Úvod

Cílem studie je stanovit pro povodí řeky Kamenice změny hydrologické bilance a vyhodnotit účinek opatření v podobě vodní nádrže a zvýšení retence půdy.

Zájmové území a data

Vyhodnocení jsem provedla pro povodí řeky Kamenice, která je pravostranným přítokem Jizer. Kamenice pramení pod sedlem Holubníku v Jizerských horách jako Velký kamenický potok. Délka toku je 36 km a plocha povodí je 186 km2.

## OGR data source with driver: ESRI Shapefile 
## Source: "C:\Users\Lucie\Documents\czu\10. semestr\hydrologicke dopady KZ\cviceni\KZ2019-master\data\povodi.shp", layer: "povodi"
## with 28 features
## It has 14 fields
## Integer64 fields read as strings:  ID

Vstupní data jsou tvořena měsíčními hodnotami srážek, teploty a odtoku v období 1961-2010.

##    Min. 1st Qu.  Median    Mean 3rd Qu.    Max. 
##   1.764  58.171  87.864  95.677 123.645 345.186

##     Min.  1st Qu.   Median     Mean  3rd Qu.     Max. 
## -10.8414  -0.9152   4.9261   5.0100  11.6777  19.2303

##    Min. 1st Qu.  Median    Mean 3rd Qu.    Max.    NA's 
##   4.679  26.828  41.436  58.268  73.561 342.445     122

Grafy časových řad srážek, teploty a odtoku:

Model Bilan

Pro kalibraci modelu Bilan byla použita funkce bil.optimize(), která optimalizuje parametry modelu podle pozorovaných dat pomocí algoritmu diferenciální evoluce. Pro kalibraci pomocí funkce bil.optimize() je požadována hodnota srážek P, teploty T a potenciální evapotranspirace PET.

Ve vstupních datech hodnoty potenciální evapotranspirace chybí, proto jsou, pro kalibraci modelu Bilan, hodnoty potenciální evapotranspirace dopočítány funkcí bil.pet(). Bil.pet() je funkce odhadu potenciální evapotranspirace. Odhad je založen na typu vegetační zóny (biomu) a zeměpisné šířce.

Kalibrace modelu je tím lepší, čím je hodnota korelační závislosti pozorovaných a simulovaných dat blíže hodnotě jedna.

Výsledné parametry nakalibrovaného modelu Bilan:

##   name    current lower upper   initial
## 1  Spa 147.700000     0 2e+02 1.477e+02
## 2  Dgw  13.800000     0 2e+01 1.380e+01
## 3  Alf   0.000779     0 3e-03 7.790e-04
## 4  Dgm  16.742000     0 2e+02 1.522e+01
## 5  Soc   0.629100     0 1e+00 6.990e-01
## 6  Wic   0.342000     0 1e+00 3.420e-01
## 7  Mec   0.799000     0 1e+00 7.990e-01
## 8  Grd   0.499000     0 1e+00 4.990e-01

Vykreslení pozorovaných odtoků R (černě) a simulovaných odtoků RM (červeně):

Vyhodnocení kvality kalibrace modelu Bilan:

## [1] 0.811601

Klimatická změna

Pro zjištění klimatické změny byla použita simulovaná data srážek a teploty pro kontrolní období (1960-1990) a pro scenarove období (2070-2100). Data srážek a teploty byla simulována globálním klimatickým modelem HadGEM. Změny teploty byly vypočítány jako rozdíl hodnot scénářového a kontrolního období a změny srážek byly vypočítány jako podíl hodnot scénářového a kontrolního období.

Změny srážek a teploty jsou uvedeny v tabulce:

##        mesic  zmeny_T   zmeny_P
##  1:    leden 6.384822 1.4709734
##  2:     únor 5.895775 1.2096052
##  3:   březen 4.914562 1.2046919
##  4:    duben 4.249740 1.2871954
##  5:   květen 5.383927 1.4284467
##  6:   červen 7.931642 0.9857975
##  7: červenec 9.490390 0.5215801
##  8:    srpen 9.472254 0.3494760
##  9:     září 8.583655 0.6210803
## 10:    říjen 6.909434 1.0857984
## 11: listopad 4.606619 1.2202098
## 12: prosinec 5.546036 1.1328375

Následně jsem vykreslila měsíční data srážek a teploty pro kontrolní a scénářové období a jejich změny.

Pro simulaci scénářů změn klimatu modelem Bilan je použita přírůstková metoda, kdy je upravená pozorovaná časová řada srážek a teploty o hodnotu změny mezi scénářovým a kontrolním obdobím.

Simulací modelem Bilan je následně vypočítána změna odtoku pro měsíce a roky a vypsány v tabulkách:

##     month   RM_ctrl    RM_scen      delta
##  1:     1  50.65247 106.781359 2.10811734
##  2:     2  57.91239  94.012417 1.62335586
##  3:     3  87.48152  89.279016 1.02054712
##  4:     4 112.29345  58.247667 0.51870939
##  5:     5  70.29618  52.761811 0.75056442
##  6:     6  39.48326  25.507960 0.64604490
##  7:     7  38.23250  10.848488 0.28375044
##  8:     8  34.34692   4.743945 0.13811849
##  9:     9  35.32809   2.864337 0.08107818
## 10:    10  43.58365   8.302754 0.19050158
## 11:    11  60.38532  33.920224 0.56172960
## 12:    12  53.22280  83.092048 1.56121154
##     year  RM_ctrl  RM_scen     delta
##  1: 1961 53.05678 52.03987 0.9808336
##  2: 1962 50.18550 46.23480 0.9212780
##  3: 1963 34.86571 16.30186 0.4675614
##  4: 1964 47.69405 36.96239 0.7749895
##  5: 1965 62.47116 65.50011 1.0484856
##  6: 1966 71.44565 60.70301 0.8496390
##  7: 1967 70.95845 68.26670 0.9620658
##  8: 1968 67.63430 51.85838 0.7667468
##  9: 1969 40.77486 30.23544 0.7415216
## 10: 1970 62.40752 59.46381 0.9528309
## 11: 1971 58.12970 45.03519 0.7747363
## 12: 1972 32.59360 24.18307 0.7419576
## 13: 1973 42.23727 44.96555 1.0645940
## 14: 1974 86.29486 73.86323 0.8559401
## 15: 1975 41.83971 41.17779 0.9841797
## 16: 1976 44.52565 49.15245 1.1039132
## 17: 1977 74.73701 47.25415 0.6322724
## 18: 1978 79.92142 53.29025 0.6667831
## 19: 1979 60.64052 45.11414 0.7439602
## 20: 1980 69.65289 50.64522 0.7271087
## 21: 1981 91.25588 75.55805 0.8279801
## 22: 1982 39.74831 38.41212 0.9663836
## 23: 1983 54.21962 59.77869 1.1025287
## 24: 1984 57.47177 33.38817 0.5809491
## 25: 1985 47.55298 42.95553 0.9033194
## 26: 1986 51.69774 52.61926 1.0178251
## 27: 1987 72.28468 55.76462 0.7714584
## 28: 1988 55.79029 60.49635 1.0843526
## 29: 1989 52.50377 30.05396 0.5724152
## 30: 1990 39.41594 29.87448 0.7579288
## 31: 1991 33.82384 32.29932 0.9549276
## 32: 1992 53.63683 48.76108 0.9090969
## 33: 1993 56.80456 45.62941 0.8032701
## 34: 1994 58.95978 51.10707 0.8668124
## 35: 1995 64.60510 58.55350 0.9063294
## 36: 1996 58.48098 32.30490 0.5524001
## 37: 1997 61.72024 47.44975 0.7687874
## 38: 1998 66.65211 56.46924 0.8472236
## 39: 1999 51.44791 44.33905 0.8618241
## 40: 2000 63.95951 60.33694 0.9433615
## 41: 2001 60.05136 47.14115 0.7850138
## 42: 2002 68.87477 48.80000 0.7085324
## 43: 2003 27.74670 28.63055 1.0318544
## 44: 2004 53.46517 47.23198 0.8834160
## 45: 2005 62.56862 55.85521 0.8927033
## 46: 2006 69.64862 45.82825 0.6579922
## 47: 2007 46.21649 49.87125 1.0790791
## 48: 2008 51.35995 45.56760 0.8872205
## 49: 2009 52.66830 49.74809 0.9445547
## 50: 2010 70.04557 39.43547 0.5629974
##     year  RM_ctrl  RM_scen     delta

Změny odtoku jsou také vykresleny:

Vliv změny retence půdy

Změna retence půdy je v modelu Bilan simulována změnou parametru Spa. Uvažujeme se změnou retencí půdy od -60 % do +60 %. Parametr Spa je získán z modelu Bilan pomocí funkce bil.get.params() a hodnota parametru se mění pomocí funkce bil.set.params.curr().

Simulace vlivu změny retence půdy parametrem Spa byla provedena pro průměrné, minimální a maximální: odtoky, zásobu vody v půdě a výpar pro současné a budoucí klima.

Závěr

Pro modelování dopadů klimatických změn bylo vybráno povodí řeky Kamenice. K výpočtu byly použity data srážek, teploty a odtoku, které byly převedeny do měsíčního časového kroku. Pro srážky, teplotu a odtok byla vypočítána základní popisná statistika.

K simulaci byl použit model Bilan, do kterého byla vložena data. Model byl nakalibrován, na kalibraci byla použita metoda diferenciální evoluce, a byly vypsány hodnoty parametrů modelu. Kvalita kalibrace je poměrně dobrá, hodnota korelace R~RM je 0.88.

K určení změny klimatu byla použita simulovaná data srážek a teploty pro kontrolní a scénářové období. Změny teploty byly vypočítány jako rozdíly hodnot scénářového a kontrolního období. Změny srážek byly vypočítány jako podíl scénářového a kontrolního období. Z grafů vyplývá, že změny u teploty jsou výraznější než u srážek a k největším změnám u teploty dosahuje v měsících květen až říjen.

Pro simulaci scénárů změn klimatu modelem Bilan byla použita přírustková metoda. Simulací byly zjištěny změny odtoku. Výpočet byl proveden pro měsíce a pro roky. Nejvýraznější změny odtoku jsou v lednu a v období srpen-říjen. V ročním časovém kroku je trend změn odtoku klesající, tedy se změny průměrně zvětšují.

Změna retence půdy je uvažována s +/- 60 %. Retence půdy je v modelu Bilan zastoupena parametrem Spa. Simulace vlivu změny retence půdy byla provedena pro průměrné, minimální a maximální: odtoky, zásobu vody v půdě a výpar pro současné a budoucí klima. S rostoucí hodnotou Spa (retencí půdy) hodnota zásoby vody roste ve všech případech. Minimální odtok pro současné klima s rostoucí retencí půdy vykazuje růst, jinak ve všech ostatních případech dochází k poklesu. U Výparu dochází se zvyšující se hodnotou retence půdy k růstu nebo nedochází k žádné změně.