Fluviální geomorfologie Lekce 2 Hydrologie povodí: povrchový odtok, hydrologické extrémy, srážko-odtokové vztahy Osnova přednášky n Variabilita povrchového odtoku n Tvorba povrchového odtoku n Extrémní hydrologické události (povodně, sucha) n Srážko-odtokové vztahy Hydrologická bilance povodí n Vstupy a výstupy vody v povodí: vstup = srážky, výstupy = výpar (evapotranspirace) a říční odtok. n Bilanční rovnice odtoku z povodí: O = S – E O … odtoková výška, S … srážky, E … evapotranspirace n Hydrogeologické povodí = transfer vody mezi povodími, významný pouze v krasových oblastech. Rozložení odtoku na Zemi n Rozložení odtoku v globálním měřítku určováno klimatickými podmínkami (atmosférická cirkulace, rozložení srážek). n Hodnoty odtokové výšky: rovníkové oblasti + západní návětrné strany kontinentů > 1000 mm, suché vnitrozemské oblasti + polární oblasti < 20 mm. Základní hydrologické režimy světových řek (Beckinsale 1969) n Megatermický – tropické vlhké oblasti: největší odtok během léta, minima koncem zimy a na počátku jara. n Megatermický – mírně teplé a vlhké oblasti subtropů a mírného pásma: celkem 5 podskupin; příklad: celoročně víceméně vyrovnaný odtok se slabým minimem v letní sezóně. n Mikrotermický: vyšší zeměpisné šířky (průměrná teplota alespoň jednoho měsíce menší než – 3°C, sněhová pokrývka leží alespoň 1 měsíc); od prosince do dubna odtok nízký, vzrůst v květnu a červnu (tání sněhu) a setrvalý stav v létě (letní deště). n Horský: velké nadmořské výšky; letní maximum odtoku (tání sněhu a ledovců), výrazné rozdíly v odtoku mezi dnem/nocí. Roční rozložení odtoku vybraných řek světa n Irrawaddy n Temže n Jenisej n Massa River Variabilita povrchového odtoku n Rozložení odtoku během roku je výsledkem interakce: geologie, morfometrie povodí, půd, vegetace a klimatu; vzrůstá vliv člověka. Vliv plochy povodí a geologie n Plocha povodí ovlivňuje celkové množství zachycených srážek a následně velikost odtoku z povodí. n Povodí s geologií příznivou pro akumulaci velkých zásob podzemní vody mají čáry překročení ploché (např. říční štěrky, pískovce), v opačném případě strmé (např. nepropustné jíly, slíny); tvar křivky ovlivňují i půdní poměry. Vliv vegetace n Charakter vegtace ovlivňuje: intercepci, evapotranspiraci, pohyb a akumulaci vlhkosti v půdě, způsob akumuluce sněhu, aj. n Rozdílné typy vegetace mají jiný vliv na hodnoty výparu – výpar je větší v lesních porostech než na trvalých travních porostech. n Příklad: bukový les s roční srážkou 1530 mm, na povrch půdy propršelo průměrně 69 % vody (tj. 1060 mm), 2 % stekly po kmenech stromů; sezónní změny v intercepci – léto (stromy mají listí a teploty jsou vyšší) ztráta 35 %, zima – ztráta pouze 22 %. Vliv člověka n Změny land-use (odlesňování). n Vliv přehradních nádrží: - přehrada na řece Peace v Kanadě – snížení ročního rozpětí průtoků ze 150 – 9000 m^3.s^-1 na pouhých 500 – 2000 m^3.s^-1, - přehrady na Murray-Darling v Austrálii – změna rozložení odtoku během roku. - výpar z volné hladiny přehradní nádrže (povodí Dněstru – zmenšení odtoku o 20%). Ovlivnění průtoků přehradními nádržemi v Moravsko-slezských Beskydech n Budování přehrad v 50. a 60. letech 20. stol. - Žermanice (Lučina), Baška (Baštice), Olešná (Olešná), Morávka (Morávka) a Šance (Ostravice). n Setření denního kolísání průtoku při jarním tání sněhu. n Umělé převody vody mezi povodími. n Urbanizace rozsáhlých oblastí (rozrůstání ploch s nepropustným povrchem, budování kanalizačních sítí). Tvorba povrchového odtoku n Základní odtok = povrchový odtok udržovaný ze zásob podzemní vody. n Rychlost vyprazdňování zásob podzemní vody do vodních toků lze vyjádřit pomocí Darcyho zákona: u = k (Δh/Δl) u … filtrační rychlost, k … filtrační koeficient (m.d^-1), h … rozdíl výšky hladiny (m), l … vzdálenost mezi měřícími body ve směru pohybu vody (m). n Hodnoty filtračního koeficientu pro různé horniny: jíl = 0,2 mm.d^-1 středně hrubý písek = 2 m.d^-1 středně hrubý štěrk = 270 m.d^-1 Průběh vyprazdňování zásob podzemní vody do vodních toků Suché roky 1972/73 a 1975/76, v roce 1976 vyschlo 60% koryt potoků a řek v povodí Soar. Přímý odtok – cesty pohybu vody do vodního toku 1) Podzemní odtok 2) Boční odtok půdou 3) Hortonovský povrchový odtok 4) Povrchový odtok po nasycení půdy Vznik povrchového odtoku n Povrchový odtok vzniká dvěma způsoby: - hortonovský povrchový odtok, - povrchový odtok po nasycení půdy. Vliv tvaru svahu na obsah vody v půdě Tvorba povrchového odtoku v malém povodí (povrchový odtok po nasycení půdy) Extrémní hydrologické události n N-letý průtok n Přibližně 20-letá povodeň nastala na Vltavě v Praze v letech 1831, 1847, 1876, 1896 1900, 1954 a 1981 → intervaly 16, 29, 20, 4, 54 a 27 let. Určení velikosti N-letého průtoku n Řada maximálních ročních průtoků n Řada průtoků nad určitým limitem n „Řada ročního překročení“ P = (r)/(n+1) N = 1/P = (n+1)/(r) P … pravděpodobnost překročení daného průtoku, r … pořadové číslo daného průtoku, p … počet prvků řady. Sucha n Typy sucha (Thornthwaite, 1947): n permanentní (pouště a polopouště) n sezónní (střídavě vlhké a suché klima) n nahodilé (humidní oblasti) n skryté (srážky časté, ale nestačí krýt výpar) n Suché období = období roku kdy není překročen M-denní průtok Q[355]. n Hodnoty minimálních průtoků jsou ovlivněny spíše plochou povodí a geologií. Povodně n Plocha a tvar křivky závisí na následujících faktorech: n intenzitě a délce trvání deště, n velikosti a tvaru povodí a říční sítě, n spádu vodních toků, n nasycenosti půdy vodou po posledním dešti, n antropogenních vlivech (land-use, poloha přehrad). Vliv charakteru srážek n Vznik povodně = intenzivní přívalové srážky, dlouhodobé vydatné srážky. n Svět - běžně intenzita 250 mm.h^-1, krátkodobě (s trváním do 20 min) až 400 mm.h-1. n Střední Evropa - extrémy vzácnější, denní srážky nad 300 mm zcela mimořádné. n Povodeň 2002 - 12.8.2002, stanice Cínovec v Krušných horách -- 312 mm; 13.8. 2002, stanice Knajpa v Jizerských horách -- 278 mm. n Český rekord - 29.7.1897, stanice Nová Louka v Jizerských horách -- 345,1 mm. n Rekord pro Moravu a české Slezsko - 9.7.1903,stanice Nová Červená voda na Jesenicku -- 240,2 mm; červenec 1997 – povodeň na Moravě: 6.7.1997, stanice Lysá hora v Moravskoslezských Beskydech – „jen“ 233,8 mm. Vliv charakteru povodí n Faktory ovlivňující průchod povodňové vlny povodím: n tvar povodí, hustota údolní sítě n relativní převýšení povodí n propustnost hornin n typ a hustota vegetačního krytu n Hory: strmé údolní svahy + velký spád koryt + vysoká hustota říční sítě = rychlý nástup povodně, často bleskové povodně, rychlý návrat na úroveň základního odtoku. n Nížiny: menší spád koryt, zplošťování povodňové vlny v důsledku rozlivu vody do údolní nivy, svahy jsou od koryta odděleny úpatními (koluviálními) a říčními sedimenty. Vliv geologie na hodnoty extrémních průtoků Mole = povodí na nepropustném podloží. Kennet = povodí na propustném podloží. Vliv člověka n Antropogenní ovlivnění: n obsahu půdní vody, n výšky hladiny podzemní vody. n Např. odvodňovací příkopy = umělé zvýšení hustoty říční sítě a urychlení povrchového odtoku, podzemní drenáže = odvodnění půdy a zvýšení její retenční schopnosti. Vliv člověka Srážko-odtokové vztahy n Nedostatek limnigrafických stanic, dostatek srážkoměrných stanic – srážky slouží k výpočtu očekávaného kulminačního průtoku povodně. n Přístupy k výpočtu kulminačních průtoků: n empirické modelování, n teoretické modelování. n Empirické modelování Čas koncentrace (T[c]) = doba za kterou odteče voda z nejvzdálenějšího konce povodí až k jeho ústí. Q[k] = cAi Q[k] … kulminační průtok, c … podíl srážkové vody, která odteče jako povrchový odtok, A … plocha povodí, i … průměrná intenzita deště v čase T[c ] n Teoretické modelování n Vznik povodně je ovlivňován příliš mnoha dynamickými faktory, které nelze v terénu měřit. n General catchment model n Kritickým bodem modelu je zásoba půdní vody. n Deficit půdní vláhy (DPV): množství vody vyjádřené v mm, které je nutné pro obnovení tzv. polní vodní kapacity půdy, tj. maxima vody které půda může pojmout při působení gravitace. Transformace povodňové vlny vlastnostmi koryta a údolní sítě n Ovlivňující faktory: a. spád, b. šířka údolního dna. n Úzká údolí s velkým spádem – rychlý průchod a malá transformace povodňové vlny; široká údolní niva s malým spádem – zplošťování povodňové vlny.