Metody hydrogeologického výzkumu I. Měření a přístrojové vybavení v hydrogeologii Základem práce hydrogeologa je získání správných údajů o kvalitativních a kvantitativních vlastnostech podzemních vod staré Řecko – popisy meteorologických jevů bez jejich kvantifikace Indie – první dokumentované měření srážek – Kautilius – vyměření daní a setí obilovin Palestina – celoroční měření srážek – dělení na období roku Korea – srážkoměr – 1441 Leonardo da Vinci – měření průtoků, stopovací zkoušky pomocí barviv – nenapsalspis, jen poznámky 17. stol – Castelli – O měření vod tekoucích – kyvadla, váhy, lopatkové kolo Halley 17. stol – bilance vod na Zemi – velký hydrologický cyklus 1716 – měření hladin na povrchových tocích a v přístavech – Něva (Petropavlovská pevnost) následuje Labe, Temže, apod. 1790 – Voltmanova hydrometrická vrtule 1831 – patent zapisovacího hladinoměru – Temže National Museum of American History (si.edu) Hladové kameny Hungerstein – Labe, Děčín u Tyršova mostu nejstarší záznam z roku 1159 nejstarší čitelný nápis z roku 1616 1800 – Wenn du mich siehst, dann weine = Spatříš-li mne, plač) 1938 – reklama společnosti na výrobu pump: Neplač holka, nenaříkej, když je sucho, pole stříkej www.chmuul.org METROLOGIE • obecné zásady měření • definuje měrné jednotky • zabezpečuje etalonová měřidla nejvyšších řádů • národní ústavy • sestavení metrologických řádů a jejich kontrola • podnikové etalony, kontrolní provozní měřidla VLASTNOSTI PŘÍSTROJŮ • indikační – udávají okamžitou hodnotu • registrační – zaznamenávají časové změny měřené veličiny PŘESNOST MEŘÍCÍHO PŘÍSTROJE • schopnost měřidla stanovit údaje blízké pravé hodnotě měřené veličiny • pravá hodnota - dokonale definovaná za daných podmínek – v praxi nezměřitelná • pojem konvenčně pravá hodnota – hodnota blížící se pravé hodnotě měřené veličiny tak, že pro daný účel lze rozdíl mezi pravou a konvenčně pravou veličinou zanedbat kontrola přesnosti vždy měřidlem s přesností o řád vyšší (např. přesnost ± 1 cm meřidlem s přesností ± 0,1 cm) Chyba měření • rozdíl mezi naměřenou a konvenčně pravou hodnotou měřené veličiny • absolutní chyba – v jednotkách • relativní chyba – poměr absolutní chyby a konvenčně pravé hodnoty – v % Třídy přesnosti přístrojů nejčastěji se vyjadřuje nejvyšší dovolenou chybou přístroje Citlivost přístroje • udává, jakou nejmenší změnu dané veličiny lze přístrojem zjistit • pro danou hodnotu je určena přírůstkem proměnné veličiny a příslušným přírůstkem měřené veličiny • stupnice – podíl délky dílku stupnice a jeho hodnoty • digitální přístroje – změna hodnoty vyvolávající změny nejmenšího digitu Rozlišovací schopnost (práh citlivosti, práh pohyblivosti) • nejmenší změna měřené veličiny, která vyvolá zjistitelnou změnu údaje na přístroji Spolehlivost přístroje • schopnost udávat za stanovených podmínek měřenou hodnotu v požadovaných mezích přesnosti Rozpětí přístroje rozmezí měřené veličiny, které je schopen přístroj zaznamenat a zobrazit Provozní podmínky • rozmezí přírodních podmínek, které ovlivňují měření dané veličiny, za kterých je přístroj schopen udávat měřenou hodnotu s požadovanou přesností • přesnost měření můře být rozdělena i podle provozních podmínek Životnost přístroje • charakterizuje spolehlivost přístroje • pravděpodobnost správné činnosti a bezporuchovosti přístroje CHYBY MĚŘENÍ Chyby nahodilé • jejich hodnota i znaménko se při velkém počtu měření téže hodnoty dané veličiny za prakticky stejných podmínek mění nepředvídaným způsobem • typicky Gaussovo rozdělení měřených hodnot: • nejčastěji budou vycházet hodnoty okolo střední hodnoty měření μ – 68,2 % všech hodnot leží v rozmezí ±1 směrodatné odchylky (σ) od střední hodnoty – 95 % všech hodnot leží v rozmezí ±1,96 násobku směrodatné odchylky od střední hodnoty • zpravidla – konvenčně pravá hodnota je aritmetický průměr CHYBY MĚŘENÍ Chyby systematické • za týž podmínek mají stejné absolutní hodnoty i znaménko, případně se mohou měnit podle určitého zákona • chyby způsobeny měřidlem nebo prostředím • je možné odstranit kontrolním měřením a cejchováním (s měřidly vyššího řádu nebo etalony) • např. elektrochemie (pH), chyby plovákových hladinoměrů jednorázově kontrolované elektro-kontaktními hladinoměry (i se stejnou třídou přesnosti) Chyby hrubé • chyby které přesahují rozmezí nahodilých chyb • jsou způsobeny nesprávným měřením (omylem, záměnou rozsahu, apod.) • zjištění chyby logickým zhodnocením souboru nebo kontrolním měřením • nejlépe vyloučení měření ze souboru, případně použití opravené hodnoty Možné případy použití statistického vyhodnocení měřených dat a vyloučení chybných měření • čerpací zkoušky • měření hladin na dlouhodobě exploatovaných objektech • měření průtoků na dlouhodobě exploatovaných objektech • dlouhodobé sledování koncentrací ukazatelů v případě použití stejné metodiky vzorkování atd. MĚŘENÍ HLADIN PODZEMNÍCH A POVRCHOVÝCH VOD Rozdělení hladinoměrů podle způsobů měření Hladinoměry pro jednorázová měření Hladinoměry indikační bez dálkového přenosu údajů Hladinoměry indikační s dálkovým přenosem Hladinoměry registrační bez dálkového přenosu údajů Hladinoměry registrační s dálkovým přenosem Rozdělení hladinoměrů podle druhu čidla Hladinoměry plovákové Hladinoměry akustické Hladinoměry manometrické Hladinoměry elektrokontaktní Hladinoměry kapacitní Hladinoměry pneumatické Hladinoměry bezdotekové Akustické - při kontaktu s hladinou vydávají zvuk - Rangova píšťala - jen jednorázová měření Elektrokontaktní • dotyk s hladinou vytvoří v elektrodách vodivé spojení • minimálně cca 80 mS/cm • jednorázová měření - nejlevnější při dostatečné přesnosti (i kontrolní měření) • průběžná měření - posun čidla zajišťuje elektromotor - čidlo sleduje hladinu v rozmezí dvou kontaktů (cca 2 cm) - čidlo se pohybuje z výchozího bodu k hladině a zpět výrobce – Geospol Uhřínov délky pásma od 20 do 700 metrů Termistorové • rozlišení prostředí s různou tepelnou vodivostí – ohřívání čidla el. proudem • velmi přesné (± 0,1 mm) • čidlo málo mechanicky odolná • průběžná měření – podobně jako elektrokontaktní Fotoelektrické • rozlišení prostředí podle různého fotoodporu na čidlo • velmi přesné (± 1 mm) – ovlivněno vzlínáním • průběžná měření – podobně jako elektrokontaktní Ultrazvukové • měření času odraženého signálu od vodní hladiny • velmi přesné • málo používané Mechanické • na závěsném lanku je zátěžka, konstantní rychlost sestupu lanka • náraz na hladinu – zmenšení tahu v lanku a aretace hladinoměru • málo přesné (± 1 cm) – ovlivněno vzlínáním • průběžná měření – podobně jako elektrokontaktní Plovákové • registrační - nejrozšířenější • plovák na lanku s protizávažím, lanko procházející přes měrné kolečko, registrace • přesnost záleží na kalibraci • kontrola jednorázovými měřeními Manometrické • měří tlak v určité hloubce pod hladinou • při kolísání hladiny se mění i hydrostatický tlak – registrace změn hladin • kalibrace úrovně hladiny jiným hladinoměrem • řada typů čidel – mechanická, elektromechanická, elektronická, … • jediné přesně měřící v proplyněných minerálních vodách (ČZ, registrace, apod.) Pneumatické • měření tlaku v určité části sloupce vody ve vrtu pomocí tenké trubičky • ustanovení tlakové rovnováhy mezi ústím trubičky a vodou ve vrtu • měření tlaku na povrchu • výhoda – minimální prostor pro trubičku ve vrtu + minimální riziko poškození • proplyněné vody - nutné umístit pod bodem evaze α MĚŘENÍ PRŮTOKŮ Průtok • množství vody proteklé daným profilem za jednotku času (l.s-1, l.min-1, m3.s-1) Vydatnost • množství vody, které je za daných podmínek objekt schopný dávat • vydatnost pramene, vydatnost vrtu Vývěr • voda vyvěrající z horninového prostředí na zemský povrch (pramen) nebo do důlních děl • vývěr vody může na zemský povrch může být přírodní, pak jej označujeme jako pramen Přeliv • samovolně přetékající voda z vrtu (když vrt je vyhlouben do hornin s napjatou vodou s pozitivní piezometrickou úrovní) Výtok • množství vody vytékající z umělých děl (drenáž, štola) • i vody vypouštěné z kanalizace nebo z čistírny do povrchových toků METODY MĚŘENÍ PRŮTOKŮ Metody měření jsou různé podle toho v jakých podmínkách se průtoky měří: • měření průtoků v korytech • měření průtoků v potrubích • měření průtoků ve vrtech • měření průtoků ve zvodněných horninách Pro měření průtoků v korytech se používají následující metody: • hydrometrování • měrné žlaby • měrné profily s vodočty • měrné přelivy • stopovací zkoušky • měření povrchové rychlosti proudění • objemová měření HYDROMETROVÁNÍ Jak změřit rychlost proudění? Typická vertikální distribuce vektoru rychlosti ve vodním toku Jak tedy určit průměrnou rychlost proudění? ideálně měření v každém 0.1 násobku hloubky vodoteče (mezi 0.1 – 0.9) • jednobodové měření H <0,25 m hodnota z hloubky 0,4 výšky vodního sloupce (bráno ode dna, tedy 0 = dno a 1 = hladina) • dvoubodové měření H 0,25-0,5 m hodnota z hloubek 0.2 a 0.8 • tříbodové měření H 0,5-1 m hodnota z hloubek 0.2, 0.4 a 0.8 • vícebodové měření H >1 m Orientační metoda určení povrchové rychlosti proudu • splývající tělíska nebo optika • přírodní koryta – násobení koeficientem 0.85 • klidné toky – násobení koeficientem 0.9 Měření rychlost proudu, metoda jednoho, dvou a tří bodů Základní výsledek hydrometrování – konzumpční křivka - měrné profily - měření průtoků při různých vodních stavech Kde měřit průtoky ve vodotečích? optimálně před každým soutokem MĚRNÉ ŽLABY • žlab (koryto) se zúženým profilem • měření výšky vodního sloupce v korytě před a za zúžením • rozdíl hladin odpovídá průtoku • např. Venturiho žlab • kalibrace pro jednotlivé žlaby • využití – instalace především při dlouhodobější exploataci, ČZ, apod. ( )212 2 hhghbQ −=  www.pars-aqua.cz • přenosné (jednorázová) nebo trvale instalované (dlouhodobá měření) • řada typů podle tvaru výřezu • pro každý typ použití příslušného vzorce • měření výšky paprsku na přelivu MĚRNÉ PŘELIVY 2/5 362,2 hQ =  2/3 23/2 hgbQ =  Thomsonův přepad (rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník) Ponceletův přepad (obdélníkový přepad)  = 0,62  = 0,62 • použití tzv. stopovače – inertní nerozpadající se chemická látka (chloridy - NaCl, bromidy, barviva, radioaktivní látky) • směšovací metoda STOPOVACÍ ZKOUŠKY Q - zjišťovaný průtok C0 - koncentrace stopovače v pozadí Q1 - dávkovaný průtok stopovače C1 - koncentrace dávkovaného stopovače C2 - koncentrace stopovače v měřeném profilu ( ) ( )02 21 1 CC CC QQ − − = PŘÍKLAD Určete průtok ve vodním toku, do kterého byl po dobu 30 s přidáno 100 l roztoku stopovače. Počáteční koncentrace stopovače ve vodním toku je nulová, koncentrace v roztoku byla 15 000 mg/l. ( ) ( )02 21 1 CC CC QQ − − = • integrační metoda - jednorázový nálev stopovače - odečítání hodnot elektrické vodivosti v profilu v pravidelných intervalech času (cca 10 s) - naměřené hodnoty elektrické vodivosti se vynáší jako funkce relativní vodivosti a času STOPOVACÍ ZKOUŠKY V - objem stopovače C0 - pozaďová koncentrace C1 - koncentrace stopovače C2 - průměrná koncentrace stopovače v toku při průchodu měrným profilem t - doba průchodu stopovače měrným profilem )( )( 02 01 CCt CCV Q − − = PŘÍKLAD Určete průtoky ve vodním toku ve dvou měřených profilech. Objem roztoku stopovače byl 10 l, elektrická vodivost prvního roztoku byla 85,7 mS/cm a druhého 65,1 mS/cm. Relativní elektrické vodivosti změřené na dvou profilech jsou zobrazeny v grafech. )( )( 02 01 CCt CCV Q − − = • nejpřesnější měření • použití spíše jako kontrolní měření všech druhů průtokoměrů • Q = V / t OBJEMOVÁ MĚŘENÍ Měření průtoků v potrubí: • vodoměry • průtokoměry • objemová měření Měření průtoků ve vrtech: • floumetry – vertikální hydrometrické vrtule • stopovací zkoušky • termokarotáž – teplotní gradient ve vrtu, identifikace míst přítoku Měření průtoků ve zvodněné vrstvě: • výpočet podle Darcyho zákona z koeficientu filtrace, plochy měřeného profilu a sklonu hladiny proudící podzemní vody • poměrně nepřesné – nehomogenní a anizotropní prostředí Vodoměry • nejčastěji používané lopatkové vodoměry • chyby při malých průtocích • nutná instalace vodoměrů do vhodné pozice na potrubí Průtokoměry Indukční průtokoměry • Faradayův zákon o elektromagnetické indukci • Ui = B . l . v (B … magnetická indukce, l … vzdálenost elektrod, v … rychlost proudění) Tepelný účinek proudu - rovnovážný stav mezi přívodem tepla do čidla a prouděním - zvýšení rychlosti proudění – zrychlený odvod tepla Silový účinek proudu na pevné těleso - obdoba např. Pitotovy trubice (stanovení dynamického tlaku) Dopplerův princip - změny rychlosti ultrazvukových vln po a proti proudu kapaliny - u spojitě vysílaných ultrazvukových vln vzniká fázový posun nebo posun frekvence HISTORIE Vitruvius (1. stol. př. n. l.) • 10 knih o architektuře – popis vyhledávání míst pro hloubení studní (výstup vodních par, rosa, geobotanické metody, apod.) • popis kvality podzemní vody – odparek + obyvatelé (sulfidická ložiska) • popis stavebních prací – chorobates – nivelace akvaduktů Evropa – vývoj myšlení až v renesanci – Alberti - identické přístroje Egypt - niloměry • první značky na Nilu – 3000 – 5000 př.n.l. • schodiště • místnosti se sloupy propojené šachtami s Nilem (Rodah – 640 – 1890 n.l.) zdroj: wikipedia