MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav tvorby a ochrany krajiny

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav tvorby a ochrany krajiny

Hodnocení průtoků drobných vodních toků ŠLP ML Křtiny Diplomová práce

Brno 2009

Jan Deutscher

Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma: Hodnocení průtoků drobných vodních toků ŠLP ML Křtiny zpracoval sám a uvedl jsem všechny pouţité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uloţena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, ţe před sepsáním licenční smlouvy o vyuţití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyţádá písemné stanovisko univerzity o tom, ţe předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne:........................................

Na tomto místě bych velice rád poděkoval několika lidem, kteří zásadní měrou přispěli ke vzniku této práce a její výsledné kvalitě. Děkuji Ing. Petru Kupcovi, Ph.D. za hlubokou informační podporu v problematice drobných vodních toků, měření průtoků i ve filosofickém rozměru dané věci, za veškeré podnětné připomínky a precizní vedení této práce. Děkuji Ing. Tomáši Mikitovi, Ph.D. za poskytnutí geografických dat i dat OPRL, bez nichţ by nebylo moţné velkou část této práce vytvořit. Děkuji Bc. Petru Sedlákovi a Bc. Vojtovi Hurychovi za sofistikovanou společnost při prováděných nočních měřeních. Můj dík patří i rodině a přátelům za finanční i duchovní podporu v dlouhých létech magisterských studií. Je jejich velkou zásluhou, ţe jsem byl schopen svá studia touto prací završit. Děkuji V Brně, dne:........................................

ABSTRAKT Bc. Jan Deutscher, Hodnocení průtoků drobných vodních toků ŠLP ML Křtiny

Abstrakt Tato diplomová práce popisuje průběh měření průtoků realizovaného na dvou drobných vodních tocích na území Školního lesního podniku Masarykův les Křtiny a jejich vyhodnocení. Je zde popsána pouţitá metodika kontinuálního měření průtoků, v pravidelných intervalech za pouţití dvou typů hladinoměrných čidel, a moţnosti jejího vyuţití v daných podmínkách. Součástí práce je literární rešerše zaměřená na problematiku měření průtoků drobných vodních toků. Práce obsahuje statistické vyhodnocení naměřených hodnot a srovnání výsledků obou čidel. Výsledky jsou zpracovány do podoby grafů a tabulek s připojenými komentáři. Klíčová slova měření průtoků, tlakové čidlo, ultrazvukové čidlo, drobný vodní tok, ŠLP ML Křtiny Bc. Jan Deutscher, Flow rate evaluation of small streams of TFE MF Křtiny This diploma work describes flow rate measurements that took place on two small water streams on the area of the Training forest enterprise Masaryk forest Křtiny and their evaluation. The applied method of permanent data collection using two different water level sensors is explained, and its future applications in given conditions are discussed. A part of the work is an information search focused on small water streams and their flow rate measurement methods. This work includes statistics of acquired flow rate data and a comparison between the two sensors used. The results are presented in the form of graphs and tables including written comments.

Key words flow rate measurement, pressure sensor, ultrasound sensor, small water stream, TFE MF Křtiny

OBSAH 1

Úvod.......................................................................................................................... 1

2

Cíl práce .................................................................................................................... 2

3

Identifikace lokality a širší územní vztahy ............................................................... 3 3.1 Identifikace lokalit ............................................................................................. 3 3.2 Geomorfologie oblasti ........................................................................................ 4 3.3 Geologie oblasti ................................................................................................. 5 3.4 Poměry klimatické ............................................................................................. 5 3.5 Hydrografie oblasti............................................................................................. 7 3.5.1 Charakteristika toku Svitava dle VÚV TGM (Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka) ........................................................................... 8 3.5.2

Data ze stanice Bílovice nad Svitavou:....................................................... 8

3.6 Lokalita A – lesní cesta Rosenauerova .............................................................. 8 3.7 Lokalita B – Habrůvka ..................................................................................... 10 4 Metodika ................................................................................................................. 12 4.1 Metodická východiska ..................................................................................... 12 4.2 Historie vyuţívání průtokoměrů ...................................................................... 13 4.3 Uţívané metody měření průtoků malých vodních toků ................................... 13 4.3.1 Určení průtoku měřením hydrometrickou vrtulí (”hydrometrování”) ...... 14 4.3.2

Určení průtoku pomocí hladinových plováků .......................................... 14

4.3.3

Měření průtoků ultrazvukovými čidly ...................................................... 15

4.3.4

Měření ponornými tlakovými čidly .......................................................... 16

4.4 Pouţité metody ................................................................................................. 17 4.4.1 Pouţitý materiál ........................................................................................ 18 4.4.2

Charakteristika přístroje M4016 ............................................................... 18

4.4.3

Ultrazvuková sonda - US1200 (3000) ..................................................... 20

4.4.4

Ponorný tlakový snímač hladiny: LMP307, (307i, 308, 308i, 808) ......... 21

4.4.5

Mobilní maska Thompsonova přelivu ...................................................... 21

4.5 Vlastní měření .................................................................................................. 22 4.5.1 Výběr a příprava stanoviště ...................................................................... 22 4.5.2

Upevnění mobilní masky .......................................................................... 22

4.5.3

Instalace tlakového čidla ........................................................................... 23

4.5.4

Instalace ultrazvukového čidla.................................................................. 23

4.5.5

Kalibrace čidel .......................................................................................... 24

4.5.6

Vyhodnocení výsledků ............................................................................. 25

5

Výsledky ................................................................................................................. 27 5.1 Statistické vyhodnocení ................................................................................... 27 5.1.1 Statistické zpracování průtoků naměřených na lokalitě Kanice ............... 27 Odhady parametrů - tlakové čidlo pro období od července do listopadu: ............. 28 Odhady parametrů – ultrazvukové čidlo od července do listopadu: ...................... 28 5.1.2

Statistické zpracování průtoků naměřených na lokalitě Habrůvka ........... 28

5.1.3

Porovnání měření tlakového a ultrazvukového čidla ................................ 33

5.2 Vyhodnocení průběhu měření .......................................................................... 34 5.2.1 Klesání měřených průtoků během dne...................................................... 34 5.2.2

Porovnání výsledků tlakového a ultrazvukového čidla ............................ 39

5.2.3

Porovnání lokalit ....................................................................................... 40

Porovnání naměřených hodnot tlakového čidla pro dny 16. 10. a 9. 10. 2009 ...... 40 Porovnání naměřených hodnot ultrazvukového čidla pro dny 16. 10. a 9. 10. ...... 41 5.2.4

Závěrečné zhodnocení .............................................................................. 42

6

Diskuze ................................................................................................................... 44

7

Závěr ....................................................................................................................... 47

8

Summary ................................................................................................................. 48

9

Literatura a prameny ............................................................................................... 49

9.1 České zdroje ..................................................................................................... 49 9.2 Zahraniční zdroje ............................................................................................. 49 10 Seznam objektů v textu ........................................................................................... 50 10.1 Seznam obrázků ............................................................................................... 50 10.2 Seznam tabulek v textu .................................................................................... 51 11 Seznam Příloh ......................................................................................................... 52

1

ÚVOD

Hodnocení průtoků se v dnešní době dotýká mnoha oblastí lidského ţivota: od měření průtoku krve aţ po měření rychlosti proudění říčných toků nebo síly mořských proudů. V technické (projekční) praxi se v současné době při získávání hydrologických podkladů vychází převáţně z dat poskytovaných Českým hydrometeorologickým úřadem (ČHMÚ), čerpaných z časových řad klimatických a hydrologických ročenek, Atlasu podnebí a hydrologických poměrů republiky. Dlouhodobější vyhodnocené údaje klimatických a hydrologických charakteristik byly zpracovány a vydány pouze v Atlasu podnebí za období let 1901 – 1950 a v hydrologických poměrech za období 1931-1960. Aktuální údaje pak lze získat přímo na ČHMÚ. (Herynek, 1996) Tato data jsou pro drobná lesní povodí nedostačující svou nekonkrétností, a obecností. Nemoţnost přesně a efektivně změřit průtoky drobných vodních toků vede k nevhodně dimenzovaným příčným objektům. V lesích se dnes můţeme setkat s obřími molochy několikametrových betonových hrází na drobných bystřinách. Tyto objekty jsou nejen neekonomické, ale také neúčelné, neboť často nejsou schopny plnit svou původní zřizovací funkci, tím, ţe například podtékají. Schopnost přesně změřit průtoky drobných vodních toků je v oblasti hrazení bystřin klíčová. Zároveň jsou drobné vodní toky schopné prozradit mnohé o povodí, kterým protékají. Propojení bilance vodního toku a vegetace v jeho povodí je zřejmá. Průtoky v korytech drobných vodní toků odráţí celkové hydrologické podmínky povodí a zároveň jsou schopny reflektovat působení biotických podmínek. Vegetace v povodí ovlivňuje průtoky odebíráním vody transpirací a celkovou výparnost oblasti. Stromy jsou schopny zastínit povrch, zadrţet vodní vláhu v listoví a podobně. Moderní hladinoměrná metoda kontinuálního měření přes stabilizovaný měrný profil s krátkou dobou zápisu by měla být schopna i tyto aspekty zohlednit. Na rozdíl od běţně pouţívaných metod měření průtoků pomocí hydraulických vrtulí či plováků, které se soustředí na stanovení rychlosti proudění vody v korytě, měří tato metoda výšku paprsku na přepadu a přepočítává tuto výšku na průtok. Jakékoli navýšení průtoku je tak velmi rychle zachyceno a přesnost takto prováděného měření je vysoká. Výsledky hladinoměrných metod jsou známy spíše z měření hladin ropných nádrţí, studní, vrtů či stojatých vod. Pouţití v otevřeném, antropicky málo ovlivněném korytě s hydraulicky těţko specifikovatelnými vlastnostmi je ovšem novinkou. 1

2

CÍL PRÁCE  na dvou vybraných drobných vodních tocích ŠLP ML Křtiny realizovat v pravidelných intervalech metodou kontinuálního měření stanovení průtoků pomocí hladinoměrné aparatury  vyhodnotit získané sady výsledků  vyhodnotit vhodnost nasazení pouţité metody v podmínkách stanovení průtoků lesních drobných vodních toků

2

3

IDENTIFIKACE LOKALITY A ŠIRŠÍ ÚZEMNÍ VZTAHY 3.1 Identifikace lokalit

Veškerá měření probíhala na dvou drobných vodních tocích tekoucích na území Školního lesního podniku (dále jen ŠLP) MENDELU v Brně Masarykův les Křtiny. Z toho první lokalita A, u lesní cesty Rosenauerovy mezi obcemi Kanice a Babice, je v hustém zapojeném porostu v polesí Bílovice. Naopak druhý potok - lokalita B, na lučním společenstvu pouze s břehovým doprovodným porostem, leţí severně od obce Habrůvka v polesí Habrůvka. Lesní pozemky MENDELU v Brně mají rozlohu 10.265 ha a vytvářejí souvislý komplex bezprostředně navazující na severní okraj moravské metropole Brna, sahající aţ k městu Blansku. Lesy se nacházejí v nadmořské výšce 210 aţ 575 m a vyznačují se značnou pestrostí přírodních podmínek. Území leţí v přírodní lesní oblasti (dále jen PLO) 30 - Drahanská Vrchovina. Drahanská vrchovina leţí na pomezí jiţní a střední Moravy. Dle regionálního členění reliéfu se vlastní Drahanská vrchovina dále člení na Adamovskou vrchovinu, Moravský Kras a Konickou vrchovinu a dále zabírá jiţní část Zábřeţské vrchoviny.

Obrázek 1 - Identifikace obou lokalit 3

3.2 Geomorfologie oblasti Členění podle Demka (Demek, 1987) leţí oblast v: Provincie: Česká vysočina II.

Českomoravská soustava II D

Podsoustava: Brněnská vrchovina II D – 3

Drahanská vrchovina

II D – 3 A

Adamovská vrchovina (lokalita A)

II D – 3 B

Moravský kras (lokalita B)

Moravský kras má z velké části zarovnaný povrch, ten je však rozčleněn ostrými 100 aţ 200 m hlubokými údolními zářezy, které v severní části mají ráz bezvodých krasových kaňonů (Pustý a Suchý ţleb). Unikátním útvarem je propast Macocha, na planinách se hojně nacházejí závrty různých rozměrů. Z nekrasového okolí přitékají do krasu poměrně silné alochtonní toky, které se na jeho okraji propadají (Rudické propadání, Rasovna, pod Hřebenáčem, u Sloupu aj.) a krasové území protékají pod zemí do vyvěraček. Mezi drobné významné tvary patří škrapová pole, skalní věţe a mosty, hojné jeskyně různých velikostí a vzácnější propasti. Reliéf má charakter ploché vrchoviny s členitostí 150 – 200 m, pouze ve střední mírně zvednuté části rozřezané hlubokým údolím Křtinského potoka, má charakter členité vrchoviny s členitostí aţ 270 m. Reliéf na západní části je tvořen systémem hrástí a prolomů, přičemţ prolomy mají široká plochá konkávní dna tvořená sprašovými závějemi a návějemi. Napříč hrástěmi se vyvinula skalnatá průlomová údolí. Údolí Svitavy je hluboké téměř 300 m, ostatní údolí 100 aţ 200 m. Výrazný je skalnatý hřeben Babího lomu z křemitých devonských slepenců, který převyšuje okolní zarovnané povrchy o 20 – 60 m. Na Svitavě je vyvinut údolní fenomén, který spolu s pestrým geologickým podkladem a členitým reliéfem silně zvyšuje celkovou biodiverzitu. Reliéf má převáţně charakter ploché vrchoviny s výškovou členitostí 150 – 200 m, některé hřbety a průlomová údolí mají charakter aţ členité vrchoviny s členitostí 200 – 300 m, východní svah Hořické vrchoviny má členitost aţ 330 m a tedy charakter ploché hornatiny. Nejniţšími body jsou koryta Svitavy v Brně s výškou asi 200 m. Pokud se jedná o Moravský kras, je nejniţším bodem údolí Říčky u Muchovy boudy – asi 265 metrů nad mořem, nejvýše poloţený vrchol v Moravském krasu je cca 590 metrů západně od Šošůvky. 4

Typická výška území v rámci Drahanské vrchoviny na západě je 250 – 500 m, v Moravském krasu 300 – 530 a mimo kaňony 400 - 530 a na východní části 380 – 690 m. (Culek, 1996)

3.3 Geologie oblasti Moravský kras je tvořen převáţně z čistých devonských vápenců, jen zcela podruţně sem zasahuje granodiorit brněnského masivu nebo bazální devon v podobě nevápnitých slepenců a jílovců. Významné jsou staré pokryvy ve střední části krasu (Rudice, Olomučany). Jde o výplně hlubokých krasových depresí pozůstávající ze zvětralin jurského a křídového stáří (jíly, písky, valouny). Do jiţní části zasahují spraše, které severněji přecházejí do sprašových hlín. Významná jsou vápencová suťová pole. Adamovská vrchovina je budována především brněnským masivem, tj. hlavně amfibolickými granodiority, místy i diority a diabasy. Devonské křemité slepence a jílovce výrazně vystupují i v zóně Babího lomu. Do podoblasti zasahuje i marinní vápnitý tercier (vápnité jíly, písky), z pokryvů se uplatňují spraše.

3.4 Poměry klimatické 3.4.1 Podle klimatického členění Quitta(Quitt, 1971): Podle Quitta leţí oblast Moravského krasu v klimatických oblastech od nejteplejší MT 11 na jihu, přes MT 10, MT 9, MT 5, po nejchladnější MT 3 na severu. Klima tedy vykazuje výrazný gradient z okolí Brna, které je teplé a poměrně suché (Brno 8,6 °C, 547 mm). Místní klima vykazuje ostré rozdíly na malých vzdálenostech – chladné inverzní dno kaňonů kontrastuje s teplými a suchými horními hranami. Jiţní okraj má velmi teplé podnebí umocněné jiţní orientací svahů (Hády). Podnebí je poměrně teplé a mírně suché, coţ způsobuje poloha v mírném sráţkovém stínu Českomoravské vrchoviny: Tišnov 8,0 °C, 579 mm; Veverská Bitýška 559 mm; Kuřim 576 mm; Brno 8,4 °C; Brno-Bohunice 537 mm. Vranov u Brna leţí na mírně návětrném svahu Drahanské vrchoviny, sráţky zde dosahují 610 mm, v Olomučanech 620 mm. Nejvyšší teploty mají průměrnou teplotu pod 7 °C. Podnebí je značně modifikováno členitým terénem – hojné jsou teplotní inverze a naopak extrémně suché teplé polohy na jiţních svazích.

5

Tabulka 1 - Klimatické oblasti na vybrané části území ŠLP Charakteristiky Počet letních dnů Počet dnů nad 10°C Počet mrazových dnů Počet ledových dnů Prům. teplota v I Prům. teplota v VII Prům. teplota v IV Prům. teplota v X  dnů srážek + 1 mm Úhrn srážek ve veg.d. Úhrn srážek v zimě Srážky celkem Počet dnů se sněhem Počet dnů zamrač. Počet dnů jasných

MT5

MT9

MT10

MT11

30-40

40-50

40-50

40-50

140-160

140-160

140-160

140-160

130-140

110-130

110-130

110-130

40-50

30-40

30-40

30-40

-4- -5

-3- -4

-2- -3

-2- -3

16-17

17-18

17-18

17-18

6-7

6-7

7-8

7-8

6-7

7-8

7-8

7-8

100-120

100-120

100-120

90-100

350-450

400-450

400-450

350-400

250-300

150-300

200-250

200-250

600-750

550-750

600-700

550-650

60-100

60-80

50-60

50-60

120-150

120-150

120-150

120-150

50-60

40-50

40-50

40-50

MT5 Mírně teplá oblast: normální aţ krátké léto, mírné aţ mírně chladné, suché aţ mírně suché, přechodné období normální aţ dlouhé, s mírným jarem a mírným podzimem, zima je normálně dlouhá, mírně chladná, suchá aţ mírně suchá s normální aţ krátkou sněhovou pokrývkou. MT9 Mírně teplá oblast: dlouhé léto, teplé, suché aţ mírně suché, přechodné období je krátké, s mírným aţ mírně teplým jarem a mírně teplým podzimem, krátká zima, mírná, suchá, s krátkým trváním sněhové pokrývky. MT10 Mírně teplá oblast: dlouhé léto, teplé a mírně suché, krátké přechodné období s mírně teplým jarem a mírně teplým podzimem, krátká zima, mírně teplá a velmi suchá, s krátkým trváním sněhové pokrývky. 6

MT11 Mírně teplá oblast: dlouhé léto, teplé a suché, přechodné období krátké s mírně teplým jarem a mírně teplým podzimem, zima je krátká, mírně teplá a velmi suchá, s krátkým trváním sněhové pokrývky. Tabulka 2 – Průměrné údaje teplot a srážek (podle dlouhodobého 50-ti letého průměru 1901-1950) Nadmoř. Stanice

výška

Průměrné

Průměrná teplota roční

IV.-IX.

srážky

Langův faktor

doba

roční IV.-IX.

(oblast)

(nad 10°C)

°C

m n.m.

Veget.

mm

dnů

Brno Tuřany

223

8,4

14,8

531

338

63 - semihumidní

168

Vyškov

260

8,4

15,0

542

337

65 - semihumidní

(160)

Průměrná roční teplota se pohybuje v celé oblasti

okolo 8,4 °C

Průměrná teplota ve vegetačním období IV-IX

okolo 15 °C

Průměrné roční sráţky kolísají

okolo 540 mm

Délka vegetační doby Langův dešťový faktor

mezi 170 a 160 dny okolo 64 – semihumidní oblast

3.5 Hydrografie oblasti Vybraná část území ŠLP náleţí do povodí řeky Moravy. Do oblasti se zařezává řeka Svitava s přítoky. Krasová oblast na jejím levém břehu je charakteristická alochtonními toky, které se na jeho okraji propadají (Rudické propadání, Rasovna, pod Hřebenáčem, u Sloupu aj.) a krasové území protékají pod zemí do vyvěraček. V případě obou vybraných potoků, na kterých byla prováděna měření průtoků, se jedná o toky v povodí Svitavy, a to o levostranné přítoky této moravské řeky. V případě lokality A u lesní cesty Rosenauerovy mezi obcemi Kanice a Babice nad Svitavou se jedná o bezejmenný levostranný přítok Ţilůveckého potoka, který se do Svitavy vlévá po soutoku s Pramenným potokem u vlakové zastávky Babice nad Svitavou. Měření na druhé lokalitě, u obce Habrůvka, byla prováděna na bezejmenném pravostranném přítoku Křtinského potoka, který se do Svitavy vlévá v Adamově.

7

3.5.1 Charakteristika

toku

Svitava

dle

VÚV

TGM

(Výzkumný

ústav

vodohospodářský T. G. Masaryka) Identifikátor toku

414290000100

Členění toku podle Gravelia

V. řád

Správce povodí

Povodí Moravy s.p.

Délka toku

98,39 km

Plocha povodí

1149,43 km2

Svitava je levostranný přítok Svratky, do které se vlévá na jejím 35 km v nadmořské výšce 191m. Pramení ve Svitavské pahorkatině asi 3 km severozápadně od Svitav v nadmořské výšce 471 m. Jejím největším přítokem je Křetinka (32,4km). V povodí se nachází 583 vodních ploch s celkovou rozlohou 407 ha. Největší z nich jsou vodní nádrţe Letovice a Boskovice. 3.5.2 Data ze stanice Bílovice nad Svitavou: Staničení:

15.50 [km]

Číslo hydrologického pořadí:

4-15-02-109

Plocha povodí:

1120,33 [km2]

Zeměpisné souřadnice:

164036 v.d. 491444 s.š.

Nula vodočtu:

217,87 [m.n.m.] B

Procento plochy povodí toku:

97,0

Průměrný roční stav:

110 [cm]

N-leté průtoky:

Q1

Q5

Q10

Q50

Q100

37,0

78,0

99,0

153

179

Průměrný roční průtok:

[m3s-1]

5,22 [m3s-1]

3.6 Lokalita A – lesní cesta Rosenauerova Lokalita A se nachází u lesní cesty Rosenauerova, mezi obcemi Kanice a Babice nad Svitavou. Tok, na kterém byla prováděna měření průtoků, je bezejmenným přítokem Ţilůveckého (Babického) potoka, který je levostranným přítokem řeky Svitavy. Ţilůvecký potok vzniká soutokem dvou bezejmenných toků u lesní cesty Rosenauerovy asi 550 m předtím, neţ se do něj vlévá i bezejmenný přítok, na němţ probíhala měření popsaná v této práci. Celková délka Ţilůveckého potoka činí 1830 m a jeho povodí je zcela zalesněné (lesnatost 95%). Pro stanovení základních hydrologických charakteristik povodí bezejmenného 8

přítoku Ţilůveckého potoka, na němţ probíhala měření prezentovaná v této práci, byla v programu ArcGis 9.2. vytvořena mapa zobrazující nad lesnickou obrysovou mapou (OPRL) plochu povodí, toky a plastický model terénu této lokality (viz. příloha č. 1). Jako zdrojová data poslouţila polohopisná a výškopisná data ZABAGED. Z vrstevnic byl pomocí modulu Topo to raster vytvořen hydrologicky korektní digitální model terénu, na kterém byly následně prováděny analytické operace, které byly zakončeny modulem watershed, který vytvořil povodí vybraného toku. Z takto vytvořeného povodí byly vypočteny jeho základní hydrologické charakteristiky. Tabulka 3 - Základní vlastnosti povodí toku A Plocha povodí (m2)

652265

Délka toků (m)

1173

Průměrná nadmořská výška (m n m)

332

Charakteristika tvaru

0,32 - vějířovité

Střední šířka povodí (m)

453,59

Průměrný skon povodí (%)

0,084

Průměrný sklon toku (%)

0,032

Hustota říční sítě (%)

0,18

Tok, na kterém probíhala měření, je přibliţně 640 m dlouhý. Měrný profil byl umístěn v jeho dolní části, přibliţně 20m od závěrného profilu (vtoku do toku vyššího řádu). Do toku se z pravé strany vlévají dva menší bezejmenné potoky. Měřený tok má nezpevněné břehy a po celé své délce prochází lesním porostem. Ve vzdálenosti asi 250 m proti proudu toku nad umístěním mobilního stabilizovaného měrného profilu jsou patrné zbytky příčného objektu, kterým je rozpadlá hrázka z navalených kamenů. Tok je asi 10 m nad měrným profilem proveden pod lesní komunikací zatrubněním. Podle aktuálního lesního hospodářského plánu (dále jen LHP) a přidruţených lesnických obrysových map se v povodí prvního měřeného toku nachází následující oddělení: 329, 332, 333, 334. Dřevinnou skladbu jednotlivých oddělení prezentuje tabulka 4. Les zabírá veškerou plochu povodí (okolo 95%).

9

Tabulka 4 - Zastoupení dřevin v odděleních lesa dle platného LHP ŠLP ML Křtiny 329

BK30, HB20, BO30, SM10, LP10

333

SM30, DBZ20, BO15, JD10, MD 10, DG10, BK 5

332

DBZ35, HB30, BK25

334

SM25, DBZ20, BK20, BO15, HB10, JD5, MD5

3.7 Lokalita B – Habrůvka Lokalita B se nachází na sever od obce Habrůvka. Měření probíhala na bezejmenném toku, který pramení na okraji zástavby obce Habrůvka a vlévá se pak, jako pravostranný přítok, do Křtinského potoka. Křtinský potok odvodňuje střední část Moravského krasu. Povodí má plochu 70 km2 a průměrný roční průtok činí 0,25 m3/s. Pramenní u obce Bukovina blízko Křtin a dále protéká Křtinským a Josefovským údolím, kde se vyskytuje mnoho krasových jevů, převáţně jeskyní. V Adamově se z levé strany vlévá do Svitavy. Stejným způsobem jako u lokality A, byla pro stanovení základních hydrologických charakteristik povodí bezejmenného přítoku Křtinského potoka, na němţ probíhala měření prezentovaná v této práci, v programu ArcGis 9.2. vytvořena mapa zobrazující nad lesnickou obrysovou mapou (OPRL) plochu povodí, toky a plastický model terénu této lokality (viz. příloha č. 2). Tabulka 5 - Základní vlastnosti Povodí toku B Plocha povodí (m2)

503357

Délka toků (m)

685

Průměrná nadmořská výška (m n m)

510

Charakteristika tvaru

0,56 - vějířovité

Střední šířka povodí (m)

529,85

Průměrný skon povodí (%)

0,028

Průměrný sklon toku (%)

0,016

Hustota říční sítě (%)

0,14

Tok, na kterém probíhala měření, je přibliţně 470 m dlouhý. Mobilní stabilizovaný měrný profil byl umístěn v jeho dolní části, přibliţně 100m před soutokem tohoto 10

potoka s jiným bezejmenným tokem, ke kterému dochází za lesní komunikací vedoucí na západ od Habrůvky. Do měřeného toku se přibliţně v jeho polovině vlévá z pravé strany jiný bezejmenný tok. Potok prochází lučním společenstvem a jeho břehy jsou nezpevněné. Po obou stranách toku se vyvinul doprovodný břehový porost keřovitých vrb a olší, který znesnadňuje přístup ke korytu. V dolní části toku dochází k jeho rozlévání z koryta, které se v této části stává nezřetelným, vlivem narušení povrchu těţkou mechanizací. Tato část bývá označována jako Habrůvecké propadání. Koryto toku je nadále opět patrné po soutoku s jiným bezejmenným tokem na druhé straně lesní komunikace. Podle aktuálního lesního hospodářského plánu a přidruţených lesnických obrysových map zasahují na území tohoto povodí okrajově dvě lesní oddělení: 156, 164. Tabulka číslo 4 prezentuje zastoupení dřevin v odděleních relevantních porostních skupin. Lesnatost tohoto povodí je minimální (cca. 10%). Tabulka 6 - Zastoupení dřevin v odděleních lesa dle platného LHP ŠLP ML Křtiny 156

BK55, MD15

164

BK45, KL20, JS18

11

4

METODIKA 4.1 Metodická východiska

Rozsah pouţití průtokoměrů je velmi široký: od měření průtoku krve aţ po měření rychlosti proudění říčných toků nebo mořských proudů. Vývojem, výrobou a distribucí průtokoměrů nejrůznějších rozsahů (od 0,1 g/h do 5000 t/s), rozměrů (pro průměry potrubí od 0,1 mm do 15 m) fyzikálních principů a konstrukcí, se zabývá více neţ tisícovka společností rozptýlených po celém světě s roční produkcí dosahující několik milionů kusů. (Bejček a kol., 2006) Jejich pouţití je závislé na pracovních podmínkách prostředí, kde mají být pouţity i na vlastním charakteru kapaliny, kterou měří. Záleţí také na korytě, kterým proudí a jeho fyzikálních vlastnostech. 4.1.1 Typy průtokoměrů (Bejček a kol., 2006) Průřezové průtokoměry Rychlostní průtokoměry Průtokoměry s proměnným průřezem (plováčkové průtokoměry, rotametry) Turbínové a lopatkové senzory průtoku Objemové průtokoměry Deformační průtokoměry Ultrazvukové senzory průtoku pro kontinuální měření Kapacitní hladinoměry pro kontinuální měření Indukční senzory průtoku Hmotnostní průtokoměry na principu Coriolisovy síly Průtokoměry se značením tekutiny (směšovací) Fluidikové průtokoměry Tepelné průtokoměry Plovákové hladinoměry Mechanické hladinoměry Tlakové hladinoměry Elektrické hladinoměry Optické hladinoměry Ultrazvukové hladinoměry Radiační hladinoměry 12

V uvedeném seznamu jsou kurzívou označeny typy průtokoměrů, kterým je v práci věnována samostatná kapitola věnující se popisu principu jejich fungování a moţnostem jejich vyuţití.

4.2 Historie využívání průtokoměrů Co se týče měřicích principů, rozlišují se metody a na nich zaloţené průtokoměry na tradiční a nové. O zařazení metody mezi nové přitom nerozhoduje doba, po kterou je daný princip znám, ale okamţik, od kterého jsou odpovídající průtokoměry komerčně dostupné. Nejdelší doba komerčního vyuţívání je 50 let a nejkratší deset let, konkrétně: - magneticko-indukční průtokoměry debutovaly v Nizozemí v roce 1952 - první ultrazvukové průtokoměry prodala firma Tokyo Keiki (Tokimec) v Japonsku v roce 1963; ve větším rozsahu byly vyuţity po roce 1970 - první komerčně úspěšné Coriolisovy průtokoměry uvedla na trh firma Micro Motion v roce 1977 - pokusy komerčně vyuţít von Kármánův jev se datují od roku 1958; na trh uvedla vírový průtokoměr firma Eastech v roce 1969 a jako první velký výrobce ho úspěšně nabídla společnost Yokogawa v roce 1979 pod označením Yewflo - první několikaparametrový převodník (multifunkční převodník, multivariable DP) nabídla společnost Bristol Babcock v roce 1992. (Suchý, 2002)

4.3 Užívané metody měření průtoků malých vodních toků Hydrometrická měření slouţí k určení průtoku a patří mezi základní terénní práce ve vodním hospodářství. Na základě hydrometrických měření se konstruují měrné křivky limnigrafických a vodočetných profilů, často se hydrometrická měření pouţívají i k ověření charakteristik jiných měrných zařízení (měrných ţlabů, přelivů větších rozměrů, které nelze kalibrovat objemově nebo váhově apod.). Samostatnou kapitolu představují hydrometrická měření v rámci garančních měření vodních strojů (turbin a čerpadel). Obvykle se pro měření průtoků pouţívají hydrometrické vrtule či jiné přístroje pro měření bodové rychlosti, v některých případech lze pouţít i méně přesnou metodu vyuţívající měření povrchových rychlostí pomocí plováků. Ve speciálních případech se pouţívají chemické metody.(Mattas, 2001)

13

4.3.1 Určení průtoku měřením hydrometrickou vrtulí (”hydrometrování”) Hydrometrické stanovení průtoku je základní metodou pro určení průtoků v říční síti. Na základě výsledků hydrometrických měření se konstruují měrné křivky, které vyjadřují vztah mezi vodním stavem a průtokem v daném profilu. Pro hydrometrická měření se nejčastěji pouţívají hydrometrické vrtule (téţ křídla – z něm. Flügel) různých konstrukcí. V Evropě jsou nejběţnější typy odvozené od původní Woltmannovy vrtule (prvně pouţité roku 1790), tedy s horizontální osou a (v dnešní době výhradně, původně se uţívala lopatková kola) šroubovicovým propelerem. Existuje řada typů vrtulí různé velikosti s výměnnými propelery o různých stoupáních šroubovice a různých průměrech. Při měření se určuje počet otáček vrtule N za zvolený časový interval T (zejména u moderních vrtulí, které dávají signál po kaţdé otáčce), nebo se měří čas T nutný k uskutečnění daného počtu otáček N (zejména u starých typů vrtulí, dávajících signál po více otáčkách). Některé typy počitadel dovolují volbu libovolného způsobu z obou.(Mattas, 2001) 4.3.2 Určení průtoku pomocí hladinových plováků V některých případech lze pro stanovení průtoku vyuţít měření povrchové rychlosti pomocí plováků. Metoda není zdaleka tak přesná jako měření vrtulí, má však dvě hlavní výhody:  není zapotřebí nákladného zařízení (vrtule či jiného přístroje) a měření lze improvizovaně provést s vyuţitím materiálu nalezeného na místě  často ji lze pouţít v podmínkách, kdy měření vrtulí by bylo obtíţné aţ nemoţné, např. za povodňových situací. Existují dvě hlavní modifikace metody – proměření pole povrchových rychlostí nebo zjištění maximální povrchové rychlosti.(Mattas, 2001) Určení průtoku z pole povrchových rychlostí K měření se volí pokud moţno přímá trať s ideálně rovnoměrným prouděním a rovnoměrným rozdělením rychlostí. Délka měrné trati L se volí u širokých toků zhruba L=2B, kde B je šířka toku v hladině, resp. taková šířka, aby doba průchodu plováku měrným úsekem nebyla kratší neţ cca 20 s. U malých toků se L volí přiměřeně delší, L=(2 aţ 5)B. Na břehu se zaměří měrný úsek a kolmo k toku vytyčí měrné profily na začátku, konci a ve středu měrného úseku. Střední profil se prosonduje pro stanovení 14

průtočné plochy; přesnější je prosondovat všechny tři profily a průtočnou plochu brát jako jejich průměr. Plováky mají být pokud moţno jednotného typu (dřevěné hranoly, částečně vodou naplněné láhve, téměř ideálním plovákem je díky své hustotě a barvě pomeranč). Plováky se vypouštějí (vhazují do vody) v dostatečné vzdálenosti nad horním profilem (alespoň 10-15 m), aby plovák do průchodu horním profilem nabyl stejné rychlosti jako voda a bylo moţné spolehlivě určit okamţik průchodu plováku prvním profilem. U toku s šířkou v hladině do 20 m se vypouští 3-5 plováků, u širších toků se měří rychlost v kaţdém pátém nebo desátém metru šířky toku. Při průchodu plováku druhým profilem se odečte čas t nutný k proplutí plováku měrnou tratí společně s polohou plováku v toku (vzhledem k šířce).(Mattas, 2001) Určení průtoku z maximální povrchové rychlosti V některých případech je výhodnější neproměřovat plováky celé pole povrchových rychlostí, ale jen určit maximální povrchovou rychlost. Na některých tocích jsou navíc plováky snášeny do proudnice (zejména toky horského charakteru), takţe proměření pole povrchových rychlostí je nemoţné a nezbývá neţ se omezit na určení maximální povrchové rychlosti v proudnici. Postup je obdobný jako při určení průtoku z pole povrchových rychlostí, avšak plováky se vypouštějí v proudnici. Měření se opakuje nejméně 3-5krát. Ze známé délky měrného úseku a změřených časů se určí rychlosti jednotlivých plováků a z nich maximální

povrchová

rychlost,

jako

aritmetický

průměr

tří

nejrychlejších

plováků.(Mattas 2001) 4.3.3 Měření průtoků ultrazvukovými čidly Tento typ čidel měří čas ultrazvukových vln potřebný pro projití kapalinou nebo pomocí Dopplerova efektu měří změny ve frekvencích zvukových vln v předem definovaném akustickém poli, kterým kapalina prochází, a tím určuje rychlost jejího proudění. Ultrazvuková čidla mohou být rozdělena do dvou kategorií podle způsobu uchycení. Pevná čidla jsou upevněna mimo koryto a neobsahují ţádné omočené části. Mohou být jednoduše instalována korytu bez obavy z poškození korozí. Tato čidla jsou také lehce přenosná. Druhým typem ultrazvukových čidel jsou čidla, která se pomocí patek a zárub umisťují dovnitř koryta. Většinou mohou nabídnout větší přesnost měření a jejich kalibrace je méně komplikovaná. 15

Dopplerův jev: jestliže pohyblivý zdroj vysílá signál s frekvencí f0, pak stojící pozorovatel jej přijímá s frekvencí f - kladná změna frekvence znamená přibližování, záporná vzdalování. Tato technika je pro měření průtoků známá jiţ 40 let. První přístroje byly sestrojeny v 60. a 70. letech minulého století. Tyto ultrazvukové průtokoměry první generace měly ovšem mnoho nedostatků. Byly nestabilní vlivem fluktuací teplot a těţko se vyrovnávaly s mechanickými nečistotami v měřené kapalině. Současné ultrazvukové průtokoměry jsou zaloţeny na principu měření doby průchodu signálu médiem. S nestabilitou v důsledku znečištění média se současné přístroje vyrovnávají pomocí adaptivního softwaru, který vhodně mění frekvenci a amplitudu akustického signálu.(Suchý, 2002) Hlavní uţitné vlastnosti ultrazvukových průtokoměrů (Suchý, 2002): -Činnost přístroje nezávislá na vlastnostech měřeného média -Ţádné pohybující se části -Malá tlaková ztráta -Nenáročná údrţba -Široce přestavitelný měřicí rozsah -Redundance (při několikakanálovém provedení) -Schopnost měřit několik veličin současně (multivariable) -Standard pro fakturační měření (vybraná) 4.3.4 Měření ponornými tlakovými čidly Tato čidla jsou zaloţena na měření tlaku, který vyvolává sloupec vody nad nimi. Kapaliny i plyny vyvolávají tlakovou sílu působící ve všech směrech a tato síla je úměrná hloubce ponoru. S rostoucí hloubkou ponoru stoupá i tlaková síla vyvolaná kapalinou, resp. plynem. Rozdíl mezi atmosférickým tlakem a tlakem vodního sloupce okolo hlavy čidla je zachycen pruţnou membránou. Elektronika převádí sílu působící na membránu na úměrný elektrický signál. Někdy bývá pouţit uvnitř čidla i silikonový gel. Vlastní čidlo je pak sestaveno tak, aby blána hermeticky uzavírala prostor vyplněný silikonovým gelem a tento gel, aby tlačil na tlakoměrný čip. Změny tlaku jsou tedy přes blánu převáděny na gel a na čip, který je zaznamenává.(ITRC, 1998) Tento typ čidel je velmi vhodný pro dlouhodobá kontinuální měření. V praxi se pouţívají tlakové hladinoměry pro kontrolu hloubky studní, ropných vrtů a podobně. Tato čidla se pokládají na dno nádrţí a jsou schopná měřit výšku hladiny nad sebou. 16

Nevýhodou tohoto typu čidel je fakt, ţe jsou ovlivňována atmosférickým tlakem, stejně jako hydrostatickým a mohou být citlivá na případné nečistoty v kapalině. S atmosférickým tlakem se výrobci čidel vyrovnávají dvěma způsoby. Základním přístupem je pouţití kalibrace hodnot, podle aktuálního atmosférického tlaku. Toto jsou takzvaná kalibrační tlaková čidla. Tato čidla obsahují oproti čidlům absolutním ventilační průduch. Čidlo je pak schopno měřit aktuální hodnotu atmosférického tlaku a hydrostatický tlak měřit zvlášť. Ventilační průduch potřebuje speciální údrţbu formou desikantů, neboť je nutné ho udrţovat suchý. Další moţností je místo desikantu pouţít vzduchový měch či měchýř, který oddělí vzduch v průduchu od vzduchu v atmosféře. Měchy nepotřebují speciální údrţbu jako průduchy, ovšem je zde riziko jejich prasknutí, či ne zcela dokonalého splasknutí, coţ můţe způsobovat chyby v měření.(ITRC, 1998) Absolutní čidla nepouţívají ventilační průduch a měří celkový tlak na čidlo, včetně atmosférického. Nevyţadují ošetřování desikanty a sniţují tak nároky na údrţbu. Nicméně je v jejich případě vhodné pouţívat nějaký typ barometru, aby mohly být naměřené hodnoty na měřící jednotce opraveny a zpřesněny podle změn atmosférického tlaku.(ITRC, 1998)

4.4 Použité metody Měření průtoků probíhala od začátku července 2009 do konce října téhoţ roku. K měření velikosti dosahovaných průtoků byla pouţita dvě hladinoměrná čidla – ponorné tlakové a ultrazvukové. Čidla byla napojena na řídící jednotku a měřila výšku paprsku na přelivné hraně mobilního Thompsonova přelivu. Z těchto hodnot pak byl řídící jednotkou vypočten průtok v l/s. Kaţdé měření trvalo minimálně 5 hodin s intervalem zápisu hodnot 5 minut pro obě čidla. S měřením, které probíhalo kaţdý týden od začátku července 2009, se začalo na lokalitě A (Kanice). Denní intervaly byly vybírány tak, aby byla měřeními na lokalitě A pokryta celá délka dne. Lokalita B (Habrůvka) byla vybrána aţ později a měření tam započala na začátku září 2009. Od té doby probíhala měření střídavě na obou lokalitách. Měření se tedy na jednotlivé toky vracelo vţdy po čtrnácti dnech. Následující kapitoly 4.4.2, 4.4.3, 4.4.4 a byly zpracovány za pouţití materiálů a technické literatury firmy Fiedler-Mágr a vychází z manuálů a příruček k pouţití jednotlivých zařízení (čidel a řídící jednotky).

17

4.4.1 Použitý materiál  Řídící záznamová jednotka M 4016  Tlakové čidlo  Ultrazvukové čidlo  Notebook  Drţák ultrazvukového čidla (3 tyče celkem)  Drţák tlakového čidla (jedna tyč)  Mobilní přelivná hrana (100 cm)  Stabilizační opěry přelivu (4 ks)  Nástroje pro stabilizaci měřící aparatury (krumpáč, kladivo, vodováha, skládací metr, izolační elektrikářská páska)  Terénní zápisník 4.4.2 Charakteristika přístroje M4016 Technické parametry Záznamové kanály:

16analogových, 40binárních, 1 textový

Kapacita datové paměti:

2MB, aţ 450 000 měřených hodnot

Typ datové paměti:

FLASH-nevyţaduje trvalou přítomnost napětí

Rozlišení pro měření a archivaci:

16 bitů, 0-3 desetinná místa

Hodiny reálného času:

průběţná synchronizace přes GPRS

Displej:

alfanumerický 2x16 znaků 9mm

Klávesnice:

21 hmatníků, mechanická odezva stisku

Napájecí napětí:

externí napětí 13,8 - 26 VDC pro dobíjení vestavěného gelového akumulátoru 12V/9Ah (alt. 6V/12Ah)

Doba provozu z akumulátoru:

týden aţ rok podle typu a počtu připojených senzorů a způsobu provozu GSM komunikace

GSM/GPRS modul:

duální, GPRS Class 12, vestavný IP67

Napájení připojených čidel:

spínané napětí akumulátoru/+17VDC

Pracovní teplotní rozsah:

-30 aţ +60 °C

Rozměry (v x š x h):

320 x 215 x 195 mm

Hmotnost:

3,5 kg včetně akumulátoru

Krytí:

IP66, robustní box s moţností zamykatelné kličky 18

Základní popis Jednotka M4016 při plném vybavení v sobě zahrnuje universální datalogger, telemetrickou stanici s přímým přístupem na internet prostřednictvím zabudovaného GSM/GPRS

modulu,

varovný

systém

zaloţený

na

odesílání

SMS

zpráv,

programovatelný řídící automat a ve spojení s ultrazvukovými nebo tlakovými snímači hladiny i vícenásobný průtokoměr. Uţivatel má k dispozici 16 dynamicky obsazovaných záznamových kanálů pro měření a archivaci průtoků, hladin, tlaků a mnoha dalších veličin. Chody a poruchy čerpadel, narušení objektu nebo obecně stavy kontaktů můţe monitorovat aţ 40 binárních kanálů. Velký počet analogových, pulsních a číslicových vstupů umoţňuje připojení různých typů snímačů včetně inteligentních sond přes rozhranní RS485. Pro měření průtoků v otevřených kanálech má jednotka přednastavené konsumpční rovnice mnoha měrných profilů včetně sloţených ţlabů. Kromě okamţitých hodnot jsou v datové paměti uloţené i denní a měsíční proteklé objemy, minima, maxima, apod. - vše dostupné i prostřednictvím klávesnice, SMS nebo internetu. Podle aktuální hodnoty na vstupech lze řídit aţ 16 modulů s proudovým výstupem 4-20 mA a 14 relé. Pro kaţdé relé lze nadefinovat také několik sloţených logických a časových podmínek spínání. Řízený reţim napájení připojených snímačů, velmi nízká vlastní spotřeba, zaloţená na výkonném RISC procesoru a na 3V technologii, umoţňuje v místech bez síťového napájení aţ roční provoz stanice bez dobití akumulátoru. (Fiedler-Mágr, 2010) Přenos a zpracování dat Základní provedení stanice M4016 bez GSM modemu komunikuje s PC přes COM nebo USB port. Vizualizace dat uloţených v databázi je moţná standardním webovým prohlíţečem nebo programem MOSTVIEW. Nastavení parametrů jednotky a základní zpracování změřených dat se uskutečňuje prostřednictvím programu MOST. Archivovaná data se stahují ručně pomocí notebooku, který má nainstalovaný program MOST. Stanice si sama zapamatuje, kdy byla data naposledy stahována, a toto datum (a čas) uţivateli automaticky nabídne. Program umoţňuje kromě tabulkového zobrazení naměřených hodnot také jejich grafické zobrazení, průměrování, vyhledávání mezních hodnot, výpočty proteklého mnoţství, tisk naměřených dat ve formě zprávy, či export do textového souboru nebo přes SQL server. (Fiedler-Mágr, 2010) 19

4.4.3 Ultrazvuková sonda - US1200 (3000) Technická charakteristika: 

Rozsah 0,15 - 1,2m (0,25 - 3m)



Číslicový filtr naměřených hodnot



Automatická teplotní kompenzace



Měření výšky hladiny/vzdálenosti, teploty vzduchu



spotřeba - do 20 mA



Vysoké krytí IP68



Dvě výstupní rozhranní



Vysoká přesnost měření

Obrázek 2 - Ultrazvuková sonda US1200

Základní popis Inteligentní ultrazvukové sondy typu USxx00 jsou zaloţeny na principu měření časové prodlevy mezi vyslaným a přijatým ultrazvukovým impulsem. Sondy jsou vhodné pro měření výšky hladiny a okamţitého průtoku na otevřených měrných profilech a vodních tocích nebo pro měření výšky hladiny a objemu v jímkách a v nádrţích. Číslicový přenos dat ze sondy umoţňuje předávat více informací po jednom vedení a proto kaţdá sonda kromě hlavní měřené veličiny můţe vysílat ještě vedlejší veličiny (hladinu nebo vzdálenost, teplotu vzduchu). Řídící elektronika ultrazvukové sondy je uzavřena v robustním nerezovém válcovém pouzdře o průměru 50mm, které zajišťuje dostatečnou ochranu před povětrnostními vlivy. Vlastní ultrazvukové a teplotní čidlo jsou společně s řídící elektronikou zality polyuretanovou hmotou, která vylučuje průnik vody dovnitř sondy. Sondu lze bez problémů umístit i ve venkovním prostředí bez dalších doplňkových krytů (krytí IP68). (Fiedler-Mágr, 2010) Parametry měření Ultrazvuková sonda US1200 má měřící rozsah 0,15 - 1,2m, a dlouhodobá chyba měření nepřesahuje 1% z rozsahu. Pokročilá technika teplotní kompenzace minimalizuje moţnost chyby vzniklé rychlými výkyvy teplot. (Fiedler-Mágr, 2010)

20

4.4.4 Ponorný tlakový snímač hladiny: LMP307, (307i, 308, 308i, 808) Snímač slouţí ke kontinuálnímu měření výšky hladiny. Měřící rozsahy jsou od 0,06 do 100 m, je moţné si zvolit přesnost (0,1 - 5%), provedení (nerezová ocel, plast), délku a materiál přívodního kabelu (PUR, PVC), a v neposlední řadě i typ proudového výstupu (1 - 5mA, 4 - 20mA). Pro měření výšek hladin v obou lokalitách „Kanice a Habrůvka“ byla zvolena sonda s rozsahem měření 0,06 – 1,5 m. (Fiedler-Mágr, 2010)

Obrázek 3 - Ponorný tlakový snímač hladiny LMP307 4.4.5 Mobilní maska Thompsonova přelivu Mobilní masky Thomsonova přelivu jsou vyrobeny z válcovaného 3mm silného plechu s nerezovou povrchovou úpravou – rozměry masky pouţité pro měření lokalit „Lesní cesta Rosenauerova a Habrůvka“ viz obr č. 4. Tyto rozměry lze pouţít na tok o šířce do 80 cm za podmínky nezvýšeného průtoku. V případě větší šíře toku se musí pouţít maska delších rozměrů, aby došlo k úplnému

zachycení

vody (poţadavek

nepropustnosti). Je-li průtok, např. vlivem vyššího úhrnu sráţek, zvýšen, doporučuje se pouţití větší tloušťky plechu v kombinaci s vyšším počtem opěr. Měříme-li průtoky velmi malých hodnot, instalujeme masku se 60° výřezem. 30 90°

50 25

100 Obrázek 4 - Rozměry masky Thompsonova přelivu použitého pro měření lokalit „Lesní cesta Rosenauerova a Habrůvka“ (kóty v cm) 21

4.5 Vlastní měření 4.5.1 Výběr a příprava stanoviště Pro nejpřesnější měření pomocí pouţitých přístrojů a metod je zásadní výběr toku. Limitujícím rozměry

faktorem

mobilní

jsou

masky

zejména

Thomsonova

přelivu (viz. Kapitola 4.4.5). Pro účely této diplomové práci byly vybrány dva toky obdobných parametrů, a jak se ukázalo, obdobných průtoků. Ideální pro nasazení metody je vybrat toky s písčitým, či

Obrázek 5 - Příprava stanoviště

hlinitým dnem, neboť výrazně kamenitá a štěrková koryta znemoţňují stoprocentní utěsnění přelivu. Pouţité metody jsou velice šetrné k místu, kde měření probíhá. Speciální příprava stanoviště spočívá pouze v sešlapání buřeně v místu přístupu k vodě, popřípadě vykopání menšího objemu sedimentu z niţší části toku k utěsnění mobilní přelivové masky. Základním předpokladem zůstává snaţit se co nejméně narušit přirozený charakter toku i koryta, aby mělo měření co nejvyšší vypovídací hodnotu. Je nutné zajistit, aby veškerá voda z části toku nad přelivem, přetékala přes přelivnou hranu mobilní masky, z důvodu dosaţení co nejvyšší přesnosti měření. 4.5.2 Upevnění mobilní masky Mobilní maska se upevňuje v rovné části toku, který svou šířkou odpovídá jejím parametrům. Dolní bod přelivu je nutné instalovat v ose toku a těleso masky umístit kolmo na podélnou osu toku. Maska musí být ve svislé rovině, kolmo od povrchu. Při upevňování masky je nutné, před její instalací, krumpáčem na obou stranách toku vyrýt úzké trhliny, aby se Obrázek 6 - Upevnění mobilní masky maska dostala hlouběji pod povrch dna. 22

Tím se zamezí neţádoucímu podtékání vody pod maskou. Maska se poté hlouběji zatlouká kladívkem, přičemţ důraz je kladený na její svislou polohu a vodorovnost přelivu. Obojí se kontroluje vodováhou. Jakmile je maska v ideální poloze (dostatečně hluboko, ţe nepodtéká a zároveň stojí svisle a vodorovně), je potřeba ji pečlivě utěsnit. K tomu je postačující pouţít materiál nacházející se na stanovišti (bahno, vykopané kusy dna, atd.). V případě obou lokalit „Kanice a Habrůvka“ bylo pouţito 4 tyčí, které zabraňovaly vyvracení masky tlakem vody (viz. Obrázek č. 6). Po utěsnění je nutno vyčkat, dokud se nenaplní zdrţný prostor nad maskou přelivu a voda nezačne přetékat přes přeliv. Ideální je paprsek podloţit plochým kamenem, aby nedošlo k vymílání dna v místě jeho dopadu. Jakmile se hladina ustálí a po kontrole, ţe voda skutečně nikde neprotéká, je moţno začít s instalací čidel pro měření průtoku (hladinoměry). 4.5.3 Instalace tlakového čidla Čidlo je nutné uloţit do zdrţného prostoru nad maskou přelivu, co nejblíţe přelivné hraně, ideálně přímo pod ni. Takovýmto způsobem umístěné čidlo měří nejpřesněji změnu výšky hladiny v ţádaném místě, tedy na přelivu. V praxi se osvědčilo i toto čidlo podloţit plochým kamenem, popřípadě pouţít drţák čidla dodaný z výroby. Tyto prostředky fixují polohu čidla, zamezují

Obrázek 7 - Instalace tlakového čidla

jeho svévolnému obracení a posunu, a také částečně zamezují zanášení čidla sedimenty. Kabel vedoucí od čidla je nutné napojit na měřící jednotku. Pouţitá měřící jednotka má dva kabelové vstupy a také dva přednastavené kanály pro pouţité typy čidel. Doporučuje se tyto kanály popsat přímo na měřící jednotce voděvzdorným popisovačem, aby nedocházelo k mylnému napojení tlakového čidla do ultrazvukového vstupu a opačně. 4.5.4 Instalace ultrazvukového čidla Ultrazvukové čidlo, pouţité na obou lokalitách „Kanice a Habrůvka“ mělo pracovní rozsah 15 aţ 120 cm. Bylo tedy nutné toto čidlo umístit v takovéto vzdálenosti od hladiny, resp. nad ní. Moţností uchopení čidla existuje vícero. Je ovšem nutné brát 23

zřetel na fakt, ţe půda, do které je moţno upevňovací konzole umisťovat, je velmi vlhká a měkká. Je nutné zajistit, aby se poloha čidla po kalibraci během měření jiţ nikterak neměnila (změna polohy čidla vyvolává nutně odchylky v naměřených hodnotách). Poloha vlastního čidla je ideálně kolmá na hladinu. Opět se pouţívá vodováha. Z prvních měření v terénu vyplynulo, ţe původní systém uchopení na jedné konzole není dostačující,

neboť

vlivem

vlastní

váhy

čidla

docházelo k jejímu postupnému vyvracení a ke klesání čidla směrem k hladině. Toto mělo za následek chybné naměření hodnot (konkrétně chybné údaje o zvyšování úrovně hladiny a průtoků). Proto byl autorem práce vyvinut nový systém, který vyuţíval dvě nosné vzpěry místo jedné, s tím, ţe druhá konzole podpírala čidlo z druhé strany a zamezovala tak jeho vyvracení (viz. Obrázek č. 8). Tento systém se ukázal jako plně provozu schopný a vhodný. Pro zapojení kabeláţe platí stejná pravidla

Obrázek

8

–

Instalace

ultrazvukového čidla

jako pro čidlo tlakové. 4.5.5 Kalibrace čidel Po upevnění čidel a utěsnění přelivné mobilní masky je nutno před započetím vlastního měření obě čidla zkalibrovat. Tato operace byla prováděna pomocí měřící jednotky napojené na notebook USB konektorem v programu MOST. Kalibrace spočívá ve změření aktuální výšky hladiny na přelivu ručně (odečtením ze stupnice skládacího metru). Tato hodnota je zanesena do programu MOST a přes kabelové propojení poslána zpět do řídící jednotky, která pak veškeré odchylky a změny vztahuje k této hodnotě. Kalibraci je nutné provádět při kaţdém měření znovu, neboť podmínky na lokalitě jsou vţdy odlišné (v jiné výšce je upevněné čidlo, v jiné poloze je maska přelivu, jiný je atmosférický tlak). V terénu je vhodné přeměřit výšku hladiny metrem, po naplnění zdrţného prostoru nad maskou, několikrát za sebou a počkat aţ se hladina ustálí, coţ mohou násobná měření ukázat (u měřených toků trvalo ustálení hladiny přibliţně 5 minut, v závislosti na průtoku). Jakmile je zjištěna aktuální výška ustálené hladiny, je potřeba tuto hodnotu nastavit v softwaru MOST. 24

V prostředí programu MOST je nutné napojit notebook na měřící jednotku pomocí ikony COM. To umoţňuje komunikaci notebooku s řídící jednotkou a nabízí k dispozici veškerá uloţená data z předchozích měření a zároveň kalibraci měření aktuálních. Po napojení je nutné, dostat se do menu parametrů pomocí ikony P. Toto menu umoţňuje nastavit jednotlivé kanály, jejich názvy, jednotky měření, apod. Při

měření

na

obou

lokalitách „Kanice a Habrůvka“ bylo nutné při kaţdém měření kalibrovat jednotlivé kanály (byly pouţity celkem 4). Dva pro kaţdé čidlo. První kanál obou čidel měřil aktuální výšku hladiny a druhý kanál vypočítával z této výšky aktuální průtok. Měřící jednotka

Obrázek 9 - Kalibrace čidel

pak zobrazovala ještě kanál pátý s napětím baterie. Vlastní kalibrace v programu MOST byla prováděna v podmenu jednotlivých kanálů volbou UPŘESNIT. V menu HLADINA bylo nutné nastavit hodnotu delta tak, aby se shodovala výsledná měřená výška hladiny na přepadu s hodnotou odečtenou ze stupnice metru. 4.5.6 Vyhodnocení výsledků Ze surových dat v programu MOST (viz. Obrázek 10) byla v programu STATISTICA vytvořena databáze naměřených hodnot průtoků pro jednotlivé dny a lokality, obsahující veškeré zjištěné hodnoty pořízené oběma čidly v pětiminutových intervalech (příloha č. 3 a 4). Bylo provedeno statistické vyhodnocení výsledků formou průzkumové analýzy dat a odhadu parametrů pro soubory dat z jednotlivých lokalit a pořízených oběma čidly (obrázek č. 11-16), a také statistické porovnání přesnosti měření obou čidel formou párového T-testu (obrázek č. 17). Výsledky byly zpracovány rovněţ graficky, formou grafů v programu STATISTICA, které zobrazují jednotlivé denní průtoky na obou lokalitách pořízených oběma čidly (obrázky č. 18-22). 25

V průběhu jednotlivých měření byly zpracovány terénní zápisníky obsahující následující informace v uvedeném členění (terénní zápisníky citované v práci jsou uvedeny v příloze č. 5-9):  číslo měření  datum měření  doba měření  místo měření  počasí pro aktuální den  počasí pro předchozí období (cca. 3 dny)  začátek měření  hodnoty delty před kalibrací/výšky paprsku  výška paprsku  hodnoty po kalibraci  poznámky  profil toku  instalace přelivu  interval zápisu

Obrázek 10 - Výstup z programu MOST . 26

5

VÝSLEDKY

Veškeré výsledky měření pořízených na obou lokalitách ve formě surových dat jsou uvedeny v příloze číslo 3 pro lokalitu A (Kanice) a č. 4 pro lokalitu B (Habrůvka).

5.1 Statistické vyhodnocení Data získaná měřením průtoků na obou lokalitách byla statisticky zpracována v programu STATISTICA. V tomto programu byly zjištěny souhrnné statistiky obou souborů dat a provedeny následující výpočty a vytvořeny následující grafy, aby se prokázalo, zda se jedná o soubory s normálním rozdělením, či nikoliv. Tato skutečnost je pro odhad parametrů souborů klíčová, neboť rozhoduje o pouţití momentových, či kvantilových charakteristik. Vzhledem k výše uvedenému byly aplikovány následující analýzy:  Shapiro-Wilksův W test  Lillieforsův test  Kolmogorov-Smirnovův test  histogram naměřených hodnot  kvantil-kvantilový graf  krabicový graf Na konci kapitoly 5.1.2 jsou vloţeny obrázky grafického znázornění statistického vyhodnocení měření na obou lokalitách. 5.1.1 Statistické zpracování průtoků naměřených na lokalitě Kanice Grafické znázornění statistického vyhodnocení měření v lokalitě Kanice (A) prezentují grafy na obrázku 11 a 12. V rámci průzkumové analýzy dat z této lokality byla obě první měření ze dnů 8. 7. 2009 a 10. 7. 2009 vyhodnocena jako nepouţitelná a nesměrodatná pro další analýzy. Jedná se o první dny měření, během nichţ probíhalo zapojení a kalibrace obou čidel s pomocí školeného personálu firmy Fiedler-Mágr a zaškolování autora práce. Během obou dní docházelo k neustálému ladění výšky aktuální hladiny a data tak postrádají přesnost. Z podobného důvodu byla z dalších analýz vyjmuta i data z části nočního měření 29. 10. 2009, kdy došlo v časně ranních hodinách k narušení těsnění, a voda proudila mimo přeliv. Závada byla zjištěna aţ ráno a z naměřených dat je patrné, kdy k tomuto úniku vody došlo. 27

Hodnoty parametru p pro všechny tři provedené testy normálnosti ukazují pro obě čidla hodnotu niţší, neţ je 0,05. To znamená, ţe se nejedná o soubor s normálním rozdělením. Při pohledu na grafy a popisné statistiky je ovšem vidět příčina této anormality. Jedná se o soubor tzv. plochý. Hodnota špičatosti je výrazně pod nulou, cca – 0,7 pro obě čidla. Dále je z grafů patrné, ţe v souboru se ve větším mnoţství nevyskytují extrémní hodnoty, a data by se tedy dala povaţovat za normální. Nízká špičatost a přeneseně plochost souboru je způsobena nízkou četností středních hodnot. Rozdíl mezi průměrem a mediánem je u obou čidel zanedbatelný (do 0,01 l/s). Všechny tyto indicie ukazují, ţe se pro popis souboru dají pouţít klasické momentové charakteristiky. Zmiňovaná plochost dat můţe být způsobena nedostatečným počtem měřících dnů. Je moţné, ţe větší výběrový soubor by prokázal výraznější normálnost naměřených průtoků. Odhady parametrů - tlakové čidlo pro období od července do listopadu: Průměrný průtok je 0,34 l/s S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok na lokalitě v této době hodnot mezi 0,33 – 0,35 l/s Odhady parametrů – ultrazvukové čidlo od července do listopadu: Průměrný průtok je 0,457 l/s S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok na lokalitě v této době hodnot mezi 0,447 – 0,467 l/s 5.1.2 Statistické zpracování průtoků naměřených na lokalitě Habrůvka V případě měření na lokalitě Habrůvka bylo nutné data pro statistické charakteristiky rozdělit do dvou souborů, protoţe počet měření na této lokalitě byl nízký a data vykazovala vysokou nekonzistentnost. Pro lepší vypovídací hodnoty statistických charakteristik byl z prvních tří měření vytvořen jeden datový soubor a z posledního měření soubor druhý. Významný rozdíl v hodnotách průtoků byl způsoben deštivým počasím, které předcházelo poslednímu měření (viz. Příloha č. 5). Statistické zpracování dat naměřených na lokalitě Habrůvka 9. 9. – 9. 10. 2009 Grafické znázornění statistického vyhodnocení těchto měření v lokalitě Habrůvka (B) prezentují grafy na obrázku 13 a 14. 28

Z výsledků testů normálnosti vyplývá, ţe data nepochází ze souboru s normálním rozdělením. Ovšem obdobně jako u měření na lokalitě Kanice je vidět, ţe jedinou odchylkou od normálního rozdělení je plochost dat. Koeficient špičatosti se opět pohybuje v záporných hodnotách okolo -0,6 pro obě čidla. Z grafů je patrné, ţe v souboru nejsou přítomny odlehlé extrémní hodnoty. Rozdíl mediánu a průměru je nepatrný (do 0,01 l/s pro obě čidla). Pro odhad parametrů je tedy moţno pouţít momentových charakteristik. Odhady parametrů - tlakové čidlo pro období od 9. 9. do 9. 10. 2009: Průměrný průtok je 0,11 l/s S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok na této lokalitě a v tomto období hodnot mezi 0,10 – 0,12 l/s Odhady parametrů – ultrazvukové čidlo pro období od 9. 9. do 9. 10. 2009: Průměrný průtok je 0,13 l/s S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok na této lokalitě a v tomto období hodnot mezi 0,12 – 0,14 l/s Statistické zpracování průtoků naměřených na lokalitě Habrůvka 20. 10. 2009 Grafické znázornění statistického vyhodnocení měření v lokalitě Habrůvka (B) prezentují grafy na obrázku 15 a 16. Při statistickém zpracování výsledků z tohoto dne měření je nutné rozdělit hodnoty tlakového a ultrazvukového čidla. Hodnoty se významně liší. Data pořízená tlakovým čidlem vykazují vlastnosti silně levostranného souboru s rozdílem mediánu a průměru 0,05 l/s. V tomto případě je nutné pro odhad parametrů pouţít kvantilových charakteristik. Hodnoty pořízené ultrazvukovým čidlem naopak patří do souboru s rozdělením velice blízkým normálnímu. Rozdíl mediánu a průměru je nepatrný (méně neţ 0,01 l/s). Opět se ovšem jedná o soubor plochý (špičatost -0,6). Z grafů nejsou patrny výrazné extrémní odlehlé body. V tomto případě je tedy moţno pro odhad parametrů pouţít momentové charakteristiky. Odhady parametrů - tlakové čidlo 20. 10. 2009: Průměrný průtok je 0,41 l/s (medián) S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok hodnot mezi 0,36 – 0,63 l/s Odhady parametrů – ultrazvukové čidlo 20. 10. 2009: Průměrný průtok je 0,6 l/s S pravděpodobností 95% dosahuje průměrný průtok hodnot mezi 0,59 – 0,61 l/s 29

Souhrn: TLK

Souhrn: UZV Normál. p-graf:T LK

K-S d=,06302, p<,01 ; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,98020, p=,00000

100 50 0

1 0 -1

0,0

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 x <= hranice kategorie

0,6

0,7

0,8

200 150 100

-2 50

-3 -0,1

Oček. normál. hodnota

150

3 250

2

Počet pozor.

Oček. normál. hodnota

Počet pozor.

200

4

300

3 250

Normál. p-graf:UZV

K-S d=,13933, p<,01 ; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,92585, p=0,0000

4

300

-4 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5 Hodnota

0,6

0,7

0,8

0

2 1 0 -1 -2 -3

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5 0,6 0,7 x <= hranice kategorie

0,8

0,9

1,0

-4 0,2

0,3

0,7

0,5

0,4

0,3

0,2

0,0

0,6 0,7 Hodnota

0,8

0,9

1,0

0,7

0,6

0,5

UZV

0,6

0,1

0,5

0,8

Souhrnné statistiky:UZV N platných=852,000000 Průměr= 0,456913 Int. spolehl. -95,000%= 0,447020 Int. spolehl. 95,000= 0,466806 Medián= 0,450000 Minimum= 0,240000 Maximum= 0,960000 Kvartilové rozpětí= 0,230000 Sm.odch.= 0,147121 Koef.prom.= 32,198931 Šikmost= 0,595980 Špičatost= -0,637439

TLK

Souhrnné statistiky:T LK N platných=853,000000 Průměr= 0,340727 Int. spolehl. -95,000%= 0,330393 Int. spolehl. 95,000= 0,351061 Medián= 0,330000 Minimum= 0,060000 Maximum= 0,720000 Kvartilové rozpětí= 0,230000 Sm.odch.= 0,153772 Koef.prom.= 45,130696 Šikmost= 0,146339 Špičatost= -0,722234

0,4

0,4

0,3

Průměr = 0,3407 Průměr±SmOdch = (0,187, 0,4945) Průměr±1,96*SmOdch = (0,0393, 0,6421)

0,2

0,1

Průměr = 0,4569 Průměr±SmOdch = (0,3098, 0,604) Průměr±1,96*SmOdch = (0,1686, 0,7453)

Obrázek 12 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat

Obrázek 11 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat

získaných na lokalitě A pro tlakové čidlo

získaných na lokalitě A pro ultrazvukové čidlo

30

Souhrn: TLK

Souhrn: UZV Normál. p-graf:T LK

K-S d=,07632, p> .20; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,97069, p=,00065

40 30 20

80 70

1 0 -1 -2

0,05 0,10 0,15 x <= hranice kategorie

0,20

0,25

50 40 30

10

-3 0,00 0,00

60

20

10 -0,05

Oček. normál. hodnota

50

2

Počet pozor.

Oček. normál. hodnota

60 Počet pozor.

3

90

70

0

Normál. p-graf:UZV

K-S d=,08791, p<,15 ; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,98193, p=,01758

3

80

0,04 0,02

0,08 0,06

0,12 0,10

0,14 Hodnota

0,16

0,20 0,18

0,24 0,22

0,26

0

2 1 0 -1 -2 -3 0,02

0,00

0,05

0,10 0,15 x <= hranice kategorie

0,20

0,25

0,06 0,04

0,24

0,14 0,18 0,22 0,26 0,12 0,16 0,20 0,24 Hodnota

0,24

Souhrnné statistiky:UZV N platných=184,000000 Průměr= 0,131250 Int. spolehl. -95,000%= 0,124701 Int. spolehl. 95,000= 0,137799 Medián= 0,140000 Minimum= 0,040000 Maximum= 0,240000 Kvartilové rozpětí= 0,060000 Sm.odch.= 0,045027 Koef.prom.= 34,305947 Šikmost= 0,040266 Špičatost= -0,629833

0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06

0,22 0,20 0,18 0,16 UZV

0,22

TLK

Souhrnné statistiky:T LK N platných=184,000000 Průměr= 0,111467 Int. spolehl. -95,000%= 0,103498 Int. spolehl. 95,000= 0,119436 Medián= 0,110000 Minimum= 0,020000 Maximum= 0,250000 Kvartilové rozpětí= 0,080000 Sm.odch.= 0,054787 Koef.prom.= 49,151064 Šikmost= 0,252430 Špičatost= -0,593891

0,10 0,08

0,14 0,12 0,10 0,08

0,04 0,02 0,00 -0,02

0,06

Průměr = 0,1115 Průměr±SmOdch = (0,0567, 0,1663) Průměr±1,96*SmOdch = (0,0041, 0,2189)

0,04 0,02

Průměr = 0,1313 Průměr±SmOdch = (0,0862, 0,1763) Průměr±1,96*SmOdch = (0,043, 0,2195)

Obrázek 13 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat

Obrázek 14 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat

získaných na lokalitě B za období od září do října 2009 pro

získaných na lokalitě B za období od září do října 2009 pro

tlakové čidlo

ultrazvukové čidlo 31

Souhrn: TLK Normál. p-graf:T LK

K-S d=,21365, p<,05 ; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,87776, p=,00003

15 10 5 0,2

0,3

0,4 0,5 x <= hranice kategorie

0,6

0,7

14

1,0

12

0,5 0,0 -0,5 -1,0

Oček. normál. hodnota

20

1,5

1,5 Počet pozor.

Oček. normál. hodnota

Počet pozor.

25

2,0

16

2,0

30

Normál. p-graf:UZV

K-S d=,15922, p<,15 ; Lilliefors p<,01 Shapiro-WilksW=,93648, p=,00456

2,5

35

0

Souhrn: UZV

10 8 6 4

-1,5 -2,0

2

-2,5 0,25

0

0,30

0,35

0,40

0,45 0,50 Hodnota

0,55

0,60

0,65

0,70

1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

0,52

0,54

0,56

0,58 0,60 0,62 0,64 x <= hranice kategorie

0,66

0,68

-2,0 0,52

0,54

0,70

0,55 0,50 0,45 0,40 0,35

0,25

0,60 0,62 Hodnota

0,64

0,66

0,68

0,70

0,68 0,66 0,64

UZV

0,60

0,30

0,58

0,70

Souhrnné statistiky:UZV N platných= 58,000000 Průměr= 0,603276 Int. spolehl. -95,000%= 0,592458 Int. spolehl. 95,000= 0,614093 Medián= 0,600000 Minimum= 0,540000 Maximum= 0,680000 Kvartilové rozpětí= 0,060000 Sm.odch.= 0,041141 Koef.prom.= 6,819615 Šikmost= 0,395796 Špičatost= -0,653630

0,65

TLK

Souhrnné statistiky:T LK N platných= 58,000000 Průměr= 0,456207 Int. spolehl. -95,000%= 0,430006 Int. spolehl. 95,000= 0,482407 Medián= 0,405000 Minimum= 0,320000 Maximum= 0,650000 Kvartilové rozpětí= 0,180000 Sm.odch.= 0,099645 Koef.prom.= 21,842166 Šikmost= 0,680783 Špičatost= -0,912115

0,56

0,62 0,60 0,58 0,56

Medián = 0,405 25%-75% = (0,38, 0,56) Min-Max = (0,32, 0,65)

0,54 0,52

Medián = 0,6 25%-75% = (0,58, 0,64) Min-Max = (0,54, 0,68)

Obrázek 16 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat Obrázek 15 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě B 20. 10. 2009 pro tlakové čidlo

získaných na lokalitě B 20. 10. 2009 pro ultrazvukové čidlo 32

5.1.3 Porovnání měření tlakového a ultrazvukového čidla Aby bylo moţno porovnat přesnost měření čidel, byl na datech jimi získaných proveden tzv. párový T-test (viz. Tabulka 7 a obrázek 17). Jedná se o porovnání dvou závislých proměnných. V tomto případě o hodnoty pořízené oběma čidly, ve stejný čas, za stejných podmínek a na stejném místě – na přelivné hraně profilu. O závislosti těchto dat tedy není pochyb. Jako nulová hypotéza bylo přijato tvrzení, ţe obě čidla měří stejně. Jako alternativní hypotéza, ţe čidla měří se statisticky významným rozdílem. Hodnota p-parametru se drţí pod 0,05. Z toho vyplývá, ţe rozdíl je statisticky významný a nulová hypotéza se zamítá. Statisticky je tedy prokázáno, ţe obě čidla měří různě. Průměrná diference mezi oběma čidly dosahuje 0,09 l/s pro výběrový soubor. Podle odhadu parametrů je patrné, ţe čidla měří jinak, s tím ţe hodnoty odchylek v měřeních se s pravděpodobností 95% pohybují v intervalu 0,1 – 0,11 l/s. Statisticky byl tento rozdíl vyhodnocen jako významný. Tabulka 7 - Vyhodnocení párového T-testu dat z tlakového a ultrazvukového čidla Proměnná Průměr

Sm.odch.

TLK

0,31

0,17

UZV

0,41

0,18

N

Rozdíl

Sm.odch.

t

sv

p

Int. spolehl.

Int. spolehl.

1094

-0,10

0,09

-36,0399

1093

0

-0,11

-0,10

Krabicový graf T LK

vs. UZV

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 T LK

UZV

Průměr Průměr±SmOdch Průměr±1,96*SmOdch

Obrázek 17 - Porovnání měření tlakového a ultrazvukového čidla 33

5.2 Vyhodnocení průběhu měření Pro lepší orientaci v relativně velkém mnoţství naměřených dat byly vytvořeny grafy (obrázek 18 aţ 21) obsahující naměřené hodnoty za všechny dny měření, vyjma dnů uvedených v předchozí kapitole 5.1.1. Vzhledem k tomu, ţe obě čidla měří se statisticky významným rozdílem je nutné jejich výsledky hodnotit zvlášť. 5.2.1 Klesání měřených průtoků během dne U tlakového čidla je patrné výrazné klesání průtoků během dne. Toto klesání je z části způsobené skutečným klesáním průtoků během dne pravděpodobně vlivem transpirace. U tlakového čidla ovšem dochází k tomuto klesání i v noci, jak ukazují měření ze dne 30. 9. 2009 a 30. 10. 2009. Klesání měřených hodnot je v těchto případech způsobeno chybou čidla, které postupem času sniţuje naměřené hodnoty. To je pravděpodobně způsobeno poklesem napětí membrány z důvodu ukládání plavenin na tělese čidla. U ultrazvukového čidla je rovněţ patrné klesání průtoků během dne. Tento trend ovšem pokračuje pouze do odpoledních hodin. Od přibliţně 15:00 je vidět opačná tendence, a sice postupné navyšování průtoků. Tento fakt podporuje tezi, ţe v pokročilejších částech dne dochází k utlumení transpirace a sniţuje se celkový výpar, a dochází tak k opětovnému navýšení průtoku v korytě. U ultrazvukového čidla jsou navíc patrné výrazné výkyvy v naměřených hodnotách (i o 0,4 l/s). Ty jsou způsobeny nevhodným způsobem uchopení měrného čidla, který byl během prvních měření pouţíván. Čidlo upevněné na jedné tyči vykazovalo tendenci se v měkké půdě, vlivem vlastní hmotnosti, sklánět níţe k hladině. Čidlo muselo být v takovýchto případech překalibrováno. Tyto skutečnosti jsou uvedeny v příslušných terénních zápisnících, kde je vţdy uveden čas i hodnota opakované kalibrace. V některých případech, kdy jiţ byla vybita baterie notebooku a kalibrace v softwaru MOST tak byla nemoţná, bylo místo kalibrace provedeno vyklínování paty konzole na původní polohu, s vyuţitím pomístního materiálu (například krátké větve, či drobného kamene). Čas i nová hodnota průtoku po této operaci je vţdy uvedena v příslušném terénním zápisníku. Jak bylo uvedeno výše, byl během několika měření, kdy byla tato nepřesnost pozorována, autorem navrhnut a vyzkoušen jiný systém uchopení čidla. Po jeho aplikaci se podařilo trend klesání průtoků UZV čidla zcela odstranit.

34

Graf průtoků pro tlakové čidlo Kanice 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

0,00

čas

15.7.2009 TLK 22.7.2009 TLK 30.7.2009 TLK 5.8.2009 TLK 13.8.2009 TLK 21.8.2009 TLK 26.8.2009 TLK 2.9.2009 TLK 15.9.2009 TLK 30.9.2009 TLK 16.10.2009 TLK 30.10.2009 TLK

Obrázek 18 - Graf průtoků pro tlakové čidlo na lokalitě A 35

Graf průtoků pro ultrazvukové čidlo Kanice 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

0,2

čas

15.7.2009 UZV 22.7.2009 UZV 30.7.2009 UZV 5.8.2009 UZV 13.8.2009 UZV 21.8.2009 UZV 26.8.2009 UZV 2.9.2009 UZV 15.9.2009 UZV 30.9.2009 UZV 16.10.2009 UZV 30.10.2009 UZV

Obrázek 19 - Graf průtoků pro ultrazvukové čidlo na lokalitě A 36

9:25 9:35 9:45 9:55 10:05 10:15 10:25 10:35 10:45 10:55 11:05 11:15 11:25 11:35 11:45 11:55 12:05 12:15 12:25 12:35 12:45 12:55 13:05 13:15 13:25 13:35 13:45 13:55 14:05 14:15 14:25 14:35 14:45 14:55 15:05 15:15 15:25

Průtok l/s

Graf průtoků pro tlakové č idlo Habrůvka

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2 9.9.2009 TLK 21.9.2009 TLK 9.10.2009 TLK 20.10.2009 TLK

0,1

0,0

č as

Obrázek 20 - Graf průtoků pro tlakové čidlo na lokalitě B 37

Graf průtoků pro ultrazvukové č idlo Habrůvka 0,8 0,7 0,6

Průtok l/s

0,5 0,4

9.9.2009 UZV 21.9.2009 UZV 9.10.2009 UZV 20.10.2009 UZV

0,3 0,2 0,1

9:25 9:35 9:45 9:55 10:05 10:15 10:25 10:35 10:45 10:55 11:05 11:15 11:25 11:35 11:45 11:55 12:05 12:15 12:25 12:35 12:45 12:55 13:05 13:15 13:25 13:35 13:45 13:55 14:05 14:15 14:25 14:35 14:45 14:55 15:05 15:15 15:25

0,0

č as

Obrázek 21 - Graf průtoků pro ultrazvukové čidlo na lokalitě B 38

5.2.2 Porovnání výsledků tlakového a ultrazvukového čidla Jak jiţ bylo uvedeno v kapitole 5.1.1., byl prokázán statisticky významný rozdíl v hodnotách naměřených oběma čidly. Velmi zřetelný je tento fakt u nočního měření ze dne 30. 9. 2009. Při pozorování výsledků tohoto měření je patrné, ţe obě čidla byla původně kalibrována na stejnou hodnotu průtoku 0,23 l/s. Na konci měření, které trvalo celou noc (více neţ dvanáct hodin), byla tlakovým čidlem naměřena hodnota průtoku 0,08 l/s, zatímco ultrazvukovým čidlem hodnota 0,34 l/s. Tento rozdíl je extrémně výrazný. Pouţité tlakové čidlo v tomto případě měřilo velice nepřesně, ačkoliv u kratších měření se tato chyba nejeví tak alarmující. Chybné měření je pravděpodobně způsobeno únavou materiálu (membrána čidla a kompenzační tlaková kapilára) společně se zanesením čidla jemným sedimentem. Noční měření také potvrdilo tezi, ţe ke konci dne se průtoky opět navyšují, aby pak dosáhly svého ranního maxima, neţ začnou rostliny aktivně transpirovat a nezvýší se výpar činností Slunce a ohřevem atmosféry. Z měření ultrazvukového čidla je patrná tendence ihned po začátku měření, v 19:00, pomalu navyšovat průtok v korytě. Tento trend pokračuje přes noc aţ do ranních hodin. Odlišnosti v měřeních obou čidel jsou patrné i na veškerých měřeních z lokality Habrůvka. Z grafů těchto měření (obrázek 20 a 21) je opět evidentní výraznější klesání průtoků u tlakového čidla, neţ u čidla ultrazvukového. Ultrazvukové čidlo vykazuje pozvolné klesání průtoků. Pro názornost, měření ve dne 20. 10. 2009, kterému předcházelo deštivé počasí (viz. Příloha č. 5), ukazuje pro ultrazvukové čidlo počáteční hodnotu 0,66 l/s a hodnotu na konci měření 0,56 l/s. Oproti tomu tlakové čidlo ve stejný čas měří následující hodnoty: počátek měření 0,66 l/s a konec měření 0,32 l/s. Rozdíl v koncových hodnotách naměřených oběma čidly činí v tuto chvíli 0,24 l/s, coţ je rozdíl více neţ 50 procent hodnoty naměřené ultrazvukovým čidlem. Jiné měření na stejné lokalitě ve dne 9. 9. 2009 vykazuje podstatně menší rozdíly v hodnotách naměřených oběma čidly. Tomuto měření předcházelo naopak velice slunečné a teplé počasí (viz. Příloha č. 6). Průtoky naměřené ultrazvukovým čidlem dosahují hodnot: začátek měření 0,15 l/s a konec měření 0,048 l/s. Čidlo tlakové měří následující hodnoty: začátek měření 0,15 l/s a konec měření 0,023 l/s. Absolutní rozdíl je v tomto případě na konci měření výrazně niţší, činí pouze 0,025 l/s. Ovšem i tato hodnota opět činí přes 50 procent hodnoty naměřené ultrazvukovým čidlem.

39

5.2.3 Porovnání lokalit Na obou lokalitách je patrný trend klesajících průtoků během dne. Na lokalitě A (Kanice) byla provedena dvě noční měření a jedno měření odpolední, aby bylo moţno vysledovat trend změny průtoku v korytě během celého dne. Vhledem k časovým moţnostem nebylo uskutečnitelné provést na lokalitě B (Habrůvka) podobná měření, která by pokryla celou délku dne. Lze tedy pouze porovnávat data získaná z obdobných úseků dne. Pro názornost zde bude provedeno srovnání dvou měření z obou lokalit, kterým předcházely obdobné klimatické podmínky, a byla prováděna v obdobném čase. Jedná se o měření ze dne 16. 10. 2009 z lokality A a o měření ze dne 9. 10. 2009 z lokality B. V obou případech se jedná dny, kterým předcházely občasné deště a i během měření se na obou lokalitách vyskytly sráţky (viz. Příloha č. 7 a 8). Obě měření probíhala v podobnou dobu od 9:40 na lokalitě A, resp. od 9:55 na lokalitě B. Obě měření probíhala po stejnou dobu pěti hodin. Porovnání naměřených hodnot tlakového čidla pro dny 16. 10. a 9. 10. 2009 Dne 16. 10. na lokalitě A dosahuje tlakové čidlo hodnot: začátek měření 0,43 l/s a konec měření 0,17 l/s. Ve dne 9. 10. na lokalitě B ukazuje tlakové čidlo hodnoty: začátek měření 0,19 l/s a konec měření 0,07 l/s. Za pět hodin měření naměřená hodnota průtoku na lokalitě A klesla o 0,26 l/s, na 40 procent své původní hodnoty. Z grafu (obrázek 18) je patrný neustávající trend klesání průtoku v korytě aţ do druhé hodiny odpolední, kdy je na lokalitě pozorován déšť a klesání průtoku ustupuje, a drţí se přibliţně hodinu (do konce měření), na stejné hodnotě. Za stejnou dobu pěti hodin je na lokalitě B pozorováno sníţení naměřené hodnoty průtoku o 0,12 l/s, na 37 procent své původní hodnoty. Z grafu (obrázek 20) je patrné určité navýšení průtoku kolem 12:30. Poté i nadále pokračuje trend klesání průtoku. Na obou lokalitách byl pozorován trend klesání průtoků během dne, od rána do odpoledne. Tento fakt je pro obě lokality společný a výše poklesu se zdá být pro obě lokality velmi podobná. Za pět hodin průtoky naměřené tlakovým čidlem klesnou přibliţně o 60 procent své původní hodnoty.

40

Porovnání naměřených hodnot ultrazvukového čidla pro dny 16. 10. a 9. 10. Dne 16. 10. na lokalitě A dosahuje ultrazvukové čidlo hodnot: začátek měření 0,43 l/s a konec měření 0,48 l/s. Ve dne 9. 10. na lokalitě B ukazuje tlakové čidlo hodnoty: začátek měření 0,19 l/s a konec měření 0,10 l/s. Měření na lokalitě A nevykazuje očekávaný trend sniţování průtoků, právě naopak. Oblačné deštivé počasí předcházejících dní zapříčinilo, ţe během pěti hodin měření došlo k navýšení změřených průtoků o 0,05 l/s. Jak je patrné z grafu (obrázek 19) průtoky prakticky celou dobu mírně narůstají aţ do poledne, kdy se růst utlumí a průtoky nadále zůstávají konstantní i přes déšť, který byl na lokalitě pozorovaný poslední půl hodinu měření (viz. Příloha č. 7). Při měření na lokalitě B, je za stejnou dobu pěti hodin pozorováno sníţení naměřeného průtoku o 0,09 l/s. Z grafu (obrázek 21) je pozorovatelný trend klesání průtoku do poledne, kdy průtok asi půl hodiny roste, načeţ začíná opět mírně klesat. Hodnoty průtoků v uvedených dnech naměřených ultrazvukovým čidlem ukazují, ţe na lokalitě A při oblačném počasí nedochází ke klesání průtoků během dne. Na lokalitě B je za obdobných podmínek situace odlišná a průtoky vykazují během dne klesající trend. Citlivost čidel a doba odezvy měřených toků na změny v počasí Terénní zápisníky pořízené během měření na obou lokalitách umoţňují zpětné dohledání změn v počasí během měření. Grafy vytvořené z naměřených dat pak umoţňují konfrontovat tyto změny s naměřenou hodnotou průtoků, a interpretovat tak dobu odezvy toku na tyto změny. Pozorovaná změna počasí na lokalitě A Pro ilustraci je zde uvedeno měření ze dne 2. 9. 2009 na lokalitě A. Tomuto měření předcházelo jasno a sucho s vysokými teplotami. Během měření došlo ve 12:00 ke krátké (deset minut) intenzivní přeháňce (viz. Příloha č. 9). Na grafu tlakového čidla (obrázek 18) z této lokality i z naměřených hodnot se tato přeháňka nijak neprojevila. Průtok neustále vykazuje klesající trend. Na grafu ultrazvukového čidla (obrázek 19) z této lokality je ovšem situace jiná. Klesající trend i tento den na lokalitě pozorovatelný, je hned pět minut po začátku deště přerušen a měřený průtok naroste přibliţně za 20 minut z 0,33 l/s na 0,35 l/s, coţ koresponduje s pozorovanou délkou přeháňky. Po odeznění sráţky čidlo opětovně vykazuje klesající trend. 41

Kontinuální měření prováděná pouţitou metodou dovolují s relativní přesností stanovit dobu odezvy toku na změny v počasí, za předpokladu pouţití ultrazvukového hladinoměrného čidla. Bezejmenný tok, na kterém byla prováděna měření (lokalita A) reaguje na tyto změny prakticky okamţitě. Pozorovaná změna počasí na lokalitě B Jediné měření na této lokalitě, během něhoţ byla pozorována sráţková činnost, bylo jiţ výše komentované měření ze dne 9. 10. 2009. Během tohoto měření začalo slabě pršet v 13:50 (viz. Příloha č. 8). Tato skutečnost není na výsledcích pořízených ani jedním z čidel dohledatelná (viz. Obrázek 20 a 21). Obě čidla vykazují určitý nárůst průtoku po poledni, ovšem důvod tohoto nárůstu není v terénním zápisníku vysvětlený a pravděpodobně není způsoben změnou v počasí. Neintenzivní sráţky se na průtoku korytem toku lokality B neprojevují. Čidla tuto skutečnost reflektují stejným způsobem. 5.2.4 Závěrečné zhodnocení Popsanou metodikou bylo na obou lokalitách u lesní cesty Rosenauerovy (lokalita A) i u obce Habrůvka (lokalita B) naměřeno velké mnoţství dat. Data byla pořízena v hydrologicky normálním roce bez pozorovaných extrémů, ve formě povodní či dlouhotrvajícího sucha. Bylo provedeno celkem 20 měření, z toho 14 na lokalitě A a 4 na lokalitě B. 17 měření trvalo přibliţně 5 hodin, a tato měření probíhala od ranních hodin do časného odpoledne, přibliţně od 9:00 do 14:00. Dvě měření probíhala od večera do rána s celkovou délkou okolo 12 hodin. Jedno měření probíhalo od odpoledne do večera. Byla zde snaha o změření hodnot průtoků, které by pokryly jeden celý den, od rána do rána dne následujícího, aby mohly být pozorovány přítomné trendy klesání a narůstání průtoků během dne. Kontinuální měření s intervalem zápisu 5 minut a přesností na dvě desetinná místa, je pro pouţití na drobných vodních tocích ideální. Měření jsou dostatečně přesná a správně fungující čidlo je schopno velice rychle reagovat na výraznější změny v počasí, které ovlivňují průtoky. Instalace přelivu a kalibrace čidel na vybraném toku zabere při prvním měření přibliţně hodinu. Vše záleţí převáţně na tvaru a hloubce koryta. Protoţe je nutné přelivnou hranu pečlivě utěsnit, jeví se jako výhodnější toky s relativně zaříznutým profilem, kde není potřeba přidávat mnoho materiálu na zatěsnění. Metoda je šetrná k okolí a po ukončení měření jsou jeho následky na profil toku minimální. Při měřeních 42

prováděných na lokalitách ve dvoutýdenních intervalech bylo pozorováno, ţe zásahy z minula jsou prakticky nerozpoznatelné (vyjma sešlapané buřeně okolo místa přístupu ke korytu). Další věcí, která ovlivňuje délku příprav, je samotný průtok v korytu. Před měřením je nutné počkat, dokud se nenaplní zdrţný prostor nad přelivem a voda se nezačne přelévat přes měrný profil. Při nízkých průtocích, jako tomu bylo u některých měření na lokalitě Habrůvka, můţe naplnění této tůňky trvat i několik desítek minut. Přítomnost notebooku na pracovišti a nutnost kalibrace čidel před započetím kaţdého měření klade určité nároky na obsluhu pouţitých zařízení. Pokud se stane, ţe baterie v notebooku je vybitá, nebo se tak stane v průběhu kalibrace před jejím dokončením, je nutné měření zastavit. Kalibrace čidel je ovšem relativně jednoduchou záleţitostí, která nevyţaduje více, neţ několik minut času. Celková hmotnost pouţité aparatury klade určité nároky na fyzickou kondici obsluhy. Je nutné se k vybrané lokalitě dopravit automobilem a instalaci mobilní přelivné masky provádět ve vzdálenosti v řádu několika desítek metrů od vozidla. Během měření prováděných na lokalitě A (Kanice) od začátku července do konce října a na lokalitě B (Habrůvka) od září do října byla získána první série přesných dat pro oba toky. Jejich statistickým zpracováním a vyhodnocením se zabývá tato diplomová práce. Vzhledem ke slibnému průběhu měření i přesnosti nasazené metody existuje předpoklad budoucích měření, která budou na obou lokalitách pokračovat. S narůstajícím počtem dat bude moţné oba toky, společně s jejich povodími, lépe charakterizovat a naměřené hodnoty a výsledky prakticky aplikovat.

43

6

DISKUZE

Pro stanovení průtoků drobných vodních toků s průtokem většinu roku nepřesahujícím 0,5 l/s je v současnosti moţné pouţít metodu plovákovou, v určitých případech metodu hydrometrování - pomocí hydraulických křídel a vrtulí (měření rychlosti proudění) a případně metodu mobilního či stabilního měření výšek hladin. Obecně jsou metody měření rychlostí na takovýchto tocích méně přesné vzhledem k těţko stanovitelným hydraulickým vlastnostem koryta a obtíţnému nalezení přímých částí toku. Pro plné vyuţití metody stabilních hladinoměrů je nutná existence stabilního přelivu, který ovšem znamená hrubý zásah do ţivotního prostředí a vyţaduje terénní práce v rozsahu hydrotechnické stavby. Nasazení metody kontinuálního měření průtoků pomocí hladinoměrných čidel na mobilní masce Thompsonova přelivu je ve výše uvedených podmínkách, tedy i v podmínkách řešené DP, ideální. Instalace měřící aparatury je časově náročnější, neţ u ostatních zmiňovaných metod, ale zásahy do ţivotního prostřední jsou minimální a charakter koryta se prakticky nemění. Pouţitá metoda dovoluje získat přesná data, za předpokladu, ţe jsou dodrţeny metodické postupy instalace aparatury a vlastního měření. Ideální pro nasazení metody by bylo umístit mobilní přelivnou masku do toku pouze jedenkrát (jakýsi stabilizovaný mobilní přeliv) a měření provádět kontinuálně. Tento postup však není v našich podmínkách realizovatelný zejména z důvodu nutné časté kontroly těsnosti masky, a bezpodmínečné přítomnosti personálu z hlediska zabezpečení aparatury před neţádoucí manipulací či odcizením. Data pořízená oběma čidly v průběhu řešení DP se do určité míry liší jak v neměřených hodnotách, tak ve vykazovaných trendech. Zde se pravděpodobně projevuje konstrukční rozdílnost obou čidel a odlišný systém snímání hodnot. Měření pořízená ultrazvukovým čidlem jsou velice přesná za předpokladu dodrţení autorem navrţené a popsané metodiky. Pro vyuţití v podmínkách drobných vodních toků je toto čidlo ideální, zejména z toho důvodu, ţe odpadá nutnost naplnění určité výšky vodního (tlakového) sloupce v retenčním prostoru nad maskou. Měření můţe být ovlivněno odrazem vyslaného signálu z předmětů plovoucích na hladině, ovšem chyby tohoto původu, v měřeních s intervalem zápisu 5 minut, nebyly v praxi pozorovány. Nasazení tohoto čidla je podmíněno dodrţením uvedené metodiky a jeho instalace vyţaduje více času neţ čidlo tlakové. Nasazení tlakového čidla je v tomto ohledu jednodušší. Nutnost umístění čidla 44

pod vodou má ale za následek sníţenou dobu ţivotnosti, oproti čidlu ultrazvukovému, a vyţaduje jistou údrţbu po ukončení měření (sušení, čištění), aby se zabránilo neţádoucí korozi a poškození jemné techniky. Měřené hodnoty mohou být ovlivněny změnami atmosférického tlaku a zanášením čidla naplaveninami. Přesto lze konstatovat, ţe přesnost měření oběma čidly je výrazně vyšší, neţ u měření průtoků pomocí ostatních metod. Výrobcem garantovaná chyba měření (0,01mm) prakticky nemůţe být v reálných podmínkách dosaţena, uţ jenom z toho důvodu, ţe kontrolní měření výšky hladiny na přepadu při kalibraci se provádí odečtem ze stupnice skládacího metru se základní jednotkou 1mm. Při nasazení obou čidel se jeví jako nejvhodnější jejich výsledky na stanovišti, po provedených statistických korekcích datových souborů průměrovat, popřípadě vycházet z hodnot toho čidla, které v určitém měření poskytuje čistší datový soubor. Vhodné je při porovnání výsledků obou čidel vycházet ze záznamů v terénním zápisníku, do kterého je nutné zapisovat veškeré změny počasí na lokalitě a jiné významné momenty, které by mohly ovlivňovat hodnoty naměřených průtoků (narušení těsnosti masky, změna polohy čidel, pád větve do retenčního prostoru, apod.). Aby bylo moţné výsledky předkládané v této práci objektivně vyhodnotit, byly provedeny statistické analýzy, které v určitém intervalu přesnosti (95%) minimalizují uvedené existující chyby v měřeních. Statisticky významné výsledky značí, ţe nulová hypotéza je s určitou jistotou (95%) neplatná. Zamítnutí nulové hypotézy znamená, ţe je moţné přijmout tzv. hypotézu alternativní. Jak uvádí Gall(Gall, 2001), je statisticky významná p-hodnota testů relativně nedůleţitá a její statistickou významnost ovlivňuje i velikost výběru. Čím větší je mnoţství vzorků ve výběru, tím menší odchylky se pak projeví jako statisticky významné. Testy statistické významnosti tedy prakticky neříkají nic o důleţitosti a významu výsledků výzkumu. Z těchto výše uvedených důvodů je nutné rozlišovat statistickou významnost testů a reálný význam zjištěných hodnot. Prezentované výsledky mohou být díky pouţitým statistickým korekcím povaţovány za oprávněné. Výsledky předkládané v této práci byly pořízeny z měření prováděných na dvou lokalitách. Výsledky měření na lokalitě A byly ovlivněny počátečními metodickými nedostatky při pouţití ultrazvukového čidla (docházelo k jeho klesání směrem k hladině vlivem špatného uchycení) a následným chybným měřením tlakového čidla, které bylo pravděpodobně způsobeno nefunkčností vyrovnávací kapiláry a následným zanášením 45

tlakové membrány naplaveninami. Velký objem dat z této lokality dovoluje po statistických korekcích tyto chyby minimalizovat. Na lokalitě B byla pro všechna měření pouţita aktualizovaná metodika uchycení ultrazvukového čidla, čímţ byla anulována nepřesnost v jeho měření. Výsledky měření tlakového čidla byly nadále ovlivněny výše uvedenou chybou. Vzhledem k nedostatku času byl proveden relativně nízký počet měření, coţ stěţuje identifikaci trendů ve změnách průtoků během dne. Obě povodí jsou charakteristická obdobnými morfologickými podmínkami. Oba drobné toky leţí relativně blízko sobě (vzdušnou čarou přibliţně 4,5 km) a dosahují obdobných průtoků. Mikroklima obou lokalit není zcela shodné a měření nemohla probíhat souběţně na obou lokalitách (bylo by nutné pořídit druhou měřící soustavu a personál k její obsluze). Při porovnávání výsledků z obou lokalit byla pro co nejvyšší interpretační kvalitu dat vybírána měření ze dnů, kterým předcházelo třídenní údobí s obdobným mnoţstvím sráţek a podobnou mírou oblačnosti. Srovnávaná měření pochází ze dnů s podobným počasím a z téměř totoţných časových úseků dne. Pouţité statistické analýzy toto srovnání s určitou přesností umoţňují (95%). Tento fakt opravňuje interpretaci srovnání výsledků na obou lokalitách, resp. trendy a odchylky vývoje průtoků v závislosti na počasí a denní době.

46

7

ZÁVĚR

Měření průtoků probíhala na dvou vybraných lokalitách na území ŠLP ML Křtiny. V případě lokality A se jednalo se o bezejmenný tok u lesní cesty Rosenauerovy mezi obcemi Kanice a Babice nad Svitavou. U lokality B pak o bezejmenný tok severně od obce Habrůvka. Tyto drobné vodní toky byly vybrány na základě podobné velikosti dosahovaných průtoků a rozměrů koryt a zároveň pro odlišné vlastnosti vegetačního pokryvu povodí. Lokalita A se nachází v hustě zalesněné oblasti, zatímco lokalita B v oblasti téměř bez vegetačního krytu dřevinného charakteru. V obou případech se jedná o toky, které jsou součástí hydrografických systémů levostranných přítoků Svitavy. Pro prezentované výsledky byla pouţita metoda kontinuálního měření výšky vodního paprsku na masce mobilního Thompsonova přelivu pomocí dvou typů hladinoměrných čidel. Jednalo se o čidlo tlakové a čidlo ultrazvukové. Tato metoda má pro vyuţití v terénních podmínkách a pro toky s fyzikálně těţko definovanými vlastnostmi určité výhody, oproti v současnosti obvykle pouţívaným metodám, jako je hydrometrování či měření povrchových rychlostí toku pomocí plováků. Mezi tyto výhody patří dosahovaná přesnost a nepřerušovaně probíhající zápis dat v intervalu 5 minut (tento interval byl pouţit pro získání výsledků prezentovaných v této práci). Na obou lokalitách byl zjištěn klesající trend průtoků během dne, za předpokladu ţe nedochází ke sráţkové činnosti. Toto klesání se zastavuje v odpoledních hodinách. K večeru a během noci dochází k postupnému opětovnému navyšování průtoků aţ do rána. Toto klesání má svou příčinu pravděpodobně v kombinaci zvýšení výparu z vodní hladiny vlivem slunečního záření a probíhající transpiraci rostlin. Statistické vyhodnocení výsledků naměřených oběma čidly ukázalo na fakt, ţe čidla měří se statisticky významným rozdílem. Tato skutečnost byla způsobena chybou tlakového čidla, které v čase vykazovalo neustálé sniţování průtoků bez reálných příčin. Chyba byla pravděpodobně způsobena kratší ţivotností čidla, u kterého docházelo k postupnému zanášení nánosy ze dna a byla tak narušena funkce tlakové membrány a vyrovnávací kapiláry. Provedená měření a jejich hodnocení ukázala, ţe se jedná o velice slibnou metodu měření průtoků drobných vodních toků, umoţňující získat velmi přesná data. Měření na obou lokalitách budou i nadále pokračovat a se zvětšujícím objemem dat a s narůstající zkušeností v pouţívání obou čidel existuje předpoklad zajímavého výzkumu s vyuţitím v oblasti hrazení bystřin a stanovení návrhových průtoků. 47

8

SUMMARY

The flow rate measurements took place on two localities on the area of TFE MF Křtiny. Locality A was a nameless creek near the forest road Rosenauerova between two villages, Kanice and Babice nad Svitavou. Locality B was a creek just north of the village Habrůvka. These small water streams were chosen because of their common flow rate and riverbed dimensions, but also because of different vegetation conditions of their watersheds. Locality A is situated in a dense forest area, while locality B in an area with almost no grown tree vegetation. Both of the creeks eventually flow in the river Svitava from the left. To obtain the presented results, the method of permanent data collection of measured water level on a mobile Thompson spillway, was used. Two different sensors were used - a pressure and an ultrasound sensor, to measure the water level above the spillway. This method has specific advantages for usage in given conditions of streams with undefined hydraulic conditions, over the commonly used methods, like turbine flow meters or flow velocity measurements using floats. The main advantage is the accuracy and continuous data collection (in 5 minutes interval). A decreasing flow rate during the day was observed on both localities, in case of no rain. This decreasing trend tends to end during the afternoon. In the evening and during the night, the flow rate seems to increase, to start decreasing again, in the morning. This is probably caused by the combination of two factors. The solar radiance is higher during the day as is the transpiration activity of the plants. The statistical evaluation of the measurements pointed out the fact that the sensors, if compared together, measured with a statistically important difference. This is caused by a flaw in the pressure sensor that decreases the measured flow rate during time without any natural cause. The flaw comes probably from a shorter lifespan of the device that seemed to get clogged up by the stream and led to membrane malfunction. It was therefore noted that a new sensor has to be bought for further measurements. The measurements and results in this work proved that the method used is very suitable for usage on small water streams and allows accurate data collection. The measurements on both localities are to be continued. Increasing amount of data and accumulated experience will allow for an interesting future research that might be applied in torrent control and flow rate evaluation.

48

9

LITERATURA A PRAMENY 9.1 České zdroje

Bejček L. a kol.: Měření průtoku a výšky hladiny, 3. díl edice Senzory neelektrických veličin, BEN - technická literatura, 2006 Culek, M. et al.: Biogeografické členění České republiky, Enigma, Praha 1996 Demek, J. a kol.: Zeměpisný lexikon ČSR. Hory a níţiny. Praha, Academia, 1987 Fiedler-Mágr, M4016-G (-A, -K, -L) uţivatelská příručka verze 1.12, FIEDLERMÁGR elektronika pro ekologii, 2010 Herynek (ed.): Současné problémy lesnické hydrologie, Sborník příspěvků ze semináře, MZLU, 1997 Mattas, D.: Praktické cvičení z hydrometrie, ČVUT v Praze, stavební fakulta, katedra hydrauliky a hydrologie, Praha 2001 Nikl J. a kol.: Oblastní plán rozvoje lesů PLO 30 - Drahanská vrchovina, ÚHÚL Brno, 2000 Quitt, E.: Klimatické oblasti Československa, Academia, Brno 1971 Suchý, L.: Potřeba měřit přesně a spolehlivě mění trh s průtokoměry, Automa, 2002

9.2 Zahraniční zdroje Gall, M.: Figuring out the Importance of Research Results: Statistical Significance versus Practical Significance, University of Oregon 2001 Irrigation training and research center (itrc): Water level sensor and datalogger testing

and demonstration, California Polytechnic State University, San Luis Obispo 1998

49

10 SEZNAM OBJEKTŮ V TEXTU 10.1 Seznam obrázků Obrázek 1 - Identifikace obou lokalit ............................................................................... 3 Obrázek 2 - Ultrazvuková sonda US1200 ...................................................................... 20 Obrázek 3 - Ponorný tlakový snímač hladiny LMP307 ................................................. 21 Obrázek 4 - Rozměry masky Thompsonova přelivu pouţitého pro měření lokalit „Lesní cesta Rosenauerova a Habrůvka“ (kóty v cm) ........................................................ 21 Obrázek 5 - Příprava stanoviště ...................................................................................... 22 Obrázek 6 - Upevnění mobilní masky ............................................................................ 22 Obrázek 7 - Instalace tlakového čidla ............................................................................. 23 Obrázek 8 – Instalace ultrazvukového čidla ................................................................... 24 Obrázek 9 - Kalibrace čidel ............................................................................................ 25 Obrázek 10 - Výstup z programu MOST........................................................................ 26 Obrázek 12 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě A pro ultrazvukové čidlo................................................................................................... 30 Obrázek 11 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě A pro tlakové čidlo ............................................................................................................ 30 Obrázek 13 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě B za období od září do října 2009 pro tlakové čidlo ....................................................... 31 Obrázek 14 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě B za období od září do října 2009 pro ultrazvukové čidlo .............................................. 31 Obrázek 16 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě B 20. 10. 2009 pro ultrazvukové čidlo ............................................................................. 32 Obrázek 15 - Souhrnné statistiky a odhad parametrů z dat získaných na lokalitě B 20. 10. 2009 pro tlakové čidlo ...................................................................................... 32 Obrázek 17 - Porovnání měření tlakového a ultrazvukového čidla ................................ 33 Obrázek 18 - Graf průtoků pro tlakové čidlo na lokalitě A ............................................ 35 Obrázek 19 - Graf průtoků pro ultrazvukové čidlo na lokalitě A ................................... 36 Obrázek 20 - Graf průtoků pro tlakové čidlo na lokalitě B ............................................ 37 Obrázek 21 - Graf průtoků pro ultrazvukové čidlo na lokalitě B ................................... 38

50

10.2 Seznam tabulek v textu Tabulka 1 - Klimatické oblasti na vybrané části území ŠLP ............................................ 6 Tabulka 2 – Průměrné údaje teplot a sráţek (podle dlouhodobého 50-ti letého průměru 1901-1950) ................................................................................................................ 7 Tabulka 3 - Základní vlastnosti povodí toku A ................................................................ 9 Tabulka 4 - Zastoupení dřevin v odděleních lesa dle platného LHP ŠLP ML Křtiny .... 10 Tabulka 5 - Základní vlastnosti Povodí toku B .............................................................. 10 Tabulka 6 - Zastoupení dřevin v odděleních lesa dle platného LHP ŠLP ML Křtiny .... 11 Tabulka 7 - Vyhodnocení párového T-testu dat z tlakového a ultrazvukového čidla .... 33

51

11 SEZNAM PŘÍLOH Příloha číslo 1 – Mapa povodí lokality A Příloha číslo 2 – Mapa povodí lokality B Příloha číslo 3 – Databáze naměřených dat z lokality A (Kanice) Příloha číslo 4 - Databáze naměřených dat z lokality B (Habrůvka) Příloha číslo 5 – Terénní zápisník 20. 10. 2009 Příloha číslo 6 – Terénní zápisník 9. 9. 2009 Příloha číslo 7 – Terénní zápisník 16. 10. 2009 Příloha číslo 8 – Terénní zápisník 9. 10. 2009 Příloha číslo 9 – Terénní zápisník 2. 9. 2009

52