Proudění v tekoucích vodách

Základní charakteristikou pohybu vody v povrchových vodních útvarech je rychlost a směr proudění.

Směr proudění:
Pohyb vody může být buď přímočarý - laminární, charakterizovaný proudnicí, fyzikálně vyjádřený vektorem.
Nebo turbulentní - všesměrné proudění, charakterizované jako vířivý pohyb, který nelze vyjádřit vektorem. Nejčastěji se v tocích vyskytuje turbulentní pohyb vody.
Zvláštní případ je evorze, neboli krouživý pohyb vody.
V příčném profilu vodního toku se kombinací těchto typů vytváří šroubovitý tvar pohybu vody.

Obr. Šroubovitý tvar proudění tekoucí vody

Zdroj: Just, 2005

Obr. Závislost rychlosti proudění na hloubce a příčném profilu toku

Rychlost proudění:
Je fyzikální veličinou, označujeme ji jako průtočnou rychlost = v_pr [m.s^-1], resp. v.
Maximální rychlost v toku se naměří ve střednici toku, v poslední třetině výšky vodního stavu H [m] , měřené ode dna vodního toku. Směrem k břehům rychlost proudění klesá.
Povrchová rychlost v_p je nižší než rychlost průtočná. v_pr:
v_pr > v_p
Z hlediska proudění drobných vodních toků, se minima rychlostí naměří v hloubce (měřeno ode dna) 0,2 H a maxima rychlostí v 0,8H.
Příklad jestli bude výška vodního stavu:
H=1 m
v_{pr min} bude naměřena v hloubce 20 cm ode dna
v_{pr max} bude naměřena v hloubce 80 cm ode dna

Podrobnější popis metodiky měření průtočných rychlostí je v praktických cvičeních, „Hydrometrování vodního toku“.

Obr. Měření rychlosti proudění vody na profilu toku Porubka

Zdroj: Nováková

Hlavní zásady hydroekologického hodnocení toků
V rámci hydroekologického hodnocení toků se obvykle sledují následující hlavní složky:
• morfologické parametry koryta
• biologické parametry
• parametry čistoty vody - jakost povrchových vod
Samozřejmě výběr parametrů je ovlivněn charakterem výzkumu daného toku, hydrolog bude klást důraz na hydrologické parametry toku.
Hodnocení se týká nejen samotného toku ale i příbřežního pásma v šířce zpravidla 10-20 m od hrany koryta, vytvářející kolem toku biokoridor a nárazníkové pásmo.

Charakteristiky proudění a habitatů
V zásadě existují dva přístupy. Jeden z nich je spíše zaměřen na celkový charakter proudění, resp habitatů, zatímco druhý na kombinaci hloubek a rychlostí proudění.
Hlavní typy proudění resp. habitatů jsou:
•riffle - mělčí proudná voda s výrazně rozčeřenou hladinou, kameny případně vyčnívají nad hladinu (peřejnatý úsek)
• pool - hluboká pomalá voda (tůň), často s úplavy
• run - hlubší proudná voda se zvlněnou hladinou, ale bez dalších známek zvýšené turbulence (např. v místě zúžení koryta nánosem u břehu)
Doplňkovými typy proudění/habitatů jsou:
• waterfall - vodopád
• cascade (kaskáda), též step - nízké zakřivené prahy, balvany nebo skalní výchozy; proudění je v kontaktu se dnem
• rapid - je charakterizován lámajícími se stojatými vlnami (“bílá voda”), riffle často přechází do tohoto typu za vyšších vodních stavů
• race - podobný riffle, hlubší
•glide - podobný jako run, na hladkém skalním podloží nebo jemnozrnném substrátu

Obr. Příklad habitatu rapid

Zdroj: Sovík

Bohužel v názvech jednotlivých typů habitatů panuje značná nejednotnost a plně se neshodují ani jejich popisy.
Je třeba upozornit, že všechny uvedené typy nemusí vždy zasahovat celou šířku koryta. Podobně je třeba vzít v úvahu, že se změnou průtoku se charakter proudění často mění. Obecně se proto doporučuje provádět rekognoskaci a oceňování typů proudění/habitatů za normálního až nižšího vodního stavu, v podzimním období, zejména v září.
Literatura udává, že v přirozených, antropogenními zásahy neovlivněných tocích se víceméně pravidelně opakují sekvence určitých typů proudění, zejména:
• step - pool (kaskáda - tůň) - na tocích velkého gradientu
• riffle - pool - je nejběžnější sekvencí, nejlépe vyjádřenou na tocích s hrubozrnným (štěrkovým) dnem a v meandrujících tocích (zde vlastně sekvence brod - výmol u nárazového břehu). U toků v přirozeném stavu se tato sekvence opakuje obvykle na délce 5 - 7 šířek koryta, u toků antropogenně ovlivněných bývá frekvence nižší, a to i značně (i méně než 25ti násobek šířky koryta).
• riffle (nebo rapid) - run
Podle prací z poslední doby lze jednotlivé základní typy habitatů jednoznačně charakterizovat pomocí Froudova čísla  (Fr)a hloubky (H).

Tab. Charakteristiky habitatů

V případě uvedených číselných charakteristik habitatů je nutné upozornit, že zvláště v případě malých říček a potoků nemusí zejména hloubkové parametry vyhovovat.
Druhý přístup se zaměřuje ne na celkový charakter proudění, ale na výskyt kombinací rychlosti a hloubky. Standardně se uvažuje hloubka malá (H < 0,5 m) a velká (H > 0,5 m), podobně rychlost se uvažuje malá (v < 0,3 m.s^-1) a velká (v > 0,3 m.s^-1). To dává celkem 4 možné kombinace, které by měly být u neovlivněného toku vždy zastoupeny.
Jiné číselné parametry, např. střední průřezová rychlost nebo poměr maximální a střední průřezové rychlosti se obvykle nepoužívají, protože vyžadují časově poměrně náročná měření (což v zásadě platí i pro charakterizování habitatu hloubkou a Froudovým číslem). Oproti tomu výše zmíněné rozdělení rychlostí a hloubek (malá - velká) dokáže zkušený pracovník poměrně spolehlivě odhadnout, zejména na menších tocích.

Literatura:

KŘÍŽ, V., et al.: Hydrometrie. SPN Praha. 1988, 176 s.

JUST, T., et al.: Vodohospodářské revitalizace a jejich uplatnění v ochraně před povodněmi. 3. ZO ČSOP Hořovicko, AOPK, MŽP. 2005, 359 s. ISBN 80-239-6351-1.

NYPL, V., KURÁŽ, V.: Hydrologie a pedologie. VŠCHT Praha. 1992, 293 s. ISBN 80-7080-152-2.

K141HEMM Hydroekologický monitoring a modelování - učební text "Hydroekologický monitoring a modelování" (http://hydraulika.fsv.cvut.cz/predmety/hemm/skripta/), 2001.

MATOUŠKOVÁ, M., MATTAS, D.: Hydroekologické hodnocení toků. Vodní hospodářství 53, č. 10/2003, str. 279-282.

   Morfologie údolí a říčního koryta

Základní jednotkou říčního reliéfu je říční údolí a říční koryto.

Základní hodnocení vychází z teorie:
Geomorfologické typy vodních toků, (Leopold, Wolman 1957):

Přímé vodní toky: Horské bystřinné toky
Charakteristika : Horní část toku.
Vázány na typ údolí “V“. Úzká sevřená údolí, tvořena masivními horninami.
Lze hovořit o převaze hloubkové eroze toku, spád toku značný. Podélný profil výrazně modelován hrubozrnnými splaveninami, materiál se pohybuje saltací.Vodní tok si prořezává koryto.
Energie proudu maximální, příčný profil nevýrazně modelován. Nevytváří říční nivu.
Sklon: více jak 2% (výškový rozdíl 2m na 100m délky toku)
L:H = 50:1 (poměr šířky koryta k hloubce koryta)
Index křivolakosti: menší než 1,5 (poměr délky říční trasy resp. úžlabnice k délce údolí resp. údolnice).

Obr. Horský potok, příklad údolí typu V

Zdroj: Sovík

Divočící toky: Podhorské bystřinné toky
Charakteristika: Horní část toku, vyústění v podhorských oblastech.
Akumulace v horských údolích převládá nad erozí toku. Tato situace nastává po změně spádových poměrů. Tok vytéká z horských svahů (značných sklonů) do horského údolí.
Dochází k zasedimentování vlastního koryta hrubozrnnými splaveninami, v důsledku toho k větvení hlavního toku v četná ramena na štěrkových lavicích.
Nestabilní podélný i příčný profil. Říční niva tvořena sterilními naplaveninami, chybí nivní půdy, sedimenty starých ramen.
Sklon: 0,5-4%
L:H = stejné jako u přímých

Meandrující toky: Nížinné toky
Charakteristika: Střední část toku.
Vytvářejí neckovitá údolí.
Říční koryto modelováno boční erozí. Nestabilní příčný profil. Vodní tok vytváří zákruty, následně meandry, slepá ramen, vlivem procesu hydraulické křivolakosti.
Hydraulická křivolakost je podmíněna: změnami spádu toku (snížení rychlosti proudění) dále překážkou uvnitř toku (spadlý strom). Při procesu meandrování se tok posouvá vně, vytváří erozní břehy (hlubiny) a protilehlé nánosové břehy (brody).
Energie proudu malá. Vytváří akumulační říční nivy, říční terasy, tvořené bohatými nivními půdami. Na povrch vystupují povodňové, jílovité hlíny.
Sklon: méně než 2%
L:H = 10:1
Index křivolakosti: 1,5 - 4 (poměr délky úžlabnice - čáry největších hloubek v korytě, k délce údolnice)
Kapacita koryta: Q₁ – Q₂ (jednoleté až dvouleté vody)
Šířka meandrového pásu je zhruba 10x větší než šířka koryta (L).

Obr. Meandrující řeka Odra, pohled na nárazový břeh a zarůstající vegetací nánosový břeh

zdroj: Sovík

Obr. Meandrující Pustějovský potok v zimě

Zdroj: Nováková

Anastomózní toky: Nížinné toky
Charakteristika: Dolní část toku.
Vytvářejí úvalovitá údolí.
Říční koryto zasedimentováno, vzniká stabilní větvení hlavního toku ve vedlejší ramena, proces divočení. Převládá sedimentace nad erozí. Vznikají nepohyblivé ostrovy tvořené jemnými sedimenty charakteru plavenin.
Obdoba deltovitého zaústění vodního toku.
Energie proudu téměř nulová. Vytváří akumulační říční nivy.

Geomorfologické typy vodních toků (Rosgen 1994, 1996)

D.L. Rosgen (1994) vymezuje základní geomorfologické typy vodních toků, vychází z fyzickogeografických poměrů USA. Jeho poznatky lze z větší části aplikovat i na poměry ČR.

Obr. Geomorfologické typy vodních toků podle Rosgena,1994,1996

Geomorfologické typy vodních toků na území ČR , (Vlček a Šindlar 2002):

Skupina geomorfologických typů s dominující hloubkovou erozí:
A/H1 - hloubková eroze v údolí se strmými nebo pozvolnými svahy,
G/H2 - hloubková eroze v terasovaném údolí s vytvářením brodů a výmolů,
F/H2 - hloubková eroze v úzké údolní nivě s vytvářením brodů a výmolů,
B/H3 - hloubkové eroze v meandrovitě zakřiveném údolí s vytvářením jesepů.

Skupina geomorfologických typů s dominujícím volným meandrováním:
E/M4 - volné meandrování v široké nezřetelně ohraničené údolní nivě s jejím častým
zaplavováním a vytvářením odstavených ramen,
E/M5 - volné meandrování ve zřetelně ohraničené údolní nivě s jejím častým
zaplavováním a vytvářením odstavených ramen,
E/M6 - ohraničené meandrování v úzké údolní nivě s vytvářením říčních ostrovů.

Skupina geomorfologických typů s dominujícím větvením koryta:
D/V7 - větvení koryta do ramen v řečišti s častým převrstvováním výsep a překládáním
ramen (divočení vodního toku),
DA/V8 - větvení meandrujícího koryta do ramen v široké údolní nivě s jejím častým
zaplavováním a tvorbu nivních koryt,
C/V9 - větvení zakřiveného koryta s vytvářením výsep nebo posun nerozvinutého.

   Říční (fluviální) sedimenty

Řeky si modelují své říční koryto podle odolnosti podloží vůči těmto říčním procesům.  Mění svůj jak podélný, tak příčný profil. V erozní, transportační a akumulační činnosti vytvářejí fluviální sedimenty. Charakter těchto sedimentů je různorodý, z hlediska litologického složení, z hlediska sedimentačního prostředí, z hlediska morfologického, prostě z hlediska fácií. Soubor sedimentů vytváří sedimentární vrstvu, u níž můžeme studovat její stratigrafii, čili časovou souslednost. Podle Zákona superpozice,  geologicky starší  vrstva by měla být překryta geologicky mladší vrstvou. To znamená starší vrstva leží níže (jako podloží), mladší výše (jako nadloží). Ovšem u fluviálních sedimentů bývají mnohá souvrství opakovaně rozplavovány.

Charakteristickým rysem fluviálních sedimentů je, že se ukládají ve velmi dynamickém prostředí, takže zřídkakdy zůstávají dlouho na svém místě.

 Základním tříděním fluviálních sedimentů se vyčleňují  pouze dvě kategorie:

• Splaveniny, (dnové), tuhé částice minerálního i organického původu. Mají různý tvar, velikost. V toku se pohybují saltací (skokem) po dně, na zemském povrchu plošným splachem při intenzivních přívalových deštích.

Nejdůležitější vlastnosti jsou velikost, rozdělení zrnitosti (velikost frakcí), tvar, sedimentační rychlost. Zrnitost zjišťujeme použitím metody  „sítování“.

• Plaveniny, tuhé i kapalné částice minerálního i organického původu, které jsou rozptýleny ve vodě. V toku se vznášejí, na povrchu hladiny mohou vytvářet povlaky, emulze.

Změnou podmínek mohou přecházet z jedné kategorie do druhé.

Obr. Transport fluviálních sedimentů v říčním korytě podle Schumma, 1997

Třídění splavenin se nazývá valounová analýza.

Co je valoun?

Lidový název valounek (dokonale zaoblený). Úlomek horniny v různém stupni opracování. Velikost: od 10-250 mm v delší ose, ho řadí k splaveninám.

Zaoblený tvar vzniká v důsledku delšího transportu hranáče (ostrohranný úlomek horniny, který je neopracovaný) po říčním dně: např.mírné zaoblení kvarcitu po 3 km transportu,  dokonalé zaoblení vápence po 16-32 km transportu.

Různé tvary, podle typu horniny:  ploché – fylity,břidlice

                                                kulovité – granitoidní horniny

žehličkovité s rýhováním – souvky, typické ledovcové uloženiny, vyskytují se v morénách jako souvkové hlíny.

Mořský příboj nejintenzivněji zaobluje úlomky, následuje činnost větru, nejméně intenzivní je říční činnost.

Obr. Valouny na vyschlém říčním dně

Obr. Valouny na říčním dně

Zdroj: Němečková

Morfometrické parametry valounů jsou: velikost (zrnitostní frakce), tvar, způsob uložení a orientace. Z těchto parametrů  se sleduje velikost a orientace.

Velikost valounů se nejčastěji stanovuje podle střední, delší osy. Patří tam podle tab.č. jak hrubé písky, tak štěrky, až valouny větších rozměrů. Velikost částic obecně klesá od pramene po ústí toku, tzn. ve směru transportu. Zmenšování velikosti sedimentů probíhá pomocí geomorfologických procesů jako je abraze (obrušování, omílání) směrem po proudu. Zjemňování sedimentů dolů po proudu bývá často narušeno přínosem hrubších resp. jemnějších sedimentů při soutoku nebo erozí hrubšího materiálu ze břehů. Jednoznačně nemůžeme stanovit velikost sedimentu v závislosti na rychlosti a energii proudu a na délce transportu. V horním úseku toku nacházíme fluviální sedimenty větší zrnitostní frakce, vzhledem k poloze zdrojnice zvětralin, původních hranáčů,  které se fluviálními procesy zaoblují a začínají se formovat jako fluviální sedimenty. V středním úseku toku nacházíme sedimenty menší zrnitostní frakce. Nejmenší zrnitostní frakci sedimentů najdeme v dolním úseku toku a při pravidelných hydrologických rozlivech.

Orientace částic

Velké množství fluviálních sedimentů vykazuje orientaci zrn, která je výsledkem mechanizmů, které působily při jejich ukládání. Čepelovité nebo ploché částice jsou často naskládány na sebe tak, že upadají směrem proti proudu. Tento jev se označuje jako imbrikace a lze podle ní určit směr proudění v době uložení sedimentu. Imbrikace se nejčastěji vyskytuje v sedimentech při dně koryta, které jsou dostatečně vytříděné, aby mohly ležet jednotlivé valouny na sobě a nebyly odděleny jemnějším materiálem. Protáhlé úlomky které se můžou kutálet  (saltace) po dně se ukládají delší osou kolmo na směr proudění; pokud se ovšem jeden konec nezachytí za překážku, podle které se úlomek otočí po směru proudění.

Obr. Povodňové hlíny při pravidelných rozlivech toku - Pustějovský potok

Zdroj: Nováková

Literatura:

BUZEK, L.: Metody v geomorfologii.Pedagogická fakulta Ostrava,1979, 156 s.

RUBÍN, J.  et al.: Atlas skalních, zemních, půdních tvarů. Academia. Praha, 1986, 388s.                                         

HRADECKÝ, J., BUZEK, L. : Nauka o krajině. Učební texty Ostravské univerzity. Ostravská univerzita v Ostravě, Ostrava 2001, 215 s.

NEUSLOVÁ, Š.: Poodří, Současné výsledky výzkumů v CHKO Poodří. Společnost přátel Poodří, Ostrava, 1999, 115 s.

KRÁLOVÁ H.: Řeky pro život. Revitalizace řek a péče o nivní biotopy, ZO ČSOP Veronica, Brno 2001, 440 s.