VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ PROF.ING. MILOŠ STARÝ, CSC. HYDROLOGIE MODUL 01 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Hydrologie Modul 01 Miloš Starý, Brno 2005-2 (213) -
Obsah OBSAH 1 Úvod 7 1.1 Cíle...7 1.2 Požadované znalosti...7 1.3 Doba potřebná ke studiu...7 1.4 Klíčová slova...7 2 Vývoj, význam a základní pojmy...8 2.1 Význam a rozdělení hydrologie...8 2.2 Vývoj hydrologie...9 2.3 Rozdělení vody na zemi...10 2.4 Koloběh vody na zemi...11 2.5 Povodí...12 2.5.1 Povodí v České Republice...14 2.6 Vodní útvary...14 2.6.1 Vymezení útvarů povrchových vod...15 2.6.2 Vymezení útvarů podzemních vod...19 2.7 Srážkoodtokový proces v povodí...20 2.8 Základní bilanční rovnice...23 3 Klimatičtí činitelé...23 3.1 Vlhkost ovzduší...24 3.2 Výpar...25 3.3 Srážky...27 3.3.1 Vznik a druhy...27 3.3.2 Extrémní deště...28 3.3.3 Závislost intenzity deště na velikosti zasažené plochy...30 3.3.4 Měření srážek...31 3.3.4.1 Měření srážek pomocí srážkoměrů...32 3.3.4.2 Radarová měření...38 3.3.4.3 Satelitní měření...41 3.3.5 Zpracování výsledků měření ze srážkoměrů...43 3.3.6 Předpovědi srážek...46 3.3.6.1 Numerické modely...47 3.3.6.2 Nowcasting...58 3.3.7 Syntetické deště...64 3.3.8 Extrémně vydatné srážky v ČR...76 3.3.9 Plošné rozložení srážky v povodí...78 3.3.9.1 Krigeho metody...80 3.3.10 Sněhová pokrývka...91 3.3.10.1 Výpočet zásoby sněhu na území...92 3.3.10.2 Tání sněhové pokrývky...92 3.3.11 Získání potřebných údajů o měřených srážkách...94 4 Geografičtí činitelé...95-3 (213) -
Hydrologie Modul 01 4.1 Fyzikálně-geometričtí činitelé... 95 4.2 Geologické vlastnosti povodí... 97 4.2.1 Infiltrace... 98 4.2.2 Měření potenciální infiltrace... 99 4.2.2.1 Vyhodnocení měření... 101 4.2.3 Vztahy mezi srážkou, infiltrací a odtokem... 109 4.2.4 Influkčně infiltrační schopnost půdy... 113 4.2.5 Navlhání... 116 4.2.6 Povrchová retence... 116 4.3 Vegetační pokryv... 116 4.4 Říční síť... 117 5 Vodní stavy a průtoky... 119 5.1 Vodní stavy a jejich pozorováni... 119 5.2 Měření průtoků... 121 5.2.1 Přímé měření... 121 5.2.2 Nepřímé měření... 121 5.3 Měrná křivka průtoku (MKP)... 125 6 Vodní nádrže... 127 7 Zpracování hydrologických dat... 130 7.1 Popisující charakteristiky základního souboru... 131 7.1.1 Pravděpodobnostní funkce... 131 7.1.1.1 Hustota pravděpodobnosti... 131 7.1.1.2 Distribuční funkce... 132 7.1.1.3 Funkce pravděpodobnosti překročení... 132 7.1.2 Statistické charakteristiky... 133 7.1.2.1 Parametry základního souboru... 133 7.2 Popisující charakteristiky náhodného výběru... 136 7.2.1 Empirické pravděpodobnostní funkce... 137 7.2.1.1 Velký počet prvků v souboru... 137 7.2.1.2 Malý počet prvků v souboru... 138 7.2.2 Stanovení výběrových charakteristik... 139 7.2.2.1 Velký počet prvků v souboru... 139 7.2.2.2 Malý počet prvků v souboru... 140 7.3 Aproximace empirických rozdělení teoretickými... 141 7.3.1 Normální rozdělení... 141 7.3.2 Lognormální rozdělení (logaritmicko-normální rozdělení) 142 7.3.3 Rozdělení Pearson III... 143 7.3.4 Obecný postup při aproximaci empirických rozdělení teoretickými... 144 7.4 Užití regresní analýzy v hydrologii... 144 7.4.1 Metody optimalizace... 146 7.4.1.1 Statistická optimalizace... 146 7.4.1.2 Numerická optimalizace... 147 7.4.2 Posouzení úspěšnosti odhadu... 151-4 (213) -
Obsah 7.4.2.1 Koeficient korelace...151 7.4.2.2 Koeficient determinace...152 7.4.2.3 Směrodatná chyba odhadu (směrodatná odchylka)...152 7.5 Neuronové sítě...152 7.5.1 Základní pojmy...154 7.5.1.1 Přenosové funkce...158 7.5.1.2 Způsob učení (trénování)...161 7.5.1.3 Metoda zpětného šíření...162 7.5.1.4 Příklad užití metody zpětného šíření...167 7.5.1.5 Topologie neuronových sítí...173 7.5.1.6 Standardizace dat...178 7.5.2 Neuronové sítě a regrese...179 7.5.3 Možnosti nasazení neuronových sítí v hydrologii...180 7.6 Časové řady v hydrologii...184 7.6.1 Průtokové řady...184 7.6.2 Dekompozice hydrologických řad...186 7.6.3 Vnitřní struktura hydrologických řad...189 7.6.4 Spektrální hustota...190 7.6.5 Průtoky v toku jako náhodné procesy...190 7.6.5.1 Klasifikace náhodných procesů...191 7.6.6 Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad...191 7.7 Rozdělení průtokových řad...192 7.8 Odvozování průtokových řad...193 7.8.1 Odvozování v poměru dlouhodobých průměrných průtoků193 7.8.2 Odvozování pomocí srážkoodtokových úhrnných křivek..193 7.9 Generování umělých průtokových řad...194 7.9.1 Požadavky na matematické modely náhodných řad...195 7.9.2 Generátory...195 7.9.2.1 Model absolutně náhodné posloupnosti...195 7.9.2.2 Lineární regresní stochastické modely...196 7.9.2.3 Matematické modely vycházející z Box-Jenkinsovy metodologie...197 7.9.2.4 Periodické modely...198 7.9.2.5 Desagregační modely...199 7.10 Nejistoty...202 7.10.1 Postup vyhodnocení nejistot při měřeni a kalibracích...203 7.10.2 Děleni typu nejistot...203 7.10.2.1 Výpočet nejistoty typu A...203 7.10.2.2 Výpočet nejistoty typu B...204 7.10.3 Možné zdroje nejistot typu B...204 7.10.3.1 Postup při určování nejistot typu B :...205 7.10.4 Kombinovaná standardní nejistota...206 7.10.5 Rozšířená standardní nejistota U...206 7.10.6 Výklad - standardní a rozšířená nejistota...206-5 (213) -
Hydrologie Modul 01 7.10.7 Případy standardní a rozšířené nejistoty můžeme ilustrovat pro normální rozděleni.... 207 7.10.8 Odhad rozdělení pro složky nejistoty typu B... 207 7.10.9 Shrnutí postupu výpočtu nejistoty... 210 7.10.10 Zdroje nejistoty měřeni... 213-6 (213) -
1 Úvod Hydrologie je věda zabývající se zákonitostmi výskytu a oběhu vody v přírodě. Pro její pochopení je nutno seznámit se s pojmy jako jsou: hydrosféra, povodí, srážkoodtokový proces v povodí a jeho složky, činitelé ovlivňující srážkoodtokový proces, hydrologické ztráty a jejich kvantifikace, staniční síť, přístrojová technika, srážky, výpar, evapotranspirace, vlhkost ovzduší, vodní stavy a průtoky, zpracování hydrologických dat, toky a říční síť, maximální a minimální průtoky, plaveniny a splaveniny, stavy podzemních vod a podzemní odtok, bilance povrchových a podzemních vod, stochastická hydrologie, teorie náhodných procesů, pravděpodobnostní a statistické metody užívané v hydrologii pro zpracování hydrologických dat, reálné a umělé průtokové řady, operativní hydrologie, simulační a predikční modely srážkoodtokového procesu a odtoku vody z povodí, modelování odtoku vody z povodí za povodní. 1.1 Cíle Hydrologie je jedním ze základních teoretických předmětů studijního oboru Vodní hospodářství a vodní stavby. Jejím obsahem je poskytnout posluchači základní informace o: základních znalostech vztahujících se k výskytu a oběhu vody v přírodě, přehled o základních hydrologických veličinách v povodí, kvantifikaci hydrologických veličin a jejich vzájemné souvislosti, modelování srážkoodtokového procesu, metodách předpovědí vodních stavů a průtoků, vodních útvarech v duchu legislativy EU. 1.2 Požadované znalosti Základní znalosti z vyšší matematiky, základní znalosti z fyziky, základy teorie pravděpodobnosti a statistiky, základy hydrauliky 1.3 Doba potřebná ke studiu Průběžně jeden semestr. 1.4 Klíčová slova Hydrosféra, povodí, srážkoodtokový proces, hydrologické ztráty, staniční síť, toky a říční síť, extrémní průtoky, stochastická hydrologie, simulace a předpovědi srážkoodtokového procesu, podzemní vody, splaveniny. - 7 (213) -
Hydrologie Modul 01 2 Vývoj, význam a základní pojmy Hydrologie je věda, která se systematicky, vlastními metodami a prostředky zabývá zákonitostmi výskytu a oběhu vody v přírodě. Ty jsou pak využívány v mnoha oblastech lidské činnosti. Hydrologie je v současné době velmi rozsáhlý vědní obor, který se zvláště v posledních letech, vlivem úkolů, které na ni lidstvo klade a vlivem rozvoje měřící a výpočetní techniky velmi rychle rozvíjí. 2.1 Význam a rozdělení hydrologie Význam a úloha hydrologie plyne z nepostradatelnosti vody pro vše živé, pro život a činnost člověka. Získané znalosti o zdrojích vod, o vzniku a rozdělení odtoku vod na povrchu i pod povrchem zemským, mohou pak být využity pro zlepšení podmínek života na Zemi. Hydrologické údaje, obsahující důležité charakteristiky vodního režimu toku, jsou podkladovým materiálem, na jehož základě je třeba navrhnout koncepčně správné, hospodárné a dobře fungující vodohospodářské dílo, jsou potřebnými podklady, umožňujícími provést takové vodohospodářské zásahy, aby znamenaly zlepšení dosavadních vodních poměrů. Na výsledcích hydrologie staví hydrotechnika, zabývající se problematikou využití vodní energie, výstavbou přehrad, jezů, splavněním toků a všemi otázkami vodních cest. Kromě přehrad jsou to též úpravy toků, kterými lze do určité míry zajistit zlepšení odtokových poměrů a ochranu přilehlých území před povodněmi. Dále to jsou hydromeliorace, v jejichž rámci budujeme závlahy a odvodnění zemědělských pozemků, provádí se protierozní opatření v postižených nebo na erozi náchylných územích. Do této oblasti patří též hrazení bystřin a zakládání rybníků. Dále je to zdravotní inženýrství, pro které hydrologie poskytuje podklady, nutné k řešení všech otázek spojených s problematikou lázeňství, odvádění a čištění odpadních vod, zajišťováním sídlišť a průmyslu pitnou a užitkovou vodou atd. Potřeba a spotřeba vody neustále narůstá. Vzhledem k omezenému množství vody je třeba nároky společnosti plánovat tak, aby vodní zdroje byly pro různé národohospodářské účely využívány racionálně a optimálním způsobem. Tuto celkovou řídící a koncepční úlohu zastává vodní hospodářství. Jeho činnost je prakticky nemyslitelná bez dobrých a spolehlivých hydrologických podkladových materiálů. Hydrologie spolupracuje a využívá poznatky mnoha styčných oborů. Především je to: meteorologie, zkoumající fyzikální změny a děje v ovzduší, kde se odehrává přeměna par na vodní srážky, transport vláhy na velké vzdálenosti apod., klimatologie, zkoumající dlouhodobý režim počasí. O něm víme, že má zásadní vliv nejen na hydrologické poměry dané oblasti. pedologie, geologie a hydrogeologie, zabývající se prostředím, do kterého voda po dopadu na zemský povrch infiltruje, hydraulika, zabývající se klidem a pohybem vody, - 8 (213) -
a řada dalších jako agrotechnika, atd. Kromě toho využívá postupy, metody a prostředky teoretických vědních oborů jako matematika, statistika, teorie pravděpodobnosti, fyzika, chemie a pod. Hydrologii lze rozdělit na hydrologii moří a hydrologii pevnin. Tu můžeme dále dělit na hydrologii atmosféry (hydrometeorologie), hydrologii tekoucích vod (potamologie), hydrologii stojatých vod (limnologie), hydrologii podzemních vod a hydrologii ledovců (glaciologie). Hydrologie se dělí na několik oddílů. Ta část, zabývající se pozorováním, cílevědomým shromaždováním, klasifikací, tříděním a zpracováváním získaného materiálu, se nazývá hydrografie. Základním předpokladem činnosti je měření hydrologických prvků. Proto další oddíl, zvaný hydrometrie, se věnuje návrhu vhodných přístrojů, metod měření a samotnému měření v terénu. Část hydrologie, která poskytuje potřebná data a informace pro projekční činnost, provozní činnost a údržbu vodohospodářských děl a stavební činnosti člověka vůbec, se nazývá inženýrská hydrologie. Kromě toho slouží a je potřebná pro veškeré aktivity, sloužící k zachování stávajícího dobrého, případně zlepšení již poškozeného životního prostředí určité oblasti. 2.2 Vývoj hydrologie Význam vody pro život chápali lidé již odedávna. Pozorování kolísání hladin řek, pozorování pohybu vody bylo spojeno hlavně s hospodářskou činností člověka. Úroveň hladiny a jí odpovídající rozsah zatopení přilehlých oblastí vodou, bohatou na živiny, umožňovaly již starým Egypťanům předpovídat budoucí úrodu. Rovněž u nás se zachovaly zprávy v kronikách o pozorování vodních hladin, zvláště v období velkých povodní. Ještě dnes mnohé vodní stavby v Čechách (mlýny, jezy, systémy rybníků), z nichž některé si zachovaly svou funkci dodnes, svědčí o velmi dobrých znalostech našich předků o základních zákonech hydrologie a hydrauliky. Vývoj hydrologie se prakticky až do minulého století kryje s vývojem jiných věd, především fyzického zeměpisu, geofyziky a hydrauliky. V rámci těchto věd prošla hydrologie dlouhou vývojovou cestu od období intuice a dohadů (asi do r. 1400), přes jednotlivá období pozorování, měření, experimentů, modernizace a matematizace (r. 1800-1900), přes období empirie, kdy začíná existovat jako samostatná věda (r. 1900-1930). Léta 1930-1950 jsou obdobím vlivu exaktních věd až k současnému stavu, kdy v období hydrologického laboratorního pokusu se často složité otázky oboru řeší matematickými i jinými modely. Období let 1930-1950 bylo obdobím zvláště výrazného rozvoje hydrologie inženýrské. Uvedli jsme, že dříve hydrologie nebyla samostatnou vědou. Základním předpokladem jejího dalšího vývoje byla znalost toho, jak určit nejdůležitější prvek - průtok. K tomu, že hydrologie začala vznikat jako samostatný vědní obor značně přispěly některé objevy, které přispěly k zpřesnění měření, resp. výpočtu nejdůležitějšího hydrologického prvku, tj. průtoku. Sem patří: - 9 (213) -
Hydrologie Modul 01 Toricelli, který jako první (v 17 stol.) uskutečnil měření průtoku vody výtokem z otvoru nádoby, Perreault, který v r. 1650 určil z přibližného měření průtoků řeky Seiny v Paříži první kvantitativní vztahy v oběhu vody v přírodě, Pitot, který v r. 1732 objevil možnost změřit místní rychlost proudu pomocí trubice, Chézy, který v r. 1775 uveřejnil způsob výpočtu střední průtočné rychlosti, Woltmanna, který vynalezl hydrometrickou vrtuli. Tou bylo možno měřením zjistit rychlostní pole v průtočném průřezu a vyhodnotit průtok i v přirozeném korytě toku. 2.3 Rozdělení vody na zemi Souhrn vody na zemi nazýváme hydrosférou a její objem pokládáme prakticky za stálý. Celkový objem vody se odhaduje na 1,33.10 9 km 3. Má pro přírodu základní význam - jednak se účastní převažující, většiny procesů fyzikálních, chemických i biologických, jednak je ve všech svých formách činitelem, který má závažnou účast při formování zemského povrchu. Světová moře a oceány zaujímají plochu 70,5% zemského povrchu a je v nich obsaženo asi 1,3.10 9 km 3 vody. To je asi 96,5%. Z celkového množství vody na zemi připadá na vodu pevniny a vodu v atmosféře jen nepatrná část - kolem 1 %. V jezerech je asi 0,75.10 6 km 3 vody a v řekách 1,2.10 4 km 3. Množství vody, které ročně z povrchu zemského odteče, činí asi 37.10 3 km 3. Z toho se velká většina bezprostředně vrací do moře a jen asi 700 km 3 ročního odtoku připadá na vnitrozemské oblasti bez odtoku do moře. Z celkových zásob sladké vody je více než 68 % v ledu a ledovcích. Dalších 30 % sladké vody se nachází v zemi. Povrchové zdroje sladké vody, jako jsou řeky a jezera, obsahují zhruba 93 000 krychlových kilometrů, což je jen zlomek procenta celkového objemu vody na Zemi. Celkový objem podzemní vody (PV) na Zemi je 23,4 mil. krychlových kilometrů, což z celkového objemu světových zásob vody tvoří 1,7%. Rozdělení zásob vody na Zemi popisuje tab.2.1 a obr.2.1. Tab. 2.1: Rozdělení zásob vody na Zemi procento z celkového Objem vody Výskyt vody objemu vody km 3 % oceány a moře 1 338 000 000 96,537 ledovce 24 064 000 1,736 podzemní voda 23 400 000 1,688 půdní vlhkost 16 500 0,001 jezera 176 400 0,013 voda v atmosféře 12 900 0,001 voda v řekách 2 120 0,000 ostatní 312 590 0,023 celkový objem vody na Zemi 1 386 000 000 100,0-10 (213) -
Obr. 2.1: Rozdělení zásob vody na Zemi 2.4 Koloběh vody na zemi Působením sluneční energie se voda nepřetržitě vypařuje v množství, jež se odhaduje ročně na 519 000 km 3. Hlavním zdrojem výparu jsou světová moře. Vypařená voda je transportována vzdušnými proudy. Část par po čase kondenzuje a ve formě srážek padá buď zpět na mořskou hladinu, nebo až na pevninu. Tam se pak vsakuje do půdy a tvoří podzemní vodu nebo stéká po povrchu (povrchová voda), postupně se koncentruje - vytváří vodní toky a jimi se vrací z největší části zpět do moří a oceánů. Přitom se neustále vypařuje. Vzniká tak v prvém případě jen v dosahu moří malý oběh vody, v druhém případě velký oběh vody. Celkem malá část objemu této vody, asi v hodnotě 7700 km 3, se účastní oběhu v bezodtokových vnitrozemských oblastech. Schematicky je oběh vody v přírodě znázorněn na obr. 2.2. Celkovou bilanci oběhu vody mezi pevninou a oceánem můžeme zjednodušeně vyjádřit jednoduchými rovnicemi dle obr. 2.3. V dlouhodobém průměru bude roční objem vody V o, který se vypaří z oceánů, roven ročnímu objemu srážek S o, které nad nimi spadly, zvětšenému o roční objem vody P, který přitekl z pevniny: V o = S o + P. (2.1) Průměrný roční objem výparu z pevniny V p, je roven objemu vody se spadlých srážek S p zmenšenému o objem odtoku vody do moří P: V p = S p P. (2.2) Vyjádřením P z obou předchozích vztahů a jejich porovnáním dostaneme: V o + V p = S o + S p. (2.3) Tedy roční objem vody, vypařené na celém povrchu země, se vyrovnává s ročním objemem vody spadlým ve formě srážek na zemský povrch. - 11 (213) -
Hydrologie Modul 01 Obr. 2.2 Oběh vody na zemi Obr. 2.3 Malý a velký koloběh vody 2.5 Povodí Povodí je základní pracovní jednotkou v hydrologii. Je to území, ze kterého všechna voda stéká k určitému místu na toku (závěrový profil). Jedná se tedy o sběrnou oblast toku. Jde přitom o veškerý odtok - povrchový i podzemní. Povrchový odtok obvykle převládá. Podzemní povodí se od povrchového odchyluje zpravidla jen nepatrně. V takovémto případě je postačující určit povodí vyhledáním oblasti, z níž voda stéká z nejvyšších míst k nižším podle tvaru a výškové členitosti povrchu území. Hranice oblasti, která se určuje z topografických map 1:25 000 až 1:100 000 a tvoří uzavřenou čáru, se nazývá rozvodnice. Probíhá po nejvyšších místech a odděluje území, z něhož voda odtéká k sousedním tokům. Takto stanovené povodí je povodí orografické. Jeho plochu je možno určit planimetrováním. - 12 (213) -
Ne vždy je možno rozdíl mezi plochou orografického povodí a podzemního povodí zanedbat. Vzniká tak nutnost pracovat se skutečným - hydrologickým povodím, které je sběrnou oblastí celkového odtoku vody z povodí a jehož vymezení může být značně problematické, zejména v oblastech vyskytujících se krasových jevů. Povodí je třeba vždy označit závěrovým (závěrným, uzávěrovým) profilem na toku. Bez bližšího označení uvažujeme vždy povodí celého toku až k ústí. Obr. 2.4: Orografické povodí Obr. 2.5: Orografické povodí a hydrologické povodí - 13 (213) -
Hydrologie Modul 01 2.5.1 Povodí v České Republice Česká republika je významnou pramennou oblastí evropského kontinentu a z hydrologického hlediska ji můžeme označit za "střechu" Evropy. Leží na rozvodnici tří moří: Severního, Baltského a Černého. Tvoří ji tři hlavní hydrologická povodí: povodí Labe, povodí Odry a povodí Dunaje - obr. 2.6. Prakticky všechny její významnější toky odvádějí vodu na území sousedních států. Důsledkem této skutečnosti je naprostá závislost našich vodních zdrojů na atmosférických srážkách. Naše významné vodní toky většinou pramení a tečou až k hraničnímu profilu výlučně po území České republiky. Vzhledem k velikosti území České republiky jsou dále hlavní povodí dělena do pěti oblastí povodí, které spravuje pět stejnojmenných státních podniků Povodí: Povodí Vltavy, s.p., Povodí Ohře, s.p., Povodí Labe, s.p., Povodí Odry, s.p., a Povodí Moravy, s.p. Hydrologickou síť tvoří 76 000 km vodních toků (s přirozenými i upravenými koryty). Významné vodní toky České republiky mají délku 15 390 km. Úhrnná délka drobných vodních toků činí přes 60 000 km. Obr. 2.6: Rozdělení území ČR na hydrologická povodí 2.6 Vodní útvary Účelem Rámcové směrnice 2000/60/EC je stanovit rámec pro ochranu vnitrozemských povrchových vod a podzemních vod, který zabrání dalšímu zhoršování a zlepší stav vodních ekosystémů a také suchozemských ekosystémů a mokřadů, přímo závislých na vodních ekosystémech. Hlavními nástroji Rámcové směrnice jsou Plány Povodí a Programy opatření. Současná fáze implementace může být chápána jako přípravná fáze zpracování Plánů Povodí. Rámcová směrnice používá pro zpracování a realizaci Plánů Povodí dva základní pojmy (jednotky): - 14 (213) -
Oblast povodí: Je vymezena primárně geograficky s korekcí na dělení podzemních vod včetně příbřežních a brakických vod. Na území ČR se nacházejí národní části mezinárodních oblastí povodí Labe, Dunaje a Odry. Vodní útvar povrchové vody a vodní útvar podzemní vody je pro Rámcovou směrnici základní jednotkou v oblasti povodí. Pro ČR v národních částech jsou to oblasti povodí Labe, Dunaje a Odry. Pro vodní útvary jako pro jednotky jsou stanoveny: ekologický stav (potenciál), chemický resp. kvalitativní stav a environmentální cíle. Pro vodní útvary a dosažení environmentálních cílů jsou přijímána opatření a je prováděna kontrola jejich plnění. Na vhodném vymezení vodních útvarů a stanovení příslušných environmentálních cílů tedy závisí úspěch Rámcové směrnice. Základním dokumentem pro vymezování vodních útvarů je Průvodce HGIWB, zpracovaný v rámci Společné implementační strategie (CIS) - Identification of Water Bodies. (Horizontal guidance on the application of the term water body in the context of the WaterFramework Directive (WFD)). Ten, kromě návrhů základního postupu, zdůrazňuje, že: vodní útvar je (v rámci oblasti povodí) hlavní jednotkou pro management povodí, vodní útvar musí být koherentní podjednotka v rámci oblasti povodí, na kterou lze aplikovat environmentální cíle WFD, čili vymezení vodních útvarů musí umožňovat řádný popis jejich stavu a jeho srovnávání s environmentálními cíli. Environmentální cíle Rámcové směrnice pokrývají všechny vody v oblasti povodí. Vymezování vodních tvarů je stálý iterativní proces. Výchozí identifikace, vyžadovaná k 22. prosinci 2004, je jen první krok, vymezení musí být dále zpřesňováno až do zahájení prvního Plánu povodí. Vodní útvary je tedy nutno považovat za jeden ze základních nástrojů umožňujících plnění cílů Rámcové směrnice. Musí tedy být vymezeny efektivně vzhledem k cílům i technickým možnostem států, správců povodí i veřejnosti. V rámcové směrnici jsou rozlišovány tři samostatné celky: vodní útvary povrchových vod vodní útvary podzemních vod pohraniční vody a vodní útvary v oblasti státních hranic (s dělením na povrchové a podzemní vody) 2.6.1 Vymezení útvarů povrchových vod Základem postupu při vymezování vodních útvarů je Směrnice Rady 86/280/EHS (dále Guidance) - Společné implementační strategie č. 2 "Vymezování vodních útvarů". Zásady jsou: Vodní útvar povrchové vody musí představovat oddělený prvek povrchových vod, zahrnující pouze sousedící dílčí prvky a nepřekrývající se s dalšími vodními útvary, který musí být charakterizován v jedné kategorii a v jednom typu. - 15 (213) -
Hydrologie Modul 01 Základním podkladem pro vymezování jsou geografické a hydromorfologické charakteristiky, např. soutok řek je důvodem pro vymezení hranice vodního útvaru. Dalším důvodem po tomto kroku jsou obecně možnosti stanovení environmentálních cílů pro vodní útvar, které mohou v první řadě souviset s působením antropogenních vlivů: Analýza vlivů může vést k určení vodního útvaru jako silně ovlivněného, nebo k jeho rozdělení na části s významně odlišným stavem, s odlišnými tlaky, v souvislosti s hranicemi chráněných území apod. Členské státy mají volnost v rozhodování o koncepci vymezení vodních útvarů, je však třeba vyvarovat se přílišné podrobnosti vedoucí k atomizaci systému vodních útvarů, která vede k nemožnosti stanovit pro ně environmentální cíle v Plánech povodí. Postup vymezování vodních útvarů proto není uzavřen a bude se vyvíjet až do vyhlášení prvních Plánů povodí. V České republice se mohou vyskytovat vodní útvary povrchových vod kategorie "řeka" nebo "jezero", nebo útvary identifikované jako vodní útvary povrchových vod umělé nebo silně ovlivněné. Vymezení vodních útvarů povrchových vod vychází z těchto zásad/předpokladů: Vzhledem k tomu, že charakterizace vodních útvarů umělých a silně ovlivněných se provede podle popisných charakteristik té kategorie povrchových vod, která je nejblíže příslušnému umělému nebo silně ovlivněnému vodnímu útvaru, je začlenění kteréhokoliv vodního útvaru povrchových vod do kategorie řeka nebo jezero zásadní. V České republice existují jen tři významná jezera přirozeného původu, která ovšem (vzhledem k malé velikosti, typu a lokalizaci v chráněných oblastech) není třeba vyhlásit za samostatné vodní útvary a jsou součástí vodních útvarů tekoucích vod. Všechny vyhlášené vodní útvary kategorie "jezero", tedy splňující obsah článku 2(5) Rámcové směrnice, jsou antropogenního původu a budou identifikovány jako silně ovlivněné vodní útvary, případně umělé (pokud nevznikly modifikací úseku toku). Vymezení vodních útvarů povrchových tekoucích vod na území ČR bylo připravováno současně se základní typologií a vychází z členění hydrografické sítě toků na řády podle Strahlera, tj. hierarchického systému se stoupající číselnou hodnotou "charakteristiky" od pramene po ústí do moře. Princip členění hydrografické sítě podle Strahlera vychází z předpokladu, že řád toků se začne počítat od pramene jako řád 1 a bude se zvyšovat vždy při soutoku s tokem stejného řádu. Není tedy důležité který tok (řád) se vlévá do moře, ale v tocích stejného řádu můžeme ve stejných (antropogenně neovlivněných) geografických, klimatických a geologických podmínkách nalézt srovnatelná společenstva vodních organismů, stejné fyzikální podmínky nebo stejné nebo velmi podobné pozaďové (neovlivněné) koncentrace chemických látek. Řád toku podle Strahlera je v ekologické literatuře používán jako základní souhrnná typologická charakteristika. Obecné korelace s řádem toku jsou pro vzdálenost od pramene, sklon, průtok atd. Princip stanovení řádu toků podle Strahlera je naznačen na obr. 2.7. - 16 (213) -
Obr.2.7: Princip stanovení řádu toku podle Strahlera Pro vymezení vodních útvarů je nutné zvolit vhodnou podrobnost, která zajistí na jedné straně přiměřenou homogenitu (či heterogenitu) vodního útvaru s možností hodnotit ekologický a chemický stav útvaru jako celku a na druhé straně zajistí dostatečnou přehlednost a možnost zpracování výsledků na úrovni celé oblasti povodí, zejména pro účely Plánů povodí. V přípravném období vymezování vodních útvarů (2002-3) byly testovány dvě varianty - se základní jednotkou povodí toku 5. řádu a povodí toku 4. řádu. Na základě postupného projednání návrhu metodiky vymezování vodních útvarů (ve dnech 28.2.2003, 30.4.2003, 4.6.2003) a samostatné schůzky s experty Českého hydrometeoro-logického ústavu byla zvolena varianta založená na dělení hydrografické sítě toků na území ČR na vodní útvary a jejich povodí, kde nejmenší samostatnou jednotkou je tok řádu 4 podle Strahlera a jemu odpovídající povodí. Z toho vyplývá, že toky řádu 1-3 budou zahrnuty v povodí toku 4. řádu a nebudou vymezeny jako samostatné vodní útvary. Vodní útvary toků 4. řádu podle Strahlera označujeme jako horní, protože výše už neleží žádný samostatný vodní útvar a jejich rozvodnice tvoří hranici s jinými povodími toků 4. nebo vyššího řádu. Toky vyšších řádů (5-8) jsou považovány za samostatné ( průtočné ) vodní útvary včetně jejich mezipovodí. Do celkové plochy povodí těchto útvarů musí být započítány i plochy povodí útvarů ležících výše. Na rozdíl od vodních útvarů horních mohou být průtočné vodní útvary dále děleny. Samozřejmým důvodem je změna řádu toku, dále soutok s významným přítokem nižšího řádu, dále mohou být důvodem významné změny přirozeného charakteru toku (např. významné morfologické změny rozdělení na úsek přirozený a silně modifikovaný). U toků vyšších řádů (> 6) bude nutno postupně (obecně v horizontu roku 2006 a podle postupu rozpracovaní Plánů povodí) uvážit oprávněnost či účelnost zahrnutí menších přítoků (řád < 4) do - 17 (213) -
Hydrologie Modul 01 vodního útvaru, vzhledem k přirozeně rozdílným environmentálním cílům. Již zmíněným důvodem dělení jsou vodní útvary stojatých vod (nádrže, rybníky), přerušující primárně geograficky vymezené vodní útvary tekoucích vod. Hlavní rysy a výhody/nevýhody zvoleného systému a jeho podrobnosti: Použitím řádu toku 4 podle Strahlera jako nejmenší jednotky pro vodní útvary se u ploch povodí dostáváme na minimální úroveň cca 10 km2, což je v systému typologie "A" dolní hranice pro typ vodního útvaru podle plochy povodí (příloha II, čl. 1.2.1). Pokud bychom zvolili řád 3 nebo nižší, odpovídající plochy povodí by se zmenšily a dostali bychom se do řádově větší podrobnosti než požaduje WFD pro typologii. A samozřejmě by došlo k nežádoucí "atomizaci" systému. Pokud bychom naopak zvolili řád vyšší (5-6), velikostní kategorie povodí 10-100 km2 by byla zastoupena jen minimálně, a obecně bychom dostali vodní útvary velmi nehomogenní, pro které bychom nedokázali stanovit environmentální cíle, ekologický a chemický stav, atd. Řád toku 4 podle Strahlera odpovídá v zavedeném hydrologickém členění území ČR (podle Základní vodohospodářské mapy 1:50 000) jednomu a více povodím IV. řádu. Jen ve výjimečných případech nemá tok 4. řádu (podle Strahlera) adekvátní hydrologické povodí. Menší jednotky vodních útvarů, založené na členění již od úrovně řádu 4 umožňují stanovit menší množství jednoznačně definovaných typů vodních útvarů a posléze i výběr vhodných referenčních lokalit pro hodnocení stavu vodního útvaru. Sousedící vodní útvary, příslušející do stejného typu, lze pro některé specifické účely, např. pro charakterizaci a určení rizikových vodních útvarů, sloučit do skupin, které mohou být posuzovány společně, včetně určení environmentálních cílů, systému monitoringu apod. Při malém počtu vodních útvarů hrozí riziko, že všechny nebo jejich většina budou označeny jako útvary, kde hrozí riziko nedosažení environmentálních cílů do roku 2015. V případě podrobnějšího členění území budou alespoň některé vodní útvary vyhodnoceny jako nerizikové. Volba menší územní jednotky (vodního útvaru) je výhodná pro přímou komunikaci se samosprávou a s lidmi či organizacemi, kterých se stav vodního útvaru přímo dotýká. Je to výhodné i z pohledu rozhodování na místní úrovni a pro veřejné projednávání Plánů řízení oblastí povodí. "Jezero" čili vodní útvar stojaté vody je vymezen pro objekty stojaté vody, které mají plochu hladiny větší než 0,5 km2 a průměrnou dobu zdržení > 5 dní, a přerušují říční síť na toku 4. - 8. řádu. Tyto objekty jsou vymezeny jako silně ovlivněný vodní útvar. Objekty splňující tyto podmínky, které leží mimo říční síť, resp. na tocích řádu < 4, jsou identifikovány jako umělý vodní útvar (v současné době 2 případy). Ostatní stojaté vody (menší rybníky a zdrže) budou posuzovány jako vliv (pressure) na toku, čili jako součást vodního útvaru tekoucí vody, a hodnocení tohoto útvaru může vést k jeho identifikaci jako silně ovlivněný vodní útvar, ovšem beze změny kategorie. - 18 (213) -
Vlastní postup vymezení vodních útvarů tedy obsahuje následující kroky: Základní systém útvarů povrchových vod tekoucích: Dílčí povodí resp. mezipovodí útvaru je definováno prostřednictvím závěrných profilů, ve kterých dochází k dále uvedené změně řádu toku podle Strahlera. Uzávěrné profily útvarů byly určeny: Na konci úseků toků 4. a vyššího řádu podle Strahlera, na který navazuje úsek toku vyššího řádu. Na konci úseku toků 6. a vyššího řádu před soutokem s tokem o jeden řád nižším. Na konci úseku toků 8. řádu před soutokem s tokem o 2 řády nižším. Vymezení vodních útvarů povrchových vod stojatých: Výběr stojatých vod (nádrží apod.) splňujících kritéria (plocha hladiny, doba zdržení). Jejich začlenění do systému vodních útvarů v říční síti jako prvků přerušujících vodní útvary tekoucích vod a vymezení dalších vodních útvarů tekoucích vod nad a pod "jezery", tedy neomezených změnou řádu toku jako prvním kritériem Guidance. Sumárně je v ČR vymezeno 1103 vodních útvarů povrchových vod. V Oblasti povodí Odry je vymezeno 111 vodních útvarů. 103 vodních útvarů spadá do kategorie "řeka" a 8 vodních útvarů do kategorie "jezero". 2.6.2 Vymezení útvarů podzemních vod Vymezení útvarů podzemních vod je iterativním procesem. Tento proces vymezení vyplývá z textu Rámcové směrnice (WFD) a z navazujících Guidance dokumentů. První krok tohoto vymezení vychází z přírodních podmínek podzemních vod jako je systém proudění a hranice hydrogeologických struktur. Základním podkladem pro vymezování útvarů podzemních vod v ČR je využití hydrogeologické rajonizace. Hydrogeologická rajonizace se v ČR používá již více než 40 let a hydrogeologické rajony jsou základní jednotky pro bilanci množství podzemních vod. Z hlediska přírodních charakteristik dělíme útvary podzemních vod na vlastní útvary a skupiny útvarů. V útvarech podzemních vod plošně převládá jeden vymezitelný kolektor případně více kolektorů pod sebou, skupiny útvarů podzemních vod jsou charakterizovány pestrou směsí lokálních kolektorů. V útvarech podzemních vod se většinou vyskytuje tzv. souvislé zvodnění, které se v případě pánevních struktur realizuje nezávisle na nejbližší erozní bázi (tj. nikoliv do nejbližšího toku) a prakticky to znamená, že hydrogeologická rozvodnice má jiný průběh než hydrologická. Takovéto útvary jsou většinou významné z vodohospodářského hlediska jako zdroje vody pro pitné účely. Naproti tomu skupiny útvarů mají pouze lokální zvodnění, tj. jejich kolektory jsou zpravidla odvodněny do nejbližší erozní báze - do nejbližšího většinou drobného toku. Tyto struktury mají pouze místní vodohospodářský význam. Hranice útvarů se souvislým zvodněním jsou převážně generalizované hranice významných kolektorů (tj. geologické hranice), případně hydraulické hranice, - 19 (213) -
Hydrologie Modul 01 na rozdíl od skupin útvarů s nesouvislým zvodněním, kde lze využít hranice hydrologické. Za útvar podzemní vody není považován každý existující kolektor, ale každý takovýto útvar se skládá z jednoho nebo více významných kolektorů (hranice kolektorů jsou pro zjednodušení totožné s hranicí celého útvaru). Významnost kolektoru, tedy jeho zařazení pro potřeby WFD se určovalo podle využívání podzemní vody. Více kolektorů mají pouze křídové útvary. Na základě analýzy byly zpracovány hranice útvarů podzemních vod. Tyto útvary jsou zpracovány do jednotlivých vrstev ležících nad sebou: útvary podzemních vod - svrchní (kvarter, coniak) útvary podzemních vod - hlavní útvary podzemních vod - hlubinné (bazální kolektor cenomanu) 2.7 Srážkoodtokový proces v povodí Množství vody odtékající z povodí určitým profilem toku je výslednicí řady činitelů, z nichž rozhodující v našich podmínkách jsou atmosférické srážky, které svým množstvím a časovým rozdělením předurčují časový průběh toku. Vztah mezi srážkami a odtokem není však přímý. Je modifikován jednak aktivně ostatními klimatickými faktory, jejich dynamikou vývoje, jednak pasivně ostatními fyzickogeografickými činiteli, kteří jsou v daném povodí stálé. Mimo to se projevuje i vliv člověka. Z klimatických faktorů se uplatňuje rozhodující mírou sluneční záření, teplota a vlhkost vzduchu, intenzita výměny vzdušných mas, které ve svém komplexu ovlivňují výparnost, a tím bilanční poměry v povodí. Na rozdělení celkového odtoku mezi povrchový a podzemní působí činitelé ovlivňující vsak, tj půdní a geologické poměry, vegetační kryt, úprava půdy na velkých výměrách při zemědělském a lesním hospodářství. Geologické podloží a jeho propustnost má význam při utváření odtoku v období bezdeští. Ovšem nepropustné vrstvy (krystalické horniny, ruly, slíny, břidlice) s málo mocným půdním překryvem snižují celkovou retenční kapacitu povodí a spolupůsobí při prudkém stoupání průtoků při vydatnějších deštích. Hustota vodí sítě a s jejím uspořádáním související geometrické vlastnosti povodí (tvar, délka, údolnice) a spádové poměry rozhodují o rychlosti odtoku v povodí, jeho koncentraci v určitém profilu toku. Tedy tyto faktory působí především při utváření extrémních průtoků. Velikost povodí jednoznačně uplatňuje při tvorbě maximálního kulminačního průtoku Q max za povodní. Se vzrůstem plochy povodí pak klesá maximální specifický odtok. Rovněž lze konstatovat, že čím je menší povodí toku, tím nerovnoměrněji je rozdělen odtok v roce. Srážkoodtokovým procesem v povodí rozumíme postupnou transformaci srážky dopadající na povodí až na odtok vody závěrovým profilem povodí obr. 2.8. Je zřejmé, že se jedná o velmi složitý proces, který je ovlivněn řadou činitelů. Především je to skupina klimatických činitelů. Sem patří vlastní časový a prostorový průběh spadlé příčinné srážky, vlhkost ovzduší, výpar, teplota ovzduší, rychlost a směr větru, atmosférický tlak apod. Druhou skupinu - 20 (213) -