Nasycená hydraulická vodivost - jednosondová metoda


Měření nasycené hydraulické vodivosti v lokalitě s dostupnou hladinou podzemní vody v měřené vrstvě se nejlépe provádí jednosondovou metodou. Tato metoda je rychlá, snadno se provádí a je nenáročná na přístrojové vybavení. Ke stanovení je navíc využita přírodní voda z místa výskytu. Postup měření je demonstrován na videu.
Pomůcky: půdní vrták odpovídajícího průměru, prodlužovací tyče se spojkami, kalovka nebo čerpadlo, metr, sada pro odečítání stoupající hladiny sestávající ze speciální destičky, vysunovacího metru a plováku, stopky, zapisovací potřeby, plachta, případně pomůcky k odběru vzorků.

Postup měření

1) Vyvrtání sondy
2) Odčerpání vody přítomné v sondě
3) Měření rychlosti stoupání hladiny v sondě
4) Výpočet nasycené hydraulické vodivosti z naměřených dat

ad 1) Vyvrtání sondy

- Sonda je vyvrtána do hloubky pod hladinu podzemní vody (HPV)
- Zaměření naražené HPV
- Průběžné sledování změn půdních charakteristik (barva, nasycení vodou, atd.)
- Vyčkat do rovnovážného stavu zaměřené ustálené HPV (tj. do okamžiku, kdy se HPV nebude v čase měnit)

ad 2) Odčerpání vody přítomné v sondě

- Podzemní voda je odstraněna z vrtu kalovkou nebo čerpadlem
- Zaměření konečné hladiny po odčerpání

ad 3) Měření rychlosti stoupání hladiny v sondě

- Použití plováku s měřícím pásmem nebo elektrického měřidla
- Čtení hodnot jsou nejčastěji prováděna v konstantních časových intervalech
- Optimální počet měření je alespoň 10

ad 4) Výpočet nasycené hydraulické vodivosti z naměřených dat

PŘÍKLAD a VÝPOČET nasycené hydraulické vodivosti K

Popis sondy, terénní pozorování (viz Obr. 1, Tab. 1):
Hloubka sondy 175 cm, poloměr sondy 5 cm, naražená HPV 70 cm pod povrchem, ustálená HPV 39 cm pod povrchem, vodonosná vrstva v intervalu 70-130 cm pod povrchem, nepropustná vrstva tvořená jílovitými sedimenty zaznamenaná cca ve 130 cm pod povrchem terénu.



A) VÝPOČET K PODLE HOOGHOUDTA a ERNSTA

Podmínky použití

- Používá se pro vrtané sondy o poloměru v rozmezí 3 cm < r < 7 cm
- Hloubka vodního sloupce v době ustáleného stavu je v rozmezí 20 cm < H < 200 cm
- Hloubkový interval pro pozorování nástupu hladiny je y > 0,2H

Polní parametry (viz Obr. 2, Tab. 2)

H – ustálená HPV [m]
yter – hloubka HPV od povrchu země [m]
y0 – vzdálenost HPV od ustálené HPV po odčerpání vody v sondě, tj. na počátku stoupací zkoušky [m]
yn – vzdálenost HPV od ustálené HPV po nastoupání hladiny, tj. na konci čerpací zkoušky [m]
R - poloměr sondy [m]
y – HPV v průběhu stoupací zkoušky [m]
r – poloměr vrtu [m]



Nasycená hydraulická vodivost je vypočítána podle Hooghoudta (1936):

kde C je tvarový koeficient závislý na y, H, r a vzdálenosti mezi dnem vrtu a podložní nepropustnou vrstvou. Tento parametr C se vypočítá podle Ernsta (1950).
Poznámka: v tomto případě je vhodné dosadit do následujících vzorců hodnoty v cm a s, výsledný koeficient filtrace K vyjde v m/den.

1) (i)  pokud je nepropustná vrstva v hloubce větší než H/2 pode dnem vrtu

   (ii)  pokud je nepropustná vrstva pode dnem vrtu nebo v úrovni přibližně odpovídající dnu vrtu,

kde

V našem případě byla nepropustná vrstva zastižena v hloubce 130 cm, použijeme tedy druhou možnost (ii).


2) 

     

3) 

B) VÝPOČET K PODLE KIRKHAMA a VAN BAVELA

Na rozdíl od předchozího postupu výpočtu není platnost Kirkhamovy rovnice u hodnoty hloubky H omezena, značení symbolů je totožné s Ernstovou rovnicí, dosazuje se v cm a s, výsledek je v m/den.


kde: C = 0,617 r / (S H)
geometrickou charakteristiku S lze stanovit s dostatečnou přesností interpolací z nomogramu na Obr 3 (Císler, 1967). Pro hledání v nomogramu je nutné vypočítat: h = H - y, h/H , r/H




Obr 3. Císlerův nomogram pro stanovení geometrické charakteristiky S pro výpočet nasycené hydraulické vodivosti K podle Kirkhama a van Bavela.

C) HVORSLEVOVA METODA

Použití

- Nejjednodušší metoda používaná pro interpretaci čerpacích zkoušek a k určení nasycené hydraulické vodivosti (K)
- Používaná v mělkých homogenních izotropních saturovaných systémech

Polní parametry (viz Obr. 3, Tab. 4)

H – HPV ustálená [m]
H0 – HPV po odčerpání vody v sondě [m]
L – mocnost nepropustné vrstvy [m]
R - poloměr sondy [m]
r – poloměr pažnic (r~R pokud chybí výstroj) [m]
y – HPV v průběhu stoupací zkoušky [m]



Nasycená hydraulická vodivost je vypočítána podle Hvorsleva (1951):

kde a tH je podle Hvorslevovy definice čas odpovídající y = 0,37 m.

1)  

2) Hodnota tH se získá grafickým řešením, viz Obr.5.


Obr. 5. Časová závislost rychlosti nástupu hladiny vykreslená na semilogaritmický papír.

V našem případě je tH = 7,7 min

3)  

Časté chyby

- Je třeba věnovat pozornost odečtům HPV. Často se zaznamenává hloubka HPV od povrchu země, zatímco do výpočtů je třeba tuto hodnotu převést na vzdálenost mezi HPV a dnem vrtu.
- Častá chyba vzniká nepozorným dosazováním parametrů o různých jednotkách. V terénu se často užívají cm, ve výpočtech nutno převést na m.

Literatura

Císler, J. (1967) Metody stanovení koeficientu propustnosti v polních podmínkách. Symposium o půdní vodě, Praha

Ernst, L.F. (1950) A new formula for the calculation of the permeability factor with the auger hole method. T.N.O. Groningen 1950. Translated from the Dutch by H. Bouwer, Cornell Univ. Ithaca, N.Y., 1955.

Hooghoudt, S.B. (1936) Bepailing van den doorlaatfactor van den grond met behulp van pompproeven, (z.g. boorgatenmethode). Verslag Landbouwk. Onder zoek 42, pp. 449-541.

Hvorslev, M. (1951) Time lag and soil permeability in groundwater observations, Waterways, Experiment St. Corps of Eng., U.S. Army, No. 26, 1951:50.

Chiasson, P. (2005) Methods of interpretation of borehole falling-head tests performed in compacted claz liners. Can. Geotech. J. 42, 72-90.

Chirlin, G.R. (1989) A critique of the Hvorslev method for slug test analysis: the fully penetrating well. Ground Water Monitoring Review. Spring 1989. 130-138.

Kirkham, D., van Bavel, C.H.M. (1948) Theory of seepage into auger holes, Proc. Soil Sci. Soc. Amer., 13, 75 - 82