ABSTRAKT

Studie se zabývá hodnocením změn odtokových poměrů a přístupy ke stanovení povodňového nebezpečí v soutokových oblastech vodních toků. Na základě analýzy několika modelových území jsou prezentovány výsledky numerických simulací proudění vody při povodních s různou dobou opakování. Výstupy analýz ukázaly, že oddělené modelování hlavního toku a přítoků poskytuje zkreslené výsledky, neboť hydraulické poměry v soutokových oblastech představují složité interakce mezi jednotlivými vodními toky. Autoři proto doporučují komplexní řešení těchto oblastí pomocí 2D numerických modelů, které umožňují přesnější vyhodnocení rozsahu zaplavení, hloubek a rychlostí proudění. Výsledkem studie jsou návrhy aktualizace metodických pokynů Ministerstva životního prostředí ČR (MŽP) s důrazem na jednotný přístup při tvorbě map povodňového nebezpečí a rizik.

ÚVOD

Katastrofické povodně v roce 1997, které zasáhly především povodí Moravy a Odry, byly pro většinu naší společnosti obrovským šokem. Ve snaze zvýšit připravenost na podobné události a snížit jejich dopady v budoucnu byla vládou České republiky mimo jiné v roce 2000 schválena Strategie ochrany před povodněmi pro území České republiky [1]. Cílem tohoto dokumentu bylo vytvořit rámec pro nastavení konkrétních postupů a preventivních opatření ke zvýšení systémové ochrany před povodněmi v České republice (ČR). Jedno z těchto opatření bylo definováno jako stanovení rozsahu záplavových území na základě zpracování podrobného digitálního modelu terénu.

Způsob zpracování záplavového území je v současnosti stanoven vyhláškou č. 79/2018 Sb., o způsobu a rozsahu zpracovávání návrhu a stanovování záplavových území a jejich dokumentace [2]. Záplavové území je (podle zmíněné vyhlášky) vymezené záplavovou čárou s dobou opakování povodně 100 let. Rozsah řešeného území odpovídá hydraulickým podmínkám souvislého úseku vodního toku, inundačního území a zohledňuje stanovené záplavové území. Pro inundační území každého úseku vodního toku se zpracovávají mapy povodňového nebezpečí pro povodně s dobou opakování 5, 20, 100 a 500 let, jež zobrazují rozsah zaplaveného území, hloubky a rychlosti proudění. V roce 2025 bylo v ČR stanoveno záplavové území pro 16 889 km úseků vodních toků.

Také směrnice EU 2007/60/ES o zvládání povodňových rizik (dále jen „povodňová směrnice“) požaduje po členských státech mimo jiné zpracování map povodňového nebezpečí a povodňových rizik pro území oblastí s potenciálně významným povodňovým rizikem. Povodňové nebezpečí je definováno rozsahem zaplaveného území, hloubkami a rychlostmi proudění, přičemž v ČR jsou mapy povodňového nebezpečí zpracovávány pro povodně s dobou opakování 5, 20, 100 a 500 let. Mapy zpracovávané podle požadavků povodňové směrnice jsou aktualizovány v šestiletých cyklech (poprvé v roce 2013). Rozsah takto zmapovaných vodních toků je výrazně menší než u záplavových území, v roce 2025 pokrýval necelých 3 000 km vodních toků.

Postupy, jak plnit požadavky povodňové směrnice, jsou popsány v Metodice tvorby map povodňového nebezpečí a povodňových rizik ([3] – dále jen „Metodika“). Tato Metodika definuje, jak výstupy standardních hydraulických modelů (rozsah povodně, hloubky, rychlosti proudění) zobrazit na mapách nebezpečí a jak s jejich pomocí zpracovat mapy povodňového rizika. Záměrem Metodiky nebylo standardizovat procesy hydraulického modelování, jelikož jde o rozsáhlou problematiku, která by měla být popsána v samostatném dokumentu.

V průběhu příprav na zpracování map povodňového nebezpečí a povodňových rizik v rámci prvního plánovacího cyklu vznikla v roce 2011 pilotní studie, která nastínila možnosti řešení hydrodynamického modelování soutoků vodních toků a navrhla postupy pro výpočet parametrů proudění v těchto soutokových oblastech [4]. Studie rozdělila problematiku modelování soutokových oblastí na tři základní schémata:

  1. Hydraulický výpočet je prováděn pouze na přítoku, na hlavním toku jsou známy výšky hladin pro požadované N-leté průtoky. Hydrodynamický model na přítoku je sestaven samostatně bez vlivu hlavního toku.
  2. Hydraulický výpočet je prováděn pouze na přítoku, na hlavním toku byl model sestaven již dříve. Výsledky dříve zpracovaného modelu hlavního toku slouží jako okrajová podmínka pro model na přítoku. Výstupy z modelu přítoku musejí být ve formátu, který je kompatibilní s formátem modelu hlavního toku, aby je bylo možné bez problémů spojit.
  3. Zpracovává se model na přítoku i model na hlavním toku. Modely nemusejí být schematizovány stejným přístupem (1D, 2D), nemusejí být sestavovány ve stejném modelovacím prostředí a nemusí je zpracovávat jeden zpracovatel.

Poslední variantu zmiňovaná studie [4] rozebírá podrobně. Uvádí, že nejjednodušší situace nastává, když modely na obou tocích zpracovává jeden zpracovatel v jednom výpočetním prostředí a má pro výpočet vytvořen jeden model pro celou oblast soutoku. V takovém případě je výpočet poměrně jednoduchý a problém je pouze ve správném nastavení okrajových podmínek.

V případě, kdy každý z vodních toků je řešen jinou schematizací a popř. jiným zpracovatelem, studie navrhuje řešit tento případ pomocí vhodně zvoleného místa napojení obou modelů na přítoku nad místem soutoku. Toto místo by mělo umožňovat předání okrajových podmínek z modelu hlavního toku do modelu přítoku. Výsledkem tohoto řešení by měly být společné výstupy charakteristik mapy povodňového nebezpečí (rozsah zaplavení, hloubky, rychlosti) zahrnující modelovanou soutokovou oblast bez překrývajících se ploch [4].

Dva proběhlé plánovací cykly podle povodňové směrnice však ukázaly, že ne vždy byl tento přístup aplikován. Některé soutokové oblasti byly řešeny zvlášť pro hlavní tok a pro přítoky, a to i přesto, že celá soutoková oblast měla stejného zpracovatele. Výsledkem jsou tak mapy, které zobrazují v soutokové oblasti výstupy modelování vždy pouze pro jeden vodní tok. Tento způsob prezentace významným způsobem snižuje vypovídající hodnotu informací o povodňovém nebezpečí pro odbornou i laickou veřejnost, protože není k dispozici jasný přehled o rozsahu zaplavení, hloubkách a rychlostech v celé soutokové oblasti současně.

Tento příspěvek analyzuje příklady hydraulických modelů vybraných soutoků a na základě získaných výsledků budou formulována doporučení pro aktua­lizaci Metodiky a dalších metodických postupů MŽP.

METODIKA

Postupy navržené v rámci pilotního projektu [4] odpovídají době svého vzniku před cca 14 lety a v některých částech je lze považovat z dnešního pohledu za překonané. V současnosti se již hydraulické výpočty proudění vody v záplavových územích provádějí převážně s použitím 2D numerických modelů. Výchozí předpoklady pro validní modelování soutokových oblastí jsou následující:

  1. soutokové oblasti se z hydraulického hlediska obvykle vyznačují komplikovanými režimy proudění a z tohoto důvodu je žádoucí provádět jejich řešení s použitím 2D numerických modelů postihujících hlavní tok, inundační území a případné přítoky,
  2. je nežádoucí kombinovat různé dimenze numerických modelů (1D, 2D); pokud je kombinování odlišných modelů nevyhnutelné, mělo by se napojení jednotlivých modelů realizovat v místě, kde již proudění není ovlivněno soutokovou oblastí,
  3. spojení a sloučení výsledků v soutokové oblasti od různých zpracovatelů je možné, spolehlivější metoda je provést jediný hydraulický model pro celou soutokovou oblast.

V následujícím textu jsou uvedeny tři případové studie, jež demonstrují různé postupy při řešení soutokových oblastí. Jde o vybrané úseky vodních toků s významným povodňovým rizikem vymezené v rámci 3. plánovacího cyklu v souladu s požadavky povodňové směrnice:

  • DYJ 09 Svitava, Křetínka, Třebětínka, Kladorubka,
  • MOV 10 Valová, Hloučela, Romže, Český potok,
  • MOV 01 Morava, Olšava, Dlouhá řeka, Okluky.

Hydrodynamický výpočet byl proveden s použitím 2D modelu mělkého proudění vody [13, 14]. Výsledky simulací popisují ustálený stav svislicových rychlostí a hloubek vody pro jednotlivé povodňové scénáře s průměrnou dobou opakování N let. Pro srovnání výsledků výpočtů byla použita historická data o povodňovém nebezpečí zpracovaná v rámci předchozích plánovacích cyklů [5] nebo v rámci studií odtokových poměrů a záplavových území [8–12]. Případové studie jsou zaměřeny na problematiku soutokových oblastí z pohledu dostupných hydrologických dat (DYJ 09, MOV 10) a možnosti slučování údajů o povodňovém nebezpečí [5] stanovených odlišnými výpočetními postupy, resp. jinými zpracovateli (MOV 01).

DYJ 09 Svitava, Křetínka, Třebětínka, Kladorubka

Případová studie úseku DYJ 09 je zaměřena na postup stanovení hodnot HOP v dané soutokové oblasti. Koncepční model je uveden na obr. 1 včetně umístění horních (HOP) a dolních (DOP) okrajových podmínek. V místě HOP je definován průtok Q(t) a sklon čáry energie IE. Na hranici DOP je určena měrná křivka h(Q, t). Soutokový model vyžaduje definici HOP pro jednotlivé zatěžovací stavy na vymezených úsecích jako příslušnou hodnotu kulminačního průtoku QN na vybraném vodním toku a průtokových doplňků na souvisejících přítocích v oblasti [4].

Obr. 1. Koncepční model DYJ 09
Fig. 1. Conceptual model DYJ 09

Postup určení všech HOP je dokumentován na zatěžovacím stavu ze Svitavy při QN. Nejbližší hydrologický profil k DOP Svitava je Svitava – pod Semíčem (A) (obr. 2). Obdobně nejbližší profil nad soutokem je Svitava – nad Semíčem (C). Doplněk z HOP Semíč lze odvodit dle [4] jako:

         (1)

kde:

QN(A)      je   hodnota N-letého kulminačního průtoku v příslušném profilu A (obr. 2).

Obr. 2. Hydrologické údaje v místě soutoku Svitava – Semíč, Křetínka, Kladorubka, Třebětínka
Fig. 2. Hydrological data at the confluence of Svitava – Semíč, Křetínka, Kladorubka, Třebětínka

Nejbližší profil ve výše položeném úseku modelu nad soutokem (obr. 2) je Svitava – Rozhraní. Doplňky z jednotlivých HOP v úseku (obr. 2) by měly dle [4] splňovat podmínku:

  (2)

Metodu [4] nelze s ohledem na počet neznámých ve vztahu v tomto úseku použít a je nutné doplňky odvodit jinými postupy. V případové studii byla zvolena metoda založená na poměru jednotlivých QN vycházející ze vztahů:

(3)

  (4)

která umožňuje stanovení hodnot HOP s použitím vztahů:

(5)

(6)

MOV 10 Valová, Hloučela, Romže, Český potok

Případová studie úseku MOV 10 dokumentuje analogicky, stejně jako v případě úseku DYJ 09, postup stanovení HOP pro danou soutokovou oblast (obr. 3).

Obr. 3. Koncepční model MOV 10
Fig. 3. Conceptual model MOV 10

Určení všech HOP je provedeno pro zatěžovací stav QN z Českého potoka. Nejbližší hydrologický profil k DOP Svitava je Valová – Polkovice (A) (obr. 4). Doplněk z HOP Hloučela bude:

(7)

Doplněk z HOP Romže lze stanovit jako:

         (8)

Obr. 4. Hydrologické údaje v místě soutoku Valová – Hloučela, Romže, Český potok
Fig. 4. Hydrological data at the confluence of Valová – Hloučela, Romže, Český potok

Obdobně pro zatěžovací stav QN z Romže lze doplněk odvodit pro HOP Hloučela dle vztahu (7). Vzhledem k absenci hydrologických dat pro Romži nad soutokem s Českým potokem lze doplněk z HOP Český potok stanovit na stranu bezpečnou jako nulový:

           (9)

HOP Romže pak bude mít hodnotu příslušného zatěžovacího stavu QN.

V případě použití poměru QN lze HOP Český potok a Romže stanovit ze vztahů:

 (10)

      (11)

Pro zatěžovací stav QN z Hloučely lze doplňky odvodit jako:

   (12)

S využitím poměru QN lze doplňky mezi Romži a Český potok stanovit jako:

     (13)

   (14)

MOV 01 Morava, Olšava, Dlouhá řeka, Okluky

Případová studie úseku MOV 01 prezentuje možnosti slučování dat o povodňovém nebezpečí v soutokové oblasti vycházejících z podkladů různých zpracovatelů (viz označení oblastí A, B, C na obr. 5), avšak ve všech případech s použitím 2D modelů. Řešený úsek je významně ovlivněn soutokem řeky Moravy, Olšavy, Okluky a Dlouhou řekou. Cílem prací bylo z dílčích map povodňového nebezpečí [5] pro jednotlivé podoblasti A, B, C vytvořit spojitá data.

Obr. 5. Úsek MOV 01 s vyznačením dílčích podoblastí A, B, C řešených odlišnými zpracovateli
Fig. 5. River section MOV 01 with indication of sub-areas A, B, C calculated by different authors

Spojení map rozlivů proběhlo v následujících krocích a je demonstrováno na příkladu scénáře Q500, přičemž identicky lze provést rovněž pro ostatní QN:

  1. Z historických výsledků oblasti A byly vyjmuty aktualizované oblasti B a C, viz obr. 6. Hranice polygonu B a C byly zvoleny vhodně v místech, kde lze předpokládat přibližně jednorozměrné proudění (koryto, přelití hráze, proudění mosty a propustky).
  2. Aktualizované oblasti B a C byly oříznuty pouze na rozsah polygonu B a C. Dílčí mapa pro Q500 odpovídá obr. 6.
  3. V místě styku hranic polygonů byla data spojena a případné singularity odstraněny (obr. 7 a 8).
Obr. 6. Rozsah vyjmutí dat v místech aktualizovaných oblastí B a C
Fig. 6. The extent of data exclusion in the locations of updated areas B and C
Obr. 7. Příklady spojení hranic polygonů mezi oblastmi A a B
Fig. 7. Examples of polygon boundary merging between areas A and B
Obr. 8. Příklady spojení hranic polygonů mezi oblastmi A a C
Fig. 8. Examples of polygon boundary merging between areas A and C

Na podkladě takto zpracovaných map rozlivů lze následně upravit rastrové mapy nebezpečí (hloubky vody, rychlosti proudění a úrovně hladiny). Úpravy byly provedeny v těchto krocích:

  1. Oříznutí rastrové mapy na rozsah polygonů oblastí A, B a C.
  2. Sloučení ořezaných rastrových vrstev.
  3. Vyplnění chybějících dat v rastrech s využitím bilineární interpolace (obr. 9).
Obr. 9. Příklad použití bilineární interpolace pro doplnění chybějících hodnot úrovní hladin H při navazování částí A a B
Fig. 9. Example of using bilinear interpolation to fill in missing values of level H during connection of sections A and B

VÝSLEDKY A DISKUZE

DYJ 09 Svitava, Křetínka, Třebětínka, Kladorubka

Soutoková oblast je v tomto případě komplikovanější, než uvažuje pilotní projekt LABEL [4]. Ve všech soutokových profilech nebyla k dispozici kompletní hydrologická data, především nad a pod řešenými soutoky. Chybějící hydrologická data pro zadání OP bylo nutné odvodit s využitím vztahů (1) až (6).

Danou oblast nelze řešit bez zohlednění významných přítoků Svitavy. S přihlédnutím k relativně složitým hydraulickým poměrům bylo nezbytné brát oblast jako celek s použitím 2D hydrodynamického modelu. 2D model soutokové oblasti poskytuje poměrně výrazně odlišné výsledky ve srovnání s historickými daty bez uvažování přítoků (obr. 10–12).

Obr. 10. Soutoková oblast Svitava – Křetínka při scénáři Q20; vlevo bez vlivu soutoku [6], vpravo se soutokem
Fig. 10. Flood scenario with return period Q20 on confluence of the Svitava and Křetínka rivers; left – without confluence effect [6], right – with confluence
Obr. 11. Soutoková oblast Svitava – Kladorubka, Třebětínka při scénáři Q20; vlevo bez vlivu soutoku [6], vpravo se soutokem
Fig. 11. Flood scenario with return period Q20 on confluence of the Svitava – Kladorubka and Křetínka rivers; left – without confluence effect [6], right – with confluence
Obr. 12. Soutoková oblast Svitava – Kladorubka, Třebětínka při scénáři Q100; vlevo bez vlivu soutoku [6], vpravo se soutokem
Fig. 12. Flood scenario with return period Q100 on confluence of the Svitava – Kladorubka and Křetínka rivers; left – without confluence effect [6], right – with confluence

MOV 10 Valová, Hloučela, Romže, Český potok

V dané oblasti nebylo možné využít postupy stanovení HOP dle [4], především s ohledem na nedostupnost části hydrologických dat ve všech soutokových profilech. HOP byla proto odvozena s využitím vztahů (7) až (14).

Oblast bylo třeba s ohledem na složité hydraulické poměry (např. přetoky vody mezi danými úseky) řešit jako celek (obr. 13 a 14).

Obr. 13. Soutoková oblast Hloučela – Romže při scénáři Q20; vlevo bez vlivu soutoku [6], vpravo se soutokem
Fig. 13. Flood scenario with return period Q20 on confluence of the Hloučela – Romže rivers; left – without confluence effect [6], right – with confluence
Obr. 14. Soutoková oblast Hloučela – Romže při scénáři Q100; vlevo bez vlivu soutoku [6], vpravo se soutokem
Fig. 14. Flood scenario with return period Q100 on confluence of the Hloučela – Romže rivers; left – without confluence effect [6], right – with confluence

MOV 01 Morava, Olšava, Dlouhá řeka, Okluky

Na pilotní oblasti bylo ověřeno, že spojování dat různých zpracovatelů je v soutokových oblastech možné, avšak za poměrně striktních podmínek. Zásadní je především existence vhodných profilů pro napojení dílčích úseků. Ideální je rovněž dodržení shodných parametrů výpočtových modelů (OP, drsnost povrchu a digitální model terénu). Při navazování rastrových vrstev je třeba vzít v úvahu, že zpravidla nelze nalézt profily se zcela identickými hodnotami, což vede k nutnosti vytváření přechodových oblastí a doplňování chybějících dat např. s použitím jednoduché bilineární interpolace. S ohledem na výše uvedené skutečnosti lze napojování dílčích úseků v soutokových oblastech použít jako nouzové řešení a pouze v odůvodněných případech.

ZÁVĚR

Kvantifikace povodňového nebezpečí v soutokových oblastech představuje časově i finančně náročný proces nejen z hlediska prováděných hydraulických výpočtů, ale i s ohledem na zajištění nezbytného rozsahu potřebných hydrologických dat. Hydraulické řešení s použitím 2D modelů obvykle vyžaduje vytvoření poměrně rozsáhlých náhradních oblastí s velkým počtem výpočtových prvků. V soutokových oblastech s více toky pak narůstá nutnost realizace velkého množství výpočtů pro dílčí scénáře s různými kombinacemi OP.

I přes výše uvedená úskalí lze jednoznačně doporučit řešení soutokových oblastí jako celku bez dělení na jednotlivé samostatné úseky vodních toků. Provedené případové studie prokázaly, že vzájemné ovlivňování proudění mezi jednotlivými toky může mít poměrně zásadní vliv na hodnoty povodňového nebezpečí.

Uvedené závěry budou zapracovány do kapitoly 4.9 Hydraulické výpočty pro účely vymezení záplavových území Metodiky tvorby map povodňového nebezpečí a povodňových rizik.

Poděkování

Článek byl zpracován v rámci projektu č. SS02030027 „Vodní systémy a vodní hospodářství v ČR v podmínkách změny klimatu“ řešeného s finanční podporou Technologické agentury ČR v rámci podprogramu 3 – Dlouhodobé environmentální a klimatické perspektivy programu SS – Program aplikovaného výzkumu, experimentálního vývoje a inovací v oblasti životního prostředí – Prostředí pro život.