1
Klimatologie a hydrogeografie
Lekce 6
Hydrologie – zásoby a oběh vody na Zemi,
Hydrografie a hydrologie řek
RNDr. Jiří Jakubínský, Ph.D. | 27. 11. 2018
• „věda zabývající se zákonitostmi nepřetržitého oběhu vody v jeho
celistvosti a výskytu vody v přírodě, se zřetelem na její množství, kvalitu a
účinek v přírodě a společnosti“ (Netopil a kol. 1984)
• hydrogeografie – dílčí vědní obor fyzické geografie, zabývající se vztahem
mezi vodními útvary na pevnině a ostatními krajinotvornými prvky
• dělení hydrologie podle pracovních metod:
– hydrometrie
– hydrografie
• podle zkoumaného prostředí:
– hydrologie moří a oceánů (oceánologie)
– hydrologie pevnin
• oceánologie – fyzická / chemická / biologická / mořská geologie a
geofyzika / geomorfologie oceánů a moří
Definice hydrologie a její dělení
2
• hydrologie pevnin:
– hydrologie atmosféry
– hydrologie vodních toků (potamologie)
– hydrologie jezer (limnologie)
– hydrologie bažin
– hydrologie podzemních vod (+hydrogeologie)
– hydrologie ledovců (kryologie, glaciologie)
• postup řešení hydrologických otázek a zpracování dat
– pozorování a měření hydrologických jevů a procesů
– analýza hydrologických jevů (identifikace příčin a následků)
– aplikace získaných dat v praxi (správa vodních toků, krizové řízení, …)
Definice hydrologie a její dělení
• zdroje hydrologických dat a informací v České republice
– Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ)
• Úsek hydrologie
– Odd. povrchových vod
– Odd. podzemních vod
– Odd. hydrofondu a bilancí
– Odd. jakosti vody
– Odd. hydrologické přístrojové techniky
– Odd. hydrologických předpovědí
• kontinuální sledování a vyhodnocování hydrologických dat
• správa staniční sítě
www.chmi.cz
Hydrologická data
3
– Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka (VÚV T. G. M., v. v. i.)
• Odbor hydrauliky, hydrologie a hydroekologie
• Odbor ochrany vod a informatiky
• Odbor technologie vody
• Referenční laboratoř složek životního prostředí a odpadů
– provoz hydroekologického informačního systému (HEIS)
• Základní vodohospodářské mapy (1:50 000) – archiv 1986–1999
• hydroekologické informace a data o povrchových i podzemních vodách
• data dostupná také ve formátu .shp
www.vuv.cz
Hydrologická data
Hydrologická data
4
Hydrologická data
• správa vodních toků v České republice
– státní podniky Povodí
• Povodí Labe
• Povodí Vltavy
• Povodí Ohře
• Povodí Moravy
• Povodí Odry
www.pla.cz | www.pvl.cz | www.poh.cz |
www.pmo.cz | www.pod.cz
Hydrologická data
5
Hydrologická data
• plocha oceánů a moří – 361 mil. km2 (70,8 % z plochy povrchu Země)
• nerovnoměrné rozložení vody a pevniny na Zemi
– S polokoule: pevnina 100 mil. km2 / voda 155 mil. km2
– J polokoule: pevnina 49 mil. km2 / voda 206 mil. km2
• vliv na oběh vody, odlišnost klimatu, vodní bilanci, …
• světový oceán – 1338 mil. km3 (0,01 % objemu Země)
• pevninské vody – cca 48 mil. km3 (z toho cca 35 mil. km3 sladké vody)
– pevninské ledovce (cca 24 mil. km3, 69 % zásob sladké vody)
– podpovrchové vody (23,7 mil. km3)
– voda v jezerech a vodních tocích (13,5 mil. km3)
– jen minimum reálně využitelné pro lidskou společnost
• výměna vody mezi světovým oceánem a pevninou – nepřetržitý oběh vody
Zásoby a oběh vody na Zemi
6
Zásoby a oběh vody na Zemi
zdroj: USGS & ČHMÚ 2015
Zásoby a oběh vody na Zemi
7
• odtoková oblast
• bezodtoká oblast (cca 20 % plochy pevniny)
• úmoří
• rozvodí
• nerovnoměrný přítok vody do oceánů v průběhu roku
– Severní ledový oceán 355 mm/rok
– Atlantský oceán 226 mm/rok
– Tichý oceán 83 mm/rok
– Indický oceán 80 mm/rok
– průměrný roční odtok vody z pevniny do světového oceánu: 40 000 km3
– vliv srážkového a teplotního režimu
– nejvýraznější změny v úmoří Severního ledového oceánu (léto 56 %, zima
7 % ročního odtoku)
– nerovnoměrnost rovněž v jednotlivých rocích
Zásoby a oběh vody na Zemi
Zásoby a oběh vody na Zemi
8
Zásoby a oběh vody na Zemi
zdroj: Štiková, Tabarková 2003
• malý a velký oběh (cyklus) vody
– roční výpar z oceánu: 505 000 km3
– roční výpar z pevniny: 72 000 km3
– roční srážky nad oceánem: 458 000 km3
– cca 47 000 km3 vody je transportováno na pevninu (8 % výparu z oceánu)
– evaporace
– transpirace
– kondenzace
– sublimace
Zásoby a oběh vody na Zemi
9
• cca 13 000 km3 vody stabilně vázáno v atmosféře
– ¾ nad oceánem / ¼ nad pevninou
– maximum v rovníkovém a tropickém pásu západní části Tichého oceánu a
SV části J Ameriky
• složitější mechanismus výměny vody mezi oceánem a pevninou
– tranzitní vláha
– část výparu z pevniny je zanášena nad oceán
• výpar jako důležitý regulátor teploty ovzduší (cca 85 % tepla radiační bilance
je na Zemi spotřebováno na výpar)
• matematické vyjádření oběhu vody na Zemi = rovnice vodní bilance
𝐸 𝑂 = 𝑆 𝑂 + 𝑂
𝐸 𝑝 = 𝑆 𝑝 − 𝑂
𝑆 𝑂 + 𝑆 𝑝 = 𝐸 𝑂 + 𝐸 𝑝
E – výpar, S – srážky, O – odtok
Zásoby a oběh vody na Zemi
• hl. zdroj vláhy = výpar ze světového oceánu
– nejvyšší výpar v oblasti pasátů
– směrem k pólům a rovníku se výpar snižuje
– maximum oceánských srážek v rovníkovém pásmu (Ø 2280 mm/ rok)
– nejméně oceánských srážek v tropických pasátových pásech S a J
polokoule
– rozdíly mezi srážkami a výparem → oblasti s převahou srážek nad
výparem a naopak → rozdíly vyrovnány mořskými proudy (až 22 mil. km3
vody/ rok)
Zásoby a oběh vody na Zemi
10
• vodní tok = „voda tekoucí v korytě ohraničeném dnem a břehy, kterým se
odvádí srážková voda z určitého území, nebo podzemní vody vyvěrající do
toku“ (Ruda 2014)
• vodní (hydrologický) režim = „souhrn charakteristických změn stavu vodních
objektů v čase“ (Netopil a kol. 1984)
• stálý vodní tok / občasný (periodický) vodní tok
• dělení dle velikosti:
– bystřina
– potok
– řeka
– veletok
• plošný odtok (ron) – ronová rýha – stružka – erozní rýha – údolí
• pramen
• zdrojnice
• ústí
Hydrografie vodních toků
Hydrografie vodních toků
20K l i m a t o l o g i e a h y d r o g e o g r a f i e | J . J a k u b í n s k ý | p o d z i m 2 0 1 6
Zdroj: upraveno podle
ČSN 73 6511
11
Hydrografie vodních toků
plošný odtok
ronová rýha
erozní rýha
stružka
22K l i m a t o l o g i e a h y d r o g e o g r a f i e | J . J a k u b í n s k ý | p o d z i m 2 0 1 6
zdroj: Jakeš, 1984
12
• délka řeky (L) – délka střednice půdorysného obrazu koryta řeky, udávaná v
km (ČSN)
• staničení vodního toku (kilometráž)
• schéma říčních systémů
• podélný profil vodních toků
Hydrografie vodních toků
• typy říční sítě
• hustota říční sítě
𝑟 =
𝐿
𝑃
Hydrografie vodních toků
13
• řády vodních toků
– modely řádovosti říční sítě
• absolutní řády (Gravelius) – počet dílčích vodních toků podle zaústění
do moře
• relativní řády (např. Strahler)
– hydrologické pořadí toku (ve formě A-BB-CC-DDD, např. 1-09-01-024
Borovský potok)
Hydrografie vodních toků
• povodí
• rozvodnice (rozvodní čára)
• plocha povodí (P)
• tvar povodí
– protáhlé
– přechodný typ
– vějířovité
Hydrografie vodních toků
𝛼 =
𝑃
𝐿2
14
• údolí vodních toků – „úzká, protáhlá a obvykle křivolaká sníženina zemského
povrchu, protékaná trvale nebo občasně vodou“ (Netopil a kol. 1984)
– suché údolí (epizodický nebo periodický odtok)
– říční údolí
• údolní dno
– údolnice (údolní osa) – v říčním údolí obvykle souhlasí s proudnicí v
korytě řeky
• záplavové (inundační) území
• břehový val
• niva
– údolní
– poříční
• říční terasa
• údolní svah
Hydrografie vodních toků
Hydrografie vodních toků
15
Hydrografie vodních toků
podle: Ložek (1979)
• řečiště (říční koryto)
• křivolakost řek
– hydraulická
– nucená (orografická)
• břehy
– nárazové (výsepní, konkávní)
– nánosové (jesepní, konvexní)
• zákruty
• meandry
– meandrový pás
– mrtvé (staré) říční rameno
– zaklesnuté meandry
– volné meandry
Hydrografie vodních toků
16
Hydrografie vodních toků
• příčný profil řečiště a jeho morfologické parametry
– průtočný profil
– plocha průtočného profilu (P)
– šířka průtočného profilu (B)
– omočený obvod (O)
– průměrná hloubka (HS)
– hydraulický poloměr (R)
– tvar příčného řezu
– drsnost dna a břehů
Hydrografie vodních toků
17
• podélný profil vodního toku
– pramen
– horní / střední / dolní tok
– ústí
• sklon vodního toku
• průměrná nadm. výška
• prům. sklon povrchu povodí
Hydrografie vodních toků
– ústí vodních toků
• jednoduchá (průsečík střednic dvou vodních toků nebo vodního toku
a obvodu moře či jezera)
• složená
– otevřená
» delta
» estuárium
– uzavřená
» písečná kosa
» liman
Hydrografie vodních toků
zdroj: Sobotová, Sobota (1996)
18
Hydrografie vodních toků
35K l i m a t o l o g i e a h y d r o g e o g r a f i e | J . J a k u b í n s k ý | p o d z i m 2 0 1 6
Estuárium Rio de la Plata
• říční vzor (půdorys)
– geomorfologické typy vodních toků (Leopold & Wolman 1957):
• přímé vodní toky (horské bystřinné toky)
• divočící vodní toky (podhorské bystřinné toky)
• meandrující toky (nížinné toky)
• anastomózní toky (nížinné toky rozvětvené)
Hydrografie vodních toků
19
Hydrografie vodních toků
Hydrografie vodních toků
zdroj: Just (2005)
20
• hydrologický (vodní) režim
– souhrn charakteristických změn stavu vodních objektů v čase
– hydrologický režim vodních toků / jezer / podzemních vod / bažin …
– hydrologický rok
– měrné jednotky odtoku:
• průtok (Q) [m3.s-1]
– množství vody, protékající za 1 vteřinu příčným profilem koryta
vodního toku
– okamžitý průtok 𝑄 = 𝐹. 𝑣
– průměrný denní průtok (Qd)
– měsíční průtok (Qm)
– roční průtok (Qr)
– dlouhodobý průměrný průtok (Qa) – normál (Ø Qr)
• objem odtoku (O) [km3, m3 / časový interval]
– celkové množství vody, které odteče korytem za daný časový
interval
Hydrografie vodních toků
• specifický (poměrný) odtok (q) [l.s-1.km-2]
– „jednotková vydatnost“
– množství vody odtékající za jednotku času z plochy povodí
• odtoková výška (výška odtoku) (HO) [mm.rok-1]
– vrstva vody rovnoměrně rozložená na ploše povodí, která odteče
za určité období
– porovnání odtoku se srážkovým úhrnem v povodí za stejné
období
– vztah mezi roční odtokovou výškou (Hor) a ročním průtokem (Qr)
Hydrografie vodních toků
21
Hydrografie vodních toků
specifický odtok v ČR zdroj: Kříž (1983)
• součinitel odtoku (koeficient odtoku) (ϕ) [číselná hodnota / %]
– hodnota udávající poměr mezi výškou odtoku a srážkovým
úhrnem nebo objemem odtoku a srážkami v ploše povodí
– podíl spadlých srážek, který je odváděn vodními toky
Hydrografie vodních toků
22
• POVRCHOVÝ ODTOK
– vodní stav [cm]
• výška hladiny nad zvoleným pevným bodem (nulou vodočtu)
• vodočetná lať (kolmé a šikmé vodočty)
• kontinuální záznam pomocí limnigrafu
• vodoměrná stanice
Hydrologie vodních toků
Hydrologie vodních toků
23
• hydromodul: rozpětí mezi max. (Hmax) a min. (Hmin) vodním stavem v průběhu
roku
• čára vodních stavů
• obyčejný vodní stav (medián)
• nejčastěji se vyskytující vodní stav (modus)
• čára překročení – histogram kumulovaných četností
– M denní stavy
Hydrologie vodních toků
zdroj: Trizna 2004
• ledový režim vodních toků
– problém neexistence dlouhých časových řad záznamů o ledových jevech
– vliv lidské činnosti
– určují se:
• krajní a průměrná data výskytu pevných a pohyblivých ledových
útvarů (led u břehu, resp. ledová tříšť, chod ledů)
• mezní a průměrné hodnoty trvání ledové pokrývky (zámrzu)
• průběhy růstu vrstvy ledu (obvykle jen zjištění max. tloušťky ledové
pokrývky)
– 3 fáze pozorování ledových jevů:
• podzimní
• zimní
• jarní
– hlavní ukazatele: datum vzniku ledových úkazů, doba trvání, druh
ledových jevů, intenzita jejich výskytu, tloušťka ledové pokrývky
Hydrologie vodních toků
24
• břehový led
• ledová mázdra
• ledová tříšť
• ledový nápěch
• hlubinný (dnový) led
• ledová celina (zámrz řeky)
• propar
• ledová zácpa (bariéra)
Hydrologie vodních toků
• typy vodních toků dle ledového režimu:
– zcela promrzající toky ve vysokých z. š.
– toky s každoročně se opakujícím dlouhodobým zámrzem (vyšší z. š. a
mírný pás s kontinent. podnebím)
– toky s proměnlivým ledovým režimem
– toky s méně četným výskytem ledových útvarů
– horské vodní toky s proměnlivým ledovým režimem v čase i prostoru
Hydrologie vodních toků
25
• teplotní režim vodních toků
– větší toky: vyrovnané teploty vody v příčném profilu koryta
– menší a členitější toky: přítomnost mělčin, tůní, … → povrchová vrstva
vody je oproti dnové vrstvě teplejší v létě a chladnější na podzim a v zimě
– změny teploty vody v průběhu dne:
• určené vodností, provzdušňováním vody
• nejvýraznější v létě na malých tocích mírných šířek a na horských
tocích v teplém pásu Země
– průměrná denní teplota vody
• v ČR se měří jen 1 x denně při ranním odečtu vodního stavu
– roční amplituda teploty vody nejvyšší ve středních z. š. (až 30 °C)
Hydrologie vodních toků
• hydrologické charakteristiky průtoku
– metody měření průtoku vodních toků
• hydrometrování (hydrometrická vrtule)
Hydrologie vodních toků
26
• přímá měření
– měrná nádoba
– měrné přepady (Ponceletův a Thomsonův přeliv)
• indikátorové metody
– stabilní chemická látka či radionuklid
• ultrazvuková metoda
– ADCP (Accoustic Dopler Current Profiler)
Hydrologie vodních toků
• hydrologický režim
– výsledek přírodních podmínek povodí a charakteru lidských aktivit v
krajině
– ovlivňuje charakter koryta, nivy a údolního dna
– časové rozložení odtoku z povodí je závislé na zdrojích vodnosti
– denní změny průtoků jsou obvykle velmi malé
• výjimka = pramenné úseky ledovcových toků
– hydrogram (čára průtoku)
• velikost změn průtoku v čase, jejich rychlost a četnost výskytu
Hydrologie vodních toků
27
• průměrný průtok – aritmetický průměr průtoků za určité období
• maximální / minimální průtok
• N-letý maximální průtok (N-letá voda) – max. průtok, který je dosažen nebo
překročen průměrně jednou za N let
– pravděpodobnost výskytu (doba opakování) N-letého průtoku je 1/N
• čára překročení denních průtoků
– lze určit M-denní průtoky (prům. denní průtok, dosažený nebo
překročený M dní v roce)
• N-letý minimální průtok
Hydrologie vodních toků
• vztah mezi vodním stavem a průtokem
– měrná (konsumpční) křivka průtoků
– tvar křivky závislý na morfometrii měrného profilu a morfometrii úseku
vodního toku nad a pod měrným profilem
Hydrologie vodních toků
28
• extrémní průtoky
– povodňové průtoky (povodeň): výrazný vzestup hladiny vodního toku
nad úroveň hrany koryta, způsobený zvětšením průtoku nebo snížením
velikosti průtočného profilu
– inundační (záplavové) území toku (obvykle Q20, Q50 a Q100)
– povodňová vlna – objem, tvar, vrchol (kulminační průtok Qmax)
– doba trvání povodně
Hydrologie vodních toků
zdroj: Herber (1984)
• typy povodní podle příčiny vzniku
– letní povodně
– letní přívalové povodně
– povodně z tání
– ledové povodně
• faktory ovlivňující vznik povodní
– meteorologické příčiny
• předběžné faktory
• příčinné faktory
– hydrologické příčiny
• intercepce
• zpomalení odtoku vlivem charakteru reliéfu
• infiltrace
• retence
• objem říční sítě a vodních nádrží (+ míra jejich naplnění)
• charakter povodí a říční sítě
Hydrologie vodních toků
29
• stupně povodňové aktivity
– I. stupeň – bdělost
– II. stupeň – pohotovost
– III. stupeň – ohrožení
Hydrologie vodních toků
zdroj: Čamrová, Jílková (2006)
• minimální průtoky
– období ve kterém průtok na vodním toku poklesne pod hladinu
normálového průtoku (Qa)
– široké spektrum příčin
– horské toky – minima typicky na konci zimy
– nížinné toky – minima typicky koncem léta nebo na podzim
– suché období – 3 po sobě následující dny, kdy průtok dosáhl hodnoty
rovné nebo nižší než Q355
– meteorologické sucho – nedostatek srážek
– agronomické sucho – vodní stres rostlin
– hydrologické sucho – pokles průtoků, omezení rozlohy mokřadů, hladiny
PZV, …
Hydrologie vodních toků
30
Hydrologie vodních toků
www.intersucho.cz
• velikost a rozdělení průtoků v průběhu roku na českých vodních tocích
– oblast horská sněhovo-dešťová (část povodí Olše)
– oblast horská sněhová (většina povodí či jejich horních částí s
pramennou oblastí v horách – např. Úpa, Metuje, Otava, horská část
Bečvy, atd.)
– oblast vrchovinno-nížinná (typicky toky středních Čech a většina přítoků
Moravy a Dyje)
Hydrologie vodních toků
zdroj: Herber (2015, online)
31
• klimatická klasifikace vodních toků
Hydrologie vodních toků
zdroj: Chábera, Kössl (1999)
• klimatická klasifikace vodních toků II
Hydrologie vodních toků
zdroj: Chábera, Kössl (1999)