Změny srážko-odtokových odtokových poměrů v pramenných oblastech v kontextu RNDr. Zdeněk Kliment, CSc. RNDr. Milada Matoušková, Ph.D. Mgr. Ondřej Ledvinka Mgr. Václav Královec Univerzita Karlova Praha Přírodovědecká fakulta Katedra fyzické geografie a geoekologie kliment@natur.cuni.cz, matouskova@natur.cuni.cz Osnova Cíle výzkumu Charakteristika modelových povodí Analýza trendů srážko-odtokového odtokového režimu Vývoj teplotních a sněhových poměrů Změny ve využití krajiny Upravenost hydrografické sítě a plošné odvodnění Založení experimentálního monitoringu srážek a odtoku Shrnutí výsledků a závěry Pozn. Dále uvedené grafy jsou uvedeny jako příklad, nejsou aktualizované! Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 1
Cíle Sledovat změny ve vývoji srážko-odtokových odtokových poměrů a pokusit se objasnit jejich příčiny v modelových povodích v oblasti Šumavy, Jeseníků a Krušných hor povodí Vydry povodí Blanice povodí Ostružné povodí horní Opavy povodí Opavice povodí Rolavy Povodí reprezentují rozmanitá území s rozdílným podílem míry antropogenního ovlivnění Analýza trendu srážko-odtokového odtokového režimu Jednoduché a podvojné součtové čáry (Q, Qmin) Změny v četnosti výskytu velkých vod (jednoletých a vyšších) a v rozložení odtoku během roku Statistické testy homogenity časových řad (absolutní a relativní homogenita) Statistická analýza trendu s využitím Mann- Kendallova testu Analýza závislostí hydroklimatických prvků Kendallův koeficient pořadové korelace τ b Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 2
Jednoduché součtové čáry (Ostružná, profil Kolinec, 199-26) 1 8 Hr-kum (%) Qr-kum (%) Hr (mm) Hr- letý klouzavý průměr (mm) 22 2 18 kum Qr, Hr (%) 6 2 199 191 193 19 197 199 1961 1963 196 1967 1969 1971 1973 197 1977 datum 1979 1981 1983 198 1987 1989 1991 1993 199 1997 1999 21 23 2 16 1 12 1 8 6 Hr (mm) Podvojné součtové čáry (povodí Otavy, 1962-26) 26) 1 22 8 1993 kum Qr (%) 6 1981 197 2 Vydra (Modrava) Blanice (Blanický Mlýn) Ostružná (Kolinec) 2 6 8 1 kum Hr (%) Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 3
Změny v rozložení srážek a odtoku 1 % 8% 6% % XI. X. IX. VIII. VII. VI. V. IV. III. II. I. XII. Srážky (%) Čachrov 199-26 2% 1 % % 19 9 19 1 19 3 19 19 7 19 9 196 1 196 3 196 196 7 196 9 197 1 197 3 197 197 7 197 9 198 1 198 3 198 198 7 198 9 199 1 199 3 8% 199 199 7 199 9 2 1 2 3 2 Odtok (%) Kolinec 199-26 6% % 2% XI. X. IX. VII I. VII. VI. V. IV. III. II. I. XII. % 19 9 19 1 19 3 19 19 7 19 9 196 1 196 3 196 196 7 196 9 197 1 197 3 197 197 7 197 9 198 1 198 3 198 198 7 198 9 199 1 199 3 199 199 7 199 9 2 1 2 3 2 Vývoj odtoku v červenci a prosinci (Ostružná, 199-26) 16 1 XII mm 12 1 8 6 2 199 19 1 19 3 19 197 199 19 61 1963 196 19 67 19 69 19 71 1973 197 19 77 19 79 1981 19 83 19 8 1987 1989 1991 19 93 19 9 1997 19 99 2 1 23 Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 VII 2
Vývoj průměrné roční teploty vzduchu (Klatovy, 192-26) 26) Průměrná teplota vzduchu - Klatovy (192-26) 2 XII.-II. III.-V. VI.-VIII. IX.-XI. 2 1 1 - -1 192 19 196 198 19 192 19 196 198 196 1962 196 1966 1968 197 1972 197 1976 1978 198 1982 198 1986 1988 199 1992 199 1996 1998 2 22 2 26 C Trendy ve vývoji sněhové pokrývky (povodí Otavy, 192-26) 26) Stanice Klatovy Kašp. Hory Churáňov Nadmořská výška (m) 3 737 1118 Průměrná roční teplota vzduchu ( C) 8,1 6,2, Průměrný roční úhrn srážek (mm) 67 83 198 Průměrná výška sněhové pokrývky (cm) 6,6 1,3 39,1 Průměrná maximální výška sněhové pokrývky (cm) 17, 39,3 97, Průměrný počet dní se sněhovou pokrývkou 9,9 88 13,9 Počet dní se sněhov ou pokrýv kou Srá žky v obd obí XI.-IV. 2 8 Klatovy 18 KašperskéH ory K latovy Churáňov 7 K ašperské Hory 16 C huráňov Počet dní se sněhovou pokrývkou 1 12 1 8 6 mm 6 3 2 2 1 192 19 196 198 19 192 19 19 6 19 8 196 1962 196 1966 1968 197 197 2 197 1976 1978 198 1982 198 198 6 198 8 199 1992 199 1996 1998 2 2 2 2 2 6 192 19 19 6 198 19 192 19 196 198 196 1962 196 1966 196 8 197 1972 197 197 6 1978 198 1982 198 1986 1988 199 199 2 199 1996 199 8 2 22 2 2 6 Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1
Sněhová pokrývka x srážky x teplota (povodí Opavy, stanice Město Albrechtice-Žáry, 1961-26 ) 82 Hchlad [mm] 27 372 317 1963 197 26 1987 196 1982 1979 1976 1967 2 1998 21 262 23 1999 199 11 8 9 9 8 72 27 196 1991 197 Hr[m m] 7 6 36 18 12-3,62-2, -1,38 -,26,86 1,98 3,1,1,9 6,7 7, 8,3 9,1 9,9 ri T r [ C] p růmě r (19 9-2 6 ) prů měr 3 (1 98-1 99 ) prům ěr 2 (1 973-19 83 ) p rů mě r 1 (196 2-1 97 2).pe o da 3.p eri od a 2.pe rio da 1.p eri od a teplota (x), srážky (y), sníh - CHP T chlad [ C] ČHMÚ Statistické testy homogenity časových řad Absolutní homogenita : metoda von Neumanna Pettitův test (Pettit-Mann Mann-Whitney test) Wilcoxonův dvouvýběrový test (Mann-Whitney test) Kruskal-Wallisův test SNHT (standard normal homogenity test) Relativní homogenita: Alexanderssonův test Wilcoxonův jednovýběrový test Metoda van Neumanna je založena na hodnocení rozdílu mezi dvěma následujícími hodnotami, neříká nic o bodu změny. Další testy jsou spíše založeny na hodnocení pořadí prvků řady než na samotné hodnotě. Např.: v Pettitově testu se hledá maximální hodnota (K T ) testovací charakteristiky, označující pravděpodobný bod změny na základě dvou nezávislých výběrů x 1,,x t a x t+1,,x N, kde N je délka časové řady a t rok pravděpodobné změny. U Wilcoxonova dvouvýběrového testu se hodnotí dva nezávislé výběry označené jako X 1 a X 2 o rozsahu N 1 a N 2, opět testujeme přítomnost dělícího rozhraní. Kruskal Wallisův test je zobecněním dvouvýběrového Wilcoxonova testu. SNHT (parametrický test normální rozdělení) sonduje náhlou změnu v průměru časové řady- software AnClim, využití pro srážky a teploty. U relativní homogenity se srovnává časová řada pochybné homogenity s řadami zajištěné homogenity. Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 6
Příklad použití testu dvouvýběrového Wilcoxonova testu (Mann-Whitney) testovací statistiky U1, U2 bere se menší číslo z dvojice U 1 = T 1 -N 1 (N 1 +1)/2 U 2 = T 2 -N 2 (1+N 2 )/2 přičemž U 1 + U 2 = m.n U1 = 21-.(+1)/2 = 6 1. 3... 8. 1+3+++8=21 N 1 = Příklad použití testů pro průtoková a srážková data pro povodí Opavy Opav a-krnov, období 1962-26, resp. 193-26 Řa da n Q1 1 Q 1 2 Q 1 Q 2 Q3 Q Q Q 6 Q 7 Q 8 Q9 Q1 Qr Qc h lad Q te p Q m in H 1 1 H 1 2 H 1 H2 H3 H H H 6 H 7 H8 H9 H1 H r H c h la d H te p Relativní Absolutní homogenita Absolut ní homogenita homogenita V on 2V- 1V- 2V- Pet tit tů Rok z měny (+ Kruskal- Alexand Pettittů Rok změny (+ Kruskal- Neuma Wilcox Wilcox n Wilcox v test podružný) Wallis ersson v test podružný) Wallis n on on on ne 197 ne - - ne 198 ne - ano - ne 1988 ne - ano ano ne 1988 ne - - ne 1983 ne - ano ano ne 1983 ne - - ne 1983 ne - ano - ne 1988 ne - ano ano ne 196 ne - ano ne 1992 ne - 1 Qr_Opava Qr_Opavic e, 8 199 Tab. 1: Homogenita průtokových a, 6 1983 srážkových řad v období 1983 1962-26, resp. 193-26 v povodí, Opavy kum Q (Zdroj: ČHMÚ), 2 1961 196 1969 1973 1977 1981 198 1989 1993 1997 21 2 rok Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 7
Statistická analýza trendu s využitím Mann-Kendallova testu Program MULTMK/PARTMK v y tv ořený Andersem Grimv allem a dále rozv inutý Claudií Libiseller z univ erzity v Linköpingu pro MS Excel v programov acím jazy ce Visual Basic k v ýpočtu neparametrického Mann-Kendallov a testu. Povodí Ostružná Blanice Vydra pro soubor hodnot Z měsíc MK -S p trend MK -S p trend MK-S p trend 1 -,921, 37 -, 988, 323-1,617,16-2, 76, - 1, 82, 6 1,123,261-3 -,27, 8-2, 179, 29 1,191,23 -, 236, 81 - -1, 77, 88 2,88, Qm, 18, 87 - -2, 92, 3 1,78,281-6 -,82, - -2, 673, 8 -, 9,621-7 -2,71, 6 -, 67, - -2, 291,22 8-3,37, 1 -, 337, 736 - -, 8,9-9 -2,291, 22 -, 89, 19 - -1, 398,162-1 -2,7, 1, 292, 77 -,73,2-11 -1,73, 8 -, 28, 78 -,117,97-12 -,786, 32 -, 76, 6 -,7,963-1, 292, 77 - -, 9, 928 -,786,32-2, 629, 29 -, 67, - 1,11,312-3 1, 6, 291 -, 27, 8-1,191,23 - -1,28, 2 -, 61, 1 - -1, 33,193 - -1,, 121-1, 33, 193 - -2, 179,29 6 -,629, 29 - -, 921, 37 - -1, 797,72 H m 7 1, 38, 178 - -1, 28, 2 -,8,393-8, 9, 621 - -1, 73, 8 -, 382,73-9, 67, -, 876, 381 -,629,29-1 1, 6, 11 - -, 876, 381 - -, 18,87-11, 89, 19 - -, 33, 762-1,393,16-12 1, 38, 11-1, 3, 192-1,32,177 - Klatovy Kašperské Hory Churáňov stani ce 1, 28, 98-1, 82, 6 1,6,11-2, 91, 363-1, 72, 116-1,617,16-3 1, 269, 2-2, 336, 19 1,73,8 1, 39, 12 -, 966, 33 -,786,32 -, 977, 328-3, 72, 3,27, 6 2, 8, 1, 899, 369 -,76, - Tm 7 -,16, 88-1, 213, 22 -,831,6-8 1,, 296-3, 37, 1 3,639, 9 3, 99, -, 13, 893 - -, 236,81-1 1, 22, 221-1, 16, 22 -,213,831-11, 371, 711 - -, 9, 621 -,6,9-12, 12, 991-1,, 16-1,393,16-2 parametry k detekci trendu: -míra signifikace p (co nejblíže ) -odhad velikosti směrnice, která určuje směr a velikost trendu MK-S (+ -) 1/ Sezónní Mann-Kendallův test sezóna j pro všechny sezóny 2/ Kendallův koeficient pořadové korelace τ (testov ání analogie trendu X ay) Hodnoty τ pro Qm a Hm v povodí Otavy: Období Ostružná Vydra Horní Blanice 1962 22.39.717.3 1962 197.68.79.67 197 1982.2.793.22 1983 199.6.632.68 Příklad použití Mann_Kendallova testu pro data teploty vzduchu a sněhová data na stanicích Červená, Krnov a Opava (1962-26) Červen á Krnov Op ava Řada n MK-S p Trend Řada n MK- S p Trend Řada n MK-S p Trend T 11 -,137,891 - T11 -,313,7 - T11 -,11,681 - T 12 1,87,277 - T 12,92,38 - T 12,773,39 - T 1 1,88,137 - T 1 1,36,17 - T 1 1,39,16 - T2,881,379 - T2,82,22 - T2,979,328 - T 3,979,328 - T 3,891,373 - T 3,66,12 - T 1,69,9 - T 2,183,29 T 1,7,29 - T 2,6,1 T 3,32,1 T 1,61,16 - T 6 1,2,16 - T 6 3,28,2 T 6,73,63 - T7 2,1,3 T7 3,6,1 T7 1,899,8 - T 8 2,97, T 8 3,663, T 8 1,88,6 - T 9,29,769 - T 9,9,32 - T 9,88,93 - T 1,,62 - T1 1,16,2 - T1 1,273,23 - T r 3,2,1 T r 3,73,1 T r 2,6,39 T c hla d 1,919, - T chlad 1,89,63 - T chlad 1,683,92 - T tep 3,131,2 T te p,79, T te p 2,63,1 S 11-1,879,6 - S11 -,812,17 - S11,7,9 - S 12-1,937,3 - S 12 -,313,7 - S 12 -,66,18 - S 1-1,839,66 - S1 -,68,93 - S1 -,99,618 - S 2-3,72,2 S 2,313,7 - S 2 -,2,87 - S 3-1,869,62 - S 3 -,69,9 - S 3 -,2,61 - S -1,332,183 - S -,86,387 - S -,62,32 - S r -2,86, S r,1,992 - S r -,8,8 - PD11,196,8 - PD1 1 -,12,9 - PD11,329,72 - PD 12 -,73,8 - PD 1 2 -,33,731 - PD 12 -,81,16 - PD 1-1,26,3 - PD 1 -,972,331 - PD 1 -,961,337 - PD2 -,66,6 - PD2 -,2,799 - PD2 -,363,717 - PD 3 -,729,66 - PD 3 -,37,79 - PD 3 -,1,679 - PD -,9,3 - PD -,77,633 - PD -,17,862 - PDr -1,136,26 - PDr -,861,389 - PDr -,82, - Opava_S r -2,68,7 Op ava_t r 2,367,18 (Zdroj: ČHMÚ) Opavice_S r -1,761,78 - Opavice_T r 3,13,3 Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 8
Změny krajinného pokryvu povodí Ostružné 1992 2 112 Nesouvisla islázastavba zástav ba 211 Orna Orná puda půda 222 Ovocné sady 231 Louky 23 Prevazne Přev ážnězemedelske zemědělské oblasti 312 Jehlicnate Jehličnaté lesy 313 Smisene Smíšené lesy 32 Stridajici Střídaj ící se lesy a kroviny křov iny Zdroj dat: CORINE, MŽP ČR Upravenost hydrografické sítě a plošné odvodnění Ostružná 1, 3 kilo me ter s Ostružná Blanice Délka říční sítě (km) 163,9 11,9 Délka uprav ených úseků (km) 33,7 8, (18,*) Stupeň uprav enosti (% ) 2,6 6 (13,*) Zdroj dat: ZVHS Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 9
Vývoj klimatu a nárůst plošného odvodnění v povodí Ostružné, 19-26 Q Kolinec Q_(IV.-IX.) Q_(X.-III.) 19 19 196 197 198 199 196 1961 1962 1963 196 196 1966 1967 1968 1969 197 1971 1972 1973 197 197 1976 1977 1978 1979 198 1981 1982 1983 198 198 1986 1987 1988 1989 199 1991 1992 1993 199 199 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 2 2 26 H povodí H Churáňov H Klatov y H_(IV.-IX.) povodí H_(V.-X.) Churáňov H_(V.-X.) Klatovy H_(X.-III.) povodí H_(XI.-IV.) Churáňov H_(XI.-IV.) Klatovy T Churáňov T Kašper.Hory T Klatovy T_(IV.-IX.) Churáňov T_(IV.-IX.) Kašper.Hory T_(IV.-IX.) Klatovy T_(X.-III.) Churáňov T_(X.-III.) Kašper.Hory T_(X.-III.) Klatovy S_výška Churáňov S_výška Kašper.Hory S_výška Klatovy S_počet Churáňov S_počet Kašper.Hory S_počet Klatovy, ZVHS Shrnutí poznatků Bylo zjištěno období nárůstu odtoku v období 197-19811 (Ostružná, Opavice), následované obdobím snižování průtoků (nehomogenitu prokázaly součtové čáry a potvrdily testy homogenity r. 1983).Neprojevilo se na Vydře. Období vyšších průtoků (197-1982) je vázáno na jedno ze srážkově bohatších období, vyznačuje se nadprůměrnou sněhovou pokrývkou, teplou zimou a chladným létem. Velké vody nemají zásadní vliv na homogenitu časových řad V srážkových řadách nebyly prokázány nehomogenity, v řadách teploty vzduchu se určitá nehomogenita projevila ve 2. pol. 8 let 2. stol.(1988-začátek oteplování?) Trendové analýzy ve. letých časových řadách (1961-26) prokázaly celkové snižování průměrného ročního průtoku, výrazné snížení průtoku v letních měsících a méně prokazatelně zvýšení v zimních měsících (např.blanice). Prokazatelné je zvyšování teploty v jarních, letních a také zimních měsících Významný je úbytek sněhové pokrývky (po r. 1988)-snížení počtu dní se sněhovou pokrývkou, zejména v nižších polohách a snižování průměrné výšky sněhové pokrývky. V 9. letech 2. stol. byly identifikovány významné změny ve využití ploch: pokles výměry orné půdy (Ostružná), kompenzovaný nárůstem travnatých ploch a lesa. Rozsáhlá hydromeliora ydromeliorační opatření ve 2. polovině 2. století (Ostružná a Blanice) koresponduj spondují se zjištěným obdobím nárůstu odtoku (ne již Opavice). Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 1
Literatura KLIMENT, Z., MATOUŠKOVÁ, M. (2): Trendy ve vývoji odtoku v povodí Otavy. Geografie-Sborník ČGS, 11, č.1, Praha, s. 32-. KLIMENT, Z., MATOUŠKOVÁ, M. (26): Changes of runoff regime according to human impact on the landscape. Geografie-Sborník ČGS, 111, č.3, Praha, s.292-3. KLIMENT, Z., MATOUŠKOVÁ, M. (29): Runoff changes in the Šumava Mountains (Black Forest) and the foothill regions: Extent of influence by human impact and climate changes. Water resources management, 23, s.1813-183. LEDVINKA, O. (28): Trendy srážkoodtokového režimu v povodí Rolavy. Diplomová práce. PřF UK. Praha. 122 s. KRÁLOVEC, V. (29): Změny srážkoodtokových poměrů v povodí horní Opavy. Diplomová práce. PřF UK. Praha. 12 s. KLIMENT, Z., MATOUŠKOVÁ, M., MALÝ, A. (28): Monitoring odtokového režimu v experimentálních povodích v pramenné oblasti Blanice. In: Údolní niva jako prostor ovlivňující průběh a následky povodní (Langhammer edt.). UK Praha. ISBN 978-8-8661-9-2. Praha, s. 1-1. Přednáška Povodně v krajině, ZS 29/1 11