Vliv evapotranspirace na mokřady

Evapotranspirace (ET) je obecně důležitou součástí vodního cyklu. Mokřad jako zamokřené území s hladinou podzemní vody (HPV) blízko povrchu je prostředím, kde je voda dobře dostupná pro vegetaci. Zatímco v půdě dochází k primární ET, v mokřadu se vypařuje vyvěrající podzemní voda nebo přitékající povrchová voda, která už jednou (primární) ET prošla.

Mokřad je prostředím, kde je voda pro vegetaci dobře dostupná, dochází zde proto k intenzivní evapotranspiraci (ET) blížící se hodnotě potenciální ET. V budoucnu lze navíc očekávat vyšší intenzitu ET kvůli pozorovanému nárůstu teplot souvisejícímu s klimatickou změnou.

Je tak třeba uvažovat vliv ET nejen při plánování revitalizací, počítání vodní bilance, v hydrologických modelech, ale měl by být brán v potaz i v legislativě, např. v souvislosti s konceptem minimálního zůstatkového průtoku nebo minimální hladiny podzemní vody. Dle platné legislativy je během suchých období omezován umělý odběr vody tak, aby byl zajištěn minimální zůstatkový průtok.

Při vysokých teplotách je však možné, že spotřeba vody ET bude tak vysoká, že nebude možné dodržet minimální zůstatkový průtok (minimální hladinu) ani v případě, že budou jakékoli další umělé odběry vody zastaveny, protože mokřadní a poříční vegetace je schopná vypařovat podzemní vodu okolo vodního toku [2].

Cílem příspěvku je shrnout hlavní dosavadní výzkum v oblasti ET mokřadů a ukázat, že ET mokřadů je důležitým tématem a že i ve střední Evropě je potřeba ET uvažovat a brát ohled na aktuální poznatky. V první - teoretické - části je zpracována rešerše článků věnujících se vlivu ET v mokřadu.

Čtěte také: Klimatické stávky studentů

Rešerše článků věnujících se vlivu ET v mokřadu

ET mokřadů byla intenzivně zkoumána již v minulém století, ale zároveň jde i v současnosti o aktuální a řešené téma. Publikované články lze rozdělit do několika skupin, které budou v dalších odstavcích rozebírány podrobněji. První skupina článků detailně zkoumá vliv ET na kolísání HPV. Další skupina sleduje vztah mezi ET a průtokem vodního toku. Jiná skupina kombinuje pozorované kolísání HPV s kolísáním průtoku v drobném vodním toku protékajícím skrze mokřad.

Vztah mezi ET mokřadu a kolísáním HPV

Vztah mezi ET mokřadu a kolísáním HPV sledoval už White v roce 1932 [1]. Pozoroval, že vlivem ET je HPV přes den níže než v noci. Vzniká tím pravidelné kolísání HPV v rámci dne (diurnální kolísání). Typický průběh diurnálního kolísání je dobře popsán např. Obr. 1. White [1] vytvořil metodu, jak na základě diurnálního kolísání určit velikost ET v denním kroku. Princip metody znázorňuje obr. 2. Na vertikální ose je výška HPV, na horizontální ose čas. Pro daný den Grec ukazuje lineární extrapolaci očekávaného vývoje HPV pro případ, kdyby nebyla snižována ET. Extrapolace je prováděna na základě vývoje hladiny v noci mezi půlnocí a čtvrtou hodinou ranní, protože v této části dne lze ET považovat za zanedbatelnou. ∆S reprezentuje změnu zásob podzemní vody za den (tedy změnu hladiny mezi půlnocí aktuálního a předešlého dne).

Limity a chování Whiteovy metody byly detailně zkoumány např. s pomocí numerických simulací v článku Loheide [6] z roku 2005. Za nejvýraznější zdroj chyby byla označena nejistota při určování storativity (specific yield). Storativita 2 % znamená, že pokud v horninovém prostředí poklesne hladina o 1 m, bylo z horninového prostředí odebráno stejně vody, jako kdybychom z volného prostředí (např. Někteří autoři přinesli jiné postupy určování ET z kolísání HPV. Gribovszky v roce 2008 [4] vytvořil modifikaci původní Whiteovy metody vedoucí ke zpřesnění výpočtu. Jinou metodu nabídl např. Loheide v článku rovněž z roku 2008 [7]. Carlson Mazur v roce 2014 [5] poté vytvořila modifikaci umožňující její využití pro větší rozpětí přírodních podmínek. Různé metody výpočtu ET z kolísání HPV jsou diskutovány v článku Fahle a Dietrich z roku 2014 [8].

Významným posunem byl také článek Malamy z roku 2010 [9]. Ten odvodil analytické řešení popisující, jak se ET (zadaná jako vstupní „řídící funkce“) projeví na kolísání HPV (obr. 3). Z řešení Malamy [9] vyplývá i několikahodinové zpoždění maxima a minima HPV oproti chodu slunce, které bylo předtím v terénu pozorováno např. Gribovszkým [4]. Odvozené analytické řešení lze použít dvěma směry - z naměřeného diurnálního kolísání HPV při znalosti hydraulických parametrů modelovat ET, nebo zpětně z diurnálního kolísání HPV při znalosti ET odvozovat hydraulické parametry prostředí. V článku Malamy byl vytvořený model použit na naměřené diurnální kolísání HPV, čímž byla získána informace o ET, hydraulické vodivosti a změnách hladiny řeky (obr. 3).

Vztah mezi ET a kolísáním průtoku ve vodním toku

Následující skupina článků se věnuje přímo vztahu mezi ET a kolísáním průtoku ve vodním toku. Někdy byl vztah posuzován v regionálním měřítku, příkladem je článek Daniela z roku 1976 [10]. Tento příspěvek se věnoval vztahu mezi ET ze zvodně a průtokem v blízkém vodním toku a bylo v něm popsáno analytické řešení, které je možné využít ve srážkoodtokových modelech a modelech HPV. Dalším příkladem je článek Whittenberga z roku 1999 [11]. Jiné články ke vztahu mezi ET a průtokem přistupovaly v měřítku povodí. Příkladem je Zecharias [12] používající v článku z roku 1988 konceptuální model pro popis vztahu mezi odtokem a zvodní.

Čtěte také: Česká stávka za klima

Kombinace kolísání HPV a sledování vodního toku protékajícího mokřadem

Další skupina článků řeší kolísání HPV způsobené ET, ale přidává k tomu i sledování vodního toku protékajícího mokřadem. Částečně by se sem dal přiřadit dříve zmíněný článek Gribovszkého [4], jehož hlavním přínosem bylo vylepšení metod pro výpočet ET z kolísání HPV, ale zmiňoval i vztah s kolísáním hladiny potoka. Dalším příkladem je Yeh [14], který v článku z roku 2008 v regionálním měřítku sledoval vodní bilanci půdy a využíval k tomu řadu 19 let pozorování měsíčních odtoků, úrovně HPV a půdní vlhkosti.

Vztah mezi vlhkostí půdy a kolísáním průtoku ve vodním toku poté detailně zkoumal v článku z roku 2011 Moore [15], a to v experimentálním lese HJ Andrews v západním Oregonu. Došel k zajímavému výsledku, že pro všechny časové škály vlhkost půdy velmi dobře koreluje s množstvím vody aktuálně protékajícím v potoce.

Komplexní zkoumání ET mokřadů

Nejkomplexněji je ET mokřadů zkoumána v článcích, jež sledují průtok ve vodních tocích, případně i kolísání HPV, ale k tomu zahrnují i nezávislé měření transpirace vegetace, např. skrze měření mízního toku stromů (sap flow). Tyto články lze rozdělit do dvou skupin podle lokality. První skupinou jsou články z Arizony. Tvoří součást rozsáhlého mezinárodního programu SALSA (Semi-Arid-Land-Atmosphere), který byl zaměřen na environmentální změny způsobené člověkem v semiaridních oblastech [16].

ET ze zamokřených území podél vodních toků (riparian zone) tvoří důležitou složku vodní bilance, a byla proto v rámci projektu intenzivně zkoumána různými metodami [17], např. byla metodou mízního toku (sap flow) měřena transpirace vrb a topolů a hodnoty byly porovnány s velikostí ET nepřímo odvozenou z vodní bilance [18]. Transpirace porostu odvozená z měření mízního toku odpovídala hodnotám naměřeným za pomoci Ramanova lidaru a byla použita pro kalibraci koeficientů v Penman-Monteithově metodě výpočtu ET. Na základě metody Bowenova poměru byla také určována ET travin.

Druhou skupinu tvoří články z Oregonu (experimentální les HJ Andrews). Důležité poznatky přináší článek Bond z roku 2002 [19], kde byl měřen průtok vodního toku a sledována korelace s naměřenými hodnotami mízního toku ve vegetaci. Z naměřených dat bylo odvozováno, kolik vody bylo ET spotřebováno a z jak širokého pásu okolo potoka ET probíhala.

Čtěte také: Studentská stávka za klima v Česku

Zajímavým příspěvkem z Oregonu je článek Wondzella z roku 2007 [20], kde bylo detailně zkoumáno zpoždění mezi denním chodem ET a kolísáním průtoku v potoce. Bylo zjištěno, že doba zpoždění závisí na rychlosti toku vody v potoce, přesněji rychlosti šíření hydraulického pulzu korytem. Pokud voda v potoce tekla rychle, konstruktivně se skládal vliv vegetace z různých částí mokřadu. Tím byl původní diurnální signál znásoben. Oproti tomu, když voda v potoce proudila pomalu, vliv vegetace z různých míst mokřadu se skládal destruktivně (vzájemně se rušil) a původní diurnální signál byl tlumen.

Dalším příspěvkem z Oregonu je Barnardův článek z roku 2010 [21]. Cílem bylo popsat vztah transpirace a podpovrchového odtoku. Za tímto účelem byl na vybrané malé ploše měřen podpovrchový odtok z půdy, vlhkost půdy a transpirace stromů. Rovněž bylo provedeno umělé zavlažení a sledován průběh změn, které způsobilo. Bylo zjištěno, že zpoždění diurnálního kolísání vůči ET závisí na vlhkosti půdy.

Z oblasti Oregonu také pochází zajímavý článek Grahama z roku 2013 [22] vypovídající o tom, jak častým jevem je diurnální kolísání způsobené ET. Bylo sledováno 15 různých povodí a výsledky byly porovnávány s měřeními mízního toku.

Současný stav poznání

Evapotranspirace v prostředí mokřadů patří i v současnosti mezi intenzivně zkoumaná témata, což vedlo v posledních 20 letech k výraznému posunu v pochopení. Diurnální kolísání HPV způsobené ET se ukazuje jako jev spojený s mnoha povodími, jak ukázal např. Graham ve svém článku z roku 2013 [22]. Pro výpočet ET z kolísání HPV byly vytvořeny modifikace původní klasické Whiteovy metody, např. metoda Gribovszkého z roku 2008 [4]. Od původních pozorování a popisu se výzkum posunul až k modelování a odvozování analytických vztahů.

Ve vztahu ET a kolísání HPV je příkladem článek Malamy z roku 2010 [9], pro vztah mezi ET a kolísáním průtoku vodního toku článek, který publikoval Fonley v roce 2019 [13]. V literatuře lze rovněž najít komplexní projekty kombinující pozorování diurnálního kolísání s nezávislým stanovením ET jinými metodami, např. pomocí měření mízního toku stromů.

Obecně je možné aktuální stav shrnout do tří následujících bodů.

• Zaprvé to je obrovský posun poznání, který nastal od původních pozorování změn hladiny nebo průtoku v mokřadu.
• Zadruhé jde o skutečnost, že navzdory tomuto obrovskému posunu v poznání je stále potřebné provádět měření v různých lokalitách. Tato měření využívající stále se vyvíjející technologii pomohou ověřit či doplnit hydrologické modely [13].
• Třetím a velmi důležitým bodem je nutnost převést tyto již získané poznatky do obecného povědomí odborníků, kteří se věnují praktické činnosti související s hydrologií a ekologií a kteří mohou přenést nové poznatky do běžné praxe. Jde o důležitý krok navazující na předchozí výzkumný posun, který je však nezbytný pro to, aby byly aktuální poznatky zohledňovány v běžné praxi.

Praktická demonstrace vlivu ET na mokřad

Na provedenou rešerši navazuje praktická demonstrace vlivu ET na mokřad na západě české křídové pánve. Bylo sledováno kolísání HPV a odtoku z malého mokřadu na drobném přítoku v horním povodí Liběchovky. Bylo prokázáno, že i v těchto podmínkách lze pozorovat diurnální kolísání HPV způsobené ET.

Měření bylo prováděno v mokřadu v horní části povodí Liběchovky (obr. 5). Jde o součást hydrologického rajonu 4522 Křída Liběchovky a Pšovky. Byla zvolena taková lokalita, aby lokální podmínky nebránily projevům ET. Mokřadem protéká drobný vodní tok (Soví potok), jehož hlavním zdrojem vodnosti je podzemní voda z kvádrových pískovců; rychlý odtok je zanedbatelný. Vodní tok má proto vyrovnaný průtok, na němž se může dobře projevit vliv spotřeby vody ET.

Jako praktická demonstrace vlivu ET v mokřadu byla sledována úroveň HPV a vlhkost půdy. Současná etapa navázala na předchozí měření stejných autorů [25] ze druhé poloviny léta 2022, kde bylo prokázáno, že diurnální kolísání HPV ve sledovaném mokřadu je způsobeno ET a projevuje se v teplých dnech bez deště. Pro zpracování byla využita měření od začátku roku 2024 do 9. září 2024.

Polohu nově vybudovaných piezometrů popisujících prostorovou variabilitu HPV v mokřadu ukazuje obr. 6. Piezometr s pracovním názvem LI2 zachycuje situaci uprostřed dolní části mokřadu, blízko zkonstruovaného přelivu. Centrální oblast mokřadu reprezentuje piezometr Střední mokřad. Piezometr Boční mokřad popisuje okraj mokřadu, kde je terén 2 m nad dnem údolí. Dle charakteru vegetace jde však v tomto místě ještě stále o mokřad s HPV blízko pod povrchem, což naznačuje, že z této strany do mokřadu přitéká podzemní voda. Odpovídá tomu i jílová vrstva, jež se v tomto místě nachází v hloubce okolo 60 cm pod terénem, a může tak tvořit málo propustnou vrstvu, po níž voda stéká. Další oblast přítoku do mokřadu reprezentuje piezometr s pracovním označením U Studá...

V první (rešeršní) části práce byly články rozděleny do několika skupin podle toho, zda vycházely ze zkoumání kolísání hladiny podzemní vody (HPV), sledování průtoku vodního toku ovlivněného mokřadem, či z měření transpirace stromů nebo kombinace různých metod. Je tak ukázáno, kam se od původních pozorování kolísání HPV, např. ve Whiteově článku z roku 1932 [1], posunul současný výzkum.

Ve druhé (praktické) části práce bylo v mokřadu v horním povodí Liběchovky (mírné klima, západ české křídové pánve) sledováno kolísání HPV v letním období roku 2024. V mokřadu byly instalovány čtyři piezometry reprezentující různé části mokřadu. Z naměřených dat byla vybrána období, ve kterých po několik dní docházelo k výraznému diurnálnímu kolísání HPV. Šlo o osm období o délce tří až 14 dní.

Kolísání se projevovalo ve všech sledovaných částech mokřadu, maxima a minima HPV nastávala v různých místech mokřadu v podobný čas, lišily se pouze amplitudy kolísání. Nejlépe bylo diurnální kolísání HPV patrné ve střední oblasti mokřadu (ve vrcholném létě dosahovala amplituda až 14,5 cm). Jako doplňující informace o podmínkách v mokřadu byla změřena vlhkost půdy v různých hloubkách na podzim a v létě.

Bylo pozorováno, že se půdní profil mění mezi různými, i několik metrů vzdálenými místy, což je způsobeno dynamickou činností protékajícího vodního toku. Vlhkost písčitých vrstev (okolo 40 %) se výrazně lišila oproti vlhkosti jílovito-prachovitých vrstev (kde se pohybovala většinou mezi 70 a 80 %). Ukázalo se také, že půda v mokřadu je v celém profilu velmi blízko saturovanému stavu, a to jak na podzim, kdy neprobíhá významnější ET, tak i během léta. To znamená, že malé množství přidané/spotřebované vody stačí, aby způsobilo výrazný vertikální pohyb HPV, a tudíž může být lépe patrné diurnální kolísání HPV.

Pro osm vybraných období, v nichž po několik dní docházelo k výraznému diurnálnímu kolísání HPV, byla na základě tohoto kolísání Whiteovou metodou [1] vypočtena průměrná ET sledovaného mokřadu v horním povodí Liběchovky jako 20 l ∙ s-1 ∙ km-2.

tags: #stavka #viditelnym #oznacenim #ekologie

Oblíbené příspěvky:

• Příroda: Svlékání vážky
• Literatura a medialita
• Udržitelnost v každodenním životě
• Třídění ABS Plastů
• Praktické rady pro zimní odstávku