VPLYV KLÍMY NA CELKOVÚ HYDROLOGICKÚ BILANCIU POVODIA CLIMATIC EFFECT ON TOTAL HYDROLOGICAL WATERSHED BALANCE Novotná Beáta Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Abstract

The purpose of this paper is to provide hydrologic modelling analyse in river basin Žitava, by using Water Balance Simulation Model – WaSiM-ETH/UZR. Main objective is evaluate the vulnerability of stream flow, in-stream flow demands, water yield and soil moisture systems to changes in climate, including increased variability in timing and magnitude of precipitation. An evaluation of the uncertainty in model results on its implications for long term water resource planning and management decisions in the study region is still ultimate product of the research. The vulnerability of stream flow to changes in water yield is also being evaluated using a water availability model that will assess the maintenance of existing water rights and maintenance of in- stream flow demands in the face of climate change.

Key words: watershed balance, hydrological cycle, river basin modelling,

Úvod V posledných rokoch vzrastá možnosť výskytu hydrologických kalamitných udalostí, ktorých prípadný výskyt je dávaný do súvislosti s vyvolanými klimatickými zmenami spôsobenými antropogenickou činnosťou človeka. Schopnosť určiť pravdepodobný vplyv klímy na výskyt a prevencia extrémnych hydrologických udalostí povodia v blízkej budúcnosti je podmienená poznaním zákonitostí hydrologického cyklu, obzvlášť poznaním jeho závislosti a citlivosti klimatických a geomorfologických procesov, pričom exploatácia existujúcich vodných zdrojov a klimatické pomery v skúmanej oblasti majú význačný vplyv na dostupnosť a kvalitu vodných zdrojov povodia. Poznanie rozloženia vodnej bilancie v povodí je potrebné nielen z poľnohospodárskeho hľadiska, ale aj z dôvodu ochrany špecifických ekosystémov ovplyvnených určitým dominujúcim vlhkostným stavom.

Materiál a metódy Na simulovanie vodnej bilancie povodia je potrebný model plne ponímajúci heterogénny charakter hydrologického systému. Pre modelovanie hydrologických procesov bol použitý model simulujúci vodnú bilanciu povodia WaSiM-ETH/UZR (SCHULLA, 1997; SCHULLA, JASPER 1999). WaSiM-ETH/UZR umožňuje výpočet dôležitých hydrologických tokov v časovom a priestorovom rozlíšení. Veľkosť gridovej bunky ako priestorového rozlíšenia môže byť v rozpätí od niekoľkých metrov až po niekoľko kilometrov, časové rozlíšenie môže byť od jednej minúty až po niekoľko dní. Obyčajne priestorové a časové rozlíšenie závisí od veľkosti, topografie modelového územia a od riešeného hydrologického problému. Pre skúmané územie povodia bolo zvolené priestorové rozlíšenie 50 km a časové rozlíšenia jeden deň. Model je rozdelený na niekoľko čiastkových modelov, ktoré popisuje graf č. 1. Pre jednoduchosť bolo povodie rozdelené do nasledovných piatich účelových vrstiev: vrstva riečnej siete a hranice dielčích povodí, meteorologická vrstva, topografická vrstva, vrstva pokryvu pôdy, vrstva pôdnych vlastností (JURÍK, 1998). Pomocou modelu WaSiM-ETH bola vykonaná simulácia vodnej bilancie povodia, ktorá vychádzala z jednotlivých vybraných charakteristík povodia ako je relatívna výška v povodí, sklon, expozícia, topografický index, pôdno-topografický index, index zakrivenia, typ vegetačnej pokrývky a typu pôdy. Pre analýzu boli použité spracované vstupné klimatické údaje o zrážkach, teplotách vzduchu, rýchlosti vetra, globálnom žiarení, tlaku vodných pár, relatívnom trvaní slnečného svitu a hydrologických verifikačných údajov pochádzajúcich z vodočetnej stanice Vlkas, obrázok č. 3. Pre simuláciu boli použité časové rady zo stanice Arborétum mlyňany (190 m n.m), ktorá sa nachádza priamo v povodí a z klimatických staníc Topoľčany (183 m n.m), Prievidza (260 m n.m), Nitra (135 m n.m), Hurbanovo (125 m n.m), nachádzajúcich sa v okolí povodia rieky Žitava. Pri výpočtoch boli použité čiastkové modely korekcií žiarenia a teploty vzduchu na základe vplyvov reliéfu, výpočtu evapotranspirácie s využitím vzťahov Penman-Monteith, modely pre intercepciu a infiltráciu a modely pre výpočet prúdenia vody v pôde s využitím princípov TOPMODELu (SCHULLA, 1997; SCHULLA, JASPER, 1999).

Výsledky a diskusia Počas modelovania bol získaný súbor faktických informácií o vlastnostiach povodia Žitavy, ktoré boli využité ako vstupné veličiny do použitých čiastkových modelov. Pre účely analýz a modelov bola mapa digitalizovaná mapa vegetačnej pokrývky zjednodušená do troch tried (les, kukurica, obilniny). Pre uvedené tri triedy vegetácie boli z literatúry spracované najdôležitejšie parametre používané v hydrologických modeloch. Previerka kalibrovaných výsledkov ukázala, že zhoda medzi nameranými výsledkami a výpočtami je prijateľná, čiže takéto modely sú použiteľné aj v iných podmienkach ako v tých, pre ktoré boli navrhnuté a preverené. umiestnenie dát, vstupné výškový gradient vypočítaný meteorologické dáta v predspracujúcom kroku

korekcia zvlášť pre dážď zrážková korekcia a sneh, závisiaca od rýchlosti vetra

interpolácia nadmorská výška meteorologických podmieňujúca regresiu vstupných dát a/alebo inversnú vzdialenosť posudzovaná interpoláciou (IDW); Thiessen tienenie a expozícia podmieňujúca upravenie nastavenie radiácie v závislosti na slnečnej bunková kalkulácia žiarenia a teploty a lokálnej geometrii

potenciálna a reálna PENMAN - MONTEITH podľa evaporácia evapotranspirácia MORECS-schémy z povrchu snehu (THOMPSON et al., 1981)

Metóda podľa ANDERSONA akumulácia snehu (1973), alebo T-index; a topenie snehu evaporácia ľadovec: Hock (1998) ľadovcový model z intercepčných zásob oblastný listový index- podmieňujúci maximálnu intercepcia zásobnú kapacitu, odčerpávanie: potenciálna evaporácia

infiltrácia / generovanie Infiltratácia podľa GREEN and AMPTA (1911) povrchového odtoku evapotranspirácia použijúc saturačný čas podľa z pôdy PESCHKE (1977, 1987) a z vegetácie pôdna (koreňová)zásoba a nesaturovaná zóna generovanie povrch. odtoku variabilná saturovaná oblasť podľa BEVEN aKIRKBY (vrstvy iba pri použití generovanie (1979, TOPMODEL), RICHARDSOVA ROVNICA-) vnútorného toku alebo: RICHARDS-rovnica pre nespojité vrstvy a spojenie saturovaná zóna generovanie podľa – 2 D pôdneho základného odtoku modela

prenos-retencia-metóda využívajúca hydraulické spojenie odtokov parametere pre trasy celkový odtok

Graf č. 1: Modelová štruktúra WaSiM- ETH (SCHULLA, 1997)

Výsledky poukazujú na negatívny vplyv klímy na súčasný manažment vodných zdrojov. Model bude ďalej využitý na stanovenie potenciálnych vplyvov klimatických zmien na základe existujúcich klimatických scenárov. Model WaSiM- ETH/UZR -simujúci vodnú bilanciu, môže byť použitý aj na odhadnutie hydrologických a meteorologických predpovedí vplyvom predpokladaných klimatických zmien v podobnom povodí, za predpokladu zhodných vstupných podmienok konkrétneho povodia. Súhrn Model WaSiM-ETH simuluje interakciu krajinného využitia, vegetácie a klímy s regionálnou dynamikou vodnej bilancie v povodí, preto ho je možné použiť na stanovenie hydrologickej zraniteľnosti povodia vplyvom predpokladanej klimatickej zmeny. Časové rady denných zrážok boli generované modelovými simuláciami, ktoré sú založené na komplexnej hydrologickej bilancii. Modelovaním priebehu hydroklimatických informácií spracovaných modelom sú výsledné analýzy špecifikujúce skutočný stav hydrologických vodných zdrojov. Pomocou týchto analýz možno dosiahnuť prezentáciu evidentných hydrologických zmien, ktoré sa vyskytli, ako aj s dostatočnou presnosťou zhodnotiť prognózy zmien hydrologického cyklu s dôrazom na budúcu primeranú exploatáciu vodných zdrojov v povodí. Kľúčové slová : vodná bilancia povodia, hydrologický cyklus, modelovanie povodia rieky

Literatúra JURÍK, Ľ.: Aplikácia simulačného modelu bilancie vody WaSiM na povodie rieky Nitra, In: Enviro Nitra, SPU Nitra, 1998, s. 258-261 SCHULLA, J.: Hydrologische Modellierung von Flussgebieten zur Abschätzung der Folgen von Klimaänderungen. Zürcher Geographische Schriften , Heft 69, Institut for Climate Research ETH Zürich, 1997 SCHULLA, J., JASPER, K.: Model Description WaSiM-ETH. Institut for Climate Research ETH Zürich, 1999

Kontaktná adresa : Ing. Beáta Novotná Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre Katedra krajinného inžinierstva, FZKI Hospodárska 7, 949 01 Nitra fax: 087/6512941 e-mail: [email protected] Prílohy

Obrázok č. 1: Priestorové rozloženie základného odtoku v povodí rieky Žitava

Porovnanie namodelovanej reálnej a potenciálnej evapotranspirácie

8 potenciálna 6 reálna m 4 m 2 0 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 6 1 1 0 2 3 5 6 8 9 1 2 4 5 7 8 0 1 3 4 6 1 3 4 6 7 9 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 rok 1995

Obrázok č.2: Porovnanie zmien potenciálnej a aktuálnej evapotranspirácie simulovanej pomocou programu WaSiM-ETH/UZR Porovnanie celkového odtoku z povodia

20 15 vypočítaný m 10 m skutočný 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 4 6 8 0 2 4 6 9 1 3 5 7 9 1 3 5 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 rok 1995

Obrázok č. 3: Porovnanie skutočného a vymodelovaného celkového odtku z povodia.