Vliv sněhové pokrývky na odtok během dešťových srážek.

Ing. Roman Juras

Doctoral thesis

Effect of snowpack on runoff generation during rain on snow event.

Abstract:

V zimním období, kdy leží na povodí sněhová pokrývka, stále přibývá výskytu dešťových srážek. Déšť dopadající na sníh (ROS) má často za následek vznik povodní a mokrých lavin. Predikce vlivu ROS záleží především na lepším pochopení mechanismů vzniku a složení odtoku ze sněhové pokrývky. Spojení simulace deště na sněhovou pokrývku a využití stopovačů bylo testováno jako vhodný nástroj pro tento účel. Celkem bylo provedeno 18 experimentů na sněhovou pokrývku s různými počátečními vlastnostmi v horských podmínkách střední a západní Evropy. Pro určení charakteru proudění bylo použito barvivo brilliant blue (FCF), pomocí kterého je možné vizualizovat preferenční cesty, ale i určit rozhraní dvou vrstev o různých hydraulických vlastnostech. Zastoupení jednotlivých složek odtékající vody na výtoku bylo stanoveno pomocí metody separace hydrogramu, která poskytuje dobré výsledky s přijatelnou nejistotou. Z technických důvodů nebylo možné obě metody použít současně během jednoho experimentu, i když by to ještě více rozšířilo znalosti o dynamice proudění dešťové vody ve sněhové pokrývce. Množství tavné vody bylo vypočteno pomocí rovnice energetické bilance. Použití této rovnice je poměrně přesné, ale zároveň náročné na vstupy. Z toho důvodu bylo tání vypočteno pouze u jednoho experimentu. Rychlost vzniku odtoku roste v první řadě intenzitou srážky. Počáteční vlastnosti sněhové pokrývky, jako hustota a vlhkost, ovlivňují rychlost vzniku odtoku až druhotně. Na druhou stranu při stejné intenzitě srážky vykazovala nevyzrálá sněhová pokrývka s malou hustotou rychlejší hydrologickou odpověď, než vyzrálá pokrývka s větší hustotou. Velikost odtoku je závislá, především na počátečním nasycení. Vyzrálá sněhová pokrývka s vyšším počátečním nasycení generovala vyšší celkový odtok, kde dešťová voda přispívala maximálně z 50ti %. Proti tomu protekla dešťová voda nevyzrálou sněhovou pokrývkou poměrně rychle a do odtoku se propagovala přibližně z 80ti %. Pro predikci odtoku během ROS byla použita Richardsova rovnice v rámci modelu SNOWPACK. Tento model byl upraven tak, že byla sněhová matrice rozdělena pro lepší simulaci preferenčního proudění. Tento přístup přinesl zlepšení výsledků oproti klasickému přístupu, kdy se uvažuje pouze matricové proudění.

Abstract:

During a winter season, when snow covers the watershed, the frequency of rain-on-snow (ROS) events is still raising. ROS can cause severe natural hazards like floods or wet avalanches. Prediction of ROS effects is linked to better understanding of snowpack runoff dynamics and its composition. Deploying rainfall simulation together with hydrological tracers was tested as a convenient tool for this purpose. Overall 18 sprinkling experiments were conducted on snow featuring different initial conditions in mountainous regions over middle and western Europe. Dye tracer brilliant blue (FCF) was used for flow regime determination, because it enables to visualise preferential paths and layers interface. Snowpack runoff composition was assessed by hydrograph separation method, which provided appropriate results with acceptable uncertainty. It was not possible to use concurrently these two techniques because of technical reasons, however it would extend our gained knowledge. Snowmelt water amount in the snowpack runoff was estimated by energy balance (EB) equation, which is very efficient but quality inputs demanding. This was also the reason, why EB was deployed within only single experiment. Timing of snowpack runoff onset decrease mainly with the rain intensity. Initial snowpack properties like bulk density or wetness are less important for time of runoff generation compared to the rain intensity. On the other het when same rain intensity was applied, non-ripe snowpack featuring less bulk density created runoff faster than the ripe snowpack featuring higher bulk density. Snowpack runoff magnitude mainly depends on the snowpack initial saturation. Ripe snowpack with higher saturation enabled to generate higher cumulative runoff where contributed by max 50 %. In contrary, rainwater travelled through the non-ripe snowpack relatively fast and contributed runoff by approx. 80 %. Runoff prediction was tested by deploying Richards equation included in SNOWPACK model. The model was modified using a dual-domain approach to better simulate snowpack runoff under preferential flow conditions. Presented approach demonstrated an improvement in all simulated aspects compared to the more traditional method when only matrix flow is considered.

Keywords

simulace deště, separace hydrogramu, odtok ze sněhové pokrývky, proudění ve sněhu, tání sněhu

Keywords

rainfall simulation, hydrograph separation, snowpack runoff, water flow in snow, snowmelt

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 11. 2016

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Petr Máca, Ph.D.
• Reader: Michal Kuráž, Ph.D., doc. Ing., Michal Jeníček, externi, Ladislav Holko, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Doctoral programme / field:
Landscape Engineering / Environmental Modelling