Optimalizace krajinné struktury z hlediska hydrologických režimů
Národní program výzkumu 2B06022
Program 2B Zdravý a kvalitní život
Tématická oblast 2B-3-5 Životní prostředí a zdraví
Téma 2B-3-5-5 Nové postupy umožňující zlepšení spolehlivosti a srozumitelnosti informací souvisejících s životním prostředím
Doba řešení : 1.7.2006 - 31.12.2010
Řešitelská pracoviště : VÚMOP, v.v.i., ČZU Praha, Agroprojekce Litomyšl spol. s r.o.
Projekt navrhuje koncepční algoritmus k posouzení vlivu prvků krajinné struktury s cílem sladit hydrologické režimy se zájmy vodohospodářskými a s hledisky trvale udržitelného využívání krajiny. navržený postup systematizuje znalostní bázi problematiky do tématických částí a zpřesňuje podmínky jejich využití. Algoritmus bude zpracován ve formě sofistikovaného hypertextového dokumentu (snadnost aktualizací, univerzálnost, dostupnost a plošné uplatnění) s programovou podporou. Zvolené řešení vytvoří podmínky pro posouzení stávajícího stavu a pro optimalizaci návrhu souboru opatření z hlediska podpory zvýšení infiltrační a retenční schopnosti krajiny a pro prevenci negativních dopadů extrémních hydrologických situací. Řešení zohledňuje existující významné funkční vazby v krajině, tyto kvantifikuje a předkládá nástroj ke zpracování variantních nápravných opatření. Těžištěm řešení je realizovatelnost integrovaného hydroekologického managementu v praxi uplatněním nových metod a pracovních postupů.
Definice účelu projektu
Posuzování efektivnosti managementu krajiny a souboru vodohospodářsky účinných opatření, resp. projevů dílčích opatření, je v praxi vykonáváno na různých úrovních odborných i územně-správních a pro širokou škálu účelů (počínaje zmírněním negativních účinků vod, ochranou vodních zdrojů a zabezpečením zásobování vodou až po posouzení vlivu hospodářských činností na krajinu). Výsledek je často komplikován nejednoznačností posuzovaných účinků hodnocených opatření, což bývá způsobeno několika zpravidla protichůdnými dílčími efekty a nesprávným přiřazením významu daného opatření v konkrétních přírodních (stanovištních) a technických podmínkách. Aktuální situace v řadě případů vyžadují neodkladné řešení, které mohou objektivizaci posudkového procesu zdůraznit. K tomu přistupují úkoly, plynoucí ze vstupu ČR do EU (implementace směrnic EU, útlum zemědělské výroby, mechanismy uplatňování státních finančních podpor vodohospodářských investic a odborných činností, podpora environmentálních řešení atd.), vyjadřující veřejný zájem při péči o krajinu.
Environmentálních cílů lze dosáhnout zlepšením stavu vodních útvarů, kterých se projekt dotýká v kategoriích: opatření ke zvýšení retence vody (dočasným zadržením vody, zvýšením trvalých zásob vody), opatření ke snížení eroze půdy, opatření ke snížení kulminačních průtoků, opatření ke zlepšení hospodaření vodou, zanášení rybníků a vodních nádrží, zlepšení jakosti vody ve vodních tocích a v nádržích, opatření související s návrhy komplexních pozemkových úprav.
Cílem projektu je přispět k objektivnímu zhodnocení efektů či rizik stávajícího stavu, vymezit potenciál dosažitelných změn a definovat všechny významné vazby uvnitř hydrologického systému i projevy navenek. Umožnit porovnání variant řešení managementu krajiny, resp. v průběhu posouzení doporučovat vhodná opatření jako alternativy návrhu. Poskytovat znalostní prostředí (know how) pro proces odborného vzdělávání, pro související projekční činnosti, pro využití při expertní činnosti, při výkonu veřejné správy na různých stupních, pro informování veřejnosti, ale i pro uživatele a vlastníky pozemků, stavebních objektů apod.
Vedle zvýšení kvality rozhodovacích činností je cílem řešení projektu také poskytnout podklady pro podporu činností krajinného managementu a případně rozhodovací procesy standardizovat. Je zvoleno řešení, založené na protokolování postupu posuzování, které umožní jeho reprodukovatelnost a zjednoduší návrh variantních řešení. Inovací je vedle použitých metod také použitý prostředek - Internet, resp. síťové prostředí. Dalším účelem je zvýšení transparentnosti procesu posuzování vlivu struktury opatření na hydrologický režim a vodohospodářské zájmy řešené oblasti.
Navržený projekt je vřazen do rámce standardního komunikačního prostředí (soubor hypertextových dokumentů a základních programových nástrojů), navrhuje však nové postupy třídění informací o krajinném prostředí a zpřehledňuje existující složité vazby, čímž naplňuje zadání tématu projektu – zlepšení spolehlivosti a srozumitelnosti existujících informací a znalostních bází. Českomoravské vrchoviny.
Očekávané přínosy projektu
Řešení poskytne nástroj (expertní prostředí) pro systematizaci činností, souvisejících s posuzováním vlivu prvků krajinné struktury a managementu krajiny na hydrologický režim a na zájmy vodního hospodářství. Proces posuzování stávajícího stavu a optimalizace návrhu opatření bude v algoritmu strukturován podle časových etap a dílčích témat, což zvýší jeho přehlednost a eliminuje riziko opomenutí klíčových kritérií. Řešení zpřehlední proces optimalizace v praxi uplatňovaných principů ovlivnění krajinné struktury, zvýší diverzitu využití vhodných opatření (podrobným dokladováním podmínek využití a jejich účinnosti) a zvýší vodohospodářský efekt souboru opatření v krajině. Zpracování projektu poskytne alternativu využívání zásadních metodických postupů jejich přepracováním do struktury optimalizačního diagramu. Téma řešení se dotkne zejména oborů vodohospodářských meliorací (tj. odvodňování, závlah, protierozní ochrany, hrazení bystřin a strží, malých vodních nádrží a mokřadů), úprav a revitalizací drobných vodních toků a podle potřeby dalších souvisejících témat vodního hospodářství, životního prostředí, zemědělství a lesnictví.
Publikování výsledků v elektronické verzi (na Internetu) mnohonásobně zlepší přístup k využití tohoto nástroje. V neposlední řadě by mohlo navržené řešení přispět k popularizaci hydrologických souvislostí problematiky krajinné struktury v kontextu současných trendů zvyšování extremity hydrologických jevů. Řešení projektu poskytne návod a praktické zkušenosti pro rozšíření tématiky mimo vymezený rámec projektu.
Předpokládanou cílovou skupinou uživatelů jsou projekční týmy, ministerstva (zemědělství, životního prostředí, pro místní rozvoj), odborné složky veřejné správy, ale i všichni aktivní uživatelé krajinného prostoru.
Cíl projektu
Soubor pracovních postupů, uspořádaných do algoritmu logických operací, které povedou k objektivizaci posouzení stávajícího stavu a k variantám návrhu změn struktury hydrologicky účinných opatření v krajině.
Očekávané výsledky projektu
Předložení algoritmu, který bude objektivizovat posouzení krajinné struktury mimo jiné jako souborného uspořádání technických, agronomických či lesnických, biotechnických, biologických, provozních a organizačních opatření na ovlivnění hydrologických režimů a vodohospodářských zájmů. Následné optimalizační přístupy budou zaměřeny na lokální potřeby jednak z hlediska zlepšení vodních retenčních schopností krajiny, či eliminaci extrémů zátěže krajiny klimatickými vlivy.
Navržené řešení bude vodítkem pro formulaci obdobných řešení s cílem doplnění dalších aspektů (nad rámcem hydrologie a vodního hospodářství), ovlivňujících užitné vlastnosti a stabilitu kulturní krajiny.
Postup řešení je rozdělen do tří časových etap a tří hlavních okruhů.
V úvodu bude formulováno základní schéma krajinné struktury, přizpůsobené cílům řešení projektu, tj. s vymezením především hydrologických vazeb. Z tohoto důvodu bude krajina vnímána jako soustava hydrologických jednotek (povodí), v rámci nichž jsou uspořádány krajinné prvky (plošné, liniové či bodové) do krajinné struktury. Zároveň je respektováno prostorové uspořádání prvků a složek v krajině, a vazeb mezi nimi. Pro vytvoření katalogu krajinných prvků bude posuzována jeho významnost především s ohledem na potenciál změny vodního režimu a reálnost použití v našich podmínkách.V přiměřeném rozsahu jsou definovány prvky a vazby další (abiotické, biotické a socioekonomické). Pro vytvoření katalogu krajinných prvků budou využity práce členů řešitelského týmu (v oborech hydromeliorací, pozemkových úprav, lesního a vodního hospodářství, urbanizovaných území, atd.) a budou doplněny výsledky dalších dotčených oborů.
Jednotlivé krajinné prvky budou zasazeny do logického relačního modelu (viz ISHMS), v podrobnosti, která bude odpovídat získaným zkušenostem s uplatněním hydrologických modelů. Tímto způsobem budou kvalitativně popsány procesy, ovlivňované krajinným prvkem / opatřením (např. zasakovací pás - intercepce, infiltrace, drsnost povrchu, transpirace atd.). Vzniklý logický model bude dále využit v několika fázích: zejména pro kvantitativní vymezení vlivu krajinného prvku na hydrologický režim v konkrétních stanovištních podmínkách, ale také pro vytvoření struktury algoritmu pro hodnocení a optimalizaci místních podmínek podle cíle projektu.
Krajinné prvky budou zařazeny do vhodně zvolených kategorií (podle přírodních, technických, hospodářských hledisek, podle investičních či organizačních nároků, podle účinnosti, podle sociálních hledisek, atd.). Pro jednotlivé typy krajinných prvků budou vymezeny podmínky použití, rozpětí návrhových parametrů, limitů i potenciálu dosažitelných efektů na hydrologický režim (pozitivních i negativních hledisek), budou vyznačeny nejčastější vnitřní a vnější vazby, pokud již diagramem nebyly zohledněny (viz dále).
Souběžně s předchozí katalogizací bude formulována osnova expertního prostředí k naplnění projektu. Ta je založena na algoritmizaci (sestavení vývojového diagramu) rozhodovacího procesu, který vede k vymezení funkce krajinného prvku (či navrženého opatření) v rámci celkové krajinné struktury vzhledem k požadovaným efektům (např. ke zvýšení retenční schopnosti). Tato etapa řešení je zásadní z hlediska dosažení cílů projektu. Navržení osnovy bude vycházet ze zkušeností vodohospodářské praxe i z předcházejícího hydrologického, vodohospodářského a environmentálního výzkumu. Vznikne tak vyšší kvalita rozhodovacího a posudkového procesu, jejíž účinek lze přirovnat např. k příspěvku logických modelů ke studiu odtokových procesů v povodích. Nové postupy umožní nejen poznat a analyzovat vlastní proces, ale také využívat optimalizačních postupů (numerických či logických) podle zadaných hledisek, umožní řešit scénáře (varianty), popsat následky plánovaných změn apod. V rámci těchto činností bude probíhat výzkum dílčích procesů, vzájemných vazeb a to nejen cestou transformace dosavadních poznatků (jednotlivých členů řešitelského týmu) podle koncepce řešení projektu, využitím výsledků příbuzných vědních oborů (uplatněním analogií), numerickým modelováním procesů, ale v omezené míře také vyhodnocením experimentů a realizovaných sledování (zejména z monitorovaných povodí).
Osnova diagramu bude tvořena nejprve v písemné verzi, ta bude postupně převedena do digitálního zpracování (např. v prostředí produktu MS Office Visio 2003) a rozšířena do struktury, odpovídající složitosti řešených dílčích procesů. Digitální zpracování poskytuje efektivní nástroje pro další práce včetně elektronického publikování výsledků.
Dílčí procesy tak, jak budou do algoritmu začleněny, budou v dalších etapách řešení analyzovány, zpřesňovány a doplňovány. To vyjadřuje horizontální rozčlenění na procesy, probíhající v krajině zemědělského typu, v lesní krajině a v krajině urbanizované. S ohledem na vodohospodářské aspekty řešení budou i tyto zohledněny samostatným přístupem. Zvoleným organizačním členěním bude respektována variabilita tradičních přístupů podle jednotlivých typů krajin, přitom koordinací projektu a vzájemným informováním o postupu řešení mohou být použité metody sjednocovány či vzájemně korigovány. Řešení se v této fázi opírá o bohaté odborné a výzkumné zázemí jednotlivých řešitelských týmů a v následující části metodiky jsou uvedeny jen základní východiska uplatňovaných přístupů.
Retence vody v povodí, resp. v krajině znamená její dočasné zadržení, které má za následek změnu velikosti některých složek hydrologické bilance povodí a zvýšení trvalých zásob vody v povodí, které se v hydrologické bilanci povodí projevuje jen nepřímo. Tyto efekty je nutno hodnotit zvlášť, i když opatření ke zvýšení retence vody zpravidla příznivě ovlivňují jak její dočasné zadržování, tak zvýšení jejích trvalých zásob. Hlavní mechanismy dočasného zadržení vody jsou horizontální srážky, intercepce vertikálních srážek, evapotranspirace, dočasná povrchová retence (rozlivy, naplnění retenčních objemů nádrží a koryt), zpomalení povrchového odtoku, snížení objemu povrchového odtoku, zvýšení objemu podzemního odtoku.
Zvýšení retence vody v krajině (aktuální retence i retenční kapacity krajiny) je obecně žádoucí, neboť vede ke zmírnění dopadů hydrologických extrémů (povodní i sucha), ke zlepšení jakosti vod a ke zvýšení biologické i rekreační hodnoty krajiny.
Protierozní ochrana území, půdy a vody spočívá v komplexu vzájemně se doplňujících organizačních, agrotechnických, lesnických a technických opatření, jejichž cílem je chránit půdu před účinky dopadajících kapek deště, podporovat vsak vody do půdy, zlepšovat soudržnost půdy a její strukturu, omezovat unášecí sílu vody a soustředěného povrchového odtoku, neškodně odvádět povrchově odtékající vodu a zachycovat smytou zeminu. O použití jednotlivých způsobů ochrany rozhoduje jejich účinnost jak z hlediska snížení ztráty půdy na pozemku (zachování půdní úrodnosti), tak z pohledu ochrany objektů (vodních zdrojů, toků a nádrží, intravilánů obcí apod.).
Opatření ke snížení eroze půdy a ke zvýšení retence vody v povodí jsou současně i opatřeními ke snížení kulminačních průtoků. Rámec projektu je kontinuitou vypracování návrhů na konkrétní soubory zemědělských opatření při naplnění environmentálních cílů Rámcové směrnice zlepšením stavu vodních útvarů v zemědělsky obhospodařované krajině které by bylo možno realizovat za pomoci strukturálních fondů Evropského společenství, zejména EZFRV - viz účast týmu VÚMOP na zpracování studie pro MZeČR v roce 2005.
V této etapě řešení bude definováno informační prostředí co do rozsahu, členitosti a nutné podrobnosti pro vyjádření posuzovaného efektu v daném měřítku zpracování. První úrovní popisu lokality (odpovídající makroměřítku) je vymezení přírodních podmínek (geografie území, klima, půdní a geologické podmínky, popis hydrických režimů, charakter krajiny, atd.), hospodářských podmínek (intenzita osídlení, využití krajiny, rozsah vodohospodářských zájmů, infrastruktura, průmysl, ekonomické podmínky oblasti, ostatní zájmy), rozsahu technických zásahů v krajině (cestní síť, vodohospodářské stavby, charakter urbanizace), sociálních podmínek, estetických a kulturních hledisek, organizačního členění atd. Tyto charakteristiky budou limitovat potenciál krajinné struktury či návrh nápravných opatření. Budou se zadávat formou html formulářů (přepínače či zaškrtávací políčka, zadáváním číselných hodnot, výběrem odpovídajícího grafického schémata, výběrového pole apod.). O průběhu posuzování bude veden protokol, trasa diagramu bude optimalizována s ohledem na výše zadané charakteristiky (tj. pro daný krajinný typ budou vybírány jen odpovídající formuláře). Tento princip je předpokladem efektivity využití algoritmu. V jednotlivých uzlových bodech diagramu bude možné rozhodnout o další trase a to na základě již zadaných (evidovaných) údajů, nebo vyžádáním nových dat případně doporučením provést doplňující šetření (výpočet, průzkum, studii apod.). Účelem řešení projektu (a zároveň náplní výzkumu) je vytvořit inteligentní prostředí, které povede k cíli s přijatelným minimem nutných podkladů, resp. vymezí kritická místa s ohledem na nejednoznačnost dosažení výsledku. Vzhledem k zaprotokolování cesty bude možné trasu procházet opakovaně, zadání po zpřesnění údajů opravovat nebo v určitých částech optimalizovat s ohledem k dosažení požadovaného efektu.
Trasování algoritmu bude pokračovat od první úrovně (odpovídající makroměřítku) k úrovním vyšším (odpovídajícím mezo a mikroměřítku) s podrobnějším a detailnějším popisem probíhajících procesů. Naznačeným modelem budou v průběhu druhé časové etapy řešení zpracovány jednotlivé procesy na základě sestaveného katalogu krajinných prvků a opatření. Současně budou prováděny konverze metodik do struktury navrženého expertního systému.
Syntéza dílčích výsledků bude provedena v závěrečné etapě řešení a bude usměrněna k vytvoření plánovaného výstupu. Těžištěm je elektronická forma zpracování, která poskytuje záruku účelnosti a efektivity nového řešení. Do vytvořené koncepce (vhodně zvolené struktury) vývojového diagramu budou zasazeny dílčí procesy, které v souhrnu vyjadřují hydrologický projev krajiny (povodí) s danou prostorovou strukturou hydrologicky účinných prvků a navržených opatření.
Programové prostředí navrženého řešení bude založeno na Internetovém prohlížeči HTML dokumentu, doplněném programovými moduly na straně klienta (JavaScript, VBScript) pro zpracování přípravných operací (provádění kontrol a vytváření komunikačních protokolů) a programovými nástroji na straně serveru (ASP, PHP apod.) pro ostatní výpočtové operace (optimalizační postupy, výpočty parametrů řešení, archivace dílčích výsledků apod.). Řešitel má praktické zkušenosti s používáním uvedených nástrojů z předchozích řešení (viz http://www.hydromeliorace.cz) včetně programování mapového serveru (viz ISHMS a síťový GIS pro řízení závlah). Z časových důvodů se však předpokládá částečná spolupráce s programátory formou služeb – zpracování vybraných programových modulů. Vedle textových a tabulkových dokumentů, které budou základním typem komunikačního rozhraní, budou využity i grafy (pro zvýšení názornosti vyjádření souvislostí), schémata a diagramy (generováním obrázků), případně budou použity předem zpracované obrázky a fotografie. Celý proces by měl vedle zachování odborné úrovně posouzení a návrhu zvýšit jeho přehlednost. Průběh posouzení a dílčí výsledky bude možné uložit do souboru nebo jej vytisknout ve formě protokolu. Tato část řešení projektu bude mít charakter vývoje programového prostředí. S ohledem na dotčené téma - životní prostředí, krajina a vodní hospodářství, kolektiv řešitelů předpokládá zájem zadavatele na plnohodnotném zveřejnění výsledků (navrhujeme na Internetovém serveru – např. VÚMOP Praha) bez omezení licenčními smlouvami apod. To přispěje ke zvýšení počtu instalací a plošné aplikaci navrženého odborného pracovního nástroje. Touto cestou bude naplněno zadání zvýšit spolehlivost a srozumitelnost informací souvisejících se životním prostředím (viz téma 2B-3-5-5).
V závěrečné části řešení bude zpracován metodický návod na používání algoritmu. Bude přístupný jednak ve formě nápovědy na Internetu, jednak v písemné verzi jako uživatelský manuál. Publikovány budou dílčí výsledky podle charakteru tématu – tj. ve vědeckých či odborných publikacích. Touto formou budou podrobněji dokumentovány vyvinuté metody řešení.
Poslední aktualizace stránky: