Zbyněk KULHAVݹ, Jana KALIBOVÁ², Pavel KREJZEK³ 

1 VÚMOP, v.v.i., B. Němcové 231, Pardubice, Česká republika, email: kulhavy■zbynekvumop■cz,
2 ČZU v Praze, Kamýcká 129, Praha-Suchdol, Česká republika, email: kalibovafzp■czu■cz,

3 ADCIS, s.r.o., Bohdanečská 280, Pardubice, Česká republika, email: krejzekadcis■cz 

 

Mezi klíčové faktory, které podmiňují vznik povrchového odtoku ze srážek, a následného rozvinutí přívalové lokální povodně, patří infiltrační schopnost půdy. Tuto schopnost ovlivňují přírodní podmínky stanoviště, způsob využití pozemků, ale ve značné míře také aktuální nasycenost/zaplněnost půdy vodou (úroveň HPV a vlhkost). Typicky nejrychleji probíhá infiltrace na suché půdě a se zvyšující se vlhkostí rychlost infiltrace výrazně klesá. Tento příspěvek představuje nový varovný systém (VPS), který je schopen vyhodnotit riziko vzniku přívalové povodně v předstihu několika hodin, využívá přitom výsledky přímého měření v konkrétních podmínkách stanoviště. Poskytuje tak chráněné oblasti dostatek času pro organizování adekvátních opatření. Tím se odlišuje od varovných systémů založených na měření průtoku ve vodním toku nebo od systémů globálních, které nemohou dostatečně respektovat heterogenitu půdních vlastností. 

Varovný systém je tvořen dispečinkem a jednotlivě instalovanými měřícími terminály. Dispečink řídí provoz terminálních stanic automaticky, vzdálenou komunikací. Pro stanovení termínu a parametrů infiltračního/zadešťovacího testu používá sofistikované postupy, využívající data o nedávné i aktuální meteorologické situaci. Zadešťování probíhá konstantní nebo proměnlivou intenzitou, korespondující s predikovanou srážkou. Z výsledků provedeného infiltračního testu je získán kritický čas dosažení výtopy a parametry křivky rychlosti infiltrace.  Během celého procesu stanovení rizika povodně jsou realizovány kontrolní testy, minimalizující případná falešná varování. 

 

Vyhodnocení rizika vzniku povrchového odtoku a následně rozvoje lokální povodně je založeno na srovnání délky trvání predikované přívalové srážky (poskytnuto ČHMÚ) a doby výtopy, způsobené simulovanou srážkou o intenzitě odvozené z predikované srážky (doba výtopy je přitom stanovena reálným infiltračním pokusem). Z praktických důvodů je zvolena jednotná (zkrácená) doba zadešťování 15 minut a doba trvání celého infiltračního pokusu 1 nebo 2 hodiny (slouží k získání parametrů S, K, viz dále). Ke stanovení parametrů testovacího deště (v trvání 15 min.) na základě aktuálních radarových dat doplněných o predikci úhrnů srážek (pro 1 hod.) je použit model DES_RAIN (Vaššová, Kovář, 2013) s daty nejbližších srážkoměrných stanic. 

Po zahájení umělého zadešťování dochází v první fázi měření k nepřerušované infiltraci s řízenou intenzitou přívodu vody k infiltraci do půdy tak dlouho, dokud nedojde k prvnímu dosažení nastavené úrovně hladiny vody ve vymezovacím válci infiltrační jednotky. Naměřený čas trvání zadešťování dané intenzity a úhrnu (vyjádřeného v jednotkách sloupce vody) vyjadřuje parametry kritického deště, který by způsobil povrchový odtok – neboli je překročena infiltrační schopnost půdního profilu v konkrétních přírodních podmínkách (patent CZ 307 090, 2017). Zjednodušeně je tedy možno porovnávat pouze tyto dva časy (tj. dobu dosažení výtopy s dobou trvání deště predikovaných parametrů). 

 

Klíčovým faktorem, určujícím infiltrační schopnost půdy v jejím počátku, je sorptivita. Testování probíhalo přímo v terénu (přirozený půdní profil) i v laboratoři (konsolidovaná půda a kaolinit). Teoretická základna výzkumu vychází z nestacionární vertikální infiltrace, jejíž proces (v podmínkách jednorozměrného proudění) lze popsat Richardsovou rovnicí. Hydraulická vodivost K byla aproximována z analýzy časových řad procesu vertikální kumulativní infiltrace, která následovala po dosažení doby výtopy. Sorptivita S byla vypočtena numerickým postupem dle Philipovy teorie (Philip, 1957) z naměřené čáry rychlosti infiltrace. Ve srovnání s tradičními metodami (infiltrometr jedno- nebo dvou-válcový) jsou hydrofyzikální charakteristiky půdy (K, S) stanovené touto metodou spolehlivější, informativní a ověřené dobou výtopy (Pelíšek a kol., 2020).

 

Úprava zařízení (užitný vzor č. 33 692, 2020) zvyšuje spolehlivost přístroje v automatizovaném, zejména dálkově řízeném, režimu užívání v terénních podmínkách. Umožňuje v případě potřeby provádět doplňující testy a dále rozšiřuje měření o odezvu půdy na aktuálně probíhající srážku (Kalibová a kol., 2021). 

 

Funkce VPS jako celku byla testována během roku 2020. Zaměřili jsme se na bouřky s přívalovým deštěm ve východní části republiky a systém testovali na obcích Uničov a Šumvald, které byly zasaženy 7. 6. 2020 okolo 18. hodiny a na obci Heřmanův Městec dne 14. 6. 2020 okolo 17. hodiny. Ve všech případech byla situace systémem zachycena a byla vyhodnocena tak, že byl vydán povel k otestování infiltrační schopnosti půdy. Například pro lokality Uničov a Šumvald byl tento povel vydán již 4. 6. 2020, tj. 84 hodin před epizodou – ale systémem byla tato událost vyhodnocena tak, že srážka bude v celém objemu infiltrována a k povodni nedojde. Dne 6. 6. 2020 byla vydána další výstraha, která již byla vyhodnocena jako kritická a bylo rozesláno varování 24 hodin před povodňovou epizodou.

 

Výsledky naměřené pomocí reálných simulací byly porovnány s hodnotami stanovenými ověřenými numerickými metodami. Korelační koeficient prověřovaných závislostí se pohyboval v rozmezí 0,8 – 0,9. Tento fakt svědčí o vhodnosti použitých postupů a dokládá, že nově vyvinutý varovný protipovodňový systém je spolehlivým nástrojem, díky kterému je možné reagovat na hrozící riziko přívalové povodně v předstihu několika hodin. 

 

Zde představený varovný systém lokálních povodní (VPS), založený na přímém měření infiltrace srážek, je jednoduchý, ale účinný nástroj s relativně nízkými pořizovacími náklady, nízkou náročností na provoz a údržbu, který je vhodný pro ochranu obcí a průmyslových objektů, nacházejících se v rizikových částech malých povodí, kde nelze úspěšně aplikovat jiné typy varovných systémů.  

 

Klíčová slova: přívalové povodně, rychlost infiltrace, simulace deště, doba výtopy, automatizace měření 

 

Tento příspěvek vznikl za podpory Ministerstva zemědělství, institucionální podpory MZE-RO0218 jako výsledek výzkumného projektu Technologické agentury ČR v programu Epsilon, evid. č. TH02010802, řešeného v letech 2017–2020. 

 

Kalibová J., Štibinger J., Krejzek P., Petrů J. (2021). Varovný systém lokálních přívalových povodní, In: Vodní hospodářství, číslo 2 (v tisku). 

Patent CZ 307 090 Simulátor deště pro měřící systémy (VÚMOP, v.v.i., Kulhavý Z., Čmelík M.). 

Pelíšek I., Štibinger J., Kulhavý Z., Melorio L. (2020). Ponding time, hydraulic conductivity and sorptivity – experimental determination by a single ring infiltrometer with rain simulator. EGU General Assembly 2020, Online,  4–8 May 2020, EGU2020-21431, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-21431. 

Philip J.R. (1957). The theory of infiltration: 1. The infiltration equation and its solution. Soil Sci., 83(5), s. 345–357. 

Užitný vzor č. 33 692 Simulátor deště s automatickou kalibrací (VÚMOP, v.v.i., ADCIS s.r.o., Kulhavý Z.,  Krejzek P.). 

Vaššová D., Kovář P. (2013). DES_RAIN. FŽP ČZU v Praze, dostupné z: http://fzp.czu.cz/vyzkum/software.html.