Retence vody v krajině a říčních nivách

STAVEBNÍ FAKULTA ČVUT V PRAZE

KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ

Retence vody v krajině a říčních nivách Dostál Tomáš

[email protected] Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Retence – prevence sucha Retence – prevence povodní

diskuze o protipovodňové ochraně a prevenci… …. diskuze o koncepci…

opatření technická x opatření v krajině názory nejsou jednotné…

Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Všeobecně se předpokládá zásadní vliv nivy a koryta na transformaci povodňové vlny…. Stejně tak se předpokládá zásadní vliv charakteru krajiny na vznik povodňových odtoků….

Na druhé straně se zdůrazňuje význam vodních nádrží…


[email protected]



všeobecně akceptované „pravdy“

• povrchový odtok nevzniká v lese, na louce nebo obecně v přírodní krajině • přirozená niva má velkou retenci • vodní nádrže mají zásadní retenční efekt • přírodní prvky v krajině mají velký retenční potenciál • revitalizace vodního toku výrazně pozitivně ovlivní transformaci povodňové vlny • …. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Řada procesů je nicméně zákonitá a řada vlivů je zcela jednoznačná, nicméně opomíjená např. Retenční kapacita krajiny je přibližně konstanta – při velkých srážkách může být zanedbatelná Retenční kapacita malé vodní nádrže x její objem x objem odtoku (2 km2povodí, 20 mm srážka, 0,5 odtokový součinitel = vodní nádrž 2 ha, výška hráze 3 m – prázdná !!!)

Liniová PEO – pokud nejsou správně navržena a provedena mohou situaci i zhoršit Charakter koryta se uplatňuje jen po jeho kapacitu – dále už jen niva Retence vody v nádrži – pokud je nádrž plná, pak jen transformace Tvar povodí je zcela zásadní pro tvorbu a průchod vlny a vliv opatření Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Retenční kapacita krajiny je přibližně konstanta – při velkých srážkách může být zanedbatelná

…..povrchový odtok může vznikat i ve zcela přirozeném prostředí – záleží na intenzitě a době trvání srážky…. Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Jednoduchá vizualizace vhodná pro velké oblasti….

Oblasti v povodí, produkující odtok při rostoucím srážkovém úhrnu Aplikací podmínky vzniku povrchového odtoku

(úhrn srážky větší než 20 % potenciální retence) je možno modelovat vznik povrchového odtoku během trvající srážky v celém území a rostoucí plochu, produkující odtok….

Příklad – povodí Nisy (cca 500 km2) Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]

Masivní povodeň = odtok z celé plochy povodí vyvolá v tomto regionu srážka cca 120 mm Příklad srážkových epizod během posledních cca 10 let ve stanici Bedřichov….

datum 14.8.2002 7. – 8.8.2006 7. – 9.8.2010 27. – 29.9.2010 21. – 23.7.2011 2. – 6.7.2012

úhrn srážky/24 hodin (mm) 182 191 260 175 248 126

Masivní povodeň je jevem přirozeným a v těchto podmínkách nevyhnutelným



Na stejně jednoduchém principu je možno popsat tvorbu povrchového odtoku pro různé srážky a různé charaktery území

Retenční kapacita sestává z: • intercepce • infiltrace - nejvýznamnější • povrchové retence


[email protected]



srážka (mm)/infiltrace (mm)

200.0

Infiltrace 10-4 m/s

180.0

10

160.0

20

140.0

30 40

120.0

Intenzita 60 mm/h Intenzita 50 mm/h

100.0 80.0

Infiltrace 10-5 m/s Intenzita 40 mm/h

60.0

Intenzita 30 mm/h

40.0

Intenzita 20 mm/h

50 60 10-4 10-5 10-6

Intenzita 10 mm/h Infiltrace 10-6 m/s Infiltrace 10-7 m/s

20.0 0.0 0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

10-7

140.0

čas (m in.)

Grafické vyjádření vzniku povrchového odtoku při různých typech půd a různých intenzitách srážek. Celková retence (intercepce + povrchová) uvažována konstantou 10 mm Povrchový odtok nastane po cca 20 minutách… Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Liniová opatření – důležitý je správný návrh a realizace


[email protected]




[email protected]



Nevhodný návrh může situaci i zhoršit – objem odtoku vyšší o 15 %, ztráta půdy vyšší cca o 25 % Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Charakter koryta se uplatňuje jen po jeho kapacitu – dále už jen niva


[email protected]



Revitalizace vodních toků a jejich niv….

…snaha o zmenšení průtočného profilu – vyšší stabilita – povodňové průtoky vybřeží… V takovém případě hraje mnohem větší roli stav inundace…. Na studiu procesů v inundaci je možno dobře popsat princip a kapacitu retence….


[email protected]

Retenční a transformační kapacita niv zahrnuje procesy::

• pasivní retence v depresích – hypotéza: vysoký efekt v přírodních nivách s tůněmi a mrtvými rameny

• retenci v půdním profilu – hypotéza: písčité sedimenty s vysokou hydraulickou vodivostí a retenční kapacitou • retenci a transformaci povodňové vlny v inundaci – hypotéza: extenzivně využívané nebo ladem ležící nivy s vysokou drsností, široké, ploché



Porovnání tří pilotních lokalit – úseky niv různých typů a využití – délka cca 6 – 8 km každá:

Horní Lužnice – zcela přirozená Stropnice – extenzivní zemědělství Blanice – intenzivní zemědělství

Výsledky lze částečně generalizovat Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]

Horní Lužnice – zcela přirozená

Stropnice – extenzivní zemědělství

Blanice – intenzivní zemědělství

Pasivní retenční kapacita

• GIS asistovaný postup odhadu objemu pasivního retenčního prostoru • nezbytný podrobný DMT – fotogrammetrické snímky • využitelný prostor jen nad vodní hladinou

• vodní hladina v tůních je předpokládána na stejné úrovni jako v korytě

zdroj: www.trebonsko.ochranaprirody.cz

Finální mapa pasivního retenčního prostoru v nivě Lužnice (přirozená niva, extenzivní LU, heterogenní morfologie)

VÝSLEDKY • má smysl jen v morfologicky heterogenním nivách • v přirozených nivách – nevyužívaných – hladina vody je vysoko – dostupný objem je malý • dostupný retenční prostor představuje cca 0.5 % objemu povodňové vlny (V20 na 10 km délky nivy)

RETENČNÍ KAPACITA PŮDNÍHO PROFILU • odebírány půdní vzorky v charakteristických profilech niv • laboratorní analýza fyzikálních vlastností a stanovení retenčních čar • matematické modelování dynamiky vody – jak rychle voda může proniknout do půdního profilu v porovnání s dobou trvání povodně • uvažovány tři scénáře počátečních podmínek: • odvodněno (normální rozložení vlhkosti) • suché (polní kapacita) • velmi suché (bod vadnutí)

Odběr půdních vzorků– penetrace půdní jehlou, neporušené vzorky různých velikostí

VÝSLEDKY • půdy v přirozených (nevyužívaných) nivách jsou mimořádně heterogenní v porovnání s půdami pravidelně obdělávanými v intenzivních oblastech • hydraulická vodivost v přirozených půdách silně kolísá díky jílovým proplástkům • hladina podzemní vody je v přirozených nivách zpravidla velmi vysoko, zatímco v intenzivních oblastech je uměle snížena – dostupný retenční prostor je proto v přírodních nivách malý • na základě matematického i fyzikálního modelování se retenční kapacita půd v nivách pohybuje od 0,5 % objemu povodňové vlny (V20) pro přirozené nivy po 10 % objemu povodňové vlny (V20) pro intenzivně obdělávané nivy na 10 km délky.

Transformační a retenční efekt koryta a nivy

• tři velmi odlišné charakteristické typy nivy – z hlediska LU a koryta • testovány 1D a 2D hydraulické matematické modely

• scénáře: • současný stav • extenzivní využití • intenzivní využití • zalesnění • vybudování příčných hrázek – posílení retence nivy



Reprezentace terénu na výpočetní síti

Vizualizace současného stavu přirozené nivy Lužnice Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Modelované scénáře

A – současný stav B - zalesněno C - zorněno


[email protected]




D – upravený tok, vyrovnaná niva, orná půda E - dtto, zalesněno


[email protected]




F – současný stav + hráze podél aktivní zóny


[email protected]



Modelované scénáře G – upravené koryto, orná půda x zatravněno, příčné hrázky výšky 1 m


[email protected]



Vyhodnocení hloubek vody a rychlostí pro jednotlivé scénáře A – současný stav

B – současný C současný,zalesněná orná


[email protected]



Vyhodnocení hloubek vody a rychlostí pro jednotlivé scénáře E upravené,stav zalesněno A – současný

D – upravený, orná


[email protected]



3D vizualizace Q5


[email protected]

Modelované schéma revitalizace upraveného toku - STROPNICE

Vizualizace nivy Stropnice, Q5, varianta příčné hráze

Vizualizace nivy Blanice, Q100

Transformation of individual waves (%) for individual scenarios (%) Transformace vlny pro jednotlivéflood scénáře 0

2

4

6

8

10

12

14

BLANICE: v Maintained historii upravená niva,high kapacitní, korytarable o, orná půda, pastviny floodplain, capacityohrázované channel, dikes, land, pastures

BLANICE:BLANICE: Maintainedv floodplain, high capacity channel, dikes, afforested historii upravená niva, kapacitní, ohrázované koryt o, zalesnění Fillings removed, channel, dikes, arable BLANICE: odstranění násypů high niva,capacity kapacitní, ohrázované koryt o,land, ornápastures půda, pastviny BLANICE: návrh revitalizace niva, mělké meandrující koryto, pastviny BLANICE: Revitalization of the channel, shallow meandering, arableorná land,půda, pastures

BLANICE: Revitalization the channel, shallow meandering, afforestedkoryto, zalesnění BLANICE: of návrh revitalizace niva, mělké meandrující LUŽNICE: Natural floodplain, – bush, forest LUŽNICE:shallow příroděmeandering, blí zká niva,original mělké vegetation meandrují cí koryto, původní zká niva, mělké meandrují cí koryto, zalesnění LUŽNICE: NaturalLUŽNICE: floodplain, přírodě shallow blí meandering, afforested

LUŽNICE: NaturalLUŽNICE: floodplain,přírodě shallowblí meandering, arablemeandrují land zká niva, mělké cí koryto, orná půda

Q10 0 Q20

LUŽNICE: Maintained floodplain, trained straight channel, land koryt o, orná půda LUŽNICE: upravená niva, pří méarable kapacitní

Q5 upravená niva, kapacit ní koryto, zalesnění LUŽNICE: Maintained floodplain,LUŽNICE: trained straight channel, afforested LUŽNICE: upravená niva, mělké channel, meandrující koryto, LUŽNICE: Maintained floodplain, shallow meandering active zone aktivní zóna

LUŽNICE: 3 cross dams, straight high capacity channel, arable land koryto, orná půda LUŽNICE: 3 pří čné hrázky, přímé kapacitní 11 high příčných hrázek, přímé kapacit ní koryto, orná půda LUŽNICE: 11 cross LUŽNICE: dams, straight capacity channel, arable land

STROPNICE: Maintained floodplain, highniva, capacity straight channel, pastures, STROPNI CE: v historii upravená pří mé kapacitní koryto, louky a pastviny meadows STROPNICE: Revitalization the channel, shallow afforested STROPNI CE: vofhistorii upravená niva,meandering, pří mé kapacitní koryto, zalesnění STROPNI CE: návrh revitalizace, mělké meandrující korytafforested o, louky a pastviny STROPNICE: Maintained floodplain, high capacity straight channel,

STROPNICE: Revitalization of návrh the channel, shallowmělké meandering, pastures, STROPNI CE: revitalizace, meandrující korytmeadows o, zalesnění STROPNICE: 5 cross CE: dams, straight high capacity channel, STROPNI 5 příčných hrázek, přímé kapacitpastures, ní koryto,meadows louky a pastviny STROPNICE: 5 cross dams, high capacity channel, pastures, bank vegetation STROPNI CE: 5 straight příčných hrázek, přímé kapacit ní koryto, + bř. vegetace

16



Transformace povodňové vlny

Upravené orná

Současné, zalesněné

Délka (km)

Efektivita – nutná délka úseku pro transformaci Q100 na Q50 – příklad LUŽNICE


[email protected]

VÝSLEDKY I. • aby bylo možno reálně kvantifikovat retenční a transformační vliv nivy, je nutno použít ideálně 2D hydraulický model umožňující popis neustáleného proudění • významný efekt mají široké, ploché nivy • nejvýznamnější faktor je drsnost povrchu v nivě – způsob jejího využití

• potenciál je ve snížení kulminačních průtoků, nikoliv ve snížení objemu = zadržení vody • obecně lze očekávat snížení kulminačních průtoků cca o 7 % a časový posun kulminace vlny 10 hod./10 km délky nivy – v případě zcela přirozených niv

VÝSLEDKY II. • Míra transformace vlny odpovídá poměru objemu inundace k objemu vlny a charakteristikám vlny, charakteru povodí, … • Zásadními parametry jsou šířka nivy, její profil, hloubky vody v nivě, ….



ZÁVĚRY Žádné opatření neřeší PPO ani retenci samo o sobě Nezbytné stanovit priority pro danou oblast – (ochrana přírody x průmysl, …) Opatření v krajině mají zásadní důležitost u srážek s dobou opakování cca 20 let, u významnějších roste nutnost kombinace s dalšími typy Zásadním požadavkem je omezení výstavby v nivách a jejich ochrana (retence, minimalizace škod) Ne vždy lze nivu převést na přirozenou – ekonomické ztráty, vlastnické vztahy, pláví, … Pro kvantifikaci komplexního benefitu lze využíti institut „ekologických služeb“ Doc. Dr. Ing. Tomáš Dostál

[email protected]



Děkuji za pozornost a přeji hezký den ….


[email protected]

Flood wave transformation effect of the Lužnice floodplain under scenarios A-F.

Input wave Q5

Input wave Q20

Input wave Q100

Peak disch. delay

Transformation rate

Peak disch. delay

Transformation rate

Peak disch. delay

Transformation rate

Scenario

[hours]

[%]

Scenario

[hours]

[%]

Scenario

[hours]

[%]

B

8.5

95.4

B

6.5

90.5

E

5.5

91.9

A

7.5

96.0

A

6.5

91.7

B

5.5

91.9

C

6.5

96.5

F

55

93.1

A

5.5

93.2

F

6.5

96.5

E

4.5

93.7

F

4.5

94.4

D

0.0

100.0

C

4.5

94.3

D

3.5

94.7

E

0.0

100.0

D

3.0

95.9

C

3.5

95.8

LUŽNICE

Scenario A

Floodplain

Natural conditions

Channel Shallow, meandering L-U in Original – wood, bush floodplain Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%] Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours]

Scenario B

Scenario C

Scenario D

Scenario E

Scenario H

Natural conditions

Natural conditions

trained

trained

11 cross dams

Shallow, meandering

Shallow, meandering

High capacity, straight

High capacity

Shallow, meandering

afforested

Arable land

Arable land

afforested

Arable land

94.7

93.7

94.2

92.7

95.6

94.9

94.9

95.2

93.2

94.1

92.7

95.1

7.5

9.2

7.5

10.8

4.2

5.8

5.8

5.8

9.2

7.5

9.2

5.8

STROPNICE

Scenario A

Scenario B

Floodplain

Historically trained High capacity, straight

Historically trained

Channel

L-U in Meadows, pastures floodplain Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%] Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours]

Scenario C

Scenario D

Revitalization designed Revitalization designed

Scenario E

Scenario F

Cross dams

Cross dams


Shallow, meandering

Shallow, meandering



afforested

Meadows, pastures

afforested

Meadows, pastures

Meadows, pastures, vegetation

95.0

94.4

92.8

90.8

95.9

94.8

93.4

92.1

91.8

94.0

91.0

93.5

4.9

6.2

6.2

8.3

4.3

5.7

6.0

7.4

6.6

6.2

7.0

6.6

BLANICE

Scenario A

Scenario B

Scenario C

Scenario D

Scenario E

Floodplain



Fillings removed

Channel

High capacity, dikes



Shallow, meandering

Shallow, meandering

L-U in floodplain

Arable land, pastures

afforested



afforested

Revitalization designed Revitalization designed

Reduction of peak discharge NPV100 and NPV20 [%]

98.1

97.0

95.7

95.6

98.4

97.4

97.3

97.1

96.7

95.2

Time shift of peak discharge NPV100 and NPV20 [hours]

10.0

12.4

17.1

14.7

8.8

11.2

11.2

11.2

13.5

15.9

Retence vody v krajině a říčních nivách

Recommend Documents