The paper provides an overview of recent hydrology-related research conducted by the Research Institute for Soil and Water Conservation and its predecessors. Research catchments and similar research sites, mostly under agricultural land use, are described. The principal catchments, located in Central and East Bohemian peneplains and highlands (Cerhovický potok near Hořovice, anonymous stream above Černičí near Čechtice, Kopaninský tok near Pelhřimov, and Žejbro near Skuteč with its subcatchments) are described in a greater detail with reference to web presentations (http://www.hydromeliorace.cz/povodi/ index.html). The second part overviews the main research results obtained, prevailingly during the last decade, in the field of catchment hydrology, water quality generation, agronomic measures for protection against nitrate pollution, the effect of tile drainage on extreme flows and water quality, soil water in the vadose zone with preferential flow and the landscape-ecological aspects of water resources protection. It is concluded that some problems could not be solved if the questions were not posed in a hydrological manner. The authors recommend to generalise empirical research results by modelling and to intensify connections between RISWC research and hydrological activities of other institutions. and Práce podává přehled novější historie výzkumu s hydrologickými prvky ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy a v ústavech, které byly jeho předchůdci. Stručně popisuje jednotlivá malá výzkumná povodí a další výzkumné lokality, většinou se zemědělským využitím půdy. Hlavní výzkumná povodí, umístěná v oblasti středočeských a východočeských parovin a pahorkatin (Cerhovický potok u Hořovic, bezejmenný potok nad Černičím u Čechtic, Kopaninský tok u Pelhřimova a Žejbro u Skutče se svými podpovodími), jsou popsána podrobněji s odkazem na prezentace na webu (http://www.hydromeliorace.cz/povodi/index.html). Ve druhé části článku je podán přehled hlavních výsledků výzkumu dosažených převážně v posledním desetiletí v oblasti hydrologického režimu povodí a mechanismů tvorby jakosti vody, agronomických opatření na ochranu před dusičnanovým znečištěním, vlivu drenážních systémů na extrémní průtoky a jakost vod, vody v nenasycené zóně půdy s preferenčním prouděním a krajinně ekologických aspektů ochrany vodních zdrojů. Závěrem se konstatuje, že řadu problémů by nebylo možno vyřešit, kdyby otázky nebyly kladeny hydrologickým způsobem. Autoři doporučují zobecnit empirické výzkumy modelováním a zintenzivnit návaznost výzkumu VÚMOP na hydrologické aktivity jiných institucí.
An accurate representation of reality in numerical variably-saturated flow models requires reliable estimates of necessary model parameters. Inverse modeling seeks to estimate parameters such as the saturated and residual water contents, the saturated hydraulic conductivity, the shape parameters of the soil hydraulic functions, using easily attainable observations of actual or cumulative water fluxes, pressure heads, water contents, and concentrations. The inverse procedure usually combines the nonlinear leastsquares-based (SSQ) parameter optimization method with a numerical solution of the variably-saturated flow and transport equations. The SSQ-based inverse method is however sensitive to outliers. A novel Squared ε-Insensitive Loss Function (SILF) approach is introduced in this study. The SILF approach is inspired by the ε-insensitive loss function proposed by Vapnik (1995). The objective function used in the SILF approach is similar to the least-squares objective function, except that it penalizes only for errors greater than a certain predefined acceptable error term ε. The SILF approach shows an improved performance over the SSQ approach in estimating the soil hydraulic parameters. Apart from providing robust estimates of the soil hydraulic parameters, the SILF approach also gives an approximation of the relative measurement error during sampling. and Presná reprezentácia skutočností v numerických modeloch prúdenia vo vodou nenasýtenej pôde vyžaduje spoľahlivé určenie potrebných parametrov modelu. Inverzným modelovaním sa snažíme o určenie takých parametrov, ako sú reziduálna vlhkosť pôdy, nasýtená hydraulická vodivosť, tvarové parametre hydraulických funkcií pôdy, využijúc ľahko realizovateľné pozorovania momentálnych alebo kumulatívnych tokov vody, tlakových výšok, vlhkostí pôdy a koncentrácií rozpustených látok. Inverzná procedúra obyčajne kombinuje nelineárnu optimalizáciu parametrov založenú na metóde najmenších štvorcov (SSQ) s numerickým riešením transportných rovníc vo vodou nenasýtenej pôde. Táto metóda (SSQ) je však citlivá na náhodné chyby. Nová, necitlivostná stratová funkcia s necitlivosťou ε(SILF), použitá v tejto štúdii, bola inšpirovaná návrhom publikovaným Vapnikom (1995). Optimalizovaná funkcia použitá v prístupe SILF je podobná tej, ktorá sa používa v metóde najmenších štvorcov s tou výnimkou, že táto penalizuje len chyby väčšie ako je určitá preddefinovaná akceptovateľná chyba ε. Pri určovaní hydraulických parametrov pôdy táto metóda SILF preukázala svoje prednosti pred prístupom SSQ. Okrem toho, že metóda SILF dáva robustné odhady hydraulických parametrov pôdy, umožňuje tiež aproximáciu relatívnych chýb merania počas odberu vzoriek.
The paper presents an evaluation of the combined use of the HYDRUS and SWI2 packages for MODFLOW as a potential tool for modeling recharge in coastal aquifers subject to saltwater intrusion. The HYDRUS package for MODFLOW solves numerically the one-dimensional form of the Richards equation describing water flow in variablysaturated media. The code computes groundwater recharge to or capillary rise from the groundwater table while considering weather, vegetation, and soil hydraulic property data. The SWI2 package represents in a simplified way variable-density flow associated with saltwater intrusion in coastal aquifers. Combining these two packages within the MODFLOW framework provides a more accurate description of vadose zone processes in subsurface systems with shallow aquifers, which strongly depend upon infiltration. The two packages were applied to a two-dimensional problem of recharge of a freshwater lens in a sandy peninsula, which is a typical geomorphologic form along the Baltic and the North Sea coasts, among other places. Results highlighted the sensitivity of calculated recharge rates to the temporal resolution of weather data. Using daily values of precipitation and potential evapotranspiration produced average recharge rates more than 20% larger than those obtained with weekly or monthly averaged weather data, leading to different trends in the evolution of freshwater-saltwater interfaces. Root water uptake significantly influenced both the recharge rate and the position of the freshwater-saltwater interface. The results were less sensitive to changes in soil hydraulic parameters, which in our study were found to affect average yearly recharge rates by up to 13%.
Growing occurrence of extreme floods in the Czech Republic has attracted attention to the security of protective earthfill embankments along the rivers. A suddenly increased amount of water on the waterside slope of the embankment may have destroying or even catastrophic consequences. Predictions of seepage patterns through the earth body are usually done considering the saturated flow beneath the free water level only, neglecting the saturated-unsaturated character of the soil water dynamics within earthfill dams. The importance of water dynamics within an earth dam is known and may be addressed using numerical simulation models. In this study the solution based on transient simulation of seepage through protection levee using saturated-unsaturated theory is presented. Simulations were carried out by a two-dimensional numerical model based on Richards’ equation for water flow in porous medium. It has been shown that proposed approach is, with certain limitations, suitable for large scale engineering applications. and Vyšší pravděpodobnost výskytu extrémních klimatických jevů obrací pozornost k ochraně před následky, které tyto jevy způsobují. Zájem se soustředí na protipovodňové ochranné zemní hráze a jejich bezpečnost při povodních. Výpočet průsaku zemními hrázemi se často omezuje pouze na tu část hráze, která byla plně nasycená vodou, to znamená na plně nasycené proudění. Tento způsob modelování průsaku je dodnes považován za standardní, přestože je velmi limitující. Bez zahrnutí nenasycené části tělesa hráze je zanedbán vliv časově i prostorově proměnlivého pole vlhkostí (např. při infiltraci vody ze srážky) na polohu hladiny. V naší studii je simulováno proudění v tělese hráze s použitím numerického modelu, který umožňuje řešit proudění vody v proměnlivě nasyceném heterogenním pórovitém prostředí, s obecnými okrajovými podmínkami. Výsledky potvrdily, že přístup, který uvažuje proudění i v nenasycené části hráze, lze k řešení průsaků zemními tělesy úspěšně využít.