SOUHRN
V letech 2014–2019 bylo na území České republiky historické sucho. Oddělení hydrologie a hydrogeologie Výzkumného ústavu vodohospodářského T. G. Masaryka provádí dlouhodobá hydrologická a hydrogeologická pozorování v povodí horní Metuje, kde se toto sucho výrazně projevilo. Horní část povodí řeky Metuje se nachází v geologickém útvaru polická křídová pánev (dále jen polická pánev). Díky málo propustnému podloží a velké mocnosti křídových pískovců je zde velká zásoba kvalitní podzemní vody, která je odebírána pro vodárenské zásobování mnoha obcí a měst ve východních Čechách. Sledované povodí je uzavřeno vodoměrnou stanicí na řece Metuji, ve městě Teplice nad Metují (M XII). Stanice je umístěna na vodním toku v malé vzdálenosti pod skalským zlomem. Struktura skalského zlomu je pro proudění podzemní vody nepropustná a zlom příčně protíná celý rozsah polické pánve. Na skalském zlomu a nad ním jsou vydatné prameny a je zde přímá dotace podzemní vodou do řeky, takže k profilu vodoměrné stanice je povodí pro hydrologickou bilanci uzavřené. Tato uzavřenost povodí umožňuje relativně přesné rozdělení vody srážkové na výpar, povrchový odtok a podzemní odtok. Ve středu povodí horní Metuje je provozována meteorologická stanice Bučnice, dále tu probíhá měření hladiny podzemní vody hlubokých kolektorů a mělkého kolektoru pozorovacími vrty a pozorování doplňkových vodoměrných stanic na Metuji a na Zdoňovském potoce.
Pro rozbor problému sucha byla řešena hydrologická bilance povodí. Dostupná data od roku 1970 do roku 2019 byla zkontrolována, zpřesněna a zpracována modelem Bilan. Vstupy modelu jsou řady atmosférických srážek (P) a teplot vzduchu (T). Parametry modelu jsou kalibrovány na shodu průběhu celkového měřeného odtoku z povodí (R) a modelovaného odtoku (RM). Výstupem modelu je modelovaný odtok z povodí (RM), výpar (ET), dotace podzemní vody a základní odtok (BF). Bilan dále počítá potenciální evapotranspiraci (PET) a zásobu podzemní vody (GS).
Teplota vzduchu měřená na klimatické stanici Bučnice má za dobu pozorování trvalý stoupající trend 0,04 °C/rok. Ke zjištění podílu tohoto oteplování na suchém období 2014–2019 a také k určení celkového vlivu na odtok z povodí byly programem Bilan modelovány hydrologické poměry v povodí i pro variantu bez tohoto oteplování.
Výsledkem bylo zjištění primární příčiny sucha – tou byl pokles atmosférických srážek oproti průměru o 8,6 mm/měsíc a odpovídající pokles odtoku. V modelové variantě bez dlouhodobého oteplení byl nižší výpar o 4 mm/měsíc a o tuto hodnotu by byl menší také pokles odtoku. V celkové hydrologické bilanci má dlouhodobé oteplování vzduchu přímý vliv na růst výparu, jehož následkem je pokles celkového i základního odtoku. Dlouhodobý pokles odtoku na závěrném profilu M XII má trend 2 l/s/rok.
ÚVOD
V letech 2014–2019 zasáhlo území střední Evropy historické sucho. Bezprostřední příčinou sucha byly opakující se dlouhodobé nezvyklé cirkulační podmínky, které bránily postupu frontálních systémů do střední Evropy. Zda je tato změna proudění ojedinělou anomálií, periodou pravidelného cyklu, nebo následkem změn klimatu, bude možné věrohodně posoudit až zpětně. V tomto příspěvku bude upřesněn podíl dvou hlavních příčin sucha – nižších atmosférických srážek a zvýšené teploty vzduchu.
VÚV TGM provádí dlouhodobá a nepřetržitá pozorování klimatických, hydrologických a hydrogeologických parametrů v povodí horní Metuje, data získaná z těchto pozorování byla použita k analýze problematiky sucha v daném regionu.
Hydrogeologické poměry povodí horní Metuje
Schematická situace horního povodí Metuje je na obr. 1. Sledované území je povodí horní Metuje po polohu vodoměrné stanice označované M XII na jižním okraji města Teplice nad Metují. Toto povodí leží v horní části polické pánve, která je tvořena geologickými útvary křídy a triasu. Plošná rozloha polické pánve je větší než morfologická plocha povodí Metuje. Druhým významným tokem je na severozápadě Dřevíč.
Křídové a triasové sedimenty velké mocnosti (v centrální části přes 500 m) leží na permo-karbonské vnitrosudetské (dolnoslezské) pánvi. Toto málo propustné podloží spolu s brachysynklinální (miskovitě prohnutou) polohou uložení pánve umožňuje akumulaci velkého objemu podzemní vody v křídovém a triasovém útvaru. Krásný [6] oblast horního povodí Metuje po skalský zlom popisuje jako „severní zvodněný systém“ polické pánve se samostatným oběhem podzemních vod.
Atmosférické srážky dotují zásobu podzemní vody v celé ploše pánve [1]. Proudění podzemní vody po překonání provzdušněného horninového prostředí (zóna aerace) je dále komplikované. Propustnost jednotlivých vrstev sedimentů je rozdílná, jsou zde ověřeny dobře propustné vrstvy a vrstvy izolační. Těleso křídového útvaru je tektonicky značně rozrušeno a tyto poruchy a pukliny mohou být podle druhu výplně propustné, nebo izolační. Hynie [2] uvádí možný izolační vliv ve vyšší poloze a drenážní v hloubce i na struktuře jedné poruchy. Také lze z brachysynklinálního prohnutí pánve předpokládat poruchy k povrchu převážně stlačené a k podloží rozevřené.
V tomto prostorově členitém prostředí lze definovat dva významné samostatné kolektory – kolektor kvádrových pískovců D a kolektor pískovců cenomanu A. Méně významný je kolektor ve vrstvách turonu (C), významný izolátor jsou slínovce spodního turonu.
V cenomanských pískovcích, které jsou částečně překryty sedimenty turonu, je kolektor A. Ten se dále dělí na výše položený kolektor A2 (rohovcové vrstvy) a na u báze křídového útvaru ležící kolektor A1, jenž je spojitý s podložním kolektorem triasu T. Tento spodní kolektor A1/T má velmi dobrou propustnost a odvádí většinu, možná všechnu podzemní vodu z kolektoru A k vývěrům v Teplicích, nad a u skalského zlomu (tzv. teplický výronový okrsek). Skalský zlom je pro proudění podzemní vody nepropustný, vzdouvá její hladinu a rozděluje polickou pánev na dva hydrogeologicky takřka samostatné celky.
V kvádrových pískovcích Adršpašsko-teplických skal (coniacko-teplické souvrství) se nachází prostorově členitá zvodeň kolektoru D. Tento kolektor je od níže položeného kolektoru C izolován málo propustnými slínovci, a tak podzemní voda odtéká četnými prameny na erozní úrovni toků, které se do této slínovcové vrstvy zahloubily. Ve skalních městech je mnoho drobných pramenů, na severovýchodním okraji skal jsou v údolí Metuje čtyři vydatné prameny. Jižní oblast skalního města je odvodňována do Skalního potoka, vydatnější prameny odvádějící vodu k Metuji tu nejsou.
Tab. 1. Skladba odtoku a specifické odtoky dílčích částí povodí Metuje
Tab. 1. Runoff composition and specific runoffs of sub-parts of the Metuje basin
Z mnoha podélných měření průtoků a vydatnosti pramenů byla zjištěna skladba průměrných průtoků a odtoků podzemní vody do Metuje (tab. 1). Plošné rozložení dotace podzemních vod srážkami lze posoudit podle specifických odtoků. Jejich porovnání pro dílčí oblasti povodí je uvedeno také v tab. 1.
Ovlivnění přirozených hydrogeologických poměrů v povodí horní Metuje
Zásoba podzemní vody v polické pánvi, resp. možnost jejího využití pro vodárenské zásobování pitnou vodou, byla zkoumána od poloviny 20. století. Ota Hynie prováděl rozsáhlý počáteční průzkum, dále v průzkumu pokračoval národní podnik Vodní zdroje, práce vedl geolog Vojtěch Kněžek.
Od konce 60. let jsou v povodí horní Metuje v teplickém výronovém okrsku vodárenské odběry podzemní vody a její odvedení mimo povodí. Jako první byl jímán pramen Sokol k zásobování obce Meziměstí (cca 1968–2003). Od začátku 90. let je podzemní voda čerpána z hlubokých vrtů (VS-5 a VS-15) v blízkosti pramene Rybárna k zásobování větší oblasti napojené na Východočeskou vodárenskou soustavu. Mimo teplický výronový okrsek je čerpán vrt VS-13. Odběrem vody z pramene kromě deficitu průtoku odpovídajícímu odběru k žádnému ovlivnění přirozeného režimu nedošlo. Čerpání podzemní vody z vrtů ovlivňuje proudění a hladinu podzemní vody v pánvi, po zahájení odběrů je patrný pokles hladiny podzemní vody v kolektorech A1T a A2. Předpokládáme, že pokud je zachován přirozený odtok podzemní vody v teplickém výronovém okrsku, k významnějšímu ovlivnění zásoby podzemní vody nedochází.
Lze předpokládat, že přirozené podmínky proudění podzemní vody ovlivňuje také samotná existence mnoha hydrogeologických a jiných vrtů. V pánvi jsou desítky vystrojených vrtů, mnohé nevhodným technickým provedením propojují kolektory, karotážní měření vertikální proudění podzemní vody vrtem často potvrzují. Staré vrty jsou ve špatném stavu a rozsah propojení kolektorů se u nich v čase mění. Na západním okraji povodí byly v pánvi vrtány hluboké ložiskové vrty (průzkum ložiska uhlí); zda byly likvidovány s ohledem na možné ovlivnění režimu podzemních vod, není známo.
Možnost ovlivnění hladiny podzemní vody v severní části polické pánve mohla nastat také snížením hladiny podzemní vody v důsledku čerpání důlních vod na uhelných dolech. Od hranice křídového útvaru 1 200 m na západ byl důl Kateřina, podzemní práce tohoto dolu dosahují téměř k podloží křídových hornin. Důlní vody zde byly čerpány přibližně od počátku 20. století do roku 1993, a to z velké hloubky (-460 m n. m.), v množství průměrně 60 l.s-1. Po zatopení dolu od roku 1996 důlní voda volně odtéká starou štolou v údolí Jívky. Po ukončení čerpání, během zatápění důlních prací ani po zatopení dolu nebyla na chodu a úrovni hladiny podzemní vody v křídové pánvi zaznamenána žádná změna, která by vybočovala z běžného režimního i dlouhodobého chodu. Vliv čerpání a ukončení čerpání důlních vod na hydrogeologické poměry v polické pánvi je zanedbatelný až žádný, a to v souladu s předpokládanou malou propustností permo-karbonského podloží pánve.
Pozorování v povodí horní Metuje
VÚV TGM se na průzkumu polické pánve podílí od roku 1964, při řešení mnoha úkolů spolupracuje především s podnikem Vodní zdroje, a. s., Českým hydrometeorologickým ústavem (ČHMÚ) a společností Progeo, s. r. o. Většina zpracovaných úkolů obsahovala řešení bilanční rovnice povodí a zpřesňování jejích složek, a to v povodí horní Metuje, dílčím experimentálním povodí Bučnice [3] a v celé polické pánvi. Souvislé datové řady vyhodnocených hydrologických, hydrogeologických a klimatických pozorování pro povodí horní Metuje jsou k dispozici od roku 1970.
Závěrný profil pro měření průtoku–odtoku pro toto povodí je M XII na dolní hranici města Teplice. Profil vodoměrné stanice je betonový jez s propustí, provedením je blízký složenému měrnému přelivu. Přístrojová měření hladiny, měření průtoků hydrometrickou vrtulí a vyhodnocení průtoku zde probíhají souvisle od roku 1970. Plocha povodí Metuje po profil M XII je 74,39 km2. Dále jsou v povodí Metuje doplňkové vodoměrné stanice, na Metuji profil M VIII u Skalního mlýna, také pozorovaný od roku 1970, spolu s novějším doplňkovým profilem M VII (2017) pod soutokem se Zdoňovským potokem. Na závěrném profilu Zdoňovského potoka Z VI probíhá pozorování od roku 1996. Měření z těchto stanic upřesňují odtokové poměry jednotlivých částí povodí a také zpřesňují a kontrolují měření na závěrném profilu M XII.
Hladinu podzemní vody sleduje trojice vrtů. Od roku 1972 probíhá měření hladiny ve vrtu VS-3. Úroveň hladiny tohoto vrtu je dána propojením více kolektorů, významný je především vliv zvodně kolektoru rohovcových vrstev A2. Bazální kolektor A1/T je sledován vrtem V-28 od roku 1990. Poměry v kvarterní svrchní zvodni sleduje dvojice blízko sebe položených vrtů V-6 (od roku 1970) a NS, které jsou vyhodnocovány společně. Hladinu podzemní vody v severní části polické pánve sledují také pozorovací objekty ČHMÚ, dostupná data byla k upřesnění odtokových poměrů využita.
Na pozorovací stanici Bučnice probíhá od roku 1970 základní klimatické pozorování, měření atmosférických srážek a teploty vzduchu. Od roku 1999 je zde v provozu automatická meteorologická stanice.
Zjednodušená situace polohy povodí horní Metuje v polické pánvi a umístění pozorovacích objektů je na obr. 1.
Obr. 1. Povodí horní Metuje. 1 – okraj polické pánve, 2 – orografická rozvodnice, 3 – skalský zlom, 4 – proudění podzemní vody, 5 – Skály (kolektor D), 6 – vodoměrná stanice, 7 – klimatická stanice, 8 – pozorovací vrt, 9 – pramen, 10 – výronový úsek, 11 – vodárenský vrt, teplický výronový okrsek (TVO)
Fig. 1. Catchment area of the upper Metuje River. 1 – boundary of the Police basin, 2 – water divide line, 3 – Skalský fault, 4 – groundwater flow direction, 5 – Skály site (aquifer D), 6 – water gauging station, 7 – meteorological station, 8 – observation well, 9 – spring, 10 – outflow section, 11 – water wells, Teplice outflow zone (“T.v.o.”)
Vyhodnocení sucha 2014–2019
V letech 2014–2019 byly zaznamenány nejmenší měřené hodnoty průtoků za celou dobu pozorování na všech pozorovaných profilech a nejnižší úrovně hladiny podzemní vody ve vrtech. Na závěrném profilu M XII bylo provedeno několik hydrometrických měření průtoků nejnižších hodnot. Celkový průběh průtoku a základního odtoku (odvozeného z úrovní hladiny podzemní vody, viz níže) k profilu M XII je v grafu na obr. 2.
Oběh vody v krajině popisuje bilanční rovnice, jež pro povodí horní Metuje obsahuje následující složky: Voda vstupuje do povodí ve formě atmosférických srážek a dále zde existuje přítok podzemní vody ze sousedních povodí. Voda ze spadlých atmosférických srážek přirozeně odchází z povodí výparem a povrchovým odtokem a především v období vegetačního klidu vsakuje do podzemních kolektorů. Větší část podzemní vody vyvěrá v povodí horní Metuje, menší množství odtéká mimo povodí. Na bilanci se také podílí změna zásoby podzemní vody. Část podzemní vody je odváděna vodárenským odběrem mimo povodí. Nádrže povrchové vody v povodí horní Metuje nejsou, objem vody v korytech toků je pro dlouhodobou bilanci zanedbatelný [3]. Jednotlivé uvedené členy bilanční rovnice jsou následně blíže specifikovány v samostatných kapitolách.
K řešení problému sucha v povodí horní Metuje byly v největší možné míře upřesněny jednotlivé položky bilanční rovnice povodí a na jejich hodnoty byl optimalizován hydrologický model Bilan. Primárními vstupy modelu Bilan jsou atmosférické srážky a teplota vzduchu, měření těchto klimatických veličin je z podstaty metody měření přesnější než u dat hydrologických. Ke zpracování dat byly použity řady měsíčních úhrnů/průměrů, především s ohledem na započítání vodárenských odběrů, které jsou v měsíčních hodnotách k dispozici.
Obr. 2. Průtok a základní odtok v profilu Metuje M XII
Fig. 2. Discharge and base flow in the Metuje M XII profile
Atmosférické srážky
Pro výpočet úhrnů měsíčních srážek v povodí Metuje byla použita data ze srážkoměru pozorovací stanice Bučnice. Ta je umístěna přibližně ve středu povodí horní Metuje, na louce při soutoku potoka Bučnice s Metují, v nadmořské výšce 490 m n. m. Většina plochy povodí je tak ve vyšší nadmořské výšce, než v jaké jsou měřeny srážky, což bylo zohledněno navýšením srážek při vyhodnocení.
Rozdíl mezi srážkami zachycenými standardním srážkoměrem ve výšce 1 m a srážkami měřenými na úrovni terénu byl opraven podle zjištění Klinera [3] koeficientem 1,02 pro kapalné a 1,05 pro sněhové srážky.
Úhrny srážek měřené na stanici Bučnice jsou velmi blízké srážkovým úhrnům stanoveným ČHMÚ pro povodí Metuje k níže položenému profilu Maršov. Za vyhodnocené období hydrologických roků 1970–2019 byl průměrný roční úhrn srážek pro stanici Bučnice 747 mm, pro Metuji po Maršov (ČHMÚ) 751 mm. Srážky od roku 1970 do roku 2019 nevykazují trend dlouhodobé změny.
Přítok podzemní vody ze sousedních povodí a odtok podzemní vody mimo povodí
Plocha sedimentů polické pánve je plošně větší než morfologické povodí horní Metuje. V křídové pánvi je také horní povodí toku Dřevíče, který opouští křídu pod obcí Janovice, plocha povodí tohoto vodního toku v polické pánvi je 11,2 km2. Okraje pánve (trias) na severu jsou v povodí Zadrny a Scinawky (Stěnavy). Podle zjištěných úrovní hladiny podzemní vody a z těchto hladin Uhlíkem [4] sestavené mapy hydroizopiez podzemní voda proudí vzhledem k úklonu vrstev sedimentů do centrální oblasti s říční sítí Metuje. Je tady také malá oblast (v povodí Zdoňovského potoka), kde z pánve odtéká podzemní voda severním směrem do povodí Zadrny. Na jihu povodí horní Metuje odtéká podzemní voda mimo povodí z oblasti jižně od skalského zlomu. V této oblasti je větší část povodí levostranného přítoku Metuje – Bohdašínského potoka – a také malá oblast na pravé straně jejího toku. Přítok a odtok podzemní vody z oblastí mimo povodí horní Metuje je zakreslen v mapě (obr. 1). Za předpokladu, že rozdělení srážkové vody na výpar, povrchový odtok a dotaci podzemní vody jsou v prostředí pánve stejné, lze pro přítok/odtok hodnotit rozdíl plochy území s dotací a ztrátou. Tento rozdíl je 11 km2 ku prospěchu dotace ze sousedních povodí.
Přibližnou hodnotu odtoku podzemní vody lze zjistit analýzou závislosti mezi úrovní hladiny podzemní vody a odtokem v závěrném profilu povodí horní Metuje M XII (separace základního odtoku metodikou Kněžek–Kliner). Za tímto účelem byla porovnána hladina podzemní vody na konci více vybraných období poklesu ve vrtech VS-3, V-20, V-28, V-6 a vydatnosti pramene Mořské oko s odpovídajícími poklesy průtoku na profilu M XII. Pro potlačení vlivu vodárenských odběrů a případných dlouhodobých změn parametrů pozorovacích vrtů bylo hodnocené období rozděleno na pět desetiletých úseků. Takto získaný průběh základního odtoku podzemní vody je zobrazen na obr. 2.
Přítok podzemní vody kolektory A1T a A2 z přilehlých sousedních povodí navyšuje vydatnost teplického výronového okrsku, mělké kolektory se odvodňují prameny v příslušných povodích.
Podle podílu teplického výronového okrsku na celkovém základním odtoku a velikosti plochy mimo povodí, ze které pochází tento přítok, byla ze základního odtoku dopočítána přibližná hodnota tohoto přítoku. O tento přítok podzemní vody z oblasti mimo povodí horní Metuje byl celkový odtok z povodí zmenšen.
S odtokem podzemní vody mimo povodí souvisí i problematika propustnosti skalského zlomu. Skalský zlom kříží údolí Metuje v dolní části města Teplice nad Metují, přesněji se zde kříží skalský zlom se zlomem polickým, který určuje v Teplicích morfologii údolí řeky. Nad a na skalském zlomu je dolní část teplického výronového okrsku, pramen Rybárna (také Pstruhárna, Prameniště, Jezírko), a úsek toku s přímou dotací podzemní vodou v korytě. S postupným získáváním znalostí o tomto zajímavém místě se ukazuje komplikovanost a členitost hydrogeologických poměrů a také se mění a různí názory na možnost proudění podzemní vody skrze či přes strukturu zlomu [5, 6]. Rozdíl výšky hladiny podzemní vody nad a pod skalským zlomem je přibližně 40 m, nad zlomem v teplickém výronovém okrsku je piezometrická úroveň hladiny nad terénem. Podzemní voda může pronikat skrze strukturu zlomu, případně přetékat zlom kvarterní říční nivou. Odhad množství podzemní vody, jež překoná zlom, je velmi nejistý, pro bilanci pokládáme skalský zlom za nepropustný. Hodnoty průměrného dlouhodobého specifického odtoku tento předpoklad podporují. Metuje má k profilu M XII specifický odtok 11 l.s-1.km-2, k profilu Hronov, který uzavírá celou polickou pánev, je také 11 l.s-1.km-2. Sousední vodní tok Dřevíč má specifický odtok 10,4 l.s-1.km-2 (z dat vodoměrných stanic ČHMÚ).
Odtok z povodí
Odtok z povodí je vypočten podle průtoku v závěrném profilu Metuje M XII. Tímto měrným profilem pro jeho polohu pod dělícím skalským zlomem a koncem teplického výronového okrsku odtéká většina vody z povodí. Vliv krátkého úseku toku nad profilem M XII od konce teplického výronového okrsku, ve ztrátové oblasti pod skalským zlomem, byl zhodnocen na základě měření a odhadu na ztrátu 10 l/s. Měrná křivka a měrný profil byly zkontrolovány, za dobu pozorování 1970–2019 nedošlo ke změně hydraulických parametrů. Průtok měřený touto vodoměrnou stanicí je kontrolován podle průtoku níže po toku ležící vodoměrné stanice v Maršově nad Metují, provozované ČHMÚ.
Vodárenské odběry odvedené mimo povodí
Odběratelů podzemní vody je v povodí několik, nejvýznamnější jsou Vodovody a kanalizace Náchod, a. s., jež v Teplicích nad Metují provozují soustavu čerpaných vodárenských vrtů a vodovodním převaděčem Teplice–Bohuslavice odvádějí vodu mimo povodí. Voda spotřebovaná městem Teplice nad Metují je též odvedena z povodí horní Metuje, výtok z čistírny odpadních vod ústí do Metuje několik set metrů pod závěrným profilem M XII. K započítání množství odebrané vody byla použita data ze souborů státní vodohospodářské bilance k profilu Maršov. Velikost vodárenského odběru byla pro výpočet snížena o průměrnou hodnotu odběru z vrtu VS-15, 20 l.s-1. Tento vodárenský vrt leží ve struktuře skalského zlomu, úroveň hladiny podzemní vody v tomto vrtu je v neovlivněném stavu níže než hladina řeky [5]. Většina až všechna voda čerpaná tímto vrtem již nenáleží k bilancované oblasti severního zvodněného systému polické pánve.
Celkový odtok zadaný pro kalibraci hydrologického modelu Bilan byl opraven o velikost realizovaných odběrů podzemní vody a výměnu podzemní vody se sousedními povodími.
Ztráta vody výparem
Ztráta vody výparem, především evapotranspirací ve vegetačním období, je počítána modelem Bilan na základě teploty vzduchu a dostupného množství vody v půdě. Teplota vzduchu ve 2 m nad povrchem je přístrojově měřena meteorologickou stanicí Bučnice. Teplota má průkazně stoupající trend 0,04 oC za rok. Průběh teploty je znázorněn na obr. 3. Pro srovnání jsou vykresleny i teploty pro povodí Metuje po Maršov nad Metují a dlouhá časová řada pro povodí Labe v Děčíně.
Obr. 3. Průměrná roční teplota vzduchu
Fig. 3. Average annual air temperature
Zásoba podzemní vody a odtok podzemní vody
Zásoba podzemní vody a odtok podzemní vody (základní odtok) jsou výstupem programu Bilan.
Aplikace modelu Bilan
Model Bilan [7] počítá v měsíčním 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. Vstupními hodnotami modelu jsou časové řady měsíčních výšek srážek v povodí a řady průměrných měsíčních teplot vzduchu. Při odhadu parametrů modelu se zadávají řady měsíčních odtokových výšek v závěrovém profilu povodí.
Výpočtem byly získány potenciální evapotranspirace, územní výpar, infiltrace do zóny aerace, průsak touto zónou do podzemních vod, zásoba vody ve sněhu, zásoba vody v půdě a zásoba podzemní vody. Celkový odtok je modelován jako součet tří složek: dvě složky přímého odtoku (zahrnující i hypodermický odtok) a základní odtok. Základní odtok lze ztotožnit s drenáží podzemní vody do říční sítě po závěrný profil.
Model má osm volných parametrů. Pro jejich odhad se v profilech s vodoměrným pozorováním používá optimalizační program, který hledá parametry tak, aby bylo dosaženo minimální hodnoty zvoleného kritéria shody modelovaného odtoku s pozorovanými daty.
Při kalibraci modelu byly pro data z 90. let patrné rozdíly mezi modelovaným a měřeným odtokem. Podrobnější kontrolou podle zprávy Uhlíka [4] byly zjištěny nesrovnalosti dostupných hodnot odběrů. Pro kalibraci byl úsek nejistých dat vynechán, nebyly použity hydrologické roky 1990–1999. Úroveň hladiny podzemní vody byla na začátku a konci vynechaného úseku podobná.
Ke kalibrování modelu Bilan bylo třeba zvýšit atmosférické srážky koeficientem 1,105, který zohledňuje vliv nadmořské výšky srážkoměrné stanice Bučnice.
Na obr. 4 je vykreslen průběh pozorovaného odtoku z povodí (R) a modelovaného odtoku (RM), pro lepší přehlednost jsou zobrazeny 3měsíční klouzavé průměry.
Obr. 4. Pozorovaný (R) a modelovaný odtok (RM), 3měsíční klouzavé průměry
Fig. 4. Observed runoff (R) and modelled runoff (RM), 3-month moving averages
Z porovnání hodnot skutečného a modelovaného odtoku jsou patrné rozdíly při větších hodnotách odtoku. Tyto lze vysvětlit nerovnoměrným rozložením srážek přívalových dešťů na ploše povodí. Také se zde projevuje nepřesnost samotného měření hladiny při vysokých stavech a rychlých změnách a to, že měrná křivka průtoků je pro velké průtoky odvozena pouze hydraulickým výpočtem. V grafu na obr. 4 jsou zachyceny znatelné nepřesnosti hodnot odběrů vody v 90. letech. Celkově se shoda měřeného odtoku a modelovaného odtoku s časem zlepšuje.
Tab. 2. Měsíční průměry veličin hydrologické bilance z období 1970–2019 a z období 2014–2019 ve variantách pozorovaných teplot a teplot vzduchu bez rostoucího trendu
Tab. 2. Monthly averages of hydrological balance quantities from the period of 1970–2019 and from the period of 2014–2019, in a variant of observed air temperatures and a variant of air temperatures without an increasing trend
Tab. 3. Celkový vliv zvyšování teploty vzduchu
Tab. 3. Overall effect of rising air temperature
Určení vlivu zvyšování teploty vzduchu na odtok
K posouzení podílu vlivu poklesu atmosférických srážek a nárůstu teploty vzduchu byl proveden výpočet odtoku s upravenou teplotou vzduchu, při použití měřených úhrnů srážek a původních parametrů nastavení kalibrace modelu. Měřené hodnoty teploty vzduchu byly pro toto vyhodnocení modelem Bilan v období 1970–2019 upraveny na nulový trend zvyšování teploty.
Porovnání výstupů modelu Bilan pro období sucha 2014–2019 s celým sledovaným obdobím 1970–2019 a porovnání pro modelovou variantu bez zvýšení teploty jsou v tab. 2.
V období 2014–2019 byl průměrný modelovaný měsíční odtok RM o 8,9 mm menší než průměrný měsíční odtok za celé období pozorování 1970–2019. Tento pokles odpovídá poklesu průměrných měsíčních srážek P o 8,7 mm.
Ve vztahu k průměrným teplotám za celé období 1970–2019 byly teploty v období sucha 2014–2019 nadprůměrné, resp. odpovídající stoupajícímu trendu teploty.
Podíl dlouhodobého zvýšení teploty na snížení odtoku v důsledku růstu výparu je významný. Pokud by ke zvýšení teploty nedocházelo, pak by výpar za období 2014–2019 byl podprůměrný a celkový rozdíl ztráty výparem by byl menší o 3,7 mm měsíčně. Tento deficit výparu by se projevil odpovídajícím zvýšením hodnoty základního odtoku BF a celkového odtoku RM.
Složka základního odtoku z klesající zásoby podzemní vody není příliš významná. Celkový pokles zásoby podzemní vody za období od začátku roku 2014 do konce roku 2019 byl 38,7 mm. Pro tento pokles odpovídá pokles objemu podzemní vody o 2,88 mil. m3. Porovnání dlouhodobých bilancí povodí horní Metuje pro celé pozorované období 1970–2019 je v tab. 3.
Atmosférické srážky za celé sledované období vykazují mírný pokles, ten však není, na rozdíl od růstu teploty, trvalého rázu. V období 1970–2013 před začátkem sucha vykazoval měsíční srážkový úhrn růst 0,009 mm. Při vyhodnocení sledovaného období po dekádách ve třech dekádách srážky stoupají, ve dvou dekádách klesají, zatímco vzestup teploty vzduchu nastal ve všech dekádách.
Vliv navýšení výparu a odpovídajícího poklesu odtoku v důsledku oteplení vzduchu je patrný, porovnáním trendů lze přibližně určit vztah poklesu odtoku o 2,5 mm/měsíc při zvýšení teploty o 1 oC.
Dlouhodobý trend poklesu základního odtoku v důsledku stoupajícího podílu výparu je 0,007 mm/měsíc (při nezapočítání sucha 2014–2019 a chladného roku 1971 na začátku pozorování je trend 0,006 mm/měsíc, v období 1972–2013). Nižší hodnotě poklesu odtoku 0,006 mm/měsíc odpovídá trend poklesu průtoku v profilu M XII 2 l/s/rok. Hodnota základního odtoku je významná z hlediska vodárenských odběrů. V období sucha 2014–2019 zůstal po celou dobu sucha v teplickém výronovém okrsku zachován odtok podzemní vody. Nejmenší změřená hodnota vydatnosti teplického výronového okrsku byla 150 l/s, nejmenší dopočítaná kolem 100 l/s. Na celkovém základním odtoku z povodí horní Metuje se v suchých obdobích teplický výronový okrsek podílí jednou polovinou. Pokud bude pokles odtoku pokračovat, v budoucnu nastanou problémy s množstvím povrchové vody. V případě většího poklesu nebo zániku přirozeného odtoku v teplickém výronovém okrsku a změny jeho funkce z dotační na ztrátovou mohou vzniknout také problémy s kvalitou podzemní vody v blízkosti vodárenských odběrů.
Závěr
Primární příčinou sucha v období 2014–2019 v povodí horní Metuje byl pokles atmosférických průměrných měsíčních srážek o 8,6 mm oproti dlouhodobému průměru. Měsíční průměrný úhrn srážek byl v uvedeném období sucha 60 mm měsíčně, z těchto se 40 mm odpařilo a 21 mm vody z povodí odteklo nebo bylo odebráno vodárenskými odběry (1 mm odteklé vody je z klesající zásoby podzemní vody). Výrazný je vliv dlouhodobého oteplování vzduchu. Pokud by k oteplování nedocházelo, odpařilo by se podle modelové simulace měsíčně jen 36 mm a hodnota (základního) měsíčního odtoku by byla o 4 mm větší. Tomuto nárůstu odpovídá zvýšení průtoku na profilu M XII o 110 l.s-1.
Poklesem odtoku z povodí se oteplování projevuje dlouhodobě, nikoli pouze v extrémní periodě 2014–2019. Opatření ke zmírnění tohoto nepříznivého trendu mohou zmenšit výpar a povrchový odtok ve prospěch dotace zásoby podzemní vody. Tím dojde ke zvětšení základního odtoku v říční síti. Dobrými opatřeními v krajině jsou vhodně situovaná jezírka a hluboké tůně, které umožní akumulaci vody a především její vsakování do vod podzemních. Naopak mokřady a mělké nádrže v drenážních oblastech mohou vzhledem k podpoře výparu mít účinek spíše negativní. Úpravy v krajině je proto vhodné odborně posoudit z hydrologického a hydrogeologického pohledu.
Příspěvek prošel lektorským řízením.
