Vliv využití krajiny na jednotlivé složky odtoku Vypracovali: Milena Cerhánová Tomáš Severa Jaroslav Vrchota Luděk Tácha
Vliv využití krajiny na jednotlivé složky odtoku Činitelé ovlivňující odtok 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 průběh odtoku. Vztah mezi srážkami a odtokem však není přímý. Je modifikován jednak aktivně ostatními klimatickými faktory, jejich dynamikou vývoje, jednak pasivně ostatními fyzickogeografickými činiteli, kteří jsou v daném povodí stálé. Mimoto se projevuje 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 rozdělění celkového odtoku mezi povrchový, podpovrchový (hypodermický) 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 pro 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 vodní 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. Všechny tyto faktory působí současně, komplexně, v různých kombinacích, takže souvislost mezi atmosférickými srážkami a odtokem jsou mnohdy úplně zastřeny. Podstatně zasahuje i působení člověka, zvláště výstavba vodních nádrží, agrotechnika, uspořádání cestní sítě, výstavba měst a sídlišť, rozsáhlé odvodňování apod. Byť by tyto faktory byly sebekomplikovanější, je nutno vždy pečlivě rozebrat všechny uvedené faktory. Povrchový odtok a jeho vznik Jak již bylo napsáno, na rozdělení odtoku mezi povrchový a podzemní působí jednak činitelé ovlivňující vsak ( půdní a geologické poměry, vegetační kryt, agrotechnika) ale také činitelé ovlivňující intercepci, tedy zachycení srážek vegetačním krytem. Tyto srážky, které se zachytí na částech rostlin, totiž nedopadnou na zem, dochází k jejich následnému vypaření a neúčastní se tedy odtoku. Velikost intercepce závisí na hustotě porostu, jeho zapojení, velikosti listové plochy, stavu porostu V průběhu deště jsou do jeho určité hodnoty prakticky zachyceny veškeré vodní kapky trvale. Hodnota deště, při níž se nasytí povrchové síly korunové plochy včetně vody zadržované kapilárními silami se nazývá dle Krečmera (1960) skropná voda. Její množství se podle druhu porostu pohybuje od 0,5 do 1,8 mm. Při dalším trvání srážky vzrůstá množství zadržované vody až do určitého maxima, kdy se dešťové kapky stékají a odkapávají z listů. Při dosážení této hodnoty se prakticky vyrovnává vydatnost srážek nad úrovní porostu a pod ním. O velikosti tohoto maxima nasycení již nerozhoduje již jen kvalita smáčitelné plochy vegetace, ale především vydatnost a intenzita srážek a vítr, které ovlivňují udržení vodních kapech na vegetaci. Obecný vztah pro intercepci udává HORTON: n H = a + SR bh s
Vegetační kryt koeficient a Luštěniny, brambory, zelí a dalsí kultury nízko rostoucí nad zemí 1,67h 0,49h jetel a luční tráva 0,42h 0,26h krmné trávy, vojtěška, vikev, proso 0,83h 0,33h obiloviny ( žito, pšenice, ječmen) 0,42h 0,16h Kukuřice 0,42h 0,16h smrkový porost 2,15 0,47 borový porost 2,64 0,31 bukový porost 0,57 h-výška porostu v m H s - srážkový úhrn v mm Půdní poměry ovlivňující vsak závisí jednak na předem určených vlatnostech půdy (půdní druh, matečné horniny ze které půda vznikla, geologické podloží), na které hospodaření člověka nemá vliv, ale také na stavu půdní struktury, na utuženosti půdy, jejím prokořeněním a to člověk samozřejmě svým hospodařením, ať v lesích nebo na zemědělské půdě, ovlivňuje. Obecně čím bude v půdě větší obsah kvalitních organických látek, tím větší bude obsah půdních koloidů, bude lepší půdní struktura, větší vsak do půdy a povrchový odtok bude menší. Stejně příznivě působí i kořenový systém, jednak svými mechanickými účinky kdy drolí utuženou půdu, jednak kořenovými výměšky, které přispívají ke vzniku půdních agregátů. Zemědělská výroba většinou ovlivňuje půdní strukturu a tedy i odtokové poměry negativně. Vlivem pojezdu těžkých mechanizačních prostředků se narušuje půdní struktura a dochází k utužování půdy. Vysoký podíl pěstování obilnin a nedostatek organických hnojiv dále vede ke zhoršování půdní struktury a ke zvyšování povrchového odtoku. To má za následek mnoho negativních dopadů, půda je ohrožena erozí ( v ČR je erozně ohroženo 54% orných půd, tj. těch, které leží na svazích se sklonem přes 3 0 ), voda není zadržena v krajině, velice rychle je z ní odváděna, což vede k narušení přirozené rovnováhy a také k vyšším průtokům ve vodotečích v případě intenzivnějších dešťů, tedy k povodním. K rychlému odvodu vody z krajiny přispívá i odvodnění zemědělské půdy ( do konce roku 1995 bylo v ČR 1 081 534 ha funkčních odvodňovacích systémů, tj. 25,3% celkové výměry zemědělské půdy). b Tvorba podpovrchového odtoku na svahu Významnou částí hydrologického cyklu je pohyb vody v půdním a horninovém prostředí pod zemským povrchem. Propojení mezi podzemními rezervoáry plně nasycenými vodou a povrchem je zprostředkováno vadózní zónou, ve které se objem zadržené vody v čase transformuje. Tato proměnlivě nasycená oblast, zásadně ovlivňuje množství a rychlost proudění vody a unášených látek vstupujících do nasyceného prostředí. Množství a rychlost pohybu vody půdním prostředím může též nemalou měrou ovlivnit chování povrchových toků a přispět k vysokým vodním stavům a povodním. Významnými se proto stávají oblasti, kde odtok vzniká. Těmi jsou horská území, v našich podmínkách často postižená znečištěním prostředí, které na mnoha lokalitách vedlo k plošnému odlesnění a k následné změně kvality půdního prostředí. Půdní a horninové materiály, které tvoří prostředí vadózní zóny, mají pro svou pórovitou strukturu velmi specifické vlastnosti. Heterogenita, vrstevnatost a poruchy struktury, nazývané preferenční cesty, v tomto prostředí ovlivňují celkový charakter proudění.
Preferenční cesty se vyskytují ve většině půd, které v našich podmínkách vznikají převážně zvětráváním krystalinického podloží, pokrývajícího více jak polovinu území České republiky. Preferenční cesty mohou být též vytvořeny působením fauny, flóry nebo vlivem klimatických činitelů. Vlivy způsobující preferenční proudění jsou v půdách, vyskytujících se na svažitých územích, zvláště dobře patrné a lze je použít k popisu elementárních projevů preferenčního proudění v přírodním půdním prostředí. Proudění v preferenčních cestách též ovlivňuje charakter transportu látek. Ty se v takovém prostředí pohybují rychle, téměř bez retardace, bez interakce s okolním prostředím, mnohdy i s minimálním poklesem koncentrace. Vliv preferenčního proudění není do dnešního dne dost dobře popsán a ověřen. Bez pochopení tohoto jevu je velmi obtížné stanovit dopady na kvalitu celého podzemního prostředí a přijímat opatření ke zmírnění škodlivého vlivu látek pohybujících se v tomto prostředí. Ke kvantifikování odtoku z půdního profilu na svahu je zvolena většinou kombinace sběrného příkopu podpovrchového odtoku, který je buď doplněn měřením hladiny podzemní vody v piezometrech a sacích tlaků v tenzometrech, umístěných ve skupinách v charakteristických horizontech. Pro bilanční měření půdní vlhkosti je v místě experimentálního zařízení používána neutronová sonda. K charakteru proudění na horském svahu, s mělkým půdním profilem, který tvoří lesní půdy, patří fakt, že k povrchovému odtoku nedochází, srážková voda infiltruje vertikálně a většina podpovrchového odtoku se odehrává na rozhraní půdního profilu s podložím. Proudění v přirozeném půdním profilu s přítomností makropórů je rychlé a má preferenční charakter. K modelování podpovrchového proudění v heterogenním půdním prostředí vykazujícím preferenční proudění existují dva základní přístupy - fyzikální a statistickomechanický. Fyzikální přístup je založen na proudění vody v půdě a vychází z Darcyho zákona a Richardsovy rovnice a využívá konceptu bimodálního pórového prostoru. Statisticko-mechanický přístup je zdůvodněn nedostatkem informací pro fyzikální modelování. Je založen na stanovení přenosové funkce logaritmicko normálního rozdělení. Hydrologické modelování malých zemědělských povodí Jedním z efektivních a adaptabilních nástrojů popisu srážko-odtokového procesu konkrétních povodí, je ověřený matematický model. V zemědělské krajině (resp. v povodí) je vliv lidské kultury dominantní. Dlouhodobě a cíleně byly měněny půdní vlastnosti - opakovaným uplatňováním zúrodňovacích (melioračních) opatření, úpravami vzdušného a vodního režimu (hydromelioracemi), blokacemi pozemků, vedením přístupových komunikací atd. Plošný rozsah systematických opatření je proto pro popsaný typ povodí významný. Roční i sezónní dynamika hydrologických procesů je ovlivňována mimo jiné rozvržením zemědělských kultur a jejich růstovými fázemi, použitými agrotechnickými postupy i provozem hydromelioračních staveb. V květnu 1997 byl zemědělskou grantovou agenturou - NAZV (Národní agentura pro zemědělský výzkum při MZe ČR) přijat tříletý projekt EP70062 "Hodnocení vlivu zemědělského hospodaření na odtokové poměry malých povodí aplikací metod matematického modelování", navazující na výstupy dokončeného mezinárodního projektu "Hydrological forecasting models for small agricultural catchments".pozornost je věnována především sezónním změnám hydrofyzikálních vlastností půd vlivem agrotechnického zpracování, hydrologické funkci travních ploch, malých vodních nádrží, systematického odvodnění, úpravám a údržbě drobných vodních toků, ale i funkci mokřadů a lesů (vyskytujícím se do 10% celkové plochy povodí). Výstupem řešení uvedeného typu jsou vedle statistických charakteristik odhadu chyb modelové aplikace zejména hydrologické bilanční složky (podíly povrchového, hypodermického = mělkého podpovrchového, podzemního odtoku), charakteristiky hydrofyzikálních vlastností aktivního půdního prostředí (infiltrační kapacita, zásobní půdní kapacita, transformační funkce povrchového a
podpovrchového odtoku, podíl odtoku do spodní zvodně, koeficienty aktuální evapotranspirace). Tyto výstupy naleznou uplatnění při posuzování současného stavu i vlivu plánovaných zásahů v krajině s dopadem na celkovou hydrologickou bilanci povodí (změna kultur nebo změna využití území, návrhy ochranných pásem vodních zdrojů apod.), při řešení speciálních problémů vodního hospodářství (vliv odvodnění, efekty regulace odtoku, vliv zatravnění, nebo naopak výstavba rozsáhlých zpevněných ploch - parkoviště, skládky, vliv vodních nádrží a mokřadů). Především je ale projekt orientován na posuzování vlivu zemědělství na vodní režim povodí (úpravy systémů zemědělského hospodaření, členění zemědělských honů, typy osevních postupů, využívání a údržba hydromelioračních staveb). Pokud z modelu zjistíme. Že retenční schopnost povodí je prokazatelně nedostatečná, můžeme na jeho základě navrhnout opatření pro zvýšení retenční schopnosti povodí. Jedná se zejména o: - snížení složek přímého odtoku - snížení povrchového odtoku ( zvýšením infiltrace, zvýšením retence vody v depresích) - zvýšením retenční kapacity půdního profilu - snížením složek hypodermického odtoku ( retardační nádrž, převod povrchových vod) - snížením odtoku soustředěných vod z povodí ( retence v korytech vodních toků, v nádržích) - převedením vody do nižších geologických zvodní tj. prodloužením doby retardace současně s mírným zvýšením složky základního odtoku - nepřímo také zvýšením klimatických ztrát ( ET, intercepce) s efektem krajinně-ekologickým. Použitá literatura: Kemel Miroslav Hydrologie, ČVUT, 1991, číslo publikace 7259, stran 222 Lishcke Peter, Frank Vladimír Hydrologie, meteorologie, pedologie II, VŠCHT, 1988, stran 134 Šanda Martin Tvorba podpovrchového odtoku na svahu, http://cecwi.fsv.cvut.cz/jiz/msteze/msteze.htm Mašín Oldřich, Kulhavý Zbyněk - Hydrologické modelování malých zemědělských povodí, http://www.cdesign.cz/text/ar.asp?ari=382 Kulhavý Zbyněk Využití hydrologického bilančního modelu při posouzení retenčního potenciálu malého zemědělsko-lesního povodí, http://www.hydromeliorace.cz/vumop/publikace/brno99/text1.html