Created by Nikol Vypior (osobní/personal)
143HPVO
Věda a technika o přítomnosti a pohybu vody v plně a trvale nasyceném podpovrchovém zemském plášti.
Úzké vazby na hydrogeologii, hydrologii, hydropedologii, mechaniku zemin, zakládání vodních staveb (přehrady, jezy,říční zdymadla...), povrchovou hydrauliku, podpovrchovéstavby (tunely...), zemědělské vědy (eroze, odvodňování,zavlažování), kontaminační hydro(geo)logii, ekologii, sanaciznečištěných lokalit, skládky, stavby pro bydlení (např.Nizozemí)...
Suma přítoků — suma odtoků = změna objemu vody ve zvodni
plně nasycená zóna nad hladinou podzemní vody díky kapilárním silám v abs. hodnotě větším než je odpovídající kapilární tlak pro největší pór. (vstupní hodnota vzduchu na retenční čáře půdní vlhkosti)
Zdrojový propad
odběr vody z kolektoru
podélný propad vody
Řeky mohou drénovat (většinou) nebo doplňovat (výjimečně) podzemní vodu
Rozdílný potenciál a spojitá propustná cesta jsou podm. k pohybu - místa s většímm potenciálme do místa s nižším potenciálem.
Prameny s vysokou vydatností výrazně ovlivňují proudění podzemní vody v okolí.
Dostupné ionty a sloučeniny: např. Ca2+, SiO2, DOC
Izotopy: především stabilní 18O, 2H
Globálně rozšířené látky (antropogenní činností): např. 3H-3He, freony (CFC)
Kombinované použití přírodních izotopů
V hydraulice PV počítáme s hydraulickou výškou:
Doba od posledního kontaktu s atmosférou
látka transportována jako voda
Tenká trubice je vložena do půdy. Kapilární potenciál je vzorkován v porézním podtlakovém kalíšku a měřen nad terénem (rtuť, manometr) s uvážením poklesu tlaku s rostoucí výškou (dig. transducer měří přímo v místě vzorkování bez dalšího přepočtu)
Celkový potenciál (poloha+sání) pak může bý referencován např. k terénu
ztráta vody z holé půdy, otevřené vody nebo sněhové pokrývky do atmosféry
ztráta vody z půdy rostlinami do atmosféry
koeficient průtočnosti zvodně vyjadřuje průtok vody jedním metrem zvodně o výšce B při jednotkovém hydraulickém gradientu.
Transmisivitu lze použít pouze při zjednodušeném popisu proudění podzemní vody, kdy zanedbáváme vertikální složku rychlosti.
horninové těleso, jehož propustnost je ve srovnání s bezprostředně sousedícím horninovým prostředím natolik menší, že se v něm gravitační voda může pohybovat mnohem nesnadněji za stejných hydraulických podmínek
je možná, když je rozhraní (povrch půdy) po celou dobu plně zásobováno vodou.
na základě meteorologických faktorů (nižší než potenciální)
Vyjadřuje schopnost pórovitého prostředí uchovat v sobě určité množství vody.
Specifická storativita = objem vody, který se uvolní z jednotkového objemu porézního prostředí při jedntkovém poklesu hydraulické výšky
Metoda sítí je nejčastěji používanou metodou při simulování problémů proudění podzemní vody a transportu polutantů. Výhodou metody je, že je poměrně jednoduchá a snadno srozumitelná.
Modelovaná oblast je pokryta pravoúhlou sítí se systémem uzlů. Uzly mohou být umístěny na průsečících linií sítě anebo ve středech buněk. V oblasti obklopující každý uzel jsou parametry oblasti a také získané simulované hodnoty konstantní.
Metoda konečných prvků je z hlediska matematického řešení mnohem složitější než metoda sítí. Řídící rovnice nejsou diskretizovány přímo, ale problém je vyjádřen nejprve ve formě tzv. variační formulace. V jednotlivých konečných prvcích je hledaná veličina (např. hydraulická výška) aproximována speciálními interpolačními funkcemi.
Metoda vede opět k soustavě algebraických rovnic pro neznámé uzlové hodnoty. Ve srovnání s předchozí metodou je výsledná soustava rovnic složitější. Výhodou metody je, že nedostaneme pouze hodnoty v izolovaných uzlech sítě, ale jsme schopni spočítat hodnotu hledané veličiny v každém místě oblasti (kontinuální aproximace hledané veličiny).
Jednotlivé dílky sítě se v případě této metody nazývají prvky. Nejobvyklejším tvarem je trojúhelník nebo čtyřůhelník při dvourozměrném problému nebo čtyřstěn pro trojrozměrnou oblast.
Výhodou je lokální zahuštění sítě.
strukturně a geologicky vymezené prostředí, ve kterém dochází k infiltraci, akumulaci a odvodnění podzemní vody
horninové těleso, jehož propustnost je ve srovnání s bezprostředně sousedícím horninovým prostředím natolik větší, že se v něm gravitační voda může pohybovat mnohem snadněji za stejných hydraulických podmínek
Nejužívanějšími metodami pro řešení řídících rovnic proudění vody jsou metoda sítí a metoda konečných prvků.
Principem numerických metod je nahrazení spojité oblasti proudění diskretizovanou oblastí, která je tvořena sítí tvořící buňky anebo konečnými prvky. Řídící parciální diferenciální rovnice jsou aproximovány soustavou algebraických rovnic, jejichž tvar odpovídá vybrané numerické metodě. Soustava rovnic je dále doplněna popisem okrajových a počátečních podmínek. Výsledná soustava algebraických rovnic je následně vyřešena buďto přímo anebo za pomoci iterační metody.
přírůstek objemu nastává nárůstem hladiny vody
označení hydraulické výšky jako h (x,y)
Analytická řešení existují většinou pro velmi jednoduché problémy.
nevýhody:
výhody:
Analytická řešení úloh proudění vody jsou často velice složité matematické výrazy např. ve formě nekonečných řad apod.
Verifikace je potvrzení, že modelový nástroj (napť. MODFLOW) dává správné vysledky ve srovnání s analytickým řešením. Např. výhoda MODFLOW je, že byl za 40 let použit patrně na milionech realizací různě po světě, ač je to konstrukčně starší software
Kalibrace je proces ladění reálného světa na matematickou reprezentaci úpravou různých materiálových charakteristik - Optimalizace může být ruční — pokus omyl, nebo automatická, tzv. inverzní modelování, např. známé hodnoty hpv, ke kterým hledáme odpovídající hodnoty hydraulické vodivosti (lze využít spec. spolupracují software, napr. PEST (Parameter ESTimation)
Validace je proces potvrzení, že kalibrovaný model je správný v porovnání s jeho výstupy na nezávislé sadě dat, na které nebyl kalibrován
Citlivostní analýza je proces měnění hodnoty parametru/ů a sledování chování modelu (změny/rozsahu jeho výsledků) — parametry, které jsou na změnách závislé více či méně, ovlivňující stabilitu, přesnost výpočtu
přírůstek nastává nárůstem tlaku
označení hydraulické vyšky jako H nebo Ø
model = prostředek představující zjednodušenou verzi reálné situace.
Řešení soustavy rovnic se provádí:
Termín numerický model používáme, je-li soustava parciálních rovnic doplněná okrajovými a počátečními rovnicemi (matematický model) řešena numericky.
výhody:
Vytvoření numerického modelu může představovat docela složitý a nákladný proces, zejména v případě řešení velmi komplexních problémů a může být zapotřebí získat velké množství dat.
Numerické modely jsou nezbytné pro řešení složitých problémů. Modely umožňují efektivní využití dostupných terénních dat a umožňují vyhodnocení vlivu různých aktivit v oblasti zájmu na procesy, které analyzujeme. Numerické modely nám umožňují provádět zasvěcená rozhodnutí a formulovat plány budoucího využívání oblasti.
Přesnost a limitzace matematických modelů
Numerický model je vždy pouze aproximací skutečné situace. Vzhledem ke zjednodušením a předpokladům přijatým v rámci konceptuálního modelu nemohou být výstupy numerických modelů exaktní. Kvalita simulačních výsledků závisí především na přesnosti vstupních dat.
Rozlišujeme dva typy chyb:
Pro práci s numerickými modely musí mít uživatel určitý stupeň znalostí, aby byl schopen model aplikovat, ověřit jeho správnost a správně interpretovat simulační výsledky.
Numerické modely jsou limitovány svou komplexností. Pro velké složité úlohy je zapotřebí mít k dispozici velké množství dat a jsou zapotřebí rychlé počítače.
= spojnice bodů se stejnou úrovní volné HPV měřené ve stejném čase
Množství vody akumulované v elementárním objemu začal si je rovno množství vody do omylu přitekla- množství vody vyteklé za stejný časový interval
= spojnice bodů se stejnou piezometrickou úrovní HPV měřené ve stejném čase
Častým úkolem inženýrů v oblasti řízení režimu proudění podzemní vody je předpovědět chování systému po provedení plánovaných změn v oblasti. Musí být schopni zodpovědět otázky týkající se akceptovatelného množství odebírané podzemní vody, umístění studní, časový rozvrh odběrů, stanovení zóny dosahu, jaké budou změny v poloze hladiny při zvýšení odběrů, kam až se tyto změny budou propagovat. Tyto odpovědi je možné získat pomocí numerického modelu.
Analýza režimu proudění vody ve složitých systémech
Řízení režimu proudění podzemní vody
Remediační opatření
Stanovení hydraulické vodivosti (příp. storativity, tramsmisivity) ze vzorců nebo na základě měření charakteristik proudění podzemní vody.
Metody určení hydraulické vodivosti:
křivka, pro jejíž každý bod platí, že tečna v tomto bodě má směr vektoru rychlosti. Proudnice se vztahují k jednomu časovému okamžiku, v případě ustáleného proudění jsou totožné s trajektoriemi.
dráha, kterou částečka vody proběhne v proudovém poli za časový interval (t1, t2). Tato trajektorie je definovaná makroskopickou rychlostí – je tedy fiktivní, nerespektuje strukturu pórů.
Ks a S_0
Princip spočívá v odběru vody z jedné nebo více studní a v současném měření poklesu HPV v pozorovacích vrtech umístěných v okolí. Vyhodnocení měření je založeno na teorii nestacionárního rotačně symetrického proudění.
Výhoda této metody stanovení hydraulických parametrů zvodně spočívá v tom, že při pokusu je ovlivněn velký objem horniny a získáme tedy hodnoty charakterizující velmi dobře prostředí.
Dělení:
Čerpací zkouška při neustáleném proudění
Nejčastější způsob provádění spočívá v čerpání konstantního množství vody ze studny při současném měření polohy HPV v pozorovacích vrtech. Zaznamenává se pokles hladiny v závislosti na čase.
Vyhodnocení čerpací zkoušky při konst. odběru podle Theise
V homogenním izotropním kolektoru s napjatou hladinou o konstantní mocnosti B se provádí čerpací zkouška s konstantní vydatností. Z úplné jímací studny o poloměru ry se čerpá konst. Množství vody A, před čerpáním byla ve zvodni piezometrická úroveň H, ve vzdálenosti r, je umístěn pozorovací vrt, ve kterém se měří pokles hladiny s v závislosti na čase.
Vyhodnocení se provede tak, že do grafu stejného měřítka jako má studnová funkce vyneseme průběh poklesu hladiny v závislosti na čase v pozorovacím vrtu. Nejlépe je tento průběh nakreslit na průhledný papír a potom tuto křivku položit na graf studnové funkce tak, aby naměřené body byly co nejlépe studnovou funkcí proloženy. Přitom musíme zachovat rovnoběžnost os.
čerpací zkouška při ustáleném proudění
Při tomto způsobu provádění zkoušky je cílem čerpáním docílit rovnováhu mezi přítokem do studny a odběrem vody. Při zkoušce se měří čas, odebírané množství vody a poloha hladiny v pozorovacích vrtech. Po dosažení ustáleného stavu - konstantní odběr při neměnných hladinách v pozorovacích vrtech - se provede vyhodnocení na základě teorie ustáleného rotačně symetrického proudění.
Vyhodnocení podle Theise
V homogenním izotropním kolektoru s napjatou hladinou o konstantní mocnosti B se provádí čerpací zkouška s konstantní vydatností. Z úplné jímací studny o poloměru rg se čerpá konst. Množství vody O, před čerpáním byla ve zvodni piezometrická úroveň H, ve vzdálenosti r, je umístěn pozorovací vrt, ve kterém se měří pokles hladiny s v závislosti na čase.
křivka kolmá na proudnici
konstantní hodnota hydraulické výšky
musíme definovat při řešení neustálené úlohy, charakterizují stav proudění v celé řešené oblasti v počátečním čase ( t=0) sledovaného procesu.
Schematicky můžeme počáteční podmínku definovat zápisem:
Zobecnění Darcyho zákona:
Ve všech bodech stejná hodnota hydraulické vodivosti
je doba, za kterou urazí částečka vody vzdálenost L v pórézním prostředí.
poměr mezi skutečnou dráhou, kterou urazí částice v pórézním prostředí, a trajektorií.
Hodnota tortuozity je 1,3 — 2,0. Její hodnota se dá určit pomocí porovitosti jako t =n(-1/4)
musíme definovat při řešení neustálené i ustálené úlohy, charakterizují, jak je proudění vody uvnitř oblasti ovlivněno okolním prostředím, definují interakce popisovaného systému na hranicích oblasti proudění. Okrajové podmínky musí být známé po celý časový interval řešeného problému.
na proudění ve vodorovné rovině = proudění plošné.
Používá se u proudění vody ve zvodních, ve kterých převládají mnohonásobně vodorovné rozměry nad vertikálním a sklony hladiny podzemní vody nebo piezometrické plochy jsou velmi malé — vertikální složky rychlosti jsou zanedbatelné a převažuje proudění ve vodorovné rovině.
nehomogenní prostředí - hodnota hydraulické vodivosti se liší dle polohy
složky rychlosti:
definuje hydraulickou vodivost neizotropního prostředí
složka K_xy, vyjadřuje příspěvek k rychlosti ve směru osy x vyvolaný jednotkovým hydraulickým gradientem ve směru osy y
V neizotropním prostředí se vektor rychlosti odklání od hydraulického gradientu.
HYDRAULICKÝ PŘÍSTUP je takový přístup k řešení úloh proudění podzemní vody, kdy zanedbáváme vertikální složky rychlosti a předpokládáme, že proudění má převážně vodorovný směr.
Při zavedení hydraulického přístupu budou proudnice vodorovné přímky a izolinie piezometrické výšky svislé přímky.
Laplaceova rovnice:
= směry, ve kterých hydraulická vodivost dosahuje maximální a minimální hodnotu
Boussinesquova rovnice:
Popsáno Boussinesqovou rovnicí
Předpoklady odvození:
Používá se k řešení soustavy studní, využívá princip superpozice:
přírodní útvar, vzniklý na rozhraní litosféry s atmosférou nebo s hydrosférou. Je biologicky oživená a členěná na horizonty.
= mateční hornina = půdotvorný substrát
= skupina studní, které se navzájem ovlivňují (dosah jedné studny se překrývá s dosahem alespoň jedné další studny)
silně ovlivňovány vlhkostí a teplotou půdního prostředí → obojí závislé na klimatických poměrech
Dosah studny R = 3000 z odm(K)
Odumřelé organické látky obsažené v půdě se nazývají humus, bez ohledu na jejich živočišný, rostlinný nebo mikrobiální původ. Tyto látky nezůstávají v půdě nezměněné, podléhaji za spolupůsobení mikrobiální půdní složky různým rozkladným a syntetickým procesům převážně biochemické povahy, kondenzaci, polymeraci, atd. Jejich složení, vlastnosti i množství se neustále mění, stupeň přeměny je rozličný. Jsou v různé míře složkou půdní, promíšení není pouze mechanické povahy, vytvářejí se mnohdy složité organominerální sloučeniny a komplexy. V humusu se tedy objevuji:
1. složky původní organické hmoty
2. produkty životní činnosti organismů
3. organická hmota přeměněná humifikačním pochodem
Ustálený stav: hladina ve studni h0, ustálená výška HPV HR ve vzdálenosti R (dosah studny)
