Abstrakt

Prezentovaný soubor specializovaných map poskytuje základní informace o lokalitách vhodných pro akumulaci povrchových vod. Kromě informací o kapacitě a poloze nádrží jsou uvedeny i charakteristiky funkce nádrže v současném klimatu a pro podmínky ovlivněné klimatickou změnou. Analýza je provedena na dlouhých (60–110letých) časových řadách průtoků simulovaných pomocí modelu Bilan. Scénáře změny klimatu jsou odvozeny ze souboru 15 regionálních klimatických modelů z projektu ENSEMBLES. Dle provedených analýz by byly nádrže na LAPV v současných podmínkách schopny standardním způsobem plnit své funkce vzhledem k nalepšování odtoku i vzhledem k délce, počtu a hloubce poruch. Změny indikátorů funkcí nádrží ukazují, že nádrže jsou schopny po většinu času zabezpečit srovnatelné odběry i v podmínkách změněného klimatu. Soubor map ukazuje výsledky předběžného řešení a bude aktualizován na konci roku 2017.

1 Úvod

Soubor specializovaných map s názvem „Potenciál lokalit vhodných pro akumulaci povrchových vod v současných podmínkách a se zohledněním očekávaných změn klimatu“ vznikl zejména jako prostředek k získání základních informací o potenciálních nádržích na lokalitách vhodných pro akumulaci povrchových vod (LAPV) uvedených v Generelu LAPV (MZE a MŽP, 2011; dále jen Generel), o potenciálních nádržích na lokalitách, které by mohly být zařazeny do Generelu při jeho aktualizaci a o stávajících nádržích. Dále pak k názorné prezentaci výsledků zjednodušeného vodohospodářského řešení nádrží na LAPV v současném a budoucím klimatu.

Při jednání o hájení jednotlivých lokalit se často opakují otázky směřující na efektivitu potenciálních nádrží vzhledem k hydrologické bilanci lokalit (tj. zdali by byla potenciální nádrž schopna poskytnout vodní zdroje v období sucha – v současných i budoucích podmínkách) i účelnosti vzhledem k možným dopadům sucha v širších regionech (tj. zdali leží potenciální nádrže v oblastech nejvíce ohrožených suchem). Soubor map proto obsahuje nejen informace o vyhodnocení LAPV, ale také informace o současné a výhledové hydrologické bilanci povodí 3. řádu v ČR.

Soubor map je v současnosti dostupný na adrese http://rscn.vuv.cz/lapv/specmap/ a zobrazuje:

  • polohu, plochu a celkový objem stávajících nádrží, nádrží z Generelu a nádrží předběžně uvažovaných pro aktualizaci Generelu,
  • informace o 5letém a 20letém nedostatkovém objemu pro povodí 3. řádu pro současné podmínky (1981–2010, ozn. 1995) a dva výhledové horizonty (2021–2050, ozn. 2035 a 2071–2100, ozn. 2085),
  • charakteristiky funkce nádrží, tj. (95% a 99,5%) zabezpečený objem, průměrné trvání poruchy a zranitelnost (při 95% a 99,5% zabezpečenosti objemu).

V dalším textu jsou popsány v mapě uvažované indexy i metody použité pro odvození jejich hodnot, stručně je představeno uživatelské rozhraní mapy a je provedena předběžná analýza vztahu nedostatkových objemů pro povodí 3. řádu s objemem potenciálně i reálně dostupným v nádržích na LAPV.

2 Data

Pro tvorbu mapy bylo použito několik datových sad. Zjednodušeně lze postup a s ním související datové sady shrnout následovně:

  1. Pro jednotlivé lokality byla shromážděna pozorovaná meteorologická (srážky a teplota vzduchu) a hydrologická (průtoky) data v měsíčním časovém kroku. Srážky a teplota před rokem 1961 pocházejí z měření ve stanicích, od roku 1961 se jedná o gridovaná data (rozlišení cca 25 × 25 km, Štěpánek et al., 2011). Vzhledem k různé povaze datových zdrojů byla tato data homogenizována. Celkově bylo před rokem 1961 k dispozici pouze malé množství (< 15 povodí) staničních záznamů teploty, průtokových řad bylo k dispozici více – od roku 1950 pro více než 20 povodí, od roku 1960 pro více než 50 povodí. Měsíční časové řady srážek byly k dispozici pro povodí v Čechách obecně od roku 1901, pro Moravu cca od roku 1930. Tyto řady byly použity pro kalibraci hydrologického modelu Bilan (viz Kap. 3).

  2. Za účelem získání dlouhých časových řad průtoků byly výše zmíněné údaje o měsíčních srážkách a teplotě doplněny na základě gridované sady HadCRUTS3.22(Harris et al., 2014). Jedná se o homogenizovaná měsíční data pro období 1901–2014 v pravidelné síti (rozlišení cca 50 × 50 km) vytvořená v MetOffice Hadley Centre. Tato data byla posléze použita pro simulaci hydrologické bilance pomocí modelu Bilan.

  3. Na základě 15 simulací regionálních klimatických modelů z projektu ENSEMBLES (viz Tab. 1) byly vytvořeny scénáře klimatické změny. Tyto simulace již byly k dispozici korigované z předešlých projektů. Z korigovaných simulací byly následně vytvořeny jednoduchou přírůstkovou metodou (Hanel et al., 2014) scénářové řady srážek a teploty pro jednotlivá povodí. Tyto řady byly dále využity pro simulaci hydrologické bilance ovlivněné klimatickou změnou.

  4. Pro zhodnocení regionálního významu jednotlivých nádrží byly využity výsledky modelování hydrologické bilance povodí 3. řádu (Beran a Hanel, 2015), které bylo provedeno v rámci projektu „Strategie přírodě blízkých protipovodňových opatření“. Součástí těchto výsledků jsou mj. modelované odtoky, včetně vyhodnocení dopadů klimatické změny, a užívání vod (odběr povrchové a podzemní vody a vypouštění vody) evidované v rámci ohlašování údajů pro vodní bilanci dle § 22, odst. 2, zákona č. 254/2001 Sb., o vodách a vyhl. č. 431/2001 Sb., přílohy 1-4 (dále užívání dle evidence).

  5. Pro rámcové zhodnocení potenciálu vybraných (dříve hájených) lokalit byly využity údaje ze Směrného vodohospodářského plánu (SVP 1975) a dlouhodobé statistiky měsíčních průtokových řad pro povodí ČR.

Tabulka 1: Použité simulace regionálních klimatických modelů z projektu ENSEMBLES.
Model Akronym Zdroj
řízené modelem ECHAM5
RACMO RACMO_EH5 Královský nizozemský meteorologický institut (KNMI)
REMO REMO_EH5 Max-Planck Institut (MPI), Německo
RCA RCA_EH5 Švédský hydrometeorologický institut (SMHI)
RegCM RegCM_EH5 Mezinárodní centrum pro teoretickou fyziku (ICTP), Itálie
HIRHAM HIR_EH5 Dánský meteorologický institut (DMI)
řízené modelem HadCM3Q0, HadCM3Q3, HadCM3Q16
HadRM HadRM_Q0 Hadley Centre, UK
CLM CLM_Q0 Federální švýcarský technologický institut (ETHZ)
HadRM HadRM_Q3 Hadley Centre, UK
RCA RCA_Q3 Švédský hydrometeorologický institut (SMHI)
HadRM HadRM_Q16 Hadley Centre, UK
RCA RCA_Q16 Komunitní sdružení pro klimatickou změnu (C4I), Irsko
řízené modelem ARPEGE
HIRHAM HIR_ARP Dánský meteorologický institut (DMI)
CNRM-RM CNRM_ARP Národní centrum pro meteorologický výzkum (CNRM), Francie
ALADIN-CLIMATE/CZ ALA_ARP Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ), Česká republika
řízené modelem BCM
RCA RCA_BCM Švédský hydrometeorologický institut (SMHI)

3 Hydrologická bilance

Pro výpočet hydrologické bilance byl použit model Bilan, jenž je vyvíjen ve VÚV T.G.M. Tento model schematizuje povodí na soustavu nádrží ve třech vertikálních úrovních – povrch, půdní zóna a zóna podzemní vody. Velikost toků mezi jednotlivými nádržemi je určována algoritmy modelu, které jsou v použité měsíční verzi řízeny osmi volnými parametry. Vstupem do modelu jsou pozorované časové řady srážek a teploty vzduchu. Potenciální evapotranspirace je vypočítána pomocí jednoduché metody vycházející z teploty vzduchu a množství slunečního záření dopadajícího na horní vrstvu atmosféry (ovlivněno zeměpisnou šířkou a dnem v roce). Bilance na povrchu půdy je určena vstupními srážkovými úhrny a územním výparem stanoveným na základě potenciální evapotranspirace a množství dostupné vody. V zimním období a při tání sněhu vstupuje do bilance na povrchu zásoba vody ve sněhu. Z povrchu voda infiltruje do půdní zóny, kde plní nádrž s kapacitou, která je jedním z kalibrovaných parametrů. Při překročení této kapacity voda přetéká a následně je dělena na rychlé složky odtoku a na dotaci zásoby podzemní vody. Celkový odtok je pak dán součtem rychlých složek a základního odtoku.

Jelikož povodí LAPV většinou nemají v závěrovém profilu vodoměrnou stanici, je nutné model Bilan kalibrovat na vhodném analogonu, kde je k dispozici vodoměrná stanice ČHMÚ. Parametry z takto nakalibrovaného modelu jsou pak přeneseny na povodí LAPV, kde je pak zpětně za použití srážek a teplot vztahujících se k tomuto povodí modelován odtok.

Co se týče kalibrace modelu, vždy byla snaha použít co možná nejdelší dostupné období. Dostupnost dat ukazuje Obr. 1. Model Bilan byl kalibrován tak, aby byla co nejlepší shoda ročních průměrů a průměrného ročního chodu odtoku. Jako další ukazatel míry shody kalibrovaného a modelovaného odtoky byl použit Q-Q graf. Z automatických metod optimalizace a jejich kritérií byly použity ty, které umožnily lepší shodu mezi pozorovanými a modelovanými odtoky. Ve většině případů se osvědčila v modelu Bilan výchozí metoda gradientní optimalizace za použití kritérií střední kvadratická chyba pro první část optimalizace a střední absolutní procentuální chyba pro druhou část optimalizace. V případě malých průtoků se osvědčila logaritmická varianta Nashova-Sutcliffova koeficientu. U menší části povodí byly využity metody genetické optimalizace.

Relativní chyba se v případě průměrného ročního chodu odtoků pohybuje ve většině případů v rozmezí -40 až +20 %. Částečně je to dáno tím, že jarní měsíce model nadhodnocuje a podzimní jsou zase podhodnocené. V případě shody průměrných ročních odtoků se relativní chyba u většiny LAPV pohybuje v rozmezí -10 až +5 %. Velké odchylky jsou také způsobeny nespolehlivostí v datech, která plyne z použití analogonů i z dat samotných, kdy již naměřené hodnoty jsou běžně zatížené chybou ±10 %. Tyto nejistoty jsou jednou z motivací k řešení tohoto projektu: v jeho rámci byly na lokalitách s nedostatečnými daty vystavěny vodoměrné stanice, které by měly dosavadní údaje zpřesnit.

Počet LAPV s dostupnými průtoky pro jednotlivé roky.

Obrázek 1: Počet LAPV s dostupnými průtoky pro jednotlivé roky.

4 Uvažované indexy

Vodohospodářská bilance byla řešena pro celé potenciální objemy navrhovaných nádrží (využitelný zásobní objem, závislý na technickém řešení nádrže, by byl vždy menší) a zároveň pro povodí 3. řádu (P3). Primárně byla pozornost soustředěna na období, ve kterých nádrž není schopna dodat požadovaný objem vody, respektive, pro P3, období s negativní bilancí. Požadavek na odběr (\(O_i\)) byl pro nádrž dán minimálním zůstatkovým průtokem (MZP), pro P3 pak součtem MZP a hlášených odběrů podzemních a povrchových vod snížených o vypouštění vod pro měsíc \(i\).

Pro profily nádrží i pro P3 byl MZP odhadnut z měsíčních průtoků dle rovnice \(MZP=0{,}73 Q_{10}\) (kde \(Q_{10}\) je 10% kvantil měsíčních průtoků). To zhruba odpovídá hodnotám počítaným na základě návrhu nové metodiky pro stanovení MZP, kterou zpracoval Balvín et al. (2015) pro denní průtoky.

Zásoba vody (\(S_i\)) v nádrži v měsíci \(i\) je bilancí vstupu \(I_i\) (přítok do profilu nádrže a srážky na plochu maximální zátopy), výparu z hladiny \(E_i\) (počítaného dle normy ČSN 75 2405), požadavku na odběr \(O_i\) a zásoby v předchozím měsíci (\(S_{i-1}\))

\[ S_i = I_i - E_i - O_i + S_{i-1}, \qquad S_0 = 0,\]

Pokud jsou požadavky na odběr větší než zásoba vody v nádrži, dochází k poruše. Pro P3 pak porucha nastává, pokud je požadavek vyšší než odtok. Velikost poruchy v měsíci \(i\) je vyjádřena nedodaným množstvím neboli nedostatkovým objemem (\(D_i\)). Pokud \(j\)-tá porucha trvá \(t_j\) měsíců, je nedostatkový objem (\(D_j\)) odpovídající této poruše sumou nedodaného množství v jednotlivých měsících, tj.

\[D_j = \sum_1^{t_j} D_i.\]

Doba, po kterou je nádrž schopna zajistit požadavky, může být vyjádřena zabezpečeností dle trvání:

\[ Z_t = \frac{T - f_d - 0,3}{T + 0,4}\]

kde \(T\) je celkový počet měsíců a \(f_d = \sum_j t_j\) je počet měsíců s poruchou. Často je obráceně hledáno množství \(O_{p\%z}\) (např. mil. m³/měsíc), které může být dodáváno s \(p\)% zabezpečeností (dle ČSN 75 2405 např. pro \(p = 95\,\%\) a \(p = 99{,}5\,\%\)). V mapě je prezentován zabezpečený objem v mil. m³/rok (\(V_{p\%z} = 12\, O_{p\%z}\)).

Funkce nádrže může být také charakterizována průměrnou dobou trvání poruchy (pro odběr s určitou zabezpečeností)

\[\varphi = \frac{f_d}{f_s}\]

kde \(f_s\) je počet poruch. Průměrné trvání poruchy je ukazatelem odolnosti nádrže, která pro danou zabezpečenost dodávek vody říká, jak dlouhá by v průměru případná porucha byla. Dalším používaným ukazatelem je zranitelnost

\[\eta' = \frac{1}{f_s} \sum_{j=1}^{f_s} \max\limits_{i} (D_i)\]

kde \(D_i\) je nedostatkový objem v jednotlivých časových krocích během každé poruchy. Charakteristika tedy vyjadřuje průměr z maximálního nedodaného množství za poruchu. V mapě je uvažována bezrozměrná zranitelnost

\[\eta = \frac{\eta'}{O}\quad,\]

tj. zranitelnost normovaná konstatní hodnotou požadavku \(O\). Jelikož nedodané množství nemůže být větší než požadavek, odpovídá \(\eta = 1\) případu, kdy se ve všech poruchách vyskytl měsíc, během něhož nebyla dodána ani část požadavku.

Pro P3 zobrazuje mapa hodnoty 5- a 20letého nedostatkového objemu, které jsou odhadnuty s využitím skutečnosti, že maximální roční nedostatkový objem má zpravidla Gumbelovo rozdělení. Pravděpodobnost (\(p\)) překročení velikosti nedostatkového objemu je spočítána jako \(p = 1-(k-0{,}3)/(n+0{,}4)\) (kde \(k\) je pořadí nedostatkového objemu od největšího a \(n\) je počet let s deficitem). Jelikož pro Gumbelovo rozdělení je závislost maximálního nedostatkového objemu lineární vzhledem k \(-\ln(-\ln(p))\), je pak \(N\)-letý nedostatkový objem vypočten pomocí lineární regrese.

Výpočet charakteristik nádrží byl proveden pomocí balíku wateres pro statistické prostředí R, který je vyvíjen v rámci stejného projektu jako tato mapa. Balík je dostupný pod licencí GNU GPL na https://github.com/tgmwri/wateres.

5 Popis mapové sady

Mapa umožňuje znázornění polohy jednotlivých nádrží a (pomocí barevné škály a velikosti symbolů) velikosti zatopené plochy a celkového (potenciálního) objemu nádrže (\(V_{pot}\)), dále zabezpečeného objemu (\(V_{p\%z}\)), průměrné délky poruchy (\(\varphi\)) a zranitelnosti (\(\eta\)) odpovídající 95% a 99,5% zabezpečenosti podle trvání. Barva plochy povodí slouží k vizualizaci 5 a 20letého nedostatkového objemu. Charakteristiky a jejich interpretace jsou shrnuty v Tab. 2.

Kromě vizuálního porovnání zvolené charakteristiky pro vybraný časový horizont je možné kliknutím na nádrž či plochu povodí získat tabulky konkrétních hodnot, pro rychlý přístup k jednotlivých nádržím lze použít funkci vyhledávání. Při interpretaci map je nutné vzít v úvahu použité škálování. Aby byla zachována přehlednost mapy, nejsou hodnoty škálovány lineárně, ale jsou nejprve transformovány funkcí druhé odmocniny. V případě velikosti symbolu se přitom takto transformovaná hodnota vztahuje k ploše symbolu, nikoliv k jeho výšce. Rozdíly mezi jednotlivými nádržemi se v důsledku toho jeví v porovnání s lineárním škálováním méně výrazné. Ve výchozím stavu jsou minimum a maximum barevné škály určovány z hodnot zvolené charakteristiky pro všechny nádrže a pro všechny časové horizonty. Alternativně lze nastavit, aby se používaly pouze hodnoty pro zobrazené nádrže a aby se tak barevná škála dynamicky měnila při změně nádrží nacházejících se v mapovém výřezu. Podrobný návod na ovládání mapové sady včetně popisu uživatelského rozhraní je k dispozici přímo u mapy v podobě kontextové nápovědy.

Tabulka 2: Přehled charakteristik prezentovaných v mapě.
stávající LAPV doplňkové P3
Zatopená plocha [ha] Plocha nádrže odpovídající maximálnímu objemu. × ×
Celkový objem \(V_{pot}\) [mil. m³] Celkový objem (pro stávající nádrže) nebo potenciální objem (pro nádrže na LAPV a doplňkové nádrže). × × ×
Zabezpečený objem \(V_{p\%z}\) [mil. m³/rok] Objem, který je nádrž schopna dodat po \(p\) % měsíců. V mapě je uveden 95% a 99,5% zabezpečený objem (\(V_{p95z}\) a \(V_{p99,5z}\)) v mil. m³ za rok. ×
Průměrná délka poruchy \(\varphi\) [měsíce] Průměrná délka období, po které nádrž není schopna dodat celé požadované množství. V mapě je zobrazena pro požadavek odpovídající 95% a 99,5% zabezpečenému objemu. ×
Zranitelnost \(\eta\) [–] Průměr z maximálního nedodaného množství během poruchy vyjádřený jako poměr požadavku na odběr. Vyjadřuje hloubku poruchy, tj. vysoké hodnoty indikují zranitelnější nádrž. ×
Nedostatkový objem \(D\) [mil. m³/porucha] Suma nedodaného množství za poruchu. V mapě jsou zobrazeny nedostatkové objemy, které jsou překročené v průměru jednou za 5 a 20 let. ×
Snímek obrazovky se specializovanou mapou.

Obrázek 2: Snímek obrazovky se specializovanou mapou.

Kliknutím na existující nádrž se zobrazí tabulka (Obr. 3) s plochou a maximálním objemem nádrže. Podobná tabulka se zobrazí i po kliknutí na nádrž doplňkovou (tj. předběžně uvažovanou pro aktualizaci Generelu) s tím, že informace o ploše zátopy nebyla v době přípravy podkladů pro specializovanou mapu známa.

Informace pro stávající nádrže.

Obrázek 3: Informace pro stávající nádrže.

Po kliknutí na potenciální nádrž na LAPV se zobrazí tabulka (Obr. 4) s informací o toku, ploše potenciální zátopy a maximálním objemu nádrže a dále charakteristiky zabezpečenosti zásobní funkce nádrže (zabezpečený objem, průměrné trvání poruchy, zranitelnost, atd.) pro současný stav (sloupec 1995) a dva výhledové scénáře (sloupce 2035 a 2055). Podobně jako v případě údajů o povodí 3. řádu se jedná v případě současného stavu o údaje odvozené ze simulace modelu Bilan na základě pozorovaných dat a odhadnutého minimálního zůstatkového průtoku. Pro výhledové scénáře jde o průměrné hodnoty odvozené ze simulací modelu Bilan na základě souboru scénářů klimatické změny a odhadu současného minimálního zůstatkového průtoku. Na řádku IQR je zobrazeno mezikvartilové rozpětí v souboru klimatických modelů (tj. rozpětí kolem průměru, ve kterém leží polovina simulací). Podbarvení buněk tabulky odpovídá barvě z barevné škály mapy.

Informace pro potenciální nádrže na LAPV.

Obrázek 4: Informace pro potenciální nádrže na LAPV.

Kliknutím do plochy povodí 3. řádu se zobrazí tabulka (Obr. 5) s číslem hydrologického pořadí a velikostí 5letého a 20letého nedostatkového objemu v mil. m³ pro současný stav (sloupec 1995) a dva výhledové scénáře (sloupce 2035 a 2055). V případě současného stavu se jedná o odhad na základě simulace modelem Bilan s pozorovanými srážkami, hlášeným užíváním (včetně minimálního zůstatkového průtoku), pro scénáře se jedná o průměrné (5- a 20leté) nedostatkové objemy ze souboru klimatických modelů. Řádek IQR udává mezikvartilové rozpětí v souboru simulací (tj. rozpětí kolem průměru, ve kterém leží polovina simulací).

Detailní informace pro povodí 3. řádu.

Obrázek 5: Detailní informace pro povodí 3. řádu.

5.1 Souhrn charakteristik pro LAPV z Generelu

Na tomto místě stručně uvádíme přehledy základních charakteristik nádrží na LAPV a jejich změn v důsledku klimatické změny. Obr. 6 zobrazuje velikost ročního zabezpečeného objemu (\(V_{p95z}\)), relativního zabezpečeného objemu (\(V_{p95z}/V_{pot}\)), průměrnou délku poruchy (\(\varphi\)) a zranitelnost (\(\eta\)) pro jednotlivé nádrže na LAPV pro současné podmínky. Zabezpečený objem je do značné míry úměrný potenciálnímu objemu, přičemž pro cca polovinu lokalit je (roční) zabezpečený objem větší než potenciální objem, pro cca 8 nádrží více než trojnásobně.

Průměrná délka poruchy leží v rozmezí 2,5–9 (Javornice) měsíců. Pro větší nádrže (např. Strážiště, Hoštejn, Hanušovice, Spálov) je průměrná délka poruchy cca 4 měsíce, což je zároveň hodnota blízká mediánu. Naproti tomu největší průměrné délky poruchy mají spíše menší nádrže, nicméně naopak neplatí, že by menší nádrže obecně vykazovaly delší dobu poruch. Zranitelnost leží v rozmezí 0,3–0,95 (Všeruby) a do jisté míry se dá říct, že větší nádrže jsou méně zranitelné.

Z odhadnutých charakteristik je zřejmé, že všechny potenciální nádrže by byly schopny standardním způsobem plnit zásobní funkci a nalepšovat průtok.

Změny charakteristik nádrží způsobené změnou klimatu udává Obr. 7. Změny ročního zabezpečeného objemu jsou značně nejisté (např. mezikvartilové rozpětí – znázorněno modře na Obr. 7 – leží v rozsahu 40–80 %). Tato nejistota je způsobena zejména nejistotou v projekcích srážek. Průměrné změny zabezpečeného objemu (černé sloupce na Obr. 7) leží pro valnou většinu nádrží v rozmezí ±10 % a pro všechny nádrže je můžeme považovat za statisticky nevýznamné, tj. objem, který by byly nádrže schopny dodávat s 95% zabezpečeností není zásadně ovlivněn klimatickou změnou.

Průměrná délka poruchy pro většinu LAPV stagnuje - její změny (až na výjimky) leží v rozmezí ±25 %, což odpovídá změnám průměrné délky poruchy o cca 0,5–2 měsíce. Rozpětí změn dle uvažovaných scénářů změny klimatu je pro jednotlivé lokality podstatně menší než v případě zabezpečeného objemu. Zejména projektované zkrácení průměrné délky poruchy pro některé lokality (např. Hrachov I, Javornice, Štěpánov, Kuřimské Jestřabí, atd.) je v posuzovaném souboru scénářů poměrně konzistentní. Zranitelnost nádrží se spíše mírně zvyšuje, nicméně toto zvýšení je nižší než 25 % pro většinu lokalit.

Uspokojivá funkce nádrží v podmínkách změněného klimatu souvisí s charakterem projektovaných změn srážek, kdy zvýšené zimní srážky a s nimi související průtoky umožňují ve většině případů dostatečné doplnění zásoby vody v nádrži. Na druhé straně, v souladu s předchozími studiemi, dochází ke zvyšování nedostatkových objemů během deficitních období. Ve srovnání se změnami nedostatkových objemů pro povodí 3. řádu se ale jedná vesměs o menší změny.

Průměrný roční nedostatkový objem pro současné a scénářové podmínky pro dílčí povodí Berounky (BER), Dolní Vltavy (DVL), Dyje (DYJ), Horního a středního Labe (HSL), Horní Vltavy (HVL), Moravy (MOR), Odry (ODR) a Ohře, Dolního Labe a ostatních přítoků Labe (OHL) ukazuje Obr. 8. Hodnoty pro dílčí povodí vznikly sumarizací hodnot pro příslušná povodí 3. řádu. Kvůli dostupnosti dat pro P3 bylo uvažováno třicetileté období 1981–2010 (a mu odpovídající scénářové období 2071–2100).

Nedostatkové objemy pro povodí 3. řádu byly odhadnuty ve dvou variantách lišících se v požadavcích na odběry:

  1. deficitní období začíná, pokud z povodí neodtéká minimální zůstatkový průtok – tj. není uvažováno užívání vod (Obr. 8 vlevo)
  2. deficitní období začíná, pokud po zohlednění užívání vod dle evidence z povodí neodtéká minimální zůstatkový průtok nebo pokud nemůže být uspokojeno užívání vod (Obr. 8 vpravo)

Neuvažujeme-li užívání vod, tak nejvyšší průměrné roční nedostatkové objemy (suma nedostatkových objemů za třicetileté období dělená třiceti) byly modelovány pro HSL (6,6 mil. m³/rok), HVL (4,7 mil. m³/rok) a MOR (4,2 mil. m³/rok). Změny v důsledku klimatické změny jsou v absolutní hodnotě řádově 2–5násobkem současných nedostatkových objemů (cca 4–13 mil. m³) pro jednotlivé oblasti povodí. V případě varianty se zahrnutým užíváním jsou nedostatkové objemy podstatně vyšší - nejvyšší nedostatkové objemy vykazuje dílčí povodí DVL (51 mil. m³/rok), dále OHL (42 mil. m³/rok), HSL (28 mil. m³/rok) a MOR (29 mil. m³/rok), což odpovídá dílčím povodím s nejvyšším užíváním vod. Změny nedostatkových objemů způsobené klimatickou změnou se v absolutní hodnotě blíží změnám pro variantu bez užívání, tzn. v relativním vyjádření jsou změny nedostatkových objemů menší pro variantu s užíváním než pro variantu bez užívání.

V rámci evidovaného užívání jsou zahrnuty i odběry ze stávajících nádrží. Efekt těchto nádrží nicméně není zahrnut do výpočtu nedostatkových objemů pro P3 (pro každou stávající nádrž/soustavu nádrží by bylo nutné vytvořit hydrologický model, což nebylo náplní projektu) a nedostatkové objemy jsou tak pro variantu s užíváním pravděpodobně nadhodnoceny, jelikož část požadavku by mohla být pokryta ze zásob stávajících nádrží.

Obrázek 9 sumarizuje možnosti kompenzace nedostatkových objemů pomocí nádrží na LAPV pro současné a scénářové podmínky a varianty s a bez zahrnutí užívání vod. Podobně jako v předchozích studiích je uvžována možnost kompenzace nedostatkových objemů využitím všech potenciálních zásob v nádržích na LAPV (dále jen potenciální kompenzace – na Obr. 9 reprezentovaná součtem oranžových a červených sloupců), tj. za předpokladu, že nádrže jsou na počátku deficitního období plné. Nově je na základě provedeného vodohospodářského řešení posouzena i možnost kompenzace pomocí objemu, který by byl během deficitního objemu reálně k dispozici v nádržích (dále jen aktuální kompenzace – na Obr. 9 zobrazená jako oranžové sloupce).

Z porovnání dat na Obr. 9 je zřejmé, že nádrže na LAPV jsou potenciálně schopné kompenzovat cca 45 až 80 % nedostatkového objemu pro současné období, neuvažujeme-li odběry, a cca 10–50 % nedostatkového objemu, pokud odběry uvažujeme. Pro podmínky dle scénářů změny klimatu zůstává poměr potenciálně kompenzovaného objemu zhruba stejný.

Samotná velikost potenciálně kompenzovaného nedostatkového objemu vypovídá spíše o počtu hájených lokalit (resp. o potenciálním objemu nádrží) a jejich vztahu k užívání vod než o efektivitě nádrží – tj. pokud by byly např. uváženy všechny lokality ze SVP 1975, byl by potenciálně kompenzovaný nedostatkový objem podstatně vyšší. Důležité však je, že nedostatkový objem, který je možno aktuálně kompenzovat, je řádově srovnatelný s objemem potenciálním. V časových řadách pro jednotlivá povodí 3. řádu se pochopitelně vyskytují epizody sucha, kdy může být aktuálně kompenzován veškerý nedostatkový objem, i epizody, kdy jsou nádrže zasaženy suchem a disponují pouze malou částí požadovaného objemu, nicméně aktuálně dostupný objem tvoří v průměru většinou 70–90 % objemu potenciálního (pro současné i budoucí klima pro variantu bez i s užíváním). To ukazuje, že potenciální nádrže na LAPV jsou schopny uspokojivě plnit svou zásobní funkci.

Zabezpečený objem, relativní zabezpečený objem, průměrná délka poruchy a zranitelnost

Obrázek 6: Zabezpečený objem (\(V_{p95z}\)), relativní zabezpečený objem (\(V_{p95z}/V_{pot}\)), průměrná délka poruchy (\(\varphi\)) a zranitelnost (\(\eta\)).

Změna zabezpečeného objemu, průměrné délky poruchy a zranitelnosti mezi obdobími 2071–2100 a 1981–2010 pro nádrže na LAPV.

Obrázek 7: Změna zabezpečeného objemu (\(V_{p95z}\)), průměrné délky poruchy (\(\varphi\)) a zranitelnosti (\(\eta\)) mezi obdobími 2071–2100 a 1981–2010 pro nádrže na LAPV. Černé sloupce znázorňují průměrnou změnu ze souboru klimatických modelů, modře je vyznačeno rozpětí mezi 25% a 75% kvantilem změn.

Průměrný roční nedostatkový objem pro dílčí povodí pro současné klima a dle scénářů změny klimatu.

Obrázek 8: Průměrný roční nedostatkový objem pro dílčí povodí pro současné klima (1981–2010; oranžové sloupce) a dle scénářů změny klimatu pro období 2071–2100 (rozsah daný svislou čárou odpovídá mezikvartilovému rozpětí ze souboru scénářů změny klimatu, černý bod označuje průměr souboru). Vlevo je zobrazena situace s požadavky na odběr odpovídající minimálnímu zůstatkovému průtoku, vpravo pak pro požadavky dané součtem minimálního zůstatkového průtoku a užívání vod dle evidence.

Možnost kompenzace nedostatkových objemů pro současnost a dle scénářů změny klimatu.

Obrázek 9: Možnost kompenzace nedostatkových objemů pro současnost (1981–2010; vlevo) a dle scénářů změny klimatu (2071–2100; vpravo) pro dílčí povodí pro dvě varianty požadavků na odběr: pouze MZP (ozn. „UZIV = 0“) a MZP + užívání vod dle evidence (ozn. „UZIV = EVID“). Celková výška sloupců udává průměrný nedostatkový objem, oranžově je vyznačena část nedostatkového objemu, kterou je možno kompenzovat s využitím aktuálně dostupných objemů nádrží na LAPV a červená plocha odpovídá objemu, který by bylo možno navíc kompenzovat, pokud by byly nádrže na LAPV na začátku deficitního období plné.

5.2 Vyhodnocení doplňkových lokalit

Kromě 65 lokalit popsaných v Generelu LAPV bylo posouzeno dalších 26 lokalit (navržených podniky povodí), které by mohly být případně po projednání zařazeny do Generelu LAPV při jeho aktualizaci (viz Tab. 3). Ve všech případech se jedná o lokality, které byly součástí hájených lokalit dle SVP 1975. Pro tyto lokality bylo k dispozici jen minimum podkladů (pro většinu uvedených lokalit nejsou k dispozici měřená data). Ze SVP 1975 jsme čerpali zejména informace o průměrném (\(Q_a\)) a 355denním (\(Q_{355}\)) průtoku. Koeficient variace průtoku byl hledán několika způsoby: (1) z dostupné databáze pozorovaných průtoků byla hledána povodí aspoň částečně překrývající povodí lokality (pro některé lokality nebylo takové povodí k dispozici). V případě, že bylo takovýchto povodí víc, uvažovali jsme dále povodí co nejvíce překrývající povodí lokality a pro informaci i průměr z relevantních povodí. Aby bylo možné odvodit koeficient variace i pro povodí, pro která nebylo možno získat údaje na základě předchozí metody, byl (2) vytvořen lokální lineární model vztahující koeficient variace ke specifickému odtoku, srážkám a nadmořské výšce. K odhadnutým koeficientům variace je nutné přistupovat s uvážením jejich větší nepřesnosti. Aby bylo možno porovnat výsledky pro doplňkové lokality s lokalitami ze stávajícího generelu, byly výše zmíněné údaje vyhodnoceny i pro tyto lokality.

Tabulka 3: Přehled doplňkových nádrží.
Název Tok CHP Kraj Qa [m³/s] Q355 [m³/s] Vpot [mil. m³]
Lata Malá Úpa 1-01-02-008 0.980 0.2200000 18.75
Židovka Židovka 1-01-03-024 0.403 0.1050000 5.50
Skuhrov Bělá 1-02-01-059 0.964 0.1160000 30.70
Křížová Doubrava 1-03-05-001 0.250 0.0270000 10.30
Šárovcova Lhota Chotečský p. 1-04-02-039 0.074 0.0170000 18.50
Šárovcova Lhota s převodem Chotečský p.+Javorka+Heřmánka 1-04-02-039 0.340 0.0590000 18.50
Hořice Bystřice 1-04-03-005 0.387 0.0400000 5.41
Vilémov Jizera 1-05-01-011 4.660 0.8600000 122.90
Stodůlky Křemelná 1-08-01-035 3.850 0.8100000 198.36
Krejčovice Blanice 1-08-03-015 1.070 0.1900000 41.68
Chroboly Zlatý p. 1-08-03-058 0.342 0.0620000 14.50
Smolov Radbuza 1-10-02-001 0.230 0.0390000 15.40
Oráčov Rakovnický p. 1-11-03-001 Stč 0.078 0.0110000 4.90
Valdek Červený p. 1-11-04-026 Stč 0.081 0.0100000 5.32
Skřiváň Skřivánčí p. 1-13-01-111 0.238 0.0310000 5.32
Mnichov Pramenný p. 1-13-02-008 0.645 0.0600000 26.79
Šluknov Lesní p. 1-15-01-047 0.169 0.0160000 2.50
Stříbrný potok Stříbrný p. 1-15-01-049 0.076 0.0071953 1.40
Raspenava Lomnice 2-04-10-018 0.538 0.0840000 8.50
Albrechtice Moravská Sázava 4-10-02-003 0.420 0.0600000 12.00
Blazice Libosvárka 4-12-02-078 Jm 0.070 0.0032558 21.70
Záhorovice Kladenka 4-13-01-095 Jm 0.205 0.0200000 23.40
Javorník Hrubý potok 4-13-02-030 Jm 0.084 0.0080000 13.30
Želešice II Bobrava 4-15-03-018 Jm 0.410 0.0500000 18.06
Střížov Brtnice 4-16-01-072 Jm 0.680 0.0600000 18.50
Březník Chvojnice 4-16-02-088 Jm 0.110 0.0080000 11.96
Vlachovice II Smolinka 4-21-08-056 Jm 0.290 0.0422330 12.40

Pro všechny lokality (tj. doplňkové i lokality z generelu) byly vyhodnoceny následující údaje:

  • Poměr průměrného objemu vody, které proteče profilem nádrže za 1 rok, k potenciálnímu objemu nádrže (Obr. 10). Tento údaj hodnotí velikost potenciální nádrže vzhledem k místním hydrologickým poměrům. V některých případech je možné nádrž plnit s využitím převodů vody, v tom případě se tento poměr mění. V sedmi případech již byly k dispozici údaje i s převodem vody.
  • Poměr 355denního průtoku k průměrnému průtoku (Obr. 11). Tento poměr je ukazatelem variability – obecně platí, že velké hodnoty tohoto koeficientu indikují malé hodnoty koeficientu variace, a tedy relativně stabilní průtok.

Obr. 12 (vlevo) zvýrazňuje nádrže s nepříznivou kombinací relativně vyššího koeficientu variace s relativně velkým (ve srovnání s \(Q_a\)) objemem nádrže. Tato kombinace indikuje možnost výskytu období, ve kterých by mohlo dojít k problémům s plněním nádrže. Obr. 12 (vpravo) ukazuje vztah poměru 355denního a průměrného průtoku k odhadu koeficientu variace.

Vzhledem k omezeným podkladům nelze učinit spolehlivé závěry ohledně efektivity doplňkových nádrží bez další podrobnější analýzy (která není předmětem projektu). Nicméně lze konstatovat, že kapacity nádrží vzhledem k hydrologickým poměrům lokalit příliš nevybočují z hodnot pro LAPV z Generelu. U lokalit, kde jsou uvedené poměry nepříznivé, je možné uvažovat o změně potenciálního objemu nebo využití dalšího zdroje vody. Každopádně je pro kvalifikované vyhodnocení doplňkových lokalit nezbytné provést podrobnější vyhodnocení s využitím dostupných měření, přípaně zavedením účelového pozorování v příslušných profilech. Vzhledem ke zvyšování nedostatkových objemů dle scénářů změny klimatu i vzhledem k poměru nedostatkových objemů, které by nebylo možné při současné kapacitě nádrží na LAPV kompenzovat, považujeme rozšíření počtu hájených lokalit za žádoucí.

Poměr objemu ročního odtoku k potenciálnímu objemu.

Obrázek 10: Poměr objemu ročního odtoku k potenciálnímu objemu. Červeně jsou vyznačeny doplňkové lokality.

Poměr Q355 ku Qa.

Obrázek 11: Poměr \(Q_{355}\) ku \(Q_a\). Červeně jsou vyznačeny doplňkové lokality.

Poměr objemu ročního odtoku k potenciálnímu objemu (vlevo) a Q355 k Qa (vpravo) v závislosti na koeficientu variace.

Obrázek 12: Poměr objemu ročního odtoku k potenciálnímu objemu (vlevo) a \(Q_{355}\) k \(Q_a\) (vpravo) v závislosti na koeficientu variace. Červeně jsou vyznačeny doplňkové lokality.

6 Dostupnost, uplatnění a limity souboru specializovaných map

Soubor map je v současnosti dostupný na adrese http://rscn.vuv.cz/lapv/specmap/. V případě změny adresy bude informace o aktuálním umístění dostupná na http://www.vuv.cz. Soubor map je a bude přístupný bez omezení všem uživatelům.

Soubor map je primárně určen pro organizace zabývající se plánováním v oblasti vod, např. Ministerstvu zemědělství, Ministerstvu životního prostředí, podnikům povodí a dalším institucím a podnikům podílejícím se na přípravě plánů povodí a návrzích opatření v povodí. Soubor map vznikl jako jeden z prvních výstupů projektu TAČR TA04020501 „Možnosti kompenzace negativních dopadů klimatické změny na zásobování vodou a ekosystémy využitím lokalit vhodných pro akumulaci povrchových vod“. Načasování tohoto výstupu bylo vedeno snahou poskytnout podporu pro aktualizaci Generelu plánovanou na rok 2016. Z pohledu řešení projektu se jedná o pouze předběžné vyhodnocení funkce nádrží, a to z několika důvodů:

  1. zatím nejsou dostupná (a tedy nebyla začleněna) účelová měření na lokalitách s nedostatečnými hydrologickými podklady (respektive časové řady z nově zřízených stanic jsou krátké),
  2. scénáře klimatické změny byly vytvořeny standardními metodami, nicméně vhodnost těchto metod z hlediska postižení změn dlouhodobé variability není doposud uspokojivě prozkoumána (a je předmětem dalšího řešení projektu),
  3. nebyla uvážena nová generace simulací regionálních klimatických modelů z projektu CORDEX,
  4. vyhodnocení bylo provedeno na cca 100letých řadách – délka těchto řad je v kontextu standardního hodnocení dopadů klimatické změny dostatečná, nicméně pro pravděpodobnostní vyhodnocení zabezpečenosti zásobních funkcí je vhodné vycházet z delších (např. 1000letých) stochasticky generovaných řad,
  5. vodohospodářsko řešení předpokládalo, že pro nalepšení průtoku je k dispozici celý potenciální objem, při dalším řešení bude rozdělení zásobního prostoru nádrže dále specifikováno,
  6. pro budoucí období bylo uvažováno současné užívání vod, tj. nejsou postiženy změny užívání vyvolané změnou klimatu (např. zvýšení potřeby vody pro závlahy).

Všechny zmíněné nedostatky budou odstraněny během dalšího řešení projektu, aktualizovaná verze specializované mapy bude připravena na konci roku 2017.

7 Shrnutí

Nejdůležitější poznatky zjednodušeného vyhodnocení potenciálních nádrží na LAPV lze shrnout následovně:

  • všechny potenciální nádrže na LAPV by byly schopny za současných klimatických podmínek plnit zásobní funkce a standardním způsobem nadlepšovat průtok,
  • nedostatkové objemy v závěrových profilech povodí se v důsledku klimatické změny zvyšují,
  • ukazatele funkce nádrží jako zabezpečený průtok a délka výpadku zásob dle scénářů klimatické změny pro většinu potenciálních nádrží stagnují a pro žádnou z potenciálních nádrží se podstatně nezhoršují,
  • objem vody, který by mohly nádrže reálně poskytnout v obdobích sucha pro kompenzaci nedostatkových objemů, tvoří v průměru vesměs více než dvě třetiny potenciálního objemu nádrží,
  • odhady průtoku/objemu, který by byly nádrže schopny zabezpečovat v podmínkách klimatické změny, jsou zatím zatíženy určitou nejistotou vyplývající zejména z nejistého vývoje hydrologické bilance a sezónního rozložení srážek,
  • je proto žádoucí, aby hájení lokalit bylo zachováno a současně byla pozornost věnována snižování nejistot a doplňování chybějících údajů.

8 Seznam odborných podkladů předcházejících vypracování mapy

Kromě materiálů vznikajících v rámci řešení projektu, byly podkladem pro zpracování specializované mapy i předchozí studie a metodiky členů řešitelského týmu. Relevantní zdroje jsou uvedeny níže.

Publikace vycházející z úkolu VaV SP/1a6/108/07 „Zpřesnění dosavadních odhadů dopadů klimatické změny v sektorech vodního hospodářství, zemědělství a lesnictví a návrhy adaptačních opatření“ s finanční podporou Ministerstva životního prostředí:

  • Pretel, J. et al. (2011) Zpřesnění dosavadních odhadů dopadů klimatické změny v sektorech vodního hospodářství, zemědělství a lesnictví a návrhy adaptačních opatření. Technické shrnutí. ČHMÚ.
  • Hanel, M., Kašpárek, L., Mrkvičková, M. et al. (2011) Odhad dopadů klimatické změny na hydrologickou bilanci v ČR a možná adaptační opatření. Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i., 108 s.
  • Hanel, M., Vizina, A. (2010), Hydrologické modelování dopadů změn klimatu v denním kroku: korekce systematických chyb a přírůstková metoda. VTEI, 52 (mimořádné číslo 2), s. 17–21.
  • Hanel, M., Vizina, A., Máca, P., Pavlásek, J. (2012) A multi-model assessment of climate change impact on hydrological regime in the Czech Republic. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 60(3), 152–161.

Publikace vycházející z úkolu „Výzkum adaptačních opatření pro eliminaci dopadu klimatické změny v regionech České republiky“ (QH81331) v rámci Programu výzkumu v agrárním sektoru 2007–2012 (podprogram Efektivní postupy v agrárním sektoru), jehož poskytovatelem je Ministerstvo zemědělství ČR prostřednictvím Národní agentury pro zemědělský výzkum:

  • Mrkvičková, M., et al. (2012) Navrhování adaptačních opatření pro snižování dopadů klimatické změny na hydrologickou bilanci v ČR. VÚV T.G.M. 133 s.

Publikace vycházející z úkolu „Možnosti zmírnění současných důsledků klimatické změny zlepšením akumulační schopnosti v povodí Rakovnického potoka (pilotní projekt)“ finančně podpořeného Ministerstvem zemědělství ČR prostřednictvím Národní agentury pro zemědělský výzkum (QH91247):

  • Horáček, S. et al. (2012) Možnosti zmírnění současných důsledků klimatické změny zlepšením akumulační schopnosti v povodí Rakovnického potoka (pilotní projekt). VÚV T.G.M., 150 s.

Publikace vycházející z úkolu TA02020320 „Podpora dlouhodobého plánování a návrhu adaptačních opatření v oblasti vodního hospodářství v kontextu změn klimatu“, který byl řešen za finanční podpory Technologické agentury České republiky v letech 2012–2014:

  • Hanel, M., Mrkvičková, M., Máca, P., Vizina, A., Pech, P. (2013) Evaluation of simple statistical downscaling methods for monthly regional climate model simulations with respect to the estimated changes in runoff in the Czech Republic. Water Resources Management, 26.
  • Hanel, M., Kašpárek, L., Peláková, M., Beran, A., Vizina, A. (2013) Evaluation of changes in deficit volumes: support for protection of localities suitable for construction of reservoirs. Considering Hydrological Change in Reservoir Planning and Management.
  • Daňhelka, J., Hanel, M., Kulasová, B., Pretel, J., Tolasz, R. (2013) Simulace potenciálních dopadů klimatické změny na vodní hospodářství: současné možnosti a limity. Vodní hospodářství 3/2013.
  • Hanel, M., Hánová, K., Daňhelka, J., et al. (2014) Vyhodnocení možných dopadů změny klimatu ve vodním hospodářství a při plánování v oblasti vod. Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, Certifikovaná metodika 4498/2014-MZE-15121 (MZe).

Publikace vycházející z úkolu TA04020501 „Možnosti kompenzace negativních dopadů klimatické změny na zásobování vodou a ekosystémy využitím lokalit vhodných pro akumulaci povrchových vod“, který je řešen za finanční podpory Technologické agentury České republiky v letech 2014–2017:

  • Kožín, R., Hanel, M., Kašpárek, L., Peláková, M., Vizina, A., Treml, P. (2015) Možnosti zmírnění dopadů změny klimatu využitím území chráněných pro akumulaci povrchových vod, VTEI, 4-5.
  • Vizina, A., Hanel, M., Kožín, R., Horáček, S. (2015) Bias correction methods for water resources management. 2nd International Conference on Hydro-meteorological Risks and Climate Change, 11.–13. listopadu, 2015, Cholula, Puebla, Mexico.

Literatura

  • Balvín, P., Vizina, A., Nesládková, M., Kašpárek, L. (2015) Determinig Czech Republic’s minimum residual discharges. The 14th International Symposium in the field of Water Management and Hydraulic Engineering.
  • Beran, A., Hanel, M. (2015) Definování zranitelných oblastí z hlediska nedostatku vody na území České republiky. VTEI, 57(4-5).
  • Hanel, M., Hánová, K., Daňhelka, J., et al. (2014) Vyhodnocení možných dopadů změny klimatu ve vodním hospodářství a při plánování v oblasti vod. Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, Certifikovaná metodika 4498/2014-MZE-15121 (MZe).
  • Harris, I., Jones, P., Osborn, T., Lister, D. (2014) Updated high-resolution grids of monthly climatic observations – the CRU TS3. 10 Dataset. International Journal of Climatology, 34(3), 623–642.
  • MZE a MŽP (2011) Generel území chráněných pro akumulaci povrchových vod a základní zásady využití těchto území. Ministerstvo zemědělství a Ministerstvo životního prostředí.
  • Štěpánek, P., Zahradníček, P., Huth, R. (2011) Interpolation techniques used for data quality control and calculation of technical series: an example of a Central European daily time series. IDŐJÁRÁS - Quarterly Journal of the Hungarian Meteorological Service, 115(1–2), 87–98.