Obecný pohled na klimatickou změnu a její možné vlivy na režimy podzemních vod

vakinfocz

Hydrologické studie dopadů klimatické změny na průtoky prováděné Výzkumným ústavem vodohospodářským T. G. Masaryka jsou založeny na hydrologickém modelování vodní bilance pomocí modelu Bilan (Tallaksen a van Lanen, 2004). Vstupem do systému jsou časové řady srážkového úhrnu, teploty a relativní vlhkosti vzduchu spolu s měřenými průtoky. Model počítá v měsíčním kroku chronologickou hydrologickou bilanci povodí či území. Vyjadřuje základní bilanční vztahy na povrchu povodí, v zóně aerace, do níž je zahrnut i vegetační kryt povodí, a v zóně podzemní vody. Jako ukazatel bilance energie, která hydrologickou bilanci významně ovlivňuje, je použita teplota vzduchu. Výpočtem se modeluje potenciální evapotranspirace, územní výpar, infiltrace do zóny aerace, průsak touto zónou, zásoba vody ve sněhu, zásoba vody v půdě a zásoba podzemní vody. Odtok je modelován jako součet tří složek: dvě složky přímého odtoku (zahrnující i hypodermický odtok) a základní odtok.

Pro modelování hydrologické bilance ovlivněné změnou klimatu jsou vstupem do modelu Bilan časové řady meteorologických veličin (srážky, teploty vzduchu, relativní vlhkosti vzduchu), které se pro jednotlivá povodí vypočítají prostřednictvím klimatických scénářů. Hlavní příčinou změn klimatu jsou emise skleníkových plynů. Jejich produkce je ovlivněna širokou škálou faktorů – zejména technologickými změnami a socioekonomickým a demografickým vývojem společnosti. Jelikož předpověď vývoje takto komplexního systému je prakticky nemožná, byly Mezivládním panelem pro klimatickou změnu (IPCC) v rámci Speciální zprávy o emisních scénářích (Special Report on Emission Scenarios – SRES, 2000) vytvořeny scénáře produkce skleníkových plynů založené na různých variantách vývoje společnosti. Systém scénářů má čtyři hlavní skupiny označené jako A1, B1, A2, B2, v posledních letech se hojně používá scénář A1B.

Poměrně rozsáhlá studie (Krátká a Kašpárek, 2005), ve které byl model Bilan aplikován na data z 50 stanic z celého území ČR vycházela ještě z výsledků globálních modelů cirkulace ECHAM4 a HadCM2. Tato studie, ve shodě s předcházejícím výzkumem (Kašpárek, 2000) ukázala, že nejméně ohrožena jsou horská povodí. Naopak na povodích, na kterých je výška srážek malá a která mají malé akumulační schopnosti, lze očekávat podstatný pokles průtoků. Pro některá povodí ve vzdáleném výhledu podle nepříznivých scénářů by minimální průtoky poklesly na úroveň 12 % až 15 % původní hodnoty.  Pokles základního odtoku, vyjádřený v  relativním měřítku, by byl obdobný, jako pokles celkového odtoku, tj. v rozmezí 6 % až 43 %, v závislosti na klimatickém scénáři a přírodních podmínkách na povodí.

Výsledky studie podzemní vody (Kněžek a Krátká, 2005) ukázaly, že zdroje podzemní vody v nepříznivých hydrogeologických podmínkách, jako jsou krystalické geologické formace s mělkým oběhem podzemních vod, jsou velmi citlivé na klimatické změny.

V roce 2005 byly na Matematicko-fyzikální fakultě Karlovy univerzity (Kalvová, 2005) zpracovány na základě výsledků projektu PRUDENCE první regionální scénáře klimatické změny pro ČR. Tyto scénáře v prostorovém rozlišení cca 50 km x 50 km vycházejí z výsledků simulací regionálních klimatických modelů HIRHAM  a RCAO pro roky 2071–2100 při uvažovaném vývoji dle emisních scénářů SRES A2 (scénář uvažující růst populace během celého jednadvacátého století na počet 15 miliard, ekonomiku zaměřenou spíše regionálně a bez většího důrazu na řešení problémů životního prostředí), a SRES B2 (scénář uvažující mírnější růst populace než scénář A2 s důrazem na udržitelný rozvoj společnosti, pomalejší je i ekonomický rozvoj).

Na jejich základě byly v následujících letech zpracovány studie dopadu klimatické změny na vodohospodářskou bilanci prakticky v celém rozsahu bilančních profilů na tocích ČR. Výsledky se v globálním pohledu nijak zásadně nelišily od předcházejících poznatků. Např. v publikaci (Novický et al., 2008)  se uvádí pro povodí Vltavy pokles průměrných průtoků 10–15 % pro optimistický scénář RCAO B2 a průměrně 40 % pro pesimistický scénář HIRHAM A2.

V letech 2009–2010 byly v projektu Zpřesnění dosavadních odhadů dopadů klimatické změny změny v sektorech vodního hospodářství, zemědělství a lesnictví a návrhy adaptačních opatření (VaV-SP/1a,/108/07) připraveny regionální scénáře klimatické změny využívající modelu ALADIN-CLIMATE/CZ. Model je řízen francouzským modelem globální cirkulace ARPEGE a používá prostorové rozlišení 25 km x 25 km. Pro scénář emisí SRES A1B byly zpracovány řady meteorologických veličin pro časové úseky 2010–2039, 2040–2069 a 2070–2099, označované letopočtem ve středu období, tj. 2025, 2055 a 2085.

V měsíčním kroku byla pomocí přírůstkové metody modelována hydrologická bilance pro 210 povodí napříč Českou republikou pomocí scénářů založených na simulaci modelu ALADIN-CLIMATE/CZ (nekorigovaná data a dvě metody korekce) a pomocí scénářů založených na globálních modelech, jež jsou rovněž výstupem uvedeného projektu. Pro porovnání byla stejná povodí modelována i dle scénářů založených na patnácti regionálních klimatických modelech z projektu ENSEMBLES. Bylo zjištěno, že modelem ALADIN-CLIMATE/CZ simulované poklesy odtoku zpravidla patří k nejvyšším z celého ensemblu modelů. Typický příklad je uveden na obrázku 1.

Obr. 1 Průměrné změny průtoku pro povodí Sázavy po Kácov mezi obdobím 1960–1990 a 2070–2099. Zelené čáry odpovídají scénářům založeným na modelu ALADIN-CLIMATE/CZ, modré čáry scénářům založeným na globálních klimatických modelech. Šedá plocha ohraničuje oblast v níž se nachází projekce pro 90 % uvažovaných modelů, v oblasti ohraničené černou plochou se nacházejí projekce pro 50 % modelů. Bílá čára odpovídá průměrné změně v ensemblu modelů.

Změny hydrologické bilance v denním kroku byly modelovány na patnácti povodích (Hanel a Vizina, 2010). Relativní změny odtoku, zásoby podzemní vody a zásoby vody v půdě mezi pozorovaným a scénářovými obdobími (2025, 2055 a 2085) jsou zobrazeny na obr. 2. Na většině povodí dochází k poklesu průměrného odtoku pro všechna tři období během celého roku. Zřetelná je relativně značná prostorová proměnlivost změn bilančních veličin podle všech tří variant. Zejména v zimním období je možné u některých povodí pozorovat nárůst odtoku a zásoby podzemní vody, zatímco u ostatních pokles. V letním období nastává pokles odtoku, zásoby podzemní vody a zásoby vody v půdě pro všechna povodí. Rozptyl výsledných změn mezi jednotlivými metodami (přírůstková metoda vs. korekce systematických chyb) je způsoben nejistotami spojenými s tvorbou scénářů změny klimatu.

V souhrnu můžeme konstatovat, že pokles základního odtoku, resp. dynamické složky zásob podzemní vody zejména v letním a podzimním období je indikován většinou dosud provedených výzkumů.

Obr. 2. Relativní změny odtoku, zásoby podzemní vody a zásoby vody v půdě mezi pozorovaným a scénářovými obdobími 2025, 2055 a 2085 dle různých metod tvorby scénářů změn klimatu. Křivky znázorňují průměry všech povodí, svislé čáry odpovídají rozpětí mezi jednotlivými povodími
Obr. 3 Pokles průměrného odtoku z povodí Rakovnického potoka ve vztahu ke zvýšení průměrné teploty vzduchu, podle scénářů klimatické změny, za předpokladu pouze měnící se teploty vzduchu a podle pozorování

Značný vliv oteplení, které již v posledních desetiletích nastalo, se zatím projevil na hydrologické bilanci v povodích s nízkými úhrny srážek v případě, že tyto srážky zůstaly na původní úrovni (tj. nezvyšovaly se). Jako příklad uvedeme výsledky ze studie povodí Rakovnického potoka (Kašpárek et al., 2011). Obrázek 3 ukazuje porovnání scénářových výpočtů poklesu průtoků s pozorovanou hodnotou ve vztahu ke zvýšení průměrné teploty vzduchu.  Pokles základního odtoku se v relativním měřítku nijak zásadně neliší od poklesu celkového odtoku, klesající trend mají i hladiny podzemní vody.

Literatura

  1. Hanel, M., Vizina, A. (2010) Modelování hydrologické bilance v denním kroku: korekce systematických chyb a přírůstková metoda. VTEI 52(Mimořádné číslo II).
  2. Kalvová, J. et al. (2005) Vytvoření scénářů klimatické změny, kap. 2.3 zprávy Výzkum a ochrana hydrosféry – výzkum vztahů a procesů ve vodní složce životního prostředí, orientovaný na vliv antropogenních tlaků, její trvalé užívání a ochranu, včetně legislativních nástrojů. Oddíl A: Hydrologie, Výzkumný záměr MŽP 0002071101,  VÚV T.G.M, Praha
  3. Kašpárek, L. et al. (2000) Hodnocení a modelování srážko-odtokových vlastností povodí. Výzkumná zpráva. VÚV T.G.M., Praha, 29 s.
  4. Kašpárek, L. et al. (2011) Možnosti zmÍrnění současných důsledků klimatické změny zlepšením akumulační schopnosti v povodí Rakovnického potoka (Pilotní projekt). Periodická zpráva za rok 2010. Praha, VÚV T.G.M., v.v.i..
  5. Krátká, M., Kašpárek, L. (2005) Regionální dopady klimatické změny na vodní režim v ČR. In: Hydrologické dny 2005, Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava, ISBN 80-88907-53-5.
  6. Kněžek, M., Krátká, M. (2005) Kvantifikace režimu podzemních vod v extrémních hydrologických situacích. In: Hydrologické dny 2005,Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava, ISBN 80-88907-53-5.
  7. Novický, O. et al. (2008) Klimatická změna a vodní zdroje v povodí Vltavy. VÚV T.G.M., Praha, ISBN 978-80-85900-79-8, 29 s.
  8. Tallaksen, L. M., van Lanen, H. A. J. (Eds.) (2004) Hydrological Drought – Processes and Estimation Methods for Streamflow and Groundwater. Developments in Water Sciences 48, Elsevier B.V., Amsterdam.
  9. Vizina, A. et al. (2009) Vodní bilance v podmínkách klimatické změny v povodí horní Metuje. Praha: VÚV T.G.M., ISBN 978-80-85900-94-1,126 s.

Ladislav Kašpárek, Martin Hanel
VÚV T.G.M., v.v.i.

Související články