Dyje – byla, je a bude

Jaké budou konkrétní dopady změněných klimatických podmínek na odtok z povodí, zabezpečenost vodních zdrojů, vodní režim krajiny a posléze na potřeby měnící se společnosti? Touto klíčovou otázkou v povodí Dyje se zabývá tým vědců z Ústavu výzkumu globální změny AV ČR, v. v. i., (dále CzechGlobe) ve spolupráci s řadou tuzemských i zahraničních institucí.¹⁾ Budoucnost přeje připraveným.

Z hlediska dopadů klimatické změny patří povodí Dyje mezi nejohroženější lokality ČR. Abychom mohli testovat a objektivně posuzovat možný budoucí vývoj, vyvíjíme digitální kopii celého povodí, jež nám umožní simulovat řadu scénářů. Pod pojmem scénář si můžeme představit sledování dopadu změn vstupních modelových parametrů na výsledné charakteristiky povodí. I mírné narušení hydrologického cyklu může vyústit v řetězec netušených následků.

Zatímco v minulosti převažovala tendence tok napřimovat, a to především kvůli státní hranici, a odtok rychle odvádět do nižších oblastí, současné vodní hospodářství volí strategie spíše opačné. Příkladem je mezinárodní projekt „Dyje 2020“, který si kladl za cíl vrátit řece Dyji prostor, a tím bojovat s dopady sucha na krajinu. Díky napojení tří odstavených původních ramen byla trasa Dyje na česko-rakouském pomezí prodloužena o celých 900 m. Podle generálního ředitele Povodí Moravy, s. p., Václava Garguláka toto prodloužení zvyšuje šanci, že voda zůstane na jižní Moravě a zlepší vodní bilanci zdejších lužních lesů. Je však zapotřebí si uvědomit, že opatření nepřináší nové vodní zdroje.

Klimatická změna

Podle nejnovější zprávy IPCC,2 v pořadí šesté, je pravděpodobný rozsah nárůstu globální povrchové teploty způsobeného lidmi od období let 1850–1900 do období 2010–2019 v rozmezí 0,8 °C až 1,3 °C, s nejlepším odhadem 1,07 °C. Tato zpráva zároveň konstatuje, že oteplení o 1,5 °C proti předindustriálnímu období je neodvratné, je pouze otázkou, kdy ho bude dosaženo. Celosvětový trend je možné sledovat i v ČR, kde průměrná roční teplota roste o 0,4 °C za 10 let. V povodí Dyje pozorujeme soustavný nárůst teploty od osmdesátých let 20. století (obr. 1). Nárůst je možné sledovat během celého roku: v létě teplota roste nejrychleji (0,5 °C/10 let), na podzim nejpomaleji (0,2 °C/10 let). Navíc období 2015–2019 bylo nejteplejším pětiletím od počátku 19. století. Celkové srážkové úhrny nevykazují žádný jednoznačný a statisticky doložený trend (obr. 1). Významná je však časoprostorová variabilita, která může negativně ovlivnit vlhkostní poměry jednotlivých pozemků. Jižní, nížinná část povodí je navíc jednou z nejsušších oblastí ČR s průměrným ročním úhrnem srážek menším než 550 mm.

Povodí Dyje tak patří mezi česká povodí zasažená nejvýraznějšími negativními dopady klimatických změn a s největší zranitelností vodních zdrojů. Tato zranitelnost je doložena podílem odtoku ze spadlých srážek. V celostátním průměru dosahuje odtok zhruba 30 %, avšak v suchých oblastech povodí Dyje připadá na odtok pouze 10 % srážek. Tato hodnota je natolik nízká, že malé narušení systému například v podobě srážkově podprůměrného roku může vést k dlouhodobému snížení hladiny podzemní vody. Nedostatek vláhy a vysoké nároky na zemědělskou produkci vedly v sedmdesátých letech minulého století k budování rozsáhlých zavlažovacích systémů navazujících na vodní dílo Nové Mlýny, dnes ovšem usilujeme spíše o přirozený způsob zadržení vody v krajině k jejímu komplexnímu využití.

Až zaprší a uschne

Dopady klimatických změn se projeví nezřídka v zemědělství. Zemědělské sucho může trvat několik týdnů i měsíců. Důsledkem je vyschlá, rozpraskaná půda, nedostatek vláhy pro rostlinnou produkci a dramatický pokles zemědělských výnosů. Nejzranitelnější a nejzávislejší na obsahu půdní vláhy jsou letní plodiny, přičemž vláhy bude kvůli zvýšené teplotě, a proto intenzivnějšímu výparu (evapotranspiraci) ubývat. Také v lesnictví se sucho považuje za významný abiotický škodlivý faktor. Snižuje samotnou produkci dřevní biomasy, zhoršuje fyziologický stav dřevin, a tím připravuje vhodné podmínky pro škůdce. Pokud sucho trvá tak dlouho, že významně poklesne hladina podzemní vody, což omezí dotaci vodních zdrojů, nastává hydrologické sucho, které negativně ovlivňuje celý hydrologický systém včetně jeho uživatelů.

V povodí Dyje se sucho podepsalo na vodnosti toků nejvíce v letech 2015–2018. V roce 2018 byla naměřena na řadě stanic historická minima (obr. 2), nejčastěji na horních tocích, které nejsou nadlepšovány řízenou manipulací z nádrží. Odtok často převyšoval přítok do nádrží, kterým po několikaleté suché epizodě začala voda pomalu docházet. Např. v září 2017 klesla hladina v nádrži Vranov 10 m pod hladinu zásobního prostoru, v srpnu 2018 pak o 20 m pod hladinu zásobního prostoru ve Víru. Extrémní sucho se projevilo i v podzemních tocích, kde výrazně poklesly hladiny podzemních vod a vyschla řada pozorovaných pramenů. Sucho v letech 2015–2018 bylo v mnoha ohledech extrémní, avšak ne ojedinělé. Z historie víme, že suché periody se opakují, ač nepravidelně. Další významná suchá období v novodobé historii byla např. v letech 1964, 1970, 1994. S nepravidelnou periodicitou se opakují i povodně. Ty největší v povodí Dyje jsou známy z června 2006, kdy byly na Dyji změřeny nejvyšší kulminační průtoky v profilu Podhradí nad Dyjí, což je přítoková stanice do Vranova. Další významné povodně byly v povodí Dyje např. v letech 1941, 1965, 2002 a 2010. Co se týče regionálního výskytu povodní s menší pravděpodobnou dobou opakování, jsou povodňové stavy poměrně často zaznamenávány ve stanicích na horní Svratce. Naopak Svitava reaguje na srážky méně a nedosahuje tak často povodňových stavů.

Podle některých scénářů (např. EURO-CORDEX) se očekávají také vlhké periody, které přinesou spíše hrozbu povodní. Prvořadým zájmem vodohospodářů povodí Dyje byla vždy ochrana před povodněmi, a proto zde vznikla kaskáda nádrží.

V současné době vznikají opatření, která mohou zmírnit negativní vlivy klimatické změny. Zahrnují především zásahy do krajiny, které jsou přírodě blízké a mají jí vrátit přirozenou schopnost zadržovat vodu. Součástí návrhů jsou však i technická opatření, např. výstavba vodních nádrží, revitalizace toku či převody vody. Ty mají krajinu šetrněji a v souladu s potřebami společnosti adaptovat na probíhající proces.

Opatření v krajině bude nutné promýšlet a realizovat s vědomím všech ovlivňovaných procesů a možných následků. Postupné navýšení retenční kapacity půd sníží následky zemědělského a lesnického sucha. Tomu může napomoci například zaorávání organické hmoty, která váže vodu, či omezení těžké agrotechniky, jež hutní půdu a přispívá k erozi. V lesích by měly nastat pozvolné změny dřevinné skladby, které v současné době na mnoha lokalitách urychluje probíhající kůrovcová kalamita. Smrkové monokultury by měly nahradit porosty smíšené či listnaté, jež byly ve většině lokalit povodí Dyje původní, a proto bývají odolnější vůči disturbancím. Adaptační strategie samozřejmě počítá i s technickým řešením v podobě revitalizace toků, výstavby nových vodních nádrží, optimalizace převodů vody mezi jednotlivými oblastmi a účely a změny vodohospodářské infrastruktury ve městech. Generel LAPV (lokality pro akumulaci povrchových vod) navrhuje místa pro potenciální akumulaci většího množství povrchových vod. Povodí Dyje zahrnuje několik takových lokalit.

Povodí Dyje jako gigantická kyberlaboratoř

Stále výkonnější počítače umožňují s využitím dostupných dat simulovat hydrologické procesy v rozsáhlých oblastech. Díky tomu je možné testovat nejrůznější varianty bez negativního vlivu na životní prostředí, což by v reálném světě bylo pro časovou a finanční náročnost nemožné. Pro komplexní analýzy procesů používáme fyzikálně založený deterministický matematický modelový nástroj MIKE SHE, který umožňuje detailní popis celého území (obr. 3). Simulujeme období od roku 1961 do roku 2100, a to v denním kroku s prostorovým rozlišením až 200×200 m, které se pro lokalitu a zkoumané jevy jeví jako optimální.

Model využívá dostupné datové zdroje (oficiální mapové podklady, data monitoringu) a nově získaná data např. půdních průzkumů v oblasti.

Kromě konvenčních datových zdrojů v podobě časových řad z pozemních stanic využíváme data z meteoradarů (srážkové úhrny), lidarů (digitální model terénu) a družic (aktuální evapotranspirace, vegetace). Unikátním zdrojem dat je síť ekosystémových stanic CzechGlobe,³⁾ jejíž pomocí validujeme družicová data. Umožňují parametrizaci modelu z pohledu spotřeby vody různými porosty.

Testovaný modelový nástroj MIKE SHE vymezuje doménu (modelovanou oblast) a tu rozkládá na pravidlenou síť gridů (základních stavebních prvků). Hydrologické procesy uvnitř gridu s danou geografickou charakteristikou popisují diferenciální rovnice. Doména tedy představuje spojitou digitální náhradu krajiny, ve které jednotlivé prvky propojují v čase toky látek a informací. Parametry těchto rovnic vycházejí v co největší míře z místních podmínek a popisují například vodivost nasyceného horninového prostředí, infiltrační a retenční schopnost půd, hloubku kořenů, preferenční cesty proudění, velikost listové plochy či prostupnost říčních koryt. Doména má podobu pravidelné mřížky buněk o velikosti 200 m (v některých lokalitách 500 m). Každá buňka obsahuje informace o lokálním prostředí, které reprezentuje. Nutno podotknout, že ve srovnání s realitou jsou tyto informace do značné míry generalizované a zjednodušené. V doméně jsou časové řady odběrů a vypouštění a čerpání podzemních zdrojů, které jsou aktivovány podle aktuálních zásob vody. Model navíc zahrnuje nádrže a objekty na toku, které jsou řízeny podle oficiálních manipulačních strategií. Do takto nastaveného systému vstupují srážky plošně interpolované ze srážkoměrné sítě ČHMÚ či radarová měření korigovaná daty pozemního monitoringu. Výsledky modelu jsou díky spolupráci s výzkumnými institucemi a partnery podrobovány přísné verifikaci pomocí plošných i bodových měření.

Vliv jednotlivých adaptačních opatření se hodnotí jak izolovaně, tak v kombinaci s ostatními zásahy. Výsledkem by měla být vhodná skladba opatření, díky nimž bude povodí Dyje nejlépe čelit předpokládaným změnám klimatu či vycházet vstříc změněným potřebám uživatelů. Tento přístup je možný právě díky komplexním hydrologickým modelům, moderním nástrojům hydroinformatiky, které modelují všechny procesy probíhající v povodí. Adaptační opatření se zavádějí pomocí změn základních stavebních prvků modelu a parametrů řídicích algoritmů a jejich vliv se okamžitě projeví ve všech dotčených lokalitách a procesech.

V současné době například testujeme vliv dvou případných nádrží v povodí Svratky – Borovnice a Kuřimské Jestřabí – na odtok řekou Svratka nad Brnem. Z dosavadních výsledků vyplývá, že nádrže by v suchých obdobích mohly dotovat vodní tok. V simulaci dalších opatření budeme pokračovat.

Poručíme větru dešti?

Ano, v kyberlaboratoři můžeme. Jak tedy model pracuje s vodou? Plně se inspiruje přírodou a popisuje celý hydrologický cyklus, který si lze představit následovně (obr. 4). Prvotní impuls je srážka, ať už kapalná, či pevná. Část srážky se zadrží na vegetaci (intercepce), odkud se odpaří (evaporace). Zbývající část dopadne na povrch a voda se začne vsakovat do půdy (infiltrace). Rychlost vsaku je však omezena, a tak je část vody zadržena na povrchu (detence) či po povrchu odváděna ve formě koncentrovaného proudění do toku. V půdě jsou definovány preferenční cesty (makropóry), jimiž může část vody rychle dosáhnout vodního toku či podzemních zásob. Pomalejší voda zasakuje v závislosti na hydraulických vlastnostech půd a drží se v půdních kapilárách (mikropóry), odkud ji mohou čerpat rostliny (transpirace), nebo se může odpařit (evaporace). Voda ve vodním toku je transportována podle hydraulických vlastností koryt a může být zadržena v nádrži, aby byla k dispozici uživatelům. Z nádrže odtéká systémem výpustných objektů a také se ztrácí výparem. Celý cyklus lze rozdělit na tři hlavní části:

• vstupy do systému modelovaného povodí ve formě měřených či odvozených datových zdrojů (voda, která do modelu vstupuje);
• distribuce v rámci modelu na základě fyzikálních vztahů;
• výstupy ze systému (voda, která model opouští).

Všude beton, pole, les? Vyzkoušíme

Při zavádění adaptačního opatření je zapotřebí pochopit, kterou část hydrologického procesu toto opatření nejvíce ovlivňuje, a tu v modelu adekvátně ovlivnit změnou parametrů.

Uvedeme si tři příklady. Prvním jsou opatření na zemědělských půdách. Model v každém místě disponuje informací o hydraulických vlastnostech půdy (propustnost, retenční schopnost, přítomnost preferenčních cest). Tyto vlastnosti vycházejí částečně z měření v podobné lokalitě, částečně z odborných odhadů a mohou být v modelu měněny. Rozmezí pro změnu vychází z předpokladů možných dopadů reálných změn agrotechnických postupů. Pokud se omezí zhutnění půdy způsobené těžkou technikou, je možné zvýšit její propustnost a retenční schopnost. Retenci je možné podpořit i zaoráním organického materiálu. Vliv těchto opatření je odhadován na základě experimentů⁴⁾ či výsledků publikovaných v odborné literatuře.

Druhým příkladem jsou lesy, kde je možné změnit druhovou skladbu podle prognóz vývoje kůrovcové kalamity i podle současných trendů, odklánějících se od smrkových monokultur směrem ke smíšeným a listnatým porostům, jejichž pomocí lze vrátit do lesních společenstev stabilitu. Model reprezentuje porosty pomocí parametrů, které určují schopnost zadržovat vodu na listové ploše, čerpat vodu z půdy kořenovým systémem a vydávat ji ve formě vodní páry do atmosféry skrze regulující průduchy v rámci procesu transpirace. Změna parametrů bude tedy ovlivňovat především evapotranspiraci ze zalesněných ploch a její časovou dynamiku.

Třetím příkladem je zjištění, jak „vybudování“ vodní nádrže v modelu ovlivňuje distribuci vody v systému. Nádrž nebude jen vodu zadržovat, ale bude mít vliv i na její odtok. Model disponuje detailním popisem koryt hlavních toků včetně reálné geometrie a hydraulických podmínek. Vodní nádrž se tedy umístí na modelový tok jako struktura, která reguluje odtok podle předem daných pravidel. Ta vycházejí z manipulačních řádů skutečných vodních nádrží, popř. optimalizovaných řádů pro nejlepší funkci v případě, že se jedná o nádrže teoretické. V neposlední řadě je nutné zohlednit výpar z volné hladiny a pozměnit využití pozemků, a nádrž je připravena k naplnění.

Kde bereme jistotu?

Předpověď budoucnosti bude vždy zatížena značnou mírou nejistoty. Velká část těchto nejistot je daná obtížnou předvídatelností vývoje lidské společnosti a jejího vlivu na životní prostředí. Proto se nesnažíme předložit jednoznačný závěr, spíše chceme představit spektrum možností budoucího vývoje. Základní prvek nejistoty tvoří klimatické scénáře. Jde o výsledky globálních či regionálních klimatických modelů, které používáme jako vstupní informace o budoucích klimatických poměrech v povodí Dyje. Vliv aplikace opatření počítáme vždy pro celé spektrum možných klimatických scénářů. Dosažený soubor výsledků je statisticky vyhodnocen, a tak je získána oblast předpokládaného výskytu sledované charakteristiky. Takovou charakteristikou může být například průměrný měsíční průtok v konkrétním místě (obr. 5).

Z obrázku je patrné, že nejzásadnější rozdíly je možné očekávat v letním období, kdy vyšší teploty budou pravděpodobně způsobovat větší ztráty evapotranspirací. Předpokládáme-li stejné či podobné srážky, bude zřejmě docházet ke snížení průtoku.

Voda je jen jedna

Už víme, že každá část hydrologického cyklu je v modelu popsána řadou funkcí a stavebních prvků. V modelu, o kterém se lze domnívat, že produkuje realistické výsledky, je možné hydrologické procesy parametrizovat jinak a stavební prvky pozměnit. Všechny změny jsou provedeny pouze digitálně a do několika hodin je možné sledovat jejich dopad na kterémkoliv vybraném místě povodí. Výhodou tohoto přístupu je možnost nastavit všechny změny najednou na celém povodí a jejich iterace až do dosažení požadovaného stavu. Nutno však zmínit, že pro správné nastavení modelu jsou důležité i lokální experimenty, terénní studie, které se opírají o data měřená in situ. Poznatky takových prací tvoří nedocenitelný materiál pro stanovení modelových představ a převedení místně specifických závěrů do širšího kontextu.

Hospodaření s vodou je zapotřebí řešit komplexně, vliv jednotlivých adaptačních opatření nelze řešit izolovaně. Procesy jsou silně provázané, a jestliže se voda v jednom místě zadrží, nedostane se do místa druhého anebo přiteče se zpožděním. Vzhledem k tomu, že zkoumané procesy nejsou lineární, určit celkový dopad jednotlivých opatření bez komplexního modelu je v dnešní době prakticky nemožné.

Jako příklad lze uvést opatření navýšení retenční kapacity zemědělské půdy. Voda zadržená v půdě bude k dispozici rostlinám, a tím se pravděpodobně zajistí zemědělské výnosy. Zvýší se však i výpar z půdy a celkově se přerozdělením vody v systému zmenší objem vody pro zasáknutí do hlubších kolektorů či pro proudění do vodního toku. Lze tedy očekávat snížení vodních stavů v řekách či zmenšení podpovrchových zásob. Otázkou je, jaké množství vody může krajina zadržet a kolik je třeba nechat odtéct do vodních toků, aby byl zachován jejich současný ráz a socioekonomická funkce v prostředí s rostoucími uživatelskými nároky.

Lze tedy předvídat budoucnost?

Vyvíjený nástroj přináší opravdu široké možnosti testování dílčích kroků, které budeme v boji s dopady klimatické změny potřebovat. S využitím komplexního modelu lze nejen odlišit důležitost jednotlivých opatření, ale také zhodnotit čas nutný k adaptaci na budoucí podmínky. Lze tak poskytnout objektivní argumenty pro podporu či odmítnutí některých zásahů do krajiny a také upozorňovat na to, že dopad některých opatření se projeví až za několik let. S nástrojem lze zkoušet libovolné varianty a pohrávat si s představami bez negativních dopadů na životní prostředí.

Plánem je například hodnotit hydrologickou funkci listnatých a smíšených lesů v reakci na kůrovcovou kalamitu, decimující smrkové monokultury. Bude zajímavé vydat se až za hranici reálných možností a představit si hydrologickou funkci krajiny bez vodních děl anebo naopak se všemi plánovanými přehradami. Zemědělské půdy lze vylepšit, aby poskytovaly více vláhy rostlinám, avšak je zapotřebí myslet na to, že voda je jen jedna; pokud ji na jednom místě zadržíme, může jinde chybět. Plánování tak vždy bude plné kompromisů mezi jednotlivými uživateli a přírodou, aby všechny složky hydrologického systému byly v budoucích nelehkých podmínkách co nejefektivněji využité a zachované i pro budoucí generace.

Za několik měsíců by mohly být k dispozici konkrétní odpovědi na otázky spojené s adaptací krajiny na změnu klimatu. Na potvrzení či vyvrácení těchto odpovědí bude však nutné si počkat, stejně jako v případě každé předpovědi či věštby.