Ledové jevy a ledové povodně

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Ledové jevy a ledové povodně Seminární práce Studijní program: Stavební inženýrství Studijní obor: Vodní hospodářství a vodní stavby Jan Hlom Praha 2017

Obsah: 1. Úvod... - 3-2. Tepelné procesy ve vodním toku... - 4-3. Tvorba ledu... - 4-3.1. Povrchový led... - 5-3.2. Vnitrovodní led... - 5-4. Ledové procesy a jevy... - 6-4.1. Během tvorby povrchového ledu... - 7-4.2. Za chodu ledové a sněhové kaše... - 7-5. Ledové povodně... - 8-5.1. Ledový nápěch... - 8-5.2. Ledové prahy... - 9-5.3. Ledové zácpy... - 9-6. Ledové povodně na dolní Berounce... - 10-7. Fyzikální hydraulický výzkum... - 11-8. Závěr... - 12-9. Literatura... - 12-10. Seznam obrázků... - 12 - - 2 -

1. Úvod Na vodních tocích je možné v zimním období pozorovat velké množství jevů, které nemusí být na první pohled pochopitelné. Zima nám na vodních tocích přináší mnohé problémy ledové povodně, zamrzání odběrných objektů, zamrzání vodních cest a ohrožení vodních děl ledem. Pokud se nám podaří pochopit proces ochlazování vody, tvorby ledu a jeho transport a vývoj v toku, lze nepříznivým účinkům ledových jevů předcházet. Cílem této seminární práce je nastínit tepelné procesy ve vodních tocích, tvorbu ledu a ledové procesy za jeho tvorby. V další části se seminární práce věnuje tématu zimních povodní způsobených ledovými jevy. Tyto povodně mohou i při malém průtoku vody v řece způsobit velké vzdutí hladiny a povodňové škody. Zdrojem pro tuto seminární práci jsou publikace Ing. Václava Matouška, DrSc., který se intenzivně tématu ledových jevů na vodních tocích a ledových povodní věnuje dlouhou dobu a je v této tématice uznávaným odborníkem. Obrázek 1 Ledochod VD Střekov [3] - 3 -

2. Tepelné procesy ve vodním toku Tepelné procesy probíhající ve vodním toku jsou zcela zásadní pro tvorbu ledu. Proudící voda v toku mění svou teplotu vlivem výměny tepla s okolním prostředím. Výměna tepla probíhá přes hladinu vypařováním, konvekcí a zářením a dále také přes koryto toku. Výměnu tepla přes hladinu ovlivňuje teplota, vítr, oblačnost a tok slunečního záření. Přes koryto toku přichází teplo od podloží. Dále lze zahrnovat tepelné toky od vnitřního tření kapaliny a od atmosférických dopadajících srážek.[1] Při běžných sklonech na našich vodních tocích je přívod tepla od tření malý. Ovšem například Matoušek ve své publikaci [1] uvádí příklad skluzu přivádějícího vodu na elektrárnu Vydra, který má značný sklon 4,2% a délku 520 m. Na tomto skluzu docházelo v zimních měsících k přechlazování vody a tvorbě dnového ledu, což vedlo k provozním těžkostem. Jako řešení se ukázalo zakrytí úseku s velkým sklonem, následně nastal zcela opačný jev, kdy se na skluzu začala voda oteplovat. Významný je také tok tepla od atmosférických srážek. Velice významný vliv na teplotu vody má husté sněžení již od hodnoty 10 mm/h. Například intenzita sněžení 20 mm/h odpovídá velikosti ztráty tepla za tuhých mrazů. Důležitý je také tepelný dosah nádrží, z kterých se po celý rok vypouští relativně stále stejně teplá voda.[1] Přenos tepla mezi vodou a hladinou probíhá pomocí turbulencí vodního proudu. Mezi hladinou a teplotou vody může být značný rozdíl. Velký teplotní rozdíl lze pozorovat například na hladkém a hlubokém korytě s pomalým prouděním, které zamrzá, i když je teplota vody relativně vysoká. Další významnou složkou pro tvorbu a tání ledové pokrývky je výměna tepla mezi vodou a ledovou pokrývkou a mezi ledem a ovzduším.[1] 3. Tvorba ledu Ve vodním toku lze narazit na dva druhy ledu povrchový a vnitrovodní. Led vzniká, pokud dochází k přechlazení vody (teplota hladiny musí být cca -0,18 C), vlivem výměny tepla s okolním prostředím. Za mrazivého počasí dochází nejdříve k přechlazení hladiny a na ní následně vzniká první led. V této době je teplota vody relativně vysoká a led vzniká pouze na hladině. Následný rozvoj ledu závisí na charakteristikách proudění.[1,3] - 4 -

3.1. Povrchový led Při velmi malých rychlostech hladina zamrzá a vzniká souvislá vrstva ledu ledová celina. Malá rychlost vody se vyskytuje na většině vodních toků u břehu, kde lze zároveň pozorovat první vznik ledu. Povrchový též hladinový led vzniká a roste na hladině toku. Povrchový led lze rozdělit do skupin na břehový led, ledovou celinu a ledovou mázdru. Ledová mázdra je dynamický útvar plovoucí na hladině, její velikost se postupem času zvětšuje a rychlost zpomaluje nárazy o břehový led.[1,3] 3.2. Vnitrovodní led V tocích s větší rychlostí vody dochází ke strhávání ledových částeček pod hladinu. Pokud je voda přechlazená, dochází k růstu a množení částeček vzniká vnitrovodní led. Částečky zmítající se v proudu nazýváme vznášený led. Vznášený led není po svislici rozdělen rovnoměrně, více se ho nachází u hladiny než u dna. Led je lehčí než voda a má tendenci vyplout na hladinu. Vznášený led se může usazovat na kamenitém dnu a tvoří dnový led. V tocích s malou hloubkou proudění a drsným kamenitým dnem dochází převážně k tvorbě dnového ledu. Vznášený led se může zachytávat na předmětech v korytě a tvoří hlubinný led. Vnitrovodní led lze tedy dělit dle své polohy v korytě na vznášený, hlubinný a dnový.[1,3] Vznášený led se postupně v toku vyvíjí, z částic a vloček postupně vznikají chomáčky. Výsledné shluky se koncentrují na hladině, kde postupně vznikají plošné útvary, které již nejsou strhávány pod hladinu. V jejich těsné blízkosti dochází k utlumení turbulencí a nárůstu povrchového ledu. Takto postupně vzniká směs povrchového a vnitrovodního ledu, jež je nazývána ledová kaše. [1,3] Přesné podmínky pro vznik vnitrovodního ledu lze nalézt v odborné publikaci [1]. Jako příklad lze uvést vztah pro přímé toky, kde dochází ke strhávání částeček díky svislé turbulentní složce proudu. Nejmenší potřebná rychlost pro vznik vnitrovodního ledu v f :[1] v f tvl R (3-1) R C t vl hydraulický poloměr [m] Chézyho součinitel [m 0,5 /s] průřezová teplota vody proudu v okamžiku, kdy se na hladině začínají tvořit ledové částice [ C] - 5 -

t vl Veličina t vl vnáší do vztahu rozdílný vliv teploty hladiny a vody.[1] q B v k q 0 hustota tepelného toku výměny tepla mezi ovzduším a hladinou [W/m 2 ] v průřezová rychlost vody [m/s] B k koeficient závislý na Chézyho součiniteli C a hydraulickém poloměru R (3-2) Matoušek [1] vytvořil ze svých vztahů přehledné grafy, kde lze pro daný typ toku zjistit hodnotu mezní rychlosti, od které vzniká vnitrovodní led. Jako příklad je zde na obrázku 2 zobrazen graf pro velké hloubky proudění. Z grafu lze vyčíst, že pro tvorbu vnitrovodního ledu není třeba velkých rychlostí, a tudíž se s tímto jevem můžeme běžně setkat na našich vodních tocích.[1] Obrázek 2 Nejmenší potřebná rychlost pro tvorbu vnitrovodního ledu, pro velké hloubky [1] 4. Ledové procesy a jevy Povaha ledových procesů ve vodním toku záleží na typu vznikajícího ledu. V následující kapitole jsou rozebrány jednotlivé procesy, které se dějí během tvorby povrchového ledu a vnitrovodního ledu. - 6 -

4.1. Během tvorby povrchového ledu Povrchový led vzniká, pokud dojde k přechlazení hladiny a zároveň je rychlost dostatečně malá, aby nedocházelo ke strhávání ledových částeček do proudu. Obecně lze říci, že se povrchový led tvoří na tocích s malým sklonem a velkou hloubkou vody. Pokud dojde ke vzrůstu průtoku, vzroste i rychlost a v toku se objeví ledová kaše (nelze tedy říci, že se tvoří pouze povrchový led).[1] Ve vodním toku dochází nejprve ke vzniku ledové mázdry. Ledová mázdra vzniká na povrchu hladiny z ledových částeček, které se zde tvoří a zůstávají. Na hladině lze ledovou mázdru pozorovat v podobě mastných skvrn nebo tenké pokrývky šedé barvy. Vlastní chod ledové mázdry není jednoduché pozorovat, jako nejlepší způsob se jeví pozorování v blízkosti mostních pilířů, kde dochází k jejímu rozrušování.[1] Vodní tok začíná zamrzat od břehu, zde je malá rychlost a dochází zde k přechlazení vody. Rychlost šíření břehové ledu závisí na rychlosti vody v korytě, čím je vyšší rychlost vody, tím pomaleji se břehový led šíří. Následné zamrzání vodního toku se děje pomocí rozšiřování břehového ledu či ucpáním hladiny během chodu ledu.[1] 4.2. Za chodu ledové a sněhové kaše Chod ledové kaše nastává na tocích, kde dochází ke vzniku vnitrovodního ledu. Vnitrovodní led vynesený na hladinu tvoří koláče, kry, popřípadě celý koberec, nebo stržený proudem pod led vytváří hroudy. Chod sněhové kaše nastává za déle trvajícího sněžení a dostavují se velmi podobné jevy jako za chodu ledové kaše. Tyto dva jevy způsobují problémy na vodních tocích v místě, kde nemůžou projít a dochází zde k jejich hromadění. V tomto místě se kupí a vzniká ledový nápěch.[1] Při kontaktu ledové kaše s břehovým ledem vzniká nánosový led. Nánosový led ulpívá na břehovém ledu a vytváří na něm nerovnoměrné nánosy. Pokud je dno toku tvořeno hrubým materiálem a zároveň je relativně malá hloubka proudění, může se část vznášeného ledu zachytit na kamenech a vzniklý led je nazýván dnovým. Velké nárůsty dnového ledu na dně toku tvoří ledové prahy.[1] - 7 -

5. Ledové povodně Zimní ledové povodně vznikají na vodních tocích i při menších průtocích a mohou způsobit výrazné zvýšení hladiny. Při ledových povodních dochází k ucpání koryta ledem. Ledové povodně lze rozdělit do dvou kategorií v době mrazu a při oblevě. V době mrazů dochází ke vzniku ledových nápěchů a zarůstání koryta ledem. Při oblevě dochází k ledovým zácpám, koryto zarůstá ledem a dochází k odchodu dnového ledu. K ledovým povodním dochází v místech, kde jsou podmínky pro ucpání koryta ledem.[2] 5.1. Ledový nápěch Ledový nápěch lze popsat jako hromadění ledové kaše a tříště v korytě vodního toku. K tomuto jevu dochází za mrazu na vodních tocích při chodu ledové kaše či ledové tříště vzniklé z rozbité ledové mázdry. Typická překážka pro chod ledová kaše je zamrzlá vodní hladina například na konci vzdutí nádrže či jezové zdrže, úsek se zmenšeným sklonem, zúžené koryto nebo ostrý oblouk. V extrémní situaci může vzniknout ledový nápěch, který může způsobit zvýšení hladiny i nad kótu Q 100.[2] Počáteční růst nápěchu je zobrazen na obrázku 3. Ledová kaše se zastaví před překážkou, následně je strhávána pod pokrývku z ledové kaše, kde se začne vytvářet hrozen tvořící vlastní nápěch. Za hroznem se vytvoří náhlé rozšíření proudu, ve vzniklém úplavu se začne usazovat ledová kaše a nápěch se šíří i dále po proudu. Nápěch se tedy šíří po i proti proudu. Obrázek 3 Počáteční vývoj nápěchu [1] - 8 -

5.2. Ledové prahy V korytech s malou hloubkou a velkou drsností se tvoří dnový led. Dnový led se tvoří na vyvýšených prazích a pod hladinou vytváří ledové prahy. Postupně dochází ke zvyšování ledových prahů, následně vzniká v korytě kaskáda ledových prahů a dochází ke snížení rychlosti proudění a zamrznutí hladiny. Zamrzlá hladina izoluje tok tepla z vody do ovzduší a dochází k nepatrnému oteplení vody, odchodu dnového ledu a poklesu hladiny. Následně dochází k nárůstu ledu, který tvoří problémy při odchodu ledu. Dnový led také způsobuje výrazné zvýšení drsnosti koryta.[2] Například na horní Otavě bylo na přelomu let 1996 1997 naměřeno zvýšení hladiny o 102 cm způsobené dnovým ledem.[2] 5.3. Ledové zácpy Při oblevě dochází k uvolňování ledu ve vodním toku. Rychlost odchodu ledu je závislá na počasí, pokud je oteplení mírné bez srážek dochází k pomalému odtávání. V opačném případě dochází k rozlámání ledové pokrývky na jednotlivé kry, které se dají do pohybu. Odchodu ledových ker brání neporušená ledová pokrývka, na jejím kraji se hromadí ledové kry, které se zde kupí a vzdouvají vodu. Tento jev je nazýván ledová zácpa. Následně se zácpa vlivem termického, hydrostatického a hydrodynamického namáhání prolomí, ve vodním toku vznikne vlna, která se šíří dále po toku a rozrušuje ledovou pokrývku. Postupem času se vlna zplošťuje a zpomaluje, až se nakonec zastaví a vytvoří novou ledovou zácpu. Ledová zácpa je zvětšená o ledové kry, které vznikly při přesunu vlny.[2] Pokud se rozměrné kry zastaví v úseku s malou hloubkou, nastává totální zácpa. V tomto případě protéká voda pouze mezerami mezi krami a dochází k rychlému vzestupu hladiny. Největší nebezpečí tvorby ledových povodní přichází ve chvíli, kdy po dlouhých mrazech nastane prudké oteplení, v tento okamžik má led velkou pevnost a pro rozrušení ledové zácpy je nutná větší hloubka či průtok vody.[2] - 9 -

6. Ledové povodně na dolní Berounce V České republice dochází k ledovým povodním například na dolní Berounce. Významné ledové povodně se na dolní Berounce například vyskytly ve 40. letech minulého století. Jako příklad lze uvést ledové povodně v lednu a únoru 1941. V první polovině ledna proudil do Čech velmi studený vzduch, teploty se pohybovaly od -10 C do -20 C. Dne 19. ledna začala obleva, teploty se dostaly nad nulu. Obleva byla tlumena nočními mrazy. Sněhová pokrývka dosahovala před oblevou 20 až 40 cm v nižších polohách a 40 až 80 cm ve vyšších polohách. Ke zvýšení průtoků došlo 23. ledna, k dalšímu zvýšení přispěl déšť o úhrnu 10 mm. 26. ledna se vytvořila první ledová zácpa pod stanicí Křivoklát, průtok v té době byl zhruba 150 m 3 /s. Následně se vytvořily ledové zácpy v jezových zdržích Černošice a Dolní Mokropsy. Zácpa v Mokropsích se rychle šířila proti toku a dosáhla délky 7 km. Zácpy se neprolomily ani za průtoku 190 m 3 /s, kterého bylo dosaženo 28. ledna, a vytvořily velké vzdutí vody, které zaplavilo okolí řeky.[1] Následně nastaly opět tuhé mrazy a teplota poklesla k -18 C. Velké průtoky a mráz způsobily tvorbu vnitrovodního ledu a chod ledové kaše po celé délce vodního toku. Ledové zácpy se staly překážou ledové kaše a před ledovými zácpami se vytvořily ledové nápěchy. Ledový nápěch před zácpou v Dobřichovické zdrži měl délku 15 km a sahal až do Berouna. Následně nastalo oteplení a 9. února dosáhl průtok v Dobřichovicích maximální hodnoty 460 m 3 /s. V tu chvíli došlo k protržení ledové zácpy, před protržením dosáhl vodní stav 6 m. Následky zatopení a odchodu ledu byly v Dobřichovicích katastrofální. Ulice v blízkosti Berounky byly zavaleny kupami ker do výšky až 2,5 m. Bylo poškozeno nebo zničeno velké množství domů.[1] Ledová povodeň o maximálním průtoku 460 m 3 /s dosáhla o 1,5 m výše než stoletá povodeň z roku 1890, jejíž kulminační průtok byl 1305 m 3 /s. Z tohoto poměru průtoků lze usoudit, že ledové povodně mohou být ničivější než letní povodně z dlouho trvajících dešťů.[1] - 10 -

7. Fyzikální hydraulický výzkum Zimní režim vodních toků a chod ledu je také zkoumám fyzikálním výzkumem. Jako příklad lze ukázat fyzikální modelový výzkum vodního díla Děčín účinný transport ledů [3]. Plavební stupeň Děčín je plánován na dolním Labi, kde hrozí nebezpečí zimních ledových povodní, může se se zde vytvořit ledový nápěch či ledová zácpa. Vzniklá ledová zácpa či nápěch by mohli vzdout hladinu a ohrozit město Děčín, dále by ledová jevy mohli ohrozit či zastavit plavbu. Cílem výzkumu bylo na lezení optimálních stavebních, technologických a organizačních opatření pro bezpečný provoz vodního díla.[3] K simulaci ker byly použity destičky z polypropylenu, které ve skutečnosti odpovídaly krám o rozměrech 2x2x0,1 m. Ledová celina byla simulována velkými kusy polypropylenových desek. Ledové kry byly vypouštěny na začátku modelu a na vlastním vodním díle byly hledány optimální manipulace a byla prověřována možnost plavby. Na obrázku 4 je zobrazen nautický experiment, při kterém byla zkoumána možnost plavby plavební drahou vytvořenou v ledové celině během transportu ledů. Možnost plavby byla ověřena v obou směrech.[3] Obrázek 4 Nautický experiment [3] - 11 -

8. Závěr Ledové jevy a ledové povodně Z výše uvedeného textu je zjevné, že ledové povodně na vodním toku mohou způsobit velké škody. Některé vodní toky jsou více náchylné k tvorbě ledových zácp a nápěchů, zde mohou být ledové povodně mnohem horší než letní povodně vyvolané extrémními srážkami. Z tohoto důvodu je nutné porozumět ledovým jevům a procesům probíhajícím ve vodních tocích. Při návrhu jezů a úpravě koryt je nutné brát ohledy na ledový režim vodního toku a veškeré úpravy navrhnout tak, aby nezapříčiňovaly vznik zácp a nápěchů. Případně je nutné vymyslet ochranu úseků s nižší propustností pro průchod ledů - například záchytné přehrážky na menších vodních tocích. 9. Literatura [1] MATOUŠEK, Václav. Ledový režim vodních toků. Praha: Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, 2004. ISBN 80-85900-54-8. [2] MATOUŠEK, Václav. Ledové povodně [online]. In:. s. 1-40 [cit. 2017-03-20]. Dostupné z: http://hydraulika.fsv.cvut.cz/toky/predmety/vto/ke_stazeni/ostatni /LedoveJevy.pdf [3] BOUŠKA, Petr, Pavel GABRIEL, Václav MATOUŠEK, Ondřej MOTL a Ján ŠEPEĽÁK. Výzkum plavebního stupně Děčín: účinný transport ledů. Praha: Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, 2011. 10. Seznam obrázků Obrázek 1 Ledochod VD Střekov [3]... - 3 - Obrázek 2 Nejmenší potřebná rychlost pro tvorbu vnitrovodního ledu, pro velké hloubky [1]... - 6 - Obrázek 3 Počáteční vývoj nápěchu [1]... - 8 - Obrázek 4 Nautický experiment [3]... - 11 - - 12 -