Souhrn

Článek představuje průběžné výsledky vyhodnocení možného dopadu klimatické změny na zabezpečenost odběrů vody pro vodárenské účely zajišťovaných vodními nádržemi k časové úrovni roku 2050. Při řešení byly aplikovány postupy hydrologické a vodohospodářské bilance, včetně modelování zásobní funkce vodohospodářských soustav. Možný dopad klimatické změny na hydrologické charakteristiky a následně na zabezpečenost odběrů vody byl vyhodnocen u celkem 45 vodních nádrží v ČR. Riziko nedostatečného zajištění současných požadavků na vodárenské odběry v podmínkách klimatické změny bylo identifikováno u 17 zhodnocených vodních nádrží.

Úvod

Sucho spolu s povodněmi patří k extrémním hydrologickým jevům, ke kterým dochází přirozeně a nahodile. S rostoucími dopady klimatické změny se však frekvence výskytu i časový a plošný rozsah extrémních hydrologických jevů může měnit. Výsledky modelování dopadů klimatické změny pro ČR předpovídají četnější výskyt přívalových povodní a dlouhotrvajícího sucha. Tato skutečnost se v posledních letech potvrzuje na mnoha povodích. Nepříznivá situace může vést i k ohrožení spolehlivosti zásobování obyvatel pitnou vodou. Významná část odběrů vody pro vodárenské účely je v ČR zajišťována prostřednictvím vodních nádrží. Podle aktuálních dat evidovaných pro potřebu sestavení vodní bilance [1] je pomocí vodních nádrží (a to jak odběry vody přímo z vodních nádrží, tak nadlepšováním průtoků do míst odběrů vody níže položených) zajišťováno cca 50 % z celkového množství vody odebrané pro veřejné vodovody (92 % z odběrů povrchových vod pro veřejné vodovody).

Prezentované vyhodnocení zabezpečení vodárenských odběrů zajišťovaných vodními nádržemi bylo zpracováno v rámci řešení projektu VI20192022159 „Vodohospodářské a vodárenské soustavy a preventivní opatření ke snížení rizik při zásobování pitnou vodou“ programu BV III/1-VS Ministerstva vnitra. Řešitelem projektu je Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v. v. i. Řešení projektu bylo zahájeno v červenci 2019, dokončení je plánováno na prosinec 2022. Projekt je zaměřen na vyhodnocení rizik zásobování pitnou vodou v důsledku klimatické změny a vytvoření technických nástrojů pro posouzení možných opatření ke zmírnění případných nepříznivých dopadů.

Metodika a materiál

Posouzení možných dopadů klimatické změny na zajištění vodárenských odběrů vodními nádržemi vychází z metodiky [2]. Při řešení jsou aplikovány v metodice uvedené postupy zpracování hydrologické a vodohospodářské bilance, včetně simulačního modelování zásobní funkce vodohospodářských soustav. Posouzení bylo zpracováno k výhledovému období roku 2050.

Dopad klimatické změny na hydrologické charakteristiky a zabezpečenost odběrů vody byly posouzeny u vodních nádrží evidovaných jako vodárenské podle [3] (s výjimkou vodních nádrží Husinec, Jezeří, Boskovice a Fryšták, které nejsou v současnosti pro vodárenské odběry využívány). Rovněž byla posouzena zabezpečenost vodárenských odběrů z vodních nádrží Seč, Vranov a Slezská Harta. Kromě odběrů vody z těchto nádrží byly posuzovány i vodárenské odběry vody na vodních tocích, kam je průtok z vodních nádrží pro potřebu zajištění odběrů aktivně nadlepšován (ÚV Plzeň na Úhlavě z vodní nádrže Nýrsko, ÚV Milíkov na Mži z vodní nádrže Lučina) nebo převáděn (ÚV Šumná na Bílém potoce z vodní nádrže Fláje). Uvažovány byly převody vody z Třebízského potoka a z vodní nádrže Podhora do vodní nádrže Mariánské Lázně, z Černé vody do vodní nádrže Přísečnice, z vodní nádrže Fláje do Pekelského potoka (pro ÚV Šumná), z Lužce do vodní nádrže Jirkov, z Jiřínského a Jedlovského potoka do vodní nádrže Hubenov. Při simulaci zásobní funkce byla rovněž uvažována možnost spolupráce či vzájemná zastupitelnost vodních nádrží Karhov – Zhejral, Podhora – Mariánské Lázně, Vranov – Znojmo, Seč – Křižanovice, Slezská Harta – Kružberk a Morávka – Šance.

Současné klimatické podmínky

Pro samotné hodnocení současných podmínek byla využita data za období 1941–2017, a to časové řady teplot vzduchu, srážkových úhrnů a odtoků. Na obr. 1 jsou znázorněny odchylky průměrných ročních teplot vzduchu od průměrné roční teploty za referenční období 1981–2010 (znázorněno žlutým polygonem). Lze pozorovat výrazný nárůst teplot, a to především v posledních letech. Tento nárůst teplot je statisticky významný na vysoké hladině významnosti. Zeleně jsou zobrazena období tří nejvýznamnějších such v tomto časovém úseku. Zvyšující se teplota má vliv na velikost potenciální evapotranspirace, a pokud je k dispozici voda v půdním profilu, tak samozřejmě i na aktuální výpar.

Obr. 1. Průměrné roční teploty vzduchu za období 1955–2017 (trend 0,3 °C za 10 let, který je statisticky významný)
Fig. 1. Mean annual air temperature during the period of 1955–2017 (a statistically significant trend of 0.3 °C over 10 years)

Analogicky jsou na dalších grafech zobrazeny srážkové úhrny a odtokové výšky. Na obr. 2 lze vidět rozdíly srážkových úhrnů od referenčního období. Z nich je zřejmé, že se období, kdy byla snížená dostupnost srážkových úhrnů (1969–1974, 1989–1994, 2014–2017), opakuje, deficit byl dokonce větší než v posledních pěti letech. Vyhodnocení ročních srážkových úhrnů neukazuje trend, který by byl statisticky významný. Tento fakt lze odvodit také z obr. 3, který zachycuje odtokové výšky. Z dlouhodobého hlediska u průměrných ročních odtoků (průměrných za celé území ČR) nelze vysledovat statisticky významný trend. V posledních letech však lze pozorovat výrazný pokles odtoků v letních a jarních měsících a nárůst v měsíci lednu (což je dáno především nárůstem teplot – kapalnými srážkami a táním sněhu). Pro představu, změna odtoku o 1 mm znamená snížení o 78,87 mil. m3. Tato hodnota odpovídá téměř objemu vody ve VN Rozkoš.

Obr. 2. Průměrné roční rozdíly srážkových úhrnů (od normálu) za období 1955–2017 (trend 3,61 mm za 10 let, který je statisticky nevýznamný)
Fig. 2. Mean annual differences in precipitation totals (from normal) for the period of 1955–2017 (a statistically insignificant trend of 3.61 mm over 10 years)
Obr. 3. Průměrné roční rozdíly odtoků (od normálu) za období 1955–2017 (trend -2,08 mm za 10 let, který je statisticky nevýznamný)
Fig. 3. Mean annual runoff differences (from normal) for the period of 1955–2017 (a statistically insignificant trend of -2.08 mm over 10 years)

Scénáře změny klimatu ve vodním hospodářství

Pro tvorbu scénářů změny klimatu v kontextu odhadu změn hydrologické bilance se v České republice standardně využívá tzv. přírůstková metoda, zejména pro studie v měsíčním kroku. Tato metoda spočívá v transformaci pozorovaných dat tak, aby změny transformovaných veličin odpovídaly změnám odvozeným ze simulací klimatických modelů. V měsíčním kroku se běžně uvažují změny průměrných měsíčních úhrnů srážek a průměrné měsíční teploty. V denním kroku je nutné uvažovat i změny variability veličin. Pro tvorbu scénářů změny klimatu byla proto využita pokročilá přírůstková metoda ADC (Advanced Delta Change). Podstatou přírůstkové metody je transformace pozorovaných dat způsobem, jenž zaručí, že změny mezi transformovanou a původní řadou jsou stejné jako změny odvozené z regionálního klimatického modelu. U srážek a teploty (zejména v denním kroku) je žádoucí, aby uvažované transformace zohledňovaly změny jak v průměru, tak ve variabilitě. To zjednodušeně znamená, že extrémy se mohou měnit jinak než průměr. Při odvození změn srážek z klimatického modelu ADC metoda uvažuje i systematické chyby simulace. Jelikož teplota je transformována lineárně, nemá systematická chyba na výslednou transformaci teploty vliv [4].

Zvolenou metodou byly transformovány vybrané [5] Globální cirkulační modely (GCM) pro dílčí povodí, jedná se o:

  • NorESM1-M +
  • MPI-ESM-LR + HadGEM2-ES +
  • GISS-E2-H + MRI-ESM1 +
  • CanESM2 + GFDL-CM3

První model (NorESM1-M) představuje střed ansámblu všech GCM. Modely MPI-ESM-LR + HadGEM2-ES + vystupují jako řídící GCM pro několik Euro-CORDEX RCM simulací. To ostatně platí i pro vybraný střední model, který rovněž řídí jeden z Euro-CORDEX RCMs. Modely GISS-E2-H + MRI-ESM1 zajistí splnění podmínky na pokrytí mezimodelové variability a modely CanESM2 + GFDL-CM3 umožní splnit poslední uvedenou podmínku výběru. Tyto modely byly dále testovány pro vodní hospodářství. Testovány byly také vybrané modely RCM. Pro samotné hodnocení byl vybrán model HadGEM2-ES,  který byl pro střední scénář dopadů klimatické změny doporučen ve studii [6]. Vývoj teploty dle RCP8.51 je uveden na obr. 4.

 

Obr. 4. Změny teploty vzduchu dle jednotlivých GCM a RCP8.5.
Fig. 4. Air temperature changes according to individual GCMs and RCP8.5

Pro hodnocení vodohospodářské bilance byly vybrány scénáře:

1. 0 – označující současné podmínky

2.  2 – současné klima + 2 °C

3. HadGEM2 – klima založené na výstupech GCM HadGEM2-ES RCP4.5

Modelování hydrologické bilance

K modelování hydrologické bilance byl použit model Bilan, který je vyvíjen více než 15 let v oddělení hydrologie Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka, v. v. i. Model počítá v denním či měsíčním časovém kroku chronologickou hydrologickou bilanci povodí či území. Vyjadřuje základní bilanční vztahy na povrchu povodí, v zóně aerace, do níž je zahrnut i vegetační kryt povodí, a v zóně podzemní vody. Jako ukazatel bilance energie, která hydrologickou bilanci významně ovlivňuje, je použita teplota vzduchu. Výpočtem se modeluje potenciální evapotranspirace, územní výpar, infiltrace do zóny aerace, průsak touto zónou, zásoba vody ve sněhu, zásoba vody v půdě a zásoba podzemní vody. Odtok je modelován jako součet tří složek: dvě složky přímého odtoku (zahrnující i hypodermický odtok) a základní odtok [7, 8, 9]. Pro modelování hydrologické bilance byla použita měsíční verze modelu.

Hydrologické modelování změn klimatu

Postup modelování dopadu změny klimatu na hydrologický režim (viz obr. 5) lze stručně shrnout následovně:

1.   Zvolený hydrologický model je pro vybrané povodí nakalibrován pomocí pozorovaných dat. Hydrologický model by měl být fyzikálně založen, aby bylo zaručeno, že i pro nepozorované podmínky bude poskytovat fyzikálně přijatelné výsledky.

2.  Vstupní veličiny z globálního, popřípadě vnořeného regionálního klimatického modelu jsou převedeny na scénářové řady pro  jednotlivá povodí, a to:

a.   statistickým downscalingem

b.  „postprocessingem“ výstupu klimatického modelu, tj. využitím přírůstkové metody či korekce systematických chyb

Často je nutné pomocí prostorové interpolace vztáhnout data z výpočetních buněk klimatického modelu k těžišti daného povodí. Pro korektní využití všech metod (a–b) je nezbytné mít k dispozici pozorovaná data.

3.    Pomocí nakalibrovaného hydrologického modelu a scénářových řad je provedena simulace hydrologické bilance pro scénářové období.

4.    Modelované průtoky pro současnost a výhledová období jsou korigovány v jednotlivých měsících pomocí kvantilové metody [10].

Vodohospodářská bilance

Na výše uvedené vyhodnocení dopadu klimatické změny na hydrologické charakteristiky navázalo posouzení zabezpečenosti odběrů vody pomocí metod vodohospodářské bilance a simulačního modelování zásobní funkce vodohospodářských soustav. Aplikovanou metodu podrobně popisuje [11], použité programové vybavení [12]. Simulační model simuluje chování soustavy v chronologické řadě diskrétních časových kroků (zde zvolen měsíční krok) na základě znalosti časových řad přirozených průtoků (neovlivněných regulací a odběry/vypouštěním vody), požadavků na užívání vody (zde odběrů vody) a zachování minimálních průtoků, technických parametrů prvků soustavy (zde objemů zásobního prostoru nádrží a kapacit převodů vody) a do modelu zavedených pravidel regulace odtoku (manipulačních pravidel). Výstupem simulace jsou časové řady simulovaných aktivit: průtoků a výparu z hladin vodních nádrží, odběrů vody, odtoků z vodních nádrží, objemů vody a hladin v zásobním prostoru nádrží. Tyto časové řady jsou následně statisticky vyhodnoceny. Jako základní charakteristika vyjadřující zajištění odběrů vody je vyhodnocena zabezpečenost podle trvání pt, definovaná [13] (zjednodušeně vyjadřuje procentní podíl délky období, po kterou jsou požadavky na odběry vody a minimální průtoky plně zajištěny, z celkové délky celého posuzovaného období.)

Řešení bylo zpracováno variantně pro výše uvedené scénáře popisující současné podmínky a dopad klimatické změny. Časové řady přirozených průtoků a výparu v profilech vodních nádrží a míst odběrů vody byly výsledkem výše uvedeného modelování hydrologické bilance. Celková délka těchto řad byla 718 měsíců (tj. necelých 60 let). Požadavky na odběry vody byly posuzovány alternativně jako v současnosti realizované odběry vody a jako povolené roční hodnoty odběrů. Jako současné odběry byly uvažovány maximální roční odběry vody evidované pro potřebu sestavení vodní bilance [1] za období let 2014–2019, a to jako během roku rovnoměrně rozdělené. Z údajů této evidence byly převzaty i povolené hodnoty odběrů, požadavky na minimální průtoky pod vodními nádržemi a objemy zásobního prostoru vodních nádrží. Do řešení byl započítán i vliv případných dalších skutečných odběrů a vypouštění vody v povodí vodních nádrží a další relevantní požadavky na zajištění odběrů pro průmysl (např. vodní nádrže Slezská Harta, Kružberk, Morávka a Šance) či zemědělství (např. vodní nádrže Vír I, Vranov a Znojmo). Zajištění požadavků na vodárenské odběry bylo vždy (tj. v každém časovém kroku simulace) uvažováno jako přednostní oproti jiným požadavkům na vodní zdroje, včetně požadavků na minimální průtoky pod vodními nádržemi. Vzhledem k tomu, že se jednalo o modelování možné budoucí situace, nebyla uvažována současná pravidla pro dispečerská řízení vodních nádrží (jsou nastavena na stávající hydrologické podmínky a změna těchto podmínek by si vynutila jejich revizi a optimalizaci).

 

Obr. 5. Schéma hydrologického modelování dopadů změny klimatu
Fig. 5. Scheme of hydrological modelling of climate change impacts

Výsledky

Výsledkem výše popsaného postupu řešení byla kvantifikace možných dopadů klimatické změny na hydrologické charakteristiky (průtoky a výpar z vodní hladiny a evapotranspirace krajiny) a následné vyhodnocení zabezpečenosti vodárenských odběrů zajišťovaných vodními nádržemi v těchto podmínkách. Na obr. 6 jsou uvedeny změny přirozených odtoků (scénář/současnost) pro scénáře 2 a HadGEM formou grafu typu boxplot2.

Výsledky vyhodnocení zabezpečenosti vodárenských odběrů jsou – prostřednictvím hodnoty zabezpečenosti podle trvání pt – uvedeny v tab. 1 a ilustrovány na obr. 7. Pro snadnější orientaci jsou odběry podle dosažené zabezpečenosti rozděleny do čtyř skupin a označeny pomocí barevné škály, a to následujícím způsobem: (a) modře jsou označeny odběry vody s bezporuchovou (tj. pt = 99,9) zabezpečeností současných i povolených odběrů ve všech hodnocených scénářích; (b) zeleně jsou označeny středně rizikové odběry s bezporuchovou zabezpečeností pouze současných odběrů ve všech hodnocených scénářích; (c) žlutě jsou označeny odběry s bezporuchovou zabezpečeností současných odběrů pouze v příznivějším scénáři dopadu klimatické změny HadGEM2 a (d) červeně jsou jako vysoce rizikové označeny odběry, kde bezporuchová zabezpečenost není dosažena ani v jednom ze scénářů dopadu klimatické změny.

Jako vysoce rizikové vzhledem k zajištění odběrů vody v podmínkách klimatické změny byly vyhodnoceny vodní nádrže Stanovice, Žlutice, Pilská, Obecnice, Opatovice, Bojkovice, Mariánské Lázně – Podhora, Klíčava a Nová Říše. Jako středně rizikové byly vyhodnoceny vodní nádrže Vranov – Znojmo, Vrchlice, Slušovice, Koryčany a Ludkovice. Naopak bezproblémové zajištění současných i povolených odběrů vody bylo vyhodnoceno u vodních nádrží Římov, Nýrsko, Horka, Lučina, Slezská Harta – Kružberk, Seč – Křižanovice, Jirkov, Myslivny, Josefův Důl, Souš, Mostiště, Hubenov a Landštejn.

Obr. 8 ilustruje efekt využití akumulace vody v zásobním prostoru vodních nádrží na zajištění současných požadavků na vodárenské odběry a minimální průtoky ve vodních tocích pod nádržemi. Vyjádřen je podíl objemu těchto požadavků, který může být zajištěn pouze přítokem v profilu vodní nádrže, a podíl, který může být zajištěn pouze s pomocí akumulace vody v zásobním prostoru. Vyhodnocení je zpracováno z celé délky časové řady simulace pro vodní nádrže s objemem zásobního prostoru větším než 10 mil. m3. Vzhledem k simulaci zásobní funkce v měsíčním kroku (kdy jsou uvažovány průměrné měsíční průtoky), je zde zanedbán vliv rozkolísanosti průtoku v průběhu jednotlivých měsíců.

Obr. 6. Snížení odtoku z povodí vodárenských nádrží
Fig. 6. Reduction in runoff from the catchment area of water reservoirs
Tab. 1. Zabezpečenost požadavků na vodárenské odběry vody v podmínkách klimatické změny

* Při uvažování vzájemné zastupitelnosti vodních nádrží Morávka a Šance

Obr. 7. Riziko nedostatečného zajištění požadavků na vodárenské odběry v podmínkách klimatické změny
Fig. 7. Risk of insufficient security of requirements for drinking water demand in climate change conditions

Diskuze

Výsledky posouzení možných dopadů klimatické změny na dostupnost vodních zdrojů jsou přirozeně zatíženy jistou mírou nejistoty. Nejistota predikce dopadů klimatické změny na průtoky je reflektována volbou více možných scénářů pro hydrologické modelování, počátečními a okrajovými podmínkami klimatických modelů a jejich strukturou. Dalšími nejistotami jsou výběr korekce systematických chyb klimatických modelů a struktura hydrologického modelu (modelování různými hydrologickými modely). Ze studií porovnávajících podíl jednotlivých zdrojů nejistot na celkovou nejistotu v hydrologickém modelování vyplývá, že nejistota pramenící z modelování budoucího klimatu (struktura modelu) značně převyšuje nejistotu svázanou s volbou emisního scénáře nebo nejistotu vyplývající z hydrologického modelování. Celková nejistota promítnutá do výsledku hydrologického modelování je značná.

Určitou nejistotu rovněž představují budoucí změny v požadavcích na odběry vody nebo zajištění minimálních průtoků (např. i s ohledem na případné dopady klimatické změny na jakost vody). Řada posuzovaných vodních nádrží a odběrů vody je součástí vodárenských soustav. Případné deficity tak mohou být u některých vodních nádrží pokryty jinými disponibilními vodními zdroji v soustavě, ale i naopak v období sucha může vzniknout požadavek na zvýšení odběrů z vodních nádrží k pokrytí deficitů ostatních, zranitelnějších zdrojů soustavy (odběrů přímo z vodních toků nebo odběrů podzemní vody). Řešení bylo zpracováno variantně pro současné skutečné odběry a odběry povolené. Do výsledků se tak ve značné míře promítá i nízký podíl využití povolených hodnot (viz tab. 1). Vyhodnocená nízká zabezpečenost povolených hodnot odběrů u některých vodních nádrží může být v budoucnu limitující pro případné napojení dalších spotřebišť na tyto zdroje.

Obr. 8. Využití akumulace vody ve vodních nádržích pro zajištění současných odběrů vody a minimálních průtoků (scénář HadGEM2)
Fig. 8. Use of water accumulation in the storage space of water reservoirs for the security of current water demand and minimum discharges in the HadGEM2 scenario

Závěr

Cílem výše popsaného řešení bylo identifikovat potenciální problémy způsobené dopady klimatické změny k časové úrovni roku 2050 při zásobování pitnou vodou zajišťovaném vodními nádržemi. Při řešení byly aplikovány metody hydrologické a vodohospodářské bilance, včetně simulačního modelování zásobní funkce vodohospodářských soustav. Pomocí použitých modelů byl kvantifikován možný dopad klimatické změny na hydrologické charakteristiky (zejména průtoky) a následně vyhodnocena zabezpečenost vodárenských odběrů zajišťovaných vodními nádržemi. Hodnocené lokality (vodní nádrže a místa odběrů vody) lze podle výsledné zabezpečenosti orientačně rozdělit do několika skupin. Z celkem 45 hodnocených vodních nádrží jich bylo 15 vyhodnoceno jako bezproblémové jak pro všechny scénáře klimatické změny, tak pro skutečné i povolené odběry (z větších vodních nádrží mj. Římov, Kružberk – Slezská Harta, Horka). U dalších 13 vodních nádrží byla vyhodnocena bezproblémová zabezpečenost u obou scénářů klimatické změny pouze pro současné hodnoty odběrů (mj. Švihov, Nýrsko, Vír I, Přísečnice, Fláje a Šance). Naopak střední riziko nedostatečného zabezpečení odběrů vody bylo identifikováno u 7 vodních nádrží (mj. Vranov – Znojmo a Stanovice) a vysoké riziko u 10 vodních nádrží (mj. Žlutice). Predikce zabezpečenosti odběrů v podmínkách klimatické změny je přirozeně zatížena nejistotami řešení jak s ohledem na nezbytné zjednodušení komplexní problematiky při jejím modelování, tak s ohledem na další vývoj na straně požadavků na odběry vody (včetně jejich fungování v rámci větších vodárenských soustav) i zajištění minimálních průtoků.

Poděkování

Článek vznikl na základě výzkumu prováděného v rámci projektu VI20192022159 „Vodohospodářské a vodárenské soustavy a preventivní opatření ke snížení rizik při zásobování pitnou vodou“ programu BV III/1-VS, který financuje Ministerstvo vnitra ČR.

Příspěvek prošel lektorským řízením.