Optimalizace odvodnění stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV GEOLOGICKÝCH VĚD Optimalizace odvodnění stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno Markéta Nohavicová Vedoucí práce: Mgr. Adam Říčka, Ph.D. Brno 2014

2 Bibliografický záznam Autor: Markéta Nohavicová Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav geologických věd Název práce: Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce: Optimalizace odvodnění stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno Geologie Aplikovaná a environmentální geologie Mgr. Adam Říčka, Ph.D. Akademický rok: 2014/2015 Počet stran: Klíčová slova: stavební jáma, Processing Modflow Pro, model proudění podzemních vod, odvodnění, odtokové poměry, chlorované etylény, posouzení kontaminace, Svratka

3 Bibliographic Entry Author Markéta Nohavicová Faculty of Science, Masaryk University Department of Geology Title of Thesis: Degree programme: Field of Study: Dewatering optimalization of the foundation pit of CVIDOS PdF MU Brno Geology Applied and Environmental Geology Supervisor: Mgr. Adam Říčka, Ph.D. Academic Year: 2014/2015 Number of Pages: Keywords: foundation pit, Processing Modflow Pro, groundwater flow model, dewatering, runoff conditions, chlorinated ethenes, evaluation of contamination, Svratka river

4 Abstrakt Na ulici Křídlovická byla hloubena stavební jáma pro výstavbu Centra výzkumných institutů a doktorských studií Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity (CVIDOS PdF MU). Dřívější průzkumy na lokalitě prokázaly kontaminaci saturované zóny chlorovanými etylény. Podstatná část práce se zabývá optimálním navržením odvodnění stavební jámy, jejíž dno leží pod hladinou podzemních vod. Modelovou situací odvodnění s aplikací vodotěsné pažící stěny kolem základů stavby bylo prokázáno celkové snížení přítoku podzemních vod do stavební jámy téměř o polovinu. Z modelu proudění vyplynulo, že založení stavby do terénu změnilo směr proudění podzemních vod, což se projevilo obtékáním základů stavby a výškovou změnou hladiny. Vysoké koncentrace ClE, analyzované v prostoru stavební jámy v průběhu čerpání podzemních vod, byly sníženy vhodnou sanační metodou pod limitní hodnotu, tudíž byla voda zpětně vsakována do horninového systému. Abstract For construction of the Centre of Research Institutes and Doctoral Studies, Faculty of Education, Masaryk Univerzity (CVIDOS PdF MU), the foundation pit was excavate on Křídlovická street. Earlier surveys showed contamination by chlorinated ethenes at the site of the saturated zone. Model situations of drainage applications with waterproof sheeting wall around the foundations of building, was demonstrated by reduction in overall inflow of groundwater into the foundation pit by almost half. From the model of groundwater flow followed that the foundations of building changed the direction of groundwater flow. During the pumping of groudwater from the foundation pit, high concentrations of ClE were analyzed. These high concentration were lowered by appropriate remediation method below the limit value, so water could be soaked back into the rock system.

5

6 Poděkování Na tomto místě bych chtěla poděkovat svému vedoucímu diplomové práce, Mgr. Adamu Říčkovi, Ph.D., za odborné vedení diplomové práce a cenné rady při počítačovém modelování v programu PMWIN. Dále bych ráda poděkovala firmě AQUA ENVIRO s.r.o. za poskytnuté podkladové materiály k práci, zejména mému konzultantovi, Mgr. Leošovi Pilařovi, za ochotnou pomoc při terénním sběru dat a možnost nahlédnout do běžné praxe. V neposlední řadě můj velký dík náleží mým drahým rodičům, kteří mě podporovali ve studiu. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. V Brně dne 14. května 2015 Markéta Nohavicová

7 Obsah 1. ÚVOD LOKALIZACE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ, ZDROJ KONTAMINACE Lokalizace zájmového území Zdroj kontaminace PŘÍRODNÍ POMĚRY ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ Geomorfologické poměry Geologické poměry Proterozoikum Terciér neogén Kvartér Klimatické poměry Hydrologické poměry Hydrogeologické poměry DOSAVADNÍ PROZKOUMANOST ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ CELKOVÁ CHARAKTERISTIKA KONTAMINANTŮ (ClE) Chlorované etylény Charakteristika skupiny chlorovaných etylénů Přehled fyzikálních vlastností chlorovaných etylénů Migrace chlorovaných etylénů horninovým prostředím Reduktivní dechlorace chlorovaných etylénů PETROGRAFICKÝ POPIS PRŮZKUMNÝCH VRTŮ TECHNICKÉ ŘEŠENÍ STAVBY CVIDOS PdF MU METODIKA Terénní etapa Processing Modflow Pro VÝSLEDKY Stručná charakteristika modelových situací Vstupní parametry modelu Kalibrace modelu Simulace čerpaných vrtů Kalkulace přítoků podzemních vod do stavební jámy a optimalizace odvodnění.37 7

8 Odvodnění stavební jámy bez vodotěsného pažení Odvodnění stavební jámy s aplikací vodotěsného pažení Hydrogeologické posouzení vlivu stavby CVIDOS na odtokové poměry Změny rychlosti proudění v okolí stavby Advekční transport kontaminantu v okolí stavební jámy Vyhodnocení kontaminace v rámci sanačního průzkumu stavební jámy Vývoj obsahu kontaminantů v podzemní vodě přitékající do stavební jámy Posouzení kontaminace v řece Svratce DISKUZE ZÁVĚR LITERATURA PŘÍLOHY 8

9 1. ÚVOD V rámci výstavby administrativní budovy Centra výzkumných institutů a doktorských studií Pedagogické fakulty Masarykovy Univerzity Brno (dále jen CVIDOS PdF MU Brno), byl proveden hydrogeologický a sanačně geologický průzkum stavební jámy a nejbližšího okolí. Severovýchodně od stavební jámy se na ulici Křídlovická nachází bývalá chemická čistírna oděvů, která zde figuruje jako zdroj kontaminace podzemních vod. Koncem devadesátých let dvacátého století byla na lokalitě prokázána silná kontaminace horninového prostředí chlorovanými etylény, nicméně nejzávažnější je kontaminace podzemních vod. Před zahájením výstavby CVIDOS PdF MU Brno bylo zapotřebí vyřešit odčerpávání přítokových kontaminovaných vod do stavební jámy a jejich následnou dekontaminaci před zpětným zasakováním do horninového prostředí. Vzhledem k absenci předchozího hydrogeologického průzkumu bylo nutné v prostoru stavební jámy ověřit petrografické složení kvartérních uloženin, ověřit hloubku naražené a ustálené hladiny podzemních vod, hydraulické parametry kvartérního kolektoru a především intenzitu znečištění podzemních vod. Na základě těchto poznatků, informací uvedených v následujících kapitolách práce a za pomoci numerického modelování, je možné posuzovat generelní směr proudění podzemních vod, kalkulovat a následně optimalizovat přítok podzemních vod do stavební jámy, zaznamenat vývoj koncentrací kontaminantů a posoudit ovlivnění odtokových poměrů podzemních vod v okolí stavby. Hlavním cílem práce je ověřit vliv zahloubení stavby na proudění podzemních vod. 9

10 2. LOKALIZACE ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ, ZDROJ KONTAMINACE Lokalizace zájmového území Projektovaná stavba leží v územní městské části Staré Brno, severně od toku řeky Svratky, ve vnitrobloku mezi ulicemi Poříčí, Zahradnická, Křídlovická a Nádvorní (viz obr. 1). Novostavba je situována v místě již zdemolované původní budovy katedry tělesné výchovy Pedagogické fakulty (PdF) a těsně tak navazuje na přilehlou budovu PdF Poříčí 31 a atletické hřiště PdF. Předmětná stavební jáma se rozprostírá na ploše 965 m 2. Vzhledem k cílům práce bylo zájmové území vztaženo k modelované oblasti a celkově rozšířeno na plochu m 2. Celkový pohled na modelované území je zobrazen na obrázku 2. Obr. 1: Přehledná situace zájmového území CVIDOS PdF MU Brno (CUZK, 2014) 10

11 Obr. 2: Celkový pohled na modelované území (plocha m 2 ), CGSGeofond (2014) Zdroj kontaminace Stavební jáma pro založení objektu CVIDOS PdF MU Brno leží v prostoru tranzitního kontaminačního mraku chlorovaných etylénů (ClE), k jejichž úniku došlo v druhé polovině dvacátého století. Zdrojem kontaminace byl areál bývalé prádelny a chemické čistírny na ulici Křídlovická č. p. 28, která byla v provozu od 30. let 20. století do roku K úniku vysoce rizikových chlorovaných etylénu, především perchloretylénu a trichloretylénu, došlo v druhé polovině dvacátého století. Tyto látky byly intenzivně používány při procesu chemického čištění oděvů a rovněž zde docházelo ke svozu a recyklaci z jiných čistírenských provozů. Údaje o celkovém používaném množství látek nejsou k dispozici. S látkami bylo manipulováno na nezabezpečeném terénu a docházelo tak k jejich únikům do horninového prostředí, spodních vod a atmosféry. Hlavní ohnisko kontaminace byl vnější dvůr čistírny, kde byly skladovány nádrže s kontaminanty. Mezi hlavní chemikálie patřil benzín, jenž byl používán jako náplň některých čistících strojů, a perchloretylén, který zde byl recyklován a skladován (Kuchovský & Pašková, 1998). V rámci hydrogeologického průzkumu v druhé polovině 90. let byla vzorkováním podzemních vod zjištěna významná kontaminace látkami typu chlorovaných etylénů. Půdní vzduch i zemina obsahovaly stopové množství nepolárních extrahovatelných látek (NEL) a aromatických uhlovodíků (BTEX). Celková zjištěná kontaminace horninového prostředí 11

12 a podzemních vod byla vyhodnocena jako havarijní a bylo doporučeno okamžité zahájení sanačního zásahu (Štympl & Valeš, 1995, 1996). V červenci roku 2012, před zahájením výstavby objektu, byl proveden sanačně -geologický průzkum a v místě budoucího staveniště, při okraji stavební jámy, byly vyhloubeny dva hydrogeologické průzkumné vrty a odebrány vzorky pro posouzení potencionálních polutantů (Pospíšil et al., 2012). 3. PŘÍRODNÍ POMĚRY ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ Geomorfologické poměry Z hlediska regionálně geomorfologického členění České republiky náleží zájmové území do provincie Česká vysočina, konkrétně je součástí podcelku Dyjsko-svratecká niva, který je součástí celku Dyjsko-svratecký úval, jenž představuje samostatnou jednotku Vněkarpatských sníženin (Czudek et al., 1972). Současný charakter území, jako součást rovinné údolní nivy, je výsledkem kombinace erozně akumulační činnosti řeky Svratky a antropogenní činnosti spojené s městskou zástavbou a povrchovými úpravami terénu. Převážná část území má rovinatý charakter s nadmořskou výškou kolem 200,8 m. n. m Geologické poměry Z regionálně geologického hlediska je zájmové území situováno na západním okraji karpatské předhlubně mezi dvěma hlavními geologickými celky českým masívem a karpatskou soustavou. Výplň karpatské předhlubně tvoří komplex neogenních sedimentů, které jsou překryty kvartérními uloženinami. Neogenní sedimenty nasedají v hloubce přibližně 100 m na skalní podloží (krystalinikum) tvořené magmatickými horninami brněnského masívu (Müller et al., 2000) Proterozoikum Proterozoické horniny krystalinika brněnského masívu jsou tvořeny převážně granodioritem. V rámci hydrogeologických průzkumných prací však nebyly zastiženy. Vzhledem k monitorovacímu charakteru vrtů je jejich maximální hloubka 10 m. 12

13 Terciér neogén spodní báden Předkvartérní podloží zájmového území je reprezentováno především uloženinami neogenního miocenního moře. V prostoru zájmového pozemku byly v mělkých vrtech zastiženy pouze sedimenty spodního bádenu (morav), reprezentovány pelitickou facií vápnitých jílů (téglů) s vložkami písků a štěrků, které jsou zde nejrozšířenějším litofaciálním typem. Nejčastěji se jedná o modravě šedé, světle šedé až šedé, místy nazelenalé až nahnědlé, proměnlivě jemně písčité až prachovité silně vápnité jíly, které buď nasedají na bazální klastika nebo přímo na předbádenský reliéf (Müller et al., 2000). Ve větších hloubkách se mohou nepravidelně vyskytovat vrstvy ulehlých mokrých jemnozrnných a stejnozrnných písků až písčitých štěrků, na něž je vázáno zvodnění v neogenním souvrství (Pospíšil et al., 2012) Kvartér Kvartérní horniny jsou zastoupeny fluviálními akumulacemi písčitých štěrků, které reprezentují údolní nivu řeky Svratky (stáří riss). Mocnost fluviálních uloženin je na lokalitě proměnlivá v závislosti na reliéfu nepropustného podloží spodního bádenu. Fluviální sedimenty dosahují hloubky 3,5 4 m p. t. a jsou překryty jílovitopísčitými povodňovými sedimenty s podílem organické hmoty v rozmezí mocnosti 2 3 m. Litologický charakter závisí na snosové oblasti, lokálně se mohou vyskytovat relikty starších sedimentů, jako jsou spraše a sprašové hlíny, které zpravidla převažují v nivách menších řek. Ze snosové oblasti při horním toku řeky Svratky byly ukládány smíšené písčité sedimenty až hlinité písky (včetně výplavových kuželů). Fluviální písčité štěrky (hrubě klastické) byly ukládány souvisle s tokem Svratky a dosahují mocnosti 4 5 m. Jejich polymiktní, hrubozrnná valounová složka je tvořena převážně horninami krystalinika Českomoravské vrchoviny (granit, granodiorit, aplit, leukokratní žulorula a žilný křemen) a horninami brněnského masívu. Průměr valounů se pohybuje okolo 6 cm, ojediněle i více než 15 cm (Müller et al., 2000; Pospíšil et al., 2012). Na tuto vrstvu je vázáno zvodnění a vlivem proudění podzemních vod zde dochází k šíření kontaminantu. 13

14 Vlivem dlouholeté stavební činnosti pokrývají zájmové území antropogenní navážky charakteru hlíny s příměsí písku, štěrku a stavebního odpadu až do mocnosti 1 m a tvoří tak nejsvrchnější část litologického profilu. Nejvyšší zjištěná mocnost antropogenní akumulace doprovázející koryto Svratky je 5 m. Nejvyšší mocnost zastižená vrtným průzkumem v oblasti Křídlovické ul. se pohybuje od 1,5 do 3,5 m (Štympl & Valeš, 1996). Geologická mapa zájmového území a nejbližšího okolí je zobrazena na obrázku 3. Obr. 3: Geologická mapa zájmového území Brno- Poříčí (uvedené zkratky: Q- kvartér, N- neogén, D- devon, P t proterozoikum), upraveno podle ČGS (2014) Klimatické poměry Podle klimatické rajonizace ČR (Quitt, 1971) patří zájmová oblast do klimatického rajónu T4, tj. jednotka teplé oblasti. Toto území je charakteristické velmi dlouhým, velmi teplým a velmi suchým létem s velmi krátkým přechodným obdobím jara i podzimu. Zima je naopak velmi krátká, teplá, suchá až velmi suchá, s velmi krátkým trváním sněhové pokrývky. Nejvyšší průměrné teploty vzduchu, které vychází z dlouhodobého měření podle databáze Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMU, 2013), jsou v červenci 18,8 C. Nejchladnějším měsícem je naopak leden s průměrnou teplotou -2,1 C. Průměrná roční teplota je 8,7 C. 14

15 3. 4. Hydrologické poměry Zájmové území náleží do povodí Svratky, jejíž průtokové poměry jsou sledovány v profilu Brno Poříčí. Hydrologicky náleží hlavnímu povodí řeky Dunaj s číslem , dílčímu povodí (Svratka po Svitavu) a rajónu s číslem (Svratka od Komínského potoka po Ponávku). Řeka Svratka protéká jižně od zájmového území (Pospíšil et al., 2012). Plocha dílčího povodí je 24,85 km 2, délka toku od rozvodnice k uvedenému profilu je 10 km a lesnatost 20%. Podle poměru plochy povodí a kvadrátu délky údolí toku rovno 0,25 se jedná o protáhlejší typ povodí. Celková plocha povodí Svratky nad sledovaným profilem Brno Poříčí je 1637,21 km 2. Průměrný průtok sledovaný v uvedeném profilu za období let byl 7,68 m 3.s -1 (Kuchovský & Pašková, 1998). Přirozený odtokový režim v řece je ovlivňován periodickým vypouštěním vody z Kníničské přehrady. Před regulací toku řeky Svratky její koryto silně meandrovalo a zasahovalo hluboko na sever do prostoru současného Mendlova náměstí a ulice Hybešova (Pospíšil et al., 2012) Hydrogeologické poměry Z regionálně hydrogeologického hlediska se prostor zájmového území řadí k rajónu č kvartérní fluviální sedimenty v povodí Svratky a rajonu č neogenní sedimenty Dyjsko-svrateckého úvalu (Michlíček et al., 1986). V celé zájmové oblasti se nachází spojitý a vydatný průlinový kolektor podzemních vod s mírně napjatou hladinou, vázaný na vrstvu kvartérních fluviálních písčitých štěrků údolní nivy řeky Svratky. Neogenní bádenské jíly o značné mocnosti (až desítky metrů), s koeficientem hydraulické vodivosti v řádu m/s, tvoří nepropustné podloží nadložní kvartérní zvodni a jejich povrch leží v hloubce 8 9 m p. t. Mocnost tohoto komplexu kolísá v závislosti na morfologii předneogenního reliéfu. Vápnité bádenské jíly zároveň zastávají funkci stropního izolátoru, který brání průniku kontaminantů do podložního artézského systému. Naražená hladina podzemní vody s mírnou tlakovou napjatostí leží v hloubce 3,8 4 m p. t. Pro většinu hydrogeologických subsystémů reliktů neogenních štěrků a písků uložených na brněnském masívu je charakteristická dosti silná až mírná propustnost (Müller et al., 2000). 15

16 Fluviální písčité štěrky (kvartér) na lokalitě vykazují vysokou průlinovou propustnost s hydraulickou vodivostí v řádu 10-4 m/s. Podle Jetelovy klasifikace (Jetel, 1982) tyto sedimenty řadíme mezi dosti silně propustné horninové prostředí. Kvartérní kolektor podzemních vod na ně vázaný je v přímé hydraulické spojitosti s řekou Svratkou, která protéká přibližně 70 m jižně od zájmové lokality a vytváří tak hydrogeologickou okrajovou podmínku proudění podzemních vod (Pospíšil et al., 2012). 16

17 4. DOSAVADNÍ PROZKOUMANOST ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ Přímo v prostoru stavby CVIDOS PdF MU Brno byly aktuálně provedené průzkumné práce realizovány z důvodu absence dřívějšího inženýrsko-geologického a hydrogeologického průzkumu. V blízkém okolí stavební jámy byly v minulosti realizovány následující geologické průzkumné práce: Štympl J., Valeš V. (1995): Závěrečná zpráva o hydrogeologickém průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. MS Geotest Brno, a.s. Závěrečná zpráva popisuje pilotní hydrogeologický průzkum areálu bývalé chemické čistírny, která se nachází v těsné blízkosti stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno. Od třicátých let dvacátého století až do roku 1993 byla čistírna v provozu. Především v druhé polovině dvacátého století bylo intenzivně nakládáno s ekologicky vysoce rizikovými chlorovanými etylény, a to při procesu chemického čištění a recyklaci čistícího média. V rámci průzkumu na lokalitě byly vyhloubeny 3 hydraulicky úplné průzkumné vrty (HV1, HP2 a HP3) a v rámci areálu čistírny byl proveden orientační průzkum půdního vzduchu a zemin. V oblasti areálu bývalé chemické čistírny byly zjištěny nadlimitní koncentrace pro nepolární extrahovatelné látky, jednotlivé chlorované etylény a BTEX. Rovněž byla zastižena významná kontaminace podzemních vod látkami typu chlorované etylény (ClE) ve vyhloubených vrtech, ale i v přilehlých studních ve směru proudění podzemních vod od areálu čistírny směrem na jih k řece Svratce. Ve studni St2 (příloha 8), situované přímo v areálu čistírny byla zjištěny koncentrace ClE µg/l, zastoupení perchloretylénu 45% a trichloretylénu 40%. Hlavní podíl kontaminace je vázán na nesaturovanou zónu tvořenou navážkami a povodňovými jílovotopísčitými hlínami, dále se šíří kvartérním kolektorem vysoce propustných písčitých štěrků v hloubce od 3 do 7,2 m, podloží tvoří nepropustné jíly, které jsou ukloněny směrem k řece Svratce, což zapříčiňuje snadný pohyb kontaminantu ve volné fázi ve směru proudění podzemních vod. Hladina podzemní vody byla naražena v hloubce 3,2 4,0 m p. t. 17

18 Štympl J., Valeš V. (1996): Závěrečná zpráva o II. etapě hydrogeologického průzkumu provozu bývalé chemické čistírny. MS Geotest Brno, a.s. V návaznosti na výše uvedený průzkum byla realizována další etapa průzkumných prací spočívající v provedení geofyzikálního průzkumu pro ověření litologie, atmogeochemického průzkumu pro vymezení ohnisek kontaminace v nesaturované zóně a dále hydrogeologického průzkumu, kdy bylo vyhloubeno dalších 11 hydrogeologických vrtů. V rámci vzorkování byla potvrzena masivní tranzitní kontaminace podzemních vod ClE, tranzitní kontaminační proudnice byla zastižena ve vrtu HP9 (příloha 8), který je situován pouze 28 m východně od stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno. Koncentrace ClE dosáhla hodnoty µg/l a kontaminace se stopově projevila i v řece Svratce. Kuchovský T., Pašková M. (1998): Posouzení stavu znečištění podzemních vod a zemin na Starém Brně - Poříčí. MS Katedra geologie a paleontologie PřF MU Brno. Ve zprávě jsou uvedeny souhrnné informace o kontaminaci horninového prostředí a podzemních vod chlorovanými uhlovodíky s ohniskem kontaminace v areálu bývalé chemické čistírny na ul. Křídlovické. Na základě čerpacích zkoušek, provedených v roce 1997 v rámci pilotního testu sanačního čerpání, jsou ve zprávě uvedeny hodnoty hydraulické vodivosti k = 2,57 x 10-4 m/s a transmisivity T = 9,75 x 10-4 m 2 /s. Na základě vlastních i archivních laboratorních a hydrometrických prací je ve zprávě přehledně vykreslen rozsah tranzitní kontaminace v syntetické hydroekologické mapě. Okraj tohoto mraku zasahuje k východnímu okraji stavební jámy CVIDOS PdF MU Brno. 18

19 Danišová J. (2010): Závěrečná zpráva o provedeném inženýrsko-geologickém průzkumu v areálu Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity za účelem výstavby nového objektu tzv. Centra výzkumných institutů a doktorských studií pedagogické fakulty Masarykovy univerzity. MS Topgeo spol s r.o., Brno. V inženýrskogeologické části práce byla provedena pouze rešerše archivních průzkumů. Hydrogeologickým průzkumným vrtům v těsné blízkosti stavební jámy (min. 25 m) byly přiřazeny pouze tabulkové geomechanické parametry, což je pro danou stavbu hloubenou ve složitých základových poměrech a zařazení do 3 geotechnické kategorie nedostatečné. Rovněž zde nejsou uvedeny hodnoty hydraulické vodivosti a nebyl kvantifikován přítok podzemních vod do stavební jámy. V rámci průzkumu byly pouze odebrány vzorky podzemních vod z okolních vrtů k posouzení aktuálního stavu jejich kontaminace. Čáslavský M. (2010): Centrum výzkumných institutů a doktorských studií PdF MU Brno. Nakládání s kontaminovanými zeminami a podzemní vodou. Autorizovaný prováděcí projekt. MS Geotest, a.s., Brno. V tomto projektu jsou uvedeny podrobné metodické prostupy pro nakládání s kontaminovanou zeminou a podzemní vodou na stavbě CVIDOS PdF MU Brno, včetně detailní specifikace závazné legislativy k této problematice. Na druhou stranu v prováděcím projektu chybí konkrétní informace o kvalitě zemin a informace o celkovém množství odčerpávaných podzemních vod v průběhu výstavby, intenzitě jejich znečištění a stanovení místa pro jejich vypouštění. Rovněž odhad čerpaného množství 1 l/s se neopírá o žádné konkrétní výpočty či měření a je značně podhodnocen, vzhledem k již známým informacím. 19

20 5. CELKOVÁ CHARAKTERISTIKA KONTAMINANTŮ (ClE) Organické sloučeniny antropogenního původu, mezi něž patří i chlorované etylény, jsou v současné době součástí všech složek životního prostředí. Tyto látky jsou rizikové z hlediska negativního účinku na ekosystém i zdraví člověka, u mnohých z nich dochází ke kombinaci nežádoucích vlastností tj. toxicita, mutagenita, schopnost akumulace, rezistentnost, nízká rozpustnost a s tím spojené dlouhodobé setrvání v horninovém prostředí. Chlorované etylény jsou celosvětově rozšířeny a využívány v mnoha odvětvích lidské činnosti. Vzhledem ke skutečnosti, že se jedná o látky s extrémně negativními účinky na živé organismy a ekosystémy, jsou řazeny do skupiny nejsledovanějších polutantů. Za nejzávažnější lze považovat kontaminaci horninového prostředí, jakož to primárního příjemce znečištění, odtud se kontaminace šíří do ostatních složek životního prostředí. Látky transportované horninovým prostředím mohou podléhat fyzikálním a chemickým přeměnám a produkty těchto přeměn jsou často mnohem škodlivější než primární kontaminanty. Metodický pokyn MŽP 2013 Indikátory znečištění stanovuje indikátory znečištění zemin, podzemních vod a půdního vzduchu pro posuzování a hodnocení závažnosti antropogenního znečištění. Jako podklad pro odvození hodnot indikátorů znečištění byly použity tzv. screeningové hodnoty (tj. koncentrace chemických látek v jednotlivých složkách životního prostředí, jejichž překročení by si mělo vyžádat další průzkum či odstranění kontaminace) odvozené americkou agenturou pro ochranu životní prostředí USEPA (United States Environmental Protection Agency). Indikátory znečištění jsou stanoveny pro posuzování a hodnocení závažnosti antropogenního znečištění, kdy se jejich překročení posuzuje jako indikace znečištění, které by mělo být dále zkoumáno a hodnoceno, a to především z hlediska rizik pro případné příjemce znečištění a ohrožené ekosystémy (MŽP, 2014). Míra kontaminace horninového prostředí chlorovanými etylény (ClE) v prostoru stavby přesahuje kritérium C, odvozené z fyzikálně-chemických, ekotoxikologických vlastností látek, jejichž překročení přestavuje znečištění, které znamená riziko ohrožení zdraví člověka a složek životního prostředí. Odebrané vzorky zeminy a půdního vzduchu vykazují jen stopové množství nepolárních extrahovatelných látek (NEL) a aromatických látek (BTEX) (Pospíšil et al., 2012). 20

21 5. 1. Chlorované etylény Charakteristika skupiny chlorovaných etylénů Chlorované etylény, obecně označovány jako chlorované uhlovodíky, řadíme do obsáhlé skupiny chlorovaných derivátů organických sloučenin. Podle tvaru řetězců uhlíku se chlorované uhlovodíky dělí do dvou základních skupin aromatické (monocyklické nebo polycyklické) a alifatické sloučeniny. Mezi chlorované alifatické uhlovodíky patří sloučeniny odvozené od metanu, etanu a etylénu, a některé nebo všechny atomy vodíku v molekulách mohou být nahrazovány atomy chlóru. Chlorované etylény (ClE) jsou chlorované alifatické nenasycené sloučeniny, jejichž základem struktury je molekula etylénu. Podle zastupovaní čtyř, tří, dvou nebo jednoho atomu vodíku atomy chloru v molekule etylénu je dělíme na: tetrachloretylén (perchloretylén), trichloretylén, 1,2 dichloretylén 2 izomery odlišné prostorovou distribucí atomů chloru v molekule (cis a trans), 1,1 dichloretylén a vinylchlorid (viz tab. 1). Tabulka 1: Sloučeniny skupiny chlorovaných etylénů Upraveno podle Howarda a kol. (1990): Všechny uvedené sloučeniny ze skupiny chlorovaných etylénů jsou antropogenního původu a žádná z nich se v přírodě nevyskytuje přirozeně. název používaná zjednodušený molární sloučeniny zkratka vzorec hmotnost tetrachloretylén PCE CCl 2 =CCl 2 165,83 trichloretylén TCE CHCl=CCl 2 131,39 cis 1,2 dichloretylén c-1,2 DCE CHCl=CHCl 96,94 trans 1,2 dichloretylén t-1,2 DCE CHCl=CHCl 96,94 1,1 dichloretylén 1,1 DCE CH 2 =CCl 2 96,94 vinylchlorid VC CH 2 =CHCl 62,5 21

22 Přehled fyzikálních vlastností chlorovaných etylénů Stejně jako u všech kapalných látek, tak i v případě chlorovaných etylénů, fyzikálně -chemické vlastnosti a vlastnosti horninového prostředí výrazně ovlivňují charakter jejich distribuce a zákonitosti jejich migrace horninovým prostředím. Chlorované etylény patří mezi látky DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquids). Tyto organické látky jsou nemísitelné s vodou a vyznačují se nízkými hodnotami rozpustnosti ve vodě. Tento faktor významně ovlivňuje chování látek zejména v saturované zóně. Rozpustnost ClE ve vodě se zvyšuje s poklesem počtu atomů chloru vázaných v molekule, jedinou výjimku představuje vinylchlorid. Nejvyšší hodnotu rozpustnosti má t-1,2 DCE, naopak nejnižší hodnoty vykazuje PCE. Existují určité rozpory v udávaných hodnotách rozpustnosti sloučenin ve vodě (Pankow & Cherry, 1996). Důležitá fyzikální vlastnost, která ovlivňuje migraci kapalných kontaminantů v saturované zóně nebo při hranici nesaturované a saturované zóny, je hustota kapalné fáze. Chlorované etylény mají vyšší hustotou než voda, tedy nad 1 kg/m 3. Zmíněná hustota klesá s klesajícím počtem atomů chloru (s klesajícím stupněm halogenizace) v molekulách ClE. Hustota kapalné fáze také závisí na teplotě, s rostoucí teplotou se hustota snižuje. Rovněž teploty tání (resp. tuhnutí) i teploty varu klesají se snižujícím se zastoupením atomů chlóru v molekule ClE. Nejvyšší hustoty dosahuje tetrachloretylén (1,62 / 20 C) a nejnižší vinylchlorid (0,91 / 20 C) (U. S. EPA 1994). Za normálních tlakových podmínek se mohou ClE v prostředí dlouhodobě vyskytovat jako kapaliny, výjimku tvoří vinylchlorid (VC). Tabulka 2: Hodnoty hustot chlorovaných etylénu název sloučeniny hustota [g/cm3] tetrachloretylén 1,62/25 C (MERCK, 1996) trichloretylén 1,46/25 C (MERCK, 1996) c-1,2 dichloretylén 1,28/20 C (Barbee, 1994) t-1,2 dichloretylén 1,26/20 C (Barbee, 1994) 1,1 dichloretylén 1,21/20 C (MERCK, 1996) vinylchlorid 0,91/20 C (Barbee, 1994) 22

23 Tabulka 3: Teploty tání, tuhnutí a varu chlorovaných etylénů bod tání [ C] bod tuhnutí [ C] bod varu [ C] -19 (Howard et al., 1990) -22 (MERCK, 1996) 121 (MERCK, 1996) -73 (Howard et al., 1990) -86 (MERCK, 1996) 86,7 (MERCK, 1996)) -80,5 (Howard et al., 1990) - 60,3 (Howard et al., 1990) -50 (Howard et al., 1990) - 48,7 (Howard et al., 1990) (MERCK, 1996) 32 (MERCK, 1996) (MERCK, 1996) -14 (MERCK, 1996) Fyzikální veličina, která vzniká působením kohezních sil mezi jednotlivými molekulami kapaliny, se nazývá viskozita a významně tak ovlivňuje možnost migrace kapalné fáze ClE horninovým prostředím. Kapalné fáze ClE mají vždy nižší hodnoty kinematické viskozity a jsou tak mobilnější ve srovnání s vodou, která má při teplotě 20 C kinematickou viskozitu 1,00 cps. Tetrachloretylén ze všech známých ClE dosahuje nejvyšších hodnoty absolutní (0,88 / 20 C mpas) i kinematické (0,55 / 20 C cps) viskozity (MERCK, 1996), nejnižších hodnot naopak dosahuje 1,1 dichloretylén s absolutní hodnotou viskozity (0,33 / 20 C mpas) (Pankow & Cherry, 1996). Viskozita chlorovaných etylénů klesá se snižujícím se počtem zastoupených atomů chloru v molekule. Tabulka 4: Viskozita kapalných fází chlorovaných etylénů název sloučeniny absolutní viskozita kinematická viskozita mpas cps zdroj tetrachloretylén 0,88 / 20 C 0,55 / 20 C (MERCK, 1996) trichloretylén 0,58 / 20 C 0,38 / 20 C (MERCK, 1996 c-1,2 dichloretylén 0,54 / 25 C 0,38 / 25 C Pankow & Cherry (1996) t-1,2 dichloretylén 0,48 / 20 C 0,32 / 20 C Pankow & Cherry (1996) 1,1 dichloretylén 0,41 / 20 C 0,33 / 20 C Pankow & Cherry (1996) vinylchlorid 0,33 / 20 C - Pankow & Cherry (1996) Další složkou ovlivňující chování a možnosti migrace ClE v horninovém prostředí je těkavost. Vytěkávání je proces, při kterém dochází k přechodu látek ze skupenství kapalného do skupenství plynného, dochází k tomu pouze na rozhraní kapalné fáze nebo roztoku s půdním vzduchem nebo atmosférou. Fyzikální veličina, která charakterizuje snadnost vytěkávání látek z kapalné fáze je tlak par. Čím vyšší je tlak par, tím snadněji přechází kapalné látky do skupenství plynného. Tlak par roste se zvyšující se teplotou a klesajícím 23

24 počtem zastoupení atomů chloru v molekule ClE (Kuchovský, 2000). Nejvyšší hodnoty tlaku při 50 C má vinylchlorid a nejnižší naopak tetrachloretylén za teploty 25 C (Hovard et al., 1990). Henryho zákon charakterizuje vytěkávání látek rozpuštěných ve vodě a numericky je vyjádřen Henryho konstantou. Za zvýšených hodnot Henryho konstanty (H k ) se předpokládá snadnější přechod látek rozpuštěných ve vodném roztoku do plynného skupenství (Kuchovský, 2000). Proces vytěkávání může být považován za významný transportní mechanismus pro látky s charakteristickými hodnotami K h vyššími než 3 x 10-7 atm-m 3 /mol, naopak látky s hodnotami K h menšími než 3 x 10-7 atm-m 3 /mol jsou považovány za netěkavé (Lyman et al., 1984). Za rovnovážného stavu mají látky s hodnotami K h vyššími než 10-5 atm-m 3 /mol vyšší podíl látek v plynném skupenství než ve vodném roztoku (Barbee, 1994). Všeobecně mají chlorované etylény vysoké hodnoty tlaků par i Henryho konstanty a vytěkávání je u nich považováno za významný transportní mechanismus na rozhraní kapalné fáze i vodného roztoku. Tabulka 5: Hodnoty tlaku par, Henryho konstanty a rozpustnosti chlorovaných etylénů název sloučeniny tlak nasycených par Henryho konstanta rozpustnost ve vodě zdroj kpa atm-m 3 /mol mg/l tetrachloretylén 2,47 (25 C) 1,49 x ,3 (25 C) Hovard et al., 1990 trichloretylén 9,2 (25 C) 1,03 x (25 C) Hovard et al., 1990 c-1,2 dichloretylén 26,67 (35 C) 3,37x (25 C) Hovard et al., 1990 t-1,2 dichloretylén 45,33 (25 C) 6,72x (25 C) Hovard et al., ,1 dichloretylén 66,3 (20 C) 2,29x (20 C) MERK, 1996 vinylchlorid 734 (50 C) 2,78x (20 C) MERK, 1996 Kapalná fáze chlorovaných etylénů a voda jsou považovány za nemísitelné kapaliny, což je zapříčiněno velmi nízkými hodnotami rozpustnosti chlorovaných etylénů ve vodě (Cohen & Mercer, 1993). Napětí, které působí na rozhraní dvou kapalin, způsobuje, že plocha kontaktu mezi kapalinami je vždy co nejmenší. Napětí na rozhraní kapalné fáze ClE a vody ovlivňuje hodnoty vstupního tlaku pórů a puklin a díky tomu i charakter distribuce kapalné fáze ClE v saturované zóně. Přitom hodnoty napětí na rozhraní kapalné fáze kapaliny a jejich par bývají vyšší než hodnoty napětí mezi dvěma kapalinami. Lynman et al. (1984) uvádějí hodnoty napětí na rozhraní dvou fází, platné pro dokonale mísitelné kapaliny, v rozmezí od 24

25 0 do 72 dynů/cm, což je povrchové napětí vody při 25 C. Podle Pankowa a Cherryho (1996) se hodnoty napětí na rozhraní kapalné fáze ClE a vody pohybují v rozmezí dynů/cm v závislosti na změně teploty pokles napětí s rostoucí teplotou (Cohen & Mercer, 1993) a hodnotě ph vody. Důležitý fyzikální proces, který ovlivňuje možnost migrace organických kontaminantů v podzemní vodě a půdním vzduchu, je sorpce na horninotvorný materiál. Mechanismy sorpce organických látek na horninové prostředí však nejsou doposud dostatečně poznány (Pankow & Cherry, 1996). V horninovém prostředí probíhá sorpce látek, podle hydrofobního sorpčního modelu, který je používán i pro ClE, především na organický uhlík. V praxi se pro vyjádření sorpce používá lineární sorpční izoterma, ale ve skutečnosti lze sorpci lépe vystihnout Freundlichovou sorpční izotermou. Schopnost sorpce na organický materiál roste se zvyšujícím se množstvím organické pevné fáze v kolektoru, tedy čím vyšší jsou hodnoty f oc charakterizující frakci organického uhlíku v hornině a K oc, symbolizující rozdělovací koeficient organický uhlík/voda. Experimentálně byly prokázány mírné odlišnosti v naměřených hodnotách K oc pro dané látky v různých typech sedimentů, hodnoty se však pohybují ve stejném řádu (Kuchovský, 2000). Fetter (1999) uvádí hodnoty K oc v korelaci s hodnotami K ow (rozdělovací koeficient oktanol/voda) a rozpustnostmi látek ve vodě. Ball & Roberts (in Pankow & Cherry, 1996) poukazují na skutečnost, že čas potřebný k vytvoření sorpční rovnováhy převyšuje dobu trvání laboratorních experimentů, výsledná sorpce tak může být podhodnocena. Tabulka 6: Hodnoty rozdělovacího koeficientu Ko/w a Ko/c chlorovaných etylénů název sloučeniny Ko/w Log Ko/w Ko/c tetrachloretylén 2512 (3) 3,4 (2) (2) trichloretylén 263 (3) 242 (3) (2) c-1,2 dichloretylén 72,4 (3) 1,86 (2) 49 (2) t-1,2 dichloretylén - 2,06 (2) 36 (2) 1,1 dichloretylén (4) vinylchlorid - 1,36 (4) 57 (4) 1 Pankow & Cherry (1996), 2 Howard et al. (1999), 3 Favel & Hunt (1991), 4 Barbee (1994) 25

26 Z hodnot uvedených pro koeficienty K ow a K oc je patrná jejich snižující se hodnota s klesajícím počtem atomů chloru v molekulách ClE. Nejvyšší sorpci vykazuje PCE a nejnižší naopak oba izomery 1,2 DCE. Z hlediska mobility, podle Draguna (in Barbee, 1994), můžeme na základě hodnot K oc označit PCE jako středně mobilní, TCE jako mobilní a ostatní látky jako mobilní až velmi mobilní. Na základě zjištěných hodnot K ow nepatří chlorované uhlovodíky mezi výrazně hydrofobní látky (Pankow & Cherry, 1996) Migrace chlorovaných etylénů horninovým prostředím Chlorované etylény se mohou v horninovém prostředí vyskytovat jako kapalná fáze, rozpuštěné ve vodném roztoku, plynu nebo půdním vzduchu a sorbované na horninové částice. Vstup kapalné fáze do puklinového či průlinového prostředí je ovlivněn kapilárními jevy (Cohen & Mercer, 1993). V důsledku měnícího se nasycení horninového prostředí vodou se výrazně liší migrace a výsledná distribuce kapalné fáze ClE v nesaturované a saturované zóně. V horninovém prostředí se kapalná fáze vyskytuje ve dvou formách jako volná fáze nebo kapalné reziduum. Část volné fáze zachycená po jejím průchodu přes póry a pukliny horninového prostředí se nazývá kapalné reziduum (Cohen & Mercer, 1993). Kapalné reziduum je vázáno kapilárními silami, je nemobilní a není propojeno mezi jednotlivými póry či puklinami. Při průchodu volné fáze horninovým prostředím dochází k postupnému snižování jejího objemu formováním kapalného rezidua a bez další dotace volné fáze do horninového prostředí může dojít k úplnému vyčerpání volné fáze. Množství kapalného rezidua v hornině se nazývá reziduální nasycení, vyjádřené jako podíl objemu kapalné fáze k celkovému objemu pórů. Schopnost horniny zadržet určité množství kapalného rezidua vyjadřuje retenční kapacita hornin, udávaná v l/m 3 (Kuchovský, 2000) Reduktivní dechlorace chlorovaných etylénů Reduktivní dechlorace je významným procesem transformace chlorovaných etylénů v anaerobním prostředí. V molekule ClE dochází k postupnému úbytku atomů chloru nahrazováním atomy vodíku. K těmto přeměnám dochází v důsledku aktivity bakterií, které přijímají energii z řady po sobě následujících redoxních reakcí využívajících uvolněné elektrony (Kuchovský, 2000). Rozpad ClE v redukčním prostředí probíhá v řadě 26

27 PCE TCE DCE VC ETYLÉN ETAN. Primárními kontaminanty jsou PCE a TCE. Produkty rozpadu primárních kontaminantů DCE a VC se odbourávají především v oxidačním prostředí, v redukčním dochází k jejich akumulaci. K intenzivní reduktivní dechloraci vyšších forem alifatických ClE dochází za silně redukčních podmínek působením metanogenních bakterií. Nižší formy alifatických chlorovaných etylénu se rozpadají až na produkty H 2 O, Cl -, CO 2 (Wiedermeier et al., 1996). 6. PETROGRAFICKÝ POPIS PRŮZKUMNÝCH VRTŮ V rámci průzkumných prací stavební jámy byla na hydrogeologických vrtech HP1G a HP2G ověřena celková mocnost kvartérních sedimentů sahajících do hloubky 7,8 8,8 m p. t. Na základě provedených vrtných prací byl i s přihlédnutím na profily 5 mělkých průzkumných sond (SG1 SG5) sestaven pro stavební jámu následující petrografický profil od povrchu do hloubky 0,9 m byla zastižena navážka, skládající se většinou z jílovotopísčité hlíny až hlinitého štěrku se zbytky stavebního odpadu. Další vrstvu v rozmezí 0,8 2,5 m p. t. tvoří jílovotopísčitá povodňová hlína, navazující vrstva písku s příměsí jemnozrnné zeminy prostupuje do hloubky 3,7 m p. t. Hlavní zvodněná vrstva polymiktního písčitého štěrku sahá do hloubky 8,6 m p. t. Vrstvu na bázi sledovaného profilu od 8,6 10 m p. t. tvoří jíl s vysokou plasticitou (Pospíšil et al., 2012). Petrografické profily jádrových vrtů (příloha 1) jsou vykresleny v hydrogeologickém řezu (obr. 5). Situace řezu (A A ) stavební jámou je znázorněna na obrázku č

28 Obr. 4: Schematický nákres stavební jámy s průběhem hydroizohyps a směry proudění podzemních vod, znázorněna situaci geologického řezu (řez A A ). Tabulka naměřených úrovní hladin podzemních vod při výkopových pracích hloubka hladiny pod terénem úroveň hladiny objekt odměrný bod v [m] v [m n. m.] naražená ustálená naražená ustálená HP1G 200,82 3,80 3,56 197,02 197,26 HP2G 200,79 4,00 3,73 196,79 197,06 SG1 201,02 nenaražena neustálena nenaražena neustálena SG2 201,03 3,80 3,80 197,23 197,23 SG3 201,01 3,80 3,81 197,21 197,20 SG4 200,00 3,80 3,82 197,20 197,18 SG5 201,01 3,90 3,86 197,11 197,15 28

29 29

30 7. TECHNICKÉ ŘEŠENÍ STAVBY CVIDOS PdF MU Zakládaná novostavba leží v oblasti zasažené kontaminací, a proto byl před zahájením výstavby budovy CVIDOS proveden hydrogeologický a sanačně geologický průzkum stavební jámy. Na základě informací o rozsahu kontaminace a intenzitě přítoku podzemních vod bylo navrženo pažení stavební jámy následovně část západní strany, celá severní a většina východní strany byla zabezpečena vodotěsnou pilotovou převrtávanou stěnou (příloha 6) vetknutou do nepropustného podloží (neogenní jíly). Jižní a podstatná část východní stěny byla pažena pouze standardní pilotovou stěnou s prostřídanými pilotami (Malec et al., 2012). Předmětná novostavba je situována v místě již zdemolované budovy katedry tělesné výchovy PdF MU a těsně tak navazuje na přilehlou budovu PdF Poříčí 31 a atletické hřiště PdF (viz obr. 1). Železobetonový monolitický objekt s pěti nadzemními a jedním podzemním patrem zaujímá plochu stavební jámy 965 m 2. Podle výkresové části projektové dokumentace je hloubka hlavního prostoru výkopu 4,25 m tj. 196,80 m n. m. a v místě dvou výtahových šachet v podzemním patře 5,125 m tj. 195,925 m n. m. Výšková úroveň výkopových prací tak byla pod hladinou podzemní vody (viz obr. 4 hydroizohypsy v rámci stavební jámy). Podle hydrometrických měření bylo zjištěno, že výkopy pro výtahové šachty mohou být zatopeny podzemní vodou do výšky 1,14 1,60 m a vodní sloupec v ploše výkopu může dosahovat výšky 0,27 0,72 m (Pospíšil et al., 2012). 30

31 8. METODIKA Terénní etapa Po vyhledání informací o jednotlivých hydrogeologických objektech a seznámení s problematikou kontaminace daného území proběhla v srpnu 2014 terénní etapa. V rámci monitoringu, který je na lokalitě prováděn 1krát ročně, byly měřeny hladiny podzemních vod ve vrtech a stavy vodní hladiny v řece Svratce. K měření úrovně hladiny podzemní vody ve vrtech byl použit akustický hladinoměr G20 firmy NPK Europe Mfg. s.r.o. Kapesním přístrojem WTW multi 340i byly měřeny elektrochemické vlastnosti konduktivita, ph, Eh a teplota. Za statických podmínek následně proběhl odběr vzorků podzemních vod do normalizovaných skleněných vzorkovnic. Vzorky byly před analýzou koncentrací případných kontaminantů teplotně fixovány v chladicím boxu. Laboratorní analytické práce provedla zkušební laboratoř Laboratoř Morava s.r.o. v Brně. Vlastní terénní měření dat bylo omezeno pouze na 4 dostupné hydrogeologické objekty (HV1, HV9, HV10 a HV14), ostatní vrty v širším okolí stavební jámy jsou zasypané (HV2, HV3, HP12, HV13) nebo nebyly nalezeny (HV2, HV4). Hlavní hydrogeologické průzkumné vrty HP1G a HP2G, situovány na okraji stavební jámy, nebyly přístupné. Pro zhodnocení vývoje úrovní hladiny podzemní vody a prognózy vývoje kontaminace za delší časové období byla (s přihlédnutím na nepříznivý stav hydrogeologických objektů) vlastní naměřená data doplněna o archivní data poskytnutá z dřívějších průzkumných prací na lokalitě a v nejbližším okolí Processing Modflow Pro Hlavní etapa práce zahrnovala softwarové zpracování dat získaných v terénu a rešeršní části práce. Nejprve byl sestrojen koncepční model, který popisuje daný systém proudění ve zjednodušené formě. K širšímu pochopení systému proudění podzemních vod a posouzení vývoje kontaminace na lokalitě byl sestrojen numerický model proudění podzemních vod v programu Processing Modflow Pro Windows (dále jen PMWIN). Program umožňuje trojrozměrné matematické modelování proudění podzemních vod soustavou algebraických rovnic řešených metodou konečných diferencí, využívané pro popis a předpověď chování systému podzemní voda horninové prostředí (Chiang & Kinzelbach, 2001). Podle dostupných údajů o výšce hladin byla ručně sestrojena mapa hydroizohyps (obr. 6), která 31

32 objasňuje směry proudění a vztah mezi řekou a kolektorem podzemních vod. Tato mapa byla použita jako základní grafický podklad při definování okrajových podmínek. K modelování šíření kontaminantu byl použit modul PMPATH. Hodnoty hydraulických výšek byly převzaty od Kuchovského & Paškové (1998) a Vavříčka (2007). Obr. 6: Mapa průběhu hydroizohyps se směry proudění podzemních vod 32

33 9. VÝSLEDKY Stručná charakteristika modelových situací Cílem modelových výpočtů bylo simulovat odvodnění základové spáry a ovlivnění úrovně hladiny podzemní vody projektovanou stavbou CVIDOS. Následně byla v programu PMWIN simulována kontaminace šířící se z areálu bývalé chemické čistírny, situované na ulici Křídlovická, ve dvou případech situace přirozeného proudění a situace ovlivněná čerpáním podzemních vod ze stavební jámy Vstupní parametry modelu Model byl rozdělen do dvou dílčích vrstev v rámci celého kvartérního kolektoru, tj. povrch a báze jsou v rozsahu 201,03 192,02 m n. m. Báze první modelové vrstvy leží v úrovni 195,915 m n. m, což představuje dno stavební jámy. Velikost modelované oblasti byla zvolena s ohledem na vzdálenost okrajových podmínek proudění, které jsou hydraulického typu, od simulovaných zásahů do zvodně v prostředí stavební jámy CVIDOS. Celková plocha modelované oblasti tvoří m 2 s rozměry pravoúhlé mřížky 916 x 1220 m. Celá oblast byla rozdělena do 286 řádků a 350 sloupců. Numerický výpočet hladin probíhal v rámci modelových cel o výchozích rozměrech 4 x 4 m. Kvůli nutnosti simulace změn úrovní hladin byla celková hustota cel mřížky navýšena na minimální velikost 1 x 1 m, především v oblasti předmětné základové spáry projektované stavby CVIDOS. Kvartérní zvodeň, s bází v neogenních jílech a s povrchem na rozhraní fluviálních štěrkopísků a nadložních písků, tvoří hlavní oblast, ke které byly vztaženy modelové výpočty. Do modelu byla rovněž zahrnuta výška pozitivní piezometrické hladiny podzemních vod (197,21 196,79 m n. m.). Okrajové podmínky modelu byly definovány podle mapy hydroizohyps následně severní hranici modelu tvoří hydroizohypsa jako okrajová podmínka 1. typu s konstantní výškou. Jižní okrajová podmínka je definována pomocí balíčku Modflow RIVER převážně řekou Svratkou. Jedná se o okrajovou podmínku 3. typu, kdy je tok přes hranici závislý na hydraulické výšce q = f(h). Okrajová podmínka 1. typu s konstantní hladinou (H = konst.) tvoří jihovýchodní část hranice modelové oblasti. Východní a západní hranice modelu je reprezentována proudnicí podzemních vod a je simulována jako okrajová podmínka 2. typu a to s nulovým přítokem (q=0). Přehledná situace okrajových podmínek modelu je znázorněna na obrázku 7. 33

34 Obr. 7: Okrajové podmínky modelu rozděleného modelovou mřížkou na cely K numerické simulaci proudění podzemních vod bylo zapotřebí zadat hodnoty horizontálních i vertikálních hydraulických vodivostí. Za reprezentativní hodnotu hydraulické vodivosti, zjištěnou ze stoupacích hydrodynamických zkoušek, lze považovat hodnotu 3,61 x 10-4 m/s (platné pro 2. vrstvu štěrky). S ohledem na poměrně jemnozrnné nadložní povodňové hlíny s příměsemi písku byla hydraulická vodivost volena 1 x 10-5 m/s. Hodnoty vertikální hydraulické vodivosti pro jednotlivé vrstvy nebyly známy, proto byly zadány o řád nižší, než hodnoty horizontálních hydraulických vodivostí. Další zadávaný parametr efektivní pórovitost byl odhadnut podle litologie jednotlivě pro každou vrstvu, pro vrstvu hrubozrnných zvodněných štěrků 15 % a pro povodňové hlíny 8 %. V okrajové podmínce 1. typu při severní hranici byla zvolena výška hladiny 200 m n. m. dle hodnoty přítomné hydroizohypsy. Stejně tak byla podle příslušné hydroizohypsy zadána konstantní výška 195 m n. m. při jižní hranici modelu. Hodnoty hydraulických výšek v jednotlivých celách reprezentujících okrajovou podmínku RIVER byly přepočteny z terénních údajů o výškách hladin v odměrných bodech ve sledovaném profilu řeky Svratky, za předpokladu mírně se svažujícího toku řeky. Průměrná hodnota efektivní infiltrace byla odhadnuta na 1,9 x m/s. 34

35 9. 3. Kalibrace modelu Pro kalibraci modelu byly zadány průměrné hladiny podzemních vod naměřené v pozorovacích vrtech (tabulka 7) a střední vodní stav v řece Svratce. Cílem kalibračního výpočtu modelu bylo dosáhnout optimální shody mezi hladinami naměřenými v terénu a hladinami vypočítanými modelem, při změně hydraulické vodivosti a efektivní infiltrace postupně upravovaných metodou pokus omyl. Při kalibraci byla konečná hodnota efektivní infiltrace nastavena na 2,3 x m/s, což odpovídá jen přibližně 1,3% vody z ročního srážkového úhrnu 550 mm pro danou oblast. Je to zřejmě zapříčiněno hustotou zástavby městské aglomerace, zpevněným povrchem a odvodněním povrchových vod v modelovém území kanalizací. Stav kalibrace je znázorněn pomocí rozptylového diagramu (obr.8) a hodnoty výšek hladin vyčísleny v tabulce 7. Hodnota průměrné chyby kalibrace modeluje -0,06614 m a hodnota absolutní chyby přepočtu hladin 0,1684 m byla určena průměrem z absolutních hodnot rozdílů hladin. Grafický výstup kalibrace modelu je mapa hydroizohyps (obr. 9) se zaznačením pozorovaných vrtů. Tabulka 7: Výsledek kalibrace hodnoty naměřených a vypočítaných hladin podzemních vod vrt průměrné hladiny hladiny vypočítané rozdíl naměřené v [m n.m.] v [m n.m.] hladin v [m] HP2 Kř 197,00 196,812 0,1880 HP4 Kř 197,14 196,8762 0,2638 HP5 Kř 197,99 198,0057-0,0157 HP7 Kř 196,70 196,7511-0,0511 HP9 Kř 197,20 197,0516 0,1517 HP10 Kř 197,00 196,8519 0,1481 HP11 Kř 197,19 197,4296-0,2396 HP12 Kř 197,36 197,5188-0,1638 HV1 Kř 197,42 197,6785-0,2585 HV2 Kř 197,81 197,9822-0,1722 HV3 Kř 197,25 197,4968-0,2468 IJ-1 196,80 196,8625-0,0625 STNS29 197,52 197,9571-0,4338 HP1G 197,26 197,3597-0,0997 HP2G 197,06 197,0285 0,

36 Obr. 8: Rozptylový diagram srovnání hladin naměřených a vypočítaných modelem Obr. 9: Modelová situace průběhu hydroizohyps (0,2 m) po kalibraci 36

37 9. 4. Simulace čerpaných vrtů Pro odvodnění stavební jámy v propustnějším prostředí (štěrky), s očekávaným vyšším přítokem podzemních vod, se standardně používá metoda hlubinného odvodnění, což je systém čerpaných vrtů s překryvem depresních kuželů vytvořených okolo čerpaných vrtů (Masopust, 2006). Výchozími podklady pro výpočet přítoku podzemní vody do stavební jámy jsou hladina podzemní vody v hloubce 3,60 m pod terénem a báze kolektoru v průměrné hloubce 8,60 m p. t. Dno stavební jámy je projektováno do hloubky 4,25 m p. t. (196,80 m n. m.) a v místě výtahových šachet pak 5,125 m p. t. (195,925 m n. m.). Numerické počítačové modelování odvodnění stavební jámy bylo realizováno v několika krocích. Simulace prvního modelového řešení proběhla v režimu ustáleného proudění za absence vodotěsného pažení stavební jámy. V druhé modelové situaci byly přes obě vrstvy modelu zadány prvky simulující vodotěsnou převrtávanou pilotovou stěnu vetknutou do neogenních jílů. Pomocí programového balíčku Horizontal-Flow Barrier byly kolem základů stavby zadány, na severní nátokové straně, částečně na západní stěně a do poloviny východní stěny, piloty prvky simulující překážku v proudění. Po obvodu simulované stavební jámy o celkové délce 159 m bylo umístěno 42 pilot, mezi nimiž byly mezery o šířce 1 m. Tranzitní prostor pro podzemní vodu lze vyčíslit na 78 m tj. 49 % obvodu stavební jámy. Celkový průtočný profil byl zadáním pilotové těsnící stěny redukován o 51 %. Hodnota zadávané hydraulické vodivosti v buňkách představující piloty je 1 x 10-9 m/s. Simulace čerpaných vrtů probíhala v písčitých štěrcích v rámci druhé vrstvy Kalkulace přítoků podzemních vod do stavební jámy a optimalizace odvodnění Orientační přítok podzemní vody do stavební jámy cca 5,3 l/s byl určen pomocí drenážní zóny (Modflow DRAIN). Drenáž byla zadána přes celou oblast stavební jámy do hloubky 5,25 m p. t. (195,8 m n. m.), což je 0,125 m pod úrovní stavební jámy v místě výtahových šachet (5,125 m p. t.). Pro názornost bylo nejprve simulováno odvodnění stavební jámy za absence vodotěsného pažení. V dalším kroku byla zadána vodotěsná pažící stěna po obvodu stavební jámy podle reálné situace v místě stávající budovy CVIDOS. 37

38 Odvodnění stavební jámy bez vodotěsného pažení Postupně byly do modelu zadávány vrty a příslušná čerpaná množství určená předchozí simulací odvodnění modelovým prvkem DRAIN. Po zadání čerpaných vrtů došlo k lokální změně proudění v okolí stavby a vývoji depresních kuželů (obr. 10). K dosažení požadovaného snížení podzemní vody pod dno výkopu stavební jámy bude, podle navrženého modelového řešení, nutné odvodnění pomocí 8 čerpaných vrtů, situovaných po obvodu stavební jámy a 1 vrtu v obou hlubších výkopech pro výtahové šachty uvnitř stavební jámy (obr. 11). Ze severní skupiny vrtů bude zapotřebí odčerpávat množství cca 0,4 1 l/s a z jižní skupiny vrtů 0,2 0,7 l/s. Podrobný výčet čerpaných množství z jednotlivých vrtů je uveden v příloze 2. V místě výtahových šachet dojde ke snížení hladiny podzemní vody pod základovou spáru na úroveň hladiny 195,83 m n. m. a v prostoru výkopu minimálně na 196,3 m n. m. Modelem zjištěné celkové čerpané množství vody ze stavební jámy se pohybuje okolo 5 l/s. Obr. 10: Modelová situace čerpání 10 odvodňovacích vrtů 38

39 Obr. 11: Modelová situace čerpaných vrtů detail bez vodotěsného pažení stavební jámy Odvodnění stavební jámy s aplikací vodotěsného pažení V dalším kroku bylo uskutečněno modelování odvodnění stavební jámy se zadáním prvků simulujících překážku v proudění (viz kapitola 9. 4.). Simulací pilotové stěny v okolí základů stavby, pomocí cel se sníženou hydraulickou vodivostí, se snížil přítok podzemních vod do stavební jámy na cca 2,7 l/s. Počet i umístění vrtů jsou totožné s modelovou situací bez vodotěsného pažení stavební jámy. Celkové čerpané množství potřebné k odvodnění stavební jámy pod základovou spáru se sníží z cca 5 l/s na cca 2,65 l/s. Nejvíce vody bude nutné odčerpávat z vrtů situovaných v místě výtahových šachet (vrty 2 a 10 viz příloha 2, obr. 12 níže). V místě severněji založené výtahové šachty klesne hladina podzemních vod na 195,89 m n. m. a v prostoru druhé šachty, jižněji situované, na 195,82 m n. m. V prostoru dalšího výkopu pak minimálně na 196,4 m n. m. Ve skutečnosti nejvyšší hodnota čerpaného množství nepřesáhla 2,6 l/s a v průměru byly ze stavební jámy čerpány 2 l/s podzemních vod. Toto množství bylo potřebné k umělému snižování hladiny podzemní vody pod úroveň dna stavení jámy přímo na lokalitě. Modelová situace, s nejvyšším čerpaným množstvím cca 2,65 l/s, se od skutečného stavu liší 39

40 v řádu 10-2 až 10-1 l/s, tudíž model věrně simuluje realitu, jelikož odvodňuje téměř stejné množství podzemních vod (při simulaci pilot) jako tomu bylo ve skutečnosti. Srovnání úrovní hladin před čerpáním a při odvodňování stavební jámy společně s čerpaným množstvím podzemních vod je uvedeno v tabulce viz příloha 2. Obr. 12: Modelová situace čerpaných vrtů detail s vodotěsným pažením stavební jámy 40

41 9. 5. Hydrogeologické posouzení vlivu stavby CVIDOS na odtokové poměry Na základě mapového podkladu, vrtné prozkoumanosti území a projektové dokumentace stavby CVIDOS byly v místě předmětné stavby zadány do modelu prvky simulující překážku v proudění podzemní vody (předmětná stavba) přes celou první modelovou vrstvu do hloubky 195,925 m n. m. Rozdíl v úrovni hladiny podzemních vod (vzdutí/pokles) po zatížení stavbou vůči původnímu přirozenému stavu proudění byl odečten v buňkách kolem základů stavby. Mapa hydroizohyps a směrů proudění podzemní vody bez ovlivnění výstavbou budovy CVIDOS PdF MU je zobrazena na obrázku 9. V důsledku zabudování nepropustných základů stavby do saturované zóny dojde ke změně hydraulické výšky a směru proudění podzemních vod. Maximální dotčená oblast se změnou hladiny podzemních vod >1 cm je přibližně 2 ha (příloha 3). Na nátokové straně (severní strana) stavby dojde ke vzdutí hladiny až o 0,12 m. Na straně hydraulického stínu (jižní strana) dojde k poklesu hladiny až o 0,13 m. K tomuto maximální vzdutí dochází přibližně uprostřed severní stěny základové spáry a k maximálnímu poklesu hladiny naopak uprostřed jižní stěny základů stavby. Pro objektivní popsání změn režimu podzemních vod po simulované výstavbě budovy CVIDOS byly zvoleny ke zpracování schematického řezu celým územím sloupce 104 a 121, kde došlo k maximálnímu vzdutí a poklesu na plášti stavby (obr. 13). Linie podélného schematického řezu B je znázorněna v příloze 5. 41

42 Obr. 13: Podélný řez B vedený v místě nejvyššího vzdutí a poklesu na plášti stavby CVIDOS Na severní stěně dochází k pozvolnému nárůstu hladiny od hodnoty 0,07 m ke středové části nejvyššího vzdutí 0,12 m, směrem k východu hladina pozvolně klesá k hodnotě vzdutí 0,08 m. U jižní stěny základové spáry došlo k poklesu hladiny. Nejmenší hodnota poklesu 0,07 m při východní hranici jižní stěny přechází směrem do středu k místu maximálního poklesu 0,13 m a pozvolně stoupá směrem k západu na hodnotu poklesu 0,09 m. Na západní stěně základů klesá rozdíl hladin vůči přirozenému stavu proudění od SSV k JJZ. K maximálnímu vzdutí hladiny 0,05 m dojde při ssv. hranici západní stěny objektu. Směrem k JJZ hodnoty vzdutí klesají a přibližně v polovině stěny dojde k přechodu na pokles hladiny. V místě zúžení základové spáry na západní stěně dochází k opětovnému vzdutí hladiny o maximální hodnotě 0,02 m. V jižním úseku západní stěny hladina pozvolně klesá k maximální hodnotě poklesu 0,06 m. Obdobná situace nastala při východní stěně objektu. Byl zaznamenán pozvolný pokles hydraulické výšky směrem k JJZ. Při severním okraji základové spáry byla odečtená nejvyšší 42

43 hodnota vzdutí 0,08 m. Na krátkém úseku v místě zúžení základů budovy došlo k mírnému vzdutí navzdory převládajícímu trendu pozvolného snižování rozdílu hladin. V navazujícím rozšíření stěny došlo opět k přechodu na pokles hladiny a v JJV rohu východní stěny byl zaznamenán maximální pokles hladiny 0,04 m. Založení stavby v první modelové vrstvě výrazně neovlivnilo změnu hydraulických výšek v druhé modelové vrstvě, rozdíl hladin se pohyboval v řádu milimetrů. Veškeré uvedené hodnoty vzdutí a poklesu hladiny byly odečteny vůči ustálenému stavu proudění podzemních vod bez vlivu stavby. Změna izolinií hydraulických výšek je znázorněna v příloze 4 a směry proudění podzemních vod, simulované v PMPATHU vypuštěním částice ve směru advekce, jsou patrné na obrázku 14. Obr. 14: Směry proudění podzemních vod po založení stavby CVIDOS 43

44 9. 6. Změny rychlosti proudění v okolí stavby Nejvyšší rychlosti proudění ovlivněné stavbou byly odečteny v buňkách na plášti základů budovy. Srovnání s hodnotami rychlostí proudění před realizací stavby je uvedeno v tabulce 8. Nejvyšší rychlost proudění byla dosažena v rozích stavby. Maximální rychlostí cca 0,19 m/den voda proudila v těsné blízkosti sz. a jv. rohu stavby. Naopak minimální rychlosti proudění 0,003 m/den dosáhla přibližně uprostřed jižní stěny základů. V nejužším místě základové spáry při z. i v. stěně voda proudila pouze rychlostí 0,006 m/den. Vektory rychlosti proudění v okolí stavby jsou zobrazeny na obrázku 15. Rychlostní vektory (šipky) značí směr proudění a jejich velikost je přímo úměrná rychlosti proudění. Hodnoty rychlosti proudění se pohybují v řádu 1x 10-8 až 1 x 10-6 m/s. Z v tabulce 8 značí zúžení základové spáry. Tabulka 8 : Hodnoty maximálních a minimálních rychlostí proudění v okolí stavby max. rychlost proudění [m/den] min. rychlost proudění [m/den] x se základy bez základů x se základy bez základů SZ roh základů 0,1996 0,0899 s. stěna střed 0,0061 0,0838 SV roh základů 0,1477 0,0916 j. stěna střed 0,0033 0,0916 JV roh základů 0,1970 0,0881 v. stěna - Z 0,0066 0,0899 JZ roh základů 0,1676 0,0890 z. stěna - Z 0,0061 0,0899 Obr. 15: Vektory rychlosti proudění podzemní vody kolem základů stavby 44