MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA NÁZEV ÚSTAVU
Hydraulické parametry kolektoru krystalinika u Chotěboře Bakalářská práce
Vít Čermák
Vedoucí práce: Mgr. Tomáš Kuchovský, Ph.D.
Brno 2013
Bibliografický záznam Autor:
Název práce:
Vít Čermák Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav geologických věd Hydraulické parametry kolektoru krystalinika u Chotěboře
Studijní program:
Geologie
Studijní obor:
Geologie
Vedoucí práce:
Mgr. Tomáš Kuchovský, Ph.D.
Akademický rok:
2012/2013
Počet stran:
25
Klíčová slova:
hydraulické parametry; čerpací zkouška; stoupací zkouška; transmisivita; hydraulická vodivost; kolektor
Bibliographic Entry Author
Title of Thesis:
Vít Čermák Faculty of Science, Masaryk University Department of Geological science Hydraulic parameters of the crystalline-rock squifer near Chotěboř
Degree programme:
Geology
Field of Study:
Geology
Supervisor:
Mgr. Tomáš Kuchovský, Ph.D.
Academic Year:
2012/2013
Number of Pages:
25
Keywords:
hydraulic parameters; pumping test; recovery test; transmissivity; hydraulic conductivity; aquifer
Abstrakt V bakalářské práci byly vyhodnoceny hydrodynamické zkoušky ze čtyř nově vyhloubených vrtů v Chotěboři. Byly provedeny jak čerpací tak stoupací zkoušky. Následně byly vyhodnoceny a určeny hydraulické parametry, jako je transmisivita a hydraulická vodivost, ty byly srovnány s typickými hodnotami pro tento typ horniny.
Abstract This bachelor thesis deals with the hydrodynamic tests. These tests were made at four new hydrogeological well in Choteboř. Tests were made with method pumping and recovery.
Hydraulic
parameters
were evaluated and determined. Main
hydraulic
parameters were transmissivity and hydraulic conductivity. This parameters were compared with typical values for this type of rock.
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svému školiteli Mgr. Tomáši Kuchovskému, Ph.D. za cenné připomínky, rady, trpělivost a za odborné vedení bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat firmě Studnařství Čermák a synové za poskytnutí dokumentace a celé mojí rodině, bez jejíž podpory by tato bakalářská práce nemohla vzniknout.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracoval samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 1. měsíce 2013
……………………………… Jméno Příjmení
Obsah 1. Úvod ................................................................................................................................. 1 2. Geomorfologie ............................................................................................................... 2 3. Klimatické poměry ....................................................................................................... 2 4. Regionální geologické zařazení ................................................................................. 2 5. Hydrogeologická prozkoumanost ............................................................................. 3 6. Zvodnělé systémy, hydrogeologické kolektory a izolátory .................................. 4 7. Proudění vod, hydrodynamická a hydrochemická zonálnost ............................. 5 7.1.
Skupina svrchních zvodní ................................................................................................. 5
7.2.
Skupina spodních zvodní ............................................................................................... 5
8. Způsob zpracování hydraulických dat...................................................................... 5 8.1.
Index transmisivity Y a index hydraulické vodivosti Z ................................................ 6
9. Hydrogeologický masív ............................................................................................... 7 9.1.
Zóna zvětralin a připovrchového rozpojení puklin ..................................................... 7
9.2.
Hlubší zóna hydrogeologického masívu ..................................................................... 12
10. Proudění podzemních vod ........................................................................................ 12 10.1. Proudění podzemních vod v hydrogeologickém masívu........................................... 13
11. Metodika ....................................................................................................................... 13 11.1. Typy zvodní ................................................................................................................... 13 11.2. Hydrodynamické zkoušky............................................................................................ 13 11.2.1.stoupací zkoušky .................................................................................................. 14 11.3. Hydraulické parametry ................................................................................................ 14 11.4. Pracovní postup ............................................................................................................ 16
12. Výsledky ........................................................................................................................ 17 13. Diskuze .......................................................................................................................... 20 14. Závěr .............................................................................................................................. 20 15. Literatura...................................................................................................................... 21 16. Seznam příloh .............................................................................................................. 22
1. Úvod Tato práce se zabývá tématem vyhodnocování hydrodynamických zkoušek a následné vyhodnocování hydraulických parametrů, konkrétně je to transmisivita a hydraulická vodivost. Ve městě Chotěboř byly v roce 2010 firmou Studnařství Čermák a synové vyhloubeny 4 nové hydrogeologoické vrty o hloubkách 22 – 40 metrů. Vrty zastihly kolektor krystalinika budovaný pararulami s mělkou zvodní. Po určení hydraulický parametrů budou hodnoty srovnány s typickými hodnotami pro daný typ horniny na dané lokalitě. Studované území se nachází v kraji Vysočina, v havlíčkobrodském okrese.
10 km
GPS: 49°43'7.238"N, 15°39'47.36"E
Obr. 1: Mapa území (NAVTEQ 2010).
- označení lokality
100 m
Obr. 2: Fotografie lokality (GEODIS Brno, 2010). -1-
- umístění vrtu
2. Geomorfologie Lokalita náleží provinci Česká vysočina, subprovincii Česká-moravská soustava, oblasti
Českomoravská
vrchovina,
celku Hornosázavká
pahorkatina, podcelku
Havlíčkobrodská pahorkatina a okrsku Chotěbořská pahorkatina (Demek, 2006). Charakteristickým rysem Chotěbořské pahorkatiny je dodnes to, že byla vždy souší a byla permanentně více či méně denudována. Ještě dnes po tektonickém výzdvihu připomíná celá vrchovina slabě vyklenutou parovinu. Její stavba je hluboce zbroušená. Na studovaném území jsou zastoupené půdy podzolové až podzoly a půdní druh kamenité půdy (Krásný et. al., 1982).
3. Klimatické poměry Území spadá do oblasti mírně teplé a do okrsku B8 – mírně teplý, vlhký, vrchovinný. Průměrné měsíční a roční a srážky (viz. Tab. 1). Tab. 1: Průměrné měsíční a roční úhrny srážek (mm) ( Krásný et. al., 1982). Lokalita m.n.m Chotěboř 522
I
II
III
IV
V
51
52
42
52
74
VI
VII
81 104
VIII
IX
X
XI
XI
I-XII
I-IX
X-XII
83
49
55
43
46
732
443
232
4. Regionální geologické zařazení Území se nachází v centrální části Českého masivu. Na studovaném území vystupují krystalinické a z části proterozoické a staropaleozocké horniny. Na lokalitě je zastoupeno české moldanubikum a to biotitickými a silimanobiotitickými pararulami, místy migmatitickými. Rozdíly v množství a rozsahu poloh odlišných hornin v pararulách (kvarcity, krystalinické vápence, amfiboly, ortoruly) umožňují rozlišit tzv. pestrou sérii (s častějším výskytem poloh uvedených hornin) a jednotvárnou sérii, obsahující vložky odlišných hornin jen ojediněle ( Krásný et. al., 1982). Migmatity tvoří lem ortorulových těles a moldanubického plutonu. Malá část území v okolí
Chotěboře
náleží
strážeckému
krystaliniku,
oddělenému
od
českého
moldanubika přibyslavskou tektonickou zónou ( Krásný et. al., 1982). Moldanubikum je v dnešním nejvíce rozšířeném tektonostratigrafickem pojetí představováno v sukcesi od strukturního podloží do nadloží třemi litotektonickými jednotkami
ostrongskou,
drosendorfskou
a
gföhlskou.
První
jednotka
v litostratigrafickém pojetí českých autorů odpovídají monotónní (ostrongská skupina) -2-
skupině a další dvě pestré (drosendorfská skupina, gföhlská skupina) skupině moldanubika (Kachlík, 2003). Legenda: pararula až svorová rula rula až migmatit pararula svor rula svorová dvojslídný migmatit až ortorula amfibolit serpentinit
Obr. 3: Výřez geologické mapy 1:50 000 (ČGS, 2010).
- označení lokality
5. Hydrogeologická prozkoumanost Publikovaných prací zabývajících se hydrogeologickými poměry území je ve srovnání s množstvím
archivovaného
materiálu
málo.
Na
území
je
zastoupen
celek
hydrogeologický masív, který je charakteristický nerovnoměrnou a v řadě oblastí nízkou hydrogeologickou prozkoumaností. Tvoří jej krystalinikum, proterozoikum a starší paleozoikum. K řešení otázek aplikované hydrogeologie je území rozděleno na rajony (mají odlišné hydraulické vlastnosti, hydrologickou funkci, zákonitosti proudění podzemních vod a regionální rysy vertikální hydrodynamické a hydrochemické zonálnosti), (Krásný et. al., 1982).
-3-
Obr. 4: Hydrogeologický rajón: R 53 – oblast vltavsko-dunajské elevace 1 – hranice hydrogeologického rajónu; 2 – hranice překrytého hydrogeologického rajónu (Krásný et. al., 1982).
6. Zvodnělé systémy, hydrogeologické kolektory a izolátory Zvodněný systém je prostorový hydrogeologický celek (vzájemně propojená soustava zvodněných kolektorů) s charakteristickým vnitřním uspořádáním (mikrostruktury a makrostruktury),
omezený
hranicemi
s určitými
okrajovými
podmínkami.
Hydrogeologickým kolektorem je horninové těleso výrazně propustnější než horniny v jeho okolí, zatímco hydrogeologický izolátor je tvořen horninami s výrazně menší propustností než okolní horninové prostředí. Na základě typizace zvodněných systémů je možno hydrogeologický masív považovat za jednokolektorový zvodnělý systém, kde se jediný regionálně rozšířený kolektor nachází v zóně zvětralin a připovrchového rozpojení hornin. Mocnost tohoto kolektoru, probíhajícího víceméně konformně s povrchem terénu, nepřesahuje obvykle několik desítek metrů. Propustnost a transmisivita uvedeného kolektoru závisejí různou měrou na petrografickém charakteru příslušných hornin, na jejich tektonickém postižení a na morfologické a hydrologické pozici (Krásný et. al., 1982).
-4-
7. Proudění vod, hydrodynamická a hydrochemická zonálnost Charakter proudění podzemních vod závisí zejména na geometrii a propustnosti kolektorů, jejich vzájemném vztahu, míře netěsnosti izolátorů a pozici kolektorů vůči erozní bázi. Na jednotlivé kolektory jsou vázány zvodně – hydraulicky souvislé jednotné akumulace gravitační podzemní vody. Z hlediska významných rysů proudění podzemních vod lze na území vymezit 2 základní skupiny zvodní: 7.1. Skupina svrchních zvodní Svrchní zvodně jsou vázané na různé kolektory, většinou nepřekryté s regionálně rozšířenými izolátory; k infiltraci proto dochází převážně v celé ploše jejich rozšíření. Příznačné je víceméně lokální proudění podzemních vod s drenáží v úrovni nebo nad úrovní místních erozních bází. Hladina je vesměs volná nebo mírně napjatá. Do této skupiny náleží svrchní zvodeň s. s., vázaná na pásmo zvětralin a připovrchového rozpojení puklin různých hornin. 7.2. Skupina spodních zvodní Spodní zvodně vesměs zahrnují napjaté zvodně, vázané především na hlouběji uložené žilné zvodně v krystaliniku. Specifickými vlastnostmi těchto zvodní jsou obvykle omezená infiltrace, proudění většího plošného a hloubkového dosahu (obvykle zpomalené) a zvláštní fyzikálně chemický charakter podzemních vod (Krásný et. al., 1982).
8. Způsob zpracování hydraulických dat Velikost a relace hodnot hydraulických parametrů určují hydrogeologickou funkci hornin, tj. existenci kolektorů a izolátorů. Hodnocení hydraulických vlastností hornin je provedeno převážně na základě jednotného zpracování rozsáhlého archivního materiálu. Přihlíželo se především k výsledkům čerpacích zkoušek, provedených na vrtech a studních, orientačně jsme se řídili rovněž údaji o četnosti a vydatnosti pramenů. Podkladem
pro
vyjádření
výše
transmisivity
bylo
zpracování
srovnávacích
hydraulických parametrů, tj. indexu transmisivity Y a indexu propustnosti Z (Krásný et. al., 1982).
-5-
8.1. Index transmisivity Y a index hydraulické vodivosti Z Srovnávací hydrologické parametry Y a Z, k jejichž odvození nás vedla snaha po maximálním využití běžných hydrogeologických informací při regionálním studiu, představují určité logaritmické transformace hodnot specifické vydatnosti (podílu odebírané
vydatnosti
a
příslušného
snížení
hladiny)
a
jsou
současně
aproximativními logaritmickými charakteristikami transmisivity a hydraulické vodivosti. Vyjádříme-li specifickou vydatnost jako q = Q/s
(1)
kde Q = odebíraná vydatnost v litrech za sekundu, s = příslušné snížení hladiny v metrech (tedy q v litrech za sekundu na metr snížení), je index hydraulické vodivosti Z definován vztahem Z = log (106q/b)
(2)
(b = mocnost zvodněného kolektoru v metrech). Při neúplném otevření mocnosti zvodněnce nebo tam, kde je určení zvodněnce problematické či nemožné (rozpukaný horninový masív apod.), lze použít místo výše definovaného parametru b, tzv. index hydraulické vodivosti otevřeného úseku vrtu ZL = log (106q/L)
(3)
Symbol L označuje délku otevřeného úseku ve vrtu pod hladinou podzemní vody – tj. délku úseku, v němž dochází k laterálnímu kontaktu mezi vrtem a zvodněným kolektorem – ať již nezapaženou stěnou vrtu nebo prostřednictvým perforace. Parametr ZL je ovšem v méně jednoznačném kvantitativním vztahu ke skutečné hydraulické vodivosti kolektoru než index Z. Index transmisivity je pak definován vztahem Y = log (106q)
(4)
Ze srovnání vztahů vyplývá vztah: Z = Y – log b
(5)
(b v metrech), platný pro úplné vrty a použitelný s výhodou v praxi k sestavení hodnot Z místo vzorce Z = log (106q/b), (Jetel, 1985).
-6-
9. Hydrogeologický masív Je to oblast rozšíření krystalinických, proterozoických a staropaleozoických hornin. Společným rysem je existence jediného regionálně rozšířeného kolektoru, zaujímajícího zónu zvětralin a připovrchového rozpojení puklin (zónu vlivu zvětrávacích procesů). Propustnost tohoto kolektoru závisí na charakteru zvětralin a nepřesahuje obvykle několik desítek metrů. Směrem do hloubky propustnost výrazně klesá, jen v některých tektonických zónách může být vyšší propustnost i ve větších hloubkách. Většina provedených vrtů (a tím spíše kopaných studní) je omezena právě na uvedenou připovrchovou zónu; o propustnosti hlubších partií můžeme čerpat informace především z důlních děl (Krásný et. al., 1982). 9.1. Zóna zvětralin a připovrchového rozpojení puklin Zvětraliny v oblasti hydrogeologického masívu mají převážně jílovitopísčitý až písčitojílovitý charakter. V oblastech metamorfovaných sedimentárních hornin (zejména neinjikovaných biotitických pararul) převládá jílovitá složka. Do podloží zvětraliny pozvolna přecházejí do silně zvětralé horniny často i hustěji rozpukané a rozvolněné. Otevřené pukliny jsou zpravidla vyplněny materiálem obdobným nadložním zvětralinám, nebo jsou prázdné. Podle vrtných prací, použitých pro sestavení hydrogeologické mapy, bývá mocnost zvětralin nejčastěji 1-5 m, s rozdíly v závislosti
na
petrografickém
charakteru
horniny,
morfologické
pozici
a tektonickém porušení. Mocnosti přes 10 m bývají výjimečné. Dosah vlivu zvětrávacích procesů je podle výsledků vrtných prací obvykle do 10 - 20 m, ve větších hloubkách bývá patrný jen v tektonicky porušených zónách. Na celém hydrogeologickém masívu převládá nízký stupeň transmisivity, vyjádřený indexem nižším než 5,0. Množství údajů z hydrogeologických vrtů a kopaných studní v oblasti hydrogeologického masívu umožnilo provést jednoduchou stratigrafickou analýzu hodnot transmisivity (popř. hydraulické vodivosti) k posouzení vlivu různých faktorů na výši hydraulických parametrů. K tomu účelu byla existující data rozdělena podle různých hledisek do výběrových souborů, pro něž byly zjišťovány základní statistické charakteristiky, umožňující kromě posouzení vlivu příslušných faktorů též odhadnout pravděpodobné intervaly výskytu určité části souboru nebo stanovit tzv. intervaly spolehlivosti pro odhad statistických charakteristik základního souboru (Tab. 2 a obr. 5, 6), (Krásný et. al., 1982). -7-
Tab. 2: Základní statistické charakteristiky transmisivity vybraných souborů podle výsledků čerpacích zkoušek, provedených v hydrogeologických vrtech a kopaných studní – hydrologický masiv,
– aritmetický průměr souboru,
rozpětí, s – směrodatná odchylka,
± s
– medián, R – variační
– pravděpodobný interval výskytu 68% všech
hodnot, μ – aritmetický průměr základního souboru, σ – směrodatná odchylka základního souboru (upraveno podle Krásný et. al., 1982). soubor (celek)
n
index transmisivity Y min.
Moldanubikum -pestrá série, většinou pararuly -vrty
14/5
max.
R
s
±s
μ
σ
(2,2) 3.94 3,85 5,61 (3,41) 0,99 2,95-4,93 3,35-4,53 0,75-1,65
odhad odpovídajícího T(m2/s) μ (n . 10-6) 2,4-37,5
Obr. 5: Variabilita hydraulické vodivosti hornin (hydrogeologický masív) 1 – s – velikost směrodatné odchylky výběrového souboru; σ – odhad intervalu výskytu směrodatné odchylky základního souboru (s pravděpodobností 0,95); plná úsečka, tvořící základnu obdélníků vyjadřujících σ, znamená soubor vrtů, čárkovaná úsečka soubor kopaných studní; 2-5 – šrafa v obdélníku vyjadřuje převládající petrografický charakter souboru; 2 – sedimenty, 3 – parametamorfity, popř. metamorfity všeobecně, 4 – ortometamorfity, 5 – magmatity; tečky ve šrafě značí, že jde o soubor vrtů (studní), které
zastihly
rovněž
významnější
kolektor,
tvořený
kvartérními
většinou
štěrkopískovými sedimenty fluviálního původu. Označení znázorněných souborů: (české) moldanubikum: PS – pestrá série (upraveno podle Krásný et. al., 1982).
-8-
Obr. 6: Variabilita transmisivity – 1 – s – velikost směrodatné odchylky výběrového souboru; σ – odhad intervalu výskytu směrodatné odchylky základního souboru (s pravděpodobností 0,95); plná úsečka, tvořící základnu obdélníků vyjadřujících σ, znamená soubor vrtů, čárkovaná úsečka soubor kopaných studní; 2-5 – šrafa v obdélníku vyjadřuje převládající petrografický charakter souboru; 2 – sedimenty, 3 – parametamorfity, popř. metamorfity všeobecně, 4 – ortometamorfity, 5 – magmatity; tečky ve šrafě značí, že jde o soubor vrtů (studní), které zastihly rovněž významnější kolektor, tvořený kvartérními většinou štěrkopískovými sedimenty fluviálního původu. Označení znázorněných souborů: (české) moldanubikum: PS – pestrá série (upraveno podle Krásný et. al., 1982). Ve všech případech třídění podle určitých kritérií (geologie, petrologie, morfologie atd.) byly zvlášť vymezeny soubory vrtů a kopaných studní, neboť vzhledem k různým hloubkám těchto objektů charakterizujeme každý z takto vymezených souborů
hydraulickou
vodivost
(transmisivitu)
jiného
hloubkového
úseku
vertikálního profilu: kopané studny většinou propustnost zvětralin, vrty propustnost hlubší rozpukané zóny. Jde tedy o soubory odlišné svou podstatou. Eventuální shoda statistických parametrů je tedy projevem náhody, nikoli důkazem příslušnosti výběrových souborů vrtů a studní k témuž souboru základnímu. Poměrně často se v oblasti hydrogeologického masívu vyskytují tzv. negativní vrty. Jsou to většinou vrty hloubené při účelovém průzkumu, jejichž vydatnost nedosáhla požadované hodnoty a z nichž obvykle nebývají k dispozici potřebné údaje. Vyloučením těchto vrtů a určením základních a statistických charakteristik souboru bez negativních vrtů docházíme k příznivějším výsledkům z hlediska nadějnosti pro eventuální budoucí využití podzemních vod. K posouzení rozdílů transmisivity a hydraulické vodivosti hornin hlavních geologických celků byly zjišťovány základní statistické charakteristiky vymezených souborů (Tab. 2 a obr. 7, 8), (Krásný et. al., 1982). -9-
Obr. 7: Velikost transmisivity hornin (hydrogeologický masív) 1 – zjištěná minimální a maximální hodnota příslušného souboru; 2 – minimální hodnota souboru s přítomností tzv. negativních vrtů, odhadnutá z grafu relativních kumulativních četností; 3 – aritmetický průměr výběrového souboru; 4 – x – medián, x ± s – pravděpodobný interval výskytu 68 % všech hodnot příslušného souboru kolem aritmetického průměru, μ – odhad intervalu výskytu aritmetického průměru základního souboru (s pravděpodobností 0,95); plná úsečka, označující interval x ± s, znamená soubor vrtů, čárkovaná úsečka soubor kopaných studní; 5-8 – šrafa v obdélníku μ vyjadřuje převládající petrografický charakter souboru; 5 – sedimenty, 6 – parametamorfity, popř. metamorfity všeobecně, 7 – ortometamorfity, 8 – magmatity; tečky ve šrafě značí, že jde o soubor vrtů (studní), které zastihly rovněž významnější kolektor, tvořený kvartérními většinou štěrkopískovými sedimenty fluviálního původu. Označení znázorněných souborů: (české) moldanubikum: PS – pestrá série (upraveno podle Krásný et. al., 1982).
Obr. 8: Velikost hydraulické vodivosti hornin (hydrogeologický masív) 1 – zjištěná minimální a maximální hodnota příslušného souboru; 2 – minimální hodnota souboru s přítomností tzv. negativních vrtů, odhadnutá z grafu relativních kumutativních četností; 3 – aritmetická průměr výběrového souboru; 4 – x – medián, x ± s – pravděpodobný interval výskytu 68 % všech hodnot příslušného souboru kolem aritmetického průměru, μ – odhad intervalu výskytu aritmetického průměru základního - 10 -
souboru (s pravděpodobností 0,95); plná úsečka, označující interval x ± s, znamená soubor vrtů, čárkovaná úsečka soubor kopaných studní; 5-8 – šrafa v obdélníku μ vyjadřuje převládající petrografický charakter souboru; 5 – sedimenty, 6 – parametamorfity, popř. metamorfity všeobecně, 7 – ortometamorfity, 8 – magmatity; tečky ve šrafě značí, že jde o soubor vrtů (studní), které zastihly rovněž významnější kolektor, tvořený kvartérními většinou štěrkopískovými sedimenty fluviálního původu. Označení znázorněných souborů: (české) moldanubikum: PS – pestrá série (upraveno podle Krásný et. al., 1982). V některých případech nebyly popisy jednoznačné; pak bylo zařazení k určitému geologickému celku (petrografickému typu) provedeno podle geologické mapy 1:200 000. Tato situace nastávala většinou u málo hlubokých kopaných studní vyhloubených ve zvětralinách. Pro posouzení vlivu morfologické pozice (a tím do určité míry i hydrogeologické pozice – oblasti infiltrace a drenáže) na hydraulické vlastnosti hornin byly existující vrty roztříděny s přihlédnutím k jejich geologické příslušnosti do následujících souborů podle jejich situace: – vrty v plochých údolích, vrty na svazích a vrty na vrcholech. (obr. 9). (Krásný et. al., 1982).
Obr. 9: Vliv morfologické pozice vrtů na tranmisivitu hornin (hydrogeologický masív) 1 – zjištěná minimální a maximální hodnota příslušného souboru; 2 – aritmetický průměr souboru; 3 –
± s – pravděpodobný interval výskytu 68 % všech hodnot
příslušného souboru kolem aritmetického průměru
(s = směrodatná odchylka
souboru); 4-7 – šrafa v obdélníku znázorňujícím interval
± s vyjadřuje morfologickou
pozici vrtů tvořících soubor; 4 – hluboká údolí (označení H ve sloupku vlevo), 5 – plochá údolí (Ú), 6 – svahy (S), 7 – vrcholy (konvexní formy terénu – V); 8 – počet prvků souboru, z toho N – počet negativních vrtů, Q – počet vrtů, u nichž je k dispozici jen údaj o vydatnosti (ověřená vydatnost nad 0,25 l/s) (upraveno podle Krásný et. al., 1982).
- 11 -
Na základě již popsané orientační statistické analýzy hydrogeologických parametrů lze konstatovat, že hlavním faktorem ovlivňujícím výši transmisivity a propustnosti hydrogeologického masivu v zóně zvětralin a připovrchového rozpojení puklin je morfologická pozice jímacího objektu. Vrty situované v údolích mají v průměru výrazně větší vydatnosti než vrty situované mimo ně. Tato skutečnost nepochybně souvisí s obvyklou tektonickou predispozicí údolí. Pozitivní vliv na zvýšení hodnot hydraulických parametrů těchto oblastí zřejmě mají i obvyklé nahromadění propustnějších kvartérních sedimentů v údolích a hydrogeologické podmínky
(sekulární
kolmace
infiltračních
oblastí
a
současně
sufoze),
( Krásný et. al., 1982). 9.2. Hlubší zóna hydrogeologického masívu V této zóně nelze sice vyloučit vliv zvětrávacích procesů na zvýšení propustnosti hornin například podél poruchových zón, jež se však neprojevuje v regionálním měřítku, jako tomu bylo v zóně zvětralin a připovrchového rozpojení puklin. Propustnost hornin v hlubší zóně hydrogeologického masívu je určena především charakterem
rozpukání
a
zlomové
tektoniky,
hustotou
a
výplní
zlomů.
Metamorfované horniny moldanubika jsou středně až velmi hustě rozpukané. V komplexu
pararul
moldanubika
v zónách
nenarušených
zvětráváním
a povrchovým rozvolněním se tektonika ani charakter rozpukání na výrazných změnách propustnosti významně neodrážejí (Krásný et. al., 1982).
10. Proudění podzemních vod Možnosti proudění podzemních vod závisí na makrostruktuře a mikrostruktuře kolektorů, a tím i na charakteru hydrogeologických těles prvního řádu – zvodněných systémů, které kolektory vytvářejí – a na míře infiltrace a pozici zvodněných systémů vůči územím drenáže, zejména erozním bázím. Na kolektory jako součásti zvodněných systému jsou vázány jednotné akumulace gravitační podzemní vody – zvodně. Přes jejich časté vzájemné hydraulické souvislosti lze na listu vymezit řadu zvodní (typů zvodní) se specifickými rysy prodění podzemních vod a shrnout je do dvou skupin: skupina svrchních zvodní a skupina spodních zvodní ( Krásný et. al., 1982).
- 12 -
10.1. Proudění podzemních vod v hydrogeologickém masívu K proudění podzemních vod v hydrogeologickém masívu dochází zejména ve zvětralinovém plášti a v rozpukané zóně (v pásmu připovrchového rozpojení) těchto hornin. Hlubší významné proudění podzemních vod, vázané na zlomové zóny, nebylo ve studovaném území doloženo. Všeobecně je pro uvedené prostředí příznačné víceméně lokální proudění, s infiltrací v celé ploše rozšíření příslušných hornin (infiltrační území nelze prakticky oddělit od oblasti podzemního toku). K drenáži obvykle dochází v úrovni erozních bází různého řádu pozvolnými výrony do povrchových toků, zprostředkovaných nejčastěji deluviálními a fluviálními sedimenty. Pramenní vývěry nižších vydatností jsou většinou vázány na dna terénních prohlubin nebo v morfologicky členitých oblastech na výrazné změny sklonu terénu. Hladina zvodní bývá volná nebo jen mírně napjatá. Většinou se nachází v nevelké hloubce pod terénem, v závislosti na morfologii terénu a propustnosti hornin (Krásný et. al., 1982).
11. Metodika 11.1. Typy zvodní Z hlediska hydrogeologické funkce hornin a zemin rozlišujeme hydrogeologické kolektory a hydrogeologické izolátory. Kolektor se liší od přilehlého okolí svojí zvýšenou propustností a schopností propouštět podzemní vodu. Izolátor má naopak relativně nižší propustnost a tím i nižší schopnost propouštět podzemní vodu nebo její proudění úplně zamezit. Pokud přes izolátor může do kolektoru protékat nezanedbatelné množství vody, nazývá se poloizolátor. Izolátory a poloizolátory dále rozdělujeme na základě jejich pozice vůči kolektoru na stropní izolátory a na počevní izolátory (Jetel 1982). 11.2. Hydrodynamické zkoušky Odběrové, stoupací, nálevové a jiné hydrodynamické zkoušky jsou základním zdrojem informací o fyzikálně-hydrogeologických parametrech zvodně získaných přímo in situ. Jsou odrazem vlastností zvodněného kolektoru, které můžeme jejím vyhodnocením získat. Umožňují dále i objasnění vzájemných hydraulických vztahů mezi jednotlivými objekty, zjištění maximálního možného využití objektů, poznání okrajových podmínek, poznání kvality jímané vody, atd. Při vyhodnocení těchto zkoušek vychází z poznatků a ze zákonů podzemní hydrauliky. Pro čerpací zkoušky - 13 -
platí ČSN 73 6614. Tuto normu lze obecně vztáhnout i na přetokové a stoupací zkoušky s tím, že se jedná o testování okrajových podmínek, jejich úplnosti a dokonalosti, a dále o testování vztahů mezi objekty a zvodněnými vrstvami. Norma neplatí pro čerpací zkoušky na podzemní vody proplyněné, termální a vícefázové. Obsahuje názvosloví, technické požadavky, druhy čerpacích zkoušek, odběry vzorků a podmínky provozu čerpacího zařízení (Bujok a Grmela 1992). Hydrodynamické zkoušky a jejich podmínky, za kterých probíhají, jsou rovněž rozhodující jak pro stanovení postupu, tak pro volbu příslušné interpretační metody a lze je rozdělit do 4 základních skupin ukazatelů: a) podmínky ustálenosti proudění (ustálenost proudění dosažená během zkoušky) b) podmínky spojené s rozměry, konstrukcí a účinkem zkušebního objektu, ve kterém daná zkouška probíhá c) přírodní hydrogeologické podmínky d) podmínky uspořádání zkoušky a systému pozorování (Jetel 1982). 11.2.1. stoupací zkoušky Pozoruje se průběh vzestupu hladiny nebo tlaku ve zkušebním objektu po zastavení odběru. Stoupací zkouška se obvykle provádí po skončení zkoušky čerpací. Hladina tekutiny (v našem případě vody ve vrtu) v pozorovaném objektu stoupá stejně jako v původně čerpaném vrtu. Nástup hladiny odpovídá stavu, kdy do objektu bylo naléváno stejné množství vody jako množství vody čerpané. Podle rovnice je zde vyjádřeno tzv. zbytkové snížení s´
(6)
kde Q je známý konstantní průtok z čerpací zkoušky, T je transmisivita zkoumaného kolektoru, tp je délka trvání odběru před stoupací zkouškou a t je čas od začátku stoupací zkoušky (Jetel 1982). 11.3. Hydraulické parametry Hydraulické charakteristiky zvodněných formací dělíme na charakteristiky odporové, kapacitní a kapacitně-odporové charakteristiky. Odporové charakteristiky charakterizují schopnost formace propouštět kapaliny, kapacitní charakteristiky vyjadřují schopnost kapaliny akumulovat a uvolňovat a kapacitně-odporové - 14 -
charakteristiky popisují rychlost šíření hydraulických vzruchů ve zvodněných formacích (Šráček a Kuchovský 2003). Mezi základní odporové charakteristiky patří transmisivita T ( m2/s). Ta je součinem hydraulické vodivosti a saturované mocnosti kolektoru, (7)
kde b je mocnost kolektoru v (m). Tento parametr zohledňuje vliv mocnosti formace na průtok, protože při stejné hodnotě hydraulické vodivosti protéká větší objem kapaliny formací o vyšší mocnosti (Šráček a Kuchovský 2003). V našem případě je transmisivita vypočítána podle následujícího vztahu: (8) Kde Q je odebíraná vydatnost v (m3/s) a i je směrnice grafu, která je dána vztahem: (9)
Kde Δs = s2 – s1, Δlog t´ = log t2´ – log t1´; s1, t1´ a s2, t2´ jsou hodnoty odpovídající libovolným dvěma bodům na reprezentativních přímkových úsecích (Jetel 1982). Další odporová charakteristika použita v této bakalářské práci je hydraulická vodivost (m/s), která lze vyjádřit jako podíl hodnoty transmisivity a mocnosti kolektoru.
(10)
Kde k je hydraulická vodivost, T je známá hodnota transmisivity a b je mocnost zvodněného kolektoru v (m), (Šráček a Kuchovský 2003). V bakalářské práci byly použity pro interpretaci výsledků stoupacích zkoušek semilogaritmické grafy konstruované v souřadnicích s = s0´ – s´
(11) a
log t´ = log (t/t + tp)
- 15 -
(12)
kde s0´ = snížení hladiny v okamžiku zastavení odběru na začátku stoupací zkoušky (při t = 0), s´ = zbytkové snížení v čase t a tp = délka trvání odběru před stoupací zkouškou. Křivka má pak podobný tvar jako křivky s = f (log t) při odběrových zkouškách s tím rozdílem, že zde místo snížení hladiny vynášíme zvýšení hladiny od začátku stoupací zkoušky, tj. s podle (11) a místo času t bezrozměrný čas t´ = t/(tp + t). V praxi ovšem není nutno počítat přímo hodnoty s podle (11), ale postačí vynášet na svislé ose úrovně naměřené hladiny v přirozeném smyslu osy – tj. hloubku hladiny shora dolů. Ke konstrukci semilogaritmického grafu tedy není třeba předem znát úroveň statické hladiny (bez které by nebylo možné vyčíslit s´), neboť do výpočtu nevstupují samotné hodnoty s´ nebo s, ale pouze jejich rozdíly. Vynášíme-li tedy úroveň hladiny [tj. s ze vztahu (11)] na ose pořadnic proti logaritmu bezrozměrného času (12) na ose úseček, vytvoří graf po určitém čase v ideálním případě přímku, jejíž směrnice je dána vztahem (9), (Jetel 1982). 11.4. Pracovní postup S pomocí firmy Čermák a synové jsem na 4 vrtech (HV-01, HV-02, HV-03, HV-04) provedl hydrodynamické zkoušky, nejprve jsem čerpal konstantní množství vody Q v čase tp (délka trvání odběru před stoupací zkouškou). Po přerušení odběru konstantní vydatnosti Q bude hladina ve vrtu stoupat v závislosti na čase tak, jako kdyby pokračoval odběr vydatnosti Q (tj. fiktivní přítok do vrtu – Q). Zbytkové snížení s´ (rozdíl mezi hladinou ve vrtu v čase t od začátku stoupací zkoušky) lze pak vyjádřit podle Theise (1935) jako rovnice (6), (Jetel 1982). Z důvodu absence pozorovacího vrtu byly výsledky interpretovány pomocí zkoušek stoupacích a vyhodnocení bylo provedeno pomocí Theisovy metody. Hydrodynamické zkoušky byly provedeny tak, že časový průběh stoupací zkoušky převyšuje časový průběh zkoušky čerpací. Z naměřených hodnot byl pro každý hydrogeologický vrt vypracován semilogaritmický graf. K vytvoření grafů a vypočítání hydraulických parametrů jsem použil program Microsoft Excel.
Vytvořenými grafy (viz. přílohy 16.1, 16.2, 16.3, 16.4) jsem
reprezentativním úsekem grafu proložil přímku. Na této přímce jsem si libovolně zvolil dva body a odečetl z nich hodnoty s1, t1´ a s2, t2´, tyto hodnoty jsem dosadil do vztahu (9). Tím jsem určil směrnici grafu a za pomoci vzorce (8) jsem vypočítal hodnotu transmisivity T v (m2/s). Když známe hodnotu T, tak jí dosadíme do vztahu (10). Dalším výpočtem v bakalářské práci bylo zjištění indexu Y a Z. Index Y se - 16 -
spočítá podle vzorce (4), kde q vypočítáme podle vzorce (1), index Z podle vzorce (3), protože nedokážeme přesně určit mocnost zvodněnce, dosadíme délku otevřeného úseku L.
12. Výsledky V tabulce (Tab. 3) jsou přehledně shrnuty vypočítané hodnoty jednotlivě pro každý vrt zvlášť.
V tabulce jsou jak výsledky hydraulických parametrů z vyhodnocených
stoupacích zkoušek, tak indexy transmisivity Y a hydraulické vodivosti Z a další nezbytné veličiny potřebné k výpočtům podle uvedených vzorců. Tab. 3: Vypočítány hodnoty hydraulických parametrů a indexů Y a Z Q – známá odebíraná vydatnost při čerpací zkoušce, ∆s – hodnota snížení, b = L – mocnost zvodněného kolektoru, T je transmisivita zkoumaného kolektoru, k – hydraulická vodivost, Y – index transmisiviti, Z – index hydraulické vodivosti. Označení vrtu
HV-01
HV-02
HV-03
HV-04
Q [m3/s]
5,00E-04
1,45E-03
9,00E-04
9,00E-04
∆s [m]
10,8
17,6
13
13,6
b = L [m]
24
14
25
19
T [m2/s]
9,25E-07
3,08E-06
3,55E-07
6,19E-07
k [m/s]
3,85E-08
2,20E-07
1,42E-08
3,26E-08
index Y
4,67
4,92
4,84
4,82
index Z
3,29
3,77
3,44
3,54
V tabulce (Tab. 4) je odvozena propustnost hornin podle Jetela (1973), z výsledků odpovídají horniny krystalinika třídě propustnosti IV, tj. slabě propustné. Tab. 4: Propustnost hornin podle Jetela (1973).
Vrt
Hydraulická vodivost k (m/s)
Koeficient propustnosti K (m2)
Třída propustnosti
Označení hornin podle stupně propustnosti
HV-01
9,25E-07
1∙10-14
VI
slabě propustné
HV-02
3,08E-06
1∙10-14
VI
slabě propustné
HV-03
3,55E-07
1∙10-14
VI
slabě propustné
HV-04
6,19E-07
1∙10-14
VI
slabě propustné
- 17 -
Z hodnot v tabulce (Tab. 3) lze určit intervaly, ve kterých se vypočítané hodnoty vyskytují. Transmisivita T nabývá hodnot 9,25E-07 – 3,08E-06 m2/s, hydraulická vodivost k – 3,85E-08 – 2,20E-07 m/s. (viz. Obr. 10. a 11.). Index Y – 4,67-4,92 a index Z – 3,29-3,77 (viz. Obr. 12.).
Obr. 10: Graf hodnot transmisivit T.
- 18 -
Obr. 11: Graf hodnot hydraulických vodivostí k.
Obr. 12: Graf hodnot indexů trasnmisivit Y a hydraulických vodivostí Z. - 19 -
13. Diskuze Pro regionální hodnocení zvodněných kolektorů má daleko větší význam vyšší počet údajů rozmístěných podle možnosti po celém zkoumaném území (i kdyby byly tyto údaje méně přesné) než vysoká přesnost údajů při jejich nižším počtu. Snaha po maximálním využití dostupné hydrogeologické informace vedla k definování přibližných logaritmických parametrů – indexu transmisivity Y a indexu hydraulické vodivosti Z, odvozených také jako srovnávací hydrogeologické parametry (Jetel 1982). Proto jsem po vypočítání transmisivit a hydraulických vodivostí odvodil jejich indexy Y a Z. Tím jsem mohl srovnat získaná data s odbornou literaturou. Při srovnání nedošlo k žádným výkyvům a anomáliím.
14. Závěr V bakalářské práci byly vyhodnoceny hydrodynamické zkoušky na nově vyhloubených hydrogeologických vrtech. Zjištěné hodnoty transmisivit, hydraulických vodivostí a jejich indexů byly srovnány s typickými hodnotami udávanými v odborné literatuře pro tento typ hornin. V literatuře, kterou jsem měl k dispozici se přímo hodnoty transmisivit, a hydraulických vodivostí neudávaly. Pro srovnání jsem měl k dispozici index transimisivity Y a index hydraulické vodivosti Z. V literatuře je index Y v intervalu 3,3–5,0 a index Z 2,5–3,8. Do těchto intervalů spadají mnou vypočítané hodnoty: index Y – 4,67–4,92 a index Z – 3,29–3,77. Podle stupně propustnosti vrty zastihly slabě propustné podloží tvořené pararulami. Tím jsem došel k závěru, že na mapovaném území krystalinické horniny u Chotěboře odpovídají běžným hodnotám a nevykazují žádnou anomálii.
- 20 -
15. Literatura Archiv Studnařství Čermák a synové Bujok, P. – Grmela, A. (1993): Hydrodynamické zkoušky a výzkum sond. — Vyd. 1. Ostrava: Vysoká škola báňská, 125 s. Česká geologická služba Praha, s.r.o. (2010): Geologická mapa. — Dostupné na www.geology.cz, 22. 12. 2010. Český úřad zeměměřičský a katastrální Praha. (2010): katastrální mapa — Dostupné na www.nahlizenidokn.cuzk.cz, 21. 12. 2010. Demek, J. – Mackovčin, P. – Balatka, B. – Buček, A. – Cibulková, P. – Culek, M. – Čermák, P. – Dobiáš, D. – Havlíček, M. – Hrádek, M. – Kirchner, K. – Lacina, J. – Pánek, T. – Slavík, P. – Vašátko, J. (2006): Zeměpisný lexikon ČR: Hory a nížiny. — Vyd. 2. Brno: Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, 2006. 582 s. GEODIS Brno, s.r.o (2010): Fotomapa. — Dostupné na www.googlemaps.cz, 22. 12. 2010. Jetel, J. (1973): Logický systém pojmů – základní formalizace a matematizace v hydrogeologii. — Praha. Geol. Průzk. Jetel, J. (1985): Metody regionálního hodnocení hydraulických vlastností hornin. — Vyd. 1. Praha: Ústřední ústav geologický, 147 s. Jetel, J. (1982): Určování hydraulických parametrů hornin hydrodynamickými zkouškami ve vrtech. — Vyd. 1. Praha: Academia, nakladatelství Československé akademie věd, 246 s. Kachlík, V. (2003): Geologický vývoj území České republiky. (Doplněk k publikaci "Příprava hlubinného úložiště radioaktivního odpadu a vyhořelého jaderného paliva". — Vyd. 1. Praha: Správa úložišť radioaktivních odpadů, 64 s. Krásný, J. – Daňková, H. – Kněžek, M. – Kulhánek, V. – Skořepa, J. – Trefná, E. (1982): Vysvětlivky k základní hydrogeologické mapě ČSSR 1:200 000, list 13 Hradec Králové. — Vyd. 1. Praha: Ústřední ústav geologický, 159 s. NAVTEQ Brno, s.r.o (2010): Mapa. — Dostupné na www.mapy.cz, 21. 12. 2010. - 21 -
16. Seznam příloh 16.1.
Graf stoupací zkoušky HV-01
16.2.
Graf stoupací zkoušky HV-02
16.3.
Graf stoupací zkoušky HV-03
16.4.
Graf stoupací zkoušky HV-04
16.5.
Mapa s pozicí vrtů
- 22 -
s (m)
t´ (min)
s (m)
16.1: Graf stoupací zkoušky HV-01.
t´ (min) 16.2: Graf stoupací zkoušky HV-02.
- 23 -
s (m)
t´ (min)
s (m)
16.3: Graf stoupací zkoušky HV-03.
t´(min) 16.4: Graf stoupací zkoušky HV-04.
- 24 -
16.5: Mapa s pozicí vrtů – realizace hydrodynamických zkoušek (ČÚZK, 2010). - 25 -
