Masarykova univerzita Pˇr´ırodovˇedeck´a fakulta ´ Ustav geologick´ ych vˇed
Hydrodynamick´ e podm´ınky ve voln´ e zvodni v obdob´ı infiltrace atmosf´ erick´ ych sr´ aˇ zek Reˇserˇsn´ı ˇc´ast Bc. Pavel Pracn´ y Vedouc´ı pr´ace: Mgr. Tom´aˇs Kuchovsk´y, Ph.D.
Brno, 2010
Obsah ´ 1 Uvod
2
2 Proudˇ en´ı podzemn´ı vody 2.1 Stavba svrchn´ı ˇca´sti horninov´eho prostˇred´ı 2.2 Podzemn´ı voda . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Hydrologick´ y cyklus . . . . . . . . . . . . . 2.4 Infiltrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Pohyby vody po infiltraci . . . . . . . . . . 2.5.1 Celkov´ y odtok . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Hypodermick´ y odtok . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
3 Dvoj´ı paradox 3.1 Paradox prvn´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Paradox druh´ y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Navrˇzen´a ˇreˇsen´ı dvoj´ıho paradoxu . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 P´ıstov´ y efekt (piston flow) . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Mechanismus zpˇetn´e vazby transmisivity (transmissivity feedback mechanism) . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Kinematick´e vlny (kinematic waves) . . . . . . . . . . 4 Fyzik´ aln´ı modelov´ an´ı 4.1 Typy hydrologick´ ych model˚ u. . . . . . 4.1.1 Experimenty stˇredn´ıho mˇeˇr´ıtka ˇ erbinov´e modely . . . . . . . 4.1.2 Stˇ 4.2 Technick´ y popis pouˇzit´eho modelu . . . 4.3 Hydrodynamick´ y popis modelu . . . . 4.4 Metody a postupy . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Experimenty kalibraˇcn´ı . . . . . 4.4.2 Experimenty pr˚ utokov´e . . . . . 4.4.3 Experimenty stopovac´ı . . . . . 5 Literatura
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . .
3 3 3 4 5 6 6 7
9 . 9 . 10 . 11 . 11 . 12 . 12
. . . . . . . . .
13 13 13 14 14 14 15 16 16 16 17
1
1
´ Uvod
V zahraniˇcn´ı literatuˇre je pops´an jev, kdy v obdob´ı po sr´aˇzkov´ ych ud´alostech je pozorovan´e sloˇzen´ı povrchov´ ych vod odliˇsn´e od naˇsich oˇcek´av´an´ı (Kirchner 2003). Nam´ısto naˇredˇen´ı vody sr´aˇzkami se ukazuje, ˇze voda si zachov´av´a v´ıce-m´enˇe stabiln´ı hodnoty nˇekter´ ych chemick´ ych l´atek. Na druhou stranu u nˇekter´ ych l´atek mohou koncentrace dokonce stoupat. Zd´a se tedy, ˇze se bezprostˇrednˇe po sr´aˇzk´ach z podzem´ı uvolˇ nuj´ı velk´a mnoˇzstv´ı vody. Pozn´an´ı proces˚ u prob´ıhaj´ıc´ıch v podzem´ı je pro n´as principi´alnˇe d˚ uleˇzit´e z hlediska obh´ajen´ı pozice hydrogeologie a hydrologie povod´ı jako kvantitativn´ıch vˇed. V souˇcasnosti pro n´as pˇredstavuj´ı povod´ı black box – ˇcernou krabici, do kter´e sr´aˇzkami nˇejakou vodu nalijeme a urˇcit´e mnoˇzstv´ı vody n´am na druh´e stranˇe opˇet vyteˇce. Toto mnoˇzstv´ı jsme dokonce schopni relativnˇe dobˇre vypoˇc´ıtat na z´akladˇe empirick´ ych vzorc˚ u. Dvoj´ı paradox ale ukazuje, ˇze se v podzem´ı odehr´avaj´ı procesy, o kter´ ych v souˇcasnosti nic moc nev´ıme, pˇritom jejich pozn´an´ı by hydrologii mal´ ych povod´ı postavilo na pevnˇejˇs´ı z´aklady. Tohoto t´ematu se ve sv´e diplomov´e pr´aci dotkla Lucie Forejtov´a, kter´a se zab´ yvala hydrogeologick´ ymi pomˇery Anensk´eho potoka u Koˇsetic. Tato pr´ace byla zaloˇzena na ter´enn´ıch datech poskytnut´ ych observatoˇr´ı, ze kter´ ych vyplynuly velk´e sez´onn´ı zmˇeny obsahu nˇekter´ ych l´atek v povrchov´ ych vod´ach, ale tak´e jejich z´avislost na velikosti pr˚ utoku (Forejtov´a 2008). Pˇredloˇzen´a reˇserˇse je pˇr´ıpravnou ˇc´ast´ı diplomov´e pr´ace, kter´a se zamˇeˇr´ı na laboratorn´ı modelov´an´ı p´ıstov´eho efektu, mechanismu, kter´ y by mohl st´at v pozad´ı pozorovan´ ych jev˚ u.
2
2 2.1
Proudˇ en´ı podzemn´ı vody Stavba svrchn´ı ˇ c´ asti horninov´ eho prostˇ red´ı
Horniny zemsk´eho povrchu se p˚ usoben´ım fyzik´aln´ıch, chemick´ ych a biologick´ ych vliv˚ u mˇen´ı na zvˇetraliny. Tyto se mohou p˚ usoben´ım exogenn´ıch ˇcinitel˚ u d´ale pˇremist’ovat, usazovat a za spolup˚ usoben´ı ˇziv´ ych organism˚ u mˇenit na p˚ udy. Nejsvrchnˇejˇs´ı ˇca´st zemsk´e k˚ ury je tedy obvykle tvoˇrena p˚ udami (pedosf´era). ˇ ast Pˇri zvˇetr´av´an´ı doch´az´ı k rozpadu horninov´ ych celk˚ u na menˇs´ı ˇca´sti. C´ materi´alu se rozpust´ı v prot´ekaj´ıc´ı vodˇe, ˇca´st se rozpad´a na menˇs´ı a menˇs´ı ˇca´stice, dokud tyto nejsou takov´e velikosti, kter´a umoˇzn´ı dalˇs´ı transport. Materi´al se tedy smˇerem k povrchu zjemˇ nuje. V z´avislosti na podm´ınk´ach se mohou mocnosti zvˇetralin pohybovat od centimetr˚ u po metry. Pˇri popisech p˚ ud obvykle vyˇcleˇ nujeme nˇekolik horizont˚ u. Svrchn´ı horizonty O a A jsou v´ yraznˇe obohacen´e organick´ ym materi´alem. O horizont je v podstatˇe vrstva odumˇrel´ ych tˇel a ˇca´st´ı organism˚ u, ve vrstvˇe A je organick´ y materi´al (humus) prom´ısen s miner´aln´ımi zrny. N´ıˇze leˇz´ı horizont E, svˇetle zbarven´ y horizont s minimem organick´ ych l´atek, ze kter´eho prot´ekaj´ıc´ı voda vym´ yv´a jemn´e ˇca´stice a rozpustn´e l´atky. Navazuje horizont B, ve kter´em se usazuje vˇetˇsina materi´alu vymyt´eho z horizontu E (tzv. z´ona akumulace). Pˇr´ınos a usazen´ı j´ılov´ ych ˇca´stic m˚ uˇze zp˚ usobit sn´ıˇzenou propustnost. Posledn´ım horizontem je C, kter´ y je tvoˇren ˇca´steˇcnˇe alterovan´ ym materi´alem mateˇrsk´e horniny, do kter´e pozvolna pˇrech´az´ı, a kter´a tvoˇr´ı skaln´ı podloˇz´ı cel´eho p˚ udn´ıho profilu (Tarbuck & Lutgens 2002).
2.2
Podzemn´ı voda
Podzemn´ı vodou bˇeˇznˇe mysl´ıme vodu obsaˇzenou v horninov´em prostˇred´ı. Tato voda se m˚ uˇze vyskytovat v podobˇe kapil´arnˇe v´azan´e na zrna v p˚ ud´ach a zeminˇe, v horninov´ ych p´orech a puklin´ach nebo m˚ uˇze tvoˇrit souvisle zvodnˇel´e akumulace. Z hydrogeologick´eho hlediska se jako podzemn´ı voda s. s. oznaˇcuje voda v saturovan´e z´onˇe, tzn. pod hladinou podzemn´ı vody. Podrobnˇejˇs´ı ˇclenˇen´ı vody viz obr´azek 1. Hydraulicky spojit´e u ´tvary podzemn´ı vody naz´ yv´ame zvodnˇe (nebo tak´e akvifery). Mohou se vytvoˇrit v nejr˚ uznˇejˇs´ıch hornin´ach s dostateˇcnou porozitou (nesoudrˇzn´e sedimenty, konsolidovan´e sedimenty, ale i rozpukan´e nebo navˇetral´e magmatick´e a pˇremˇenˇen´e horniny). Podle piezometrick´eho tlaku na hladinˇe podzemn´ı vody dˇel´ıme zvodnˇe na ty s napjatou nebo volnou hladinou. Zvodeˇ n s napjatou hladinou se vytvoˇr´ı v propustnˇejˇs´ı vrstvˇe mezi dvˇema 3
ˇ en´ı podpovrchov´ Obr´azek 1: Clenˇ ych vod (upraveno podle Poehls 2009) m´enˇe propustn´ ymi (poˇcevn´ı a stropn´ı izol´ator). Tlak vody ve zvodni je vyˇsˇs´ı neˇz atmosf´erick´ y. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je nadloˇzn´ı nebo podloˇzn´ı vrstva alespoˇ n ˇca´steˇcnˇe propustn´a, mluv´ıme o napjat´e zvodni s mezivrstevn´ım pˇret´ek´an´ım. Na druh´e stranˇe zvodeˇ n s volnou hladinou je charakterizov´ana t´ım, ˇze tlak na jej´ım povrchu odpov´ıd´a nadmoˇrsk´e v´ yˇsce. Tento typ zvodnˇe se nˇekdy zkr´acenˇe oznaˇcuje tak´e jako zvodeˇ n voln´a nebo freatick´a voda. Podzemn´ı voda pˇrirozenˇe proud´ı ve smˇeru niˇzˇs´ıho tlaku. Za bˇeˇzn´ ych podm´ınek se voda p˚ usoben´ım gravitace pohybuje horninov´ ym a p˚ udn´ım prostˇred´ım aˇz do m´ısta odvodnˇen´ı.
2.3
Hydrologick´ y cyklus
Klasickou pˇredstavu o z´akladn´ıch smˇerech pohybu vody v pˇr´ırodˇe shrnuje hydrologick´ y cyklus. Do horninov´eho prostˇred´ı vstupuje naprost´a vˇetˇsina vody infiltrac´ı. Ta prob´ıh´a bud’ z atmosf´erick´ ych sr´aˇzek (d´eˇst’, t´an´ı snˇehu) nebo dotac´ı vody z povrchov´ ych vodoteˇc´ı a n´adrˇz´ı. Deˇst’ov´a voda je zpravidla (v z´avislosti na druhu povrchu) rychle pohlcov´ana do p´or˚ u v p˚ udˇe a pohybuje se d´ale ve smˇeru gravitace k hladinˇe podzemn´ı vody. Dalˇs´ı ˇca´st sr´aˇzek se odpaˇr´ı z povrchu rostlin nebo p˚ udy. P˚ udn´ı voda je tak´e ˇc´asteˇcnˇe odˇcerp´av´ana 4
evapotranspirac´ı, zbyl´a ˇc´ast pak dos´ahne hladiny podzemn´ı vody a splyne s n´ı. Pot´e proud´ı v podzem´ı a nakonec je odvodnˇena pr˚ usakem do povrchov´e vodoteˇce (ˇreka), pˇr´ımo do oce´anu nebo vyt´ek´a na povrch jako pramen. Z moˇre se voda opˇetovnˇe odpaˇr´ı, vodn´ı p´ara nad kontinentem zkondenzuje do sr´aˇzek a cel´ y cyklus se opakuje. Re´aln´e chov´an´ı vody ale t´eto pˇredstavˇe nemus´ı vˇzdy odpov´ıdat – v makromˇeˇr´ıtku ano, ale v jednotliv´ ych detailech najdeme zaj´ımav´e odliˇsnost´ı.
2.4
Infiltrace
Infiltrace se definuje jako proces, kter´ ym voda vstupuje pod povrch zemˇe (Poehls 2009). Schopnost povrchu vsakovat sr´aˇzkovou vodu je koneˇcn´a a promˇenliv´a veliˇcina, tzv. infiltraˇcn´ı kapacita. Ta je ovlivnˇena nejen typem p˚ udy a jej´ı strukturou, ale tak´e vlhkost´ı. V such´e p˚ udˇe se voda infiltruje vˇetˇsinou kapil´arn´ıch kan´al˚ u, s nar˚ ustaj´ıc´ı vlhkost´ı schopnost pohlcovat vodu kles´a a to i vlivem nabobtn´an´ı koloidn´ıch ˇca´stic v p˚ udˇe. Infiltraˇcn´ı kapacita nakonec dos´ahne rovnov´aˇzn´e hodnoty. Pro popis kˇrivky infiltraˇcn´ı kapacity ud´av´a Fetter (2001) tento vztah fp = fc + (f0 –fc )e−kt
(1)
kde fp je infiltraˇcn´ı kapacita v ˇcase t (m.s−1 ), fc je rovnov´aˇzn´a infiltraˇcn´ı kapacita (m.s−1 ), f0 je poˇc´ateˇcn´ı infiltraˇcn´ı kapacita (m.s−1 ), k je konstanta charakterizuj´ıc´ı rychlost poklesu infiltraˇcn´ı kapacity (s−1 ) a t je ˇcas od zaˇca´tku infiltrace (s). V pˇr´ıpadˇe, ˇze jsou sr´aˇzky menˇs´ı neˇz rovnov´aˇzn´a infiltraˇcn´ı kapacita, dojde k infiltraci veˇsker´ ych sr´aˇzek. V pˇr´ıpadˇe, ˇze jsou sr´aˇzky vˇetˇs´ı neˇz rovnov´aˇzn´a kapacita, ale menˇs´ı neˇz poˇca´teˇcn´ı infiltraˇcn´ı kapacita, budou zpoˇca´tku vˇsechny sr´aˇzky vsakovat, ale pot´e co hodnota vsaku klesne pod hodnotu sr´aˇzek, bude pˇrebyteˇcn´a voda z˚ ust´avat na povrchu. Pokud jsou sr´aˇzky vˇetˇs´ı neˇz poˇca´teˇcn´ı infiltraˇcn´ı kapacita, bude se okamˇzitˇe vsakovat jen ˇc´ast vody (Fetter 2001). Tyto moˇznosti jsou vyobrazeny na obr´azku 2. Nevs´aknut´a voda se nejprve zachycuje v povrchov´ ych depres´ıch, v okamˇziku kdy jsou naplnˇeny pak odt´ek´a jako povrchov´ y odtok. Podle Bevena (2001) ale metoda v´ ypoˇctu povrchov´eho odtoku na z´akladˇe pr˚ umˇern´e infiltraˇcn´ı kapacity u ´zem´ı a intenzity sr´aˇzek k jeho urˇcen´ı nen´ı vhodn´a, protoˇze se infiltraˇcn´ı kapacita m˚ uˇze na sledovan´e ploˇse m´ısto od m´ısta velmi liˇsit, nejsou br´any v potaz ztr´aty pˇri dalˇs´ım toku, ˇcas potˇrebn´ y k naplnˇen´ı n´adrˇz´ı a dalˇs´ı faktory. Po ukonˇcen´ı sr´aˇzek a infiltrace doch´az´ı k redistribuci vody v p˚ udn´ım profilu. Maximum vlhkosti, kter´e je po sr´aˇzk´ach u povrchu a m˚ uˇze dosahovat aˇz hodnoty p´orovitosti, se posouv´a vertik´alnˇe smˇerem k hladinˇe podzemn´ı vody. 5
Obr´azek 2: Grafick´e zn´azornˇen´ı vztahu mezi infiltraˇcn´ı kapacitou a mnoˇzstv´ım sr´aˇzek (sloupce). Pokud je mnoˇzstv´ı sr´aˇzek vˇetˇs´ı neˇz infiltraˇcn´ı kapacita, doch´az´ı nejprve k zadrˇzov´an´ı vody v depres´ıch (b´ıl´e sloupce) a n´aslednˇe k povrchov´emu odtoku (ˇcern´e sloupce). K infiltraci doch´az´ı i po skonˇcen´ı sr´aˇzkov´e ud´alosti (upraveno podle Fetter 2001) Hodnota vlhkosti s pohybem kles´a – ˇca´st vody z˚ ust´av´a v´az´ana kapil´arn´ımi silami na zrna. Po pˇrechodu infiltraˇcn´ı fronty je ustavena nov´a rovnov´aha rozloˇzen´ı vlhkosti. Maxima dosahuje kapil´arn´ı tˇr´aseˇ n a smˇerem k povrchu obˇ sah vody kles´a (Fetter 2001). Celo t´eto infiltraˇcn´ı fronty m˚ uˇze b´ yt v´ıce-m´enˇe line´arn´ı, ale m˚ uˇze doch´azet tak´e k prstovit´e infiltraci (fingering). To znamen´a, ˇze voda infiltruje ne v cel´em profilu, ale pˇrednostnˇe v jeho ˇca´sti. To m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobeno vlastnostmi m´edia – hydrofobnost, makrop´ory, zvrstven´ı – ale i vnˇejˇs´ımi faktory jako je napˇr´ıklad vegetace, ovlivnˇen´ı zeminy zavlaˇzov´an´ım nebo mikrotopografi´ı. Jako nejˇcastˇejˇs´ı pˇr´ıˇcina se uv´ad´ı nestabilita proudˇen´ı na ˇcele infiltraˇcn´ı fronty zp˚ usoben´a kontaktem dvou fluid – nejˇcastˇeji vody a vzduchu (Wang et al. 2000).
2.5 2.5.1
Pohyby vody po infiltraci Celkov´ y odtok
Odvodnˇen´ı po sr´aˇzk´ach prob´ıh´a tˇremi cestami. V pˇr´ıpadˇe, ˇze se voda neinfiltruje do p˚ udy, doch´az´ı k povrchov´emu odtoku (pˇr´ıpadnˇe k zachycen´ı vody v depres´ıch a n´asledn´emu vsaku nebo vypaˇren´ı). Voda kter´a vstupuje do p˚ udy se m˚ uˇze nesaturovanou z´onou pohybovat nejen ve smˇeru gravitace, ale tak´e 6
later´alnˇe, jedn´a se o tzv. hypodermick´ y odtok. Voda, kter´a pros´akne aˇz do souvisl´e vrstvy podzemn´ı vody odt´ek´a ve smˇeru niˇzˇs´ı hydraulick´e v´ yˇsky a nakonec se odvodˇ nuje. Vˇsechny tˇri typy odtoku – povrchov´ y (Qp ), baz´aln´ı (Qb ) a hypodermick´ y (Qh ) dohromady tvoˇr´ı celkov´ y odtok (Qc ) a jsou souˇca´st´ı bilanˇcn´ı rovnice povod´ı. Ta n´am ˇr´ık´a, jak´e jsou pomˇery mezi pˇr´ıtokem vody (inputs – zejm. sr´aˇzky P ) a odtokem vody (outputs – evaporace a transpirace shrnut´e do evapotranspirace ET a celkov´ y odtok Qc ) v urˇcit´em povod´ı. P − ET − Qc =?S 2.5.2
(2)
Hypodermick´ y odtok
Z pozorov´an´ı v´ıme, ˇze proudˇen´ı podzemn´ı vody je velmi pomal´e. Pˇresto se v lesnat´ ych oblastech, kde je schopnost p˚ udy pohlcovat sr´aˇzkovou vodu velmi velk´a, uk´azalo, ˇze voda v povrchov´ ych toc´ıch stoup´a velmi rychle po sr´aˇzkov´e ud´alosti, pˇresto, ˇze povrchov´ y odtok (ron, runoff) je minim´aln´ı. Tento jev vysvˇetluje hewlett˚ uv odtokov´ y model (tak´e jako variable source area), kter´ y pracuje s pojmy interflow a throughflow (Ward & Trimble 2004). Uvaˇzujeme odtok, kdy se voda vs´akne do p˚ udy a pohybuje se mˇelce pod povrchem pˇres vad´ozn´ı z´onu aˇz k m´ıst˚ um, kde je p˚ uda pˇr´ıliˇs mˇelk´a nebo zcela saturovan´a vodou – tam voda opˇet vystupuje na povrch a doch´az´ı ke klasick´emu povrchov´emu odtoku. Infiltrovan´a voda se tedy later´aln´ım pohybem opˇet dostane na povrch dˇr´ıve, neˇz dos´ahne hladiny podzemn´ı vody. Nejˇcastˇeji je tento jev popisov´an z oblast´ı s pˇr´ıkr´ ymi, lesnat´ ymi svahy, kde m˚ uˇze dokonce tvoˇrit pˇrevaˇzuj´ıc´ı zp˚ usob pohybu podzemn´ı vody. Poehls (2009) rozliˇsuje mezi interflow a throughflow. Interflow je boˇcn´ı pohyb zp˚ usoben´ y t´ım, ˇze infiltrovan´a voda naraz´ı na vrstvu s niˇzˇs´ı hydraulickou vodivost´ı a pohybuje se proto pˇrednostnˇe smˇerem soubˇeˇzn´ ym s vrstvami. Napˇr´ıklad v situaci, kdy se hladina podzemn´ı vody nach´az´ı v m´alo propustn´e horninˇe (ˇzula s puklinovou p´orovitost´ı), bude voda pˇrednostnˇe proudit v boˇcn´ım smˇeru, pokud nad podloˇz´ım leˇz´ı tenk´a vrstva s vysokou propustnost´ı. Throughflow je ˇc´ast ronu, kter´a rychle vs´akne do zemˇe a to puklinami, norami zv´ıˇrat a dalˇs´ımi otvory; alternativnˇe se pak jedn´a o vodu, kter´a naraz´ı na m´enˇe propustnou vrstvu a v doˇcasnˇe saturovan´e z´onˇe se pohybuje later´alnˇe. Od dalˇs´ıch proudˇen´ı se odliˇsuje zejm´ena velkou rychlost´ı a objemem vody – proto m˚ uˇze zp˚ usobovat rychlou reakci vodoteˇc´ı na sr´aˇzky i bez povrchov´eho ronu. Podle Fettera (2001) se interflow a throughflow liˇs´ı zejm´ena t´ım, ˇze pˇri interflow se voda odvodˇ nuje pˇr´ımo do vodoteˇce, kdeˇzto u throughflow vyvˇer´a vˇetˇsinou uˇz na patˇe svahu. Ward a Elliot (1995) zase u interflow uv´ad´ı jako 7
hlavn´ı pˇr´ıˇciny anizotropn´ı prostˇred´ı lesn´ı p˚ udy – uloˇzen´ı odumˇrel´ ych list˚ u soubˇeˇznˇe s povrchem, stejnˇe tak radi´aln´ı smˇeˇrov´an´ı koˇren˚ u strom˚ u. T´ım se vytv´aˇr´ı horizont´aln´ı vrstva pod´el kter´e je vyˇsˇs´ı hydraulick´a vodivost a voda proto sleduje tuto vrstvu. Ve svaˇzit´em prostˇred´ı je efekt umocnˇen velk´ ym hydraulick´ ym gradientem. Pˇresto, ˇze myˇslen´ y koncept hewlettova modelu odpov´ıd´a pozorov´an´ım, fyzik´aln´ı mechanismus v jeho pozad´ı z˚ ust´av´a nepotvrzen (McDonnell 2003) a model nem´a absolutn´ı platnost pro vˇsechna prostˇred´ı – v oblastech humidn´ıch by mˇel pˇrevaˇzovat interflow, v pˇr´ıpadˇe svaˇzit´ ych u ´zem´ı ale throughflow atp. Existuje zkr´atka pˇr´ıliˇs mnoho v´ yjimek a ale. Jinak se projev´ı vydatn´e sr´aˇzky rozloˇzen´e do nˇekolika hodin a jinak n´ahl´a intenzivn´ı sr´aˇzkov´a ud´alost. Zd´a se, ˇze v´ıme pomˇernˇe mnoho o sr´aˇzk´ach a chemick´ ych vlastnostech podzemn´ıch a p˚ udn´ıch vod, ale nev´ım co pˇresnˇe se s vodou dˇeje od okamˇziku vs´aknut´ı po odvodnˇen´ı, respektive kter´e procesy jsou urˇcuj´ıc´ı.
8
3
Dvoj´ı paradox
Jednou z nezn´am´ ych v proudˇen´ı vody v menˇs´ım mˇeˇr´ıtku je tzv. dvoj´ı paradox. Dvoj´ı paradox ucelenˇe pˇredstavil James W. Kirchner (2003), se z´amˇerem vyvolat diskuzi o jeho pˇr´ıˇcin´ach. Tato diskuze by podle jeho m´ınˇen´ı mohla podpoˇrit vznik jednotn´e teorie, kter´a by vysvˇetlovala fyzik´aln´ı a chemick´e procesy v kolektorech podzemn´ı vody a nahradila souˇcasn´e n´ahledy na tyto dˇeje. Ty si totiˇz mnohdy protiˇreˇc´ı, coˇz autor pˇriˇc´ıt´a naˇsim st´ale dost omezen´ ym znalostem.
3.1
Paradox prvn´ı
Paradox prvn´ı poukazuje na fakt, ˇze po sr´aˇzkov´ ych ud´alostech v´ yraznˇe nar˚ ust´a objem vody v povrchov´ ych vodoteˇc´ıch, ale hydrogeochemick´e vlastnosti vody se mˇen´ı jen minim´alnˇe (jedn´a se o chemicky starou vodu“; viz obr. ˇ sen´ım prvn´ıho paradoxu (tak´e paradoxu n´ahl´e”mobilizace star´e vody) 3). Reˇ bude tedy odpovˇed’ na ot´azku: jak mohou zvodnˇe t´ ydny i mˇes´ıce zadrˇzovat vodu, ale po sr´aˇzkov´e ud´alosti ji bˇehem nˇekolika minut nebo hodin n´ahle uvolnit?
Obr´azek 3: Ilustrace prvn´ıho paradoxu – horn´ı ˇca´st zobrazuje pr˚ utok potokem a objem sr´aˇzek, spodn´ı pak koncentraci Cl ve sr´aˇzk´ach a v potoce (podle Kirchner 2003).
9
3.2
Paradox druh´ y
Paradox druh´ y situaci jeˇstˇe d´ale komplikuje – v z´avislosti na velikosti pr˚ utoku v povrchov´ ych toc´ıch se mˇen´ı hydrogeochemie star´ ych vod, kter´e se uvolˇ nuj´ı. Koncentrace nˇekter´ ych l´atek mohou klesat, zat´ımco jin´ ych pˇrib´ yv´a (dobˇre je popsan´a situace vidˇet na obr´azku 4). Z toho se d´a vyvodit, ˇze existuje rozd´ıl ve sloˇzen´ı z´akladn´ıho odtoku a sr´aˇzkov´ ych star´ ych vod. Druh´ y paradox (paradox promˇenliv´ ych chemick´ ych vlastnost´ı star´e vody) tedy doplˇ nuje do nastolen´eho probl´emu ot´azku po mechanismu regulace sloˇzen´ı uvolnˇen´e vody.
Obr´azek 4: Ilustrace druh´eho paradoxu – koncentrace nˇekter´ ych l´atek vynesen´e proti objemu vody v potoce (podle Kirchner 2003). Dvoj´ı paradox by se tedy dal vyj´adˇrit touto ot´azkou: Jak´ ym zp˚ usobem dok´aˇz´ı zvodnˇe po dlouh´a obdob´ı zadrˇzovat starou vodu, ale po sr´aˇzkov´e ud´alosti ji n´ahle uvolnit a mˇenit jej´ı sloˇzen´ı vzhledem k pr˚ utoku? S´am Kirchner navrhuje nˇekolik ˇreˇsen´ı – pro prvn´ı paradox napˇr´ıklad p´ıstov´ y efekt, kinematick´e vlny, v´ ymˇena mezi matrix a makrop´ory nebo mechanismus zpˇetn´e odezvy transmisivity (transmissivity feedback), kter´ y by mohl b´ yt spolu s m´ıˇsen´ım s p˚ udn´ı vodou tak´e hybatelem druh´eho paradoxu. Dalˇs´ımi ˇreˇsen´ımi druh´eho paradoxu by mohly b´ yt chemick´e reakce, kter´e rychle zmˇen´ı chemick´e vlastnosti vody pˇri jej´ım uvolˇ nov´an´ı ze zvodnˇe. Nebo 10
tak´e moˇznost, ˇze zvodnˇe maj´ı nˇekolik r˚ uzn´ ych z´asobn´ık˚ u“ vody (nebo jeden ” kontinu´aln´ı) s odliˇsn´ ymi chemick´ ymi vlastnostmi, kter´e jsou v z´avislosti na pr˚ utoku mobilizov´any. Bishop (2004) poznamen´av´a, ˇze dokud nebude dvoj´ı paradox vyˇreˇsen, ” z˚ ust´av´a ve hˇre moˇznost, ˇze nen´ı zp˚ usoben pouze komplexitou pˇr´ırody, ale ˇze n´am sch´az´ı z´akladn´ı vhled do proces˚ u, coˇz n´am br´an´ı naj´ıt opravdov´e ˇreˇsen´ı. Takov´a situace pak br´an´ı tomu, aby se hydrologie povod´ı jasnˇe vymezila jako kvantitativn´ı vˇeda a ne pouze jako umn´e vyuˇz´ıv´an´ı zaokrouhlov´an´ı a empirick´ ych srovn´an´ı. Proto m´a v´ yznam i alespoˇ n jeden pˇr´ıpad ˇreˇsen´ı dvoj´ıho paradoxu, kter´ y uk´aˇze, ˇze n´am nutnˇe nemus´ı chybˇet znalost z´akladn´ıch proces˚ u v povod´ıch.“
3.3 3.3.1
Navrˇ zen´ aˇ reˇ sen´ı dvoj´ıho paradoxu P´ıstov´ y efekt (piston flow)
P´ıstov´ y efekt se typicky popisuje v prostˇred´ı tunel˚ u a potrub´ı, kde m˚ uˇze vzduch proudit pouze dvˇema smˇery. Pokud se voda nebo auto pohybuje po voln´em povrchu, m˚ uˇze vzduch, kter´ y pˇred sebou tlaˇc´ı, unikat vˇsemi smˇery. V pˇr´ıpadˇe, ˇze se pohybuje tunelem nebo potrub´ım, m˚ uˇze vzduch unikat pouze jedn´ım smˇerem – pohybuj´ıc´ı se objekt ho tlaˇc´ı pˇred sebou. Z´aroveˇ n ale doch´az´ı k nas´av´an´ı vzduchu za objekt. K podobn´emu jevu m˚ uˇze doch´azet tak´e v prostˇred´ı por´ezn´ıch hornin a zemin. Pokud se pˇri infiltraci napln´ı p´ory, chodbiˇcky a kan´aly pˇri povrchu, nem´a vzduch v hlubˇs´ıch ˇca´stech profilu kam unikat a je tlaˇcen st´ale dalˇs´ı a dalˇs´ı vodou z povrchu. Je nˇekolik moˇznost´ı, co by mohl tento pohyb d´ale zp˚ usobit. Prvn´ı variantou je, ˇze si vzduch najde nˇejak´ y velk´ y kan´al, kter´ ym se podzem´ı odvzduˇsn´ı. D´ale je moˇzn´e, ˇze se bude pohybovat podzem´ım aˇz ke vzd´alenˇejˇs´ım m´ıst˚ um, kde jsou lepˇs´ı podm´ınky pro u ´nik a cestou bude tlaˇcit na p˚ udn´ı vlhkost, pˇr´ıpadnˇe na hladinu podzemn´ı vody. V koneˇcn´em d˚ usledku by vˇsechny pohyby vedly k odvodnˇen´ı do nˇejak´e povrchov´e vodoteˇce. Ot´azkou z˚ ust´av´a kudy by se voda pohybovala – zda by i kapil´arn´ı tˇra´seˇ n a p˚ udn´ı vlhkost byly stlaˇceny pod hladinu podzemn´ı vody a ta by se pak ˇc´asteˇcnˇe odvodnila nebo jestli se bude later´alnˇe pohybovat voda z kapil´arn´ı tˇra´snˇe, pˇr´ıpadnˇe se pohne p˚ udn´ı vlhkost. M˚ uˇze tedy v z´asadˇe doj´ıt k pohybu tˇr´ı vod – zavˇeˇsen´e p˚ udn´ı vody a p˚ udn´ı vlhkosti, vody kapil´arn´ı tˇra´snˇe nebo vody pod hladinou podzemn´ı vody. Vˇsechna tato voda je v horninov´em prostˇred´ı jiˇz delˇs´ı ˇcas a m˚ uˇze b´ yt tedy obohacena o miner´aln´ı l´atky. Tak´e je moˇzn´e, ˇze pˇri r˚ uzn´e intenzitˇe sr´aˇzek se voda vytlaˇcuje z r˚ uzn´ ych ˇca´st´ı profilu a t´ım by se mohly mˇenit i koncentrace nˇekter´ ych l´atek, coˇz by mohlo b´ yt vysvˇetlen´ı druh´eho paradoxu 11
(Bishop 2004). 3.3.2
Mechanismus zpˇ etn´ e vazby transmisivity (transmissivity feedback mechanism)
Zpˇetnou vazbou transmisivity se mysl´ı situace, kter´a m˚ uˇze nastat u profil˚ u, kde se smˇerem k povrchu v´ yraznˇe mˇen´ı hydraulick´a vodivost (napˇr´ıklad tilly). V takov´emto prostˇred´ı i relativnˇe mal´e mnoˇzstv´ı dodan´e vody vede k v´ yrazn´emu zv´ yˇsen´ı hladiny podzemn´ı vody a t´ım k mobilizaci star´e vody“ ” v nesaturovan´e z´onˇe. Z´aroveˇ n rychl´ y n´ar˚ ust hladiny aˇz do vysoce vodiv´ ych vrstev umoˇzn ˇuje aby se do odtoku bezprostˇrednˇe po sr´aˇzkov´e ud´alosti uvolnila velk´a mnoˇzstv´ı vody. Mechanismus je modelovˇe pops´an z oblasti povod´ı ˇ edsku a vysvˇetluje fungov´an´ı prvn´ıho paradoxu. BisNy¨anget v severn´ım Sv´ hop (2004) tak´e uv´ad´ı, ˇze tato interpretace vztahu mezi podzemn´ı vodou a sr´aˇzkov´ ym odtokem umoˇzn ˇuje urˇcit pod´ıl later´aln´ıho proudˇen´ı v jednotliv´ ych vrstv´ach na odtoku. Druh´ y paradox tato hypot´eza vysvˇetluje t´ım, ˇze p˚ udy ve vyˇsˇs´ıch ˇca´stech povod´ı se liˇs´ı od p˚ ud pˇr´ıbˇreˇzn´ıch a chemick´e vlastnosti vody se mˇen´ı s t´ım, jakou p˚ udou se zrovna pohybuje. Nejvˇetˇs´ı vliv m´a samozˇrejmˇe posledn´ı p˚ uda, kterou projde tˇesnˇe pˇred vy´ ustˇen´ım do vodoteˇce a to jsou pˇr´ıbˇreˇzn´ı p˚ udy. Boˇcn´ı tok proch´azej´ıc´ı tˇemito pˇr´ıbˇreˇzn´ımi p˚ udami pak z´ısk´a sv´e vlastnosti podle hloubky kterou proch´az´ı. Pobˇreˇzn´ı p˚ udy tedy funguj´ı jako jak´asi ˇsab” lona“, kter´a d´av´a odtoku charakteristick´e vlastnosti, kter´e jsme schopni urˇcit na z´akladˇe velikosti pr˚ utoku. 3.3.3
Kinematick´ e vlny (kinematic waves)
Kinematick´e vlny jsou definov´any na z´akladˇe funkˇcn´ıho vztahu mezi pr˚ utokem (mnoˇzstv´ı proch´azej´ıc´ı urˇcit´ ym bodem za jednotku ˇcasu) a koncentrac´ı (mnoˇzstv´ı na jednotku vzd´alenosti). Jedn´a se o pomˇernˇe komplikovan´e souvislosti mezi rychlost´ı pohybuj´ıc´ı se kapaliny a koncentrac´ı l´atek v n´ı obsaˇzen´ ych.
12
4 4.1
Fyzik´ aln´ı modelov´ an´ı Typy hydrologick´ ych model˚ u
Modely reprezentuj´ı zjednoduˇsenou podobu urˇcit´e ˇc´asti hydrologick´eho cyklu. V hydrologii a hydrogeologii pouˇz´ıvan´e modely m˚ uˇzeme rozdˇelit na dvˇe z´akladn´ı skupiny: A) modely stochastick´e B) modely deterministick´e. Stochastick´e modely jsou zaloˇzeny na datech a matematick´ ych vztaz´ıch a propojuj´ı urˇcit´ y vstup do modelu s v´ ystupem. Nˇekdy se proto oznaˇcuj´ı za black box“ modely – samotn´ y proces je jakoby ukryt v krabici, zn´ame jen ” vstupy a v´ ystupy. Na druh´e stranˇe jsou deterministick´e modely zamˇeˇren´e na procesy, kter´e usiluj´ı o napodoben´ı fyzik´aln´ıch proces˚ u z pˇr´ırodn´ıho prostˇred´ı. Z hlediska laboratorn´ıho modelov´an´ı jsou pro diplomovou pr´aci relevantn´ı modely deterministick´e. 4.1.1
Experimenty stˇ redn´ıho mˇ eˇ r´ıtka
Laboratorn´ı experimenty nebo tak´e fyzik´aln´ı experimenty pˇr´ıpadnˇe experimenty stˇredn´ıho mˇeˇr´ıtka patˇr´ı mezi deterministick´e metody. V anglick´e literatuˇre se nejˇcastˇeji oznaˇcuj´ı jako Intermediate Scale Experiments (ISEs), nˇekdy tak´e bench-scale tank experiments (Klenk & Grathwohl 2002). Pˇri jejich vyuˇzit´ı se snaˇz´ıme napodobit podm´ınky ve kter´ ych se pohybuje voda pod povrchem a jej´ı pohyby. Nejvˇetˇs´ıho vyuˇzit´ı dos´ahly v 50. a 60. letech pˇri studiu transportu a disperse stabiln´ıch stopovaˇc˚ u v homogenn´ım a heterogenn´ım prostˇred´ı. Jejich vyuˇzit´ı je rozˇs´ıˇren´e i v souˇcasnosti (Silliman et al. 1998), aˇckoli s n´astupem poˇc´ıtaˇcov´eho modelov´an´ı jejich v´ yznam ponˇekud ustoupil. Tyto modely jsou obvykle krabicov´e (box) nebo sloupcov´e (column). V obou pˇr´ıpadech se jedn´a o n´adobu naplnˇenou por´ezn´ım m´ediem (heterogenn´ım nebo homogenn´ım – v z´avislosti na experimentu) a opatˇreny nˇekolika vstupy a v´ ystupy a potˇrebn´ ymi mˇeˇr´ıc´ımi pˇr´ıstroji. V´ yhodou je, ˇze pˇri experimentech je moˇznost nastavit si fyzik´aln´ı a chemick´e parametry por´ezn´ıho m´edia tak, aby reflektovaly sloˇzitost pˇr´ırodn´ıch syst´em˚ u. Dalˇs´ı v´ yhodou je moˇznost vyuˇzit´ı vˇsech tˇr´ı rozmˇer˚ u. Jedin´ ym omezen´ım velikosti je potˇreba ˇr´ıdit modelovac´ı prostˇred´ı (Oostrom et al. 2004). Jsou tedy vhodn´e zejm´ena ke sledov´an´ı chov´an´ı kontaminant˚ u a reakc´ı vody s prostˇred´ım (Caron et al. 1998). Modern´ı modely dosahuj´ı velmi jemn´ ych rozliˇsovac´ıch schopnost´ı, u hydraulick´e v´ yˇsky dok´aˇz´ı mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje zaznamenat hodnotu s pˇresnost´ı na 0,01 mm. D´ıky technologick´emu rozvoji m˚ uˇze b´ yt modelov´an´ı vyuˇzito ke kvantitativn´ımu studiu proudˇen´ı fluid a transportu stabiln´ıch l´atek ve velice sloˇzit´em heterogenn´ım prostˇred´ı (Silliman et al. 1998). 13
4.1.2
ˇ erbinov´ Stˇ e modely
Tyto modely jsou tvoˇreny dvˇema sklenˇen´ ymi deskami um´ıstˇen´ ymi rovnobˇeˇznˇe nˇekolik centimetr˚ u od sebe. Po stran´ach jsou opatˇreny n´adrˇzemi na udrˇzov´an´ı hydraulick´eho tlaku. Jedn´a se o metodu hydraulick´e analogie, vyuˇz´ıv´ame podobnosti matematick´ ych vzorc˚ u popis˚ u proudˇen´ı v zeminˇe a proudˇen´ı vazk´e kapaliny v u ´zk´e ˇstˇerbinˇe (Hele-Shaw flow). Jedn´a se o dva fyzik´alnˇe odliˇsn´e jevy, kter´e jsou si ale form´alnˇe podobn´e. Z toho vypl´ yvaj´ı tak´e omezen´ı dan´a modelem – mohou se vyskytnout anom´alie, kter´e nelze analogicky pˇren´est do srovn´avan´eho prostˇred´ı. Dalˇs´ım omezen´ım je ot´azka zanedb´an´ı nˇekter´ ych vliv˚ u. Co m˚ uˇzeme v pˇr´ıpadˇe podzemn´ı vody zanedbat m˚ uˇze m´ıt pˇri proudˇen´ı ve ˇstˇerbinˇe velk´ y dopad (Zaj´ıˇcek et al. 1960).
4.2
Technick´ y popis pouˇ zit´ eho modelu
Pro modelov´an´ı je pouˇzit fyzik´aln´ı model na principu ˇstˇerbinov´eho modelu, byl pˇrevzat z pr´ace Martina Stejskala (1999) a upraven pro potˇreby pr´ace. Tˇelo modelu tvoˇr´ı kv´adr o rozmˇerech x = 150 cm, y = 20 cm, z = 75 cm (obr. 5), sestaven´ y ze sklenˇen´ ych desek o tlouˇst’ce 2 cm. Ve vzd´alenosti 25 cm od obou okraj˚ u jsou um´ıstˇeny zar´aˇzky s propustnou pˇrep´aˇzkou, kter´e oddˇeluj´ı pˇr´ıtokovou a odtokovou n´adrˇz od hlavn´ıho modelovac´ıho prostoru. Ten je vyplnˇen sklenˇen´ ymi kuliˇckami zrnitostn´ı frakce o pr˚ umˇeru (90–110 µm). Propustnost pˇrep´aˇzek je mnohem vyˇsˇs´ı neˇz propustnost modelovac´ıho substr´atu a proudˇen´ı vody neomezuje. Na ˇceln´ı stranˇe modelovac´ıho prostoru je v patn´acticentimetrov´ ych rozestupech rozm´ıstˇeno ˇsest sklenˇen´ ych trubic o pr˚ umˇeru 5 mm, kter´e slouˇz´ı jako pozorovac´ı vrty pro mˇeˇren´ı hladiny vody. Boˇcn´ı n´adrˇze jsou spojeny s n´adobami, kter´e maj´ı st´alou hladinu vody, kterou si udrˇzuj´ı st´al´ ym pˇr´ıtokem a odtokem pˇrebyteˇcn´e vody. Jejich pomoc´ı se d´a plynule mˇenit hladina vody v boˇcn´ıch n´adrˇz´ıch modelu a t´ım i proudˇen´ı v hlavn´ım modelovac´ım prostoru.
4.3
Hydrodynamick´ y popis modelu
Model reprezentuje urˇcit´ y zmenˇsen´ y a zjednoduˇsen´ yu ´sek skuteˇcnosti u kter´eho pˇredpokl´ad´ame, ˇze v nˇem plat´ı stejn´e z´akonitosti jako ve skuteˇcnosti. V tomto pˇr´ıpadˇe pˇredstavuje model zjednoduˇsen´e prostˇred´ı pod zemsk´ ym povrchem jako homogenn´ı pr˚ ulinov´e prostˇred´ı, kter´ ym se pohybuje voda. Model ilustruje situaci mezi dvˇema vodn´ımi toky – z jedn´e strany voda st´ale pˇrit´ek´a, z druh´e odt´ek´a. Hladina v hlavn´ım modelovac´ım prostoru se ustav´ı rovnov´aˇznˇe jako spojnice mezi hladinami ve vyrovn´avac´ıch n´adrˇz´ıch na stran´ach modelu (viz obr´azek 5). Veˇsker´a voda do tohoto prostoru vstu14
Obr´azek 5: Funkˇcn´ı sch´ema modelov´eho zaˇr´ızen´ı. puje ze strany pˇr´ıtokov´e n´adrˇzky a infiltrac´ı ve stˇredov´e ˇc´asti (modelovan´a sr´aˇzkov´a voda). V´ ystup vody z hlavn´ıho modelovac´ıho prostoru je pak moˇzn´ y pouze do odtokov´e n´adrˇzky. Veˇsker´ y v´ ypar z modelu vzhledem k jeho velikosti zanedb´av´ame.
4.4
Metody a postupy
Model je potˇreba na poˇc´atku pomalu zavodnit smˇerem od z´akladny aˇz po povrch substr´atu. Hydraulick´eho gradientu je pak dosaˇzeno postupn´ ym sn´ıˇzen´ım hladin ve vyrovn´avac´ıch n´adrˇz´ıch. T´ım uvedeme model do stavu rovnov´aˇzn´eho proudˇen´ı (obr. 5). Proudˇen´ı vody se sleduje kvalitativnˇe, zaj´ım´a n´as kudy voda proud´ı, a to pomoc´ı stopovaˇce, vˇetˇsinou se vyuˇz´ıv´a hypermangan. Barvivo se m˚ uˇze pˇridat do vstupn´ı n´adrˇzky – pot´e sledujeme postupn´e ˇs´ıˇren´ı stopovaˇce cel´ ym modelem – nebo se vstˇrikuje pˇr´ımo na urˇcen´e m´ısto v r´amci modelovac´ıho prostoru pomoc´ı sklenˇen´e trubiˇcky. Pro z´aznam proudˇen´ı vody se pouˇz´ıv´a fotografick´a dokumentace nebo grafick´ y z´aznam vektor˚ u proudˇen´ı. Infiltrace atmosferick´ ych sr´aˇzek se modeluje pomoc´ı perforovan´e n´adoby, kterou se rozl´ev´a poˇzadovan´e mnoˇzstv´ı vody na povrch hlavn´ıho modelovac´ıho prostoru.
15
4.4.1
Experimenty kalibraˇ cn´ı
Prvn´ı sada experiment˚ u slouˇz´ı k otestov´an´ı zaˇr´ızen´ı, jeho funkˇcnosti a zmˇeˇren´ı hydrogeologick´ ych parametr˚ u. Zejm´ena je potˇreba urˇcit p´orovitost substr´atu, hydraulickou vodivost a propustnost. Hydraulick´a vodivost je vypoˇctena na z´akladˇe pr˚ utok˚ u dosazen´ım do Darcyho rovnice Q = k.I.A
(3)
kde Q je pr˚ utok (m3 .s−1 ), k je hydraulick´a vodivost (m.s−1 ), I je hydraulick´ y 2 gradient a A je pr˚ utoˇcn´a plocha (m ). Propustnost je vypoˇctena z rovnice K = k.
µ ρ.g
(4)
kde k je hydraulick´a vodivost (m.s−1 ), µ je dynamick´a viskozita (Pa.s), ρ je hustota (kg.m−3 ) a g je gravitaˇcn´ı zrychlen´ı (0,98 m.s2 ). 4.4.2
Experimenty pr˚ utokov´ e
Sada pr˚ utokov´ ych experiment˚ u se zamˇeˇruje na vztahy povrchov´e, podzemn´ı a infiltraˇcn´ı vody z hlediska kvantitativn´ıho. Po infiltraci sr´aˇzek do modelu je sledov´ana rychlost odezvy v´ ytoku z modelu, velikost maxim´aln´ıho pr˚ utoku a ˇcas do opˇetovn´eho ust´alen´ı pr˚ utoku. V´ ystup umoˇzn ˇuje urˇcit, zda prvn´ı paradox plat´ı i pro model a z´aroveˇ n korelaci jednotliv´ ych stav˚ u pr˚ utok˚ u modelu a pˇr´ırodn´ıho prostˇred´ı. 4.4.3
Experimenty stopovac´ı
Posledn´ı sadou experiment˚ u jsou stopovac´ı pokusy, pˇri kter´ ych je pomoc´ı barviva sledov´ano proudˇen´ı vody. Provedena je sada srovn´avac´ıch stopov´an´ı bez infiltrace atmosf´erick´ ych sr´aˇzek a pot´e odpov´ıdaj´ıc´ı stopov´an´ı s infiltrac´ı atmosferick´ ych sr´aˇzek. Stopovac´ı pokusy jsou provedeny na tˇrech v´ yˇskov´ ych u ´rovn´ıch – v r´amci freatick´e vody, na rozhran´ı kapil´arn´ı tˇr´asnˇe a freatick´e vody a v kapil´arn´ı tˇr´asni. Srovn´an´ı experiment˚ u bez infiltrace s experimenty s infiltrac´ı ukazuje zmˇeny rychlosti a smˇeru proudˇen´ı po sr´aˇzkov´ ych ud´alostech.
16
5
Literatura
Beven, K. J. (2001): Rainfall-runoff modelling, The Primer. – John Wiley & Sons Ltd., Chichester. 360 s. Bishop, K. – Seibert, J. – K¨ohler, S. & Laudon, H. (2004): Resolving the Double Paradox of rapidly mobilized old water with highly variable responses in runoff chemistry. – Hydrological processes. 18, 185-189. Caron, F. – Manni, G. & Workman, W. J. G. (1998): A large-scale laboratory experiment to determine the mass transfer of CO2 from a sandy soil to moving groundwater. – Journal of Geochemical Exploration. 64, 111–125. Fetter, C. W. (2001): Applied Hydrogeology. – Prentice Hall Inc., Upper Saddle River, New Jersey. 598 s. Forejtov´a, L. (2008): Hydrogeologick´e pomˇery povod´ı Anensk´eho potoka na lokalitˇe Koˇsetice – Diplomov´a pr´ace, Masarykova univerzita, Pˇr´ırodovˇedeck´a fakulta. Kirchner, J. W (2003): A double paradox in catchment hydrology and geochemistry. – Hydrological Processes. 17, 4, 871–874. Klenk, I. D & Grathwohl, P. (2002): Transverse vertical dispersion in groundwater and the capillary fringe. – Journal of Contaminant Hydrology. 58, 111–128. McDonnell, J. J. (2003): Where does water go when it rains? Moving beyond the variable source area concept of rainfall-runoff response. – Hydrological processes. 17, 1869–1875. Oostrom, M. – Wietsma, T. W. & Foster, N. S. (2004): The Subsurface Flow and Transport Experimental Laboratory: A New Department of Energy User’s Facility for Intermediate-Scale Experimentation. – Hydrology days 2004. 182-189. Poehls, D. J. (2009): Encyclopedic Dictionary of Hydrogeology. – Academic Press/Elsevier, Amsterdam/Boston. 517 s. Silliman, S. E. – Zheng, L. & Conwell, P. (1998): The use of laboratory experiments for the study of conservative solute transport in heterogeneous porous media. – Hydrogeology Journal. 6, 166–177.
17
Stejskal, M. (1999): Hydrodynamick´e a kvalitativn´ı vztahy povrchov´ ych a podzemn´ıch vod se zamˇeˇren´ım na vyˇsˇs´ı vodn´ı stavy. – Diplomov´a pr´ace, Masarykova univerzita, Pˇr´ırodovˇedeck´a fakulta. Tarbuck, E. J. – Lutgens, F. K (2002): Earth: an introduction to physical geology. – Prentice Hall Inc., Upper Saddle River, New Jersey. 670 s. Wang, Z. – Wu, Q. J. – Wu, L. – Ritsema, C. J. – Dekker, L. W. & Feyen, J. (2000): Effects of soil water repellency on infiltration rate and flow instability. – Journal of Hydrology. 231–232, 265–276. Ward, A. D. & Elliot, W. J. (1995): Environmental hydrology. – CRC Press, Boca Raton. 462 s. Ward, A. D. & Trimble, S. W. (2004): Environmental hydrology. – CRC Press, Boca Raton. 475 s. ˇ st´ın, J. & Gyalokay, M. (1960): Vztahy povrZajiˇcek, V. – H´alek, V. – Ciˇ chov´ ych a podzemn´ıch poˇr´ıˇcn´ıch vod. – Slovensk´a akademie vˇed, Bratislava. 176 s.
18
