ABSTRAKT
Výstavba jezů na řekách ovlivňuje dynamiku hladiny podzemních vod. Jez vybudovaný na řece Slaná v roce 2010 mezi obcemi Abovce a Chanava přinesl možnost studovat tento vliv díky již existujícím monitorovacím vrtům podzemních vod Slovenského hydrometeorologického ústavu. Pro ověření vlivu vybudovaného jezu na dynamiku podzemních vod v této oblasti byly použity záznamy týdenních dat za období 1986–2018. Dále bylo provedeno prostorové vymezení ovlivněných území pomocí geografických informačních systémů a byly použity techniky prostorové interpolace. Výsledky ukázaly, že bezprostředně po vybudování jezu hladina podzemních vod výrazně stoupla.
ÚVOD
Výstavba jezů a dalších přehrazení vodních toků je vzhledem k účinnosti vodního hydroenergetického potenciálu ve světě běžnou praxí. V první dekádě 21. století bylo postaveno několik malých vodních elektráren prakticky na všech hlavních slovenských povodích (Váh, Slaná, Orava, Poprad, Nitra, Hron, Hornád) [1]. Podnětem byla změna energetického mixu Slovenské republiky z převážně uhlíkových na obnovitelné zdroje [2]. Ostatní environmentální i hydrologické aspekty navrhovaného energetického řešení však nebyly ve fázi krajinného plánování dostatečně zohledněny [3]. Tento fakt byl prokázán v aktualizovaném strategickém dokumentu Ministerstva životního prostředí Slovenské republiky sníženým počtem říčních profilů, které by mohly být potenciálně využity pro budoucí říční jezy [4].
Pokud by však měl být proces plánování budoucích říčních jezů přijatelný z hlediska životního prostředí, je nutné založit schvalovací proces na vědeckých souborech dat a na informacích, které jsou veřejně prezentovány.
Příspěvek se zabývá dynamikou podzemních vod v povodí Slané ovlivněné říčním jezem vybudovaným v roce 2010 u obce Abovce (jihovýchodní Slovensko). Vzhledem k tomu, že Slovenský hydrometeorologický ústav nepřetržitě zaznamenává hladiny podzemních vod před a po výstavbě jezu devíti monitorovacími vrty, je článek vhodným příspěvkem umožňujícím nahlédnout do dynamiky podzemních vod ovlivněné výstavbou jezu.
Obecným cílem této studie bylo popsat a kvantifikovat vliv vybudovaného jezu na hladinu podzemní vody pomocí přímo naměřených dat z monitorovacích vrtů podzemních vod. Specifickými dílčími cíli jsou:
1) odhadnout vliv stavby jezu na hladinu podzemních vod nejbližších monitorovacích vrtů,
2) určit prostorový vliv stavby jezu na hladinu podzemních vod v kvartérním útvaru podzemní vody řeky Slaná (SK1001100P).
MATERIÁLY A METODIKA
Tato studie byla provedena v povodí řeky Slaná na Slovensku. Řeka se nachází v jižní části středního Slovenska a pramení ve Stolických vrších. Slaná je středohorská řeka s dešťovo-sněhovým režimem odtoku. Jez vybudovaný v roce 2010 na řece Slaná se nachází mezi obcemi Abovce a Chanava, 10 km jižně od města Tornaľa (obr. 1) na říčním kilometru 4,7. Má maximální využitelný spád 3,2 m a zachycuje povodí o rozloze 1 821 km2. Účel jezu je hydroenergetický s instalovaným výkonem 0,5 MW.
Obr. 1. Lokalizace studovaného povodí a jezu u Abovců; obrázek vlevo nahoře znázorňuje lokalizaci povodí v rámci Slovenské republiky
Fig. 1. Localization of the studied watershed and weir near Abovce village; the Upper left figure depicts watershed localization within the Slovak Republic
Podzemní voda pod jezem patří do útvaru podzemní vody SK1001100P (obr. 2). Je charakterizována jako tvorba mezikrystalové zvodně aluviálních sedimentů řeky Slané a jejích přítoků. Vybraná část vodního útvaru SK1001100P má rozlohu 81,5 km2. Vodní kolektor je tvořen převážně fluviálními sedimenty s některými dalšími sedimenty daleko výše proti proudu, především z aluviálních a terasových štěrků, písčitých štěrků, písků a proluviálních sedimentů, které se vyznačují vysokými průtoky [5, 6]. Slovenský hydrometeorologický ústav provozuje v dotčeném útvaru podzemních vod státní pozorovací síť, z níž jsme pro tuto studii vybrali devět monitorovacích vrtů (obr. 2). Tyto monitorovací vrty jsou uvedeny v tab. 1.
Obr. 2. Vybraná část kvartérního útvaru podzemní vody (GWB) řeky Slané (SK1001100P); GWB se skládá z fluviálních sedimentů (88 %), ostatních nečleněných sedimentů a hornin (7 %), chemických sedimentů (2 %) a eolických sedimentů (3 %) [6]; měřicí objekty (vrty) jsou označeny červeným bodem a číslem objektu podle databáze Slovenského hydrometeorologického ústavu
Fig. 2. Quaternary groundwater body (GWB) of the Slaná river (SK1001100P); GWB consists of fluvial sediments (88 %) and other unconsolidated sediments and rocks (7 %), chemical sediments (2 %) and aeolian sediments (3 %) [6]; measuring objects (wells) are marked with a red dot and object number according to the Slovak hydrometeorological institute database
Tab. 1. Lokalizace monitorovacích vrtů (objektů) použitých ve studii
Tab. 1. Localization of the monitoring wells (objects) used in the study
Byly použity datové sady nadmořské výšky hladiny podzemní vody s týdenním měřením a vyhodnoceno pět časových období. Celé časové období použité ve studii trvalo od roku 1986 do roku 2018 a obsahuje 1 670 týdenních záznamů. Dlouhé období před stavbou jezu (1986–2009, 1 200 týdenních záznamů) je ve studii označeno jako „Před 2“, kratší období před stavbou jezu (2002–2009, 417 týdenních záznamů) jako „Před 1“, stejné časové období po výstavbě jezu (2011–2018, 418 týdenních záznamů) je ve studii pojmenováno jako „Po 1“ a kombinace období (2002–2018, 887 týdenních záznamů) je pojmenována „Před 1 + Po 1“.
Údaje jsou uspořádány do hydrologických let (listopad až říjen), nikoli do let kalendářních. Soubor dat byl nejprve testován na normální distribuci pomocí Shapirova-Wilkova testu [7], poté byla porovnána časová období. Údaje o ročním mediánu byly testovány na přítomnost a směr trendů Mannovým-Kendallovým testem [8] a homogenita dat Pettittovým testem [9], Standardním testem normální homogenity (Standard normal homogeneity test, SNHT) [10] a Buishandovým testem [11] s hladinou významnosti 0,05 a hladinou spolehlivosti 95 %.
Pro interpolaci rozdílu hodnot mediánu hladiny podzemních vod pro časová období 1986–2009 a 2011–2018 byla použita metoda GIS prostorové interpolace SPLINE (obr. 5).
VÝSLEDKY
Změny hladiny podzemní vody po výstavbě jezu u obce Abovce
Podrobné změny hladiny podzemní vody byly studovány na dvou monitorovacích vrtech (2918 – Abovce, 917 – Chanava) nejblíže jezu v Abovcích. Jelikož se však monitorovací vrt 2918 – Abovce nachází pouze 416 metrů nad zvýšeným jezem, uvádíme podrobnou statistiku hladiny podzemní vody na tomto monitorovacím místě v tab. 2.
Tab. 2. Statistická charakteristika hladiny podzemní vody pro měřicí objekt 2918 – Abovce; hodnoty jsou v nadmořské výšce hladiny podzemní vody v metrech nad mořem [m n. m.]; období „Před 2“ představuje celé dostupné období sledování hladiny podzemní vody před stavbou jezu, „Před 1“ označuje 7 let dlouhé období před výstavbou jezu, stejně jako „Po 1“ představuje stejně dlouhé období po výstavbě jezu, „Před 1 + Po 1“ označuje období 7 let před a 7 let po stavbě jezu
Tab. 2. Statistical characteristics of groundwater levels for measuring object 2918 – Abovce; values are in groundwater level elevation in meters above sea level [m a.s.l.]; period “Before 2” represents the whole available monitoring period of groundwater level previous to weir construction, “Before 1” represents 7 year long period previous to weir construction,as well as “After 1” represents the same long period after the weir construction; “Before 1+After 1” represents a period of 7 years before and 7 years after the weir construction
Při aplikaci hodnot mediánu a časově shodných sedmiletých intervalů („Před 1“ a „Po 1“) je patrné zvýšení hladiny podzemní vody až na 1,08 m. Výrazný nárůst byl zaznamenán také u maximálních a minimálních hladin podzemních vod. Tab. 3 uvádí všechny hodnocené objekty a vypočítaný rozdíl mezi časovými obdobími „Před 1“ a „Po 1“. Z hodnocení rozdílu vodních hladin je zřejmé, že výstavba jezu ovlivnila nejbližší monitorovací vrty. Nejvíce jsou postiženy objekty 2918 – Abovce a 917 – Chanava. Jejich vzdálenost od jezu je 416 metrů u objektu 2918 – Abovce a 3 036 metrů u objektu 917 – Chanava.
Tab. 3. Přehled rozdílů mediánu, maxima a minima mezi časovými obdobími „Před 1“ (2002–2009) a „Po 1“ (2011–2018) pro všechny měřicí objekty použité ve studii (zobrazeno na obr. 2); hodnoty v rozdílu hladin podzemní vody jsou v metrech
Tab. 3. Overview of difference in median, max, and min between time periods “Before 1” (2002–2009) and “After 1” (2011–2018) for all measuring objects used in the study (depicted in Fig. 2); values are in groundwater level difference in meters
Na obr. 3 a 4 jsou všechny týdenní průměrné údaje o hladině podzemní vody naměřené v nejvíce postižených objektech. Vliv říčního jezu na hladinu je patrný na obou stanicích. Červená čára na obr. 3 a 4 znázorňuje dynamiku nárůstu hladiny v roce 2010, kdy byla dokončena výstavba jezu. Je zřejmé, že hladina podzemní vody stoupla ihned po výstavbě jezu a zůstala vyšší ve srovnání s referenčním obdobím 1986–2009 v obou monitorovacích vrtech.
Obr. 3. Rozdíl týdenních záznamů hladin podzemní vody v období „Před 2“ (období 1986–2009 před výstavbou jezu) a „Po 1“ (období 2011–2018 po výstavbě jezu) na měřicím objektu 2918 – Abovce (vzdálenost jezu 416 m); červená tečkovaná čára znázorňuje zvýšení hladiny podzemní vody v roce 2010, kdy byl jez dokončen, hnědá čára ve výšce 155,3 m n. m. představuje výšku terénu
Fig. 3. Difference of the weekly records of the groundwater levels in the period “Before 2” (period 1986–2009 before the construction of the weir) and “After 1” (period 2011–2018 after the construction of the weir) on the measuring object 2918 – Abovce (distance 416 m of the weir); the red dotted line depicts the increase of the groundwater level in 2010 when the weir was accomplished; brown line at 155.3 m a.s.l. represents ground
Obr. 4. Rozdíl týdenních záznamů hladin podzemních vod v období „Před 2“ (období 1986–2009 před výstavbou jezu) a „Po 1“ (období 2011–2018 po výstavbě jezu) na měřicím objektu 917 – Chanava (vzdálenost jezu 3 036 m); červená tečkovaná čára znázorňuje zvýšení hladiny podzemní vody v roce 2010, kdy byl jez dokončen, hnědá čára ve výšce 160,5 m n. m. představuje výšku terénu
Fig. 4. Difference of the weekly records of the groundwater levels in the period “Before 2” (period 1986–2009 before the construction of the weir) and “After 1” (period 2011–2018 after the construction of the weir) on the measuring object 917 – Chanava (distance 3 036 m of the weir); the red dotted line depicts the increase of the groundwater level in 2010 when the weir was accomplished; brown line at 160.5 m a.s.l. represents ground
Výsledky údajů o hladině podzemních vod podrobených analýze trendů jsou uvedeny v tab. 4. V období „Před 1 + Po 1“ je hodnocen statisticky významný vzestupný trend u objektů 2918 – Abovce a 917 – Chanava. Při individuálním hodnocení časových úseků „Před 1“ a „Po 1“ však nebyl zjištěn statisticky významný trend.
Tab. 4. Přehled výsledků Mannova-Kendallova testu analýzy trendů
Tab. 4. Overview of Mann-Kendall trend test analysis results
Následně byl v případě časového období „Před 1 + Po 1“ proveden také test homogenity dat. Byly použity Pettittův test, Standardní test normální homogenity a Buishandův test. Všechny testy identifikovaly zlomový bod na začátku roku 2010, kdy byl uveden do provozu jez v Abovcích (tab. 5).
Tab. 5. Výsledky testu homogenity
Tab. 5. Results of homogeneity test
Tentýž obrázek poskytuje graf s identifikovaným bodem zlomu jako výsledek Pettittova testu, obr. 5. Změna průměrných hodnot hladiny podzemní vody je jasně viditelná spolu s identifikovaným bodem zlomu.
Obr. 5. Detekce Pettittova bodu změny pro nadmořské výšky podzemní vody v časovém období „Před 1 + Po 1“ na měřicím objektu 2918 – Abovce a objektu 917 – Chanava
Fig. 5. Pettitt change point detection for groundwater elevation levels in time period “Before 1 + After” on the measuring object 2918 – Abovce and object 917 – Chanava
Vliv prostorového rozsahu jezu Abovce na hladinu podzemní vody v kvartérním útvaru podzemní vody řeky Slané
Z obr. 6 je jasně patrné, že největší rozdíl nadmořské výšky podzemní vody se nachází přímo u vybudovaného jezu a u monitorovacích vrtů. Změna hladiny podzemní vody v kvartérním vodním útvaru se pohybuje od 0,21 m u monitorovacího vrtu Rumince (2915) do 1,08 m v okolí vybudovaného jezu (monitorovací vrt 2918 Abovce). Poměrně vysoké zvýšení hladiny podzemní vody bylo pozorováno také na monitorovacím vrtu 917 Chanava ve vzdálenosti 3 036 m od jezu Abovce. Z prostorového hlediska říční jez Abovce zvýšil hladiny podzemních vod až o 1,3 m na ploše 15,25 km2 a o 0,21 m na 0,4 m na ploše 38 km2. Jez řeky Abovce tak ovlivnil téměř 26 % plochy vodního útvaru SK1001100P (zvýšení hladiny podzemních vod o více než 0,21 m). Nárůst hladin podzemních vod o více než 1,1 až 1,3 m byl zaznamenán na 11 % plochy vodního útvaru.
Obr. 6. Rozdíl hladin podzemních vod za časová období 1986–2009 („Před 2“ – před výstavbou) a 2011–2018 („Po 1“ – po výstavbě) ve kvartérním vodním útvaru řeky Slaná
Fig. 6. The difference of groundwater levels for time periods 1986–2009 (“Before 2” – before the construction) and 2011–2018 (“After 1” – after the construction) in the quaternary waterbody of the Slaná river
DISKUZE A ZÁVĚR
Vzestup hladiny podzemní vody byl očekávaným důsledkem výstavby říčního jezu na řece Slané. Rychlost nárůstu hladiny podzemní vody (až 1,08 m v blízkosti vybudovaného jezu) je způsobena vzestupem hladiny řeky Slané, která je v přímé hydraulické vazbě s podzemní vodou v kvartérní zvodni [6].
Kvartérní sedimenty jsou však náchylné k antropogenní kontaminaci a znečištění [12]. Na základě výsledků prezentovaných v této práci je evidentní, že výstavba i relativně malého jezu má regionálně významný vliv na hladinu podzemní vody. Záleží samozřejmě na konfiguraci terénu, geologickém podloží a vlastnostech samotné konstrukce jezu [13]. Nicméně v souvislosti s rostoucím rizikem sucha ve studované oblasti [14] lze zvýšení hladiny podzemní vody v důsledku výstavby jezu Abovce označit za potenciálně přínosné pro zemědělství.
Na druhou stranu nesmíme opomíjet problematiku potenciálního znečištění podzemních vod průmyslovou činností a zemědělskými hnojivy [15]. Rizikem může být též vyplavování toxických látek z nelegálních a historicky zapomenutých skládek [12, 16, 17]. V minulosti byly takové látky často zakopány v jámách v blízkosti farem nebo obcí a nebyly o nich vedeny žádné záznamy [18]. Tato obava je na místě, neboť velikost území, na kterém se hladina podzemní vody zvýšila o více než 1 m, je 15,25 km2 a zahrnuje katastrální území čtyř obcí. Porovnáním oblasti zvýšené hladiny podzemní vody s Informačním systémem ekologických zátěží [19] je v nejvíce zasažené oblasti pouze jedna potenciálně riziková lokalita evidovaná jako bývalá čerpací stanice. Nachází se však v registru C, obsahujícím záznamy sanovaných a rekultivovaných lokalit, jež nepředstavují žádné nebezpečí. Dalším nebezpečím je zvýšená hladina podzemní vody sahající do hloubky cca 1 m pod povrchem (u obcí Chanava a Abovce), snadno dosažitelná během stavební činnosti, při níž se toxické látky mohou vyplavovat do podzemních vod [20]. Rovněž může nastat riziko kontaminace podzemních vod ropnými produkty při haváriích stavebních strojů a technologií [21]. Výše uvedené aspekty by měly místní a regionální orgány zohlednit v procesu povolování nových stavebních činností. Příspěvek ukázal nejen významný vliv stavby říčního jezu na výšku hladiny v kvartérním útvaru podzemní vody řeky Slané (SK1001100P), ale i na možná rizika, jimž by měla být v budoucnu věnována pozornost.
Poděkování
Tento výzkum byl financován Vědeckou grantovou agenturou Ministerstva školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky a Agenturou na podporu výzkumu a vývoje v rámci projektů VEGA č. 1/0392/22 „Zraniteľnosť vybraných prírodne a antropogénne narušených ekosystémov vo vzťahu k prebiehajúcej zmene klímy“ a APVV-21-0224 „Dynamika biometeorologických a ekohydrologických tokov vo vybraných lesných ekosystémoch ovplyvnených rôznymi disturbančnými faktormi“.
Příspěvek prošel lektorským řízením.
