Klíčová slova: "zavlažované plodiny, klimatická změna, soil and water assessment tool "
Hubačíková, V.
Úvod
Závlahové nádrže jsou stále více považovány za důležité vzhledem k jejich potenciální kontrole dostupnosti vody v různých ročních obdobích, od období dešťů po období sucha, vzhledem k obavám změny klimatu. Očekává se, že změna klimatu, obavy o životní prostředí a rostoucí spotřeba vody z výroby a růstu měst, vážně omezí budoucí rozšiřování zavlažování, čímž potenciálně ohrozí zabezpečení potravin. Pro zvýšení zdrojů závlahové vody si nádrže získávají stále větší pozornost. Nádrže akumulují vodu během období srážek, kdy neexistuje žádná konkurence mezi způsoby použití vody, takže je dostupná v období sucha, kdy je potřeba zavlažování vysoká, a přirozené zásoby jsou omezené.
Dopady změny klimatu na dostupnost vody v nádržích a potřeby k zavlažování ve středomořské oblasti s nedostatkem vody (jižní Portugalsko)
Středomořská bioklimatická oblast je vysoce zranitelná vůči účinkům klimatických změn, zejména pokud jde o vodní zdroje (Garcıa-Ruiz et al., 2011). Očekává se, že hydrologické a erozní odezvy budou silně ovlivněny změnami klimatických podmínek (srážky, teplota, relativní vlhkost, vítr, sluneční záření). Změny klimatických podmínek ovlivní také integritu ekosystému, vhodnost plodin a výnosy, růstový cyklus rostlin a fyziologické a biologické rytmy (např. vodivost, vnitřní účinnost využití vody, potenciální evapotranspiraci, produkci biomasy, odolnost vůči suchu), hospodaření s půdou a požadavky na závlahovou vodu (Teshager et al., 2016). Předpokládané dopady zahrnují snížení odtoku a průtoku toků, progresivní posuny v rozložení sezónních srážek a v intenzitě, frekvenci a závažnosti extrémních meteorologických jevů a také změny koncentrací CO2 v atmosféře (Nunes et al., 2008). Zranitelnost vodních zdrojů v takových oblastech proto bude vyžadovat plány řízení pro přizpůsobení poptávky po zavlažování kvůli změně klimatu, které by mohly zvážit zlepšení účinnosti využívání vody, ceny vody a změny směrem k plodinám, které jsou účinnější a odolnější vůči vodě. Tato potřeba specifických nástrojů řízení je dobře ilustrována skutečností, že méně než 20 % rozlohy evropských středomořských pánví má adekvátní politiku pro řešení zranitelnosti vody v důsledku změny klimatu (Garrote et al., 2015). Budoucí scénáře změny klimatu rovněž předpokládají pokles kvality vody v důsledku vyšších koncentrací znečišťujících látek a sedimentů prostřednictvím sníženého ředění v důsledku menšího množství vody v řekách a nádržích. Větší odtokové jevy v zimě v důsledku extrémnějších srážkových událostí mohou vést k vyššímu zatížení toků a nádrží sedimenty a živinami. Nádrže jsou zvláště náchylné ke snížení kvality vody, zvláště pokud je poskytování pitné vody jejich primární funkcí. Paradigma změny klimatu bylo předmětem mnoha studií a středem zájmu tvůrců rozhodnutí, politik a environmentální/klimatické legislativy.
Jen málo studií se zabývalo dopady klimatických scénářů na dostupnost vody pro nádrže (umělého a přírodního původu). López-Moreno a kol. (2014), Valverde a kol. (2015) a Nunes et al. (2017) jsou některé z mála příkladů, které integrovaným způsobem analyzovaly přítoky do nádrží, akumulační kapacitu a požadavky na závlahovou vodu pro budoucí klimatické podmínky.
Pro tuto studii byly vybrány dvě středně velké nádrže (Monte Novo a Vigia) kvůli jejich zvýšenému významu pro okres Évora, do kterého dodávají vodu pro městské (včetně pitné vody) i závlahové čely. Pro posouzení dopadů klimatických změn na dostupnost vodních zdrojů těchto víceúčelových nádrží byl vybrán nástroj Soil and Water Assessment Tool (SWAT).
Povodí Monte Novo a Vigia (obr. 1) se nachází v širším povodí řeky Degebe, v regionu Alentejo na jihu pevninského Portugalska. Povodí se rozkládá na ploše asi 81 473 ha, která je relativně rovinatá, s nadmořskou výškou od 206 do 570 m. Průměrné roční srážky jsou asi 500 mm, formované mírnou zimou a suchým teplým létem s Köppen-Geigerovou klasifikací Csa, tedy mírné se suchým nebo horkým létem. Oblast je klasifikována jako subhumidní mezotermální, s velkým deficitem vody převážně v letním období. Povodí zahrnuje systém víceúčelových nádrží, který zahrnuje nádrže Monte Novo a Vigia a je propojen s nádrží Alqueva s kapacitou 4150 mil. m3 vody, která je největším umělým jezerem na Pyrenejském poloostrově. Tento víceúčelový vodohospodářský systém je součástí systému zásobování vodou a používá se také pro domácí a průmyslové použití, zavlažování plodin a spotřebu hospodářských zvířat. Nádrž Monte Novo má celkový zásobní objem 15,3 mil. m3 se zatopenou plochou cca 277 ha. Je to hlavní zdroj pitné vody pro lidskou spotřebu pro obce Évora, Redondo a Reguengos. Nádrž Vigia má celkový zásobní objem 16,7 mil. m3 se zatopenou plochou cca 262 ha. Používá se hlavně pro zavlažování plodin, ale také přispívá k zásobování měst vodou. Obě tyto nádrže zásobují vodou 65 000 obyvatel.
Obě nádrže jsou vybaveny systémem pro přivádění/dopravu vody pro shromažďování vody z nádrže Alqueva za účelem splnění měsíčních požadavků na vodu pro zavlažování a lidskou spotřebu.
Obr. 1. Povodí Monte Novo a Vigia a nádrže s dílčími povodími.
Tyto sítě primárních a sekundární kanálů fungují od roku 2009 v nádrži Monte Novo a od roku 2015 ve Vigii. U obou nádrží byly identifikovány problémy s kvalitou vody, spojené především s vodním květem a řasami, které jsou důsledkem difúzního znečištění. Vodní květ a řasy vznikají důsledkem dostupností fosforu v obou nádržích, takže potenciální sediment a související transport fosforu z povodí zvyšuje riziko eutrofizace nádrží, což je hlavní problém kvality vody v regionu a zejména v nádržích Monte Novo a Vigia.
V této práci byl nástroj Soil and Water Assessment Tool (SWAT) použit k simulaci reakcí povodí za současných podmínek a klimatických scénářů prostřednictvím rozhraní ArcGIS ArcSWAT (verze 2012). SWAT model je procesní semi-distribuovaný model, který lze použít k simulaci, na denní bázi různých eko-hydrologických scénářů a reakcí za současných meteorologických podmínek a také za podmínek potenciální změny klimatu. Model rozděluje povodí na menší dílčí povodí, které jsou rozděleny do více jednotek hydrologické odezvy (HRU – nejmenší modelové jednotky) s homogenními kombinacemi půdního typu, využití území a sklonu svahu, aby se lépe simulovaly kontinuální procesy krajiny a reakce povodí (např. procesy hydrologických vzorců, vodní bilance, kvalita vody a export živin). Model vyžaduje ke svému běhu sadu vstupních dat a parametrů. Parametrizace modelové databáze je důležitá pro zajištění správné reprezentace povodí a pro zlepšení výkonu modelu. Krajinný pokryv, parametry plodin a hospodaření, stejně jako databáze a parametry půdy, byly definovány na základě databáze SWAT a literatury a také aktualizovány a vylepšeny po předchozím výzkumu a terénní práci. Parametry pro charakteristiky nádrží a managementu byly převzaty z existujících databází SNIRH; DGADR.. SWAT model byl spuštěn pro období 1973–2012 (základní hodnota) se 4letým obdobím rozběhu s využitím denních srážek ze tří stanic (Azaruja a Santa Susana a Mitra – Évora). Tato poslední stanice také poskytovala údaje o teplotě, rychlosti větru, slunečním záření a relativní vlhkosti. Perioda spin-up minimalizuje vliv počátečních systémových proměnných a zajišťuje vhodné počáteční podmínky a procesy (např. provozní hydrologický cyklus a procesy, růst vegetace) pro modelové simulace.
Model byl nejprve kalibrován ručně a později se uvažovalo o užším rozsahu při automatické kalibraci (SWAT-CUP). Rozsahy parametrů půdy a vegetace byly získány z předchozích aplikací SWAT v této oblasti od Nunes et al. (2017). Přítoky do nádrží, objemy a vodní bilance, požadavky na závlahovou vodu, zatížení fosforem a odběry závlah (měsíční údaje) za období 1994–2005 byly odvozeny z Diogo (2008, 2012). Měsíční údaje o přítocích byly vypočteny z vodní bilance pro obě nádrže. Přítoky a odtoky z nádrže byly kalibrovány pomocí měsíčních údajů z nádrže (výpočty vodní bilance založené na naměřených objemech v Monte Novo a Vigia). Hydrometrická stanice Vendinha byla kalibrována nejprve denními údaji a později měsíčními údaji, aby bylo možné vyhodnotit celkový výkon modelu a upřesnit vstupní rozsahy vstupních parametrů. Kalibrace byla provedena ve 3 iteracích, z nichž každá čítala 600 simulací.
Klimatické modely byly vybrány z regionální iniciativy EURO-CORDEX s vysokým rozlišením za použití 12 km horizontální rozlišovací sítě a zvážení dvou scénářů reprezentativních koncentračních drah (RCP4.5 a RCP 8.5). Model EC - Earth/Regional Atmospheric Atmospheric Climate Model (RACMO22E - Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut) a EC-Earth/Regional ClimateModel (RCA4 – Švédský meteorologický a hydrologický institut) byly použity k získání klimatických vzorců pro roky 2010–2040, 2040–2070, 2070-2100.
Scénáře naznačují pokles ročních srážek, i když velikost se mezi modely (RACMO a RCA) a scénáři (RCP 4,5 a 8,5) liší. K tomuto poklesu by mělo dojít do konce století, zejména u RCP 8,5 (−15,2 % 2070–2100). V sezónním vyjádření je trend nižších srážek na jaře (duben a květen) a na podzim (říjen, listopad a prosinec), rovněž silnější v RCP 8,5. V zimních měsících (leden, únor a březen) také dochází k nárůstu srážek, což je viditelnější v RACMO. V RCP 4,5 dochází k nárůstu letních srážek ve všech obdobích, zatímco v RCP 8,5 dochází k poklesu v posledních dvou obdobích 2040–2070 a 2070–2100 (Obr. 2).
Obr. 2. Průměrné měsíční srážky a teploty pro základní simulaci a pro referenční období klimatických modelů (RACMO a RCA) a budoucí období.
Index využívání vody a možnosti adaptace
Index využívání vody (IVV- ang.WEI) je poměr mezi potřebami vody a její dostupností (IVV = celkový odběr vody/celková dostupnost vody). IVV vykazoval tendenci ke zvýšení s budoucím klimatem, ovlivněným nejen nižším přítokem, ale také vyššími požadavky na zavlažování v obou nádržích, zejména ve Vigii, více orientované pro účely zavlažování. U scénáře RCP 4.5 dochází obecně k mírným změnám IVV, s výjimkou modelu RACMO, kde se v letech 2040-2070 zvyšuje, ale na konci století opět klesá. U scénáře RCP 8.5 dochází k významnému nárůstu využívání vody, počínaje v letech 2010–2040 v modelu RACMO, a od poloviny 21. století dále v případě modelu RCA. Oba scénáře se každopádně nemění od současného stavu: nádrž Monte Novo je a nadále bude pod mírným vodním tlakem, zatímco nádrž Vigia je a nadále bude ve velkém vodním stresu. Tyto scénáře naznačují, že může dojít k mírnému nárůstu zavlažované plochy, zejména ve scénáři RCP 4.5, po kterém budou následovat opatření pro účinnost využívání vody. To by však mohlo dále snížit dostupnost vody a tím zvýšit vodní stres v systému. Výsledky také naznačují malý potenciál ke zvýšení zavlažované oblasti pro nádrž Vigia a případná opatření na zvýšení účinnosti využívání vody, by byla nutná pouze k podpoře současné situace ohledně vodního stresu.
Vyšší využívání vody ve Vigii vede k problémům s nedostatkem vody, což je opakující se problém, který byl pozorován v této nádrži a který omezil zavlažované kultury v sušších letech, zejména v 21. století. Převody z přehrady Alqueva tento problém od roku 2015 zmírnily, a proto jakákoli kompenzace za zvýšení zavlažované plochy musí pocházet odtud. Studie provedená v sousedním povodí v jižním Portugalsku také odhalila užitečnost přehrady Alqueva pro podporu dopadů změny klimatu na zavlažované zemědělství, nikoli však pro scénář ambiciózního rozšiřování zavlažované plochy. Jak již bylo zmíněno dříve, nárůst srážek a teploty během vlhkého období může umožnit dřívější setí a sklizeň zavlažovaných jednoletých plodin, což omezuje potřeby zavlažování. Na druhou stranu trvalé kultury mohou během roku spotřebovat více vody a v některých scénářích mají vyšší požadavky na zavlažování. Dalším způsobem, jak zvýšit efektivitu využití vody, by byla změna výběru zavlažovaných plodin s využitím výsledků této práce pro budoucí požadavky na zavlažování plodin. Například kukuřici a olivovníky lze nahradit slunečnicí (pro bionaftu) a vinicemi, obojí s nižšími nároky na vodu.
Adaptační strategie, které zahrnují změnu plodin, by měly být prováděny s ohledem na potřeby zemědělců a koncových uživatelů a také na tržní trendy. Kromě toho by se doporučení pro udržitelnější využívání vody měla zaměřit na spotřebu vody, takže zapojení zúčastněných stran je zásadní.
Obr. 2 Index využívání vody pro základní období a pro referenční období klimatických modelů (RACMO a RCA) a budoucí období.
Změna klimatu bude mít převážně negativní dopady na vodní zdroje nádrží Monte Novo a Vigia, zejména v případě extrémnějšího scénáře (RCP8.5). V případě mírného scénáře (RCP 4.5) se zdá, že hlavní problém souvisí se zvýšením zatížení fosforem a jeho potenciálními dopady na kvalitu vody. Menší nárůst požadavků na závlahovou vodu by mohl být kompenzován menším zvýšením přítoků do nádrží, které z velké části vyplývá z větší koncentrace srážek v zimě. Nádrž Monte Novo se zdála být citlivější na možné problémy s kvalitou vody než nádrž Vigia, zejména kvůli jejím intenzivnějším zemědělským postupům. V případě extrémního scénáře (RCP 8.5) se zdá, že hlavní problém souvisí s poklesem přítoku. V případě Monte Novo bude tento pokles přítoku spojen s vyššími koncentracemi fosforu, což může potenciálně zhoršit problémy s kvalitou vody. V případě Vigie bude tento pokles přítoku doprovázen velkým nárůstem požadavků na zavlažování, což dále zhorší současnou situaci nedostatku vody. Opatření zvyšující efektivitu využívání vody, a to jak u zavlažovacích systémů, tak u vybraných plodin, by mohla pomoci překonat budoucí podmínky z nedostatku vody.
Literatura:
ROCHA, J., CARVALHO-SANTOS,C., DIOGO, P., BEÇA, P., KEIZER, J.J., NUNES, J.P.,2020, Impacts of climate change on reservoir water availability, quality and irrigation needs in a water scarce Mediterranean region (southern Portugal), Science of The Total Environment, Volume 736, 2020, 139477, ISSN 0048-9697, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139477.
GARCIA-RUIZ, J.M., LOPEZ-MORENO, J.I., VICENTE-SERRANO, S.M., LASANTA, T., BEGUERÍA, S., 2011. Mediterranean water resources in a global change scenario. Earth-Sci. Rev. 105,121–139.
TESHAGER, A.D., GASSMAN, P.W., SCHOOF, J.T., SECCHI, S., 2016. Assessment of impacts of agricultural and climate change scenarios on watershed water quantity and quality, and crop production. Hydrol. Earth Syst. Sci. 20, 3325–3342.
NUNES, J.P., SEIXAS, J., PACHECO, N.R., 2008. Vulnerability of water resources, vegetation productivity and soil erosion to climate change in Mediterranean watersheds. Hydrol. Process. 22, 3115–3134.
GARROTE, L., IGLÉSIAS, A., GRANADOS, A., 2015. Quantitative assessment of climate change vulnerability of irrigation demands in Mediterranean Europe.Water Resour. Manag. 29, 325–338
LÓPEZ-MORENO, J., ZABALZA, S.M., VICENTE-SERRANO, J., REVUELTO, M., GILABERTE, C., AZORIN- MOLINA, E., MORÁN-TEJEDA, J.M., GARCÍA-RUIZ, C., TAGUE, 2014. Impact of climate and land use change on water availability and reservoir management: scenarios in the upper Aragón River, Spanish Pyrenees. Sci. Total Environ. 493, 1222–1231.
VALVERDE, P., SERRALHEIRO, R., DE CARVALHO, M., MAIA, R., OLIVEIRA, B., RAMOS, V., 2015. Climate change impacts on irrigated agriculture in the Guadiana river basin (Portugal). Agriculture Water Management 152, 17–30.
NUNES, J.P., JACINTO, R., KEIZER, J.J., 2017. Combined impacts of climate and socio-economic scenarios on irrigation water availability for a dry Mediterranean reservoir. Sci. Total Environ. 584–585 (C), 219–233.
DIOGO, P.A., 2008. Fontes de fósforo total e o estado trófico de albufeiras em Portugal continental. Dissertação de Mestrado. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Universidade Nova de Lisboa, Caparica, Portugal (Portuguese).
DIOGO, P.A., 2012. Quantificação de poluição difusa de origem agrícola na bacia hidrográfica do rio Degebe. Dissertação de Doutoramento. Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Caparica, Portugal (in Portuguese).
DIOGO, P.A., FONSECA, M., COELHO, P.S., MATEUS, N.S., ALMEIDA, M.C., RODRIGUES, A.C., 2008. Reservoir phosphorous sources evaluation and water quality modeling in a transboundary watershed. Desalination 226 (1–3), 200–214.
| Přílohy |
 hubacikova-zavlahove-nadrze.docx |