VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav vodních staveb
Doc. Ing. Jaromír Říha, CSc.
VYBRANÉ SOUDOBÉ PROBLÉMY VODNÍHO HOSPODÁŘSTVÍ A JEJICH ŘEŠENÍ NA ÚSTAVU VODNÍCH STAVEB SELECTED CONTEMPORARY PROBLEMS IN WATER MANAGEMENT AND THEIR SOLUTION AT THE WATER STRUCTURES INSTITUTE TEZE PŘEDNÁŠKY K PROFESORSKÉMU ŘÍZENÍ
BRNO 2002
KLÍČOVÁ SLOVA vodní stavby, vodní hospodářství, matematické modelování, podzemní vodní zdroje, jakost vody, protipovodňová ochrana
KEYWORDS water structures, water management, mathematical modelling, groundwater resources, water quality, flood protection
© Jaromír Říha, 2002 ISBN 80-214-2210-6 ISSN 1213-418X
2
OBSAH PŘEDSTAVENÍ AUTORA ...................................................................................... 4 VYBRANÉ SOUDOBÉ PROBLÉMY VODNÍHO HOSPODÁŘSTVÍ A JEJICH ŘEŠENÍ NA ÚSTAVU VODNÍCH STAVEB ..................................... 5 1 ÚVOD...................................................................................................................... 5 2 OCHRANA VODNÍCH ZDROJŮ....................................................................... 5 2.1 PODZEMNÍ VODNÍ ZDROJE .......................................................................................................... 5 2.1.1 Legislativní podklady .....................................................................................................5 2.1.2 Modelové řešení ............................................................................................................. 6 2.1.3 Výběr scénářů řešení......................................................................................................6 2.1.4 Vyhodnocení modelového řešení.................................................................................... 7 2.1.5 Praktické aplikace.......................................................................................................... 7 2.1.6 Shrnutí poznatků získaných při realizovaných revizích ochranných pásem .................. 7 2.1.7 Řešení problematiky modelování proudění podzemní vody na FAST VUT v Brně........ 8 2.2 JAKOST VODY V POVRCHOVÝCH VODNÍCH TOCÍCH .................................................................... 9 2.2.1 Modely bilance látek v povodí........................................................................................ 9 2.2.2 Řešení úloh neustáleného šíření látek v tocích ............................................................ 10 2.2.3 Řešení úloh jakosti vody ve vodních tocích na Ústavu vodních staveb FAST VUT..... 11
3 PROTIPOVODŇOVÁ OCHRANA................................................................... 12 3.1 POVODNĚ ................................................................................................................................. 12 3.2 PROTIPOVODŇOVÁ OPATŘENÍ .................................................................................................. 13 3.2.1 Činnosti spojené s protipovodňovou ochranou............................................................ 13 3.2.2 Riziková analýza při návrhu protipovodňových opatření ............................................ 14 3.3 PRAKTICKÉ APLIKACE .............................................................................................................. 15 3.4 PROTIPOVODŇOVÁ OCHRANA A JEJÍ ŘEŠENÍ NA ÚSTAVU VODNÍCH STAVEB ............................. 16
4 ZÁVĚR ................................................................................................................. 17 5 VYBRANÉ PRÁCE AUTORA .......................................................................... 17 5.1 MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ PODZEMNÍ VODY .............................................................................. 17 5.2 JAKOST VODY V POVRCHOVÝCH VODNÍCH TOCÍCH .................................................................. 19 5.3 PROTIPOVODŇOVÁ OCHRANA .................................................................................................. 20 5.4 ÚSPĚŠNĚ OPONOVANÉ VÝZKUMNÉ A PEDAGOGICKÉ ÚKOLY .................................................... 21 5.5 DESET NEJVÝZNAMNĚJŠÍCH PRACÍ ........................................................................................... 22
3
Představení autora Jaromír Říha (23. 7. 1961 v Hodoníně) absolvoval vysokoškolské studium na katedře Hydrauliky a hydrotechniky FAST VUT v Brně v roce 1985. V rámci vojenské základní služby v letech 1985–1986 pracoval jako asistent stavbyvedoucího na Jaderné elektrárně Dukovany. V letech 1986–1988 pracoval jako projektant a v letech 1991 a 1992 jako externí konzultant v Hydroprojektu, o. z. Brno (dnes Aquatis Brno, a. s.) na střediscích kanalizací a hydrotechniky. Od roku 1988 je zaměstnancem Fakulty stavební VUT, kde na Ústavu vodních staveb pracoval nejdříve jako odborný asistent, od roku 1997 jako docent v oboru „Vodní hospodářství a vodní stavby“. V letech 1989 až 1993 absolvoval na VUT FAST vědeckou výchovu zakončenou odbornou zkouškou a obhajobou kandidátské disertační práce. V současné době zastává funkce zástupce vedoucího ústavu a tajemníka pro vědeckovýzkumnou činnost. V letech 1990–2002 byl spoluřešitelem 13 výzkumných úkolů, na 4 oponovaných výzkumných úkolech pak zodpovědným řešitelem. Převážná část výzkumných úkolů se zabývala otázkami rozvoje a použití metod matematického modelování ve vodním hospodářství, a to modelování proudění a transportu látek ve vodních tocích a horninovém prostředí. V letech 1999 až 2001 byl zodpovědným řešitelem projektu GAČR 103/99/0456 Návrh obecné metodiky pro sestavování matematických modelů kvality vody v síti vodních toků, od roku 2002 je zodpovědným řešitelem projektu GAČR 103/02/0018 Využití metod teorie pravděpodobnosti, matematického modelování, hodnocení škod a rizikové analýzy při návrhu protipovodňových opatření (kapitola 5.4). Výsledky prací publikoval jako autor nebo spoluautor ve 12 článcích v domácích i zahraničních vědeckých a odborných časopisech, 5 knižních publikacích a monografiích a v 56 příspěvcích na domácích a zahraničních vědeckých konferencích a odborných seminářích. Je autorem nebo spoluautorem více než 70 odborných nebo vědeckovýzkumných prací, 31 projektů, 43 odborných, recenzních nebo oponentských posudků, 3 mezinárodních norem ISO zapracovaných do soustavy českých norem, 11 odborných překladů a 10 programových produktů. K významným publikacím patří Anglicko-český a česko-anglický slovník vodních staveb a vodního hospodářství a monografie Jakost vody ve vodních tocích a její matematické modelování (kapitola 5.5). V letech 1991 až 2002 absolvoval zahraniční pobyty v MISI Moskva v bývalém SSSR, na univerzitě v Huddersfieldu ve Velké Británii, IHE Delftu v Holandsku, dále pak workshop a přednáškový pobyt „IW:LEARN“ pod záštitou GEF na Royal Holloway University of Egham ve Velké Británii a San Francisku v USA. V roce 1994 absolvoval zkoušky České komory autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě s udělením autorizace v oboru Vodohospodářské stavby. Na pedagogické činnosti se podílí od roku 1986, od roku 1994 začal samostatně přednášet jednotlivé předměty na oboru vodní hospodářství a vodní stavby. V rámci externího grantu č. 07/93 FR VŠ „Zřízení nového směru se zaměřením na ŽP v rámci výchovy inženýra vodohospodáře“ se podílel na vypracování výukových plánů, osnovy studia a sylabů přednášek a cvičení nových předmětů. V letech 1996 až 1997 byl zodpovědným řešitelem rozvojového projektu FR 260780 „Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jevů“, který vyústil v zavedení tří nových předmětů do výuky posluchačů oboru. Od roku 1992 koordinuje a obsahově zabezpečuje výměnné zahraniční studijní pobyty našich i zahraničních posluchačů v rámci mezinárodních programů TEMPUS a SOCRATES-ERASMUS. V rámci této činnosti doposud vedl 6 anglických a 2 německé posluchače při vypracování diplomových prací. Jazykové znalosti v pořadí dle úrovně znalosti jsou angličtina, ruština, němčina a francouzština.
4
Vy b r a n é s o u d o b é p r o b l é m y v o d n í h o h o s p o d á ř s t v í a jejich řešení na Ústavu vodních staveb 1 Úvod K nejvýznamnějším a v současné době nejakcentovanějším vodohospodářským otázkám patří ochrana vodních zdrojů a ochrana proti povodním. Uvedené dva okruhy problémů patří po řadu let k nosným tématům, které jsou řešeny Ústavem vodních staveb FAST VUT v Brně. V tomto textu jsou uvedena dílčí témata související s ochranou podzemních a povrchových vodních zdrojů a protipovodňovou ochranou, na nichž se autor v posledních deseti letech podílel v rámci své odborné, vědeckovýzkumné a pedagogické činnosti. Jde o • ochranu podzemních vodních zdrojů; • řešení úloh jakosti vody v povrchových vodních tocích; • protipovodňovou ochranu a problematiku porušení sypaných hrází v důsledku jejich přelití. Tato témata jsou v následujících kapitolách zpracována zejména z pohledu jejich řešení autorem tohoto textu.
2 Ochrana vodních zdrojů 2.1 Podzemní vodní zdroje 2.1.1 Legislativní podklady K ochraně vydatnosti, jakosti a zdravotní nezávadnosti zdrojů podzemních, ale i povrchových vod určených pro hromadné zásobování pitnou vodou slouží podle zákona 254/2001 Sb. o vodách ochranná pásma (dříve pásma hygienické ochrany) podzemních vodních zdrojů. Při jejich vyhlášení musí být provedeno stanovení podmínek pro všechny činnosti, kterými může být ohrožena vydatnost, jakost nebo zdravotní nezávadnost vody chráněného vodního zdroje. V minulosti byl uplatňován postup návrhu a vyhlašování ochranných pásem (OP) vodních zdrojů v souladu se směrnicí Ministerstva zdravotnictví č. 51/1979. Vyhlášení OP bylo redukováno na aplikaci základních hygienických zásad a na ochranu zdrojů veřejných vodovodů. Tento přístup byl vydáním nového Vodního zákona (254/2001 Sb.), zrušením hygienické směrnice č. 51/1979 a vydáním vyhlášky Ministerstva životního prostředí 137/99 Sb. změněn na komplexní ochranu každého vodního zdroje, který potřebuje speciální ochranu, a na ochranu diverzifikovanou místně i ve výběru opatření podle variability přírodních podmínek. Zavedení povinnosti uživatele nebo provozovatele zdroje vody nést náklady za omezení práv a za újmy způsobené ochrannými podmínkami jiným by mělo přinést • důsledné vyhodnocování účinnosti uplatňovaných omezení a zákazů; • redukci rozsahu území se speciálním režimem na nezbytnou velikost; • důslednější dodržování podmínek přispívajících k dosažení sledovaných cílů. V současné době se při stanovení rozsahu ochranných pásem prosazuje individuální přístup založený na rizikové analýze a sestavení map zranitelnosti a rizik. OP se mohou dělit na pásmo 1. stupně v bezprostředním okolí jímacího nebo odběrného zařízení a pásmo 2. stupně, které slouží k ochraně vodního zdroje ve vybraných zónách hydrogeologického rajónu. OP prvního stupně se stanoví jako souvislé území s minimální vzdáleností 10 m jeho hranice od odběrného zařízení. OP druhého stupně se stanoví vně ochranného pásma prvního stupně. Může být tvořeno jedním
5
souvislým nebo více od sebe oddělenými územími v rámci hydrogeologického rajónu. Nedílnou součástí návrhu OP jsou matematické modely proudění vody v horninovém prostředí. 2.1.2 Modelové řešení Při stanovení rozsahu ochranného pásma 2. stupně podzemních vodních zdrojů je potřebné vystihnout všechny podstatné faktory, které mohou ovlivňovat množství a jakost jímané podzemní vody. Analýza rizik ohrožení vydatnosti, jakosti a zdravotní nezávadnosti podzemních vodních zdrojů obsahuje modelové hodnocení následujících faktorů, kterými jsou: a) využití území a možné zdroje rizika (zástavba, průmyslová a zemědělská výroba atd.); b) geomorfologie terénu, zejména dráhy soustředěného povrchového odtoku; c) povrch území, druhy pozemků a kultur ovlivňující infiltraci povrchové vody; d) mocnost krycí vrstvy – stropního izolátoru; e) směr proudění podzemní vody a přítok vody do horninového prostředí (vsak, břehová infiltrace) ve vazbě na odběry vody z objektů JÚ; f) doba zdržení vody v hornině. Matematický model proudění podzemní vody je obvykle sestaven za předpokladů plně nasycené zvodně, izotermických podmínek a nedeformujícího se horninového prostředí. Prakticky všechna níže zmíněná revidovaná ochranná pásma zdrojů podzemních vod (obr. 1, [19]) se nacházejí v kvartérních sedimentech plochých údolních niv, kde je možné přijmout zjednodušující předpoklad přibližně horizontálního směru proudění. V těchto případech lze použít dvojrozměrný model proudění podzemní vody, což výrazně zjednodušuje řešení i interpretaci jeho výsledků. Pro numerické řešení problému se ve většině aplikací použilo metody konečných prvků. Důležitou roli při aplikaci matematických modelů hraje jejich kalibrace a verifikace. V případě horizontálních zvodní je nejčastěji v terénu měřenou veličinou poloha volné hladiny podzemní vody, resp. piezometrická výška. Parametry modelu jsou pak umístění a hodnota okrajové podmínky, transmisivita a zásobnost. Kalibrace se obvykle provádí metodou pokusu a omylu s použitím historických údajů o poloze hladiny podzemní vody v přírodním režimu a měření prováděných v rámci dřívějších hydrogeologických průzkumů, resp. výsledků čerpacích zkoušek. Verifikace modelu je prováděna s použitím jiných souborů vstupních dat, než jaké byly použity při kalibraci, obvykle s využitím účelově zaměřené polohy hladiny podzemní vody při známém odběru podzemní vody v době zpracování revize ochranného pásma. Nutno říci, že ve většině případů nejsou k dispozici časové řady odběrů a jim odpovídající polohy hladiny podzemní vody, časových změn odebíraného množství ani okrajových podmínek. Proto bylo ve všech níže uvedených případech použito modelu ustáleného proudění podzemní vody s tím, že byl kladen důraz na vystižení poměrů ve zvodni v suchých obdobích, která jsou obvykle z hlediska vydatnosti i jakosti nepříznivějším stavem. 2.1.3 Výběr scénářů řešení Při řešení je třeba variantně zohlednit prostorové rozložení a časovou variabilitu odběrů podzemní vody z jednotlivých jímacích jednotek, fluktuaci okrajových, popř. počátečních podmínek reprezentovaných proměnnou polohou hladiny podzemní vody, přítoky vody do jímacího území (JÚ) a další okolnosti. Modelové scénáře pak zahrnují následující varianty výpočtu: • Posouzení neovlivněného stavu vycházejícího ze stavu hladiny podzemní vody bez jímání. • Stavy při čerpání při známých (naměřených) odběrech a polohách hladin v hydrogeologických objektech. Tento scénář slouží ke kalibraci a verifikaci modelu. • Variantní řešení možných kombinací průměrných a maximálních povolených odebíraných množství vody z jednotlivých jímacích objektů.
6
2.1.4 Vyhodnocení modelového řešení Výsledky modelového řešení slouží k hodnocení následujících faktorů určujících rozsah ochranného pásma 2. stupně podzemního vodního zdroje: Využití území a možné zdroje rizika. Jde o průzkum historických, současných i budoucích zdrojů kontaminace podzemních vod. Průzkum je doplněn podrobným místním šetřením. Směr proudu a přítoky vody do zvodně se získají na základě hydrogeologického průzkumu doplněného výsledky modelového řešení. V této etapě řešení je třeba rovněž stanovit možné infiltrační oblasti a jejich vliv na jímací území ve vazbě na směr proudění podzemní vody. Doba zdržení vody v hornině se odvodí z výsledků modelového řešení pro jednotlivé scénáře čerpání z vrtů JÚ. Údaje o vymezování ochranných pásem podzemních vodních zdrojů v zahraničí ukazují, že se legislativní, metodické i technické nástroje v jednotlivých zemích liší. Ve většině zemí se při vymezení ochranného pásma zohledňuje 300 až 500denní doba zdržení vody v hornině. Geomorfologie terénu, povrchový odtok a mocnost krycí vrstvy. Vliv tvaru a povrchu terénu a cest povrchového odtoku je třeba posuzovat v souvislosti s mocností a propustností stropního izolátoru. Při posouzení je vhodné definovat tzv. „zranitelnost zvodně“, kdy se bodově ohodnotí propustnost materiálu stropního izolátoru (nižší propustnosti se přiřadí nižší bodové hodnocení) a mocnost stropního izolátoru (menší mocnosti se přiřadí vyšší bodové hodnocení). Stupeň zranitelnosti zvodně je možné definovat např. jako součin bodového hodnocení propustnosti a mocnosti stropního izolátoru. Při stanovení hranic ochranného pásma je třeba současně zohlednit místa se zvýšenou zranitelností v místech průchodu znečištěné vody (např. komunálního znečištění) místními povrchovými toky, kde může být oslaben stropní izolátor. Mapa rizik by měla na mapovém podkladě umožňovat interpretaci: • mocnosti stropního izolátoru; • druhu povrchu území; • hydrodynamiky zvodně při různých scénářích odběrů; • dob zdržení vody v hornině; • potenciálních zdrojů znečištění, hospodaření na pozemcích apod. Nad touto mapou se provede návrh rozsahu ochranného pásma zdrojů podzemní vody. Při praktickém použití se osvědčuje práce s použitím GIS. 2.1.5 Praktické aplikace Uvedený postup byl použit při revizi a stanovení ochranných pásem 2. stupně dvanácti jímacích území [19] umístěných v údolních sedimentech řek Bečvy a Moravy a jejich přítoků (obr. 1). Jímací území představují v souhrnu významný zdroj pitné vody s maximální využitelnou vydatností až 800 l/s. Tyto zdroje jsou schopny zásobovat okolo 400 tisíc obyvatel nejen v místě jímacích územích, ale i v rozsáhlejším území v okolí Přerova a Kroměříže. 2.1.6 Shrnutí poznatků získaných při realizovaných revizích ochranných pásem Výsledky prací ukazují, že ve většině případů byl původní rozsah ochranných pásem 2. stupně podzemních vodních zdrojů nadhodnocen. Prakticky ve všech řešených případech byla navržena redukce rozsahu OP, a to od 20 % do 60 % podle místních podmínek. To po projekčním dořešení, vodoprávním projednání a vyhlášení ochranných pásem může vést k úspoře finančních prostředků organizací odebírajících podzemní vodu za účelem její úpravy na vodu pitnou, a to v důsledku snížení rozsahu náhrad za omezení práv a za újmy vlastníkům pozemků způsobené ochrannými podmínkami. Tato skutečnost by se ve svém důsledku mohla odrazit i ve vývoji cen vodného v daném regionu.
7
Obr. 1 Vybraná JÚ, v nichž byla provedena revize OP 2. stupně Uvedená problematika byla předmětem řešení části vědeckovýzkumného záměru VUT – MSM 261100006 Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů, jehož koordinátorem je doc. Ing. Vlastimil Stara, CSc. Výzkum ukázal některé dílčí problémy při modelování, které bude třeba v následujících letech v této souvislosti řešit. Jsou to: • malá přesnost výsledků řešení v místě jímacích objektů, v jejichž blízkosti je proudění výrazně trojdimenzionální. Aproximace dvojrozměrným modelem dává z pohledu celé zvodně přijatelné výsledky, v okolí jímadel je však třeba zohlednit skutečné poměry ve zvodni i s ohledem na vznik až několikametrové výronové plochy na plášti studní [8], [11]; • při kalibraci modelu lze aplikovat metody inverzního modelování, které objektivizují odhad parametrů modelu. Tyto metody byly prozatím aplikovány pouze ojediněle, a to z důvodu obtížného zavedení parametru „okrajová podmínka“ do algoritmu inverzní úlohy [3]. Výsledky výzkumných prací a zkušenosti získané při jejich praktické aplikaci byly autorem zapracovány do 2. návrhové etapy pilotního projektu vodohospodářského plánu povodí Opavy. 2.1.7 Řešení problematiky modelování proudění podzemní vody na FAST VUT v Brně Řešení úloh proudění podzemní vody má na Fakultě stavební bohatou historii. V této souvislosti je třeba zmínit práce prof. Ing. Jiřího Kratochvíla, DrSc. a prof. Ing. Václava Hálka, DrSc. z let 1960 až 1990, na něž autor ve svých pracích navázal. V devadesátých letech byla problematika proudění vody v horninovém prostředí na Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně řešena zejména v rámci vědeckovýzkumných projektů [9], [10] a [12] a také na základě zvýšené poptávky po výstupech z této oblasti v souvislosti s revizí ochranných pásem podzemních vodních zdrojů [6], [7], [19], [20], [22], ochranou životního prostředí [1], [5], [13], [18], [21], [25] a výstavbou a provozem vodohospodářských děl [2], [3], [15], [16], [23] a [73]. Související práce, na nichž se autor v letech 1990 až 2002 podílel, jsou uvedeny v kapitole 5.1.
8
2.2 Jakost vody v povrchov ých vodních tocích Péče o jakost povrchové vody jak na úrovni koncepčního rozhodování, tak na úrovni operativního řešení havarijních situací vyžaduje rychlé a efektivní prostředky založené na hlubších a širších znalostech řízených procesů. Významnou roli v této oblasti hrají matematické modely jakosti vody ve vodních tocích. Cílem výzkumných prací prováděných v Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně v letech 1992 až 2002 bylo modelové řešení transportu látek v síti vodních toků pro dva charakteristické případy: • Hodnocení bilančního stavu znečištění v síti vodních toků pro účely dlouhodobých koncepčních úvah o jakosti vody v povodí. Pro modely sloužící dlouhodobé rozhodovací analýze postačí zpravidla aplikace ustáleného režimu nerovnoměrného proudění vody. Řešení jakosti vody je pak prováděno pro předem zvolené průtokové poměry a neproměnné (charakteristické) hodnoty zdrojů znečištění. • Situace, kdy dochází k náhlému, mnohdy pouze dočasnému zvýšení vypouštěného množství sledované látky do toku, jako jsou havárie, nepravidelný režim ve vypouštění odpadní vody, popř. kalu z ČOV apod. Cílem řešení je stanovit časoprostorové rozdělení koncentrace sledované látky v tocích, tj. například stanovit, kdy překročí hodnota koncentrace sledované látky v daném profilu předem stanovenou mezní hodnotu (limit jakosti vody). 2.2.1 Modely bilance látek v povodí Hlavním důvodem použití bilančních modelů je sestavení podkladů a vytvoření nástrojů zaměřených na celkové zlepšování současného stavu jakosti vody v širším regionu. Získané výsledky modelových řešení jsou základem při vytváření podmínek pro dlouhodobé směřování finančních prostředků v daném povodí tak, aby bylo pomocí nápravných opatření docíleno co nejlepší jakosti vody v tocích sledovaného povodí, a to v celé šíři požadavků na ně kladených i v souvislosti s přípravou ČR na vstup do Evropské unie. V tomto směru jsou bilanční modely vhodnou pomůckou pro předpovídání efektu nápravných opatření a pro vyhodnocování výsledků zásahů do povodí. Tyto modely se v mnoha modifikacích a za předpokladu různého stupně zjednodušení používají při řešení úloh jakosti vody v povodích s velikostí od řádově tisíců až do stovek tisíců km2. V rámci výzkumných prací uvedených v kapitole 5.2 byly podrobněji rozpracovány dva typy bilančních modelů: • Podrobný model, který reprezentuje detailní řešení problematiky jakosti vody v síti vodních toků. Praktická aplikace modelu byla provedena v povodí řek Jihlavy, Želetavky, Oslavy a Svratky [34] až [36], [38] až [41], [43], [46]. Model využívá programu ZNEC 2.01. • Povšechný (globální) model představuje zjednodušený přístup ke kvalitativnímu hodnocení vlivu nápravných opatření v rozsáhlejším povodí. Příkladem je praktická aplikace v povodí řeky Dyje [32], [33]. Model je sestaven pomocí tabulkového procesoru MS EXCEL. Příklad kalibrace a verifikace podrobného bilančního modelu jakosti pro ukazatel BSK5 v řece Jihlavě je uveden na obr. 2. Výsledky modelových řešení byly prakticky aplikovány při výběru nápravných opatření na řece Jihlavě [35], [46] a v povodí řeky Dyje s hodnoceným závěrným profilem v Břeclavi [32], [33].
9
Obr. 2 Výsledky bilance ukazatele BSK5 v řece Jihlavě – hmotnostní průtok [g/s] 2.2.2 Řešení úloh neustáleného šíření látek v tocích Tyto úlohy se vyskytují zejména při řešení problematiky havarijního zhoršení jakosti vody ve vodních tocích, dále pak při řešení otázek spojených s řízením vypouštění látek do vodních toků (např. při výluce stokové sítě). Při operativním řešení havarijních situací a při sestavování havarijních a varovných plánů zejména mezinárodních toků je třeba zpracovávat věrohodné prognózy o rychlostech postupu, koncentracích a hmotnostních průtocích škodlivých látek. Cílem je umožnit včasnou přípravu a realizaci nápravných opatření a varování všech dotčených uživatelů vody. Z povahy jevu vyplývá, že jde o časoprostorový děj, kdy množství uniklé škodlivé látky, hydrologické i hydraulické parametry toku, koncentrace a hmotnostní průtok dané látky jsou funkcí polohy (profilu na toku) a času. Běžným soudobým nástrojem pro řešení těchto úloh jsou nestacionární matematické modely transportu látek ve vodních tocích. Po sestavení, kalibraci a verifikaci modelů je možné s jejich použitím dát odpovědi na tyto otázky: • Jaké jsou doby dotoku škodlivých látek do daného profilu na toku? Jde zejména o stanovení doby dotoku čela, kulminace a konce mraku znečištění. • Jaký je průběh koncentrace po délce toku v jednotlivých časech? Jde především o srovnání hodnot maximálních koncentrací sledovaných látek s přípustnými limity. • Jaká je disperzní a samočistící schopnost toku při daných hydraulických podmínkách v toku? Pro kalibraci a verifikaci modelů je zapotřebí realizovat tzv. stopovací pokusy. Tato problematika byla studována v podrobně na řece Svitavě a Svratce (obr. 3 a 4) a na Lipkovském potoce. Výsledky prací převážně vědeckovýzkumného charakteru byly publikovány v [42], [45] a [47]. Příklad vnosu stopovače a vyhodnocení jeho průběhu je uveden na obr. 3 a 4.
10
Obr. 3 Stopovací látka vnesená ve dvou bodech průtočného profilu řeky Svitavy 2.2.3 Řešení úloh jakosti vody ve vodních tocích na Ústavu vodních staveb FAST VUT V letech 1992 až 2002 byla problematika jakosti vody ve vodních tocích na Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně řešena zejména v rámci vědeckovýzkumných projektů [32] až [36], [79], [80], [85], [90], [91], výsledky prací byly publikovány v monografiích [42] a [46], v odborných a vědeckých časopisech [31], [44], [47] a ve sbornících konferencí a odborných seminářů [37] až [41]. V současné době jsou pracovníci Ústavu vodních staveb pod vedením autora tohoto textu zapojeni do navrhovaného projektu „Čistá přehrada“, jehož cílem je trvalé zlepšení jakosti v Brněnské přehradě. 35 30 25 20
Osa toku Břeh
15 10 5
15.6.2000 11:24
15.6.2000 11:13
15.6.2000 11:03
15.6.2000 10:53
15.6.2000 10:43
15.6.2000 10:33
0
Obr. 4 Naměřené koncentrace stopovače v proudnici a při břehu řeky Svitavy ve vzdálenosti 1,5 km od místa vnosu (obr. 3)
11
3 Protipovodňová ochrana 3.1 Povodně Jedním z hydrometeorologických jevů majících za následek rozsáhlé škody na majetku a životech zvířat a lidí a značné hospodářské ztráty jsou období s nebezpečným nadbytkem vody – povodně (druhým jevem jsou období sucha). Podle Akčního plánu Světové konference OSN v Mar del Plata konané v roce 1977 se povodně řadí mezi živelní pohromy. Povodeň chápeme jako přechodné výrazné zvýšení hladiny vodního toku způsobené náhlým zvýšením průtoku nebo dočasným zmenšením průtočnosti koryta, při kterém hrozí vylití vody z koryta nebo při kterém se voda z koryta vylévá a může způsobit škody. Podle vzniku lze povodně rozdělit na • přirozené, které jsou způsobeny přírodními vlivy, např. meteorologickou situací při deštích, tání sněhu a chodu ledů; • přívalové, které jsou způsobeny umělými vlivy, např. protržením hrází vodních děl (obr. 5), poruchami funkčních zařízení hydrotechnických staveb, popř. při řešení nouzových stavů nebo nesprávnou manipulací na vodohospodářských dílech. Katastrofické povodně způsobené nahodilou změnou meteorologické situace jsou součástí vývoje krajiny a nelze se jim vyhnout. Průběh povodně může být v závislosti na charakteristikách povodí, meteorologické situaci (době trvání a intenzitě příčinné srážky) značně odlišný. To potvrzují nejnovější zkušenosti z povodňových epizod v letech 1997 v povodí Moravy a v povodí Labe, v roce 1998 v povodí řeky Orlice a v srpnu roku 2002 v povodí Vltavy a Labe. V dostupné literatuře je možné nalézt značné množství materiálů o katastrofických povodňových situacích, ale i o dalších povodních menší intenzity a lokálního rozsahu.
Obr. 5 Simulace průlomové vlny na pokusné hrázce
12
3.2 Protipovodňová opatře ní Lze konstatovat, že stoprocentní (absolutní) protipovodňovou ochranu nelze zajistit, leda za cenu neúměrně vysokých finančních nákladů. K nástrojům zajišťujícím nejvyšší stupeň ochrany nesahají ani nejvyspělejší a nejbohatší země světa. Úkolem protipovodňové ochrany je proto omezit škody způsobené povodněmi, primárně je třeba zamezit škodám na lidských životech respektive životech zvířat. Obecně lze škody způsobené povodněmi snížit: • přírodě blízkými („měkkými“) opatřeními v celé ploše území, která směřují ke zpomalení povrchového odtoku a jeho částečnou přeměnou na podzemní odtok. Jsou to zejména opatření zlepšující infiltrační a retenční schopnost území; • stavebními (strukturálními, „tvrdými“) opatřeními směřujícími ke zkapacitnění toků, snížení kulminačních průtoků a redistribuci objemu povodňové vlny v prostoru a čase. Tato opatření zahrnují stavebně-technické prvky ochrany a opatření směřující ke zvýšení retenční schopnosti krajiny i urbanizovaných území; • opatřeními nestrukturálními, která spočívají v zajištění bezpečnostních opatření a organizování služeb pro havarijní případy. Do této skupiny opatření patří prevence, jako jsou kvalifikované hydrologické předpovědi povodňových situací, hlásná a povodňová služba, dále pak organizace evakuačních a záchranných prací apod. Klasickým úkolem protipovodňové ochrany je ovlivnění odtokových poměrů, které spočívá v • zachycení a snížení kulminačních průtoků; • neškodném převedení povodňových průtoků. 3.2.1 Činnosti spojené s protipovodňovou ochranou Legislativní a správní opatření by měla směřovat zejména ke zlepšení preventivních kroků vedoucích ke zmírnění negativních účinků povodní, jako jsou koordinace vodohospodářského a územního plánování, povolování staveb v záplavových územích, dále pak ke zlepšení práce dotčených orgánů a organizací v průběhu povodní. Technicko-provozní a ekologická opatření mají zajistit z hlediska možného vzniku škod optimální průchod povodně územím. Souhrnně uvádíme činnosti, které je třeba průběžně provádět při zajišťování protipovodňové ochrany: • komplexně definovat povinnosti a podmínky při užívání záplavových území; • zakotvit vodohospodářskou – hydrotechnickou – problematiku jako nedílnou součást všech stupňů územně plánovací dokumentace, prohloubit spolupráci urbanistů s hydrotechniky; • koordinovaně zpracovat studie odtokových poměrů pro vodohospodářsky a urbanisticky významné toky; • zvažovat povolování nové výstavby a související infrastruktury v inundačních územích; • systematicky zvyšovat retenční a retardační schopnost území; • snížit nepřiměřený stupeň ochrany údolních niv a přizpůsobit tomu způsob jejich užívání; • tam, kde je to možné postupně přemísťovat ochranné hráze dále od toků; • řádně vykonávat vodohospodářský dohled s cílem zajistit průtočnost kritických profilů a průtočných inundačních území, včas odstraňovat poruchy na objektech na tocích; • řešit optimalizační úlohy ve vodohospodářských soustavách (manipulace na nádržích, revize manipulačních řádů, převody vody, návrh nových prvků); • legislativně vymezit rozdělení finanční zátěže mezi stát, regiony, obce, města a ostatní subjekty; • v rámci osvětové a pedagogicko-vzdělávací činnosti připomínat účinky povodní a průběhy historických povodňových situací; • prosazovat metody rizikové analýzy při sestavování územních plánů měst a obcí.
13
3.2.2 Riziková analýza při návrhu protipovodňových opatření Při návrhu protipovodňových opatření je třeba vždy zvažovat rozsah a míru protipovodňové ochrany záplavového území ve vztahu k možnému vzniku škod. Ty mohou být jak ekonomické (škody na zástavbě, zemědělské půdě, průmyslu), tak mimoekonomické (zdraví a životy lidí a zvířat, škody na přírodě a krajině apod.) a závisí na řadě faktorů, jako je hloubka a rychlost vody v záplavovém území, doba zaplavení, teplota a jakost vody. Soudobými prostředky poskytujícími podklady pro rozhodování je riziková analýza založená na klasifikaci záplavových území, teorii pravděpodobnosti, metodách matematického modelování proudění vody resp. transportu látek a metodách hodnocení škod. Výsledkem rizikové analýzy je kvantitativní hodnocení míry rizika vzniku škody v důsledku povodňové události. Srovnáním míry rizika s tzv. přijatelným rizikem lze získat podklady o zatížení území povodní a pro hodnocení rozsahu navrhovaných protipovodňových opatřeních. Výzkumy [81], [93], [94], které jsou na Ústavu vodních staveb v současné době prováděny, si kladou za cíl sestavit metodiku pro zpracování rizikové analýzy sloužící jako podklad pro hodnocení potřebné míry ochrany záplavového území v ekonomickém, sociálně kulturním a politickém prostředí České republiky. V rámci řešení jsou navrhovány postupy zpracování rizikové analýzy na základě pravděpodobnostní analýzy jednotlivých příčinných událostí. V současné době jsou hodnoceny metody matematického modelování proudění vody a transportu látek ve vodních tocích a inundačních územích a probíhá návrh metodiky hodnocení povodňových škod sestavením tzv. škodních funkcí. Výchozími podklady rizikové analýzy záplavových území jsou podklady topografické, hydrologické, ekonomické a podklady v sociální oblasti. Nástroji rizikové analýzy jsou: • matematické modelování, které slouží k určení charakteristik průběhu povodně (hloubka a rychlost vody, doba zaplavení, koncentrace kontaminantu apod.). V současnosti se k simulaci povodní a jejich účinků na koryto toku používají především jednodimenzionální nebo dvojdimenzionální modely ustáleného nebo neustáleného proudění vody, resp. morfologického vývoje dna koryta toku. • geografické informační systémy (GIS) jsou nástroje umožňující zobrazování, organizaci a analýzu dat. Umožňují spojovat geografické údaje z různých zdrojů, v různých formátech a v různých kartografických zobrazeních do jednotného prostředí. Základní princip spočívá v propojení digitálních map s databází údajů charakterizujících danou oblast. Pro účely rizikové analýzy lze GIS použít při správě topografických, hydrologických a hydraulických údajů, vytváření map charakteristik průchodu povodně, vytváření map zranitelnosti území, vyhodnocování stupně rizika (mapy stupně rizika). Navržený postup rizikové analýzy záplavového území se skládá z několika na sebe navazujících etap: 1. Identifikace povodňového nebezpečí spočívá v zajištění podkladů, na základě kterých je možné vymezit oblast potenciálně ohroženou povodní (záplavové území) a určit možnosti průchodu povodně daným územím. Předmětem studia jsou jak povodně způsobené extrémní hydrologickou situací, tak přívalové povodně způsobené poruchou vodního díla. 2. Sestavení tzv. stromu událostí, který zachycuje možné scénáře průběhu povodně daným územím. 3. Stanovení pravděpodobnosti vzniku jednotlivých příčinných událostí. 4. Hodnocení povodňového nebezpečí v záplavovém území pro jednotlivé scénáře vyplývající ze stromu událostí. Hodnocení spočívá v kvantifikaci tzv. charakteristik průběhu povodně, kterými jsou rozsah záplavového území, hloubky vody, rychlosti proudu, doba zaplavení a jakost vody. Nebezpečí je možné vyjádřit tzv. intenzitou povodně I v libovolném místě záplavového území následovně [67], [68]:
14
0 h=0 I = 0,3 + 1,35 h h > 0, v < 1 m / s , 0,3 + 1,35 h v v < 1 m / s
(1)
kde I je intenzita povodně, v rychlost proudění vody a h hloubka vody v [m]. 5. Kategorizace záplavového území spočívá v rozdělení potenciálně ohroženého území na podoblasti podle jejich plošného využití. Vhodným podkladem pro kategorizaci území jsou např. územní plány. 6. Stanovení zranitelnosti jednotlivých kategorií, tj. určení, jak je který povrch území citlivý na působení povodňového nebezpečí, se provede na základě hodnocení intenzity povodně například podle tab. 1. 7. Kvantifikaci rizika pro jednotlivé kategorie záplavového území lze provést podle vztahu: RiI = P I i ,
(2) kde RiI je hodnota rizika na i-té kategorii (viz bod 5. výše), Ii je maximální dosažená hodnota intenzity povodně na i-té kategorii a P je pravděpodobnost výskytu dané události. Tab. 1 Zjednodušené určení zranitelnosti území na základě intenzity povodně Intenzita povodně I Nízká Střední Vysoká
• • • 0,5 – 2,0 • • 2,0 a větší • 0,0 – 0,5
Zranitelnost území osoby nejsou ohroženy mohou nastat drobná poškození staveb jsou ohroženy osoby mimo budovy může nastat větší poškození staveb, ne však jejich úplné zničení jsou ohroženy osoby uvnitř i mimo budovy je možné úplné zničení staveb
Jiná, všeobecně používaná definice vyjadřuje riziko jako součin pravděpodobnosti P výskytu dané události a výše škody vzniklé v důsledku dané události. Nevýhodou tohoto postupu je, že vyžaduje stanovení všech potenciálních škod v rámci dané příčinné události, včetně škod mimoekonomických a nepřímých. Ty jsou mnohdy v peněžní formě obtížně vyjádřitelné. Tab. 2 Příklad hodnocení možností zástavby v závislosti na velikosti rizika Riziko RI Stupeň rizika Pokyny Je nutná realizace protipovodňových opatření NÍZKÝ 0 < RI < 0,01 u citlivějších objektů V dané oblasti je možná výstavba objektů STŘEDNÍ 0,01 < RI < 0,1 s určitými omezeními V dané oblasti není možná výstavba objektů VYSOKÝ RI > 0,1 nebo I > 3 občanské nebo bytové výstavby
3.3 Praktické aplikace Navržený postup byl aplikován při hodnocení povodňového rizika ve vybraných městech v povodí řeky Moravy. Pro ohrožené části Přerova, Zlína a Uherského Hradiště byly zpracovány studie odtokových poměrů, pro část Hodonína pak navíc riziková analýza potencionálně záplavového území přilehlého k řece Moravě. Podklady i výsledky řešení ve formě tematických map hloubek vody (obr. 6), rychlosti vody, intenzity povodně a rizika (obr. 7) byly zpracovány prostředky GIS, výstup analýzy rizika byl následně použit útvarem hlavního architekta při sestavení regulačního plánu částí Hodonína na pravém břehu řeky Moravy.
15
Obr. 6 Průběh rychlostí vody v inundačním území „Hodonín – Rybáře“ podle [67]
Obr. 7 Mapa rizika v inundačním území „Hodonín – Rybáře“ podle [67]
3.4 Protipovodňová ochra na a její řešení na Ústavu vodních staveb Problematika protipovodňové ochrany úzce souvisí jak s hydrodynamikou toků a objektů na nich, tak s bezpečností hydrotechnických staveb, tj. přehrad, rybničních a ochranných hrází a poldrů. Tyto úlohy jsou jednou z hlavních náplní Ústavu vodních staveb (dříve Katedry hydrauliky a hydrotechniky) prakticky po celou dobu jeho existence. V současné době je uvedená problematika řešena za pomocí výkonné výpočetní techniky a důmyslného programového
16
vybavení. Soudobé celosvětové trendy v oblasti ochrany proti povodním směřují k využití analýzy rizik při hodnocení záplavových území i při návrhu protipovodňových opatření. Další podrobnější rozpracování metod hodnocení rizika ve vztahu k povodňové hrozbě je předmětem řešení grantového úkolu GA ČR r. č. 103/02/0018 Využití metod teorie pravděpodobnosti, matematického modelování, hodnocení škod a rizikové analýzy při návrhu protipovodňových opatření [81], jehož je autor tohoto textu zodpovědným řešitelem, od roku 2003 získal Ústav vodních staveb spolu s Výzkumným ústavem vodohospodářským T. G. M. a ČVUT v Praze zakázku Návrh metodiky stanovení povodňových rizik a škod v záplavových územích a jejich ověření v povodí Labe z prostředků na vědu a výzkum Ministerstva zemědělství [93]. Oba tyto výzkumné projekty tematicky navazují na vědeckovýzkumné projekty [80], [87], [88], [89] řešené v dřívějších letech a na řadu projektů aplikovaného výzkumu řešených v rámci hospodářské činnosti ústavu [50] až [77].
4 Závěr Pedagogická, vědeckovýzkumná i ostatní odborná činnost kolektivu pracovníků Ústavu vodních staveb ve výše uvedených oblastech má značný význam pro rozvoj jak vlastního pracoviště, tak i oboru vodní hospodářství. Výsledky výzkumných prací a jejich praktické aplikace podporují spolupráci Ústavu vodních staveb s odbornou veřejností, kdy v současné době jsou trvale navázány dobré kontakty s projekčními firmami (Aquatis, a. s., DUIS, s. r. o.), podniky správců toků (Povodí Moravy, s. p., Povodí Labe, s. p., Povodí Odry, s. p.), vodárenskými společnostmi, vědeckovýzkumnými ústavy v oboru vodního hospodářství (VÚV T. G. M.) a domácími i zahraničními vysokými školami (ČVUT v Praze, STU v Bratislavě, TU Dresden, TU Wien, University of Huddersfield, Fachhochschule Wiesbaden). Další přínosy odborné činnosti lze spatřovat zejména v: • postupně se zvyšujícímu počtu studentů oboru vodní stavby a vodní hospodářství; • zajištění podkladů pro výuku teoretických i praktických disciplín; • zajištění finančních prostředků pro zkvalitnění výuky a odborný růst pracoviště.
5 Vybrané práce autora 5.1 Modelování proudění p odzemní vody [1] [2]
[3]
[4] [5] [6] [7]
Baker, P. C. – Butcher, D. P. – Říha, J.: Astley Moss – Water table monitoring and hydrological modelling, University of Huddersfield, 1/1993. Dráb, A. – Jandora, J. – Říha, J. – Uhmannová, H.: Modelové řešení průsakových poměrů VD Vír. Projekt GAČR 103/99/1470 Extrémní hydrologické jevy v povodích. FAST VUT v Brně, 9/2000. Holomek, P. – Ryl, T. – Říha, J.: Použití metod inverzního modelování při stanovení filtračních charakteristik podloží přehradních vodních děl. Přehradní dny. Karlovy Vary 10/2000. Kříž, H.: Groundwater Regimes and Resources Forecasting. Methods and Practical Applications, PC-DIR Brno, 1996 – spoluautor. Kříž, H. – Říha, J.: Vliv břehové infiltrace vody z řeky Moravy na režim podzemní vody v její údolní nivě, Vodohospodársky časopis (J. Hydrol. Hydromech.), 45, 1997, 6, 437–454. Malý, J. – Říha, J.: Modelové řešení rozsahu ochranných pásem podzemních vodních zdrojů. Vodní hospodářství 7/2001, s.192–196. Menšík, M. – Říha, J.: Matematický model hydraulické ochrany podzemních vod v okolí Přerovských strojíren, zpráva HČ, VUT v Brně, červenec 1993.
17
[8] [9] [10] [11]
[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
[19]
[20]
[21] [22]
[23] [24] [25]
Říha, J.: The Three – Dimensional Free Surface Flow Through Porous Media Using Finite Element Residual Procedure, International Symposium, Stará Lesná, květen 1993. Říha, J. a kol.: Počítačové modelování prostorového proudění podzemní vody v geologickém prostředí FÚ č.42 – Závěrečná zpráva, prosinec 1994. Říha, J. a kol.: Proudění v obecném tvaru filtračního tělesa, dílčí část projektu GA/1787/93 Metodika kontroly provádění a provozu kořenových čistíren odpadních vod, Brno, 1994. Říha, J.: The Three – Dimensional Phreatic Groundwater Flow – the Seepage Face Problems and Their Solution by the Residual Flow Finite Element Method, 9th International Conference – Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow, Atlanta, USA, 7/1995. Říha, J. a kol.: Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jevů. Závěrečné dokumenty rozvojového projektu FR 260780, VUT 11/1996. Říha, J.: Štěpánov – Hodnocení vlivu otvírky a těžby štěrkopísků u obce Štěpánov na ŽP, část C-III-B2 EIA, EKOAUDIT, s. r. o. 2/1997. Říha, J. a kol.: Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jevů, skriptum, PC-DIR, Brno, 1997. Říha, J.: Spojená Orlice a Labe v Hradci Králové – Hydrotechnické posouzení průsakových poměrů v ochranných hrázích, Aquatis, a. s., 3/1998. Říha, J.: Choryně – ohrázkování Bečvy. Posouzení průsakovách a stabilitních poměrů ochranných hrázek, Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, duben 1998. Říha, J.: Vegetační čistírny – proudění v obecném tvaru filtračního tělesa, Odborný seminář „Nové poznatky při řešení vegetačních kořenových čistíren“, FAST VUT v Brně, 6/1998. Říha, J.: Modelové vyhodnocení dopadů odstavení místních zdrojů podzemní vody v lokalitách Suchdol nad Odrou, Vražné, Hůrka a Bernartice nad Odrou, Hydrogeologie, 3/1999. Říha, J.: Modelové řešení rozsahu ochranných pásem 2. stupně JÚ Lipník nad Bečvou, Uničov, Břest, Tovačov, Troubky, Kroměříž, Brodek u Přerova, Bohuslavice, Morkovice, Nítkovice, Hulín, Moravská Loděnice, Břeclav, Hydrogeologie, 1999 až 2002. Říha, J.: Modelové řešení rozsahu ochranných pásem zdrojů podzemních vod, Konference „Vplyv vodohospodárskych stavieb na tvorbu a ochranu životného prostredia“, Krpáčov, SR, 11/1999. Říha, J.: Modelové vyhodnocení dopadů ukončení vodárenského odběru podzemní vody v jímacím území u Stachovic. Hydrogeologie, 7/2000. Říha, J.: Použití matematického modelování při řešení rozsahu ochranných pásem jímacích území umístěných v těžebnách štěrkopísků. Seminář „Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů“, Brno, 12/2000. Říha, J.: Obchodně-administrativní a společenské centrum – Praha 4 – Krč. Modelové řešení a koncepční návrh odvodnění stavební jámy a suterénu objektu. Arch-Design, 1/2001. Říha, J.: Modelové posouzení otvírky těžebny štěrkopísků u Dubicka v okrese Šumperk, Hydrogeologie, 11/2001. Říha, J. – Menšík, M.: Matematický model proudění podzemní vody v pravobřežní části údolní nivy Moravy mezi jejím odlehčovacím ramenem a Syrovínkou, součást grantového projektu AV ČR č. 31425 „Prognózy režimu podzemní vody v závislosti na změnách geografických podmínek“. Brno, prosinec 1993.
V rámci řešení výše uvedených výzkumných úkolů a disertačních prací byly sestaveny následující programové prostředky: [26] Říha, J.: HPV – Řešení úloh hydrauliky podzemní vody analytickými metodami, 1991. [27] Říha, J.: SOLVE – Řešení úloh prostorové filtrace s volnou hladinou pomocí metody konečných prvků, 1992. [28] Menšík, M. – Říha, J.: NEXX – Úprava software NECAD fy. FEM consulting pro řešení úloh hydrauliky podzemní vody, 1993.
18
[29] Menšík, M. – Plánička, P. – Říha, J.: FILTR3, FILTR4 – Řešení úloh horizontální filtrace metodou konečných prvků, 1993. [30] Říha, J.: VERT4 – Řešení vertikální filtrace s volnou hladinou metodou konečných prvků, 1993.
5.2 Jakost vody v povrchov ých vodních tocích [31] Daněček, J. – Ryl, T. – Říha, J.: Stanovení hodnoty koeficientu podélné hydrodynamické disperze ve vodních tocích řešením Fischerova integrálu. J. Hydrol. Hydromech., 50, 2002, 2, S. 104–113. [32] Hlavínek, P. – Říha, J.: Planned Protection of Water in the River Dyje Basin. Stream Water Quality Model. Studie pro VKMO, s. r. o., FAST VUT v Brně, 2000, 74 s. [33] Hlavínek, P. – Říha, J.: Stream Water Quality Model as a Tool for the Assessment of Impact of Improvements of Pollution sources in the River Dyje Basin. 2nd International Conference Interurba II, Lisabon, 2001, poster, CD. [34] Hradská, A. – Říha, J. – Vach, A.: Projekt regionu Českomoravské vrchoviny, povodí řek Jihlava, Oslava, Želetavka. Podkladová část. Aquatis Brno, a. s., FAST VUT v Brně, 1992. [35] Hradská, A. – Říha, J. a kol.: Projekt regionu Českomoravské vrchoviny, povodí řek Jihlava, Oslava, Želetavka. Modelová část. Aquatis Brno a. s., FAST VUT v Brně, 1993–1995. [36] Jandora, J. – Menšík, M. – Říha, J.: ZNEC 2.01 – Matematický model kvality povrchových vod. Zpráva HČ, Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 1996, 105 s. [37] Ryl, T. – Říha, J.: Possibilities of the use of inversion modelling when solving stream water quality problems. Magdeburský seminář. Posterové sdělení. Berlín, 2000. [38] Říha, J.: Použití matematických simulačních modelů při řízení jakosti vody v povrchových tocích. in. Kvalita vod ´98, Luhačovice, 1998, s. 25–34. [39] Říha, J.: Řešení vybraných problémů při modelování úloh transportu látek ve vodních tocích. In. sborník semináře „Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů“, Brno, 2000, s. 36–42. [40] Říha, J.: Poznámky k praktickému použití numerických modelů jakosti vody ve vodních tocích. in. „Optimalizace inženýrských úloh ve stokování“. Mezinárodní workshop, ÚVHO VUT v Brně, 2000, s. 55–64. [41] Říha, J.: Simple Numerical Model for River Network Water Quality Decision Support, in. Proceedings of the 4th International Conference on Hydroscience and Engineering – ICHE 2000, Korea, Soul, 2000, p. 24, CD ROM. [42] Říha, J. a kol.: Jakost vody ve vodních tocích a její matematické modelování. NOEL 2000, červen 2002, 269 s. [43] Říha, J. – Hlaváček, J.: Stream Water Quality Model. Problems Dealing with Model Calibration, In. „Environment and Interaction“, Porto, 1996, Paper 19, 1996, 6 p. [44] Říha, J. – Daněček, J. – Glac, F.: Vliv disperze na průběh koncentrací látek v toku. J. Hydrol. Hydromech., 45, 1–2, 1997, s. 165–179. [45] Říha, J. a kol.: Průběh a vyhodnocení testovacích pokusů na řece Svitavě a Svratce. Grantový projekt GA ČR č. 103/99/0456. Závěrečná zpráva dílčího výzkumného úkolu. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 11/2001. [46] Říha, J. – Ošlejšková, J.: Modelové řešení úloh jakosti vody v síti vodních toků. Práce a studie VÚV T. G. M. sešit 156, SZN Praha, 2001, 99 s. [47] Říha, J. – Stara, V.: Stopovací pokusy na řekách Svitavě a Svratce. Část I – Příprava, realizace a vyhodnocení stopovacích pokusů. Vodní hospodářství 8/2002. V rámci řešení výše uvedených výzkumných úkolů a disertačních prací byly sestaveny následující programové prostředky:
19
[48] Jandora, J. – Menšík, M. – Říha, J.: ZNEC 2.01 – Matematický model kvality povrchových vod. Software s dokumentací, Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 1996. [49] Říha, J.: POLLUT – Globální model kvality povrchových vod. Program v prostředí MS EXCEL. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 2001.
5.3 Protipovodňová ochra na [50] Holomek, P. – Říha, J.: A comparison of breach modelling methods applied to the Slusovice earth dam. Dam Engineering, Vol. XI, Issue 3, 2000. [51] Jandora, J. – Julínek, T. – Říha, J.: The effect of reservoirs on the regional and local flood protection at the Morava river, Dams in a European Context, ICOLD European Symposium. Geiranger, Norway. 6/2001. [52] Kratochvíl, J. – Stara, V. – Říha, J. – Jandora, J.: Numerical and Experimental Research on earth dam Breaching Due to Overtopping, The 4th International Conference on Hydroscience and Engineering, Seoul, Korea, 9/2000. [53] Podsedník, O. – Říha, J.: Oponentský posudek protipovodňové ochrany Židlochovic, FAST VUT v Brně, srpen 1998. [54] Říha, J.: Příspěvek ke stanovení stupně drsnosti přirozených koryt, Vodní hospodářství, 11– 12/95, s. 391–392. [55] Říha, J.: Studie odtokových poměrů v Řece Svitavě v úseku Březová nad Svitavou – Muzlov, Studie, 1997. [56] Říha, J.: Studie odtokových poměrů v řece Labi včetně návrhu jezu a MVE v km 183,58 v Hořenicích, Studie, 1998. [57] Říha, J.a kol.: Studie odtokových poměrů v řece Dřevnici ve Zlíně, FAST VUT v Brně, 3/1998. [58] Říha, J.: Ochrana hrází při povodňových situacích, Vodní hospodářství 3/1999, str.41–46. [59] Říha, J.: Specifické problémy při matematickém modelování proudění vody v síti vodních toků, Vodní hospodářství 8/1999, str.158–162. [60] Říha, J.: Protipovodňová ochrana jako nedílná součást územního plánování, Urbanismus a územní rozvoj, 6, 1999. [61] Říha, J.: Protipovodňová opatření na ochranu hl. m. Prahy. Etapa 004 – Holešovice – Stromovka. Hydraulické posouzení průsakových poměrů a filtrační stability pod nábřežní zdí. Aquatis Brno, 1/2001. [62] Říha, J. a kol.: Hydraulické řešení protipovodňové ochrany části „Žebračka“ města Přerova. Součást grantového projektu GA ČR č. 103/99/0780. Ústav vodních staveb VUT FAST v Brně, 8/2000. [63] Říha, J. a kol.: Hydraulické řešení protipovodňové ochrany části „Rybáře“ města Hodonína. Součást grantového projektu GA ČR č. 103/99/0780. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 10/2000. [64] Říha, J. a kol.: Hydraulické řešení protipovodňové ochrany části města Uherského Hradiště. Součást grantového projektu GA ČR č. 103/99/0780. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 10/2000. [65] Říha, J. a kol.: TOMA – Otrokovice. Posouzení okolností porušení ochranné hráze řeky Moravy u Kvasic. Posudek soudního znalce, únor/2002. [66] Říha, J. – Daněček, J.: Matematické modelování porušení sypaných hrází v důsledku přelití, Vodohospodársky časopis (J. Hydrol. Hydromech.), 48, 2000, 3, 165– 179. [67] Říha, J. – Dráb, A.: Hodonín – Výzkum možností protipovodňové ochrany s využitím metod rizikové analýzy. Závěrečná zpráva. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně, 11/2001. [68] Říha, J. – Dráb, A.: Floodplain Risk Assessment Concept and Its Practical Application in Urban Planning, 5th International Conference of Hydroinformatics, Cardiff, UK, 7/2002.
20
[69] Říha, J. – Dráb, A.: GIS – Groundwater and Floodplain Flow Modelling – the Tool for the Flood Protection Management, 5th International Conference of Hydroinformatics, Cardiff, UK, 7/2002. [70] Říha, J. – Jandora, J.: Ochrana území města Ostravy před povodněmi. Hydrodynamický model proudění v korytě Odry v km 14,995–20,200, Hydroprojekt, o. z. Ostrava, 9/1998. [71] Říha, J. – Jandora, J.: Proudění v říční síti programem HEC-RAS v. 2.0. Uživatelská a teoretická příručka. Učební pomůcka ÚVST FAST VUT v Brně, 2001. 42 s. [72] Říha, J. – Jandora, J.: Studie odtokových poměrů řeky Desná, ř. km 0,000–22,050. Celkové hydrotechnické zhodnocení toku, objektů, aktualizace TPE, návrhy opatření, Hydroinform, a. s., Brno, 10/1999. [73] Říha, J. – Jandora, J.: Machland – Nord. Untersuchung der Versickerungverhältnisse der Schutzdämme, TU Brno, Ústav vodních staveb FAST, 10/2001. [74] Říha, J. – Jandora, J. – Julínek, J. – Dráb, A.: Aplikace numerických modelů při návrhu protipovodňové ochrany urbanizovaných území. Seminář „Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů, Brno, 12/2000. [75] Říha, J. – Šlezingr, M.: Povodňový model Moravy a Bečvy. Plaveninový režim na řece Moravě a Bečvě. Povodí Moravy, a. s. Brno, 6/1999. [76] Stara, V. – Říha, J.: Možnosti retenčních úprav v krajině povodí Opavy. Oponentní posudek vyžádaný MZe, únor 2001. [77] Veselý, P. – Říha, J. – Jandora, J. – Uhmannová, H.: Hydrodynamické modely proudění v tocích a územní plánování – Dřevnice ve Zlíně, 7. symposium VH soustavy – Systém povodňové ochrany ČR, Olomouc, 6/1998.
5.4 Úspěšně oponované vý zkumné a pedagogické úkoly a) Zodpovědný řešitel [78] Počítačové modelování prostorového proudění podzemní vody v geologickém prostředí. FÚ č. 42, 12/1994. [79] Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jevů. Rozvojový projekt FR 260780, VUT 11/1996. [80] Návrh obecné metodiky pro sestavování matematických modelů kvality vody v síti vodních toků. Grantový projekt GA ČR r. č. 103/99/0456, FAST VUT v Brně 1999 až 2001. [81] Využití metod teorie pravděpodobnosti, matematického modelování, hodnocení škod a rizikové analýzy při návrhu protipovodňových opatření. Grantový projekt GA ČR r. č. 103/02/0018, FAST VUT v Brně 2002 až 2004. b) Spoluřešitel [82] Astley Moss – Water table monitoring and hydrological modelling. University of Huddersfield, 1993 (Dr. Butcher) – viz též [1]. [83] Prognózy režimu podzemní vody v závislosti na změnách geografických podmínek. Grantový projekt AV ČR č. 31425, Brno 1993 (RNDr. Kříž, DrSc). Řešitel části Matematický model proudění podzemní vody v pravobřežní části údolní nivy Moravy mezi jejím odlehčovacím ramenem a Syrovínkou – viz též [25]. [84] Zřízení nového směru se zaměřením na ŽP v rámci výchovy inženýra vodohospodáře. Externí grant č. 07/93 z Fondu dyn. rozvoje VŠ, 1993. [85] Metodika kontroly provádění a provozu kořenových čistíren odpadních vod, GA/1787/93. Brno, 1994 (Doc. Ing. Marhoun, CSc.). Řešitel části Proudění v obecném tvaru filtračního tělesa – viz též [10]. [86] DÚ4 – Hydraulické vyhodnocení dynamiky odtoků – Vyhodnocení povodňové situace z července 1997, Praha 1998 (Ing. Havlík, CSc.). Řešitel části Extrapolace měrných křivek průtoku Morava – Kroměříž, Moštěnka – Prusy, Olše – Věřňovice.
21
[87] Rizika porušení vzdouvacích staveb na tocích při extrémních hydrologických situacích. Grantový projekt GA ČR r. č. 103/97/0175 FAST VUT v Brně, 1997 až 1999. (Doc. Ing. Stara, CSc.). [88] Strategie rozvoje měst po povodni. Grantový projekt GA ČR č.103/99/0780 FA VUT v Brně (Doc. Ing. arch. Konvička, CSc.). Řešitel části Vodohospodářské aspekty. 1999–2001. [89] Extrémní hydrologické jevy v povodích, Grantový projekt GA ČR r. č. 103/99/1470 ČVUT v Praze (Prof. Ing. Patera, DrSc.). Řešitel části Bezpečnost vodohospodářských objektů. 1999–2001. [90] Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů. Vědeckovýzkumný záměr VUT r. č. MSM 261100006 (Doc. Ing. Stara, CSc.). Řešitel interního projektu Modelování a řízení kvality povrchových vod v systému vodotečí. FAST VUT v Brně, 1999 až 2004. [91] Projekt posouzení vlivu vegetačního doprovodu na zvýšení stability břehů údolních nádrží se zaměřením na prevenci vzniku a rozvoje břehové abraze. Grantový projekt GA ČR č. 103/01/0063 FAST VUT v Brně (Dr. Ing.Šlezingr), 2001 až 2003. [92] Výzkum metod monitorování ochranných hrází. Grantový projekt GA ČR č. 103/01/0057 FAST VUT v Brně (Ing. Pařílková, CSc.) , 2001 až 2003. [93] Návrh metodiky stanovení povodňových rizik a škod v záplavových územích a jejich ověření v povodí Labe VaV/650/5/02 Ministerstva zemědělství. VÚV T. G. M. (Ing. Drbal, Ph.D.), 2003–2005. [94] Riziková analýza vodohospodářských soustav. Grantový projekt GA ČR č. 103/02/0606. Katedra hydrotechniky ČVUT v Praze (Doc. Ing. Satrapa, CSc.), 2002 až 2004.
5.5 Deset nejvýznamnějšíc h prací Říha, J.: Anglicko-český a česko-anglický slovník vodních staveb a vodního hospodářství, akademické nakladatelství CERM, Brno, květen 1995, 212 s. Říha, J.: The Three – Dimensional Phreatic Groundwater Flow – the Seepage Face Problems and Their Solution by the Residual Flow Finite Element Method, 9th International Conference – Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow, Atlanta, USA, 7/1995, p. 1042– 1052. Říha, J. a kol.: Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jevů, PC-DIR, Brno, 1997, 185 s. Říha, J.: Protipovodňová ochrana jako nedílná součást územního plánování, Urbanismus a územní rozvoj, 6, 1999, s. 5–9. Říha, J. – Daněček, J.: Matematické modelování porušení sypaných hrází v důsledku přelití. J. Hydrol. Hydromech., 48, 2, 2000, s. 165–179. Holomek, P. – Říha, J.: A comparison of breach modelling methods applied to the Slusovice earth dam. Dam Engineering, Vol. XI, Issue 3, 2000, p. 171–202. Říha, J. – Ošlejšková, J.: Modelové řešení úloh jakosti vody v síti vodních toků, Práce a studie VÚV T. G. M., Práce a studie, sešit 198, VÚV T. G. M. 2001, 100 s. Říha, J. – Jandora, J.: Machland – Nord. Untersuchung der Versickerungverhältnisse der Schutzdämme, Verbund Wien, FAST VUT v Brně, 10/2001, 53 s. Říha, J. a kol.: Jakost vody ve vodních tocích a její matematické modelování. NOEL 2000, květen 2002, 269 s. Jandora, J. – Říha, J.: Sypané hráze. Analýza porušení v důsledku přelití. Práce a studie Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně, Sešit 2, 2002, 190 s, v tisku.
22
Abstract The revision of protective zones of groundwater resources Recent revision of protective zones of groundwater resources is based on the complex and diversified water resources protection according to the character of the water source, natural conditions and the degree of exposure of the water source. The documentation submitted at the process of groundwater protection zones revision consists of • hydrogeological survey and basic data identification; • numerical model of the groundwater flow, resp. pollution; • final completion and the design of the protection zone boundary location with respect to the landowner property rights, restriction of activities within the protective zone, etc. Recently, the mathematical modelling is essential part of hydrogeological studies dealing with the groundwater resources protective zones revision and proclamation. Several practical applications of groundwater resources revision performed during the last three years are mentioned in the text. As a result of case studies it can be stated, that the extent of the majority of protective zones was overestimated and could be reasonably reduced. The reduction of the protective zones area is site specific and varies from 20 % to 60 %. This will reduce compensation expenses due to restrictions in the use of protected area (e. g. agricultural use) and could influence trends in potable water cost.
Surface water quality assessment Modern planning in waste management adjudicates the receivers the role of final waste water treatment. The main goal of the planning and decision making is an effective allocation of financial means at the catchment in such a way to achieve water quality standards with minimal cost and to fulfil general and legal demands on stream water quality. The importance of mathematical stream water quality modelling increases with the necessity of both conceptual surface water quality policy making and operational decision making in case of accidental spills. The present state of computational techniques and numerical methods enable the solution of problems of transport, dispersion, constitutional changes and interaction between dissolved matter at surface water resources. The market provides powerful software tools based on numerical methods which can be run on personal computers. The stream water quality study should contain: • the concept of stream water quality plan; • identification, collection and storage of hydrographic, hydrologic and water quality data; • the stream water quality model; • final assessment of present state and measures assumed.
Flood protection Nowadays, the necessary part of the flood protection management is careful investigation of hydraulic conditions at the potentially flooded areas. The modern decision making in water management, namely in flood protection is based on contemporary numerical modelling tools linked to powerful GIS, which enables vivid visualisation including thematic maps, animation of flooding progress and construction of longitudinal and cross sections of area of interest. The proposal of flood control protection calls for the risk and vulnerability degree assessment of inundation area with the evaluation of potential damage on health and lives of population and property. The damage depends on many factors, i.e. water depth and velocity in the inundation area, flood duration and water destructive effect from the point of view mechanical, chemical and biological. Theoretical means, which make possible objective, qualitative and quantitative forecasting flood consequences and losses, are mathematical models of water flow and methods for risk analysis of facilities situated in potentially endangered areas. All these activities are closely connected with the concept of urban planning in these areas. The methodology and the practical application of risk analysis are recently solved in the framework of research projects mentioned above [81], [93], [94].
23
