Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase Z8025 (učebna Z2, pondělí 14.00-15.50) 8. Teplotní režim povrchových vod GEOGRAFICKÝ ÚSTAV PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA MU Mgr. Karel Brabec, Ph.D brabec@sci.muni.cz SYLABUS 1. Úvod - teoretické koncepty 2. Prostorové škály říční krajiny 3. Změny vodních toků v podélném profilu 4. Laterální a vertikální interakce vodních toků s okolním prostředím 5. Stojaté vody - vztahy k povodí, procesy ve vazbě na prostorové členění 6. Dlouhodobé trendy ve vývoji vodních ekosystémů 7. Sezónní dynamika faktorů prostředí a biologických společenstev 8. Teplotní režim povrchových vod 9. Ekologické aspekty průtokového režimu a hydraulických podmínek 10. Antropogenní modifikace vodních ekosystémů (se zřetelem na časoprostorové aspekty) 11. Potenciální dopady změn klimatu ve sladkovodních ekosystémech 12. Časo-prostorové aspekty adaptačních opatření a revitalizací degradovaných ekosystémů 13. Případové studie TEPLOTNÍ REŽIM SLADKOVODNÍCH EKOSYSTÉMŮ 1. řídící faktory 2. klasifikace podle teplotního režimu 3. dynamika v rámci různých časových škál 4. teplota a procesy (abiotické a biotické) 5. vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky 6. tekoucí vs. stojaté vody 7. povrchové vs. podzemní vody 8. vlivy na vodní organismy 9. antropogenní zásahy do teplotního režimu ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY přehled • teplota vzduchu • komunikace s podzemními / intersticiálními vodami • hydromorfologie (průtok, morfologie koryta, typ údolí) • antropogenní faktory (nádrže, odpadní vody, chladící voda, management pobřežní vegetace) Table 1. Definitions of the major energy fluxes into (I) and out of (O) a stream. These fluxes occur at the water/air interface and at the water/sediment interface. Note that some fluxes can go either direction. Convection (Cv) I,O Conduction (Cd) I,0 Evaporation (E) O Back Radiation (TRb) Atmosphere Radiation (IRa) Friction (F) Direct Solar Radiation (SR) Vegetation Radiation (IRv) O Heat brought to the stream surface or carried away from the surface by wind Diffusion of heat from air to water (or vice versa) and from the streambed to water (or vice versa) Evaporation of water at the surface consumes energy, so it is a loss of heat Warm water emits infra-red (IR) radiation into the atmosphere The atmosphere (especially clouds) emits ER radiation, some of which will hit the water surface Friction of moving water against the substrate generates heat Sunlight is absorbed by the water and converted to heat; this can be partially blocked by vegetation Overhanging vegetation emits IR radiation, some of which will strike the water surface B^^ RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY přehled FKshustcr Biology GOOS) 51, 13ĚW-I4t)ft Topography upland shading riparian vegetation geology (bedrock) aspect (stream orientation) latitude / altitude REVIEW ARTICLE The thermal regime of rivers: a review D. CAISSIE Atmospheric conditions solar radiation air temperature wind speed / humidity precipitation (rain / snow) evaporation / condensation phase change (e.g., melting) triction (streambed) volume of water slope / water falls turbulence inflow / outflow Streambed Conduction (sediment) hyporheic exchange groundwater input Stream discharge řídicí faktory teploty vody Fig. 3.1 Major factors determining a river's temperature regime. (Modified from Ward, 1985. Reproduced with kind permission of Kluwer Academic Publishers.) ■ Extent and nature of riparian vegetation Continentaliry Topography Channel form Groundwater contribution Nature of source Distance from headwaters or Jakes Flow Annual range Thermal periodicity Winter minimum Summer maximum ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY Small streams Large rivers \ Downstream direction / stream order Fig. 2 Mean daily and did variability of water temperatures as a function of stream order/downstream direction. přehled Fnsfacater Bblogy (2ÜÖ&) SI, 136V-14U6 REVIEW ARTICLE The thermal regime of rivers: a review D. CA1SSIE ^ 30i Day of year RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY přehled Fnsfacater Bblogif (2006) 51, 136V-14U6 REVIEW ARTICLE The thermal regime of rivers: a review (Groundwater Seothermal Li ■^streambed oL-1 0 5 10 15 20 25 30 Air temperature (°C) Fig. 5 Simple regression water temperature model (groundwater and non-ground water streams) and logistic regression model. ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY o □ r. i.o 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1 1 (b) 1 1 thermally climate-driven streams 0 o o proglacial o stream groundwater-fed \ streams ° Intercept [" C] Figure 2. Classification of the ihciinal regimes of the selected catchments Streams impacted by groundwater infiltration arc shown in green, (lie proglacial stream in blue and the thermally climate-driven streams in orange, (a) Normalized monthly mean stream temperature curves over 3 consecutive years (2010-2012): all curves are ; scored independently each year, (b) Slopes and intercepts of the regression lines fitted to tbe stream air temperature points of the respective catchments, All points with negative an temperature values have been discarded prior to lilting. The bars indicate the standard error estimates. Hydro! Earth Syst Sci., 19, 3727-3753,2015 www.hydrol-eartli-syst-scinet'l 9/3727/2015/ dotlO.5194/hess-19-3727-2015 © Author^) 2015 CC Attribution 3.0 License Hydrology and 9 Earth System I Sciences š Stream temperature prediction in ungauged basins: review of recent approaches and description of a new physics-derived statistical model A. Gallice1, B. Schaefli1, M. Leaning1,2, M. B. Parlange1-3. aiirl H. Huwald1 AE: analytical expression ANN: artificial neural network CA: cluster analysis CRT: classification and regression trees GWR: geographically weighted regression LMM: linear mixed model MLR: multi-linear regression NKM: networked kriging model NLR: non-linear regression PA: path analysis RF: random forest ULR: univariate linear regression v f r r RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY Table 1. list of reviewed publications about statistical s1ieain temperature prediction in ungauged basins. Reference Geographic location Model Number of Number of Temporal , . . r h Mecel precivien-'-1 type sites vears scale yinrt raifliivit Sti . I». Í737 17S1.:0IS wwliříkoL-™iJi-iř*l^ci.nrtrlS^?2r^0li.' M'IQ5IÍMfee4ť|9'>7>7.20|í inli-VUM 3015. CC AIII lljill Ion i.O 11. r;i-.r Hydrology and | ^rTy Earth System j Sciences Arscottetal. (2001) Italy MLR 22 1 Season R2 = 0.37-0.8 Boganetal. (2003) Eastern USA AE 596 30 Week Ŕ2 = 0.80, oe =3.1 ' C Chang and Psaris (2013) Western USA MLR.GWR 74 n Week, year R2 = 0.52-0.62, ae = 2 DaigleetaL (2010) Western Canada Various 16 Z. i Month Oe = 0.9-2.8 "C DeWeber and Wagner (2014) Eastern USA ANN 10S0 31 Day- Ot = 1.8-1.9 °C Ducharne (2008) France MLR í: i: 7 Month R2 = 0.88-0.90. o e = 1 Gardner and Sullivan (2004) Eastern USA NKM 72 1 Day = 1.4 "C Gamer et al. (2014) UK CA í; 18 Month ■:. a Hawkins etal. (1997) Western USA MLR 45 > 1 Year R2 = 0.45-0.64 Hill etal. (2013) Conterminous USA RF ■-- 1000 1 ■'site Season, year Oe = 1.1-2.0 °C Hrachowitz et al. (2010) UX MLR 25 1 Month year R2 = 0.50-0.84 Iniholretal. (2013) UK MLR 23 2 Month R2 = 0.63-0.87 Isaaketal. (2010) Western USA MLR. NKM 518 14 Month year R2 = 0.50-0.61, at _ i Isaak and Hubert (2001) Western USA PA 26 l/site Season R2 = 0.82 Johnson (1971) New Zealand ULR 6 1 Month D 1 Johnson et al. (2014) UK NLR 36 Day- R2 = 0.67-0.90, ot = 1 Jones et al. (2006) Eastern USA MLR :s 3 Year R2 = 0.57-0.73 Kelleher et al. (2012) Eastern USA MLR 4" 2 Day. week B 1 Macedo et al. {2013) Brazil LMM 12 :.: Day- R2 = 0.86 Mayer (2012) Western USA MLR 104 >: Week, mouth R2 = 0.72, ůf = 1.8 'C Miyake and Takeuchi (1951) Japan ULR 20 n/a Month n i Moore etal. (2013) Western Canada MLR 413 l'site Year = 2.1 "C Nehtzetal. (2007) Western Canada CRT 104 l/site Year a a Nelson and Palmer (2007) Western USA MLR IS 3 Season R2 = 0.36-0.88 Ozaki etal. (2003) Japan ULR 5 S Day a t Pratt and Chang (2012) Western USA MLR.GWR 51 1'site Season Ŕ2 = 0.48-078 Risky etal. (2003) Western USA ANN 145 0.25 Hour, season Oe = 1.6-1.8 QC Rivers-Moore et al. (2012) South Africa MLR 90 l/site Month year R2 = 0.14-0.50 Rueschet al. (2012) Western USA NKM 165 15 Year R2 = 0.84, at = 1.5 Sesiuaetal. (2014) Conterminous USA MLR 171 > 1.5 Week, mouth R2 = 0.79 Sponseller et al. (2001) Eastern USA MLR 9 1 Year R2 = 0.81-0.93 Scott etal. (2O02) Eastern USA MLR 36 l'site Season R2 = 0.82 Stefan and Preud'homme (1993) Eastern USA ULR 11 n/a Da-v. week Ot = 2.1-2.7 "C Tague et al. (2007) Western USA MLR 43 4 Day- Ŕ2 = 0.49-0.65 Wehrly et al. (2009) Eastern USA Various 1131 l/site Month ■■■•f = 2.0-3.0 °C Westenbroeketal (2010) Eastern USA ANN 254 l/site Day R2 = 0.70, oř = 1.8 c Young etal (2005) New Zealand MLR 23 1 Season R2 = 0.75-0.93 lire-am temperature prediction in ungauged basins: review of recent ipproaches and description of a new physics-derived statistical node! . Oilk*1. n. SchiriU'.M. I.#bnli|' -. M. B. PirUagf1 \ imi If-flimiM1 = 1.4-1.9 2.5-2.8 °C 1 AE: arialytica] ST.-pressioc.; AST: arriicial neural cerwori; CA: chaster analysis: CT5.T: classiicir.on andrezrejsion uses: GWR: geographically wajhted regression: LMM linear cn\ed nie-isl: MLR muM-lrnpat regression: NKM: neroorfced krigme niodel: NLR: non-linear regression: PA: path analysis; RF: random forest; L'LR: univariate linear regression. 1 rL'a: not avaualfe. ' ae: root-rcean-sq-jare error. K-: coefEciani of deiernunarion (mmenmes referred a> as dieNash-SiitclirTe mde-tj. TEPLOTA VODY - DATA monitoring RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY teplota vzduchu modely s teplotou vzduchu tvr= 1,755 tor-5,1 tvr... průměrná roční teplota vody (°C) tor... průměrná roční teplota vzduchu (°C) Hydrologické poměry ČSSR modely s nadmořskou výškou • možnost využití průměrné nadmořské výšky v povodí • zahrnutí průtoku nebo výměny tepla • jiné než lineární vztahy tvr= 11,62-0,0102 H tvr... průměrná roční teplota vody (°C) H ... nadmořská výška profilu (m n.m.) Hydrologické poměry ČSSR ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY teplota vzduchu Fig. 3.2 Diurnal temperature fluctuations in a wooded, temperate, shallow stream in March, compared to air temperatures 5 cm and 125 cm above the stream. {Unpublished data, P.Giller.) 6 -I-1-1-1-i-i-f-—H 10 14 18 22 24 04 08 12 Time ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY teplota vzduchu Huntava (Valšův Důl) RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY hydromorfologie 18-28/7/2016: Kněhyně - hlavní koryto a tůně sekundárního koryta 10388942 28 26 24 p IB teplota vzduchu — Knehyne-koryto2D15, "C — Knehyne-koryto2016, °C —Knehyne-koryto2D17. "C — Khehyne-makrofyta2016, °C — Knehyne-makrofyta2017, °C — Knehyne-parez2D16. °C — Knehyne-pare:2D17, "C — Knehyne-'vzduch2016, °C — Knehyne-V!duch2017, "C A Coupler Detached T Coupler attached ♦ Host Connected O Stopped X Eiid Of File mělká tůň 07/18 07/2 I 07:23 07:20 07/17/16 11 :S7:47.61S fiUi GMT+02:DD 07:27 07/28/16 D1:39:S2.7S4 AUl GMT+02:DD ŘÍDÍCÍ FAKTORY TEPLOTY VODY hydromorfologie 20/7/2016-24 hodin 10388942 — Kriehyne-koryto2015, "C — Kriehyne-koryto2016, "C — Kriehyne-koryto2017, "C — Khehyne-makriofyta2D16, "C — Kriehyne-makrofyta2D17, "C — Kriehyne-pare!2D16, "C — Kriehyne-pares2017, "C — Kriehyne-\Aduch2016, "C — Kriehyne-vsduch2D17, °C A Coupler Detached T Coupler attached + Host Connected O Stopped X &d Of File 12:00:00 fiU 07/20/16 11:00:53.383 PM Glun"+02:DD 06:00:00 ŕW 06:00:00 PM 12:00:00 fiU 07/22/16 01:41:18.01 *M GIUfT+02 :DD RIDICI FAKTORY TEPLOTY VODY antropogenní vlivy • nádrže • odpadnívody • chladící voda • management pobřežní vegetace KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU klasifikace • Horváthova, 1969 (klasifikace slovenských toků) TEPLOTNÍ KLASIFIKACE VODNÍCH TOKŮ R o i spětí ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních průněmých měsíčních teplot Prám. tepl. vody v období neveqetačním vegetačním 1 5,4 - 7,0 10,4 - 15,0 11,3 - 15,4 1/9 - 2,8 8,8 - 11,9 2 7,1 - 8,5 11,7 - 16,6 13,4 - 17,1 2,4 - 4,2 10,8 - 14,0 3 8,6 - 10,0 16,0 - 19,9 16,9 - 20,6 2,6 - 4,2 13,4 - 16,3 4 10,1 - 11,9 19,2 - 20,2 20,9 - 22,3 3,5 - 5,5 16,7 - 18,5 5a 6,6 - 10,3 /6,6 - 9,2/ 10,6 - 19,5 /10,6 - 14,9/ 11,7 - 20,2 /ll,7 - 16,9/ 2,6-6,0 /2,6 - 6,0/ 9,1 - 16,4 /9,1 - 14,4/ 5b 8,8 - 13,3 14,7 - 20,1 17,6 - 24,5 3,3 - 7,7 14 ř0 - 19,5 Matoušek, 1980: Teplotní a ledový režim vodních toků KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU Ski (TA: 5,4-7,0) R o a e p í t £ ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních průněrných měsíčních teplot Prům. tepl. vody v období nevegetačnJin vegetačním 1 5,4 - 7,0 10,4 - 15,0 11,3 - 15,1 1/9 * 2,8 8,8 - 11,9 • toky vyšších i nižších pohoří • nízká teplota po celý rok • dlouhodobá průměrná roční teplota nepřekročí 7°C • maximum z měsíčních průměrů je obvykle dosahováno v VII nebo VIII a nepřekročí 15,1°C • Labe po Vrchlabí, Úpa po Horní Marsov, Odra po Spálov, Ostravice po Šance, Svratka po Dalečín KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU Sk2 (TA: 7,1-8,5) R o a spětí ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních průněmých měsíčních teplot Prúnu tepl. vody v období nevegetačním 1 vegetačním i> i 7,1 - 8,5 11,7 - 16,6 13,4 - 17,1 2,4 - 4,2 | 10,8 - 14,0 | • toky nižších pohoří, podhorské úseky větších toků • teplota ve vegetačním i nevegetačním období výrazně vyšší než u sk.l • Teplá po Ústí, Ohře po Kadaň, Úpa od Mošnova, Metuje, Orlice, Opava po Děhylov, Morava po Moravičany, Jihlava po Jihlavu KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU Sk3 (TA: 8,6-10,0) R o a spětí ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních průněmých měsíčních teplot Prám, tepl. vody v období nevegetačnún vegetačním 3 l 8,6 - 10,0 | 16,0 - 19,9 16,9 - 20,6 2,6 - 4,2 13,4 - 16,3 • dolní úseky středně velkých toků • střední a dolní úseky velkých toků (kromě jižní Moravy) • charakteristická vysokým ročním průměrem a vyšší teplotou ve vegetačním období (o 2,5 °C vyšší než sk. 2) • Labe od Hradce Králového, Jizera od Mladé Boleslavi, Vltava od Českých Budějovic, Berounka, Sázava od Poříčí, Lužnice od Tábora, Ohře od Loun, Odra od Svinova po Ostravu, Morava od Moravičan, Jihlava od Jihlavy po Pohořelice KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU Sk4 (TA: 104-11,9) R o a spětí ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních prúněrných měsíčních teplot Pránu tepl. vody v období neveqetaČnim vegetačním 10,1 - 11,9 ■ 19,2 - 20,2 j 20,9 - 22,3 3,5 - 5,5 16,7 - 18,5 • nížinné toky jižní Moravy • ve vegetačním období teploty vyšší o 2,7 °C než sk3 • v nevegetačním období teploty vyšší o 1,1 °C než sk3 • Dyje od Znojma, Jihlava od Pohořelic, Morava na území Slovenska KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU sk5a R O 3 spětí ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maxiirálních průněrných měsíčních teplot Pránu tepl. vody v období neveqetaČnim vegetačním 5a 6,6 - 10,3 /6,6 - 9,2/ ..... , 10,6 - 19,5 /lO,6 - 14,9/ 11,7 - 20,2 /ll,7 - 16,9/ 2,6 - 6,0 /2,6 - 6,0/ 9,1 - 16,4 /9,1 - 14,4/ • úseky toků ovlivněné nádržemi • nemění roční průměr, ale rozdělení teploty během roku • oteplení toku v zimě a ochlazení v létě • v závorce jsou údaje bez nádrží s krátkou dobou zdržení - Brněnská přehrada, případně Štěchovice a Vrané nad Vltavou před výstavbou vltavské kaskády KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU sk5b R o 2 : p ě t í ve °C Skupina průměrné roční teploty vody rozkyvu průměrných měsíčních teplot v roce maximálních průněrných měsíčních teplot Průnu tepl, vody v období nevegetačním vegetačním 5b 8,8 - 13,3 ..... , 14,7 - 20,1 | 17,6 - 24,5 ] 3,3 - 7,7 14,0 - 19,5 | • úseky toků ovlivněné oteplenými odpadními vodami KLASIFIKACE PODLE TEPLOTNÍHO REŽIMU jiné typy • teplotní režim ovlivněný vydatnými podzemními prameny • vyrovnanější teploty v průběhu roku • možné přirovnat k tokům skupiny 5a (ovlivněné nádržemi) • Punkva, Svitava DYNYMIKA V RÁMCI RŮZNÝCH ČASOVÝCH ŠKÁL • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu DYNYMIKA V RÁMCI RŮZNÝCH ČASOVÝCH ŠKÁL amplituda, průměr, degree days časování minim a maxim, překročení prahových hodnot 20 18 16 14 12 P 10 TO O O 8 ra o o. o> 6 4 2 0 -2 -4 I-1-L"-S '-♦-Teplota vody Teplota vzduc hu K- ^- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Měsic Obr. 4.13. Ukázka typického ročního chodu teploty vzduchu a teploty vody (povodí řeky Bečvy po domérnou stanici Dluhonice, období 1980-2006) 50 DYNYMIKA V RÁMCI RŮZNÝCH ČASOVÝCH ŠKÁL denní cyklus minima většinou kolem 8 hod, maxima 17-18 hod (v létě dříve) posun oproti teplotě vzduchu (min. 6-7 hod, max. 13-14 hod) 20.0 _ 17.0 13.0 Svratka - Dalečín (1996) oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo o ^(\i(fo^iJr>cbr^OTCT>o^(\i(fo OOOOOOOOOOt-t-t-t-t-t-t-t-t-t-(M(M(M(M WLVKDTIM DYNYMIKA V RÁMCI RŮZNÝCH ČASOVÝCH ŠKÁL dlouhodobé trendy 17,5 7 TEPLOTA A PROCESY (ABIOTICKÉ A BIOTICKÉ) témata • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu TEPLOTA A PROCESY (ABIOTICKÉ A BIOTICKÉ) LU O samočisticí procesy (rozklad organické hmoty, denitrifikace) kyslíkový režim viskozita vody TO 'i 12 ID S RIVER 5- 10 15 20 TEMPERATURE 21 a. E Viscosity of water at saturation pressure 150 200 Temperature [°C] The Engineering TnnlBox ■'WA« engineeringToOieoj .com Density of Fresh Water 1000 £ 99S £ ů ( 5 10 15 20 25 30 Temperature in Celcius VLIV NADMOŘSKÉ VÝŠKY A ZEMĚPISNÉ ŠÍŘKY témata • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) | • ■ V ■ ď ď V ■ V • XV XV ■ • vliv nadmorské výsky a zemepisne sirky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu VLIV NADMORSKÉ VÝSKY A ZEMEPISNE SIRKY vodní toky • v tropických tocích dochází díky celoročním vysokým teplotám k rozvoji produktivity ve vodách i přilehlých pobřežních systémech • vyšší teploty také podporují rozklad listového opadu na březích (vyšší mikrobiální aktivita) • pokud mikrobi a bezobratlí soutěží o limitované zdroje organické hmoty, zdá se, že v podmínkách tropických toků (vyšší teplota) mají mikrobi kompetiční výhodu Ward (1985) showed, by studying many rivers in the Southern Hemisphere that the thermal regime of rivers was dependent on too many factors to have a clear classification, although a pattern emerged when rivers were classified into 'equatorial', 'tropical' and 'temperate', based on their maximum annual temperature and temperature range. VLIV NADMOŘSKÉ VÝŠKY A ZEMĚPISNÉ ŠÍŘKY teplota vs diverzita Frestata- Biology (1997) 38, 247-261 Structure and diversity of stream invertebrate assemblages: the influence of temperature with altitude and latitude DEAN JACOBSEN,* RIKKE SCHULTZ* AND ANDREA ENCALADAt (0 4) E O o o JQ E 3 35 30 25 20 15 10 5 r =0.74 P<0.001 -r-10 15 20 25 30 Maximum stream temperature (°C) Fig. 2 Significant regressions of insect family richness of stream insects and mean stream width, percentage of gravel and pebble in the substratum and maximum stream temperature tor three regions in Ecuador and one in Denmark. O = streams from the Ecuadorian lowland, □ — streams from the Ecuadorian Central valley, A = streams from the Ecuadorian paramo, and • = the Danish lowland streams. Regression coefficients are provided. VLIV NADMOŘSKÉ VÝŠKY teplota v pramenné oblasti ovlivněna přítoky podzemních vod, zastíněním a úzkým korytem koncentrace C02 vysoká v pramenné oblasti (produkt půdního metabolismu) Running Waters Historical development and restoration ot lowland Danish streams by Kaj Sand-Jensen, Nikolai Friberg & John Murphy {editors} O National Environmental Research Institute, Denmark Published 2006 Figure 3.2 There are systematic changes in mean depth, velocity, light attenuation and temperature along the river continuum from source to outlet. Summer measurements in 2D8 Danish stream reaches illustrate the patterns. Columns sharing a common letter are not significantly different from each other. [Sand-Jensen and Riis, unpubl.]. 0.75 0.5O 0,25 2 $ z O g c m (TJ 4> t- ° 18- U 0-2 2-4 4-6 6-8 >8 Stream width {m} zonace 160- Moming 120- 5 80- O 40 160 í 80 c o Z 40 Afternoon Chlorophyll A / \ / 40 Plants v :-: z a. -20 U E1 E 25- Headwater Weir Lake Mosso Lake Ry Malle Lake Juel Lake Silkeborg Langso Lake Tange Estuaurine- Figure 3.4 River Gudena has many weirs and interspersed lakes. C02 concentrations and macrophyle cover decline downstream during summer, while there is an increase in phytoplankton biomass and temperature. STOJATÉ VODY témata • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu STOJATÉ VODY 600 ____ _ „___ [ \ Annual Max. 400 E o Annua! Min. co o 200 10 20 30 40 Latitude 50 60 70 Fig. 5. Annual maximum and annual minimum irradiance as a function of latitude. Redrawn from Lewis 1987. STOJATÉ VODY klasifikace 6000 7 Density of Fresh Water 1000 70 60 50 40 30 DEGREES LATITUDE 1''1GURI'j 6-7 Schematic arrangement of thermal Jake types with latitude and altitude. Black dots: cold monomictie; black-and-white horizontal bars: transitional regions; horizontal lines: dimictic; crossed lines: transitional regions; vertical lines: warm monomio tic. The two equatorial types occupy the unshaded areas labeled oligomicric and polymictic, separated by a region of mixed types, mainly variants of the warm monom-ictic type {broken vertical lines). (Modified from Hutchinson and Loftier, 1956.) STOJATÉ VODY Lake Victoria 0"5'S Lake Windermere 54'20'N Fig. 6.11 Depth-time diagram of thermal stratification in a tropical lake. Lake Victoria, Uganda. Isotherms are in °C. (Based on Tailing [941].) 74'42'N Fig. 6.14 Depth-time diagram of thermal stratification in a polar lake. Char Lake. Canadian Arctic. Isotherms are in °C. (Based on Schindler et al. [867].) Fig. 6.12 Depth-time diagram of thermal stratification in a temperate lake experiencing a maritime climate, Lake Windermere, English Lake District. Isotherms are in °C. (Based on Jenkin [4801.) Gull lake Ice 10 E 20 30 42'25'N 11 2. Oct Dec Feb Apr Jun Aug Oct Dec Fig. 6.13 Depth-time diagram of thermal stratification in a temperate lake experiencing a continental climate, Gull Lake, Michigan. Isotherms are in "C. (Based on Moss |672|.) STOJATÉ VODY stratifikace 10 20 30 40 Latitude 50 Fig. 7. Temperatures at the top (excluding transient diurnal increases) and bottom of lakes during stratification, shown as a function of latitude. Redrawn from Lewis 1987. STOJATÉ VODY N 24 20 16 12 8 4 0 4 8 12 16 20 24 l/i u t-. u « -a 3 03 -1 9 Pawl o "Ä * Lanao Parakrama / _Samudra * Aswan .Chad Valencia (5 yr) Latitude of Minimal Irradiarice Range Albert Victoria M Edward Kivu % • Tanganyika N'Zilo Bangweulu Solomon 1 Malawi ^ Titicaca Kariba J_L J_L Carioca J-L J_I stratifikace J F M A M J J ASOND Fig. 8. Timing of the annual surface temperature minimum for a selection of tropical lakes in both hemispheres. Data represented by solid dots are from Tailing 1969. Other sources are as follows: Valencia, Venezuela, Lewis 1983b, 1984; Lanao, Philippines, Lewis 1973; Parakrama Samudra, Sri Lanka, Dobesch 1983; Titicaca, Peru/Bolivia, Vincent et al. 1985; Carioca, Brazil, Henry and Barbosa 1989. 1980/81 1979/80 1978/79 1977/78 1976/77 Mixing Season jIaIsIoInIdIjIfImIaImIj Fig. 9. Illustration of regularity in the timing of the seasonal mixing over a 5-year interval for Lake Valencia, Venezuela. Data are from Lewis 1984. In this way, the mixed layer episodically becomes thicker and thinner, even though the water column remains stratified. Another factor that may affect the thickness of the mixed layer is the Coriolis effect (Lewis 1987). For unconstrained water movements, the geo-strophic deflection of water currents moving directly north or south, or with a significant component of movement either north or south, is quite substantial. The effect of this deflection is to reduce the water current velocity that can be generated by a STOJATÉ VODY stratifikace hloubka skočné vrstvy tropické jezero (La na o, Filipíny) mírný pás (Constance - Bodamské jezero) A comparison of mixed layers in a tropical and a temperate lake of similar size (data from Lewis 1973, Hollan et al. 1990). r"" Lake Constance / JUL AUG SEP OCT ' NOV ' DEC ; JAN ' FEB ' MAijt ' APR ' MAY 1 JUN 'JUL ' AUG 'SEP ' OCT 1 1970 1971 STOJATÉ VODY „thermal bars" POVRCHOVÉ VS. PODZEMNÍ VODY témata • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu přehled • podzemní vody mají většinou účinek stabilizující teplotu v tocích • v některých případech však způsobují velkou prostorovou heterogenitu (geotermální vody v Yellowstone) - zvýšení teploty v toku o 12°C (změny ve společenstvech bakterií, řas, bezobratlých a ryb; produkce) • vzhledem k nahodilé lokalizaci přítoků podzemní vody do koryta dochází ke zvýšení prostorové heterogenity fluviálního prostředí vliv teploty na hydrologické poměry • pokles hladiny uprostřed odpoledne souvisí s evapotranspirací • denní kolísání teploty vody způsobuje změny hydraulické konektivity v korytě - výsledkem je kolísání průtoku během dne (rozsah a směr výměny vody mezi podpovrchovými a povrchovými vodami) POVRCHOVÉ VS. PODZEMNÍ VODY POVRCHOVÉ VS. PODZEMNÍ VODY - 20 cm o mod. 20 - 50 cm mod. 50 ----100 cm mod. 100 14 4 ' 1 C-1 June 2000 _i_L 13 12 11 10 9 8 C-1 September 2000 ' _I_I_I_L J_I_I_I-L C-2 June2000 i_I_I_L C-2 September 2000 _I_I_I-1_L C-2 November 2000 _i_i_i_i_L rJL5. Measured and simulated temperatures at depths of 20, 50. and 100 cm within the tk periods. 0 24 48 72 96 120 144 0 24 48 72 96 120 144 hours hours VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY témata • řídící faktory • klasifikace podle teplotního režimu • dynamika v rámci různých časových škál • teplota a procesy (abiotické a biotické) • vliv nadmořské výšky a zeměpisné šířky • tekoucí vs. stojaté vody • povrchové vs. podzemní vody • vlivy na vodní organismy • antropogenní zásahy do teplotního režimu VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY přehled • studenokrevní (poikilotermní) / teplokrevní • eurytermní / stenotermní • limity pro buněčné procesy, metabolismus, vývojové cykly, aktivita/klidová stádia, distribuce VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY denaturace bílkovin (enzymů) nad 40°C termální prameny a chladné oblasti average survival time (d) 400 100 10 Polycelis felina Crenobia alpina Dugesia gonoc&phala Temp. (°C) 10 15 20 25 30 Fig. 31. Average survival time of three species of Turbeilaria as a function of temperature (E. Pattee, 1958) VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY < Inflection / ] point WSKr r ; X-b X+b Y-b Y + b Temperature Figure 4.1 Hypothetical example showing the sigmoid relationship between activity rate and temperature that is often observed for insects. The relative increase or decrease in activity rate associated with two fluctuating thermal regimes having different mean temperatures (i.e. A^and F), but the same magnitude of fluctuation (i.e. ± £>), is demonstrated. Note that when temperature fluctuations are approximately symmetrical around the mean, then fluctuating regime X ± b has a net stimulatory effect on activity relative to a constant regime of X, whereas fluctuating regime Y ± b has a net retardative effect relative to a con-stant regime /'(modified from Pradhan 1945). VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY A: strmý lineární vztah mezi metabolismem a teplotou B: křivka exponenciálního typu (regulation zone, inflextion point, adjustment zone) C: křivka s regulační zónou (plateau) uprostřed mezi dvěma zónami strmého vztahu (adjustment) D: křivka s nízkou variabilitou metabolismu mezi mezními teplotami; plateau ve vyšších teplotách mrrť oxygVh Hydropsyche pelluciduia mm3 oxyg./h 2000 1000 2000 " A 1000 TC Hydropsyche contubernalis - B 10 20 10 mm5 oxyg./h mm3 oxyg./h 2000 1000 2000 Micropterna testacea ■ C 1000 Gammarus pulcx Hydropsyche siltalai ~ D T°C 20 B Gammarus fossarum -poQ 10 20 10 20 Fig. 30. Oxygen consumption as a function of temperature in certain Amphipoda and Trichoptera {C. Roux, 1989) www.mindenpictures.com, VLIVY NA VODNÍ ORGANISMY metabolismus A, B, C - druhy středních a dolních částí toků, tolerující široké rozmezí teplot (eurytermní) nebo vyvíjející se pouze při vyšších teplotách (stenotermní teplomilné); více generací během roku (polyvoltinní) D - stenotermní chladnomilné druhy s jednou generací v roce, případně s životním cyklem delším než jeden rok (semivoltinní) určení teplotního rozsahu tzv. plateau může posloužit k vysvětlení postupného nahrazování navzájem příbuznými druhy během roku plateau Hydropsyche fulvipes > Diplectrono felix když letní teploty přesáhnou 15°C H. fulvipes nahradí D. felix křivky ukazují omezení využití tzv. Q10 (multiplikativní účinek zvýšení teploty o 10°C) Q10 nepostihuje regulační zónu a plateau ANTROPOGENNÍ ZÁSAHY DO TEPLOTNÍHO REŽIMU témata • nádrže - manipulace s kótou odběru/vypouštění; špičkování • vypouštění odpadních vod • vypouštění chladících vod • odběry vody - menší průtok - větší vliv teploty vzduchu • management pobřežní vegetace ANTROPOGENNI ZÁSAHY DO TEPLOTNÍHO REŽIMU regulace toků změny teplotního režimu toku regulovaného dvěma přehradami ANTROPOGENNI ZÁSAHY DO TEPLOTNÍHO REŽIMU regulace toků změny teplotního režimu toku regulovaného dvěma přehradami B wtL1 * Outliers B wtL3 * Outliers B wtL6 * Outliers B wtL7 * Outliers ANTROPOGENNÍ ZÁSAHY DO TEPLOTNÍHO REŽIMU regulace toků vliv hydro-energetického špičkování na denní běh teplot 20.0 19.0 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 : : : : : : : : : oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo ooooooooo ooooooooo oooooooooooo oooooooooooo o o Oi-CMC04ir)(DN000) oooooooooo OT-wn^mcDScomoT-cMn i— -i— i— -i— -i— -i— -i— i— -i— -i— CVICMCVICVI WLVKDTIM co I / 16 15 14 13 12 II 10 T-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-T T I o 0-c- : : T oooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooooooo ooooooooooooo o o o o OT-wn^intDNcofflOi-wn^uiDS OOOOOOOOOOt-t-t-t-t-t-t-t- 00 O) O t- (M co i— i— OJ OJ OJ OJ WLVKDTIM ANTROPOGENNÍ ZÁSAHY DO TEPLOTNÍHO REŽIMU změny klimatu Freshwater Biology Jmhuutrr flu4$y (20 LJ) Mt flUV-AU Descriptors of natural thermal regimes in streams and their responsiveness to change in the Pacific Northwest of North America IVAN ARISMENOI', SHESRI L, JOHNSON', JASON B> DUNHAM' AND ROY HAGGEKTY* (a) natural thermal regime 5 ^ warm-event S5 threshold od $i coId-event w threshold (t>) hypothetized (hermal regime due to a warming climate frequency of warm events dar dB) of the annual minima ^5 percentile of the- degree-days njmulativfl riistrihutinn Fig. 1 Conceptual model and hypotheses, (a) Diagram of a typical thermograph showing examples of descriptors used here and fb) hypothesised changes in the thermograph due to the recent warming dimate.