AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU
s. 75–79
Srní 2.– 4. dubna 2001
Vliv lesních ekosystémů na odtokové poměry krajiny František Křovák & Petr Kuřík KVH a KBÚK, Lesnická fakulta, ČZU v Praze, Kamýcká 129, CZ–165 21 Praha 6 – Suchdol, Česká republika
Úvod Výskyt povodní v letech 1997 a 1998 opět rozvířil diskuse ohledně vlivu antropogenní činnosti v krajině na vznik extrémních povodňových situací, které vyústily ve snahu kvantifikovat vliv konkrétních zásahů v povodí na odtokové poměry. Také v této souvislosti je aktuálním tématem nalezení optimálního managementu v oblastech přirozeného výskytu smrku na území NP Šumava, v souvislosti s hospodařením v lesích zasažených kůrovcovou kalamitou. Tuto problematiku lze posuzovat z několika pohledů. Náš výzkum se zaměřil na srovnání hydrologických funkcí tří rozdílných typů lesního ekosystému [les zdravý, les odumřelý suchý stojící (mrtvý les), les pokácený (paseka)]. Metodika V roce 1997 byly provedeny podrobné terénní průzkumy nezbytné pro výběr lokalit vhodných pro výstavbu experimentálních povodí a dále byly zahájeny přípravy pro plánovanou výstavbu měrných přelivů a osazení potřebných přístrojů. Povodí byla vybírána tak, aby jejich základní fyzickogeografické charakteristiky (klimatické poměry, geometrické charakteristiky, sklonové poměry, geologické a půdní poměry) byly co nejpodobnější, avšak s rozdílným pokryvem (viz Tab. 1). Největší vzdálenost mezi jednotlivými stanicemi je 14 km. Přístrojové vybavení Na lokalitách popsaných v Tab. 1 jsou v období červen – říjen měřeny hodnoty teploty, srážek a vodního stavu, které jsou zaznamenávány centrální sběrnou jednotkou dodanou firmou Tabulka 1. – Popis experimentálních povodí. Název stanice
Lokalita
Modrava 1 Modrava 2 Modrava 3
pod Roklanem Malá Mokrůvka pod Vysokým stolcem
Kultura
Výměra [ha]
Nadm. výška [m n.m.]
Expozice
mrtvý les paseka zdravý les
10 17 7
1210–1275 1180–1330 1105–1251
severní severní severní
V roce 1998 byly ve vytypovaných lokalitách vybudovány měrné stanice a v srpnu 1998 byla zahájena měření (KUNA & KUŘÍK 1998).
75
Tabulka 2. – Rozměry MP (m). č. MP 1 2 3
h
p
B
0–0,50 0–0,50 0–0,50
0,8 0,8 0,8
5,4 4,2 6,6
NOEL. Průtok se vypočte dle vzorců z odborné literatury (BOS 1976) z výšky přepadového paprsku na trojúhelníkovém Thomsonově měrném přelivu, která je měřena tlakovým hladinoměrem. Vzhledem k velikosti sledovaných povodí a množství odteklé vody byl u všech dílčích povodí zvolen k měření ostrohranný měrný trojúhelníkový přeliv (Thomsonův). Tento přeliv je pro daný rozsah průtoků nejpřesnější za předpokladu zavzdušnění přepadového paprsku a výšky dolní hladiny pod přelivem alespoň 0,05 m. Jeho nevýhoda je značná ztráta spádu, což se dá vhodným umístěním eliminovat, a možnost zanášení prostoru nad přelivem sedimenty. Druhý nedostatek, jak se ukázalo na šumavských povodích, vyžaduje čištění s frekvencí 1až 2× ročně, což je snadno realizovatelné. Vzhledem k tomu, že se všechna tři povodí nacházejí v NP Šumava, byly k výstavbě přelivů použity přehrážky z kulatinových výřezů osazené ostrohrannými ocelovými deskami a utěsněné na návodní straně geotextilií. Základní rozměry přelivů jsou v Tab. 2. Přepadový paprsek může být s ohledem na hydrauliku proudění: • S úplnou kontrakcí při splnění podmínek h / p ≤ 0,4 h / B ≤ 0,2 0,05 m ≤ h ≤ 0,38 m p ≥ 0,45 m B ≥ 0,90 m úhel ϕ = 90° • S částečnou kontrakcí při splnění podmínek h / p ≤ 1,2 h / B ≤ 0,4 0,05 m ≤ h ≤ 0,6 m p ≥ 0,10 m B ≥ 0,60 m Z podmínek vyplývá, že zabudovaný přeliv může mít pro různé hodnoty h různý typ kontrakce. Hodnota průtoků Q (m3s-1) se z měřené hodnoty přepadové výšky h (m) nad vrcholem výřezu určí z rovnice: Q = Ce ⋅
8 15
2 g ⋅ tg
ϕ ⋅ h e2 , 5 2
(1)
po zjednodušení Q = Ce ⋅ 2,362 ⋅ he2, 5
(2)
– efektivní přepadová výška (m) kde he = h+Kh – součinitel pro daný typ přelivu Kh = 0,0008 – efektivní přepadový součinitel Ce Hodnoty součinitelů Ce se dají určit empiricky. Z výpočtů vyplynulo, že všechny MP mají téměř totožné konzumpční křivky a drobné rozdíly jsou v mezích rozlišitelnosti výšek měřených hladin a proto byla pro všechny tři MP vypočítána konzumpční křivka, která je na Obr. 1. Rozsah měřených hodnot je v rozmezí 0–240 l.s-1, což je pro povodí dané velikosti zcela postačující. Chyba měření je dána přesností změřených výšek hladinoměrem a je ±1 cm. Tato hodnota je při každém sběru dat pečlivě kontrolována a korigována. Na jaře 1999 byla pozorování doplněna o měření vodivosti vody. Podrobnější přehled měřených veličin je uveden v tabulce Tab. 3.
76
Tabulka 3. – Přehled veličin měřených na experimentálních povodích. Měřená veličina Vodní stav Srážky Teplota vzduchu Vodivost vody
Interval mezi měřeními
Začátek měření
Čidlo
2 min. 4 min. 2 min. 1 hod. 3 hod.
srpen 1998 červen 1999 srpen 1998 srpen 1998 červen 1999
tlakový hladinoměr překlopný srážkoměr nevyhřívaný teploměr konduktometr GRYF
0,300 0,250
3
Q (m /s)
0,200
úplná kontrakce
0,185
0,150
0,138
0,100 0,050 0,000 0,00
0,099 0,067 0,043 0,024 0,012 0,0010,004 0,10
0,20
0,30
0,40
0,5
h (m) Obr. 1. – Konzupční křivka MP 1, 2, 3.
Výsledky a diskuse Zatím se podařilo nashromáždit úplnou řadu kontinuálních pozorování pro 13 měsíců z let 1998 a 2000. To představuje téměř kompletní data těchto dvou let, uvážíme-li, že v daných lokalitách umožňují klimatické podmínky kontinuální pozorování pouze v cca 5 měsících během roku. Celoroční pozorování by vyžadovalo vyhřívání stanic v zimních měsících, což je vzhledem k pořizovacím nákladům (cca 40 km kabelu + vyhřívací jednotky) a provozním nákladům nereálné, nemluvě o pokládání kabelu na území NP Šumava. V současné době jsou tato data připravena v denním, hodinovém nebo minutovém kroku jako vstup do hydrologických modelů a k dalšímu statistickému zpracování. V září 1998 se podařilo zachytit významnou srážko-odtokovou epizodu způsobenou deštěm dlouhé doby trvání a nízké intenzity (krajinný déšť) ze 14.–18. 9. 1998, kdy se 24 hodinový srážkový úhrn pohyboval mezi 80–110 mm. Příklad záznamu této epizody je znázorněn v grafu – Obr. 2. Zbylá část sledovaného období byla chudá na srážky bez výskytu významnějšího přívalového deště. Předpokládáme, že právě při přívalových deštích se nejvíce projeví rozdílné vlastnosti sledovaných kultur při utváření maximálního povrchového odtoku. 77
Tabulka 4. – Hodnoty objemových součinitelů odtoku ϕ a srážkových úhrnů HS během vlhkého a relativně suchého období. Období
Modrava 1 ϕ [%] HS [mm]
Modrava 2 ϕ [%] HS [mm]
Modrava 3 ϕ [%] HS [mm]*
září–říjen 1998 červenec–srpen 1999
48,3 4,3
27,7 7,5
31,7* 11,8*
558 180
447 184
382* 180*
*Srážkový úhrn odhadnutý ze srážek měřených pod korunami stromů.
Tabulka 5. – Porovnání odtokových poměrů během sledovaného období. Stanice Modrava 1 Modrava 2 Modrava 3
Kultura
Max. specif. průtok [l.s-1.ha-1]
Průměrný specif. průtok během suché periody [l.s-1.ha-1]
mrtvý les paseka zdravý les
15,4 6,2 0,54
0,015 0,026 0,041
18
Intenzita detì a odtoku [mm/h]
16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
11
21
31
41
51
61
71
81
91
101
111
Èas [h]
Intenzita detì [mm/h]
Intenzita odtoku [mm/h]
Prùtok [l/s]
Obr. 2. – Modrava 1 (mrtvý les). Srážkoodtoková epizoda ze dne 14.–18. 9. 1998
Data získaná z experimentálních povodí vzhledem k délce pozorování zatím neumožňují přesný popis vlivu jednotlivých lesních kultur na režim povodí, ale jejich analýzy již nyní naznačily rozdílné vlastnosti experimentálních povodí, které bude třeba v budoucnu novými měřeními (nejen hydrologickými, ale také podrobnějším pedologickým průzkumem) potvrdit a upřesnit. Dosavadní výsledky kvantitativních měření zatím potvrzují nenahraditelnou vodohospodářskou funkci lesa resp. vitálního lesního porostu. Jedná se především o vyrovnanost odtokových poměrů během sledovaného období, které nám umožnilo porovnat reakce experimentálních povodí při vydatných deštích i během relativně suché periody (Tab. 4–5).
78
Literatura BOS M. G., 1976: Discharge measurement structures. International Institute for Land Reclamation and Improvement / ILRI, P.O.Box 45, Wageningen, The Netherlands. KUNA P. & KUŘÍK P., 1998: Hydrometeorologická měření na Šumavě. Zprávy lesnického výzkumu, 43, 3–4: 37–39, Praha. KUŘÍK P., PÁNKOVÁ E., KŘOVÁK F. & KORYTÁŘ M., 2000: Vliv změněných podmínek prostředí na hydrický režim krajiny. Ms., Grant MŽP ČR 14–053/97, Výzkumná zpráva LF, ČZU Praha, 17 pp.
79
