Hydrologická bilancia

V nadväznosti na modelovanie zraniteľnosti podzemných vôd (článok: Výpočet modelu zraniteľnosti podzemných vôd metódou GOD a Výpočet modelu zraniteľnosti podzemných vôd metódou DRASTIC) je potrebné pre komplexnejšie pochopenie procesov poznať aj hydrologické pomery na strane vstupu a výstupu vody v skúmanej lokalite.

Hydrologická bilancia, alebo aj vodný režim sa v riešení výskumu v oblasti ekológie, evironmentalistiky a predovšetkým hydrológie vyskytuje pomerne často. Existuje mnoho spôsobov a metodík, ako ju je možné na zvolenej lokalite určiť. Niektoré vychádzajú z presných meraní z terénu v danej lokalite a následným presným matematickým modelovaním. Iné postupy sa opierajú o už existujúce dáta s aplikáciou expertného odhadu pre doplnenie a spresnenie zvolených parametrov. Hydrologická bilancia je vždy vztiahnutá k určitej časovej perióde (denná, mesačná, ročná, viacročná...).

 

Hydrologická bilancia (water balance, water budget) tvorí vyhodnotenie prírastkov a úbytkov množstva vody a zmeny jej akumulácie vo vodnom útvare za zvolený časový interval. Pri jej výpočte odpočítavame objem všetkých odtokov vody z vodného útvaru od objemu všetkých prítokov a vyhodnocujeme zmeny akumulácie vody v ňom so zvoleným výpočtovým krokom (napr. deň, mesiac, rok) spravidla za dlhšie obdobie (Antal a kol., 2002).

Základný vzorec pre výpočet hydrologickej bilancie vyjadruje rozdiel vstupov a výstupov vody v území a výsledná hodnota je množstvo zásob vody napríklad v mm za určité obdobie, ktoré v území zostáva.

∆S = P – (E+T) - Q

Kde:

∆S – zmeny v zásobách vody v území (hydrologická bilancia)
P – zrážky
ET – evaporácia a transpirácia (označovaná tiež evapotranspirácia)
Q – celkový odtok

Celkový odtok sa ešte delí na tieto tri kategórie:

Qp povrchový odtok
Qh podpovrchový (hypodermický) odtok
Qb základný (bazálny) odtok

 

Zrážky:

Vstup pre výpočet je model úhrnu zrážok v území (najčastejšie v mm) za požadované časové obdobie, pre ktoré modelujeme hydrologickú bilanciu. Tieto údaje je možné získať z dostupných datasetov, ktoré už boli vypočítané, alebo ich odvodiť interpoláciou z existujúcich meraní u meracích staníc. Existuje viacero spôsobov interpolácie (IDW, Kriging, Regresssion with Elevation, Regression with Distance…). Konkrétnu metódu je potrebné zvoliť s ohľadom na počet meracích staníc, priebeh reliéfu a ostatné vstupné charakteristiky. Merania sú dostupné na stránkach a v databázach Slovenského hydrometeorologického ústavu – http://www.shmu.sk/sk/?page=838.

Hydrologická bilancia

Obrázok č. 1: Ukážka zrážkovej mapy pre územie Slovenska za obdobie 2017 (www.shmu.sk, www.enviroportal.sk)

Na Slovensku priemerný ročný úhrn zrážok kolíše od menej ako 500 mm v oblasti Galanty, Senca a východnej časti Žitného ostrova do približne 2 000 mm vo Vysokých Tatrách – napríklad Zbojnícka chata až 2 130 mm (shmu.sk)

Do efektívnych zrážok (ktoré sú schopné preniknúť do horninového prostredia) je pre podmienky Slovenska potrebné zahrnúť aj sneh. Údaje je opäť možné získať interpoláciou z meracích staníc, alebo použiť už existujúce modely snehových zrážok. Model by mal tvoriť vodnú hodnotu snehovej pokrývky v mm. Vodná hodnota snehu je definovaná ako pomer objemu vody, ktorý vznikne roztopením snehu, k pôvodnému objemu snehu (m3 . m-3). Vodná hodnota snehovej pokrývky predstavuje výšku vrstvy vody, ktorá by vznikla roztopením snehovej pokrývky na skúmanej ploche v mm (Antal, Špánik, 2004). Pri podrobných stanoveniach tejto hodnoty v študovanom území je vhodné aplikovať informácie v tabuľke č. 1.

Tabuľka 1: Vodná hodnota rôznych typov snehu podľa Antal, Špánik, 2004

Druh snehu m3. m-3 Druh snehu m3. m-3
Prachový sneh čerstvý 0,05 Sneh v čase jarného topenia v podhorských oblastiach 0,35
Obyčajný sneh čerstvý 0,10 – 0,15 Hrubý sneh 0,50
Uľahnutý sneh 0,20 Firnový ľad 0,85
Sneh v čase jarného topenia v nížinných oblastiach
Pieskový sneh
0,25 Ľadovec 0,90

 

Evapotranspirácia

Evapotranspirácia – sumárne pomenovanie pre výdaj vody v podobe vodnej pary z povrchu pôdy (evaporácia) a povrchom rastlín (transpirácia). Evapotranspirácia je v nemalej miere ovplyvnená typom a štruktúrou rastlinstva, pôdy a ďalších vonkajších klimatických podmienok (bioclio.com). Celkový výpar v mm predstavuje jeden parameter rovnice hydrologickej bilancie na strane výstupu vody z územia. Hodnoty evapotranspirácie je možné získať z existujúcich datasetov pre záujmové územie, alebo interpoláciou z vlastných meraní. Pokiaľ potrebujeme modelovať evapotranspiráciu na danej lokalite čo najpresnejšie, je možné priamo v teréne použiť zariadenie tzv. výparomer. Evapotranspiráciu tiež môžeme stanoviť aj pomocou už popísaných metodických postupov ako: Thornthwaiteova metóda, Penmanova-Monteithova metóda a mnohé ďalšie (Tomlain, 1997). Existujú tiež viaceré empirické metódy (využívajú sa najmä pri nekompletnosti vstupných parametrov) napríklad rovnica od autora Ivanovov (1954), ktorá vyjadruje potenciálnu evapotranspiráciu v mm ako funkciu teploty a relatívnej vlhkosti:

E = 0,0018*(T+25)2*(100-r)

kde:

E – potenciálna mesačná evapotranspirácia (mm)
T – priemerná mesačná teplota vzduch (°C)
r – priemerná mesačná relatívna vlhkosť vzduchu (%)

Spomeniem tiež univerzálne použiteľnú metódu Turc (1961), kde výpočet je pre dva klimatické typy nasledovný:

Vlhké podnebie:

Hydrologická bilancia

Suché podnebie:

Hydrologická bilancia

Kde:

PET – potenciálna mesačná evapotranspirácia (mm)
T – priemerná mesačná teplota vzduch (°C)
R – priemerná mesačná radiácia (cal/cm2)
RH – priemerná mesačná relatívna vlhkosť (%)

Ak je priemerná mesačná teplota rovná, alebo menšia ako 0 °C, potom PET = 0 mm.

 

Hydrologická bilancia

Obrázok č. 2: Schéma evapotranspirácie

Pre územie Slovenska platí, že sa vyparia priemerne asi dve tretiny ročného úhrnu zrážok a tretina vody odtečie. Priemerný ročný úhrn zrážok je cca 753 mm, pričom sa vyparí približne 492 mm a 261 mm je odtok. Vzhľadom na pestrú morfologickú skladbu nášho územia, je pestré aj rozdelenie evapotranspirácie. Z južného Slovenska sa vyparí až 95% zrážok a z horských oblastí len asi 30% ročného úhrnu zrážok (Novák 2001).

 

Odtok

Odtok v nemalej miere priamo ovplyvňujú viaceré charakteristiky územia: sklon a orientácia, priepustnosť pôdy / zrnitosť pôd, krajinná pokrývka (land cover) a ďalšie... Odtokové hodnoty sa opäť dajú získať z existujúcich modelov, alebo si ho expertne odvodiť z dostupných podkladov sklonov, priepustnosti pôd a krajinnej pokrývky, prípadne využiť vlastné merania. Ako bolo spomenuté celkový odtok sa delí na ďalšie tri kategórie. Pre prípad modelovania hydrologickej bilancie v oblasti riešenia environmentálnych úloh sa často počíta iba s prvou kategóriou – povrchový odtok Qp. Práve povrchový odtok je časť vody, ktorá územie veľmi rýchlo opúšťa. Naopak podpovrchový odtok Qh a základný odtok Qb je množstvo vody, ktorá v území zostáva, pretože odteká veľmi pomaly. V nadväznosti na modelovanie zraniteľnosti podzemných vôd, ktoré je spomenuté v úvode článku je práve táto časť odtoku transportné médium pre infiltráciu kontaminantov do prostredia podzemných vôd. Pre výpočet výšky povrchového odtoku môžeme použiť napríklad metódu CN kriviek, prípadne existujúce toolsety pre GIS softvér...

CN krivky je často používaná metóda, ako zistiť retenčné charakteristiky povodia a priamy povrchový odtok v ňom. Na základe priradenia jednotlivých pôd k hydrologickej skupine je možné stanoviť retenciu pôdneho povrchu a na jeho základe stanoviť objem povrchového odtoku v povodí. Metóda CN kriviek stanovuje výslednú hodnotu odtoku (povrchový a podpovrchový), ako množstvo spadnutých zrážok, ktoré prejdú záverom profilu povodia. Metóda CN vychádza z predpokladu, že pomer objemu odtoku k úhrnu zrážok je rovný objemu vody zadržanej pri odtoku k potenciálnemu objemu, ktorý môže byť zadržaný. Odtok zvyčajne začína až po určitej akumulácii zrážok a po prvotnej strate danej infiltráciou a povrchovou akumuláciou zrážok. Priamy odtok sa v zmysle tejto metodiky počíta ako:

Hydrologická bilancia

Kde:

Ho – priamy odtok [mm]
Hs – úhrn zrážok [mm]
A – potenciálna retencia pôdy [mm] - na základe CN kriviek (ako stanoviť parameter CN je opísané nižšie) ju určíme vzorcom ako:

Hydrologická bilancia

Pre celé povodie sa následne môže určiť celkové množstvo povrchového odtoku:

O = Ho*P*1000

Kde:

O – priamy odtok z povodia [m3]
P – plocha povodia [m2]
1000 – parameter pre prevod jednotiek na m3

Po stanovení CN parametru pre konkrétne plôšky územia ako doplnok môžeme stanoviť tiež maximálny retenčný potenciál územia v zmysle rovnice nižšie:

Hydrologická bilancia

 

Výpočet odtoku metódou CN kriviek

Výpočet odtoku metódou CN kriviek je rozdelený na dva základné vstupy a to priradenie pôd v území do hydrologickej skupiny a priradenie CN parametrov ku konkrétnemu využívaniu územia.

Hydrologická skupina pôd:

Potrebujeme kategorizovať pôdy v území do hydrologickej skupiny nasledovne:

A – pôdy s vysokou rýchlosťou infiltrácie (hlboké dobre odvodnené pôdy, piesky, štrky, prípadne územia s vysokou hladinou podzemnej vody)
B – pôdy so stredne vysokou rýchlosťou infiltrácie (stredne hlboké pôdy, hlinitopiesočnaté, ílovo hlinité)
C – pôdy s nízkou rýchlosťou infiltrácie (ílovo hlinité, ílové)
D – Pôdy s veľmi nízkou rýchlosťou infiltrácie (pôdy na nepriepustnom podloží, ílovité s povrchovým ílom)

Požadované údaje získame z vrstvy BPEJ (http://www.podnemapy.sk), prípadne z lesníckych pôdnych máp, keďže BPEJ sa týka iba poľnohospodárskej pôdy. Pri BPEJ treba vychádzať z príručky bonitácie poľnohospodárskych pôd (http://www.podnemapy.sk/portal/verejnost/bpej/priruckaBPEJ.pdf) a zaradiť konkrétny kód BPEJ podľa štruktúry kódu do hydrologickej skupiny. Týmto spôsobom vytvoríme mapu hydrologických skupín pôd.

Hydrologická bilancia

Obrázok č. 3: Štruktúra kódu BPEJ (http://www.podnemapy.sk)

Stanovenie CN kriviek

Prekrytím mapy hydrologických skupín pôd s mapou využívania územia a pôdy dostaneme jednotlivé plochy s parametrom CN. Existujú tabuľky s rôznymi číslami CN a so zaradením na základe predpokladaných podmienok. Súčasné využívanie územia môžeme získať z existujúcich databáz, vektorizáciou z dostupných leteckých snímok, prípadne použitím vrstvy krajinnej pokrývky Corine Land Cover. Vysoké CN hodnoty (napríklad 95) indikujú miesta, kde väčšina zrážok tvorí aj odtok a pôda má nízku schopnosť zadržať vodu. Naopak nízke hodnoty CN (40) indikujú plochy, kde dochádza k vysokému zadržiavaniu zrážok (les na hlbokých pôdach). Tabuľka č. 2 reprezentuje iba najčastejšie používané triedy využitia pôd.

Tabuľka č. 2: CN krivky

Využitie pôdy Hydrologická skupina pôd
A B C D
Intravilán 59 74 82 86
Cesty, diaľnice 74 84 90 92
Nespevnené cesty 72 82 87 89
Železnice, vrátane násypu 59 74 82 86
Trávnatý porast, pasienky 49 69 79 84
Lúky 30 58 71 78
Les 45 66 77 83
Orná pôda 72 81 88 91
Kroviny 35 56 70 77
Porast bez rozlíšenia 36 60 73 79
Chmelnica 72 81 88 91
Vinica, ovocný sad, iná kultúra 59 74 82 86
Ostatné plochy 59 74 82 86

Podrobnejšiu kategorizáciu CN je možné nájsť tu: https://en.wikipedia.org/wiki/Runoff_curve_number. Taktiež existuje on-line kalkulačka pre výpočet CN čísla ako aj odtoku na ich základe: https://www.hydrocad.net/curvenumber.htm

Vzájomnou kombinatorikou napr. v prostredí ArcMap a použitím Field Calculator v zmysle tabuľky dostaneme požadované vstupné údaje pre výpočet povrchového odtoku podľa vzorcov vyššie. Vypočítanú vrstvu ďalej prevedieme do rastrového formátu (v ArcMap funkciou Polygon to Raster), aby bola aplikovateľná pre ďalšie hydrologické modelovanie.

 

Modelovanie hydrologických charakteristík v prostredí GIS

Pre výpočet parametrov hydrologickej bilancie v prostredí ArcGIS - ArcMap existuje zaujímavý modelovací toolset na platforme jazyka Python - Water Balance Toolset for ArcGIS.

https://people.ohio.edu/dyer/water_balance.html

Vývojár softvéru je profesor geografie James M. Dyer | Ohio University. Pomocou tohto nástroja je možné modelovať potenciálnu a reálnu evapotranspiráciu (Potential and Actual evapotranspiration) cez metódu Turc (1961), index vlhkosti pôdy, vlahový deficit (Moisture deficit), ako aj prebytok pôdnej vlhkosti (Surplus), teda množstvo prebytočnej vody, ktorá sa neodparí, nie je transpirovaná a zároveň nie je v danom období zadržaná v pôdnom profile. Vstupné vrstvy pre tento toolset sú nasledovné:

1) DEM – digitálny model reliéfu
Digitálny model reliéfu je základnávrstva nesúca základné topografické a morfometrické charakteristiky územia.

2) Soil Available Water Capacity – AWC
Schopnosť pôdy zadržať vodu.

3) Monthly Temperature and Precipitation
Mesačná priemerná teplota v C° a množstvo zrážok v mm.

4) Solar Radiation
Solárna radiácia na modelovom území. ArcGis poskytuje integrovaný nástroj Solar Radiation (Spatial Analyst Tools), ktorý dokáže analýzou DEM vypočítať požadované údaje pre každý pixel rastra.

5) Relative Humidity
Relatívna vlhkosť vzduchu.

Hydrologická bilancia

Hydrologická bilancia

Obrázok č. 4: Ukážky aktuálnej a potenciálnej evapotranspirácie (https://people.ohio.edu/dyer/water_balance.html)

Modelovanie hydrologických procesov podporujú aj ďalšie GIS softvéry:

QGIS - ECO-Runoff - https://plugins.qgis.org/plugins/ECORunoff/

SAGA GIS - IHACRES - http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/2.2.7/sim_ihacres.html

SAGA GIS - Module PET - http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/2.2.1/climate_tools_8.html

 

Aktuálne hodnoty zrážok, evapotranspirácie, odtoku, hydrologickej bilancie

Vyššie spomenuté informácie tvoria skôr teoretickú bázu pre tento typ hydrologického modelovania. Pokiaľ chceme získať požadované informácie o území a pokiaľ možno čo najaktuálnejšie, existuje nasledovná služba Water Balance App.

https://livingatlas.arcgis.com/waterbalance

Aplikácia využíva dostupné údaje z GLDAS-2.1 a obsahuje merania teploty, vlhkosti, zrážok a následne model odvodzuje ďalšie hodnoty, ktoré sa priebežne agregujú v niekoľkohodinovom cykle. Znamená to, že hodnoty sú vždy aktuálne a je možné ich prezeranie do histórie. Pre údaje z konkrétnej lokality ju stačí vyhľadať a zobraziť ich kliknutím na mapu. Treba dodať, že tento model je s ohľadom na svoju mierku vhodný viac pre regionálne analýzy.

Hydrologická bilancia

Water Balance App - livingatlas.arcgis.com/waterbalance

Na záver by som rád dodal, že pre konkrétne riešenia úlohy v oblasti hydrológie je potrebné mať čo najpresnejšie vstupné hodnoty získané aj meraním v teréne. Naopak pri riešení problematiky v oblasti ekológie a environmentalistiky je väčší dôraz kladený na odbornú interpretáciu a popis širších vzťahov, kde exaktná presnosť vstupov nemusí znamenať požadovaný výsledok.

 

Hydrologická bilancia – ukážka spracovania

Priložená mapa hydrologickej bilancie zvoleného územia okresu Banská Štiavnica a konkrétnej lokality za rok 2019 bola spracovaná na základe vyššie popísaného postupu a použitím dostupných údajov a modelovaním v GIS prostredí. Výsledné hodnoty bilancie na mape zobrazujú množstvo vody, ktorá po odčítaní povrchového odtoku a evapotranspirácie zostáva v území a tvorí podpovrchový a základný odtok. Vstupné množstvo zrážok tvoria tekuté zrážky a vodná hodnota snehovej pokrývky.

Hydrologická bilancia

Hydrologická bilancia modelového územia – množstvo podpovrchového a základného odtoku (rok 2019)

Antal, Jaroslav, Michal Makeľ a Jozef Turbek. Hydrológia - terminologický výkladový slovník: Hydrology - the lexikografical dictionary. Bratislava: Ministerstvo životného prostredia Slovenskej republiky, 2002, 157 s. Dokumenty - príloha Vestníka MŽP SR. ISSN 1335-1564.

Antal, J., Špánik, F. 2004. Hydrológia poľnohospodárskej krajiny. 2. vyd. Nitra: SPU, 2004, 250 s. ISBN 80-8069-428-1

Ivanov, N.N. (1954). About potential evapotranspiration estimation. Izv. VGO, T.86, N.2, 189-196.

Novák V. 2001. Evapotranspiration and its Distribution over Slovakia. Život. Prostredie, Vol. 35, NO 3, 133, 2001.

Thornthwaite, C. W. (1948). "An approach toward a rational classification of climate". Geographical Review. 38 (1): 55–94. doi:10.2307/210739

Tomlain, J., 1979: Metódy určovania potenciálneho a skutočného výparu z povrchu pôdy. Meteorologické zprávy, 32, 1979, 2 , 72-79

Turc, L., 1961: Evaluation des besoins en eau d′irrigation, evapotranspiration potentielle, formule climatique simplifee et mise a jour. Annales Agronmique, 12 (1) (1961), pp. 13-49 (in French)

https://bioclio.com/vypar/

https://www.enviroportal.sk/spravy/detail/7043

https://en.wikipedia.org/wiki/Penman–Monteith_equation

https://livingatlas.arcgis.com/waterbalance/

https://people.ohio.edu/dyer/water_balance.html

http://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=928

http://www.shmu.sk/sk/?page=1064

http://www.water.nsw.gov.au/__data/assets/pdf_file/0008/549377/quality_groundwater_castlereagh_map_notes.pdf

The Water Balance Tool was developed by James Dyer; Steve Porter automated the tool using Python scripting. Funding to automate the tool was provided by the National Park Service under Cooperative Agreement P14AC00882. The User Manual and Demo were written by James Dyer. Suggestions, corrections, or comments can be directed to dyer@ohio.edu

Pridať komentár k článku