Možnosti vyrovnání porušené vodní bilance lesními porosty
Karel Kudrna, Marie Šindelářová
Časté diskuse vedené na téma intenzity či extenzity zemědělského a lesního hospodářství, omezení či zvýšení výroby, ponechání části zemědělských půd ladem nebo vymezení části lesů bez hospodářského zásahu apod. jsou výsledkem snah o řešení momentálních ekonomických a ekologických problémů. Avšak tyto diskuse dostávají jinou dimenzi, jestliže pochopíme, že zemědělské a lesní soustavy působí v krajinném prostoru, který je složitou dynamickou soustavou, a který má svoji strukturu tvořenou právě těmito soustavami, jež determinují rovnovážný stav a stabilitu jeho vodní bilance, která je podmínkou jeho progresivního vývoje.
Les – plošný regulátor hydrologického obvodu
Studie Třeboňské a Mydlovarské pánve (Kudrna, 1994) přesvědčivě prokázaly, že kdykoli se v historickém procesu vývoje těchto krajinných prostorů změnil režim podpovrchových vod, ať již v důsledku subsidence či inundace anebo jiných vlivů, vždy to mělo za následek extrémní změny celých ekologických systémů. V práci (Kudrna, Šindelářová, 2003) jsme soustředili pozornost na problém lesů jako plošného regulátoru hydrologického obvodu, s tím, že jsme sledovali celkový výpar a jeho vztah k odtoku. Naše nové práce (Kudrna, Šindelářová, 2004) ukázaly, že je nutno koncipovat rovnici vodní bilance tak, aby byla přesně determinována řídící veličina a vzájemné vztahy jednotlivých složek v mezním stavu. Rozhodující úlohu ve vodní bilanci mají veličiny, které jsme nazvali „zdrojovými“ – transpirace a podpovrchové vody – a „nezdrojovými“ – evaporace a odtok. Systémové analýzy prokázaly, že je to právě transpirace, která - vázána na hsp - je řídicí veličinou vodní bilance a že ve stavu mezní rovnováhy vodní bilance odvozené na základě principů symetrie a invariance (neměnnost, stabilnost) platí: hstr/hsp = (hsev/hso)2.
Mezní stav rovnováhy vodní bilance byl odvozen zařazením charakteristik Planckových vyzařovacích konstant C1 a C2, univerzální konstanty Planckovy a Boltzmannovy, takže rovnice mezního rovnovážného stavu vodní bilance (Mb) byla stanovena:
Podle ní lze srovnávat vodní bilanci jednotlivých povodí. Na základě odvozené rovnice křivky vodní bilance (y = 0,0014 x2 – 0,0371 x + 0,4) se např. prokázalo, že světová vodní bilance pevniny je velmi porušená a že pro transpiraci chybí 75,9 mm (11,31 tis. km3) vody, které přecházejí do výparu, a v pevninské zvodni pak chybí 7,05 tis. km3, které přecházejí do povrchového odtoku.
Vyrovnání vodní bilance pomocí lesů
Lužnice
Proto jsme se pokusili vyrovnat na některých povodích vodních toků vodní bilanci pomocí lesních porostů. Vodogreckij a Gridasova (1974) prokázali na základě mnohaletých a statisticky prokázaných měření celkového výparu z lesů a zemědělských ploch (drnový fond a polní plodiny) pro podrobně vyhodnocené podmínky meteorologické, klimatické, poměr zalesnění povodí apod., jak se mění celkový výpar a jak závisí na hloubce podpovrchových vod a stáří lesních porostů. Zde byl zjištěn koeficient nejvyšší účinnosti u šedesátiletých smíšených a listnatých lesů. Pro hodnocené podmínky jsme stanovili na základě analýz zvýšení celkového výparu z lesů o 21 %. Změnu celkového výparu z drnového fondu a lesů uvádějí i Kantor a Klíma (cit. Švihla 2001). Z jejich měření ve střední Evropě vychází zprůměrovaná hodnota 18,8 %. Proto jsme mohli hodnotu 21 % přijmout. Jako příklad uvádíme analýzu horního povodí Lužnice pro hsp ≥ 10 m a zalesněnost 50–30 % (40,6 %) od soutoku s Nežárkou, tedy 442,05 km2.
O vyrovnání deficitu –104,9 mm jsme se pokusili zvýšením ploch lesů. Vycházeli jsme přitom z hodnot celkového výparu (pole, drnový fond, lesy), z něhož jsme odvodili celkový denní výpar a rovnicí mezní bilance byla stanovena hodnota denní transpirace hstr, která byla rozdělena podle ploch zemědělské a lesní půdy. Celkový denní výpar byl převeden na hodnotu hstr podle rovnice mezní rovnováhy vodní bilance. Celkový objem deficitu transpirace byl přepočítán na plochu lesů a vyhodnocen jako součin denní transpirace a počtu uvažovaných dnů transpirace (8 měsíců, tj. 240 dní).
Volyňka a Blanice
Vyhodnocení jsme provedli i na povodí Volyňky a Blanice v průběhu 110 měsíců, kde jsme statisticky vyhodnotili i závislosti celkového výparu na hs ve srážkově nadnormálních a podnormálních letech. Hodnoty R2 (index spolehlivosti) jsou ve všech případech velmi průkazné: Blanice (nadnormální) 0,83, Volyňka 0,72, Blanice podnormální 0,77, Volyňka 0,50.
Z porovnání skutečné a mezní bilance a vyhodnocení diference jednotlivých veličin jsme vypočítali potřebnou plochu lesů, které by bylo potřeba pro zachycení různého množství ročních srážek.
Lesy tedy mohou za určité delimitace zemědělského a lesního fondu vyrovnat deficit v hstr, podstatně snížit průtoky a přiblížit vodní bilanci jejímu meznímu stavu rovnováhy, při níž by byla stabilní. Situace, kdy došlo k nasycení zvodně, se projevila na vodočtu v ústí Volyňky v poklesu průtoku na 1,56 m3/s (skutečný průtok se lišil 0,43 m3/s). Odchylka na Blanici byla při průtoku 2,74 ještě menší (0,25 m3/s).
Druhová skladba je významný faktor
Nová koncepce mezního stavu rovnováhy vodní bilance se zařazením hstr jako řídicí veličiny dává předpoklady pro objektivní vyhodnocení hydrologie povodí. Výsledky pozorování některých autorů potvrzují přednosti tohoto přístupu. Kantor a Klíma (cit. švihla, 2001) zjišťovali na pahorkatinách střední Evropy celkový výpar, odtok a specifický odtok pro jehličnaté a listnaté (smíšené) lesy. Ze systémového hlediska představuje druhová skladba akční veličinu, která bezprostředně působí na veličinu řídicí (hstr).
Výsledky jsou velmi přesvědčivé. Zatímco jehličnaté lesy vykazují nepatrné odchylky od mezní rovnováhy ve všech složkách, v listnatých lesích jsou tyto odchylky velké. Jehličnaté lesy vytvářejí podmínky pro dosažení rovnovážného stavu vodní bilance na pahorkatinách, a proto platí:
(pro všechny hodnoty průměrných srážek platí, že transpirace podstatně vyšší než evaporace vyvolává objem podpovrchových vod větší než odtok).
Změna druhové skladby listnatých (smíšených) lesů jako akční veličiny, která působila na veličinu řídicí, vyvolala i značnou změnu ve vodní bilanci, charakterizovanou vysokým odtokem, a vztahy mezi členy bilance se obrátily:
(pro všechny hodnoty průměrných srážek platí, že transpirace podstatně nižší než evaporace vyvolává objem podpovrchových vod menší než odtok).
Výsledky autorů tak potvrdily možnosti, které přináší rovnice mezního stavu rovnováhy vodní bilance, a rovněž skutečnost, že jehličnaté lesy na pahorkatinách jsou schopny vytvořit podmínky pro dosažení mezního stavu. Zadrží ve zvodni v tomto případě 16,8 % vody, zatímco listnaté lesy 8,89 %, což se projevilo i ve zvýšení specifického odtoku o 1,78 l.s-1.km-2, tj. o 47,7 %. Vzhledem k dalším hydrogeomorfologickým studiím, které byly v této souvislosti vypracovány, docházíme k závěru, že řešení krajinného prostoru z hlediska dosažení rovnovážného stavu vodní bilance a vytváření zdrojů vody je bez teritoriální restrukturalizace nemyslitelné.
Zjištěné výsledky byly získány s finanční podporou grantu MSM 6007665806.
Adresa autorů:
Prof. Ing. Karel Kudrna, DrSc.
Kamýcká 937
165 00 Praha 6 Suchdol
Ing. Marie Šindelářová, CSc.
Zemědělská fakulta Jihočeské univerzity
Studentská 13
370 05 České Budějovice
e-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.