ACTA HYDROLOGICA SLOVACA

Transkript

1 Ročník 12, č. 2, 2011, ACTA HYDROLOGICA SLOVACA MONITOROVÁNÍ ZMĚN VLHKOSTI PŮDY METODOU EIS Jana Pařílková, Marie Fejfarová, Zbyněk Zachoval, Ivo Pavlík Mezi základní veličiny charakterizující půdy patří vlhkost, která se stanovuje různými metodami a postupy. Jednou z metod, která umožňuje stanovit vlhkost půdy, je i elektrická impedanční spektrometrie (EIS), která náleží mezi nepřímé elektrické měřicí metody. Byla úspěšně aplikována při sledování vybraných fyzikálních procesů probíhajících v zeminách a horninách v důsledku jejich zatěžování vodou. Informace o probíhajících změnách spojených se změnou elektrické vodivosti je nejčastěji podána formou map impedance resp. konduktivity. Metoda je zkoumána v souvislosti s realizovanou měřicí aparaturou sestávající z přístroje Z-metr, měřicích sond a speciálního uživatelského programového vybavení. Příspěvek uvádí příklady výsledků dosažených v souvislosti s řešením optimalizace závlah v areálu golfového hřiště ve Svratce. KĽÚČOVÉ SLOVÁ: elektrická impedanční spektrometrie, konduktivita, přístroj Z-metr, půdní vlhkost, hnojení, zavlažování, monitoring MONITORING OF SOIL MOISTURE CHANGES USING EIS. One of the basic quantities characterizing the soil is moisture, which is determined by different methods and procedures. The method of electrical impedance spectrometry (EIS) is indirect electrical measuring method. It was successfully applied in the monitoring of some physical processes occurring in soils and rocks as a result of water loads. Information about ongoing changes, it is usually made on a form of maps or impedance resp. conductivity. The method is examined in the context of realized measurement apparatus consisting of a Z-meter device, measuring probes and a special user software. The paper presents examples of results achieved in solving the optimization of irrigation to the golf course in Svratka. KEY WORDS: electrical impedance spectrometry, conductivity, Z-meter device, soil moisture, drought, irrigation, monitoring Úvod Při sledování procesů probíhajících v porézním prostředí reprezentujícím půdní a horninové vrstvy (Císlerová, 2008) je především nutno uvědomit si jeho komplikovanost. Jedná se o třísložkový systém, v němž pevnou složku zastupují organické částice, půda, zemina, zvětralá hornina a skalní podklad, kapalná složka je reprezentována zpravidla vodou a vodnými roztoky, a dále jinými s vodou nemísitelnými kapalinami (např. ropa, minerální oleje) a konečně plynnou složku představuje vzduch, aerosoly a ostatní plyny. Z hlediska proudění a transportu látek je pórovitý materiál zahrnující pevné složky půd či zemin tvořen složitým systémem pevných částic odlišných geometrických a fyzikálně-chemických vlastností a pórů. Geometrie pórů je velmi obtížně popsatelná, některé póry jsou propojeny, jiné nejsou. Důsledkem propojení pórů je zajištěna prostupnost systému pro tekuté složky (plyny, kapaliny), které jej zcela zaplňují. Propustnost lze odvodit z geometrie pevné složky a je např. výchozí veličinou pro stanovení hydraulické vodivosti (Gueddouda, 2008). Pohyb tekutých složek závisí nejen na vlastnostech pevné složky, vlastnosti povrchu pevné složky se uplatňují při možných mezisložkových výměnných reakcích a jsou rovněž parametrem ovlivňujícím rychlost proudění, ale také na vlastnostech přítomných tekutých složek a jejich složkových rozhraních. Za nejdůležitější charakteristiky každé jednotlivé tekuté složky lze považovat její hustotu a dynamickou viskozitu. Uvedené veličiny jsou určující z hlediska pohyblivosti jednotlivých tekutých složek. Charakteristikami rozhraní jednotlivých složek jsou povrchové napětí, úhel smáčivosti, dále parametry zohledňující možné přecho- 229

2 Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, dy mezi složkami (např. odpařování) a další. Pórový prostor je zpravidla vyplněn jednou složkou plynnou a jednou či více složkami kapalnými (Baumann, 2004). Podle objemu přítomné kapalné složky v póru se definuje stupeň nasycení, neboli saturace (Lamboj, 2005). Na základě stupně nasycení se charakterizuje porézní prostředí jako suché, zavlhlé, vlhké, velmi vlhké nebo nasycené např. vodou. Vlhkost porézního prostředí je proto jednou z charakteristických veličin, která významně ovlivňuje řadu jeho dalších fyzikálních parametrů např. permitivitu, rezistivitu (Fenton, 2005). Využívá se i při popisu půd, zemin a hornin (Šoltész, 2006), (Šútor, 2007), (Štekauerová, 2009). Půdní vlhkost se v průběhu roku výrazně mění (Kott, 2003), (Šoltész, 2007). Dynamika vlhkosti půdy souvisí s prouděním vody v půdě tj. je závislá na typu půdy a aktuálním obsahu vody (Chen, 2006). Není-li uvažováno proudění saturovaným prostředím, je možno konstatovat, že se zvyšuje směrem k povrchu (Kutílek, 2004), na němž jsou změny nejpatrnější, a to i v důsledku klimatických změn (Metelka, 2009). Změny vlhkosti na povrchu půdního profilu mohou nepříznivě ovlivnit detailní geofyzikální měření realizovaná v rámci mělkých hydrogeologických, inženýrskogeologických či archeologických výzkumů. Na druhou stranu znalost aktuální hodnoty půdní vlhkosti může přispět například k přesnějšímu stanovení objemové aktivity radonu nebo napomoci interpretovat výsledky odporových a georadarových měření apod. (GF Instruments, s.r.o.). Na základě jednání se zástupci Golf Clubu Svratka 1932, které proběhlo na podzim roku 2007, bylo rozhodnuto o osazení sond monitorovacího systému pracujícího s nepřímou metodou elektrické impedanční spektrometrie (EIS) na golfové hřiště ve Svratce. V roce 2008 byl zahájen monitoring půdní vlhkosti v podloží travního krytu na golfovém hřišti (Pavlík, 2009). Získané výsledky slouží k zjištění hydrologických souvislostí na území hřiště a v jeho okolí, vlivu atmosférických změn, zavlažování popř. hnojení, a to jak v povrchové vrstvě, tak i v podložních vrstvách zemin ve sledovaném areálu. Výsledky lze aplikovat při optimalizaci zavlažování travnatých ploch golfového hřiště (jamkovišť a drah). Měření půdní vlhkosti nejčastěji užívané nepřímé měřicí metody Přímá měření půdní vlhkosti jsou velmi pracná. Proto jsou často nahrazována metodami nepřímými, které vycházejí ze závislosti půdní vlhkosti na jiné fyzikální veličině (Alston, 1997). Zde se velmi často jedná o měřicí metody elektrické (především odporové, kdy se k měření užívá stejnosměrné napětí, impedanční, kdy se k měření užívá střídavé napětí) a elektromagnetické (zpravidla se měří indukce). Obecně lze konstatovat, že uvedené metody jsou poměrně přesné a spolehlivé, avšak zařízení jsou často velmi drahá a stejně náročná jsou i na kvalifikovanou obsluhu a vyhodnocení měře- ných dat. Na základě elektrických odporů lze dále interpretovat hranice jednotlivých vrstev půdního profilu a posoudit jeho vlastnosti (Wu, 1990). Např. lze určit relativní propustnost (kolísání obsahu jílovité a písčité frakce), neboť jíly mají obecně ve srovnání s písky a štěrky výrazně nižší elektrické odpory. Podobně lze kolísání elektrických odporů v půdách použít pro mapování míst rozdílných vlhkostí (Gomboš, 2009), avšak za předpokladu, že je materiál z hlediska elektrických odporů homogenní. Oblasti snížených elektrických odporů potom odpovídají místům se zvýšenou vlhkostí. Využívá-li se k měření střídavého signálu, lze měřicí aparaturu charakterizovat jako impedanční a stanovit až čtyři parametry reálnou a imaginární část, modul a fázi. Pomocí uvedených parametrů lze získat charakteristiky, které umožňují vyhodnotit jinými metodami nedetekovatelné změny v půdním prostředí, které mají vliv na měřený parametr. Mezinárodními projekty E!3838 a E!4981 je řešena měřicí aparatura aplikující metodu elektrické impedanční spektrometrie, o čemž je pojednáno dále. Fyzikální podstata metody elektrické impedanční spektrometrie Základním principem metody elektrické impedanční spektrometrie (dále 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. Jestliže elektrický odpor (rezistance) R rezistoru charakterizuje vlastnosti půd a zemin v obvodu stejnosměrného proudu, impedance Z charakterizuje vlastnosti půd a 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 Z. (1) I Hodnoty impedance jsou, stejně jako hodnoty rezistance R v případě stejnosměrných obvodů, vyjádřeny v ohmech [ ]. Frekvenční charakteristiku impedance Z lze vyjádřit jako funkci komplexní proměnné v algebraickém (složkovém) tvaru Z R j X, (2) 230

3 Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS kde R je rezistance (elektrický odpor) tvořící reálnou část impedance nezávislou na frekvenci, imaginární složka impedance X je reaktance, která se mění s frekvencí. Modul vektoru impedance Z lze vyjádřit užitím Pythagorovy věty a to ve tvaru 2 2 Z R X (3) a fázový posuv je vyjádřen vztahem X arctan. (4) 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) X L a kapacitanci (reaktance kapacitoru) X C jednotlivých prvků obvodu střídavého proudu. 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 půdách a zeminách ukázalo vhodnějším. Koncepce přístroje Z-metr Metodika měření impedance půdního profilu v jeho složitosti vychází z následující úvahy. Nechť jsou do zeminy paralelně instalovány dvě elektrody ve vzájemné vzdálenosti l. Elektrody tvoří jeden snímač sondy EIS. 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 se 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 hodnota 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. Při sledování vlhkosti v půdním profilu golfového hřiště byl využit Z-metr, který byl realizován projekty mezinárodního programu EUREKA (Pařílková, 2008). Přístroj umožňuje on-line měření, kdy jsou měřená data průběžně odesílána na vestavěný Universal Serial Bus (dále USB port). Tento režim však vyžaduje stálé připojení počítače (dále jen PC Personal Computer) a síťového napájení. Pro měření v terénu a dlouhodobé experimenty je proto nevýhodný a vzhledem k napájení mnohdy i nemožný. Proto je přístroj vybaven interním zdrojem realizovaným 12 V olověným akumulátorem. Realizované datové rozhraní umožňuje archivovat naměřená data přímo v přístroji nebo na CF kartu pro možnost pozdějšího hromadného načtení do PC a vzdálený přístup. Jednotlivé moduly umožňují komunikaci prostřednictvím sítě internet (LAN), sítě Wi-Fi poskytovatele internetového připojení nebo pomocí sítě některého GMS operátora. Přístroj umožňuje měření půdního profilu 128 sondami, které jsou přepínány integrovaným elektronickým přepínačem (MUX). Proces měření impedance je řízen modulem řídicí jednotky. Programové vybavení přístroje Z-metr je tvořeno dvěma programovými bloky, obslužným programem Z-Scan pro ovládání přístroje pomocí nadřazeného PC, a programem zabudovaného signálového procesoru. Zapojení a realizace měřicích sond Z fyzikálního hlediska lze sondy metody EIS charakterizovat jako pasivní snímače, které při působení měřené veličiny mění svoji charakteristickou vlastnost, která potom ovlivní tok elektrické energie. Změna vlastnosti je proto mírou hodnoty měřené neelektrické veličiny. Z hlediska zapojení bylo při měření využito dvousvorkové zapojení při dodržení zásady těsného kontaktu snímače sondy s obklopujícím prostředím. Dvousvorkové zapojení neeliminuje vliv úbytků napětí na odporu přívodních kabelů a na přechodových odporech mezi snímači a měřeným prostředím, avšak pro změny sledované impedance způsobené změnou vlhkosti půdního profilu je dostatčně citlivé a přesné. Měřič impedance obsahuje zdroj budicího proudu Ic a jednotku měřiče Z. Vyhodnocená impedance měřená mezi svorkami 1 a 2 zahrnuje kromě zjišťované impedance Z x ještě parazitní impedance přívodních kabelů Z c a přechodové impedance Z t 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 Z Z Z Z. (5) x C1 C2 T1 T 2 Sondy byly konstruovány v délkách potřebných pro monitorování změn probíhajících v hloubkách do 2,0 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. 12.). U řešení vertikálně dělených měřicích sond se střídá elektricky vodivá (nerezová trubka průměru 0,025 m 231

4 Délka [cm] 180 cm 140 cm 135 cm 105 cm 105 cm 95 cm 90 cm 75 cm 60 cm 55 cm Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, s tloušťkou stěny 0,002 m a volitelnou délkou, byla realizována v délkách 0,05 m, 0,10 m a 0,15 m) a nevodivá část (polyamid s tloušťkou stěny 0,005 m a volitelnou délkou v rozsahu 0,05 m až 0,20 m). Charakteristika sledované lokality Golfové hřiště Svratka se nachází v chráněné oblasti Žďárské vrchy v nadmořské výšce kolem 700 m n. m. Část hřiště směrem k Louckého kopci je rovinatějšího charakteru, část směrem k zámečku Karlštejn je výrazně svažitá (obr. 2). Území, na němž se lokalita nachází (Czudek, 1972), (Michlíček, 1986), je tvořeno dvojslídnými ortorulami moravského moldanubika. Kvartérní pokryv tvoří produkty zvětrávání podložních skalních hornin. Hřiště bylo zbudováno místními umělci v letech jako přírodní hřiště, tzn. byly při jeho výstavbě výhodně uplatněny znalosti místních hydrogeologických poměrů. Při výstavbě jamkovišť byly použity přirozené prameny k zavlažování, při tvarování drah bylo využito přirozené členitosti terénu, a proto nebyla skryta a nahrazena půdní povrchová humózní vrstva. Vzhledem k nešetrným zásahům při výstavbě areálu přilehlého rekreačního střediska v 80-tých letech minulého století byly výkopovými pracemi hydrologické poměry značně narušeny přirozené prameny byly odvedeny a v současné době vyvěrají a lokálně podmáčejí některé části golfového hřiště a naopak některé části zůstávají suché. Proto byl na golfovém hřišti v roce 2005 vybudován a spuštěn do provozu automatický zavlažovací systém odpališť, drah a jamkovišť. V souvislosti se spuštěním zavlažování se na hřišti prohloubila problematika podmáčených míst a bezodtoké oblasti, kde se voda nevsakuje. Proto zde byly osazeny vlhkoměry EIS pro objasnění původu vzniklých obtíží popř. usnadnění řešení uvedených problémů. Výsledky provedených průzkumných prací Provedenými sondami byla ověřena skladba zemin a horizont skalního podloží. Na základě zjištěných výsledků bylo zájmové území rozděleno na 6 rozlišných celků (Obr. 3.), resp. 12 oblastí, do nichž byly instalovány sondy pro měření metodou EIS (Obr. 4.). Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4 Typ 5 Typ 6 Typ 7 Typ 8 Typ 9 Typ 10 Obr. 1. Fig Počet Navržený Délka celkem Počet snímačů Délka [cm] 150 snímačů počet kusů [m] celkem 155 Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ , Typ Typ , Typ ,4 48 Celkem 82 84,6 396 Vertikálně dělené sondy s proměnnou délkou snímačů instalované na golfovém hřišti. Vertically divided probes with a variable length of sensors, installed on a golf course. 232

5 Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS Obr. 2. Fig. 2. Situace s vyznačením zájmového území (zdroj: Layout plan with the marked area of interest (source: Obr. 3. Rozdělení zájmového území do zón dle charakteristik zjištěných průzkumem (legenda: velké číslice značí číslo zóny, malé číslice v bílém poli značí číslo jamkoviště). Fig. 3. Division of the area of interest into zones according to the characteristics identified by the survey (legend: large numbers designate the number of the zone, small numbers in the white square designate the number of the putting green). Obr. 4. Fig. 4. Situace monitorovaných oblastí sondami metody EIS. Layout plan of the areas monitored by probes of the EIS method. 233

6 Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, Ve všech částech je pod travním krytem vrstva humózního hlinitého písku až písčité hlíny, pod kterou se nachází souvrství hlinitých písků eluviálního, ve svažité části deluvioeluviálního původu s úlomky mateční horniny. Obsah jemnozrnné frakce se v jednotlivých částech zájmového území odlišuje, a to poměrně výrazně. Taktéž se významně liší podíl úlomků horniny. V podloží se nachází ruly různého stupně zvětrání překryté vrstvou eluvia charakteru převážně hlinitého písku s úlomky mateční horniny. Po ploše území se výrazně odlišuje hloubka skalního podkladu od úrovně terénu. Za nejvlhčí oblast zájmového území lze označit zónu 1, kde v obou částech dochází k častému podmáčení a vývěrům vody z podloží. Geologicky je pod pokryvnou vrstvou ornice souvrství svahových písčitých hlín až hlinitých písků, horizont skalního podloží je poměrně hluboko (1,5 m 3,5 m) a vzhledem k jeho značné zvětralosti se jedná pravděpodobně o poruchovou zónu. Zóna 2 je rovinatého charakteru, geologické a hydro- geologické poměry jsou ovlivněny blízkostí skalního podloží (0,5 m 1,0 m), jedná se o nejsušší oblast z celého území, lokálně se v části zóny nachází i bezodtoká málo propustná oblast, kde se v době dlouhodobě zvýšených srážkových úhrnů voda nevsakuje a na travnatém povrchu dráhy i jamkoviště tvoří louže (Obr. 5.). Zóna 3 je tvořena bočním svahem, skalní podloží je uloženo 1,0 m 2,0 m pod úrovní terénu a na něm se nacházejí místy i svahové hlíny s jemnozrnnější příměsí, ve kterých dochází v zastíněné části vlivem zavlažování a srážek k občasnému rozbřídání zemin a odtrhávání travního koberce pracovními stroji při údržbě hřiště. Zóna 4 (Obr. 6.) je suchou částí lokality, skalní podloží je v úrovni 1,5 m 2,0 m pod terénem a kvartérní povrch tvoří vysoce propustné písčité svahové hlíny. Hladina podzemní vody byla zastižena v oblasti blížící se patě svahu a její úroveň koresponduje s úrovní vývěru vody v zóně č. 1. Obr. 5. Zóna 2 s vyznačením osazených sond, detail z osazování sondy E04. Fig. 5. Zone 2 with marking the installed probes, a detail of installing probe E04 (right). Obr. 6. Vyznační monitovaných profilů v zóně 4 (v popředí) a v části zóny 1 (pod patou svahu), monitorování v profilu E11. Fig. 6. Monitored profiles marked in Zone 4 (in the forefront) and in a part of Zone 1 (below the base of the slope) (left) and monitoring in profile E11 (right). 234

7 Měrný elektrický odpor [Ω] Teplota [ C] Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS Zónou 5 prochází vodoteč, která výrazně ovlivňuje místní poměry. V této oblasti jsou místa s proměnlivou vlhkostí, dochází zde k občasnému rozlévání vodoteče a tím i podmáčení okolí. Skalní podloží je poměrně hluboko (hlouběji než 1,5 m) a je překryté vrstvami písčitých hlín s lokálně zvýšeným podílem jemnozrnných částic. Výsledky a jejich diskuze Jak již bylo uvedeno, dělení sond (Obr. 1.) a jejich délka byly navrženy na základě výsledků provedeného hydrogeologického a inženýrskogeologického průzkumu. Na lokalitě byly osazeny koncem roku 2008 a počátkem roku V závislosti na účelu měření a úrovni skalního podloží bylo navrženo deset typů sond, jejichž délky se pohybují v rozmezí 0,55 m 1,80 m. Počty snímačů jsou od 3 do 11 na jedné sondě. Celkem bylo na lokalitě osazeno 33 sond s celkovým počtem 161 snímačů, tj. 322 elektrod. Vyhodnoceny jsou především průběhy reálné složky měřených impedancí elektrické odpory R, popř. jejich převrácené hodnoty elektrické vodivosti G, neboť v nich se promítá změna vlhkosti v měřených profilech. Měření sondami EIS je na jednotlivých typech prováděno v předem určených režimech. V rámci dlouhodobého režimu je sledována změna elektrického odporu v profilu jedenkrát měsíčně v celém období hydrologického roku. Monitoring je zaměřen na sled kolísání hladiny podzemní vody a změny vlhkostí vlivem celoročních změn povětrnostních podmínek. Dále byl zaveden denní režim, jehož účelem je sledování období s dlouhodobými srážkovými extrémy období beze srážek a období s dlouhodobým zvýšeným srážkovým úhrnem. Období denního sledování je určeno na základě meteorologické předpovědi srážkových úhrnů s předpokládanou délkou trvání 1 až 2 týdny. Posledním zvoleným režimem je tzv. průběžné monitorování, kdy se provádí odečet hodnot v rámci několikahodinových intervalů. Sleduje se jednak dosah ovlivnění půdní vlhkosti po přívalových deštích průsak, kumulace vlhkosti, vysychání, dále také ovlivnění vlhkosti vlivem zavlažování. Výsledky tohoto sledování slouží pro průběžnou optimalizaci zavlažování travnatých ploch. Průběžný režim sledování se provádí na snímačích s podrobným členěním v obdobích o délce tří dnů. Níže jsou uvedeny příklady výsledků monitorování v jednotlivých režimech z roku Prvním sledovaným obdobím byl týden od 11. do 16. července. Z hlediska dlouhodobých klimatických charakteristik (období let 1961 až 1990) se jedná o období charakterizované normální průměrnou měsíční teplotou 15 C a normálním měsíčním úhrnem srážek 91,4 mm. Červenec představuje spolu s červnem a srpnem v daném regionu srážkově nejbohatší měsíce (zdroj meteorologická stanice Svratouch). V období monitoringu půdní vlhkosti nebyly zaznamenány žádné srážky. Teploty měřené v prostoru golfového hřiště se v tomto období pohybovaly v rozmezí 35 C (denní) až 16 C (noční). To znamená, že průměrné denní teploty byly významně vyšší, než dlouhodobý teplotní normál. Měření byla realizována v intervalech 2 hodin 4 hodin po celé sledované období. Zvláštní pozornost byla věnována době před spuštěním a po ukončení činnosti zavlažovacího systému, tedy cca od 22:00 do 02:00 hodin z důvodu zachycení vlhkostních extrémů. Při každém měření byla odečítána rovněž teplota vzduchu, při zavlažování byl nainstalován srážkoměr, kterým byl orientačně odečítán sloupec vody v mm dodaný do půdního pokryvu. Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 04 Golfové hřiště Svratka - jamka č. 4 Měřící zařízení: Z - metr 4, , , , , , , ,50 5 0, : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Datum měření 0 E E E E E E zavlažování teplota Obr. 7. Graf průběžného sledování sondy E04. Fig. 7. Graph of periodical monitoring by probe E

8 Měrný elektrický odpor [Ω] Teplota [ C] Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 06b Golfové hřiště Svratka - jamka č. 2 Měřící zařízení: Z - metr 4, , , , , , , ,50 5 0, : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Datum měření : : : : : : : : : : : : : : :00 0 E 06b 01 E 06b 02 E 06b 03 E 06b 04 E 06b 05 E 06b 06 zavlažování teplota Obr. 8. Graf průběžného sledování sondy E06. Fig. 8. Graph of periodical monitoring by probe E06. Příklad výsledku monitorování je uveden pro profily E04 a E06 po dobu sledovaného období včetně vyznačení zavlažování (Obr. 7. 8). Je zřejmé, že nejvýznamnější změny vlhkostního režimu půdy se odehrávají v dosahu do cca 0,25 m od povrchu. Pokles obsahu půdní vody se projevuje zvýšením elektrického odporu R v období zvýšené evapotranspirace. Po aplikaci závlah se ve výrazných vlnách projevuje jeho snížení především u nejvýše umístěných snímačů. S hloubkou se amplituda změn zmenšuje. V případě profilu E04 je patrné zmenšení odpoledního extrému po zvýšení množství vody dodávané zavlažovacím systémem (od ). V místech měřicích bodů, kde sondy zasahují až do oblasti rozhraní půdního pokryvu (respektive eluvia) a matečné horniny (skalního podloží) se projevuje zvyšování vlhkosti i na rozhraní půda/matečná hornina (eluvium/sklaní položí). Ke zvýšení vlhkosti (poklesu měřeného elektrického odporu) dochází ovšem právě jen na tomto rozhraní nikoliv na mezilehlých měřicích bodech mezi mělce podpovrchovou oblastí a sklaním nadložím. Křivky bodů z mezilehlého hloubkového horizontu jsou bez projevů změn půdní vlhkosti. Zvýšení vlhkosti na rozhraní půda/matečná hornina bylo zaznamenáno v měřeném profilu E06 (Obr. 8. sonda E06 snímač 06), kde byly zjištěny písčité půdy s velmi vysokou propustností. Zvyšování vlhkosti na rozhraní půdy a matečné horniny ukazuje na možnost vzniku hypodermického (podpovrchového) odtoku v místě sondy. Vzhledem k tomu, že není zaznamenána výraznější změna vlhkosti v půdním profilu, dochází pravděpodobně v místě profilu k průtoku vody infiltrované v širším okolí. Sledováním změn vlhkosti v profilu E15 (Obr. 9.) bylo ve sledovaném období zjištěno výrazné kolísání hodnot do hloubky cca 0,35 m, a to i mezi dvou až čtyřhodinovými intervaly měření v průběhu celého dne bez výrazné závislosti na množství vody dodané závlahovým systémem (tato voda ihned prosákne a tím nedojde ke snížení elektrického odporu v podpovrchových vrstvách). Tento jev je zcela evidentně způsoben vysokou propustností podložních písčitých zemin a blízkostí skalního podloží. Sledováním odporu zeminy v profilu E11 během uvedeného období (Obr. 10.) bylo ověřeno, že voda dodaná závlahovým systémem výrazněji neovlivňuje vodivost prostředí. Tím byl potvrzen předpoklad blízkosti hladiny podzemní vody pod úrovní terénu. Z hlediska vodní bilance půdy má tedy větší význam kapilární vzlínání podzemní vody z její hladiny než dodatková závlaha. Před dalším sledovaným obdobím ( ) došlo k výrazným změnám meteorologických podmínek. Příchod vytrvalých srážek a přívalových dešťů měl za následek výrazné ochlazení, denní i noční teploty v tomto období oscilovaly mezi 10 C a 15 C. Těchto podmínek bylo též využito pro aplikaci hnojiva na jamkoviště. V souvislosti s aplikací hnojiva byly sledovány změny vodivosti prostředí při téměř neměnné vlhkosti v daném období. Experimentálně byla ověřena změna vodivosti vody oproti 0,5 % roztoku hnojiva ve vodě. Z provedeného měření bylo zjištěno, že po aplikaci hnojiva došlo ke 20 násobnému snížení měrného elektrického odporu resp. ke 20 násobnému zvýšení vodivosti. Jak se projevila změna vodivosti podloží jamkovišť v období je patrné z monitorování profilu E04 (Obr. 11.), který se nachází v těsné blízkosti jamkoviště č. 4. Sledováním profilu E04 bylo zjištěno, že aplikace hnojiva výrazně ovlivňuje vodivost prostředí, a to nejen 236

9 Měrný elektrický odpor [Ω] Teplota [ C] Hloubka snímače [m] Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS Průběh měrného odporu R po hloubce Monitorovaný profil E 15 Golfové hřiště Svratka - jamka č. 3 Měřící zařízení: Z - metr v povrchových vrstvách, které jsou hnojivem nejvíce ovlivněny, ale v důsledku vertikálního pohybu vody s rozpuštěným hnojivem je ovlivněna i vodivost v úrovních vzdálenějších od povrchu. Avšak ve větší hloubce dochází v poměrně krátkém časovém intervalu k návratu na původní hodnoty vodivosti na rozdíl od podpovrchových vrstev (do hloubky 0,15 m 0,20 m). Zde doba ovlivnění vodivosti hnojivem nebyla zjištěna, neboť nebyly po celou dobu rozpadu hnojiva zachovány konstantní atmosférické podmínky. Lze však odhadovat, že tato doba bude záviset na složení použitého hnojiva, a také na rychlosti rozpouštění granulí hnojiva (při výživě travních pokryvů je užíváno několik rozlišných druhů hnojiva v závislosti na roční době, zátěži povrchu provozem a atmosférických podmínkách). Je možno vyvodit předpoklad, že doba ovlivnění vodivosti prostředí vlivem účinků hnojiva se může pohybovat řádově od několika dní do cca 2 týdnů. Vnější zásahy, které ovlivňují vodivost sledovaného prostředí, je nutné monitorovat a počítat s tímto ovlivněním při interpretaci změny vlhkosti z naměřených hodnot měrného odporu. V chladném a deštivém období nedocházelo k výraznějším změnám vlhkosti podloží. Výraznější změny byly zaznamenány pouze ve vrstvě přímo pod travním krytem. Tento trend byl ověřen i při sledování dalšího období na počátku měsíce srpna, které mělo obdobný charakter (vysoký úhrn srážek, teploty 12 C 22 C). Pro srovnání z uvedeného období jsou uvedeny pouze výsledky sledování téhož profilu E04 (Obr. 12.). Z grafu je zřejmé, že změny vlhkosti podloží prakticky nebyly zaznamenány. Posledním obdobím, v němž proběhlo intenzivní monitorování, byl interval ,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6 Měrný elektrický odpor [Ω] 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30, : : : : : : : : : : : : : : : : : :23 Obr. 9. Graf průběhu měrného odporu po hloubce - sonda E15. Fig. 9. Graph of the pattern of resistivity along depth - probe E15. Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 11b Golfové hřiště Svratka - jamka č. 4 Měřící zařízení: Z - metr 4, , , , , , , ,50 5 0, : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Datum měření 0 E 11b 01 E 11b 02 E 11b 03 E 11b 04 E 11b 05 E 11b 06 zavlažování teplota Obr. 10. Graf průběžného sledování sondy E11. Fig. 10. Graph of the periodical monitoring by probe E

10 Měrný elektrický odpor [Ω] Teplota [ C] Měrný elektrický odpor [Ω] Teplota [ C] Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, ,50 Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 04 Golfové hřiště Svratka - jamka č. 4 Měřící zařízení: Z - metr 35 3, , , , , ,50 5 0, : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Datum měření 0 E E E E E E aplikace hnojiva teplota Obr. 11. Graf sledování sondy E04 před a po aplikaci hnojiva. Fig. 11. Graph of monitoring by probe E04 before and after the application of a fertilizer. Časový průběh měrného odporu R Monitorovaný profil E 04 Golfové hřiště Svratka - jamka č. 4 Měřící zařízení: Z - metr 3, , , , , ,50 5 0, : : : : : : : : : : : :00 Datum měření E E E E E E teplota Obr. 12. Graf průběžného sledování sondy E04. Fig. 12. Graph of periodical monitoring by probe E04. Také v tomto období se teploty pohybovaly v rozmezí 11 C 18 C, celkový úhrn srážek byl však mírně nižší. Výsledky monitoringu vlhkostí byly velmi podobné výsledkům z období na počátku srpna. Během roku 2010 probíhalo rovněž na všech instalovaných sondách dlouhodobé sledování, a to v pravidelných měsíčních intervalech v období duben říjen. V měsíci červnu a měsíci září se odečet dat nepodařilo realizovat z provozních a technických důvodů. Profily E13 a E14 jsou umístěny na jamce č. 2 nedaleko od sebe, ale jsou zde patrné rozdíly v geologii podloží a také ovlivnění úrovní hladiny podzemní vody, která je v místě sondy E13 téměř konstantní na rozdíl od místa, kde je osazena sonda E14. Zde je propustnější podloží, a tím dochází k výraznému ovlivnění vlhkosti po celém profilu. 238

11 Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS Obr. 13. Dlouhodobé sledování sondy E13 průběh měrného odporu po hloubce. Fig. 13. Long-term monitoring by probe E13 the pattern of resistivity along depth. Obr. 14. Dlouhodobé sledování sondy E14 průběh měrného odporu po hloubce. Fig. 14. Long-term monitoring by probe E14 the pattern of resistivity along depth. 239

12 Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, Obr. 15. Monitoring profilu E23 (noční měření), zavlažování. Fig. 15. Monitoring of profile E23 (nightly measurement) (left) and irrigation (right). Závěr Monitorováním impedance podložních vrstev travního krytu golfového hřiště ve Svratce během roku 2010 byl ověřen zejména vývoj změn vlhkosti v krátkodobém časovém horizontu, a to během období dvou teplotních extrémů. Při suchém horkém období počátkem měsíce července 2010 byla denním i nočním sledováním (Obr. 15) ověřena účinnost zavlažovacího systému. Na základě získaných údajů byly následně upravovány délky intervalů zavlažování. V chladném a vlhkém období bylo ověřeno, že změny vlhkosti při intenzivním sledování jsou zanedbatelné po celé hloubce sledovaného profilu s výjimkou povrchového snímače. Dále bylo ověřeno ovlivnění vodivosti podloží travních krytů vnějšími vlivy aplikace hnojiva. Vnější zásahy, které ovlivňují vodivost sledovaného prostředí, je nutné monitorovat a počítat s tímto ovlivněním při interpretaci změny vlhkosti z naměřených hodnot měrného odporu. Dlouhodobým sledováním všech profilů měly být podchyceny změny úrovně hladiny podzemní vody, což se vzhledem k malému počtu odečtů dat a častému střídání teplotních a srážkových extrémů nezdařilo. Na základě zkušeností a poznatků z uplynulého roku vyplynula nutnost zintenzivnit dlouhodobé sledování pohybů hladiny podzemní vody interval odečtů dat zkrátit na dvoutýdenní. Závěrem je nutné poznamenat, že v průběhu roku 2010 došlo vlivem údržby golfového hřiště ke zničení několika konektorů na sondách, čímž bylo znemožněno pokračování ve sledování dotčených profilů. Ke konci roku 2010 bylo možné pokračovat v monitorování na 23 ze 33 původně osazených sond. Dle výsledků monitoringu je plánováno doplnění sond v roce Intenzivním sledováním budou zpřesněny poznatky získané v roce 2010, a to zejména v suchých a horkých letních obdobích, kdy je naplno využíván zavlažovací systém. Výsledky měření vlhkosti budu vztaženy k herním vlastnostem jamkovišť. Také budou sledovány hypodermické odtoky a jejich možné využití pro odvodnění problematických (často podmáčených) částí hřiště. Poděkování Práce byla realizována za finanční podpory MŠMT České republiky při řešení mezinárodního projektu E!4981 (část českého řešitele OE 10002) v programu EUREKA. Literatura Alston, C., Daniel, D. E., Devroy, D. J. (1997): Design and construction of sand-bentonite liner for effluent treatment lagoon, Marathon, Ontario, Canadian Geotechnical Journal, No. 34, pp Baumann, T., Werth, Ch. J. (2004):. Visualization and Modeling of Polystyrol Colloid Transport in a Silicon Micromodel. Vadose Zone Journal, 3, 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: Cislerova, M., Vogel, T. (2008): Transportní procesy ve vadózní zóně. Skriptum ČVUT Praha, s.111. Czudek, T., (1972): Geomorfologické členění ČSR (Geomorphological division of the CSR). Studia geographica 23. Czechoslovak Academy of Sciences, Brno Institute of Geography. Fenton, G.A., Griffiths, D.V., and Cavers, W. (2005): Resistance factors for settlement design, Canadian Geotechical Journal, 42(5), GF Instruments, s.r.o. Short guide for resistivity and induced polarization imaging. Short guide for electromagnetic conductivity mapping. Firemní materiály. Gomboš, M., Tall, A., Kandra, B., Pařílková, J. (2009): Calibration of Z-meter device for measurement volumetric moisture of soils. EUREKA ISBN , p

13 Pařílková, J. a kol.: Monitorování změn vlhkosti půdy metodou EIS 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. Kott, I., Mozny, M., Valter, J. (2003): Soil climate within excessive Weather Situations. Dresden: 5. BIOMET- Tatung: Agrarmeteorologie, s ISSN , ISBN Kutilek, M., Kuraz, V., Cislerova, M. (2004): Hydropedologie 10. ČVUT Praha, 176 s. ISBN Lamboj, L., Štepanek, Z. (2005): Mechanika zemin a zakládání staveb. Vydavatelství ČVUT. 214 s. Michlíček, E. (1986): Hydrogeologické rajóny ČSR. Svazek 2. Povodí Moravy a Odry. GEOtest Brno. Metelka, L., Tolasz, R. (2009): Klimatické změny: fakta bez mýtů. Univerzita Karlova v Praze, Centrum pro otázky životního prostředí. ISBN 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 Brno. Pavlík, I. (2009): Monitoring of moisture of grass subsoil in the area of golf course in Svratka. EUREKA th working session. ISBN , Šoltész, A., Baroková, D. (2006): Analysis, prognosis and design of control measures of Ground water level regime using numerical modelling, Podzemná voda, XII, SAH, Bratislava 2006, č.2, s Šoltész, A., Baroková, D., Hašková, L. (2007): Optimalizácia vodného režimu na Medzibodroží. Acta hydrologica slovaca 8. 2: Štekauerová, V., Nagy, V., Šútor, J., Milics, G., Neményi, M. (2009): Influence of groundwater level on soil water regime of Žitný ostrov. In V. Növénytermesztési Tudományos Nap - Növénytermesztés: Gazdálkodás - Klimaváltozás - Társadalom. Budapest : Akadémiai Kiadó, 2009, pp ISBN Šútor, J., Gomboš, M., Mati, R., Tall, A., Ivančo, J. (2007): Voda v zóne aerácie pôd Východoslovenskej nížiny. Bratislava - Michalovce : ÚH SAV, s. ISBN Wu, J. Y. a Khera, R. P 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 MONITORING OF SOIL MOISTURE CHANGES USING EIS To monitor changes in soil moisture was used indirect method of measuring electrical impedance spectrometry (EIS). The apparatus, consist from Z-meter device, passive vertically divided probes with different length and user s software, were developed by research projects of EUREKA program. During the year 2010, the monitoring of the impedance of the underlying layers of the grass cover of the golf course at Svratka verified particularly the development of changes in moisture within a short time period during two temperature extremes. During a dry hot period at the beginning of July 2010, the efficiency of the irrigation system was verified by daily and nightly monitoring (Fig. 15). Based on the data obtained, the lengths of the intervals of irrigation were subsequently adjusted. In a cold and wet period, during intensive monitoring, it was verified that changes in moisture were negligible all over the monitored profile except for the surface sensor. Also, we have verified the external effects on the conductivity of the basement of the grass covers the application of a fertilizer. The external effects that influence the conductivity of the monitored environment must be monitored and be taken into account when interpreting changes in moisture from the measured values of resistivity. By the long-term monitoring of all profiles, the changes in the groundwater level should have been recorded, but this could not have been done due to the small number of data readouts and the frequent changing of temperature and precipitation extremes. Based on the experience and knowledge gained from the previous year, a necessity has arisen to intensify the long-term monitoring of groundwater table movements to shorten the interval of data readouts to a two-week interval. 241

14 Acta Hydrologica Slovaca, ročník 12, č. 2, 2011, doc. Ing. Jana Pařílková, CSc. Ing. Zbyněk Zachoval, Ph.D. Ing. Marie Fejfarová Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav vodních staveb, Laboratoř vodohospodářského výzkumu Veveří Brno Česká republika Tel.: parilkova.j@fce.vutbr.cz zachoval.z@fce.vutbr.cz FejfarovaM@study.fce.vutbr.cz Ing. Ivo Pavlík GEOtest, a.s. Šmahova 1244/ Brno Česká republika Tel.: ivo.pavlik@geotest.cz 242