Hydrogeologické posouzení výstavby obchodně společenského centra Arkády v Liberci

MASARYKOVA UNIVERSITA Přírodovědecká fakulta

Bc. Tomáš Nevídal

Hydrogeologické posouzení výstavby obchodně společenského centra Arkády v Liberci

Vedoucí práce: Mgr. Tomáš Kuchovský, PhD.

Brno 2010

© 2010 Bc. Tomáš Nevídal Všechna práva vyhrazena

Jméno a příjmení autora: Tomáš Nevídal Název diplomové práce: Hydrogeologické posouzení výstavby obchodně-společenského centra Arkády v Liberci Název v angličtině: Hydrogeological assessment of the shopping and business centre Arkady Liberec Studijní program: magisterský Studijní obor (směr), kombinace oborů: geologie Vedoucí bakalářské práce: Mgr. Tomáš Kuchovský, Ph.D. Rok obhajoby: 2010 Anotace Zájmová oblast se nachází v centru Liberce, městské části Perštýn. V současné době se zde jedná o neudrţované území, na němţ by mělo v budoucnu stát obchodní centrum Arkády. Podloţí lokality je tvořeno různě zvětralým granitem a geomorfologicky se jedná o strmý svah odvoďňovaný Luţickou Nisou a Harcovským potokem. Vzhledem k tomu, ţe je projektováno několik podzemních podlaţí, ovlivní výstavba reţim podzemních vod, a to jak ve fázi výstavby centra, tak i v době jeho provozu. Na základě vyhodnocení výsledků hydro-dynamických zkoušek a následném počítačovém modelování byl sestaven numerický model proudění podzemních vod a posouzení vhodnosti výstavby centra.

Annotation The area of interest is situated in the centre of the Liberec, in the Perštýn district. It has not been maintained lately. A shopping centre 'Arkády' is planned to be located there. The subsoil of the interest area is formed by granite of variable degree of weathering; from the point of view of geomorphology, it is a steep hill drained by Luţická Nisa and Harcovský potok. Building of several underground floors is planned, which will influence the groundwater regime, during the conctruction period as well as during the shopping centre's operation. Based on data evaluation of hydrodynamic tests and resulting computer modelling, a numerical model of groundwater flow has been made and the suitability of the centre's construction has been evaluated.

Klíčová slova v češtině: podzemní voda, numerický model, proudění podzemní vody, krystalinikum, hydraulická výška, rychlosti proudění Klíčová slova v angličtině: groundwater, numerical model, groundwater flow, crystalline rocks, hydraulic head, flow velocities

Prohlašuji, ţe jsem práci vypracoval samostatně. Veškerou literaturu i ostatní prameny, které jsem při přípravě pouţil, řádně cituji a uvádím v seznamu pouţité literatury. Souhlasím s veřejným půjčováním práce

..................................... V Brně dne 28. 4. 2010

podpis

Poděkování Celá práce byla zpracována pod vedením Mgr. Tomáše Kuchovského, Ph.D. z Ústavu geologických věd Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, kterému tímto děkuji za odborné konzultace a pomoc s řešením jednotlivých problémů. Dále bych rád poděkoval Mgr. Adamu Říčkovi za pomoc se softwarem a za cenné rady při sestavování modelu podzemní vody. V neposlední řadě bych rád poděkoval Ing. Liborovi Michelemu za zapůjčení prvotní dokumentace z lokality.

OBSAH 1 ÚVOD ..................................................................................................................................... 8 2 PŘÍRODNÍ POMĚRY ............................................................................................................ 9 2.1 Geografie .......................................................................................................................... 9 2.1.1 Správní vymezení zájmové oblasti ............................................................................ 9 2.1.2 Geomorfologie Liberce a okolí ............................................................................... 10 2.2 Geologické poměry ........................................................................................................ 11 2.2.1 Geologické poměry lokality .................................................................................... 11 2.2.2 Krkonošsko-jizerské krystalinikum......................................................................... 13 2.3 Klimatické poměry ......................................................................................................... 14 2.4 Hydrologické poměry ..................................................................................................... 16 2.5 Hydrogeologické poměry ............................................................................................... 18 2.5.1 Voda v puklinovém prostředí .................................................................................. 19 2.5.2 Hydraulické vlastnosti krkonošsko-jizerské ţuly .................................................... 20 2.5.3 Chemismus podzemních vod .................................................................................. 20 3 MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ PODZEMNÍ VODY ............................................................ 21 3.1 Koncepční model............................................................................................................ 22 4 METODIKA PRÁCE ............................................................................................................ 24 4.1 Pouţitý software ............................................................................................................. 24 4.1.1 Surfer 8 .................................................................................................................... 24 4.1.2 Processing Modflow ................................................................................................ 25 4.2 Zhotovení numerického modelu podzemních vod ......................................................... 26 4.2.1 Okrajové podmínky proudění.................................................................................. 27 4.2.2 Vstupní parametry pro modelování ......................................................................... 28 4.2.3 Kalibrace modelu .................................................................................................... 30 5 VÝSLEDKY ......................................................................................................................... 32 5.1 Vyhodnocení hydrodynamických zkoušek .................................................................... 32 5.2 Mapy ekvipotenciálních linií bez vlivu projektované stavby......................................... 36 5.3 Mapa ekvipotenciálních linií s vlivem projektované stavby .......................................... 38 5.3.1 Stavební jáma .......................................................................................................... 38 5.3.2 Vliv projektované stavby ........................................................................................ 40 5.4 Hodnoty nástupu a poklesu hladin v okolí stavby.......................................................... 41 5.5 Rychlost proudění .......................................................................................................... 43 Diskuze ..................................................................................................................................... 46 Závěr......................................................................................................................................... 49 POUŢITÁ LITERATURA ....................................................................................................... 50 SEZNAM PŘÍLOH .................................................................................................................. 53

1 ÚVOD Diplomová práce se týká plánovaného obchodně-společenského centra Arkády v Liberci. Obchodní centrum (dále jen OC) by mělo být zaloţeno přímo v samém centru Liberce, a to v městské části Perštýn. Širší území je součástí povodí Luţické Nisy. Nejbliţší okolí centra odvodňuje Harcovský potok. Vzhledem k tomu, ţe je projektováno několik podlaţí (viz dále), ovlivní výstavba reţim podzemních vod, a to jak ve fázi výstavby centra, tak i v době jeho provozu. Objekt je navrhován jako pětipodlaţní budova o čtyřech nadzemních podlaţích (částečně zapuštěných do terénu) a jednom podzemním podlaţí (tři obchodní podlaţí a ve dvou úrovních nad obchodními podlaţími budou umístěna garáţová stání). Obchodní podlaţí budou členěna na větší a menší obchodní jednotky a na pasáţe. OC by mělo nabízet širokou škálu sluţeb (obchody, poskytování sluţeb, stravovací zařízení a parkování). Kapacita prodejní plochy se předpokládá na úrovni 33 500 m2. Parkovací plochy by měly poskytnout 850 parkovacích míst. Cílem diplomové práce je posoudit vliv projektované stavby na reţim podzemních vod, zejména míru vzdutí hladiny a ověřit změny v rychlosti proudění podzemní vody s ohledem na moţné riziko porušení stability svahu. V práci byly vyhodnoceny hydrodynamické zkoušky realizované na průzkumných vrtech v dané lokalitě. Dále byl sestaven numerický model proudění podzemních vod, který byl také hlavním prostředkem ke splnění cílů práce. Hlavním cílem diplomové práce bylo posouzení vhodnosti výstavby centra podle původního projektového zadání, případně doporučení změny projektu. Největší část problému je zpracována v počítačovém programu pro simulaci proudění podzemních vod Processing Modflow. Rychlosti proudění byly vyhodnoceny v advektivnětransportním programu PMPATH, který je součástí programu Processing Modflow. Trojrozměrný povrch modelovaného je ztvárněn v programu Surfer 8. Pro splnění cílů projektu byly vyhodnoceny hydrodynamické zkoušky z dat zapůjčených od firmy AQUA ENVIRO s.r.o., která na dané lokalitě prováděla hydrogeologický průzkum.

8

2 PŘÍRODNÍ POMĚRY 2.1 Geografie 2.1.1 Správní vymezení zájmové oblasti Město Liberec (100 000 obyvatel), ve kterém se zájmová lokalita nachází, leţí v severních Čechách. Je také správním střediskem stejnojmenného kraje. Městská čtvrť Perštýn se nachází téměř v samém srdci Liberce (obr. 1).

S

Obr. 1: Mapa Liberce, graficky vyjádřená studovaná oblast, zdroj: mapy.cz

9

S

Obchodní centrum Arkády

Obr. 2: Liberec – Perštýn, zájmové území, zdroj: www.cuzk.cz

2.1.2 Geomorfologie Liberce a okolí Podle regionálního řazení vyšších geomorfologických jednotek ČR (tab. 1) je širší území součástí Ţitavské pánve, jejíţ dílčí částí na českém území je Liberecká kotlina. Tento podcelek, který se nachází v jihovýchodní a střední části Ţitavské pánve, je mezihorskou tektonickou sníţeninou sudetského směru mezi Jizerskou hornatinou a Ještědským hřbetem. Tato kotlina se dále dělí na Jabloneckou a plošně daleko větší Vratislavickou kotlinu. Plocha Liberecké kotliny tvoří 104, 41 km2, střední nadmořská výška je 424,1 m a střední sklon je 4°45´. Tento podcelek je tvořen především granitoidy krkonošsko-jizerského masivu, méně pak jiţ horninami jeho krystalinického pláště. Vyznačuje se pahorkatinným erozně denudačním georeliéfem se zarovnanými povrchu typu pediplénu a holoroviny, dále strukturně denudačními a hrásťovými hřbety, suky a odlehlíky. Oblast se téţ vyznačuje hustou sítí většinou středně a mělce zahloubených údolí v povodí Luţické Nisy a tvary zvětrávání a odnosu ţulových hornin. Nejvyšším bodem kotliny je Prosečský hřeben 593,2 m n. m. (DEMEK et al., 2006).

10

Na obr. 2 lze si všimnout liberecké městské části Perštýn, kde se nachází modelovaná oblast. Samotné OC je znázorněné ţlutou barvou a nachází se ve svahu mezi stálými vodotečemi a to, Luţickou Nisou a Harcovský potokem. Podle obrázku si můţeme všimnout, ţe se dříve jednalo o nevyuţitou lokalitu, která byla v současnosti nahrazena rozsáhlou hlubokou jámou, jenţ je ze všech stran oplocena, viz příloha 6. Další zvláštností lokality je hřbitov umístěný nad místem plánovaného obchodního centra. Tab. 1: Regionální řazení vyšších geomorfologických jednotek ČR (DEMEK et al., 2006) geomorfologická jednotka

číselné označení

název

provincie

I

Česká vysočina

subprovincie (soustava)

IV

Krkonošsko-Jesenická

oblast (podsoustava)

IVA

Krkonošská

celek

IVA-4

Žitavská pánev

podcelek

IVA-4A

Liberecká kotlina

2.2 Geologické poměry 2.2.1 Geologické poměry lokality Zájmové území Liberec náleţí do západosudetské (lugické) soustavy. Západosudetská soustava zaujímá na území ČR sv. část Českého masivu. K této části patří jiţní část Luţických hor s jihovýchodním výběţkem tvořícím Ještědské pohoří, dále Jizerské hory, Krkonoše se svým předhůřím, Orlické hory s předhůřím, Králický Sněţník a západní část Hrubého Jeseníku po Ramzovské sedlo, který odděluje západní část Sudet od části východní (SVOBODA et al., 1964 a SVOBODA, 1973). Z geologického hlediska se jedná o soustavy tvořené jiţní částí luţického ţulového masivu, ještědským a ţeleznobrodským slabě přeměněným starším paleozoikem a algonkiem, krystalinikem v údolí Labe, jizerskými a krkonošskými ortorulami a migmatity, dále přeměněným krkonošským proterozoikem, starším paleozoikem a v neposlední řadě krkonošsko-jizerským plutonem. Východní část je budována dvěma horstvy, a to Orlickými horami a masivem Kralického Sněţníku s Rychlebskými horami. Geologicky jsou obě pohoří budována mezozonálně a epizonálně přeměněnými komplexy hornin s četnými typy ortorul a migmatitů. Z vyvřelých hornin sem patří novohradecký a olešnický granodiorit, litický 11

granodiorit a drobné masivky tonalitů, křemenných dioritů, biotiticko-amfibolických granodioritů a gaber (SVOBODA, 1973). Západosudetská soustava zahrnuje nejvyšší pohoří České republiky – Krkonoše s horou Sněţkou, kde se uplatnila i intenzivní glaciální modelace, která poskytuje celou řadu geologicky a geomorfologicky důleţitých objektů, zajímavých i pro turisty (SVOBODA, 1973). Z geologického hlediska je podle JETELA et al., (1986) popisované území Liberce a okolí budováno třemi základními jednotkami (obr. 3) – krystalinikem lugické oblasti, českou křídovou pánví a oblastí lugického plutonu. Západní úsek lugického krystalinika je na Z od Liberce a ve Frýdlantském výběţku do značné míry pokryt mladšími uloţeninami terciéru a kvartéru, z velké části glacifluviálního charakteru.

S

luţický pluton

krkonošsko-jizerské krystalinikum

Liberec

česká křídová pánev

Obr. 3: Výřez z geologické mapy, upraveno podle Fusán et al., (1967).

12

Geologické poměry širšího okolí místa plánované výstavby byly tedy v hlavní míře ovlivněny

saxonskou tektogenezí, která podmínila vznik Ţitavské pánve (resp. její české části). Při ní došlo ke vzniku významných disjunktivních struktur, jako je luţický zlom a jeho doprovodné linie. Tektonickými procesy bylo jizerské krystalinikum vyzdviţeno a zčásti podél luţického zlomu nasunuto na sedimenty křídové pánve. Směrné zlomy současně podmínily vznik pánevní struktury mezi dnešním ještědským hřbetem a obnaţeným granitoidním masivem dnešních Jizerských hor. Vyzdviţené horské hřbety pak poskytovaly klastický materiál pro výplň vzniklé pánve (ENVIGEA s.r.o., 2006). Do podloţí dotčené lokality zasahuje těleso krkonošsko-jizerského granitoidního masivu s výrazně porfyrickou ţulou. V nadloţí se vyskytuje obvykle ţulové eluvium, vlastní kvartérní uloţeniny původně tvořily hlíny a písky. Nejsvrchnější část profilu tvoří základy zbořených objektů a antropogenní naváţky. Při bázi předpokládaného zaloţení stavby pak i ţuly jen mírně narušené alteračními procesy (ENVIGEA s.r.o., 2006).

2.2.2 Krkonošsko-jizerské krystalinikum Do podloţí dotčené lokality zasahuje těleso krkonošsko-jizerského masivu s výrazně porfyrickou ţulou. Tento masiv je součástí krkonošsko-jizerského krystalinika (obr. 3) a má tvar oválu, mírně protaţeného ve směru zsz. – vjv. Na jihu a východě se krystalinikum noří pod permokarbonské sedimenty podkrkonošské a vnitrosudetské pánve. Na severu hraničí s epizonálně metamorfovaným staropaleozoickým krystalinikem Kačavských hor. Na severozápadě se stýká s luţickým ţulovým masivem a jihozápadní hranici tvoří luţická porucha. Podle ní je krystalinikum vyzdviţeno a zčásti i přesunuto přes sedimenty severočeské křídové pánve (CHALOUPSKÝ et al., 1989). Krkonošsko-jizerský pluton tvoří převáţnou část Jizerských hor a hřebeny Krkonoš. Je budován hrubě aţ středně zrnitou biotitickou ţulou s pruhem dvojslídných ţul v jihozápadní části. Ve východní části je poté hojný ţilný doprovod ve formě aplitů, pegmatitů a ţulových porfyrů (OLMER et al., 1990). Podle MÍSAŘE et al., (1983) je tato oblast nejdůleţitější částí lugické oblasti, a to především přítomností kadomského, částečně i kaledonského a téměř úplného hercynského patra s granitoidy. Ke kadomskému cyklu náleţí sedimentace celkem monotónních sérií s drobami, břidlicemi a tělesy bazických hornin, kde převaţuje metamorfóza facie zelených břidlic. Za proterozoickou skupinu zde byla dosud podle CHALOUPSKÉHO (1989) povaţována velkoúpská a machnínská skupina. Metamorfované sedimentární horniny jsou proniknuty granitovými intruzemi, které byly přeměněny 13

v krkonošské (= kowarské) ortoruly, které vystupují na povrch hlavně ve východnější části Krkonoš (CHLUPÁČ et al., 2002). Na kadomském patru spočívá horninový soubor ordovicko-silursko-spodnodevonského stáří s niţší metamorfní facií, neţ je facie zelených břidlic (MÍSAŘ et al., 1983). Podle CHLUPÁČE et al., (2002) lze kambrium v krkonošsko-jizerském krystaliniku předpokládat, ovšem zatím zde chybí paleontologický důkaz. Ordovik se významně podílí na stavbě krkonošsko-jizerského krystalinika od Ještědského pohoří v. směrem aţ na Rýchory a dále k severu na polské území. Silurské uloţeniny jsou paleontologicky dokázané v podhůří Krkonoš a na Ještědském hřbetu. Opěrnou lokalitou je údolí Jizery u Poniklé severozápadně od Jilemnice. V řečišti Jizery zde vystupují regionálně metamorfované graptolitové břidlice. Na Ještědském hřbetu rovněţ vystupují tmavé grafitické fylity se silicity, které u Rašovky poskytly graptolity. Ke svrchnímu siluru pak nepochybně patří jemnozrnné hlíznaté vápence s okrově zvětrávající mezerní hmotou, v nichţ byly u Křiţan nalezeny zbytky crinoidů pravděpodobně rodu Scyphocrinites. Devonské horniny se pravděpodobně podílejí i na stavbě krkonošsko-jizerského krystalinika. Přesvědčivé paleontologické důkazy stáří však chybějí (CHLUPÁČ et al., 2002). Nejmladším patrem je svrchnodevonské-spodnokarbonské patro, které se od spodních pater liší menší intenzitou deformace při zhruba stejné metamorfní facii zelených břidlic (MÍSAŘ et al., 1983).

2.3 Klimatické poměry Podle QUITTA (1971) se Liberec nachází v oblasti mírně teplé. Tato oblast náleţí do jednotky MW2 (MT2) a je pro ni typické krátké léto, mírně chladné aţ chladné a mírně vlhké, přechodné období s mírným jarem a mírným podzimem, zima je normálně dlouhá s mírnými teplotami, suchá se středně dlouhou sněhovou pokrývkou. JETEL et al., (1986) doplňuje tím, ţe území je do výšky 500 m n. m. mírně vlhké aţ vlhké. Výše, aţ do 1000 m n. m., je vlhké aţ velmi vlhké. V pahorkatinách do 500 m n. m. je mírná zima s průměrnou lednovou teplotou větší neţ – 3 °C, v letním období je nejvýše 50 letních dnů, průměrná červencová teplota překračuje 15 °C. Průměrná roční teplota se zde pohybuje kolem 7,2 °C (tab. 2). Průměrné roční sráţkové úhrny (obr. 4) zde kolísají od 700 do 900 mm, na návětrné straně jizerských hor překračují 1000 mm. 14

TOLASZ et al., (2007) rozděluje sráţkové úhrny do jednotlivých období. Průměrný sezónní úhrn sráţek v oblasti zájmu činí na jaře 200 mm, v létě 300 mm, na podzim a v zimě jsou sráţkové úhrny nejniţší a pohybují se okolo 150 mm. Důleţitým klimatickým prvkem je rovněţ sníh, který je zároveň předpokladem pro vytvoření dostatečného mnoţství podzemní vody. V zájmové oblasti je průměrný sezónní počet dní se sněţením pohybuje mezi 60 a 70 dny. Průměr sezónních úhrnů výšky nového sněhu je poměrně vysoký, a to mezi 110 aţ 150 cm. Průměrný sezónní počet dní se sněhovou pokrývkou se pohybuje mezi 60 a 80 dny (TOLASZ et al., 2007).

Obr. 4: Průměrný roční úhrn sráţek v ČR, zdroj: ČHMÚ

Liberec

Tab 2: Dlouhodobé normály klimatických hodnot za období 1961–1990 (ČHMÚ) Průměrné měsíční teploty vzduchu °C 1.

2.

3.

4.

5.

-2,5

-1,2

2,3

6,6

11,7

6.

7.

8.

9.

14,8 16,2 15,8 12,4

rok

10.

11.

12.

8,3

2,9

-0,8

Úhrny srážek v mm 53,3 46,2 48,9 58,2 80,2 84,9 87,9 88,4 65,4 59,6 63,1 67,3

7,2

803,4

15

2.4 Hydrologické poměry Město Liberec se svým okolím je součástí území hydrologicky tvořeného povodím řeky Odry. Významné vodní toky a důleţitá vodní díla této oblasti ale spadají pod státní podnik Povodí Labe a.s., pracoviště Jablonec nad Nisou. Celková plocha povodí Odry, včetně částí povodí, které leţí na území Polska a SRN, je celková plocha 118 861 km2. Oblast povodí Odry (obr. 5) na území ČR je protáhlého tvaru ve směru SZ - JV. Na jihozápadě sousedí podél rozvodnice Baltského a Černého moře s oblastí povodí Moravy a povodím Váhu. Na severovýchodě sousedí s polskou částí povodí horní Odry a s povodím Wisly a vtéká na území Polské republiky soutokem Odry a Olše v prostoru Bohumína. Na jihu pak gravituje s povodím Labe. Některé části oblasti povodí Odry gravitují do Odry mimo závěrný profil u Bohumín aţ v Polské republice. Jedná se o oblasti výběţků broumovského, šluknovského a frýdlantského výběţku, kde se nachází studovaná oblast. Tyto oblasti jsou odvodňovány řekami jako Osoblaha, Bělá, Smědá nebo Luţická Nisa. Vodohospodářský význam Liberce a jeho okolí je zdůrazněn vyhlášením Chráněné oblasti přirozené akumulace vod (CHOPAV) Jizerské hory. CHOPAV jsou oblasti, které svými přírodními podmínkami tvoří významnou přirozenou akumulaci vod. V těchto oblastech se zákonem zakazuje např. odvodňovat zemědělské pozemky, zmenšovat rozsah lesních pozemků a odvodňovat je nebo těţit rašelinu a provádět zemní práce, které by vedly k odkrytí souvislé hladiny podzemních vod (KOŠKOVÁ et al., 2008). Z oblasti Jizerských hor odvádějí vodu řeky Smědá a Luţická Nisa. Ve svých horních tocích mají charakter jako všechny horské bystřiny, tzn. velký spád a vysoké specifické odtoky. Velké mnoţství vody se v nich vyskytuje pravidelně z jara, ovšem mnohem nebezpečnější jsou velké vody z letních přívalů, kde se nepříznivě uplatňuje malá plocha povodí, krátké oběhové vody, značná sklonitost terénu a velký podélný spád toků. Území kolem těchto toků je poměrně hustě osídleno a v posledních letech počet obyvatel stoupá. Proto se provádí zásobování pitnou vodou ze sousedních povodí Jizery a Ploučnice, čímţ se částečně zlepšuje průtok vody v Luţické Nise. Velké nároky na vodu má i rozvinutý průmysl v této oblasti, proto zde byla vybudována cela řada menších nádrţí jako Bedřichov, Josefův důl, Mšeno nebo Harcovská nádrţ v Liberci (JETEL et al., 1986). Samotná Luţická Nisa (obr. 6), která studovanou oblast přímo odvodňuje, pramení na místě zvaném Pramen Nisy v katastru obce Nová Ves nad Nisou. Tok řeky Luţické Nisy tvoří hlavní erozní bázi pro Liberec a okolí. Její průměrný průtok v Liberci má podle JETELA et al., 16

(1986) hodnotu 2,25 m3/s, plocha povodí je 121, 87 km2 a specifický odtok q = 18,46 l.s-1km2. Mezi významnější pravostranné přítoky patří Harcovský potok, se kterým se Luţická Nisa stéká v centru Liberce. Harcovský potok odvodňuje nejbliţší okolí plánovaného obchodního centra. Potok je aţ téměř k ústí do Nisy zatrubněn (příloha 10). Zatrubněnín je sníţena jeho přirozená funkce odvodnění území na erozní bázi. Dalšími pravostrannými přítoky jsou Černá Nisa, Jeřice, Smědá, Oldřichovský potok, Červená voda a Lubsza, levostranným přítokem je poté říčka Mandava. Z hlediska kvality vody v Luţické Nise se pouze v horním úseku po Proseč nachází pstruhová voda. Horní část toku se tak nachází na území CHKO Jizerské hory. V minulosti byla většina toku Nisy silně znečištěna. Pod Libercem se nacházela nejhorší V. třída jakosti povrchové vody, která byla po zprovoznění ČOV v Liberci-Pavlovicích aţ do Chrastavy sníţena na jakost III. třídy (KOŠKOVÁ et al., 2008).

S

Obr. 5: Oblast povodí Odry v České republice (povodí Odry 2010).

17

S

Obr. 6: Přehledná mapa povodí Luţické Nisy, zdroj: ČHMÚ

2.5 Hydrogeologické poměry V úvodu této kapitoly popíši proudění podzemní vody v rámci krystalinických masivů, neboť právě popis proudění podzemní vody v celém krystaliniku se dá aplikovat na oblast mého zájmu. Krystalinikum je zde tvořené převáţně granitem s puklinovou propustností. Prostředí průlinové propustnosti se v rámci krystalinika vyskytuje jen plošně, a to na málo vyvinutém kvartérním pokryvu a silně zvětralém eluviu podloţních granitoidních hornin. Hydrogeologické vlastnosti hornin ţulového typu jsou ovlivněny jejich petrografickým charakterem. Hrubozrnná porfyrická ţula krkonošsko-jizerská zvětrává na hrubozrnný písek, který tvoří eluvium. V eluviu je obvykle vytvořen mělký obzor podzemní vody, který napájí puklinový systém. V tomto písčitém zvětralinovém plášti převaţuje průlinová propustnost a dochází zde k přímé infiltraci sráţkových vod. Tato přípovrchová zóna je pak hlavním kolektorem masivu. Vlivem infiltrace sráţkových vod se vytváří souvislá a prostorově dobře vymezitelná zvodeň krystalinických masivů. Sahá zpravidla do hloubky několika metrů aţ desítek metrů, probíhá více méně souhlasně s povrchem terénu a vykazuje řádově vyšší 18

propustnost neţ hlubší partie horninového masivu. Mimo dosah této zóny kolektoru mohou být jako významnější kolektory v hydrogeologickém masivu pouze ojedinělá, hlouběji sahající puklinová pásma, tělesa rozpukaných hornin a zkrasovatělých vápenců nebo ţilná tělesa a rovnoměrněji rozpukané polohy kvarcitů. Pohyb podzemních vod a odvodnění první zvodně v přípovrchové zóně je určován především morfologií terénu (CHALOUPSKÝ, 1962). Zvětralá ţula přechází postupně do celistvé pevné ţuly aţ v hloubce několika metrů, kde se uplatňuje puklinová propustnost s rychlým oběhem podzemních vod. Oběh podzemních vod závisí na stupni rozevření puklin, které je rozhodujícím činitelem pro zvodnění krystalinika (OLMER et al., 1990). Stupeň rozevření puklin je závislý na stáří puklin za spolupůsobení mnoha okolností. Jedná se o okolnosti spojené se vznikem krystalických břidlic a jejich plutonů i efuzí, dále tektonická pozice, předvariský a hlavně povariský geologický vývoj, petrografické sloţení, druh puklin, vliv čtvrtohorních krycích zemin, sráţkové a infiltrační poměry, krajinný reliéf a přírodní odvodnění podzemní vody. Okolnosti, které ovlivňují puklinovou propustnost krystalinika, se různě uplatňují v jednotlivých celcích nebo uţších jednotkách. Nápadný je zejména rozdíl v uplatnění v krystalických břidlicích a plutonech (HYNIE, 1961).

2.5.1 Voda v puklinovém prostředí Zvodnění hornin ve skalním masivu je vázáno především na zvětralinový plášť a přípovrchovou zónu rozpukání. Propustnost krystalinických hornin je ve větších hloubkách dána jejich tektonickým porušením, přičemţ pevné bloky hornin jsou zpravidla méně propustné neţ síť puklin. Zvětralinový plášť je soubor zvětráváním rozrušené horniny, který se následným procesem humifikace přeměňuje na půdu. Skládá se z různě velkých kamenných úlomků, které vznikají jako reakce skalního masívu na projevy okolního prostředí a změnami svých fyzikálních a chemických podmínek rozrušují její stabilitu. Hloubkového zvětrávání je dosaţeno prosakováním sráţkové vody, zatímco obnaţování horniny je způsobeno povrchovým odtokem sráţek. Zvodně se zpravidla vyskytují ve spodní části zvětralinového pokryvu a dělí se podle tlaku na vrchní hranici na napjaté a volné zvodně. Numerické modely proudění podzemních vod jsou běţně pouţívány pro zvodně v klastických horninách. Aplikace modelů na puklinové prostředí je však, vzhledem k jeho značné nehomogenitě, mnohem více problematická. Podzemní voda zde proudí puklinami, jejichţ hustota je nejvyšší v přípovrchových partiích. Původ těchto puklin je připisován dekompresi, ke které dochází odstraněním svrchních hornin (SCHWARTZ a ZHANG, 2003). 19

2.5.2 Hydraulické vlastnosti krkonošsko-jizerské žuly Hydraulické vlastnosti krkonošsko-jizerské ţuly jsou nejlépe dokumentovány v její přípovrchové zóně. Přípovrchovou vrstvou se rozumí zóna přípovrchového rozpukání a rozvolnění hornin mocná 25 - 30 metrů. Tato zóna vykazuje vyšší propustnost i transmisivitu ve srovnání s ostatními granitoidními tělesy. Okolní krystalinikum má výrazně niţší potenciál pro mělký oběh podzemních vod, přičemţ nejlepší vlastnosti vykazují fylity a tzv. fylitové sutě (ŠRÁČEK a KUCHOVSKÝ, 2003). Hodnoty indexu průtočnosti Y leţí aţ na jedinou extrémně nízkou hodnotu v intervalu 4,4-6,5 tedy okolo mediánu 5.5 (příloha 7). Index transmisivity hornin metamorfovaného pláště je niţší, Y = 4,3 aţ 5,0. Transmisivita metamorfitů stoupá se stupněm metamorfózy a stupněm migmatizace. Obdobně jako hodnoty indexu Y jsou rozděleny i hodnoty indexu propustnosti Z, charakterizující průměrnou propustnost přípovrchové zóny krkonošsko-jizerské ţuly do hloubek okolo 25-30 m. Kromě jediné extrémně nízké hodnoty se zjištěné hodnoty indexu Z pohybují v intervalu 3,8 – 5,3 okolo mediánu Md /Z/ = 4,8. Tato hodnota znační slabě aţ mírně propustné prostředí (OLMER et al., 1990; JETEL et al., 1986; JETEL, 1982).

2.5.3 Chemismus podzemních vod Podle

chemismu

podzemních

vod

můţeme

studovanou

oblast

rozdělit

na

dvě

hydrogeochemické zóny: 1) svrchní (hydrogenkarbonátovou), s převahou hydrogenkarbonátů nad chloridy 2) spodní (chloridovou), s převahou chloridů nad hydrogenkarbonáty Uvnitř obou hlavních hydrogeochemických zón lze rozlišit jednotlivé podzóny, kde lze sledovat např. postupný pokles podílu Ca a růst alkálií s hloubkou. Komplexně tedy převládá ve svrchních podzónách svrchní zóny mezi kationty Ca, zatímco ve spodní části svrchní podzóny jiţ převaţuje Na (ŠRÁČEK a KUCHOVSKÝ, 2003). Chemickým typem patří vody ve zkoumaném území k typickým vodám natriumbikarbonátovým, kdeţto v eluviích mohou být přechody aţ k mělkým vodám kalciumbikarbonátového typu s moţným zvýšeným obsahem sulfátů. Chemismus je zde tedy charakterizován zvýšeným podílem síranů a poněkud zvýšeným podílem alkálií. Tyto mělké vody jsou velmi často jen s nepatrnou mineralizací. Celková mineralizace se pohybuje v intervalu 0,02-0,51 g/l s mediánem okolo 0,07 g/l (CHALOUPSKÝ et al., 1962).

20

3 MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ PODZEMNÍ VODY Modelování je prakticky univerzální metoda, která se uplatňuje na úrovni teoretického a empirického poznávání a předmětem modelování je sestavování modelů, které mají různou podobu. Mají však jedno společné, a to, ţe kladou důraz na tyto jeho znaky: 1) Model je zobrazením a současně i představitelem určitého originálu. 2) Model nezahrnuje všechny vlastnosti originálu, ale pouze ty, které se jevily jejich tvůrcům podstatné (KŘÍŢ, 1983). Modely slouţí tedy jako podklady v řadě navazujících procesů, jenţ mohou být analýzami rizika, stanoveními ochranných pásem vodních zdrojů, projektováním skládek a úloţišť škodlivých odpadů apod. Kvalitně zpracované modely vedou k podstatnému zvýšení efektivity navazujících prací a ke sníţení celkových finančních nákladů investora. Proto plní důleţitou funkci při zakládání staveb různého druhu. Můţeme rozlišit několik typů modelů. Nejčastěji se modely dělí na fyzikální a matematické. Klasickým příkladem fyzikálních modelů je zobrazování zkoumaných objektů ve zmenšeném měřítku, přičemţ musí model splňovat podmínku určité geometrické podobnosti. Předností fyzikálních modelů je jejich názornost a jednoduchost, která ovšem můţe být příčinou toho, ţe nejsou vhodné pro znázornění sloţitých procesů. Téměř vţdy se setkáme s trojrozměrnými modely, ale existují i dvojrozměrné, například mapy. Pokud jsou oba procesy, tj. reálný a modelovací, formulovány stejným matematickým způsobem, pak se jedná o modely analogové. Typickým příkladem fyzikálních modelů pro znázornění některých procesů jsou modely pískové. Matematický model má s modely v někdejším slova smyslu jiţ prakticky málo společného. Můţe být řešen jak analogicky, tak numericky. Analogický model je příliš zjednodušený, matematický je lehce aplikovatelný a dovoluje řešit obtíţnější problémy toku. V hydrogeologii podzemních vod se uplatňují matematické modely zaloţené na různých principech. 1. Modelování na analogických modelech s pouţitím analogických počítačů. 2. Modelování vyuţívající numerické řešení parciálních diferenciálních rovnic proudění podzemní vody (síťová metoda, metoda konečných prvků apod.) 3. Metody modelování vyuţívající principy zákonitostí teorie pole a potenciálů (metoda konformního zobrazování, superpozice apod.). 21

Vlastní matematické modelování se v hydrogeologii provádí na deterministických (koncepčních) a stochastických modelech (KŘÍŢ, 1983; FETTER, 2001).

3.1 Koncepční model Koncepční modely jsou statické a popisují současné podmínky systému matematickými vzorci. Jsou pro nás nutné, aby nás dovedly k pochopení chování proudícího systému. Lze je znázornit pomocí blokového diagramu nebo příčného řezu (FETTER, 2001). Jeden prvek koncepčního modelu je hydrogeologický rámec, který zahrnuje hlavní rysy hydrogeologie určené z geologického průzkumu a hydraulického testování. Normálně je informace slučována podle tvaru, tloušťky a hydraulických vlastností hlavních geologických jednotek (např. hydraulická konduktivita a storativita), rozdělení hydraulické výšky v rámci hlavních hydraulických jednotek a distribuce nebo rychlosti doplňování podzemní vody (DOMENICO a SCHWARTZ, 1998). Koncepční modely jsou statické a popisují aktuální podmínky systému. K vytvoření předpovědi chování v budoucnosti je nutné mít nějaký typ dynamického modelu, který je schopen k manipulaci. Existuje mnoho typů dynamických modelů proudění podzemní vody, např. fyzické poměrové modely, analogové modely a matematické modely (FETTER, 2001). Poměrový model je tvořen ze stejného materiálu jako je tvořen přírodní systém. Například umělá nádoba můţe být vytvořena jako zmenšená oproti přírodnímu systému a vyplněná pískem nebo skleněnými korálky s hydraulickou konduktivitou kalibrovanou na aktuální zvodněný materiál (FETTER, 2001). Tok vody pórovými médii je řízen pomocí rovnic, které jsou podobné proudící elektřině vodičem. Tyto modely jsou nazývány jako analogové a mohou být konstruovány vyuţitím elektrického obvodu nebo toku viskózních fluid k simulaci skutečných nebo ideálních zvodní (FETER, 2001). Matematické modely počítají se souborem základních rovnic proudění podzemní vody, teplem toku a transportem hmoty. Nejjednodušší matematický model proudění podzemní vody je Darcyho zákon. K aplikaci Darcyho zákona potřebujeme mít koncepční model zvodně. Darcyho zákon je příklad analytického modelu . K vyřešení analytického modelu musíme znát počáteční a okrajové podmínky problému proudění. Analytické modely mohou být řešeny 22

rychle, přesně a jsou poměrně nenákladné s programovatelným kalkulátorem nebo tabulkovým procesorem a nebo osobním počítačem (FETTER, 2001). Numerické modely musí být pouţity tam, kde existuje komplex okrajových podmínek nebo kde se mění hodnota parametrů uvnitř modelované oblasti. U numerického řešení je oblast řešení rozdělena na dílčí podoblasti, ve kterých je moţné zohlednit heterogenitu hydraulických parametrů. Je také moţné snadněji zohlednit komplikovaný tvar hranic oblasti. Při numerickém řešení je parciální diferenciální rovnice převedena na soustavu algebraických rovnic, které se řeší maticovými metodami. Výsledné řešení není úplně přesné, ale je obvykle pro naše potřeby dostačující. Základní numerické metody jsou metoda konečných rozdílů (MKR) a metoda konečných prvků (MKP). Bez ohledu na způsob řešení musíme při řešení zadat okrajové podmínky, které popisují jak oblast řešení komunikuje se svým okolím. Běţné okrajové podmínky jsou: - Okrajová podmínka 1. druhu (Dirichletova): hydraulická výška na hranici dané oblasti je rovna konstantě, h = konst. - Okrajová podmínka 2. druhu (Neumannova): je specifikován tok q ve směru normály n přes hranici, běţnou formou této podmínky je nulový tok přes hranici, takţe platí q = 0. - Okrajová podmínka 3. druhu (Cachyho): je specifikován tok přes hranici jako funkce hydraulické výšky, q = f(h), tato podmínka se např. vyskytuje u řeky s vrstvou sníţené propustnosti na dně. Kromě okrajových podmínek je třeba u neustáleného proudění také zadat počáteční podmínky, tedy distribuci hydraulických výšek v dané oblasti v čase t = 0 (FETTER, 2001)

23

4 METODIKA PRÁCE 4.1 Použitý software Pro dosaţení cílů práce byl pouţit software Surfer 8 a Processing Modflow. V programu Surfer 8 byla vytvořena povrchová mapa, která ztvárňuje 3D obraz modelovaného kopce v městské části Liberce Perštýn. Pro zjištění reţimu proudění podzemních vod a k vytvoření numerického modelu byl pouţit program Processing Modflow (CHIANG a KINZELBACH, 2001).

4.1.1 Surfer 8 Surfer je trojrozměrný povrchový mapový program, který rychle a jednoduše dokáţe přeměnit data na skutečný obrys, 3D povrch, 3D drátový model, vektor, obrázek, stínový obrys nebo prostorovou mapu. Virtuálně mohou být přizpůsobeny všechny aspekty map k vytvoření přesného znázornění. Pomocí metody na vytvoření mapy povrchu byl v programu Surfer 8 vymodelován povrch lokality mého zájmu – kopce v městské části Perštýn. Podkladem pro tento digitální model reliéfu (dále jen DMR) byla digitalizace topografické mapy území, pomocí kteréjsem získal prostřednictvím hypsografie nebo digitalizace vrstevnic digitální výškový model. Vrstevnice z analogové mapy byly digitalizovány automatickým rastrovým skenováním v programu Processing Modflow. V současné době se většina DMR přizpůsobuje datové struktuře pravoúhlého gridu nebo TIN (trojúhelníková nepravidelná síť). Pravidelný grid rozděluje zájmovou oblast na řádky a sloupce. Pro vytvoření spojitého povrchu DMR je nutné přiřadit výšky všem buňkám gridu. Mříţka obsahuje tři uzlové body – souřadnice xyz. (x – řádky, y – sloupce, z – výška) Tyto souřadnice byly pomocí interpolační metodě kriging převedeny na výsledný výškový model (obr. 7). Výšková data jsou zatříděna do tříd výšek, kterým jsou přiděleny zobrazované odstíny barev. Rozhraní jednotlivých tříd lze libovolně měnit stejně jako barevnou škálu. Vhodným nastavením rozhraní a barevných odstínů je moţné docílit zvýraznění určitých krajinných forem.

24

4.1.2 Processing Modflow Processing Modflow vytváří trojrozměrné modely proudění podzemních vod a transportu kontaminantů. Balení tohoto programu obsahuje mnoţství různých aplikací. Aplikacemi MOC3D, MT3D a MT3DMS je moţné v modelu simulovat transport kontaminantů. Základem je ovšem aplikace MODFLOW, pomocí které se vytváří základní model proudění podzemních vod metodou konečných rozdílů (Finite Difference Method) s uzly umístěnými do středů bloků pravoúhlé sítě. V kaţdém uzlu je moţné zadat okrajovou podmínku 1. nebo 3. typu. Program je zaloţen na konceptu zvodní s napjatou hladinou a zvodní s volnou hladinou. Hydraulickými parametry prostředí vstupujícími do modelu jsou horizontální hydraulické vodivosti, transmisivita nebo efektivní pórovitost. Model simuluje jak ustálené, tak i neustálené proudění podzemní vody. Základními výstupy jsou mapy izolinií hydraulických výšek a mapy izolinií sníţení hydraulických výšek pro jednotlivé zvodně, při neustáleném proudění pro jednotlivé tlakové a časové úrovně. Dalším moţným výstupem je mapa trajektorií částic z libovolného bodu oblasti. K tomu a téţ i ke stanovení rychlostí proudění slouţí advektivně-transportní program PMPATH. Tato aplikace je moţná i k vyuţití vytipování pravděpodobného směru pohybu kontaminantu z bodového nebo liniového zdroje (CHIANG a KINZELBACH, 2001).

Stavební jáma OC Arkády

nadmořská výška v m Obr. 7: Graficky znázorněná modelovaná oblast povrchu kopce Perštýn a stavební jámy OC Arkády.

25

4.2 Zhotovení numerického modelu podzemních vod Účelem numerického modelu je posoudit vliv projektované stavby OC na reţim podzemních vod, zejména na intenzitu vzdutí hladiny a ověřit změny v rychlosti proudění s ohledem na moţné riziko porušení svahu. Numerický model vychází ze známé morfologie terénu, která byla digitalizována podle topografické mapy. Tato oblast byla překryta mříţkou sloţenou ze 100 řad a 100 sloupců. Jednotlivé cely představují ve skutečnosti plochu o velikosti 10,5 x 6,3 m. Hustota původní mříţky byla v oblasti stavební jámy OC Arkády posléze zahuštěna ve směru osy Y. Výsledná modelová mříţka tedy zahrnuje 100 řad a 144 sloupců. Celkem bylo vytvořeno 14 400 modelových cel. Rozměry zahuštěných cel se zmenšily na plochu 5,25 x 6,3 m, kam byly interpolovány pozorovací vrty o souřadnicích x, y, z. Numerický model je tvořen dvěma vrstvami z důvodu geologické stavby a snaze rozlišit chování podzemní vody ve dvou odlišných prostředích. Původní mocnost první vrstvy byla 10 m. Z geologického hlediska zahrnovala kvartérní pokryv (desetiny metru) a zvětralé ţulové eluvium na hnědošedý aţ šedohnědý písek (příloha 4). Tato mocnost první vrstvy musela být posléze plošně zvýšena o zónu přípovrchového rozpojení na 30 m, neboť při původní tloušťce docházelo k vysychání velké části modelovaného území. Druhá vrstva, jejíţ báze byla nastavena na 310 m n. m., zahrnuje jiţ samotné přípovrchové pásmo rozpojení. Mocnost této vrstvy se pohybuje od 20 m v nejniţších oblastech modelovaného území po 70 m v nejvyšší elevaci. Proudění podzemních vod je zde vázáno výhradně na prostředí s puklinovou propustností.

26

4.2.1 Okrajové podmínky proudění Podkladem modelované oblasti byla mapa 1:5000 se zmiňovanou městskou částí Perštýn (obr. 8). Modelovaná oblast, kterou tvoří především strmý svah v městské části Perštýn, je na západě omezena erozní bází Luţické Nisy a na severu, aţ po soutok s Luţickou Nisou, poté Harcovským potokem (okrajové podmínky III. typu, q = f(h)). Oba vodní toky jsou na sebe téměř kolmé. Jih a východ modelovaného území je tvořen rozvodnicemi povodí a představuje linii kolmou na vrstevnice od nejvyššího bodu území směrem k Harcovskému potoku a Luţické Nise (okrajová podmínka II. typu; q = 0), tzn. nedochází k ţádnému přítoku z téhle oblasti. Podkladová mapa zaujímá plochu cca 1,1 km2, přičemţ samotné modelované území pouze cca. 0,5 km2. Nejvyšší bod území představuje vrchol kopce 412 m n. m., nejniţší poté soutok Luţické Nisy a Harcovského potoka 347 m n. m.

S S

Okrajová podmínka III. typu q = f(h)

1 jez (výška 0,85 m)

3

4 2

Okrajová podmínka II. typu q = 0

Okrajová podmínka III. typu q = f(h)

Obr. 8: Modelovaná oblast s vyznačení okrajových podmínek II a III typu. (mapový podklad cuzk.cz).

vysvětlivky k obr. 8. 1 – soutok Luţické Nisy a Harcovského potoka 347 m n. m. 2 – nejvyšší bod území 412 m n. m. 3 – OC Arkády a prostor vrtů 4 – hřbitov 27

4.2.2 Vstupní parametry pro modelování Program Modflow vyţaduje na začátku simulace proudění zadání hodnoty počáteční hydraulické výšky. U ustáleného proudění, ve kterém se pohybujeme, je této výšky vyuţíváno jako počáteční hodnoty pro opakované řešení rovnice. Počáteční výška musí být nastavena aktuálními hodnotami, zatímco všechny ostatní hodnoty mohou být nastaveny na libovolnou hladinu (CHIANG a KINZELBACH, 2001). V modelovaném případě byly hodnoty hydraulické výšky rozpočítány do jednotlivých cel u okrajové podmínky řeka. U okrajové podmínky

Harcovský potok

byly

rozdíly v hladinách nastaveny podle vrstevnic

v topografické mapě a pohybují se od 256 m n. m. na východě modelovaného území po 247 m n. m. na západě území při ústí do Luţické Nisy. Tyto hodnoty jsou rovnoměrně rozpočítány do jednotlivých cel. Při terénní rekognoskaci nebyl nalezen ţádný stupeň v korytě potoka. U okrajové podmínky Luţická Nisa se počáteční hladina pohybuje od 253 m n. m. na jihu území po 247 m n. m. na severu území u soutoku s Harcovským potokem. Tyto hodnoty jsou rovněţ rovnoměrně rozpočítány, přičemţ se zde ještě zohledňuje jez o výšce 0,85 m (obr. 8), který se nachází na modelovaném území. Uvnitř modelu pak byla při první simulaci nastavena v celé oblasti stejná hodnota počáteční hydraulické výšky, a to 375 m n. m. Pro výpočet proudění podzemní vody bylo potřeba specifikovat horizontální a vertikální koeficienty filtrace (vodivosti). Horizontální hydraulická vodivost je hydraulická konduktivita podél řádků, tedy v horizontálním směru. Je násobená faktorem anizotropie, který byl specifikován v Layer Property dialog box (CHIANG a KINZELBACH, 2001). Typické hodnoty a rozsahy hodnot jsou uvedeny v pracích SCHWARTZE a ZHANGA (2002) nebo FETTERA (2001). V našem případě byla velikost horizontální hydraulické vodivosti vypočtena z čerpací zkoušky ze vztahu

kh

T b

(1)

kde T = transmisivita a b = mocnost kolektoru (T = 1,05E-05 m2/s;* b = 30 m). Do modelu byla tak zadána hodnota 3,5E-07 m.s–1 pro první vrstvu. U druhé vrstvy je tato hodnota o řád niţší, neboť se pohybujeme v kompaktnějším prostředí a byla uvaţována 3,5E-08 m.s–1. Kromě horizontální hydraulické vodivosti bylo nutné určit hodnotu také vertikální hydraulické vodivosti, tedy vodivosti podél sloupců ve vertikálním směru. V puklinovém prostředí, s pouze málo vyvinutým kvartérním pokryvem a prouděním podzemních vod, není znám zaběhlý způsob, podle kterého by vertikální hydraulická propustnost byla odlišná od jejího horizontálního ekvivalentu. Pukliny, ve kterých probíhá proudění podzemní vody se 28

s hloubkou svírají, proto se vertikální vodivost pravděpodobně sniţuje. Do první modelové vrstvy byla zadána hodnota vertikální hydraulické vodivosti 3,5E-07 m.s–1, která je stejná jako její horizontální ekvivalent. Druhá vrstva byla rovněţ nastavena na stejnou hodnotu, jako u horizontální hydraulické vodivosti, a to na 3,5E-08 m.s–1. * průměrná transmisivita pozorovacích vrtů HV4 a HV5 (obr. 11, 12)

Pro potřebu advektivního modelu PMPATH bylo nutné zadat hodnotu efektivní pórovitosti. Tato hodnota je obyčejně niţší neţ celková pórovitost, protoţe část fluid v pórech je nepohyblivá nebo částečně nepohyblivá (CHIANG a KINZELBACH, 2001). V nasycené zóně se pouţívá termín efektivní pórovitost ne, která je definována jako

ne

V cv V celk

(2)

kde Vcelk je objem celého vzorku a Vcv je objem pórů, kterými můţe proudit voda gravitační silou. Efektivní pórovitost souvisí s pórovitostí drenáţní. Její hodnota se můţe lišit v závislosti na způsobu stanovení a pouţívá se k výpočtu skutečné rychlosti proudění (DOMENICO a SCHWARTZ, 1998). Pro naše poměry byla hodnota efektivní pórovitosti vyčíslena na hodnotu 0,1 v první vrstvě a 0,01 ve vrstvě druhé. Ve druhé vrstvě je hodnota o řád niţší, neboť se pohybujeme v kompaktnějším prostředí (SCHWARTZ a ZHANG, 2002). Hodnota efektivní infiltrace byla stanovena odhadem pomocí bilanční rovnice z průměrného ročního úhrnu sráţek v dané oblasti a následně byla upravena při kalibraci modelu. Z průměrného ročního úhrnu sráţek 850 mm bylo odhadnuto, ţe 250 mm by mohlo být infiltrováno do podzemní vody, zbytkové mnoţství je vyhrazeno na evapotranspiraci a povrchový odtok. Hodnota efektivní infiltrace byla převedena na m3s-1 a v modelu posléze kalibrována metodou pokus x omyl. Posledním vstupním parametrem je hydraulická vodivost dnových sedimentů říčních toků Criv (m2s-1). Tato hodnota se vypočte podle vzorce

c riv

k riv * L * W M

(3)

a byla dosazena do kaţdé z cel řeky Luţické Nisy a Harcovského potoka. Hodnota kriv je vertikální hydraulická hodnota dnových sedimentů řeky, L je délka toku v příslušné modelové

29

cele (zakřivení toku), W je šířka toku a M je mocnost dnových sedimentů (CHIANG a KINZELBACH, 2001). Hodnota kriv byla pro modelovaní odhadnuta na velikost 1E-06 m.s-1 a následně upravena při kalibraci modelu. Hodnota kriv se sniţuje s rostoucí velikostí toků, neboť u nich převládá jemnozrnější frakce dnových sedimentů. V mém případě byl brán ohled ještě na úpravu koryta obou řek, proto byla pouţita poměrně nízká hodnota. Délka toků v modelových celách o rozměrech 5,25 x 6,3 m byla vypočítána jako součin délky cely a koeficientu zakřivení toků v modelované oblasti. Pro tyto účely byla u obou toků dosazena hodnota L = 1,1. Šířka toku byla určena na základě rekognoskace terénu pro Harcovský potok (WHarc = 2 m) a Luţickou Nisu (WLuţ. = 4 m). Mocnost dnových sedimentů byla na základě vybetonovaného podloţí dna řek stanovena na hodnotu 0,1 m.

4.2.3 Kalibrace modelu Kalibrace modelu slouţí k porovnání úrovní hladin naměřených v terénu s hladinami vypočítanými modelem. Přesnost kalibrace je znázorněna na rozptylovém diagramu. V diagramu jsou na jedné ose vyneseny hodnoty naměřené v pozorovacích vrtech a na druhé ose hodnoty vypočtené modelem. Tyto body by se měly co nejvíce kumulovat kolem středové přímky, kterou je diagram proloţen. Čím více se body pohybují kolem této přímky, tím je kalibrace modelu přesnější. Kalibrací metodou pokus x omyl byly podrobeny hodnoty efektivní infiltrace a také horizontální hydraulické vodivosti a posléze i hodnoty vertikální hydraulické vodivosti. Kalibrací bylo dosaţeno vzájemné shodnosti úrovně hladin podzemní vody naměřené ve vrtech s hladinami vypočítanými modelem. Rozptyl mezi pozorovanými hladinami a hladinami vypočítanými modelem vycházející z kalibrované hodnoty hydraulické vodivosti a efektivní infiltrace je znázorněn v tab. 3 a na obr. 9.

Tab.3: Srovnání úrovně naměřených hodnot hladin podzemní vody s vypočítanými pozorovací vrt naměřené hodnoty vypočítané hodnoty rozdíl HV4 363 m n. m. 363,03m n. m. -0,03 HV5 367,89 m n. m. 367,75 m n. m. 0,14 HV6 355,25 m n. m. 355,23 m n. m. 0,02 HV7 354,93 m n. m. 355,03 m n. m. -0,1 HV8 365,04 m n. m. 365 m n. m. 0,04 HV9 364,84 m n. m. 364,77 m n. m. 0,07

30

Obr. 9: Rozptylový diagram

Tab. 4: Nastavení modelu a pouţité vstupní parametry upravené o kalibraci. Vstupní parametry časové jednotky

sekundy

délkové jednotky

metry

typ proudění

ustálené proudění

počet vrstev

2

mocnost 1. modelové vrstvy

30 m

báze 2. modelové vrstvy

310 m

počet řádků

100

počet sloupců

144

plocha modelové cely

5,25x6,3m

horizontální hydraulická vodivost 1. vrstvy

3,5E – 07 m/s

horizontální hydraulická vodivost 2. vrstvy

3,5E – 08 m/s

vertikální hydraulická vodivost 1. vrstvy

3,5E – 07 m/s

vertikální hydraulická vodivost 2. vrstvy

3,5E – 08 m/s

poč. hydraulická výška

375 m n. m.

ef. infiltrace/recharge

265mm/8,4E-09 m3s-1

ef. pórovitost 1. vrstvy

0,1 %

ef. pórovitost 2. vrstvy

0,01 %

Criv(Luţická Nisa)

4,4E-04

Criv(Harcovský potok)

2,2E-05

31

5 VÝSLEDKY 5.1 Vyhodnocení hydrodynamických zkoušek V rámci rozsahu diplomové práce bylo jedním z cílů vyhodnocení hydrodynamických zkoušek, tedy čerpacích a stoupacích zkoušek. K dispozici byly údaje z devíti vrtů (tab. 5), které jsem obdrţel od firmy AQUA ENVIRO s.r.o. Ta na studované lokalitě prováděla v červnu roku 2007 hydrogeologický průzkum. Čerpalo se na vrtech HV1 aţ HV3 (příloha 5). Čerpání probíhalo po dobu pěti dnů. Doba jednoho dne byla určená k vyhodnocení stoupací zkoušky. Vyhodnocení čerpacích zkoušek proběhlo v neustáleném reţimu. Tab: 5: Vzdálenosti (m) čerpacích a pozorovacích vrtů v místě stavební jámy OC Vrt

HV1

HV2

HV3

HV4

HV5

HV6

HV7

HV8

HV9

HV10

HV1

x

54,9

87,8

13,1

83,2

42,1

78,1

34,5

91,2

73,7

HV2

54,9

x

104,3

67,1

104,6

16,7

28

63,8

84,3

126,3

HV3

87,8

104,3

x

93,2

8,3

106,3

104,6

53,4

40,9

90,2

Vynesením výsledků čerpání do grafů byly zjištěny vzájemné závislosti určitých pozorovacích vrtů na vrtech čerpaných, a to pozorovacího vrtu HV4 na čerpaném vrtu HV1, dále vrtu HV5 na čerpaném vrtu HV3 (příloha 8) a závislost vrtů HV6 a HV7 na čerpaném vrtu HV2. Vzájemné korelaci těchto pozorovacích a čerpacích vrtů nasvědčuje i jejich délková vzdálenost (tab. 5). Z těchto závislostí byla vyhodnocena čerpací zkouška na pozorovacích vrtech HV4 a HV5 (obr. 10, 11). V průběhu čerpání bylo udrţováno konstantní čerpané mnoţství 0,03 l/s u vrtu HV1 a 0,06 l/s u vrtu HV3. Sníţení hladiny se měřilo v pozorovacích vrtech HV4 a HV5. Čerpací zkoušku nebylo moţné vyhodnotit kvůli stupňovitě se sniţujícímu čerpanému mnoţství. Pozorovací vrty HV8 a HV9 se nachází jiţ ve velké vzdálenosti od čerpaných vrtů, proto by vyhodnocení postrádalo smysl. Stoupací zkoušky na čerpaných vrtech HV1 a HV3 (obr. 12, 13) byly provedeny hned po ukončení čerpání. Transmisivita pozorovacích vrtů (obr. 10, 11) byla vypočtena metodou Jacobovy přímkové transformace (FETTER, 2001) podle vztahu T

2 ,303 .Q 4. . s

(4) 32

Pro výpočet pruţné zásobnosti Sp se pouţívá metoda času t0. Čas t0 je hodnota, při které se sníţení s rovná nule. V tomto případě se přímka proloţená body sníţení extrapoluje aţ protne osu log t (ŠRÁČEK a KUCHOVSKÝ, 2003) Hodnota Sp se pak vypočte jako Sp

2 , 246 .T .t 0 r

(5)

2

Vyhodnocená čerpací zkouška pozorovacího vrtu HV4 (čerpání 0,03 l/s) 1

10

100

m in.

1000

10000

17,40

snížení hladiny (m)

17,60

17,80

inflexní bod

18,00

18,20

18,40

18,60

18,80

19,00

HV4

Obr. 10: Čerpací zkouška pozorovacího vrtu HV4 v semilogaritmickém grafu.

∆s = 0,9 m t0 = 12000 s Q = 0,00003 m3/s r = 13,1 m (vzdál. poz. vrtu od čerpaného HV1) T = 6,1E-06 m2/s Sp = 9,6 E-04 k = 2,03E-07 m/s

Na obr. 10 a 11 si lze všimnout, ţe křivka sníţení začne po určité době v čase t měnit svůj sklon. Sklon křivky je v obou případech směrem od inflexního bodu téměř dvakrát větší. V inflexním bodě se začíná projevovat vliv okrajové podmínky, pravděpodobně depresní kuţel narazí na nepropustnou hranici. Voda se neuvolňuje okamţitě ze zásobnosti. K vyhodnocení transmisivity byl pouţit druhý úsek kvůli vyšší četnosti dat. Řádový rozdíl transmisivity je způsoben heterogenitou kolektoru (příloha 4). Storativity v řádech na mínus čtvrtou napjatou zvodeň. 33

Vyhodnocená čerpací zkouška pozorovacího vrtu HV5 (čerpání 0,06 l/s) 1

10

100

min.

1000

10000

6,90

snížení hladiny (m)

7,10

inflexní bod

7,30 7,50 7,70 7,90 8,10 HV5

Obr. 11: Čerpací zkouška pozorovacího vrtu HV5 v semilogaritmickém grafu

∆s = 0,7 m Q = 0,00006 m3/s T = 1,5E-05 m2/s k = 5E-07 m/s

t0 = 12000 s r = 8,3 m (vzdál. poz. vrtu od čerpaného HV3) Sp = 5,9E-04

Stoupací zkouška vrtu HV1

t/t´ (min)

10000

1000

100

10

1 0 1 2 3

5

s (m)

4

6 7 8 9 10 stupací zkouška vrtu HV1

Obr. 12: Stoupací zkouška čerpaného vrtu HV1 v semilogaritmickém grafu.

∆s = 6,5 m Q = 0,00003 T = 8,4E-06 m2/s 34

Při pohledu na křivku stoupací zkoušky (obr. 12) si lze všimnout, ţe trend není lineární. Dolní zakrouţkovaná část značí propustnost těsného okolí vrtu. Naopak vrchní zakrouţkovaná část znázorňuje vliv okrajové podmínky I. typu (pravděpodobně dobře propustného puklinového pásma). Transmisivita jde určit pouze z první přímkové části, druhá jiţ charakterizuje vliv okrajové podmínky. Transmisivita je obdobná jako u pozorovacího vrtu HV4. Vrty se nachází poměrně blízko o sebe, vzájemně spolu korelují a je pro ně charakteristická stejná geologická stavba.

Stoupací zkouška vrtu HV3 t/t´(min) 10000

1000

100

10

1

0,4 0,5

0,7 0,8

s (m)

0,6

0,9 1 1,1 stoupací zkouška HV3

Obr. 13: Stoupací zkouška čerpaného vrtu HV3 v semilogaritmickém grafu.

∆s = 0,5 m Q = 0,00006 T = 2,2E-05 m2/s Trend křivky stoupací zkoušky (obr. 13) není opět lineární a uplatňuje se zde vliv okrajové podmínky. Obdobná transmisivita značí podobnou geologickou stavbu v prostoru vrtů jako u pozorovacího vrtu HV5. Čerpací vrt HV3 je méně vydatný, hladina zde nevystoupala do původní výšky před zahájením čerpání.

35

5.2 Mapy ekvipotenciálních linií bez vlivu projektované stavby Aby byly výsledky co nejpřesnější, byla k procesu modelování zahrnuta kalibrace. Kalibrací byla podrobena hodnota efektivní infiltrace, která byla upravena z původních 250 mm na 265 mm. Následně byla kalibrována hodnota horizontální hydraulické vodivosti (obr. 14). Na obrázku představuje zelená barva hodnotu 3,5E-07 m.s–1 (podle vzorce podílu průměrné transmisivity z čerpacích zkoušek vrtů HV4 a HV5 a mocnosti kolektoru), černá barva představuje pásmo vyšší vodivosti kvartérních a deluviálních sedimentů. Proto zde byla dosazena vyšší hodnota vodivosti, a to 4E-06 m.s–1 (zjištěná při kalibraci úrovní hladin podzemních vod). Pásmo kvartérních a deluviálních sedimentů bylo zvoleno na základě vrstevnic mapového podkladu. Kalibrací bylo dosaţeno vzájemné shodě mezi úrovní hladin naměřených ve vrtech a vypočítaných modelem.

S

Obr. 14: Znázornění jednotlivých horizontálních hydraulických vodivostí v 1. vrstvě

Ekvipotenciální linie jsou linie, které spojují místa se stejnou hodnotou hydraulické výšky. Mapa ekvipotenciálních linií tvoří jeden z grafických výstupů modelování. Na obr. 15 a 16 si lze všimnout mapy ekvipotenciálních linií bez zavedení stavby OC. Hydraulická výška přibliţně kopíruje úroveň terénu a klesá ve směru přiloţené šipky k nejniţšímu bodu území. Přiloţená šipka znázorňuje téţ rozvodí oblasti, tzn. území je rovnoměrně drenované Luţickou 36

Nisou a Harcovským potokem. Proudění podzemní vody je kolmé na ekvipotenciální linie. Červeně zbarvené území značí vysušenou oblast modelovaného svahu.

S

Obr. 15: Mapa ekvipotenciálních linií v první modelované vrstvě bez vlivu projektované stavby

S

Obr. 16: Mapa ekvipotenciálních linií v druhé modelované vrstvě bez vlivu projektované stavby

37

5.3 Mapa ekvipotenciálních linií s vlivem projektované stavby 5.3.1 Stavební jáma Pro účely modelování bylo nutné určit přítok vody do stavební jámy. V prostředí stavební jámy (obr. 17) byly změněny hodnoty horizontální i vertikální hydraulické vodivosti na hodnotu 1 m.s-1, stejně tak i efektivní pórovitost na hodnotu 1. Dále byla v prostředí stavební jámy nastavena drenáţ do jedné z modelovaných cel na hodnotu 352 m n. m. Hodnota 352 m n. m. je předpokládaná báze stavební jámy (příloha 2) a podzemní voda byla na tuto hodnotu drenována. Přítok byl stanoven pomocí vodní bilance (water budget) a modelem vyčíslen na hodnotu 0,36 l/s. Jedná se o přítok podzemní vody, neuplatnila se zde domněnka přítoku vody z Harcovského potoka, který se nachází poblíţ staveniště. Přítok byl ověřen pomocí rovnice 4.

S drenování stav. jámy

Obr. 17: Mapa ekvipotenciálních linií se stavební jámou (1. modelovaná vrstva)

38

S

Obr. 18: Mapa ekvipotenciálních linií se stavební jámou (2. modelovaná vrstva)

Obr. 17 a 18 charakterizuje změnu tvaru ekvipotenciálních linií po zavedení stavební jámy do modelované oblasti. Proudění podzemní vody je kolmé na hydroizohypsy, tzn. v okolí stavební jámy se změní průběh hydroizohyps. Podzemní voda tak proudí do stavební jámy tzn. do místa s vyšší vodivostí. Červeně zbarvená oblast značí vysušené území v 1. vrstvě. Numerické ověření přítoku do stavební jámy Modelované povodí představuje uzavřenou oblast z hlediska hydrologické bilance, proto byl na tuto lokalitu aplikován jednoduchý numerický vzorec na ověření přítoku podzemní vody do stavební jámy. Hlavním vstupem do modelovaného povodí jsou sráţky. Výstupy jsou evaporace a transpirace vody rostlinami, povrchový odtok a infiltrace. Efektivní infiltrace byla odhadnuta na hodnotu 250 mm, následně upravena při kalibraci na 265 mm. Tato hodnota byla dosazena do jednoduchého matematického vzorce pro výpočet objemu

V

Sp * v

(4)

kde V = přítok vody do stavební jámy, Sp = plocha povodí, tzn. mnoţství cel v modelované oblasti, které se nachází v infiltrační oblasti stavební jámy a ν = výška vodního sloupce. Sp = 61270 m2 = 2710 cel x 33 m2 (33 m2 = plocha jedné modelované cely) 39

ν = 0,265 m (hodnota ef. infiltrace převedená na vodní sloupec) V = Sp*ν = 16420 m3/rok = 0,5 l/s Přítok podzemní vody činí podle jednoduchého matematického vzorce 0,5 l/s. Jedná se o maximální přítok.

5.3.2 Vliv projektované stavby Při modelování samotné stavby bylo prostředí stavební jámy změněno z otevřeného prostředí na prostředí izolované. Byla provedena úprava horizontální a vertikální hydraulické vodivosti, a to na hodnotu 1E-20 m.s-1. Dalším krokem byla drenáţ v prostoru OC na hodnotu 352 m n. m. Výsledkem této činnosti je mapa ekvipotenciálních linií s vlivem projektované stavby (obr. 19 a 20). Podzemní voda reaguje na stavbu obtékáním a zvýšením úrovně hladiny na nátokové (jiţní) straně OC Arkády. K mírnému sníţení dochází naopak na odtokové severní straně (více v řezu obr. 21). Červeně zbarvené území značí vysušenou oblast modelovaného území.

min. hydraulická výška

S

max. hydraulická výška

Obr. 19: Mapa ekvipotenciálních linií s vlivem projektované stavby (první vrstva)

40

S

Obr. 20: Mapa ekvipotenciálních linií s vlivem projektované stavby (druhá vrstva)

5.4 Hodnoty nástupu a poklesu hladin v okolí stavby Import stavby do terénu se projevil nejen obtékáním stavby podzemní vodou, ale také změnami hydraulických výšek v okolí stavby. Hodnoty nejvyšších a nejniţších hydraulických výšek před a po vlivu projektované stavby jsou znázorněné v tabulce (tab. 6). Nejvyšší hodnoty hydraulických byly zaznamenány ve střední části nátokové (jiţní) stěny. Nejniţší hodnoty hydraulických výšek byly zaznamenány ve opět střední části odtokové (severní) stěny OC, kde se tak projevil hydraulický stín, který je pro stavební objekty typický. Pro lepší pochopení průběhu hladiny podzemní vody byl napříč modelovanou oblastí konstruován řez územím (obr. 21). Příčný řez byl veden 67. modelovanou celou ve směru přiloţené šipky (obr. 19) a poskytuje srovnání úrovní hladin podzemní vody bez vlivu nebo s vlivem projektované stavby. Ze vzájemného srovnání vyplývá vzdutí hladiny podzemní vody po zavedení stavby do terénu v první modelované vrstvě. Import stavby OC vedl ke zvýšení hladiny podzemní vody na nátokové (jiţní) straně OC o 8,6 m. Na odtokové (severní) straně se naopak hladina sníţila po zasazení OC o hodnotu 0,7 m. Projevil se tak účinek hydraulického stínu. 41

Ve druhé vrstvě (obr. 22) došlo také ke zvýšení hladiny, ač zde stavba fyzicky není přítomna. Na zvýšení hladiny měly vliv tlakové poměry, které vznikly kompresí nadloţního krytu vlivem stavby. Vytvořenou elevaci je tak moţné charakterizovat jako napjatou zvodeň (obr. 20). Pokud by však byla posuzována jako volná hladina, dojde v místě OC ke zvýšení hydraulických výšek. Nejvyšší hladina hydraulické výšky by dosáhla úrovně 379 m n. m. Tab. 6: Hodnoty hydraulických výšek v nejbliţším okolí stavby před a po výstavbě (m n. m.) nejvyšší hodnota hydraulické výšky v 1. modelované vrstvě stav před výstavbou stav po výstavbě 369,1 m 377,7 m

nejnižší hodnota hydraulické výšky v 2. modelované vrstvě stav před výstavbou stav po výstavbě 353,9 m 353 m

OC Arkády

Obr. 21: Srovnání hladin před a po umístění centra Arkády v první modelované vrstvě

Řezy územím druhou modelovanou vrstvou před a po zavedení stavby do terénu 385 380

m n. m.

375 370 365 360 355 350 100

150

200

250

300

350

400

450

500

550 m

bez stavby

se stavbou

Obr. 22: Srovnání hladin před a po umístění centra Arkády ve druhé modelované vrstvě

42

5.5 Rychlost proudění Rychlost proudění byla určena v programu PMPATH. PMPATH je advektivně-transportní model, který pracuje nezávisle na modelu PMWIN, ale informace z něj získává. Pomocí tohoto modelu můţeme současně vypočítat rychlost proudění podzemní vody a animovat proudnice (CHIANG a KINZELBACH, 2001). Původní proudové pole bez vlivu projektované stavby (obr. 23) charakterizuje rychlosti a směr proudění podzemní vody. Nejvyšší rychlosti v řádu 1E-06 m.s-1 jsou dosahovány v niţších částech modelovaného území v pásmu kvartérních a deluviálních sedimentů. Vyšší rychlosti proudění souvisí s vyšší hydraulickou vodivostí (obr. 14). Směr proudění znázorňují rychlostní vektory. Oblast je tak rovnoměrně drenována Luţickou Nisou a Harcovským potokem. Velikost vektorů proudění je přímo úměrná rychlosti proudění a pohybuje se v řádu 1 x 10-8 aţ 1 x 10-6 m.s-1 v pásmu kvartérních a deluviálních sedimentů. Začleněním stavební jámy (obr. 24) došlo ke změně směru proudění podzemní vody. Směry proudění v okolí stavební jámy jsou orientovány do pásma vyšší vodivosti stavební jámy. V prostoru stavební jámy směřují poté vektory proudění směrem k nejniţšímu místu, kde se nachází odvodňovaná cela. Nejvyšší rychlosti proudění po začlenění stavební jámy jsou dosahovány v jihozápadním rohu, a to 10,5 cm/den (1,22E-06 m.s-1). Import stavby OC Arkády do modelu se projevil nejen změnami hydraulických výšek (předchozí kapitola), ale také změnami v rychlostech proudění (tab. 7). U budovy OC jsou podle předpokladu dosahovány nejvyšší rychlosti proudění v rozích budovy (obr. 25). Nejvyšší rychlost proudění pak konkrétně v severozápadní části budovy, a to 15 cm/den. Nejniţší rychlosti proudění klesají k nejniţším hodnotám ve středních částech stěn budovy, přičemţ úplně nejniţší rychlost byla zaznamenána na jiţní stěně budovy, a to 0,2 cm/den. Ve druhé vrstvě (obr. 26) došlo odlišnými tlakovými poměry k nejvýraznější změně směru proudění. Směry proudění podzemní vody vycházejí z místa nejvyššího vzdutí hladiny na všechny směry. Charakter proudění připomíná odstředivou sílu.

Tab. 7: Nejvyšší a nejniţší rychlosti proudění před a po zaloţení OC v 1. vrstvě nejvyšší rychlosti proudění cm/den stav před výstavbou po výstavbě 9,5 15

nejniţší rychlosti proudění cm/den stav před výstavbou po výstavbě 2 0,2

43

Harcovský potok

S

Obr. 23: Původní proudové pole bez vlivu stavby OC – 1. vrstva

S

Harcovský potok

nejvyšší rychlosti

Obr. 24: proudové pole s vlivem stavební jámy – 1. vrstva

44

nejvyšší rychlost

S

nejniţší rychlost Obr. 25: Proudové pole s vlivem projektované stavby OC – 1. vrstva

S

Obr. 26: Proudové pole s vlivem projektované stavby OC – 2. vrstva

45

Diskuze Lokalita Liberec - Perštýn se nachází v morfologicky členitém prostředí celku Ţitavské pánve. Geologicky je lokalita tvořena krystalinickými horninami krkonošsko-jizerského masivu s výrazně porfyrickou ţulou. V nadloţí se vyskytuje eluvium a kvartérní uloţeniny, které tvoří hlíny a písky. Při bázi přepokládaného zaloţení stavby jsou ţuly jen mírně narušené alteračními procesy. Členitá morfologie terénu spolu s heterogenitou propustnosti puklinového prostředí určuje proudění podzemních vod. Pro potřebu modelování proběhlo modelování ve dvou vrstvách. Vzhledem ke geologické stavbě kolektoru byl model rozdělen do dvou vrstev. Samotná mocnost vrstev byla zvolena tak, aby co nejlépe charakterizovala vliv na projektovanou stavbu. První vrstva modelu (mocnost 30 m) zahrnuje eluvium a přípovrchové pásmo rozpukání a rozvolnění hornin. Původní mocnost první vrstvy zahrnovala eluvium a kvartérní uloţeniny, ovšem docházelo k vysychání velkého mnoţství cel, proto byla mocnost zvýšena o přípovrchové pásmo na 30 m. Druhá vrstva zahrnuje pásmo méně zvětralých granitů a její báze byla odhadnuta na hodnotu 310 m n. m. S tvorbou numerického modelu vyvstala potřeba určení základních vstupních parametrů. Určení některých vstupních parametrů je u puklinového prostředí sloţitější neţ u průlinového. Značný vliv na výsledky modelu má horizontální hydraulická vodivost. Tato hodnota byla určena z hydrodynamických zkoušek jako podíl transmisivity určené z pozorovacích vrtů a mocnosti kolektoru. Hodnota horizontální hydraulické vodivosti nebyla do modelu zadána celoplošně, ale byla doplněna o pásmo kvartérních a deluviálních sedimentů. Průběh tohoto pásma v nejniţší části profilu byl určen podle vrstevnic z mapového podkladu a hydraulická vodivost stanovena metodou pokus x omyl a následně kalibrována. Hodnoty horizontální hydraulické vodivosti nemusí zcela odpovídat skutečnosti, neboť je ovlivňuje nejen geologická stavba území, která se můţe v některých místech zcela lišit, ale i mocnosti jednotlivých vrstev. Z důvodu nutnosti konceptualizace zvodněného kolektoru pro potřeby modelu a vzhledem k výsledkům kalibrace je však výsledné rozloţení hydraulických parametrů uspokojivé. Kalibrací byla upravena i hodnota efektivní infiltrace, která byla oproti předpokladu zjištěného z bilanční rovnice zvýšena o 15 mm na hodnotu 265 mm. Tato hodnota byla upravována tak, aby se co nejvíce shodovaly hladiny podzemní vody vypočítané modelem s hladinami naměřenými ve vrtech.

46

Modelování v programu Processing Modflow poskytlo odhad chování proudění podzemní vody bez vlivu projektované stavby (obr. 15). Dalším krokem bylo začlenění stavební jámy do modelované oblasti a stanovení přítoku pomocí vodní bilance, který činí 0,36 l/s. Tento přítok byl ověřen jednoduchým numerickým vzorcem pro výpočet objemu vody v infiltrující oblasti svahu. Modelem určený přítok nepotvrdil infiltraci podzemní vody do stavební jámy z Harcovského potoka, který se nachází poblíţ. Mnoţství přítoku do stavební jámy ovlivňuje výška hladiny v Harcovském potoku, který nebyl výškově zaměřen. Pro přesné určení hladiny toku v řece by muselo proběhnout jeho zanivelování. Přítok vody z Harcovského potoka se projeví aţ při drénování stavební jámy na hodnotu 350 m n. m. Poměrně nízký přítok by mohl být způsoben i heterogenitou puklinového prostředí, čemuţ nasvědčuje i čerpané mnoţství ve vrtech HV1, HV2 a HV3, které je odlišné. Zatímco v čerpaném vrtu HV2 se čerpalo průměrně cca 1 l/s. Ve vrtech HV1 a HV3 bylo maximální moţné čerpané mnoţství 0,03 l/s, resp. 0,06 l/s. Drobné rozpory mohou nastat i u lokalizace stavební jámy, která byla stanovena jen dle půdorysu stavby (příloha 5). Drenáţí stavební jámy došlo ke změně směrů proudění a ke změně rychlostí proudění v jejím okolí. Maximální rychlost byla zaznamenána v jejím jihovýchodním rohu, a to 10,5 cm/den. Jde o nárůst přibliţně 8 cm/den oproti původnímu stavu v daném místě. Celkově se rychlosti proudění v okolí stavební jámy nijak dramaticky nezvýší. Protoţe bude při úpravě stanoviště terén odkryt jen krátkou dobu a nedojde k podstatnému zvýšení rychlostí proudění ani nejsou v dotčeném území ţádné historické známky těţby, riziko eroze a svahových pohybů nebude akutní. Vzhledem k tomu, ţe zářez stavební jámy bude veden do svahu, bylo by dobré stavební jámu zapaţit. Zapaţením se minimalizuje riziko nestability stěn a sesunutí svrchní části profilu, která je zvětralá. Drénování stavební jámy vedlo také k neočekávaně rozsáhlým vysušením velké plochy první vrstvy, které dosáhlo aţ okrajové podmínky q = 0. Při detailnějším studiu vlivu stavební jámy by bylo vhodné rozšířit modelované území za tuto hranici. Tato okrajová podmínka se nachází na východě modelovaného území a byla stanovena uměle, resp. jedná se o hydrologickou rozvodnici a ne o hydrogeologickou. Import stavby do modelu se projevil změnami hydraulických výšek. Podzemní voda reaguje na stavbu jejím obtékáním. Na nátokové straně stavby došlo ke vzdutí hladiny, přičemţ zvýšení hladiny bylo nejvyšší ve střední části této stěny, a to 8,6 m. V této oblasti byly zaznamenány i nejniţší rychlosti proudění. Rychlost proudění se v této části sníţila o 1,8 cm/den oproti původnímu stavu. Výsledkem minimalizace hydraulického gradientu můţe dojít v určitých partiích u stavby ke vzniku hydraulického stínu, který se vyskytl na odtokové straně centra. Hladina podzemní vody se zde sníţila o 0,9 m na 353 m n. m. Nejvyšší rychlosti 47

proudění dosahuje podzemní voda v rozích stavby a po stranách, které jsou rovnoběţné se směrem proudění. Zde je také největší hydraulický gradient. Nejvyšší rychlost, konkrétně 15 cm/den, byla zaznamenána v severozápadním rohu stavby. Tato hodnota představuje zvýšení o 5,5 cm/den oproti původnímu stavu. Vzhledem k velkému vzdutí hladiny na nátokové straně OC by bylo vhodné prostor kolem stavby, zejména na nátokové straně a po stranách stavby, obsypat drenáţí. Obsyp o mocnosti cca 2 m, tvořený nejlépe hrubozrnným štěrkem, by sníţil tlakovou sílu podzemní vody a voda by tak silně nenamáhala konstrukci stavby. Při nepouţití drenáţe by mohlo dojít ke vzniku trhlin ve zdi a infiltraci vody. Dalším praktickým vlivem drenáţního obsypu by bylo vytvoření depresního kuţele a s tím související sníţení hladiny podzemní vody na nátokové straně centra. Voda by se tak tímto propustnějším prostředím dostala rychleji do spodních partií profilu, kde by její hydrostatický tlak neznamenal takové problémy pro stavbu OC. Vzdutí hladiny o 9 m by bez pouţití drenáţe vyvolalo jisté riziko porušení svahu. Na nátokové straně by se hladina podzemní vody dostala do eluvia, kde by vzhledem ke strmému sklonu svahu mohla způsobit jeho porušení. K objektivnímu posouzení rizika by však bylo nutné znát informace z vrtů, které v téhle části svahu nejsou k dispozici. Zapuštění stavby do terénu změní reţim podzemních vod i v druhé modelové vrstvě. Stlačením podzemní vody vlivem stavby na určitou hladinu dojde k vytvoření lokálně napjaté zvodně. Změnou tlakových poměrů nastane vzdutí hladiny v prostoru stavby a vytvoření elevace, která by dosáhla výšky 379 m n. m. (obr. 22). Takto napjatá hladina představuje určité nebezpečí při konstrukci základové desky stavby. U nezatíţené základové desky by mohlo dojít ke vzniku poruch činností podzemní vody, proto by bylo vhodné navrhnout drenáţ i při bázi samotného centra. Lokalita výstavby OC Arkády disponuje sloţitými základovými poměry. Konstrukce stavby o několika podlaţích částečně zapuštěných do svahu je také velice náročným projektem, proto by měla být oblast více geologicky a hydrogeologicky prozkoumána, coţ by však stavbu ještě více prodraţilo. Modelování puklinového prostředí je poněkud nejisté vzhledem ke značné heterogenitě puklinového prostředí. Model zjednodušuje přírodní procesy a není tak přesným obrazem skutečnosti. Zjednodušení, které bylo nutné při modelu provést, ovlivní v závěrečné fázi konečný výsledek. I přes všechny tyto negativní aspekty by bylo moţné stavbu při dodrţení určitých pravidel doporučit.

48

Závěr Účelem této diplomové práce bylo posoudit vliv projektované stavby na reţim podzemních vod, zejména míru vzdutí hladiny a ověřit změny v rychlosti proudění podzemní vody s ohledem na moţné riziko porušení stability svahu. V práci byly vyhodnoceny hydrodynamické zkoušky. Dále byl sestaven numerický model proudění podzemních vod, který byl hlavním prostředkem ke splnění cílů práce. Hlavním cílem diplomové práce bylo posouzení vhodnosti výstavby centra podle původního projektového zadání, případně doporučení změny projektu. Numerický model vytvořený v programu Processing Modflow poskytl odhad chování podzemních vod na lokalitě Liberec – Perštýn. Kalibrací bylo dosaţeno shodné úrovně hladin podzemních vod v pozorovacích vrtech s hladinami vypočítanými modelem. Bez vlivu projektované stavby rozděluje rozvodnice studovanou oblast na dva přibliţně stejně velké celky Luţické Nisy a Harcovského potoka. Dalším krokem bylo modelování vlivu stavební jámy a stanovení infiltrace do stavební jámy. Infiltrace byla pomocí vodní bilance vyčíslena na hodnotu cca 0,4 l/s. Neuplatnil se předpoklad přítoku z Harcovského potoka, který se nachází poblíţ. Tento přítok byl ověřen jednoduchým numerickým vzorcem pro výpočet objemu vody v infiltrující oblasti a stanoven na hodnotu 0,5 l/s. Stavební jámu by bylo vhodné zapaţit kvůli stabilitě stěn. Modelovaná oblast disponuje vyrovnanou bilancí, a to 1,8 l/s. Převáţnou část vstupů do modelu tvoří efektivní infiltrace, zlomek představuje infiltrace z vodních toků. Odtok vody z modelu je tvořen především infiltrací vod do vodních toků a zbylou část tvoří drenáţ vody přitékající do stavební jámy. Stavba OC představuje pro reţim podzemních poměrně velký vliv. Jde o náročnou konstrukci, i kdyţ geotechnicky za určitých předpokladů zvládnutelnou. Importem stavby dojde ke zvýšení hladiny podzemní vody na nátokové straně o 8,6 m. Na opačné straně se projeví hydraulický stín a sníţení hladiny o 0,9 m oproti původnímu stavu. Rovněţ se změní rychlosti proudění. Maximální rychlost v okolí centra se zvýší o 5,5 cm/den na 15 cm/den. Minimální rychlost proudění se naopak zmenší o 1,8 cm/den na 0,2 cm/den. Vhodnou drenáţí se negativní účinky na stavbu OC sníţí a stavba by mohla být realizována. Je však otázkou investora, jestli bude chtít prostředky na tyto opatření vyčlenit. Stavbu by bylo moţné doporučit ovšem jen s drenáţním obsypem po stranách stavby a při její bázi.

49

POUŽITÁ LITERATURA

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 níţiny, Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, Brno. Domenico, P.A. Schwartz, F.W. (1998): Physical and Chemical Hydrogeology, 2nd Edition, John Wiley and Sons, New York. Fetter, C.W. (2001): Applied Hydrogeology, 4th Edition, Prentice Hall, New York. Chaloupský, J. Červenka, J. Jetel, J. Králík, F. Líbalová, J. Píchová, E. Pokorný, J. Pošmourný, K. Sekyra, J. Shrbený, O. Šalanský, K. Šrámek, J. Václ, J. (1989): Geologie Krkonoš a Jizerských hor, ÚÚG, Praha. Chaloupský, J. Svoboda. J. Dohnal, Z. Fediuk, F. Chaloupská, M. Kaiser, T. Kopecký, L. Louček, D. Mrňa, F. Myslil, V. Pacovská, E. Pavlů, D. Polák, A. Soukup, J. Tásler, R. Vác, J. (1962): Vysvětlivky k přehledné geologické mapě ČSSR, Geofond, Praha. Chiang, W. H. Kinzelbach, W. (2001): 3D-groundwater modeling with PMWIN, Springer, Berlin. Chlupáč, I. Brzobohatý, R. Kovanda, J. Stráník, Z. (2002): Geologická minulost České republiky. Nakladatelství Akademie věd České republiky, Praha. Hynie, O. (1961): Hydrogeologie ČSSR I – Prosté vody, Nakladatelství Československé akademie věd, Praha. Jetel, J. Krásný, J. Daňková, H. Kněţek, M. Kulhánek, V. Rybářová, L. Trefná, E. (1986): Vysvětlivky k základní hydrogeologické mapě ČSSR 1:200000 list 03 Liberec, list 04 Náchod (část), Ústřední ústav geologický, Praha.

50

Jetel, J. (1982): Určování hydraulických parametrů hornin hydrodynamickými zkouškami ve vrtech, Nakladatelství Československé akademie věd, Praha. Kodym, O. Fusán, O. Matějka, A. Urbánek, L. (1967): Geological map of Czechoslovakia [kartografický dokument], 1st Edition, ÚÚG, Praha. Košková, I. Modrý, M. Šmída, J. (2008): Atlas ţivotního prostředí Libereckého kraje, Liberecký kraj, Liberec. Kříţ, H. (1983): Hydrologie podzemních vod, Československá akademie věd, Praha. Mísař, Z. Dudek, A. Havlena, V. Weiss, J. (1983): Geologie ČSSR I. Český masiv, Státní pedagogické nakladatelství, Praha. Olmer, M. Kessl, J. Prchalová, H. Holíková, M. Pavlíková, D. Anýţ, D. Jiroudková, M. Novák, V. Šiftař, Z. Nakládal, V. Herrman, Z. Řezáč B. (1990): Hydrogeologické rajóny, Výzkumný ústav vodohospodářský ve spolupráci s Českým hydrometerologickým ústavem ve Státním zemědělském nakladatelství, Praha. Quitt, E. (1971): Klimatické oblasti Československa, Československá akademie věd geografický ústav Brno, Brno. Schwartz, F.W. Zhang, H. (2003): Fundamentals of Ground Water, John Wiley and Sons, New York. Svoboda, J. Beneš, K. Dudek, A. Holubec, J. Chaloupský, J. Kodym, O. Malkovský, M. Odehnal, L. Polák, A. Pouba, Z. Sattran, V. Škvor, V. Weiss, J. (1964): Regionální geologie ČSSR, Československá akademie věd, Praha. Svoboda, J. (1973): Český masív ve fotografii, Ústřední ústav geologický v Academii, Praha. Šráček, 0. Kuchovský, T. (2003): Základy hydrogeologie, Masarykova univerzita v Brně, Přírodovědecká fakulta, Brno.

51

Tolasz, R. Brázdil, R. Bulíř, O. Dobrovolný, P. Dubrovský, M. Hájková, L. Halásová, O. Hostýnek, J. Janouch, M. Kohut, M. Krška, K. Křivancová, S. Květoň, V. Lepka, Z. Lipina, P. Macková, J. Metelka, L. Míková, T. Mrkvica, Z. Moţný, M. Nekovář, J. Němec, L. Pokorný, J. Reitschläger, J. D. Richterová, D. Roţnovský, J. Řepka, M. Semerádová, D. Sosna, V. Stříţ, M. Šercl, P. Škáchová, H. Štěpánek, P. Štěpánková, P. Trnka, M. Valeriánová, A. Valter, J. Vaníček, K. Vavruška, F. Voţenílek, V. Vrablím, T. Vysoudil, M. Zahradníček, J. Zusková, I. Ţák, M. & Ţalud, Z. (2007): Atlas podnebí Česka, Český hydrometeorologický ústav, Univerzita Palackého v Olomouci. Praha, Olomouc.

Internetové zdroje Envigea s.r.o. (2006): Obchodně-společenské centrum Arkády Liberec. Dostupné na: http://tomcat.cenia.cz/eia/detail.jsp?view=eia_cr&id=LBK207 22.2.2009 Povodí Odry (2010): Plán oblastí povodí Odry. Dostupné na: http://www.pod.cz/planovani/cz/oblast_povodi_odry.html 9.2.2010 Český hydrometerologický ústav (2010): Průměrné sráţkové úhrny v roce 2009. Dostupné na: http://www.chmi.cz/meteo/ok/nsrz6190.jpg 29.3.2010 SIADESIGN Liberec s.r.o. (2010): Obchodní centrum Arkády Liberec. Dostupné na: http://www.siadesign.cz/cs/projekty/dle-typologie/obchodni-centra/obchodni-centrum-arkadyliberec.html?id=239 2.4.2010 Mapy.cz (2010): Topofrafická mapa modelovaného území. Dostupné na: mapy.cz 28.4.2010

Firmy AQUA ENVIRO s.r.o.

52

SEZNAM PŘÍLOH 1. Ilustrační foto OC Arkády 2. Podélný řez OC Arkády 3. Profily čerpaných vrtů (HV1 – HV3) 4. Profily pozorovacích vrtů (HV4 – HV9) 5. Podrobná situace staveniště a vrtů 6. Současný stav lokality 7. Histogram hodnot indexů průtočnosti a propustnosti 8. Závislost pozorovacího vrtu HV5 na čerpaném HV3 9. Vodní bilance modelu 10. Topografická mapa modelovaného území

53

Příloha 1 - ilustrační foto OC Arkády

Ilustrační foto OC Arkády, zdroj: SIADESIGN Liberec s.r.o.

Příloha 2 - podélný řez OC Arkády

Podélný řez OC Arkády, zdroj: AQUA ENVIRO s.r.o.

54

Příloha 3 - profily čerpaných vrtů

Profily čerpaných vrtů, zdroj: AQUA ENVIRO s.r.o.

55

Příloha 4 - profily pozorovacích vrtů

Pozorovací vrt HV4, zdroj: AQUA ENVIRO s.r.o.

56

Pozorovací vrt HV5, zdroj: AQUA ENVIRO s.r.o.

57

Příloha 5 - podrobná situace staveniště a vrtů

Staveniště OC, zdroj: AQUA ENVIRO s.r.o.

58

Příloha 6 - současný stav lokality

Luţická Nisa

Harcovský potok

Pohled na stavební jámu z jihu

59

Pohled na stavební jámu ze severu

Pohled na málo zvětralý liberecký granit

60

Příloha 7 – histogram hodnot indexů průtočnosti a propustnosti

Histogram indexu propustnosti a indexu průtočnosti v horninách krystalinika, zdroj: Jetel et al., 1986

Příloha 8 – Závislost pozorovacího vrtu HV5 na čerpaném HV3 Závislost čerpaného vrtu HV3 na pozorovacím vrtu HV5 370,00

m.n.m.

365,00 HV3 HV5

360,00

355,00

350,00 1

10

100

1000

10000

min

Závislost pozorovacího vrtu na vrtu čerpaném

61

Příloha 9 – Vodní bilance modelu

Vodní bilance subregionu – tzn. jedné modelované cely

Vodní bilance celého modelu

62

Příloha 10 – Topografická mapa modelovaného území S

Topografická mapa severní části modelovaného území, zdroj: mapy.cz (Červeně zbarvená čára značí přibliţný průběh zatrubněné části Harcovského potoka)

63