DIGITALNA ARHIVA ŠUMARSKOG LISTA
prilagođeno pretraživanje po punom tekstu
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 221 <-- 221 --> PDF |
IZLAGANJE NA ZNANSTVENOM SKUPU PRESENTATION AT THE INTERNATIONAL SYMPOSIUM Šumarski list SUPLEMENT (2005), 219-228 UDK 630* 181.3 PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH HIDROLOSKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA VSEMINKE I DREVNICE, REPUBLIKA ČEŠKA RISK ASSESSMENT OF EXTREME HYDROLOGICAL SITUATIONS CASE STUDY OF THE VSEMINKAAND DREVNICE CATCHMENTS, CZECH REPUBLIC Pavel KOVÄR* SAŽETAK: Primjena modela vodne ravnoteže daje mogućnost identifikacije ekstrema u procesima padavina/otjecanja. Naime, sadržaj vlage u tlu u gornjoj zoni malih vodnih slivova može hiti pokazatelj potencijalnih poplava ili suša. Ove se zone gornjih slivova (0.20 m—0.60m) obično nazivaju "aktivnim zonama " i jako utječu na oblikovanje izravnog otjecanja, posebice kada je njihov sadržaj vlage blizu zasićenja ili vodi prema suši, kada je iscrpljen sadržaj vode. I šumsko gospodarenje, te dobra šumarska praksa, igraju značajnu ulogu u procesima padavina/otjecanja tj. u procesima održavanja vode u gornjim slojevima slivova. Ova je uloga još važnija u malim slivovima s jako fluktuirajućim izlijevanjima vode. Članak prikazuje kako se može izvesti simulacija ovih hidroloških procesa primjenom modeliranja vodne ravnoteže. U tu svrhu primijenjen je model WBCM-5 (Water Balance Conceptual Model version 5), u jednodnevnim fazama na nekoliko pokusnih slivova u Republici Češkoj. Prikazana su dva predpoplavna razdoblja tik pred katastrofalnim poplavama u srpnju 1997. Isto tako, iz povijesnih su zapisa identificirana razdoblja suše. Sušni se trendovi mogu naći primjenom modela, pokazujući kako su osjetljivi slivovi u bezpadavinskim razdobljima. Konceptualni sadržaj vlage u tlu odnosi se na API indeks (Antecedent Precipitation Index). Kvantitativna studija također je izrađena o utjecaju uporabe zemljišta i gospodarenja na izravnu formaciju otjecanja i na nadoknadu podzemne rezerve. U radu se prikazuju rezultati modela za poplavno razdoblje iz srpnja 1997. u dva pokusna moravska sliva, Vseminka (48 %šume) i Drevnice (81 % šume) te ih uspoređuje s onima iz sliva Rokvtenka (24 % šume) u istočnoj Češkoj. Vidljivo je da dubina aktivne zone u slivu ima dominantan utjecaj na stupanj rizika od poplave i/ili suše. Ovi se hidrološki ekstremi mogu reducirati djelomično i samo u maloj mjeri. Međutim, racionalno gospodarenje slivom i dobro orgnaizirana uporaba zemljišta temeljena više na zaštitnu funkciju nego na proizvodnju, preduvjet je za zaštitu od opasnih hidroloških pojava s katastrofalnim posljedicama. KIjučne riječi: model vodne ravnoteže, prethodni uvjeti vlage, hidrološki ekstremi, deficit vlage u tlu, scenarij simulacije * Pavel Koväf, Češko poljoprivredno sveučilište Prag, Fakultet šumarstva i okoliša, Kamycka 129, 165 21 Prague 6-Suchdol, Czech Republic, E-mail: kovar@fle.czu.cz |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 222 <-- 222 --> PDF |
P. Kovan PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH MIDROLOŠKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA ... Šumarski list SUPLEMENT (2005), 219-228 UVOD - Introduction Vodna se ravnoteža nekog sliva može dobro kvantificirati analizom komponenata vodne ravnoteže s obzirom na neposredno otjecanje i dopounjavanje podzemne vode. Posebice je gornji sloj sliva od ogromne važnosti, jer njegov sadržaj vlage predodređuje moguće poplave ili suše - prema deficitnoj vrijednosti njegove vlage u tlu(Maidment 1993). Stoga je taj sloj (obično 0.20 m-0.50 m u dubinu) poznat kao aktivna zona. Utjecaj uporabe zemljišta na vodnu ravnotežu u aktiv noj zoni je također stvar od velike važnosti u gospodarenju vodnim resursima i kontroli poplave (Falken mark, 1999). Studija temeljena na izračunu vodne ravnoteže izrađena je pomoću podataka s dva mala slivna područja, Vseminka i Drevnice u Moravskoj. U širem smislu, cilj je ove studije istražiti utjecaje tla, fiziografske čimbenike i uporabe zemljišta na kapacitete vodne retencije u aktivnim zonama slivnog područja. EKSPERIMENTALNI SLIVOVI - Experimental catchments Oba su pokusna slivna područja sa sličnom površi2001.) Slika 1 daje opći prikaz situacije dvaju slivova. nom nedavno pretrpjela barem dvije poplave (1997. i Slika 1. Situacija eksperimentalnih slivova Figure I Situation of experimental catchments Tablica la. Karakteristike tla u slivovima Table I a. Catchment soil characteristics Prosječni kapacitet Ime sliva Površina (km") terena (KT) Catchment Area (km´) Average field name capacity FC Vseminka 21,51 0,40-0,42 Drevnice 22,58 0,40-0,43 Tablica lb Hidrološke grupe tala u slivovima Table 1 b. Catchment hydrological soil groups Grupa tla - Soil group Vseminka A 0,0 % B 10,8 % C 46,1 % D 43,1 % Drevnice 5,1% 30,5 % 39,0 % 25,4 % Oblik je Vseminkc Prosječna poroznost POR Average porosity POR 0,45-0,50 0,44-0,48 Dubina aktivne zone DROT (mm) Depth of active zone DROT 300,0 300,0 longitudinalan, gornji dijelovi N Sadržaj saturacije QSAT (mm) Saturation content QSÄT 123,0 125,0 središnje doline pošumljeni su sve do vodnog sliva, a uporaba zemljišta na ostalim dijelovima je različita. Sliv Drevnice je u obliku lepeze, vrlo je pošumljen, a samo njegov donji dio je pod boljom strukturom uporabe zemljišta. Karakteristike tla slivova prikazane su u Tablici la, b. Grupe tala podijeljene su prema najšire primijenjenim metodama (U.S. SCS, 1986). Uporabe zemljišta i fiziografski čimbenici predstavljeni su u Tablici 2. |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 223 <-- 223 --> PDF |
P. Kovar: PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH HIDROLOSKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA ... Šumarski list - SUPLEMENT (2005). 2 19-228 MODEL - Model Model WBCM primijenjen s ciljem kvantificiranja dinamike vlage u tlu pokusnih slivova je model s mogućnošću paramctarske distriubcije na toj površini. On se temelji na pristupu integrirane zalihe. Svaki element zalihe predstavlja intercepciju prirodne zalihe, površinu tla i aktivnu zonu. U toj verziji nisu primijenjene sve nezasićene zone i zone podzemne vode. Međutim, uzimala se u obzir samo nadopuna vode u njih kao output iz aktivne zone u obliku duboke infiltracije. Model s dnevnim stopama inputa i outputa simulira sljedeće procese (Kovar 1999. i Kovar 2000.): potencijalna evapotranspiracija, intercepcija i neposredna padavina na tlo izravno otjecanje dinamika aktivne zone vlage tla Opaska: Sadržaj vlage tla čitave nezasićene zone, dinamike podzemnih voda, bazno otjecanje i ukupno otjecanje obračunati su samo za proces parametarske kalibracije. Modificirana metoda Monteith-Penman primijenjena je za izračun potencijalne evapotranspiracije. Linearna distribucija lokalnih kapaciteta intercepcije je u načelu uzeta za aktualnu intercepciju i izravnu padavinu. Za kvantificiranje izravnog otjecanja primijenjena je metoda US Soil Conservation Service (SCS) temeljena na određivanju broja krivulje otjecanja (CN). Nadopunjavanje aktivne zone i njeno pražnjenje najviše ovise o parametrima tla (kapacitet terena, poroznost, hidrauličke provodljivosti, KS), sadržaju vlage u tlu i potencijalnim uvjetima evapotranspiracije. Za ovaj izračun primijenjena je jednodimenzionalna Richardova jednadžba u obliku konačne diferencije (Kovar 2001). Tablica 2. Uporaba slivnog zemljišta i fiziografski faktori Table 2 Catchment land use and physiographic factors Uporaba zemljišta -Land use Vseminka Drevnice Obradivo zemljište -Arable land Livade, pašnjaci -Meadows, pastures Divlje zelenilo- Wild greenery Suma -Forest Ostalo -Others Fiziografski faktori -Physiographic factors Dužina rijeke - Length of river Prosječni nagib rijeke - Average river slope Prosječni nagib sliva -A verage catchment slope 9,3 % 2,7 % 24,2 % 9,0 % 14,0% 0,8 % 48,2 % 81,0% 4,3 % 6,5 % Vseminka Drevnice 9,2 km 9,1 km 3,6 % 3,5 % 19,4% 23,0 % Prosječna altituda sliva - Average catchment altitude 400 m n.v. 495 m n.v. Tablica 3. Glavni podaci o poplavama u srpnju 1997. Table 3 Major data onfloodsin 07/1997 Sliv Datum Catchment Date 4/7-10/7 Vseminka 18/7-10/7 4/7-10/7 Drevnice 18/7-27/7 Vrhunac poplave Qmax (mV) Flood peak Qmax (m3.s´) 11,4 7,3 11,2 5,3 Kauzalna oborina (mm) Causal rainfall (mm) 123,3 70,4 160,6 90,1 REZULTATI I DISKUSIJA Ovaj je model primijenjivan od 1992. za izračun komponenata vodne ravnoteže. Na taj su način parametri modela već bili kalibrirani. Cilj ovog članka je proučiti dva predpoplavna razdoblja u srpnju 1997. s obzirom na sadržaj vlage u tlu u aktivnim zonama obaju pokusnih slivova. Dva poplavna vala preko teritorija istočne Češke i Moravske dogodila su se od 4. do 10. Početni SMD Initial SMD 37,8 10,8 36,1 12,4 Indeks prethodnih oborina API30 (mm) A n tec eden t precip ita Hon index APL3n (mm) 30,0 87,8 35,9 127,2 - Results and discussion Završni SMD (mm) Final SMD (mm) 1,2 0,0 0,8 0,0 srpnja, te od 18. do 27. srpnja 1997. Glavni podaci o ovim poplavama prikazani su u Tablici 3. Zatim je primijenjen model WBCM-5 za izračun fluktuacije sadržaja vlage u tlu u obliku vrijednosti dnevnog deficita vlage (SMD), kao i dnevni indeks prethodnog poplavljivanja (API). Razdoblje od 1. lipnja do 3. rujna 1997. pokazuje kako se opasnom čini poplavna situacija kada |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 224 <-- 224 --> PDF |
P. Kovan PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH H1DROLOŠKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA Šumarski list - SUPLLMENT (2005). 219-228 vrijednosti SM D padnu ispod 10 mm i još niže, a slivno područje više nema kapacitet retencije za zalihu sljedeće kiše. Posebice je bilo opasno razdoblje od 5. srpnja do 7. kolovoza 1997. na Vseminki i Drevnicama. Došlo je do najveće poplave u posljednjih 100 godina, poplave koja je odnijela mnoge ljudske živote i uzrokovala veliku materijalnu štetu. Drugi dio ovog istraživanja bio je odabir dvaju ekstremna razdoblja: suhog i mokrog, otprilike istog trajanja. Iz zapisa podataka je za suhu godinu s najmanje oborina i najvišom temperaturom zraka u vegetacijskom razdoblju (travanj-listopad) u posljednjih 20 godina izabrana godina 1992. Slično tome je za vlažnu godinu izabrana godina 1997. s najvišim oborinama određenim iz zapisa podataka istih stanica lociranih odgovarajuće za oba eksperimentalna sliva. Međutim, sljedeći cilj ovog članka je izabrati dva razdoblja, jedno tipično suho, te drugo tipično vlažno, oba u trajanju od oko 6 do 7 tjedana, kada nije bilo nikakve kiše u suhoj sezoni, niti bitnih olujnih kiša kombiniranih s regionalnim kišama s njihovom visokom periodičnosti (p<0,01, N>100 godina) u vlažnoj sezoni. Tako su ovi zapisi o dnevnim kišama i odgovarajućim dnevnim otjecanjima analizirani za obje karakteristične godine, 1992. i 1997., te su za slivove Vseminka i Drevnice odgovarajuće odre đena sljedeća razdoblja: Suho razdoblje 1992.: 16. srpanj do 31. kolovoz 1992. (47 dana) Vlažno razdoblje 1997: 26. lipanj do 14. kolovoz 1997. (50 dana) Ova su razdoblja dalje analizirana, te su rekonstruirane komponente njihove dnevne vodne ravnoteže. Za rekonstrukciju izabranih suhih i vlažnih razdoblja primijenjeni su ranije kalibrirani modeli parametra WBCM za čitava vegetacijska razdoblja za godine 1992. odnosno 1997 (Kovar et al. 2001). Osim prethodne analize situacije u godini 1997., situacija 1992. je bila potpuno drukčija, a aktivna se zona zatvorila do točke sušenja. Dnevne vrijendosti SMD (mm) su recipročne dnevnim vrijednostima prethodnih oborina API (mm). Kada uspoređujemo oba eksperimentalna sliva, evidentno je daje sliv Vseminka bolji "držač vode" od sliva Drevnice, unatoč većoj šumskoj površini Drevnica. Konačni cilj ovoga rada je simulirati hipotetične situacije gdje oba sliva odgovaraju na signifikantnu kišu u suhim i vlažnim uvjetima. Ove su kiše bile projektnog karaktera s vremenom ponavljanja N (godine): 2, 5, 10, 20, 50, te 100 godina. Te su kiše izvedene za stanicu Velikovä iz publikacije Samaj , et al. 1983.: Povratno razdoblje N - godina -Return period N -year N= 2 5 St. Velikovä (mm) 38,´ 51,7 Zbog kratkoće izvješća, ovdje dajemo samo projektirane 100-godišnje rezultate kiše. Ovaj je kišni scenarij trebao pasti krajem suhog razdoblja, 20. kolovoza 1992. te na kraju vlažnog razdoblja 27. srpnja 1997, jednakomjerno raspoređen na oba slivna područja Vseminke i Drevnice. 10 20 59,9 68,4 50 100 78,9 87,1 U suhom razdoblju 1992. u slivu Vseminka, utjecaj 100-godišnje kiše povećao je izravno otjecanja s 0,5 mm na 7,3 mm, a u slivu Drevnice u istom razdoblju te vrijednosti variraju od 4,0 mm do 32,0 mm. Tablica 4 Komparativna vodna ravnoteža u slivu Vseminka u suhom razdoblju od 16. srpnja do 31. kolovoza 1992. te vlažnom razdoblju od 26. lipnja do 14. kolovoza 1997. Table 4 Comparative water balance in the Vseminka catchment dry period 16/7 to 31/8/1992, wet period 26/6 to 14/8/1997 Komponenta vodne ravnoteže (mm) Water balance component (mm) Kiša, RAIN Rainfall, RAIN Ukupno otjecanje, STF Total runoff, STF Direktno otjecanje, SOF Direct runoff, SOF Stvarna evapotranspir., AE Actual evapotranspir, AE Promjene u zalihi AW Change in storage AW Suha situacija Vlažna situacija Scenarij sa 100-ljetnom kišom 1992. (mm) 1997. (mm) 1992 (mm) Dry situation Wet situation Scenario1992 (mm) 1997 (mm) 1992 (mm) 18,2 389,9 105,3 1,0 151,9 7,8 0,5 103,1 7,3 90,6 120,0 101,9 -71,8 118,0 -4,4 1997 (mm) with 100-year rain 1997 (mm) 477,0 208,2 148,2 121,4 147,4 |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 225 <-- 225 --> PDF |
P. Kovär: PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH HIDROEOŠKIII STANJA SLUČAJ SLIVOVA . Šumarski list - SUPLEMENT (2005), 219-228 Tablica 5 Komparativna vodna ravnoteža u slivu Drevnice u suhom razdoblju od 16. srpnja do 31. kolovoza 1992. te vlažnom razdoblju od 26. lipnja do 14. kolovoza 1997. Table 5 Comparative water balance on the Drevnice catchment dry period 16/7 to 31/8/1992, wet period 26/6 to 14/8/1997 Suha situacija Komponenta vodne ravnoteže (mm) 1992. (mm) Water balance component (mm) Dry situation 1992 (mm) Kiša, RAIN Rainfall, RAIN 18,2 Ukupno otjecanje, STF Total runoff, STF 4,0 Direktno otjecanje, SOF Direct runoff, SOF 0,6 Stvarna cvapotranspir, AE Actual evapotranspir., AE 90,8 Promjene u zalihi AW Change in storage AW -76,6 Ni u jednom slivu ovo povećanje izravnog otjecanja nema katastrofalni karakter. U slivu Vseminka to je bilo +6,8 mm, a u Drevnicama samo +28,0mm. Međutim, za vrijeme vlažnog razdoblja ovo je povećanje signifikantnije. U Vseminki to je bilo +45,1 mm, a u Drevnici čak +81,3 mm. To znači da u drugom slučaju u slivu plitkog tla s potpuno natopljenom aktivnom zonom gotovo 93 % kiše može dovesti sliv u stanje izravnog otjecanja. To bi nesumnjivo dovelo do katastrofe. Povećanje potpore podzemne zalihe također je značajno u rezultatima svih četiri scenarija. Tu su prikazane 100 Vlažna situacija Scenarij sa 100-ljetnom kišom 1997. (mm) 1992 (mm) 1997 (mm) Wet situation Scenario with 100-year rain 1997 (mm) 1992 (mm) 1997 (mm) 389,9 105,3 477,0 232,0 32,0 308,2 207,2 26,1 288,5 117,5 102,2 119,8 39,4 -28,9 147,4 postojeća situacija i ona kada padne projektirana kiša od 87,1 mm. Niske vrijednosti deficita vlage tla, SMD (te odgovarajuće visoke vrijednosti indeksa prethodne oborine, API) predstavljaju situaciju gdje više nema retencije da nadopune podzemne zalihe u slivu. Slična je situacija u slivu Drevnice, čak još više zbog brze fluktuacije uslijed pliće aktivne zone. Tablice 4 i 5, te Slike 2 i 3 prikazuju rezultate vrijednosti sastojaka komparativne vodne ravnoteže. Slike što predstavljaju sliv Drevnice slične su, ali nisu priložene ovom članku zbog limitiranog prostora. 90 80 70 E E 60 c ´5 I 50 40 30 20 10 date i ram I rain N=100y Qobs. . Q comp.sim. N=100y Slika 2. Hidrografi u slivu Vseminka u suhom razdoblju 1992. Figure 2 Hydrograph* in the Vseminka catchment in the dry period 1992 |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 226 <-- 226 --> PDF |
P. Kovar: PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH HIDROLOSKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA Šumarski list - SUPLEMENT (2005), 219-228 I date I rain N=100y Qobs. Q comp.sim. N=100y Slika 3. Hidrografi u slivu Vseminka u vlažnom razdoblju 1997. Figure 3 Hydrographs in the Vseminka catchment in the wet period 1997 ZAKLJUČCI - Podaci o hidrometeorološkim opservacijama, tlu, uporabi zemljišta i gospodarenju slivnim područjem provjereni su s obzirom na pouzdanost, te su zatim prostorno obrađeni s ARC/INFO u slivovima Vseminka i Drevnice. Zatim, nakon primjene modela WBCM-5 na te podatke, dobiveni se outputi analiziraju te se mogu donijeti sljedeći rezultati: Komparacijom padavina/otjecanja srpnja 1997 u pokusnim slivovima, unatoč relativno većem postotku pošumljenosti u slivu Drevnice (81,0 % prema 48,2 % u Vseminki), količina oborina (Drevnice oko 30 % više nego u Vseminki) i njen intenzitet su važniji čimbenici od uporabe zemljišta s obzirom na poplavu. Modeliranje vodne ravnoteže kao što je primjena samo "gornjih slojeva" (tj. aktivnih zona) u slivovima, može jednostavno kvantificirati vrijednosti dnevnog deficita vlage u tlu (SMD). U suhom razdoblju godine 1992. izravno otjecanje iz scenarijem projektiranih oborina od 87,1 mm bilo je Conclusions u pokusnom slivu Vseminka 13 %, a u Drevnicama 32 %. U vlažnom razdoblju godine 1997. izravno otjecanje iz tih oborina bilo je 52 % u Vseminki, a u Drevnicama čak 93 %. Stupanj situacije izražene bilo s API ili SMD vrlo je znatan u procesu izravnog oblikovanja otjecanja. Promjene u podzemoj vodi su logične, velika poboljšanja u nadoknadi vode u suhim razdobljima ili obim slivovima su znatna, prekomjernost u vlažnim radobljima nije opasna, jer je tok podzemnih voda iz njihovih podzemnih zaliha procijenjen kao ne suviše brz. Male promjene aktualne evapotranspiracije ovise o nekoj aktivnoj zoni i čitavom nenatopljenom vodnom sadržaju tla. Ove promjene nisu bitne. Modelom WBCM može se koristiti samo za kvantifikaciju individualnih komponenata vodne ravnoteže, ali isto tako za identificaciju potencijalne štete od poplave i/ili suše. ZAHVALA - Acknowledgement Izražavamo zahvalnost za podršku Ureda za znanvećanja ekološke stabilnosti, recencije i akumulacije stvenu podršku Ministarstva obrazovanja, Republika vodnih kapaciteta u krajoliku ". Češka, Projekt br. MSM 414100008 "Mogućnosti po |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 227 <-- 227 --> PDF |
P. Kovär: PROCJENA RIZIKA KOD EKSTREMNIH HIDROLOSKIH STANJA SLUČAJ SLIVOVA ... Šumarski list - SUPI.F.MENT (2005), 219-228 LITERATURA - References Cudlin, P., F. Zemek, M. Hečman, P. Kovär, (2000): Evaluation of the extreme hydrological phenomena conditions in landscape using methods of mathematical modelling and GIS (in Czech), Workshop Proceedings 2000, pp. 261-272, Publishing House: CVUT Prague, ISBN 80-01-02318-4, Grant GACR 103/99/1470 Extrcmni hydrologicke jevy v povodich,. Falken m ark, M., (1999): Water, a reflection of land use, 128 pp., Published by Swedish Natural Science Research Council and UNESCO, ISBN 91546 03587,. US SCS, (1986): Urban hydrology for small watersheds. Technical Release 55: 13, 48 pgs. GACR Report, (1996): Implementation of Hydrological Models on the Rokytenka Catchment. In: Transport Processes in Head-Water Areas, GACR 103-94-0653, 66pgs. Ko vär, P., (1999): Modelling of Significant Rainfall- Runoff Events. In: Hydrological Processes Mo delling, pp. 181-207, Kluwer Academic Publisher. Amsterdam/Dordrecht, NL. ISBN-0-62855881- 8. Kovär, P., P. Cudlin, M. Korytär, F. Zemek, M. Hečman, (2001): Comparative study of water balance on the experimental catchments Všeminka and Drevnice, pp. 260-266, Rostlinnä vyroba, 47, 2001 (6). Maidment, D.R., (1993): Handbook of Hydrology. Published by McGraw-Hill, Inc. n ISBN 0-07039732- 5. Šamaj,F., R. Bräzdi 1, J. Val ović, (1983): Dennć ührny zräzok s mimoriadnou vydatnoscou v ČSSR v obdobi 1901-80. (in Slovak). (Daily rainfalls of maximum intensity in ČSSR in the period 1901-80, Proceedings of Slovak Hydrometeorological Institute). Sbornik präc. SHMU, Nakladatelstvi Alfa, Bratislava. |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 228 <-- 228 --> PDF |
PRESENTATION AT THE INTERNATIONAL SYMPOSIUM Sumarsk i list - SUPLEMENT (2005). 219-228 RISK ASSESSMENT OF EXTREME HYDROLOGICAL SITUATIONS CASE STUDY OF THE VSEMINKA AND DREVNICE CATCHMENTS, CZECH REPUBLIC Pavel KOVÄR* SUMMARY: Use of water balance models gives an opportunity to identify extremes in the rainfall-runoff processes, namely soil moisture content in the upper soil zone of small head-water catchments can indicate potential floods or drought. These upper catchment zones (0.20-0.60 m) are usually called "active zones" and strongly influence the formation of direct runoff, particularly when their soil moisture content is close to saturation, or lead to drought when the water content is exhausted. Also forest management and good forestry practices play a significant role in rainfall-runoff processes, namely in the water-holding processes of upper catchment layers. This role is even more important on small catchments with highly fluctuating water discharges. The paper shows how a simulation of these hydrological processes can be performed using water balance modelling. The WBCM-5 model (Water Balance Conceptual Model, version 5) running in one-day steps on several experimental catchments in the Czech Republic was implemented for this purpose. The two preflooding periods just before the catastrophic floods in July 1997 are clearly shown. Similarly, periods of drought can also be well identified from the historical records. The trends of "drying" can be found by implementing the model, and they show how sensitive a catchment is in rainless periods. Conceptual soil moisture content is related to the Antecedent Precipitation Index (API). A quantitative study is also made of the impact of land use and management on direct runoff formation and on subsurface storage replenishment. The paper gives the model results for the flood period of July 1997 on two Moravian experimental catchments, Vseminka (48 %forested) and Drevnice (81 % forested), and compares them with those from the Rokytenka catchment (24 % forested) in Eastern Bohemia. It is evident that the depth of the active zone on a catchment has a predominant influence on the degree of flood and/or drought risk. These hydrological extremes can be reduced partially and only to a small extent. However, rational catchment management and well organised land use and forest management based more on the protection function than on production is prerequisite for dangerous hydrological events with catastrophical consequences. Key words: water balance model, antecedent moisture conditions, hydrological extremes, soil moisture deficit, scenario simulation. INTRODUCTION Water regimes of a catchment can be well quantified particular, the upper soil layer in a catchment is extreby an analysis of water balance components with refemely important, as its moisture content predetermines rence to direct runoff and subsurface water recharge. In possible floods or droughts according to its soil moistu re deficit value (Maidment , 1993). Therefore, this * Pavel Koväf, Czech University of Agriculture Prague, layer (usually 0.20 m to 0.50 m in depth) is known as Faculty of Forestry and Environment, Kamycka 129, the active zone. The impact of land use on the water 165 21 Prague 6-Suchdol, Czech Republic E-mail: kovar@nc.czu.cz balance in an active zone is also a matter of great im |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 229 <-- 229 --> PDF |
P. Kovär: RISK ASSESSMENT OF EXTREME HYDROLOGICAL SITUATIONS CASE STUDY ... Šumarski list SUPLEMENT (2005). 2I9-22S portancc in water resources management and flood control (Falkenmark, 1999). A case study based on water balance computation has been carried out using data from two small catchments Vseminka and Drevnice in Moravia. The aim of EXPERIMENTALBoth Moravian experimental catchments covering similar areas have suffered at least twice from floods during recent years (1997, 2001). Fig. 1 gives a general view of the situation of the catchments. The shape of the Vseminka catchment is longitudinal, the upper sides of the central valley are forested down from the water divide, and land use on the other parts is diversified. The Drevnice catchment is fan-shaped, highly forested and only its lower part has a more structured land use. The soil characteristics of the catchments are given in Table 1 a, b. The soil groups have been selected in accordance with methods widely used (U.S. SCS, 1986). The land use and physiographic factors are presented in Table 2. The WBCM model that was implemented with the aim of quantifying the soil moisture dynamics of the experimental catchments is a lumped model with probability parameter distribution over the area. It is based on the integrated storage approach. Each storage element represents the natural storage interception, soil surface and active zone. In this version not all the unsaturated and ground water zones were used, however only a recharge to them was considered as an output from the active zone in the form of deep infiltration. The mo- RESULTS ANDThe model has been implemented annually since 1992 to compute the water balance components. Thus the model parameters had already been calibrated. The aim of this paper is to study two pre-flooding periods in July 1997 with reference to soil moisture content in the active zones of both experimental catchments. There were two flood waves over the territory of Eastern Bohemia and Moravia (4/7 to 10/7 and 18/7 to 27/7/ 1997). The major data on these floods is shown in Table 3. Then, the WBCM-5 model was implemented to compute soil moisture content fluctuation in the form of daily moisture deficit values (SMD), as well as the daily antecedent precipitation index (API). The period of June 1 to September 3, 1997, shows how dangerous flooding situation appears when the SMD values drop below 10 mm and even lower and the catchments have no more retention capacity to store next rainfall. In particular, the period 5/7 to 7/8/ 1997 on the Vseminka and Drevnice was the most hazardous. The result was a flood close to 100-year return period, which caused major loss in human life and in property. The second this study, in a broader sense, is to investigate the effect of soil, physiographical factors and land use on water retention capacities in the active zones of the catchments. CATCHMENTS del with daily step input/output rates simulates the following processes (Kovar 1999, Kovar 2000): potential evapotranspiration, interception and throughfall direct runoff active soil moisture zone dynamics Note: Soil moisture content of the whole unsaturated zone, ground water dynamics, base flow and total flow were computed only for the process of parameter calibration. The modified Monteith-Penman method was used for computing potential evapotranspiration. A linear distribution of local interception capacities was in principle used for actual interception and throughfall. For quantifying direct runoff, the US Soil Conservation Service, SCS method based on runoff curve number (CN) assessment was used. The recharge of the active zone and its depletion depend mostly on soil parameters (field capacity FC, porosity POR, hydraulic conductivities, KS), on soil moisture content and on potential evapotranspiration conditions. For this computation, the one-dimensional Richards equation is used in the finite difference form (Kovar, 2001). DISCUSSION part of this research was to select two extreme periods: dry and wet ones of about the same duration. As a dry year with the least precipitation and the highest air temperature in vegetation period (April - October) in the last 20 years the year 1992 was selected in the data record. Similarly, as a wet year was selected the year 1997 with the highest precipitation determined from the data record from the same stations located appropriately for both experimental catchments. However, the next aim of this paper was to select two periods, one typically dry and the other typically wet, both of the duration about 6 to 7 weeks when there was either no rain in dry season or substantial torrential storms combined with regional rainfalls with their high periodicity (p< 0.01, N > 100 years) in the wet season. Thus these daily rain and corresponding daily runoff records were analysed in both characteristic years 1992 and 1997 and for the Vseminka and Drevnice catchments the following periods were adequately selected: Dry period 1992: July 16 to August 31,1992 (47 days) Wet period 1997: June 26 to August 14,1997 (50 days) |
| ŠUMARSKI LIST 13/2005 str. 230 <-- 230 --> PDF |
P- Kovär: RISK ASSESSMENT OF EXTREME HYDROLOG1CAL SITUATIONS CASE STUDY . Šumarski list SUPLEMENT (2005), 219-228 These periods were further analysed and their daily water balance components reconstructed. For the reconstruction of the selected dry and wet periods were used the WBCM model parameters calibrated earlier for the whole vegetation periods of the years 1992 and 1997 resp. (Kovar etal, 2001). Next to the previous analysis of the situation in 1997 the situation in 1992 was completely different and the active zone was closed to the wilting point. Daily SMD (mm) values are reciprocally to daily antecedent precipitation index values, API (mm). When we compare both experimental catchments, it is evident that the Vseminka catchment is more "water keeping" than the Drevnice catchment in spite of larger forested area on the latter case. The final aim of this work was to simulate the hypothetical situations how both experimental catchments respond to significant rainfall in dry and wet conditions. These rainfalls were those of the design character with the recuiTcnce time N (years): 2, 5, 10, 20, 50, and 100 years.These rainfalls were derived for the Velikovä station from the publication (Samaj, et al,1983): For the sake of brevity, only the 100-year design rain results are given here, in the paper. This scenario- design rain was supposed to fall at the end of dry period, on August 20, 1992 as well as at the end of wet period on July 27, 1997 uniformly distributed over both catchment areas of Vseminka and Drevnice. In dry pe riod 1992 on the Vseminka catchment, the impact of 100-year rain has increased direct runoff from 0.5 mm to 7.3 mm, and on the Drevnice catchment in the same period it varies from 4.0 mm to 32.0 mm. On both catchments this direct runoff increase has no catastrophical character, on the Vseminka catchment it was +6.8 mm, on the Drevnice catchment + 28.0 mm only. However, during the wet period this increase was more significant. On Vseminka was +45. lmm and on Drevnice even +81.3 mm. It means that on the latter case on a shallow-soil catchment with fully saturated active zone, almost 93 % of rainfall can leave the catchment in the form of direct runoff. This could undoubtedly bring a catastrophical event. The increase of subsidy to subsurface storage is also remarkable in all four scenario results. There the existing situation as well as the situation when the design rainfall of 87.1 mm has fallen are presented. Low values soil moisture deficit, SMD (and correspondingly high values of antecedent precipitation index, API) represent the situation when there is no more retention to replenish subsurface storages on the catchment. The situation on the Drevnice catchment is similar, even more sensitive for faster fluctuation because of the shallower active zone. Tables 4 and 5 and also Figures 2 and 3 give results of the comparative water balance component values. Figures representing the Drevnice catchment are similar but not attached to this paper because of its limited extent. CONCLUSIONS The data on hydrometeorological observations, soil, land use and on watershed management were checked for reliability and then spatially processed by ARC/INFO on the catchments of Vseminka and Drevnice. Then, after implementing the WBCM-5 model on that data, the resulting outputs were analysed and the following conclusions can be made: Comparing rainfall-runoff events in July 1997 on the experimental catchments, in spite of the relatively greater percentage of forestation in the Drevnice catchment (81.0 % against 48.2 % on Vseminka), the depth of rainfall (Drevnice about 30 % higher than those on Vseminka) and its intensity are more important factors than land use in a flood consideration. Water balance modelling such as implementing only "upper layers" (i.e. active zones) on catchments can easily quantify daily soil moisture deficit (SMD) values which signalize a degree of water saturation In dry period of the year 1992 was direct runoff from the scenario-design rainfall of 87.1 mm on the experimental catchment Vseminka 13 % and on Drevnice 32 %. In wet period of the year 1997 was direct runoff from this rainfall on Vseminka 52 % and on Drevnice as much as 93 %. A degree of situation expressed either by API or SMD is, besides the design rainfall characteristics its depth, duration and intensity, very substantial in a direct runoff formation process. Changes in subsurface water subsidy are logical, the great recharge improvements in dry periods or both catchments are remarkable, their excess in wet periods is not dangerous as groundwater flow from their subsurface storages is supposed as not too rapid. Small changes of actual evapotranspiration depend on an active zone and whole unsaturated soil water content. These changes are not essential. The WBCM model can be used only for individual water balance components quantification but also for an identification of the potential harm of floods and/or droughts. ACKNOWLEDGEMENT Support from the Scientific Grant Agency of the Mi- lity, retention and accumulation capacities of water in nistry of Education, Czech Republic, Project No. MSM the landscape " is gratefully acknowledged. 414100008 "Possibilities to increase ecological stabi |