme usuzovat, že odtok zde nebyl po vyšší než 7 až 8 m 3.s 1. Zvláštní měření konal vrchní inženýr Machulka 18. srpna, který vyhodnotil průtoky Vltavy v Davli a Modřanech. Pod Sázavou měla Vltava 7,5 m 3.s 1 a pod Berounkou v Modřanech 12 m 3.s 1. Nejnižší vodní stav Sázavy byl zaznamenán (obr.1) Hmin= 47 cm, byl 40 cm, tedy o 4 cm nižší než r. 1893, kdy je udán Hmin = 38 cm při zjištěném průtoku 2.8 m 3.s 1. Z dalších profilů údaje ověřit nelze, protože tento vodní stav je vůbec nejnižší. Je tedy možné uzavřít, že koncem srpna Sázavou odtékalo kolem 2 až 2,5 m 3.s 1. V tom případě by však na horní Vltavu, Lužnici a Otavu sumárně připadlo nejvýše 5 m 3.s 1. 6

7 Obr. 1: Sázava v Poříčí nad Sázavou, odhady průtokových minim Obr. 2: Ploučnice, Benešov nad Ploučnicí odvození minimálních průtoků Jako velmi zajímavý doklad o vodnostech roku 1904 uvádíme i Ploučnici (Obr. 2), kde hydrometrováním byl 18. srpna zjištěn při stavu 5 cm průtok 6 m 3.s 1. Absolutní miminum odpovídalo cm, tj. asi 5,5 m 3.s 1. V referátu jsou dále prezentovány další hodnocení extremit v jednotlivých letech a vyhodnocení dalších průtoků zejména v epizodě mezi 18 až 25. srpnem. Ty pak můžeme porovnat s hodnotami z ročenky z r

8 Výsledky, které jsou prezentovány, jen ve zkratce ukazují, že období sucha jsou z hlediska minim přibližně srovnatelné (Tab. 2). Je také vidět, že v r panovalo větší sucho zřejmě na jihu Čech. Tok Tab. 2 Minima z období kolem srovnaná s absolutními minim z r Stanice QminVIII Suma Datum Qmin Datum Jizera Tuřice 5,2 (18.8.) 5,60 (21. 9.) Labe Brandýs 15,5 (19.8.) 10,40 (22. 9.) Vltava České 2* 7,5 4,25 (21. 9.) Lužnice Bechyně 1,2 2,30 (1. 9.) Otava Písek 1,8* 3,09 (21. 9.) Sázava Poříčí n. S. 2,5 (18.8.) 1,40 (1. 9.) Poznámka Vltava Davle 7,5 12,0 13,70 (2. 9) (Zbraslav) Berounka Beroun 4,5 (18.8.) 3,30 (3. 9.) (Dobřichovice) Vltava Modřany 12,0 (18.8.) 17,7 (3. 9.) Labe Mělník 35,0 (17.8.) 33,40 (22. 8.) (Roudnice) Ohře Louny 3,9 9,9 (19.8.) 0,60 (24.9.) Ploučnice Benešov n. P. 6,0 (18.8.) 3,50 (31. 5.) Labe Děčín 39** 40,10 (22. 8.) * hrubý odhad vyplývající z bilance ** podle Novotného (1963) Nejnižší vodní stav v Děčíně r byl zaznamenán , a to při stavu H= 88 cm. Nejstarší Harlacherova měrná křivka (Harlacher, 1883) pro nižší vodní stavy by dávala pro vodní stav 88 cm cca 25 m 3.s 1. Od 80. let 19. století se koryto v Děčíně změnilo. Pokud přihlédneme k tehdy aktuálním hodnotám vyplývajících hydrometrických měření, pak nejbližší hydrometrování bylo provedeno , a to při stavu 81 cm a zjištěném průtoku 46 m 3.s 1. O 5 let později za podobně významného sucha r byl zjištěn při téměř stejném stavu 82 cm již průtok 55,48 m 3.s 1. Což může souviset i s dalším zvýšením kapacity koryta v děčínském profilu. Ve výčtu vyhodnocených děčínských minimálních průtoků (Novotný, 1963) je rok 1904 s hodnotou Qmin=39 m 3.s 1 až na pátém místě za rokem 1934 (35 m 3.s 1 ), 1908 (36 m 3.s 1 ), a 1871 (38 m 3.s 1 ) a 1911 (38 m 3.s 1 ). Pokud vyjmeme zimní případy (1871 a 1908) zbývají jen roky 1911 a Pokud důvěřujeme zjištěným průtokům z 18.8 v Brandýse n. L. (14 15 m 3.s 1 ), v Praze (12 m 3.s 1 ), v Lounech (3 m 3.s 1 ), Trmicích (1 m 3.s 1 ) a Benešově n. P. (6 m 3.s 1 ) lze předpokládat spíš nižší hodnoty nejvýš kolem 35 m 3.s 1. Na diference mezi touto 8

9 hodnotou, vyhodnoceným průtokem v Děčíně (46 m 3.s 1 ) a průtokem, který uvedl Novotný (1963), přikloníme se spíš k hodnotám pod 40 m 3.s 1. Je proto vhodné vědět o skutečnosti, že při přirozeném režimu Vltavy mohlo odtékat v Děčíně i méně než 40 pravděpodobně i méně než 35 m 3.s 1. Za zmínku stojí, že příspěvek Jizery a Ploučnice byl v srpnu 1904 prakticky stejný (11,5 m 3.s 1 ) jako příspěvek celého povodí Vltavy v Praze (12 m 3.s 1 ), a je i porovnatelný s odtokem z celého povodí Labe nad Jizerou (10 m 3.s 1 ) alespoň věříme li vyhodnoceným měřením. To poukazuje na význam přítoků Labe dotovaných podzemní vodou v severočeské křídové oblasti. Je samozřejmě nemožné dělat obecnější závěry z jednoho případu. Vyhodnocení dalších suchých období z 60. a 70. let 19. století by mělo být úkolem pro hydrologii a historickou hydrologii v dalších letech. Literatura Ročenka (1904): Výroční zpráva c.k. ústřední kanceláře hydrografické XII ročník 1904, Povodí Labe a povodí Odry v Čechách, Vídeň 1906 Ročenka (1947): Vodní stavy odtoky hydrologický rok 1947, Povodí Labe, státní ústav hydrologický T. G. Masaryka v Praze, 69 s. Harlacher, A. R., Hydrometrické práce na Labi u Děčína. Hydrografická komise království českého, Praha, 24 s. Novotný, J., Dvě stoleté hydrologické řady průtokové na českých řekách. In: Sborník prací HMÚ, č. 2. Praha: HMÚ. 126 s. Libor Elleder, Český hydrometeorologický ústav elleder@chmi.cz 9

10 NÁVRH SYSTÉMU MONITORINGU A HODNOCENÍ HYDROGICKÉHO SUCHA Radek Vlnas, Vojtěch Havlíček, Pavel Treml, Ladislav Kašpárek Sucho patří mezi extrémní přírodní jevy. Jeho nástup je pozvolný a trvání zpravidla dlouhodobé. V jednotlivých fyzicko geografických sférách se projevuje odlišně. Sucho tedy nelze jednoduše kvantifikovat. Vzhledem k multidisciplinárnímu přesahu sucha neexistuje jednoduchá a univerzální metoda stanovení sucha, ale mění se podle konkrétního požadavku řešitele (např. Wilhite a Glantz, 1985; Tate a Gustard, 2000). Klimatologické a agro meteorologické formulace bývají založeny na hodnocení vláhové bilance s využitím různé škály meteorologických veličin, zatímco stanovení sucha z hlediska povrchového odtoku obvykle využívají extrémních hodnot průtoku či hodnot pod určitou prahovou hodnotou. Koncepční postupy stanovení sucha v zásobách podzemní vody jsou spíše výjimkou (Tate a Gustard, 2000). Yevjevich et al. (1977) definuje hydrologické sucho jako období, kdy je obsah vody v tocích, nádržích, jezerech, v půdě či podzemních zvodních pod průměrem. Tallaksen a van Lanen ed. (2004) podobně zdůrazňují, že se jedná o odchylku od normálního stavu. Definují proto sucho jako přetrvávající a plošně rozsáhlý výskyt podprůměrného dostupnosti vody. Indikátory sucha Indikátory sucha jsou nepostradatelným nástrojem k detekci, sledování a hodnocení epizod sucha. Stejně jako neexistuje univerzálně platný způsob stanovení sucha tak není k dispozici ani podobně platný indikátor. Niemayer (2008) nalezl v literatuře více než 80 takových indikátorů a odhaduje jejich celkový počet na dvojnásobek. Indikátory nejčastěji reprezentují vztah mezi pozorovanými hodnotami sledované veličiny a jejich dlouhodobými normálami. Obvykle se nejedná přímo o samotnou fyzikální veličinu indikátor je bezrozměrný. Může se jednat i o kombinaci více typů dat. Odlišnosti mezi jednotlivými indikátory spočívají především ve: způsobu jakým je tato odchylka od normálu stanovována v jakém časovém kroku je indikátor vyhodnocován jak dlouhé období indikátor charakterizuje (časový interval) Účelem indikátorů je zprostředkovat popis a mapování případů sucha. Indikátory tedy musí umožnit stanovení hlavních charakteristik sucha: délku trvání (počátek, konec), velikost, intenzitu, četnosti výskytu a plošný rozsah Indikátory by měly splňovat následující požadavky: být snadno srozumitelné, založené na snadno dostupných datech, obsahovat fyzikální základ, být citlivé na širokou škálu podmínek sucha, být nezávislé na místě použití, detekovat sucho s krátkým odstupem od jeho výskytu. 10

11 V současnosti se zdá být nejvhodnější, ale současně také nejnáročnější cestou ke komplexnímu pojetí popisu sucha kombinace indikátorů z různých oborů. Z hlediska nejsnáze pozorovatelných vlivů rozvíjejícího se hydrologického sucha na stav vodních zdrojů by bylo logické soustředit se zejména na indikátory, které nějakým způsobem uvažují s odtokem vody nebo zásobami vody v povodí. Rathore (2004) uvádí, že hydrologické sucho je důsledkem dlouhotrvajícího meteorologického sucha. Proto je vhodné zabývat se také vývojem srážek. Nejjednodušším způsobem numerického popisu odchylky sledované veličiny jsou procenta normálu, vlastnosti statistického rozdělení lépe vyjadřuje popis pomocí kvantilů. Důsledně s rozdělením dat zachází Standardized Precipitation Index (McKee et al., 1993). Indikátor SPI využívá většina systémů monitoringu sucha. Tradičně využívaným, především v USA, je Palmerův index sucha (PDSI) (Palmer, 1965). Tak např. hlavními indikátory U.S. Drought Monitoru, (USDM, 2012) jsou SPI, PDSI, CPC soil moisture model a kvantily týdenních průtoků. V Bavorsku se užívá SPI, je hodnocen i počet dnů beze srážek, průtoky jsou vyjádřeny limitními hodnotami Q min, Q 365 a Q75, hladina vody ve vrtech třídami kvantilů. Meteorologické sucho v Portugalsku a Itálii je identifikováno pomocí SPI a PDSI. European Drought Observatory (EDO, 2011) pro komplexní indikátor CDI v 10denním intervalu kombinuje tři hlediska. Jednak hodnocení srážkových úhrnů pomocí indexu SPI, dále indikátor vlhkosti půdy (pf) a nakonec množství fotosyntézou absorbovaného aktivního záření (fapar). SPI používá také Drought Management Centre for Southeastern Europe. SPI Standardised Precipitation Index (SPI) je založený výhradně na pozorování srážkových úhrnů (McKee et al., 1993). SPI představuje transformaci šikmého rozdělení pravděpodobnosti časových řad srážkových úhrnů na standardní normální rozdělení. Měsíční úhrny srážek (popř. i úhrny za jiný časový interval nejčastěji 3, 6, 9, 12, 24, 48 měsíců) jsou aproximovány teoretickým pravděpodobnostním rozdělením. Nejčastěji se používá Gamma rozdělení, ale mohou být vhodná i jiná šikmá rozdělení. Kumulativní pravděpodobnost úhrnu srážek je poté transformována na standardní normální rozdělení se střední hodnotou rovnou nule a směrodatnou odchylkou rovnou jedné, tedy tzv. z rozdělení (Obr ). Charakter období podle hodnot indexu SPI udává Tab. 1. Hayes et al. (1999) uvádí výhody a nevýhody použití indexu SPI k popisu závažnosti sucha. SPI má tři výhody: První je jednoduchost je založen pouze na jedné pozorované veličině, srážkových úhrnech, a při výpočtu je třeba stanovit pouze parametry distribuční funkce, které jsou v případě Gamma rozdělení dva. Druhou výhodou je variabilní časové měřítko (interval), které umožňuje popis srážkového deficitu pro účely meteorologického, agronomického i hydrologického sucha. Třetí výhodou je standardizace, tzn. že extrémní hodnoty se vyskytují se stejnou pravděpodobností. Tím je dána i srozumitelnost indexu, na níž by při přípravě systému k charakterizaci sucha měl být kladen důraz (Niemayer, 2008). 11

12 Tab. 1 Charakter období podle indexu SPI (podle McKee et al., 1993) Hodnota indexu Charakter období Pravděpodobnost >= 2 Extrémně vlhký 2,3 % 1,5 až 1,99 Velmi vlhký 4,4 % 1 až 1,49 Mírně vlhký 9,2 % 0 až 0,99 Slabě vlhký 34,1 % 0 až 0,99 Slabě suchý 34,1 % 1 až 1,49 Mírně suchý 9,2 % 1,5 až 1,99 Silně suchý 4,4 % <= 2 Extrémně suchý 2,3 % Index má také tři hlavní nevýhody. První z nich je předpoklad, že pozorovaná řada srážek může být s dostatečnou přesností modelována teoretickou distribuční funkcí. S tím souvisí i problém kvality dat a dostupnosti dostatečně dlouhých časových řad. McKee et al. (1993) doporučuje délku řady alespoň 30 let. Druhou nevýhodu představuje v jistém ohledu právě standardizovaný charakter indexu, kdy se sucho určité extremity v různých lokalitách vyskytuje se stejnou frekvencí. Pomocí indexu SPI tak není možné určit lokality, které jsou k výskytu suchu více náchylné. Konečně třetí nevýhoda se projevuje v oblastech se sezónním výskytem velmi nízkých srážkových úhrnů při použití krátkého časového intervalu, tedy 1 až 3 měsíce. V tom případě mohou hodnoty indexu vycházet nereálně vysoké. Bylo zjištěno, že SPI detekuje nebezpečí hrozícího sucha dříve než podstatně složitější PDSI (Guttman, 1998). SPI byl vyvinut s cílem lepší reprezentace mimořádně suchých (vlhkých) událostí než poskytuje PDSI (Guttman, 1999). Velikost sucha (DMPI) Index SPI udává vždy pouze stav za konkrétní vyhodnocovaný časový interval a nehodnotí vliv předchozího trvání tohoto stavu. Tuto informaci je možné obdržet sumací hodnot indexu v období sucha. Získaná hodnota DM (Drought Magnitude). představuje analogii postupu při stanovení nedostatkových objemů na povrchových tocích. Nedostatkem je, že není možné přímo určit frekvenci výskytu DM. Oproti původní metodě McKee et al. (1993) jsme tedy i hodnoty DM podrobili podobnému procesu jako srážkové úhrny při stanovení hodnot SPI. Standardizované hodnoty DM představují index DMPI, jehož rozsah hodnot odpovídá rozsahu hodnot SPI. DMPI udává relativní velikost sucha. Postup výpočtu SPI byl modifikován pro vyhodnocování v týdenním kroku. Vzhledem k vysoké variabilitě týdenních úhrnů však není možné s těmito pracovat přímo. Pro jednotlivé týdny kalendářního roku proto byly stanoveny srážkové úhrny vždy za předcházející měsíc. 12

13 Teoretická distribuční funkce Použití Gamma funkce u některých stanic silně podhodnocuje SPI. Zjišťovali jsme tedy vliv použité distribuční funkce. Sezonalita byla korigována podílem dlouhodobé měsíční střední hodnoty. Posuzovali jsme vhodnost Gamma rozdělení (G), Pearson III (P3), dvou a tříparametrické log normální (LN, LN3), Gamma (LG) a a Pearson III (LP3) na logaritmicky transformovaných datech, General Extreme Value (GEV) a General Logistic(GLO). Parametry distribučních funkcí byly hledány metodou L momentů. Podobnou úlohou se zabýval např. Guttman (1999) a doporučil rozdělení Pearson III jako nejvhodnější pro měsíční srážkové úhrny. Odtok a stav podzemních vod (SRI a SGI) Postup používaný pro stanovení SPI lze použít i pro popis jiných veličin. Toho jsme využili i pro hodnocení týdenních průtoků v povrchových tocích (SRI) a kolísání zásob podzemní vody (SGI). Tento přístup umožňuje sjednotit škálu hodnot indexů, kategorie extremity i s tím související pravděpodobnost výskytu. Výsledky Obr. 1: Q Q graf indexu průtoků SRI ve stanicích 0148 Zlíč (Úpa), 0180 Hronov (Metuje) a 0240 Klášterec n. O. (Divoká Orlice). V závorce MSE. Volbu vhodné distribuční funkce demonstrujeme na příkladu průtoků. Těsnost proložení je zřejmá z grafů Q Q, kde na úhlopříčce leží empirické úhrny srážek transformované na z rozdělení, tedy empirická hodnota indexu SRI. Velikost odchylky od úhlopříčky představuje chybu vyčíslení indexu SRI (Obr. 1). Těsnost proložení kumulativní varianty indikátoru (DMRI) je na Obr. 2. Kritériem pro volbu vhodné distribuční funkce byla kombinace velikosti MSE a robustnosti zejména na chvostech rozdělení. Pro SPI (srážky) tak lze doporučit rozdělení LP3, P3 a LN3, pro SRI (odtok) rozdělení GEV nebo LG a pro SGI (podzemní vody) GLO nebo GEV. Pro všechny veličiny je pro kumulativní variantu indexu (DMPI, DMRI, DMGI) nejvhodnější rozdělení P3 a G. Toto doporučení je obecné, vychází z testování malého vzorku 11 srážkoměrných a 11 vodoměrných stanic a 18 vrtů a pramenů. Platí však, že doporučená rozdělení vyhovovala zvoleným kritériím na všech testovaných objektech. 13

14 Obr. 2: Q Q graf kumulativního indexu sucha DMRI ve stanicích 0148 Zlíč (Úpa), 0180 Hronov (Metuje) a 0240 Klášterec n. O. (Divoká Orlice). V závorce MSE. Dalšími produkty zpracování časových řad formou SPI je informace o trvání sucha (Dur), tedy délka souvislého období záporného indikátoru a intenzita sucha (Int) vyjádřená poměrem velikosti sucha a délky jeho trvání. U srážek lze stanovit deficit APD (Antecedent Precipitation Deficit), který udává jaké množství srážek je nutné k dosažení změny stavu sucha např. z charakteru období silně suché na mírně suché apod. Pro průtoky je analogicky možné dokázat, že DMRI odpovídá transformaci velikosti nedostatkových objemů, jedná se tedy o v podstatě totožné indikátory lišící se měrnou jednotkou. Obr. 3: Průběh odtoku vyjádřeného indexy SRI a DMRI ve stanici 0148 Zlíč (Úpa). Předpokládáme, že navrhovaný způsob jednotného zpracování meteorologických i hydrologických veličin způsobem odvozeným od SPI by mohl sloužit za základ hydrologického monitoringu sucha. Jako doplnění navrhujeme obecně srozumitelnou a známou metodu kvantilů. Radek Vlnas, Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., v.v.i.; ČHMÚ Vojtěch Havlíček, Česká zemědělská univerzita Pavel Treml, Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., v.v.i. Ladislav Kašpárek, Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., v.v.i. 14

15 MOŽNÉ DOPADY KLIMATICKÉ ZMĚNY NA REŽIM NÍZKÝCH PRŮTOKŮ Martin Hanel, Ladislav Kašpárek, Miloň Boháč, Hana Kourková, Pavel Kukla, Bohuslava Kulasová Modelování dopadů změn klimatu je v České republice věnována pozornost již od počátku devadesátých let. V současnosti se stále více pozornosti věnuje odhadům dopadů na extrémní hydrologické jevy, mimo jiné na sucho, ale i návrhům adaptačních opatření, případně obecnému zhodnocení možných adaptačních strategií. Předkládaný příspěvek čerpá zejména z poznatků získaných při řešení projektu Zpřesnění dosavadních odhadů dopadů klimatické změny v sektorech vodního hospodářství, zemědělství a lesnictví a návrhy adaptačních opatření (řešeno v letech ). První část příspěvku stručně představuje výsledky modelování dopadů klimatické změny na hydrologický režim. V druhé části jsou prezentovány očekávané dopady vybraných klimatických scénářů pro tři časové horizonty ( , a ) na minimální průtoky. Ve vodoměrných stanicích modelových povodí byly porovnány charakteristiky minimálních průtoků (M denní průtoky a minimální sedmidenní průtoky) simulovaných řad pro budoucí časové horizonty a řady za referenční období (představující současný hydrologický) režim. Hodnoty odvozených průtokových charakteristik jsou závislé na kombinaci klimatického modelu a emisního scénáře. Z výsledků simulací vyplynulo, že pro druhý a třetí časový horizont byly zjištěny výraznější poklesy charakteristik. Odhad vlivu změny klimatu na hydrologickou bilanci Posouzení možných změn hydrologické bilance v důsledku klimatické změny bylo provedeno pro 250 povodí zhruba pokrývající Českou republiku. Informace o možných změnách srážek a teploty byly odvozeny ze souboru 15 simulací klimatických modelů řízených emisním scénářem SRES A1B, jež zahrnovaly časové období Modelovány byly dopady pro třicetileté časové řezy se středy v roce 2025, 2055 a 2085, jako kontrolní období bylo uvažováno období Hydrologická bilance byla modelována pomocí konceptuálního hydrologického modelu Bilan pro referenční podmínky. Časové řady vstupních veličin pro budoucí podmínky byly odvozeny dle jednoduché přírůstkové metody. Podstata této metody spočívá ve výpočtu měsíčních změn (tzv. přírůstkových faktorů) zvolených veličin (srážek a teploty) pro každý měsíc pro každou ze zvolených simulací klimatických modelů a následné úpravě pozorovaných časových řad pomocí těchto faktorů. Pro každou simulaci regionálních klimatických modelů byly vybrány výpočetní buňky, jež zasahují do daného povodí a hodnoty přírůstkových faktorů byly interpolovány k těžišti povodí pomocí metody IDW (inverze distance weighting). Základní podstata možných změn hydrologické bilance na našem území je známa již řadu let. Vyplývá z projekcí srážek a teplot pro Evropu, tj. postupné zvyšování teplot během celého roku a pokles letních, růst zimních a stagnace ročních srážek. Poloha České republiky v oblasti přechodu mezi předpokládaným růstem srážek na severu a jejich poklesem na jihu Evropy přispívá k nejistotě odhadu změn roční bilance srážek, respektive odtoku a ostatních složek hydrologického cyklu. 15

16 Nerovnoměrné rozložení projektovaných změn srážek během roku patří mezi jevy společné pro velkou řadu simulací klimatických modelů. Princip změn hydrologické bilance může být shrnut následovně: V období od začátku podzimu do začátku léta dochází k růstu srážek, jenž je doprovázen řádově stejným růstem aktuální evapotranspirace způsobeným růstem teplot. V letním období dochází k poklesu srážek a v důsledku úbytku zásob vody v povodí nemůže docházet k výraznému zvyšování aktuální evapotranspirace. Důležitým faktorem ovlivňující změny odtoku je posun doby tání v důsledku vyšší teploty přibližně z dubna na leden únor. Změny odtoku v období leden květen jsou tedy dominantně určeny právě odlišnou dynamikou sněhové zásoby, změny v letním období zejména úbytkem srážek. Změny odtoků jsou konzistentní pro všechny časové horizonty zpravidla můžeme konstatovat růst odtoků v zimním období a jejich pokles po zbytek roku a pro velkou část našeho území i v roční bilanci. K větším poklesům zpravidla dochází v jižní polovině našeho území. Mírně se vymyká nejbližší časový horizont, pro který se i v letním období a na podzim vyskytují povodí, na kterých odtoky stagnují, případně výjimečně dokonce rostou. V roční bilanci tak můžeme pro toto období očekávat stagnaci odtoků v severní a západní části našeho území a pokles (většinou do 10 %) v jižní a jihovýchodní části republiky. Pro časové horizonty 2055 a 2085 je možno jasně rozlišit období růstu odtoků v zimě (většinou 5 10 %, místy až 20 %) a poklesu v ostatních obdobích, nejvíce v létě (20 40 %), v roční bilanci zpravidla (5 20 %). Zejména změny roční bilance odtoku jsou pro všechny časové horizonty na většině území relativně nejisté. Obr. 1: Průměrné změny průtoku pro povodí Sázavy po Kácov mezi obdobím a pro jednotlivé měsíce. Zelené čáry odpovídají scénářům založeným na modelu ALADIN CLIMATE/CZ, modré čáry scénářům založeným na globálních klimatických modelech. Šedá plocha ohraničuje oblast v níž se nachází projekce pro 90 % uvažovaných modelů, v oblasti ohraničené černou plochou se nacházejí projekce pro 50 % modelů. Bílá čára odpovídá průměrné změně v souboru modelů. 16

17 Tato nejistota pochází z různých zdrojů. Jednak modelování klimatu samo o sobě zahrnuje řadu nejistot spojených zejména s počátečními a okrajovými podmínkami klimatických modelů (emisní scénář, množství dopadajícího slunečního záření apod.) a s jejich strukturou a parametry [8]. Při použití výstupů klimatických modelů pro hydrologické modelování se k těmto nejistotám přidávají další zejména nejistoty spojené s volbou metody pro převedení výstupu klimatického modelu do měřítka jednotlivých povodí (downscaling), metodikou tvorby scénářů změn klimatu a strukturou hydrologického modelu a jeho parametry. V měřítku jednotlivých povodí (obr. 1) můžeme zpravidla konstatovat, že pokles odtoků v období od dubna do října je společný valné většině modelů a míra i pravděpodobnost tohoto poklesu se směrem do budoucna zvyšuje. Růst odtoku v zimních měsících je nejistý pro všechny časové horizonty. S tím souvisí i nejistota spojená se změnami roční bilance odtoků. Očekávané dopady změny klimatu na minimální průtoky Simulace budoucích průtokových řad byla provedena pro různé klimatické scénáře a pro tři časové horizonty , a a pro referenční období ( ). Průtoky byly simulovány hydrologickým modelem AquaLog pro několik klimatických modelů: ALADIN CLIMATE/CZ, UKMO_HADCM3, MPI_ECHAM5, MIROC3_2_M a variantu MED (představující medián z 8 vybraných globálních modelů) v kombinaci se třemi emisními scénáři B1, A1B, A2. Simulace byla provedena pro následující modelová povodí: Orlice, Výrovka, Jizera, horní Vltava, Otava, Smědá a Bečva. Ve vybraných vodoměrných stanicích modelových povodí byla provedena analýza minimálních průtoků Q330d, Q355d, Q364d (kvantilů M denních průtoků), dlouhodobého průměrného průtoku Qa a minimálních sedmidenních průtoků Qmin7d (jejich průměrů a N letých průtoků s dobou opakování N = 5 až 100 let). Byly porovnány uvedené charakteristiky průtoků ze simulovaných řad pro tři budoucí časové horizonty a z řady (Base) za referenční období představující současný hydrologický režim a počítány jejich procentuální odchylky. Příklad výsledku relativních odchylek M denních průtoků všech 28 variant použitých klimatických modelů a emisních scénářů pro tři budoucí časové horizonty je pro vodoměrnou stanici Písek na Otavě uveden na obrázku 2. Vyhodnocení charakteristik minimálních průtoků bylo provedeno v patnácti profilech vodoměrných stanic a v profilu jednoho vodního díla. Na jeho základě lze např. pro průtok Q 355d popsat předpokládaný vývoj pro jednotlivé časové horizonty. Pro první časový horizont byly použity pouze dva klimatické modely s emisním scénářem A1B. U modelu ALADIN CLIMATE/CZ vychází rozpětí odchylek vůči referenčnímu období od 5,7 % do +4,0 %, u modelu MED je rozpětí odchylek od 5,1 % do +6,4 %. U všech hodnocených stanic tedy vycházejí nevýrazné nárůsty nebo poklesy. Pro horizont relativní odchylka průtoku Q 355d dosahuje výraznějších záporných odchylek, v průměru 13 %. Odchylky vycházejí u modelu ALADIN CLIMATE/CZ průměrně 10,7 %, u modelu MED 10,3%. Pro model MPI_ECHAM5 je charakteristická výrazná odlišnost mezi jednotlivými variantami emisních scénářů. Průměrná odchylka u B1 dosahuje 3,7%, u A1B 15,3% a u A2 dokonce 27,5 %. Pro 17

18 model UKMO_HADCM3 vycházejí poklesy 14,2 %. Pouze model MIROC3_2_M poskytuje odlišné výsledky a rozpětí odchylek činí 2,4 % až 4,8 %. Obr. 2: Relativní odchylky simulovaných M denních průtoků na Otavě v Písku. Pro horizont všechny modely s výjimkou modelu MIROC3_2_M nabývají pro průtok Q 355d největších poklesů, a to v průměru 23 %. U modelu ALADIN CLIMATE/CZ vycházejí poklesy v průměru 23,6 %. Pro model MED vycházejí nejvýraznější poklesy u kombinace s emisními scénáři A1B a A2 20 %, se scénářem B1 8,0 %. Modely UKMO_HADCM3 a MPI_ECHAM5 dávají velice podobné výsledky, průměr odchylek je cca 27 %. U modelu MIROC3_2_M vycházejí ve většině stanic nárůsty průtoků Q 355d ve variantě s emisním scénářem B1 a A1B, průměr odchylek se pohybuje od 6,8% (A2) do +10,4% (B1). Obdobně vychází hodnocení minimálních sedmidenních průtoků (jejich průměrů i průtoků s dobou opakování 100 let Q 100min7d ). Oproti referenčnímu období se v nejbližším časovém horizontu průměry sedmidenních minim téměř neliší (+0,2 %) a stoletý minimální sedmidenní průtok Q 100min7d klesá o 2 %. Ve druhém horizontu průměr minim klesá o 7,9 % a průtok Q 100min7d o 11,0 %. V nejvzdálenějším horizontu minimální průtoky klesají výrazněji, a to průměr o 15,5 % a průtok Q 100min7d o 18,2%. Na obrázku 3 jsou uvedeny relativní odchylky stoletého minimálního sedmidenního průtoku ze simulací dle modelu ALADIN CLIMATE/CZ. Z výsledků je patrné, že pro tento model v prvním období dochází k nevýrazným poklesům, v některých stanicích i k nárůstům průtoku. Ve druhém a třetím období dochází pouze k poklesům, přičemž ve třetím období jsou záporné odchylky téměř dvojnásobně větší než v předchozím období Hodnoty odvozených průtokových charakteristik jsou závislé na kombinaci klimatického modelu a emisního scénáře. Zjednodušeně lze říci, že srovnatelné výsledky poskytují modely ALADIN CLIMATE/CZ a MED, větší poklesy vycházejí u modelů UKMO_HADCM3 a MPI_ECHAM5. Zcela odlišně (dochází často i k nárůstu 18

19 průtoků) se chovají simulace z modelu MIROC3_2_M, který předpokládá navyšování srážek v letním období. Obr. 3: Relativní odchylky stoletého minimálního sedmidenního průtoku pro model ALADIN CLIMATE/CZ. Závěr V důsledku nejistoty v projekcích budoucích srážek jsou i dopady klimatické změny na hydrologický režim nejisté. Nicméně i přesto lze konstatovat některé možné dopady, jenž se objevují napříč projekcemi a lze je tedy pokládat za robustní. Zejména jde o pokles odtoků v letních obdobích. Tento pokles je v roční bilanci v některých simulacích kompenzován růstem zimních srážek. Právě charakter změn zimních srážek do značné míry určuje výslednou (průměrnou roční) hydrologickou bilanci. Z výsledků analýz simulovaných řad denních průtoků lze usuzovat vliv klimatické změny na zmenšení posuzovaných hydrologických charakteristik. Pro období a zvláště pro nejvzdálenější období lze předpokládat výraznější poklesy minimálních průtoků. Martin Hanel, Ladislav Kašpárek VUV T.G.M., v.v.i Miloň Boháč, Hana Kourková, Pavel Kukla, Bohuslava Kulasová ČHMÚ 19

20 TRENDY MINIMÁLNYCH ROČNÝCH A MESAČNÝCH PRIETOKOV NA SLOVENSKÝCH TOKOCH Jana Poórová, Lotta Blaškovičová, Peter Škoda, Viliam Šimor V rokoch sa na Slovenskom hydrologickom ústave v Bratislave riešil komplex úloh Spracovanie hydrologických charakteristík. Popri charakteristikách hydrologickej bilancie, priemerných mesačných prietokoch, M denných prietokoch a N ročných maximálnych prietokoch sa riešila úloha hodnotiaca malú vodnosť Kvantita povrchových vôd, nedostatok vody a hydrologické sucho. Cieľom úlohy bolo analyzovanie a spracovanie prietokových, ako aj neprietokových charakteristík malej vodnosti. Jedným z výstupov úlohy bolo spracovanie analýzy výskytu sucha, trendy výskytu sucha a určenie oblastí, ktoré môžu byť najviac ohrozené z hľadiska výskytu malej vodnosti. V uvedenej práci boli prietokové aj neprietokové charakteristiky spracované do roku Keďže v nasledujúcich rokoch sa vyskytol tak mimoriadne vodný rok 2010 (najvodnejší najmenej od roku 1931), a tiež mimoriadne suchý rok 2012 (jeden z najmenej vodných od roku 1931), pre spracovanie trendov minimálnych ročných a minimálnych mesačných prietokov sme použili údaje až do roku V predloženom príspevku sme zhodnotili lineárne trendy minimálnych ročných a minimálnych mesačných prietokov za obdobie 1961 až 2012, pre vodomerné stanice, ktoré začali vyhodnocovať prietoky skôr, sme trendy spracovali aj pre celé obdobie. Významnosť trendov sme testovali pomocou Mann Kendallovho testu. Úvod Sucho vo všeobecnosti je veľmi neurčitý avšak často používaný pojem, v zásade znamenajúci nedostatok vody v pôde, rastlinách a atmosfére. Sucho je prírodný jav, ktorý má dôsledky na život ľudskej spoločnosti. Jednotné kritérium pre kvantitatívne vymedzenie sucha neexistuje, a to v dôsledku rozmanitých hľadísk meteorologických, hydrologických, poľnohospodárskych, a celý rad ďalších s ohľadom na škody v rôznych oblastiach národného hospodárstva. (Meteorologický slovník výkladový terminologický, 1993). Meteorologické sucho je prvotnou príčinou prejavuje sa dlhodobým nedostatkom zrážok, vysokými, teplotami, výsušným počasím a ďalšími sucho podporujúcimi meteorologickými ukazovateľmi. Po meteorologickom suchu nastupuje sucho v pôde, rastliny majú nedostatok vlahy nastupuje poľnohospodárske sucho. Následkom nedostatku zrážok dochádza ku poklesu prietokov v povrchových tokoch, poklesu hladín podzemných vôd, v jazerách, mokradiach a vo vodných nádržiach nastupuje hydrologické sucho. Malá vodnosť je fáza hydrologického režimu povrchového toku, počas ktorej prietok vody v toku je tvorený vyčerpávaním zásob podzemných vôd. Trvanie malej vodnosti je súvislé časové obdobie počas ktorého je prietok menší ako vhodne zvolená prahová hodnota prietoku. (OTN , 2005). Použité údaje Tu považujeme za potrebné uviesť definície zpublikácie Hydrológia, Terminologický výkladový slovník. Minimálny prietok je najmenší okamžitý prietok v danom profile za zvolené obdobie. Na prirodzených tokoch sa za minimálny prietok 20