Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav vodních staveb
Ing. Jana Pařílková, CSc.
MONITOROVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY ZEMINOU A MOŽNOSTI JEHO VYUŽITÍ U OCHRANNÝCH HRÁZÍ MONITORING OF WATER FLOW THROUGH SOIL AND POSSIBILITIES OF ITS APPLICATION IN DIKE
Teze habilitační práce obor Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství
Brno 2010
Klíčová slova metoda elektrické impedanční spektrometrie, sonda, elektrická rezistivita, ochranná hráz, zemina, laboratorní experimenty, experimenty v reálném prostředí
Key Words electrical impedance spectrometry method, probe, electrical resistivity, dike, soil, laboratory tests, measurement in situ
Místo uložení Originál habilitační práce je uložen v archivu Oddělení pro vědu a výzkum Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno. V tezích je uvedena podstatná část práce, kde je akcentován její hlavní přínos.
© Jana Pařílková, 2010 ISBN 978-80-214-4068-5 ISSN 1213-418X
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................................... 5 2 CÍL PRÁCE................................................................................................................................... 6 3 FYZIKÁLNÍ PODSTATA METODY ELEKTRICKÉ IMPEDANČNÍ SPEKTROMETRIE (EIS) .............................................................................................................................................. 7 4 KONSTRUKCE SOND A JEJICH UMÍSTĚNÍ V PROSTORU ............................................... 11 4.1 Fyzikální podstata snímače ................................................................................................ 11 4.2 Konstrukce a instalace sond ............................................................................................... 13 5 METODIKA MĚŘENÍ ............................................................................................................... 17 6 TVORBA MAP REZISTIVITY A JEJICH VYUŽITÍ PŘI ŘEŠENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH PROBLÉMŮ ............................................................................... 19 7 PŘÍKLADY APLIKACE A ANALÝZA ZÍSKANÝCH DAT .................................................. 20 7.1 Laboratorní experimenty .................................................................................................... 21 7.2 Měření na reálných objektech ............................................................................................ 22 8 ZHODNOCENÍ A ZÁVĚR ........................................................................................................ 27 9 LITERATURA ............................................................................................................................ 28 ABSTRACT ..................................................................................................................................... 30
3
PŘEDSTAVENÍ AUTORKY Ing. Jana Pařílková, CSc. odborná asistentka Ústavu vodních staveb FAST VUT v Brně Narozena 12.6.1958 v Přerově Vzdělání základní ZDŠ Řehořova v Brně, střední Gymnasium Koněvova 47, Brno, vysokoškolské Elektrotechnická fakulta VUT v Brně, obor – technická kybernetika, měřicí technika. Vědecká hodnost CSc. obhajobou disertační práce, v samostatné vědecké přípravě ve vědním oboru 11–22–9 Fyzika kondenzovaných látek a akustika, na téma Studium rychlostního pole při proudění kapalin.
Další vzdělání postgraduální studium na ČVUT FJFI v Praze, obor jaderná fyzika a chemie. Odborná činnost • zavedení radionuklidových měřicích metod ve vodohospodářském výzkumu, (1982 – 1984), • realizace automatizované smyčky dávkování srážedel při úpravě a čištění vod, (1988), • způsob řízení vločkování při úpravě vod a zařízení k jeho provádění, (1984 – 1988), • rekonstrukce LVV ÚVST, pověřená vedoucí, (1997 – 2000), • zavádění měřicích metod a realizace měřicích přístrojů pro sledování proudění vody zeminou (od 1997). Výzkumná činnost • řešitelka rozvojového projektu FR 0889/97 „Inovace a rozvoj laboratoře pro podporu výuky v oboru „Vodní hospodářství a vodní stavby“ (1997), • řešitelka projektů GAČR 103/01/0057 „Výzkum metod monitorování ochranných hrází“ (2001 – 2003) a GAČR 103/04/0741 „Optimalizace metod monitorování volné hladiny a jejího působení v zemních hrázích“ (2004 – 2006), • navrhovatelka a spoluřešitelka mezinárodních projektů E!3838 „Research, Development and Processing of Computerized Measuring System of Soils Moisture with EIS Method“ (2007 – 2009) a E!4981 „Computerized Measuring System for Analysis of Chosen Characteristics and Processes in Porous Environment by EIS Method“ (2010 – 2012), programu EUREKA, • spoluřešitelka projektu ESF a výzkumných záměrů CEZ Stavební fakulty, (od 1998). Publikační činnost • aktivní účast na odborných konferencích tuzemských (od 1982), i zahraničních (od 2001), • články v odborných časopisech, spoluautorství kapitol knižní publikace a skript, (od 2002). Pedagogická činnost • podílí se na výuce předmětu „Hydraulika a hydrologie“ (0R2, BR51, BR05, BS01), • vedení bakalářských, diplomových prací – některé získaly ocenění děkana, od r. 2007 vedení doktorských prací (v současné době školí 3 doktorandy), • od r. 2007 periodická výuka v týdenním intenzivním kurzu předmětu 5R2 Physikalische Modellierung pořádaném pro studenty z TU Luzern, Švýcarsko, • v roce 2007 výuka předmětu 0R2 v jazyce anglickém pro dva studenty doktorského studijního programu z KHBO Brugge – Oostende, Belgie a jednoho studenta ze Slovinska, • vedení prací STČ, kurzů CŽV, ČKAIT a seminářů pro odbornou praxi. Členství v profesních a ostatních organizacích a pracovních týmech Česká vědecko-technická vodohospodářská společnost, FO, členka redakční rady časopisu „Výstavba měst a obcí“, reg. č. MK ČR E 18380, ISSN 1803–4241, více než 40 prací v rámci HČ.
4
1
ÚVOD
Klimatické změny a s nimi související extrémy počasí evidované v současnosti představují celosvětový problém a vyvolávají diskuzi, zda z historického hlediska navazují na předchozí epochy vývoje Země, či zda jsou odlišné. Odborná i laická veřejnost hledá odpověď na otázky dopadu extrémů počasí na lidstvo a ekosystém. Řeší se nejen možnosti minimalizace příčin klimatických změn, ale i jak účinně čelit důsledkům extrémních změn počasí, z nichž např. povodně představují pro Českou republiku největší přímé nebezpečí v oblasti živelných pohrom, při kterých dochází ke ztrátám na lidských životech, výrazným materiálním škodám v postižených oblastech, negativním ekologickým dopadům a v neposlední řadě také k devastaci kulturního dědictví. Ochrana před povodněmi se v posledním desetiletí stává důležitou složkou života. Zvýšená pozornost je věnována i jednomu z nejužívanějších prvků protipovodňové ochrany – ochranným hrázím. Jedná se obvykle o sypané zemní hráze, a to jak hráze vzdouvací (přehradní, rybniční, suché), tak hráze ochranné. Oproti hrázím stále zadržujícím vodu a vytvářejícím nádrže, mají ochranné hráze řadu specifik spojených zejména s nepravidelným, krátkodobým a často extrémním zatížením vodou, při němž může dojít k jejich porušení. Zajištění dlouhodobé stability konstrukce ochranných hrází, a tím jejich bezpečnosti za všech předpokládaných situací, je prvořadou podmínkou návrhu, provedení a provozu. Ze statistického hlediska vyplývá, že většina poruch a havárií hrází byla způsobena buď jejich přelitím (Obr. 1.1), nebo průsakem. Obě nejvýraznější příčiny, a především otázka průsaků (tělesem hráze i jeho podložím – podtékání tělesa hráze), jsou úzce spojeny s velkou variabilitou konstrukcí hrází, nejistotou jejich skutečných parametrů a nepravidelným hydrodynamickým namáháním. Obecně lze uvést, že ochranné hráze jsou v porovnání například s hrázemi přehradními zatíženy většími nejistotami, co se týká stavu podloží, použitých materiálů i technologie provedení. Jedná se o liniové stavby lokálního, ale i světového významu, jejichž délka se pohybuje ve stovkách až tisících kilometrů. Ochranné hráze byly a jsou budovány především z materiálů místních. Vzhledem k velké variabilitě přírodního prostředí, jeho geologické skladbě, geotechnické rozmanitosti, členité morfologii, hydrogeologii a široké typologii jednotlivých staveb, je nutné na každou ochrannou hráz včetně jejích dílčích úseků pohlížet jako na originální a neopakovatelnou stavbu. Mnohé z uvedených konstrukcí jsou vzhledem k jejich dlouhověkosti poznamenány nejistotou geologických a geotechnických podmínek prostředí, zpravidla neexistuje dokumentace popisující jejich skladbu či technologii výstavby. Navíc mnohé byly v minulosti navyšovány, opravovány či zpevňovány, a tak stojí opět před závažnou otázkou, jak dlouho mohou odolávat extrémnímu hydrodynamickému namáhání při povodňových průtocích. Je zřejmé, že spektrum faktorů vstupujících do procesu posuzování ochranných hrází z hlediska jejich stability je velmi široké a při jejich projektování a rekonstrukcích se mimo jiné nevyplatí podcenění významu geotechniky. Ačkoli jsou ochranné hráze, hráze přehrad, poldrů, rybníků a dalších vodních nádrží konstruovány jako prvek protipovodňové ochrany, představují současně velké potenciální nebezpečí pro území, které by v případě poruchy bylo v dosahu průlomové vlny. Z uvedeného důvodu by měla být věnována zvýšená pozornost zejména těm úsekům, jejichž porušení by mělo fatální následky. Jedním z technických opatření eliminujících či snižujících povodňové škody je aktivní užívání monitorovací techniky popř. systémů. Její role je v komplexu řešených problémů nezastupitelná. Uplatňuje se především při měření na objektech, u nichž je nebezpečí ze ztráty stability např. v důsledku zatížení povodňovým průtokem. Současná úroveň poznatků v geotechnice, zejména výsledky výzkumů v oblasti reologie zemin, jejich přetvárných, pevnostních a vodivostních vlastností, rozvoj numerického modelování proudění, výpočetní a zobrazovací techniky, zařízení pro monitorování inženýrských objektů a zkušenosti z analýzy evidovaných poruch ochranných hrází, včetně hrází přehradních, vytvářejí reálné možnosti simulace a prognózy nežádoucích jevů vycházejících z interakce vody se zemním prostředím. Pro spolehlivost a ekonomickou efektivnost prvků protipovodňové ochrany bývá monitoring mnohdy rozhodující.
5
Obr. 1.1 Protržená hráz rybníka (Hustopeče nad Bečvou 24.6.2009)
2
CÍL PRÁCE
Tématem habilitační práce je monitorování hladiny vody v ochranné zemní hrázi prostřednictvím měření rezistivity a dále určení případných singularit. Cílem práce bylo prostřednictvím monitorování přispět k prohloubení poznání pórovitého zemního prostředí a jeho změn probíhajících především v důsledku nepravidelného hydrodynamického namáhání. Vzhledem k monitorovanému prostředí lze volit dva základní přístupy, a to invazivní a neinvazivní. Za invazivní jsou považovány postupy, které ovlivní měřené prostředí – vrt, odběr vzorků, instalace sond apod. Výhodou uvedeného přístupu je získání přímé informace o vlastnostech sledovaného prostředí (granulometrické složení, materiálové složení, zhutnění, vlhkost, rezistivita apod.), naopak nevýhodou je ovlivnění a mnohdy až destrukce probíhajících sledovaných jevů (např. velký počet měřicích sond nemusí vést ke zpřesnění měření, neboť jejich instalací je prostředí silně narušeno). Za prvořadou výhodu neinvazivních měřicích postupů lze považovat neovlivnění probíhajících jevů instalací měřicí sondy do sledovaného prostředí. Tato výhoda však může být, zvláště u tak různorodého materiálu jakým je zemina, potlačena nižší citlivostí, přesností, spolehlivostí a reprodukovatelností měření. V návaznosti na dosavadní zkušenosti, měřicí metody a postupy uplatňované při sledování ochranných hrází byl řešen požadavek navrhnout dostatečně citlivou a finančně dostupnou měřicí aparaturu sestávající z měřicí sondy a přístroje umožňujícího monitorování a záznam měřených dat, která by pomohla vytvořit podmínky pro zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti provozu ochranných hrází a tím i ochrany obyvatelstva a majetků. Prostředkem je realizovaná měřicí technika pracující s metodou snímání gradientů teplotních polí a metodou elektrické impedanční spektrometrie (EIS). Obě metody, které jsou vůči měřenému prostředí invazivní, a realizované měřicí aparatury, byly ověřeny v laboratorních podmínkách. Možnost uplatnění metody EIS při měření v podmínkách reálného prostředí byla určující pro rozvoj měřicí aparatury a byla rovněž důvodem aplikace metody EIS v oblasti vodního hospodářství při řešení jeho náročných problémů. Následující text nechť je podkladem pro porozumění základní fyzikální koncepci metody EIS, strategii měření a pochopení jejího významu.
6
3
FYZIKÁLNÍ PODSTATA METODY ELEKTRICKÉ IMPEDANČNÍ SPEKTROMETRIE (EIS)
Základním principem metody EIS je měření frekvenční charakteristiky impedance Z zemin. Impedance Z je komplexní veličina popisující zdánlivý odpor pórovitého prostředí a fázový posuv elektrického napětí proti elektrickému proudu při průchodu harmonického střídavého elektrického proudu dané frekvence. Pro určení impedance je proto třeba zabývat se analýzou časových průběhů střídavého napětí a střídavého proudu. Termínem střídavý signál je možno označit každý signál (harmonický, trojúhelníkový, pilový, obdélníkový, impulsní apod.), jehož směr se periodicky střídá. V dalším se předpokládá harmonický střídavý signál, jehož ideální časový průběh lze popsat funkcí sinus. Střídavý proud vzniká v obvodu, který je připojen ke zdroji střídavého napětí. Střídavé napětí je harmonické elektromagnetické kmitání, jehož okamžitá hodnota je určena vztahem u = u (t ) = U m sin(ωt + ϕ 0 ) , (3.1.) kde Um je amplituda kmitů napětí, ω je úhlová frekvence a φ0 je počáteční fáze střídavého napětí. Střídavý proud je rovněž harmonické elektromagnetické kmitání, které má stejnou periodu, ale není vždy ve fázi s napětím. Ideálním průběhem střídavého proudu je harmonický střídavý proud, jehož okamžitá hodnota se v čase mění podle funkce sinus i = i (t ) = I m sin (ωt + ϕ 0 + ϕ ) , (3.2) kde Im je amplituda proudu, ω je úhlová frekvence, φ0 je počáteční fáze střídavého proudu a φ je fázový rozdíl resp. fázový posuv, zkráceně fáze mezi napětím a proudem. Ve výrazech (3.1) a (3.2) je t čas a úhlová frekvence (úhlová rychlost) ω harmonického kmitání [rads-1] nebo rovněž pouze [s-1] je vyjádřena vztahem 2π ω = 2π f = , (3.3) T kde f je frekvence otáčivého pohybu [Hz] a T je jeho perioda. Amplituda Im resp. Um a fázový rozdíl φ jsou určeny frekvencí a vlastnostmi prvků zapojených do obvodu, tj. vlastnostmi zeminy. Harmonické veličiny je možno graficky znázornit časovým průběhem (Obr. 3.1) nebo fázorovým diagramem (vhodné pro řešení jednodušších obvodů), kde fázor je komplexní číslo vyjadřující časový vektor. Fázor proudu (Obr. 3.2) lze definovat jako orientovanou úsečku o délce rovné amplitudě harmonického proudu, která se otáčí konstantní rychlostí ω kolem počátku pravoúhlé rovinné souřadnicové soustavy x, y proti směru pohybu hodinových ručiček. V čase t je tento vektor otočen proti reálné ose o úhel (ωt + ϕ 0 ) . y
ω
i i(t)
i(0)
ωt
φ0
0
0
ωt
ωt + ϕ0
Obr. 3.1 Harmonický proud s počáteční fází
Im φ0
t
x
Im
Obr. 3.2 Fázor proudu v rovině x, y
V komplexní rovině (Obr. 3.3) je grafickou reprezentací fázoru proudu vektor, který se proti směru hodinových ručiček otáčí kolem počátku úhlovou rychlostí ω. Rotující fázor proudu je v čase t = 0 s, kdy je počáteční úhel fáze φ0 vyjádřen vztahem i (t ) = Re( I m ) + j Im(I m ) , (3.4)
7
Im
Im(Im)
kde Re( I m ) = I m cos(ωt + ϕ 0 ) a Im(I m ) = I m sin (ωt + ϕ 0 ) . (3.5) Dosazením (3.5) do (3.4) lze psát v trigonometrickém tvaru i (t ) = I m (cos(ωt + ϕ 0 ) + j sin(ωt + ϕ 0 ) ) . (3.6)
ω
Im φ0
0
Re(Im)
Re
Pokud nejsou uvažovány přechodné složky resp. lze je zanedbat vzhledem k poměrně krátké době působení, je možno aplikací Eulerova vztahu e j (ωt +ϕ0 ) = cos(ωt + ϕ 0 ) + j sin (ωt + ϕ 0 ) získat
Obr. 3.3 Fázor proudu v komplexní rovině
exponenciální tvar fázoru střídavého proudu
i (t ) = I m e j (ωt +ϕ0 ) = I m e jωt e jϕ0 = I m e jωt ,
(3.7)
kde Im je fázor proudu pro maximální hodnoty. Za předpokladu kvazistacionárního lineárního obvodu se střídavým proudem a napětím, kdy v daném okamžiku je odchylka elektrického proudu v různých průřezech nerozvětveného vodiče zanedbatelná a frekvence je všude stejná, tj. je možno počítat jen s velikostí amplitudy a počáteční fáze (t = 0 s, ejωt = 1) je fázor proudu pro maximální hodnoty vyjádřen vztahem
I m = I m e jϕ0 .
(3.8)
V praktických situacích jsou častěji známy efektivní hodnoty střídavých napětí a proudů. Proto i ve fázorových diagramech střídavých obvodů se používají absolutní hodnoty fázorů U, I o velikostech rovných efektivním hodnotám U, I. Fázor proudu I v měřítku efektivních hodnot má tvar I 1 Im I = I e jϕ = m e jϕ = Im . ω 2 2 Obdobně se postupuje i při odvození fázoru napětí (Obr. 3.4). V čase t = 0 s bude vyjádřen vztahem Im(Um) 0
Um
U m = U m e jϕ0 = Re(U m ) + j Im(U m ) , φ0 Re(Um)
Re
resp. fázor napětí v měřítku efektivních hodnot U 1 U = U e jϕ = m e jϕ = Um . 2 2
(3.10)
(3.11)
Obr. 3.4 Fázor napětí v komplexní rovině
Jestliže elektrický odpor (rezistance) R rezistoru charakterizuje vlastnosti zemin v obvodu stejnosměrného proudu, impedance Z charakterizuje vlastnosti zemin v obvodech pro střídavý proud. Na rozdíl od elektrického odporu, kde je napětí s proudem ve fázi, u impedance mohou být fázově posunuty dle charakteru reaktance. Impedanci lze vyjádřit Ohmovým vztahem pro střídavé obvody, tj. poměrem fázoru elektrického napětí U a fázoru elektrického proudu I U (3.12) Z= . I Po dosazení rovnic (3.5 a (3.10) do Ohmova vztahu je možno psát Re(U m ) + j Im(U m ) Z= . (3.13) Re( I m ) + j Im(I m ) Obr. 3.5 Grafické vyjádření fázoru impedance
8
Hodnoty impedance jsou, stejně jako hodnoty rezistance R v případě stejnosměrných obvodů, vyjádřeny v ohmech [Ω]. Kmitočtovou charakteristiku impedance Z lze vyjádřit jako funkci komplexní proměnné v algebraickém (složkovém) tvaru Z= R + j X , (3.14) kde R je rezistance (elektrický odpor) tvořící reálnou část impedance nezávislou na kmitočtu, imaginární složka impedance X je reaktance, která se mění s kmitočtem. Na (Obr. 3.5) je uveden fázor impedance (tvořený fázory U a I). Z charakteristiky je zřejmá možnost zápisu impedance v goniometrickém tvaru (zobrazení impedance v komplexní Gaussově rovině) Z = |Z|cos ϕ + j |Z|sin ϕ (3.15) nebo v exponenciálním tvaru (polární souřadnice) Z = |Z| ejϕ,
(3.16)
kde modul vektoru impedance |Z| je vyjádřen užitím Pythagorovy věty |Z| = R 2 + X 2 a fázový posuv je vyjádřen vztahem
(3.17)
⎛X⎞ (3.18) ⎟. ⎝R⎠ Impedance je základní vlastností charakterizující lineární zátěž střídavých elektrických obvodů. Je vždy větší nebo rovna reálnému elektrickému odporu v obvodu a závisí na zdánlivých odporech tj. induktanci (reaktance induktoru) XL a kapacitanci (reaktance kapacitoru) XC jednotlivých prvků obvodu střídavého proudu. Vztahy vyjadřující impedanci na ideálních elektrických prvcích obvodu včetně časových a fázorových rovnic a průběhů uvádí Tab. 3.1. Pórovité zemní prostředí lze popsat impedancí ekvivalentního elektrického obvodu tvořeného kombinací rezistoru, induktoru a kapacitoru. Jejich zapojení v obvodu je možné sériové (pro všechny prvky obvodu je společný fázor proudu) nebo paralelní (pro všechny prvky obvodu je společný fázor napětí), které se pro měření v zeminách ukázalo vhodnějším (Obr. 3.6).
ϕ = arctan ⎜
Im
I I -I
I
C
U
X
C
R
L
I
0
I
R
L
a) ekvivalentní obvod měřené Z
b) schéma ideálního ekvivalentního RC obvodu
U
ϕ
Re
c) fázorový diagram
Obr. 3.6 Ekvivalentní obvod měřené impedance
Mezi napětím a proudem na kapacitoru platí obecný vztah d u (t ) i (t ) = C , dt kde C je kapacita kondenzátoru. Pro napětí na kapacitoru je možno odvodit t t 1 I m ⎡ − cos(ωτ ) ⎤ u (t ) = ∫ I m sin(ωτ )dτ + uC (0) = ⎥⎦ + uC (0) C0 C ⎢⎣ ω 0 . I I ⎡ π ⎤ = m [1 − cos(ωt )] + uC (0) = m ⎢1 − sin(ωt + )⎥ + uC (0) 2 ⎦ ωC ωC ⎣
(3.19)
(3.20)
9
Im + u (0) ωC C a harmonický průběh. Je možno jej považovat za superpozici dvou nezávislých zdrojů, a to stejnosměrného a střídavého. Střídavý průběh je možno transformovat s použitím fázoru π 1 − I m j 2 − jI m Um = e = = Im , (3.21) ωC ωC jωC 1 je impedance kapacitoru. kde výraz ZC = jωC Uvedený časový průběh napětí obsahuje dva členy – stejnosměrnou složku
Tab. 3.1 Vztahy mezi harmonickým napětím a proudem ideálních pasivních prvků elektrických obvodů obvodový prvek (veličina) impedance
fázorové rovnice
rovnice harmonického napětí a proudu časový průběh funkcí u(t), i(t)
fázorový diagram
u (t ) = U m sin(ωt + ϕ ) i (t ) = I m sin(ωt + ϕ )
rezistor (rezistance) U
I
U = RI R
I=
Z = R+0j
U m = RI m ϕ = 0 tj. napětí je ve fázi s proudem
Im
U = GU R
I ϕ 0
j = −1
u (t ) = U m sin(ωt + ϕ − ) 2 i (t ) = I m sin(ωt + ϕ )
I C
1 Z = 0− j ωC 1 XC = ωC ω = 2πf
1 U=−j I ωC I = jωCU
I m = ωCU m
ϕ=−
I
2
ω
I
tj. napětí se zpožďuje za
ϕ Re
0
U
π
u (t ) = U m sin(ωt + ϕ + ) 2 i (t ) = I m sin(ωt + ϕ ) U = jωLI
L
π
Im
proudem
induktor (induktance) U
Re
π
kapacitor (kapacitance) U
ω
U
I=−j
1 U ωL
Im
U m = ωLI m
ϕ=
π
tj. napětí předchází proud
2
Z = 0 + jωL
ω
I
U
ϕ 0
Re
X L = ωL
ω = 2πf
Dále po dosazení vztahu (3.1) pro harmonické napětí, za předpokladu nulové počáteční fáze, do výrazu (3.19) lze psát i (t ) = C
π⎞ du(t ) d[U m sin(ωt )] ⎛ =C = CU mω cos(ωt ) = CU mω sin⎜ ωt + ⎟ . dt dt 2⎠ ⎝
Transformací na fázor a s využitím vztahu e I m = U mCω e
10
j
π 2
= U m jωC
j
π 2
(3.22)
= j
(3.23)
se získá lineární vztah mezi fázorem proudu a fázorem napětí, který je formálně shodný s Ohmovým vztahem pro stejnosměrné obvody, kde I = GU , G je elektrická vodivost. Výraz Y = j ωC ve vztahu (3.23) se nazývá admitance kapacitoru. Při vyjadřování impedance paralelního zapojení ekvivalentního elektrického obvodu s prvky R a X se ve výpočtu celkové měřené impedance zpravidla vychází z jednotlivých admitancí Y [S] uvedených prvků (rezistance a kapacitance, příp. induktance), které popisují zdánlivou vodivost prostředí a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého elektrického proudu dané frekvence 1 (3.24) Y= . Z Dosazením vztahu (3.14) do (3.24) je po úpravě R 1 ⎛ ⎞ ⎛ −X ⎞ =⎜ 2 + j⎜ Y= (3.25) ⎟. 2 ⎟ R + j X ⎝ R + X ⎠ ⎝ R2 + X 2 ⎠ Admitanci je možno vyjádřit obdobným zápisem jako impedanci pomocí reálné části – konduktance G [S] a imaginární složky představované susceptancí B [S] Y =G+ jB. (3.26) Dosazením reaktancí jednotlivých prvků paralelního obvodu RC do výrazu (3.14) resp. (3.17) se obdrží modul impedance resp. admitance obvodu 1 1 2 Z= resp. Y = + (ωC ) , (3.27) 2 R 1 2 + (ωC ) R2 fázový posuv ⎛I ⎞ ϕ = arctg ⎜⎜ C ⎟⎟ . (3.28) ⎝ IR ⎠ Z uvedených poznatků vyplynula měřicí metoda EIS a tím i konstrukce realizovaných Z-metrů. Některé z použitých metod měření elektrické impedance jsou uvedeny např. v (Krejčí, I., Studnička, P. 1999, Pařílková, J. a kol. 2005, Pařílková, J. a kol. 2009, Stoklásek, R. 2008).
4
KONSTRUKCE SOND A JEJICH UMÍSTĚNÍ V PROSTORU
Z hlediska jednotné terminologie a orientace v dalším textu je nutné komentovat některé pojmy dále užívané Tab. 4.1 Terminologie
označení pojmu snímač sonda elektroda zapojení dvousvorkové zapojení čtyřsvorkové měřicí sestava
význam 2 nebo 4 elektrody, variabilita konstrukčního řešení, nutnost paralelního umístění v zemině resp. v měřeném prostředí realizace a umístění snímačů různý vodivý konstrukční materiál, proměnná délka, možnost současného nebo odděleného zapojení budicího a měřicího signálu na svorku jedné elektrody je přiveden budicí i měřicí signál na svorku jedné elektrody je přiveden pouze budicí nebo měřicí signál účelné (vertikální i horizontální) umístění snímačů
4.1 FYZIKÁLNÍ PODSTATA SNÍMAČE
Z fyzikálního hlediska lze snímače metody EIS charakterizovat jako pasivní, tj. nevyžadující žádný vnější napájecí zdroj. Z hlediska zapojení je možné využít dvousvorkovou měřicí sestavu
11
nebo čtyřsvorkovou měřicí sestavu, která se v technické praxi využívá k eliminaci vlivu úbytků napětí na odporu přívodních kabelů a přechodových odporech mezi elektrodami a měřeným prostředím. V obou typech zapojení je nutné dodržet zásadu kontaktu snímače s obklopujícím (sledovaným) prostředím. 1
ZC1
ZT1
Ic
Ic
Z
Z – metr
Zx
2
ZC2
ZT2
Obr. 4.1 Dvousvorkový princip měření (neeliminuje parazitní odpory)
Měřič impedance obsahuje zdroj budicího proudu Ic a vlastní měřič Z. Vyhodnocená impedance měřená mezi svorkami 1 a 2 zahrnuje kromě zjišťované impedance Zx ještě parazitní impedance přívodních kabelů Zc a přechodové impedance Zt mezi elektrodou a měřeným prostředím. V případě dvousvorkového měření vyjadřuje měřená impedance součet všech impedancí (včetně parazitních), které se v měřicí trase vyskytují Z = Z x + Z C1 + Z C 2 + Z T 1 + Z T 2 . (4.1) Dvousvorkové uspořádání (Obr.4.1) je jednoduché na realizaci a např. v laboratorních podmínkách měření je jednoduché i na ruční manipulaci s elektrodami. V některých případech může přechodová impedance Zt způsobovat značné zkreslení výsledku, které nedovoluje sledovat jemné změny impedance, čímž omezuje použití metody pouze na sledování jevů popsatelných výraznou změnou impedance Z. Zapojení je vhodné např. pro měření pohybu hladiny vody v zeminách, kde jsou změny impedance způsobené změnou vlhkosti značné. Uvedené nevýhody způsobené systematickou chybou odstraňuje čtyřsvorkové uspořádání (Obr.4.2) měřicí trasy, které je komplikovanější a vyžaduje automatizované přepínání měřicích míst. Měřicí obvod je tvořen dvěma smyčkami. Proudová smyčka napájí obvod měřené impedance prostřednictvím proudových svorek 1, 2. Jsou-li potenciálové elektrody umístěny v těsné blízkosti proudových elektrod, úbytek napětí odpovídající měřené impedanci je prostřednictvím potenciálových svorek 3, 4 – napěťová smyčka, měřen Z metrem s vysokou vstupní impedancí. Měřená impedance je dána Z = Zx (4.2) Zapojení je vhodné pro měření takových deformací zeminy, kde zdrojem změny elektrické impedance je změna efektivního průřezu vodivého materiálu (tvarové změny vyvolávající malé změny impedance). Ic 1
ZC1 Ic
ZT1
3 Z
Zx
metr 4
ZC2 Z-metr
ZT2
2
Obr. 4.2 Čtyřsvorkodový princip měření (eliminuje parazitní odpory)
12
4.2 KONSTRUKCE A INSTALACE SOND
Pro měření impedance zemin se používají sondy ve tvaru tyčí nebo vertikálně dělených trub umísťovaných do sledovaného prostředí. Přenos signálu ze snímače je řešen vodiči napojenými na aparaturu Z-metr. Schematizace principu měření je zřejmá z (Obr. 4.3).
Obr. 4.3 Různá konstrukční řešení měřicích sond
Základní znalosti měřeného prostředí, vycházející z inženýrskogeologického a hydrogeologického průzkumu, mohou při aplikaci metody EIS poskytnout informace na kvalitativně vyšší úrovni možností modifikovaného návrhu měřicí sestavy (Obr. 4.4). Konstrukci sond je nutno navrhovat především vzhledem k povaze měření a prostředí, v němž se má měření realizovat. Proto bylo nutno zabývat se realizací sond pro dvě zcela odlišná použití, a to v laboratorních podmínkách a podmínkách reálného prostředí. Na (Obr. 4.5) jsou uvedeny příklady sond, které byly ověřeny při různých experimentech v laboratorních podmínkách. Podle povahy sledovaných jevů byly elektrody kalibrovány (zpravidla byla stanovena závislost změny elektrické vodivosti G na hloubce vody h nebo koncentraci solného roztoku c) nebo byla měření vyhodnocena jako relativní změny prostředí vůči jeho počátečnímu stavu či byly detekovány změny prostředí v čase a prostoru (měření pohybu vody konstrukcí hráze vyhodnocením maticového uspořádání bodových sond či změn zaznamenaných v měřených profilech). Z (Obr. 4.5) je zřejmé, že konstrukce sond je jednoduchá a snímače respektují povahu sledovaného děje a prostředí. Z materiálového hlediska byly ověřeny hliníkové trubicové sondy vnitřního průměru 0,01 m v délkách 0,70 m resp. 1,50 m, hliníkové T profily tloušťky 0,002 m a délky 0,700 m, dále nerezové tyčové sondy vnitřního průměru 0,004 m, 0,010 m a 0,012 m v délkách dle povahy experimentu od 0,4 m do 1,5 m a nerezové trubicové sondy vnitřního průměru 0,004 m (délka volitelná), měděné elektrody byly realizovány v konstrukčním uspořádání sond se společnou proudovou elektrodou a oddělenými potenciálovými elektrodami. Speciální řešení představují sondy „bodové“, kdy byla pro měření využita dvojlinka seříznutá do stejných měřicích průřezů izolovaných od sebe navzájem tloušťkou obalového izolačního materiálu měděných vodičů nebo v konstrukčním uspořádání měřicích cel, kdy byl měděný vodič na délce 0,01 m odizolován (poměrně značná chyba měření daná smršťováním izolačního materiálu). Dále byla využita konstrukce sondy „prstencové“. Plášť sondy byl zhotoven z organického skla průměru 0,015 m, tloušťky stěny 0,004 m, délce měřicí části 0,150 m a o celkové délce 0,230 m. Na plášti sondy bylo zhotoveno 20 zářezů ve vzdálenosti 0,005 m
13
105 cm
Typ 7
Typ 8
Typ 9
Typ
55 cm
135 cm
Typ 6
60 cm
140 cm
Typ 5
75 cm
Typ 4
90 cm
Typ 3
95 cm
Typ 2
105 cm
Typ 1
180 cm
Délka [cm]
(v imaginárním středu byl vyhodnocen měřicí bod, tj. přesnost měření je 0,005 m), šířky 0,001 m a hloubky 0,002 m s malým otvorem pro provlečení vodiče průměru 0,5·10-3 m. Měřicí vodiče se u otvorů v zářezech odizolovaly na potřebnou délku tak, aby bylo možno v zářezu vytvořit vodivý závit lícující s povrchem izolačního materiálu tj. trubkou z organického skla. Vytvořený závit byl fixován pomocí pájky.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145
Délka [cm]
150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200
Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 6 Typ 7 Typ 8 Typ 9 Typ 10
180 140 135 105 105 95 90 75 60 55 Celkem
Počet snímačů
Navržený počet kusů
Délka celkem [m]
Počet snímačů celkem
5 4 5 4 11 10 3 3 3 6
6 8 10 12 4 6 14 8 6 8 82
10,8 11,2 13,5 12,6 4,2 5,7 12,6 6 3,6 4,4 84,6
30 32 50 48 44 60 42 24 18 48 396
Obr. 4.4 Schema zpřesňující měřicí sestavy, návrh sond s proměnnou délkou elektrod na základě znalosti parametrů prostředí (Ing. Ivo Pavlík – návrh sond pro Golf areál Svratka)
Poslední typ představují hliníkové páskové sondy v šířce cca 0,017 m, ověřené délce do 0,500 m a tloušťce cca 18·10-6 m, které byly z jedné strany opatřeny samolepicí vrstvou. Uvedené konstrukční řešení zajistilo dokonalý kontakt s měřeným prostředím s minimálním ovlivněním pozorovaných jevů.
Obr.4.5 Konstrukce laboratorních snímačů
14
Obr.4.6 Snímače využité při měření v podmínkách reálného prostředí
Druhou velkou skupinu tvoří sondy realizované pro měření v reálném prostředí (Obr. 4.6). Zde byly sondy konstruovány pro měření charakteristik zemin v délkách potřebných pro monitorování změn probíhajících v hloubkách do 0,3 m až 5,0 m a měření rozhraní vody a pevné vrstvy (kalu) v délkách 3,0 m až 6,0 m. Požadována byla znalost změn probíhajících nejen v celém profilu, ale i v jednotlivých vrstvách, proto byly sondy koncipovány jako vertikálně dělené a při základní znalosti prostředí byly sondy i elektrody provedeny v různých délkách (Obr. 4.4). U řešení vertikálně dělených měřicích sond se střídá elektricky vodivá (nerezová trubka průměru 0,025 m s tloušťkou stěny 0,002 m a volitelnou délkou, dosud byla realizována v délkách 0,05 m, 0,010 m a 0,15 m) a nevodivá část (polyamid s tloušťkou stěny 0,005 m a volitelnou délkou, dosud v rozsahu 0,05 m až 0,40 m). Počet měřicích profilů je limitován počtem měřicích kanálů přístroje na 128, vnitřním průměrem trubek a průměrem vodiče, neboť propojovací kabely jsou vedeny trubkou a dále tuhostí konstrukce sondy pro daný experiment (pro některé aplikace bylo nutno spojení elektrody a izolačního materiálu zajistit šroubkem). Pro měření rozhraní voda – kal byla např. na základě zkušeností realizována sonda mobilní, kdy byly vodivé části (nerezový plech v délce 0,10 m) upevněny na novodurové trubce průměru 0,05 m. Celková délka měřicí části byla 3,0 m s možností prodloužení až na 9,0 m. Sondy jsou, z důvodu snazší instalace, vždy na jednom konci opatřeny hrotem z tvrdého plastu a druhý konec (vývod kabelů, popř. konektor) je vyplněn silikonovým tmelem z důvodu zabránění vniku vlhkosti. Sondy byly instalovány ručně, postupně při částečné mechanizaci postupů pomocí přípravků vlastní výroby (Obr. 4.7). Vzhledem k realizovaným experimentům se nejvhodnějším materiálem pro výrobu snímače ukázala nerezová ocel (v aplikacích v oblastech odběru vody pro pitné účely se jednalo o ocel certifikovanou). Poněvadž pro vyhodnocení měření nemají parametry užitého materiálu snímače zvláštního významu (měření je v dané aplikaci realizováno vždy jen na užité elektrodě) nebyly stanovovány ani sledovány. Pokud je požadavek absolutního měření nebo není postačující sledování změn vůči počátečnímu stavu, doporučuje se kalibrace elektrod ve vztahu k jiné měřicí metodě a jinému snímači při aplikaci nepřímých metod, případně kalibrace některou z metod přímých. Pozornost proto byla soustředěna spíše do oblasti interpretace dosažených výsledků a jevů probíhajících ve sledovaném profilu zeminy při vybuzení elektrického pole.
15
a) manuální instalace
b) částečně mechanizovaná manuální instalace Obr.4.7 Postup při instalaci sond
16
5
METODIKA MĚŘENÍ
Snaha zachytit pohyb hladiny vody v zemině a specifikovat polohu lokální deformace vyžaduje postupné generování elektrických polí pomocí „bodových“ zdrojů střídavého elektrického proudu umístěných ve sledovaném prostoru. Je-li střídavý proud konstantní, je měřené napětí přímo úměrné impedanci měřeného prostředí. K tomuto účelu byly realizovány vertikálně dělené sondy (Obr. 4.4, Obr. 4.6 a Obr. 4.7). Princip metody měření vertikálně dělenými sondami spočívá ve vytvoření úzkého svazku proudových trubic, které využívají jen část průřezu sledované zeminy k uzavření elektrického obvodu, čímž přesněji vertikálně lokalizují změny elektrické vodivosti prostředí za předpokladu homogenního izotropního elektrického pole. Metodika měření impedance pórovitého zemního prostředí v jeho složitosti vychází z následující úvahy. Nechť jsou do zeminy paralelně instalovány dvě elektrody ve vzájemné vzdálenosti l. Elektrodami vymezený sledovaný profil zeminy bude mít vždy charakter rezistoru, tedy vždy bude přítomna reálná část R impedance Z. Dá se předpokládat, že u zeminy suché či zmrzlé bude reálný elektrický odpor velký. Zeminu lze považovat za špatný elektrický vodič resp. za izolant (dielektrikum). Poněvadž délka siločar elektrického pole je dána vzdáleností elektrod pohybuje řádově v jednotkách metrů, bude induktance vodiče charakterizovaná jeho indukčností podobná indukčnosti přímého vodiče protékaného elektrickým proudem a bude pravděpodobně malá. Byl přijat předpoklad, a měření jej potvrzují, že kapacitance zeminy je podstatně větší než induktance. Suchou zeminu (elektrický izolant) je možné polarizovat elektrickým polem a tedy ji nabít elektrickým nábojem jako kapacitor, který se vyznačuje elektrickou kapacitou. Přestože elektrické vlastnosti tohoto kondenzátoru nebudou nijak dobré, bude mít např. velký svodový proud daný vlhkostí zeminy, zůstává dominantní složkou imaginární části impedance Z. Je-li prostor mezi elektrodami vyplněný zeminou nenulové vlhkosti, bude elektrický odpor malý a zemina lépe povede elektrický proud. V tomto případě ji lze považovat za vodič (Obr. 5.1), jehož plocha A je definována délkou elektrod d. Při připojení elektrického zdroje na svorky proudových elektrod začne zeminou protékat elektrický proud I, jehož velikost, protéká-li proud plochou A při dané hustotě proudu J, je určena vztahem I = ∫∫ JdA . (5.1) A
Obr.5.1 Zemina jako vodič elektrického proudu
Tok elektrického proudu je podmíněn elektrickým polem intenzity E (Obr.5.2), které je popsáno elektrickými siločárami (myšlené čáry), a to kvalitativně (tvarem) i kvantitativně (hustotou – čím je větší hustota siločar, tím silnější je pole). Elektrické siločáry se navzájem neprotínají, jsou kolmé k povrchu tělesa a jsou vždy orientovány od kladného náboje k zápornému (dáno dohodou). Intenzita elektrického pole je určena výrazem E=ρJ, (5.2) kde ρ [Ω·m] je materiálová konstanta tzv. rezistivita (měrný odpor), která charakterizuje elektrickou vodivost vodiče (zeminy).
17
E
a)
b)
a) elektrické pole poblíž osy dvou opačně nabitých rovnoběžných desek, b) vizualizace elektrického pole siločarami mezi dvěma rovnoběžnými tyčovými elektrodami umístěnými v homogenním izotropním prostředí (simulace zrnky krupice) Obr. 5.2 Homogenní elektrické pole
Převrácená hodnota rezistivity 1 σ= .
ρ
(5.3)
se nazývá konduktivita (měrná vodivost), její jednotkou je [S·m-1] a vyjadřuje schopnost zeminy dobře vést elektrický proud. Čím je její hodnota vyšší, tím je zemina lepším vodičem. Bude-li zemina vodičem s elektrickým proudem, vytvoří se kolem vodiče magnetické pole, jehož siločáry jsou kolmé na siločáry pole elektrického (Obr. 5.3).
Obr. 5.3 Siločáry elektrické a magnetického pole mezi dvěma tyčovými elektrodami umístěnými v homogenní izotropní zemině
Z hlediska magnetických vlastností však lze předpokládat, že zemina bude mít vždy povahu látek magneticky špatně vodivých (ze železné rudy se hráze nebudují). Pro elektrické napětí mezi dvěma body X a Y umístěnými ve vzdálenosti l, tj. pro elektrické napětí mezi potenciálovými elektrodami platí Y
U = ∫ E dl .
(5.4)
X
Pro proudovou trubici o průřezu A, za předpokladu rovnoměrného rozložení proudu v celém průřezu lze užitím uvedených výrazů a Ohmova vztahu odvodit výraz pro elektrický odpor ve tvaru Y U ρ R = = ∫ dl . (5.5) I AX
18
Měření spočívá v postupném přepínání párů proudových elektrod a ve zjištění úbytku napětí mezi potenciálovými elektrodami. Přepínáním většího množství vhodně uspořádaných elektrod, tvořících trojrozměrnou matici, lze monitorovat změny impedance v prostoru testovaného prostředí. Protože elektrické pole má snahu vyplnit celý průřez vodiče, potom, má-li být zachován úzkopásmový tvar generovaného pole, nesmí být měřicí elektrody resp. sondy od sebe příliš vzdáleny. Zkušenosti ukazují, že by vzdálenost neměla přesahovat 2 m při měření na reálných objektech. Jak je zřejmé z (Obr. 5.2b), jsou i tak siločáry homogenního elektrického pole na koncích elektrod mírně deformované vlivem elektrického a magnetického pole Země. Proto je skupinou odporových nepřímých metod vyhodnocován zdánlivý elektrický odpor či zdánlivá elektrická vodivost. Základní znalosti měřeného prostředí, vycházející z inženýrskogeologického a hydrogeologického průzkumu, mohou při aplikaci metody EIS poskytnout informace na kvalitativně vyšší úrovni možností modifikovaného návrhu měřicí sestavy. Není-li o monitorovaném prostředí nic známo, nebo je podezření na nehomogenitu materiálu, je vhodné instalovat měřicí elektrody stejných délek (Obr. 5.4) a měření vyhodnocovat jako relativní vůči prvotnímu změřenému stavu.
Obr. 5.4 Schema sondy instalované v zemině ochranné hráze
6
TVORBA MAP REZISTIVITY A JEJICH VYUŽITÍ PŘI ŘEŠENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH PROBLÉMŮ
Mapy rezistivity jsou poměrně detailním obrazem vyšetřovaného zemního prostředí sestaveným z výsledků měření. Opakovaným měřením je možné postihnout probíhající změny a posoudit vliv různých faktorů na sledované prostředí (vhodnost kombinace měřicích metod). Sestavení map rezistivity však při měření vstupních dat vyžaduje multielektrodové měřicí aparatury, kde počet měřicích elektrod úzce souvisí s přesností vykreslení hledaného obrazu prostředí. Metodami, které splňují uvedený požadavek, jsou elektrická rezistivní tomografie (ERT) a elektrická impedanční tomografie (EIT). Zatímco metoda ERT je základní metodou pro geofyzikální monitorování při využití stejnosměrného budicího proudu a představuje kombinaci metod odporového profilování a vertikálního elektrického sondování, metoda EIT je základní metodou pro geofyzikální monitorování při využití střídavého budicího proudu, kde uplatnění nachází i metoda elektrické impedanční spektrometrie (EIS). Aplikace střídavých elektrických polí jsou praktikovány
19
z důvodu eliminace rušivých nízkofrekvenčních elektrických polí (bludné proudy apod.). Oba přístupy představují kontaktní měřicí metody, kdy se budicí proud do zemin zavádí a snímá elektrodami. Rovněž zpracování naměřených hodnot jsou u obou přístupů obdobná. Příklad (Obr. 6.1) možného výsledku měření automatickým geoelektrickým systémem ARES (výrobce GF Instruments, s.r.o., Brno), který využívá metodu ERT a vyhodnocení softwarem pro zpracování a interpretaci dat RES2DINV a RES3DINV je převzatý z literatury (GF Instruments, s.r.o. ).
Obr. 6.1 Příklad 2D měření zdánlivé rezistivity metodou ERT a inverzní model rezistivity vyhodnocený softwarem RES2DINV (z materiálů firmy GF Instruments, s.r.o. Brno)
Mapy rezistivity umožňují posoudit průběh úrovně volné hladiny vody v zemině, respektive dosah kapilárního výstupu vody. Např. v homogenním zemním prostředí, s minimálním kapilárním výstupem vody a bez lokálního vlivu chemicky rozpuštěných látek na vodivost vody, je volná hladina určena ostrým rozhranním hodnot rezistivity. Nízké hodnoty rezistivity charakterizují prostředí nasycené vodou a vysoké hodnoty rezistivity charakterizují prostředí nenasycené vodou. V prostředí nasyceném vodou a bez lokálního vlivu chemicky rozpuštěných látek na vodivost vody je změna rezistivity změnou vlastností zemního prostředí. Časová změna rezistivity v bodě proto charakterizuje časovou změnu vlastností prostředí např. filtrační deformaci atd. Vzhledem k tomu, že realizovaná aparatura s přístrojem Z-metr využívající metodu EIS umožňuje měření na 128 kanálech a lze ji tedy považovat za multielektrodovou, je možné účelným rozmístěním měřicích sond snímat pole impedance a rezistivity a metodou inverze vytvářet 2D nebo 3D obrazy sledovaného prostředí. Při popisu proudění podzemní vody lze elektrickou vodivost pomocí vhodné interpretace hydraulické vodivosti použít také pro inverzní modelování proudění podzemní vody. Vhodnost výkladu je podmíněna stanovením závislosti mezi hydraulickou a elektrickou vodivostí příslušné zeminy, kterou je třeba určit např. laboratorně. Znalost map rezistivity a dalších elektrických veličin a jejich vhodná interpretace je tedy významná při řešení vodohospodářských problémů.
7
PŘÍKLADY APLIKACE A ANALÝZA ZÍSKANÝCH DAT
Provedené experimenty a realizovaná měření lze rozdělit do dvou tématických celků, a to na měření laboratorní a měření v reálných podmínkách.
20
7.1 LABORATORNÍ EXPERIMENTY
Laboratorní přístrojové vybavení včetně programových prostředků dovoluje snímání frekvenční charakteristiky impedance zeminy v rozsahu měřených impedancí 10 Ω až 10 MΩ, frekvenční rozsah 10 Hz až 8 MHz, přičemž je vyhodnocována zvlášť reálná a imaginární složka měřené impedance. V experimentech byla sledována intenzita zatěžování hráze vodou na návodním líci (strmost nárůstu hladiny, kolísání hladiny) při různých vlhkostech zeminy (vlhkost, teplota, zhutnění, granulometrie) a konstrukčních uspořádáních. Provedené laboratorní experimenty je možné rozdělit do následujících skupin • základní testovací měření; • dlouhodobé a krátkodobé měření pohybu volné hladiny vody v zemní hrázi; a) hráz vybudovaná na pevném podloží simulovaném ocelovým dnem měrného žlabu, b) hráz vybudovaná na propustném podloží tvořeném stejným materiálem jako její těleso, c) hráz s plošným drénem, d) hráz s komínovým drénem. • měření deformačních procesů v průběhu zatěžování hráze; e) vývoj nátrže při přelití koruny hráze, f) vývoj výronové plochy na vzdušném líci hráze, • krátkodobé měření pohybu volné hladiny vody v tělese tvaru krychle (Obr. 7.1).
Obr. 7.1 Zemní objekt tvaru krychle
Jedním z testů citlivosti měřicí aparatury včetně snímačů (nerezová tyč průměru 0,012 m a délky 1,5 m) byla jejich reakce na střídavé zatížení sledovaného profilu zeminy vodou při kolísání úrovně její hladiny. Z důvodu potlačení efektu zvýšení vodivosti v důsledku změny průtočného profilu, bylo vybudováno těleso tvaru krychle o rozměru 1 m × 1 m ×1 m. Zkoušenou zeminou byl bratčický písek o velikosti efektivního zrna def = 1,6 mm, který byl ve vrstvách po 0,1 m hutněn plošným vibrátorem. Měření bylo provedeno na frekvenci f = 8 000 Hz (maximum funkce |XC| = f (f) tj. max. citlivost Z-metru pro zkoušený materiál), U = 400 mV, T = 200 ms, zapojení měřicí aparatury dvousvorkové, využit byl přístroj Z-metr 1, vyhodnocena elektrická vodivost tj. inverzní hodnota reálné složky měřené impedance. Měřené charakteristiky (Obr. 7.2) byly zaznamenány čtyřmi sondami, které byly do materiálu osazeny ve vzdálenostech po 0,2 m od návodního líce a 0,05 m od stěn žlabu tj. délka vodiče byla l = 0,9 m. Průběh elektrické vodivosti G daný nasyceností zeminy vodou vykazuje vysokou shodu s pohybem hladiny vody na návodním líci tělesa. Křivka A byla snímána sondou umístěnou nejblíže návodnímu líci, tj. průtočný profil byl při zatížení tělesa hladinou vody na návodním líci nejvíce nasycený, a proto křivka vykazuje nejvyšší hodnoty vodivosti. Rozdílné maximální hodnoty křivek jsou dány rozdílnou výškou hladiny prosakující vody v jednotlivých profilech hráze. Se zvětšující se vzdáleností od návodního
21
líce elektrická vodivost klesá, tj. klesá nasycení zeminy vodou. Z charakteristiky je rovněž zřejmé, že zemina na počátku experimentu vykazovala určitou vlhkost odpovídající hodnotě cca G = 1·10-3 S a v době ukončení měření je pozorovatelný vliv obalové vody, kdy je elektrická vodivost vyšší přibližně o 0,001 S proti počáteční hodnotě. 0,01 0,009
hlad
A
B
C
D
G, h [S , 10-2 m]
0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
t [min]
90
100
110
Obr. 7.2 Průběh elektrické vodivosti G zeminy při jejím proměnlivém zatížení vodou
7.2 MĚŘENÍ NA REÁLNÝCH OBJEKTECH
Při měřeních na reálných objektech byl sledován • pohyb volné hladiny podzemní vody; • infiltrace vody do zeminy v důsledku srážek (simulace přívalových dešťů na lokalitě ve Švýcarsku). Výsledky provedených experimentů jsou podrobně uvedeny v oponovaných zprávách o průběhu řešení mezinárodního projektu EUREKA (Pařílková, Pavlík, 2007, 2008, 2009). Poněvadž je monitorování metodou EIS již od roku 2006 realizováno na hrázi jedné z nádrží u Kobeřic (Obr. 7.3), jsou zde uvedeny některé z dosažených výsledků. Na vodním díle se nachází zpevněný korunový bezpečnostní přeliv, dimenzovaný na bezpečné převedení Q100, výpustné zařízení, sedimentační prostor před výpustným objektem. Zemní hráz nádrže byla vybudována z místních materiálů. Je označena jako homogenní, což však z hlediska měřené impedance není zcela pravdivé, neboť v hloubce přibližně 1,5 m od koruny hráze se nachází vrstva zeminy s výrazně větší rezistancí (bylo potvrzeno, že se při budování hráze bral materiál ze dvou míst v lokalitě). Uvedené zjištění bylo důvodem vyhodnocování monitorování v několika typech závislostí, které vycházejí ze sledování elektrické vodivosti G.
situace VD Kobeřice (podklad mapy GEODIS)
22
zájmová hráz – vzdušný líc
návodní líc zemní hráze nádrže Kobeřice s vyznačením monitorované oblasti
Vzorový příčný řez hrází 1 : 50 Obr.7.3 Zemní hráz vodní nádrže Kobeřice – třetí nádrž zvaná Bezedník III.
Měření metodou EIS bylo provedeno při měřicí frekvenci f = 8 000 Hz, přepínací perioda mezi jednotlivými měřeními byla 400 ms, počet opakování na jednom měřicím kanálu (jedné elektrodě) byl 5. Do návodního líce hráze bylo v koruně hráze osazeno 6 sond (Obr. 7.4), v roce 2009 byly 2 sondy osazeny na vzdušném líci hráze.
Obr. 7.4 Schéma umístění měřicích sond v hrázi nádrže Kobeřice
23
Poněvadž nebyly známy žádné doplňující informace o konstrukci hráze ani jejím podloží, bylo rozhodnuto realizovat sondy s pravidelným členěním elektrod (nerezová trubka průměru 0,025 m s tloušťkou stěny 0,002 m a délkou 0,15 m) a nevodivých částí (polyamid o průměru 0,025 m, tloušťce stěny 0,005 m a délce 0,15 m). Ze stejného důvodu bylo dohodnuto, že sledované časové změny elektrické vodivosti ve zvoleném profilu hráze budou vyhodnocovány relativně vůči prvnímu měření G , G* = Gp kde G* [-] je relativní hodnota elektrické vodivosti, G [S] je hodnota elektrické vodivosti zjištěná v den měření a Gp [S] je hodnota elektrické vodivosti zjištěná dne 19.8.2006. Počet měřicích elektrod na sondě byl n = 12, měření tedy bylo realizováno do celkové hloubky 3,5 m. Vzhledem ke skutečnosti, že hráz je vysoká 3,2 m, je monitorování realizováno i v jejím podloží. Z realizovaných měření byl v programu SMS vyhodnocen 2D obraz (Obr. 7.5) pole poměrné elektrické vodivosti G*, kde černé body představují měřicí elektrody. Z obrázku 7.5c je zřejmé, že chybí jedna sonda. Bohužel 17.4.2008 neznámý vandal uřezal vodiče od jednotlivých elektrod, čímž znemožnil propojení s přístrojem.
a) Původní zjištěný stav dne 19.8.2006.
b) Měření při vypuštěné nádrži z důvodu rekonstrukce návodního líce hráze, dne 17.11.2006.
c) Měření dne 16.12.2009. Obr. 7.5 Vyhodnocené poměrné změny elektrické vodivosti vůči počatečnímu zjištěnému stavu (vyhodnocení měření provedeno programem SMS 9.2, Zachoval)
Na konci roku 2008 se uskutečnilo srovnávací měření geoelektromagnetickou metodou GEM2, přístroj byl zapůjčen podnikem Povodí Moravy, s. p. Mobilním přístrojem byla v ose hráze změřena a vyhodnocena linie o celkové délce cca 87 m. Jak je zřejmé (Obr. 7.6), v hodnocené linii byla podle hodnot limitů pro vlhké zeminy rozlišeny 3 singularity. Stupnice pro hodnocení vlhkých zemin byla volena z důvodu stálého dosahu kapilární vlhkosti, neboť se jedná o zemní hráz vodní nádrže, s kolísavou úrovní vodní hladiny. Při měření na frekvencích s kratšími hloubkovými dosahy byla křivka zdánlivé rezistivity vyrovnaná (hodnoty mezi 40 Ω·m – 50 Ω·m odpovídají materiálu „písčitá hlína“) s jednou singularitou, na (Obr. 7.6b) označena zelenou barvou, odpovídající poloze bezpečnostního přelivu. Na frekvenci 6525 Hz s největším hloubkovým dosahem byly zaznamenány 2 lokální anomálie, na (Obr. 7.6b) jsou označeny
24
modrou barvou. Jedná se o lokální maxima s hodnotami 59 Ω·m a 57 Ω·m ve vzdálenosti 26 m od okraje účelové lesnické cesty o délce 2 m a ve vzdálenosti 35 m od okraje účelové lesnické cesty o délce 3 m. Červená barva značí, že měřením byla zjištěna vyrovnaná křivka rezistivity bez výrazných singularit.
a) měření aparaturou GEM2
b) zjištěné singularity
Obr.7.6 Měření linie L1, rušený úsek značený zelenou barvou v koruně hráze
Na základě srovnání výsledků dosažených oběma metodami, kdy měření metodou EIS je možno považovat za podrobnější, mohou být anomálie zvýšené rezistivity v základech hráze nebo v podloží vysvětleny například výskytem hrubozrnějšího (a tedy pro vodu propustnějšího) materiálu, nebo zaměřením výpustního potrubí. Lze konstatovat obdobná zjištění, jak z hlediska vyhodnocené polohy zjištěných singularit, tak i zdánlivé rezistivity ρ [Ω·m] materiálu hráze (Tab. 7.1), která byla v případě metody EIS stanovena aritmetickým průměrem zdánlivých rezistivit zjištěných ve vrstvě. Z důvodu objektivity výsledků měření je však vhodné měření opakovat i v jiném ročním období. Tab.7.1 Zdánlivá rezistivita zeminy 9,6
11,65
13,65
15,5
17,4
průměrná hodnota zdánlivé rezistivity ve vrstvě
zemina
14,70 26,25 15,15 14,85 16,35 71,55 47,70 90,45 172,05 145,20 64,80 49,35
14,25 38,70 15,15 14,85 17,10 80,40 46,20 66,30 162,90 148,20 36,15 32,40
14,70 44,40 14,85 14,70 18,30 26,25 64,80 37,20 32,40 129,00 34,05 31,50
15,30 32,40 14,25 15,90 23,70 40,50 82,05 233,40 64,20 346,95 61,80 37,35
16,20 15,15 15,30 19,65 33,90 49,65 84,90 233,55 72,75 271,20 56,10 62,25
15,03 31,38 14,94 15,99 21,87 53,67 65,13 132,18 100,86 208,11 50,58 42,57
jíly (hlíny) písčité jíly (hlíny) jíly (hlíny) jíly (hlíny) písčité jíly (hlíny) písčité jíly (hlíny) jílovité (hlinité) písky slabě jílovité (hlinité) písky jílovité (hlinité) písky slabě jílovité (hlinité) písky písčité jíly (hlíny) písčité jíly (hlíny)
23.12.2008
L [m] H [m] 3,5 3,2 2,9 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4 1,1 0,8 0,5 0,2
Dalším z možných výstupů multielektrodové impedanční metody je zobrazení odporových nehomogenit konstrukcí vertikálních izoohmických řezů (výstup se využívá u metod elektrické rezistivní tomografie – ERT či elektrické impedanční tomografie – EIT), případně vertikálních řezů izolinií konduktivity. Vyhodnocení vertikálního řezu izolinií konduktivity v příčném profilu hráze dle vztahu (7.1) je uvedeno na (Obr. 7.7) l σ =G , (7.1.) A kde G je měřená elektrická vodivost, l je vzdálenost mezi elektrodami resp. délka vodiče, A je obsah kolmého průřezu (odvozen od délky elektrod).
25
Obr.7.7 Mapa konduktivity – hráz Kobeřice, měření dne 17.6.2009
Na (Obr. 7.8) je v jednotlivých měsících roku uvedena výška vodního sloupce v nádrži zjištěná v den měření, hodnota celkové elektrické vodivosti G stanovená jako aritmetický průměr hodnot měřených v jednotlivých fiktivních bodech na návodním líci hráze a teplota vzduchu. Pro srovnání jsou uvedeny výsledky měření z roku 2008 a roku 2009. Zatímco teplota vzduchu v roce 2008 ve dnech měření neklesla pod hodnotu 0°C, v roce 2009 byly hodnoty pod nulou zaznamenány 3×.
Obr.7.8
26
Vyhodnocené sledované veličiny
Z vyhodnocené závislosti průběhu celkové elektrické vodivosti G a výšky vodního sloupce H v nádrži v jednotlivých měsících roku 2008 lze vypozorovat vzájemnou korelaci. V roce 2009 tato korelace již tak výrazná není resp. v měsících, kdy byla teplota pod nulou je možno pozorovat mírný nárůst elektrické vodivosti, což při respektování skutečnosti, že zmrzlá zemina je horším vodičem, signalizuje změnu hydrodynamického zatížení. Vzhledem k tomu, že hladina v nádrži nebyla v uvedené dny měření na stejné úrovni a zjištěných hodnot je dosud málo, nebyl v tomto ohledu učiněn závěr. Výsledky měření provedeného v roce 2009 na sondách na vzdušném líci hráze a uvedené na (Obr.7.9) vedou k domněnce, že na zvýšených průsacích pozorovaných v patě vzdušného líce hráze tj. zvýšených hodnotách elektrické vodivosti se mohou podílet prameny svedené z okolních svahů do podloží hráze. 4,0
4,0 3,5
3,5 3,0
2,5
h [m]
h [m]
3,0
2,0
1,0
návodní líc
1,0
Vzdušný líc
0,5
0,5 0,0 0
0,005
0,01 G [S]
0,015
návodní a vzdušný líc hráze
8
2,0 1,5
1,5
Obr.7.9
2,5
3_3a 4_4a
0,0 0,000 0,005 0,010 0,015 G [S]
dva příčné profily – sondy jsou umístěny v hraně koruny hráze (písmeno „a“ u číslice značí vzdušnou stranu hráze
Průběh elektrické vodivosti v profilu 3_4 (vzdálenost 48,65 m od lesní cesty, měření 17. června 2009)
ZHODNOCENÍ A ZÁVĚR
V habilitační práci je popsáno použití multielektrodové geoelektromagnetické metody impedanční spektrometrie (EIS). Metoda, včetně navržených a realizovaných měřicích aparatur, se uplatnila při sledování časových a prostorových změn impedance zemin zatěžovaných vodou. Měřicí aparatury s přístrojem Z-metr a poměrně jednoduchým snímačem umožňují realizovat jednoi multifrekvenční analýzu a měřit frekvenčně závislou imaginární složku impedance X. Výzkum byl veden ve dvou úrovních, a to laboratorního výzkumu a ověřování poznatků monitorováním v podmínkách reálného prostředí na zvolených lokalitách. Cílem bylo ověření vhodnosti aparatur pro vodohospodářskou praxi. Modulárně řešená aparatura prokázala vhodnost použití ve dvou odlišných zapojeních (dvousvorkové a čtyřsvorkové), jejichž volba je prvním vymezujícím parametrem pro aplikační oblast. Při použití zařízení je dále nutno věnovat pozornost měřicím elektrodám a technice jejich zabudování do zeminy, měřenému prostředí a účelu, ke kterému je měřicí aparatura využita. Poněvadž byl stanoven požadavek měřením impedance identifikovat polohu singularit v zemině, byla aplikována měřicí aparatura s vertikálně dělenými párovými snímači. Pro úlohu snímání průběhu hladiny vody v zemině bylo využito dvousvorkové zapojení, které je dostatečně přesné, citlivé, při instalaci elektrod nedochází k výraznému porušení zeminy a získané průběhy jsou jednoznačně reprodukovatelné. Nezbytnou podmínkou eliminace parazitních vlivů je těsný kontakt měřicí elektrody a zeminy a polohová stabilita elektrod. Pokud není před aplikací sestava kalibrována vzhledem k prostředí (rezistivita zemin, zhutnění, struktura, skladba, vlhkost, atd.) je vhodné poměrné vyhodnocení sledovaných veličin, kterými jsou impedance případně elektrický
27
odpor R nebo zdánlivá rezistivita ρ resp. elektrická vodivost G nebo konduktivita σ zeminy vůči počátečnímu měření danou aparaturou. Dosud provedené laboratorní experimenty prokázaly možnost sledování přechodových dějů (kontinuální sycení zeminy vodou) a schopnost detekce odlišných materiálů a jejich struktury (potvrzeno jen na velmi malou vzdálenost měřicích elektrod). V kombinaci s výsledky dalších geofyzikálních metod a dále ověřovacích vrtů a sond (důležitá je zde spolupráce s kvalitní laboratoří mechaniky zemin) lze měřením polí elektrické konduktivity sledovat změny zeminy v důsledku zatížení vodou, lokalizovat místa nehomogenit, sledovat jejich časové změny a navrhnout další postupy při údržbě popř. opravách zemních hrází. Z jednání s podniky praxe vyplynulo využití realizované měřicí techniky založené na měření impedance i jako finančně zajímavá alternativa sledování zemin. Možnosti aplikace metody jsou hledány řešením mezinárodních projektů E!3838 a E!4981 v programu EUREKA nejen v České republice, ale ve spolupráci s partnery projektů i ve Švýcarsku, Itálii, Slovensku, Belgii, Německu, Rakousku a na Kypru.
9
LITERATURA
ALSTON, C., DANIEL, D. E. AND DEVROY, D. J (1997) “Design and construction of sandBentonite liner for effluent treatment lagoon, Marathon, Ontario “, Canadian Geotechnical Journal, No. 34, pp. 841-852. BAUMANN, T., WERTH, CH. J. (2004). Visualization and Modeling of Polystyrol Colloid Transport in a Silicon Micromodel. Vadose Zone Journal, 3, 434-443. CHEN Q., ZHANG L. M. (2006). Three-dimensional analysis of water infiltration into the Gouhou rockfill dam using saturated-unsaturated seepage theory. In: Canadian Geotechical Journal, 43: 449-461. CÍSLEROVÁ, M., VOGEL, T. a kol. (2008). Transportní jevy ve vadózní zóně. Skriptum ČVUT v Praze, Fakulta stavební, KHMKI, KHH. 111s. FENTON, G.A., GRIFFITHS, D.V., AND CAVERS, W. (2005). Resistance factors for settlement design, Canadian Geotechical Journal, 42(5), 1422--1436. GF Instruments, s.r.o. Short guide for resistivity and induced polarization imaging. Short guide for electromagnetic conductivity mapping. Firemní materiály. GRIFFITHS, D. V., FENTON, G. A. (1997). Three-dimensional seepage through spatially random soil. ASCE J. Geotech. Eng., 123(2), 153–160. GRIFFITHS, D. V., FENTON, G. A., ZIEMANN, H. R. (2008). Reliability of passive earth pressure, Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards, 2(2), 113—121. GUEDDOUDA, M. K., LAMARA, M., ABOUBAKER, N., TAIBI, S. (2008). Hydraulic Conductivity and Shear Strength of Dune Sand–Bentonite Mixtures. The Electronic Journal of Geotechnical Engineering (EJGE), Vol. 13, Bund. H. GRIC, J. (1997). Technická zpráva – stavební část „Obnova vodní nádrže Kobeřice“. Projekt. JOHANSSON, S. (1997). Seepage Monitoring in Embankment Dams. Stockholm: Royal Institute of Technology, 50p., ISBN 91-7170-792-1. KAMSHILIN, A. N. (2005). The results of physical modeling experiments with the close dry suffosion. Geophysical Resarch Abstracts, Vol.7 (2005), Sref-ID:1607-7962/gra/EGU05-A06746. KREJČÍ, I., STUDNIČKA, P. (1999). Experience with Applications of Signal Processors Analog Devices. Proceedings of the conference Radioelektronika, VUT FEI Brno.
28
KŘÍŽOVÁ, J. (1998). Použití některých geofyzikálních přístrojů při archeologickém výzkumu. In: Kouřil, P - Nekuda, R. - Unger, J. Ve službách archeologie, Brno. KUTÍLEK, M., KURÁŽ, V., CÍSLEROVÁ, M. (1993). Hydropedologie, skriptum ČVUT, Praha LAFLEUR, J., MLYNAREK, J. AND ROLLIN, A. L. (1989). Filtration of broadly graded cohesionless soils. ASCE J. Geotech. Eng., 115(12), 1747–1768. MAREŠ, S. a kol. (1990). Úvod do užité geofyziky, Praha. MLS, J. (1988). Hydraulika podzemní vody. ES ČVUT. Praha. OLSON, R. E., DANIEL, D. E. (1981). “Measurement of the hydraulic conductivity of fine grained soils.” ASTM special technical publication 746: 18-64. PAŘÍLKOVÁ, J. a kol. (2004, 2005). Optimalizace metod monitorování volné hladiny a jejího působení v zemních hrázích. Dílčí zpráva projektu GA ČR 103/04/0741, LVV ÚVST FAST VUT v Brně. PAŘÍLKOVÁ, J., PAVLÍK, J. (2008, 2009, 2010). Realizace - výzkum, vývoj a výroba automatizovaného systému sledování změn vlhkosti zemin metodou EIS. Oponované zprávy projektu OE240 za roky 2007, 2008 a 2009. Brno. PAŘÍLKOVÁ, J., STOKLÁSEK, R. (2008). Manual-ZScan 2A. Technická dokumentace a manuál přístroje Z-metr. Brno. PINDER, G. F., GRAY, W. G. (1977). Finite Element Simulation in Surface and Subsurface Hydrology, Academic Press, New York. SCHWILLE, F., BERTSCH, W., LINKE, R., REIF, W., ZAUTER, S. (1988). Dense Chlorinated Solvents in Porous and Fractured Media. CRC Lewis Publishers. Chelsea, p. 176 Ilus. SJÖDAHL, P. (2006). Rezistivity investigation and monitoring for detection of internal erosion and anomalous seepage in embankment dams. Doctoral Thesis. Faculty of Engineering at Lund University. SPOSITO, G. (1969). The Chemistry of Soils, Oxford University Press, New York. STOKLÁSEK, R. (2008). Impedance meter Z-meter 02A. In: EUREKA 2008, ISBN 978-80-2143687-9, 116 s. LVV ÚVST FAST VUT v Brně. SWARTZENDRUBER, D. Modification of Darcys Law for the Flow of Water in Soil. Soil Sci. 93, 1, 1962: 22 – 29. SWARTZENDRUBER, D. The Flow of Water in Unsaturated Soils. In: Flow Through Porous Media (ed. R. J. M. de Wiest), New York – London, Academic Press 1969: 215 – 292. ŠOLTÉSZ, A., BAROKOVÁ, D., HAŠKOVÁ, L. (2007). Optimalizácia vodného režimu na Medzibodroží. Acta hydrologica slovaca 8. 2: 173-181. ŠOLTÉSZ, A. (2006). Hydrologicko-hydraulická analýza odvedenia vnútoných vôd na Východoslovenskej nížine. 1. vyd. Bratislava: STU v Bratislave, 109 s. ISBN 80-227-2427-0. US Salinity Laboratories (USSL), California, USA (národní laboratoř): (programy a databáze pro nenasycenou zónu), http://www.ars.usda.gov/pwa/riverside/gebjs/ WILSON, J. L. A KOL. (1990). Laboratory Investigation of Residual Liquid Organics from Spills, Leaks, and the Disposal of Hazardous Wastes in Ground Water. Ada, OK : U.S. Environmental Protection Agency, Robert S. Kerr Environmental Research Laboratory, EPA Report 600/690/004. WU, J. Y. A KHERA, R. P. (1990).” Properties of a Treated-Bentonite /Sand Mix in Contaminant Environment. Physic-Chemical Aspects of Soil and Related Materials”, ASTM STP 1095, K. B. Hoddinott and R. O. Lamb, Eds., American Society for Testing and Materials, pp. 47-59. ZEHNULA, K. (1983). Snímače neelektrických veličin. SNTL, Praha 1983.
29
ABSTRACT The habilitation paper describes the use of the multi-electrode geoelectromagnetic method of impedance spectrometry (EIS). The method, including the designed and constructed measuring instruments, has been applied in monitoring time and spatial changes impedance of water-loaded soils. The measuring instruments with the Z-meter device and relatively simple measuring probes enable single- as well as multi-frequency analysis to be made. They enable the frequencydependent reactance to be measured, respect the requirements made on electromagnetic measuring methods and maintain their properties (sensitivity, stability, accuracy, reproducibility). Research was conducted at two levels, namely of laboratory investigation and of verification of findings by monitoring in the conditions of the real environment at the selected sites. The goal of research and design implementation was the application of the instruments in water-management practice. The modular designed instrument has proved the suitability of using in two different connections (two- and four-terminal), the choice of which is the first delimiting parameter for the application field. When using the equipment, it is necessary to pay attention to the measuring electrodes and the technique of their installation in soil, the measured environment and the purpose for which the measuring instrument is used. Because it was required to identify position of changes, the measuring instrument was applied with vertically divided pair sensors. For the task of sensing the course of the water level in soil, the two-terminal connection was used. It is sufficiently accurate and sensitive, the soil is not distinctly disturbed and its properties are not changed during the installation of the electrodes, and the obtained results are clearly reproducible. The essential condition of the elimination of parasitic effects is the close contact of the measuring electrode with the soil and the position stability of the electrodes. If the set is not calibrated with respect to the environment (resistivity of rocks, compactness, structure, composition, moisture, etc.) before its application, it is appropriate to carry out the relative evaluation of changes of measured parameters, which are impedance Z, electric resistance R or apparent resistivity ρ, resp. electrical conductivity G or apparent conductivity σ of the soil against the initial measurement. The experiments made so far in the laboratory conditions have proved the possibility of monitoring transient processes and the capability of detecting the different materials and their structure (confirmed only for very small spacing of the measuring electrodes). In combination with the results of other geophysical methods as well as proving holes and pits (it is important to collaborate with a first-class laboratory of soil mechanics), it is possible by measuring the fields of electrical conductivity to monitor soil changes due to a water load, to locate places of inhomogeneities, to monitor their time changes and to propose further procedures in maintaining or repairing earth dikes. The negotiations with enterprises dealing with practical applications has shown that the use of the developed measuring technique based on the measurement of impedance appears for many applications as a reasonable alternative to monitor processes active in soils when loaded with water. The possibilities of the use of EIS method are find thru international projects E!3838 and E!4981 in EUREKA program not only in Czech Republic, but with cooperation of partners of the projects in Switzerland, Italy, Slovak Republic, Belgium, Cyprus and newly in Germany and Austria.
30
