Koncept technického řešení vybraných nádrží v povodí Moravy

Probíhající změny klimatu vyžadují úpravy hospodaření s vodou. Jedním z technických opatření je budování nádrží. Již v letech 1953 byly v rámci Státního vodohospodářského plánu Československé republiky vymezeny chráněné lokality pro budoucí výstavbu nádrží. V současnosti tyto lokality eviduje Generel území chráněných pro akumulaci povrchových vod. Počet lokalit se dlouhodobě mění, z původních 518 je nyní chráněno 86 lokalit. Pro detailnější koncept vodohospodářského a technického řešení bylo vybráno šest nádrží z Povodí Moravy: Borovnice, Kuřimské Jestřabí, Vysočany, Brodce, Plaveč a Bělkovice. Uvedené nádrže zajistí více jak 120 mil. m³ zásobního objemu, celkový zabezpečený odběr až 2,5 m³/s. Všechna díla zajistí minimální zůstatkový průtok pod hrází a umožní výrobu elektrické energie s celkovým výkonem 0,5 MW. Pro ukázku postupu řešení byla zvolena nádrž Bělkovice.

Úvod

Klimatické změny se v současnosti projevují různými způsoby, a to jak častějším výskytem přírodních extrémů, změnami teplot, dlouhotrvajícími obdobími sucha nebo vydatnými srážkami. Pro udržení příznivého vodního režimu je nutné plánovat a provádět vhodná adaptační opatření. Na území České republiky se hojně využívá zásob podzemních vod, avšak nelze opomenout také povrchové vody, kdy ochrana lokalit pro zachycení povrchových vod a budování nových vodních nádrží je jedním z těchto opatření.

Na území republiky jsou dlouhodobě chráněny lokality vhodné pro akumulaci povrchových vod. Tyto lokality jsou uvedeny ve vodohospodářských plánech systematicky sestavovaných zejména v období po 2. světové válce. V roce 1953 byl publikován Státní vodohospodářský plán republiky Československé [1], který souhrnně zpracovával problematiku využití vodního bohatství tehdejšího Československa. V roce 1975 byla vydána aktualizace s názvem Směrný vodohospodářský plán ČSR (SVP) [2], v rámci něhož došlo k podrobnější dokumentaci stavu a analýze možností využití vodních zdrojů. Bylo přešetřeno 581 potenciálních lokalit pro vodní nádrže. V roce 1988 byl seznam územně chráněných lokalit aktualizován v rámci publikace „Vodní nádrže“ (VN) [3] navazující na SVP. Pro vybraných 210 profilů byly zpracovány dokumentační listy, které uváděly podrobnější informace o potenciálních nádržích.

Po přijetí směrnice 2000/60/ES Evropského parlamentu a rady (RS) [4] byly sestaveny plány povodí [5], v nichž byl počet chráněných lokalit snížen na 186. Cílem RS je dosažení dobrého stavu vod. Nástrojem pro jeho dosažení mají být zmíněné plány povodí, které se zpracovávají v šestiletých cyklech (2010–2015, 2016–2021, 2022–2027). Plány jsou vytvářeny na třech úrovních: plány mezinárodních oblastí povodí, národní plány povodí a plány dílčích povodí. Co se týká chráněných lokalit, v současnosti je  podkladem Generel území chráněných pro akumulaci povrchových vod a základní zásady využití těchto území (LAPV) [6], který vychází z Plánu hlavních povodí České republiky [5]. Vydání LAPV v roce 2011 uvádělo pouze 65 vybraných chráněných lokalit. Po období sucha v rámci aktualizace LAPV v roce 2020 byl počet lokalit zvýšen na 86. V tab. 1 je uveden vývoj počtu chráněných lokalit rozdělených podle jednotlivých povodí.

Analýza a návrh vodních děl (VD) je komplexní proces, který zahrnuje řadu aspektů včetně technických, inženýrských, enviromentálních a sociálních. Důležitá je zamýšlená funkce nádrží, kterou může být zajištění zdroje vody pro pitné, závlahové, popř. jiné účely, udržování minimálních zůstatkových průtoků pod VD, ochrana před povodněmi, výroba elektrické energie apod.

V této studii bylo po dohodě se správcem povodí (Povodí Moravy, s. p.) studováno šest vhodných lokalit. Jde o přehradní profily Borovnice, Kuřimské Jestřabí, Vysočany, Brodce, Plaveč a Bělkovice (obr. 1), na kterých byly provedeny podrobnější vodohospodářské a technické návrhy.

Obr. 1 Umístění vybraných vodních děl

Podklady o zájmových lokalitách

Pro výběr řešených lokalit a získání základních informací o lokalitách byly využity podklady [3] a [6], které obsahují základní koncepce VD, informace o jednotlivých územích se stručným popisem lokality, zakreslení přehradního profilu a zatopené plochy v základní mapě.

V rámci [3] jsou lokality zařazeny do příslušné kategorie územního hájení a předpokládaného převažujícího účelu. Podle [6] jsou lokality rozlišeny do dvou kategorií podle jejich významu:

• A – lokality pro vodárenské nádrže, jejichž potenciál spočívá především ve vytvoření či doplnění zdrojů pitné vody,
• B – lokality pro víceúčelové nádrže vhodné k nadlepšování průtoků, zajištění ochrany před povodněmi, rekreaci apod.

Pro popis lokality a následné analýzy byly použity mapové podklady z veřejně dostupných zdrojů např. Základní mapa, Základní báze digitálních dat (DIBAVOD), Digitální model reliéfu 5. generace [7], Základní vodohospodářská mapa, mapy oblastí chráněných z pohledu ochrany přírody a krajiny.

Hydrologické podklady pro přehradní profily poskytuje Český hydrometeorologický úřad (ČHMÚ) nebo příslušný správce povodí. Jedná se především o základní hydrologické podklady jako m-denní a N-leté průtoky, případně pak hydrogramy povodňových vln. Zvláštními podklady jsou vyhlášená záplavová území [8].

Výchozími geologickými podklady jsou především geologické mapy, hydrogeologické mapy, mapy sesuvů a mapy poddolovaných území. U některých lokalit byl v rámci [3] proveden předběžný inženýrskogeologický průzkum, který blíže specifikoval základové poměry, podrobnosti o ploše zátopy či výskyt ložisek nerostných surovin použitelných pro výstavbu hráze.

Územně technické podklady zahrnují především informace o dopravní a technické infrastruktuře, využití území a zastavěném území. Pro odvození minimálních zůstatkových průtoků byly použity metodické návody [9], [10]. Vlastní vodohospodářské a technické řešení se opírá o příslušné technické normy [11] a [12].

Umístění a charakteristiky hráze

Předběžné umístění profilu hráze vychází z [3], resp. z [6]. Vhodný přehradní profil je volen na základě morfologických, geologických a geofyzikálních podmínek. Nelze opomenout také dopravní dostupnost přehradního profilu a možné nežádoucí střety. Po stanovení profilu hráze lze stanovit výšku koruny hráze, navrhnout umístění funkčních zařízení přehrady a vymezit odpovídající zátopu. Výška hráze vychází především z geomorfologických poměrů údolí.

Typ hráze je volen současně při výběru profilu hráze. Volbu typu hráze ovlivňuje především geologické podloží a dostupnost materiálu v lokalitě. Vzhledem ke značnému objemu tělesa hráze vychází volba typu hráze také z dostupnosti místních materiálů.

Snahou je využití údolí pro získání co největšího možného objemu zadržené vody. Omezujícími podmínkami pro umístění a velikost tělesa hráze i pro rozsah plochy zátopy mohou být zastavěné plochy, ložisková území či požadavky ochrany přírody a krajiny.

Na obr. 2 (vlevo) je zobrazena plocha zátopy VD Bělkovice, kde byla zvolena nejvyšší možná hráz vzhledem k morfologii údolí Trusovického potoka. Na obr. 2 (vpravo) je situace hráze se vyznačením funkčních objektů. V tomto případě zasahuje do plochy zátopy nadregionální biokoridor a regionální biocentrum (obr. 3a). Dalšími omezujícími podmínkami jsou ložisková a chráněná území (obr. 3b).

Obr. 2 VD Bělkovice: zátopa (vlevo), situace hráze (vpravo), na podkladu [13] a [14]

a)

b)

Obr. 3 Omezující podmínky pro VD Bělkovice a) ochrana přírody a krajiny na podkladu dle [15], b) ložisková a chráněná území na podkladu [13], [16]. Červená linie vyznačuje obrys zátopy VD Bělkovice.

Základní vodohospodářské charakteristiky vodního díla

Pro odvození charakteristik nádrže, tj. čáry zatopených ploch a čáry zatopených objemů byl využit Digitální model reliéfu 5. generace poskytovaný Státní správou zeměměřictví a katastru [7]. Zpracování bylo provedeno pomocí softwaru AutoCAD a Civil 3D.

Minimální zůstatkový průtok (MZP) byl pro jednotlivé lokality stanoven podle Metodického pokynu odboru ochrany vod Ministerstva životního prostředí [9] a také podle nového metodického přístupu založeného na regionálním rozdělení České republiky a rozdělení do kategorií pro dvě sezony v roce [10]. Neškodný průtok v korytě pod VD byl určen na základě kapacity koryta toku pod nádrží. Pro určení byla využita stanovená záplavová území [8].

Rozdělení celkového objemu nádrže na jednotlivé prostory (stálé nadržení, zásobní a ochranný prostor) vycházelo z hlavního účelu nádrže. Požadavky na jednotlivé prostory v nádrži jsou specifikované v [11]. Snahou bylo maximalizovat zásobní objem při zachování ekologické, hygienické a estetické funkce prostoru stálého nadržení, u něhož kromě objemu je významným faktorem i hloubka vody.

Obr. 4 Charakteristiky nádrže VD Bělkovice

Na obr. 4 je zobrazena čára zatopených ploch a objemů společně s rozdělením prostoru nádrže na jednotlivé funkční prostory pro VD Bělkovice. Objem stálého nadržení je volen s ohledem na ekologické, hygienické a estetické požadavky. Hloubka stálého nadržení činí 28 m při objemu 3,4 mil. m³, který tvoří cca 6,6 % celkového objemu nádrže. Objem zásobního prostoru odpovídá hlavní funkci VD Bělkovice, kterou je zajištění vody pro vodárenské účely. Hloubka zásobního prostoru je 75 m při objemu 46,6 mil. m³, který odpovídá cca 90,1 % celkového objemu. Ochranný prostor je vymezen od úrovně koruny bezpečnostního přelivu po hladinu při kontrolním průtoku Q_10 000, jeho výška činí 1,2 m. Objem ochranného prostoru je 1,7 mil. m³, což odpovídá 3,3 % celkového objemu nádrže.

Návrh funkčních objektů

Požadavky na návrh funkčních objektů jsou uvedeny v [12]. Funkční objekty jsou v rámci této studie navrhovány koncepčně bez dořešení detailů přesného umístění samotného objektu, potrubí a uzávěrů apod.

Spodní výpusti jsou navrhovány vždy jako dvojice potrubí, které slouží k řízenému vypouštění vod z nádrže. Při běžném režimu jsou využívány k vypouštění MZP (případně s využitím odbočky do potrubí „asanačního průtoku“), v případě potřeby pak k prázdnění nádrže, popř. převádění části povodňového průtoku. Maximální kapacita spodních výpustí odpovídá neškodnému průtoku v korytě toku pod VD.

V případě volby betonové tížné hráze se vtokový objekt předpokládá na návodním líci hráze, potrubí spodních výpustí jsou zabetonována v tělese hráze, uzávěry jsou umístěny ve strojovně. Vtokový a odběrný objekt sypané hráze tvoří mokrá věž. Ve spodní části je umístěn nátok do spodních výpustí. Vodárenský odběr je pak prováděn jako etážový v různých výškových úrovních pro zajištění co nejlepší kvality vody.

Bezpečnostní přeliv je určen k bezpečnému převedení vody při povodních. Je dimenzován s ohledem na předpokládanou I. kategorii vodního díla z hlediska technickobezpečnostního dohledu, a to na návrhovou povodeň PV₁₀₀₀. Následně byl přeliv posouzen na převedení kontrolní povodňové vlny odpovídající PV_10 000.

U všech studovaných lokalit bylo také vyhodnoceno využití hydroenergetického potenciálu s tím, že jde o udržitelný zdroj energie s minimální zátěží okolí. Návrhový průtok na malou vodní elektrárnu (MVE) je vázán na vypouštěný MZP a také vodárenský odběr.

Vodohospodářské řešení nádrže

V rámci vodohospodářského řešení nádrže se vycházelo z navrženého rozdělení objemů v nádrži a měrných křivek průtoku funkčních objektů. Pro samotné řešení byly stanoveny základní principy:

• na počátku řešení je vždy uvažována plná nádrž,
• odtok je zajišťovaný primárně dvojicí spodních výpustí,
• v případě přítoku většího, než je kapacita spodních výpustí je voda převáděna bezpečnostním přelivem,
• hladina vody v nádrži nesmí zasáhnout do prostoru stálého nadržení, v tomto případě jde o poruchu ve smyslu dodávky vody,
• výpar z hladiny nádrže byl stanoven dle [11].

Priorita zabezpečení MZP a vodárenského odběru je stanovena podle klasifikace nádrže vycházející z [11].

Vodohospodářské řešení bylo realizováno simulací provozu nádrže s využitím dostatečně dlouhých časových řad průměrných denních průtoků. Vlastní výpočet byl proveden pomocí vlastního algoritmu v jazyce Visual Basic (MS Excel). Součástí řešení je posouzení spolehlivosti (zabezpečenosti) dodávky vody podle trvání a podle objemu dodané vody. Vycházelo se ze stanovení možných odběrů při různých hodnotách zabezpečenosti.

Zabezpečenost podle trvání p_t je definována dle [11]:

(1)

kde je

m_d

počet dnů, ve kterých se splněn požadovaný objem,

n_d

počet dnů celé řady.

Zabezpečenost podle dodaného objemu p_o je vyjádřena dle vztahu [11]:

(2)

kde je

m_o

dodaný objem vody,

n_o

celkový požadovaný objem pro odběr.

Pro VD Bělkovice byla použita 42letá řada průtoků v řešeném profilu. Priorita zabezpečení MZP a vodárenského odběru byla stanovena v souladu s [11] hodnotou 98,5 %. Na obr. 5 je uvedeno vodohospodářské řešení nádrže, kde je patrná změna úrovně hladiny v nádrži v čase v závislosti na přítoku a odběru z nádrže. Pro daný zásobní objem (46,6 mil. m³) byla provedena analýza možných vodárenských odběrů. Velikost odběrů při různých hodnotách zabezpečenosti je patrná z obr. 6.

Obr. 5 Vodohospodářské řešení VD Bělkovice pro zabezpečenost 98,5 %

Obr. 6 Závislost zabezpečenosti na velikosti odběru pro VD Bělkovice

Protipovodňová funkce je u studovaných vodních děl vedlejším účelem. Ochranný prostor byl ve všech případech koncipován jako neovladatelný. Při řešení se uvažuje, že přítok do nádrže je primárně vypouštěn dvojicí spodních výpustí až do jejich maximální kapacity. Po zvýšení hladiny v nádrži nad úroveň bezpečnostního přelivu je průtok převáděn bezpečnostním přelivem za postupného uzavírání spodních výpustí tak, aby byl pod vodním dílem co nejdéle vypouštěn neškodný odtok. Vstupními podklady pro stanovení ochranného účinku jsou hydrogramy PV s opakováním 100 a 1000 let, charakteristiky nádrže a měrné křivky průtoku funkčními objekty. Kontrolní povodňový průtok s dobou opakování 10 000 let se uvažoval jako netransformovaný.

V případě VD Bělkovice je uvažován boční přeliv se skluzem v levobřežním zavázání (obr. 2 vpravo). Neovladatelný ochranný prostor je vymezen úrovní koruny bezpečnostního přelivu a maximální hladinou, resp. kontrolní hladinou v nádrži. Na obr. 7 jsou uvedeny průběhy transformací PV100 a PV1000.

Obr. 7 Transformace PV100 (vlevo) a PV1000 (vpravo) na VD Bělkovice

Manipulace s vodou

Platí, že hospodaření s vodou musí být prováděno tak, aby za normálních okolností a podmínek byl dodržen hlavní účel VD. Prostor stálého nadržení musí být trvale naplněný. Mimo povodňové události je hladina v nádrži udržována v zásobním prostoru, kde kolísá v závislosti na přítoku vody do nádrže a na požadovaných odtocích a odběrech. Neovladatelný ochranný prostor nad úrovní bezpečnostního přelivu je v průběhu povodní využíván pouze v případě vyčerpání kapacity spodních výpustí. Vzhledem k poloze jednotlivých lokalit převážně v horních částech povodí se neuvažuje s předpouštěním vody při předpovědi povodňových událostí.

Výsledky a diskuse

V tab. 2 jsou uvedeny souhrnné charakteristiky šesti vybraných VD, jako jsou navržené objemy nádrží, zabezpečenosti odběrů, výkony MVE a transformační účinky.

Závěr

Pro šest vybraných nádrží v povodí Moravy byl zpracován koncept vodohospodářského a technického řešení. Přitom základní řešení nádrží v povodí Dyje bylo provedeno v rámci práce [17], na niž tato studie navazuje a kterou rozšiřuje. Byly vyhodnoceny možné konflikty a stanoveny charakteristiky nádrží pro lepší pochopení potenciálních přínosů výstavby. Vyhodnocením VD bylo zjištěno, že je možné zajistit více jak 120 mil. m³ zásobního objemu, využitelného především pro vodárenské účely. Zajištěný celkový objem odběrů s vysokou zabezpečeností činí až 2,5 m³/s. Všechna VD jsou také schopna zajištovat MZP v tocích pod díly pro podpoření ekologické stability. Na studovaných dílech lze instalovat MVE s celkovým instalovaným výkonem kolem 0,5 MW.

Lokality pro VD byly vybírány na základě dlouholetých plánů, které respektují požadavky na minimální environmentální a sociální konflikty. Dopady na přírodu a krajinu jsou omezeny na nezbytné minimum, při detailním řešení se předpokládají další studijní práce, které mohou vyvolat adekvátní úpravu řešení (např. úpravy na konci zátopy). Pro budoucí vodárenskou funkci nádrží je důležité specifikovat oblast dodávky vody a stanovit požadavky na její množství a jakost. Pro přesnější stanovení parametrů jednotlivých hrází a nádrží bude v dalších podrobnějších studiích třeba provést podrobnější průzkumy (inženýrskogeologický, dopravní, sociologický apod.) a posouzení (technickoekonomické, vlivů na životní prostředí atd.).

Poděkování

Příspěvek byl zpracován za podpory projektu FAST-S-24-8513 Analýza vlivu vstupních veličin na výsledky numerických modelů používaných při hodnocení bezpečnosti vodních děl a SS07010401 Vodohospodářská analýza obnovy přirozených rozlivů a zvýšení transformačního účinku údolních niv.

Literatura

1. Státní vodohospodářský plán republiky ČSR. MLVH, Praha, 1953.
2. Směrný vodohospodářský plán ČSR. MLVH, Praha, 1975.
3. Směrný vodohospodářský plán ČSR – 2. vydání. Publikace SVP č. 34 – Vodní nádrže. MLVH, Praha, 1988.
4. Směrnice 2000/60/ES Evropského parlamentu a rady ustanovující rámec pro činnost Společenství v oblasti vodní politiky. EU legislativa, 2000.
5. Plány hlavních povodí České republiky. Ministerstvo zemědělství, 2007.
6. Generel území chráněných pro akumulaci povrchových vod a základní zásady využití těchto území. Ministerstvo zemědělství a Ministerstvo životního prostředí, Praha, 2020.
7. ZABAGED – Výškopis – DMR 5G. Digitální model terénu České republiky 5. generace (DMR 5G) v S-JTSK, Bpv. Geoportál ČÚZK přístup k mapovým produktům a službám resortu: Aplikace.
8. D01-ZÚ, D02-ZÚ, D03-ZÚ: D – záplavové území. Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka – oddělení geografických informačních systémů a kartografie. Dostupné z: VÚV T. G. Masaryka – Oddělení GIS – Struktura DIBAVOD.
9. Metodický pokyn č. 9/1998 Ministerstva životního prostředí ke stanovení minimálních zůstatkových průtoků ve vodních tocích. Ministerstvo životního prostředí, Praha, 2011, 5 s. [online]. Dostupné z:
   Věstník 5/98 – Metodický pokyn odboru ochrany vod MŽP ke stanovení hodnot minimálních zůstatkových průtoků ve vodních tocích (mzp.cz).
10. Balvín, P., Vizina, A. Stanovení hodnot minimálních zůstatkových průtoků v podmínkách ČR. Vodohospodářské technicko-ekonomické informace, 2018, vydání 60, n. 2, s. 8–13, ISSN 0322-8916 [online]. Dostupné z: 5858-VTEI-2-18.pdf.
11. ČSN 75 2405 Vodohospodářská řešení vodních nádrží.
12. ČSN 75 2340 Navrhování přehrad – Hlavní parametry a vybavení.
13. ZM25: Prohlížení služby – WMS. In: Geoportál ČÚZK přístup k mapovým produktům a službám resortu [online]. Praha: Český úřad zeměměřický a katastrální [cit. 26.2.2023]. Dostupné z:
    https://ags.cuzk.cz/arcgis1/services/ZTM/ZTM25/MapServer/WMSServer.
14. Ortofoto: Prohlížení služby – WMS. In: Geoportál ČÚZK přístup k mapovým produktům a službám resortu [online]. Praha: Český úřad zeměměřický a katastrální [cit. 26.2.2023]. Dostupné z:
    https://ags.cuzk.cz/arcgis1/services/ORTOFOTO/MapServer/WMSServer.
15. NATURA 2000. In: Soustava chráněných území evropského významu [online]. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR 2023 [cit. 1.10.2023]. Dostupné z: (1.2c) Web – Natura 2000 (arcgis.com).
16. Surovinový informační systém (SurlS). In: Nerostné suroviny [online]. Praha: Česká geologická Služba [cit. 3.6.2022]. Dostupné z: Surovinový informační systém (geology.cz).
17. Kotaška, S., Říha, J., Zeman, E., Fischer, M., Trnka, M. Koncept vodohospodářského řešení vybraných nádrží z generelu LAPV v povodí Dyje pro hodnocení adaptačních opatření proti dopadům klimatických změn. Konference Vodní nádrže, Brno, 2022.