MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ Přírodovědecká fakulta Ústav geologických věd Veronika Galová ZHODNOCENÍ MOŽNOSTI JÍMÁNÍ PODZEMNÍ VODY PRO ZOO BRNO Bakalářská práce 2009 Vedoucí práce: Mgr. Tomáš Kuchovský, PhD. 1
2009 Veronika Galová Všechna práva vyhrazena 2
Prohlašuji, že tuto práci jsem vypracovala samostatně. Veškerou literaturu a ostatní prameny, z nichž jsem při přípravě práce čerpala, řádně cituji a uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím se zapůjčením této práce ke studijním účelům. V Brně,... Veronika Galová 3
Poděkování Za podnětné připomínky a konzultace k jednotlivým problémům děkuji mému školiteli Mgr. T. Kuchovskému, PhD. Za ochotné přijetí, konzultace, pomoc v terénu a poskytnutí podkladů k mé práci děkuji společnosti TopGeo a Aqua Enviro. Za konzultace děkuji Ing. Ondřeji Holému. 4
Jméno a příjmení autora: Veronika Galová Název bakalářské práce: Zhodnocení možnosti jímání podzemní vody pro ZOO Brno The title of bachelor thesis: Evaluation of the groundwater exploition for the ZOO Brno Studijní program: Geologie Studijní obor: Geologie, hydrogeologie a geochemie Vedoucí bakalářské práce: Mgr. Tomáš Kuchovský, PhD. Rok obhajoby: 2009 Anotace česky: Zoologická zahrada v Brně nemá dostatečný zdroj užitkové a pitné vody. Proto byly v bývalém areálu VUT v obci Kníničky vyhloubeny dva vrty, ve kterých byly popsány petrografické profily a zjištěny hydraulické parametry zvodněných hornin. Prováděly se čerpací a stoupací zkoušky, podle kterých bylo možno určit adekvátní čerpané množství vody z jímaných vrtů. Tato oblast je vhodná pro čerpání užitkové i pitné vody z důvodu kvality podzemní vody a propustnosti hornin. Anotace anglicky: The zoological garden in Brno lacks a sufficient source of potable and sanitary water. Therefore two holes were drilled in the former VUT campus in Kníničky. There were petrographic descriptions and hydraulic characteristics of water-bearing rocks established. Pumping and recovery tests were performed in order to determine adequate pump rate from the intake holes. Thanks to the ground water quality and permeability of rocks, this area is suitable for both potable and sanitary water pumping. Klíčová slova: transmisivita, storativita, vrt, čerpací zkouška, stoupací zkouška. Keywords: transmisivity, storativity, hole, pumping test, recovery test. 5
6
OBSAH 1. ÚVOD A CÍL PRÁCE 8 2. CHARAKTERISTIKA ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 8 2.2. Lokalizace 8 2.3. Klimatické poměry 9 2.4. Geologické poměry 9 2.5. Hydrologické poměry 11 2.6. Hydrogeologické poměry 12 2.7. Inženýrsko-geologické poměry 15 3. METODIKA PRÁCE 16 3.1. Terénní práce 16 3.2. Popis vrtů 17 3.3. Hydraulické parametry 19 3.4. Hydrodynamické zkoušky 20 4. VÝSLEDKY 23 5. DISKUZE 26 5. ZÁVĚR 26 6. POUŽITÁ LITERATURA 27 7. SEZNAM PŘÍLOH 29 7
1. ÚVOD A CÍL PRÁCE V současné době nemá Zoologická zahrada v Brně Bystrci dostatečný zdroj užitkové a pitné vody. Statutární město Brno se tedy rozhodlo realizovat na podzim roku 2008 v nivě řeky Svratky v blízkosti obce Kníničky dva hydrogeologické vrty (obr.1), které mají pokrýt spotřebu Zoologické zahrady. Jeden z vrtů s označením HV2z byl do hloubky 14 m, druhý z vrtů s označením HV1z byl z důvodu kvality podzemní vody až do hloubky 75 m. Cílem práce bylo vyhodnotit petrografické údaje získané z nově hloubených vrtů, hydrodynamické zkoušky, stanovit hydraulické parametry zvodněných hornin a následně dojít k návrhu adekvátního čerpaného množství z jímaných vrtů. Předpokládané množství čerpané vody je 7 l/s. HVz2 HVz1 100 m Obr. 1. Katastrální mapa s vyznačenými vrty 2. CHARAKTERISTIKA ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ 2.2. Lokalizace Studovaná oblast náleží v Jihomoravském kraji, v okrese Brno-město v katastrálním území Kníničky. Oba vrty se nachází v bývalém areálu VÚT na ulici U Zoologické zahrady. Vrt HV2z se nachází přibližně 550 m sz. od Zoologické zahrady a vrt HV1z je v bývalém areálu VÚT asi 650m sz. od Zoologické zahrady (obr.1). Z geomorfologického hlediska patří do Bystrcké kotliny (Demek et.al 2006). 2.3. Klimatické poměry 8
Zkoumané území náleží z hlediska klimatické charakteristiky do mírně teplé oblasti třídy MT11. Oblast je charakteristická dlouhým, suchým a teplým létem. Nejvíce srážek spadne ve vegetačním období. Zima je krátká a mírně teplá, kdy sněhová pokrývka má velmi krátké trvání. Nejchladnějším měsícem za období 1931 1970 je leden (2-3 C) a nejteplejším červenec 17-18 C (Quitta 1975). Vybrané charakteristiky klimatu daného území jsou uvedeny v tab.1. Tab.1 Vybrané charakteristiky klimatické oblasti MT11 podle Quitta 1975 Průměrný počet dnů se srážkami 1m a více 90 100 Počet letních dnů 40 50 Počet ledových dnů 30 40 Počet mrazových dnů 110-130 2.4. Geologické poměry Z regionálně geologického hlediska území Brna Kníniček náleží do jednotky brunovistulika, která prošla pestrým vývojem. Je tvořeno metamorfovanými komplexy a brněnským masivem (Mísař 1983). Je tvořen magmatickými tělesy kadomského stáří. Brněnský masiv se skládá ze západní granodioritové oblasti a střední tzv. metabazitové zóny. Horniny brněnského masivu byly zastiženy pouze u vrtu HVz1 z metabazitové zóny. Nachází se zde rozvětralý zelenošedý metadiorit s vložkami písčitého jílu. Z pokryvných útvarů jde hlavně o sedimenty neogénu a kvartéru (Müller et al. 2000). NEOGÉN STUDOVANÉ OBLASTI Neogenní sedimenty jsou zastoupeny především miocenními sedimenty. Miocén je tvořen mořskými sedimenty eggenburgu, mořskými sedimenty karpatu, spodního badenu a říčními uloženinami stáří středního až svrchního miocénu a pliocénu. Mezi rozšířené sedimenty studované oblasti patří komplexy sladkovodních až mírně brakických uloženin ottnangu (Müller et al. 2000). Vystupují v podobě denudačních zbytků tvořených štěrky, písky, ojediněle vápnité písky, písčité jíly a pestré jíly. Mikrofauna je velice chudá, může se vyskytovat ojediněle v jílech. Vyskytují se zde hlavně foraminifery paleogenního a křídového stáří, živočišné houby a ježovky. Severně od Kníniček dosahují sedimenty ottnangu největší mocnosti. (obr.2). Tvoří výplň pokleslé kry brněnského masivu, která se táhne od Kníniček přes Jinačovice k západnímu okraji Kuřimi. Tato část se nazývá jinačovický prolom. Obsah valounové složky štěrků a písků je velmi proměnlivá. Sedimenty ottnangu jsou nejlépe odkryty severně od Kníniček v zářezu staré německé silnice. Tyto sedimenty jsou typické 9
čočkovitým vývojem, střídáním poloh písků a štěrků s ojedinělými vložkami jílů. Na složení valounů se účastní křemen, horniny kulmu, metamorfity, pískovce, křemence, horniny brněnského masivu a rohovce (Müller et al. 2000). NEOGÉN ŠIRŠÍHO OKOLÍ STUDOVANÉ OBLASTI Sedimenty ottnangu písčité písky a štěrky s málo mocnými jíly byly zjištěny v Obřanech a Líšni. Jíly jsou zde pestré, olivově zelené, šedozelené, šedé nebo šedohnědé, prachovité, nevápnité nebo slabě vápnité. Tyto sedimenty také vystupují na povrch v okolí Nového Lískovce, Starého Lískovce a Bohunicích.Z okolí Želešic, Ořechova, Bílovicemi nad Svitavou, Řícmanicemi, Kanicemi a Ochozem u Brna jsou známy v podobě denudačních zbytků (Müller et al. 2000). KVARTÉR STUDOVANÉ OBLASTI Nivu řeky Svratky vyplňují říční písčité štěrky petromiktního charakteru s zaoblenými valouny o mocnosti 4-5 m, které vznikly ve svrchním pleistocénu a resedimentace pokračovala zřejmě až do holocénu. Tyto říční štěrky jsou tvořeny šedými šedohnědými zahliněnými písčitými štěrky s dobře zaoblenými valouny brněnského masivu a krystalinika Českomoravské vrchoviny, mocnost štěrků 4-5 m. Na povrchu těchto říčních štěrků byly zjištěny organické jíly, které jsou výplněmi slepých ramen (Müller et al. 2000). KVARTÉR ŠIRŠÍHO OKOLÍ STUDOVANÉ OBLASTI Podél toku řeky Svratky, Svitavy a Litavy v pleistocénu až počátkem spodního pleistocénu vznikaly fluviální akumulace s relativní výškou báze 17-35 m písčitých štěrků nad současným povrchem nivy Svratky a Svitavy, kde patří složitá akumulace označovaná jako tuřanská terasa. Sedimenty tuřanské terasy vystupují v blízkosti Brněnské přehrady, Obřan, Maloměřicemi a Stranskou skálou jako hrubé, rezavě hnědé, bazálními štěrky zahlíněné. Akumulace je tvořena v nejspodnější části písčitými štěrky, bloky a balvany, na povrchu povodňovými hlínami, kde bývá zachována i poloha spraší. Říční terasy mindelského stáří jsou tvořeny šedohnědými, hrubě zrnitými písky a písčitými štěrky, které se nachází na jižním a východním okraji Brněnské přehrady, u Husovic, v okolí Obřan a na východním okraji Řečkovic. Písčité štěrky risského stáří se vyskytují na levém břehu řeky Svitavy mezi Obřany, Maloměřicemi a Židlichovicemi a provázejí tok řeky (Müller et al. 2000). 10
600m Legenda diorit, metadiorit hornblendit, serpentinit biotitický až amf.-bio. granodiorit štěrky a písky leukokrátní až biotitický granit metabazalt spraše, sprašové hlíny vápnité jíly deluviofluviální písčito-hlinité sedimenty Obr. 2. Geologická mapa části Brno Kníničky (upraveno podle Hanžl et al. 1999) 2.5. Hydrologické poměry Povrchové vody v Brně Kníničkách náleží do pravostranného povodí Svratky povodí Moravy, kde průměrný průtok je kolem 8 m 3.s -1. Levostranným přítokem Svratky je Svitava, kde dalšími důležitými přítoky jsou Besének, Lubě a Kuřimka. V roce 1940 byla dokončena výstavba Brněnské přehrady, která je tvořena betonovou hrází o výšce 34,5 m a délce 120 m. Vodní plocha má 260 ha, maximální hloubka dosahuje 19 m. Stálý objem činí 7,6 mil.m 3 a celkový objem dosahuje 21 mil.m 3. Přehrada se využívá k hydroenergetice, k rekreačním účelům a k regulaci průtoků na dolním toku Svratky. Dlouhodobý specifický odtok v Brně a okolí klesá do údolí Svratky a do jihovýchodního okolí Brna (Müller et al. 2000). 11
2.6. Hydrogeologické poměry NEOGÉN ŠIRŠÍHO OKOLÍ STUDOVANÉ OBLASTI Neogenní písky, štěrky a jíly uložené na brněnském masivu, mají velký hydrogeologický význam. Jejich změny zrnitosti odrážejí vysoké hodnoty směrodatných odchylek indexu transmisivity Y. Je pro ně charakteristická mírná propustnost a vodohospodářský význam lze označit jako vhodný pro větší až soustředěné odběry s vydatností objektů v rozsahu 1 až 10 l.s -1 při přibližně pětimetrovém snížení hladiny. Hrubozrnné eluvia v pokleslých částech brněnského masivu vytvářejí významné kolektory. Nesoudržné písky a písčité štěrky jsou mírně až silně propustné, podzemní voda se v nich může zdržovat a tím mohou vytvářet kolektory s napjatou hladinou podzemní vody, které jsou vodárensky využitelné(müller et al. 2000). NEOGÉN STUDOVANÉ OBLASTI Sedimenty neogénu vytvářejí systém střídajících se kolektorů (písky, štěrky) a izolátorů (jíly). Jinačovický prolom je tvořen hydrogeologickým kolektorem s polohami jílů, jílovitých písků a štěrků a vycházejí na povrch nebo jsou kryta jílem. Souvislý kolektor hornin v prolomu je zřejmě rozdělen hydrogeologickým rozvodím severně od obce Jinačovice. Severní část prolomu je odvodňována směrem k severu do Kuřimky a jižní část do Svratky Mniší potok. Je zde pravděpodobné propojení s Bystrckou kotlinou na základě severojižní tektoniky, která způsobuje skryté odvodnění kolektoru. Přetékání podzemní vody z kolektoru bazálních klastik může být dalším důvodem odvodňování do kvartérních fluviálních sedimentů mezi Bystrcí a Jundrovem. V roce 1983 regionální hydrogeologický průzkum vyčíslil přírodní zdroje ve výši 31 l.s -1 a využitelné zásoby na 18 l.s -1. Průměrná hydraulická vodivost je 9.10-5 m.s -1 a trasmisivita 1,7.10-3 m 2.s -1. Jinačovický prolom je využit z hydrogeologického hlediska pouze na jednom území a to severozápadně od Kníniček. Jímané množství vody se pohybuje okolo 13 l.s -1 a vyžaduje pouze hygienické zabezpečení. Nebezpečí znečištění podzemních vod nepropustnými pelity podmiňuje zvýšené nároky na ochranu akumulovaných podzemních vod (Müller et al. 2000). V okolí Jinačovic se nachází několik hydrogeologických vrtů s vydatností 1-10 l.s -1.m -1 a vrt, který se nachází přímo v obci Jinačovice má vydatnost 0,1-1 l.s -1.m- 1 (upraveno podle Kráma et al.1990). Hydrogeologické poměry přehledně zobrazuje (obr.3). 12
Legenda Ryze puklinový kolektor ukloněných a zvrásněných sedimentů: pararul metabazitů dioritů Průlinový kolektor holocenních a pleistocenních fluviálních sedimentů údolních niv: Svratky Nepravidelné střídaní většího počtu izolátorů a průlinových vrstvových kolektorů vodorovně uložených neogenních sedimentů: u Jinačovic Kvalita podzemní vody: území s vodami II. kategorie Hranice zvodněných kolektorů: hranice geologických jednotek uvnitř jednoho typu kolektoru rohraní mezi plochami s odlišnou trasmisivitou nebo s odlišnou variabilitou trasmisivity Umělé hydrogeologicky vytvořené objekty: rozlišení vrtů podle vydatnosti 13
q 1-10 Obr. 3. Hydrogeologická mapa studované oblasti, kde šipkou je vyznačen vrt s vydatností 0,1-1 l.s -1.m- 1 a kolečkem studovaná oblast (podle Kráma et al. 1990) KVARTÉR Důležitou roli plní na většině povrchu okolí Brna kvartérní sedimenty pleistocenního a holocenního stáří, jde především o fluviální sedimenty. Hydrogeologicky nejvýznamnější v krystaliniku jsou kolektory fluviálních sedimentů údolních niv, které představují nesoudržné, hrubozrnné štěrky. Systém komunikujících kolektorů je vyvinut na velké ploše převážně v údolí dolního toku Svratky. Spraše a sprašové hlíny překrývají terasové sedimenty o mocnosti 10 m. Má velmi slabou propustnost a tím umožňuje ochranu podložních zvodněných kolektorů před antropogenními zásahy (Müller et al. 2000). V místech nasedání přímo mírně až silně propustných kvartérních sedimentů, dochází k vytvoření jednotného zvodněného kolektoru. Nejvyšší terasy jsou po většinu roku suché, u vyšších teras je míra zvodnění spojena s infiltrací atmosférických srážek a proto jsou z vodárenského hlediska nevhodné. Střední a nejnižší terasové stupně vytváří se sedimenty údolních niv hydrogeologický subsystém a jsou prakticky nejvýznamnější. Hladina podzemní vody kolísá vlivem spojitosti podzemní vody v údolních nivách a povrchových vod. Mocnost holocenního souvrství v údolních nivách kolísá mezi 2-8 m. Jemnozrnné sedimenty jsou slabě propustné a tvoří stropní izolátor podložního kolektoru štěrků a hrubozrnných písků spodního souvrství údolní nivy. V kolektoru údolní nivy dolního toku Svitavy a Svratky byla zjištěna vysoká transmisivita, která vytváří pro odběry přibližnou vydatnost v rozmezí 0,5 25 l.s -1 (Müller et al. 2000). KVALITA PODZEMNÍCH VOD V podzemních vodách brněnského okolí převažují iony vápníku a hydrogenuhličitanů, výjimečně se vyskytují vody Ca-SO 4 nebo Mg-HCO 3 typy vod. Mineralizace je nízká a pohybuje se v rozmezí 0,3 až 0,6 g.l -1. Neogenní podzemní vody mají zvýšenou mineralizaci a obsahují železo a mangan. Z hlediska fyzikálně chemických vlastností mají monotónní chemismus. Náleží k Ca-Mg-HCO 3 typům podzemních vod s celkovou mineralizací do 0,8 g.l -1. Jsou tedy vodami velmi slabě alkalickými a tvrdými. V některých případech mají větší obsah Mn 2+, Fe 2+ a NO - 2 a mírný nárůst koncentrací NO - 3, Cl - a SO 2-4. Kolektory neogénu 14
mají mocný stropní izolátor, což způsobuje tvrdost a vyšší obsah Fe 2+ a Mn 2+ (Müller et al. 2000). V údolní nivě řeky Svratky se v mělce uložených kolektorech vyskytují vody II. kategorie. Z hlediska kvantity mají říční sedimenty údolní nivy zásadní postavení. Využitelné jsou jako kolektory pitné a užitkové vody. Kvalitu snižuje antropogenní činnost (Müller et al. 2000). 2.7. Inženýrsko-geologické poměry Předkvárterní podklad tvoří v zájmové oblasti horniny neogénu. Pro inženýrskou činnost jsou důležité pouze souvrství do hloubky 30 m. Lokálně zde můžeme nalézt méně mocné polohy tvořené písčitými jíly a sedimenty štěrkovitého a písčitého charakteru, které se vyskytují pouze v malých hloubkách (Müller, Novák et al. 2000). Kvartérní sedimenty, které tvoří nadloží neogenních sedimentů, mají pro provádění inženýrských staveb zásadní význam. Genetickým typem těchto sedimentů je říční souvrství, kdy docházelo k sedimentaci písků a štěrků. Nacházíme je v několika úrovních na údolních svazích a v údolní nivě. Základová půda tohoto souvrství je málo stlačitelná, ale propustná. Údolní svahy jsou převážně suché nebo jen slabě zvodněné, údolní terasa je zvodněná v celé své mocnosti. Napjatá hladina v údolní terase odráží geotechnické vlastnosti nadložního hlinitého souvrství. Toto souvrství je holocenního stáří a je složeno z hlinité a jílovité zeminy s proměnlivým písčitým podílem. Můžou být zde i polohy organických hlín, kde jejich mocnost pohybuje v intervalu 2-4 m. Souvrství v městských aglomeracích bývá často převrstveno navážkami. Jsou to hlavně místa údolních niv, kde se vyskytuje podzemní voda, která se nachází mělce pod povrchem terénu v úrovni hladiny v korytě, čímž je zakládání staveb ztěžováno a proto je nutné náročnější stavby zakládat až do podložního štěrkopísčitého souvrství (Müller et al. 2000). 15
3. METODIKA PRÁCE 3.1. Terénní práce Terénní práce byly zahájeny koncem měsíce září hloubením jímacím vrtu HV2z (foto č.1.) Konečná hloubka tohoto vrtu je 14m. Vrt byl hlouben rotačně, zpočátku spirálovým vrtákem, následně roubíkovou jádrovou korunkou.vrt byl pažen manipulačními pažnicemi, aby nedocházelo ke zhroucení stěn vrtu a k jeho zasypávání (foto č.2.). Při každém kontaktu hornin byl odebrán vzorek (obr. 4), změřena hloubka kontaktu hornin a po následném dosažení hloubky 14 m se zjistila hladina podzemní vody. V průběhu a po skončení vrtných prací se z pozorovacích vrtů umístěných v rozmezí 60-200 m, změřila hladina podzemní vody, elektrochemické parametry (Eh, ph a konduktivita) a odebíraly se vzorky vody (foto č.3 a 4). Aby se zjistilo, jak je tento vrt vydatný, prováděla se čerpací zkouška, která trvala 7 dnů a stoupací zkouška probíhala 1 den (příl.5). V bývalém areálu VUT na ulici U Zoologické zahrady se o měsíc později začalo hloubit do hloubky 75m vrt s označením HV1z (příl. 6). Práce se konaly pomocí spirálového vrtáku, avšak při dosažení 7m se musela použít plná čelba s valivými dláty a výplachem (příl.7). Tento způsob vrtání značně limitoval určení hornin, z důvodu jejich rozdrcení. Pro udržení stability stěn vrtu ve velkých hloubkách se použil výplach s technologickým názvem ARGIPOL a MODIPOL. MODIPOL je směs vysoce účinných práškových polymerů určena hlavně pro přípravu bezjílového výplachu, ARGIPOL je směs aniontových polymerů ve formě vodní disperze. Po dosáhnutí předepsané hloubky se změřila hladina podzemní vody a zavedla se sonda pro geofyzikální průzkum. Čerpací zkouška, která probíhala po umístění karotáže, trvala 21 dnů a stoupací zkouška byla dlouhá 3 dny. 16
Obr.4 Odběr vzorků hornin z vrtu HV2z 3.2. Popis vrtů hnědá, rozsýpavá, suchá hlína šedohnědá, jílovitá, měkká, vlhká hlína šedý, měkký jíl šedý, hlinitopísčitý, zvodnělý štěrk (valouny poloopracované opracované o velikosti 1-10 cm, výplň 20% středně až hrubě zahliněný písek) rezavě hnědý, písčitý, zvodnělý štěrk (valouny opracované poloopracované o velikosti 1-15 cm křemen, granodiorit, diorit, 35% středně až hrubě zrnitého písku) rezavý, zvodnělý, štěrk (40% valounů opracované 1-7 cm křemen, granodiorit, granit, diorit, 60% středně zrnný písek) rezavě šedý, měkký, písčitý, jíl Měřítko: 1 : 175 Obr.5 Profil vrtu HVz2 17
0,0-0,01 m: drn 0,1-1,5 m: hnědá tuhá hlína 1,5-3,8 m: prachovitá hlína 3,8-4,9 m: šedý tuhý jíl 4,9-10,0 m: rezavě hnědý hrubozrnný štěrk (opracované a poloopracované valouny velikost 15-20 cm křemen, granodiorit, diorit) 10,0-14,0 m: rezavě hnědý, písčitý štěrk (poloopracované valouny do 10 cm - křemen, granodiorit, diorit) 14,0-22,0 m: písčitý, světle hnědý až žlutohnědý štěrk (dobře opracované valouny až 20 cm křemen, granodiorit, rula) 22,0-22,5 m: jemnozrnný jílovitý písek 22,5-26,0 m: rezavě hnědý, písčitý štěrk (dobře opracované valouny o velikosti až 20 cm křemen, granodiorit, rula) 26,0-29,0 m: světle hnědý až žlutohnědý, písčitý štěrk ve valounech křemen až 90% 29,0-30,5 m: světle hnědý, písčitý štěrk 50% křemen, 50% zvětralá rula, v 30-31 m vložky okrově hnědého písčitého jílu 30,5-33,0 m: zelenošedý rozvětralý metadiorit s vložky hnědého písčitého jílu 50% křemene, 42% metadiorit, 8% rula 33,0-37,0 m: zelenošedý, rozvětralý metaiorit 37,0-42,0: slabě rozvětralý metadiorit 42,0-75,0 m: zelenošedé, světlé horniny metabazitové zóny brněnského masivu 89% metadiorit, 8% křemen, 1% pískovec, 1% aplit Měřítko: 1:400 Obr.6 Popis vrtu HVz1 18
3.3 Hydraulické parametry U zvodněných formací dělíme hydraulické charakteristiky na odporové, kapacitní a kapacitně-odporové charakteristiky. Odporové charakteristiky popisují schopnost propouštět vodu, kapacitní schopnost formace akumulovat vodu a uvolňovat a kapacitně-odporové charakterizují rychlost šíření hydraulických vzruchů ve zvodněných formacích (Šráček et al. 2003). Základními odporovými charakteristikami jsou hydraulická vodivost k, kterou z Darcyho rovnice můžeme vyjádřit k Q = (1) A.( dh / dl) kde A je průřez, Q objem za čas a hydraulický gradient (dh/dl), který je mírou rozdílu hydraulické výšky mezi odlišnými body systému. Je funkcí vlastností pórového prostředí a i vlastností proudící kapaliny. Přímo závisí na měrné hmotnosti proudící kapaliny ρ a nepřímo na její dynamické viskozitě µ (Šráček et al. 2003). Potom se hydraulická vodivost vypočítá: k ρ. g = K. (2) µ kde g je gravitační zrychlení a další odporová charakteristikou koeficient propustnosti K, který je funkcí pórového prostředí a nezávisí na druhu protékající kapaliny. Čím větší je čtverec střední velikosti zrn d, tím větší má hodnotu koeficientu propustnosti. Závisí také na tvaru zrn C, takže pro něj platí, že je funkcí C a d (Šráček et al. 2003). Důležitými parametry jsou transmisivita a storativita. Transmisivita zohledňuje vliv mocnosti na průtok T = k.b (3) a storativita je objem vody uvolněný z hranolu jednotkového objemu kolektoru o jednotkové základně při jednotkovém snížení hydraulické výšky. Je bezrozměrným parametrem objem/objem (Šráček a Kuchovský 2003). 19
3.4 Hydrodynamické zkoušky Hydrodynamická zkouška je soubor činností, které se stanovují u hydrogeologických objektů (vrt, studna apod.) na základě účinků určitého hydrodynamického zásahu do systému. Lze je rozdělit na přítokové, nálevové, vtlačovací, expresní a jiné speciální zkoušky (Jetel 1982). Hydrodynamické zkoušky probíhají za určitých podmínek. Tyto podmínky jsou důležité pro stanovení postupu zkoušek a můžeme je rozdělit podle jednotlivých aspektů do těchto skupin: 1) podmínky ustáleného proudění (během zkoušky ustálené proudění) 2) podmínky ovlivněny účinkem, konstrukcí a rozměry zkušebního objektu (vrt, studna apod.) 3) přírodní podmínky 4) podmínky uspořádání zkoušky a systému pozorování (Jetel 1982) 1. Přítokové zkoušky Voda přitéká přímo do studně, vrtu či jiného objektu. Mezi přítokové zkoušky, které jsou důležité pro tuto práci, řadíme - odběrové (čerpací a přetokové) a stoupací. Diferenční, které slouží ke sledování změn tlaku či hladiny při změnění odebíraného množství vody bez přerušení odběru a trubkové, provádí se pomocí testeru umístěného ve vrtu na vrtných trubkách (Jetel 1982). a) Odběrové zkoušky jsou nejvýznamnější skupinou hydrodynamických zkoušek a také důležité pro výpočet zásobnosti v této práci. Ze zkušebního objektu se odebírá za konstantní nebo proměnlivé úrovně hladiny podzemní vody konstantní množství vody. Lze je dělit podle ustálenosti proudění na proudění ustálené a neustálené (Jetel 1982). Ustálené proudění Čerpací zkoušky ustáleného proudění volné zvodně (hydraulicky spojitá akumulace podzemní vody omezená izolátorem, kde tlak je vyšší než atmosférický) se v dnešní době aplikují méně a mají spíše historický význam. Používá se u nich Dupuitova hypotéza, kde se zanedbává vertikální složka proudění. Voda protéká přes průřez A, závislý na radiální vzdálenosti r (vzdálenost pozorovacího vrtu od čerpacího vrtu) a hydraulické výšce h (míra energie hmoty vody v závislosti na poloze v prostoru, tlaku a rychlosti proudění): 20
A = 2.π.r.h (4) Průtok Q je pak podle Darcyho roven Q = k.i.a (5) kde k je hydraulická vodivost a I je hydraulický gradient (míra rozdílu v hydraulické výšce mezi odlišnými body). U tohoto proudění může být i zvodeň napjatá, kde proudění jde přes celou mocnost zvodně b. Průřez je roven A = 2.r.b (6) Tvar Darcyho zákona pak zní Q = I.A (7) Neustálené proudění U neustáleného proudění se voda uvolňuje z pružné zásobnosti kolektoru. Na základě analogie šíření tepla vyvinul Theis řešení rovnice neustáleného proudění, kde neinterpretuje závěrečné snížení, ale snížení v čase. Podmínkami použití rovnice je laminární proudění popsané Darcyho zákonem, při snížení hydraulické výšky se voda okamžitě uvolňuje, kolektor je homogenní a izotropní s konstantní mocností, jeho horizontální rozsah nekonečný a zvodeň je před čerpáním v klidu. Hydraulická výška v čase nula je před čerpáním konstantní, snížení nulové v nekonečné vzdálenosti od vrtu a čerpané množství Q pro čas t > 0 konstantní. Theisovo řešení má tvar: Kde u se rovná Q s =. W ( u) 4. π. T (8) 21
2 r. S p u = (9) 4. T. t Theisova metoda spočívá v určení neznámých T a S z známých dat snížení v čase. Čerpané množství je konstantní. Hodnoty snížení v čase se vynesou do logaritmického grafu, který se přiloží na graf studňové funkce. Osy musí být rovnoběžné u obou grafů. Vybereme bod, ze kterého odečteme hodnoty studňové funkce W(u).Z hodnot W(u) vypočteme transmisivitu T QW. ( u) T = 4. π. s (10) a pružnou zásobnost Sp = 4. u. T. t 2 r (11) kde t je čas v sekundách. (Schwartz et al. 2003). Jacob modifikoval Theisovu metodu. Zjistil, že funkci W(u) lze vyjádřit pomocí nekonečné řady. Theisova rovnice pak zní: s = Q 2,25. T. t.ln 2 4. π. T r. S p (12) Jacobova rovnice se tedy rovná: 2,3. Q 2.25. T. t.log 2 4. π. T r. S p (13) Použijeme li s, dostaneme hodnotu transmisivity T = 2,3. Q 4. π. s (14) 22
Hodnota pružné zásobnosti se vypočte jako 2,25. T. t 0 S p = (15) 2 r t 0 je čas v bodě nula, přímka proložená body se entrapoluje a musí protnout osu log t a r je vzdálenost pozorovacího vrtu od čerpacího vrtu (Fetter et al. 1999). b) Stoupací zkouška se může provádět po skončení čerpací zkoušky. Hladina stoupá stejně jako u čerpací zkoušky. Podle rovnice odpovídá nástup hladiny stavu, kdy se do vrtu naléváno stejné množství vody jako čerpané. Zbytkové snížení s je pak Q s = [ W ( u) W ( u )] (16) 4. Π. T s Kde u = r 2.S p /T.(t p +t), u s = r 2.S p /T.t, kde t p je doba čerpání a t doba od zastavení odběru(od t p ). 2. Nálevové zkoušky Sledují závislost mezi stavem hladiny v objektu (vrtu, studni, atd.) a množstvím vody nalévaném do objektu. 3. Vtlačovací zkoušky Sleduje se závislost mezi tlakem ve vrtu a množstvím vody vtlačované do vrtu pod tlakem. 4. Expresní zkoušky Zkoušky o jednorázovém odběru určitého objemu vody, velmi krátké odběrové, apod. 5. Jiné speciální zkoušky Např. metoda filtrační explozní vlny, metoda harmonických vln aj. 4. VÝSLEDKY Na vrtu HVz1 byla zjištěna hladina podzemní vody ve 4,90 m a čerpané množství se pohybovala okolo 10,3 l. Prováděla se zde čerpací a následně stoupací zkouška. Začalo se čerpací zkouškou, kde množství vody, které je schopna formace udržet (transmisivita) se rovná 39,3.10-4 m 2 /s (podle vzorce 14). Konstantní průtok je 7,3 l a rozdíl snížení se rovná 0,48m. Mocnost zvodně b byla naměřena 75 m a hydraulická vodivost je tedy rovna hodnotě 23
3,7.10-4 (podle vzorce 3).Množství vody, které se uvolní z hranolu (storativita) je rovno 65,.10-3 m 3 /s (podle vzorce 15). Čas v bodě nula je 29500s a vzdálenost pozorovacího vrtu od čerpacího vrtu je 63 m. Čerpací zkouška s (m) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 t/t (s) Obr.7 Čerpací zkouška vrtu Hvz1 Následně byla provedena stoupací zkouška, kde transmisivita vychází 86,4.10-3 m 2 /s (podle vzorce 14), kde rozdíl snížení se rovná 0,29 m a storativita je 97,9.10-7 m 3 /s (podle vzorce 15). Čas v bodě nula je 0,2 s. Stoupací zkouška s (m) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 t/t (s) Obr.8 Stoupací zkouška vrtu HVz1 Vrt HVz2 měl podstatně menší čerpané množství 2,9 l a hladina podzemní vody byla naměřena ve 2,54 m. Prováděla se zde stejně jako u vrtu HVz1 čerpací a stoupací zkouška. Na 24
základě vyhodnocení čerpací zkoušky je transmisivita je 63,63.10-3 m 2 /s (podle vzorce 14), kde konstantní průtok je 2,9 l/s a rozdíl snížení odečtené z obr.7 je 0,085 m. Mocnost zvodně je 10 m a hydraulická vodivost (podle vzorce 3) je rovna hodnotě 6,3.10-3, a storativita 37,22.10-3 m 3 /s (podle vzorce 15), t 0 je 4200 s a r je127 m (obr.7). Čerpací zkouška 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 s (m) 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 t/t (s) Obr.9 Čerpací zkouška vrtu Hvz2 Při vzestupu hladiny v průběhu stoupací zkoušky stoupací zkoušky bylo naměřeno zbytkové snížení a čas od skončení čerpání. Zjištěná transmisivita je 27,0.10-4 m 2 /s (podle vzorce 14). Rozdíl snížení vychází v tomto případě 0,2 m. Storativita je 34,04.10-9 m 3 /s (podle vzorce 15), kdy čas v bodě 0 je 0,09 s (obr.8). Stoupací zkouška 0,00 1,00 2,00 s (m) 3,00 4,00 5,00 6,00 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 t/t (s) Obr.10 Stoupací zkouška vrtu HVz2 25
Chemické parametry: Podzemní voda na studované lokalitě obsahuje méně jak 0,02 mg.l -1 manganu, méně jak 0,04 mg.l -1 železa, v hojném množství se zde vyskytuje vápník až 80 mg.l -1, hořčík 22,4 mg.l -1, dusičnany 24,9 mg.l -1 a sírany 24,6 mg.l -1. Celková tvrdost vody v této oblasti byla naměřena 3,6 mmol.l -1 a ph je 7,6. Výskyt ropných látek je pod 0,1 µ g.l -1. 5.DISKUSE VÝSLEDKŮ Vzhledem k nedostatku užitkové a pitné vody pro Zoologickou zahradu v Brně realizovala společnost AquaEnviro a TopGeo dva nové jímací vrty v bývalém areálu VÚT na ulici U Zoologické zahrady, na základě rozhodnutí majitele Zoologické zahrady. Ze zjištěných výsledků by měla vydatnost vrtů vyhovovat. Vrt Hvz1 by neměl přesáhnout vydatnost 10,3 l/s, vrt Hvz2 2,9 l/s a tím by mělo čerpané množství pokrýt plně spotřebu Zoologické zahrady. Transmisivita naměřená ve srovnání s okolím Brna a dříve naměřenými hodnotami v této oblasti je vyšší (Müller et al. 2000). Horniny u vrtu HVz1 jsou podle klasifikace propustnosti hornin (Jetel 1973) dosti silně propustné. U vrtu HVz2 je propustnost až dosti silná (tab.2). Tab.2 Propustnost hornin podle Jetela (1973) Hydraulická Koeficient Třída Označení hornin podle vodivost propustnosti propustnosti stupně propustnosti 6,3.10-3 1.10-10 II silně propustné 3,7.10-4 1.10-11 III dosti silně propustné Z petrografického hlediska se zde nachází jíl, písčitý až hlinitopísčitý štěrk kvartérního až neogenního stáří. Ve větších hloubkách byl nalezen rozvětralý metadiorit a horniny brněnského masivu proterozoického stáří. 5. ZÁVĚR Tato oblast je výhodná pro čerpání pitné i užitkové vody, jak z důvodu propustnosti hornin, tak i díky kvalitě podzemní vody. Voda zde obsahuje malé množství ropných látek, manganu a železa. Je zde pouze znehodnocena velkým obsahem dusičnanů, vápníku a hořčíku manganu. Její ph označuje tuto podzemní vodu spíše jako zásaditou. 26
POUŽITÁ LITERATURA: M ÜLLER, P. - NOVÁK, Z. - BUBÍK,M. BURIÁNKOVÁ, K. ČURDA,J. ELIÁŠ, M. GILÍKOVÁ, H. GREGEROVÁ, M. GRYM, V. HANÁK, J. HANŽL, P. HAVLÍČEK, P. HRÁDEK, M. KADLEC, J. KREJČÍ, O. KVĚTOŇOVÁ, E. MELICHAR, R. - M ÜLLER, V. - M ÜLLEROVÁ, H. NOVÁK, M. OTAVA, J. PÁLENSKÝ, P. PETROVÁ, P. PÍŠE, J. SEDLÁK, J. ŠMERDOVÁ, B. VALOCH, K. VÍT, J. (2000): Geologie Brna a okolí. ČGÚ, Praha. DEMEK, J. MACKOVČÍN, P. BALATKA, B. BUČEK, A. CIBULKOVÁ, P. CULEK, M. ČERMÁK, P. DOBIÁŠ, D. HAVLÍČEK, M. HRÁDEK, M. KIRCHNER, K. LACINA, J. PÁNEK, T. SLAVÍK, P. VAŠÁTKO, J. (2006): Zeměpisný lexikon ČR: Hory a nížiny. Agentura ochrany přírody a krajiny, Brno. MÍSAŘ, M. DUDEK, A. HAVLENA, V. WEISS, J. (1983): Geologie ČSSR I. Český masív, Státní nakladatelství, Praha. JETEL, J. (1982): Určování hydraulických parametrů hornin hydrodynamickými zkouškami ve vrtech. Vyd. 1. Academia, nakladatelství Československé akademie věd, 246 s. Praha. FETTER, C. W. (1999): Applied Hydrogeology, 2-nd Edition. Preventice Hall. SCHWARTZ, F. W. ZHANG, H. (2003): Fundamentals of Groundwater. John Wiley and Sons. ŠRÁČEK, O. KUCHOVSKÝ, T. (2003): Základy hydrogeologie. MU, Brno. JETEL, J. (1973: Logický systém pojmů zálkadní formalizace a matematizace v hydrogeologii. Geol. Průzk., 15, 1, 13-17. Praha. MAPY HANŽL, P. Krejčí, Z. - (1999): Geologická mapa Brna a okolí 1:50 000. ČGÚ, Praha. 27
QUITT, E. (1975): Klimatické oblasti ČSR, 1:500 000. Kartografické nakladatelství, Praha. KRÁM, P. HAZDROVÁ, M. CIHELKA, M. CICKA, I. RUDOSLKÝ, J. (1990): Hydrogeologická mapa 1:50 000 list 24-32 Brno Ústřední ústav geologický, Praha. Internetové zdroje: ČESKÝ ÚŘED ZEMĚMĚŘICKÝ A KATASTRÁLNÍ [on-line]. Dostupný na WWW: http://nahlizenidokn.cuzk.cz/vyberkatastr.aspx 28
PŘÍLOHY: Foto č.1: Hloubení vrtu HVz2 Foto č.2: Vrt HVz2 manipulační pažnice spirálový vrták Foto č.3: Měření hladiny podzemní vody Foto č.4: Měření ph, Eh a konduktivity Foto č.5: Čerpací zkouška vrtu HVz2 Foto č.6: Hloubení vrtu HVz1 Foto č.7: Plná čelba s valivými dláty a výplachem vrtu HVz1 29
Foto č.1 30
Foto č.2: Foto č.3: 31
Foto č.4: Foto č.5: 32
Foto č.6: Foto č.7: 33