Lesy a jejich vliv na srážkoodtokové parametry

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra hydrauliky a hydrologie Lesy a jejich vliv na srážkoodtokové parametry Seminární práce Jiří Souček Praha 2017

Obsah Obsah...0 1. Úvod...1 2. Rozbor základních faktorů srážkoodtokových procesů...2 2.1. Atmosferické srážky...2 2.2. Intercepce srážek...2 2.3. Lesní půda...3 2.4. Výpar a transpirace...4 2.4.1 Výpar z povrchu půdy...4 2.4.2 Evapotranspirace přízemní vegetace...5 2.4.3 Celková evapotranspirace lesních ekosystémů...5 2.5. Změny související s lidskou činností...6 2.5.1. Vliv skladby lesních ekosystémů...6 2.5.2. Vliv odlesnění...6 2.5.3 Vliv lesních komunikací...8 3. Shrnutí a závěr... 10 4. Literatura a zdroje informací... 11

1. Úvod Tato práce se věnuje vztahu lesa na odtokové parametry, zejména pak na globální bilanci srážka x odtok. Na první pohled se pozitivní vliv lesů zdá jasný. Les zmenšuje maximální hodnoty odtoků, zvyšuje minimální hodnoty odtoků, zlepšuje místní klima atd. Nicméně zda to platí vždy, a do jaké míry je to pravda, je otázkou a to velmi komplikovanou. Vliv lesa záleží na interakci s mnoha prvky, s půdou (retenční vodní kapacita, aktuální objemová vlhkost atd.), s atmosférou (déšť- intenzita srážek, rozložení; výpar, atd.), s antropogenní prvky (lesní cesty) a dalšími méně významnými prvky. Jelikož se pod pojmem les skrývá takový komplexní prvek, kde jednotlivé prvky spolu souvisí a interagují, je nutno výzkum provádět na experimentálních stanovištích (povodích). Jelikož les vždy sloužil zejména jako zdroj dřeva, ze kterého se také vyráběly další surovina jako dřevěné uhlí, smola atd., tedy les byl zdroj bohatství a byl tedy velmi drancován, nikdo se nezabýval jeho dalšími funkcemi. Ale postupně s nárůstem obyvatelstva, docházelo k rychlé urbanizaci, mýcení velkých ploch, zkracování toků a všechny tyto faktory začaly způsobovat větší kulminační hodnoty povodní. Nejčastějším řešením byla a stále je výstavba přehrad, poldrů atd. Což je nejjednodušší, rychlé řešení, které ale řeší důsledek, nikoliv příčinu. Je nutno dodat, že návrat k původnímu stavu již není možný, vzhledem k hustotě zalidnění, urbanizaci apod. Je ale třeba alespoň omezit a kompenzovat negativní dopady urbanizace. Obrázek 1 - Srážka a odtok na různých územích [4] 1

2. Rozbor základních faktorů srážkoodtokových procesů 2.1. Atmosferické srážky Atmosferické srážky jsou samozřejmě prvek, bez kterého by se prakticky žádný odtok nekonal. Nejvíce pozornosti a obav vzbuzují přívalové srážky, které v horských oblastech (tedy ve velmi zalesněných oblastech) vlivem orografického faktoru dosahují mnohem vyšších intenzit (i 5 mm/min) než v nížinách. Velikost povrchového odtoku závisí na infiltrační schopnosti půdy a také na retenční kapacitě půdy. Dlouhodobé regionálních srážky se vyznačují malou intenzitou (setiny mm/min), ale dlouhou dobou trvání, a tudíž během několika dnů může úhrn dosahovat stovek mm. V těchto případech dochází k zaplnění půdních pórů vodou a nastává povrchový odtok. Nesmíme opomenou ani srážky tuhého skupenství, tedy sníh. Tání sněhové pokrývky většinou probíhá pomaleji a pokud sníh nenapadl na již zmrzlou půdu, tak většinou je táním dotována podzemní voda. Je třeba také rozlišit opadavé a neopadavé lesy. V neopadavých (tedy s převahou jehličnanů) lesích dochází k větší intercepci sněhových srážek na korunách, kde dochází k větší evaporaci, než na půdě pod korunami. 2.2. Intercepce srážek Intercepce (z latinského Interceptum est- zachyceno jest) je zadržení atm. srážek na povrchu rostlin (kmenů, listů atd.). Nejpodstatnější je plocha smáčeného povrchu, nejčastěji vyjádřena hodnotou LAI (index listové plochy) udávající plochu listovou plochu na jednotku půdorysné plochy pod ní. Dále jsou důležité vlastnosti drsnost plochy listů nebo jehličí atd. Zachycené srážky mohou být vázané trvale (vypařují se), mohou být setřásány, nebo mohou stékat. Zejména u hladkokorých dřevin (typicky buk) se může u vzrostlých jedinců při velké intenzitě srážky jednat i o desítky litrů za sekundu. 2

Tabulka 1 Intercepce vybraných porostů 2.3. Lesní půda Od klasických zemědělských půd se liší zejména svrchní vrstvou A horizontu (hrabankarostlinné opady v různém stupni rozkladu). Pod hrabankou se nachází vrstva humusu. Obě vrstvy mají mnohem vyšší infiltrační schopnost než zemědělská půda. Je to dáno především velkou pórovitostí půd. Množství pórů přestavuje ideální cestu pro preferenční proudění. Kromě infiltrační rychlosti je také důležitá retenční vodní kapacita, tzn. množství vody, které je půda schopna zadržet kapilárními silami, orientačně v horních 10 cm se zadrží 40 mm vody. Množstvím vsakující se vody dochází k mělkému podpovrchovému odtoku. Takto se sníží (přemění) až 40% povrchového odtoku. Jelikož podpovrchový odtok je mnohem pomalejší (orientačně 200-500krát) než odtok povrchový, dochází k značnému zploštění povodňové vlny. Celková retenční kapacita lesní půdy je běžně 40-60 mm, tedy 5-9krát více než u zemědělské půdy. Z toho tedy vyplývá, že lesní půda hraje zásadní roli v transformaci povodňových vln. 3

Obrázek 2 Složení půd v lese a urbanizovaném území [7] Nesmíme také zapomenout na půdy zamokřené, jejichž plochy se v průběhu staletí zmenšovaly neustálým odvodňováním, kvůli lepšímu obhospodařování, ale za cenu větších a rychlejších kulminačních průtoků. V současné době se procento lesních půd ovlivněné vodou pohybuje okolo 15-20%. 2.4. Výpar a transpirace Tabulka 2 Výpar z povrchu půdy ve vegetačních obdobích pod zápojem dospělých porostů a na pasece 2.4.1 Výpar z povrchu půdy Dle charakteru svrchní části půdy výpar lze rozlišit na: - Evaporaci půdní vláhy vzlínající z hlubších vrstev - Evaporace srážek zachycených v hrabance Přičemž evaporaci půdní vláhy vzlínající z hlubších vrstev je při výskytu lesní hrabanky naprosto zanedbatelná. Evaporace z lesní hrabanky závisí na obsahu vody v ní, tzn. že záleží 4

především na její mocnosti. V publikaci Lesy a povodně [1] se píše:,,v průměru lze počítat s tím, že každý cm opadu z lesních stromů je schopen zadržet při každé srážce 2-3 mm vody (Molčanov 1960 ). Výjimky mohou nastat po delších bezsrážkových periodách, kdy za prudkých letních lijáků přeschlý povrch hrabanky zpočátku nepřijímá srážkovou vodu a ta odtéká po povrchu (Byle 1973, Kantor 1980). Čili to znamená, že zásoba vody v hrabance představuje poměrně velkou zásobu vody potřebné k evaporaci. Celková evaporace z půdy např. v Orlických horách od začátku května do konce října činí průměrně 59 mm ve smrkovém porostu a v bukovém 72 mm. V nižších polohách může evaporaci limitovat nedostatek zásoby vody v hrabance. 2.4.2 Evapotranspirace přízemní vegetace Nejpodstatnější faktorem ovlivňující evapotranspiraci přízemní vegetace je množství a druh přízemní vegetace. Orientační hodnoty evapotranspirace udává následující obrázek. Obrázek 3 Evapotranspirace přízemní vegetace 2.4.3 Celková evapotranspirace lesních ekosystémů Souhrnně se celková evapotranspirace stanovuje poměrně těžko, jelikož záleží na mnoha faktorech, jak již bylo řečeno výše. Listnaté a jehličnaté porosty se liší evapotranspirací, kvůli rozdílné hodnotě intercepce. Např. dle Kantora (1983) se ve smrkových porostech zadrží a následně vypaří 25 až 41% ročních srážek, ale v bukových porostech jen 8 až 22 %. 5

2.5. Změny související s lidskou činností 2.5.1. Vliv skladby lesních ekosystémů Vlivem druhové skladby z původního téměř přirozeného stavu, kdy podíl jehličnanů na ploše byl zhruba 1/3 (a smrk 11%) došlo k nárůstu podílu na 2/3 (a smrk 55%). Je jasné že tato změna se musela nějak projevit. Rozšířený názor, že smrkové porosty způsobují vyšší odtoky, jak již bylo řečeno výše, nebude správný. Tabulka 3 Vodní bilance dospělých smrkových a bukových porostů Z této tabulky je vidět, že vyšší odtoky (o 5-10%) vykazuje oproti smrku buk. Samozřejmě to nemusí znamenat obecný závěr pro celou skupinu listnáčů a jehličnanů, ale je jasné, že nárůst ploch smrku neznamená vyšší odtoky. Z tabulky je také poměrně dobře vidět, že u smrkových porostů se celkový výpar s vyššími ročními srážkami mění jen mírně a že odečteme-li od srážek cca 520 mm (tj. potřeba vody na fyzikální a fyziologické procesy) dostaneme celkový roční odtok. Naopak u bukových porostů výpar s vyššími ročními srážkami výrazně klesá, ale také silně narůstá i odtok. Tuto skutečnost potvrdil Kantor (1990). Hlavní příčinou vyšších ročních odtoků u bukových porostů je zřejmě bezlistý stav v mimovegetačním období 2.5.2. Vliv odlesnění Je jasné že naprostým a náhlým odlesnění dojde k zvýšení odtoku, je otázkou o kolik. Záleží to na mnoha faktorech, zejména na klimatických a přírodních podmínkách. Minimálně dojde k zvýšení odtoku zrušením intercepce povrchem stromového patra a zejména zrušení transpirace samotných stromů. Postupným zarůstáním dochází k obnově, vliv odlesnění se postupně vytrácí. 6

Vedlejších efektem samotného odlesnění může být zhutnění lesní půdy pojezdem těžebních prostředků (traktory, harvestory a jiné), bohužel v literatuře se na téma zhutnění lesní půdy nedají nalézt nějaké kvalitní závěry. Nicméně je jisté, že zhutněním lesní půdy dojde k výraznému snížení infiltrační schopnosti a tím pádem snáze dochází k odtoku. Patrné je to zejména na lesních komunikacích. Tomuto tématu se věnuje další kapitola. Tabulka 4 Odtok vody zw 100% lesnatých povodí před a po jednorázovém vytěžení veškeré dřevní hmoty V tabulce výše je ukázána variabilita změny odtoku na různých povodí. Zatímco v Delfs naměřil v pohoří Harz navýšení odtokového koeficientu z 0,54 pouze na 0,57, tak například Rozén ve Švédsku změřil navýšení odtk. koeficientu z 0,36 na 0,72! Což poměrně jasně ilustruje vliv mnoha faktorů a praktickou nemožnost jakéhosi uceleného shrnutí. Odlesněním nedochází v odtoku pouze ke změně kvantitativní, ale také kvalitativní, kde obnažením půdního povrchu může docházet k vyluhování látek do recipientu. Kvalitativní změnou se tato práce nezabývá. 7

HS Q Z průměrný spec. odtok (l/s/km2) % Lesy 700 243 457 7.73 100 Pole 700 291 409 9.27 120 TTP 700 342 358 10.89 141 Ostatní 700 322 378 10.25 - Průměr 700 285 415 9.08 - Tabulka 5 lesy povodí Svratky po Dalečín, dlouhodobý průměr (Švihla, 2000) [3] 2.5.3 Vliv lesních komunikací Záleží zejména na druhu lesních komunikací, je jasné že vyasfaltovaná cesta bude mít vyšší součinitel odtoku, než málo frekventovaná zatravněná lesní cesta Nicméně každá cesta je svodnicí dešťové vody, pokud je v zářezu může odvodňovat okolní území, což je zejména za sucha nežádoucí. Zároveň absencí vegetace dochází k redukci intercepce a evapotranspirace Za lesní komunikaci můžeme dočasně považovat i cesty, kterými se sváží vytěžené dřevo a vliv mechanizace dochází k zhutnění a utužení povrchu tak, že voda není schopna se vsakovat a naopak rychle odtéká po povrchu. Zároveň vedle samotní lesní komunikace zvyšují odtoky příkopy okolo komunikací nebo třeba úprava a napřímení drobných vodotečí atp. Jen pro informaci, běžná hustota komunikací je okolo 70 m/ha v extrémních případech (sklonitá a členitá území) až okolo 150 m/ha. Dalo by se předpokládat, že vliv na odtok bude stoupat se vzrůstající hustotou sítě lesních komunikací. Největší hustota lesní sítě je v těžených územích, zejména při tzv. traktorových těžebně-dopravních technologií. Problém s vyhodnocením vlivu samotných lesních komunikací je ve spojení s těžením dřeva, tudíž je prakticky nemožné tyto dvě věci oddělit. Pro ukázku se studie Kinga (1989), který zkoumal ve 4 horských povodíčkách v Idahu vliv těžby a lesní sítě na odtok. Po zřízení lesních komunikací a vytěžení 25-33% území došlo k zvýšení kulminačních průtoků o 15-36 % a maximálních průtoků s trváním 5% (18 dnů) roku o 10-30%. 8

Tabulka 6 Předpokládaný povrchový odtok z přibližovacích linek přepočteny na 1 ha paseky při různých způsobech soustřeďování dřeva (sklony svahů 27-41 %) 9

3. Shrnutí a závěr S postupnou změnou klimatu se zvyšují výkyvy počasí a věnování opatření na snižování dopadu povodní je vyšší než dříve. Zároveň se zvětšující se urbanizací území ČR, ale i jinde ve světě, se kombinací se změnou klimatu vytváří častější a větší povodně a zároveň častější a déletrvající sucha. K debatám o řešení tohoto komplexního problému dochází vždy po každé větší povodni, či déletrvajícímu suchu. Nejlepším řešením je zadržovat vodu co nejvíce v krajině. V urbanizovaných územích je nutno vodu alespoň akumulovat v nádržích a se zpožděním vypouštět či v lepším případě zasakovat. Mimo urbanizační celky je nejlepším řešením zalesňování a celkový návrat (respektive přiblížení se) k původním stavu. Nejvíce k zadržování vody v krajině přispívají lesy, a proto jsme se jejich vodohospodářskou funkcí v této práci zabývali. Asi nejdůležitější složkou působení na komplex srážkoodtokových vztahů je lesní půda. Kdy zejména povrchová vrstva s vysokou infiltrací, která je téměř vždy vyšší, než intenzita srážky umožňuje převod vody na podpovrchový odtok. Zároveň retenční vodní kapacita umožňuje část vody zadržet. Povrchový odtok tak v lesích je naprosto minimální Díky transpiraci stromy čerpají vodu a uvolňují tak prostor pro další srážkovou vodu, a to v trvale podmáčených územích. Na rozdíl od nízkých porostů, které mají mělké kořeny, stromy odčerpávají vodu i z hlubších vrstev. Je třeba nutno podotknout, že lesy také plní protierozní funkce. A z toho důvodu se například vysazují v ochranných pásmech vodárenských nádrží, jelikož snižují zákal vody a obsah rozpuštěných látek v ní, což by bylo jinak nutno řešit na úpravnách. Velmi zajímavé téma by bylo peněžní hodnoty vodohospodářské funkce lesa. Vyčíslením produkční i mimoprodukčních hodnot les se zabývá metodika pracovaná na České zemědělské univerzitě [8]. Dle studie Šišák, Šach, Švihla (2002) vypočetli detenční funkci lesa na 23,8-53,6 tis. Kč. 10

4. Literatura a zdroje informací [1]Lesy a povodně: souhrnná studie. Praha: Ministerstvo životního prostředí ČR, 2003, 48 s. ISBN 807212255X. [2] MACOUNOVÁ, Kristina. VZTAH ASIMILAČNÍ PLOCHY LESNÍCH POROSTŮ K INTERCEPCI VE VYBRANÝCH POVODÍCH. Praha : [s.n.], 2014. [3] Vliv lesa na odtokové poměry. Dostupné z:http://www.lesprace.cz/casopis-lesnickaprace-archiv/rocnik-80-2001/lesnicka-prace-c-2-01/vliv-lesa-na-odtokove-pomery-namalem-povodi [4] http://www.mdpi.com/1999-4907/6/8/2530/htm [5] http://lesprace.cz/casopis-lesnicka-prace-archiv/rocnik-84-2005/lesnicka-prace-c-7-05/nahrady-skod-na-hydricke-funkci-lesa [7] http://www.deeproot.com/blog/blog-entries/whats-the-difference-between-urban-soiland-forest-soil [8] http://fld.czu.cz/vyzkum/sefos/metodicky_postup_vyjadrovani_funkci_lesa.pdf 11