ACTA HYDROLOGICA SLOVACA

ACTA HYDROLOGICA SLOVACA Ročník 14, č. 1, 2013, 39 - 50

UPLATNĚNÍ METODY ELEKTRICKÉ IMPEDANČNÍ SPEKTROMETRIE PŘI MONITOROVÁNÍ INTERAKCE PŮDA – VODA Jana Pařílková, Jaroslav Veselý, Marie Fejfarová, Zuzana Gardavská Nárůst lidské populace a sílící tlak na přírodní zdroje potvrzují význam strategie udržitelného rozvoje. Mezi dominantní prvky uvedené strategie patří ochrana půdního fondu. Geoelektrické monitorovací metody jsou v současné době významným pomocníkem při sledování vzájemného spolupůsobení půdních a podzemních vod s vodami povrchovými. Do uvedené kategorie nepřímých měřicích geoelektrických metod lze zahrnout i metodu elektrické impedanční spektrometrie. Složitost monitorovaného prostředí, kdy mezi pevnou, kapalnou a plynnou složkou existuje neustálá výměna molekul a iontů ovlivňovaná fyzikálními, chemickými a biologickými procesy, klade velké nároky na výběr a aplikaci monitorovací techniky. V příspěvku je uveden princip metody elektrické impedanční spektrometrie, aparatura realizovaná řešením mezinárodních projektů v programu aplikovaného výzkumu EUREKA a vybrané výsledky z realizací včetně stručného shrnutí dosavadních zkušeností z použití při terénních měřeních. KĽÚČOVÉ SLOVÁ: půda, voda, elektrická impedanční spektrometrie (EIS), přístroj Z-metr

APPLYING THE ELECTRICAL IMPEDANCE SPEKTROMETRY METHOD DURING MONITORING OF INTERACTION SOIL – WATER. The increase in human population and increasing pressure on natural resources confirm the importance of the sustainable development strategy. Among the dominant elements of the strategy include the protection of land resources. Geoelectric monitoring methods are currently an important tool in monitoring the mutual interaction of soil and groundwater with surface waters. In the category of indirect measuring geoelectric methods can include electrical impedance spectrometry method. The complexity of the monitored environment, where the solid, liquid and gaseous components there is a constant exchange of molecules and ions influenced by physical, chemical and biological processes, places great demands on the selection and application of monitoring techniques. The paper shows the principle of electrical impedance spectrometry method, apparatus realized in solving international projects in applied research program EUREKA and selected results, including a brief summary of the experience from use in field measurements. KEY WORDS: soil, water, electrical impedance spectrometry, temperature, the Z-meter device

Úvod Přežití a prosperita všech suchozemských biologických společenstev, přirozených i umělých, závisí na tenké vrchní vrstvě Země. Půda je proto jistě nejcennějším přírodním bohatstvím každého státu. Je neodmyslitelnou součástí environmentálních, sociálních a ekonomických systémů, neboť zajišťuje nebo se podílí na produkci potravin, regulaci kvality a objemu průtoku vody, zmírnění změny klimatu a přizpůsobování se jí a napomáhá regulaci biologické rozmanitosti. Je to dynamický a stále se vyvíjející živý systém. V roce 2012 vydaly Evrop-

ská agentura pro životní prostředí (EEA) a Společné výzkumné středisko (JRC) Evropské komise důležitou zprávu o stavu půdy v Evropě, v níž zdůraznily závažnost deseti zásadních ohrožení půdy v Evropě, jimiž jsou: úbytek organické hmoty, eroze, utužování, zakrytí, zasolování, okyselování, biologická rozmanitost, desertifikace (v jižní Evropě), sesuvy a kontaminace. Zpráva rovněž pojednává o vyhlídkách v oblasti půdního uhlíku a světového klimatu, eroze, zadržování vody, okyselování a biopaliv. Ve zprávě je uvedeno, že degradace půdy v Evropské Unii (EU) přetrvává a v některých částech Evropy se zhoršuje. Dále se uvádí, že environ-

39

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 14, č. 1, 2013, 39 - 50 mentální normy ochrany hlavních půdních procesů a funkcí v současnosti neexistují, metody výzkumu se různí, Evropa nemá zastřešující systém monitorování půdy a neexistuje adekvátní síť pro dlouhodobé monitorování, s jehož využitím by bylo možno zkoumat otázky typu interakce mezi půdou a změnou klimatu a další (Úřední věstník EU, 2013). Příspěvek nemá ambice hledat odpovědi na uvedené problémy. Chce pouze dokladovat vhodnost regionálních podpůrných měřicích a monitorovacích systémů založených v době expanze elektrotechniky a moderních technologií v elektrotechnickém průmyslu na nepřímých měřicích metodách.

kde R [Ω] je rezistance tvořící reálnou část elektrické impedance nezávislou na frekvenci, X [Ω] je reaktance tj. frekvenčně závislá imaginární složka elektrické impedance a ω [rad/s] je úhlová rychlost, pro niž platí , kde f [Hz] je frekvence. Modul vektoru elektrické impedance Z (obr. 1) pro jednu zvolenou měřicí frekvenci lze stanovit užitím Pythagorovy věty ve tvaru

Z  R2  X 2 a fázový posuv je

Elektrická impedanční spektrometrie Geoelektrické metody, mezi něž lze zařadit metodu elektrické impedanční spektrometrie (EIS), patří do obsáhlé skupiny geofyzikálních metod podávajících informace o studované zemině resp. půdě nepřímo na základě analýzy jejích fyzikálních parametrů či fyzikálních polí. Lze je charakterizovat jako nejrozmanitější a nejpoužívanější metody geofyzikálního průzkumu, neboť využívají různých elektrických umělých i přirozených polí jak stejnosměrných, tak i obecně časově proměnných (elektromagnetických) k popisu a studiu „neznámého“ (látka, prostředí, materiál) na základě celé soustavy jejich elektrických a elektromagnetických vlastností. Základním principem metody EIS je měření frekvenční charakteristiky elektrické impedance Z materiálů. Elektrická impedance Z je komplexní veličina popisující zdánlivý odpor prostředí a fázový posuv elektrického napětí proti elektrickému proudu při průchodu harmonického střídavého elektrického signálu dané frekvence. Pro její určení je proto třeba zabývat se analýzou časových průběhů střídavého napětí a střídavého proudu. Jestliže elektrický odpor (rezistance) R rezistoru charakterizuje vlastnosti materiálu v obvodu stejnosměrného proudu, elektrická impedance Z charakterizuje vlastnosti materiálu v obvodech pro střídavý proud. Na rozdíl od elektrického odporu, kde je napětí s proudem ve fázi, u elektrické impedance mohou být fázově posunuty dle charakteru reaktance, což poskytuje další informaci o měřeném materiálu. Elektrickou impedanci lze vyjádřit Ohmovým vztahem pro střídavé obvody, tj. poměrem fázoru elektrického napětí U a fázoru elektrického proudu I Z

U I .

40

X   R .

  arctan 

(4)

Elektrická impedance je vždy větší nebo rovna reálnému elektrickému odporu v obvodu a závisí na zdánlivých odporech, tj. induktanci (reaktance induktoru) XL a kapacitanci (reaktance kapacitoru) XC jednotlivých prvků obvodu střídavého proudu.

Obr. 1. Fig. 1.

Fázorový diagram elektrické impedance. Phasor diagram electrical impedance.

Z obecné teorie vyplývá a experimenty to potvrzují, že čím je hodnota elektrické impedance menší, tím větší je elektrická vodivost studované látky a naopak (Heaney, 1999), (IES 61 340-5-1, 1998). Poněvadž vyšší elektrická vodivost souvisí se zlepšením vlastností elektrického vodiče představovaného sledovanou látkou, nabízí se jako nejpřirozenější odůvodnění jevu vyšší obsah vody v měřeném profilu. Nemusí tomu tak ovšem být vždy, a proto je vhodné věnovat pozornost i měřené imaginární složce a dalším působícím vlivům (Gomboš a kol., 2009). Přístroj Z-METR III

(1)

Hodnoty elektrické impedance jsou vyjádřeny v ohmech []. Frekvenční charakteristiku elektrické impedance Z lze zapsat jako funkci komplexní proměnné v algebraickém (složkovém) tvaru

Z( j )  R  j X ,

(3)

(2)

Přístroj Z-metr III (obr. 2) a měřicí aparatura jsou vyvíjeny řešením mezinárodních projektů v programu aplikovaného výzkumu a vývoje EUREKA. Pro realizaci přístroje (Pařílková, 2010) bylo zvoleno modulární řešení, kdy přístroj Z-metr III obsahuje zdrojovou jednotku, zobrazovací jednotku a jednotku pro zálohování dat. Unikátní je počet měřicích míst, a to až 128, které lze dle povahy experimentu, měření či monitoro-

Pařílková, J. a kol.: Uplatnění metody elektrické impedanční spektrometrie při monitorování interakce… vání umístit do sledovaného objektu (obr. 3). Zvoleným signálovým procesorem je možno realizovat dvousvorkové případně třísvorkové měření, tedy měřit na párových či samostatných elektrodách tvořících měřicí sondu. Záznam měření je řešen zápisem dat na přenosné médium – SD kartu a rovněž je možné Z-metr III přes rozhraní USB připojit k PC. Přístroj je bateriový s předpokládanou dobou kontinuálního provozu 8 hod. a s možností dobíjení z 12 V zdroje. Základní parametry jsou uvedeny v Tab. 1. Součástí přístroje je programové vybavení umožňující komunikaci uživatele s přístrojem Z-metr III. Pro získání informací o sledovaném procesu jsou realizovány pasivní sondy (zpravidla dělené tyčové nerezové párové sondy, ale je možno využít i jiné uspořádání a materiály). Příklad nejčastějšího provedení elektrod pro měření elektrické impedance je na (obr. 4). Uživatel si ale musí být vědom omezení, která plynou z použité koncepce přístroje. Pro dvouvodičové zapojení platí omezení

Obr. 2. Fig. 2.

Tabulka 1. Table 1.

Přístroj Z-metr III. Z-metr III device.

měřené elektrické impedance (Ševčík, 2012) přibližně na rozsah od 100 Ω do 10 000 Ω. Jednotlivé elektrody jsou připojeny do konektoru samostatnými izolovanými vodiči ve svazku (obr. 5). Délka kabelů se předpokládá cca 2 m. Další omezení je v rozsahu měřicích kmitočtů. Měřením parametrů Z-metru III byla zjištěna nestabilita charakteristiky měření elektrické impedance od nejnižších kmitočtů, která se projevovala přibližně od 1 000 Hz do 3 000 Hz. Způsobena je opět použitým hardwarem přístroje, konkrétně vlastnostmi použitého procesoru. Metrologická návaznost přístroje Z-metr III a jeho kalibrace byla proto provedena ve frekvenčním rozsahu od 5 000 Hz do 100 000 Hz. Specifikace dosažené přesnosti přístroje (obr. 6) včetně doporučené oblasti pro nejpřesnější měření elektrických impedancí a frekvencí při dvouvodičovém zapojení je uvedeno (obr. 7). V podbarvené oblasti Z metr III měří nejpřesněji. Mimo vyznačenou oblast bude měřit také, ale s narůstající chybou.

Obr. 3. Fig. 3.

Příklad umístění sond na lokalitě. Example placement of probes on the site.

Základní parametry přístroje Z-metr III Basic parameters of the device Z-meter III

Parametr Impedanční rozsah Frekvenční rozsah Přesnost měření modulu |Z| Přesnost měření fáze

Z-metr III 50 Ω - 1 MΩ 1 kHz - 100 kHz ± 2% z rozsahu ± 2°

Parametr Komunikační rozhraní Počet měřicích míst Přepínač Napájení

Z-metr III USB, SD karta 1-8, 16, 32, 64, 128 interní, externí baterie

41

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 14, č. 1, 2013, 39 - 50

Obr. 4. Fig. 4.

Příklad konstrukce tyčové sondy. Example of rod probe.

Obr. 5. Provedení kabeláže a konektoru tyčové sondy. Fig. 5. Design of cabling and connector of rod probe. R [Ω]

R [Ω]

1·107

1·107 5·106

5·106

5%

6

1·10

1·10

1%

5

1·10

1%

1·103

1% 5·103

Obr. 6. Fig. 6. device.

1·104

2·104

1%

1·103 5·104

1·105 f [Hz]

Specifikace přesnosti Z-metru III. Specifications of accuracy of Z-metru III

Při měření elektrické impedance se uplatňuje celá řada vlivů, které mohou zhoršit přesnost nebo reprodukovatelnost měření. Konkrétní elektrická veličina je ovlivňována dalšími fyzikálními činiteli, které lze charakterizovat jako • vnitřní, dané vlastnostmi materiálu (druh, hustota, struktura, anizotropie, homogenita, teplota, vady, stáří, atd.); • vnější, definují podmínky měření (frekvence a intenzita elektrického pole, relativní vlhkost, teplota obklopujícího prostředí, chemická kontaminace, rychlost proudění, roční období, atd.). Uplatnění metody EIS při monitorování zemin Aplikace metody EIS a realizovaných měřicích aparatur lze rozdělit na dva základní celky, kdy je prováděno dlouhodobé monitorování lokality při sledování  zemních vzdouvacích hrází; o nádrž Bezedník III (Pařílková, 2011, Pařílková a kol., 2012), o rybník v katastru obce Jevíčko, obr. 8 (Pařílková a kol., 2012, Novák, 2012), o vodní dílo Karolinka, obr. 9 (Pařílková, 2011, Rupp, 2011),  obsahu vody na zatravněných sportovištích;

42

0,5%

1·104

2

1·10

1%

1·105

0,5%

1·104

5%

6

1·102

1% 5·103

1·104

2·104

5·104

1·105 f [Hz]

Obr. 7. Specifikace přesnosti Z metru III pro dvouvodičové připojení. Fig. 7. Specifications of accuracy of Z-metru III device for two-wire connection.

o areál golfového hřiště ve Svratce, obr. 10 (Pavlík a Novotná, 2010), o lokalita Velké Ripňany, obr. 11 (Baranovičová a kol., 2008),  obsahu vody v těžkých a středně těžkých zeminách; o lokalita Senné (Gomboš a kol., 2009), o lokalita Milhostov, obr. 12 (Gomboš a kol., 2011, Gomboš a kol., 2012) a krátkodobé měření při sledování  obsahu vody na zatravněných sportovištích; o vliv evapotranspirace, závlah a hnojení – areál golfového hřiště ve Svratce, obr. 13 (Pavlík, 2009, Pavlík a Novotná, 2010, Pařílková a kol., 2011),  procesu infiltrace vody; o Basel, Švýcarsko, obr. 14 (Miracapillo, 2009), o Carchuna beach, Španělsko (Guerrero-Aspizua a kol., 2012), o Bari, Itálie, obr. 15 (Caputo a Masciale, 2012),  rozhraní voda – sediment v nádrži; o nádrž Rýzmburk (Veselý a kol., 2007), nádrž Bezedník III (Hanačíková, 2011), obr. 16,  ulehlosti vrstev ve sněhové pokrývce; o Sierra Nevada, Španělsko (Pimentel a kol., 2012, Veselý a kol., 2012).

Pařílková, J. a kol.: Uplatnění metody elektrické impedanční spektrometrie při monitorování interakce…

Obr. 8. Výsledek měření na stanovišti č. 3 na návodním líci hráze dne 17.3.2012 – napouštění rybníka. Fig. 8. Result of measurement at a site 3 on the upstream face of the dam on March 17,2012 – filling the fis pond.

VL4_Z 1

100

VL3_Z 10000

1

Z [ ]

0

100

0

VL2_Z 10000

1

Z [ ]

10

100

VL1_Z 1000

0

10000

1

Z [ ]

‐1

‐1

‐1

‐1

‐2

‐2

‐2

‐2

‐3

‐3

‐3

‐3

‐4

‐4

‐4

‐5

‐7

19.5.2012

h [m]

h [m]

26.4.2012

18.4.2012 26.4.2012

‐7

19.5.2012

‐8

24.7.2012

24.7.2012

‐8

‐10

15.8.2012

15.8.2012

‐9

22.8.2012

22.8.2012

17.9.2012

17.9.2012 ‐10

17.10.2012

17.10.2012

30.10.2012

30.10.2012

‐11

‐11

22.11.2012

22.11.2012

20.12.2012

‐13

‐7

19.5.2012

20.12.2012

‐12

‐13

Z [ ]

3.1.2012 ‐6

‐8

24.7.2012

15.8.2012

12.6.2012

17.9.2012

‐11

20.12.2012

‐13

30.10.2012 22.11.2012

27.11.2012 ‐12

17.9.2012 17.10.2012

30.10.2012 22.11.2012

15.8.2012 22.8.2012

‐10

17.10.2012

‐11

24.7.2012 2.8.2012

‐9

22.8.2012 ‐10

26.4.2012 19.5.2012

‐8

2.8.2012 ‐9

19.3.2012 18.4.2012

‐7

12.6.2012

27.11.2012

27.11.2012 ‐12

26.4.2012

2.8.2012

2.8.2012 ‐9

18.4.2012

12.6.2012

12.6.2012

10000

‐5

19.3.2012

‐6

h [m]

‐6 18.4.2012

3.1.2012

19.3.2012

19.3.2012 ‐6

1000

‐4

‐5 3.1.2012

3.1.2012

100

h [m]

‐5

10

0

27.11.2012 ‐12

20.12.2012

‐13

l [m] 0 h [m]

G [mS]

4.5

20

40

60

80

100

120

140

160

0 -5 -10

3.1.2012 VL_4

VL_3

VL_2

VL_1

l [m]

4 h [m]

3.5

0

3

80

100

120

140

160

19.3.2012 VL_4

VL_3

VL_2

h [m]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 -5 -10

18.4.2012 VL_4

VL_3

VL_2

VL_1

l [m]

1

0

60

l [m]

1.5

0 h [m]

0.5

40

VL_1

2.5 2

20

0 -5 -10

20

40

60

80

100

120

140

160

0 -5 -10 VL_1

26.4.2012

VL_2

VL_3

VL_4

Obr. 9. Příklad vyhodnocení monitorování hráze vodního díla Karolinka (4 sondy, celkové délky 13 m). Fig. 9. Example of evaluation of monitoring dam of the reservoir Karolinka (4 probes, total length 13 m).

43


E11 E12

E13

E10

E09 E14

Obr. 10. Průběh rezistivity na zastíněném a slunném místě golfového areálu ve Svratce v roce 2009. Fig. 10. Dependence of resistivity in the shade and sunny side of golf course in Svratka in 2009.

44

12 0

80

bo d

y[

m]

0 0

20

20

40

40

60

60

80

10 0

12 0

13

10 0 x [m ]

14 0

bo d

1

16 0

14 0

18 0

20 0

16 0

bo

18 0

d4

20 0

bo

bo

d7

d1 0


hloubka zeminy pod povrchem [cm]

Obr. 11. Izolinie elektrické vodivosti měřené v kukuřičném poli. Fig. 11. Isolines of electrical conductivity measured in a cornfield.

Květen 2011

Červen 2011

Červenec 2011

Srpen 2011

Obr. 12. Změny elektrické impedance v půdách v oblasti Milhostov během vegetačního období 2011. Fig. 12. Changes of electrical impedance in soils in Milhostov during the vegetation period 2011.

45


Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 53 Golfové hřiště Svratka - green č. 9 Měřící zařízení: Z - metr

12

30

10

25

Úhrn srážek Zavlažování -0,05

8

20

6

15

4

10

2

5

Úhrn srážek za uplunulé 2 hod [mm] Teplota vzduchu [°C]

Měrný elektrický odpor [Ω]

-0,10 -0,15 -0,20 -0,25 -0,30 -0,35 -0,40 -0,45 -0,50 -0,55 -0,60 Teplota vzduchu 20 :2 4

19 :0 1

.7 .1 2 25

25

.7 .1 2

17 :4 4

16 :0 4

.7 .1 2 25

15 :5 0

.7 .1 2

.7 .1 2 25

25

7: 50

12 :1 8

.7 .1 2 25

20 :4 3

24

24

25 .7 .1 2

18 :4 5

.7 .1 2

16 :4 2

.7 .1 2

15 :1 4

.7 .1 2 24

13 :5 0 24

.7 .1 2

12 :4 7

.7 .1 2 24

9: 28

.7 .1 2 24

2: 04

24 .7 .1 2

0: 49

24 .7 .1 2

20 :3 4

24 .7 .1 2

18 :3 6

.7 .1 2 23

16 :2 5

.7 .1 2 23

14 :3 6

.7 .1 2 23

.7 .1 2 23

.7 .1 2

.7 .1 2 23

23

12 :5 2

0

10 :3 8

0

Datum a čas měření

Obr. 13. Časový průběh rezistivity v období 23.7. až 25.7.2012, golfové hřiště Svratka. Fig. 13. The time course of resistivity between 7.23 until July 25, 2012, golf course Svratka.

hloubka

o Carchuna beach, Španělsko (Guerrero-Aspizua a kol., 2012), o Bari, Itálie (Caputo a Masciale, 2012),  rozhraní voda – sediment v nádrži; drž Rýzmburk (Veselý a kol., 2007), nádrž Bezedník

0,05 m

225 220

Místo 2

R []

215 210 0,05 m3 postupně vylito do meřeného prostoru "Místo 2"

205 Místo 1

200 0

100

200

t [s]

300

400

Obr. 14. Průběh rezistance ve svrchní vrstvě zeminy při simulaci přívalového deště, Basel. Fig. 14. The course of resistance in the upper soil layer in the simulation torrential rain, Basel.

46

500


(

p

)

Obr. 15. Frekvenční charakteristika sedimentární horniny při různém obsahu vody, Bari. Fig. 15. Frequency characteristics of sedimentary rocks with different water content, Bari.

Obr. 16. Stanovení rozhraní voda – sediment (odkalovací nádrž Rýzmburk, nádrž Bezedník III). Fig. 16. Determination of interface water - sediment (sludge tank Rýzmburk, tank Bezedník III).

47

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 14, č. 1, 2013, 39 - 50 Měření s sebou nesla specifika vyplývající z fyzikální podstaty zkoumaných nehomogenních anizotropních látek. Každá z aplikací s sebou přinášela specifické problémy (Špano a kol., 2012) a měla rozdílné realizační požadavky. Bylo nutno např. řešit konstrukci sond, technologii jejich instalace, způsob zapojení snímačů sond, volbu typu přístroje Z-metr (Stoklásek, 2007, Radkovský, 2011), ale i např. povolení vjezdu na lokalitu, způsob realizace měření, její zabezpečení a další otázky. Závěr Z-metr III je malé mobilní měřidlo elektrické impedance, které je maximálně přizpůsobeno předpokládanému účelu použití. Mezi jeho hlavní přednosti patří malé rozměry a váha, bateriové napájení, jednoduchá obsluha a spolupráce s PC. Multielektrodová elektromagnetická metoda impedanční spektrometrie (EIS), včetně navržených a realizovaných měřicích aparatur, se uplatnila při sledování časových a prostorových změn elektrické impedance zemin zatěžovaných vodou a stavebních materiálů s rozdílným obsahem vody. Měřicí aparatury s přístrojem Z-metr a poměrně jednoduchým pasivním snímačem umožňují realizovat jedno- i multifrekvenční analýzu a měřit kromě hodnoty elektrického odporu zkoumaných látek i frekvenčně závislou imaginární složku elektrické impedance X. Výzkum je veden s cílem ověření vhodnosti aparatur pro vodohospodářskou a stavební praxi a další aplikace. Při použití aparatury je nutno věnovat pozornost měřicím elektrodám a technice jejich zabudování do sledovaných látek, měřenému prostředí a účelu, ke kterému je měřicí aparatura využita. Poněvadž byl stanoven požadavek měřením elektrické impedance identifikovat polohu anomálií v zemině či stavebních prvcích, byla aplikována měřicí aparatura s dělenými sondami. Při měřeních bylo využito dvousvorkové a třísvorkové zapojení, při instalaci sond nedošlo k výraznému porušení měřeného prostředí a získané průběhy jsou jednoznačně reprodukovatelné. Nezbytnou podmínkou eliminace parazitních vlivů je těsný kontakt měřicí elektrody a sledované látky a polohová stabilita elektrod. Pokud není před aplikací aparatura kalibrována vzhledem k prostředí (rezistivita zemin, zhutnění, struktura, skladba, vlhkost, atd.), což může být vzhledem k různorodosti pórovitých látek problematické, je vhodné poměrné vyhodnocení sledovaných elektrických veličin. Například v kombinaci s výsledky dalších geofyzikálních metod a dále ověřovacích vrtů a sond (důležitá je zde spolupráce s kvalitní laboratoří mechaniky zemin) lze měřením polí elektrické konduktivity stanovených metodou EIS a realizovanou aparaturou s přístrojem Zmetr sledovat změny zeminy v důsledku zatížení vodou, lokalizovat místa nehomogenit, sledovat jejich časové změny, konstruovat mapy konduktivity a navrhnout další postupy při provozu, údržbě či opravách sledovaných objektů. Výhodou aplikace měřicí aparatury s metodou EIS je

48

 možnost osadit snímače do úrovní anomálií zjištěných v rámci jiných průzkumů, což vede k podrobným informacím o jejich vývoji (monitorování minimálně 1× měsíčně, dále při jiných podnětech např. při extrémních klimatických podmínkách či jiných požadavcích),  možnost sledování změn a posouzení reálné složky elektrické impedance (vlhkost zeminy) a imaginární složky elektrické impedance (složení zeminy),  možnost měření jednou tyčí (třísvorkové zapojení) nebo na dvou tyčích (dvousvorkové a čtyřsvorkové zapojení),  snadná manipulace s měřicím přístrojem Z-metrem,  rychlost měření. Naproti tomu jako nevýhodná se v současné době může jevit nutnost  fyzického spuštění měření (nutnost docházet na lokalitu),  náročnější instalace sond při měření ve větších hloubkách (pro hloubku 13 m bylo nutno užít soupravu PAGANI TG 63-150kN, sondážní tyče pro statickou penetraci bylo nutno upravit),  nutnost vyhodnocení měření zkušeným pracovníkem. Z jednání s firmami vyplynulo využití realizované měřicí techniky založené na měření elektrické impedance i jako finančně zajímavá alternativa sledování. Poděkování Poděkování patří projektu E!4981 „Automatizovaný systém pro analýzu vybraných charakteristik a procesů v porézním prostředí metodou EIS“ a E!7614 „Systém sledování vybraných parametrů porézních látek metodou EIS v širokém spektru aplikací“ v programu EUREKA a projektům juniorského specifického výzkumu FAST-J-12-44/1740 "Vliv změn teploty prostředí na charakteristiku snímače Z-metr III" a FAST-J-13-2007 „Aplikace metody EIS v objektu ČOV při měření provzdušnění“. Použitá literatura Baranovičová, L., Mikita, M., Výboch, M. (2008). Monitoring of the soil moisture changes in Veľké Ripňany. EUREKA 2008. Brno. ISBN 978-80-2143687-9, pp. 65-68. Caputo, M., Masciale, R. (2012). Calibration of a new device to measure water content of rocks. EUREKA 2012. p. 55-65. ISBN 978-80-214-4537-6. Hanačíková, L. (2011). Monitorování morfologie dna vodní nádrže metodou EIS. Diplomová práce. VUT v Brně, FAST. Gomboš, M., Tall, A., Kandra, B., Pařílková, J. (2009). Calibration of Z-meter device for measurement volumetric moisture of soil. EUREKA 2009. p 77-87. ISBN 978-80-214-3696-6. Gomboš, M., Pařílková, J., Tall, A., Pařílek, L., Kandra, B. (2011). Assessment of the electrical impedance

Pařílková, J. a kol.: Uplatnění metody elektrické impedanční spektrometrie při monitorování interakce… measurements at the different soil moisture values in silky-loamy-clay soils. EUREKA 2011. Štramberk. ISBN 978-80-214-4325-9, pp. 65-77. Gomboš, M., Pařílková, J., Pařílek, L., Kandra, B., Tall, A., (2012). Development of electrical impedance contour lines in time in clay-loam soil profile. EUREKA 2012. p. 91-103. ISBN 978-80-214-4537-6. Guerrero-Aspizua, M., Pařílková, J., García-Contreras, D., Navidad, D., Losada, M. A., Veselý, J. (2012). The EIS method in coastal areas, application in Carchuna Beach, Spain. EUREKA 2012. p. 80-90. ISBN 97880-214-4537-6. Heaney B., M. (1999). The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. Chapter Electrical Conductivity and Resistivity. CRC Press. IEC 61340-5-1 Standard (1998). Electrostatics – part 5-1 : Protection of electronic devices from electrostatic phenomena – general requirements. Miracapillo, C. J. (2009). Field tests in Basel using the EIS Method. EUREKA 2009. Svratka. ISBN 978-80-2143969-6, pp. 53-68. Novák, M., (2012). Vyhodnocení změn v rybniční hrázi monitorovaných metodou EIS. Bakalářská práce. VUT v Brně, FAST. Pařílková, J., Fejfarová, M., Zachoval, Z., Pavlík., J. (2011). Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS. Acta Hydrologica Slovaca. Ročník 12, č. 2, Bratislava, p. 229-424, ISSN 1335-6291. Pařílková, J., Gardavská, Z., Fejfarová, M., Zachoval, Z., Pavlík., J. (2012). Dlouhodobé monitorování zemní hráze malé vodní nádrže metodou EIS. Acta Hydrologica Slovaca. Ročník 13, č. 1, Bratislava, p. 90-100, ISSN 1335-6291. Pařílková, J., Fejfarová, M., Novák, M. (2012). Monitorování rybniční hráze metodou EIS. Acta Hydrologica Slovaca. Ročník 13, č. 2, Bratislava, p. 404-415, ISSN 1335-6291.

Pavlík, I. (2009). Monitoring of moisture of grass subsoil in the area of golf course in Svratka. EUREKA 2009. Svratka. ISBN 978-80-214-3969-6, pp. 95-109. Pavlík, I., Novotná, J. (2010). Monitoring of moisture of grass subsoil in the area of golf course in Svratka. EUREKA 2010. Tetčice. ISBN 978-80-214-4117-0, pp. 120-126. Pimentel, R., Herrero, J., Pařílková, J., Millares, A., Polo, M. J., Veselý, J. (2012). Measurement of snow properties using EIS-monitoring Method in Sierra Nevada (Spain). EUREKA 2012. p. 66-73. ISBN 97880-214-4537-6. Radkovský, K. (2011). Description of Z-meter III construction. EUREKA 2011. Štramberk. ISBN 97880-214-4325-9, pp. 34-38. Rupp, D. (2011). Monitoring of seepage conditions of the dam of the Karolinka reservoir. EUREKA 2011. Štramberk. ISBN 978-80-214-4325-9, pp. 78-86. Stoklásek, R. (2007). Impedance meter Z-metr 02a Conception changes and improvements. EUREKA 2007. Brno. p. 26-27, ISBN 978-80-214-3500-1. Ševčík, R. (2012). Calibration and metrological kontinuity of Z-meter III. EUREKA 2012. p. 23-33. ISBN 978-80214-4537-6. Špano, M., Stara, V., Hradilova, I. (2012). EIS as a tool for measurement of water-soil interface. EUREKA 2012. p. 206-213. ISBN 978-80-214-4537-6. Úřední věstník Evropské Unie, 19.1.2013, CS, C 17/38 a C 17/40, zpravodaj pan Corrie McChord (UK/SES), člen rady města Stirling. Veselý, J., Pařílková, J., Pařílek, L. (2007). Ověření metody EIS při sledování množství uložených kalů ÚV Želivka. Zpráva, VUT v Brně, FAST. Veselý, J., Pařílková, J., Herrero, J., Pimentel, R., GuerreroAspizua, M., Fejfarová, M., Roušar, L., (2012). Preparation of the application of the EIS method to snow cover measurement. EUREKA 2012. p. 74-79. ISBN 978-80-214-4537-6.

APPLYING THE ELECTRICAL IMPEDANCE SPEKTROMETRY METHOD DURING MONITORING OF INTERACTION SOIL – WATER The survival and prosperity of all terrestrial biological communities, both natural and artificial, depends on the thin top layer of the Earth. Soil is therefore most valuable natural resources of each country. It is an integral part of the environmental, social and economic systems. Soil provides or contributes to food production, quality control and the volume of water, climate change mitigation and adaptation, and helps regulate biodiversity. It is a dynamic and constantly evolving living system. Between the most serious threats to soil in Europe today include loss of organic matter, erosion, compaction, sealing, salinization, acidification, biodiversity, desertification (Southern Europe), landslides and contamination. At the same time, however, appears to be a major problem is to develop a single set of classification of phenomena and their consequences. From this perspective, it is the used method electrical impedance spectrometry to characterize as regional alternative measurement

method. During the expansion of electrical engineering and advanced technology in the electronics industry, it is an indirect measurement method. By definition of indirect methods, as the drawback may seem the need calibration of measured parameters relation to the reference parameter of environment. Conversely big advantage is the ability to continuously record changes in the monitored environment by measuring electrical impedance components. Measurements were performed using measuring devices realized on international projects in the EUREKA program. Acknowledgement The work was carried out under the financial support from the Ministry of Education, Youth and Sports (MŠMT) of the Czech Republic during the solution of the international projects E!4981 and E!7614 in the program EUREKA and the project of Junior specific research FAST-J-12-44/1740 and Junior specific research FAST-J-13-2007.

49


doc. Ing. Jana Pařílková, CSc., doc. Ing. Jaroslav Veselý, CSc., Ing. Marie Fejfarová, Ing. Zuzana Gardavská, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb, Laboratoř vodohospodářského výzkumu, Veveří 95, 602 00 Brno, Česká republika, Tel.: +420 54114 7284 Fax: +420 54114 7288 E-mail: [email protected]

50

ACTA HYDROLOGICA SLOVACA

Recommend Documents