Vodní režim půd a jeho vliv na extrémní hydrologické jevy v měřítku malého povodí Miroslav Tesař, Miloslav Šír, Václav Eliáš Ústav pro hydrodynamiku AVČR, Pod Paťankou 5, 166 12 Praha 6 Úvod Příspěvek se zabývá sledováním a vyhodnocováním vodního režimu půd z hlediska transformace srážek na odtok z půdního profilu v pramenné oblasti Šumavy na třech lokalitách s různým vegetačním krytem (pole, louka a smrkový les). Na příkladu vegetační sezóny 1998 ukazuje, jak půda působí jako transformátor srážky na výtok z půdy a následně odtok z povodí. Experimentální plochy a povodí Na Šumavě leží povodí Liz a lokality Zábrod louka a Zábrod pole. Nacházejí se v oblasti Vimperské vrchoviny v povodí Zdíkovského potoka. Potok se formuje na severně orientovaných lesních svazích, kde se nachází povodí Liz, pod zalesněnými svahy se nachází lokality Zábrod louka a Zábrod pole. Podrobný popis všech lokalit podává Tesař (1996). Plocha povodí Liz činí 0,998 km 2, povodí leží na svahu ve výšce 828 až 1024 m n. m. se středním sklonem 16,56 %. Páteřní tok má délku 1,35 km a střední sklon 12,7 %. Specifický odtok činí 10,17 l s -1 km -2. Průměrná roční teplota je 6 C a průměrný roční srážkový úhrn dosahuje 834 mm. Geologické podloží je tvořeno pararulou, půdní pokryv sestává z hnědé půdy kyselé. Povodí je porostlé dospělým smrkovým lesem. V uzávěrovém profilu povodí je rozmístěna automatická monitorovací stanice, která registruje srážky, teploty vzduchu a půd a polohu hladiny na měrném přepadu v závěrovém profilu povodí. Tenzometrické tlaky půdní vody v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm byly měřeny trvale instalovanými vodními tenzometry. Hodnoty byly odečítány v ranních hodinách v denním nebo dvoudenním intervalu. Lokalita Zábrod louka na hnědé půdě kyselé slabě oglejené je využívána jako trvalý travní porost, v roce 1976 byla odvodněna systematickou trubní drenáží. Automatická měřící stanice na lokalitě ve výšce 788 m n. m. registruje srážky, teploty vzduchu a půdy. Tenzometrické tlaky půdní vody v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm byly měřeny trvale instalovanými vodními tenzometry. Hodnoty byly odečítány v ranních hodinách v denním nebo dvoudenním intervalu. Lokalita Zábrod pole leží v těsné blízkosti lokality Zábrod louka. Liší se pouze tím, že jde o ornou půdu. Tenzometrické tlaky půdní vody v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm byly měřeny trvale instalovanými vodními tenzometry. Hodnoty byly odečítány v ranních hodinách v denním nebo dvoudenním intervalu. Skladba půdních profilů a mocnost jednotlivých půdních horizontů a kořenové zóny byly stanoveny podrobným hydropedologickým výzkumem za použití kopaných sond. Popis půdních profilů a schematické znázornění umístění vodních tenzometrů je na obr. 1. Signatura
půdních horizontů odpovídá klasifikaci Němečka et al. (2001). Sloupec 'Field' značí lokalitu Zábrod pole, sloupec 'Meadow' značí lokalitu Zábrod louka, sloupec 'Forest' značí lokalitu Liz les. Vlevo umístěná čísla značí minimální hloubku půdního horizontu a vpravo umístěná čísla jeho maximální hloubku, jak byly zjištěny na lokalitě. Ve sloupci 'Water tensiometers' je udána hloubka osazení středů porézních hlavic vodních tenzometrů pod povrchem půdy. Obr. 1: Schéma půdních profilů jednotlivých lokalit a osazení vodních tenzometrů. Metody Na všech lokalitách byly změřeny retenční křivky všech půdních horizontů na neporušených vzorních odebraných do Kopeckého válečků o objemu 100 cm 3. Měření bylo provedeno v přetlakovém aparátu. Retenční křivky byly ověřeny dvouválcovým infiltračním pokusem (Šír et al., 1988). Aktuální evapotranspirace porostu v průběhu vegetační sezóny byla odhadnuta jako množství vody potřebné na chlazení rostlin na optimální teplotu 25 ºC (Pražák et al. 1994). Vstupní údaje pro výpočet, hodinové úhrny globální radiace a hodinové průměry teploty vzduchu, byly vzaty z blízké meteorologické stanice ČHMÚ Churáňov. Srážky byly měřeny v denních úhrnech na lokalitě Zábrod louka. Na všech lokalitách byla prováděna tenzometrická měření v jednodenním nebo dvoudenním intervalu. Hodnoty objemové půdní vlhkostí každého z horizontů byly stanoveny přepočtem tenzometrických tlaků na objemovou vlhkost pomocí příslušné retenční křivky. Zásoba vody v půdním horizontu byla stanovena jako násobek mocnosti horizontu a objemové vlhkosti půdy v půdním horizontu. Zásoba vody v půdě na lokalitě byla stanovena jako součet zásob ve všech půdních horizontech na lokalitě.
Schematické znázornění půdního profilu jako transformátoru srážek a na výtok z půdy je znázorněno na obr. 2 spolu s vyznačenými vstupními (měřenými) a výstupními (počítanými) daty. Obr. 2: Schéma půdního profilu jako transformátoru srážek a na výtok z půdy Výtok vody z půdního profilu podle obr. 2. byl stanoven z bilance vody v půdním profilu ve tvaru (1). O = ΣS ΣE Z (1) Ve vztahu značí O (mm/den) výtok z půdního profilu do podloží za aktuální den, Σ S (mm) sumu srážek od prvního dne bilancovaného období do dne aktuálního, Σ E (mm) sumu evapotranspirace od prvního dne bilancovaného období do dne aktuálního, Z (mm) rozdíl zásoby vody v půdě mezi aktuálním dnem a prvním dnem bilancovaného období. Výsledky Průměrné denní teploty a denní srážkové úhrny za sledovanou vegetační sezónu 1998 jsou znázorněny na obr. 3. Evapotranspirace porostu v průběhu hodnocené vegetační sezóny byla stanovena jako potřeba vody na chlazení rostlin na jejich optimální teplotu a činí 198 mm pro lokalitu Zábrod pole, 183 mm pro Zábrod louka a 163 mm pro Liz les. Vodní režim půd na jednotlivých lokalitách je ilustrován obr. 4 (Zábrod pole), obr. 5 (Zábrod louka) a obr. 6 (Liz les). V horních částech obr. 4, 5 a 6 jsou uvedeny tenzometrické tlaky měřené v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm, ve středních částech půdní vlhkosti vypočtené z tenzometrických tlaků rekalkulací přes příslušné retenční křivky a ve spodních
částech obrázků jsou uvedeny součtové čáry srážek, evapotranspirace a výtoku vody z půdního profilu do podloží. Obr. 3: Denní srážkové úhrny a průměrné denní teploty vzduchu v období 1. 5. až 30. 9. 1998 na stanovišti Zábrod louka Diskuse Z obr. 4, 5 a 6 plyne, že v průběhu vegetační sezóny docházelo k epizodickým výtokům vody z půdního profilu do podloží. Tento výtok vody do podloží představuje za vegetační sezónu 1998 celkem 163 mm pro lokalitu Zábrod pole, 174 mm pro lokalitu Zábrod louka a 129 mm pro lokalitu Liz les. Na základě průběhů tenzometrických tlaků a půdních vlhkostí v horních a středních částech obr. 4, 5 a 6 a vypočtených vodních bilancí půdních profilů (spodní části obr. 4,5 a 6) je možno identifikovat střídání perkolačních a akumulačních fází vodního režimu půd (Tesař et al., 2001b). Tyto fáze jsou vzájemně odděleny na obrázcích 4, 5 a 6 svislými čárkovanými čarami. Ze znázornění je patrno, že v průběhu akumulační fáze je objem vody v půdě stálý nebo stoupá, zatímco při perkolační fázi dochází k náhlému výtoku vody z půdního profilu do podloží. Na všech lokalitách se v průběhu vegetační sezóny 1998 vyskytly dvě perkolační fáze přerušené jedinou fází akumulační. První perkolační fázi je možné na lokalitě Zábrod pole sledovat od začátku vegetačního období do 29. července, zatímco na lokalitách Zábrod louka a Liz les končí již 19. července. Druhá perkolační fáze je na všech třech lokalitách sledovatelná od 7. září do konce vegetačního období. Mezi těmito dvěmi perkolačními fázemi leží fáze akumulační. Vzhledem k tomu, že lesní lokalita Liz les byla zřízena a přístrojově vybavena v centru plně zalesněného experimentálního povodí s odvodňovanou plochou 0,99 km 2, bylo možné se rovněž zabývat vztahem mezi půdní vlhkostí a povrchovým odtokem měřeným v uzávěrovém
profilu. Průměrné denní průtoky jsou znázorněny ve střední části obr. 6 a dobře korespondují s průměrnými hodnotami půdní vlhkosti. To bylo potvrzeno rovněž pro experimentální povodí v oblasti Jizerských hor (Šanda, Císlerová, 1999). Závěr Získané výsledky jasně potvrzují velký význam nenasycené půdní zóny pro srážko-odtokovou transformaci. Na jejich základě lze konstatovat: 1) odtok vody do podloží z kořenové zóny nastává po překročení horní kritické hodnoty půdní vlhkosti; v těchto situacích srážková voda způsobí pokles obsahu vody v půdním profilu, 2) v situacích, kdy půdní vlhkost je menší než kritická, je odtok vody do podloží zanedbatelný; v našich podmínkách je kritická vlhkost prakticky stálá a odpovídá zhruba 40 až 50 kpa tenzometrického tlaku, 3) byl potvrzen vliv půdní vlhkosti v malém povodí na odtok z něj, 4) pozorování a vyhodnocování tenzometrických tlaků představuje účinný nástroj, který umožňuje hodnocení vodního režimu půd. Poznámky 1. Byl doplněn popis experimentálních ploch a metodická část. Byl zkrácen a aktualizován seznam literatury. 2. Akumulační a perkolační fáze vodního režimu půd je diskutována v práci Tesaře et al. (2001b). 3. Další zpracování tématu obsahuje práce Tesaře et al. (2001a). Literatura Němeček, J. a kol. (2001): Taxonomický klasifikační systém půd České republiky. ČZU a VÚMOP, Praha. Pražák, J., Šír, M., Tesař, M. (1994): Estimation of plant transpiration from meteorological data under conditions of sufficient soil moisture. J. of Hydrol., 162, 409 427. Šanda, M., Císlerová, M. (2009): Transforming hydrographs in the hillslope subsurface. J. Hydrol. Hydromech. 57, 264 275. Šír, M., Kutílek, M., Kuráž, V., Krejča, M., Kubík, F. (1988): Field estimation of the soil hydraulic characteristics. Soil Technol., 1, 63 75. Tesař, M. (1996): Experimental basis and catchments in the Šumava Mts. (The Czech Republic). ERB Newsletter, 11, 6 11. Tesař, M., Šír, M., Syrovátka, O., Bayer, T. (2001a): Dešťový odtok z malého horského povodí. In: Hurtalová, T. Majerčák, J. (eds), Sborník konference IX. Posterový deň s medzinárodnou účasťou: Transport vody, chemikálií a energie v systéme pôda rastlina atmosféra, Bratislava, 29. 11. 2001. Ústav hydrológie SAV, 2001. CD-ROM, ISBN 80-968480-4-6. Tesař, M., Šír, M., Syrovátka, O., Pražák, J., Lichner, Ľ., Kubík. F. (2001b): Soil water regime in head water regions observation, assessment and modelling. J. Hydrol. Hydromech., 49, 6, 355 375.
Obr. 4: Průběh tenzometrických tlaků (horní graf) a vlhkostí (prostřední graf) v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm a kumulativní srážky, evapotranspirace a výtoku z půdy (dolní graf) na lokalitě Zábrod pole ve vegetační sezóně 1998
Obr. 5: Průběh tenzometrických tlaků (horní graf) a vlhkostí (prostřední graf) v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm a kumulativní srážky, evapotranspirace a výtoku z půdy (dolní graf) na lokalitě Zábrod louka ve vegetační sezóně 1998
Obr. 6: Průběh tenzometrických tlaků (horní graf) a vlhkostí (prostřední graf) v hloubce 10, 30, 50 a 75 cm a kumulativní srážky, evapotranspirace a výtoku z půdy (dolní graf) na lokalitě Liz les ve vegetační sezóně 1998. Ve středním grafu je znázorněn průtok v uzávěrovém profilu povodí.