SEPARACE SLOŽEK DRENÁŽNÍHO ODTOKU A JEJÍ VYUŽITÍ PŘI KLASIFIKACI EXISTUJÍCÍCH DRENÁŽNÍCH SYSTÉMŮ

SEPARACE SLOŽEK DRENÁŽNÍHO ODTOKU A JEJÍ VYUŽITÍ PŘI KLASIFIKACI EXISTUJÍCÍCH DRENÁŽNÍCH SYSTÉMŮ Zbyněk Kulhavý - František Doležal - Mojmír Soukup Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy Praha, Žabovřeská 250, 156 27 Praha 5 Zbraslav, Česká republika, tel. 02/57 92 16 40, fax 02/57 92 12 , E-mail [email protected] Režim drenážního odtoku je analyzován z hlediska svých složek - přímého a základního odtoku, které se liší svou genezí. Přímá složka drenážního odtoku je odezvou na srážku nebo tání, zatímco základní složka je výslednicí dlouhodobé redistribuce podzemních vod. K detekci přítomnosti několika složek v drenážním odtoku byla použita analýza sklonu poklesové větve hydrogramu, která zřetelně ukázala dokonce tři odlišné složky. Ve zbývající části článku se však rozlišují jen dvě hlavní složky. Poměr průměrného základního odtoku k průměrnému celkovém drenážnímu odtoku za určité charakteristické období, označovaný zde jako poměrný základní odtok, může charakterizovat typ zamokření dané lokality v daném období. Pro separaci hlavních složek hydrogramu drenážních odtoků byly použity dvě původní empirické metody (GROUND a MGPM), které jsou v článku podrobně popsány. Tyto metody jsou použitelné i tehdy, nenachází-li se v datové řadě dobře vyvinutá a isolovaná odtoková vlna, datová řada je relativně krátká a vedle drenážního odtoku samotného nejsou k dispozici žádné jiné měřené veličiny. Metody jsou demonstrovány na datech z bezzámrzových období několika let naměřených na pokusných plochách VÚMOP (Cerhovický potok, Černičí a Ovesná Lhota). Výsledky separace pomocí metody GROUND a MGPM se sice mezi sebou poněkud liší, vedou však ke stejným kvalitativním závěrům. Poměrný základní odtok je i na téže lokalitě v různých létech různý. Větší část této variability však nelze vysvětlit různou vodností jednotlivých let. Poměrný základní odtok z drenážní skupiny Š1 v Černičí a ze skupiny Š7 v povodí Cerhovického potoka je výrazně nižší než poměrný základní odtok ze skupiny Š2 v Černičí nebo ze skupiny ŠCH6 v Ovesné Lhotě. První dvě lokality jsou totiž zamokřeny převážně srážkovou vodou vlastní i cizí, zatímco zamokření druhých dvou výrazně ovlivňují pramenní vývěry. Vyšší podíl základního odtoku v Ovesné Lhotě a v Černičí - Š2 také indikuje lokality potenciálně vhodné pro doplnění drenážních systémů prvky retardace odtoku. Postupy v článku popsané obohacují analytické nástroje k hodnocení vlivu drenážních systémů na odtokový režim povodí drobných vodních toků, a to při maximálním využití dostupných datových řad. Bude třeba zobecnit tyto postupy pro využití v širším měřítku. Klíčová slova: Odvodnění, drenáž, hydrologie, přímý odtok, základní, hypodermický, metoda, separace, hydrogram, zamokření, voda, podzemní, výtoková čára, poklesová větev, retardace

-1-

Úvod Drenážní odtok, tj. voda vytékající ze systémů podpovrchového odvodnění zemědělských půd, je specifickou hydrologickou charakteristikou povodí mnoha drobných vodních toků. Jeho vhodnou interpretací lze kvantifikovat krajinně-vodohospodářský potenciál existujících nebo zamýšlených odvodňovacích staveb i skutečné nebo hrozící důsledky zanedbání péče o tato hydromeliorační zařízení, v českých zemích velmi rozšířená. Nabízí se celá řada metod popisu a analýzy drenážního odtoku (srv. Doležal aj., 2000, 2001), k nimž patří i separace různých odtokových složek uvnitř drenážního odtoku samotného. Separace složek, ze kterých se skládá celkový odtok vody závěrovým profilem povodí, je základním nástrojem hydrologie už po mnoho desetiletí. Je používána zejména při analýze povodňových vln k oddělení přímého (povodňového) odtoku, vyvolaného bezprostředně předcházející srážkou, od odtoku základního, který je způsoben výtokem ze zásob podzemních vod v daném povodí. Bylo navrženo mnoho metod, empirických i hydrologicky zdůvodněných, jak separovat přímý odtok od odtoku základního. Většina z nich je založena na grafické nebo početní analýze hydrogramu, tj. grafu závislosti průtoku nebo specifického odtoku na čase (Pilgrim a Cordery, 1993, s. 9.4-9.6). Nověji se v rámci jak přímého, tak základního odtoku rozlišuje několik dílčích složek. Na rozhraní mezi oběma hlavními kategoriemi odtoku nadto bývá vyčleňována třetí hlavní složka, v češtině podle ČSN 726530 (1983) označovaná jako hypodermický odtok (anglicky obvykle "interflow"), která je výsledkem mělce podpovrchového proudění vody směrem dolů po svahu ve svrchních, propustných vrstvách půdy (Mosley a McKerchar, 1993, s. 8.1-8.3). Výbornou, ale nákladnou pomůckou k separaci složek odtoku je analýza obsahu přírodních isotopů (radioaktivních i stabilních) ve srážkách, v půdní a podzemní vodě i v samotném odtoku (srv. Uhlenbrook a Leibundgut, 2000). Relativně jednoduchou metodu separace přímého a základního odtoku, založenou na pozorování hladiny podzemní vody ve vhodných místech povodí, navrhli Kliner a Kněžek (1974). Jinou možností je využít k separaci paralelních dat o srážkách a odvodit pro jednotlivé složky odtoku reprezentativní srážkoodtokové vztahy (např. jednotkový hydrogram, srv. Pilgrim a Cordery, 1993, s. 9.26-9.31). Drenážní odtok bývá často považován za pouhou složku hypodermického odtoku (jak to formulují i Doležal aj., 2000). Ve skutečnosti se však sám skládá z několika složek, jejichž geneze je různá. Tuto skutečnost rozpoznali jako jedni z prvních Fídler (1970) a Švihla (srv. Švihla aj., 1992). Fídler (1970) konstatoval, že vlny podzemních odtoků jsou plošší než povodňové vlny v malých vodních tocích, neboť vztah mezi srážkou a odtokem je tlumen tím, že voda musí projít kratší nebo delší dráhu skrze půdní a horninové prostředí. Švihla (srv. Švihla aj., 1992), vycházeje z toho, že drenážní odtok zachovává podobné tendence jako odtok celkový, dospěl k závěru, že je opodstatněné využít i pro drenážní odtok ověřených postupů separace odtokových vln. Oba autoři rozlišili dvě hlavní složky drenážního odtoku: hypodermickou a základní (v terminologii Fídlera a Švihly podpovrchovou a podzemní). Švihla (srv. Švihla aj., 1992) použil k separaci jednotlivých průtokových vln metodu lineární nádrže, vycházející z modelu dvou nádrží podle Kraijenhoffa van de Leur (1958, 1973), a k separaci dlouhých průtokových řad metodu Killeho (1970, citováno podle Klinera a Kněžka, 1974), založenou na minimálních měsíčních průtocích. Dlouhodobých řad kontinuálně měřeného drenážního odtoku je však velmi málo jak v ČR, tak i v zahraničí. Ani v minulosti, kdy probíhala intenzivní výstavba systémů odvodnění pro zemědělské účely (v 60. až 80. letech 20. století), nebyly takové podklady k dispozici v odpovídající četnosti a délce, s výjimkou několika málo experimentálních ploch. Chyběly proto plošně použitelné podklady k ověření platnosti návrhových parametrů drenáží. To se např. projevilo i nedostatkem měřených dat pro vyjádření vlivu odvodnění za extrémních

-2-

situacích, jakými byly záplavy let 1997 a 1998 (Soukup aj., 1998). Proto je nutné maximálně využívat podkladů dosud naměřených a archivovaných. V této práci jsme se pokusili využít dvou ad hoc navržených empirických metod separace odtoku, které jsou použitelné i tehdy, nenachází-li se v datové řadě velká, dobře vyvinutá a isolovaná odtoková vlna, potřebná k použití metody lineární nádrže, datová řada přitom není dostatečně dlouhá pro použití metody Killeho a vedle drenážního odtoku samotného nejsou k dispozici žádné jiné měřené veličiny. Metody jsou demonstrovány na datech z pokusných ploch VÚMOP. Ve druhé části článku je diskutována vypovídací schopnost výsledků separace a jejich možné využití. Teoretický rozbor Ve středoevropských podmínkách existují čtyři hlavní cesty, kterými se srážková voda dostává z atmosféry do drenáže, přičemž mezi jednotlivými mechanismy jsou pochopitelně plynulé přechody: 1 - Voda po dopadu na povrch půdy, obvykle málo propustné, odtéká po tomto povrchu, postupně se soustřeďuje v určitých odtokových dráhách a hromadí se v depresích, kde je v důsledku malého sklonu povrchu odtok zpomalen nebo zcela zastaven. Je-li v těchto polohách (dráhách soustředěného odtoku a depresích) vybudována drenáž, voda zde vsakuje do půdy a poměrně rychle (zejména prostřednictvím sítě makropórů a jiných preferenčních cest v humusovém horizontu a v zásypu drenážní rýhy) se dostává do drenáže. Přítok vody do drénu je převážně shora, resp. z horního poloprostoru obklopujícího drén. 2 - Podobný případ jako sub 1), ale odtok sám se odehrává pod povrchem, v dočasně nasycené zóně v humusovém horizontu nebo nehluboko pod ním. Tento mechanismus je poněkud pomalejší než předchozí. 3 - Voda vsakuje do půdy na místě, kde dopadla a její další pohyb v půdním profilu, obvykle dostatečně propustném a v oblasti českomoravského krystalinika také mělkém, je převážně svislý až do chvíle, kdy dosáhne nasycené zóny svrchní trvalé zvodně. Voda se pak pohybuje převážně vodorovně až do míst, kde je zvodeň přirozeně nebo uměle odvodňována. Přítok této vody do drénu je radiálně souměrný a převažuje přítok ze spodního poloprostoru obklopujícího drén. Do této skupiny patří i případ, kdy voda z povrchové vodoteče nebo nádrže zpětně vsakuje do podzemního prostoru a takto dotovaná podzemní zvodeň je na jiném místě odvodňována drenáží. 4 - Voda akumulovaná na povrchu půdy i v půdě v pevné fázi (jako sníh nebo led) postupně roztává a odtéká po povrchu nebo podpovrchově podobným způsobem jako sub 1) nebo 2). Rozdíl oproti předchozím případům je především v tom, že jak přítok vody, tak propustnost půdy závisejí na teplotě a mají proto výraznou denní periodicitu. Akumulace v depresích může probíhat do dlouhou dobu, a může proto být daleko výraznější než v předchozích případech, a to i na propustných půdách. Případ, kdy voda z roztálého sněhu nebo ledu dotuje trvalou podzemní zvodeň sem nepatří, neboť se podstatně neliší od situace popsané sub 3). Odhlédneme-li od posledně jmenovaného (zimního) mechanismu, můžeme na základě výše řečeného předpokládat, že drenážní odtok se skládá ze tří složek, povrchové, hypodermické a základní, které odpovídají, v pořadí, uvedeným mechanismům 1, 2 a 3. Ve skutečnosti však povrchová a hypodermická složka často splývají, neboť žádná povrchová voda nevtéká do drenáže přímo. Proto ve shodě s Fídlerem (1970, srv. též Benetin aj., 1987, s. 192) a Švihlou aj. (1992) budeme v drenážním odtoku rozlišovat jen dvě složky, které tito

-3-

autoři označovali jako nazývali podpovrchový odtok a podzemní odtok, které však ve shodě s ČSN 726530 budeme označovat jako přímý odtok (Qp) a základní odtok (Qz). Obě složky dohromady tvoří celkový drenážní odtok (Qd): Qd = Qz + Q p (1) Obdobně jako při separaci celkového odtoku z povodí, vyjadřuje i přímá složka drenážního odtoku víceméně bezprostřední odezvu na srážku nebo tání, a je tedy výslednicí povrchového a mělkého podpovrchového odtoku, zatímco základní složka je výslednicí dlouhodobé redistribuce vod hlubších podzemních zvodní. Poměr jejich průměrných hodnot za určité charakteristické období k celkovému průměrnému odtoku za totéž období může charakterizovat typ zamokření dané lokality v daném období. Obě tyto složky, popř. i více složek, lze také identifikovat pomocí analýzy poklesové větve hydrogramu, je-li dostatečně dlouhá a nenarušená podružnými odtokovými vlnami. Homogenní poklesová větev hydrogramu Q(t), odpovídající výtoku z jediné lineární nádrže, je totiž exponenciální křivkou, jejíž graf v semilogaritmickém měřítku (ln(Q) vs. t) je přímkový. Sklon přímky je determinován hydraulickými vlastnostmi půdy a drenáže. Kraijenhoff van de Leur (1958, 1973) označuje jeho absolutní hodnotu jako "faktor intenzity" a (T-1) a jeho převrácenou hodnotu jako "faktor retence" j (T): 1 ln Q2 − ln Q1 log Q1 − log Q2 =− = ln(10) (2) j t 2 − t1 t 2 − t1 kde Q1, Q2 jsou drenážní odtoky (resp. průtoky) na poklesové větvi hydrogramu (L3.T-1), t1, t2 jsou jim v pořadí odpovídající časy (T). Je-li hydrogram nehomogenní, tzn. je-li tvořen dvěma nebo více různými složkami odtoku, je pravděpodobné, že jeho poklesová větev se bude skládat ze dvou nebo více úseků o různých sklonech. a=

Metody a materiál Pro separaci hlavních složek hydrogramu drenážních odtoků byly použity dvě původní metody (GROUND a MGPM), dále podrobněji popsané. Popis separace odtoku metodou GROUND Metoda GROUND ("separation of GROUNDwater runoff") byla vypracována Doležalem a Jainem (Jain, 1997). Vznikla z potřeby urychleně a přibližně separovat přímý a základní odtok z malého povodí z datové řady středních denních průtoků v závěrovém profilu. Je to metoda empirická, odladěná tak, aby separované hydrogramy středních denních odtoků z povodí o ploše řádu 1 km2 vypadaly věrohodně, jsou-li posuzovány pouhým okem. Začátek vyhodnocovaného období by měl připadnout do málo vodného období, kdy průtok nekolísá. Metoda obsahuje jediný proměnlivý vstupní parametr, koeficient přírůstku základního odtoku COEF. Empiricky odladěná hodnota COEF pro povodí řádu 1 km2 je 0.075. Vnitřními parametry, nepočítáme-li pomocné proměnné, jsou přírůstek základního odtoku DIFF a logická proměnná FLOOD. Vstupem je řada středních denních nebo v jiném konstantním časovém kroku průměrovaných průtoků nebo odtoků. Výstupem jsou dvě řady středních denních nebo obdobných průtoků představujících, v pořadí, přímý a základní odtok z povodí. Součet přímého a základního odtoku v každém časovém intervalu je roven celkovému odtoku. V následujícím textu se uvažuje časový krok jeden den a slovem „průtok“ je míněn střední denní průtok. Algoritmus metody GROUND je následující:

-4-

1) První člen řady je považován za základní odtok, tj. přímý odtok je v prvním dni nulový. Dále se předpokládá, že během prvního dne ani ve dnech jemu předcházejících nenastala povodňová situace (FLOOD=.FALSE.). Přírůstek základního odtoku DIFF se nastaví na nulu. 2) V každém následujícím dni se porovnává průtok v daném dni s průtokem ve dni předchozím. Další postup však závisí také na tom, přetrvává-li z předchozích dní povodňová situace nebo nikoli. Mohou nastat čtyři případy: 2.1) Povodňová situace nepřetrvává, průtok se nezvyšuje. V tomto případě se celý průtok považuje za základní odtok a přímý odtok v daném dni je nulový. Hodnoty DIFF = 0 a FLOOD = .FALSE. se nemění. 2.2) Povodňová situace nepřetrvává, průtok se zvyšuje. V tomto případě se základní odtok rovná průtoku z předchozího dne a celý přírůstek průtoku se považuje za přímý odtok. (Takto nalezené hodnoty přímého i základního odtoku mohou však být v následujícím kroku zpětně korigovány - viz případy 2.3.1) a 2.4.2) níže). Tento případ se považuje za začátek povodňové situace (FLOOD se nastaví na .TRUE.). DIFF se nastaví na hodnotu COEF-násobku přírůstku celkového průtoku (uplatní se však až v následujícím dni). 2.3) Povodňová situace přetrvává, průtok se zvyšuje. Pak se rozlišují tyto dva případy: 2.3.1) Průtok v daném dni je menší než základní odtok v předchozím dni zvětšený o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni. Pak se celý průtok považuje za základní odtok a přímý odtok v daném dni je nulový. Pokud je přitom základní odtok v daném dni menší než základní odtok v předchozím dni, pak se na hodnotu základního odtoku v daném dni zpětně nastaví i základní odtok v předchozím dni (tj. sníží se) a přímý odtok v předchozím dni se o tutéž hodnotu zpětně zvýší. 2.3.2) Průtok v daném dni je větší než základní odtok v předchozím dni zvětšený o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni nebo je takto zvětšenému základnímu odtoku roven. Pak se základní odtok v daném dni rovná základnímu odtoku z předchozího dne zvětšenému o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni a zbytek průtoku se považuje za přímý odtok. Poté se vždy v případě 2.3) odhaduje druhá derivace průtoku podle času v předchozím dni jako rozdíl průtoku v daném dni a průtoku dva dny předtím: X ( I ) − X ( I − 2) (3) kde X(I) je průtok v I-tém dni. Je-li tato derivace kladná, tzn. je-li hydrogram konvexní, zvětší se přírůstek základního odtoku (pro použití v následujícím dni) o COEF-násobek přírůstku celkového odtoku. Je-li tato derivace nulová nebo záporná (hydrogram je přímý nebo konkávní), hodnota DIFF se nemění. V obou případech přetrvává povodňová situace i nadále. 2.4) Povodňová situace přetrvává, průtok se nezvyšuje. Pak se rozlišují tyto dva případy: 2.4.1) Průtok v daném dni je větší než základní odtok v předchozím dni zvětšený o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni nebo je takto zvětšenému základnímu odtoku roven. Pak se základní odtok v daném dni rovná základnímu odtoku z předchozího dne zvětšenému o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni a zbytek průtoku se považuje za přímý odtok. Hodnota DIFF se nemění, povodňová situace trvá i nadále. 2.4.2) Průtok v daném dni je menší než základní odtok v předchozím dni zvětšený o hodnotu DIFF nastavenou v předchozím dni. Pak se celý průtok považuje za základní odtok a přímý odtok v daném dni je nulový. Povodňová situace tímto dnem končí (FLOOD se nastaví na .FALSE.) a DIFF se nastaví na nulu. Pokud je přitom základní odtok v daném dni menší než základní odtok v předchozím dni, pak se na hodnotu základního odtoku v daném dni zpětně nastaví i základní odtok v předchozím dni (tj. sníží se) a přímý odtok v předchozím dni se o tutéž hodnotu zpětně zvýší.

-5-

Popis separace odtoku metodou MGPM Metoda MGPM ("modifikovaná graficko-početní metoda"), jejímž autorem je Z. Kulhavý, vznikla z potřeby rozčlenit dlouhodobé datové řady středních denních průtoků na složky základního a přímého odtoku při nedostatku doplňujících měření, obvykle k těmto účelům využívaných (údajích o hladinách podzemních vod, o vlhkosti půdy, srážkových poměrech apod.), s plánovanou budoucí aplikací na data drenážních odtoků. Stejně jako u předchozí popisované metody jde o rozčlenění hydrogramu podle zásady, že každá zřetelná odtoková vlna má příčinu v určité srážkové epizodě, přičemž ovšem dílčí příčinné deště na sebe mohou libovolně navazovat. Úkolem algoritmu je separovat tu část odtoku, která je přímou odezvou na příčinnou srážku (efektivní déšť). Vychází se z toho, že základní odtok má mít plynulý průběh a má kolísat jen pozvolna, v závislosti na vývoji dlouhodobé hydrologické bilance povodí (resp. drenážní skupiny). Může být maximálně roven celkovému odtoku v závěrovém profilu. Algoritmus MGPM je zpracován ve Visual Basicu jako extenze tabulky Excelu. Nejprve se pro celý datový soubor středních denních průtoků Qd(i) (i = 1, …, n) vypočtou směrnice grafu (první derivace podle času): Qd (i ) − Qd (i −1) (4) Vd (i ) = DT kde Qd(i); Qd(i-1) jsou střední průtoky v i-tém, resp. (i-1)-tém výpočtovém intervalu, v pořadí (L3.T-1), DT je délka výpočtového intervalu (T), v našem případě 1 den, Vd(i) je směrnice (derivace průtoku podle času) pro rozhraní mezi (i-1)-tým a i-tým intervalem, která je přiřazena i-tému intervalu (L3.T-2), n je celkový počet datových bodů (výpočtových intervalů). Poté je vyhodnocena celá posloupnost takto vypočtených směrnic (pro i = 2 až n-1). Každá směrnice je hodnocena podle svého algebraického znaménka a podle algebraického znaménka směrnice nejblíže následující. Jednotlivé výpočtové intervaly jsou takto roztříděny do pěti kategorií, označených 0 až 4, jak je vyznačeno v tab. 1. Tab. 1 Schéma intervalů (lomových bodů hydrogramu) při použití metody MGPM na základě směrnic hydrogramu v i-tém a (i+1)-tém intervalu (kategorie, přiřazené i-tému výpočtovému intervalu, jsou vyznačeny čísly od 0 do 4)

Tab. 1 Schéma kategorizace směrnic hydrogramu při použití metody MGPM (kategorie, přiřazené i-tému výpočtovému intervalu, jsou vyznačeny čísly od 0 do 4). Ve schématech vyjadřují svislé úseky i-tý a (i+1)-tý interval. Vd(i) > 0

Vd(i) = 0

Vd(i) < 0

Vd(i+1) > 0

0

1

4

Vd(i+1) = 0

0

2

2

Vd(i+1) < 0

3

3

2

-6-

Jednotlivé kategorie vyjadřují následující grafickou podmínku: kategorie 0: bod na vzestupné větvi hydrogramu nebo tupě konvexní lomový bod na začátku vrcholu vlny; tyto body nemají při separaci žádné specifické použití kategorie 1: tupě konkávní lomový bod hydrogramu, který znamená počínající růst průtoku po období ustáleného průtoku (základní odtok je v tomto bodě i vždy shodný s celkovým odtokem); z těchto bodů a z bodů kategorie 4 jsou odvozeny uzlové body přechodové křivky, aproximující základní odtok) kategorie 2: bod na poklesové větvi hydrogramu nebo na jejím konci (následuje-li období ustáleného průtoku) nebo uvnitř období ustáleného průtoku; na základě těchto bodů se v dalších výpočtových krocích identifikují výtokové čáry, při vlastní separaci však tyto body nemají žádné specifické použití kategorie 3: vrchol vlny hydrogramu nebo tupě konvexní lomový bod na konci vrcholu vlny, který znamená počínající pokles průtoku po období ustáleného průtoku (základní odtok v tomto bodě i je vždy nižší než celkový odtok) kategorie 4: ostře konkávní lomový bod; z těchto bodů a z bodů kategorie 1 jsou odvozeny uzlové body přechodové křivky, aproximující základní odtok) V prvním intervalu (i = 1) je celý průtok považován za základní odtok a přímý odtok je tudíž nulový. Za výhradně základní odtok se považují (s možností pozdější korekce) průtoky Qd(i) ve všech intervalech i, které patří do kategorie 1 nebo 4. Proto je hydrogram systematicky od začátku prohledáván, při i postupně rostoucím, dokud se nenarazí na interval, který patří do kategorie 1 nebo 4. Dokud k tomu nedojde, je základní odtok považován za rovný celkovému odtoku. Jakmile je nalezen interval kategorie 1 nebo 4, je i v něm základní odtok položen rovný celkovému odtoku; tento interval se poté považuje za začátek průtokové vlny. Nalezne se pak další nejblíže v čase následující interval týchž vlastností (tj. patřící do kategorie 1 nebo 4), který je považován za konec vlny, a vedle toho se zkoumá, zda se v období mezi těmito dvěma intervaly vyskytl také interval kategorie 3 (vrchol vlny nebo konec vrcholu vlny). Není-li tomu tak, nebo je-li vzdálenost mezi počátkem a koncem vlny (prvním a druhým intervalem kategorie 1 nebo 4) menší než 6 intervalů, aproximuje se základní odtok v období mezi začátkem a koncem vlny parabolickou přechodovou křivkou: Qz2 − Q12 t − t1 = (5) Q22 − Q12 t 2 − t1 kde Qz je základní odtok v čase t, Q1 je celkový odtok v čase t1, Q2 je celkový odtok v čase t2, t1 je čas odpovídající začátku přechodové křivky (prvnímu výskytu intervalu kategorie 1 nebo 4, t2 je čas odpovídající konci přechodové křivky (druhému výskytu intervalu kategorie 1 nebo 4). Během tohoto období základní odtok buď stále stoupá nebo stále klesá, podle toho, zda je, v pořadí, Q2 vyšší nebo nižší než Q1. Rychlost stoupání nebo klesání základního odtoku přitom nezáleží na ničem jiném než na Q1 a Q2 a na čase. Rychlost stoupání se s časem snižuje, rychlost klesání se s časem zvyšuje. Takto vypočtený základní odtok je shora omezen celkovým odtokem, tzn. že v intervalech, ve kterých by přechodná křivka měla vystoupit nad hydrogram celkového odtoku, se základní odtok klade rovný celkovému odtoku. Jestliže se v období mezi počátkem a koncem průtokové vlny vyskytuje interval kategorie 3 a délka období je větší než 5 intervalů, odhaduje se čas kulminace hydrogramu základního odtoku ze vzorce:

-7-

t kz = Celá část [ t kc + (t 2 − t1 ) × dt k ] (6) kde tkz je čas kulminace základního odtoku, tkc je čas kulminace celkového odtoku (odpovídající intervalu kategorie 3), dtk je relativní zpoždění kulminace základního odtoku za kulminací celkového odtoku (v příkladech uvedených níže bylo vždy bráno dtk = 0,1) a symboly t1 a t2 mají stejný význam jako ve vzorci (5). Hodnota kulminačního základního odtoku (příslušná času tkz) se pak počítá jako: Q(t kz ) + 2Q1 + 2Q2 Qzk = (7) 5 kde Qzk je kulminační základní odtok (v čase tkz), Q(tkz) je celkový průtok v čase kulminace základního odtoku a ostatní symboly mají stejný význam jako v rovnicích (5) a (6). Leží-li v období mezi t1 a t2 několik intervalů kategorie 3, uvažuje se vždy jen poslední (časově nejmladší) z nich. V extrémních případech, kdy je období mezi t1 a t2 velmi dlouhé a poslední v něm nalezený interval kategorie 3 leží těsné před jeho koncem, může takto vypočtená kulminace základního odtoku tkz vyjít později než konec období t2. V takovém případě se ustoupí od požadavku, aby v čase t2 byl základní odtok roven celkovému odtoku, a interpolované období se prodlužuje až k dalšímu nejblíže následujícímu intervalu kategorie 1 nebo 4, který se tak stane novým koncem vlny. Kulminační základní odtok je ovšem opět shora omezen celkovým odtokem, tzn. že kdyby mělo vyjít Qzk > Q(tkz), položí se Qzk = Q(tkz). Poté se v období mezi t1 a tkz, resp. mezi tkz a t2, základní odtok opět interpoluje parabolickou přechodovou křivkou podle vzorce (5), ve kterém se dosadí tkz za t2 a Qzk za Q2, resp. tkz za t1 a Qzk za Q1, v pořadí, přičemž základní odtok je pochopitelně vždy omezen shora celkovým odtokem. Tímto způsobem je prohledán celý soubor a každému intervalu i je přiřazena příslušná hodnota základního odtoku Qz(i). Hodnoty přímého odtoku jsou pak dopočítány jako: Q p (i ) = Qd (i ) − Qz (i ) (8) Metoda je ilustrována na obr. 1 na datech středních denních průtoků závěrovým profilem potoka v povodí Černičí, jejichž hydrogramy vykazují vyšší a déle trvající průtokové vlny než hydrogramy drenážního odtoku, a jsou proto pro takovou ilustraci vhodnější. Pro názornost jsou průtoky vyneseny jak v lineárním (spodní obrázek), tak v logaritmickém měřítku (horní obrázek). Jsou též vyneseny kategorie (0 až 4), do nichž jsou jednotlivé body (jednodenní intervaly) zařazeny. Charakteristika pokusných ploch a dat V následujících tabulkách (tab. 2 a 3) jsou uvedeny základní charakteristiky experimentálních ploch VÚMOP a drenážních skupin, na kterých byly kontinuálně měřeny drenážní odtoky.

-8-

Tab. 2 Základní charakteristiky experimentálních povodí Název povodí: Cerhovický potok Černičí Ovesná Lhota o o Průměrná zeměpisná šířka 49 51' N 49 37' N 49o 49' N o o Průměrná zeměpisná délka 13 50' E 15 04' E 15o 27' E Nadmořská výška (m) 390 - 572 460 - 561 506 – 550 Plocha povodí (km2) 7,31 1,42 0,656 % orné půdy 18 65 76 % luk 22*) 14 15 % lesů 60 19 9 Dlouhodobý průměr ročního úhrnu srážek (mm) *) 617 722 671 podle stanice Holoubkov Čechtice Habrek-Ostojovka z let 1901-50 1961-95 **) 1901-50 Dlouhodobá průměrná roční teplota vzduchu (oC) *) 7,5 7,5 7,0 podle stanice Jince Čechtice Humpolec-Dusilov z let 1901-50 1961-95 **) 1901-1950 Matečná hornina krystalické břidlice pararuly pararuly * ) Zahrnuje ornou půdu uvedenou do klidu. **) Meteorologická data za roky 1968, 1971 a 1986-1990 chybějí.

Tab. 3 Základní charakteristiky měřených drenážních skupin v experimentálních povodích Charakteristika/jednotka Experimentální povodí Cerhovický potok Drenážní skupina Š7 Plocha dren. skupiny (ha) 40,5 11 Rozchod sběr. drénů (m) Průměrná hydraulická vodivost podorničí (m.d-1) 0,4 Maximální pozorovaný průtok (l/s) 112,7 Dlouhodobý průměrný průtok (l/s) 4,9

Hodnoty Černičí Černičí Š1 Š2 0,605 1,815 13 13

Ovesná Lhota ŠCH6 17,8 11-16

0,7

0,8

0,25-0,85

4,2

4,2

15,9

0,10

0,35

1,8

Výzkumným materiálem jsou hydrogramy drenážních odtoků, zpracované do dlouhodobých řad průměrných denních průtoků. Byly zpracovány řady z Ovesné Lhoty za roky 1979-91 a z Černičí a z Cerhovického potoka za roky 1994-99. Obvyklé postupy separace předpokládají, že časový krok dat je dostatečně malý, takže hydrogram je plynulý a jeho vzestupné a zejména poklesové větve jsou zřetelně a věrně vystiženy. Pokud jsou však průtoky zpracovány do datových řad průměrných denních hodnot, jako je tomu v našem případě, nelze při běžných velikostech drenážních skupin docílit dokonalého tvaru hydrogramu. To bylo také bezprostřední pohnutkou k vypracování výše uvedených dvou empirických metod. Odlišnost zpracování okamžitých průtoků a průměrných denních průtoků spočívá mj. i v tom, že pro průměrné denní průtoky je přírůstek na časové ose konstantní (1 den), zatímco při použití okamžitých průtoků vstupuje do výpočtu i proměnlivost tohoto intervalu a výše popsané algoritmy by pro tento účel musely být pozměněny. Důvodem pro použití řad průměrných denních průtoků byla existence rozsáhlých -9-

souborů dat, zpracovaných v minulosti, zpravidla manuálně. Pro nejnovější období jsou již ve VÚMOP k dispozici i řady okamžitých průtoků. Postupným přepracováním starších záznamů se získávají data tohoto typu i pro předchozí roky, délka těchto řad je však stále ještě poměrně malá a tam, kde se primární záznamy na páskách nedochovaly, není možno starší data tímto způsobem přehodnotit. Proto je zápis v podobě řady průměrných denních průtoků i nadále klasickou formou předávání informací a je nutno s ním pracovat. Ilustrace separace základního odtoku aplikací MGPM na datech průtoků závěrovým profilem potoka v Černičí

Průtoky (LOG měřítko)

100

4

3 10

2

1 1

Q měřené

Q přiřazené

Qz

Kategorie

30.4

20.5

0

Kategorie lomových bodů

Obr.1

0 1.1

21.1

10.2

1.3

21.3

10.4

Datum

100

4

90

Q měřené

Q přiřazené

Qz

Kategorie

Průtoky (LIN měřítko)

3 70 60 50

2

40 30 1

Kategorie lomových bodů

80

20 10 0

0 1.1

21.1

10.2

1.3

21.3

10.4

30.4

20.5

Datum

Výsledky a diskuse K primární detekci přítomnosti několika složek drenážního odtoku byla použita analýza sklonu poklesové větve hydrogramu drenážního odtoku podle vzorce (1). Příklad je uveden na obr. 2 pro pokusnou plochu Černičí, drenážní skupinu Š2, která se vyznačuje výrazným zamokřením pramenními vývěry. Vynesené hodnoty jsou střední denní průtoky (měřené body jsou spojeny vyhlazenou křivkou). Lom na čáře log(Q) vs. t nastává cca při průtoku 0,7 l.s-1, čemuž odpovídá specifický drenážní odtok cca 0,4 l.s-1.ha-1. Při menších průtocích tedy zjevně převažuje, zjednodušeně řečeno, "přítok zdola", tj. z trvalé zvodně, jejímž výronem vznikají uvedené pramenní vývěry. Hydraulická vodivost půdy v této úrovni je pochopitelně nižší než hydraulická vodivost podorničí (skrze něž při vyšších průtocích probíhá "přítok shora"), a tudíž i faktor retence a je odpovídajícím způsobem nižší (cca 0,06 d-1 při nízkých průtocích oproti cca 0,14 d-1 při vyšších průtocích). Tyto hodnoty jsou odvozeny z vyhodnocení řady středních denních průtoků, vzhledem k relativně pomalému poklesu průtoků by však hodnoty získané z okamžitých průtoků nebyly významně odlišné. Uvedený příklad ukazuje, že analýza poklesové větve hydrogramu je za příznivých okolností možná i při použití řady středních denních (nikoli tedy okamžitých) průtoků, a to i u drenážních skupin velikosti kolem 2 ha. Na hydrogramu by se ovšem dal ještě vydělit třetí úsek při velmi vysokých průtocích na levém okraji grafu, kde sklon příslušné aproximační

- 10 -

přímky by byl velmi vysoký. Tento úsek, charakterizující přítok do drénu z dočasné nasycené zóny vytvořené v ornici, mělkém podorničí a zásypech drenážních rýh, je však tvořen pouze dvěma datovými body, což je pro kvantitativní rozbor málo. Zde je už zřetelně vidět nevýhoda použití středních denních průtoků namísto průtoků okamžitých. Pomocí výše popsaných empirických metod separace odtoku (GROUND a MGPM) byly zpracovány čtyři řady průměrných denních drenážních průtoků s dobou trvání nejméně 6 let (v Ovesné Lhotě 13 let). Příklad fungování obou metod na hydrogramu z pokusného povodí Černičí je uveden na obr. 3. Je zřetelně vidět, že obě metody v zásadě plní svůj účel, obě však mají i své nevýhody. Základní odtok podle metody GROUND nabíhá pomaleji a se zpožděním a ignoruje podružné odtokové vlny. Po kulminaci celkového odtoku však základní odtok dále neúměrným způsobem stoupá. Metoda MGPM opticky lépe odřezává vrcholy vln, reaguje však nadměrně i na menší podružné odtokové vlny. Metoda MGPM v průměru poskytuje v Černičí o 5-10 % vyšší základní odtok než metoda GROUND, na datech z Ovesné Lhoty jsme však pozorovali spíše opačný trend. Bez ohledu na tyto rozdíly a nedostatky jsou výsledky obou metod dostatečně konsistentní a lze z nich vyvozovat relevantní závěry kvalitativní povahy.

Obr. 2 Analýza poklesové větve hydrogramu drenážního odtoku, Černičí, Š2, 1999 Hydrogram drenážního odtoku ČERNIČÍ Š2, detail - rok 1999

Q (l/s)

A(1) = 0,14[t-1]

A(2) = 0,06[t-1]

Drenážní odtok [l/s]

10,0

1,0

0,1 08.03.99

18.03.99

28.03.99

07.04.99

17.04.99

27.04.99

Obr. 3 Zpracování hydrogramu drenážních odtoků separačními metodami GROUND a MGPM pro data z experimentálního povodí Černičí, Š2, 1996 S1-Qměř.

Separace Qz dvěma metodami - šachtice Š2

GROUND MGPM Stř.Qz/Qp

2,0

30

1,8

Drenážní odtok v [l/s]

1,4

20

1,2 1,0

15

0,8 10

0,6 0,4

5

0,2 0,0

0 1-III.

11-III.

21-III.

31-III.

10-IV.

20-IV.

- 11 -

30-IV.

10-V.

20-V.

30-V.

Podíl Qz/Qp [-]

25

1,6

Obr. 4 Výsledky separace drenážního odtoku metodami GROUND a MGPM pro lokality Ovesná Lhota (OL) v letech 1979-91 a Černičí, drenážní skupiny Š1 a Š2 (ČŠ1, ČŠ2), v letech 1994-99 MGPM OL

GROUND OL

MGPM ČŠ1

GROUND ČŠ1

MGPM ČŠ2

GROUND ČŠ2

100 90 80 70

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

1987

1986

1985

1984

1983

1982

1981

1980

60 1979

Podíl Qz dle metod výpočtu [%]

Vývoj podílu Qz (Qp) v porovnání k užité metodě ve vztahu k celkovému odtoku

Ze separovaných řad byly vypočteny průměrné hodnoty základního a přímého odtoku pro jednotlivé lokality a drenážní skupiny, a to pro jednotlivé roky i celkově za celé vyhodnocované období. Vzhledem k tomu, že zimní a předjarní odtoky jsou vyvolány specifickými procesy, které v použitých metodách nejsou dostatečně zohledněny, byla takto zprůměrována pouze data za bezzámrzové období III-XI každého roku, u nejchladnější lokality Ovesná Lhota pak jen za IV-IX každého roku. Za základní charakteristiku byl vzat poměr průměrného základního odtoku k průměrnému celkovému drenážnímu odtoku Qz / Qd , který v dalším textu označujeme názvem "poměrný základní odtok". Jeho vývoj v jednotlivých letech v Ovesné Lhotě a v Černičí je znázorněn na obr. 4. Lze pozorovat, že poměrný základní odtok je i na téže lokalitě v různých létech různý. Větší část této variability však nelze vysvětlit různou vodností jednotlivých let. K ilustraci toho je na obr. 5 vynesen průměrný celkový odtok v jednotlivých letech (pouze pro Ovesnou Lhotu) proti poměrnému základnímu odtoku v týchž letech. Průměrný celkový odtok (nezapomeňme, že se jedná pouze o období IV-IX) je zde brán jako míra vodnosti daného roku. Jistý trend, totiž že ve vodnějších letech je poměrný základní odtok menší, se zde sice dá při dobré vůli vystopovat, je však tak slabý, že ani nestojí za výpočet korelačního součinitele. Poměrný základní odtok je zřejmě daleko více ovlivněn rozdělením srážek v daném roce než jejich celkovým úhrnem; to by však bylo nutno dokázat dalšími výpočty. Druhý závěr vyplývající z obr. 4 je, že poměrný základní odtok z drenážní skupiny Š1 v Černičí je výrazně nižší než poměrný základní odtok ze skupiny Š2 na téže lokalitě nebo v Ovesné Lhotě. To naznačuje, že i typ zamokření v Černičí -Š1 je jiný než ve zbylých dvou případech. Tak tomu skutečně je. Černičí -Š1 leží v údolní nivě malého potoka, kam se soustřeďuje povrchový i hypodermický odtok z celého povodí, kde však v suchých obdobích může hladina podzemní vody klesnout pod úroveň drenáže. Černičí - Š2 a Ovesná Lhota naproti tomu představují typ drenáže výrazně a trvale zásobovaný pramenními vývěry. Tato úvaha je zobecněna v obr. 6, kde jsou vyneseny dlouhodobé průměry poměrného základního odtoku pro všechny vyhodnocované lokality a drenážní skupiny. Je vidět, že Cerhovický potok - Š7 a Černičí - Š1 patří do stejné skupiny lokalit zamokřených srážkovou vodou vlastní i cizí (povrchově a hypodermicky přitékající), zatímco Ovesná Lhota a Černičí - Š2 patří do skupiny lokalit, jejichž zamokření výrazně ovlivňují pramenní vývěry. Rozdíl dlouhodobých průměrů poměrného základního odtoku mezi oběma skupinami lokalit není příliš velký ( základní odtok tvoří cca 72-75 % celkového drenážního odtoku u první skupiny a cca 83 % u druhé) je však zřetelný a při dostatečném množství dat by zřejmě byl i statisticky průkazný. Je - 12 -

ovšem třeba uvážit, že se nejedná všude o stejné roky. Podmínky lokality Cerhovický potok Š7 jsou dále specifické i v tom, že drenážní průtoky zde mohou být ovlivněny vtokem povrchových vod do drenážního systému ze sběrného příkopu nad horní hranicí odvodněných ploch. Tento přítok je sice od r. 1998 měřen a bylo shledáno, že je prakticky nulový, výsledky z předchozích let však naznačují, že tomu tak nemuselo být vždy (např. roku 1995 činil přímý odtok více než 50 % odtoku celkového). Vyšší podíl základního odtoku v Ovesné Lhotě a v Černičí - Š2 také indikuje lokality potenciálně vhodné pro doplnění drenážních systémů prvky retardace odtoku, neboť je zde co zadržovat i v suchých obdobích. V související práci (Doležal aj., 2001) je mj. diskutována možnost omezení maximálních měřených drenážních odtoků hydraulickými poměry v trubní síti, což může přispět ke zploštění vln hydrogramů s efektem retardace kulminací odtoku. Tento efekt však není příliš významný, neboť drenážní systémy byly zpravidla dimenzovány na dostatečně velký návrhový průtok. Proto lze výrazné retardace docílit jedině vestavěním dalších prvků do drenážního potrubí nebo šachtic.

Obr. 5 Vztah průměrného celkového drenážního odtoku k poměrnému základnímu odtoku za jednotlivé roky (Ovesná Lhota, 1979-91, průměrovány jen měsíce IV-IX) 3,5

Celkové QDrp [l/s]

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

Podíl základního odtoku [%]

95

90

85

80

75

70

0,0

MGPM

GRROUND

Obr. 6 Dlouhodobé průměry poměrného základního odtoku pro jednotlivé lokality za celé výpočtové období (průměrováno jen za bezzámrzová období) MGPM

GROUND

Podíl Qz dle metod výpočtu [%]

90

80

70

60 Ovesná Lhota

Cerhovice

- 13 -

Černičí Š1

Černičí Š2

Závěr V příspěvku popsané metody zpracování hydrogramů drenážních odtoků umožňují smysluplné vyhodnocení měřených dat a jejich porovnání pro různé lokality s ohledem na různé mechanismy tvorby odtoku v různých přírodních i technických podmínkách. Vhodným ukazatelem je průměrná hodnota poměrného základního drenážního odtoku za jednotlivé roky i za celé víceleté období sledování. Průměrování však bylo zatím prováděno jen pro bezzámrzová období jednotlivých let. Použité dvě metody dosahují mírně odlišných výsledků v závislosti na tvaru jednotlivých odtokových vln; rozdíly takto vypočtených ročních průměrů poměrného základního odtoku však jen výjimečně přesahují 5%, což umožňuje prohlásit, že výsledky obou metod vedou ke stejným kvalitativním závěrům. Postupy výše popsané a dosažené výsledky obohacují analytické nástroje k hodnocení vlivu drenážních systémů na odtokový režim povodí drobných vodních toků, a to při maximálním využití dostupných datových řad. Poskytují také podklady k úvahám o retenčním potenciálu systémů odvodnění v konkrétních podmínkách a za typických meteorologických situací, extrémní povodňové situace nevyjímaje. Poslouží i k analýzám potenciálu retence drenážních odtoků a mohou být jedním z podkladů projekce modernizací staveb odvodnění. Úkolem dalšího období bude nalézt způsoby, jak odvodit parametry odtokových vln vytvořených drenážním systémem nepřímými metodami z dostupných podkladů o stavbě odvodnění a zobecnit tyto postupy pro využití v širším měřítku bez nutnosti disponovat kontinuálně měřenými řadami drenážních odtoků, jsou-li k dispozici alespoň některá hydrologická měření, resp. je-li potvrzena analogie s jinými dříve zpracovanými povodími.

Poděkování Výsledky presentované v tomto článku byly zčásti získány v rámci projektu GA ČR č. 103/99/1470, projektů NAZV č. EP 090006150 a EP 9154 a dvou etap výzkumného záměru VÚMOP č. CEZ M07/98-01. Výsledky měření na pokusných plochách byly získány mj. též díky našim spolupracovníkům Petru Hospodkovi, Romaně Málkové, Ing. Evě Pilné, Pavlu Pražákovi a řadě dalších.

Literatura: BENETIN, J. - DVOŘÁK, J. - FÍDLER, J. - KABINA, P.: Odvodňovanie. Bratislava, Príroda 1987. 574 s.

ČSN 736530: Vodní hospodářství. Názvosloví hydrologie. Československá státní norma. Schválena 8.11.1983. Praha, Vydavatelství úřadu pro normalizaci a měření 1984, 92 s. DOLEŽAL, F. - SOUKUP, M. - KULHAVÝ, Z.: Poznámky k hydrologii drenážního odtoku. Vědecké práce VÚMOP Praha, 11, 2000: 5-27. DOLEŽAL, F. - KULHAVÝ, Z. - SOUKUP, M. - KODEŠOVÁ, R.: Hydrology of tile drainage runoff. European Geophysical Society, XXV General Assembly, Nice, France, 24-29 April 2000, paper no. HSB2.02-0021. Accepted for publication in: Physics and Chemistry of the Earth 2001. FÍDLER, J.: Hydrologie drenážních odtoků. Závěrečná zpráva úkolu R-VI-11/3. Praha, Vysoká škola zemědělská, 1970.

- 14 -

JAIN, S. K.: Evaluation of catchment management strategies by modelling soil erosion / water quality in EPIC supported by GIS. M.Sc. thesis, Galway, National University of Ireland, Department of Engineering Hydrology 1997. KILLE, K.: Das Verfahren Mo MNQ, ein Beitrag zur Berechnung der mittleren langjährigen Grundwassern Unbildung mit Hilfe der monatlichen Niedrigwasserabflüsse. Zeitschrift Deutscher geologischer Geselschaft, Sondeheft Hydrologie - Hydrochemie, Hannover 1970. KLINER, K. - KNĚŽEK, M.: Metoda separace podzemního odtoku při využití pozorování hladiny podzemní vody, Vodohospodársky časopis 22, č. 5, 1974: 457-466. KRAIJENHOFF VAN DE LEUR, D. A.: A study of non-steady groundwater flow with special reference to a reservoir coefficient. De Ingenieur 70B, 1958: 87-94 KRAIJENHOFF VAN DE LEUR, D. A.: Rainfall-runoff relations and computational models. In Drainage principles and applications. Publication 16, Vol. II, Institute for Land Reclamation and Improvement. Wageningen, The Netherlands: International Institute for Land Reclamation and Improvement 1973. KULHAVÝ Z. - ŠVIHLA V.: Využití hydrologického modelování malých zemědělskolesních povodí. Vědecké práce VÚMOP Praha, 10, 1999: 63-78. MOSLEY, M. P. - McKERCHAR, A. I.: Streamflow. Chapter 8 in: Maidment, D. R. (ed.): Handbook of hydrology. New York, McGraw-Hill 1993. PILGRIM, D. H. - CORDERY, I.: Flood runoff. Chapter 9 in: Maidment, D. R. (ed.): Handbook of hydrology. New York, McGraw-Hill 1993. SOUKUP, M. - FÍDLER, J. - KULHAVÝ, Z.: Vliv melioračních opatření na retenční potenciál krajiny, maximální odtok a průběh povodní. Zpráva za etapu 5.2.4. dílčího úkolu 5.2.: "Vliv stavu a využívání krajiny na povodňovou situaci", úkolu 312-4 "Vyhodnocení povodní 1997“. Praha, VÚMOP, ČHMÚ a ČZU 1998. ŠVIHLA, V. - DAMAŠKOVÁ, H. - KYNCLOVÁ, J. - ŠIMŮNEK, O.: Výzkumný objekt Ovesná Lhota. Monografie. Praha, VÚMOP 1992, 156 s. UHLENBROOK, S. - LEIBUNDGUT, Ch.: Monitoring and modelling of water quantity and chemistry to identify runoff processes in a mountainous basin. In: N.E.C. Verhoest, Y.J.P. Van Herpe, F.P. De Troch (eds.): Monitoring and Modelling Catchment Water Quantity and Quality, ERB Conference, Ghent, Belgium, September 27-29, Book of abstracts, s.147-149. Full text in: ERB 2000 Proceedings CD, ed. by R. Hoeben, Y. van Herpe and F. P. De Troch, 14 p.

- 15 -

Popisy obrázků: Obr. 1

Ilustrace separace základního odtoku metodou MGPM na datech průtoků závěrovým profilem potoka v Černičí

Obr. 2

Analýza poklesové větve hydrogramu drenážního odtoku, Černičí, Š2, 1999

Obr. 3

Zpracování hydrogramu drenážních odtoků separačními metodami GROUND a MGPM pro data z experimentálního povodí Černičí, Š2, 1996

Obr. 4

Výsledky separace drenážního odtoku metodami GROUND a MGPM pro lokality Ovesná Lhota (OL) v letech 1979-91 a Černičí, drenážní skupiny Š1 a Š2 (ČŠ1, ČŠ2), v letech 1994-99

Obr. 5

Vztah průměrného celkového drenážního odtoku k poměrnému základnímu odtoku za jednotlivé roky (Ovesná Lhota, 1979-91, průměrovány jen měsíce IV-IX)

Obr. 6

Dlouhodobé průměry poměrného základního odtoku pro jednotlivé lokality za celé výpočtové období (průměrováno jen za bezzámrzová období)

- 16 -

The drainage runoff pattern was analysed by exploring its components - the direct runoff and the base flow - which differ from each other in the way they are formed. The direct component of drainage runoff is a response to a rain or snowmelt event, while the base flow component is a result of the long-term redistribution of groundwater. The recession limb of a drainage runoff hydrograph was analysed to detect the presence of several different components in the runoff. The analysis clearly revealed even three such components but, in the rest of the paper, only the two main components are dealt with. The ratio of average base flow to the average total drainage runoff over a certain characteristic period, referred to as the relative base flow, can characterise the type of waterlogging of a given site in the given period. Two newly developed empirical methods (GROUND and MGPM), described in detail in the paper, were used for separation of the two main components of drainage runoff hydrographs. These methods can be used even if the data series to be analysed does not contain any well developed and isolated runoff wave, the series is relatively short and there is no other data available, except for the drainage runoff itself. The methods are demonstrated with the data obtained over frost-free periods of several years on experimental sites of the Research Institute for Soil and Water Conservation (Cerhovický potok, Černičí and Ovesná Lhota). The results of separation with GROUND are slightly different from those obtained with MGPM but lead to the same qualitative conclusions. The average seasonal relative base flow is different in different years even on the same site. The major part of this variation cannot be explained by different wetness of different years. The relative base flow from the drainage system Š1 in Černičí and from Š7 in the Cerhovický potok catchment is distinctly lower than those obtained from Š2 in Černičí or from ŠCH6 in Ovesná Lhota. This is because the first two sites are prevailingly waterlogged due to rain water, both inner and external, while the waterlogging of the other two sites is considerably influenced by groundwater exfiltration. A higher proportion of base flow in drainage runoff in Ovesná Lhota and in Černičí-Š2 also indicates that these sites are potentially suitable for installation of supplementary runoff-retarding elements in their drainage systems. The procedures described in the paper extend the range of analytical tools suitable for evaluation of the influence of drainage systems on runoff patterns of small streams, making as much as possible use of existing data series. It is desirable that these procedures are generalised so that they can be used on a wider scale. Key words: Drainage, hydrology, direct runoff, base flow, interflow, method, separation, hydrograph, waterlogging, water, groundwater, outflow line, recession limb, retardation

- 17 -