VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav vodního hospodářství krajiny

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav vodního hospodářství krajiny Dr.Ing. Petr Doležal Stanovení stupně ohrožení malých povodí větrnou a vodní erozí a odtoky z přívalových srážek Specification of the level of threat to small river catchments posed by wind and water erosion and rainfall runoff ZKRÁCENÁ VERZE HABILITAČNÍ PRÁCE Obor - Vodní hospodářství a vodní stavby, Brno, BRNO 2009

3 Klíčová slova: vodní eroze, větrná eroze, odtok, nádrž, retence, malé povodí, srážky, ohrožení Key Words: water erosion, wind erosion, runoff, reservior, retention, watershed, rainfall, danger Originál práce je uložen v archivu PVO FAST Petr Doležal, 2009 ISBN ISSN X

4 OBSAH 1 PŘEDSTAVENÍ AUTORA ÚVOD SPECIFIČNOST MALÝCH POVODÍ - PŘÍČINY EXTRÉMNÍCH SITUACÍ CÍL PRÁCE ČLENĚNÍ PRÁCE ZJEDNODUŠUJÍCÍ PŘEDPOKLADY STANOVENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ Vybrané Metody řešení stupně ohrožení Definice stupně ohrožení malých povodích Hodnocení stupně ohrožení a účinnosti opatření Vstupní data OHROŽENÍ VĚTRNOU EROZÍ Stručný popis metody RVE Vyhodnocení stupně ohrožení Aplikace metody na malá povodí Praktická aplikace Posouzení účinnosti navržených opatření proti větrné erozi Souhrnné hodnocení stupně ohrožení větrnou erozí OHROŽENÍ VODNÍ EROZÍ Modelování vodní eroze Aplikace metody Wischmeier-Smith v prostřwdí GIS Postup výpočtu Tvorba digitálního modelu terénu (DMT) Stanovení erozně uzavřených celků Vymezení oblasti pro stanovení průměrné ztráty půdy Výpočet faktorů L a S,resp. součinu L.S Vytvoření vrstvy K faktoru Výpočet dlouhodobé průměrné ztráty půdy Vyhodnocení stupně ohrožení vodní erozí Praktická aplikace Ukázka zhodnocení současného stavu Zhodnocení vlivu realizace doposud navržených opatření Posouzení účinnosti navržených opatření Souhrnné hodnocení stupně ohrožení vodní erozí OHROŽENÍ SÍDLIŠŤ POVODNĚMI Z PŘÍVALOVÝCH SRÁŽEK Hodnocení účinku systému komplexních opatření na parametry povrchového odtoku vody z povodí Předpoklady hodnocení Hodnocení účinku vodohospodářských opatření Předpoklady řešení Postup řešení

5 9.3 Hodnocení účinku protierozních opatření Ovlivnění objemu povrchového odtoku Praktická aplikace Posouzení účinnosti vodohospodářských opatření Posouzení účinnosti protierozních opatření SYNTÉZA VÝSLEDKŮ ZÁVĚR DOPORUČENÍ SEZNAM ZKRATEK LITERATURA

6 1 PŘEDSTAVENÍ AUTORA Dr.Ing.Petr Doležal Narozen: v Benešově u Prahy Vzdělání: IX VIII VUT-FAST Brno Vodní stavby a vodní hospodářství, IX VIII PGS - Numerické metody, IX Doktorandské studium. Zaměstnání: IX VII.1987 Povodí Moravy, Dřevařská 11,Brno VIII.1987 IX1997 VUT-FAST,BRNO ÚVHK, Žižkova 17, Brno X.1997 doposud Agroprojekt PSO, s.r.o. VIII doposud VUT FAST Brno, Ústav vodního hospodářství krajiny poloviční úvazek odborný asistent. Odborné stáže: měsíční stáž na The University of Huddersfield, Queensgate HD1 3DH, Huddersfield, UK. Stáž byla zaměřena na studium srážkoodtokového procesu v malých povodích, a využívání GIS v hydrologii. Pedagogická činnost: Od roku 1987 do roku 1997 VUT FAST Brno, Katedra hydromeliorací, předměty : o Vodohospodářské soustavy, Rybníky a účelové nádrže, Hydrologie, Ochrana a organizace povodí, Protierozní ochrana a odvodnění. Od roku 2001 VUT FAST Brno - odborný garant předmětů : o Magisterské studium (studijní obor V): o OS07 Rybníky o 1S1 Provádění staveb o 5S8 Rybníky volitelný projekt IV o 7S4 Využití malých vodních nádrží v kulturní krajině o BS07 Projekt vodní hospodářství krajiny o BS53 Rybníky a účelové nádrže o SS02 Projekt vodního hospodářství Učební texty: o VALIŠ,S., MILERSKI,R., DOLEŽAL,P., FILLA,J. : Výuka v terénu II,ES VUT 1991,64 s. o ŠÁLEK,J., KUJAL,B., DOLEŽAL,P. : Rybníky a účelové nádrže : Návody ke komplex.projektu a diplomnímu semináři Brno : Edič. střed. Vys. uč. techn.,

7 Publikace: o DOLEŽAL,P. : BS07-M01 Projekt vodní hospodářství krajiny studijní opora. o DOLEŽAL,P. : BS53-M01-03 Rybníky a účelové nádrže studijní opora. monografie spoluautor 1x významné inženýrské, umělecké, architektonické, ekonomické dílo podle čl. 2 Směrnice VUT 4x původní vědecké práce ve vědeckém časopise s impakt faktorem 1x původní vědecké práce ve vědeckém časopise 2x příspěvek ve sborníku světového nebo evropského kongresu, sympózia, vědecké konference - 6x abstrakt ve sborníku světového nebo evropského kongresu, sympózia, vědecké konference 4x příspěvek ve sborníku národního nebo mezinárodního kongresu, sympózia, vědecké konference 24x abstrakt ve sborníku národního nebo mezinárodního kongresu, sympózia, vědecké konference, příspěvek ve sborníku odborné konference 1x posudek zahraniční publikace nebo projektu, znalecký posudek, expertíza 25x Další odborné a pedagogické působení: Od roku 2001 člen v komisích pro obhajoby diplomových prací. Odborné přednášky pro MZe ČR, MŽP ČR, ÚPÚ, CVVH a ČKAIT v oboru malé vodní nádrže, protierozní ochrana a pozemkové úpravy. Od roku 2004 člen Konzultační komise pro malé vodní nádrže ustanovené Českým svazem stavebních inženýrů. Držitel Úředního oprávnění k projektování pozemkových úprav (č.o. 857/ ). Autorizovaný inženýr pro stavby vodního hospodářství a krajinného inženýrství ČKAIT (č ). Vybrané řešené projekty: Na následujících vybraných projektech se autor podílel jako spolupracující osoba STARÝ,M.,DOLEŽAL,P. : Využití nádrže Vír pro brněnský oblastní vodovod z hlediska účinku hydrologických poměrů v období Studie - nezávislý přepočet, Městské vodárny a kanalizace Brno, 1994, 45 s. NACHÁZEL,K.,STARÝ,M.,ZEZULÁK,J. : Problematika operativního řízení vodohospodářských soustav v podmínkách neurčitosti. GAČR,103/01/0201, NACHÁZEL,K.,STARÝ,M.,ZEZULÁK,J. : Teorie operativního řízení vodohospodářských soustav za povodňových situací, GAČR,103/04/0352, DOLEŽAL,P.,PODHRÁZSKÁ,J.,NOVOTNÝ,I. : Větrná eroze půdy v Jihomoravském kraji a návrh jejího řešení Krajský úřad JmK,

8 2 ÚVOD S rozvojem pozemkových úprav a v návaznosti na přidělování dotací začíná být věnována větší pozornost ochraně malých povodí (povodí drobných vodních toků). Jedná se zejména o snahu eliminovat nepříznivé důsledky větrné a vodní eroze a povodní z přívalových srážek. Nejen devastace přírodních podmínek ale i zastavěného území představuje hrozbu, která se promítá i do dalších sfér, jako je útlum zemědělské činnosti, snížení možnosti zaměstnanosti apod. Tomu je třeba čelit vhodným návrhem ochranných opatření. Malá povodí jsou velmi specifická. Hlavním problémem malých povodí je ve většině případů absence podrobného měření a následného vyhodnocování zejména hydrologických údajů a důsledků působení eroze na zemědělské půdy. To velmi omezuje možnost kalibrace a využívání některých simulačních modelů, zejména pro řešení povrchového odtoku. Příčinou extrémních odtokových situací, které způsobují povodně a výrazně devastují půdu a zástavbu jsou přívalové srážky. Jejich předpovídání je velmi problematické a odezva povodí na tyto srážky je příliš rychlá. Neumožňuje to efektivní využití integrovaného záchranného systému jako je tomu u velkých povodí. U větrné eroze narážíme na podobný problém. Absence měření a vyhodnocování omezuje možnosti využití některých postupů její predikce. V poslední době je řešena řada výzkumů zaměřených na její modelování, ale také na posouzení účinnosti ochranných opatření. Návrh ochranných opatření představuje jednu z možností eliminace škod, způsobených přívalovými srážkami a větrem. Jejich realizace by měla vycházet z ekonomického hodnocení, protože jen tak mohou být finanční prostředky, které jsou v současné době k dispozici, zejména jako podpora z EU, využívány smysluplně. Podkladem ekonomického hodnocení je definice stupně ohrožení a rozbor účinnosti navržených opatření, který je obsahem předkládané práce. Návrh ochranných opatření, zejména u opatření retenční povahy, představuje volbu z určitého počtu variant řešení. Rozhodovací proces pro výběr z variant řešení pak probíhá za podmínek značné neurčitosti, spočívající v náhodné povaze především hydrologických jevů a často vágním hodnocením výsledných variant řešení. Uvedené skutečnosti vyžadují subjektivní přístupy k posuzování a následnému výběru vhodných opatření. 3 SPECIFIČNOST MALÝCH POVODÍ - PŘÍČINY EXTRÉMNÍCH SITUACÍ Rozhraní mezi malým a velkým povodím není jednoznačně definováno. Podle plochy povodí je v řadě publikací velikost malých povodí uváděna jako plocha do 100 km 2, resp. 200 km 2. V rámci práce, která je zaměřena na určení stupně ohrožení malých povodí z pohledu ochrany zejména životního prostředí, je možné považovat za malé povodí povodí drobných vodních toků. Příčinou extrémních odtokových situací jsou zde přívalové srážky. Ty jsou také příčinou zvýšené vodní eroze. U větrné eroze nemůžeme její působení ohraničit orografickou rozvodnicí povodí, nicméně výsledky jejího působení lze nad povodími vyhodnocovat. Jak již bylo uvedeno, příčinou zvýšené vodní eroze a povodní v malých povodích jsou přívalové srážky, které zasahují celou plochu. Tyto srážky mají krátkou dobu trvání a velkou intenzitu. Na vzniku povodní ze srážek se podílí klimatičtí a geografičtí činitelé. Mezi klimatické činitele, kteří mají v malých povodích rozhodující vliv můžeme postupně zařadit srážky, teplotu, výpar. Ke geografickým činitelům patří plocha a tvar povodí, nadmořská výška, reliéf, tvar říční sítě, hydraulické parametry vodních toků a hydropedologické a hydrogeologické vlastnosti povodí Do velikosti odtoku se pak promítá vzájemné spolupůsobení těchto činitelů. Při jejich zvláště nepříznivé kombinaci mohou vznikat odtoky s katastrofickými účinky. Rozhodující vliv na 7

9 velikost kulminačního průtoku v malých povodích mají zejména geografičtí činitelé. To je způsobeno krátkou dobou trvání příčinné srážky a rychlou odezvou povodí. Postupné utváření povrchového odtoku lze definovat jako kombinaci dvou dílčích procesů, které se vzájemně prolínají. Jedná se o hydrologickou a hydraulickou transformaci. Hydrologická transformace je proces separace hydrologických ztrát od celkového úhrnu spadlé srážky v průběhu trvání srážky a odtoku. Hydraulická transformace je proces postupného generování odtoku. Nejdříve na plochách a dále pak ve vodních tocích. 4 CÍL PRÁCE Cílem práce je navrhnout postup hodnocení stupně ohrožení malých povodí a posouzení účinnosti navržených ochranných opatření v oblasti větrné a vodní eroze a ochraně před povodněmi způsobenými přívalovými srážkami. Posouzení účinnosti navržených ochranných opatření může být využito k ekonomickému zhodnocení těchto opatření. Stupeň ohrožení vymezí nejvíce ohrožené lokality, do kterých by měla být postupně směřována finanční podpora na realizaci ochranných opatření. Uvedený postup je možné využít pro potřeby rozhodování státní správy a pro stanovení koncepce ochrany malých povodí z pohledu ochrany životního prostředí, ochrany majetku a lidských životů. Analýza účinnosti ochranných opatření pomůže vybrat variantu, která bude z pohledu účinnosti nejpříznivější. Dílčí postupy a metody mohou být použitelné v inženýrské praxi, zejména v procesu pozemkových úprav. Výsledkem analýzy stupně ohrožení je komplexní rozbor povodí z pohledu vodní a větrné eroze a vodohospodářských opatření. Analýza určí kritická místa v povodí. To může pomoci při rozhodování o návrhu krátkodobých, střednědobých a dlouhodobých opatření vedoucích k nápravě. Jako vhodné a účelné se jeví pro určení stupně ohrožení malých povodí programové prostředí GIS (Geografický informační systém). Jedná se o otevřený systém umožňující další rozšíření např. o jakost vody, strategie rozvoje obcí, rozvoje zemědělství apod. Programové vybavení nutné k analýzám je dnes běžně dostupné. Rovněž dostupnost a kvalita potřebných vstupních dat se neustále zlepšuje. Posouzení účinnosti navrhovaných opatření vycházející z analýzy stupně ohrožení je podkladem pro výběr vhodné varianty ochrany. Zejména ekonomická analýza navržených variant může vést ke snížení nákladů na tato opatření, resp. k určité optimalizaci návrhu z hlediska nákladů a účinků. 5 ČLENĚNÍ PRÁCE Vzhledem ke skutečnosti, že se práce zabývá stanovením stupně ohrožení malých povodí a následně i hodnocením účinnosti navržených ochranných opatření ve třech rozdílných problémových okruzích (větrná eroze, vodní eroze a povodňová ochrana), bylo zvoleno členění práce respektující tyto okruhy. Práce začíná obecnou částí. V té je uveden popis malých povodí, vymezení cílů práce, určení zjednodušujících předpokladů řešení, zdůvodnění výběru plošné oblasti pro hodnocení stupně ohrožení a seznámení s využitelnými podklady a daty pro všechny tři problémové okruhy. Dále již navazuje pro každý okruh samostatně zpracovaná část zahrnující popis vybrané metody řešení (případně výčet možných metod s jejich popisem), popis praktické aplikace a závěr týkající se určení stupně ohrožení. Na určení stupně ohrožení navazuje posouzení účinnosti navržených opatření a celkový závěr za daný okruh. Z těmito kapitolami následuje ukázka syntézy výsledků z jednotlivých problémových okruhů nad celým povodím. V závěru práce jsou pak uvedeny další cíle rozvíjení navrženého postupu hodnocení stupně ohrožení. 8

10 6 ZJEDNODUŠUJÍCÍ PŘEDPOKLADY STANOVENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ Vzhledem ke specifičnosti malých povodí a s ohledem na vytčený cíl práce byly do řešení zavedeny určité zjednodušující předpoklady pro jednotlivé problémové okruhy. Jednalo se zejména o výběr metod řešení z pohledu rozměru úlohy. Dále pak definování stupně ohrožení pro jednotlivé okruhy a výběr plošné jednotky pro hodnocení stupně ohrožení. Závěrem pak určení vhodné metody k posuzování účinnosti navržených opatření. 6.1 VYBRANÉ METODY ŘEŠENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ Na základě analýzy metod využívaných pro řešení problémových okruhů z pohledu dostupnosti vstupních dat, softwarového a hardwarového vybavení byly pro okruh eroze vybrány metody založené na empirických vztazích. Simulace povrchového odtoku užívaná při návrhu malých vodních nádrží s retenčním účinkem byla řešena jako jednodimenzionální úloha. K výpočtu ohrožení půdy větrnou erozí byla vybrána empirická metoda, založená na kombinaci klimatických a půdních faktorů vyvinutá ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy v Praze. Ta byla v rámci předkládané práce doplněna o zavedení hodnocení účinnosti ochranných bariér (Doležal, Podhrázská, Novotný, 2004). Výpočet vodní eroze byl proveden metodou USLE (Wischmeier, Smith, 1965). Pro okruh protipovodňové ochrany byl k řešení simulace povrchového odtoku vody z povodí a následné transformace odtoku v říční síti zvolen model Hydrog (Starý, 1991). 6.2 DEFINICE STUPNĚ OHROŽENÍ MALÝCH POVODÍCH Definování stupně ohrožení pro jednotlivé okruhy vychází ze zvolených metod řešení a výsledků, které poskytují řešiteli. U větrné a vodní eroze byla zvolena bodová stupnice. Podrobnější popis je uveden vždy samostatně u každého řešeného okruhu. Počet stupňů vycházel z analýzy výsledků řešení vybranými metodami. U větrné eroze každý stupeň reprezentoval plošné zastoupení jednotlivých kategorií ohrožení půdy v rámci řešeného území. U vodní eroze stupeň představoval interval dlouhodobé průměrné ztráty půdy vyjádřené v tunách na hektar za rok. Hodnocení ochrany před povodněmi bylo zaměřeno na výběr z možných variant s posouzením dosaženého účinku podle předem daného požadavku. Jednalo se o snížení kulminačního průtoku ve zvoleném profilu toku na zvolený neškodný odtok. 6.3 HODNOCENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ A ÚČINNOSTI OPATŘENÍ Hodnocení stupně ohrožení větrnou nebo vodní erozí bylo prováděnou pro rozsah území odpovídající katastrálnímu území. Jednalo se o oblast, na které byly statisticky vyhodnocovány výsledky analýz provedených vybranými metodami. Důvodem zavedení tohoto rozsahu území bylo využívání výsledků hodnocení pro rozhodování ve státní správě při zadávání zakázek na realiaci ochranných opatření, resp. zadávání komplexních pozemkových úprav. Katastrální území je nejmenší plošnou jednotkou z hlediska správy území. Hodnocení lze využít i pro vybraná malá povodí. Jako rozsah území zvolíme plochu povodí, resp. dílčích podpovodí. Analýzy provedené v prostředí GIS pak statisticky vyhodnocujeme nad vybraným povodím. Pro posuzování účinnosti ochranných opatření byla v případě větrné eroze zvolena sestupná stupnice deseti kategorií účinnosti (10 až 1). Každá kategorie představovala interval účinnosti větrných bariér vyjádřené jako procento výměry půdy nechráněné těmito větrnými bariérami z celkové výměry katastrálního území. Hodnocení účinnosti navržených ochranných opatření je pak počítáno jako rozdíl účinnosti odpovídající současnému stavu a účinnosti vypočtené s uvažováním navržených opatření. 9

11 Účinnost ochranných opatření před vodní erozí pro zvolené řešené území byla počítána jako změna dlouhodobé průměrné ztráty půdy před a po realizaci opatření vyjádřená v procentech. V rámci hodnocení účinku ochranných opatření před povodněmi byl posuzován vliv opatření na objem povrchového odtoku vody z povodí a vliv na velikost kulminačního průtoku ve zvoleném profilu toku. Podrobnější popis problematiky stanovení stupně ohrožení a hodnocení účinnosti je uveden vždy v kapitole zabývající se daným okruhem. Souhrnné hodnocení všech tří okruhů v rámci vybraného malého povodí představuje vyřešení účelové funkce, kde členy funkce jsou výsledky analýz v rámci jednotlivých okruhů. Každý člen má svou váhu. Její stanovení vyžaduje citlivostní analýzu. Postup souhrnného hodnocení je uveden v kapitole 10 Syntéza výsledků. 6.4 VSTUPNÍ DATA Prostředí GIS výrazně posunulo možnosti rozhodovacích analýz. Jedná se o interaktivní prostředí, kde je možné provádět operace s prostorovými daty. V poslední době je možné zaznamenat výrazný posun v kvalitě datových zdrojů potřebných k analýzám. Právě tato skutečnost má za následek velký rozmach tohoto oboru. Určitou nevýhodou těchto dat je, že jsou z velké části zpoplatněna. Pro potřeby posuzování stupně ohrožení malých povodí z pohledu ochrany životního prostředí se zaměřením na protierozní ochranu je možné uvést, že není problém se vstupními daty. Jedná o data popisující povrch terénu (členitost, vodní toky, zastavěná území, lesy apod.), dále pak o data popisující půdní vlastnosti, způsob hospodaření a klimatické údaje. Vstupní data nutná k analýze malých povodí pro určení stupně ohrožení je možné rozdělit do následujících oblastí: data topologická - základní (ZABAGED), data popisující využití území (LPIS, CORINE), ortofotomapy, data poskytující údaje o půdních vlastnostech (databáze VÚMOP) mapy BPEJ, údaje o osevních postupech, data klimatická a hydrologická, převládající směry erozně účinných větrů (ČHMÚ), ochranné lesní pásy a lesní celky (ÚHÚL), další specifická data (např. podrobné zaměření, územní plány obcí, apod.). 7 OHROŽENÍ VĚTRNOU EROZÍ Pro potřeby stanovení stupně ohrožení větrnou erozí byla vybrána metoda vycházející z metodiky VÚMOP, která počítá potenciální ohroženost zemědělské půdy větrnou erozí. Metoda byla dále prohloubena o vyhodnocení účinnosti větrných bariér a vyústila v sestavení postupu výpočtu RVE (riziko větrné eroze) jehož je autor spoluautorem. 7.1 STRUČNÝ POPIS METODY RVE Metoda vychází z výše uvedené metodiky, kdy je na základě součinu faktoru klimatického regionu (první číslo kódu BPEJ) a faktoru půdy (druhé a třetí číslo kódu BPEJ) stanoven koeficient ohrožení, který metodika VÚMOP rozděluje do šesti kategorií ohrožení. Tento koeficient je přiřazen vrstvě BPEJ. Následně jsou z vrstvy LPIS vybrány pouze pozemky orné půdy s předpokladem, že ostatní půda (s trvalým vegetačním pokryvem, zastavěná apod.) nepodléhá větrné erozi. Z těchto pozemků jsou pak v prostředí GIS vybrány jen pozemky, kde se vyskytují půdy s kategorií 4 až 6 (půdy ohrožené až nejohroženější). Dále je vytvořena vrstva 10

12 erozně účinných větrů vycházející z dat poskytnutých ČHMÚ pro vybrané klimatické stanice. U těchto dat je v rámci modelu povedena jejich plošná regionalizace za pomoci digitálního modelu terénu. Výsledkem je vytvoření vrstvy směru větru. Po přiřazení směrů následuje posouzení maximální tolerované délky pozemků ve směru převládajících větrů. Tolerovaná délka pozemku je určena pro jednotlivé kategorie ohroženosti pozemků větrnou erozí podle půdních vlastností. V prostředí GIS jsou pak označeny pozemky, u kterých je ve směru převládajících větrů překročena tolerovaná délka. Na těchto pozemcích pak označíme stávající větrné bariéry a jim vygenerujeme obalové zóny určující ochrannou zónu větrných bariér. Vzdálenost ochranné zóny vycházela z účinnosti větrných bariér vztažené k jejich výšce (Holý, 1994). V současnosti probíhá intenzivní výzkum ve VÚMOP zabývající se touto problematikou. Určení stávajících větrných bariér je provedeno z mapy OLP (ochranných lesních pásů) a LC (lesních celků) poskytnuté Ústavem pro hospodářskou úpravu lesů (ÚHÚL), doplněné z databáze ZABAGED a digitalizací dalších větrných bariér nad ortofotomapou. Tab. 1 Kategorie ohrožení větrnou erozí - metodika VÚMOP Kategorie VÚMOP Popis kategorie 1 bez ohrožení 2 půdy náchylné k erozi 3 půdy mírně ohrožené 4 půdy ohrožené 5 půdy silně ohrožené 6 půdy nejohroženější Obrázek 1 Ukázka výběru potenciálně ohrožených bloků orné půdy 11

13 Tab. 2 Tolerovaná délka pozemku Kategorie VÚMOP Tolerovaná délka pozemku [m] 4 < < < 350 Obrázek 2 Ukázka lokalizace větrných bariér světlá barva Tab. 3 Obalové zóny větrných bariér Typ bariéry Závětrná strana [m] Návětrná strana [m] OLP a LC ostatní vegetace (keře, aleje apod.) VYHODNOCENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ Vyhodnocení stupně ohrožení provádíme postupně ve dvou krocích. V prvním stanovíme účinnost stávajících větrných barier pro jednotlivá katastrální území podle vztahu: F = 1 n E S 100, [7.1] F ku kde E S je účinnost stávajících větrných bariér v %, F n je plocha nechráněné orné půdy v katastrálním území v hektarech a F ku je celková plocha orné půdy v katastrálním území v hektarech. Tu pak zatřídíme do následujících kategorií. 12

14 Tab. 4 Kategorie účinnosti stávajících větrných bariér Kategorie účinnosti Interval účinnosti stávajících větrných bariér [% výměry k.ú.] E s , , , , , , , , ,1-100 Ve druhém kroku pak provedeme hodnocení stupně ohrožení jako spolupůsobení faktorů, které se podílejí na vzniku větrné eroze a na ochraně před jejími nepříznivými účinky. Řešíme úlohu spolupůsobení potenciální ohroženosti vycházející z půdních vlastností a účinností ochranných bariér. Byla použita účelová funkce UF, která má dva členy. První člen A1 vyjadřuje potenciální ohroženost území větrnou erozí (dle metodiky VÚMOP), druhý člen A2 je plošné zastoupení nechráněné orné půdy v katastrálním území stanovené postupem RVE. Tento člen vyžaduje podrobnější analýzu plošného zastoupení ohrožené půdy v rámci všech řešených katastrálních území. Člen uvedený v následujícím textu vycházel z vyhodnocení 180 katastrálních území v Jihomoravském kraji (Doležal, 2004). V řešení území Jihomoravského kraje byly zřetelně identifikovány intervaly ohrožení o výměře , a ha. Tab. 5 Člen A1 podle kategorie ohroženosti VÚMOP Kategorie VÚMOP Člen A Tab. 6 Člen A2 plošné zastoupení nechráněné půdy stanovené postupem RVE Celková výměra Člen A2 nechráněné orné půdy (ha)

15 Tab. 7 Stupeň ohrožení větrnou erozí Stupeň ohrožení UF = A1.A2 Popis stupně ohrožení 1 0 stabilní území částečně stabilní území nestabilní území vysoce nestabilní území Popis kritérií sloužících k zařazení do určitého stupně ohrožení větrnou erozí: Stupeň stabilní - jedná se o všechna katastrální území, která jsou z hlediska potenciální ohroženosti v kategorii VÚMOP 1-3 podle tabulky č.1. Stupeň částečně stabilní - jedná se o katastrální území, kde je výměra půdy v kategorii VÚMOP půdy ohrožené č.4 do 1000 ha, v kategorii půdy silně ohrožené č.5 se jedná o výměru do 500 ha a kategorie půdy nejohroženější č.6 není zastoupena. Stupeň nestabilní - jedná se o katastrální území, kde výměra půdy v kategorii VÚMOP půdy ohrožené č.4 je v intervalu ha, v kategorii půdy silně ohrožené č.5 je výměra v intervalu ha a výměra půdy v kategorii půdy nejohroženější č.6 je v intervalu ha. Stupeň vysoce nestabilní - jedná se o katastrální území, kde není zastoupena orná půda v kategorii VÚMOP půdy ohrožené č.4, orná půda v kategorii půdy silně ohrožené č.5 je na výměře v intervalu ha a orná půda v kategorii půdy nejohroženější č.6 je na výměře půdy v intervalu ha Aplikace metody na malá povodí Aplikace metody pro malá povodí spočívá v zavedení vyhodnocované oblasti místo katastrální území povodí vybraného vodního toku. Vyhodnocení působení větrných bariér se vztahuje k ploše povodí. 7.3 PRAKTICKÁ APLIKACE Jako praktickou aplikaci je možné uvést problémovou studii Větrná eroze půdy v Jihomoravském kraji a návrh jejího řešení " (Doležal, Podhrázská, Novotný, 2004). Tato studie se zabývala analýzou problému větrné eroze v Jihomoravském kraji s její plošnou lokalizací a kategorizací hlediska nutnosti přijetí ochranných opatření. Dále pak návrhem koncepčně ucelených, uskutečnitelných opatření a postupy k omezení důsledků větrné eroze. Součástí studie jsou prezentační výstupy pro internetové stránky krajského úřadu Jihomoravského kraje. V dalším textu jsou uvedeny pouze výsledky práce ve formě výsledného kartogramu ohroženosti Jihomoravského kraje s vymezením oblastí podle stupně ohrožení a souhrnná tabulka analýzy ohroženosti za celý Jihomoravský kraj. Podrobně je možné se seznámit se studií na internetových stránkách krajského úřadu Jihomoravského kraje : 14

16 Obr.č. 3 Vymezení ohrožených oblastí v Jihomoravském kraji - ovály Tab. 8 Celková analýza účinnosti stávajících větrných bariér Okres Výměra orné půdy LPIS [ha] Výměra orné půdy v kategorii VÚMOP 4,5 a 6 [ha] Výměra orné půdy v kategorii VÚMOP 4,5 a 6 nechráněná [ha] Účinnost větrných bariér E S v rámci JMK [%] Účinnost větrných bariér E s v rámci okresu [%] Blansko Brno - město Brno - venkov Břeclav Hodonín Vyškov Znojmo Celkem

17 7.4 POSOUZENÍ ÚČINNOSTI NAVRŽENÝCH OPATŘENÍ PROTI VĚTRNÉ EROZI Posouzení účinnosti navržených opatření navazuje na posouzení současného stavu metodou uvedenou výše. Vymezíme-li polohově navrhovaná protierozní opatření (větrolamy, zatravnění pozemků, zalesnění apod.), můžeme provést vyhodnocení ohroženosti včetně těchto opatření E N pomocí vztahu 7.1 s tím, že dojde k nárůstu výměry F n. Z výsledku těchto dvou výpočtů pak můžeme stanovit účinnost navržených opatření podle následujícího vztahu: E V ( E E ) =, [7.2] N S kde E V je účinnost opatření v %, E N je celková účinnost s uvažováním navržených opatření v %. E S označuje účinnost protierozních opatření za současného stavu v %. Účinnost navrhovaných opatření E v udává procento zvýšení ochrany řešeného území. Tím může být katastrální území nebo malé povodí apod. 7.5 SOUHRNNÉ HODNOCENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ VĚTRNOU EROZÍ Navržený metodický postup (metoda RVE) vyhodnocování stupně ohrožení větrnou erozí prokázal svou využitelnost v podmínkách rozhodování. V současné době je využíván v inženýrské praxi při posuzování větrné eroze v rámci procesu komplexích pozemkových úprav. Výsledky v praktické aplikaci vymezily ohrožené oblasti a určily metodické postupy k jejich ochraně. 8 OHROŽENÍ VODNÍ EROZÍ S vodní erozí v malých povodích se můžeme setkat ve všech jejích formách (Holý, 1994). V rámci předkládané práce byla posuzována pouze plošná eroze působící na zemědělské půdě. Modelování proudové eroze ve vodních tocích je velmi složitý problém, který svou složitostí překračuje zavedená zjednodušení. Cílem práce bylo navrhnout postup hodnocení stupně ohrožení malých povodí a posouzení účinnosti navržených ochranných opatření proti vodní erozi, která se vyskytující se na zemědělské půdě. 8.1 MODELOVÁNÍ VODNÍ EROZE K posouzení míry erozního ohrožení existuje řada modelů. Jejich podrobné členění uvádí např. (Holý, 1994). Na základě zavedených zjednodušujících předpokladů byla vybrána metoda USLE (Universal Soil Loss Equation) dle Wischmeiera a Smithe vyvinutá v USA v roce Metoda slouží ke stanovení dlouhodobé průměrné ztráty půdy G v tunách z hektaru za rok, což je pro posouzení stupně ohrožení možné přijmout jako vhodný ukazatel. Jedná se o metodu, která stanovuje hodnotu průměrné ztráty půdy podle vztahu: G = R K L S C P, [8.1] kde G je hodnota průměrné ztráty půdy v tunách z hektaru za rok počítaná jako součin šesti faktorů. Jednotlivé faktory jsou : faktor R vyjadřuje erozní účinek deště, faktor K určuje vliv půdních vlastností, faktor L zavádí vliv délky svahu počítaný podle vztahu: α l L = d, [8.2] 22,13 kde l d označuje délku svahu v metrech a α je koeficient závislý na sklonu, 16

18 faktor S zavádí vliv sklonu svahu počítaný podle vztahu : 2 0,43 + 0,30s + 0,043s S =, [8.3] 6,613 kde s je sklon svahu v % faktor C udává vliv protierozního účinku plodin (tabulkové hodnoty odpovídající výrobnímu typu řešené oblasti), faktor P představuje vliv protierozních opatření Aplikace metody Wischmeier-Smith v prostřwdí GIS Postup výpočtu G v malých povodích využívající prostředí GIS představuje postupné vytváření rastrových vrstev odpovídajících jednotlivým faktorům rovnice 8.1 a jejich následný součin. Podrobný popis metody uvádí (Mitasova,1996). Pro přehlednost je uveden pouze stručný popis metody s uvedením hlavních zásad výpočtu. K výpočtu G byl využíván rastrový kalkulátor nadstavby Spatial Analyst geografického informačního systému firmy ESRI (ArcView). Výsledným výstupem je rastrová mapa udávající průměrnou dlouhodobou ztrátu půdy G Postup výpočtu Postup výpočtu je možné přehledně popsat následujícím způsobem: tvorba digitálního modelu terénu (DMT), vymezení erozně uzavřených celků (EUC), vymezení oblasti pro výpočet průměrné ztráty půdy, výpočet faktorů L a S,resp.součinu L.S, vytvoření vrstvy faktoru K, vytvoření vrstvy C a P faktoru, výpočet dlouhodobé průměrné ztráty půdy G Tvorba digitálního modelu terénu (DMT) DMT je vytvořen z digitálního vektorového podkladu systému ZABAGED (základní báze geodetických dat). Jedná se o 3D vrstevnice. Je řada způsobů, jak tento model vytvořit. Závisí to na verzi programového prostředí ARC View. Nejjednodušší je importování vrstevnic a vytvoření modelu TIN (Triangulated Irregular Network) nadstavbou 3D Analyst. Novější verze (9.X) umožní vytvoření DMT z rastrových vrstevnic. Tento model je hladší. Vždy je pro další výpočet nutné pracovat s DMT ve formě rastru Stanovení erozně uzavřených celků Erozně uzavřený celek (EUC) je definován jako souvislé území s lokálně uzavřeným erozním procesem, tj. denudací, transportem a akumulací půdy (Holý, 1994) v normálních klimatických podmínkách. Jedná se o území zemědělské půdy ohraničené rozvodnicí, na které vzniká povrchový odtok a hranicí, kde je povrchový odtok přerušen. Zde dochází k akumulaci půdních částic. Jeho vymezení je možné provést nad mapovým podkladem, resp. s využitím systému LPIS. Je vhodné jej verifikovat podle leteckých snímků. Za hranice možného přerušení povrchového odtoku můžeme považovat například cestní příkopy, vodní toky a další překážky jako jsou meze, zemní terasy apod. Zavedení digitálního modelu terénu do výpočtu značně zjednodušuje 17

19 vymezování erozně uzavřených celků. Některé hranice (rozvodnice a údolnice) jsou generovány automaticky. Plochy EUC je pro další výpočet nutné převést na rastrový formát Vymezení oblasti pro stanovení průměrné ztráty půdy Vymezení je nutné pro výpočet faktorů L a S rovnice 8.1 USLE. Je nutné vybrat pouze ty části digitálního modelu terénu, kde jsou plochy EUC. Tím je zajištěno, že dojde k přerušení dráhy povrchového odtoku na hranicích EUC. K vymezení používáme rastrový kalkulátor Výpočet faktorů L a S,resp. součinu L.S Výpočet byl proveden podle následujícího vztahu (Mitasova,1996): m () sin b() r n A r L S = ( m + 1), [8.4] a0 b0 kde A je plocha svahu nad řešeným profilem na jednotku šířky svahu (měřeno ve směru proudění) [m 2 m -1 ], b je sklon svahu [stupně], m a n jsou parametry ( m=0,6 a n=1,3), a 0 je délka určená metodou USLE (a 0 = 22,1), b 0 je sklon určený metodou USLE (b 0 =0,09= 9%=5,16º). V prostředí ARC View jsou pro vyhodnocení vztahu 8.4 postupně generovány vrstvy Slope a FlowAccumulation. FlowAccumulation vymezuje postupně se zapojující části povrchu do povrchového odtoku. Respektuje DMT, sklon, expozici a délku svahu. Postupně se tak vytvoří vrstva, kde je na každém pixelu známa hodnota plochy, resp.délky od rozvodnice. Tyto vrstvy jsou pak využity pro stanovení L.S faktoru pomocí rastrového kalkulátoru podle vztahu : ( flowacc resolution / 22.1,0.6 ) exp( sin( )/ 0.09,1.3) LSfactor = 1.6 exp slope, [8.5] kde flowacc je vrstva FlowAcculumulation, slope je vrstva sklonu svahu, resolution je rozlišení rastrové vrstvy v metrech. Výsledkem výpočtu je rastrová vrstva LSfaktor, představující součin L.S, nutná k výpočtu podle vztahu Vytvoření vrstvy K faktoru Podkladem pro stanovení K faktoru rovnice 8.1 může být např. kód BPEJ. Ten je k dispozici na VÚMOP Praha ve formě vektorového souboru pro Microstaion nebo přímo jako vrstva prostřední ARCView. Jeho přesnější stanovení je možné na základě pedologického rozboru půdních sond a vyhodnocení podle grafů (Janeček, 2007). Jednotlivým plochám vymezeným kódem BPEJ, resp. na základě vyhodnocení půdních sond je v prostředí GIS přiřazena hodnota faktoru K. Vektorové polygony jsou pak převedeny na rastrový formát Výpočet dlouhodobé průměrné ztráty půdy Výpočet dlouhodobé průměrné ztráty půdy je proveden rastrovým kalkulátorem jako součin vrstev faktorů R, K, L.S, C a P. Při analýze současného stavu je vrstva C faktoru nahrazena konstantní hodnotou odpovídající osevnímu postupu aplikovanému v řešené oblasti. Jeho hodnotu je možné stanovit např. z Typizační směrnice - Protierozní ochrana zemědělských pozemků (Trupl, 1984). Faktor R lze odečíst z map (Janeček, 1992). Pro posuzování současného stavu území z pohledu vodní eroze je vhodné uvažovat faktor P=1. 18

20 8.1.9 Vyhodnocení stupně ohrožení vodní erozí Pro potřeby vyhodnocení stupně ohrožení řešeného území je třeba nalézt vhodnou metodu analýzy vypočtených výsledků G. Zde se jeví jako vhodná metoda rozdělení do navržených kategorií odpovídajícím určeným intervalům vypočtené hodnoty G. Volba intervalů vycházela z kategorií přípustného ztráty půdy (Holý, 1994) podle hloubky půdního profilu. Tab. 9 Kategorie ohroženosti vodní erozí (Doležal, 2007) Interval vypočtené hodnoty G [t. ha -1. rok -1 ] Stupeň ohrožení orné půdy Popis S G S G přípustná mírná, přípustná pro hluboké půdy zvýšená střední střední až vysoká vysoká velmi vysoká >30 7 kritická Pro vyhodnocení stupně ohrožení řešeného území (v našem případě katastrální území) je navržen následující postup. Nejdříve určíme plošné zastoupení jednotlivých stupňů ohrožení z tab.9 pro jednotlivé EUC. To nám vymezí nejvíce ohrožené lokality, kam je třeba navrhnout ochranná opatření. Dále provedeme výpočet stupně ohrožení pro celé katastrální území podle vztahu: 8 Fi S G = SG, i, [8.6] F kde I = 1 SG je průměrná hodnota stupně ohrožení pro celé katastrální území, F i je dílčí plocha katastrálního území odpovídající stupni ohrožení S G.i v hektarech, F je celková plocha katastrálního území v hektarech. Tab. 10 Ukázka vyhodnocení pro EUC2 Určení výměry stupně ohrožení pro EUC 2 G - průměrná dlouhodobá ztráta půdy v (t.ha -1.rok -1 ) interval G >30 celkem procento plochy EUC. celkové plocha EUC spadající do přísl. intervalu i (ha)

21 8.2 PRAKTICKÁ APLIKACE Jako praktická aplikace navržených postupů jsou uvedeny výsledky studie Vyhodnocení odtokových poměrů na toku Věžecký potok návrh opatření (Doležal, 2007), jejichž součástí bylo kromě jiného i vyhodnocení ohroženosti vodní erozí a následný návrh opatření. Vzhledem k omezenému rozsahu jsou dále uvedeny pouze ukázky výsledků ve formě obrázků, grafů a tabulek s příslušnými komentáři. Podrobnější údaje jsou k dispozici u zadavatele studie, jímž byl Pozemkový úřad Kroměříž Ukázka zhodnocení současného stavu V rámci kapitoly uvádíme pouze ukázku hodnocení v podobě tabulky pro vybraná katastrální území doplněné o mapu zastoupení jednotlivých kategorií a souhrnné hodnocení za celé povodí ve formě kartogramu. V tabulce je postupně ve sloupcích uvedeno číslo EUC první sloupec, název katastrálního území - druhý sloupec, plocha EUC v m 2 - třetí sloupec, čtvrtý až jedenáctý sloupec je procentuální podíl zastoupení jednotlivých kategorií klasifikovaných hodnot dlouhodobé ztráty půdy podle tabulky č.9, dvanáctý sloupec je průměrná hodnota dlouhodobé ztráty půdy (G v tunách na hektar za rok) a třináctý sloupec je přípustná hodnota dlouhodobé ztráty půdy (G v tunách na hektar za rok). Tab. 11 Vyhodnocení průměrné ztráty půdy, k.ú. Medlov u Zborovic, Dřínov u Kroměříže EUC katastrální území plocha procentní podíl klasifikovaných hodnot G (t.ha -1.r -1 ) průměrnná hodnota přípustná hodnota m nad 30 G (t.ha -1.r -1 ) G (t.ha -1.r -1 ) 1 Medlov u Zborovic Medlov u Zborovic Medlov u Zborovic Dřínov u Kroměříže Obr.č.4 G současný stav v k.ú. Medlov u Zborovic a k.ú. Dřínov u Kroměříže 20

22 Z uvedených hodnot a jejich interpretace vyplývá, že přes relativně nízkou průměrnou hodnotu G v jednotlivých EUC, která nepřekračuje stanovený limit v daném území, můžeme v některých EUC hovořit o vysoké míře erozního ohrožení. Na následujícím obrázku je vidět rozdělení povodí Věžeckého potoka z pohledu stupně ohrožení vodní erozí pro jednotlivá katastrální území. Jednotlivým katastrálním územím byl váženým průměrem vypočteným podle vztahu 8.6 určen stupeň ohrožení patrný z následujícího kartogramu. Obr.č. 5 Kartogram stupeň ohrožení půdy vodní erozí pro jednotlivá k.ú. Na základě výše provedeného rozboru je možné posoudit stupeň ohrožení povodí a vymezit nejvíce ohrožené oblasti Zhodnocení vlivu realizace doposud navržených opatření Pro vyhodnocení vlivu navržených opatření v povodí Věžeckého potoka posloužily plány společných zařízení ve všech územích s dokončenými KPÚ. V katastrálních územích v nichž dosud nebyly provedeny komplexní pozemkové úpravy byla v rámci studie směrně navržena protierozní opatření v nejohroženějších lokalitách. V dalším textu je pouze uvedena ukázka výsledku posouzení ve formě tabulky a obrázku. 21

23 Tab. 12 Vyhodnocení protierozních opatření v k.ú. Dřínov u Kroměříže a k.ú. Medlov u Zborovic a Věžky stávající stav po realizaci KPÚ směrně navržená opatření EUC Název k.ú. plocha průměrná hodnota EUC průměrná hodnota EUC průměrná hodnota m 2 G (t.ha -1.r -1 )* G (t.ha -1.r -1 ) G (t.ha -1.r -1 ) 1 Medlov u Zborovic Medlov u Zborovic Medlov u Zborovic Dřínov u Kroměříže Věžky a a b b Věžky Věžky Věžky Věžky Věžky Věžky a a b b c c d d e e f f Věžky Věžky Věžky Věžky a a b b Věžky Věžky Věžky Věžky Věžky a a b b c c d d Věžky Věžky Věžky Věžky a a b b Věžky a a b b 3.67 Obr.č. 6 Navržená protierozní opatření v k.ú Dřínov u Kroměříže a k.ú. Medlov u Zborovic a Vězky 22

24 8.3 POSOUZENÍ ÚČINNOSTI NAVRŽENÝCH OPATŘENÍ Posouzení účinnosti navržených opatření můžeme vyhodnotit obdobně jako u větrné eroze. Pouze účinnost počítáme z hodnot dlouhodobé průměrné ztráty půdy G podle následujícího vztahu: G p, peo E 1 p = 100, [8.7] Gp, bez kde E p označuje účinnost protierozních opatření v řešeném území v procentech dlouhodobé průměrné ztráty půdy, G p.bez označuje dlouhodobou průměrnou ztrátu půdy odpovídající současnému stavu, G p,peo označuje dlouhodobou průměrnou ztrátu půdy po návrhu protierozních opatření. 8.4 SOUHRNNÉ HODNOCENÍ STUPNĚ OHROŽENÍ VODNÍ EROZÍ Návrh protierozních opatření v povodí Věžeckého potoka řeší především nejohroženější místa určená rozborem současného stavu. Představuje nutné minimum opatření pro eliminaci nejhorších projevů eroze. Hodnocení ukazuje, že pro dlouhodobě udržitelný stav a možnost zemědělského hospodaření v tomto území je nutné v maximální možné míře hospodařit šetrně. To znamená v první řadě vhodně zvolit a použít organizační opatření (protierozní osevní postup, výsev do předplodiny apod.) nejen v nejvíce ohrožených lokalitách, které jsou touto studií jednoznačně určeny, ale i v ostatních méně ohrožených lokalitách. 9 OHROŽENÍ SÍDLIŠŤ POVODNĚMI Z PŘÍVALOVÝCH SRÁŽEK 9.1 HODNOCENÍ ÚČINKU SYSTÉMU KOMPLEXNÍCH OPATŘENÍ NA PARAMETRY POVRCHOVÉHO ODTOKU VODY Z POVODÍ Předpoklady hodnocení Hodnocení účinku komplexních opatření je provedeno za následujících zjednodušujících předpokladů: Hodnocení vztahujeme k parametrům odtoku (kulminační průtok Q a objem odtoku W) v uzávěrovém profilu velmi malého povodí, resp. ve zvoleném profilu na toku. Za pozitivní účinek můžeme považovat snížení objemu povrchového odtoku, dále pak snížení kulminačního průtoku pro vybraný profil toku. Komplexní opatření, která se podílejí na zvýšení transformace povrchového odtoku vody z povodí můžeme rozdělit na: opatření vodohospodářská (malé vodní nádrže s retenčním účinkem) opatření protierozní, sem patří : organizační (zatravnění, zalesnění, pásové střídání plodin), agrotechnická (volba vhodné agrotechniky výsev do ochranné plodiny, hrázkování, důlkování apod.), technická (vsakovací pásy, záchytné průlehy a příkopy). Do vodohospodářských opatření byla vybrána pouze malá vodní nádrž s retenčním účinkem, resp. soustava nádrží, neboť jen takové opatření se výrazně podílí na transformaci povrchového odtoku. Další vodohospodářská opatření, jako je například zkapacitnění toku, nebyla uvažována. U protierozních opatření byla posuzována pouze výše uvedená organizační a technická opatření, jejichž účinek lze spařovat ve snížení objemu povrchového odtoku. 23

25 Pro hodnocení účinnosti protierozních opatření byla využita metoda CN-čísel (Surendra, 2003). Nebyl uvažován vliv předchozích srážek. Délka příčinné srážky odpovídá době koncentrace odtoku po uzávěrový (volený) profil. Pro hodnocení účinku vodohospodářských opatření (retenčních malých vodních nádrží) byl využit simulační srážkoodtokový model Hydrog (Starý, ). Hodnocení účinnosti vodohospodářských a protierozních opatření bylo provedeno odděleně, neboť tato opatření jsou výrazně odlišná z hlediska jejich umístění, ale také z pohledu nákladů a účinnosti. 9.2 HODNOCENÍ ÚČINKU VODOHOSPODÁŘSKÝCH OPATŘENÍ Hodnocení retenčního účinku malých vodních nádrží, představuje vždy individuální posouzení řešené lokality. Jedná se o hledání optimální varianty návrhu retenční nádrže, nebo jejich soustavy, tak, aby bylo dosaženo požadovaného transformačního účinku (Doležal,1995). Tím je dodržení neškodného odtoku ve zvoleném profilu toku, případně více profilech Předpoklady řešení Pro řešení plošného povrchového odtoku a následně koncentrovaného odtoku vody v tocích byl vybrán model Hydrog (Starý, ). Model řeší úlohu jako jednodimenzionální. Skutečné povodí toku nahrazuje ohodnoceným orientovaným grafem G(N,H,P), kde N značí množinu vrcholů, H množinu hran a P množinu ploch zavěšených na jednotlivých hranách (Starý, 1990). Tok vody na zavěšených plochách je řešen s využitím kynematické vlnové aproximace (Jacobsen, 1987), v hranách grafu rovnicemi Saint Venanta (Gabriel,Kratochvíl,Šerek, 1982) při zachování spojitosti průtoku v uzlech. V uzlech s akumulací (stávající nebo navrhované nádrže) řešíme základní rovnici nádrže ve tvaru : dv () () () t Q t O t = ; O() t = O( V () t ) dt, [9.1] kde Q(t) označuje přítok vody do nádrže v čase t, O(t) značí odtok z nádrže v čase t, který je funkcí plnění nádrže. Ten můžeme popsat stavovou rovnicí vyjadřující závislost mezi plněním nádrže a odtokem z ní. K numerickému řešení model využívá explicitní numerickou metodu Runge-Kutta IV. řádu Postup řešení Na základě analýzy povodí z hlediska vývoje možností umístění retenčních nádrží při respektování polohy profilů na toku, ve kterých chceme dosáhnout požadovaného transformačního účinku, řešíme různé varianty počtu nádrží pro zadanou délku přelivné hrany, její výškové umístění a zvolený průměr spodních výpustí. U malých vodních nádrží s retenčním účinkem se nepředpokládá výrazný účinek retenčního prostoru neovladatelného. Celkovou účinnost tak ovlivňuje především retenční prostor ovladatelný, tudíž volený průměr spodních výpustí. Výsledné plnění nádrží a dosažený transformační účinek pro každou variantu vyhodnotíme. Hodnocení účinku navržených opatření je pak možné popsat verbálně (bylo dosaženo, resp. nebylo dosaženo), případně popsat i dosažené efekty v porovnání s navrhovanými parametry nádrží. Zde se jedná o transformační účinek (snížení kulminačního průtoku), objemy nádrží a případně celkové náklady, resp. specifické náklady na jednotku zadrženého objemu, což je výchozí jednotka pro posouzení efektivnosti návrhu. 24

26 9.3 HODNOCENÍ ÚČINKU PROTIEROZNÍCH OPATŘENÍ Vliv protierozních opatření na retenční schopnost povodí se z hlediska bilance hydrologických ztrát projeví zejména v infiltraci a povrchové retenci. Na infiltraci budou mít výrazný vliv opatření organizační. Povrchovou retenci bude ovlivňovat návrh technických opatření Ovlivnění objemu povrchového odtoku Organizační opatření Organizačním opatřením dojde k ovlivnění průměrného CN-čísla (čísla odtokové křivky) v povodí. Tato změna závisí na celkové výměře navržených opatření a jejich typu. Výsledné CN číslo počítáme podle vztahu : CN l CN k = 1 = j k = 1 k F F k k, [9.2] kde CN označuje průměrnou hodnotu CN čísla na povodí. F k označuje k-tou dílčí plochu povodí v km 2, získanou průnikem vrstev druhu povrchu a hydrologické skupiny půd. Pro tyto plochy se stanoví odpovídající CN k podle tabulky (Janeček, 1992).Schematicky je naznačen průnik vrstev hydrologické skupiny půd HP a druhu povrchu na následujícím obrázku. Obr.č.7 Průnik HP s druhem povrchu- určení CN k Objem povrchového odtoku Wo vypočítáme podle vztahu (Surendra, 2003): W0 = 1000 F H 0, [9.3] kde F značí plochu povodí v km 2, H o značí výšku efektivního odtoku v mm počítanou podle vztahu : 2 ( H s 0,2I ) ( H + 0,8I ) H o = pro H s 0, 2I s, [9.4] 25

27 kde H s je úhrn přívalové srážky v mm pro odhadnutou dobu koncentrace a danou periodicitu resp. průměrnou dobu opakování, I označuje potenciální retenci v mm počítanou podle vztahu: 1000 I = 25,4 10, [9.5] CN kde CN označuje průměrné CN číslo pro dané povodí. Účinek organizačního opatření pak můžeme vyjádřit podle následujícího vztahu: W o, peo E 1 o = 100, [9.6] Wo, bez kde E O označuje účinnost opatření v %, W o.bez označuje objem povrchového odtoku bez opatření, W o,peo označuje objem povrchového odtoku po návrhu protierozních opatření. Technická protierozní opatření Návrhem těchto opatření dojde k přerozdělení objemu plošného povrchového odtoku. Jeho část se zadrží v těchto prvcích. To se projeví v časovém průběhu povrchového odtoku (určitý vliv na velikost kulminačního průtoku ve sledovaném profilu) a ve snížení celkového objemu povrchového odtoku. Velikost snížení je úměrná retenčnímu objemu navržených prvků. Technickým opatření s určitým retenčním objemem jsou v tomto případě záchytné průlehy, resp. příkopy. Účinek těchto opatření je ovlivněn plochou jejich povodí a parametry návrhové příčinné srážky. Těmi je průměrná doba opakování N v letech, délka trvání srážky t v minutách a výška srážky H t,n v milimetrech. Pro ochranu zastavěného území dimenzujeme tyto prvky na N=50, resp. 100 let. Pro ochranu extravilánů dimenzujeme prvky na N=2 až 10 let. V inženýrské praxi se užívá návrhová doba trvání t = 30, resp. 60 minut. Úhrn srážky dané průměrné doby opakování N a doby trvání t stanovíme např. podle Trupla (Trupl, 1958). Pro posouzení účinku technických opatření musíme odhadnout dobu koncentrace odtoku T c pro uzávěrový, resp. zvolený profil. Tato doba je pak návrhovou dobou trvání srážky, která vyvolá povrchový odtok, pro který budeme posuzovat účinek navržených opatření. Metody užívané k výpočtu jsou uvedeny v odborné literatuře (USDA,1988). Z této doby koncentrace určíme srážkový úhrn H s,tc,n v mm. Zde se dá využít například metoda redukce srážkových úhrnů (Hrádek, 1988). Následně vypočteme odpovídající výšku efektivního odtoku H o,tc,n v mm podle rovnice 9.4. Tuto výšku odtoku můžeme uvažovat na ploše řešeného povodí F zmenšené o celkovou plochu povodí technických opatření F i. Přehledně je na obr. č.8 uvedeno schéma těchto povodí. K objemu povrchového odtoku vypočtenému z výšky odtoku H o,tc,n a ploše řešeného povodí bez povodí technických opatření pak přičteme objem povrchového odtoku, který odtéká z povodí nad technickými opatřeními v případě převýšení jejich návrhové kapacity (jejich retenčního objemu). Výsledný objem povrchového odtoku k uzávěrovému (posuzovanému) profilu je možné stanovit podle následujícího vztahu : W n n = H F F + A F, o, N, peo o, Tc, N i i i i= 1 í = 1 Kde W o,n,peo je objem povrchového odtoku z řešeného povodí s uvažováním technických protierozních opatření, H o,tc,n je výška efektivního odtoku příčinné srážky v milimetrech pro danou průměrnou dobu opakování N a dobu trvání srážky odpovídající době koncentrace T c, index i značí [9.7] 26

28 i-tý technický prvek. F i označuje plochu povodí i-tého prvku v km 2 a F značí celkovou plochu povodí km 2, ke kterému stanovujeme účinnost. Schéma veličin je uvedeno na obrázku č.8. Dále A i značí výšku odtoku v milimetrech z povodí nad i-tým záchytným prvkem počítanou podle následujícího vztahu: když H když H o, t, N o, Tc, N = 0 o, t, N H H o, Tc, N A A = ( H H ) o, Tc, N o, t, N Kde H o,t,n značí výšku efektivního odtoku v mm pro návrhové parametry záchytného prvku (např. t=30 minut, N=10 let). [9.8] Obr.č. 8 Přehledné schéma ploch v povodí Účinek navržených opatření vypočteme podobně jako v případě organizačních opatření porovnáním objemu odtoku před opatřením a po něm. 9.4 PRAKTICKÁ APLIKACE Jako praktická aplikace postupů popsaných výše jsou uvedeny výsledky studie Vyhodnocení odtokových poměrů na toku Věžecký potok návrh opatření (Doležal,2007). Zde byl proveden návrh protipovodňových opatření zahrnující soustavu čtyř malých vodních nádrží s retenčním účinkem a návrh protierozních opatření vedoucí ke snížení odtoků ohrožujících intravilány obcí. V dalším textu jsou opět vybrány pouze ukázky výsledků studie, podrobný text včetně příloh je u zadavatele studie Pozemkového úřadu Kroměříž Posouzení účinnosti vodohospodářských opatření V rámci citované studie byl řešen návrh retenčních opatření vedoucích ke snížení kulminačních průtoků Q 100 na Věžeckém potoce v profilu toku nad Zlobicemi, kde byla hodnota Q 100 =18 m 3 s -1 a pod Popovickým potokem, který je pravostranným přítokem Věžeckého potoka. Zde byla hodnota Q 100 = 21 m 3 s -1. Návrh se soustředil na ochranu obcí Zlobice, Měrůtky a Bojanovice u Zlobic. Co do počtu byla vybrána varianta soustavy čtyř malých vodních nádrží s retenčním účinkem v předem vytipovaných profilech. Další možnost, jako je úprava kapacity toku, nebyla v tomto případě uvažována, neboť důležitým požadavkem z hlediska ochrany bylo zadržení odtoku z povodí, které se příznivě promítne dále po toku. 27

29 Celé povodí Věžeckého potoka bylo na základě určení profilů budoucích retenčních nádrží rozděleno na pět dílčích podpovodí označených I až V. Přehledný obrázek povodí je uveden na následujícím obrázku. Obr.č. 9 Přehledná situace povodí navrhovaných nádrží Jako podklad pro posouzení účinnosti soustavy bylo vyřešeno šest variant soustavy čtyř nádrží. Těchto šest variant se lišilo nastavením regulačních prvků jednotlivých nádrží (průměru spodních výpustí) a dále pak nastavením parametrů nehrazeného bezpečnostního přelivu (délka přelivné hrany a její výškové umístění v nádrži). V rámci tezí jsou uvedeny pouze souhrnné výsledky ve formě přehledných tabulek vypočtených retenčních objemů, dosažených maximálních hladin plnění nádrže a dosažených účinků ve sledovaných profilech. Pro doplnění je uveden průběh transformace pro variantu VAR2 ve formě grafu. Tab. 13 Souhrnné výsledky jednotlivých variant celkové retenční objemy [m 3 ] Varianta VAR1 VAR2 VAR3 VAR4 VAR5 VAR6 Zlobice Bojanovice Měrůtky Pop.Potok Cek.objem

30 Tab. 14 Souhrnné výsledky jednotlivých variant maximální dosažená hladina [m.n.m.] Varianta VAR1 VAR2 VAR3 VAR4 VAR5 VAR6 Zlobice 239,09 239,20 239,24 238,45 239,26 240,20 Bojanovice 250,20 250,57 250,57 250,57 251,03 251,03 Měrůtky 218,72 218,72 218,72 218,72 219,03 219,03 Pop.Potok 209,07 209,07 209,07 209,07 209,12 209,12 Tab. 15 Souhrnné výsledky jednotlivých variant odtoky v posuzovaných profilech [m 3 s -1 ] Varianta VAR1 VAR2 VAR3 VAR4 VAR5 VAR6 Zlobice 6,12 7,87 9,05 6,31 10,55 7,10 Bojanovice 2,77 0,54 0,54 0,54 0,00 0,00 Měrůtky 11,76 10,46 11,85 11,28 13,01 8,78 Pop.Potok 12,98 11,98 13,41 13,76 14,02 9,66 odtoky - VAR2 Q (m3/s) čas (m in) přítok Zlobice odtok Zlobice přítok Bojanovice odtok Bojanovice přítok Měrůtky odtok Měrůtky profil Měrůtky přítok Popovický potok odtok Popovický potok profil Posotoupky Obr.č. 10 Průběh odtoků VAR2 Nulové odtoky z nádrže Bojanovice ukazují úplné zachycení povodně na přítoku do Věžeckého potoka Posouzení účinnosti protierozních opatření V rámci studie bylo provedeno posouzení účinnosti již navržených protierozních opatření na velikost objemu celkového povrchového odtoku z povodí pro dva vybrané profily toku. Organizační opatření Posouzení účinnosti protierozních organizačních opatření bylo provedeno pro vybrané profily toku Věžeckého potoka. V tomto případě je nutné mít na zřeteli, že protierozní opatření mají spíše 29

31 lokální význam. Výrazný vliv mají v místě svého návrhu, pokud chrání obec nebo určitou část obce. V rámci tezí jsou uvedeny pouze výsledky posouzení ve formě tabulek. Tab. 16 Účinnost organizačních opatření posuzovaná k profilu 1 ZADRŽENÝ OBJEM ODTOKU PROFIL 1 N {roky] Účinnost [%] E o,n 12,77 3,08 2,18 1,71 1,38 1,21 Tab. 17 Účinnost organizačních opatření posuzovaná k profilu 2 ZADRŽENÝ OBJEM ODTOKU PROFIL 2 N [roky] Účinnost [%] E o,n 2,14 1,04 0,81 0,67 0,56 0,50 Tabulky ukazují, že účinnost těchto opatření, která jsou navržena na velmi malé ploše, je k vybraným profilům velmi nízká. Zvýšení účinnosti naráží na útlum zemědělské výroby, což se v současnosti promítá nepříznivě do sféry zaměstnanosti a dalších sfér v řešeném území. Technická protierozní opatření Vliv již navržených technických opatření (jedná se o záchytné průlehy a meze s retenčním prostorem) byl posuzován opět pro dva profily jako v předchozím případě. Navržená opatření byla převzata z plánů společných zařízení již hotových KPÚ. Přehledně je možné uvést rozsah těchto opatření v následující mapě, kde jsou vyznačena dílčí povodí opatření a směr přítoku do Věžeckého potoka. Obr.č. 11 Přehledná mapa povodí technických opatření 30

32 Výsledky posouzení jsou uvedeny opět pouze ve formě tabulek. Tab. 18 Ovlivnění objemu odtoku v profilu 1 ZADRŽENÝ OBJEM ODTOKU [%] W o,n,peo PROFIL 1 N [roky] Návrh na t=30 min, N=10 let 12,30 7,41 2,93 1,55 0,90 0,64 Návrh na t=60 min, N=10 let 12,30 12,30 11,30 5,99 3,46 2,48 Tab. 19 Ovlivnění objemu odtoku v profilu 2 ZADRŽENÝ OBJEM ODTOKU [%] W o,n,peo PROFIL 2 N [roky] Návrh na t=30 min, N=10 let Návrh na t=60 min, N=10 let Vypočtené výsledky ukazují, že navrženými technickými opatřeními nedošlo výraznému k ovlivnění objemu odtoku v posuzovaných profilech na hlavním toku. Výraznější účinek je pozorován na územích bezprostředně pod těmito opatřeními. Tato území jsou vyznačena na následující mapě. Obr.č.12 Ukázka vlivu technických protierozních opatření 31

33 Tab. 20 Ovlivnění objemu odtoku pouze v povodích pod technickými opatřeními ZADRŽENÝ OBJEM ODTOKU [%] W o,n,peo pro část povodí toku pod opatřením PROFIL 1 N [roky] Návrh na t=30 min, N=10 let Návrh na t=60 min, N=10 let Bezprostředně pod navrženými opatřeními je účinek výraznější. Ukazuje se, že opatření mají velký vliv v místě jejich návrhu. Jejich účinek se zeslabuje dále po toku. Je to logické, neboť účinek je úměrný ploše povodí, ze kterého zachycují vodu. 10 SYNTÉZA VÝSLEDKŮ Navržený postup určení stupně ohrožení větrnou a vodní erozí a povodněmi z přívalových srážek a metody hodnocení účinnosti ochranných opatření umožňují syntézu výsledků v rámci celého malého povodí. Zejména využití GIS k řešení těchto problémů umožňuje získat poměrně přesnou představu o nejvíce ohrožených místech malého povodí a o umístění navrhovaných ochranných opatření. Syntézu výsledků řešení nad plošnou jednotkou katastrální území v rámci celého povodí je v prostředí GIS možné provádět poměrně efektivně. Prostředí umožňuje jak vizuální, tak tabelární interpretaci výsledků. Následující ukázka se týká syntézy ohroženosti vodní a větrnou erozí. Zavedením značení stupně ohrožení vztahujících se k vodní erozi KMEO voda a větrné erozi KMEO vitr pro jednotlivá k.ú. v rámci povodí je možné získat představu o plošném vymezení nejohroženějších míst. Vhodnou kombinací výše uvedených stupňů můžeme získat představu o jejich souhrnném vlivu. Při provádění syntézy výsledků je třeba provést analýzu citlivosti obou členů účelové funkce a z ní odvodit jejich váhy. Obr.č. 13 Ukázka mapy stupně KMEO vitr 32

34 Obr.č. 14 Ukázka mapy stupně KMEO voda Obr.č. 15 Ukázka výsledné mapy kombinace stupně ohrožení větrnou a vodní erozí 33