ABSTRAKT
Technologie zvaná digitální dvojče povodí (Digital Twin) představuje pokročilý nástroj pro posuzování vlivu komplexních adaptačních opatření na vodní bilanci v kontextu probíhající klimatické změny. Integrovaný, plně distribuovaný, fyzikálně založený modelovací systém MIKE SHE tvoří základ digitálního dvojčete navrženého pro detailní simulace hydrologického cyklu. Na příkladu povodí Dyje a pilotního povodí horní Svratky byla testována, navržena a kvantifikována specifická opatření pro podporu přirozené infiltrace a nadlepšení základního odtoku. Vliv klimatické změny byl hodnocen pomocí ansámblu 26 nezávislých klimatických scénářů vycházejících z globálních klimatických modelů (CMIP6) pro období 30 let okolo roku 2050 v porovnání s referenčním historickým obdobím 1981–2010. Výsledky simulací bez zavedených opatření predikují pokles středních a nízkých průtoků. Modelové testy prokázaly, že zavedení komplexního souboru opatření nazvaného „hydrologicky optimální zemědělství“, zahrnujícího úpravu hydropedologických vlastností půdy a změnu vegetačního krytu, sice nezvýší celkový objem odtoku, ale má prokazatelný potenciál zpomalit odtok z dotčených lokalit a nadlepšit základní odtok. Vybudovaný simulační nástroj představuje podporu pro rozhodovací procesy v managementu povodí.
ÚVOD
Racionální hospodaření s vodními zdroji čelí v současnosti bezprecedentním výzvám plynoucím z probíhající změny klimatu a z ní pramenících rizik pro vodní bilanci. Pro zachování funkčních ekosystémů je v tomto kontextu nezbytné zaměřit se na komplexní podporu přirozené infiltrace prostřednictvím retence vody v krajině. Strategickým cílem moderních adaptačních opatření je především posílení základního odtoku, zajištění vyšší infiltrace do podzemních vod a transformace povodňových vln. Tyto kroky bezprostředně směřují ke zlepšení celkové zabezpečenosti zdrojů povrchových i podzemních vod. Spolehlivé hodnocení vlivu klimatické změny a návrh účinných adaptačních strategií se neobejde bez pokročilých simulačních nástrojů, zatížených uceleným ansámblem klimatických scénářů, které spolehlivě pokrývají interval prognostické nejistoty.
Pro řešení těchto komplexních interdisciplinárních otázek již tradiční statické modely nedostačují.
Inovativní odpovědí je budování technologie označované jako digitální dvojče (Digital Twin), původně vyvinuté pro průmyslové aplikace, která se v posledních letech etabluje v environmentálních vědách [1]. Přestože přesná definice pojmu není jednotná [2], digitální dvojče ve vodním hospodářství a hydrologii představuje slibný nástroj pro integrovaný management povodí, predikci povodní či optimalizaci vodárenských soustav [3–5]. Definice se povětšinou shodují na tom, že jde o virtuální repliku fyzického prostředí, jež propojuje pokročilou analýzu dat s procesním modelováním a zahrnuje asimilaci měřených dat v reálném čase včetně obousměrné zpětnovazební interakce. Vývoj takto komplexního systému je postupný proces, avšak výpočetní architektura představovaného nástroje digitální dvojče povodí Dyje umožňuje chod v reálném čase pro řešení otázek v operativním provozu, jako je adaptivní řízení odběrů či varovný systém pro epizody sucha.
Cílem tohoto článku je představit jádrový prvek digitálního dvojčete povodí Dyje, pokročilý scénářový model vybudovaný pro kvantitativní a kvalitativní zhodnocení povodí s napjatou vodní bilancí. Hlavní výhodou fyzikálně založeného procesního modelu, který vyžaduje exaktní pochopení hydrologických procesů v krajině, je možnost virtuálně testovat plošné i liniové změny bez rizika negativních vlivů na reálné prostředí. Nástroj je založen na integrovaném hydrologickém modelovacím systému MIKE SHE a aplikován na případové studii povodí Dyje v regionálním měřítku a povodí horní Svratky v měřítku pilotním. Představený metodický postup dokládá připravenost nástroje k detailnímu posuzování vlivu komplexních adaptačních opatření na vodní bilanci, integruje ansámbl klimatických scénářů a vyhodnocuje možnosti zmírnění dopadů klimatické změny na základní odtok pomocí systémové adaptace krajiny.
METODIKA
Scénáře klimatické změny
Pro detailní posouzení vývoje hydrologické bilance v horizontu roku 2050 byly využity klimatické projekce z globálních cirkulačních modelů (GCM) generace CMIP6. Zvolený soubor dat pokrývá čtyři scénáře socioekonomického vývoje (Shared Socioeconomic Pathways, SSP): SSP1–2.6 (Udržitelný rozvoj), SSP2–4.5 (Střední cesta vývoje), SSP3–7.0 (Regionální rivalita) a SSP5–8.5 (Společnost založená na fosilních palivech). Z původní sady přibližně 30 modelů byla na základě validace pro území ČR [6] vybrána reprezentativní podmnožina sedmi nejlépe fungujících modelů zachycující nejistotu celého souboru (CMCC-ESM2, EC-EARTH3, GFDL-ESM4, MPI-ESM1-2-HR, MRI-ESM2-0, CNRM-CM6-1-HR a TaiESM1).
Celkový predikční ansámbl tvořilo 26 nezávislých modelových běhů CMIP6 (obr. 1), hodnocených vůči referenčnímu stavu (klimatický normál 1981–2010) v horizontu roku 2050 (2035–2064).
Obr. 1. Rozdíly průměrných klimatických charakteristik 7 GCM a jejich vývoje v rámci 4 scénářů SSP v prognóze 2050 (2035–2064) od referenčních podmínek (1981–2010) byly agregovány v povodí řeky Dyje. Scénáře SSP jsou rozlišeny charakteristickými barvami [7]. Jednotlivé GCM využité v této studii jsou očíslovány: (1) CMCC-ESM2, (2) CNRM-CM6-1-HR, (3) EC-EARTH3, (4) GFDL-ESM4, (5) MPI-ESM1–2-HR, (6) MRI-ESM2–0, a (7) TaiESM1
Fig. 1. Differences in the mean climatic characteristics of seven GCMs under four SSP scenarios for the 2050 projection period (2035–2064), relative to the reference period (1981–2010), aggregated for the Dyje River basin. SSP scenarios are distinguished by colour [7]. The GCMs used in this study are numbered as follows: (1) CMCC-ESM2, (2) CNRM-CM6-1-HR, (3) EC-EARTH3, (4) GFDL-ESM4, (5) MPI-ESM1-2-HR, (6) MRI-ESM2-0, and (7) TaiESM1
Ansámbl modelů vykazuje vysokou míru variability a absenci konzistentního prostorového vzorce vývoje srážek (a to i v rámci jednotlivých SSP scénářů). Ačkoli je scénář SSP1–2.6 obecně spojován s relativně mírnějším oteplením a menšími změnami srážkových režimů, zatímco SSP5–8.5 představuje velmi silné oteplení se zásadními změnami srážek, nelze napříč modely v jednotlivých SSP scénářích identifikovat žádný konzistentní prostorový vzorec vývoje. Variabilita mezi jednotlivými modely z hlediska dlouhodobých průměrů se navíc v jednotlivých dekádách budoucího období výrazně liší. Pro pochopení a objektivní spolehlivou kvantifikaci nejistoty spojené se změnou klimatu je tudíž nezbytné vždy vyhodnocovat celý klimatický predikční ansámbl namísto určování konkrétního středního scénáře.
Vzhledem k hrubému prostorovému rozlišení a systematickým chybám globálních modelů byly jejich výstupy transformovány metodou přímé modifikace (Advanced Delta Change, ADC) s využitím pozorovaných časových řad reprezentujících místně specifické klimatické podmínky referenčního období 1981–2010.
Tento postup integruje do procesu transformace změny v průměrech i variabilitě, čímž zohledňuje odlišný posun extrémů oproti průměrům a kompenzuje systematické chyby srážkových simulací [8]. Průměrná denní teplota a srážkové úhrny vstoupily do modelovacího procesu přímo ve formě okrajových podmínek, zatímco referenční evapotranspirace (ETo) byla vypočtena pomocí standardní rovnice Penman-Monteith.
Digitální dvojče povodí
Základem digitálního dvojčete povodí Dyje je plně distribuovaný a fyzikálně založený modelovací systém MIKE SHE (obr. 2), navržený k simulaci komplexních hydrologických procesů napříč vodohospodářskými segmenty [9, 10]. Prostorová diskretizace v regionálním měřítku využívá ortogonální síť s buňkou 500 × 500 m.
Obr. 2. Schéma modelového nástroje MIKE SHE s popisem jednotlivých zahrnutých procesů (vlevo) a nákresem prostorově distribuovaných vrstev vstupních parametrů (vpravo)
Fig. 2. MIKE SHE model structure, showing the processes represented in the model (left) and spatially distributed input-parameter layers (right)
Výměna dat mezi moduly probíhá v denním kroku, simulační jádra však pracují s jemnějším časovým dělením dle své vnitřní dynamiky. Povrchový odtok je řešen dvoudimenzionální aproximací difuzní vlny, dynamicky provázanou s prouděním v korytech. Procesy v nenasycené zóně popisuje jednodimenzionální Richardsova rovnice (včetně vlivu makropórů), zatímco nasycená zóna se řídí trojrozměrnou aproximací Boussinesqovy rovnice. Toto těsné provázání umožňuje modelovat obousměrnou interakci mezi zvodní a říční sítí (základní odtok, břehová infiltrace). Zahrnuta je rovněž evapotranspirace slučující výpar z intercepce, obnažené půdy a transpiraci. Vegetační parametry (např. index listové plochy) byly v denním kroku odvozeny ze satelitních dat senzoru MODIS na družici Terra [11]. Součástí modelu je i 17 vodních nádrží, jejichž plně dynamická simulace vychází z platných manipulačních řádů vodních děl. V neposlední řadě jsou zahrnuta data o užívání vody vycházející z historických záznamů registrů nakládání s vodami.
Spolehlivost nástroje se opírá o měřená data z 52 limnigrafických stanic. Model byl kalibrován na hydrologicky standardním období 2000–2010 a úspěšně validován na navazující dekádě 2011–2020 (zahrnující extrémní sucho z let 2015–2018), což potvrdilo jeho robustnost i v extrémních podmínkách. Kalibrace cílila na parametry s nejvyšší mírou nejistoty a citlivosti (transmisivita nasycené zóny, charakteristiky odtoku, vegetace a tání sněhu), půdní parametry byly nastaveny na základě vlastních měření hydropedologických vlastností včetně laboratorního stanovení retenčních křivek z kopaných sond reprezentativních lokalit povodí Dyje. Shoda průtoků byla hodnocena Nash-Sutcliffe koeficientem (NSE), hladiny podzemní vody (HPV) na 70 vrtech střední kvadratickou chybou (RMSE). Finální běh (optimalizující NSE a RMSE; obr. 3) vykázal hodnotu NSE > 0,5 u 78 % stanic. Při kalibraci byl kladen důraz na shodu celého průběhu čar překročení, se zvláštním zřetelem na oblast nízkých průtoků. Nižší efektivita kalibrace v povodí Svitavy byla způsobena limity plošné schematizace velmi složitých hydrogeologických podmínek.
Obr. 3. Výsledky kalibrace průměrných denních průtoků v prostorovém pohledu (vlevo) a multikriteriální výběr finálního běhu na základě minimalizace hodnot RMSE simulovaných a pozorovaných hladin podzemní vody (HPV) a maximalizace hodnot NSE průměrných denních průtoků (vpravo)
Fig. 3. Calibration results for mean daily discharge: spatial distribution of NSE values (left) and multicriteria selection of the final model run based on minimising RMSE for simulated and observed groundwater levels (GWL) and maximising NSE for mean daily discharge (right)
Konceptualizace adaptačních opatření
Návrh adaptačního opatření zahrnoval několik navazujících fází (obr. 4) a opírá se o oficiální metodiku [12]. Nejprve bylo zapotřebí definovat a konceptualizovat efekt adaptačního opatření ve fyzické realitě povodí a definovat, které procesy opatření přímo ovlivní. Dále bylo zapotřebí objektivně vytipovat místa pro cílení navrhovaného opatření. Dalším krokem byla takzvaná „translace“ fyzikálních účinků opatření do jazyka modelových parametrů systému MIKE SHE a zaručení funkčnosti a logiky opatření z hlediska nelineárních zpětnovazebných vztahů parametrů ve čtyřrozměrném simulačním prostředí (3D prostor a čas) digitálního dvojčete. Tyto fáze bývají časově náročné a zahrnují iterativní proces testování vlivu navrženého opatření a sladění s očekáváním opřeným o expertní odhad, měřená data či literární rešerši. V další fázi je model se zahrnutím opatření zatížen 26 klimatickými scénáři a výsledky jednotlivých běhů jsou srovnány s modelem referenčního stavu a s výsledky budoucí prognózy bez zahrnutí adaptačních opatření.
Obr. 4. Proces návrhu a hodnocení vlivu komplexního adaptačního opatření
Fig. 4. Process for designing a complex adaptation measure and assessing its impact
Cílem opatření nazvaného „hydrologicky optimální zemědělství“ bylo posílit přirozenou infiltraci, retenci vody v půdě a základní odtok. Lokalizace vycházela z analýzy zranitelnosti ekosystémů, jež identifikovala největší riziko poklesu odtoků v oblastech vysočin [10]. Jelikož výsledky modelování prokázaly nízkou efektivitu izolovaných opatření (zvýšení retence půdy omezené vláhovým deficitem vedlo primárně k nárůstu evapotranspirace), byl navržen komplexní soubor opatření „hydrologicky optimální zemědělství”. Koncept hydrologicky optimálního zemědělství teoreticky reflektuje dostupné literární zdroje, odborné interdisciplinární odhady týmu CzechGlobe a integruje synergicky působící opatření, jakými jsou bezorebné hospodaření [13], aplikace biouhlu [14], plošné mulčování [15], celoroční pokrytí půdy meziplodinami [16] a cílená podpora půdní bioty k obnově makropórů [17] s úpravami melioračních soustav ke zpomalení epizodického odtoku [18]. Součástí návrhu je také upřednostnění plodin s nižšími transpiračními nároky [19]; v našich podmínkách může takovou plodinu představovat proso. Převod úprav do logiky simulačního nástroje zahrnoval definici nového tvaru půdních retenčních křivek, zvýšení nasycené hydraulické vodivosti a posílení vertikálního toku systémem makropórů. Zpomalení rychlého odtoku bylo modelováno navýšením Manningovy drsnosti a posílením toku makropóry. Změny vegetačního krytu se řešily modifikací indexu listové plochy (LAI) a hloubky kořenové zóny, čímž mohlo digitální dvojče exaktně simulovat hydrologickou odezvu povodí.
VÝSLEDKY
Výsledky modelování naznačují, že v horizontu roku 2050 lze na celém povodí řeky Dyje očekávat v důsledku klimatické změny pokles středních a nízkých průtoků oproti referenčnímu období. Komplexní pohled na budoucí vývoj poskytuje analýza čar překročení průměrných denních průtoků, hodnocená v intervalu percentilů P25 až P75 (obr. 5). V celém spektru průtoků je očekáván výrazný úbytek (až 20 % ve vysočinných oblastech a -40 % v nížinných oblastech), s výjimkou nejvyšších vodních stavů, kde optimistické klimatické scénáře (převážně SSP1-2.6) naopak modelují mírný nárůst. Variabilita poklesu průtoků je vyšší v nížinném povodí.
Obr. 5. Vliv klimatické změny v horizontu 2050 na čáry překročení průměrných denních průtoků se zahrnutím intervalu nejistoty (P25 až P75) klimatických scénářů ve vysočinném povodí (vlevo) a v nížinném povodí (vpravo)
Fig. 5. Effects of climate change by 2050 on flow duration curves for mean daily discharge, including the P25–P75 uncertainty interval of the climate scenarios, in the highland catchment (left) and lowland catchment (right)
Modelové testy potvrdily, že zvažovaná adaptační opatření mají relevantní efekt pouze při komplexní aplikaci (úprava hydropedologických vlastností, vhodná vegetace a hospodaření zamezující utužení a rychlému epizodickému odtoku). Přestože v horizontu 2050 komplexní zemědělská opatření nepřinesou celkové navýšení dlouhodobých průtoků Qa (nezaručí větší absolutní objem odtoku vody z povodí v dlouhodobé bilanci), zlepšují distribuci vody v rámci hydrologických situací, vedou k zadržování vody v krajině a nadlepšují základní odtok o jednotky až desítky procent (obr. 6).
Obr. 6. Vliv klimatické změny na odtoky (čáry překročení průměrných denních průtoků) v horizontu 2050 na horním toku Svratky (4420 – Dalečín). Vlevo je prognóza přímého vlivu klimatické změny, vpravo je prognóza se zavedením komplexního adaptačního opatření „hydrologicky optimální zemědělství“. Čáry překročení vycházejí z modelovaných průtoků v denním kroku. Jednotlivé barevné linie představují 26 konkrétních modelových scénářů
Fig. 6. Effects of climate change by 2050 on flow duration curves for mean daily discharge in the upper Svratka catchment (station 4420 – Dalečín): direct effects of climate change (left) and effects following implementation of the complex adaptation measure “hydrologically optimal agriculture” (right). The curves are based on daily modelled discharge. Individual coloured lines represent the 26 model scenarios
DISKUZE
Hodnocení dopadů klimatické změny a návrh adaptačních strategií jsou neodmyslitelně spjaty s kaskádou nejistot. Ty pramení nejen ze samotných klimatických scénářů, ale rovněž z procesu modelování, kalibrace i z expertních odhadů při parametrizaci navrhovaných opatření [20]. Vzhledem k nezávislosti jednotlivých klimatických projekcí nelze jednoduše určit jeden univerzálně platný scénář. Pro spolehlivější zachycení budoucího vývoje je proto nezbytné pracovat s uceleným ansámblem vhodně vybraných klimatických modelů [7, 21]. Z toho důvodu je nutné výsledné predikce prezentovat nikoli jako izolované deterministické hodnoty, nýbrž v podobě pravděpodobnostního vývoje s jasně definovaným intervalem nejistoty. V kontextu této studie posuzující vliv navrženého opatření v celém povodí se naplno projevují benefity detailního fyzikálně založeného přístupu. Po nezbytném ověření správnosti modelového nastavení se opakovaně ukazuje, že nelineární podstata vzájemně propojených hydrologických procesů vyvrací zjednodušené hypotézy o chování povodí, a modelovaný vliv navržených opatření se tak liší od prvotních expertních očekávání. Jak upozorňují např. O‘Connell et al. [22] nebo Collentine a Futter [23], prostorová redistribuce vody a nelineární interakce mezi retencí a evapotranspirací často generují neintuitivní výsledky, které lze exaktně postihnout pouze nástroji na bázi fyzikálních distribuovaných modelů. V případě použití jednodušších empirických či koncepčních modelů by právě tyto apriorní a zjednodušené předpoklady mohly představovat primární zdroj zásadního zkreslení výsledků. Plně distribuované fyzikální modely naopak umožňují tyto nelineární zpětnovazebné mechanismy exaktně postihnout, a snižují tak riziko nadhodnocení či podhodnocení celkového efektu opatření.
Plně distribuované modely rovněž umožňují exaktně kvantifikovat tzv. paradox zelené a modré vody. Rozšířený expertní předpoklad, že podpora vegetace a zvýšená infiltrace automaticky posilují základní odtok, se často ukazuje jako zavádějící. Jak dokládají Jackson et al. [24], hustší vegetační kryt zvyšuje celkovou evapotranspiraci. V podmínkách kulturní krajiny tak může být infiltrovaná voda buď zcela spotřebována plodinami s vysokými transpiračními nároky, nebo urychleně odvedena historickými systémy plošných meliorací. Synergie posílené evapotranspirace a funkčních mělkých drenáží pak může paradoxně vést k celkovému poklesu průtoků v říční síti (úbytku tzv. modré vody), čímž navržené retenční opatření ztratí svůj primární účel.
ZÁVĚR
Technologie digitálního dvojčete povodí (Digital Twin) představuje klíčový nástroj pro exaktní hodnocení dopadů klimatické změny a návrh adaptačních strategií. Aplikace plně distribuovaného fyzikálního modelu MIKE SHE na povodí Dyje a pilotní povodí horní Svratky potvrdila jeho schopnost detailně postihnout složité, nelineární hydrologické procesy v krajině. Vyhodnocení ansámblu 26 nezávislých klimatických scénářů ukázalo, že bez včasného zavedení opatření lze do roku 2050 očekávat významný pokles středních a nízkých průtoků. Ke spolehlivému zmírnění těchto negativních jevů nepostačují izolované zásahy, nýbrž je nutná implementace komplexního souboru opatření, např. ve formě hydrologicky optimálního zemědělství. Ačkoli tato plošná synergická úprava hydropedologických vlastností půdy a vegetačního krytu nezvýší absolutní objem dlouhodobého odtoku, zlepšuje distribuci vody v povodí a nadlepšuje základní odtok v obdobích sucha. Simulační nástroj exaktně kalibrovaný za využití historických dat tak představuje robustní a plně operativní podporu pro strategické rozhodovací procesy v managementu povodí.
Poděkování
Tento článek vznikl za podpory Technologické agentury České republiky (TA ČR) č. SS02030027 v rámci projektu „Vodní systémy a vodní hospodářství v ČR v podmínkách změny klimatu (Centrum Voda)“ a metodická část článku byla financována z programu Evropské unie pro výzkum a inovace Horizon Europe v rámci projektu „PHISHES“ (grantová dohoda č. 101157438) a projektu Národní agentury pro zemědělský výzkum (NAZV) č. QL25020021 „Integrované strategie pro přehradní nádrže k udržení jakosti vody při klimatické změně“.
Příspěvek prošel recenzním řízením.
