ÚzemnéPlány.sk

Autor

RNDr. Ladislav Holko, CSc.

Zdroj

Urbanita

Zobrazení

23336

Dátum vydania

04. 02. 2011

Kategórie článku

• Ľudia a voda

Súvisiace články

• Povodne sme zažili aj v minulosti
• Princípy ochrany pred povodňami v medzinárodných dokumentoch
• Pozemkové úpravy vo vzťahu k protipovodňovej ochrane - 1.diel
• Preventívne protipovodňové opatrenia v územnom plánovaní
• Nádrže a priehrady od minulosti po súčasnosť - a ako ďalej?

Hodnotenie článku

44%

Celkový počet hlasov: 1484

Voda v krajine a povodne

Hydrologický cyklus

Časť zrážok dopadajúcich na zemský povrch sa rôznymi cestami dostáva do riečnej siete, ktorou odteká z územia. Proces prechodu vody zo zrážok do riečnej siete sa nazýva tvorba (formovanie) odtoku a predstavuje jednu z kľúčových častí hydrológie. Kadiaľ a ako dlho putuje voda zo zrážok alebo topiaceho sa snehu do riečnej siete? Akým spôsobom sa dostáva do rieky? Odkiaľ je voda, ktorá tečie v riekach počas sucha alebo dlhej zimy?

Odpovede na tieto otázky hľadajú hydrológovia už niekoľko desaťročí. Rozvoj poznatkov o tvorbe odtoku nie je len vecou „akademického“ výskumu. Má aj praktický význam, lebo je napríklad základom matematického modelovania odtoku, a teda aj predpovede dôležitých charakteristík povodňových vĺn, napr. vzostupnej a zostupnej vetvy hydrogramu, kulminačného prietoku či objemu vlny (obr. 1). V tomto zmysle súvisia odpovede na uvedené otázky priamo aj s protipovodňovou ochranou, lebo poznanie princípov tvorby odtoku v krajine, príčin vzniku povodní a úlohy rôznych charakteristík krajiny pri tomto procese umožňuje aj odhad účinku rôznych protipovodňových opatrení.

Prvou ucelenou teóriou tvorby odtoku bola teória amerického inžiniera a vedca Roberta Hortona, ktorá bola prezentovaná v prvej polovici 20. storočia [1]. Podľa tejto teórie sa väčšina vody z dažďa alebo topiaceho sa snehu dostáva do riečnej siete po povrchu terénu. Povrchový odtok spôsobuje rýchly rast prietoku v riekach. Pôda pritom pôsobí len ako oddeľovač povrchového a podzemného odtoku.

Podľa Hortonovej teórie podzemný odtok, t.j. prítok do riečnej siete zo zvodnených vrstiev, dominantne prispieva do riečnej siete iba v suchom období. Hortonova teória tvorby odtoku sa niekedy nazýva aj infiltračnou teóriou, lebo hovorí, že príčinou vzniku povrchového odtoku je to, že intenzita dažďa alebo topenia snehu je vyššia, ako je schopnosť pôdy infiltrovať túto vodu.

Takto vzniká povrchový odtok napríklad v oblastiach s veľmi suchou klímou (púšte, polopúšte) alebo na spevnených povrchoch (skaly, cesty, intenzívne využívané pasienky, urbanizované územie).

Povrchový odtok však nemusí vznikať len preto, lebo pôda nestíha prijímať všetku vodu, ktorá prichádza z dažďa. Môže vznikať aj preto, lebo počas dažďa alebo topenia snehu je pôda už nasýtená vodou, takže ďalšiu vodu už nemôže prijať [3]. Tento mechanizmus vzniku povrchového odtoku sa nazýva prebytočné nasýtenie. Oblasťami v prírode, kde dochádza k rýchlemu vzniku povrchového odtoku z dôvodu nasýtenia pôdy, sú napríklad mokrade alebo oblasti v blízkosti vodných tokov, ktoré sú často takmer nasýtené.

Vtedy stačí malý úhrn zrážok, aby sa pôda nasýtila, a ďalší dážď spôsobí povrchový odtok. Pôda sa však môže nasýtiť aj na svahu, ak sa v nej nachádzajú menej priepustné vrstvy. Mnoho terénnych meraní ukázalo, že hydraulická vodivosť pôdy s hĺbkou pôdneho profilu klesá. Dostatočné množstvo dažďa v takých podmienkach môže teda spôsobiť lokálne nasýtenie pôdy odspodu nahor z hlbších vrstiev k povrchu pôdy a vznik povrchového odtoku. Na tento mechanizmus vzniku povrchového odtoku netreba zabúdať, keď sa hovorí o ochrane proti povodniam zadržiavaním vody v krajine.

Hortonova predstava o tvorbe odtoku a dominantnom vplyve povrchového odtoku pri vytváraní povodňovej vlny sa udržala niekoľko desaťročí. V povedomí verejnosti sa udržiava dodnes. Merania a pokusy však už od 40. rokov 20. storočia ukazovali, že v neporušených, často zalesnených povodiach mierneho klimatického pásma intenzita dažďa alebo topenia snehu zriedkavo prekročí infiltračnú kapacitu pôdy. Tieto merania poukázali na kľúčový význam vody v pôde. V 60. rokoch viedli k zmene predstáv o formovaní odtoku, ktoré boli potvrdené ďalším výskumom.

J. D. Hewlett ukázal, že pôdna voda je významným zdrojom vody, ktorá môže dotovať základný odtok, najmä v horských povodiach. V týchto podmienkach sa zvodnené vrstvy vyskytujú len na malých plochách pozdĺž väčších povrchových tokov. Z toho usudzoval, že voda z týchto vrstiev nemôže byť hlavným zdrojom zásobovania toku počas suchého obdobia. Takmer všetka evapotranspirácia, dopĺňanie zásob vody podzemnej vody aj odtok v povrchovom toku sú pod¾a neho dotované zo zásob vody v pôde. [4]

J. H. Horton a R. H. Hawkins skúmali proces priesaku dažďovej vody cez pôdu k hladine podzemnej vody [5]. Laboratórne experimenty ukázali, že počas presakovania vody zo zrážkovej udalosti dochádza k vytláčaniu vody, ktorá bola v pôde prítomná ešte pred zrážkou. Meranie výtoku z pôdneho stĺpca pomocou vody označenej tríciom ukázalo, že pred objavením sa prvej tríciovej vody v odtoku bolo vytlačených 67 % vody, ktorá bola v pôde už predtým (tzv. stará voda). Kým sa v odtoku objavil vrchol (maximum) vody označenej tríciom, bolo vytlačených až 87 % starej vody.

Na základe predchádzajúcich pokusov a meraní v malých zalesnených povodiach mierneho klimatického pásma predstavil Hewlett teóriu tvorby odtoku z premenlivých zdrojových oblastí [6]. Na rozdiel od Hor tonovej teórie povrchového odtoku sa predpokladá, že ak neexistuje dôkaz o inom druhu odtoku, všetok odtok je podpovrchový. Rýchly nárast prietoku v riekach počas dažďa alebo topenia snehu sa pripisuje podpovrchovému odtoku alebo vytláčaniu vody zadržanej v pôde vodou zo zrážkovej udalosti. Aj tento proces treba mať na pamäti pri úvahách o protipovodňovej ochrane zadržaním vody v krajine.

Smerom od rieky nahor po svahu prispieva každý zrážkový oddiel viac k tvorbe dočasných zásob vody v pôde ako k priamemu odtoku. Z vody, ktorá tvorí priamy odtok, je časť z príčinnej zrážky (nová voda), časť je tvorená vodou, ktorá bola v pôde už pred začiatkom dažďa alebo topenia snehu (stará voda) a je vytláčaná novou vodou; táto stará voda sa uvoľňuje vo veľkom množstve len pri určitej vlhkosti pôdy. Vytláčanie starej vody prebieha najmä v nižšej a strednej časti svahu, v najvyššej časti svahu spôsobí nová voda rast pôdnej vlhkosti, ktorá sa pomaly presúva do nižšie položených oblastí. Počas zrážkovej udalosti dochádza k rozširovaniu riečnej siete do oblastí, v ktorých bola z ľubovoľného dôvodu prekročená schopnosť pôdy absorbovať a viesť podpovrchový odtok (obr. 2).

Od konca 70. rokov 20. storočia sa v celom svete vykonalo množstvo meraní, ktoré potvrdili, že stará voda má na odtoku často dominantný podiel. Ukážka výsledkov takejto práce z nášho územia je na obr. 3. Nedávne pozorovania v pramenných oblastiach a na svahoch ukázali, že za určitých podmienok môže dôjsť k skokovitej zmene v množstve odtoku [8, 9]. Po prekročení určitej kritickej hodnoty zrážok (približne 55 mm) vznikol niekoľkonásobný nárast podpovrchového odtoku. Tento jav môže mať veľký význam pre protipovodňové opatrenia v malých povodiach.

Vplyv krajiny na odtok

Teória tvorby odtoku z premenlivých zdrojových oblastí znamenala v hydrológii veľkú zmenu. Iniciovala ďalší výskum zameraný na to, akými mechanizmami sa môže voda dostať podpovrchovým odtokom rýchlo do riečnej siete, ovplyvnila vývoj nových matematických modelov simulácie odtoku atď. Počas tej istej vlny sa v povodí súčasne uplatňujú rôzne mechanizmy tvorby odtoku. V rôznom čase sa prejavuje vplyv rôznych častí povodia. V začiatočnom štádiu majú najväčší vplyv oblasti nachádzajúce sa blízko tokov. Neskôr sa začne prejavovať vplyv vody zo svahov.

Tieto výsledky boli získané v malých nenarušených povodiach. Veľká premenlivosť časového aj priestorového rozdelenia dažďa a vlastností povodí ešte viac komplikuje odhad reakcie odtoku na zrážky v rôznych povodiach. To isté povodie môže reagovať rôzne aj v závislosti od jeho vlhkosti (obr. 4), ale rôzna môže byť aj reakcia povodí nasýtených veľkými predchádzajúcimi zrážkami (obr. 5). To všetko sú príčiny, prečo pri predpovedaní povodní a ich priebehu ľudstvo nikdy nebude dokonale úspešné.

Poznanie zákonitostí tvorby odtoku a analýza odtoku v povodiach s rôznymi prírodnými pomermi ukazujú, že pokiaľ ide o vlastnosti povodia, najväčší vplyv na odtok má geologická stavba územia, ktorá do značnej miery ovplyvňuje aj základné vlastnosti pôd. Obr. 6 ukazuje priebeh odtoku v povodiach budovaných menej a viac priepustnými horninami (Kysuca, Poprad) počas suchého a vlhkého leta 2003 a 2001. Napriek tomu, že povodie Popradu má oveľa väčší podiel ornej pôdy ako povodie Kysuce, odtok v povodí Kysuce budovaný menej priepustnými horninami reaguje extrémnejšie.

Podrobná analýza povodňových udalostí, ktoré sa vyskytli na Slovensku v rokoch 1996 až 2006 [11], ukázala, že povodne sa najčastejšie vyskytovali na územiach budovaných menej priepustnými horninami (paleogénny flyš) v oblastiach so zníženou priepustnosťou pôdy (obr. 7). Väčšina z nich sa vyskytla v malých povodiach s plochou do 300 km2 a najčastejšou príčinou boli krátke intenzívne dažde (tzv. bleskové povodne). Ľ. Solín (2008) upozornil, že nezanedbateľným faktorom spôsobujúcim vybreženie malých vodných tokov je neudržiavanosť korýt. Na stredných a veľkých tokoch prevládali povodne spôsobené topením snehu a dlhotrvajúcim dažďom.

Okrem priepustnosti povodia má na početnosť povodní vplyv aj lesnatosť územia [11]. Vplyv lesa na odtok sa skúma už vyše 150 rokov. Merania v stovkách štúdií na celom svete ukázali, že vžitá predstava o tom, že les zabraňuje povodniam a odlesnenie spôsobuje nárast počtu povodní, nie je vždy celkom pravdivá. Je pravda, že vplyv zalesneného územia na veľkosť odtoku je väčší ako vplyv inej krajinnej pokrývky. Je však obmedzený. V ideálnom stave je retenčná kapacita našich lesných ekosystémov maximálne 45 – 70 mm [12].

Pri nasýtení lesnej pôdy dlhotrvajúcimi zrážkami však prestáva mať les vplyv na veľkosť odtoku. Charakteristickým záverom sú výsledky 52-roèných systematických lesnícko-hydrologických meraní v Beskydách: „Protipovodňové a protierózne funkcie lesov sú evidentné, ale obmedzené. … V júli 1997 v Beskydách a v auguste 2002 inde na území ÈR sa preukázalo, že lesy na prameniskách a horských svahoch nemôžu vzniku ničivých povodní zabrániť, pretože ich retenčné a retardačné schopnosti sú všade v prírode obmedzené.“ [13]

Implikácie pre protipovodňovú ochranu

Z hľadiska poznatkov o tvorbe odtoku, výskyte povodní u nás za posledné obdobie a vplyve krajiny na odtok, ktoré sú uvedené vyššie, vyplývajú pre protipovodňové opatrenia niektoré závery. Počet povodní, ktoré sa vyskytli v povodiach stredných a veľkých tokov, bol v poslednom období menší ako v malých povodiach. To poukazuje na to, že protipovodňové opatrenia vykonané v povodiach stredných a veľkých tokov boli účinné a treba v nich pokračovať, pričom by sa mala ďalšia pozornosť sústrediť na opatrenia v malých povodiach.

Retenčné možnosti úprav v krajine a technických opatrení treba porovnávať s údajmi o pravdepodobných úhrnoch zrážok a ich intenzite na danom území. V podmienkach menej priepustných území, kde je hlavným mechanizmom tvorby odtoku povrchový odtok spôsobený prekročením infiltračnej kapacity pôdy, treba dbať na to, aby opatrenia vykonané na zvýšenie infiltračnej kapacity nespôsobili narušenie povrchu pôdy. Môže to spôsobiť zvýšenú eróziu a vytváranie hustejšej siete malých tokov, ktoré spôsobia zrýchlený odtok. Opatrenia v oblastiach, ktoré sú blízke stavu nasýtenia (napríklad v blízkosti tokov), sa musia realizovať tak, aby nepodporovali ich rýchlejšie nasýtenie a vytváranie povrchového odtoku.

Namiesto zadržiavania vody treba zvážiť využitie brehovej vegetácie, ktorá prostredníctvom evapotranspirácie zmenšuje vlhkosť pôdy. V malých povodiach alebo na svahoch, kde má dominantný vplyv podpovrchový odtok, treba vziať do úvahy skutočnosť, že za určitých podmienok môže aj relatívne malé množstvo zrážok spôsobiť prekročenie kritickej hodnoty a odtok niekoľkonásobne väčšieho množstva vody podpovrchovým odtokom.

Na rozdiel od technických opatrení, ktorých účinok vieme s určitou presnosťou vypočítať, účinok netechnických opatrení môže byť v rôznych podmienkach rôzny, dokonca aj negatívny (napr. zvýšené nebezpečenstvo výskytu zosunov pri zamokrení svahov). Opatrenia v malých povodiach preto vyžadujú individuálny prístup.

Ako ďalej?

Hydrologická reakcia povodia vedúca prípadne až k povodni závisí od mnohých činiteľov. Máme však dosť poznatkov o tom, ako sa formuje odtok z povodia, o najčastejších príčinách povodní na našom území a o najohrozenejších oblastiach. Súčasné technológie umožňujú s určitou pravdepodobnosťou a presnosťou upozorniť na riziko vzniku povodne, vypočítať charakteristiky povodňovej vlny aj možný rozsah zaplaveného územia. Je teda na nás, ako tieto poznatky a technológie dokážeme využiť. Protipovodňová ochrana na celom Slovensku sa nedá zlepšiť okamžite, jednorazovo a trvalo.

Neexistujú univerzálne, ľahké a jednoduché riešenia. Tejto problematike sa musí venovať neustála odborná a investičná pozornosť, na ktorú obyčajne zabúdame, ale aj pozornosť či uvedomelosť verejnosti – napríklad nestavať na inundačných územiach vodných tokov, kde je vysoká pravdepodobnosť, že budú skôr či neskôr zaplavené, alebo zabraňovať upchaniu korýt tokov odpadom skladovaným v ich blízkosti. Jednostranné riešenia, či už technické (priehrady, hrádze, poldre) alebo zelené v zmysle „zadržme vodu v krajine a vyriešime všetky problémy“ nie sú správne.

Každé z nich má svoje výhody aj obmedzenia. Aj v tejto oblasti platí známa pravda o zlatej strednej ceste. Zostáva dúfať, že sa podarí vytvoriť systém, ktorý využije existujúce poznatky a údaje, bude založený na odbornom konsenze ohľadne priorít a spôsobov realizácie protipovodňovej ochrany a zabezpečí jej dlhodobú podporu zo strany spoločnosti. Je to veľmi ťažká úloha, ktorá sa netýka len hydrologického cyklu a vodného hospodárstva, ale aj iných zložiek životného prostredia (napr. ekológie krajiny, geotechniky), legislatívy, samospráv či vlastníckych práv.

RNDr. Ladislav Holko, CSc., pracuje v Ústave hydrológie SAV v Liptovskom Mikuláši. Venuje sa meraniu a výskumu prvkov hydrologického cyklu v horských povodiach, najmä otázkam tvorby odtoku a akumulácie a topenie snehovej pokrývky.

Water in the countryside and flooding

Water is an imperative of life. Without it no society would have been built, but too much or too little, and problems arise. The floods which hit almost the whole of Slovakia this year have sparked greater interest in this extreme expression of the hydrological cycle. Perhaps this is not surprising, it’s happened before, and a pessimist would say that it’s a natural reaction following a catastrophe, and after a short time the anxiety and will to invest effort and finances to anti-flood measures subsides along with the water level. As with other natural phenomena, floods will always be a part of our life. Accordingly the attempt to reduce their negative effects on the society must be constant. What is the current thinking on how water from rainfall or melting snow gets into the river network, and what influence does the countryside terrain have on the extent of the runoff?

Tento článok časopisu Urbanita si môžete prečítať v pôvodnej forme tu