Změny hydrologické bilance způsobené vlivem klimatických změn na území Karlovarského kraje

Souhrn

Na území Karlovarského kraje byly identifikovány oblasti, jež se pravidelně potýkají s problémy nedostatku vody pro vodárenské i průmyslové využití. Od roku 2015 je ve spolupráci VÚV TGM, v. v. i., a státního podniku Povodí Ohře řešen projekt s názvem Zajištění dostupnosti vodních zdrojů ve vybraných oblastech Karlovarského kraje. Projekt má za úkol navrhnout opatření vedoucí k zabezpečení požadavků na užívání vod v období nedostatku vody s důrazem na maximální využití stávající infrastruktury. V článku jsou popsány identifikované pozorované změny hydrologické bilance způsobené vlivem klimatických změn na zájmovém území Karlovarského kraje, spolu se změnami výhledovými pro budoucí časové horizonty 2021–2050 a 2071–2099.

Úvod

S postupem klimatické změny na území České republiky vznikají pro sektor vodního hospodářství nové výzvy, se kterými se musí postupně vypořádat. Jsou již identifikovány oblasti, jež v současné době mají problémy se zabezpečením dostatku vody, a na základě hydrologického modelování jsou identifikovány oblasti, jež jsou potenciálně, kvůli vlivu klimatické změny, zranitelné v budoucích časových horizontech. Problémy jsou se zabezpečením vody pro vodárenské i průmyslové účely. Článek se zaměřuje na současné a výhledové změny hydrologické bilance na území Karlovarského kraje.

V roce 2010 byla zpracována Výhledová studie potřeb a zdrojů vody v Karlovarském kraji [1], která vyhodnotila zabezpečenost požadavků na užívání vody (odběry, minimální průtoky, režimy hladin v nádržích aj.) vzhledem k dostupným kapacitám vodních zdrojů (průtokům ve vodních tocích a disponibilních zásob ve vodních nádržích). Tato studie hodnotila zabezpečenost pro současné i výhledové hydrologické podmínky.

Tabulka 1. Dílčí povodí na území Karlovarského kraje (DBČ – databázové číslo, ČHP – číslo hydrologického pořadí)
Table 1. Catchments of the Karlovy Vary district (DBČ – database number, ČHP – number of hydrological order)

Již ze závěrů této studie vyplývá, že na území Karlovarského kraje se nachází oblasti, které mají problémy se zabezpečením dostatku vody v bezdeštných obdobích. Tyto problémy se ukazují již v současném období a i pro výhledová období, která uvažují postup klimatických změn, těchto zranitelných oblastí podle výsledků modelování přibývá. Identifikací zranitelných oblastí a návrhem adaptačních opatření se zabýval například projekt Navrhování adaptačních opatření pro snižování dopadů klimatické změny na hydrologickou bilanci z roku 2012, který se zaměřil na území povodí Orlice, Chrudimky a Blšanky [2]. Na základě definování zranitelných oblastí z hlediska nedostatku vody na území ČR v roce 2015 byl Karlovarský kraj vyhodnocen jako mírně až středně zranitelný [3, 4].

Od roku 2015 je ve spolupráci VÚV TGM, v. v. i., a státního podniku Ohře řešen navazující projekt, jenž má za úkol vytvoření certifikované metodiky pro návrh opatření vedoucích k zabezpečenosti požadavků na užívání vod v období nedostatku vody s důrazem na maximální využití stávající infrastruktury. Projekt má název Zajištění dostupnosti vodních zdrojů ve vybraných oblastech Karlovarského kraje a je spolufinancován Ministerstvem zemědělství ČR. V článku jsou popsány výsledky hydrologického modelování pro dílčí povodí Karlovarského kraje, jež bylo jedním z výsledků prvního roku řešení zmiňovaného projektu. V dalších letech budou pro boj s nedostatkem vody v rámci projektu navržena konkrétní opatření pro identifikované lokality.

Data a metody

Karlovarský kraj má rozlohu 3 314 km². V severní části kraje leží Krušné hory s nejvyšší horou Klínovec (1 244 m n. m.). Páteřní řeka Ohře rozděluje kraj přibližně v polovině a odděluje Krušné hory na severu od Slavkovského lesa (Lesný, 983 m n. m.) na jihozápadě a Doupovských hor (Hradiště, 934 m n. m.) na jihovýchodě. Slavkovský les a Doupovské hory jsou od sebe oddělené největším přítokem Ohře, řekou Teplou. Mezi další významné přítoky Ohře patří Rolava, Svatava, Libocký potok, Odrava a Bystřice.

Plocha Karlovarského kraje byla pro účely hydrologického modelování rozdělena na 11 dílčích povodí o podobné rozloze, přehled se základními identifikačními údaji je uveden v tabulce 1. Pro analýzu současného stavu hydrologické bilance a pro kalibraci hydrologického modelu Bilan byla zvolena časová řada 1961–2010. K dispozici byly řady teplot, srážek a odtoku. V případech, kdy nebyly k dispozici hodnoty odtoku přímo pro vybraný uzávěrový profil, byly hodnoty dopočítány odečtením mezipovodí (uvedeno v tabulce 1 – sloupec výpočet odtoku).

Model Bilan

Pro modelování hydrologické bilance na povodích byl použit konceptuální model Bilan simulující hydrologickou bilanci v denním či měsíčním časovém kroku, např. [5–7]. Pro potřeby modelování hydrologické bilance v předkládaném článku byl použit měsíční krok výpočtu. Vstupními daty jsou časové řady srážek a teploty vzduchu a pro kalibraci modelu i pozorovaný odtok. Model je řízen v měsíční verzi osmi volnými parametry, 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. Výpočet potenciální evapotranspirace je prováděn buď výpočtem založeným na vegetačních zónách [8], nebo výpočtem založeným na slunečním záření pro určitou zeměpisnou šířku [9]. Odtok je modelován jako součet tří složek – přímého, hypodermického a základního odtoku. V předkládaném článku se zaměřujeme na změny průměrných teplot vzduchu, srážkových úhrnů, výparu, základního odtoku a celkového odtoku.

Scénáře klimatické změny

Pro modelování budoucích změn ve veličinách hydrologické bilance byly vybrány dva budoucí časové horizonty, a sice období 2021–2050 a 2071–2099. Tato období byla vybrána na základě obdobných studií řešených ve VÚV TGM, v. v. i., v posledních letech, aby byla zajištěna konzistentnost výsledků pro jejich porovnávání. K modelování dopadů klimatické změny na hydrologickou bilanci bylo vybráno celkem 15 simulací regionálních klimatických modelů (RCM), které pokrývají časové období 1961–2099. RCM jsou výstupem projektu ENSEMBLES. Všechny simulace byly řízené emisním scénářem SRES A1B s prostorovým rozlišením 25 × 25 km. Uvažováno bylo 15 RCM simulací řízených čtyřmi globálními klimatickými modely (tabulka 2). Jako výsledná hodnota změny hydrologické veličiny byl brán průměr z těchto 15 simulací. Popis vybraných regionálních klimatických modelů je uveden ve zprávě Hanel aj. [10] nebo Hanel a Vizina [11]. K dispozici byla data za pozorované období 1961–2010. Změny bilančních prvků byly brány k průměru ze současného období 1981–2010.

Tabulka 2. Přehled simulací regionálních klimatických modelů (RCM)
Table 2. Regional climate model simulations (RCM)

Výsledky

Pozorované období

Vzhledem k dostatečně dlouhým pozorovaným časovým řadám 1961–2010 byly spočítány průměrné hodnoty jednotlivých členů hydrologické bilance pro časové horizonty 1961–1990 a 1981–2010. V klimatologii jsou jako standardní uvažována třicetiletá období, často je pro kontrolní klima voleno období 1961–1990. Změny udávají pozorované změny hydrologické bilance. Hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3. Změny v těchto pozorovaných obdobích nejsou většinou významné, nicméně jsou již viditelné. Za zmínku stojí změna celkové průměrné teploty o přibližně 0,5 °C. Při bližším pohledu na výsledky [12] je vidět největší oteplení v zimních měsících. S tímto souvisí zvýšený územní výpar během těchto měsíců. Vlivem popsaných změn se během jarního tání vsákne do podzemních zásob menší množství vod (vyšší výpar a povrchový odtok), které by měly dotovat povrchové toky během letních suchých období.

Průměrné roční srážkové úhrny se v období 1961–1990 pohybovaly v rozsahu 600–800 mm v povodí Ohře, v povodí Mže průměr nepřesahoval 650 mm, v povodí Střely 600 mm a v povodí Blšanky méně než 500 mm. V období 1981–2010 byl zaznamenán nárůst srážek v rozsahu 3–10 %. Nejvyšší srážkové úhrny jsou dosahovány především v horských oblastech Krušných hor a Smrčin (část Krušnohorské pahorkatiny) na severu a severozápadě území. Na jihovýchodním okraji území se již naopak na srážkovém úhrnu projevuje srážkový stín Krušných hor.

Na velikosti celkového odtoku se na území Karlovarského kraje významně projevuje vliv orografie. Odtoková výška v západní a severní části území přesahuje 300 mm ročně (povodí Ohře po Cheb, Ohře po Karlovy Vary). V povodí Teplé činil průměr přibližně 250 mm. V dolní části kraje v povodí Střely a v povodí Blšanky klesá průměrná odtoková výška díky vyšší teplotě vzduchu až pod 100 mm ročně.

Budoucí změny v hydrologické bilanci

Teplota

Podle modelování hydrologické bilance na základě dat ze simulací regionálních klimatických modelů se na území Karlovarského kraje zvýší průměrná teplota vzduchu v budoucím časovém horizontu 2021–2050 o přibližně 1 °C vzhledem k současnému měřenému průměru 1981–2010. Nejvíce se bude oteplovat v zimních měsících (o 1,2 °C), nejméně pak v jarních měsících (o 0,8 °C). Ve vzdálenějším časovém horizontu 2071–2099 ukazují modely zvýšení průměrné teploty o přibližně 2,7 °C vůči současnému období. Největší oteplení vykazují zimní (o 3,1 °C) a letní měsíce (o 3 °C). V podzimních měsících je nárůst průměrně o 2,7 °C, v jarních měsících je nárůst nejmenší o 2,2 °C. Změny průměrné teploty k časovému období 2071–2099 jsou znázorněny na obr. 1.

Obr. 1. Absolutní změny průměrné teploty vzduchu v časovém období 2071–2099 od současnosti 1981–2010; DJF – prosinec, leden, únor, MAM – březen, duben, květen, JJA – červen, červenec, srpen, SON – září, říjen, listopad
Fig. 1. Absolute changes in mean air temperature in the scenario period 2071–2099 (with respect to 1981–2010); DJF – December, January, February, MAM – March, May, June, JJA – June, July, August, SON – September, October, November

Srážky

Změny v průměrném ročním srážkovém úhrnu nejsou významné ani pro jeden budoucí časový horizont, v obou případech je změna do + 7 %. Pro dřívější časový horizont 2021–2050 vychází jarní a letní měsíce téměř beze změny, zimní a podzimní měsíce vykazují nárůst od 6 do 11 % vzhledem k časovému horizontu 1981–2010. Pro vzdálenější modelové období 2071–2099 je typický vyšší nárůst průměrných srážek během zimních měsíců (13–25 %), který vyvažuje pokles během letních měsíců (7–14 %). Změny průměrné srážky ve vzdálenějším časovém horizontu jsou znázorněny na obr. 2.

Obr. 2. Relativní změny průměrných srážkových úhrnů v časovém období 2071–2099 od současnosti 1981–2010; DJF – prosinec, leden, únor, MAM – březen, duben, květen, JJA – červen, červenec, srpen, SON – září, říjen, listopad
Fig. 2. Relative changes in mean precipitation in the scenario period 2071–2099 (with respect to 1981–2010); DJF – December, January, February, MAM – March, May, June, JJA – June, July, August, SON – September, October, November

Odtoková výška

Průměrná roční odtoková výška se v časových horizontech 2021–2050 a 2071–2099 téměř nezmění, průměrné změny jsou do 5 %. Pro sezonní změny je typické zvýšení odtokové výšky během zimních měsíců, pro bližší období
2021–2050 do 24 %, pro vzdálenější časový horizont do 32 %. V ostatních měsících v tomto období dochází k významnému snížení odtokové výšky, během letních měsíců až o 30 %. Změny odtokové výšky v budoucím časovém horizontu jsou znázorněny na obr. 3. Pro změny základního odtoku na povodí je typický významný úbytek během letních a také podzimních měsíců.

Změny hydrologické bilance jsou podrobněji popsány a uvedeny v periodické zprávě k projektu [12].

Obr. 3. Relativní změny odtokových výšek v časovém období 2071–2099 od současnosti 1981–2010; DJF – prosinec, leden, únor, MAM – březen, duben, květen, JJA – červen, červenec, srpen, SON – září, říjen, listopad
Fig. 3. Relative changes in mean runoff in the scenario period 2071–2099 (with respect to 1981–2010); DJF – December, January, February, MAM – March, May, June, JJA – June, July, August, SON – September, October, November

Závěr

Na základě modelování změn hydrologické bilance se potvrdilo, že postup klimatické změny se Karlovarskému kraji v žádném případě nevyhýbá. Charakter probíhajících a modelovaných změn hydrologické bilance v Karlovarském kraji je srovnatelný se změnami probíhajícími v měřítku celé České republiky. Vliv vyšších teplot vzduchu v průběhu celého roku spolu se zvýšenými srážkovými úhrny během zimy zvyšuje odtokové výšky vodních toků a zároveň zvyšuje územní výpar během tohoto období. To má za následek nedostatečnou akumulaci vody ve sněhové pokrývce, která by se během postupného jarního tání vsakovala do kolektorů podzemních vod. Dostatečné zásoby podzemních vod jsou důležité pro dotování povrchových toků základním odtokem během přelomu léta a podzimu (srpen, září), kdy je méně srážek. V případě delších bezdeštných období, jako tomu bylo například v roce 2015, se dostupnost vodních zdrojů o to zhoršuje.

Tabulka 3. Základní klimatické a hydrologické charakteristiky dílčích povodí Karlovarského kraje; drobné rozdíly mezi srážkami a součtem územního výparu s celkovým odtokem jsou způsobeny změnou zásob podzemní vody
Table 3. Climatic and hydrological characteristics of Karlovy Vary district catchments

Popsané změny hydrologické bilance způsobují problémy s nedostatečným zabezpečením vodních zdrojů v oblasti Karlovarského kraje. Řešený projekt Zajištění dostupnosti vodních zdrojů ve vybraných oblastech Karlovarského kraje si klade za cíl identifikovat konkrétní lokality ohrožené nedostatkem vody a navrhnout účinná adaptační opatření pro boj s nedostatkem vodních zdrojů na těchto lokalitách. Projekt je řešen ve spolupráci VÚV TGM, v. v. i., a Povodí Ohře, s. p., s předpokládaným termínem dokončení v roce 2018.

Poděkování

Článek vznikl na základě výzkumu prováděného v rámci projektu Zajištění dostupnosti vodních zdrojů ve vybraných oblastech Karlovarského kraje (QJ1520318), který je financován Ministerstvem zemědělství ČR v rámci programu KUS. Scénáře změny klimatu byly vytvořeny v rámci projektu TA02020320, který byl spolufinancován Technologickou agenturou ČR.