VLIV LESA NA UTVÁŘENÍ ODTOKU PŘI PŘÍVALOVÝCH A DLOUHOTRVAJÍCÍCH DEŠTÍCH

Ing. Jiří Krešl, CSc. - Fakulta lesnická a dřevařská MZLU Brno

Máme-li hodnotit vliv lesa na utváření odtoku, posuďme nejprve vlastní proces utváření odtoku při přívalových a dlouhotrvajících deštích v malém povodí, jímž rozumíme (VEN TE CHOW) povodí s plochou, při níž jeho citlivost na deště s velkou intenzitou krátké doby trvání a na způsob obhospodařování půdy není potlačena charakteristikami průtočné kapacity koryta.

UTVÁŘENÍ ODTOKU V MALÉM POVODÍ

U malého povodí se uplatňuje na utváření odtoku v plné míře charakter povodí, jeho geofyzikální vlastnosti a způsob obhospodařování. V našich podmínkách lze za malé povodí považovat ono, u něhož doba koncentrace tk = 120 min. (tj. horní hranice nejčastější doby trvání přívalových dešťů), což odpovídá ploše povodí 15-45 km2. Velikost má význam pro pravděpodobnost jeho zasažení přívalovými dešti: podle Früglinga či Kehra (DUB, O.) ve vzdálenosti 1,0 km od jádra deště činila jeho intenzita 84-95 %, ve vzdálenosti 3,0 km (plocha povodí 28,3 km2) již jen 79-89 % a ve vzdálenosti 6 km (113 km2) pouze 61-66 % hodnoty maximální intenzity ve středu uvažovaného území kruhového tvaru. Nejvyšší intenzity přívalových dešťů v ČR byly zjištěny (TRUPL, J.) u meteostanice Tišnov, nejmenší u stanice Klatovy.

O velikosti odtoku v zájmovém profilu určitého malého povodí rozhodují vedle úhrnu, intenzity a doby trvání deště i geofyzikální vlastnosti povodí, především faktory ovlivňující retenci srážek, tj. intercepce vegetačního krytu, povrchová akumulace půdy a vsak, dále pak sklon a drsnost povrchu půdy ovlivňující rychlost odtoku především nesoustředěného svahového a tím i dobu koncentrace spolu s geometrickými vlastnostmi povodí, uspořádáním a hustotou vodní sítě. Na povrchovém odtoku, který rozhodující měrou ovlivňuje vznik vodních přívalů, se podílí jen část deště, tzv. efektivní déšť - HSe, jehož velikost stanovíme podle vztahu:

HSe = HSt- Re - Wt - HEt (mm) /1/

HSt - úhrn přívalového deště za dobu t (mm),

Re - retence (mm),

Wt - velikost vsaku za dobu t (mm), přičemž zanedbáváme vzhledem ke krátké době trvání (několik hodin) jevu výpar HEt.

Velikost okamžitého průtoku na konci časového úseku t můžeme pak určit podle vztahu:

Qt = k x is x Sp (m3/s) /2/

is - intenzita efektivního deště (mm/min.)

is = HSe x t-1 (mm/min) /3/

HSe - vypočteme podle rovnice č. 1,

t - doba trvání v min.,

k - rozměrový součinitel: při is v mm/min.,

t - v min., ploše povodí Sp v km2: k = 16,67.

Největší hodnota průtoku v zájmovém profilu daného povodí je dosažena v okamžiku, kdy do něho doteče srážková voda z relativně nejvzdálenějšího místa povodí. Tuto dobu, kdy právě odtéká srážková voda zájmovým profilem z celého povodí, nazýváme dobou koncentrace - tk. Z geneze průběhu odtoku při přívalových deštích vyplývá, že jeho max. hodnota je dosažena v případě, kdy intenzita deště je vyšší než intenzita vsaku (i ≥ wi) a doba trvání deště je větší nebo rovna době koncentrace (T ≥ tk). Vzhledem k tomu, že intenzita efektivního deště (i intenzita deště) klesají s dobou trvání deště, je hodnota max. průtoku Qt při t = tk tím větší, čím v daném povodí je kratší doba koncentrace a na jeho tvorbě se může podílet větší plocha povodí. Proto o velikosti odtoku rozhoduje i rychlost svahového odtoku, resp. rychlost postupu srážkové vody k zájmovému profilu.

Klíčovým faktorem utváření odtoku při přívalovém dešti je vsak, který rozhoduje o retenci, tím o velikosti efektivního deště a o tom, zda bude srážková voda odtékat pomalu půdou, či rychle povrchově. Při dlouhotrvajících deštích s dobou trvání několika dnů, s velmi malou intenzitou, zasahující území o rozloze několika stovek až tisíců km2, se uplatňuje na velikost odtoku doba trvání deště a rychlost postupu srážkové vody k zájmovému profilu. Velikost povodí, které se podílí na odtoku, je tím větší, čím více roste doba trvání deště a jí odpovídající doba koncentrace.

Při deštích v době od 20 hod. 4. 7. do 10 hod. 9. 7. 1997, tj. se 110 hodinovým trváním, celkové množství srážek činilo 250-580 mm a jejich intenzita dosahovala výrazně nižších hodnot (0,0014-0,185 mm/min) než při přívalových deštích a blížila se spíše hodnotám hydraulické vodivosti půdy. V tomto případě se veškerá srážková voda převádí vsakem do půdy až do jejího nasycení, kdy je vyčerpána její retenční kapacita, která je plně závislá na fyzikálních vlastnostech půdy. Po jejím naplnění pak intenzita efektivního deště se rovná intenzitě deště a velikost odtoku podle vztahu č. 2 by činila při is = i = 0,10 mm/min. a při ploše povodí Sp = 1 km2 - 1,67 m3/s, při Sp = 100 km2 - 167 m3/s a při Sp = 5000 km2 již 8350 m3/s. Pro srovnání podle HMÚ pro profil Odry v Bohumíně při Sp = 4662 km2 činí Q100 = 1600 m3/s.

VLIV LESNÍCH POROSTŮ NA ODTOK

Lesní porosty se uplatňují při tvorbě odtoku tím, že významně zvyšují retenci srážek, tím snižují velikost efektivního deště a přispívají k retardaci odtoku. Ve svých korunách zadržuje podle věku, druhu a zakmenění při dešti po dosažení jeho úhrnu 20-25 mm při zakmenění 10: smrkový (sm) 60 letý porost v průměru 5,1 mm (max. 6,3 mm), 60 letý borový (bo) porost 3,0 mm (max. 3,9 mm) a bukový 60 letý porost (bk) 3,5 mm (max. 4,1 mm). Přitom 20 letý sm porost zadrží 65 %, bo 88 %, bk 56 %, 100 letý sm porost pak 87 %, bo 84 % a bk 89 % hodnot intercepce 60 letých porostů. Pro zajímavost uvádím hodnoty intercepce pro ostružiník 2,6 mm, borůvku 1,2 mm a biku hajní 2,9 mm (MOLČANOV A. A.).

Po dopadu srážek na povrch půdy, který je tvořen v lese převážně hrabankou, jsou zadržovány pokryvným humusem, mechorosty nebo lišejníky úměrně jejich mocnosti a době trvání deště. Velikost zadržení srážek pokryvným humusem se pohybuje (KREŠL, J.) při jeho mocnosti 1,5-6,0 cm u sm porostu 1,5-5,5 mm, v průměru 3,5 mm, u bo 2,0--3,5 mm, v průměru 2,5 mm a u bk při mocnosti 7,0--10,0 cm 7,5 mm; mechová pokrývka s mocností 5,0-15,0 cm může zadržet 10,0 mm. Při dlouhodobém zavlažování (20 hod. a více) se tyto hodnoty zvětšují u sm na 17 mm, bo na 9 mm a u mechorostů na 15 mm. Uvedené hodnoty intercepce a povrchové akumulace, které se významně podílejí na celkové vodní bilanci porostů (zvyšují celkový neproduktivní výpar), nemohou však svojí velikostí podstatně ovlivnit utváření odtoku. Rozhodujícím činitelem, který ovlivňuje utváření odtoku v lesních porostech, je vsak. O jeho velikosti rozhoduje mocnost, neporušenost a forma nadložního humusu, druh a vlhkost půdy. U lehčích - písčitých půd je rozdíl v infiltraci v lese a bezlesí vyšší než u půd těžších. Zvýšená velikost vsaku se projevuje během prvních 30 min, kdy se jeho intenzita pohybuje od 1,0 do 3,0 mm/min. a jeho úhrn činí 30-90 mm; pak klesá na 0,3-2,0 mm/min., tj. na 18-120 mm v dalších 60 min. Různá kvalita lesních porostů, především druhová skladba, ovlivňuje infiltraci nepřímo - tvorbou nadložního humusu (jeho složení a kvalitu). MAŘAN, B. a LHOTA, O. potvrdili optimální vliv smíšených porostů při svých měřeních odtoku při umělém zadešťování v Beskydech, kdy nejvyšší odtok zjistili v bukovém nesmíšeném porostu s nahromaděným listím bez rozloženého humusu: zde odtok činil na svahu se sklonem 54,6 % při intenzitě deště 50 mm/hod. 4,85 m3/s/km2, ve sm porostu (IV. věk. tř., sklon 49 %) 1,3, u smíšeného porostu (bk, jd, sm, IV. věk. tř., sklon 73 %) 0,5, u smíšeného porostu (bk, jd, sm, IV. věk. tř., sklon 79 % s plným zatravněním při zakmenění 2-5) 2,90 m3/s/km2. S věkem porostu infiltrace roste úměrně mocnosti nadložního humusu. Naopak snížení zakmenění umožňující výskyt travního porostu jej snižuje.

Můžeme tedy konstatovat, že v lese v průměru činí: intercepce HSR = 5,0 mm, povrchová akumulace HSP = 7,0 mm a vsak W = 60 mm. Celková retence v zalesněném povodí může činit v průměru 70 mm i více. Lze tedy předpokládat, že řádně obhospodařovaný lesní porost může během prvních 30 min. trvání deště zadržet a převést do půdy veškerou srážkovou vodu (z přívalového deště) vyskytující se s pravděpodobností dosažení či překročení jednou za sto let. Je si nutno však uvědomit, že vsáklá voda není vyloučena trvale z odtokového procesu, že převedením vody do půdy se eliminuje povrchový odtok s rychlostí odtoku v = 0,1--3,0 m/s a nastává podpovrchový odtok s rychlostí v = 0,01-0,1 m/s, resp. půdou s rychlostí v = 10-6--10-5 m/s. Tím lesní porosty výrazně prodlužují dobu koncentrace a zvyšují pravděpodobnost, že tato nepřevýší dobu trvání deště a že se na odtoku nebude podílet celá plocha povodí. Lesní porosty a lesní půda jsou tedy významným retardačním faktorem při utváření odtoku při přívalových deštích.

Při dlouhotrvajících deštích s intenzitou menší, než je intenzita vsaku, se nemůže uplatnit vliv různé kvality lesního porostu ani lesní půdy a v prvních hodinách deště je rozhodujícím činitelem pouze retenční kapacita půdy. U dlouhotrvajících dešťů s malou intenzitou se prodloužení doby koncentrace v zalesněném povodí i o 100 min. nemůže projevit na průběh odtoku při době trvání deště několik hodin.

Nepříznivě se na retenční kapacitu lesních půd projevuje rozrušování nadložního humusu a hutnění půdy při těžbě a soustřeďování dříví. Obdobně nepříznivě se projevuje i cestní síť, která zkracuje délku nesoustředěného odtoku, snižuje vsak i povrchovou akumulaci a zářezy převádí podpovrchový odtok na povrchový a tím urychluje odtok.

ZÁVĚR

Lesní porosty jsou významným a nezanedbatelným faktorem při utváření odtoku zvláště při přívalových deštích. Přes více než 150 leté studium hydrického vlivu lesa zůstává však stále řada otázek, jejichž vyřešení by přispělo k aktivnějšímu ovlivňování působení lesa na utváření odtoku při přívalových deštích. Především stále nedostatečné je u lesních půd poznání vsaku jako rozhodujícího činitele vlivu lesa na odtok. Postrádáme o něm znalosti v rozhodujících oblastech republiky. V tomto směru by jako první krok mohl posloužit průzkum nadložního humusu (mocnosti jednotlivých vrstev H, A1, L, F, jeho forem - mull, moder, mor, kompaktnosti - zhutnělosti či zplstnatělosti, posouzení hydrologické kvality půdy) v rámci venkovního šetření při vypracování lesních hospodářských plánů. Nezbytné je i aktivnější uplatňování požadavků při pěstování lesů na úpravu druhové skladby porostů při vytváření smíšených porostů a na ovlivňování tvorby nadložního humusu.

LITERATURA

DUB, O., 1963: Hydrológia, hydrografia, hydrometria. SVTL Bratislava, 526 s.
KREŠL, J., 1965: Příspěvek k objasnění vodohospodářské funkce lesa. Habil. práce, VŠZ Brno, strojopis 1285 s.
KREŠL, J., 1986: Vodohospodářská funkce lesa. FOLIA, řada A, VŠZ Brno, 53 s.
MAŘAN, B., LHOTA, O., 1956: Povrchový odtok v lese a bezlesí. Sborník ČSAZV - Lesnictví, Praha 1956 /3/: 161-192.
MOLČANOV, A. A., 1960: Gidrologičeskaja rol’lesa. IANSSSR, Moskva, 485 s.
TRUPL, J., 1958: Intenzity krátkodobých dešťů v povodích Labe, Odry a Moravy. VÚV Praha, 76 s.
VEN TE CHOW, 1964: Handbook of Applied Hydrology. New York, 1415 s.