SÚHRN

V tejto štúdii sa autori zaoberali vplyvom klimatickej zmeny na hydrologický režim a odtok vo vybranom povodí na Slovensku. Cieľom výskumu bol taktiež odhad zmien v lesných spoločenstvách pri zmene klímy na odtokové procesy v danom povodí. Použili sa dva scenáre zmeny využitia krajiny s lesnými spoločenstvami a dva globálne scenáre zmeny klímy. Scenáre zmeny využitia krajiny boli vytvorené pre celé územie Slovenskej republiky na Technickej univerzite vo Zvolene. Na tento výskum boli tiež použité výstupy z regionálnych modelov zmeny klímy Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI) a Max-Planck-Institut (MPI) – oba s emisným scenárom A1B. Za predpokladu týchto scenárov boli charakteristiky hydrologického režimu simulované distribuovaným zrážkovo-odtokovým modelom WetSpa. Na základe výsledkov výskumu je možné odhadnúť, že teplota vzduchu by sa mala zvyšovať, najmä v zimnom období, čo by mohlo mať za následok menšiu akumuláciu snehu a zvýšený odtok v povodí. Povodie rieky Hron sa prejaví zvýšením priemerných mesačných prietokov, najmä počas jesenných a zimných mesiacov. Môže to byť spôsobené vyššími teplotami a skorším topením snehu v tejto oblasti. Vidíme však, že v dôsledku zmeny klímy bude odtok v letnom období reagovať opačne. V porovnaní so súčasným stavom sa predpokladá, že dôjde k nárastu extrémov odtokového režimu v zimnom období a poklesu v letnom a jesennom období. Klimatické modely naznačujú zmenu v rozložení atmosférických zrážok, čo môže mať za následok nárast povodní, obdobia sucha a iných extrémnych poveternostných javov.

ÚVOD

Environmentálne zmeny (vrátane zmien vo využití krajiny a klimatickej zmeny) a ich vplyv na vodné zdroje sú aktuálnymi témami nedávnych vedeckých štúdií [1–3]. Priame alebo nepriame vplyvy využitia krajiny a zmeny klímy na hydrologický režim nepochybne prispeli k problémom, akými sú sucho a nedostatok vody, čoraz častejšie prívalové povodne a škody spôsobené masívnym odlesňovaním.

Zrážkovo-odtokové modely sa často používajú ako nástroj na hodnotenie vplyvov klimatickej zmeny a zmeny využitia krajiny na hydrologický cyklus. Zatiaľ čo výstupy z modelov zmeny klímy možno použiť v koncepčných zrážkovo-odtokových modeloch, na simuláciu vplyvu zmeny využitia krajiny na odtok v povodí sú potrebné modely s priestorovo rozčlenenými parametrami.

Klimatické zmeny spôsobené stúpajúcimi koncentráciami skleníkových plynov v atmosfére môžu ovplyvniť hydrologický cyklus a vývoj zloženia lesov. Predpokladaný nárast skleníkových plynov znamená zmenu v minimálnych a maximálnych hodnotách teploty vzduchu, potenciálnej evapotranspirácii a v množstve úhrnu zrážok [4].

V strednej Európe sa na simuláciu odtokových procesov v zmenených podmienkach využitia krajiny a klimatickej zmeny použilo mnoho rôznych hydrologických modelov, ako napríklad model WetSpa [5–7]; SWAT [8]; MIKE SHE [9, 10]; TUW [11]. Tento článok nadväzuje na už publikované články [7, 12] a využíva taktiež výstupy z globálnych a regionálnych modelov, scenárov klimatickej zmeny a rôznych koncepčných či distribuovaných hydrologických modelov na Slovensku [7, 12–15].

Cieľom tohto príspevku je zhodnotiť vplyv klimatickej zmeny a zmeny využitia krajiny na režim odtoku vo vybranom povodí, kde simulácia budúcich zmien v odtokových procesov je založená na výstupoch z regionálnych klimatických modelov (RCMs) KNMI a MPI. Povodie rieky Hron bolo vybrané ako pilotné povodie pre účely tohto výskumu.

ZÁUJMOVÉ ÚZEMIE

Hron je ľavostranným prítokom Dunaja, jeho povodie sa nachádza na strednom Slovensku. Povodie sa rozprestiera pozdĺž dlhej hlavnej rieky s početnými kratšími prítokmi. Pre túto štúdiu bola vybraná horná časť povodia so záverečným profilom vo vodomernej stanici Banská Bystrica ako reprezentujúce povodie pre horské regióny na Slovensku. Povodie má rozlohu 1 775 km2, minimálna nadmorská výška povodia je 332 m n. m., maximálna nadmorská výška je 2 042 m n. m. a priemerná nadmorská výška je 842 m n. m. Poloha povodia horného Hrona je znázornená na obr. 1.

Obr. 1. Poloha povodia horného Hrona
Fig. 1. Location of the Upper Hron river basin in Slovakia

Povodie horného Hrona sa nachádza v chladnej, vlhkej až veľmi vlhkej klimatickej oblasti, priemerná ročná teplota vzduchu sa pohybuje medzi 4 °C a 5 °C. Júl je najteplejším mesiacom, pričom priemerná mesačná teplota vzduchu osciluje medzi 14 °C a 16 °C. Január je naopak najchladnejší mesiac, kedy sa priemerná mesačná teplota pohybuje od –4 °C až –6 °C. Povodie horného Hrona ukazuje pomerne dobre zachovaný prirodzený režim odtoku.

MATERIÁL A METÓDY

SCENÁRE ZMENY VYUŽÍVANIA KRAJINY A KLIMETICKEJ ZMENY

Scenáre využitia krajiny boli vytvorené pre celé územie Slovenskej republiky Technickou univerzitou vo Zvolene a publikované v Atlase krajiny SR [16]. Následne boli programom ArcGIS modifikované a kategorizované pre potreby zrážkovo-odtokového modelu WetSpa. Scenáre využitia územia (zmeny zloženia lesov) pre časový horizont 2075 boli vytvorené na základe predpokladu zmeny klímy podľa globálnych cirkulačných modelov GCM a prírastkových modelov vytvorených v rámci NKP (Národný klimatický program).

V prípade scenárov zmeny klímy boli použité výstupy z modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry, holandského KNMI a nemeckého MPI (oba s emisným scenárom A1B). Regionálne modely KNMI a MPI predstavujú detailnejšiu integráciu dynamických rovníc atmosférickej a oceánickej cirkulácie v sieti uzlových bodov vo vzdialenosti 25 × 25 km, pričom okrajové podmienky riešenia rovníc preberajú z výstupov globálneho modelu ECHAM5. V priestore Slovenska majú modely KNMI a MPI až 19 × 10 uzlových bodov (spolu 190) a celkom reálnu orografiu s dobrým vyjadrením všetkých pohorí s väčším horizontálnym rozmerom ako 25 km. Vybrané regionálne modely majú vo výstupoch denné hodnoty viacerých klimatologických prvkov od roku 1951 s predikciou do roku 2100. Uvedené modely a ich výstupy boli vybraté na základe podrobnej analýzy 20 rôznych modelov, z ktorých bolo 15 RCMs a 5 GCMs.

Výstupy RCM charakterizujúce zmeny klímy pre budúce desaťročia boli rozdelené do 30-ročných časových horizontov (2011–2040, 2041–2070, 2071–2100), pričom horizonty 2025, 2055 a 2085 predstavujú stredy týchto periód.

ZRÁŽKOVO-ODTOKOVÝ MODEL

Model WetSpa je zrážkovo-odtokový model, ktorý simuluje tak odtok ako aj prietok v povodí, v tomto prípade v dennom časovom kroku [17]. Dostupnosť priestorovo distribuovanej množiny údajov (digitálny model reliéfu, pôdne druhy a využitie krajiny) v spojení s GIS umožňuje modelu WetSpa vykonávať priestorovo distribuované výpočty. V tejto štúdii boli použité vstupné údaje v dennom kroku v období rokov 1981–2010. V modeli boli použité nasledovné hydrometeorologické údaje: denné úhrny zrážok z bodových meraní na 15 staniciach a priemerné denné hodnoty teploty vzduchu z 5 klimatologických staníc. Hydrologické údaje pozostávali z priemerných denných prietokov v záverečnom profile Hron – Banská Bystrica.

Kalibračné obdobie v tomto prípade predstavuje rozpätie rokov 1981–1995. Cieľom kalibrácie zrážkovo-odtokového modelu WetSpa bolo pre každé vybrané povodie určiť globálne parametre modelu, pri použití ktorých bude dosiahnutá najlepšia zhoda medzi meranými a simulovanými priemernými dennými prietokmi v záverečnom profile povodia. V modeli je použitých 12 globálnych parametrov, ktoré je nutné kalibrovať. Zvolený koeficient v tejto práci Nash – Sutcliffe [18] ako optimalizačné kritérium je vhodný najmä na minimalizáciu rozdielov v priemerných hodnotách a celkovej bilancii.

Tab. 1. Dlhodobé priemerné mesačné hodnoty teploty vzduchu a úhrnu zrážok za referenčné obdobie (1981–2010) a zmeny ich hodnôt [v °C, mm] pre budúce 30-ročné časové horizonty 2010–2100 v povodí rieky Hron
Tab. 1. Long-term mean monthly values of an areal air temperature and precipitation of the reference period (1981–2010) and the changes in their values [in °C, mm] for the future time horizons of 30 years from 2010–2100 in the Hron river basin

 

VÝSLEDKY

Pomocou globálne kalibrovaných parametrov modelu WetSpa a výstupov z klimatických scenárov KNMI a MPI bola vykonaná simulácia hydrologického odtoku v záverečnom profile pre budúce časové obdobia do roku 2100. Ako referenčné obdobie bolo zvolené 30-ročné obdobie od roku 1981 do roku 2010.

Na mape súčasného využitia krajiny (obr. 2) tvorí orná pôda 6 % a nízka tráva 24 % z celkovej plochy povodia. Tri druhy lesov zaberajú nasledovný percentuálny podiel z celkovej plochy: ihličnatý (coniferous) (36 %), listnatý (deciduous) (17 %) a zmiešaný (mixed) les (13 %). Ostatné kategórie využitia krajiny zaberajú len nízke až zanedbateľné percentuálne hodnoty. Najväčšiu rozlohu plochy povodia vykazoval ihličnatý les. V prvom scenári zmeny využitia krajiny dominuje listnatý les (36 %) a zmiešaný les (17 %). V porovnaní so súčasným stavom vzrástla plocha listnatého lesa, celková plocha lesa však v porovnaní so súčasným stavom klesla. Táto zmena v zložení lesa môže mať vplyv na zvýšenie evapotranspirácie a odtoku, naopak sa zníži podiel intercepcie, teda schopnosť zadržať vodu v povodí. V druhom scenári dosahuje plocha listnatého lesa iba 9 %, pričom plocha zmiešaného lesa sa zvýšila na 44 %. Medzi scenármi a súčasným stavom je teda možné vidieť určité rozdiely v zložení lesa. Plocha listnatého lesa by sa mala zväčšiť, naopak ihličnatý les by sa mal najmä v dôsledku globálneho otepľovania presúvať do vyšších nadmorských výšok.

Obr. 2. Súčasný stav a scenáre zmeny využitia krajiny v povodí rieky Hron
Fig.2. Current land use and land use change scenarios in the Hron river basin

Z výsledkov klimatických scenárov môžeme konštatovať, že je možné očakávať zmenu priemerného mesačného odtoku v analyzovanom povodí rieky Hron. Taktiež je možné vidieť súvislosti so zvýšením dlhodobého odtoku, ktorý má lineárny vzťah s nárastom priemerných zrážok v budúcich desaťročiach. V povodí Hrona sa prejaví nárast priemerných mesačných hodnôt odtoku najmä počas jesenných a zimných mesiacov. Bude to platiť pre oba scenáre a všetky horizonty (okrem horizontu 2025 v klimatickom scenári MPI). Podľa scenára KNMI (obr. 3) môže odtok v januári a februári v poslednom horizonte dosiahnuť 100% nárast. Dôvodom môžu byť vyššia priemerná denná teplota vzduchu a s tým spojené skoršie topenie snehu v tejto oblasti. Na druhej strane je zjavne viditeľné, že vplyvom klimatickej zmeny bude odtok v letnom období reagovať opačne. Podľa scenára KNMI bude mesačný odtok v mesiacoch máj až august postupne klesať o 2 % až 40 %. Podobnú situáciu možno očakávať pri klimatickom scenári MPI (obr. 4); rozdiel je možné vidieť len v horizonte roku 2025, kde by došlo k zvýšeniu odtoku oproti referenčnému obdobiu. V jesennom období možno očakávať zvýšenie odtoku v oboch scenároch v porovnaní s hodnotami odtoku v referenčnom období.

Obr. 3. Porovnanie dlhodobého priemerného mesačného odtoku medzi scenárom zmeny klímy KNMI a referenčným obdobím
Fig. 3. Comparison of the long-term mean monthly runoff between the KNMI climate change scenario and the current state
Obr. 4. Porovnanie dlhodobého priemerného mesačného odtoku medzi scenárom zmeny klímy MPI a referenčným obdobím
Fig. 4. Comparison of the long-term mean monthly runoff between the MPI climate change scenario and the current state

DISKUSIA A ZÁVER

Z prezentovaných výsledkov je možné usúdiť, že klimatické scenáre KNMI aj MPI dávajú podobné prognózy v budúcich desaťročiach. Predpovedajú všeobecný nárast úhrnu zrážok, počítajú s vyššími úhrnmi zrážok od septembra do apríla a menšími od mája do augusta. Teplota vzduchu by sa mala zvýšiť najmä v zimnom období, čo by mohlo mať za následok menšiu akumuláciu snehu a zvýšený odtok z povodia v zimných mesiacoch. Zatiaľ čo obdobia sucha by mohli byť častejšie, vyznačujúce sa nízkym úhrnom zrážok a nízkym odtokom. Očakáva sa, že najvýraznejšie ovplyvnená zmenou klímy bude evapotranspirácia. Obdobia sucha môžu byť prerušené výdatnými zrážkami alebo silnými búrkami s intenzívnymi zrážkami, pričom počet dní s búrkami oproti súčasnému množstvu (výskyt 15–30 dní v letnom období) by sa meniť nemal, ale výskyt extrémnych zrážkových udalostí bude vyšší.

Klimatické modely naznačujú zmenu v rozložení atmosférických zrážok, zmenu frekvencie a intenzity extrémnych prejavov počasia. Predpokladá sa oveľa nerovnomernejšie rozloženie úhrnov zrážok v priebehu roka ako aj v jednotlivých regiónoch Slovenska. Vývoj v rozložení atmosférických zrážok bude úzko korešpondovať aj s vývojom odtokového režimu na Slovensku.

V nadväznosti na podobne publikované práce spomenuté v úvode je možné konštatovať, že výsledky korešpondujú s týmito publikáciami. V spomínaných elaborátoch boli skúmané rôzne povodia na Slovensku. Trend vplyvu klimatickej zmeny a zmeny vo využití krajiny na odtokové procesy je zrejmý.

Na základe výsledkov modelovaného povodia Hrona a výsledkov v citovaných publikáciách je pravdepodobné, že veľkosť vplyvu klimatickej zmeny a zmeny využitia krajiny bude platiť aj pre zvyšok územia Slovenska.

Meniace sa klimatické podmienky sa môžu prejaviť aj ako pretrvávajúce znižovanie potenciálu povrchových a vodných zdrojov, čo by sa malo brať do úvahy aj pri plánovaní a hospodárení s vodnými zdrojmi v budúcnosti.

Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná projektom EIG JC2019-074 “Soil Eco-Technology to Recover Water Storage in disturbed Forests” a projektom “VEGA 2/0155/21”.

 

Příspěvek prošel lektorským řízením.