Voda v krajině

Koloběh vody v přírodě je jedním ze základních procesů ovlivňujících život člověk v mnoha aspektech. Vědět, čím je takový cyklus ovlivňován, je klíčové pro zachování dostupnosti vodních zdrojů v dostatečné kvalitě pro využití člověkem. Vodní zdroje jsou stále více ovlivňovány činností člověka a vystaveny změnám klimatu. Následkem těchto vlivů dochází k častějším výskytům extrémních hydrologických jevů (povodně a období sucha). Stále častější a delší období sucha nutí člověka k zadržování vody v krajině. Jsou proto navrhována adaptační opatření podporující zadržení vody v krajině. Dříve než jsou taková opatření uvedena do praxe, jsou testována pomocí hydrologických modelů. Takové modely potřebují jako vstupy experimentálně měřená terénní data. Ústav pro hydrodynamiku má pro tyto účely experimentální základnu v různých oblastech České republiky.

Změny hydrologického režimu krajiny

Vodní zdroje jsou stále více ovlivňovány činností člověka a vystaveny změnám klimatu. Následkem těchto vlivů dochází k častějším výskytům extrémních hydrologických jevů (povodně a období sucha). Z tohoto důvodu je potřeba na tyto změny adaptovat dosud používané metody ve vodním hospodářství. Detailní modelování hydrologického cyklu a jeho komponent umožňuje popis důsledků nastávajících změn, předpověditelnosti těchto změn a posouzení vhodnosti případných opatření ke zmírnění jejich dopadů. Významnou oblastí v tomto úsilí je modelování prostorové distribuce vody a následné určení nejohroženějších regionů. Co nejpřesnější charakteristika nasycení území vláhou spolu s vybranými vstupními podmínkami (využití území, odběry vody a klima) mají pak zásadní vliv na odhad množství a časové rozložení odtoku z povodí.

 

Výpar vody

Výpar vody z krajiny je zásadní složkou hydrologického cyklu, protože přibližně dvě třetiny vody, která spadne v podobě srážek, se dříve či později vrátí zpět do atmosféry právě v podobě vodní páry. Pro odhad množství vody v území je tedy důležité přesně vědět, jaké množství vody se výparu účastní. Měření výparu z krajiny je velmi obtížné, protože je prostorově velmi proměnlivý a závisí na velkém množství proměnných – teplota a vlhkost vzduchu, rychlost větru, dopadajícím množství sluneční energie, množství půdní vody, vegetačním krytu apod. Výpar lze tedy měřit jen na prostorově malých lokalitách a to se značnou nejistotou. V běžné praxi se proto výpar odhaduje pomocí matematických vztahů založených právě na výše zmíněných proměnných. V první řadě je odhadována tzv. potenciální evapotranspirace (maximální možná míra výparu v případě dostatku vláhy na povrchu). Potenciální evapotranspirace je následně redukována na evapotranspiraci aktuální na základě množství dostupné vody a vegetační fázi vegetace. V poslední době se výzkum zaměřuje právě na tyto obtížně stanovitelné složky vodní bilance a hydrologické procesy, které nabývají na významu v období změny klimatu (zimní transpirace, intercepce, usazené srážky a jejich vliv na vodní i látkovou bilanci, atd.).

Retence vody v půdním profilu

Hlubší pochopení procesů rozhodujících o přenosu vody v blízkosti zemského povrchu, včetně interakcí v systému půda-rostlina-atmosféra, je nezbytné pro jejich správný popis a modelování. Popis proudění vody v rámci půdního profilu je ve většině hydrologických modelů ve značně zjednodušené podobě, a to z důvodu množství vstupních parametrů a časové náročnosti výpočtů. Detailnější analýzy efektivity výpočtů nasycení půdního profilu vláhou jsou v současné době zpravidla omezeny na malé experimentální lokality a vegetační období. Objasnění a popis procesů určujících dynamiku nasycení půdního profilu přispěje k lepším předpovědím povodňových událostí (způsobených srážkami jak dlouhodobými, tak přívalovými) a stále častěji se opakujících období sucha.

Hydroekologický monitoring

Od doby Mezinárodní hydrologické dekády (MHD) 1965 – 1974, která byla realizována v rámci programu UNESCO, bylo zřízeno množství experimentálních povodí zaměřených na studium hydrologických procesů v měřítku povodí. Jen dobře definovaná malá povodí přístrojově vybavená na vysoké úrovni mohou totiž poskytnout podklady pro komplexní výzkum fyzikálních, chemických a biologických procesů. Malá experimentální hydrologická povodí tak představují multidisciplinární přírodní laboratoře. Existence dlouhodobého pozorování v malých experimentálních povodích nabývá na významu právě ve světle vlivu změn přírodního prostředí (např. změny klimatu nebo antropogenních vlivů). Tyto změny sebou přináší například potřebu odlišit současné změny hydrologických toků od přírodně podmíněné  nestacionarity (variability) časových řad.

Obr. 1 Aktivní mlhoměr na Poledníku, Šumava

Obr. 2 Experimentální lokalita ve smrkovém porostu (povodí Liz, Šumava)

Výzkum na Ústavu pro hydrodynamiku

Výzkum v oblasti hydrologického cyklu je zaměřen na přesnou kvantifikaci jednotlivých složek hydrologické bilance. Celkový objem evapotranspirace (výpar + fyziologický výpar z rostlin) je odhadován na základě měřených dat sluneční radiace, měření mízního toku ve stromech, výparu z vodní hladiny a intercepce. Pohyb a zadržení vody v půdě jsou simulovány pomocí modelů opírající se o terénní měření sacích tlaků v půdě pomocí půdních tenzometrů v různých hloubkách. Půda je velice heterogenní materiál, navíc je zásadně ovlivňována vegetačním krytem (louka/listnatý les/jehličnatý les), a proto jsou terénní měření prováděna na různě porostlých experimentálních plochách v rámci uzavřených malých povodích. Takové experimentální plochy provozuje Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. v horské části Šumavy již několik desítek let. Experimentálně měřená data umožňují parametrizovat modely, které pak mohou simulovat procesy i v povodích, která tak podrobnými měřeními nedisponují. V povodích středních měřítek je výzkum zaměřen na dopadové studie (klimatická změna, různá vodohospodářská opatření, apod.). Fyzikálně založeným modelem jsou simulovány následky různých změn v povodí na vybrané složky hydrologické cyklu.  Na ÚHsse zaměřujeme nejen na odtok a jeho složky, ale také na zásobu vody v půdě a evapotranspiraci. Sledovány jsou jednak dopady klimatické změny, ale také následky opatření zaváděných v povodí pro zvýšení retence vody v krajině.

Obr. 3 Denní úhrn aktuální evapotranspirace odvozený různými metodami v povodí Cidliny
dne 24. 7. 2006 (horní tři obrázky – výpočet modelu SWIM, spodní dva obrázky – ze satelitních dat pomocí programu SEBCS)

Publikace:

Šípek, V., Tesař, M., (2017). Year-round estimation of soil moisture content using temporally variable soil hydraulic parameters. Hydrological Processes 31(6), 1438-1452.

Oulehle, F., Chuman, T., Hruška, J., Krám, P., McDowell, W. H., Myška, O., Navrátil, T., Tesař, M., (2017). Recovery from acidification alters concentrations and fluxes of solutes from Czech catchments. Biogeochemistry 132(3), 215-272.

Šípek, V., Tesař, M., (2016). Validation of a mesoscale hydrological model in a small-scale forested catchment. Hydrology Research 47(1), 27-41.

Oulehle, F., Kopáček, J., Chuman, T., Černohous, V., Hůnová, I., Hruška, J., Krám, P., Lachmaová, Z., Navrátil, T., Štěpánek, P., Tesař, M., Christopher, E.D., (2016). Predicting sulphur and nitrogen deposition using a simple statistical method. Atmospheric Environment 140, 456-468.

Šípek, V., Daňhelka, J., (2015). Modification of input datasets for the Ensemble Streamflow Prediction based on large scale climatic indices and weather generator. Journal of Hydrology 528, 720-733.

Kategorie Dlaždice.