ACTA HYDROLOGICA SLOVACA

ACTA HYDROLOGICA SLOVACA Ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142

MONITOROVÁNÍ SNĚHOVÉ POKRÝVKY METODOU EIS PRO MOŽNOST STANOVENÍ VODNÍ HODNOTY SNĚHU Jana Pařílková, Michael Novák Pro identifikování vrstev sněhové pokrývky, jejichž vlastnosti souvisejí s proměnným zatížením teplotou, vlhkostí a vlastní tíhou, byla zvolena nepřímá elektrická měřicí metoda elektrické impedanční spektrometrie. Netradiční měřicí metoda byla použita v Orlických horách, ČR. První dosažené výsledky jsou uvedeny v příspěvku. KĽÚČOVÉ SLOVÁ: elektrická impedanční spektrometrie, vodní hodnota sněhu, sněhová pokrývka

MONITORING OF SNOW COVER USING EIS METHOD FOR DETERMINING THE POSSIBILITY OF SNOW WATER EQUIVALENT. To identify the layers of snow, their's characteristics associated with a variable load of temperature, humidity, and own weight, has been elected indirect electrical method of measuring electrical impedance spectroscopy. Non-traditional measuring method was used in the locality “Orlické hory”, Czech Republic. The first obtained results are given in the paper. KEY WORDS: electrical impedance spectrometry, snow water equivalent, snow cover

Úvod Sníh je charakteristickým sezónním fenoménem mírných až subpolárních pásem Země (Křístek a kol., 2008). V uvedených oblastech je sníh faktorem prostředí významně interagujícím se všemi složkami ekosystémů. Větší množství nahromaděného sněhu se nazývá sněhová pokrývka (Hubačíková, 2002). Studium a poznání vlastností sněhové pokrývky a způsobů jejího monitorování (Křístek a kol., 2011) představuje velmi komplexní problematiku. Přehled vědeckého zájmu o problematiku sněhu a ledu z pohledu historie je uveden např. v publikaci „Snow and glacier hydrology“ (Singh a Singh, 2011). Zvýšený zájem lze pozorovat ve 20. a 30. letech 20. stol. Jeho vyvrcholením bylo založení komisí, jako např. Intenational Glaciological Society nebo International Commision on Snow and Ice obě v roce 1936, které se věnovaly uvedené problematice. Významné byly především výzkumy realizované v alpských zemích a výzkumy japonské. Do doby těsně po druhé světové válce jsou datovány první pokusy o modelování odtoku z tajícího sněhu. Problematikou sněhové pokrývky se

130

zabýval i jeden z prvních českých hydrometeorologů počátku minulého století prof. František Augustin (Augustin, 1908). V České republice a Slovensku lze první práce z oblasti hydrologie sněhu datovat do 60. let 20. stol. (Holko a kol., 2011), (např. Ferda a kol., 1971). V hydrologickém cyklu (Dewalle a Rango, 2008) je sníh důležitým prvkem, který ovlivňuje vodní bilanci. Sněhová pokrývka má význam jako zásobárna vody, a to zejména v horských oblastech, kde tvoří značný podíl ročního úhrnu srážek (Doesken a Robinson, 2009). Během jarního sucha bývá zásoba půdní vody z tání sněhu někdy i jediným zdrojem pro rostliny (Škvarenina a kol., 2002). Proto má měření a kvalitativní i kvantitativní popis sněhové pokrývky význam nejen pro hydrologii, ale zasahuje do celé řady styčných vědních disciplín (meteorologie, klimatologie, pedologie, geologie, hydrauliky, termiky, biologie, hydrochemie a dalších), s nimiž spolupracuje a jejichž poznatky využívá a dále rozvíjí. Sněhová pokrývka ovlivňuje i lidskou společnost, a to jak negativně (např. lavinové nebezpečí, regionální povodňové situace), tak i pozitivně (např. zásoba vody ve sněhu, rekreace, sport), je součástí koloběhu vody

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní… v přírodě [1], vzhledem k jeho tepelně-izolačním vlastnostem umožňuje mnoha rostlinným a živočišným druhům přežít zimu. Na rozdíl od dešťové vody neodtéká, ale zůstává na místě dopadu, pokud je zemský povrch dostatečně prochladlý a na otevřených plochách panuje bezvětří (Singh a Singh, 2011). Sníh je specifická forma ledu, tedy pevného skupenství vody. Vzniká za vhodných klimatických podmínek přeměnou vodní páry nebo přechlazených kapek vody v oblacích, odkud se snáší k zemi. Je tvořen malými ledovými krystaly, jejichž zárodky jsou ledová jádra nebo částice prachu, seskupenými do ledových dendritů (sněhových vloček) se skoro dokonalou šesterečnou symetrií [1]. Iontové složení sněhové pokrývky ovlivňuje elektrickou vodivost (Kociánová, 1989). Voda, je-li chemicky čistá, má nízkou elektrickou vodivost, ale pokud je v ní rozpuštěno i malé množství iontů, její elektrická vodivost se zvyšuje (Patočka, 2006) [2]. Elektrická vodivost je jednou z veličin, kterou je možno stanovit metodou elektrické impedanční spektrometrie (EIS) (Gomboš a kol., 2012), (Heaney, 1999), (Radkovský, 2011), (Ševčík, 2012), (Veselý a kol., 2012). V roce 2012 byla metoda EIS, v rámci programu EUREKA, uplatněna při měření sněhové pokrývky ve španělském pohoří Siera Nevada (Pimentel a kol., 2012). Metodou EIS stanovený přechod mezi vrstvami sněhové pokrývky odpovídal manuálnímu měření. Proto bylo rozhodnuto realizovat dlouhodobější pozorovací pokus, který by mohl ukázat nové využití metody EIS, a to pro možnost stanovení vodní hodnoty sněhu nebo varování před lavinovým nebezpečím. Technická řešení měření vodní hodnoty sněhu se potýkají s několika obtížně překonatelnými skutečnostmi (Špulák, 2012). Jednou z nich jsou složitě definovatelné fyzikální vlastnosti sněhu odvislé především od klimatických podmínek a charakteru stanoviště. Součásti zařízení vyčnívající ze sněhu ovlivňují jak ukládání, tak i tá-

Tabulka 1. Table 1.

ní sněhu v jejich bezprostřední blízkosti. Tento nedostatek zcela neodstraňuje ani aparatura aplikující metodu EIS. Sondy nejsou ale tak robustní a tudíž se předpokládá, že chyba při měření bude úměrně menší. Naopak výhodou metody je stálý kontakt sněhu s povrchem půdy, který chybí plošným zařízením. Tím se nenaruší tepelná dynamika i přenos tepla mezi půdou a sněhem, také se nesníží vsakovací schopnost povrchu půdy. Sníh a jeho fyzikální vlastnosti Sníh lze charakterizovat jako vertikální srážku, která se tvoří ve volné atmosféře a padá na zemský povrch, a která má různé fyzikální vlastnosti v průběhu času. Základní charakteristikou sněhu je jeho izotropie [1]. Čerstvě napadaný sníh je tvořen jen ze 3 % ledovými krystalky, 97 % připadá na vzduchové mezery mezi krystaly. Podléhá mnoha vlivům a změnám, např. teplotě vzduchu, tlaku, vlhkosti, vlastní tíze či času, které mají za následek rozdílné fyzikální vlastnosti sněhu. Mezi základní veličiny charakterizující sněhovou pokrývku patří objemová hmotnost, výška sněhové pokrývky a vodní hodnota sněhu. Výška sněhové pokrývky (SCE) se na meteorologických stanicích, provozovaných ČHMÚ (Židek, 2003), měří sněhoměrnou latí v 7 hodin ráno s přesností na centimetry. Za souvislou je považována sněhová pokrývka, která v blízkém okolí stanice pokrývá alespoň 50% zeminy vrstvou 0,005 m a více. Mocnost nového sněhu se měří sněhoměrným prkénkem vždy po 24 hodinách. Objemová hmotnost (hustota) je jednou ze základních fyzikálních charakteristik sněhové pokrývky. Ukazuje jaký je poměr ledu a vzduchu v konkrétním vzorku sněhu. Rozdíly v hustotě mohou být veliké (Tab. 1). Hustota čerstvě napadaného sněhu značně závisí na vlhkosti, začíná na 30 kg/m3 a u mokrého sněhu dosahuje hodnoty přibližně 600 kg/m3, při silných deštích může vzrůstat až k hustotě vody.

Typická hustota sněhu a ledu (Paterson, 2001) Typical density of snow and ice (Paterson, 2001)

Typ sněhu a ledu Nový sníh Vlhký nový sníh Sesedlý sníh Dutinová jinovatka Větrem zhuštěný sníh Firn Velmi mokrý sníh a firn Ledovcový led

Hustota 3

 [kg/m ] 50‐70 100 ‐ 200 200 ‐ 300 100 ‐ 300 350 ‐ 400 400 ‐ 830 700 ‐ 800 830 ‐ 917

131

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142 Proces růstu hustoty sněhu v čase může být urychlen silným větrem, vysokými teplotami a střídavým táním. Dominantním faktorem je však čas (Singh a Singh, 2011)

ρ n = ρ 0 ( m + 1) 0,3 ,

(1)

kde je ρ0 [kg/m3] průměrná hustota nového sněhu (obvykle 100 kg/m3) a ρn [kg/m3] je hustota sněhu po m dnech. Tvrdost sněhu nebo též soudržnost jednotlivých krystalů je možné měřit několika způsoby (Kořízek, 2006). Profesionálové z horské služby používají kladi-vové sondy, kterými se měří odpor sněhového profilu proti vtloukání sondy. Dalším způsobem je manuální určení (Obr. 1) tvrdosti sněhu. Klasifikační stupnici tvrdosti při určení narušení vrstvy sněhu manuálním způsobem uvádí Tab. 2. Tvrdost je značena R [N]. Stejně jako hustota a pevnost se zvětšuje s hloubkou vlivem dlouhodobého působení tlaku od vlastní tíhy sněhové pokrývky. Proces, kdy tvrdost sněhu roste vlivem vlastní tíhy sněhové pokrývky, se nazývá vertikální usazování sněhové pokrývky (Kořízek, 2006). Rychlost usazování se odlišuje podle Tabulka 2. Table 2. Tvrdost Velmi měkký

θ=

Vv . Vs

(2)

Ve sněhu se voda vyskytuje ve třech formách – hygroskopická, gravitační a kapilární. Hygroskopická voda je držena povrchem zrn proti gravitační síle a nepřispívá do odtoku z tání, dokud kompletně neroztají krystaly. Kapilární voda je držena povrchovým napětím v kapilárách kolem ledových krystalů. Tato složka se mění pod vlivem kapilárních sil, ale do odtoku začne přispívat až při tání. Obsah volné vody zahrnuje pouze vodu drženou ve sněhu adsorpcí a vzlínáním. Nezahrnuje vodu pronikající pokrývkou ani vodu vzniklou z tajícího sněhu (Singh a Singh, 2011). Další, pro odtok z tajícího sněhu důležitou složkou, je gravitační voda. Tato voda vytéká ze sněhu pod vlivem gravitační síly. Kapalná voda se ve sněhu začne pohybovat poté, co podíl „neredukované“ vody dosáhne asi 3 % až 4 %.

Manuální rozlišení tvrdosti (Kořízek, 2006) Manual determination of hardness (Kořízek, 2006) Test tvrdosti pěst

Odpor R  (střední hodnoty) 20 N

Měkký

4 prsty

90 N

Středně tvrdý Tvrdý Velmi tvrdý Kompaktní led

1 prst tužka nůž led

260 N 600 N 900 N

Obr. 1. Fig. 1.

Číslo 1 2

Ozn.

3 4 5 6

Manuální určení tvrdosti vrstev sněhové pokrývky (Kořízek, 2006). Manual dermination of hardness of the layer of snow cover (Kořízek, 2006).

Tabulka 3. Table 3. Typ Suchý Vlhký Mokrý Velmi mokrý Rozbředlý

132

druhu sněhu. Pohybuje se od 0,10 m za den, ale i více u sněhů s nízkou hustotou. Neplatí ale vždy, že hlubší vrstvy jsou tvrdší. Rozdíly mohou být způsobeny různými vlastnostmi napadlého sněhu. Vlhkost sněhu θ [-] je definovaná jako objem kapalné vody Vv [m3] v určitém objemu sněhu Vs [m3]

Rozdělení vlhkosti sněhu (Singh a Singh, 2011) Distribution of moisture snow (Singh a Singh, 2011) Popis T < 0 °C, malá přilnavost T = 0 °C, přilnavý T = 0 °C, při stlačení voda neodtéká T = 0 °C, při stlačení voda odtéká, v pórech převažuje vzduch T = 0 °C, sníh téměř nasycený vodou, malý podíl vzduchu

θ 0% <3% 3%-8% 8 % - 15 % > 15 %

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní… Vodní hodnota sněhu a metody jejího stanovení Vodní hodnota sněhu (zkratka SWE z anglického Snow Water Equivalent) je definována jako vertikální hloubka vody, která by vznikla roztáním celé vrstvy sněhové pokrývky (Jeníček, 2011). Je zřejmě nejdůležitějším hydrologickým parametrem sněhu. Nejčastěji je udávána v mm. Pro stanovení SWE se používají metody klasické nebo moderní. Pro klasické měření výšky nového sněhu je používána sněhoměrná lať a sněhoměrné prkénko. Měření probíhá každý den, pokud je v okolí stanice souvislá vrstva sněhu. Pro měření vodní hodnoty sněhu se pak používá válcový sněhoměr a závěsná váha. Moderní měření stanoví výšku sněhu pomocí ultrazvuku a vodní hodnotu sněhu pomocí např. automatického váhového sněhoměru, sněhového polštáře, snowpack analyser (SPA), apod. Sněhoměrné polštáře jsou plošná zařízení umístěná v úrovni terénu (Obr. 2). Jejich užívání se objevuje v 70. letech 20. století. Bývají vyrobeny z vyztužené gumy, pevného plastu nebo kovových (nerezových) plátů a nečastěji mají čtvercový nebo kruhový tvar o hraně (poloměru) 2 m až 4 m. Nerezový povrch polštářů je více odolný vůči poškození a i čas k jeho instalaci je kratší než u gumy nebo plastu (Špulák, 2012). Polštáře jsou vyplněny nemrznoucí kapalinou, která přenáší tlak sněhové vrstvy na tlakoměry. Sněhoměrné polštáře pracují dobře v rovinatém terénu při těžkém sněhu a malé frekvenci mrznoucích oblev. Jestliže však dojde k zavěšení sněhové vrstvy přes polštář, nelze metodu

Obr. 2. Fig. 2.

použít, protože dochází k chybnému měření. Problém lze částečně řešit umístěním více polštářů souběžně na stejné lokalitě a následným vzájemným srovnáním naměřených hodnot. Další nevýhodou je změna teplotního gradientu mezi půdou a sněhem vyloučením výparu z půdy a zabránění vsakování vody z tání do půdy. Při poškození polštářů může dojít k intoxikaci životního prostředí v přímém okolí únikem nemrznoucí kapaliny. Snowpack analyser (SPA) byl vyvíjen v rámci mezinárodního projektu Snowpower a testován ve Švýcarsku a v Kanadě (Špulák, 2012). Byl také označován jako nízkofrekvenční impedanční pásy (Obr. 3). Metoda byla založena na měření dielektrické konstanty sněhu na několika frekvencích jak v pásmu kilohertzů, tak megahertzů, s cílem současného měření hustoty sněhu, SWE a obsahu kapalné vody. Pro určení průměrné hustoty, SWE a vlhkosti se nízkofrekvenční měření ukázala jako dostatečná. Je využíváno skutečnosti, že dielektrická konstanta ledu v pásmu kilohertzů silně kolísá s frekvencí, měření na více frekvencích tak umožňuje odlišení obsahu kapalné vody a ledu. V komerčně dostupné verzi je k dispozici až 10 metrů dlouhý trojvodičový pás (plochý kabel) umístěný horizontálně nad zemí nebo šikmo vzhůru od povrchu země ke stabilizačně-řídicímu stožáru, čímž umožňuje posuzovat výškovou variabilitu sledovaných parametrů. Vliv teploty na naměřené veličiny je automaticky softwarově kompenzován. Při uložení pásu vibrace měřidla způsobené větrem formují okolo pásu kapsy. Chybné hodnoty jsou vyhodnocovány také v případě výskytu námrazy na pásu měřidla.

Instalace sněhového polštáře (Jeníček, 2013). Installing of snow pillow (Jeníček, 2013).

133

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142

Obr. 3. Fig. 3.

SPA (Jeníček, 2013). SPA (Jeníček, 2013).

Expediční měření (mobilní terénní průzkum) nebo též manuální měření, je nejběžnějším způsobem stanovení SWE. Měření se provádí pomocí plastové (Špulák, 2012), kovové nebo sklolaminátové sněhoměrné trubky daného průměru, která dle provedení mívá sraženou či ozubenou odběrovou hranu. Válec se vtlačí kolmo do sněhu, tak aby dosáhl až na povrch půdy, podle potřeby se sněhové jádro před vyzvednutím zhutní. Zpravidla je současně odečítána výška sněhu. Po očištění jádra od případných nečistot ze spodní strany se SWE zjišťuje výpočtem na základě zvážení odběrného válce se sněhovým jádrem nebo měřením objemu vody po roztátí jádra. V České republice je manuální měření ve sněhoměrných profilech základním způsobem zjišťování dat o vodní hodnotě sněhu pro účely monitorování a predikcí (Špulák, 2012). Při měření se nejčastěji používají odběrné válce o průřezové ploše 50 cm2 a délce 1,0 m nebo 1,5 m. Odběry v pevně lokalizovaných transektech o délce 20 m až 30 m na jednotlivých lokalitách se provádějí 3krát (10krát je měřena výška sněhu). Z těchto hodnot se počítá průměr vstupující nejen do hydrologických modelů. Výhodou metody jsou nízké nároky na technické zařízení, kvalifikaci pracovníků, díky rychlosti odběru lze v relativně krátkém čase odebrat dostatečné množství vzorků pro popis lokální heterogenity (Špulák, 2012). Další výhodou je prostorová flexibilita při zjištění potřeby úpravy nebo doplnění míst sledování. Metoda však trpí i řadou nevýhod. Patří mezi ně fyzická a časová náročnost dopravy pozorovatele na lokalitu spojená se zpravidla značnými náklady. Měření jsou zatížena nízkou, málo flexibilní, časovou rozlišovací

134

schopností. Přesto je však stále jedním z hlavních zdrojů dat pro mnoho lokálních, národních i nadnárodních prostorových i časových modelů sněhových podmínek. Měřicí aparatura metody EIS Pro měření byla použita aparatura pracující s metodou elektrické impedanční spektrometrie (EIS). EIS umožňuje zjistit rozložení elektrické impedance či dalších elektrických veličin z ní vyplývajících (Pařílková, 2011). Pro hodnocení parametrů sněhové pokrývky byla použita admitance Y a její reálná složka konduktance G, kterou je možné určit výskyt volné vody a imaginární složka susceptance B, kterou je možné zaznamenat přechod mezi vrstvami. Konduktance G [S] vyjadřuje schopnost elektrického vodiče, v daném případě tvořeného sněhem s různým obsahem vody a minerálních solí, vést elektrický proud. Čím větší je vodivost, tím silnější elektrický proud prochází vodičem při stejném napětí. Dobrý vodič má vysokou hodnotu elektrické vodivosti, špatný vodič má nízkou hodnotu elektrické vodivosti (Novák, 2011). Vyjadřuje proto nepřímo obsah minerálních látek (solí), které se ve vodě nacházejí. Sledování změn elektrických charakteristik sněhové pokrývky bylo provedeno aparaturou s přístrojem Zmetr III (Obr. 4) s volitelným počtem měřicích míst (Radkovský, 2011). Experiment uvedený v příspěvku byl koncipován jako stacionární měření vhodné k automatickým měřicím stanicím. Měřicí aparatura umožňuje měření na jedné zvolené frekvenci, v daném případě byla používána frekvence 8 kHz, nebo ve frekvenčním spektru od 1 kHz do 100 kHz (Novák, 2014).

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní… Dlouhodobé měření probíhalo speciálně navrženými sondami se 16 elektrodami z nerezového plechu 1,5 mm silného. Elektrody čtvercového profilu s délkou strany 0,03 m jsou umístěny na plastovém hranolu se čtvercovou základnou o délce hrany 0,04 m a délce 1,0 m. Dvě protilehlé elektrody tvoří snímač, který je nad zeminou umístěn vodorovně, tj. fiktivní elektrický vodič nekopíruje terén. Mezi elektrodami na plastovém hranolu je mezera dlouhá 0,03 m. Vzdálenost dvou plastových hranolů je 1,86 m, což je současně délka fiktivního elektrického vodiče reprezentovaného sněhovou vrstvou o výšce 0,03 m po vybuzení elektromag-

Obr. 4. Fig. 4.

Obr. 5. Fig. 5.

netického pole z generátoru střídavého signálu, který je součástí přístroje Z-metr III. Snímače umístěné na plastových hranolech tvoří sondu. Plastový hranol je nasunut na dřevěný kolík, který je částečně zatlučen v zemině (Obr. 5). Středem plastových hranolů jsou vedeny k jednotlivým měřicím snímačům propojovací vodiče dlouhé 3 m, zajišťující přenos budicího (elektrického proudu) a měřeného (elektrického napětí) signálu. Aby nedocházelo k navlhání spoje a možné budoucí korozi mezi šroubem a přiletovaným vodičem, spoj je pokryt silikonovým nevodivým materiálem.

Přístroj Z-metr III. Device Z-metr III.

Fixační dřevěný kolík (vlevo) a nasunutá sonda (vpravo). Fixing a wooden pin (right) and slipped over the probe (left).

135

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142 Monitorování sněhové pokrývky Monitorování sněhové pokrývky bylo zahájeno 3. prosince 2012, kdy proběhla instalace sond, a ukončeno bylo 13. dubna 2013. Měřením se měla vyhodnotit vhodnost použití metody EIS pro měření vodní hodnoty sněhu u automatických stanic a možnost predikce lavinového nebezpečí. Měřicí cyklus byl každý den, ale ne pravidelně v 7 hodin ráno, jak udává předpis ČHMÚ. Měření probíhalo nahodile během dne. Pro monitorování sněhové pokrývky bylo vybráno město Rokytnice v Orlických horách. Rokytnice se nachází v podhůří Orlických hor, 60 km východně od krajského města Hradec Králové (Obr. 6). Pozemek, na kterém byly sondy umístěny, se nachází jižně od náměstí T. G. Masaryka v ulici J. V. Sládka (Obr. 7), jeho nadmořská výška je 550 m n. m. Sondy byly instalovány na místo, kde by je neohrozil pád sněhu ze střechy či proudění vzduchu kolem obytného domu. Jednalo se o pilotní

Obr. 6. Fig. 6.

Umístění Rokytnice v Orlických horách. Location of Rokytnice v Orlických horách.

Obr. 7. Fig. 7.

136

experiment ověření metody EIS pro možnost stanovení SWE, kdy vědomě nebyly zcela dodrženy požadavky kladené na uvedený typ experimentů, např. se nejednalo o monitorování volného prostoru, avšak monitorované místo není možno charakterizovat ani jako zalesněné či částečně zalesněné. Na zvoleném místě byl relativně rovný terén s dobrou dostupností od příjezdové cesty. Hranoly s elektrodami, označené čísly 1, 2, 3 byly umístěny ve vzájemné vzdálenosti 1,86 m (Obr. 8) tak, aby snímače na sondách byly v požadovaném úhlu a tvořily rovinu. Měřilo se na třech sondách, mezi hranoly č. 1 a č. 2, mezi hranoly č. 1 a č. 3 a mezi hranoly č. 2 a č. 3. Při monitorování sněhové pokrývky byly zaznamenány tři výrazné oblevy (Obr. 9). První obleva začala už 14. prosince 2012 a trvala do 7. ledna 2013. Druhá výrazná obleva začala 23. února 2013 a skončila 10. března 2013. Poslední oblevou roztál všechen sníh a tím bylo ukončeno monitorování.

Vyznačení měřicího stanoviště. Indication of the measuring station.

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní…

Obr. 8. Fig. 8.

Obr. 9. Fig. 9.

Rozmístění sond. Dislocation of probe.

Průběh výšky sněhu v monitorovaném období. Course of snow depth in the monitored period.

Je zřejmé, že po oblevách sníh nedosahoval ani k první elektrodě na hranolu č. 1, který byl ve výšce 0,045 m nad zemským povrchem. Pro stanovení vodní hodnoty sněhu (Tab. 5) je třeba znát výšku sněhu a jeho hustotu, proto byl každý týden odebrán jeden vzorek sněhové pokrývky po jednotlivých vrstvách poblíž místa měření. Jednotlivé vrstvy byly váženy a byla dopočítávána vodní hodnota sněhu a hustota. Rovněž byla sledována teplota a vlhkost vzduchu a teplota sněhové pokrývky. Ačkoli byl pro uvedený účel zakoupen vpichovací teploměr DET-3R se zvýšenou odolností proti vlhkosti dle standardu IPX7, vhodným teplotním rozsahem (od -40°C do +250°C), postačujícím rozlišením i přesností měření, obdržené výsledky, deklarovaným parametrům rozhodně neod-

povídaly. Teploměr byl hodně poruchový (Tab. 5, 23.2.2013 kladné hodnoty teploty sněhu, přestože teplota vzduchu byla -0,96 °C), a proto byl uvedený parametr pro další zpracování z měření vyloučen. Určení výšky sněhové pokrývky metodou EIS je možné, avšak provedený experiment při dané konfiguraci sond prokázal, že v některých případech jsou obdržené výsledky obtížně interpretovatelné (Obr. 10). Uvedená skutečnost může být způsobená jednak počtem elektrod na plastovém hranolu, ale i kvalitou sněhu. Je-li sníh hodně nakypřený a měkký (tvrdost č. 1), hodnoty elektrické vodivosti měřené nepřímou metodou EIS vykazují jen malé rozdíly. U sondy 2-3 je znatelný nárůst elektrické vodivosti u tvrdosti č. 2 (měkký sníh). Výraznější nárůst hodnot susceptance a admitance je

137

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142 patrný až při tvrdosti č. 4 (tvrdý sníh). Na Obr. 10 je ukázka naměřených dat z 23.2.2013. Hodnoty naměřené nad tvrdostí č. 1, jsou hodnoty při průchodu signálu vzduchem. Na Obr. 11 je znázorněný vliv hustoty sněhu na naměřenou elektrickou vodivost při průchodu signálu sněhem. Hodnota elektrické vodivosti je stanovena jako aritmetický průměr z naměřených hodnot pro vrstvu sněhu s danou objemovou hmotností. Zaznamenané srážky ve dnech měření hodnoty konduktance zvyšují. Největší výchylka měřených hodnot elektrické vodivosti byla zaznamenána 25. prosince 2012. Sondy i vodiče byly pokryty ledem od mrznoucího mrholení (Obr. 12). U vodičů pokrytých ledem se projevuje parazitní elektrická impedance zvýšením měřených hodnot. Během monitorování na stanovišti v Rokytnici se srážky vyskytly 34krát. Souvislost mezi atmosférickou srážkou a elektrickou vodivostí Gx měřenou sondou 1-2 je uvedena na Obr. 13. Data, která poskytl ČHMÚ jsou seřazena vzestupně dle intenzity srážek měřené na srážkoměrné stanici v Rokytnici v Orlických horách. Je

Tabulka 5. Table 5.

138

Vypočtená SWE Calculated SWE

zřejmé, že záleží na typu a intenzitě srážky. Dešťové srážky mají na zvýšení hodnot elektrických veličin obecně větší vliv než srážky sněhové nižší intenzity. Po dešťových srážkách zůstávají měřené hodnoty Gx zvýšené. Stanovení závislosti mezi hustotou sledované vrstvy sněhové pokrývky a měřenými resp. z měření odvozenými elektrickými veličinami je ještě obtížnější, a to i vzhledem k nízkému počtu dat. Z vypočtených hustot sněhové pokrývky a měřených elektrických veličin se zatím nepodařilo nalézt funkční závislost. Přesto je uvedeno alespoň kvalitativní zhodnocení vztahu mezi měřenou elektrickou vodivostí, která je stanovena vždy jako aritmetický průměr hodnot zjištěných ve všech měřených profilech mezi snímači umístěnými v odpovídající sněhové vrstvě. Uvedené zpracování bylo zvoleno vzhledem ke skutečnosti, že bylo provedeno vždy jen jedno měření SWE. Vyhodnocení (Obr. 14 a Obr. 15) bylo provedeno pouze ve dnech 9.2.2013, 23.2.2013 a 2.3.2013, kdy byly měřeny alespoň tři vrstvy sněhové pokrývky (Tab. 5).

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní…

Obr. 10. Průběh elektrické vodivosti (vlevo) a susceptance a admitance (vpravo)ze dne 23.2.2013. Fig. 10. Electrical conductivity (left) and susceptance and admittance (right) measured in February 23, 2013.

Obr. 11. Průběh elektrické vodivosti v závislosti na hustotě sněhu s vyznačením srážek. Fig. 11. Electrical conductivity depending on the density of snow designating precipitation.

Obr. 12. Vodiče pokryté ledem (vlevo), hranol s elektrodami pokrytý ledem (vpravo). Fig. 12. Wires covered with ice (left), a prism with electrodes covered with ice (right).

139

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142

Obr. 13. Vliv různých srážek na průběh hodnot elektrické vodivosti Gx (sonda 1-2) – měřeno nejbližším snímačem nad sněhovou pokrývkou. Fig. 13. The influence of different precipitation to the values of electrical conductance Gx (probe 1-2) - measured by the closest sensor over snow.

9.2.2013

23.2.2013

9.2.2013

2.3.2013

80 70

23.2.2013

2.3.2013

9.2.2013

600

100

500

90

400

80

23.2.2013

2.3.2013

50 40 30

n [%]

ρ [kg/m3 ]

SWE [mm]

60 300

70

200

60

100

50

20 10 0 0.0015 0.0017 0.0019 0.0021 0.0023 0.0025 0.0027

0 0.0015 0.0017 0.0019 0.0021 0.0023 0.0025 0.0027

40 0.0015 0.0017 0.0019 0.0021 0.0023 0.0025 0.0027

Gx [mS]

G x [mS]

Gx [mS]

Obr. 14. Vztah mezi hodnotou charakteristické veličiny sněhové pokrývky a hodnotou elektrické vodivosti Gx. Fig. 14. The relationship between the value characteristic quantities of snow and the value of the electrical conductance Gx. 23.2.2013

2.3.2013

9.2.2013 100

23.2.2013

2.3.2013

0.0027

80

90 0.0025

0.0021

50

Gx [mS]

60

n [%]

Gx [mS]

60

70

0.0023

70

0.0025

80

0.0023

50

0.0021

40

40 0.0019

30 20

0.0017

30

0.0019

20 0.0017

10

10 0.0015

0 0

100

200

300

ρ [kg/m3]

400

500

600

0.0015

0 0

100

200

300

400

500

ρ [kg/m3]

Obr. 15. Závislost elektrické vodivosti Gx na hustotě sněhové vrstvy a její pórovitosti (vlevo) a na hustotě sněhové vrstvy a vodní hodnotě sněhu (vpravo). Fig. 15. The dependence of electrical conductance Gx on snow layer density and its porosity (left) and on snow layer density and the SWE (right).

140

600

SWE [mm]

9.2.2013 0.0027

Pařílková, J., Novák, M.: Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní… Závěr Z naměřených hodnot vyplývá, že sníh je komplikované prostředí, které podléhá mnoha vlivům, jako jsou například teplota a vlhkost vzduchu, vlastní tíha, atmosférické srážky. Pro stanovení vodní hodnoty sněhu je důležité znát výšku sněhu a hustotu sněhu. Jak výsledky pilotních měření ukazují, výšku sněhu je možné metodou elektrické impedanční spektrometrie rozpoznat především u sněhové pokrývky s vyšší tvrdostí (Obr. 10). Ze souboru 49 naměřených hustot v rozsahu 80 kg/m3 až 457 kg/m3, který není možno považovat za statisticky dostačující, se zatím nepodařilo najít funkční závislost mezi elektrickými veličinami stanovenými metodou EIS a veličinami charakterizujícími sněhovou pokrývku. Kvalitativní zobrazení dosavadních zjištění (Obr. 14) ukazuje, že dosažené výsledky podporují teoretické závěry pro stanovení funkční závislosti a lze předpokládat, že se v experimentech bude pokračovat. Je zřejmé, že při lineárně klesající pórovitosti sněhové pokrývky v závislosti na její hustotě (Obr. 15) vykazují křivky elektrické vodivosti Gx v čase kvalitativně stejný charakter. Vzhledem k hodnotě SWE však uvedené lze konstatovat pouze ke zjištěním ze dne 23.2.2013 a 2.3.2013. Výsledek měření ze dne 9.2.2013 je v tomto případě odlišný. Při měření charakteristik sněhové pokrývky má největší vliv na naměřené elektrické veličiny volná voda v pórech. Proto pro zlepšení výsledků při monitorování sněhové pokrývky, by bylo dobré zapisovat i vlhkost sněhu podle Tab. 3, a pokud by se podařilo provést kalibraci na jednotlivé typy sněhové pokrývky, bylo by možné hodnoty odečítat přímo měřicí aparaturou. Zvýšení počtu elektrod by přispělo k přesnějšímu určení rozhraní jednotlivých vrstev. Další možností by bylo změnit konstrukci sondy např. realizovat ji pomocí vodivých a nevodivých prstenců. Zde je však velmi důležitým parametrem i její tuhost, aby odolala povětrnostním podmínkám. Poděkování Poděkování patří projektu E!7614 „Systém sledování vybraných parametrů porézních látek metodou EIS v širokém spektru aplikací“ a E!4981 „Automatizovaný systém pro analýzu vybraných charakteristik a procesů v porézním prostředí metodou EIS“ a v programu EUREKA. Literatura Augustin, F., (1908). Sněhová pokrývka v Čechách v zimě 1906-1907. Sborník České společnosti zeměvědné, 14, č. 1, 2 a3, s. 1-19, 38-50 a 65-87. Bumerl, M., (2003). Hydrologie. Učební text pro studenty 3. ročníku SOŠ OTŽP Veselí nad Lužnicí.

Dewalle, D. R., Rango, A., (2008). Principles of snow hydrology. Cambridge University Press, Cambridge, 410 p. Doesken, N. J., Robinson, D. A., (2009). The challenge of snow measurements. Historical climate variability and impacts in North America, Part 4. Dordrecht, Springer, 251-273. Ferda, J., Hladný, J., Bubeníčková, L., Pešek, J., (1971). Odtokový režim a chemismus vod v povodí Horní Otavy se zaměřením na výskyt rašelinišť. Sborník prací HMÚ, sv. 17, HMÚ, Praha, s. 22-126. 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. Heaney B., M. (1999). The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. Chapter Electrical Conductivity and Resistivity. CRC Press. Holko, L., Gorbachova, L., Kostka, Z., (2011). Snow Hydrology in Central Europe. Geography Compass 5/4 (2011): 200–218, 10.1111/j.17498198.2011.00412.x. Hubačíková, V., (2002). Hydrologie. Skripta, Mendelova zemědělská a lesnická universita v Brně, 43 str., ISBN 80-7157-638-7. Jeníček, M., (2011). Základy hydrologie sněhu a ledu. Universita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta. Kociánová, M., Štursová, H., Štursa, J., Vaněk, J., Vávra, V., (1989). Nové nálezy barevného sněhu v Krkonoších. Opera Corcontica 26:151-158. Kořízek, V., (2006). Laviny - prevence. In: www.alpy4000.cz [online]. [cit. 2013-08-17]. Dostupné z: http://www.alpy4000.cz/soubory/prevence.pdf. Křístek, Š., Samec, P., Rychtecká, P., Holuša, J., (2008). Numerická analýza časové a prostorové distribuce sněhové pokrývky v povodí Ostravice (Moravskoslezské Beskydy) v zimách 2005/2006 a 2006/2007. Meteorologický časopis, 11, 107-117. Křístek, Š., Ubaňcová, N., Holuša, J., Tomeček, P., (2011). Měření vlastností sněhové pokrývky v lese a mimo les. Lesnický průvodce 2/2011 – certifikovaná metodika. Strnady. Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v. v. i., 75 s., ISBN 978-80-7417-044-7, ISSN 0862-7657. Němec, L., (2006). Vodní hodnota sněhové pokrývky [online]. [cit. 2013-12-06]. Dostupné z: http://old.chmi.cz/OS/metspol/prednasky/Nemec_vod ni_hodnota.pdf. Novák, M., (2011). Vyhodnocení změn v rybniční hrázi monitorovaných metodou EIS. Brno, 2011. 63 s., 2 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jana Pařílková, CSc. Novák, M., (2013). Monitorování sněhové pokrývky metodou EIS pro možnost stanovení vodní hodnoty sněhu. Brno, 2014. 85 s., 10 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jana Pařílková, CSc. 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.

141

Acta Hydrologica Slovaca, ročník 15, č. 1, 2014, 130 - 142 Paterson, W. S. B., (2001). The Physics of Glaciers. Butterworth-Heinemann. 2001. 481 s. ISBN 0750647426. Patočka, M., (2006). Fyzikální modelování šíření znečištění ve vodních tocích a způsoby jeho monitorování. Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jana Pařílková, CSc. 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, 66-73p, ISBN 97880-214-4537-6. Singh, P., Singh, V., (2011). Snow and glacier hydrology. Kluwer Academic Publisher, London, 742p. Škvarenina, J., Tomlain, J., Križová, E., (2002). Klimatická vodní bilance vegetačních stupňů na Slovensku. Meteorologické zprávy, 55, 103-109. Špulák, O., Souček, J., Černohous, V., (2012). Pozemní metody a technologie měření vodní hodnoty sněhu: review. Zprávy lesnického výzkumu, 57, 2012 (4):

304-313. Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti, v. v. i., VS Opočno. Radkovský, K. (2011). Description of Z-meter III construction. EUREKA 2011. Štramberk. ISBN 97880-214-4325-9, pp. 34-38. Ševčík, R. (2012). Calibration and metrological kontinuity of Z-meter III. EUREKA 2012. p. 23-33. ISBN 978-80214-4537-6. 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. Židek, D., Lipina, P., (2003). Návod pro pozorovatele srážkoměrných stanic. Ostrava. [1] Sníh – Wikipedie. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. 2013 [cit. 2013-09-09]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Sn%C3%ADh [2] Voda – Wikipedie. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. 2013 [cit. 2013-08-18]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Voda

MONITORING OF SNOW COVER USING EIS METHOD FOR DETERMINING THE POSSIBILITY OF SNOW WATER EQUIVALENT Snow is a seasonal phenomenon typical for mild to subpolar zones of the Earth. In these areas, the snow is important environmental factor which interacting with all components of ecosystems. Larger amounts of accumulated snow is called snow cover. Studying and understanding the properties of snow cover and ways of monitoring is a very complex issue. Snow water equivalent is indicative to quality control and the volume of water, climate changes and helps regulate biodiversity. Other important parameters are the snow density and hardness. Their knowledge helps e.g. in the prevention of avalanche danger. From this perspective was the method electrical impedance spectrometry tested as regional alternative measurement method. During the expansion of electrical engineering and advanced technology in the electronics industry are an indirect measurement methods used more often. 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. Measurement of snow cover by EIS method should be considered as a pilot measurement. It has verified the possibility of using the method and apparatus for that application. However, it is presumed that these results and dependencies will be gradually improved. 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.

doc. Ing. Jana Pařílková, CSc. Ing. Michael Novák 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]

142