Retence vody v krajině a říčních nivách

Transkript

1 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Retence vody v krajině a říčních nivách Dostál Tomáš dostal@fsv.cvut.cz Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

2 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Retence prevence sucha Retence prevence povodní diskuze o protipovodňové ochraně a prevenci. diskuze o koncepci opatření technická x opatření v krajině názory nejsou jednotné Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

3 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Všeobecně se předpokládá zásadní vliv nivy a koryta na transformaci povodňové vlny. Stejně tak se předpokládá zásadní vliv charakteru krajiny na vznik povodňových odtoků. Na druhé straně se zdůrazňuje význam vodních nádrží Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

4 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ všeobecně akceptované pravdy povrchový odtok nevzniká v lese, na louce nebo obecně v přírodní krajině přirozená niva má velkou retenci vodní nádrže mají zásadní retenční efekt přírodní prvky v krajině mají velký retenční potenciál revitalizace vodního toku výrazně pozitivně ovlivní transformaci povodňové vlny. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

5 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ např. Řada procesů je nicméně zákonitá a řada vlivů je zcela jednoznačná, nicméně opomíjená Retenční kapacita krajiny je přibližně konstanta při velkých srážkách může být zanedbatelná Retenční kapacita malé vodní nádrže x její objem x objem odtoku (2 km 2 povodí, 20 mm srážka, 0,5 odtokový součinitel = vodní nádrž 2 ha, výška hráze 3 m prázdná!!!) Liniová PEO pokud nejsou správně navržena a provedena mohou situaci i zhoršit Charakter koryta se uplatňuje jen po jeho kapacitu dále už jen niva Retence vody v nádrži pokud je nádrž plná, pak jen transformace Tvar povodí je zcela zásadní pro tvorbu a průchod vlny a vliv opatření Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

6 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Retenční kapacita krajiny je přibližně konstanta při velkých srážkách může být zanedbatelná..povrchový odtok může vznikat i ve zcela přirozeném prostředí záleží na intenzitě a době trvání srážky. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

7 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Jednoduchá vizualizace vhodná pro velké oblasti. Oblasti v povodí, produkující odtok při rostoucím srážkovém úhrnu Aplikací podmínky vzniku povrchového odtoku (úhrn srážky větší než 20 % potenciální retence) je možno modelovat vznik povrchového odtoku během trvající srážky v celém území a rostoucí plochu, produkující odtok. Příklad povodí Nisy (cca 500 km 2 ) Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20 Masivní povodeň = odtok z celé plochy povodí vyvolá v tomto regionu srážka cca 120 mm Příklad srážkových epizod během posledních cca 10 let ve stanici Bedřichov. datum úhrn srážky/24 hodin (mm) Masivní povodeň je jevem přirozeným a v těchto podmínkách nevyhnutelným

21 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Na stejně jednoduchém principu je možno popsat tvorbu povrchového odtoku pro různé srážky a různé charaktery území Retenční kapacita sestává z: intercepce infiltrace - nejvýznamnější povrchové retence Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

22 srážka (mm)/infiltrace (mm) STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Infiltrace 10-4 m/s Intenzita 60 mm/h Intenzita 50 mm/h Infiltrace 10-5 m/s Intenzita 40 mm/h Intenzita 30 mm/h Intenzita 20 mm/h Intenzita 10 mm/h Infiltrace 10-6 m/s Infiltrace 10-7 m/s čas (min.) Grafické vyjádření vzniku povrchového odtoku při různých typech půd a různých intenzitách srážek. Celková retence (intercepce + povrchová) uvažována konstantou 10 mm Povrchový odtok nastane po cca 20 minutách Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

23 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Liniová opatření důležitý je správný návrh a realizace Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

24 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

25 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Nevhodný návrh může situaci i zhoršit objem odtoku vyšší o 15 %, ztráta půdy vyšší cca o 25 % Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

26 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Charakter koryta se uplatňuje jen po jeho kapacitu dále už jen niva Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

27 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Revitalizace vodních toků a jejich niv. snaha o zmenšení průtočného profilu vyšší stabilita povodňové průtoky vybřeží V takovém případě hraje mnohem větší roli stav inundace. Na studiu procesů v inundaci je možno dobře popsat princip a kapacitu retence. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

28 Retenční a transformační kapacita niv zahrnuje procesy:: pasivní retence v depresích hypotéza: vysoký efekt v přírodních nivách s tůněmi a mrtvými rameny retenci v půdním profilu hypotéza: písčité sedimenty s vysokou hydraulickou vodivostí a retenční kapacitou retenci a transformaci povodňové vlny v inundaci hypotéza: extenzivně využívané nebo ladem ležící nivy s vysokou drsností, široké, ploché

29 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Porovnání tří pilotních lokalit úseky niv různých typů a využití délka cca 6 8 km každá: Horní Lužnice zcela přirozená Stropnice extenzivní zemědělství Blanice intenzivní zemědělství Výsledky lze částečně generalizovat Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

30 Horní Lužnice zcela přirozená

31 Stropnice extenzivní zemědělství

32 Blanice intenzivní zemědělství

33 Pasivní retenční kapacita GIS asistovaný postup odhadu objemu pasivního retenčního prostoru nezbytný podrobný DMT fotogrammetrické snímky využitelný prostor jen nad vodní hladinou vodní hladina v tůních je předpokládána na stejné úrovni jako v korytě zdroj:

34 Finální mapa pasivního retenčního prostoru v nivě Lužnice (přirozená niva, extenzivní LU, heterogenní morfologie)

35 VÝSLEDKY má smysl jen v morfologicky heterogenním nivách v přirozených nivách nevyužívaných hladina vody je vysoko dostupný objem je malý dostupný retenční prostor představuje cca 0.5 % objemu povodňové vlny (V 20 na 10 km délky nivy)

36 RETENČNÍ KAPACITA PŮDNÍHO PROFILU odebírány půdní vzorky v charakteristických profilech niv laboratorní analýza fyzikálních vlastností a stanovení retenčních čar matematické modelování dynamiky vody jak rychle voda může proniknout do půdního profilu v porovnání s dobou trvání povodně uvažovány tři scénáře počátečních podmínek: odvodněno (normální rozložení vlhkosti) suché (polní kapacita) velmi suché (bod vadnutí)

37 Odběr půdních vzorků penetrace půdní jehlou, neporušené vzorky různých velikostí

38 VÝSLEDKY půdy v přirozených (nevyužívaných) nivách jsou mimořádně heterogenní v porovnání s půdami pravidelně obdělávanými v intenzivních oblastech hydraulická vodivost v přirozených půdách silně kolísá díky jílovým proplástkům hladina podzemní vody je v přirozených nivách zpravidla velmi vysoko, zatímco v intenzivních oblastech je uměle snížena dostupný retenční prostor je proto v přírodních nivách malý na základě matematického i fyzikálního modelování se retenční kapacita půd v nivách pohybuje od 0,5 % objemu povodňové vlny (V 20 ) pro přirozené nivy po 10 % objemu povodňové vlny (V 20 ) pro intenzivně obdělávané nivy na 10 km délky.

39 Transformační a retenční efekt koryta a nivy tři velmi odlišné charakteristické typy nivy z hlediska LU a koryta testovány 1D a 2D hydraulické matematické modely scénáře: současný stav extenzivní využití intenzivní využití zalesnění vybudování příčných hrázek posílení retence nivy

40 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Reprezentace terénu na výpočetní síti Vizualizace současného stavu přirozené nivy Lužnice Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

41 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Modelované scénáře A současný stav B - zalesněno C - zorněno Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

42 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Modelované scénáře D upravený tok, vyrovnaná niva, orná půda E - dtto, zalesněno Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

43 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Modelované scénáře F současný stav + hráze podél aktivní zóny Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

44 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Modelované scénáře G upravené koryto, orná půda x zatravněno, příčné hrázky výšky 1 m Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

45 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Vyhodnocení hloubek vody a rychlostí pro jednotlivé scénáře A současný stav B současný zalesněná C současný, orná Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

46 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Vyhodnocení hloubek vody a rychlostí pro jednotlivé scénáře A E současný upravené, stav zalesněno D upravený, orná Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

47 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ 3D vizualizace Q 5 Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

48 Modelované schéma revitalizace upraveného toku - STROPNICE

49 Vizualizace nivy Stropnice, Q 5, varianta příčné hráze

50 Vizualizace nivy Blanice, Q100

51 Transformace vlny pro jednotlivé scénáře (%) Transformation of individual flood waves for individual scenarios (%) BLANICE: v Maintained historii upravená floodplain, niva, high kapacitní, capacity ohrázované channel, dikes, koryto, arable orná land, půda, pastures pastviny BLANICE: BLANICE: Maintained v floodplain, historii upravená high capacity niva, kapacitní, channel, dikes, ohrázované afforested koryto, zalesnění BLANICE: odstranění Fillings removed, násypů high niva, capacity kapacitní, channel, ohrázované dikes, arable koryto, land, orná pastures půda, pastviny BLANICE: Revitalization návrh revitalizace of the channel, niva, mělké shallow meandrující meandering, koryto, arable orná land, půda, pastures pastviny BLANICE: Revitalization BLANICE: of návrh the channel, revitalizace shallow niva, meandering, mělké meandrující afforested koryto, zalesnění LUŽNICE: Natural floodplain, LUŽNICE: shallow přírodě meandering, blízká niva, original mělké vegetation meandrující bush, koryto, forest původní LUŽNICE: Natural LUŽNICE: floodplain, přírodě shallow blízká meandering, niva, mělké afforested meandrující koryto, zalesnění LUŽNICE: Natural LUŽNICE: floodplain, přírodě shallow blízká meandering, niva, mělké arable meandrující land koryto, orná půda LUŽNICE: Maintained floodplain, LUŽNICE: trained upravená straight niva, channel, přímé arable kapacitní land koryto, orná půda LUŽNICE: Maintained floodplain, LUŽNICE: trained straight upravená channel, niva, afforested kapacitní koryto, zalesnění Q100 Q20 Q5 LUŽNICE: Maintained LUŽNICE: floodplain, upravená shallow meandering niva, mělké channel, meandrující active koryto, zone aktivní zóna LUŽNICE: 3 cross dams, LUŽNICE: straight high 3 příčné capacity hrázky, channel, přímé arable kapacitní land koryto, orná půda LUŽNICE: 11 cross LUŽNICE: dams, straight 11 high příčných capacity hrázek, channel, přímé arable kapacitní land koryto, orná půda STROPNICE: STROPNICE: Maintained v historii floodplain, upravená high niva, capacity přímé straight kapacitní channel, koryto, pastures, louky a pastviny meadows STROPNICE: STROPNICE: Revitalization v of historii the channel, upravená shallow niva, meandering, přímé kapacitní afforested koryto, zalesnění STROPNICE: STROPNICE: Maintained návrh floodplain, revitalizace, high capacity mělké meandrující straight channel, koryto, afforested louky a pastviny STROPNICE: Revitalization STROPNICE: of návrh the channel, revitalizace, shallow mělké meandering, meandrující pastures, koryto, meadows zalesnění STROPNICE: STROPNICE: 5 cross dams, 5 příčných straight high hrázek, capacity přímé channel, kapacitní pastures, koryto, meadows louky a pastviny STROPNICE: STROPNICE: 5 cross dams, 5 straight příčných high hrázek, capacity přímé channel, kapacitní pastures, koryto, bank + bř. vegetation vegetace

52 Délka (km) Upravené orná Současné, zalesněné STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Transformace povodňové vlny Efektivita nutná délka úseku pro transformaci Q 100 na Q 50 příklad LUŽNICE Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

53 VÝSLEDKY I. aby bylo možno reálně kvantifikovat retenční a transformační vliv nivy, je nutno použít ideálně 2D hydraulický model umožňující popis neustáleného proudění významný efekt mají široké, ploché nivy nejvýznamnější faktor je drsnost povrchu v nivě způsob jejího využití potenciál je ve snížení kulminačních průtoků, nikoliv ve snížení objemu = zadržení vody obecně lze očekávat snížení kulminačních průtoků cca o 7 % a časový posun kulminace vlny 10 hod./10 km délky nivy v případě zcela přirozených niv

54 VÝSLEDKY II. Míra transformace vlny odpovídá poměru objemu inundace k objemu vlny a charakteristikám vlny, charakteru povodí, Zásadními parametry jsou šířka nivy, její profil, hloubky vody v nivě,.

55 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ ZÁVĚRY Žádné opatření neřeší PPO ani retenci samo o sobě Nezbytné stanovit priority pro danou oblast (ochrana přírody x průmysl, ) Opatření v krajině mají zásadní důležitost u srážek s dobou opakování cca 20 let, u významnějších roste nutnost kombinace s dalšími typy Zásadním požadavkem je omezení výstavby v nivách a jejich ochrana (retence, minimalizace škod) Ne vždy lze nivu převést na přirozenou ekonomické ztráty, vlastnické vztahy, pláví, Pro kvantifikaci komplexního benefitu lze využíti institut ekologických služeb Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

56 STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ Děkuji za pozornost a přeji hezký den. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál dostal@fsv.cvut.cz

57 Flood wave transformation effect of the Lužnice floodplain under scenarios A-F. Input wave Q5 Input wave Q20 Input wave Q100 Peak Peak Peak disch. delay Transformation rate disch. delay Transformation rate disch. delay Transformation rate Scenario [hours] [%] Scenario [hours] [%] Scenario [hours] [%] B B E A A B C F A F E F D C D E D C

58 LUŽNICE Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Scenario E Scenario H Floodplain Natural conditions Natural conditions Natural conditions trained trained 11 cross dams Channel Shallow, meandering Shallow, meandering Shallow, meandering High capacity, straight High capacity Shallow, meandering L-U in floodplain Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%] Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours] Original wood, bush afforested Arable land Arable land afforested Arable land

59 STROPNICE Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Scenario E Scenario F Floodplain Historically trained Historically trained Revitalization designed Revitalization designed Cross dams Cross dams Channel L-U in floodplain Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%] Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours] High capacity, straight High capacity, straight Shallow, meandering Shallow, meandering High capacity, straight High capacity, straight Meadows, pastures afforested Meadows, pastures afforested Meadows, pastures Meadows, pastures, vegetation

60 BLANICE Scenario A Scenario B Scenario C Scenario D Scenario E Floodplain Historically trained Historically trained Fillings removed Revitalization designed Revitalization designed Channel High capacity, dikes High capacity, dikes High capacity, dikes Shallow, meandering Shallow, meandering L-U in floodplain Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%] Arable land, pastures afforested Arable land, pastures Arable land, pastures afforested Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours]