ANALÝZA ZMĚN SRÁŽKO-ODTOKOVÝCH POMĚRŮ V POVODÍ OTAVY Zdeněk Kliment*, Milada Matoušková* * Katedra fyzické geografie a geoekologie, PřF UK; e-mail: kliment@natur. cuni. cz. matouskova(g),natur. cuni.cz 1. CÍL ŘEŠENÍ Cílem úkolu bylo sledovat trendy ve vývoji odtoku a srážko-odtokových vztahů v povodí Otavy, zejména s ohledem na možné změny způsobené antropogenními zásahy do říčního systému a celkové struktury povodí (změny krajinného pokryvu apod.). 2. MATERIÁL A METODY 2.1. METODY PRO ZJIŠŤOVÁNÍ ZMĚN V ODTOKOVÉM REŽIMU Změnami odtokového režimu se zabývala řada českých autorů např. Kříž, Kaňok, Bakytová, Brázdil (in Kaňok, 1999). Podle Kaňoka (1999) je možno tyto metody členit do třech základních skupin: I. Metody odhalování antropogenního ovlivňování průtoků • metody porovnávání dvou a více období • metody porovnávající vývojové tendence srážek a odtoku • metody založené na korelačním počtu • metody určení počátku antropogenního ovlivňování velikosti průtoků II. Metody zjišťování velikosti změn v odtoku vlivem antropogenního faktoru: • metody absolutní • metody relativní III. Metody zabývající se změnami průběhu vodního režimu v určitém časovém období • metody statistické • metody analogie • metody kombinované Při řešení této části výzkumného úkolu byla aplikována první skupina metod, tj. metody sloužící k identifikaci antropogenního ovlivnění průtoků, konkrétně metody porovnávající tendence vývoje srážek a odtoku. Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 71 2.2. METODIKA A POSTUP ŘEŠENÍ Za základní metodiku byly vzaty analýzy odtoku pomoci jednoduchých a podvojných součtových čar, doplněné o analýzy trendu vybraných odtokových charakteristik. Postupným načítáním hodnot průtoků v chronologickém pořadí je zaznamenán vývojový trend odtoku. V případě postupného rovnoměrného (lineárního) nárůstu křivky je možno vyloučit antropogenní ovlivnění odtoku. V případě identifikace významných odchylek od lineárního průběhu a zároveň nalezení zlomuje možno uvažovat o změnách v odtokovém režimu, jejichž příčinou mohou být antropogenní úpravy hydrografické sítě, strukturní a kvalitativní změny v povodí, např. změna využití krajiny, změna zdravotního stavu vegetačního pokryvu. Příčinnou změn v průběhu jednoduché součtové čáry mohou být rovněž změny srážkových úhrnů. Proto byly rovněž zkonstruovány jednoduché součtové čáry srážkových úhrnů. Pro přesnější identifikaci zlomů ve vývojovém trendu srážko-odtokového režimu byly dále vyneseny podvojné součtové čáry, tj. vynesení závislosti kumulativních ročních srážkových úhrnů a kumulativních průměrných ročních průtoků. Předpokladem pro samotné zpracování bylo vytvoření jednotné databáze odtokových a srážkových údajů pro povodí Otavy, včetně nezbytné homogenizace srážkových dat a odvození srážkových úhrnů pro dílčí povodí polygonovou metodou. Analýzy součtových řad byly provedeny pro 16 limnigrafických stanic v povodí Otavy (viz tabulka 1, obr. 1), k vyhodnocení srážkových poměrů bylo použito údajů ze 42 srážkoměmých a klimatologických stanic (viz obr. 2). Postup řešení: 1. Shromáždění časových řad denních hodnot průtoků vody a srážkových úhrnů. 2. Homogenizace časových řad měsíčních srážkových úhrnů, doplnění chybějících hodnot na základě regresní analýzy. 3. Výpočet řad měsíčních a ročních srážkových úhrnů pro dílčí povodí polygonovou metodou. 4. Výpočet řad měsíčních a ročních hodnot průtoků vody pro dané limnigrafické stanice. 5. Odvození jednoduchých součtových čar denních hodnot průtoků vody pro dané limnigrafické stanice od zahájení pozorování do r. 2002. Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 72 6. Odvození společných jednoduchých součtových čar měsíčních a ročních hodnot průtoků vody a úhrnů srážek pro dané limnigrafické stanice (hydrologické období 1962-2002). 7. Odvození podvojných součtových čar ročních hodnot průtoku vody a úhrnů srážek pro dané limni grafické stanice (hydrologické období 1962-2002). 8. Odvození jednoduchých součtových řad ročních minimálních průtoků vody pro dané limnigrafické stanice od zahájení měření do r. 2002. Tabulka 1 Přehled limnigrafických stanic v povodí Otavy DBČ název řeka ČHP měří P Hs* Qa qa Hs-62,x* Ho-62,x a>a>a>a> Jednoduchá součtová čára Qd - profil Kolinec Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 77 Jednoduchá součtová čára Qd - profil Nemětice Cn1"^CDCOOCN"=ŤCDCOOCN"=ŤCDCOOCN"=ŤCDCOOCN"=ŤCDCOOCN"=ŤCDCOOCN"=ŤCDCO COCOCOCO^^^^^U^U^U^U^U^CDCDCDCDCDI^I^I^I^I^0D0D0D0D0Da)a)a)a)a) 0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0)0) 3.2. ANALÝZA ZMĚN ODTOKU POMOCI JEDNODUCHÝCH SOUČTOVÝCH CAR PRŮMĚRNÝCH MĚSÍČNÍCH A ROČNÍCH PRŮTOKŮ VODY A SRÁŽKOVÝCH ÚHRNŮ Pro detailnější sledování trendů v odtokovém režimu bylo použito dále společných jednoduchých čar průtoků vody a srážkových úhrnů pro povodí nad daným profilem. Ke konstrukci bylo použito nejprve kumulovaných měsíčních hodnot, posléze pro lepší přehlednost bez ztráty informace kumulovaných ročních hodnot. Délka hodnoceného hydrologické období 1962-2002 byla ovlivněna dostupností srážkových dat potřebných pro odvození úhrnu srážky na plochu povodí. Srážková data byla před použitím homogenizovaná. Chybějící data byla doplněna na základě výsledků regresní analýzy (viz tabulka 3) časových řad měsíčních srážkových úhrnů sousedních stanic. Hodnoty srážkových úhrnů byly pro dané povodí vypočteny polygonovou metodou. Průběhy součtových čar průtoků vody a srážkových úhrnů (viz obr. 4) potvrzují pro některé profily určité změny ve velikosti odtoku. Změny se projevují směrovým odklonem součtové čáry odtoku od součtové čáry srážek, která má bez výjimky lineární charakter. V profilech na horním toku Otavy (Vydra-Modrava, Otava-Rejštejn, Otava -Sušice) nelze vysledovat změny v odtoku. Nejvýraznější změny je možné pozorovat v profilu Ostružná-Kolinec (nárůst průtoku v období 1975-1980), podobně na Blanici (Blanický Mlýn: nárůst Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 78 průtoku 1975-1982, podobně Podedvorský Mlýn, Hracholusky i Heřman) a na Volyňce (Volyňka-Nemětice: 1977-1982, Spůlka-Bohumilice: 1977-1980). Na středním a dolním toku Otavy je tento trend už méně patrný. Zároveň můžeme sledovat v návaznosti na období nárůstu odtoku trend snižování odtoku, který má mírnější charakter a je rozložen do delšího časového období a trvá přibližně do poloviny 90. let. Tabulka 3 Příklad regresních rovnic pro stanici Filipova Huť Měsíc Stanice Rovnice Hodnota spolehlivosti R I Churáňov y =l,2024x+3,4794 0,9037 II Churáňov y=l,251x-4,1106 0,897 III Churáňov y = 0,9922x-2,1656 0,876 IV Churáňov y =l,0094x +0,8252 0,8187 V Churáňov y = 0,8234x+12,712 0,8648 VI Kvilda y = 0,9534x+17,86 0,8098 VII Churáňov y = 0,921 lx+17,802 0,8415 VIII Churáňov y = 0,8579x+12,534 0,8986 IX Churáňov y =l,1334x-1,4397 0,8438 X Churáňov y=l,2336x-4,1578 0,9276 XI Churáňov y =l,2096x-3,3967 0,8339 XII Churáňov y =l,097x+8,4046 0,8789 Při porovnání s čarou ročních úhrnů srážek vyplývá, že pozorovaný trend období zvýšeného nárůstu odtoku koresponduje se srážkově bohatšími obdobími a je typický právě pro 70. a 80. léta. Před tímto obdobím, podobně blíže do současnosti, nebyly odchylky pozorovány, součtové řady průtoku vody a srážkových úhrnů řady mají podobný průběh i ve vodných obdobích. Odchylky se rovněž neprojevily v pramenné, zalesněné části horního povodí Otavy. 3.3. ANALÝZA ZMĚN ODTOKU POMOCÍ PODVOJNÝCH SOUČTOVÝCH ČAR ROČNÍCH PRŮTOKŮ A ROČNÍCH SRÁŽKOVÝCH ÚHRNŮ Pro zpřehlednění situace byly pro všechny sledované profily sestrojeny podvojné součtové čáry ročních průtoků vody a ročních úhrnů srážek, které nejlépe vystihují zjištěné změny ve vývoji odtoku. Pro názornost byly odlišeny úseky s rozdílným vývojem různou barvou a proloženy spojnicí trendu. K lomovým bodům podvojné součtové čáry byly doplněny roky. Výsledky potvrdily poznatky z předchozích analýz. V profilech na horním toku Otavy (Vydra-Modrava, Otava-Rejštejn, Otava-Sušice) nelze vysledovat změny v odtoku. Nejvýraznější změny je možné pozorovat v profilu Ostružná-Kolinec (nárůst průtoku v období 1975-1980), podobně na Blanici (Blanický Mlýn: nárůst průtoku 1975-1982, podobně Podedvorský Mlýn, Hracholusky i Heřman) a na Volyňce (Volyňka-Nemětice: 1977-1982, Spůlka-Bohumilice: 1977-1980). Grant GACR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 79 Obr. 4 Jednoduché součtové čáry Qr, Hr pro profily: a) Modravá, b) Kolinec, c) Nemetice (data: ČHMŮ) Jednoduché součtové čáry Qr, Hr, profil Modravá -Qr-souč.(%) -Hr-souč.(%) Hr(mm) -> I- - l~ ' . I-......-I " 'Hl......... Jednoduché součtové čáry Qr, Hr, profil Kolinec -Qr-souč.(%) -Hr-souč.(%) Hr (mm) -. l--i: . . i-ini.i-i ' .Hi......... Jednoduché součtové čáry Qr, Hr, profil Nemetice 100 -, \-m- Qr-souč.(%) g0 I —♦— Hr-souč.(%) 1500 Hr (mm) -------Klouzavý průměr/5 (Hr (mm)) 80 70 1300 p- 60 i 1100 "g- é 50 | * 40 I 900 30 20 —— */C5r-*^ / 700 \A 10 \y^ sšllssšsslšlllls % $ ! 2 1 1 datum Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 80 Na středním a dolním toku Otavy je tento trend už méně patrný. Zároveň můžeme sledovat v návaznosti na období nárůstu odtoku trend snižování odtoku, který má mírnější charakter a je rozložen do delšího časového období a trvá přibližně do poloviny 90. let. 3.4. ANALÝZA ZMĚN ODTOKU POMOCÍ JEDNODUCHÝCH SOUČTOVÝCH ČAR ROČNÍCH HODNOT SOUČINITELE ODTOKU Podobné trendy ve vývoji odtoku zjištěné analýzou podvojných součtových čar ročních průtoků a srážkových úhrnů pro sledované profily dokumentují jednoduché součtové čáry hodnot součinitelů odtoku z období 1962-2002 (obr. 5 a 6). K nejvýraznějším změnám dochází na profilu Ostružná-Kolinec, změny se neprojevují na Vydře, méně zřetelně se projevují na dolním toku Otavy v Písku. 3.5. ANALÝZA ZMĚN ODTOKU POMOCÍ JEDNODUCHÝCH SOUČTOVÝCH ČAR MINIMÁLNÍCH ROČNÍCH PRŮTOKŮ A PRŮMĚRNÝCH ROČNÍCH PRŮTOKŮ Změny odtokového režimu byly dále studovány na základě analýzy minimálních ročních průtoků. Minimální průtoky byly zvoleny záměrně, neboť při výpočtu aritmetického průměrů ročního průtoku může docházet k určitému zkreslení velikosti odtoku výskytem extrémních situací, tj. minimy a maximy. Při analýze minimálních ročních průtoků byly opět použity jednoduché součtové čáry. Do grafů byly rovněž vynášeny kumulativní hodnoty průměrných ročních průtoků pro znázornění odlišných vývojových trendů obou veličin (obr. 7). Obr. 5 Jednoduchá součtová čára hodnot součinitelů odtoku, 1962-2002 Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 81 Obr. 6 Podvojné součtové čáry Hr, Qr, profily: a) Modravá, b) Kolinec, c) Nemetice (data: ČHMŮ) Podvojná součtová čára Qr, Hr, profil Kolinec Podvojná sou čtová čára Qr, Hr, profil Nem etice Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní' 82 Obr. 7 Jednoduché součtové čáry Qr pro profily: a) Modravá, b) Kolinec, c) Nemetice (data: ČHMÚ) -min Qr -prúm.Qr Jednoduché součtové čáry min Qr a prům. Qr - profil Modravá A Jednoduché součtové čáry min Qr a prům. Qr - profil Kolinec -min Q r -prům. Qr Grant GAČR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní' 83 Při vyhodnocení minimálních ročních průtoků došlo k významnějšímu odchýlení vývojové trendu od směrnice průměrných ročních průtoků u profilů: Otava-Modrava, Otava-Antýgl, Blanice-Blanický Mlýn a Blanice-Heřmaň. V případě profilu Otava-Modrava byl zaznamenán mírný nárůst odtoku min Qr v období 1977-82, rovněž tak na profilu Otava-Antýgl v období 1974-82. V profilu Blanice-Heřmaň byl zaznamenán pouze mírný nárůst odtoku min Qr v období 1975-1982. V profilu Blanice-Blanický Mlýn vykazují min Qr zvýšený nárůst od roku 1974. Zajímávaje rovněž skutečnost, že většina profilů vykazuje v případě směrnic součtových čar min Qr významnější nárůst od roku 1983, než je tomu v případě součtové čáry průměrných Qr. Při analýze vývojových trendů odtokového režimu pomocí jednoduchý součtových čar minimálních ročních průtoků byly rovněž identifikovány změny v odtokovém režimu. Na rozdíl od součtových čar průměrných ročních průtoků byly nalezeny i odlišnosti ve vývojovém trendu na horním toku Otavy, tj. v profilech Vydra-Modrava a Hamerský potok-Antýgl. 4. DISKUSE Aplikované metody potvrdily určité trendy ve vývoji odtoku v různých částech povodí Otavy. Za základní lze považovat použitou metodu jednoduchých součtových čar odtoku, sestavenou na základě denních hodnot průtoků vody pro jednotlivé stanice od začátku měření do současnosti (až 90-ti letá řada). Změny trendu ve vývoji odtoku bylo možné sledovat podrobněji ve spojení se srážkovými úhrny od hydrologického roku 1962. Omezení na posledních 40 let bylo dáno zejména dostupností digitalizovaných srážkových dat. K objektivitě dosažených výsledků by prospělo prodloužení časových řad srážkových úhrnů směrem do historie (využití archivu dat v Brozanech), které by zcela jistě bylo komplikováno absencemi měření na některých současných srážkoměmých stanicích v minulosti. Stanovení průměrné výšky srážky na povodí byla vzhledem k velkému množství zpracovávaných dat na úrovni měsíčních hodnot použita polygonová metoda. Ta se ukázala zejména v horských oblastech v místech s malou hustotou srážkoměmých stanic jako nedostatečná, vedoucí k podhodnocení srážkového úhrnu a k vyšším hodnotám součinitele odtoku (např. profil Vydra-Modrava). Dosažené výsledky by zpřesnily, ne však zásadním způsobem, aplikace dalších interpolačních metod. Hlavní otázkou zůstává, co vlastně vyjadřují zjištěné odchylky v použitých součtových čarách u jednotlivých povodí, zda-li se jedná o přirozený jev nebo jev Grant GACR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 84 ovlivněný lidskou činností, včetně chybného měření veličin, zejména průtoku vody. K evidentnímu nárůstu odtoku dochází na celé řadě sledovaných profilů ve 2. polovině 70. a v 1. polovině 80. let, nárůst je evidentně vázán najedno z vodných období (ta byla ale i dříve, i po r.1995 a podobný efekt se neprojevil). Zajímavé je, že se celý systém pozvolna vrátil do zač. 90 let do svého původního stavu. Největší odchylky vykázaly přitom plošně menší povodí v podhorské části Šumavy, nebyly naopak pozorovány na horských povodích na horním toku Otavy, stejně tak se nezřetelně projevily na dolním toku Otavy. Je možné předpokládat, že vedle velikosti plochy povodí (postupné setření projevů směrem po toku) vzniklou situaci ovlivnily rozdílná struktura krajinného pokryvu a land use a také rozsah úprav odtokových poměrů v povodí (plošné odvodnění zemědělsky využívaných ploch v 60.-80. letech). Pozvolný návrat by bylo možné vysvětlit zvyšováním retenční schopnosti povodí a postupnou nefunkčností provedených meliorační ch úprav. 5. ZÁVĚR Aplikace metody jednoduchých a podvojných součtových čar pro identifikaci změn ve srážko-odtokovém režimu se ukázala jako vhodná. Pomocí kumulativních řad průtoků a srážkových úhrnů byly nalezeny profily a stanoveny období, ve kterých došlo ke změnám v odtokovém režimu. Výrazné změny v odtokovém režimu byly identifikovány na přítocích Otavy: Ostražné, Blanici a Volyňce. Významné změny je možné pozorovat v profilu Ostružná-Kolinec (nárůst průtoku v období 1975-1980), podobně na Blanici (Blanický Mlýn: nárůst průtoku 1975-1982, podobně Podedvorský Mlýn, Hracholusky i Heřman) a na Volyňce (Volyňka-Nemětice: 1977-1982, Spůlka-Bohumilice: 1977-1980). Na středním a dolním toku Otavy jsou již změny v odtokovém režimu méně patrné. Výrazné změny v odtokovém režimu nebyly nalezeny na horním toku Otavy v profilech Vydra-Modrava a Hamerský potok-Antýgl. Podobné trendy vykázaly i hodnoty součinitele odtoku. Při vyhodnocení vývojového trendu minimálních průměrných ročních průtoků byly určité drobné změny v odtoku identifikovány i na horním toku Otavy. 6. LITERATURA Kaňok, J. Antropogenní ovlivnění velikosti průtoků řek povodí Odry po profil Kozle. Spisy práci Přírodovědecké Fakulty Ostravské Univerzity. Ostrava: 1999, č. 10. Kříž, V. Změny a zvláštnosti vodního režimu řeky Ostravice. Geografie, 2003, r. 108, č. 1, s. 36-48. Grant GACR 205/03/Z046 „Hodnocení vlivu změn přírodního prostředí na vznik a vývoj povodní" 85