Časová a plošná variabilita hydrologického sucha

Radek Vlnas
ČASOVÁ A PLOŠNÁ VARIABILITA
HYDROLOGICKÉHO SUCHA
NA ÚZEMÍ ČESKÉ REPUBLIKY 1931-2007
Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka, v.v.i. | Podbabská 30/ 2582, 160 00 Praha 6 | +420 220 197 111
[email protected], www.vuv.cz, Pobočka Brno | Mojmírovo náměstí 16, 612 00 Brno-Královo Pole | +420 541 126 311
[email protected], Pobočka Ostrava | Macharova 5, 702 00 Ostrava | +420 596 134 181 | [email protected]
ÚVOD
•
Sucho spolu s povodněmi představuje na území ČR přírodní pohromu
s nejvážnějšími následky
•
4 kategorie sucha – meteorologické, hydrologické, agronomické a socio-ekonomické
•
Hydrologické sucho je spojováno s poklesem průtoků a poklesem zásob podzemní
vody. Sucho se vyvíjí postupně, protože celkový odtok je doplňován ze zásob
podzemní vody, které se snižují pouze pomalu i když nejsou doplňovány perkolací ze
srážek. Hydrologické sucho se objevuje i v zimním období jako důsledek poklesu
teplot a s tím související akumulace srážek ve sněhové pokrývce
•
Indikátory hydrologického sucha je možné rozdělit na charakteristiky odtoku
a deficitní charakteristiky
Charakteristiky odtoku: percentil čáry překročení (FDC) nebo nejnižší odtok
v daném období, např. min. roční průtok. Další lze obdržet např. analýzou
výtokové čáry nebo pomocí indexu BFI
Deficitní charakteristiky: metoda threshold level a sequent peak algoritmus.
Obě jsou založeny na stanovení prahové (limitní) hodnoty odtoku pod níž je
odtok považovaný za probíhající v režimu sucha. Epizoda sucha tedy začíná
poklesem průtoku pod tuto prahovou hodnotu a končí opětným vzestupem
nad limit
DATA A METODY
• Zvoleno období 1931(1947)–2007 s tím, že je vhodné analyzovat co
nejdelší dostupné řady odtoku (mnoho stanic založeno právě počátkem
30tých let) a současně zahrnout co nejvíce stanic (118) za účelem
vystižení prostorové variability sucha
DATA A METODY
• průměrné měsíční průtoky Qm
• ‚threshold level method’ s použitím Q95 a Q70, tzn. odtoku s 95 % a 70 %
pravděpodobností překročení, jako prahové hodnoty k identifikaci období s podlimitními
průtoky (období sucha)
• Pevný roční a variabilní měsíční práh, časové řady odtoku měřené i přirozené
• Parametry sucha jsou nedostatkové objemy a jejich trvání, standardizace (0~4)
• Sledovali jsme vztah deficitních objemů a fyzicko-geografických podmínek povodí
• Testovali jsme časové řady deficitních objemů z hlediska existence trendu
• Vliv manipulací na nádržích
• Důsledky klimatické změny na velikost nedostatkových objemů a jejich trvání
Cílem projektu bylo poskytnout základy pro definování závažnosti
hydrologického sucha pomocí indikátorů
METODA THRESHOLD
• Měsíční data: program ExDev - prahová (limitní) hodnota pevná roční nebo
variabilní měsíční během roku
• Limitní hodnota vyhodnocována programem z empirické čára překročení
příslušných měsíců
• Poté ExDev identifikuje období během nichž je odtok pod limitní hodnotou
a spočítá velikost (nedostatkový objem) a trvání sucha během těchto epizod
• Standardizace

 DefVolt − 1 +
DefVolt = 
0

 Qlim − Qt

 Qlim
,

 ∆ t ,
if

otherwise
Qt < Qlim
kde Qlim je limitní hodnota průtoku a Qt je odtok v daném časovém kroku
ExDev GUI
Část výstupního souboru:
Datum, Qm, Threshold, DeficitVolume, Duration,
DeficitVolumeSum,
DurationSum
11.1932, 6.630, 4.066 , .000, 0 , .000, 0
12.1932, 4.050, 5.132 , .546, 1 , .546, 1
01.1933, 2.680, 4.508 , 1.598, 2 , 1.598, 2
02.1933, 10.400, 4.896 , .000, 0 , .000, 0
03.1933, 7.430, 10.074 , .680, 1 , .680, 1
04.1933, 6.920, 12.92 , 1.884, 2 , 1.884, 2
05.1933, 7.920, 9.174 , 2.238, 3 , 2.238, 3
06.1933, 4.660, 4.422 , .000, 0 , 1.621, 4
Maximální nedostatkové objemy pro
všechny stanice:
dtb, datVol1, DefVol1, datVol2, DefVol2, datVol3, DefVol3, datDur, Dur
0060, 07-1960, 11.55682 , 04-1960, 8.660478 , 04-1963, 7.346739 , 07-1960, 11
0150, 02-1974, 11.17567 , 11-1973, 9.989758 , 04-1984, 9.407261 , 02-1974, 17
0170, 04-1954, 9.679319 , 02-1993, 8.081617 , 01-2004, 7.654036 , 04-1954, 13
0180, 02-1993, 10.77371 , 01-1993, 9.671838 , 12-1992, 9.410233 , 04-1954, 13
0240, 03-1954, 10.7101 , 03-1963, 9.243821 , 02-1963, 7.953056 , 03-1954, 8
0250, 03-1963, 10.24037 , 03-1954, 8.517886 , 01-1963, 7.071192 , 03-1963, 9
0270, 05-1960, 9.620629 , 03-1963, 8.063081 , 02-1970, 7.946339 , 05-1960, 10
0290, 04-1963, 9.190939 , 04-1954, 8.659572 , 02-1963, 8.617302 , 04-1963, 10
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
Reservoirs
1985
Threshold
DEC
NOV
OCT
SEP
AUG
JUL
JUN
MAY
APR
MAR
20
1982
0
FEB
JAN
10
1979
25
1976
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
DeficitVolume
1973
1970
Qm
1967
1964
35
1961
1958
1955
1952
1985
1982
1979
1976
1973
1970
1967
Reservoirs
1949
1946
1943
0
Threshold
1940
Q95
1937
5
1934
Variabilní měsíční
limit
1964
Qm
1931
1961
1958
1955
1952
1949
1946
1943
1940
1937
1934
1931
35
DEC
NOV
OCT
SEP
AUG
JUL
JUN
MAY
APR
MAR
FEB
JAN
0340, Dolní Libchavy, Tichá Orlice, 1931-2007
4
30
3
Pevný roční limit
15
2
5
1
5
0
0
Q95
DeficitVolume
4
30
25
3
20
2
15
10
1
5
0
0
2001
2001
Evidence ovlivnění
1991
1981
1971
1991
1981
1971
1961
1
1961
1951
1941
1931
Deficit Volume
Přirozené
1951
1941
1931
Deficit Volume
PRŮMĚRNÝ NEDOST. OBJEM 1931– 2007
2
Měřené
0
2
Evidence ovlivnění
1
0
MAPY
Sucho 1947
Q95
MAPY
Sucho 1953/54
Q95
MAPY
Sucho 2003
Q95
MAPY
MAPY
Box-Whisker PLOT
0060 0150 0170 0180 0240 0250 0270 0290 0310 0340 0350 0370 0420 0460 0470 0480 0490 0630 0650 0660 0800 1040 2001 2040 2210 2400 0830 0850 0860 0880 0900 0910 0920 0940 0960 1018 1060 1070 1080 1090 1130 1140 1150 1190 1270 1310 1330 1380 1410 1430 1510 1520 1530 1580 1610 1620 1650 1672 1790 1830 1860 1900 1980 2073 2109 2190 2570 2660 2740 2750 2770 2930 2940 2990 3030 3430 3450 3511 3530 3540 3610 3670 3740 3760 3790 3820 3870 3890 3900 3960 4010 4020 4030 4070 4100 4150 4215 4300 4350 4370 4400 4410 4470 4480 4490 4620 4520 4530 4540 4560 4570 4650 4690 4730 4740 4770 4780 -
Králov s tv í - Labe
Č es k á Sk alic e - Ú pa
Marš ov n.Metují - Metuje
H ronov - Metuje
Kláš terec n.Orlic í - D .Or lic e
N ek oř - D .Orlic e
Slatina n.Zdobnic í - Zdobnic e
horní Labe,
Kv as iny - Bělá
Orlice,
Č as tolov ic e - Bělá
D olní Libc hav y - T.Orlic e
Loučná,
Ú s tí N .Orlic í - Třebov k a
Tý niš tě n.Or lic í - Orlic e
Chrudimka,
N ěmč ic e - Labe
Zámr s k - Louč ná
Doubrava
D aš ic e - Louč ná
H amry - C hrudimk a
Př emilov - C hrudimk a
Bílek - D oubrav a
Paříž ov - D oubrav a
Žleby - D oubrav a
N y mburk - Labe
střední a
Brandý s nad Labem - Labe
Praha-C huc hle - Vltav a
dolní Labe,
Mělník - Labe
Ú s tí n.Labem - Labe
dolní Vltava
D ěč ín - Labe
J anov - H arr ac hov - Mumlav a
D olní Štěpanic e - J iz erk a
D olní Sy tov á - J iz era
J os efův D ůl - Kamenic e
Bohuňov s k o-J es enný - Kamenic e
Jizera
Želez ný Brod - J iz er a
Peleš any -Tur nov - Libuňk a
C hoc nějov ic e - Mohelk a
D olní Buk ov ina - Zábrdk a
Tuřic e-Př edměřic e - J iz era
Lenora - Teplá Vltav a
C hlum-Volar y - Teplá Vltav a
Č erný Kříž - Volary - Stud.Vltav a
Vy š š í Brod - Vltav a
horní Vltava
Ř ímov - Malš e
Paš inov ic e-Komař ic e - Stropnic e
R oudné - Malš e
Pilař-Majdalena - Luž nic e
Lás enic e - N ež ár k a
Lužnice
Klenov ic e - Luž nic e
Bec hy ně - Luž nic v e
Suš ic e - Otav a
Katov ic e - Otav a
N ěmětic e - Voly ňk a
Otava
Pís ek - O tav a
D olní Os trov ec - Lomnic e
Var v až ov - Sk alic e
C hlís tov - Sáz av a
Zr uč n.Sáz av ou - Sáz av a
Želiv - Želiv k a
Sázava
Kác ov - Sáz av a
N es pek y - Sáz av a
Staňk ov - R adbuz a
Štěnov ic e - Ú hlav a
Plz eň-Bílá H ora - Ber ounk a
Berounka
Plas y - Stř ela
Beroun - Berounk a
C itic e-nov á s tanic e - Ohře
Teplič k a - Teplá
Ohře
Louny - Ohře
Sv inov - Odra
Opav a - Opav a
Brank a - Opav ic e
D ěhy lov - Opav a
Odra,
Šanc e p.nádrž í - Os tr av ic e
Os trav a - Os trav ic e
Opava, Olše
Bohumín - O dra
Č es k ý Těš ín- Baliny - Olš e
Věřňov ic e - Olš e
H abartic e - Kr upá
R aš k ov - Mor av a
Šumperk tok +s v od - D es ná
horní
H oš tejn - Břez ná
Lupěné - Mor av s k á Sáz av a
Morava
Loš tic e - Třebův k a
Olomouc -N ov é Sady tok - Morav a
Ky c hov á - Ky c hov k a
Zděc hov - Zděc hov k a
Vs etín - Vs etíns k á Beč v a
J arc ov á - Vs etíns k á Beč v a
Bečva
Krás no - R ož nov s k á Beč v a
Teplic e - Beč v a
D luhonic e - Beč v a
Plumlov pod nádrž í - H louč ela
Otas lav ic e - Br odeč k a
střední a
Prus y - Moš těnk a
Kroměříž - Morav a
dolní
Sluš ov ic e - Vš emínk a
Kos telec pod nádrž í - Fr y š tác k ý potok
Luhač ov ic e pod nádrž í - Luhač ov icMorava
k ý potok
Str áž nic e - Morav a
Podhradí - D y je
střední a
Znojmo - D y je
Tr áv ní D v ůr - D y je
dolní Dyje
Bož ic e - J ev iš ov k a
Borov nic e - Sv ratk a
D olní Louč k y - Louč k a
Vev ers k á Bitý š k a - Sv ratk a
Svratka
Brno- Poříč í - Sv ratk a
Židloc hov ic e - Sv ratk a
R oz hraní - Sv itav a
Letov ic e - Křetínk a
Letov ic e - Sv itav a
Svitava
Sk alní Mlý n - Punk v a
Bílov ic e nad Sv itav ou - Sv itav a
D v orc e - J ihlav a
Ptáč ov - J ihlav a
N es měř - Os lav a
Jihlava
Os lav any - Os lav a
Morav s k ý Krumlov - R ok y tná
Iv anč ic e - J ihlav a
POVODÍ V HYDROLOGICKÉM POŘADÍ
1931
Deficit Volume
1932
1933
1934
1943
1944
1945
1946
1947
1948
1949
1950
1951
1952
1953
1954
0.2 - 0.8
0.8 - 2
2- 3
>3
SRÁŽKY A TEPLOTY
• Brázdil a kol. použili PDSI (Palmer Drought Severity Index) k popisu
sucha v ČR v období 1881–2006 a identifikovali významné epizody sucha
především uprostřed let 30tých, na konci 40tých až počátkem 50tých let,
koncem 80tých až počátkem 90tých a dále počátkem nového století.
Nejzávažnější: suché období na počátku 90tých let
• Brázdil a kol. potvrdili zřetelný rostoucí trend teplot vzduchu se stat.
významným lin. trendem 0.082 ˚C/10 let stejně jako stat. nevýznamný
klesající trend -2.34 mm/10 let v ročních srážkových úhrnech
• Jak jsou tyto změny klimatických činitelů reflektovány v řadách odtoku?
Test trendu
• Vybrány neovlivněné (málo ovlivněné) stanice
66 stanic
• Modifikovaný Mann-Kendall test s korekcí autokorelace 1. řádu
DETEKCE TRENDU 1947 – 2006
100%
90%
80%
70%
60%
rostoucí
bez trendu
klesající
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
DETEKCE TRENDU 1961 – 2006
100%
90%
80%
70%
60%
rostoucí
bez trendu
klesající
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
STANICE DĚČÍN OD ROKU 1851
2000
Qm
Threshold
2000
4
DeficitVolume
Qm
Threshold
4
DeficitVolume
3
2
Q [m3/s]
Q [m3/s]
3
2
1
1
Pevný roční limit
2001
1991
1981
1971
1961
1951
1941
1931
1921
1911
1901
1891
1881
1871
0
1861
0
1851
2001
1991
1981
1971
1961
1951
1941
1931
1921
1911
1901
1891
1881
1871
1861
0
1851
0
Variabilní měsíční limit
• Nejvýraznější epizody sucha nalezeny v letech 1874, 1904, 1911 a 1947 s trváním
5, 3, 5 a 3 měsíců s maximy převážně v období podzimu. Významná sucha nalezena
také v letech 1934 a 1935 s trváním 3 měsíce a vrcholící na konci léta.
• Odlišný mechanismus uplatněn v roce 1953 a 1864 (zdůrazněno variabilním
limitem). Období sucha trvající od listopadu do března bylo zdůrazněno volbou limitu
(měsíční Q95 od ledna do března je vyšší než Q95 roční >> prodloužení sucha. Je
tedy sporné zda takový jev může být považován za sucho. Tallaksen a Lannen
doporučují používat termín ‚nedostatek vody‘.
Žádná významná sucha po roce 1955
CITLIVOST POVODÍ
• Během suchých epizod se uplatňuje pouze základní odtok
nejzřetelnější dopad odlišen na základě geologické
stavby povodí
Povodí byl seskupena podle litologie. Povodí se smíšenou litologií byla vyřazena
• Provedena analýza variance (ANOVA) zahrnující Fisher LSD test
• Test potvrdil, že povodí, jejichž podloží je tvořeno těžko propustnými jílovci
vykazují významně vyšší hodnoty nedostatkových objemů
ANOVA (LSD test) pískovce metamorfity prachovce granity břidlice jílovce
pískovce
0.232
0.371
0.364 0.922 0.001
metamorfity
0.232
0.108
0.736 0.450 0.002
prachovce
0.371
0.108
0.157 0.528 0.003
granity
0.364
0.736
0.157
0.427 0.210
břidlice
0.922
0.450
0.528
0.427
0.026
jílovce
0.210 0.026
0.001
0.002
0.003
SROVNÁNÍ ŘAD DENNÍCH A MĚSÍČNÍCH
Stanice End Dur
0 -0.5
0060
1 1.0
0150
0 0.0
0170
7 -0.3
0180
0 1.1
0240
0 0.6
0250
0 -0.4
0270
0 -0.4
0290
0 -0.5
0310
0 1.5
0340
0 0.1
0350
0 -0.4
0370
0 -0.2
0420
-1 -0.8
0460
0 -0.2
0470
1 1.4
0480
0 -0.4
0490
0 2.2
0630
0 0.3
0650
0 0.8
0660
0 0.1
0800
0 0.9
0830
0 0.7
0850
0 0.2
0860
1 2.2
0880
0 0.8
0900
0 0.2
0910
0 0.6
0920
0 0.8
0940
x
x
0960
1947
1953
2003
DefVol Note
Kategory End Dur DefVol Note
Kategory End Dur DefVol Note
Kategory
0.01
0
0 0.5
0.32
0
-1 -0.9
0.03
0
0.47
0
0 0.7
0.47
0
-3 0.3
-0.03
0
0.06
0
0 0.0
0.45
1
-1 0.0
0.10
0
-0.07
0
0 1.3
0.43
1
x
x
x
none-D,M
0
0.23
0
3 3.2
1.10
2
-1 -0.5
0.11
0
-0.07
0
0 -0.3
0.03
0
0 0.7
0.04
0
0.16
1
0 1.9
0.51
1
-1 0.2
0.05
0
0.15
0
0 -0.1
0.40
1
-1 0.0
-0.02
0
0.28
1
0 2.8
0.33
0
-1 0.0
0.12
0
0.13
0
0 0.1
0.21
0
-1 -0.3
0.09
0
0.12
0
0 0.3
0.32
0
0 0.0
0.18
0
0.03
0
0 0.0
0.16
0
-1 -0.8
-0.02
0
0.00
0
0 -0.7
0.21
0
x
x
x
none-D,M
0
0.09
0
1 0.6
0.02
0
x
x
x
none-D,M
0
0.06
0
0 0.0
0.01
0
x
-0.9
-0.05 none-M
0
0.02
0
x
x
x
none-D,M
0
x
x
x
none-D,M
0
0.04
0
0 -0.4
-0.04
0
-1 0.2
0.09
0
0.65
1
-2 1.1
0.15
0
-1 0.6
0.22
1
-0.25
-1
1 1.1
0.64
1
0 0.3
-0.06
0
0.17
0
0 1.9
0.34
1
-1 -0.2
0.07
0
0.10
0
0 1.8
0.71
1
0 0.8
0.06
1
0.25
0
0 0.4
0.35
1
x
x
x
none-D,M
0
0.28
0
0 0.1
0.08
1
x
x
x
none-D,M
0
0.24
0
0 0.3
0.30
0
-1 1.4
0.27
1
0.43
1
3 0.5
0.01
0
x
x
x
none-D,M
0
0.47
0
0 0.3
0.27
0
0 0.9
0.98
1
0.19
0
0 1.7
0.35
1
0 0.8
0.16
1
0.20
0
-2 2.6
0.22
0
x
-0.5
-0.12 none-M
0
0.12
0
2 2.3
0.03
0
1 1.4
0.12
0
x
none-D,M
0
x
x
x
none-D,M
0
x
x
x
none-D,M
0
VLIV NÁDRŽÍ
0420 Němčice (Labe), limit Q95
250
Qm
Threshold
Reservoirs
4
DeficitVolume
200
3
150
100
2
50
1
0
250
Qm
Threshold
Reservoirs
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
1985
1982
0
1979
-50
Pod limitem Q95
eliminovány
nedostatkové objemy
na tocích:
4
DeficitVolume
200
3
150
100
2
50
1
0
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
1985
1982
0
1979
-50
D. Orlice, Vltava,
Malše, Sázava, Ohře,
Labe, Ostravice,
Odra, Hloučela, Dyje,
Svratka, Křetínka,
Svitava, Oslava,
Jihlava
VLIV NÁDRŽÍ
4400 Božice (Jevišovka), limit Q95
8
Qm
Threshold
Reservoirs
8
DeficitVolume
7
7
6
6
5
5
4
3
4
2
Záporné odtoky na:
3
1
2
0
8
Qm
Threshold
Reservoirs
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
0
1985
-2
1982
1
1979
-1
8
DeficitVolume
7
7
6
6
5
5
4
3
4
2
3
1
2
0
2006
2003
2000
1997
1994
1991
1988
0
1985
-2
1982
1
1979
-1
• 0880 Josefův Důl
(Kamenice)
• 2740 Branka
(Opavice)
• 2770 Šance
(Ostravice)
• 4400 Božice
(Jevišovka)
HYDROLOGICKÉ SUCHO
V PODMÍNKÁCH KLIMATICKÉ ZMĚNY
• Emisní scénář SRES A1B
• 20 RCM z projektu
ENSEMBLES
• ALADIN-CLIMATE/CZ
• Čas. horizont 2025, 2055, 2085
ZÁVĚR
• Index hydrologického sucha na bázi nedostatkových objemů byl navržen ve
škále: mírný (0.2–0.8), vážný (0.8–1.5), velmi vážný (1.5–2.5) a extrémní (>2.5).
Podobně může být navržena i škála pro trvání sucha
• Maximální přirozená sucha dosáhla trvání 8 měsíců. Déletrvající sucha byla
způsobena ovlivněním odtoku
• Detekce sucha v měsíčních řadách odtoku slabě nadhodnocuje sucho oproti
denním řadám
• I minulosti se vyskytovala sucha podobná extrémní epizodě z roku 1947
• Trendová analýza částečně potvrdila tendenci k významnějším epizodám
sucha jak ukazují klimatické studie v případě teplot a srážkových úhrnů, a to
především ve vegetačním období
• Pozornost je třeba věnovat ovlivnění řad odtoku (evidenci odběrů a vypouštění
a navazující korekci řad odtoku >> přirozený odtok
• Simulace projevů klimatické změny ukazují na výrazně sušší epizody po roce
2030(40)
Finančně podpořeno projektem SP/1a6/125/08
Ministerstva životního prostředí ČR
NAVAZUJÍCÍ PROJEKT
Návrh koncepce řešení krizové situace vyvolané výskytem
sucha
a nedostatkem vody na území ČR
• Zadavatelem je Ministerstvo vnitra ČR
• Řešení 2010–2014
• Cílem projektu je vytvořit obdobnou metodiku a postupy pro řešení suchem vyvolané
krizové situace, které byly zavedeny a v příslušném právním řádu zakotveny pro
povodně
1842
Děkuji za pozornost