Revitalizace vodního režimu prameniště Senotín

Transkript

1 Revitalizace vodního režimu prameniště Senotín Oldřich Syrovátka 1, Miloslav Šír 2, Miroslav Tesař 2 1 Entomologický ústav AVČR, Branišovská 31, České Budějovice 2 Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, Pod Paťankou 5, Praha 6 The purpose of the pilot project Senotín is to create theoretical and methodological basis of revitalization of submountain headwater area, which was drained, ploughed and damaged by unsuitable agricultural practices. Seven underground clay shields stop the function of draining system. Adaptations of terrain and microrelief effectively slow down the surface runoff and significantly increase the variability of microhabitants. Adaptations of the experimental area improved retention and accumulation capacity and created basic conditions for renewal of soil communities and biodiversity. Úvod Meliorace v pramenné oblasti Senotín proběhly v letech , kdy byla vystavěna systematická trubní drenáž a půda zorněna. V roce 1992 se projevilo letní sucho rozsáhlým proschnutím porostů a celkovým nedostatkem vody v krajině. To zavdalo podnět k přípravě investičního záměru experimentálních úprav poškozeného prameniště. Na podzim 1995 byly na 9 ha obtížně využitelné (v podmínkách dlouhodobého srážkového deficitu chronicky prosychající) zemědělské půdy provedeny revitalizační zemní práce. Od konce listopadu 1995 je efekt revitalizačních opatření sledován a vyhodnocován. Základním cílem revitalizace bylo zadržení vody v prameništi, zpomalení podzemního odtoku i povrchového odtoku a vytvoření podmínek pro postupnou obnovu přirozených funkcí prameniště a souvisejících lučních ekosystémů. Hlavním stavebním opatřením bylo přerušení funkce drenáže. Odvodnění pozemků je přerušeno v místě křížení sběrných a svodných drénů s jílovým těsněním podél tarasů, jednak v místě křížení se zasakovacím drénem a v místě křížení s jílovými těsnícími clonami. Jílové těsnící clony jsou vedeny napříč územím po vrstevnici. Jsou široké 30 cm, hluboké 100 cm, na výšku 70 cm jsou tvořeny hutněným jílovým těsněním, dále pak zasypány výkopkem a na povrchu půdy ohumusovány. Celkem bylo vybudováno sedm jílových clon v délce 717 m. Popis revitalizačního experimentu je podán ve více zprávách (Balounová et al., 1997, Meruňka et al., 1995, Syrovátka, 1995, 1996, Syrovátka et al., 1994, 1995, 1997, 1998, 1999). Stanovištní podmínky Senotín leží asi 5 km severně od Nové Bystřice (okres Jindřichův Hradec) v oblasti Novobystřické pahorkatiny. Klimatické podmínky Senotína odpovídají charakteristikám mírně teplé oblasti (průměrná teplota v lednu -3 až -5 C, v červenci 16 až 17 C), s tendencí k přechodu k charakteristikám chladné oblasti. Roční průměrný úhrn srážek zde činí 700 mm. Region je tvořen vrchovinou na žulách a reprezentuje nejvyšší polohy Vysočiny. Struktura půdního pokryvu odráží relativně homogenní geologický substrát. Převládajícím půdním typem na revitalizované lokalitě jsou hnědé půdy (Cambisol), které vykazují značnou variabilitu morfologických znaků, fyzikálních a chemických parametrů. V závislosti na morfologii terénu a na propustnosti půdního profilu se zde vyskytují především oglejené subtypy. Dalším významným typem jsou oglejené půdy a gleje (glejosol). Tento typ, v minulosti v daném území mnohem významněji zastoupený, je zachován již jen v okolí vývěrů pramenů, nebo podél vodních toků.

2 Revitalizované prameniště o rozloze necelých 9 ha je součástí malého povodí o rozloze 38 ha. Povodím protéká malý vodní tok (délka asi 200 m), na něm se nalézá závěrový profil povodí, kde se měří průtok vody. Závěrový profil je umístěn v hrázi malé vodní nádrže; hráz zasahuje až na nepropustné podloží. Terén povodí je mírně svažitý se sklonem svahu 0,066. Území povodí je v horních partiích zalesněno (26 %), zbytek je pokryt trvalým travním porostem (74 %). Půdní pokryv je tvořen hnědou půdou kyselou, v příbřežních partiích a v prameništi mírně oglejenou. Půda je tvořena třemi genetickými půdními horizonty, její celková mocnost je asi 100 cm. Louky pokrývá asi 40 cm mocný orniční horizont. Pod půdním pokryvem se nachází vodonosná vrstva proměnné mocnosti. Ta leží na relativně nepropustném podloží. Dno vodního toku je zahloubeno až na nepropustné podloží. Ve střední části povodí v revitalizovaném prameništi ve vzdálenosti asi 50 m od toku je umístěna automatická měřící stanice, která registruje srážky, teploty vzduchu a půdy, tenzometrické tlaky půdní vláhy a průtoky na měrném přepadu v uzávěrovém profilu a na vyústění svodného drénu v dolní části povodí. Veškeré dále uváděné údaje a z nich vyvozené závěry se opírají o měření v této stanici. Vodohospodářská bilance půdy a povodí Účelem revitalizace prameniště bylo podstatně zvětšit zásobu vody v povodí. Věnujme se proto metodám, jak ji stanovit. Tradiční vodohospodářský přístup spočívá v sestavení vodohospodářské bilance a v kvantifikaci jejich členů. To je záležitost vždy velice složitá a výsledky jsou proto zatíženy nejistotou. Pro praktické účely postačí, pokud nejistota ve stanovení členů bilance nepřekročí 10 % srážkového úhrnu. Nejkratší období, za které lze bilanci realisticky sestavit, je jeden den. V našem případě máme k dispozici měření z automatické stanice ve dvacetiminutovém intervalu, takže již jednodenní bilance je vysoce věrohodná. Vodohospodářská bilance povodí Senotín je jednoduchá: jediným vodním zdrojem jsou srážky dopadlé na plochu území, voda vytéká měrným přepadem na toku v závěrovém profilu povodí a vypařuje se do vzduchu z plochy povodí. Voda se zadržuje v půdě a ve vodonosné vrstvě (celková retence). Bilanční rovnice povodí proto zní: změna celkové zásoby = srážky - výtok tokem - výpar. Půda se chová jako nádrž, která se zaplňuje vsakující srážkovou vodou a vyprazdňuje výparem přes horní povrch a odtok spodním povrchem do podložní vodonosné vrstvy. Vodohospodářská bilance půdy tedy zní: změna zásoby vody v půdě = srážky - odtok do podloží - výpar. Celková zásoba vody v povodí se skládá z vody obsažené v půdě, z vody obsažené ve vodonosné vrstvě a z vody v toku a vodní nádrži. Vzhledem k tomu, že objem vody v toku a vodní nádrži je nepatrný s objemem vody v půdě a ve vodonosné vrtstvě, je možno psát bilanční rovnici celkové zásoby: celková zásoba = zásoba vody v půdě + zásoba ve vodonosné vrstvě. Členy bilančních rovnic se v souladu s meteorologickou praxí vyjadřují ve výškovém tvaru v milimetrech. Časová posloupnost bilančních členů vodohospodářské bilance povodí (půdy) vyjadřuje vodní režim povodí (půdy). V závislosti na tom, zda převládají srážky nebo výpar, se rozlišuje vodní režim promyvný a výparný. Typ vodního režimu nejlépe charakterizuje průběh zásoby vody v půdě. Vodní režim půdy a tvorba odtoku z povodí Příklad vodního režimu půdy ve vegetační sezóně 1998 udává obr. 1 a obr. 2. V obrázcích jsou nálepkami 1 a 2 označeny epizody, ve kterých došlo k hlubokému proschnutí půdy a následné retenci srážkové vody v půdě. Obdobně pro vegetační sezónu 1999 vodní režim charakterizuje obr. 3 se dvěma epizodami. Bližší analýzu epizod umožňují obr. 4, 5, 6, 7. V nich je ukázáno, jak vzniká odtok z povodí v důsledku vsaku tak velkého množství vody do půdy, že dojde k jejímu odtoku do vodonosné vrstvy a následně do toku (a případně drenáže).

3 Z vyhodnocení vodního režimu půdy v obou sezónách plynou shodné závěry: 1. Objem vody v půdě kolísá od 235 do 295 mm, což znamená, že půda tvoří nádrž, která je schopna zadržet dešťovou srážku až o úhrnu 60 mm. 2. Přebytek srážkové vody, který se nevejde do půdy, prosakuje do vodonosné vrstvy. 3. Při nasycení orničního horizontu teče voda podpovrchovým odtokem po svahu v povrchové vrstvě půdy asi 45 cm mocné. Měřená data potvrzují současné poznatky o pohybu vody v půdě a o mechanizmech tvorby odtoku z povodí. Ukazuje se, že: 1. Pokud byla vodonosná vrstva před deštěm suchá a množství vody do ní z půdy vteklé je malé, do toku nedoteče nic, vrstva se pouze zvlhčí. 2. Pokud vteče do vodonosné vrstvy významné množství vody z půdy, vrstva se zaplní natolik, že se v ní voda pohybuje po svahu dolů směrem k vodnímu toku. Transportovaná voda doplňuje hladinu mělké podzemní vody v příbřežní zóně, ta pak vytéká do toku. Přitom dochází k výraznému zpoždění odtoku oproti příčinnému dešti a míchání vody z různých dešťů. To je mechanizmus tvorby základního odtoku. 3. Voda jen z úzkého pruhu okolo toku doteče k toku podpovrchovým odtokem a zasákne do něj, popř. přes mělkou hladinu podzemní vody. Zpoždění odtoku oproti příčinné srážce je nepatrné. 4. Voda, tekoucí podpovrchovým odtokem z horních partií povodí, k toku nedoteče, ale je cestou vypařena (převážně transpirací rostlin), příp. prosákne to vodonosného horizontu. Výpočet velikosti sběrné plochy při podpovrchovém odtoku je ukázán v tabulce 1. V ní značí h p tenzometrický tlak na počátku epizody, h k tenzometrický tlak na konci epizody, θ p vlhkost půdy na počátku epizody, θ k vlhkost půdy na konci epizody, Z navýšení retence vody v půdě, S srážka, O odtok vody z půdy do vodonosné vrstvy, V objem průtokové vlny, P sběrná plocha. Podělímeli sběrnou plochu délkou vodního toku, získáme přibližnou představu o šířce příbřežního pruhu, z něhož voda dotéká do toku mechanismem podpovrchového odtoku. Jsou to pouze desítky metrů. Tabulka 1: Sběrná plocha při podpovrchovém odtoku epizoda h p (kpa) h k (kpa) θ p (-) θ k (-) Z (mm) S (mm) O (mm) V (m3) P (ha) ,305 0, , ,365 0, , ,315 0, ,7 Voda, vytékající z vodonosné vrstvy do toku, vytváří základní odtok. Pro něj je charakteristické, že: 1. Jeho velikost nesouvisí s aktuálními srážkami. 2. Umožňuje život ve vodním toku. 3. Doplňuje zpětným průsakem hladinu mělké podzemní vody v příbřežní zóně. 4. Je zdrojem transpirační vody pro mokřadní vegetaci, která má větší nároky na vodu než vegetace ostatní (nemá úspornou regulaci). Zvýšená retence efekt revitalizace V projektu melioračních úprav se udává velikost jednoleté vody v závěrovém profilu vodního toku 1 l/s/ha. Pozorovanou skutečností po revitalizaci je 1/38 l/s/ha to znamená, že bylo dokonale zabráněno ztrátě vody z půdy, neboť: 1. Prameny se částečně obnovily a vracejí vodu z vodonosné vrstvy do půdy, takže základní odtok je nepatrný; případně přebytečná půdní voda opětovně vsakuje do neporušených úseků drenážních rýh.

4 2. Drenážní rýhy jsou pomístně přehraženy souvislými těsnícími stěnami vyvedenými ve formě hrázek až nad terén. Voda, přitékající neporušeným úsekem rýhy, se zadržuje za stěnou a rozlévá se do půdy. Je-li jí dostatek, vytváří se v prostoru za hrázkou malá vodní nádrž. Nežádoucímu přelití hrázky je povětšině zabráněno tím, že voda z nádržky pomalu prosakuje zúženou vodonosnou vrstvou v prostoru mezi těsnící stěnou a hlouběji položeným nepropustným podložím. Na revitalizované ploše prameniště (8,7 ha) je situováno sedm těsnících stěn (celkem 717 m dlouhé) tak, že tvoří kaskádu, která učinně brzdí odtok vody z celého povodí (38 ha) do toku. Proto je základní odtok velmi malý. 3. Podpovrchový odtok, vytvářející průtokové vlny v bezprostřední reakci na srážku, se děje s příbřežní zóny o sběrné ploše menší než 3 ha. Při délce vodního toku asi 200 m to znamená, že bezprostřední korespondenci vodního režimu půdy a toku lze očekávat v příbřežní zóně lemující tok z obou stran v šířce asi 70 až 80 m. Monitorovací stanice je umístěna v této zóně, proto bylo možné dobře vysledovat příčinnou souvislost chodu srážek, půdní vlhkosti a průtoku v potoce. Závěr Postupná obnova biodiverzity kráčí ruku v ruce s obnovou vodního režimu krajiny v Senotíně. Jde tedy o příběh se šťastným koncem. Odvodnění prameniště v Senotíně byl vlastně jistě nikým původně nezamýšlený pokus, který ukázal, že na krajinu musíme pohlížet velmi vnímavě jako na organizmus, funkční celek, jehož narušení může přinést řadu netušených následků, často katastrofálního rázu. Poděkování Autoři děkují ekologickému vzdělávacímu pořadu České televize Nedej se!, který v roce 1993 na přehlíženou problematiku pramenných oblastí upozornil a usnadnil tak získat první finanční prostředky; díky jemu byl projekt v první fázi podpořen Sdružením pohraničních obcí a měst okresu Jindřichův Hradec a paní Boženou Matějkovou. Realizace většiny základních studií by nebyla možná bez pochopení a zájmu pana Josefa Vavrouška, který téma revitalizace pramenné oblasti laskavě zařadil do svého projektu Trvale udržitelné hospodaření ve venkovské krajině (GA ČR ). V dalších etapách práce zcela závisely na významné podpoře Ministerstva životního prostředí ČR. Některé dílčí studie a výzkumy byly uskutečněny i v rámci projektů GA ČR (projekt : Vodní režim půd v pramenných oblastech, měření, hodnocení a modelování) a GA AV ČR (projekt A /00: Vodní režim půd a jeho vliv na tvorbu povrchového odtoku a dotaci podzemní vody v pramenných oblastech). Realizace projektu by nebyla možná i bez laskavé aktivní spolupráce RK Státní meliorační správy v Českých Budějovicích, která převzala funkci projektanta a investora stavby. Dík Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích, jejíž někteří studenti se do projektu zapojili, ale i Ústavu hydrológie SAV, Výzkumnému ústavu meliorácií a krajinného inžinierstva v Bratislavě, Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR, Ústavu fyziky atmosféry AV ČR, Českému hydrometeorologickému ústavu, referátu životního prostředí OÚ Jindřichův Hradec, Agentuře ochrany přírody a krajiny ČR v Českých Budějovicích, zemědělské firmě Kubík a Jura, s.r.o. v Hůrkách u Nové Bystřice a firmě Fiedler, jež nezištně zajišťovala spolehlivý chod monitorovací stanice. Oldřich Syrovátka navíc děkuje Entomologickému ústavu AV ČR, že mu umožnil řešení širší krajinně ekologické problematiky na své půdě. Literatura Balounová Z., Rosenbaum M., Táborská P., Holásek M., 1997: Revitalizace pramenní oblasti Senotín. Dílčí zpráva VÚ SKE, Č. Budějovice. Meruňka K. et al., 1995: Revitalizace pramenní oblasti Senotín. Projekt. Státní meliorační správa, RK České Budějovice.

5 Syrovátka O., Bárta J., Boháč J., Dvořáková M., Frouz J., Knittl Z., Krištůfek V., Luzumová L., Pižl V., Rauch O., Skuhravý V., Tajovský K., Vydrová A., 1994: Koncepce revitalizace pramenních oblastí, případová studie Senotín. Závěrečná zpráva etapy projektu GA ČR 204/932524, 68 pp. Syrovátka O., 1995: Otázky plošné revitalizace pramenných oblastí v regionech. Ochrana přírody, 50, 1995,(5): Syrovátka O., 1996: Revitalizace v zrcadle Agendy 21. Planeta, 9, 1996, Syrovátka O., Balík V., Flíček J., Frouz J., Krištůfek V., Pižl V, Rauch O., Rektoris L., Tajovský K., 1995: Studie revitalizačních opatření v pramenné oblasti Senotín etapa 1. Závěrečná zpráva studie MŽP ČR, 55 pp. Syrovátka O., Balounová Z., Balík V., Bayer T., Frouz J., Háněl L., Holásek M., Němec P., Pižl V., Rosenbaum M., Růžička M., Stříteský M., Šír M., Táborská P., Tesař M., Vácha P., 1997: Revitalizace pramenné oblasti Senotín. Hodnocení revitalizačních opatření Závěrečná zpráva studie MŽP ČR. 124 pp. Syrovátka O., Balounová Z., Brzáková M., Stříteský M., Šír M., 1998: Revitalizace pramenné oblasti Senotín: Hodnocení revitalizačních opatření Závěrečná zpráva, MŽP ČR, 117 pp. Syrovátka O., Šír M., Balounová Z., 1999: Revitalizace pramenné oblasti Senotín: Hodnocení revitalizačních opatření Závěrečná zpráva studie MŽP ČR. 92 pp.

6 Obr. 1: Srážky a zásoba vody v půdě v období až Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 105 je , den 270 je ). Svislé sloupce znázorňují velikost denního srážkového úhrnu (mm/den). Zelená čára značí průběh zásoby vody v půdním profilu (mm). Nálepky 1 a 2 ukazují epizody, kdy po hlubokém proschnutí půdy, došlo k doplnění zásoby půdní vody bohatými srážkami. V průběhu celé sezóny se ukazuje, že maximální zásoba vody v půdě nikdy nepřekročí 295 mm a neklesne pod 240 mm. Znamená to, že maximální retenční kapacita půdy je asi 55 mm. To odpovídá největší srážce, jakou je schopna půda v nejpříznivějším případě pojmout, aniž by voda protekla do podloží, případně odtekla do toku.

7 Obr. 2: Suma srážek a zásoba vody v půdě v období až Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 100 je , den 280 je ). Modrá vzestupná čára značí kumulativní srážkový úhrn (mm) počínaje dnem ). Zelená čára značí průběh zásoby vody v půdním profilu (mm). Nálepky 1 a 2 ukazují epizody, kdy po hlubokém proschnutí půdy, došlo k doplnění zásoby půdní vody bohatými srážkami. Z rozdílu kumulativního srážkového úhrnu a vzestupu zásoby vody v půdě lze odhadnout, kolik vody z půdy odteklo do podloží. V první epizodě je to =50 mm, v druhé 70-55=15 mm.

8 Obr. 3: Srážky a zásoba vody v půdě v období až Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 105 je , den 270 je ). Svislé sloupce znázorňují velikost denního srážkového úhrnu (mm/den). Zelená čára značí průběh zásoby vody v půdním profilu (mm). Nálepky 2 a 3 ukazují dvě zajímavé epizody, kdy došlo k průtoku srážkové vody půdou až do vodního toku. Epizody jsou blíže popsány na následujících obrázcích. Pozn.: V důsledku poruchy srážkoměru nejsou na obrázku zachyceny srážky v období dnů 195 až 265.

9 Obr. 4: Srážky a průtoky v období až epizoda Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 139 je , den 144 je ). Modrá čára značí průtok vody v závěrovém profilu povodí (l/s), zelená srážkový úhrn (mm/20 minut). Nepřetržitý déšť o trvání asi 8 hodin způsobil jednoduchou průtokovou vlnu o délce asi 3 dny.

10 Obr. 5: Průtoky a tenzometrické tlaky v období až epizoda Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 139 je , den 144 je ). Černá čára značí průtok vody v závěrovém profilu povodí (l/s). V obrázku jsou vyneseny tenzometrické tlaky (kpa) v hloubkách 30 cm (modrá), 60 cm (zelená) a 90 cm (červená). Průběh tenzometrického tlaku v hloubce 30 cm velice dobře koresponduje s tvarem průtokové vlny v závěrovém profilu povodí viz předchozí obrázek. Nasycení půdy v hloubce 60 cm trvá jen asi 8 hodin v bezprostřední reakci na srážku.

11 Obr. 6: Srážky a průtoky v období až epizoda Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 166 je , den 171 je ). Modrá čára značí průtok vody v závěrovém profilu povodí (l/s), zelená srážkový úhrn (mm/20 minut). Déšť komplikovaného průběhu způsobil dvojitou průtokovou vlnu o celkové délce asi 3 dny.

12 Obr. 7: Průtoky a tenzometrické tlaky v období až epizoda Na vodorovné ose je pořadové číslo dne v roce (den 166 je , den 171 je ). Černá čára značí průtok vody v závěrovém profilu povodí (l/s). V obrázku jsou vyneseny tenzometrické tlaky (kpa) v hloubkách 30 cm (modrá), 60 cm (zelená) a 90 cm (červená). Průběh tenzometrického tlaku v jednotlivých hloubkách ukazuje, jak se vsáklá srážková voda pohybuje půdou pomalu směrem do hloubky. Maximální nasycení půdy v hloubce 90 cm nastalo až se zpožděním asi 2 dnů za maximálním nasycením v hloubce 30 cm.