Lokální systém včasné výstrahy před povodněmi pro Horní Maršov Miloslav Šír 1, Miroslav Tesař 2 1 Česká společnost vodohospodářská ČSSI, České Budějovice 2 Ústav pro hydrodynamiku AVČR, Praha Souhrn V příspěvku je popsán nově vybudovaný LVS v povodí Úpy a v povodí Lysečinského potoka s uzávěrovými profily v Horním Maršově v Krkonoších. Projektové práce započaly v roce 2011. Vlastním projektovým pracím předcházel hydrogeologický, hydrologický a hydropedologický průzkum území. Na základě průzkumných prací byla obě povodí rozčleněna do řady dílčích povodí a byl zpracován návrh prostorového umístění terénních měřících stanic. V letech 2012 a 2013 byl LVS postupně budován v terénu. V roce 2014 byl LVS uveden do zkušebního provozu. Vysoká pozornost byla věnována dosažení provozní splehlivosti LVS v náročných horských podmínkách. Proto byly v rámci projektu TA02021451 Technologické agentury ČR vyvinuty odolné monitorovací stanice a vodní tenzometr s radiovým přenosem dat, na nichž byl LVS v terénu vystavěn. Monitorovací síť je tvořena 15 základními stanicemi, jednou meteorologickou stanicí a osmi limnigrafickými stanicemi. Více jak dvouletý zkušební provoz LVS v náročných horských podmínkách prokázal, že nově vyvinuté autonomní monitorovací stanice včetně připojených čidel jsou vysoce provozně spolehlivé. Stanice proto nevydávají falešné výstrahy před nebezpečným odtokem v důsledku přístrojových poruch nebo softwarových chyb. Rutinní provoz LVS je nenáročný na obsluhu. Úvod Každoročně na území ČR dochází k 60 až 100 přívalovým povodním, které zasahují zejména horní části toků v podhorských či horských oblastech. Od 90. let došlo patrně v ČR k nárůstu přívalových srážek a k častějším přívalovým povodním (Brázdil, 2002). Přívalové povodně se vyskytují výhradně v letním období v lokálním měřítku a mají často katastrofální důsledky. Vznikají zpravidla v oblasti studených a zvlněných studených front za současného výskytu srážek vysoké intenzity (Štekl et al., 2001). Přívalové povodně způsobuje náhlý plošný odtok srážkové vody a někdy také půdní vody, v jehož důsledku vznikají nebezpečně vysoké průtoky v síti vodních toků (Kakos, 1978). Tento druh povodní lze sice ze synoptických situací předpokládat, ale nikoliv předpovědět dostatečně přesně místně a s dostatečným časovým předstihem. Tím se podstatně odlišují přívalové povodně od záplav, jež jsou vyvolávány dlouhotrvajícími několikadenními vlnami oblastních dešťů, které meteorologická služba umí dostatečně přesně předpovídat v čase i místě (Vašků, 2009). Předpověď oblastních dešťů má obvykle předstih dva až čtyři dny před počátkem deště (Čekal R. et al., 2012). Nadějnou cestou, jak zlepšit výstrahu před přívalovými povodněmi, je budování lokálních výstražných systémů LVS. Přístrojovým základem LVS jsou hladinoměry a srážkoměry s dálkovým přenosem dat. Při překročení nebezpečné úrovně hladiny ve vodním toku nad obcí a za vysokých srážek v povodí nad obcí vysílá LVS výstrahu na mobilní telefony, případně do místního rozhlasu. Pilotní LVS tohoto typu byl vybudován pro obec Olešnice v Orlických horách (Obrusník, 2002).
V příspěvku je popsán nově vybudovaný LVS v povodí Úpy a v povodí Lysečinského potoka s uzávěrovými profily v Horním Maršově v Krkonoších. Obě povodí jsou vystavena vysokému riziku nebezpečných povodní způsobených dešti o vysoké intenzitě v teplém období roku. Návrh LVS byl vypracován na základě projektu, který vycházel z doporučení a zásad zpracovaných ČHMÚ (Kocman et al., 2011) a z publikace University Corporation for Atmospheric Research (NOAA, 2010). Vysoká pozornost byla věnována dosažení provozní splehlivosti LVS v náročných horských podmínkách. Proto byly v rámci projektu TA02021451 Technologické agentury ČR vyvinuty odolné monitorovací stanice (Fiedler et al., 2016a; Fiedler et al., 2016b) a vodní tenzometr s radiovým přenosem dat (Fiedler et al., 2016c), na nichž byl LVS v terénu vystavěn. Projektové práce započaly v roce 2011. Vlastním projektovým pracím předcházel hydrogeologický, hydrologický a hydropedologický průzkum území. Na základě průzkumných prací byla obě povodí rozčleněna do řady dílčích povodí a byl zpracován návrh prostorového umístění terénních měřících stanic. V letech 2012 a 2013 byl LVS postupně budován v terénu. V roce 2014 byl LVS uveden do zkušebního provozu. Přírodní poměry povodí Úpy a povodí Lysečinského potoka Povodí Úpy a povodí Lysečinského potoka leží v Krkonošském Národním Parku. Úpa pramení ve výšce 1432 m n. m. Nedaleko od pramene spadá o téměř 400 m do Úpské jámy. Dále protéká Horním a Dolním úpským vodopádem, kde se do Úpy vlévá Rudný potok, jenž pramení na vrcholu Sněžky. Potom míří k jihu Obřím dolem a Bukovým údolím do Pece pod Sněžkou. V Peci se obrací k východu až jihovýchodu ke středisku Velká Úpa. Za Velkou Úpou se obrací k jihovýchodu a přibírá zleva řeku Malou Úpu, pod Hrádkem se dostává do Temného Dolu a následně do Horního Maršova, kde přibírá Lysečinský potok ve výšce 574 m n. m. Plocha povodí Úpy s uzávěrovým profilem v Horním Maršově u Obecního úřadu činí 81,7 km 2. Nadmořská výška povodí Úpy činí 570 až 1603 m n. m. (Sněžka). Délka toku je 14,7 km. Střední sklon hlavní údolnice činí 3,5 %. Průměrný roční průtok Úpy v Horním Maršově činí 2,58 m 3 /s, stoletý průtok 171 m 3 /s. Povodí Lysečinského potoka s uzávěrovým profilem v Horním Maršově má plochu 17,7 km 2 a leží ve výšce 573 až 1150 m n. m. Délka toku je 7,2 km. Střední sklon hlavní údolnice činí 4 %. Vysoké nadmořské výšce obou povodí odpovídá chladné podnebí (chladné oblasti CH4 a CH6) s vysokým úhrnem srážek (Quitt, 1971). Průměrný úhrn srážek se pohybuje nad 1000 mm za rok a stoupá s nadmořskou výškou. Průměrné roční teploty vzduchu jsou kolem 3 až 4 C. V nejteplejším měsíci červenci dosahují průměrné teploty 12 až 15 C. Letní období je krátké až velmi krátké s chladným a vlhkým počasím. Počet letních dnů je 0 až 30 za rok. Zima je velmi dlouhá se sněhovou pokrývkou 120 až 160 dnů. Geologické podloží tvoří horniny krkonošsko-jizerského krystalinika. Půdní pokryv je tvořen podzosoly, kambisoly, stagnosoly, glejsoly, organosoly, leptosoly a fluvisoly. Vegetační pokryv je na svazích povodí uspořádán do výškových vegetačních stupňů. Stupeň submontánní se rozkládá na úpatí hor a na svazích mezi 400 až 800 m n. m. Stupeň montánní pokrývá svahy v rozpětí 800 až 1200 m n. m. V rozmezí 1200 až 1350 m n. m. probíhá horní hranice lesa, oddělující od sebe stupeň montánní a subalpinský. Vegetaci subolapinského stupně tvoří klečové porosty, přirozené i druhotné smilkové louky a subarktická rašeliniště (Štursa, Dvořák, 2009).
Formování odtoku z povodí Hydrologické poznatky o formování odtoku z horských oblastí ukazují, že odtok z povodí je tvořen dvěma zdroji vody podzemní vodou a vodou z deště nebo tajícího sněhu. Vtok podzemní vody do vodního toku (základní odtok) vytváří průtok, který trvá, i když dlouhodobě neprší. Bezprostřední vtok srážkové vody do toku (přímý odtok) vytváří průtokovou vlnu nad úrovní základního odtoku. Přímý odtok je tvořen nezasáklou srážkovou vodou tekoucí po povrchu svahů směrem vodním tokům (povrchový odtok), mělce vsáklou vodou protékající sklonitou povrchovou vrstvou půdy (podpovrchový odtok) a občasně vodou uvolněnou z půdy v důsledku překročení její retenční kapacity. Tento jev se projevuje náhlým snížením celkové retenční kapacity povodí a zvětšením přímého odtoku (Šír, Tesař, 2013). Základní odtok z obou krkonošských povodí se vytváří podzemní vodou vytékající z hydrogeologického masívu. Hydrogeologický průzkum prokázal, že v hydrogeologickém masívu existují dva vodní kolektory: (1) Svrchní mělký kolektor pod půdním pokryvem v připovrchové zóně rozpukání a rozvolnění hornin má hloubku několik metrů. Tento kolektor má puklinovou a průlinovou propustnost. V něm se nachází volná hladina podzemní vody, která na svazích zhruba sleduje morfologii terénu. (2) Spodní hluboký puklinový kolektor se nachází v hloubkách kolem 20 m; má výhradně puklinovou propustnost. V běžně vodném období je základní odtok z obou povodí vysoký až extrémně vysoký, větší než 10 l.s -1.km 2 (Krásný et al., 1981). Z celkového odtoku z povodí Úpy v Horním Maršově 31 l.s -1.km 2 tedy činí základní odtok tvořený podzemní vodou asi 30 % (v celoročním měřítku tudíž přímý odtok činí asi 70 %). Vysoký základní odtok má za následek rychlé odvodnění svrchního puklinového kolektoru, což se projevuje menším základním odtokem za dlouhodobého sucha. Při dlouhotrvajícím suchu, kdy vytéká voda převážně jen ze spodního puklinového kolektoru, dosahuje průtok v Úpě v Horním Maršově asi 0,5 m 3 /s, čemuž odpovídá základní odtok asi 6 l.s -1.km 2. Výzkum retenční kapacity krkonošských povodí prokázal, že povodí mají celkovou retenční kapacitu typickou pro podmínky vysočin a hor. Na příkladu povodí Modrý Důl (dílčí povodí na Modrém potoce, který je přítokem Úpy) se prokázalo, že v letním období se v povodí zachytí 80 až 140 mm dešťové vody z vícedenní extrémní srážky o úhrnu 260 až 280 mm (Šír, Tesař, 2013). Hydropedologický průzkum povodí prokázal, že retenční kapacita půdy činí asi 60 až 90 mm. Znamená to, že z celkové retenční kapacity povodí činí více jak polovinu retenční kapacita půdy. Terénní měření výtopových infiltrací prokázalo, že ustálená infiltrační rychlost na lokalitách krytých travním porostem činí asi 1,5 m/den; na pozemcích krytých lesním porostem je asi 11 m/den. Což značí, že půdní pokryv je velice propustný, takže umožňuje rychlý vsak deště do povrchové vrstvy, čímž brání vzniku povrchového odtoku. V důsledku velké sklonitosti povodí a velké propustnosti půdního pokryvu se podpovrchová složka přímého odtoku vytváří dosti rychle. Podpovrchový odtok navíc není zpomalován vegetačním pokryvem a mikroreliéfem povrchu krajiny, jako je tomu při povrchovém odtoku. Koncepce lokálního výstražného systému Lokální výstražný systém je na fyzické úrovni vystavěn hierarchicky. V základní úrovni je tvořen sítí autonomních monitorovacích stanic, umístěných na ploše povodí. Každá ze stanic, nezávisle na zbytku sítě a dispečinku, vydává na základě aktuálně měřených dat výstrahy před
nebezpečnými srážkami a odtokem. Zejména se vydávají výstrahy při dosažení vodních stavů odpovídajících jednotlivým stupňům povodňové aktivity (Kocman et al., 2011). V nadřazené úrovni funguje dispečink, sestávající z datového úložiště a programového vybavení. Dispečink je umístěn v bezpečném místě na počítačovém serveru. Monitorovací stanice vysílají data do datového úložiště. Částečný výpadek v přenosu dat ze sítě stanic neznemožňuje činnost dispečinku. Tímto uspořádáním se dosahuje vysoké odolnosti LVS vůči poruchám stanic v základní úrovni a vůči poruchám v přenosu dat ze stanic do nadřazeného dispečinku. Autonomní monitorovací stanice Spolehlivost systému včasné výstrahy je dána spolehlivostí monitorovacích stanic a připojených čidel. Monitorovací stanice jsou umístěné v terénu, proto musí v průběhu roku odolávat vysokým teplotním výkyvům i vysoké vlhkosti vzduchu bez možnosti kompenzovat tyto nepříznivé klimatické vlivy například vnitřním vytápěním, jak se to často děje ve stanicích připojených na síťové napájecí napětí. Monitorovací stanice musí mít velmi malou proudovou spotřebu, aby mohla pracovat po mnoho měsíců bez zdroje externího napájení. Uvedené požadavky splňuje telemetrická stanice H7, která byla vyvinuta v rámci projektu TA02021451 Technologické agentury ČR (Tesař et al., 2014). Stanice je navržena v modifikaci odolná monitorovací stanice vybavená systémem řízeného napájení připojených čidel (Fiedler et al., 2016a) a ve verzi odolná hladinoměrná stanice se zvýšenou spolehlivostí provozu záznamových jednotek instalovaných ve vlhkém prostředí (Fiedler et al., 2016b). Základem stanice je robustní kovový odlitek s vysokým krytím IP67, které zabraňuje proniknutí vlhkosti k veškerým elektronickým obvodům stanice. Krytí IP 67 dovoluje několikadenní zatopení stanice. Stanice je napájena vnitřním dobíjecím Li-Ion článkem. Ten se dobíjí externím gelovým akumulátorem. Akumulátor lze v případě poklesu napětí vyměnit za nový. Akumulátor se může průběžně dobíjet pomocí externího fotovoltaického panelu. Při selhání gelového akumulátoru stanice umožňuje zachování uložených dat po dobu mnoha měsíců. Ke stanici lze připojit velké množství externích čidel nejrůznějších typů kabelovým nebo radiovým připojením. Stanice může kabelově připojené snímače rovněž napájet proudem. Stanice je vybavena grafickým displejem a klávesnicí, což umožňuje kalibraci připojených snímačů a přímou kontrolu měřených hodnot. Stanice řídí měření hodnot z připojených čidel a jejich archivaci do paměti. Interval měření a archivace je nastavitelný samostatně pro každé připojené čidlo od 1 sec. do 24 hodin. Kapacita datové paměti je tak velká, že pojme několik let záznamů měřených dat. Stanice odesílá v nastavitelném intervalu data do datového úložiště přes GPRS síť. Stanice detekuje zvýšenou vlhkost uvnitř přístroje, zvýšený proudový odběr připojených snímačů a další závady stanice a připojených čidel. Stanice vysílá bezprostředně po zjištění závady informaci správci LVS pomocí SMS. Stanice vytváří, uchovává a odesílá do datového úložiště deník, který zaznamenává odeslané a přijaté SMS zprávy, uskutečněné i z různých důvodů neuskutečněné datové přenosy do datového úložiště a všechny poruchy a mimořádné stavy.
Stanice, vystrojená jako meteorologická či limnigrafická, autonomně reaguje na probíhající srážky nebo odtoky a vydává výstrahy. Stanice odesílá výstrahy pomocí SMS až na 30 telefonních čísel a do nadřazeného dispečinku. Obr. 1: Zeměpisné schéma povodí Úpy a Lysečinského potoka, jejich subpovodí a mezipovodí. Plochy jednotlivých povodí k uzávěrovým profilům LIM1 až LIM8 jsou dány v obr. 2. Plochy v obrázku uvedené jsou plochy jednotlivých subpovodí a mezipovodí ohraničených rozvodnicemi. Monitorovací síť na povodí Na základě rekognoskace terénu, hydrologického a hydropedologického průzkumu byla na obou povodích vystavěna monitorovací síť (Tesař, Šír, 2013). Povodí byla rozdělena na řadu subpovodí a mezipovodí (obr. 1). Funkční schéma obou povodí, plochy jejich subpovodí a mezipovodí a přetoky vody mezi nimi znázorňuje obr. 2.
Obr. 2: Funkční schéma povodí Úpy a Lysečinského potoka plochy jejich subpovodí a mezipovodí a přetoky vody (šipky). Plochy jednotlivých povodí k uzávěrovým profilům LIM1 až LIM8 jsou uvedeny u šipek, zbývající hodnoty udávají plochy mezipovodí. Monitorovací síť sestává ze tří typů monitorovacích stanic): Základní stanice je vybavena čidly pro měření srážek, teplot vzduchu ve dvou úrovních, teploty půdy v jedné hloubce v kořenové zóně a vodními tenzometry pro sledování tenzometrických tlaků (Fiedler et al, 2016c). Meteorologická stanice je kromě toho vybavena čidlem pro sledování globální radiace a ultrasonickým anemometrem pro měření směru a rychlosti větru. Limnigrafická stanice je vybavena čidly pro měření polohy hladiny v toku, příp. dalšími senzory (např. teplota vody v toku). V některých případech jsou osazeny kombinované meteorologické a limnigrafické stanice.
Monitorovací síť je tvořena 15 základními stanicemi, jednou meteorologickou stanicí a osmi limnigrafickými stanicemi. Meteorologická stanice je osazena na Výrovce v nadmořské výšce 1362 m n. m., limnigrafické stanice jsou osazeny v uzávěrových profilech LIM1 až LIM8 (obr. 1). Monitorovací síť produkuje tato data: Srážky jsou měřeny v síti meteorologických stanic. Průtoky jsou měřeny v síti limnigrafických stanic v uzávěrových profilech dílčích povodí a v uzávěrovém profilu celého povodí v Horním Maršově. Tenzometrický tlak půdní vody je měřen v síti základních stanic pomocí vodních tenzometrů vyvinutých v rámci projektu TAČR TA02021451 pro tyto účely a volitelně doplněných jednotkou s radiovým přenosem dat pro užití v lokalitách bez dostatečně silného signálu v síti mobilních operátorů (Fiedler et al., 2016c). Globální radiace je měřena v meteorologické stanici umístěné u chaty Výrovka ve výšce 1362 m n. m. Teplota přízemního vzduchu je měřena v síti základních stanic. Provoz a správa Provoz a správa LVS se řídí projektem vypracovaným na základě zásad a doporučení, vydaných ČHMÚ (Kocman et al., 2011) a University Corporation for Atmospheric Research (NOAA, 2010). V projektu LVS je stanoveno, komu se zasílají výstrahy, upozornění a varování. Je jasně určeno, kdo je vyhodnocuje a kdo je oprávněn předávat informace složkám integrovaného záchranného systému a veřejnosti. LVS má vyškoleného správce, který reaguje na akutní hlášení o poruchách a mimořádných stavech stanic a nadřazeného dispečinku. Správce má oprávnění k dálkovému přístupu do datového úložiště dispečinku a do datové paměti měřících stanic. Správce je oprávněn nastavovat všechny parametry, které ovlivňují funkci stanic a dispečinku. Může např. upravovat prahové hodnoty pro vydávání výstrah (vodní stavy odpovídající jednotlivým stupňům povodňové aktivity). Neoprávněná osoba může dálkově přihlížet činnosti měřících stanic a dispečinku přes standardní webový prohlížeč. K tomu je dispečink vybaven uživatelským rozhraním, které umožňuje prohlížení uložených dat formou názorných grafů a obrázků. Provoz autonomních stanic a dispečinku je zcela automatický.lvs nevyžaduje proto nepřetržitou provozní obsluhu. Občasně je nutno v terénu zkontrolovat mechanický stav měřících stanic, připojených čidel a fotovoltaických panelů. Závěr Více jak dvouletý zkušební provoz LVS v náročných horských podmínkách prokázal, že nově vyvinuté autonomní monitorovací stanice včetně připojených čidel jsou vysoce provozně spolehlivé. Stanice proto nevydávají falešné výstrahy před nebezpečným odtokem v důsledku přístrojových poruch nebo softwarových chyb. Rutinní provoz LVS je nenáročný na obsluhu.
Vzhledem k tomu, že výskyt extrémních srážko-odtokových situací v našich horských oblastech roste, je vhodné věnovat budování lokálních výstražných systémů soustavnou pozornost. Poděkování: Tento příspěvek vznikl s podporou projektu TAČR (TA02021451). Literatura Brázdil, R. (2002): Meteorologické extrémy a povodně v České republice Přirozený trend nebo následek globálního oteplování? Geografie Sborník České geografické společnosti 107(4), 349 370. Čekal, R. et al. (2012): Průvodce informacemi pro odbornou vodohospodářskou veřejnost. Praha: Český hydrometeorologický ústav. 51 s. Fiedler, J., Mágr, Z., Tesař, M. (2016a): Odolná monitorovací stanice. Užitný vzor zapsaný na ÚPV pod číslem 29 146. Fiedler, J., Mágr, Z., Tesař, M. (2016b): Odolná hladinoměrná stanice. Užitný vzor zapsaný na ÚPV pod číslem 29 175. Fiedler, J., Mágr, Z., Tesař, M. (2016c): Vodní tenzometr s radiovým přenosem a kompenzací atmosférického tlaku. Užitný vzor zapsaný na ÚPV pod číslem 29 373.Kakos, V. (1978): Hydrometeorologická charakteristika povodní na území ČSR. VTEI, č. 4, s. 127 131. Krásný, J. et al. (1981): Odtok podzemní vody na území Československa. Praha: Český hydrometeorologický ústav. Kocman, T., Kubát, J., Musil, P. (2011): Lokální výstražné a varovné systémy v ochraně před povodněmi [online]. Příručka Ministerstva životního prostředí a Státního fondu životního prostředí České republiky [cit. 28. září 2015]. Dostupný z WWW: <http://www.povis.cz/mzp/131/lvvs.pdf > NOAA (2010): Flash Flood Early Warning System Reference Guide. University Corporation for Atmospheric Research. 204 s. Novák, P. (2007): The Czech Hydrometeorological Institute s Severe Storm NowcastingSystem. Atmospheric Research, 83, 450 457. Novák, P., Kyznarová, H. (2013): Využití radarových měření pro kvantitativní odhady a nowcasting srážek v Českém hydrometeorologickém ústavu. Meteorologické zprávy, 66( 6), 175 181. Obrusník, I. (2002): Úloha předpovědní a výstražné služby Českého hydrometeorologického ústavu při snižování následků přírodních pohrom. In: Rožnovský, J., Litschmann, T. (ed.): XIV. Česko-slovenská bioklimatologická konference. Praha: ČHMÚ. S. 330 338. Quitt, E. (1971): Klimatické oblasti Československa. Studia Geographica, 16. Brno: Geografický ústav ČSAV. Šír M., Tesař, M. (2013): Water retention and runoff formation in the Krkonoše Mts. Opera Corcontica 50/S, 97 106. Štekl, J., Brázdil, R., Kakos, V., Jež, J., Tolasz, R., Sokol, Z. (2001): Extrémní denní srážkové úhrny na území ČR v období 1879-2000 a jejich synoptické příčiny. Národní klimatický program České republiky č. 31. Praha: ČHMÚ. 140 s. Štursa, J., Dvořák, J. (2009): Atlas krkonošských rostlin. České Budějovice: Nakladatelství Karmášek. 336 s. Tesař, M., Fiedler, J., Šír, M. (2014): Nové technologie pro lokální výstražné systémy před bleskovými povodněmi. In: Tesař, M., Brych, K. (ed.) Hydrologie malého povodí 2014. Praha: Ústav pro hydrodynamiku AVČR a Český hydrometeorologický ústav. S. 529 533.
Tesař, M., Šír, M. (2013): Early warning system for flash floods in the Krkonoše Mts. Opera Corcontica 50/S, 107 112. Tesař, M., Šír, M., Lichner, Ľ., Fišák, J. (2008): Extreme runoff formation in the Krkonoše Mts. in August 2002. Soil & Water Research 3(Special Issue 1), S147 S154. Vašků, Z. (2009): Bleskové povodně. Vesmír, 88, 619 622. Reference Šír, M.. Tesař, M.: Lokální systém včasné výstrahy před povodněmi pro Horní Maršov. In: Povodně a hospodaření s vodou sborník přednášek. Líbeznice: Medim, spol. s r.o., 2016, s. 53 59. ISBN 978-80-87140-44-4