(Psáno jako školní práce v rámci studia na FŽP ČZU.)
Proč se zabývat hydrologickou bilancí? Dle mého názoru je toto téma zajímavé zejména v kontextu doby. Žijeme v počátcích 21. století a jedním z nejvýznamnějších témat dneška, bezpochyby oprávněně, jsou změny klimatu. Dosud si živě vybavuji, kdy jsem se o tomto trendu, resp. o „skleníkovém efektu“, dozvěděla poprvé. Vyprávěla nám o něm paní učitelka ve čtvrté třídě, kreslíce přitom schéma celého procesu na tabuli před námi. S údivem lze sledovat, jak málo se situace v tomto směru zlepšila, zejména při vědomí, že od zmíněné chvíle ve škole uplynulo už skoro 30 let a učitelka, shodou okolností ze stejné ulice, kde jsem v té době žila já, už dávno není mezi námi. Změny klimatu jsou naopak stále palčivější.
Co s tím vším má vlastně společného hydrologická bilance? Mnohé! Žijeme v České republice, kde jsou (a zřejmě i budou) jedním z prvních a aktuálně nejožehavějších dopadů klimatických změn periody sucha, případně přívalových dešťů provázených následnými povodněmi. Posledních několik let jsme svědky vysychajících studní i suchých period dopadajících na zemědělskou úrodu. Vedle toho můžeme pozorovat změnami klimatu umocněné plošné odumírání smrkových monokultur, které „uhlíkový příspěvek“ naší země do atmosféry dále zhoršuje, neboť takto poškozené lesy se namísto propadu skleníkových plynů stávají jejich zdrojem. Ze sucha a z možností zadržování vody v krajině se dnes stává oblíbené téma státní správy (a to nejen ministra životního prostředí R. Brabce), médií i odborných konferencí (minulý měsíc např. konference Jak zadržet vodu v krajině na ČZU). Právě hydrologická bilance může být užitečným nástrojem, který nám toto téma umožní lépe uchopit.
Co to vlastně je, hydrologická bilance?
Zjednodušeně řečeno, hydrologická bilance daného území (zpravidla určitého povodí, případně regionu) vyjadřuje, kolik vody na území za určitou dobu přibude a kolik z něj naopak odchází pryč, resp. kolik vody v území po určité době zůstává. Hydrologická bilance má v teoretické rovině formu rovnice, která zahrnuje všechny části pevninského hydrologického cyklu pro dané území:
Pokud budeme uvažovat v rámci povodí, bude započítat vstupy vody na dané území v podobě srážek (P) a přítoků půdní a podzemní vody (GWin). Pokud bychom uvažovali v rámci regionu (tj. nikoli pouze v rámci uzavřeného povodí), započítali bychom mezi vstupy ještě povrchový přítok (SWin).
Na druhé straně voda z daného území také odchází, a to jednak v podobě evaporace (vypařování) a transpirace (voda vylučovaná rostlinami), dohromady zkráceně jako evapotranspirace (ET), a dále ve formě povrchového odtoku (SWout) a odtoku podzemních vod (GWout).
Pokud od sebe tyto dva pohyby vody daným územím odečteme (vstupy mínus výstupy), dostaneme hodnotu zvanou zásoba vody (S) daného území. Celá rovnice pak může vypadat např. takto:
(P + GWin) − (ET + SWout + GWout) = ∆S
*) ∆S zde označuje změnu stavu vodní zásoby za dané období, pro které bilanci počítáme.
Hydrologickou bilanci lze počítat i pro jednotlivé dílčí části prostředí, např. pro povrch povodí, pro podzemní vodu či např. pro intercepční zásobu (tj. pro vodu zadrženou na povrchu rostlin či jiných předmětů, např. na povrchu stromů v lese, která už se nedostává na zemský povrch). Tyto dílčí kalkulace mají své bilanční „rovnice“ samozřejmě náležitě upravené. My ale zůstaňme u základního tvaru bilanční rovnice a podívejme se na to, jak nám tento teoretický nástroj může posloužit v praxi.
Aplikace teorie hydrologické bilance v praxi
Možná nejsem sama, koho při studiu této teorie napadlo, že to zní sice hezky, ale jak je vlastně reálně možné změřit v praxi například přítoky a odtoky podzemních vod? Literatura nám napoví!
Výsledná bilance povodí je vyjádřena na základě odhadu středních hodnot jednotlivých složek rovnice, které se odhadují nejčastěji dlouhodobými aritmetickými průměry. Pokud na území nenastaly žádné výrazné změny, které by výrazně změnily charakter povodí, je často předpokládáno, že celková bilance vody je dlouhodobě vyrovnaná, tj. změna stavu vodní zásoby v dlouhodobé perspektivě (∆S) je rovna 0. A dále, „je možné zavést zjednodušující předpoklad vyrovnanosti přítoku a odtoku podzemní vody“ (Máca, 2014).
Zkusme se tedy vyzbrojení teorií podívat na to, jak lze hydrologickou bilanci využít coby praktický nástroj nejen ke sledování změn klimatu a jejich dopadů v krajině!
Hezkým a praktickým nahlédnutím do problematiky byl v nedávné době například článek Je hydrologická bilance lesních povodí ovlivňována více klimatickými, nebo vegetačními faktory? v časopise Ochrana přírody (číslo 6, 2020). Jeden z autorů, prof. Jakub Hruška, převyprávěl v lednu 2021 tentýž příspěvek rovněž v rámci výše zmíněné konference Jak zadržet vodu v krajině (viz video záznam).
Výzkum vodní bilance v povodích projektu GEOMON
Hruška představuje výzkum malých lesních povodí GEOMON, v jehož rámci s kolegy dlouhodobě sledují hydrologickou bilanci vybraných území. Jedná se o malá povodí porostlá převážně smrkovými hospodářskými lesy v nadmořských výškách od 450 m n. m. po horské polohy s průměrnou nadmořskou výškou 760 m n. m. V nich sledují určité části vodního cyklu, zejména podkorunové srážky a odtoky, a dlouhodobě sbíraná data následně interpretují v kontextu probíhajících změn klimatu.
Transpiraci (ztrátu vody rostlinou) odhadují jako rozdíl mezi vodou dopadající na povrch půdy a odtokem z území a vyčíslují ji na 320 +/- 60 mm za rok. (Autoři upozorňují, že údaj zahrnuje i přímou evaporaci z půdy.)
Celkový objem srážek dopadajících na sledovaná území odvozují s využitím známých dlouhodobých dat, podle kterých je intercepce (tj. srážky, které zůstanou zachyceny na rostlinách a nedopadají na zem) v našich smrkových lesích zhruba 240 mm za rok.
Evapotranspiraci (celkový fyziologický i fyzikální výpar z území) pak vyčíslují v průměru na 60 % ročních srážek, číselně 510 +/- 90 mm za rok. Měří ji jako rozdíl mezi srážkami a odtokem.
V kontextu změn klimatu upozorňují autoři na fakt, že s rostoucí průměrnou teplotou se nároky na transpiraci zvyšují, a to o 40 mm ročně s každým 1°C průměrné roční teploty navíc. (Viz. předchozí obrázek, zdroj: Hruška et al., 2021.)
Zajímavá data přinesla autorům zejména suchá epizoda v letech 2014 – 2019. Odtoky ze sledovaných území se snížily o 42 %, ale srážky klesly pouze o 14 % oproti referenčnímu období před dvaceti lety. Co se naopak zvýšilo, byla průměrná teplota sledovaných území, konkrétně o 1,4 stupně oproti dlouhodobým průměrům. Z toho lze vyvodit závěr, že na vině klesajících průtoků je větší měrou spíše zvýšený nárok na evapotranspiraci rostlin v důsledku zvýšených teplot ovzduší než (v tomto případě klesající) úhrn srážek. Další zajímavý poznatek přinesl výzkum stejných podmínek v různých nadmořských výškách. Vzrůstající transpirace byla totiž pozorována zejména v lesích v nadmořských výškách nad 600 m n. m. V nižších polohách v této době naopak poklesla, neboť teplotní (klimatické) nároky na transpiraci (potenciální evapotranspirace) už byly vyšší, než množství vody dostupné v krajině. (Viz. následující obrázek, zdroj: Hruška et al., 2021.) V důsledku toho byla transpirace dokonce nižší než obvykle, rostliny už zkrátka „neměly kde brát“ a v důsledku toho docházelo k oslabení a chřadnutí porostů v těchto nadmořských výškách.
Ve výše zmiňované přednášce na toto téma dává Hruška toto chřadnutí do souvislosti s následující kůrovcovou kalamitou postihující často především smrkové porosty ve zmíněných nižších nadmořských výškách.
Závěry zde citované studie, zejména s ohledem na predikce budoucího průběhu klimatických změn, jsou jednoznačné: přizpůsobit lesní hospodaření prioritně v nižších polohách strukturální proměnou lesů. Směs druhů s různými korunami stromů umožní snížit intercepci (tj. více srážek „propadne“ skrz vegetaci na povrch, případně steče po kmenech stromů, kde např. u buků je tato hodnota již znatelná, oproti smrkům, kde je dle autorů stékání vody po kmenech zanedbatelné). Díky variabilní hloubce kořenové zóny budou mít také lesy snazší přístup k podzemní vodě. A vodnímu cyklu, či vodní bilanci, by prospěla rovněž revitalizace toků, jejich niv a obnova mokřadů, tedy zásahy, které by zpomalily odtok vody z krajiny a zlepšily zásobení podzemních vod. I v suchých letech by tak rostliny měly ve zhoršených podmínkách z čeho brát. Podobné zásahy by mohly naší (v kontextu studie především té zalesněné) krajině pomoci v letech nadcházejících vyšších teplot a zvýšených nároků na vegetaci.
Závěr
Pro mě byla citovaná studie velmi zajímavým příkladem toho, jak lze v praktickém výzkumu vztáhnout teoretický koncept vodní bilance na velmi aktuální téma a dokonce jej využít k praktickým a plošně uplatnitelným doporučením nejen pro budoucí hospodářskou správu lesů.
Osobně mě zaujaly zejména dva postřehy, které v těchto souvislostech prof. Hruška učinil. V článku upozorňuje (a výzkumem dokládá), že zadržení vody v krajině neznamená stavění velkých přehrad, neboť v našem zájmu je nejen rezervoár vody pro účely našeho pití a lidské spotřeby, nýbrž i zachování zdravého vegetačního pokryvu. To v následujících dekádách umožní pouze kvalitní doplňování podzemních vod vsakováním, tj. je třeba podporovat vsakování vody do půdy napříč krajinou.
Druhý postřeh se týká v posledních letech často skloňované představy, že vodní bilanci krajiny zlepšíme vysazováním stromů. Tedy zkratkovitá představa „vysadíme stromy a tím zastavíme sucho“. I tu Hruška a jeho výzkum vyvrací jako mylnou. Jak říká, stromy mohou růst pouze tam, kde je voda. A kde není voda, tam vzniká savana.
Zdroje
MÁCA, Petr. Hydrologie pro bakaláře. Praha : ČZU, 2014. s. 20-29.
HRUŠKA, J.,; OULEHLE, F.; LAMAČOVÁ, A. Je hydrologická bilance lesních povodí ovlivňována více klimatickými, nebo vegetačními faktory? Ochrana přírody. 2020, roč. 75, č. 6, s. 2-6. ISSN 1210-258X.
HRUŠKA, J.,; OULEHLE, F.; LAMAČOVÁ, A. Je hydrologická bilance lesních povodí ovlivňována více klimatickými, nebo vegetačními faktory? In Jak zadržet vodu v krajině : elektronická konference. [online]. Praha: ČZU, 2021. Dostupné z WWW:
Monitoring malých lesních povodí GEOMON [online]. Praha : Česká geologická služba. Dostupný z WWW: <http://www.geology.cz/geomon/o-projektu>