Tomáš
Böhmer
Institut geoinformatiky
VŠB-TU Ostrava
17.
listopadu 15, 70833 Ostrava-Poruba
E – mail:
bojmr@centrum.cz
This Diploma Thesis deals influence of forests vegetation cover and forest soil on rainfall-runoff relationships. One of the key objectives is to verify given thesis by the help watersheds models Bečva and Bělá, which has been generated with support from CHMI in Ostrava-Poruba. The introduction briefly describes impact of forest on rainfall-runoff process. In next part of diploma thesis is paid to creating watershed model of Bělá. Further, follows part of modeling on creating models by the help in use determination runoff time. Final part is applied to summarize results of modeling rainfall episode in different intervals.
Tato práce se zabývá vlivem lesního vegetačního krytu a lesní půdy na srážko-odtokové vztahy. Jedním z hlavních úkolů je ověření stanovených tezí pomocí modelu povodí Bečvy a Bělé, které byly vytvořeny s podporou ČHMU v Ostravě-Porubě. V úvodu je popsán vliv lesa na srážko-odtokový proces. Další část této práce je věnován samotnému vytvoření modelu povodí Bělé. Dále následuje část modelování na vybraných modelech povodí pomocí metod používaných na stanovení odtoku v čase. Závěrečná část je věnována zhodnocení výsledků modelovaní z různých časových úseků srážkových epizod.
Tato diplomová práce se zabývá vlivem lesa na odtok vody z malého povodí. Diplomová práce vznikala ve spolupráci s ČHMÚ v Ostravě-Porubě. Pro zhodnocení výsledků celého srážko-odtokového procesu se využívá metod geografických informačních systémů. Po využití těchto metod na jednom povodí lze porovnávat různé situace vzniklé při extrémních podmínkách (povodních). Zvolenými povodím jsou povodí řeky Bělé a Bečvy. Výsledek práce může zodpovědět některé otázky nejen lidem zajímajících se o lesa a povodně.
Prvním ze čtyř úkolů bylo obecné zhodnocení vlivů lesa na srážko-odtokový proces. Jelikož se v posledních letech vyskytly v ČR velké povodně, vzniklo několik studií o problému lesa a povodně. Nejvýznamnější z nich v oblasti lesů a povodní napsal Petr Kantor [13], v níž jsou shrnuty hlavní faktory vstupující do srážko-odtokového procesu a je jim jednotlivě přiřazen význam v celém procesu.
Druhým problémem bylo sestavení modelu vybraného povodí a následné modelování vlivů změn metodou CN-křivek. Prvním dílčím podúkolem sestavení modelu bylo schematizace povodí, a následný export schematizovaného povodí do základního hydrologického modelu povodí. Druhým podúkolem bylo rozšíření tohoto modelu o meteorologický model, nastavení kontrolní specifikace modelu a kalibrace. Všechny tyto kroky vycházeli z reálných dat z vybraného povodí. Posledním podúkolem bylo modelování na vybraném povodí při různých scénářích. Pro znázornění vlivu lesa bylo zapotřebí stanovit způsob porovnání výsledků modelování a následně toto modelování zhodnotit.
Následoval neméně důležitý třetí úkol, jednalo se opět o modelování vlivů změn land use na vybraném povodí, tentokrát metodou Green-Ampt.
Posledním problémem bylo zhodnocení vlivů změn. Pro znázornění vlivu lesa a jiných land use bylo zapotřebí stanovit způsob porovnání výsledků modelování.
Na začátku je třeba zdůraznit, že význam jednotlivých faktorů roste nebo klesá v závislosti na podmínkách studovaného prostředí. Proto prioritně nejvýznamnějším faktorem jsou atmosférické srážky, od níž se odráží význam dalších faktorů.
Jako vstup do celého systému je hlavním faktorem, který ovlivňuje další jmenované faktory svojí intenzitou, silou a časovým rozložením. Při velkém srážkovém úhrnu v delším časovém úseku se právě tento faktor stává jediným ovlivňujícím celý srážko-odtokový proces. Příkladem byly velké povodně na Moravě v červenci 1997. Během trvalého deště se postupně naplní vodní kapacita celého lesního ekosystému a pak na vodou nasycené lesní půdě musí docházet k povrchovému odtoku. V oblastech na Moravě, postižených extrémně silným trvalým deštěm, mohlo být dosahováno nasycení lesních ekosystémů za 23 - 53 hodin.
Menší význam pro vznik velkých vod na malých vodních tocích mají v naších zeměpisných podmínkách srážky tuhého skupenství. U vertikálních srážek tuhého skupenství lesy svým fyzikálním působením výrazně ovlivňují akumulaci sněhové pokrývky. Mikroklimatické poměry v lesních porostech pak vytvářejí specifické podmínky ablace. Vliv lesa na sněhové poměry se liší v oblastech málo sněžných nížin a pahorkatin od oblastí vysočin a hor, bohatých na sněhové srážky a s jiným charakterem zim. Poznatky k tomu byly shrnuty v knize Pobědinskij a Krečmer [21]. Obecně možno říci, že jehličnaté lesy nížin zadržují mnoho sněhu intercepcí na korunách. Sněhové závěsy tam podléhají více výparu, než sněhová pokrývka v bezlesí [15]. Také tání v tamních lesích probíhá rychle zejména za radiačního typu počasí vlivem příkonu dlouhovlnného záření od korun porostu. Lesy nížin proto nejsou takovou zásobárnou sněhových vod, jakou představují lesy v horách. Tam se na vodní hodnotě sněhové pokrývky v jehličnatých porostech podílejí také bohaté usazené tuhé srážky z horských mlh [5] .
Srážky zaznamenávají určitou ztrátu při smáčení povrchu rostlin. V lese povrchová plocha porostu může být 20 - 30krát větší než plocha pozemku pod tímto porostem. Nesmí se ovšem zapomenout podotknout, že při delších a intenzivnějších srážkách se vliv tohoto faktoru rovná nule.
Při srážkoodtokovém procesu tedy dochází k určité ztrátě atmosférické srážky při průchodu lesním porostem, srážka tedy nedospěje k půdě. Jedná se o intercepční ztrátu. Tato ztráta závisí na faktorech geografických, meteorologických a porostních. Mezi faktory geografickými mají největší vliv nadmořská výška, orientace svahu vůči pohybu vzdušných mas. Hranicí pro průběh intercepčních procesů je nadmořská výška 600 m.n m.. Nad ní se uplatňují usazené (horizontální) srážky z horských mlh - oblaků špatného počasí, které smáčejí povrch porostů. Vertikální srážky jsou pak korunami propouštěny bez intercepčních ztrát, ba s určitým přídavkem navíc.
Lesní půdy jsou typické po stránce hydrologické uspořádáním svrchních vrstev půdy. Na jejich povrchu se nachází hrabanka, tj. odpad listí a větviček v různém stupni rozpadu (A0 horizont). Pod hrabankou je vrstva s různým nahromaděním humusu, se zvýšenou biologickou činností (A horizont). Oba horizonty jsou typické vysokou infiltrační kapacitou pro ovzdušné srážky. Pod ním se u některých typů nachází B horizont, běžně prokořeněný s vysokou vzdušnou kapacitou (15-20%) danou makropóry vytvořenými činností a odumřením kořenové vrstvy stromového a keřového patra. V podloží půd leží Cd vrstva, která tvoří přechod mezi A anebo B horizontem a podložní nezměněnou horninou. Je to zvětralina podložní horniny, s různou propustností podle charakteru podloží. [19]
Oproti zemědělským půdám mají lesní půdy obecně několikanásobně vyšší infiltrační kapacitu a intenzitu průsaku srážkové vody půdou. Je to dáno vyšším obsahem gravitačních pórů v lesní půdě, které jsou hlavní vstupní brannou pro průnik srážkové vody z malých, vodou naplněných proláklin na povrchu půdy do půdního profilu. V půdním profilu pak gravitační póry představují síť preferenčních cest pro pohyb vody v půdě vlivem gravitačních sil. Důsledkem je snazší retence srážkové vody srážkové vody v lesní půdě a tvorba mělkého odtoku vody v půdě aerační vrstvou. Tento podpovrchový (hypodermický) odtok tvoří u lesních půd významnou složku celkového odtoku z lesního povodí. Lesní půda tak významně transformuje srážko-odtokový proces snížením odtoku povrchového přeměnou 10 - 40% úhrnu srážkové vody v odtok podpovrchový, který kulminuje ve vodních tocích se zpožděním za kulminací odtoku povrchového. V některých případech může to být i 100% ovzdušné srážky [13].
Infiltrace je proces pronikání vody do půdního prostředí, obvykle přes povrch půdy. Ovlivňuje významně podíl srážek na povrchovém odtoku, hypodermickém odtoku a odtoku podzemních vod [7].
Faktory ovlivňující infiltraci:
V přírodních podmínkách je proces infiltrace a to zvláště rychlost infiltrace ovlivňována především těmito faktory:
· fyzikální vlastností půdy
· vegetační kryt půdního povrchu
· vlhkost půdy
· intenzita a trvání srážek
· chemické látky přidané do půdy
Teoretické a empirické řešení infiltrace
Z řady přístupů k řešení neustálé infiltrace jsou nejužívanější metody Philips, Overtona, Green-Ampta, Hortona a metoda CN křivek US SCS [7]. Při teoretických řešeních neustálé infiltrace se často obtížně zohledňují velmi různorodé charakteristiky půdy, proto se rovněž využívají empirická řešení vyjadřující průběh procesu infiltrace v konkrétních přírodních podmínkách. Při řešení se vychází z výsledků infiltračních pokusů, jejíchž cílem je určení parametrů tzv. vsakovací křivky půdy(Obrázek 2) [7].
Průběh vsakovací křivky se nejčastěji vyjadřuje s využitím těchto charakteristických hodnot intenzity infiltrace:
Vi,0 …intenzita infiltrace na začátku infiltrace (maximální intenzita infiltrace)
Vi,1 …intenzita infiltrace v 1.minutě od začátku infitrace
Vi,v …ustálená (minimální) intenzita infiltrace
Vi,t …intenzita infiltrace v čase t od začátku infitrace
Analytický vztah pro vyjádření průběhu vsakovací křivky podle Hortona[7]:
kde parametr γ se vypočítá s využitím přímých měření infiltrace.
Kumulativní infiltrace
Máme-li k dispozici vsakovací křivku půdy (ve formě grafu nebo vyjádřenou analyticky), pak velikost kumulativní infiltrace Vi vypočítáme integrací vsakovací křivky pro zvolený časový úsek [2] .
Například pro výpočet kumulativní infiltrace od začátku vsakování, tj. od t1 = 0 do t platí dle rovnice Hortona [7]:
Pro modelování byly v zadání vybrány dvě metody. Pro modelováni byly zvoleny metoda CN-křivek a Green-Ampt, protože mají možnost libovolně měnit typ povrchu studovaného povodí (land use), a dále také schopnost měnit v rámci jedné operace saturaci půdy(PVP) a typ hydrologické půdy(CN-křivky).
Metoda CN (Curve Number Method) byla odvozena v USA službou US SCS (1972), dále pak verifikována pro podmínky v ČR [9]. Metoda umožňuje odvození objemu "přímého odtoku" a kulminačního průtoku na zemědělsky a lesnicky využívaných povodích i na povodích urbanizovaných do velikosti plochy povodí 5 km2. Pod pojmem přímý odtok se rozumí povrchový odtok a odtok prosakující gravitační vody, které nedosáhne hladiny podzemní vody (hypodermický odtok). Objem odtoku je vyjádřen výškou odtoku H0, ve vztahu k výšce výpočtového deště Hd pomocí čísel odtokových křivek CN = 20 až 100.
Metoda CN zohledňuje závislost retence povodí na [7]:
· hydrologických vlastnostech půd (infiltrační schopnost, aj.)
· počátečním stavu nasycenosti půdy
· způsobu využívání půdy (druh využití plochy, druh porostu, charakter zastavěných a zpevněných ploch a způsob obdělávání půdy)
· hydrologických podmínkách (ovlivnění infiltrace vegetačním pokryvem)
Metoda Green-Ampt vychází z obecného zákona o hydraulické vodivosti a rychlosti proudění kapalin(Darcyho zákon) v nenasyceném propustném prostředí. Metodu vystihuje Richardova rovnice pro nenasycený podpovrchový odtok, kde platí:
q …obsah půdní vlhkosti
z …hloubka pod povrchem [cm]
y …kapilární tlak [cm vody]
K(q) …nenasycená hydraulická vodivost [cm/s]
Hydraulická vodivost K(q) vyjadřuje vztah mezi rychlostí infiltrace a hydraulickým gradientem v Darcyho zákoně [1] .
Pro schematizaci povodí Bělé byly poskytnuty data z ČHMÚ v Ostravě-Porubě. Byly to vrstva gridu digitálního modelu terénu odvozená z DMÚ25, vrstva gridu CN-křivek o velikosti buňky gridu 100m pro Moravskoslezský kraj.
Data do meteorologického modelu pocházely ze srážkoměrných stanic ČHMÚ. Data o srážkách byla sbírána do srážkoměrných stanic, data o průtoku na závěrovém profilu byla měřena pomocí tlakového vodoměrné stanice. Informace byly zaznamenávány v 1hodinových intervalech. Pro zpětnou kontrolu správnosti schematizace byla ještě použita vektorová vrstva řek a rozvodnic z ArcČR 500.
Povodí Bečvy bylo z nedostatku času a náročnosti úkolu dodáno z ČHMU V Ostravě-Porubě jako hotový schematizovaný zkalibrovaný srážko-odtokový model povodí. Meteorologická data opět pocházela ze srážkoměrných stanic ČHMU a byla v 1hodinových intervalech.
Pro modelování na povodí Bečvy byl použit programový prostředek HYDROG verze 2. Pro porovnávání změn odtokových situací bylo použito jako nástroje jenom hydrogram, protože v programu Hydrog nebylo možné získat jiný druh shrnutí odtoku a průtoku. Všechny průtoky a celkové odtoky pro scénáře byli sledovány na závěrovém profilu Dluhonice. Celkově byli modelovány dva časové úseky, první z přelomu října a listopadu 2004, druhý z jarního tání v březnu 2005.
Modelování tří scénářů bylo postavené na modelu Bečvy a datech z ČHMÚ v 1hodinových intervalech. Na závěrovém profilu Dluhonice se studoval modelovaný a naměřený průtok a celkový odtok. Na hydrogramu černá linie znamenala modelovaný průtok a hnědá linie měřený průtok.
Pro reálný model (Scénář I) povodí se měřené hodnoty průtoku blížily k hodnotám modelovým. Maximální průtok modelovaných hodnot (Qm = 45,4 m3/s) nastal 1.11. 2004 v 14:00. Maximální průtok měřených hodnot(Qm = 43 m3/s) nastal o 2 hodiny dříve a byl o 2,4 m3/s menší.
Pro modelování vlivů na odtok bylo zapotřebí stanovit způsob, jaké porovnání zvolit, co bude srovnávacím nástrojem a v jaké veličině se budou určovat rozdíly. K vlivům lesa se jevilo nejvhodnější metodou porovnání současného stavu lesa s alternativními scénáři změny:
· využití a pokryvu plochy povodí (land use, land cover)
· vláhových podmínek povodí
v horní, střední části povodí a závěrovém profilu povodí v Mikulovicích. Důvod změny vláhových podmínek byl prostý, s narůstajícím nasycením půdy by měl klesat vliv všech ostatních faktorů modelování.
Sledovacím nástrojem pro porovnávání výsledků modelování byl stanoven hydrogram a sumární Tabulka odtoku. Hydrogram sloužil pro porovnání výsledků na závěrovém profilu Mikulovice, poněvadž v něm byla zapsána křivka modelového a sledovaného průtoků v časovém úseku. Tedy veličinou pro porovnání výsledků byl okamžitý průtok a celkový odtok, jako suma všech průtoků za stanovené časové období. Sumární Tabulka odtoků sloužila pro sledování průtoku a odtoku na horní a střední části povodí Bělé, protože možnost hydrogramu byla vyloučena z důvodu chybějící vodoměrné stanice.
Prostřednictvím modelováni bylo ověřeny různé varianty typu povrchů (land use) při odlišných počátečních vláhových podmínkách. Teze z kapitoly 4 o faktorech ovlivňující celý srážko-odtokový proces vyzdvihly hlavní faktor, atmosférické srážky. Ty jako vstup do modelu hrály hlavní roli při vzniku maximálních průtoků, při časově delší srážkové epizodě. Lesní půda jako sekundární faktor již pak nestíhala infiltrovat veškeré množství srážek a nastával povrchový odtok. Ten by zrychloval maximální průtok v čase v řádu několika hodin na malém povodí jako je Bělá, tedy podporoval vznik povodní na malých horských povodích. Což potvrzovaly i hodnoty při PVP III pro scénář II, kdy celkový odtok z horní části toku by byl již zmiňovaných 221 mm, což se blížilo hodnotě 234 mm stanovené podle Ven Te Chova . Což znamenalo vznik extrémní povodně na horském povodí při nenasycené půdě a zároveň 25%ní povrchový odtok
V scénáři II se při PVP III projevil vliv lesa a lesní půdy, protože při horších vláhových podmínkách se modelované povodí chovalo jako model povodí z reálných hodnot při středně vlhkých vláhových podmínkách. Dalším zajímavým jevem bylo postupné zpomalování odtoku a tedy snižování maximálního průtoku.
Prostřednictvím modelováni metodou Green-Ampt byl ověřeny různé varianty typu povrchů (land use), z nichž vyplynuly předpokládané závěry jako u metody CN-křivek. Oproti CN-křivkám však nebylo možné získat variantu řešení po delším trvání atmosférických srážek.
Dále náročnost tohoto modelovaní spočívala v programovém prostředku HYDROG, který oproti HEC-HMS je placeným produktem. Tudíž nebyla možnost postupovat krok po kroku, ale jen provést čistě modelování na dodaném modelu v pobočce ČHMÚ Ostrava-Poruba. Lze konstatovat, že i za použití odlišné metody, než je metoda CN křivek, je prokazatelný vliv land-use na odtokové poměry. Zatímco těžiště metodiky SCS spočívá v typizaci reakce povodí na přívalové srážky, metoda Green-Ampt je svým založením univerzálnější. Přesto za použití obou těchto metodik byla počáteční hypotéza ověřena.
V průběhu prací byl největším problémem najít správné rozlišení pohledu na celý problém faktorů ovlivňující srážko-odtokový proces a zjistit prioritu a závislosti jednotlivých faktorů mezi sebou. V návaznosti na tuto činnost souběžně vznikl další menší problém, bylo to studium vhodných metod pro následné modelování. Metoda vhodná pro řešení následujících úkolů a reflektující základní faktory vlivu lesa na odtok nakonec zbyla jenom jedna.
Schematizace vybraného povodí byla integrující článkem mezi teoretickou částí práce a tvorbou konkrétního modelu povodí. V této části byla potřeba si osvojit analytické nástroje pro práci s DEM a povodími. Občasným problémem byla nestabilita extenzí, na kterých se schematizace prováděla. S postupem prací se více objevoval problém dostatku, či spíše nedostatku dat vstupující do modelu povodí. V tom by mohl být další úkol definovaný do budoucna, zajistit data z vegetace, data týkající hydrologického typu půd a další.
Celý srážko-odtokový proces by se pak mohl lépe modelovat jako více "homogenním" systémem, otázkou je, zda je to v silách současné vědy, výzkumu a počítačové techniky. Dosavadní systém srážko-odtokového procesu obsahuje hodně stochastických jevů, takže je schopen zachycovat jen nejdůležitější informace.
[1] BEDIENT, PHILIP B. et HUBER, WAYNE C.: Hydrology and Floodplain Analysis 2nd edition, Prentice Hall, 2002
[2] BEVEN, K.J.: Rainfall-runoff modelling, J.Wiley & Sons, 2001
[3] BROOKS K.N et al.: Hydrology and the management of watersheds, Ames, Iowa State University Press, 1997
CHOW VEN TE: Handbook of Applied Hydrology, McGraw-Hill, New York, London, Toronto, 1964
[5] FOJT V., KREČMER, V.: Tvorba horizontálních srážek z mlhy a jejich množství ve smrkových porostech středohorské oblasti. Vodohospodářský Časopis č.6/23, 1975
[6] HEC-HMS 2.2.2 documentation [PDF]. Dostupné na WWW: <http://www.hec.usace.army.mil/>
[7] HRÁDEK F., KUŘÍK P.: Hydrologie, Česká Zemědělská Univerzita Praha, 2002
[8] HRÁDEK F.: Maximální odtok na velmi malých povodích. Doktorská disertační práce, VŠŽ Praha, 1990
[9] JANEČEK M.: Hydrologické výpočty v protierozní ochraně půdy, Informační centrum ČKAIT, Praha ,2001
[10] JANEČEK M. a kol.: Ochrana zemědělské půdy před erozí Metodiky FMZVž, ÚVTIZ, 1992
[11] JANEČEK M.:Použití metody CN k navrhování protierozních opatření. Sborník konference Ochrana půdy před erozí, České Budějovice, 1998
[12] KANTOR P.: Intercepční ztráty smrkových a bukových porostů. Vodohospodářský Časopis č.2/37, 1983
[13] KANTOR P.: Lesy a povodně,Ministerstvo živ.prostředí, Praha 2003
[14] KANTOR P.: Příspěvek k problematice horizontálních srážek v horských lesích. Zprávy Lesnického Výzkumu č.3/30, 1985
[15] KANTOR P.: Vliv druhové skladby lesních porostů na ukládání a tání sněhu v horských podmínkách. Lesnictví č.3/25, 1979
[16] KOVÁŘ P.: Využití hydrologických modelů pro určování maximálních průtoků na malých povodích. VŠZ Praha, MON, 1990
[17] KREČMER V., FOJT V.: Intercepce smrčin chlumní oblasti. Vodohospodářský Časopis č.1/29, 1981
[18] KREČMER V.: Mikroklimatický a vodní režim borových kotlíků, IV.sdělení. Práce Výzk. ústavu les. ČSSR, Praha
[19] PELÍŠEK J.: Atlas hlavních půdních typů ČSSR. SZN + SVPL, Praha a Bratislava 1962
[20] PELÍŠEK J.: Lesnické půdoznalství. SZN , Praha 1964
[21] POBEDINSKIJ A.V., KREČMER V.: Funkce lesů v ochraně vody a půdy. SZN, Praha 1984
[22] RAWLS W.J., BRAKENSIEK D.L.: Estimating soil water retention from soil properties, Journal of the irrigation and drainage division. ASCE, 1982
[23] STARÝ M.: Hydrog 8.6.1, Manuál programu, Hysoft Brno, 1995
[24] ŠAMONIL P.: Stanoviště průzkumu porostů v Českém krasu. Sborník konference ve Svatém Janu pod Skalou 2003, Správa CHKO Český kras, 2004
[25] STARÝ M. et al.: Hydraulika a hydrologie, CERM Brno, 2002