Podpovrchová voda

Podpovrchová voda schemaPodpovrchová voda - schema

Voda vadózní – vsakováním povrchové vodyjuvenilní – kondenzací vodní páry v půdějuvenilní kondenzací vodní páry v půděfreatická – podzemní voda s volnou hladinouartézská – s napjatou hladinou

Režim podzemních vodRežim podzemních vodvolný kolektor artézský kolektor

1 – rozvodnicový (časové změny infiltrace srážkových vod),2 přiříční (kolísání hladiny ve vodoteči)2 – přiříční (kolísání hladiny ve vodoteči), 3 – přechodový (kombinace vlivů 1 a 2),4 – krasový (intenzivní pronikání povrchových vod do horninového prostředí,5 – umělý (vliv vzdutí nebo snížení hladiny činností člověka)

Infiltrace vody do půdyInfiltrace vody do půdyHorton:

ft = fc + (fo – fc) exp(-k.t)

ft – intenzita infiltrace v čase tfo – počáteční intenzita v závislosti na

vlhkosti půdyfc – infiltrační kapacitat – čask – parametr(f k čitý ůd í t t i(fc a k … pro určitý půdní typ a vegetaci

Philip:

ft = 0,5.A.t -0,5 + B

A B tA, B – parametry

Datování vod: radiouhlíková metoda

V přírodě kromě 12C též izotop 14C: vzniká v atosféře působením kosmického záření na dusík: (14N + n → 14C + p). ( p)

Izotop 12C je stabilní, izotop 14C se rozpadá (poločas okolo 5730 let).

Izotop 14C živé organismy dýchají a ukládají v organických sloučeninách. Poměr 12C a 14C mění s časem (uhlíku 14C ubývá).

Poměr množství 12C a 14C: ze známé doby poločasu rozpadu 14C a ze známého poměru uhlíků 12C a 14C v atmosféře lze spolehlivě odhadnout stáří dané organické látky (s přesností na stovky let).g y ( p y )

Předpokládá se, že v historické době se koncentrace 14C v ovzduší a jeho rovnovážná hodnota v organismech nemění, tím je známa j g , jpočáteční koncentrace. Měřením jeho aktivity (beta záření) se určuje okamžitá koncentrace.

Hydraulická vodivostHydraulická vodivost

Starší hornina – větší konzolidace – nižší koeficient filtrace Kp

– menší obsah vody

• Křídové sedimenty Kp = 30 (m/den)• Pískovce 3• Vápence 1• Dolomity 0,001• Zvětralá žula, rula 1,4• Žula, rula 0,2

Propustnost horninObecně horniny „propustné“ a „nepropustné“.Míra propustnosti není úměrná pórovitosti (jíly s jemnými póry jsou nepropustné, přestože jejich pórovitost je větší než u hrubozrnných písků )přestože jejich pórovitost je větší než u hrubozrnných písků.)Propustnost je dána velikostí průlin a puklin:

• Puklinová - V horninách prostoupených puklinami, trhlinami, zlomy a břidličnatostí.- Síť puklin nestejnoměrná, tudíž puklinová propustnost velmi různá.Síť puklin nestejnoměrná, tudíž puklinová propustnost velmi různá.

• Průlinová - Typická pro pórovité horniny (sedimentární útvary)- Typická pro pórovité horniny (sedimentární útvary).- Větší u nezpevněných sedimentů (písky, štěrky). - U zpevněných sedimentů je důležitý charakter tmele.

• Krasová (kavernózní) - V horninách, kde došlo vyluhováním a rozpouštěním ke vzniku dutin.

di l k l- Vápence a sedimenty s vyplavením písku po rozpuštění tmele.

Stanovení hydraulické vodivostiStanovení hydraulické vodivosti

• Stopováním Q = A.v.P = A.Kp.h/ΔL

(L/T).P = (Kp h)/L

K = P L2/ (T h)

C

Kp = P. L / (T.h)

Q – průtokA – průtočný průřezC A průtočný průřezv – rychlost proudění

P – pórovitostT – časový úsek t2 – t1

Čas tý 2 1

(zpoždění stopovací látky)H – rozdíl hladin h1 – h2 L – vzdálenost měřících sond

Č• Čerpacím pokusem

Q K (h 2 h 2) / l ( / )Q = π.Kp.(h22 – h1

2) / ln(x2/x1)

Kp = Q.ln(x2/x1) / π .(h22 – h1

2)

Q – čerpané množstvíh – výška hladinyx pořadnice vzdálenostix – pořadnice vzdálenostis – sonda

ČSN 736614 Průzkumný čerpací pokus 3 až 21 dnůOrientační 1 až 3 dnyyOvěřovací 1 den

„činnost geologická“

• Průsakoměrem

Doplňování zásob podzemních vod v České křídě

P = 663 mmDoplňování cca 145 mmDoplňování cca 145 mm

1 – hydrologické rozvodí, 2 – hydrogeologické rozvodí, 3 – pískovce středního Turonu (50 m, horizontálně zvrstvené, K = 8.10-5 m/s,

voda stáří 6 tis.let), 4 í k ř d íh T ( ikál ě é)4 – pískovce středního Turonu (vertikálně zvrstvené), 5 – Cenomanské pískovce (sklon 0,008, voda stáří 19 tis. let),6 – směr povrchového odtoku, 7 – však do půdy, 8 – však do pískovců (4),9 h i tál í dě í d í d í k í h (3)9 – horizontální proudění podzemní vody v pískovcích (3), 10 – vertikální proudění z (5) do (3)

Geofyzikální průzkum vydatnosti kolektorůGeofyzikální průzkum vydatnosti kolektorů

• Metoda odporová (do hloubky cca 500 m)Resistivita prostředí ρ funkcí kompozice a obsahu vody:

ρ = R A / L (Ω m)R – elektrický odpor (Ω), A – plocha příčného průřezu (m2),L – vzdálenost (m)

• Metoda seismická (do hloubky cca 100 m)Detekce šíření vyvolaných otřesů (zrychlovány konzolidací horniny a obsahem vody):

nekonzolidované sedimenty v = 250 (m/s)krystalinikum 5000

Cíle sledování podzemních vodCíle sledování podzemních vod

• Identifikace významných kolektorů

• Ocenění jejich vydatnosti• Ocenění jejich vydatnosti

• Sledování režimu podzemních vod a pramenů

• Studium doplňování zásob

• Studium vazeb povrchových a podzemních vod• Studium vazeb povrchových a podzemních vod

• Monitoring kvality vody

Pozorovací síť ČHMÚPozorovací síť ČHMÚ

Měř í t ů hl di d í h d t h• Měření stavů hladiny podzemních vod ve vrtech pozorovací sítě.

• Měření vydatnosti pramenů.

• Zabezpečení provozu pozorovací sítě.

• Vyhodnocování množství a kvality podzemních vod.

• Posudková činnost v oblasti množství a kvality vody,případně „bezpečného čerpání“

Pozorování hladin v sondáchPozorování hladin v sondách

• Zdrsnělá tyč

• Rangova (Frankfurtská píšťala)Rangova (Frankfurtská píšťala)

• Elektrický obvod

• Plováková registrace

• Tlakové snímačeTlakové snímače

• Integrovaná čidla

Klasifikace pramenůp

• Teplotní: studené a teplép p

• Původ: sestupné a vzestupnép p

• Výskyt: trvalé a občasné

• Chemické složení

• Litologie• Litologie

• Geologické formace

• Stupeň spolehlivostiQmax/Qmin

Proudění podzemní vodyProudění podzemní vody

H d i h• Hydroizohypsy(místa o stejné výšce hladiny)

• Proudnice

• Darcy:Q = A.v.P = A.Kp.dh/dx

• Numerické řešení:Numerické řešení:Metoda konečných diferencíMetoda konečných prvků

Metoda konečných diferencíMetoda konečných diferencí

QBA + QCA + QDA + QEA = 0

hA = ¼ (hB + hC + hD + hE)

QBA = Kp(BA) (hB – hA) Δy/Δx

QCA = …QDA = …QEA = …

PŮDNÍ VLHKOST

- Gravimetrická: θm = mw/ms (-)

mw - hmotnost vody, ms – hmotnost suché půdy (105 oC) v odebraném vzorku půdyv odebraném vzorku půdy.

- Objemová: θv = Vw/Vs (-)

V bj d V bj k ůdVw – objem vody, Vs – objem vzorku půdy.

- Obsah vody v půdě: SWC = θv d (mm)

d – mocnost půdy (mm).

OBSAH VODY V PŮDĚ

- Při stratifikaci půdních parametrů (pórovitost, objemováh ) bj lhkhmotnost) – vážená objemová vlhkost:

θ = ∑θ ∆d / ∑ ∆dθv = ∑θvi ∆di / ∑ ∆di

θvi – objemová vlhkost (-) v i-té půdní vrstvě mocnosti ∆di (mm).vi j ( ) p i ( )

- Obsah vody: SWC = θv ∑ ∆di (mm)

- Měření: ČHMÚ – Doksany – elektromagnetický snímač(VIRRIS)(VIRRIS)

- ve třech vrstvách do 1 m půdy- propustnost signálu

Odporová metoda (sádrové bloky)

- Elektrody instalovány v porézních sádrovýchbl í hblocích.

- Umístění v různé hloubce půdy. - Měří se elektrický odpor (Ω), který je úměrný

půdnímu potenciálu (Pa).

- Předpoklad: voda v půdě dosáhne rovnováhys obahem vody v sádrových blocích.

- Nevýhody: neměří při nízkých hodnotáchpůdního potenciálu (0 až 100 kPa)půdního potenciálu (0 až -100 kPa).

- Operační interval: -100 kPa až -1500 kPa. - Velké chyby (až 100%) vlivem pomalého

á í b h d i ůd ád ývyrovnání obsahu vody mezi půdou a sádrovýmblokem.

Tenzometrická metoda

- Stupeň nasycení půdy: S = Vw/(Vw + Vg) (-)

Vw – objem vody, Vg – objem vzduchu, (Vw + Vg) – objem pórů.

- Potenciál půdní vody: φp = ρwghw – ρmghmp y φp ρwg w ρmg m

Tenzometr:Tenzometr:

Napětí vody v půdních pórechNapětí vody v půdních pórech

Neutronová metodaNeutronová metoda

- Vysílání neutronů.Vys eu o ů.

- Kolizí s vodíkovými ionty v půdě neutrony ztrácejíenergii a odrážejí se.

- Evidence odráženýchneutronů.

Křivka obsahu vody v půdním profiluv půdním profilu

Elektromagnetická metoda (Time-Domain Reflectometry, TDR)

K ( D /2L)2Ka = (cDt /2L)2

Ka – odrazivost půdního prostředí (diel. kap, F)c rychlost světla (3 x 108 m/s)c – rychlost světla (3 x 108 m/s) L – délka čidla (m)Dt – doba pohybu (s)

Voda – Ka = 80, půda – Ka = 3 - 5 vzduch – Ka = 1 (F)

Empirická závislost průměrné objemové vlhkosti (θv)na kapacitě půdy (Ka):

θv = -5.3x10-2 + 2.92x10-2Ka - 5.5x10-4Ka2 + 4.3x10-6Ka3

Výhody – rychlé měření, lehce opakovatelné, není destruktivní a snadno přenosné.

Kapacitní metoda (Frequency Domain, Capacitance)

C = Ka eo A/s = Ka G

C – kapacita půdního prostředí (F) Ka kapacita půdního prostředí (F)Ka – kapacita půdního prostředí (F)A – plocha elektrod (m2) s – vzdálenost elektrod (m)e – propustnost (1/m)eo propustnost (1/m)

G – geometrická konstanta přístroje (-)

INDEX NASYCENÍ POVODÍIndex předchozích srážek (API):

APIt = Pt + Kt APIt-1

APIt – index API dne ‘t’ (mm), APIt–1 – index API dne ‘t-1’ (mm),Pt – srážkový úhrn dne ‘t’ (mm), Kt – konstanta vyprazdňování

půdního profilupůdního profilu.

Kt = EXP(-PEt/AWCt) t ( t t)

PEt – potenciální evapotranspirace dne ‘t’ (mm), b h d (di ibil li ) ůd d ( )AWCt – obsah vody (disponibilní rostlinám) v půdě dne ‘t’ (mm).

AWCt = SWCt – PWP SWC obsah vody v půdě dne ‘t’ (mm)SWCt – obsah vody v půdě dne t (mm), PWP – obsah půdní vody, odpovídajícím trvalému bodu vadnutí (mm).