Metody hydrogeologického výzkumu III. Konstrukce ekvipotenciál Hydraulická výška – piezometrická úroveň – potenciometrická úroveň • hydraulický potenciál (hodnota energie) podzemní vody v daném bodě lze stanovit měřením hydraulické výšky • tlaková výška nad srovnávací rovinou (obvykle hladina moře) Hydraulický gradient • maximální rozdíl výšek při minimální stejné vzdálenosti paralelní se směrem proudění • rozdíl mezi hydraulickými výškami způsobuje pohyb vody – proudění • horizontální gradient – hydrogeologické vrty, studny, povrchové vody • vertikální gradient – piezometry umístěné blízko sebe Hladina podzemních vod – povrch saturované zóny, ve které je tlak ve zvodni roven atmosférickému tlaku Piezometrický povrch (potenciometrický povrch) – úroveň hladiny, do které by vystoupala ve vrtu pronikajícím napjatou zvodní či úrovní s hydraulickou výškou převyšující hladinu podzemních vod Ekvipotenciála – linie spojující místa se stejnou hydraulickou výškou Hydroizohypsa – průmět ekvipotenciály do roviny Hydroizopieza – dtto pro zvodeň s napjatou hladinou Proudnice – podzemní voda proudí kolmo na průběh ekvipotenciál (při anizotropii hydr. vodivosti = 1), směr proudění ukazuje proudnice Proudová síť – znázornění systému proudění prostřednictvím ekvipotenciál a proudnic, půdorys či v řezu (výstupy z modelů možnost 3D zobrazení) Základní pojmy Proudová síť ekvipotenciála proudnice hydroizohypsa hladina podzemních vod piezometr hydraulická výška (piezometrická úroveň) Hydrogeologický vrt a piezometr • vliv výškové polohy a délky filtrační části vrtu na měřenou hladinu (hydraulickou výšku) ve vrtu • piezometr – bodová informace o hydraulické výšce Napjatá zvodeň Napjatá zvodeň volná zvodeň • různá hustota vody – rozdíly v mineralizaci, teplotě, tlaku • obvykle pobřežní oblasti, hluboké sedimentární pánve • vliv na hydraulický gradient Měření hydraulické výšky v prostředí s různou hustotou vod 𝒒 = −𝒌. 𝒈𝒓𝒂𝒅𝒉 Intruze mořských vod do sladkovodního kolektoru (USGS) (US EPA) Zhodnocení proudění podzemních vod v prostředí s různou hustotou vod jako ekvivalentu hydraulické výšky v prostředí s čerstvou vodou (Ekqivalent Fresh Water Head): • bodová hydraulická výška hi se skládá z polohové výšky zi a z tlakové výšky hp,i • normalizace hp,i pomocí referenční hustoty ρf na hf,i ➔ sloupec vody v každém bodě pozorování hydraulické výšky hp,i bude nahrazen odpovídajícím sloupcem vody hf,i se stejnou hustotou ρf Měření hydraulické výšky v prostředí s různou hustotou vod Lusczyinski (1961) in Post et al. (2007)bod měření i • na hodnotě ρf nezáleží, obvykle se však používá hustota „čerstvé“ vody ➔ fresh water head hf,i (1000 kg/m3) • hf,i může být spočtena z bodové hydr. výšky hi • stanovení hustoty ρi – tabulky, speciální software • při hodnocení horizontálního proudění je klíčové, aby hydraulické gradienty byly hodnoceny z hf,i ve stejné hloubce – hf,i se může měnit s hloubkou • pokud pochází měření tlaku Pi z piezometrů s různou hloubkou filtrační částí, je nutné, vypočítat hf,i ve vhodně zvolené referenční hloubce zr • následně vypočteme hydraulickou výšku hf,r odpovídající hustotě „čerstvé“ vody ρf a srovnávací úrovni zr, kde ρa je průměrná hustota vody mezi bodem měření (zi) a srovnávací úrovní (zr): Měření hydraulické výšky v prostředí s různou hustotou vod Nejistoty ve stanovení hydraulické výšky: • přesnost stanovení závisí na znalosti prostorového rozložení hustoty vody a tedy určení ρa • hustota vody se může měnit nejenom ve vertikálním, ale i v horizontálním směru Hydrogeologický trojúhelník • určení směru proudění podzemních vod – minimálně 3 změřené objekty • izolinie spojuje místa se stejnou výškou nacházející se mezi měřenými objekty • interval izolinií – při velkých rozdílech hladin v metrech, malé rozdíly - desetiny metrů Pravidla tvorby ekvipotenciál v heterogenním a izotropním prostředí • proudnice a ekvipotenciály se musí křížit v pravých úhlech • ekvipotenciály se musí setkat s nepropustnou hranicí v pravém úhlu • ekvipotenciály musí být paralelní s okrajovou podmínkou typu konstantní hladina • u geologických rozhraní (kontakt např. dvou vrstev s odlišnou hydraulickou vodivostí) platí Snellův zákon Refrakce proudnic ve více-vrstevném systému (Hubbert, 1940) Refrakce proudnic na geologické hranici Pravidla tvorby ekvipotenciál v homogenním a anizotropním prostředí Transformace měřítka regionu proudění podél os X nebo Z (předpoklad uniformního rozložení anizotropie): Elipsa hydraulické vodivosti pro anizotropní prostředí s Kx/Kz = 5. Kružnice reprezentují dvě možné izotropní transformace a) proudění v homogenním anizotropním prostředí s √Kx/√Ky=4, b) proudová síť v úseku transformovaném na izotropní prostředí, c) proudová síť v původním (inverzním) anizotropním prostředí Nesoulad mezi směry anizotropie a směrem proudění: ➔ Před transformací měřítka natočit region proudění podél jedné z os anizotropie, po transformaci opět vrátit do původní orientace Pravidla tvorby ekvipotenciál v homogenním a anizotropním prostředí Vliv anizotropie na proudění podzemních vod Proudová síť pro √Kx/√Kz= a)0.25; b) 1; c) 4 (podle Maaslanda, 1957) Výskyt a hodnoty anizotropie ◼ závislost na geologické stavbě ◼ běžná je vertikální anizotropie – nižší hydraulická vodivost ve směru Z, např. fluviální prostředí – protažení klastů ve směru proudící vody, „snazší“ proudění podél jejich protažení tedy v horizontálním směru ◼ běžné hodnoty vertikální anizotropie jsou Kx/Kz = 3 až 10 ◼ horizontální anizotropie Kx/Ky – např. v puklinovém prostředí - vyšší K podél určitého směru puklin Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod • změna barometrického tlaku (Pb) ➔ změna hladiny podzemní vody v kolektoru (HPV) a ve vrtu (VHPV) • tlak na vodní sloupec ve vrtu • tlak na horninu – pružná storativity • přímo úměrný vztah mezi Pb a HPV - zvýšení Pb – stlačení horniny – zvýšení HPV • inverzní vztah mezi Pb a HPV měřenou ve vrtu (VHPV): zvýšení Pb převyšuje zvýšení tlaku ve vodě, proto je voda z vrtu odtlačená do kolektoru ➔ snížení hladin vy vrtu (až o > 1 m) • velikost změny HPV a VHPV vlivem změny Pb je přímo úměrná napjatosti kolektoru a hydraulickým a storativitním charakteristikám kolektoru a vrtu • zpoždění změny mezi Pb a HPV jen u volné zvodně • zpoždění transmise Pb nesaturovanou zónou (její hloubka a propustnost pro vzduch) • může dojít i ke zpoždění u VHPV: přesun vody z vrtu do horniny – vlastnosti kolektoru (transmisivita, storativita) a vrtu (objem vrtu, skinový efekt) Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod Napjatá zvodeň • okamžitý vliv změny Pb na HPV a VHPV Pb přepočten na výšku vodního sloupce Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod Volná zvodeň • zpoždění mezi Pb a HPV až několik dní Pb přepočten na výšku vodního sloupce Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod Ukázka vlivu změny Pb na HPV pozn. Změna Pb má samozřejmě vliv i na povrchové vody – měření průtoku: změna hladiny o několik centimetrů může způsobit významnou chybu v měření průtoku (i >10 %) Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod Vliv změny Pb na HPV • nejmenší vliv na mělké kolektory ve volném režimu proudění • výraznější vliv hlouběji se vyskytující kolektory a napjaté zvodně • nutnost korekce na změnu Pb: zejm. pro dlouhodobější pozorování hladiny • např. v průběhu čerpací zkoušky letní bouřka – zahájena při slunečném počasí (vysoký Pb) , následuje bouřka (nízký Pb) a opět slunečné počasí – nízký tlak způsobí vzestup hladiny či zpomalení jejího poklesu při čerpání • krom toho možný vliv průsaku srážek Vliv barometrického tlaku na hladinu podzemních vod Metody korekce • v prostředí s mocnou vadózní (nesaturovanou) zónou tlakové zatěsnění vrtu sníží vliv Pb na hladinu až o jeden řád • kompenzace změny Pb: hladinoměr doplněn o barometr • pokud je barometr od hladinoměru oddělen, je nutná jeho instalace nad nejvyšší možnou úroveň hladiny vody • hladinoměr měří tlak vody + Pb • barometr měří tlak vzduchu Pb • data z hladinoměru jsou automaticky softwarově kompenzována o změny tlaku naměřené barometrem Měření hladiny v přítomnosti volné fáze LNAPL’s Výskyt volné fáze LNAPL’s má vliv na hloubku hladiny podzemní vody Měření hladiny v přítomnosti volné fáze LNAPL’s Korekce na hladinu bez volné fáze: • určit mocnost vrstvy LNAPL’s – lze jen přibližně • zjistit hustotu přítomné LNAPL’s • vypočítat hloubku zanoření volné fáze • hladina je na úrovni zanoření volné fáze Např.: 1 m mocná fáze o hustotě 800 kg/m3 bude ve vodě o hustotě 1000 kg/m3 zanořena 0.8 m. Hladina podzemní vody by zde tedy byla 0.2 m pod povrchem volné fáze, či 0.8 m nad rozhraním LNAPL’s/voda bývá 2 až 10 krát větší než v okolním kolektoru Měření hladiny podzemních vod Vrty, studny – ověřit nečerpají-li se, popř. je-li vydatnost odběru podzemních vod dlouhodobě stabilní Trvání jedné etapy měření - měření více objektů v co nejkratším časovém intervalu (kolísání hladin) Režimní měření – několik etap měření v průběhu roku – rozložit tak, aby byly zachyceny vysoké stavy hladin (březen, duben) i nízké stavy hladin (srpen, září) Měření hladiny povrchových vod Pro konstrukci mapy hydroizohyps nezbytné zaměřit také hladinu povrchových vod (potoky, řeky, drenážní rýhy). Jezy, splavy – zaměřit hladinu nad a pod vodním stupněm Je nutné ověřit, jsou-li povrchové vody v hydraulické spojitosti s podzemními vodami (změna průtoku mezi dvěma body jeho měření, charakter hydrogramu ➔ shodný sklon recesních větví, log. měřítko). Pravidla měření hladiny vod Interpretace naměřených hladin • automatická interpolace (např. Surfer, GIS): viz. obrázek (obr. - červené křivky) • ruční kreslení hydroizohyps (výkres nebo grafický program) • numerické modelování proudění • nezbytná interpretace vztahu mezi povrchovými a podzemními vodami (obr. - modré křivky), či proměnlivosti transmisivity, anizotropie….. Interpretace naměřených hladin • automatická interpolace (např. Surfer, GIS): viz. obrázek (obr. - červené křivky) • ruční kreslení hydroizohyps (výkres nebo grafický program) • numerické modelování proudění • nezbytná interpretace vztahu mezi povrchovými a podzemními vodami (obr. - modré křivky), či proměnlivosti transmisivity, anizotropie….. • výškově stálý bod, od kterého je měřena hloubka hladiny podzemní či povrchové vody • okraj vrtu, studny (je-li skruž či zhlaví vrtu ukloněné tak OB vyznačit sprejem) • v případě poklopu na vrtu – poklop odložit, poklop na studni posunout (opět vrátit!) • od OB bodu měřit i během dalších etap měření • popsat OB do terénního deníku Odměrný bod Polohové souřadnice: GPS, detailní mapový podklad Nadmořská výška všech hydrogeologických objektů – tachymetrie, nivelace Tachymetrie – zaměření polohy a výšky bodu zaznamenává se horizontální a vertikální úhel moderní přístroje tzv. totální stanice mají laserový dálkoměr Zaměření odměrného bodu Polohové souřadnice: GPS, detailní mapový podklad Nadmořská výška všech hydrogeologických objektů – nivelace Geodetická nivelace – určuje převýšení mezi body: nivelační přístroj (dalekohled, stativ) + nivelační lať (+ výchozí nivelační bod k určení absolutní nadmořské výšky, česká státní nivelační síť - http://bodovapole.cuzk.cz) Zaměření odměrného bodu čepová značka (ve stěně) hřebová značka (na zemi) Výšková nivelace 1) vyhledat výchozí nivelační bod https://ags.cuzk.cz/geoprohlizec/?k=503 2) první měření je tzv. čtení vzad (z) 3) další měření směrem k cílovému bodu, který chceme zaměřit je tzv. čtení vpřed (p) 4) pokud při hlavní trase nivelujeme také okolní body jde o tzv. čtení stranou (s) 5) Výsledná výška bodu je dána rozdílem sumy čtení vzad a sumy čtení vpřed Výšková nivelace výpočet výšky konečného nivelačního bodu výpočet výšky nivelačního bodu situovaného stranou trasy ke konečnému nivelačnímu bodu • měřené objekty a jejich označení (vrty, studny, drenáže, povrchové toky – jezy, místa měření na vodoteči) • hladiny vod k určitému datu • izolinie • směry proudění podzemních vod • legenda Náležitosti mapy hydroizohyps (hydroizopiez)