Modelovánà odtoku z povodà pomocà Boussinesqovy rovnice ... - kvhem
Modelovánà odtoku z povodà pomocà Boussinesqovy rovnice ... - kvhem
Modelovánà odtoku z povodà pomocà Boussinesqovy rovnice ... - kvhem
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE<br />
Fakulta životního prostředí<br />
Katedra vodního hospodářství a environmentálního modelování<br />
Obor: Environmentální modelování<br />
Modelování <strong>odtoku</strong> z povodí pomocí <strong>Boussinesqovy</strong> <strong>rovnice</strong><br />
(Diplomová práce)<br />
Autor: Veronika Kajtárová<br />
Vedoucí: Ing. Jiří Pavlásek, Ph.D.<br />
2008
Prohlašuji, že jsem celou diplomovou práci na téma „Modelování <strong>odtoku</strong> z povodí pomocí<br />
Boussinqovy <strong>rovnice</strong>“ vypracovala samostatně za použití uvedené literatury a podle<br />
pokynů vedoucího diplomové práce.<br />
V Praze dne 30. dubna 2008<br />
……………………………………<br />
Veronika Kajtárová
Poděkování<br />
Děkuji všem, kteří mě doprovázeli, podporovali a pomáhali mi při studiu a při psaní<br />
diplomové práce, nejdříve svému vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Pavláskovi,<br />
Ph.D, dále svému manželovi, rodičům, sestrám, přátelům a také Bohu.
Modeling of outflow from catchment using Boussinesq<br />
equation<br />
Abstract<br />
This diploma work is focused on modeling of outflow from small sylvan catchments. Total<br />
runoff from catchment is build by base flow and direct runoff. Direct runoff is build by<br />
surface runoff and by subsurface runoff and develops as a quick reaction on precipitation.<br />
Base flow is build by ground water and develops as a slow reaction on a long lasting<br />
precipitation. This work solves the outflow from sloping area using Dupuit assumption and<br />
second Boussinesq approximation. The Boussinesq equation is solved by separation of<br />
space and time variables. Some of equations are carried out by the numerical method<br />
Runge-Kutta. For model calibration and verification are used data, which are obtained<br />
from experimental catchment Modrava 2 in Šumava (experimental catchment of ČZU).<br />
The model is able to simulate the base flow and also the direct runoff.
Obsah<br />
Obsah<br />
Obsah .....................................................................................................................................1<br />
1 ÚVOD............................................................................................................................1<br />
2 ROZBOR LITERATURY .............................................................................................2<br />
2.1 Voda v půdě ...........................................................................................................2<br />
2.2 Proudění vody v půdě ............................................................................................3<br />
2.3 Vlastnosti půdního prostředí..................................................................................3<br />
2.3.1 Pórovitost.......................................................................................................3<br />
2.3.2 Storativita.......................................................................................................5<br />
2.3.3 Homogenita, heterogenita..............................................................................5<br />
2.3.4 Izotropie, anizotropie .....................................................................................6<br />
2.4 Proudění podzemní vody .......................................................................................6<br />
2.4.1 Darcyho zákon ...............................................................................................7<br />
2.4.2 Meze platnosti Darcyho zákona.....................................................................8<br />
2.4.3 Nasycená hydraulická vodivost .....................................................................9<br />
2.4.4 Počáteční podmínky.....................................................................................10<br />
2.4.5 Okrajové podmínky .....................................................................................11<br />
2.4.6 Hydraulický přístup .....................................................................................12<br />
2.4.7 Dupuitovy postuláty.....................................................................................12<br />
2.4.8 Boussinesqova <strong>rovnice</strong> ................................................................................14<br />
2.4.9 Boussinesqova první a druhá aproximace ...................................................15<br />
3 ŘEŠENÍ DIFERENCIÁLNÍCH ROVNIC ..................................................................19<br />
3.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ..........................................19<br />
3.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ......................................23<br />
4 MODEL ODTOKU PODZEMNÍ VODY ...................................................................26<br />
5 VÝSLEDKY A DISKUZE..........................................................................................29<br />
5.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ..........................................29<br />
5.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ......................................32<br />
5.3 Kalibrace a verifikace modelu .............................................................................36<br />
5.4 Simulace...............................................................................................................37<br />
6 ZÁVĚR ........................................................................................................................39<br />
7 PŘÍLOHY ....................................................................................................................40<br />
7.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ..........................................40<br />
7.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině ......................................44<br />
7.3 Kalibrace modelu.................................................................................................49<br />
7.4 Verifikace modelu................................................................................................57<br />
Seznam použitých symbolů .................................................................................................60<br />
Seznam literatury .................................................................................................................63
Úvod<br />
1 ÚVOD<br />
Tato diplomová práce zaměřená na problematiku malých lesních povodí řeší odtok vody z<br />
povodí.<br />
Celkový odtok z povodí je tvořen základním odtokem a přímým odtokem. Přímý odtok<br />
tvořen povrchovým a podpovrchovým odtokem vzniká jako rychlá reakce na srážkovou<br />
událost. Základní odtok, což je většinová část celkového <strong>odtoku</strong>, tvořen odtokem podzemní<br />
vody, vzniká jako pomalá reakce povodí na dlouhodobou dotaci vody do podzemí z trvalé<br />
pokrývky sněhu, či z dlouhodobých dešťů. Krátkodobé, třebaže vydatné, deště se na<br />
základním <strong>odtoku</strong> téměř nepodílejí, neboť k povrchu podzemní vody „nestihnou“ dotéct,<br />
způsobují však rychlé navýšení průtoků v říčním profilu, přívalové deště pak povodňovou<br />
událost.<br />
Pro člověka, zvířata a rostliny nemají krátkodobé deště příliš velký význam, neboť většina<br />
vody i ze silného přívalového deště z krajiny během pár dnů zmizí a také období beze<br />
srážek jsou delší než období se srážkami. Naopak podzemní voda jako zásoba vody<br />
v povodí poskytuje stálý přísun vody do půdy, toků, vodních nádrží, studní, a tak slouží<br />
jako zdroj života pro rostliny, živočichy i pro člověka.<br />
Tato práce si klade za cíl namodelovat odtok vody z povodí, především odtok základní a<br />
také odtok přímý, pomocí <strong>Boussinesqovy</strong> <strong>rovnice</strong>.<br />
V první části diplomové práce je uveden přehled základních vztahů a zákonitostí<br />
popisujících problematiku proudění podzemní vody. Dále jsou upraveny <strong>rovnice</strong> pro řešení<br />
proudění podzemní vody na svahu pomocí separace časových a prostorových proměnných.<br />
Tyto <strong>rovnice</strong> jsou použity pro modelování <strong>odtoku</strong> podzemní vody z malých lesních<br />
horských povodí. Při kalibraci a verifikaci modelu jsou použita data naměřená na<br />
pokusném povodí Modrava 2 nacházejícím se na Šumavě.<br />
1
Rozbor literatury<br />
2 ROZBOR LITERATURY<br />
2.1 Voda v půdě<br />
Veškerá voda nacházející se pod zemským povrchem bývá označována termínem<br />
podpovrchová voda.<br />
Voda dopadající na povrch půdy částečně infiltruje, vlivem gravitace se pohybuje směrem<br />
dolů a akumuluje se nad nepropustným podložím. Prostředí, kterým voda proudí pod<br />
povrchem půdy je tvořeno pevnou fází a volnými prostory (póry, puklinami, kavernami<br />
apod.). Podle relativního vyplnění skulin a pórů vodou může být podpovrchová voda<br />
rozdělena na několik horizontálních zón. Na obr. 2.1 je schematicky znázorněno rozdělení<br />
podpovrchové vody v homogenním prostředí.<br />
Podle toho, zda jsou všechny póry zcela vyplněny vodou, či nikoliv, rozlišujeme zónu<br />
nasycenou (zvodnělou) a zónu nenasycenou (zónu provzdušnění – aerace).<br />
Nasycená zóna zahrnuje částečně pásmo kapilární vody a celé pásmo podzemní vody.<br />
Nenasycená zóna zahrnuje tři pásma: pásmo půdní vody, přechodné pásmo a částečně<br />
pásmo kapilární vody (Valentová 2007).<br />
Obr. 2.1 Rozdělení vody ve vertikálním profilu (Valentová 2007).<br />
Podzemní voda je shora ohraničena volnou hladinou podzemní vody a zdola nepropustným<br />
podložím. Na volné hladině podzemní vody je hydraulický tlak roven tlaku<br />
atmosférickému (Šilar 1996).<br />
2
Rozbor literatury<br />
2.2 Proudění vody v půdě<br />
Proudění vody v půdě je většinou nestacionární. Proud vody v půdě je neustálený<br />
(nestacionární), jestliže se průtok v dané průtočné ploše mění s časem a v daném okamžiku<br />
je v různých průtočných plochách různý (závisí tedy na dráze).<br />
Rychlost proudu vody v nasyceném prostředí počítaná na základě makroskopicky<br />
pozorovaných veličin je označována jako makroskopická rychlost (též zdánlivá rychlost),<br />
odpovídající průměrné rychlosti v celé ploše průřezu porézním prostředím (jako kdyby<br />
půdní zrna neexistovala), tj. kontinuální přístup. Skutečná rychlost vody v pórech je ale<br />
velmi různá v závislosti na konfiguraci půdních pórů (rytmická proměnlivost průřezů pórů,<br />
existence neprůchodných pórů, zakřivenost pórů apod.).<br />
Tato skutečná rychlost je průměrem mikroskopických rychlostí pro jednotlivé průřezy<br />
pórů. Mikroskopické rychlosti jsou velmi variabilní, zvětšují se s velikostí pórů, se<br />
vzdáleností od stěn pórů od středu jejich průřezové plochy. Dále je třeba podotknout, že<br />
voda pevně vázaná na povrchu stěn pórů (částic) není pohyblivá a zmenšuje tak průtočný<br />
profil pórů. Proto se místo pórovitosti používá tzv. efektivní pórovitost. Upřesňuje se tím<br />
objem pórů s pohyblivou vodou (Drbal 1984).<br />
2.3 Vlastnosti půdního prostředí<br />
2.3.1 Pórovitost<br />
Vztah pro výpočet pórovitosti uvádí Tourková (2004):<br />
Vp<br />
n =<br />
V<br />
(2.1)<br />
kde: n - pórovitost [-]<br />
Vp - objem pórů [L 3 ]<br />
V - celkový objem zeminy [L 3 ]<br />
Na pórovitost má vliv tvar i vzájemné uložení zrn, jak je patrno z obr 2.2, který znázorňuje<br />
několik typických případů pravidelného uspořádání kulových částic ve vrstvě. U volně<br />
nasypaných vrstev složených z běžných zrnitých nebo krystalických materiálů se<br />
pórovitost pohybuje v rozmezí od 0,3 do 0,5 (Novák a Rieger 2000).<br />
3
Rozbor literatury<br />
Obr. 2.2 Pórovitost různě uspořádaných vrstev kulových částic (Novák a Rieger 2000).<br />
Efektivní pórovitost se nazývá rovněž účinná pórovitost a vyjadřuje objem gravitační vody,<br />
který vyteče z plně nasyceného vzorku zeminy. Se stoupající velikostí zrna zeminy<br />
pórovitost obvykle klesá a efektivní pórovitost stoupá (obr. 2.3). Tab. 2.1 znázorňuje<br />
zařazení zemin do zrnitostních kategorií podle velikosti zrna. Příklady efektivní<br />
pórovitosti: štěrk 25%, písek 20%, pískovec 10% a jíl 3% (Tourková 2004).<br />
Tab. 2.1 Zrnitostní kategorie dle Kopeckého doplněné podrobnějším dělením I. Kategorie a<br />
základním dělením skeletu (Drbal 1984).<br />
Označení Pojmenování<br />
Podrobné dělení<br />
kategorie kategorie Průměr zrn [mm] Pojmenování Průměr zrn [mm]<br />
koloidní jíl
Rozbor literatury<br />
2.3.2 Storativita<br />
Objem vody v elementu kolektoru s volnou hladinou je při jednotkové horizontální ploše<br />
dán výškou volné hladiny podzemní vody (viz obr. 2.4).<br />
Obr. 2.4 Schéma pro definici storativity v kolektoru s volnou hladinou (Valentová 2007).<br />
Jestliže v důsledku proudění podzemní vody je množství vody opouštějící uvažovaný<br />
element větší než množství přitékající vody, dojde k poklesu hladiny. Zásobnost kolektoru<br />
se definuje výrazem:<br />
S<br />
=<br />
∆V<br />
v<br />
A ⋅ ∆h<br />
(2.2)<br />
kde: S - storativita [-]<br />
∆V - změna objemu vody v elementu kolektoru [L 3 ]<br />
A - horizontální plocha elementu kolektoru [L 2 ]<br />
∆h - pokles hladiny podzemní vody v elementu kolektoru [L]<br />
Pro hlinité písky se hodnota storativity pohybuje v rozmezí 0,05 až 0,15, pro jemnozrnné<br />
až hrubozrnné písky v rozmezí 0,19 až 0,3. Hodnota storativity kolektoru s volnou<br />
hladinou je často nahrazována efektivní pórovitostí.<br />
2.3.3 Homogenita, heterogenita<br />
Porézní prostředí je homogenní vzhledem k dané vlastnosti (např. hydraulické vodivosti),<br />
jestliže ve všech bodech je tato vlastnost stejná. Jestliže se vlastnost mění v závislosti na<br />
poloze v oblasti, jedná se o prostředí nehomogenní (heterogenní) (obr. 2.5).<br />
5
Rozbor literatury<br />
2.3.4 Izotropie, anizotropie<br />
Prostředí je izotropní vzhledem k nějaké vlastnosti, jestliže je tato vlastnost v daném bodě<br />
nezávislá na směru v uvažovaném prostředí. V opačném případě je prostředí neizotropní<br />
(anizotropní) (obr. 2.5). Anizotropie vzhledem k hydraulické vodivosti je vyvolána<br />
strukturou porézního materiálu a způsobuje vyšší propustnost pro vodu v některém směru.<br />
Obr. 2.5 Možné kombinace homogenity a izotropie (Valentová 2007).<br />
2.4 Proudění podzemní vody<br />
Řídícími silami, které ovlivňují pohyb vody v nasycené zóně, je gravitace a tlakový<br />
gradient. V hydraulice podzemní vody se pracuje s hydraulickou výškou.<br />
H<br />
= z +<br />
p<br />
ρg<br />
(2.3)<br />
kde: H - hydraulická výška [L]<br />
z - geodetická výška [L]<br />
p - tlak vody v daném bodě pod hladinou podzemní vody [L -1 .M.T -2 ]<br />
ρ - hustota vody [M.L -3 ]<br />
g - tíhové zrychlení [L.T -2 ]<br />
p = h<br />
p<br />
ρ<br />
g<br />
(2.4)<br />
kde: h p - tlaková výška neboli hloubka daného bodu pod hladinou podzemní vody [L]<br />
6
Rozbor literatury<br />
Obr. 2.6 Schematický nákres piezometru (přístroj k určování hydraulické výšky) (Valentová 2007).<br />
2.4.1 Darcyho zákon<br />
Jako pohybová <strong>rovnice</strong> se v hydraulice podzemní vody běžně aplikuje empirický Darcyho<br />
zákon (aparatura, pomocí níž byl odvozen, je znázorněna na obr. 2.7):<br />
( H H ) L<br />
Q = KS<br />
1<br />
−<br />
2<br />
(2.5)<br />
kde: Q - průtok [L 3 .T -1 ]<br />
K - nasycená hydraulická vodivost [L.T -1 ]<br />
S - průřezová plocha sloupce [L 2 ]<br />
(H 1 -H 2 ) - ztráta hydraulické výšky při průtoku vody sloupcem zeminy [L]<br />
L - délka sloupce [L]<br />
Obr. 2.7 Aparatura Darcyho experimentu (Valentová 2007).<br />
Jeho diferenciální forma pro jednorozměrné proudění vody v homogenním prostředí<br />
vypadá takto:<br />
7
Rozbor literatury<br />
dH<br />
v = −K<br />
dl<br />
(2.6)<br />
kde: v - Darcyovská rychlost proudění vody [L.T -1 ]<br />
dH/dl - gradient hydraulické výšky – hydraulický gradient [-]<br />
Koeficientem úměrnosti je nasycená hydraulická vodivost, základní hydraulická<br />
charakteristika daného porézního materiálu, která má rozměr rychlosti. Nasycená<br />
hydraulická vodivost je v případě neizotropního prostředí popsána pomocí tenzoru:<br />
K<br />
⎡K<br />
⎢<br />
= ⎢ K<br />
⎢<br />
⎣ K<br />
x x<br />
xy<br />
xz<br />
,<br />
,<br />
,<br />
K<br />
K<br />
K<br />
xy<br />
y y<br />
zy<br />
,<br />
,<br />
,<br />
K<br />
K<br />
K<br />
xz<br />
yz<br />
z z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
(2.7)<br />
kde: K ii - složky tenzoru nasycené hydraulické vodivosti [L.T -1 ]<br />
Zobecněný tvar Darcyho zákona pro trojrozměrné proudění vody v anizotropním prostředí<br />
vyjadřují <strong>rovnice</strong>:<br />
v<br />
x<br />
= −K<br />
xx<br />
∂H<br />
∂x<br />
− K<br />
xy<br />
∂H<br />
∂y<br />
− K<br />
xz<br />
∂H<br />
∂z<br />
(2.8)<br />
v<br />
y<br />
= −K<br />
yx<br />
∂H<br />
∂x<br />
− K<br />
yy<br />
∂H<br />
∂y<br />
− K<br />
yz<br />
∂H<br />
∂z<br />
(2.9)<br />
v<br />
z<br />
= −K<br />
zx<br />
∂H<br />
∂x<br />
− K<br />
zy<br />
∂H<br />
∂y<br />
− K<br />
zz<br />
∂H<br />
∂z<br />
(2.10)<br />
2.4.2 Meze platnosti Darcyho zákona<br />
Darcyho zákon je lineární zákon, vyjadřující lineární závislost makroskopické neboli<br />
zdánlivé rzchlosti na hydraulickém gradientu. Tato lineární závislost neplatí pro celé<br />
rozmezí hodnot gradientu hydraulické výšky mezi nulou a ∞, je omezena dolní i horní<br />
limitní hodnotou gradientu (obr. 2.8). Při průsaku velmi jemnozrnným materiálem s nízkou<br />
propustností existuje limitní hodnota hydraulického gradientu, při které ustává pohyb<br />
kapaliny. Druhé omezení použitelnosti Darcyno zákona je při průsaku velmi hrubozrnným<br />
materiálem, při kterém dochází k nelineární závislosti mezi růstem gradientu potenciálu a<br />
růstem rychlosti.<br />
8
Rozbor literatury<br />
Obr. 2.8 Závislost rychlosti proudění na gradientu potenciálu (Valentová 2007).<br />
Horní limit platnosti Darcyho zákona může být překročen při proudění v krasových<br />
vápencích a dolomitech a ve vulkanických horninách s kavernami. Proudění podzemní<br />
vody se děje většinou tak, že je Darcyho zákon aplikovatelný (Valentová 2007).<br />
2.4.3 Nasycená hydraulická vodivost<br />
Velikost nasycené hydraulické vodivosti závisí na vlastnostech porézního prostředí i na<br />
vlastnostech proudící kapaliny.<br />
Tabulka 2.2 a tabulka 2.3 uvádí orientační hodnoty nasycené hydraulické vodivosti při<br />
proudění vody v různých druzích zeminy.<br />
Tab. 2.2 Orientační hodnoty hydraulické vodivosti (Valentová 2007).<br />
Koeficient nasycené<br />
druh zeminy hydraulické vodivosti [m/s]<br />
jíl
Rozbor literatury<br />
Tab. 2.3 Informativní hodnoty hydraulické vodivosti podle hrubé závislosti na zrnitosti<br />
půda<br />
(Drbal 1984).<br />
koeficient hydraulické<br />
vodivosti [m/s]<br />
poznámka<br />
rašeliny (1 - 1000).10 -7 K klesá s růstem rozložení<br />
jíly (1 - 100).10 -7 obvykle < 10.10 -7<br />
písky (1 - 60).10 -5 obvykle > 3,5.10 -5<br />
Drbal (1984) uvádí klasifikaci propustnosti půd (tab. 2.4).<br />
Tab. 2.4 Klasifikace propustnosti půd (Drbal 1984).<br />
koeficient hydraulické vodivosti<br />
Klasifikace propustnosti [inch/hour] [m/s]<br />
velmi nízká < 0,05 < 3,5.10-7<br />
nízká 0,05 - 0,2 3,5.10 -7 - 1,4.10 -6<br />
středně nízká 0,2 - 0,8 1,4.10 -6 - 5,6.10 -6<br />
střední 0,8 - 2,5 5,6.10 -6 - 1,8.10 -5<br />
středně vysoká 2,5 - 5 1,8.10 -5 - 3,5.10 -5<br />
vysoká 5,0 - 10 3,5.10 -5 - 7,0.10 -5<br />
velmi vysoká > 10 > 7,0.10 -5<br />
2.4.4 Počáteční podmínky<br />
Počáteční podmínky charakterizují stav proudění v celé řešené oblasti v počátečním čase<br />
(t=0) sledovaného procesu:<br />
H = f (x,y,z,t) (2.11)<br />
kde: f - známá funkce<br />
x,y,z - souřadnice libovolného bodu [L]<br />
t - čas [T]<br />
Vztah (2.11) vyjadřuje, že pro libovolný bod o souřadnicích x,y,z známe v čase t=0<br />
hydraulickou výšku. Počáteční podmínky se uplatní při řešení nestacionární úlohy, kde se<br />
průběh hydraulické výšky s časem mění.<br />
10
Rozbor literatury<br />
2.4.5 Okrajové podmínky<br />
Obr. 2.9 Příklad proudění mezi dvěma řekami (Valentová 2007).<br />
Přehled jednotlivých typů okrajových podmínek uvádí Valentová (2007):<br />
a) Hranice s předepsanou hodnotou hydraulické výšky (okrajová podmínka prvního<br />
typu, nazývaná také Dirichletova).<br />
Ve všech bodech hranice řešené oblasti nebo na její části známe hodnotu hydraulické<br />
výšky po celou dobu zkoumaného procesu:<br />
H = f (x,y,z) nebo H = f (x,y,z,t) (2.12)<br />
První případ vyjadřuje stacionární okrajovou podmínku, zatímco ve druhém případě je<br />
okrajová podmínka závislá na čase.<br />
Okrajové podmínky tohoto typu se vyskytuj vždy tam, kde je oblast proudění ve styku<br />
s otevřenou vodní hladinou: řekou, jezerem apod. V případě na obrázku 2.9 jsou úseky AB<br />
a EF úseky hranice s předepsanou hydraulickou výškou.<br />
b) Hranice s předepsaným tokem (okrajová podmínka druhého typu, nebo také<br />
Neumanova).<br />
Ve všech bodech hranice je známá hodnota toku ve směru kolmém na hranici:<br />
v n = f (x,y,z,t) (2.13)<br />
kde: v n - složka rychlosti kolmá k hranici oblasti [L.T -1 ]<br />
Speciálním případem této okrajové podmínky je nepropustná hranice, kdy v n = 0.<br />
V obrázku 2.9 je úsek AF hranicí s předepsaným tokem.<br />
c) Polopropustná hranice (smíšená okrajová podmínka, nebo Newtonova (někdy také<br />
Cauchyho) okrajová podmínka).<br />
Tento typ okrajové podmínky se vyskytuje tam, kde je oblast proudění v kontaktu<br />
s otevřeným vodním zdrojem (nebo jiným porézním prostředím), ale je od něj oddělena<br />
polopropustnou vrstvou.<br />
11
Rozbor literatury<br />
d) Volná hladina.<br />
V obr. 2.9 se jedná o úseky BC, CD a DE. Protože hodnota tlaku na hladině podzemní<br />
vody je rovna nule, je hydraulická výška rovna výšce geodetické:<br />
H (x,y,z,t) = z nebo H (x,y,z,t) – z = 0 (2.14)<br />
e) Výronová plocha.<br />
Jde o součást volné hladiny podzemní vody, v obr. 2.9 se jedná o úseky BC a DE.<br />
Výronovou plochou voda vystupuje na hranici porézního prostředí a volně po ní stéká. Pro<br />
výronovou plochu opět platí, že tlaková výška je rovna nule:<br />
H (x,y,z,t) = z (2.15)<br />
2.4.6 Hydraulický přístup<br />
Hydraulický přístup představuje zjednodušený postup řešení proudění podzemní vody. U<br />
většiny zvodní je jejich výška relativně malá ve srovnání s horizontálními rozměry. Na<br />
základě toho se předpokládá, že proudění má převážně vodorovný směr a jeho vertikální<br />
složky se zanedbávají. Tento přístup se používá také při řešení zvodní s volnou hladinou.<br />
2.4.7 Dupuitovy postuláty<br />
Hodnota hydraulické výšky a rychlosti proudění v libovolném bodě zvodně je funkcí<br />
prostorových souřadnic a času a jejich hodnoty je teoreticky možné získat řešením<br />
platných diferenciálních rovnic.<br />
Na obr. 2.10a je vykreslen úsek zvodně s volnou hladinou. V případě stacionárního<br />
proudění je volná hladina proudnicí a v každém bodě hladiny má vektor hustoty toku směr<br />
tečny k této hladině. Velikost hustoty toku je možné vyjádřit pomocí Darcyho zákona jako:<br />
v s<br />
= −K<br />
dH<br />
ds<br />
= −K<br />
dz<br />
ds<br />
= −K sinθ<br />
(2.16)<br />
kde: v s - vektor hustoty toku ve směru osy x [L.T -1 ]<br />
θ - úhel, který svírá tečna k hladině s vodorovným směrem [-]<br />
Ekvipotenciály jsou křivky kolmé na proudnice.<br />
V roce 1863 publikoval Dupuit řešení proudění ve zvodni s volnou hladinou založené na<br />
zjednodušujících postulátech. Sklon hladiny podzemní vody je většinou velmi malý:<br />
12
Rozbor literatury<br />
1/1000 až 10/1000, a proto je možné směr proudění pokládat za horizontální. Dupuitovy<br />
postuláty je možné vyjádřit následujícím způsobem:<br />
a) Hydraulická výška H(x,y,z) je rovna výšce hladiny podzemní vody h(x,y),<br />
proudnice jsou vodorovné přímky a ekvipotenciály svislice.<br />
b) Gradient potenciálu je dán sklonem volné hladiny a je po svislici konstantní:<br />
dH<br />
dx<br />
dh<br />
dx<br />
( x, y,<br />
z) = ( x,<br />
y)<br />
(2.17)<br />
kde: h - výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím [L]<br />
Obr. 2.10 Dupuitovy postuláty (Valentová 2007).<br />
Je-li úhel θ velmi malý, je možné nahradit sinθ =dh/ds sklonem hladiny tgθ = dh/dx.<br />
Ekvipotenciály jsou svislice a hydraulická výška není funkcí vertikální souřadnice z (tzn.<br />
H=h(x) místo H=h(x,z)), viz obr. 2.10b. Darcyovskou rychlost lze pomocí Dupuitových<br />
postulátů vyjádřit jako:<br />
dh<br />
v x<br />
= −K<br />
dx<br />
, h=h(x) (2.18)<br />
Průtok vztažený na jeden metr šířky zvodně (specifický průtok):<br />
q<br />
x<br />
=<br />
h<br />
( x)<br />
∫<br />
v<br />
x<br />
( x)<br />
dz<br />
0<br />
(2.19)<br />
kde: q x - specifický průtok ve směru osy x [L 2 .T -1 ]<br />
Integrací <strong>rovnice</strong> (2.19) při zavedení vztahu (2.18) dostáváme rovnici pro výpočet<br />
specifického průtoku ve směru osy x pro homogenní prostředí:<br />
13
Rozbor literatury<br />
dh<br />
q x<br />
= −K h( x)<br />
dx<br />
(2.20)<br />
2.4.8 Boussinesqova <strong>rovnice</strong><br />
Protože podle Dupuitových postulátů je hydraulická výška na svislici konstantní, je také<br />
rychlost proudění po svislici konstantní. Je-li h výška hladiny v bodě kolektoru X, můžeme<br />
složky specifického průtoku vyjádřit jako qx=vx.h a qy=vy.h.<br />
Obr. 2.11 Bilanční elementární objem kolektoru s volnou hladinou (Valentová 2007).<br />
Provedeme-li bilanci množství vody v objemu, viz obr. 2.11, dostáváme rovnici kontinuity<br />
ve tvaru:<br />
∂q<br />
∂q<br />
x<br />
y<br />
∂h<br />
− ⋅ ∆x<br />
⋅ ∆y<br />
⋅ ∆t<br />
− ⋅ ∆x<br />
⋅ ∆y<br />
⋅ ∆t<br />
+ R ⋅ ∆x<br />
⋅ ∆y<br />
⋅ ∆t<br />
= S ⋅ ⋅ ∆x<br />
⋅ ∆y<br />
⋅ ∆t<br />
(2.21)<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂t<br />
kde: R - přítok na hladinu podzemní vody [L.T -1 ]<br />
Vertikální přítok či odtok R (na obr. 2.11 značeno N) má kladnou hodnotu, představuje-li<br />
infiltrované množství srážek, může být funkcí polohy a času (Valentová 2007).<br />
Rovnice kontinuity vyjadřuje zákon zachování hmoty, neboli algebraický součet hmotnosti<br />
vstupující do určitého objemu a hmotnosti z něho vystupující se rovná změně hmotnosti<br />
v tomto objemu (Drbal 1984).<br />
Po úpravě <strong>rovnice</strong> kontinuity (2.21) a po dosazení <strong>rovnice</strong> (2.20) dostaneme rovnici<br />
proudění v homogenním neizotropním prostředí:<br />
14
Rozbor literatury<br />
∂ ⎛ ∂h<br />
⎞ ∂ ⎛ ∂h<br />
⎞ ∂h<br />
⎜ K<br />
xh<br />
⎟ + ⎜ K<br />
yh<br />
⎟ + R = S<br />
∂x<br />
⎝ ∂x<br />
⎠ ∂y<br />
⎝ ∂y<br />
⎠ ∂t<br />
(2.22)<br />
Pro proudění v homogenním izotropním prostředí, které je dotováno vertikálním přítokem<br />
dostáváme rovnici známou jako Boussinesqova <strong>rovnice</strong>. Tato <strong>rovnice</strong> je nelineární:<br />
∂ ⎛ ∂h<br />
⎞ ∂ ⎛ ∂h<br />
⎞<br />
⎜h<br />
⎟ + ⎜h<br />
⎟ +<br />
∂x<br />
⎝ ∂x<br />
⎠ ∂y<br />
⎝ ∂y<br />
⎠<br />
R<br />
K<br />
=<br />
S<br />
K<br />
∂h<br />
∂t<br />
(2.23)<br />
Při odvození uvedených rovnic se zavádí další zjednodušující postulát: Darcyho zákon<br />
platí i při nestacionárním proudění. Chyby, kterou se použitím tohoto postulátu<br />
dopouštíme, je tím větší, čím rychleji se proudění mění s časem. Zanedbáváme vliv<br />
setrvačných sil (Valentová 2007).<br />
Koopmans (2000) uvádí Boussinsqovu rovnici ve tvaru:<br />
K<br />
x<br />
∂ ⎛ ∂h<br />
⎞<br />
⎜h<br />
⎟ + K<br />
∂x<br />
⎝ ∂x<br />
⎠<br />
kde: µ drenážní pórovitost [-]<br />
y<br />
∂ ⎛ ∂h<br />
⎞<br />
⎜h<br />
⎟ + K<br />
∂y<br />
⎝ ∂y<br />
⎠<br />
z<br />
∂<br />
∂<br />
⎛ ∂h<br />
⎞<br />
⎜h<br />
z ⎝ ∂z<br />
⎟ +<br />
⎠<br />
∂h<br />
R = µ<br />
∂t<br />
(2.24)<br />
2.4.9 Boussinesqova první a druhá aproximace<br />
Pro řešení proudění podzemní vody na nakloněném nepropustném podloží se převážně<br />
používá Boussinesqových aproximací, které byly odvozeny pro řešení drenážní soustavy<br />
na svahu. Tyto aproximace vycházejí z dvou různých verzí Dupuitova postulátu<br />
aplikovaného na nakloněné nepropustné podloží:<br />
a) Ve své první publikaci v roce 1877 vycházel Boussinesq z předpokladu, že hladina<br />
podzemní vody a proudnice jsou skoro rovnoběžné s nakloněným nepropustným<br />
podložím, a proto je hydraulický potenciál konstantní v rovině kolmé na<br />
nepropustné podloží. Tento předpoklad použili také Henderson a Wooding (1964) a<br />
Childs (1971).<br />
b) V druhé publikaci v roce 1904 uvedl Boussinesq teorii, že proudnice jsou<br />
horizontální, což je základní Dupuitův předpoklad. Tento postup je určen pro<br />
mírnější svahy a dále ho použili Schmid a Luthin (1964).<br />
Rozdíl v koordinačních systémech při řešení proudění podzemní vody na svahu je<br />
znázorněn na obr. 2.12.<br />
15
Rozbor literatury<br />
z +<br />
M<br />
z *<br />
N<br />
q x<br />
q x<br />
h M +<br />
h N*<br />
H + H*<br />
x M + x N*<br />
θ<br />
θ<br />
x + x *<br />
a<br />
b<br />
Obr. 2.12 Koordinační systémy při řešení proudění podzemní vody na svahu<br />
a) Boussinesqova první aproximace (BPA).<br />
b) Boussinesqova druhá aproximace (BDA).<br />
Diferenciální rovnici pro ustálené proudění podzemní vody na svahu v homogenním<br />
prostředí odvozenou pomocí <strong>Boussinesqovy</strong> první aproximace (BPA) uvádí Lesaffre<br />
(1987) ve tvaru:<br />
d<br />
dx<br />
+<br />
⎡<br />
⎢h<br />
⎣<br />
+<br />
dh<br />
dx<br />
+<br />
+<br />
⎞⎤<br />
−<br />
+ ⎛ R R<br />
sh ⎜1 − ⎟⎥<br />
+ = 0<br />
⎝ K ⎠⎦<br />
K<br />
(2.25)<br />
kde: x + - osa koordinačního systému pro BPA [L]<br />
h +<br />
- výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím pro BPA [L]<br />
s - sklon nepropustného podloží (tan θ) [-]<br />
Lesaffre (1987) uvádí také tvar diferenciální <strong>rovnice</strong> pro Boussinesqovu druhou<br />
aproximaci (BDA):<br />
d<br />
dx<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
dh<br />
dx<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
R<br />
K<br />
*<br />
*<br />
*<br />
⎜h<br />
− sh ⎟ + =<br />
* *<br />
0<br />
(2.26)<br />
kde: x * - osa koordinačního systému pro BDA [L]<br />
h *<br />
- výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím pro BDA [L]<br />
Výchozí vztahy pro odvození diferenciální <strong>rovnice</strong> (2.26) jsou: <strong>rovnice</strong> (2.27) vyjadřující<br />
hydraulický potenciál, pohybová <strong>rovnice</strong> (2.28) odvozená z Darcyho zákona s ohledem na<br />
Boussinesqovu druhou aproximaci a <strong>rovnice</strong> kontinuity (2.29).<br />
* * *<br />
ϕ(<br />
x ) = h − x tanθ<br />
(2.27)<br />
16
Rozbor literatury<br />
kde: ϕ(x + ) - hydraulický potenciál [-]<br />
θ - sklon nepropustného podloží [l]<br />
*<br />
* * dh * *<br />
q x<br />
( x ) = −K(<br />
h ) h + sh K(<br />
h )<br />
dx<br />
(2.28)<br />
dq x<br />
=<br />
* *<br />
( x ) Rdx<br />
(2.29)<br />
Obě aproximace musejí vést ke stejným výsledkům, jestliže je nepropustné podloží<br />
horizontální (v tomto případě zaniká rozdíl v koordinačních systémech) a při malých<br />
sklonech se liší minimálně (Wooding a Chapman, 1966).<br />
Po zavedení parametru σ upravil Lesaffre (1987) diferenciální <strong>rovnice</strong> (2.25) a (2.26) pro<br />
Boussinesqovu první i druhou aproximaci do shodného tvaru:<br />
d<br />
du<br />
⎛<br />
⎜h<br />
⎝<br />
dh<br />
du<br />
⎞<br />
− 2 σ h⎟ + 1 = 0<br />
(2.30)<br />
⎠<br />
kde:<br />
u = x R K<br />
- substituovaná proměnná pro BPA i pro BDA [L]<br />
( 1− R K )<br />
s<br />
σ =<br />
- pro Boussinesqovu první aproximaci [-]<br />
2 R K<br />
s<br />
σ =<br />
- pro Boussinesqovu druhou aproximaci [-]<br />
2 R K<br />
Rovnicí (2.30) je pro další úpravu rovnic pro proudění podzemní vody na svahu vyřešen<br />
rozdíl v koordinačních systémech pro Boussinesqovu první a druhou aproximaci. Dále jsou<br />
v textu použity (mimo grafického znázornění) proměnné bez indexů „+“ a „*“ s platností<br />
pro obě aproximace.<br />
Řešení rovnic (2.25) resp. (2.26) pro drenážní systém, kdy jsou drény uložené na<br />
nepropustném podloží uvádějí Towner (1975) resp. Schmid a Luthin (1964). Tito autoři<br />
uvádějí, že hladina mění svůj tvar v kritickém bodě řešení. Tato změna nastává při hodnotě<br />
σ = 1. Při hodnotách σ < 1 je proudění rozdělené mezi oba drény. Při hodnotách σ > 1<br />
proudí voda pouze k dolnímu drénu.<br />
Rozdíly mezi Boussinesqovou první a druhou aproximací jsou patrné ze vzorců<br />
odvozených pro jednotlivé aproximace. Obecně se uvažuje, že Boussinesqova druhá<br />
aproximace je omezena na mírnější sklony, ale dosud neexistuje detailnější popis<br />
podmínek, pro které je platná (Hartani, Lesaffre a Zimmer, 2001).<br />
17
Rozbor literatury<br />
Boussinesqova první aproximace (BPA) byla zavedena do výpočtů pro návrh drenážních<br />
systémů Woodingem a Chapmanem (1966) a Childsem (1971). Tito autoři uvádějí rozdíly<br />
ve vypočtených hodnotách pro BPA a BDA. Towner (1975) porovnal výsledky<br />
z viskózního modelu s hodnotami vypočtenými na základě BPA a uvádí, že výsledky jsou<br />
přijatelné i pro větší sklony. Rozdíly se mírně zvyšují s rostoucím poměrem R/K. V další<br />
publikaci uvádí Marei a Towner (1975), že při porovnání BPA a BDA je správná teorie, že<br />
proudnice jsou rovnoběžné s nepropustným podložím. Na základě těchto studií použil BPA<br />
Lesaffre (1987) při odvození analytického vztahu pro návrh drenážních soustav na<br />
skloněném nepropustném podloží.<br />
Při porovnání maximální výšky hladiny odvozené pomocí <strong>Boussinesqovy</strong> druhé<br />
aproximace (BDA) a výsledků studie viskózního modelu, které provedli Guitjens a Luthin<br />
(1965), se rozdíly mezi vypočtenými hodnotami a modelem zvyšují s rostoucím sklonem a<br />
vyšším poměrem R/K. Zároveň ale uvádějí, že při sklonech do 0,3 jsou chyby relativně<br />
malé. Porovnání výsledků odvozených pomocí BDA s viskózním modelem do sklonu<br />
nepropustného podloží 0,08 provedli Ram a Chauhan (1987) a uvádějí dobrý souhlas<br />
v porovnávaných hodnotách. Pro účely návrhu drenáže dokonce doporučují pro půdy se<br />
středními sklony použít <strong>rovnice</strong> odvozené pro horizontální nepropustnou vrstvu. Z BDA<br />
vycházel také McEnroe (1994) při návrhu odvodnění skládek.<br />
U BPA se ale narozdíl od BDA obtížněji určují okrajové podmínku, a proto je BDA stále<br />
využívána při navrhování odvodňovacích soustav, které se většinou provádějí na územích<br />
s nižší sklonitostí.<br />
18
Řešení diferenciálních rovnic<br />
3 ŘEŠENÍ DIFERENCIÁLNÍCH ROVNIC<br />
3.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
Při ustáleném proudění podzemní vody na svahu, kdy se předpokládá, že voda proudí stále<br />
pouze směrem ze svahu dolů, nastává při hodnotě σ = 1 změna ve tvaru hladiny podle obr.<br />
3.1 (pro Boussinesqovu první aproximaci). Při hodnotách σ < 1 se na horním konci svahu<br />
vytvoří výška h 0 [L]. Při hodnotách σ ≥ 1 je výška hladiny na horním konci svahu nulová.<br />
Po integraci <strong>rovnice</strong> (2.30) dostaneme tvar:<br />
dh<br />
h − 2σ h + u = c 1<br />
(3.1)<br />
du<br />
kde c 1 je integrační konstanta. Pro vyšetření hodnoty této konstanty musíme provést<br />
analýzu tvaru hladiny v bodě A (obr. 3.1).<br />
z +<br />
z +<br />
h 0 +<br />
B<br />
A<br />
A<br />
B<br />
H +<br />
a<br />
θ<br />
H + x +<br />
C<br />
x +<br />
b<br />
θ<br />
C<br />
Obr. 3.1 Změny tvaru hladiny podzemní vody při různých hodnotách faktoru σ pro Boussinesqovu<br />
první aproximaci: a) σ < 1, b) σ ≥ 1.<br />
Sklon hladiny dh/dx v x A = 0 je za předpokladu, že voda na horním konci svahu neproudí,<br />
roven sklonu nepropustného podloží. Okrajové podmínky v bodě A jsou pro zjištění<br />
konstanty c 1 následující:<br />
dh dh s<br />
x = x A = 0 h = h 0 u = 0 = s =<br />
dx du R K<br />
Rovnice (3.1) byla upravena pro okrajové podmínky v bodě A na tvar:<br />
⎛ s ⎞<br />
h ⎜<br />
0<br />
− 2σ ⎟ = c 1<br />
(3.2)<br />
R K<br />
⎝<br />
⎠<br />
19
Řešení diferenciálních rovnic<br />
a byla řešena zvlášť pro Boussinesqovu první a druhou aproximaci. Pokud dosadíme do<br />
upravené <strong>rovnice</strong> vzorec σ z BPA, bude mít <strong>rovnice</strong> dvě různé hodnoty konstanty c 1<br />
závislé na hodnotě výšky hladiny h 0 . Pro hodnoty h 0 > 0, což odpovídá hodnotám faktoru<br />
hladiny σ < 1, bude mít konstanta hodnotu<br />
c<br />
0<br />
1<br />
= h s R K . Pro nulovou hodnotu výšky<br />
hladiny na konci svahu bude mít i konstanta c 1 nulovou hodnotu (h 0 = 0, c 1 = 0). Pokud<br />
budeme řešit konstantu pro BDA zjistíme, že první a druhý člen v závorce je totožný.<br />
Závorka má tedy nulovou hodnotu a pro libovolnou hodnotu h 0 bude i hodnota konstanty<br />
c 1 nulová.<br />
Poloha maximální výšky hladiny na ose x se vypočte z podmínky nulového sklonu hladiny<br />
v x = x H jako:<br />
2 H + c<br />
= σ (3.3)<br />
R K<br />
x H<br />
1<br />
Pro další úpravu <strong>rovnice</strong> (3.1) nahradíme v = u – c 1 a w = h/v a rovnici upravíme na tvar:<br />
w<br />
2<br />
wdw<br />
= −<br />
− 2σw<br />
+ 1<br />
dv<br />
v<br />
(3.4)<br />
Pokud zjišťujeme podmínky řešení <strong>rovnice</strong> (3.4), vypočítáváme ve zlomku na levé straně<br />
kvadratickou rovnici, která má reálné kořeny v případě, že σ > 1, a nereálné pro hodnoty<br />
σ < 1. Tento fakt odpovídá změně tvaru hladiny podzemní vody v kritické hodnotě σ = 1.<br />
Pro tyto tři rozdílné hodnoty parametru σ dále řešíme rovnici (3.4) a získáme vzorce pro<br />
výpočet maximální výšky hladiny podzemní vody při ustáleném proudění.<br />
Pro hodnotu σ = 1 upravíme rovnici (3.4) na tvar:<br />
wdw<br />
dv<br />
= −<br />
( w −1) 2 v<br />
(3.5)<br />
kde v = u – c 1 u = R K ⋅ x w = h/v<br />
Následnou integrací dostaneme:<br />
ln<br />
2<br />
− (3.6)<br />
w −1<br />
( w 2<br />
2<br />
1) − = −ln<br />
v + c2<br />
20
Řešení diferenciálních rovnic<br />
Konstantu c 2 vypočteme pomocí okrajových podmínek v místě maximální výšky hladiny<br />
podzemní vody, kdy předpokládáme, že sklon hladiny dH/dx je nulový, h = H , v = 2H<br />
,<br />
w = 1 2 .<br />
2<br />
c = ln H 4<br />
(3.7)<br />
2<br />
+<br />
Pokud dále řešíme rovnici (3.6) pro okrajové podmínky h = h L , v = v L dostaneme rovnici<br />
pro výpočet maximální výšky hladiny podzemní vody pro σ = 1 ve tvaru:<br />
2 2 ⎛ 2v<br />
( ) ⎟ ⎞<br />
L<br />
− 4hL<br />
H = h − ⋅<br />
⎜<br />
L<br />
vL<br />
exp<br />
(3.8)<br />
⎝ hL<br />
− vL<br />
⎠<br />
Pro hodnotu σ > 1 řešíme rovnici (3.4) a po integraci získáme tvar:<br />
ln(<br />
σ w − σ − λ<br />
σ c<br />
(3.9)<br />
3<br />
λ w − σ + λ<br />
2<br />
1<br />
2<br />
w − 2 w + 1) + ln = − ln v +<br />
1<br />
1<br />
2<br />
kde λ = σ 1<br />
1<br />
−<br />
Hodnota konstanty c 3 vypočtená pomocí okrajových podmínek h = H, v = 2σH, w = 1/(2σ)<br />
má hodnotu:<br />
σ<br />
1 (2σ<br />
) − σ − λ<br />
2<br />
1<br />
c<br />
3<br />
= ln H + ln<br />
(3.10)<br />
λ1<br />
1 (2σ<br />
) − σ + λ1<br />
Dalším řešením <strong>rovnice</strong> (3.9) pro okrajové podmínky h = h L , v = v L odvodíme vzorec pro<br />
výpočet maximální výšky hladiny podzemní vody pro hodnoty σ > 1, který můžeme psát<br />
jako:<br />
( ) ( )<br />
2<br />
2 ⎡ hL<br />
vL<br />
−σ<br />
− λ1<br />
h − 2σh<br />
v + v<br />
( 1 (2σ<br />
) − σ + λ1<br />
)<br />
( h v −σ<br />
+ λ ) ( 1 (2σ<br />
) −σ<br />
− λ )<br />
1<br />
2<br />
H =<br />
⎢<br />
(3.11)<br />
L<br />
L L L<br />
L L<br />
1<br />
1<br />
⎣<br />
Řešením <strong>rovnice</strong> (3.4) pro hodnoty σ < 1 dostaneme po integraci následující rovnici:<br />
⎥ ⎦<br />
⎤<br />
σ<br />
λ<br />
ln<br />
2<br />
2σ<br />
w − σ<br />
2<br />
( w − 2 w + 1) + arctan = − ln v + c4<br />
σ (3.12)<br />
λ λ<br />
2<br />
2<br />
2<br />
kde λ2 = 1−σ<br />
Pro zvolené okrajové podmínky h = H, v = 2σH, w = 1/(2σ) má konstanta c 4 hodnotu:<br />
21
Řešení diferenciálních rovnic<br />
2σ<br />
1 (2σ<br />
) − σ<br />
2<br />
c<br />
4<br />
= ln H + arctan<br />
(3.13)<br />
λ2<br />
λ2<br />
Pokud rovnici (3.12) dále řešíme pro případ h = h L , v = v L , odvodíme rovnici pro výpočet<br />
maximální výšky hladiny podzemní vody pro hodnoty σ < 1 ve tvaru:<br />
2<br />
2<br />
⎡2σ<br />
⎛ h<br />
⎞⎤<br />
L<br />
vL<br />
−σ<br />
1 (2σ<br />
−σ<br />
( h − 2σh<br />
v + v ) exp ⎜arctan<br />
− arctan ⎟⎥ ⎦<br />
H =<br />
⎢ ⎜<br />
⎟<br />
(3.14)<br />
L L L L<br />
⎣ λ2<br />
⎝ λ2<br />
λ2<br />
⎠<br />
2 )<br />
V rovnicích (3.5) až (3.14) se vyskytuje proměnná v respektive v L , jejíž hodnoty jsou<br />
závislé na hodnotě konstanty c 1 . Tato konstanta má nulovou hodnotu pro σ = 1 a σ > 1.<br />
V těchto případech lze dosadit do rovnic hodnoty<br />
v = x R K respektive v L<br />
= L R K .<br />
Pokud řešíme <strong>rovnice</strong> pro σ < 1 je hodnota konstanty c 1 závislá na postupu zvoleného<br />
řešení. Pokud se <strong>rovnice</strong> řeší pomocí <strong>Boussinesqovy</strong> druhé aproximace je hodnota<br />
konstanty také nulová a platí výše uvedená substituce. Při použití <strong>Boussinesqovy</strong> první<br />
aproximace je hodnota konstanty vyjádřená vzorcem c = 1<br />
h0s<br />
R K a tudíž<br />
v<br />
0<br />
= x R K − h s R K a = L R K − h s R K .<br />
v L 0<br />
Hodnotu výšky hladiny na horním konci svahu, h 0 , lze získat řešením <strong>rovnice</strong> (3.12) pro<br />
okrajové podmínky h = h L , v = v L a následným dosazením x = 0, h = h 0 ,<br />
Po úpravě získáme implicitní vztah:<br />
v0 −<br />
0<br />
= h s R K .<br />
h<br />
2<br />
0<br />
2<br />
v<br />
⎡ 2σ<br />
⎛<br />
− − ⎞⎤<br />
⎢ ⎜ −σ<br />
1 ( s R K ) σ<br />
L<br />
=<br />
exp arctan − arctan<br />
⎟ (3.15)<br />
1+<br />
2σs<br />
R K +<br />
σ<br />
( ) ⎥ ⎥ 2<br />
2<br />
⎢ ⎜<br />
2<br />
2 ⎟<br />
s R K ⎣ 1−σ<br />
⎝ 1−σ<br />
1−<br />
⎠⎦<br />
Tato <strong>rovnice</strong> může být řešena iteracemi, kdy počáteční hodnotu h 0 pro výpočet v L zvolíme<br />
rovnu nule. Počet iterací potřebných k výpočtu hodnoty h 0 jsou čtyři až deset.<br />
Tvar hladiny podzemní vody můžeme získat řešením <strong>rovnice</strong> (3.1) metodou Runge-Kutta<br />
čtvrtého řádu (Rektorys, 2000). Jako počáteční hodnoty pro řešení zvolíme hodnoty<br />
maximální výšky hladiny podzemní vody pomocí rovnic (3.8), (3.11) a (3.14) a její polohy<br />
na ose x (3.3).<br />
22
Řešení diferenciálních rovnic<br />
3.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
V této kapitole je opět použit symbol „*“ pro Boussinesqovu druhou aproximaci.<br />
Při odvození vztahů pro neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
v hydraulickém systému, znázorněném na obr. 3.2, budeme předpokládat tyto<br />
charakteristiky hydraulického systému:<br />
a) Hydraulický potenciál ϕ je konstantní v rovině kolmé na nepropustné podloží a je<br />
závislý pouze na výšce hladiny podzemní vody:<br />
ϕ ( x , z,<br />
t)<br />
= h(<br />
x,<br />
t)<br />
(3.16)<br />
b) Tvar hladiny podzemní vody je konstantní pro definovanou maximální výšku<br />
hladiny podzemní vody. Lze tedy provést následující separaci proměnných:<br />
h ( x,<br />
t)<br />
= H ( t)<br />
W ( X , H )<br />
(3.17)<br />
c) Půdní materiál lze považovat za homogenní.<br />
d) Voda proudí pouze směrem ze svahu, tzn. že na horním konci svahu voda neproudí<br />
(není zde žádný recipient)<br />
Podobný postup při úpravě <strong>rovnice</strong> kontinuity uvádí Lesaffre a Zimmer (1988).<br />
Rovnici kontinuity můžeme napsat ve tvaru:<br />
∂ q x<br />
( x,<br />
t)<br />
∂h(<br />
x,<br />
t<br />
= R(<br />
t)<br />
− µ )<br />
(3.18)<br />
∂x<br />
∂t<br />
z *<br />
h 0 * (t1)<br />
h 0 * (t2)<br />
H * (t1)<br />
H * (t2)<br />
x *<br />
θ<br />
h L *<br />
L *<br />
Obr. 3.2 Hydraulický systém pro odvození rovnic neustáleného proudění na svahu<br />
pro Boussinesqovu druhou aproximaci.<br />
23
Řešení diferenciálních rovnic<br />
Rovnici kontinuity (3.18) můžeme upravit, za předpokladu 2 na následující tvar:<br />
dH(<br />
t)<br />
⎡<br />
dW ( X , H)<br />
⎤<br />
dq x<br />
( x)<br />
= R(<br />
t)<br />
dx − µ L W X H H t<br />
dX<br />
dt ⎢<br />
( , ) + ( )<br />
dH ⎥ (3.19)<br />
⎣<br />
⎦<br />
Při integraci <strong>rovnice</strong> (3.19) od x = 0 do x = x 1 získáme tvar:<br />
X<br />
1<br />
dH ( t)<br />
⎡<br />
dW ( X , H ) ⎤<br />
q<br />
x<br />
( x1)<br />
= R(<br />
t)<br />
x1<br />
− µ L∫<br />
⎢<br />
W ( X , H ) + H ( t)<br />
⎣<br />
⎥<br />
dX (3.20)<br />
dt<br />
dH ⎦<br />
0<br />
Úpravou této <strong>rovnice</strong> pro podmínku x 1 = L získáme rovnici pro průtok na jednotku plochy<br />
hydraulického systému, kterou můžeme psát:<br />
dH ( t)<br />
Q ( t)<br />
= R(<br />
t)<br />
− µ B(<br />
H )<br />
(3.21)<br />
dt<br />
kde: Q - průtok na jednotku plochy Q = q x /L [L.T -1 ]<br />
B(H) - první faktor tvaru hladiny [-]<br />
1<br />
⎡<br />
dW ( X , H ) ⎤<br />
B ( H ) = ∫ ⎢<br />
W ( X , H ) + H ( t)<br />
⎣<br />
⎥<br />
dX<br />
(3.22)<br />
dH ⎦<br />
0<br />
Druhou integrací <strong>rovnice</strong> kontinuity - integrací <strong>rovnice</strong> (3.20) od x = 0 do x = L získáme<br />
tuto rovnici:<br />
L<br />
q<br />
∫<br />
0<br />
x<br />
2<br />
2<br />
L dH ( t)<br />
L<br />
( x)<br />
dx = R(<br />
t)<br />
− µ C(<br />
H )<br />
(3.23)<br />
2 dt 2<br />
kde: C(H) - druhý faktor tvaru hladiny [-]<br />
1<br />
⎡<br />
dW ( X , H ) ⎤<br />
C ( H ) = 2∫<br />
( 1−<br />
X )<br />
⎢<br />
W ( X , H ) + H ( t)<br />
⎣<br />
⎥<br />
dX<br />
(3.24)<br />
dH ⎦<br />
0<br />
Integrací pohybové <strong>rovnice</strong> (2.28) v mezích od x = 0 do x = L obdržíme:<br />
2<br />
L<br />
L hL<br />
− h0<br />
∫ qx<br />
( x)<br />
dx = sKH ( t)<br />
P(<br />
H ) − K<br />
(3.25)<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
kde: P(H) - třetí faktor tvaru hladiny [-]<br />
1<br />
∫<br />
P ( H ) = 2 W ( X , H ) dX<br />
(3.26)<br />
0<br />
24
Řešení diferenciálních rovnic<br />
Dosazením <strong>rovnice</strong> (3.25) do <strong>rovnice</strong> (3.23) obdržíme rovnici neustáleného proudění<br />
podzemní vody na svahu pro Boussinesqovu druhou aproximaci ve tvaru:<br />
2 2<br />
2 dH ( t)<br />
2<br />
( h − h ) = R(<br />
t)<br />
L − L C(<br />
H )<br />
sKLH ( t)<br />
P(<br />
H ) − K<br />
L 0<br />
µ<br />
(3.27)<br />
dt<br />
Hodnoty faktorů tvaru hladiny, B(H), C(H), P(H), a případně výšky hladiny h 0 pro známé<br />
hodnoty maximální výšky hladiny, H, a výšky hladiny h L vypočteme z rovnic pro ustálené<br />
proudění na svahu. Tyto výpočty se musí opakovaně provádět pro každou novou<br />
hodnotu H.<br />
Kombinací <strong>rovnice</strong> kontinuity s upravenou pohybovou rovnicí (2.28) dostaneme<br />
diferenciální rovnici pro proudění podzemní vody na svahu pro Boussinesqovu druhou<br />
aproximaci ve tvaru:<br />
dh ( x , t)<br />
dt<br />
d<br />
dx<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
dh ( x , t)<br />
⎤<br />
⎥<br />
dx ⎦<br />
dh ( x , t)<br />
dx<br />
* *<br />
* *<br />
* *<br />
* *<br />
µ = R(<br />
t)<br />
+ K h ( x , t)<br />
− sK<br />
(3.28)<br />
*<br />
*<br />
*<br />
Rovnice pro výpočet pohybu maximální hladiny podzemní vody pro Boussinesqovu<br />
druhou aproximaci má tvar:<br />
* *<br />
( h )<br />
2<br />
h<br />
2<br />
L<br />
−<br />
0<br />
*<br />
* *<br />
dH ( t)<br />
R(<br />
t)<br />
L − sKL H ( t)<br />
P(<br />
H ) + K<br />
= (3.29)<br />
dt<br />
*<br />
µ L<br />
2<br />
C(<br />
H )<br />
* 2<br />
Průtok na jednotku plochy drenážní soustavy se vypočte podle <strong>rovnice</strong>:<br />
* *<br />
( h )<br />
2<br />
h<br />
2<br />
0<br />
* * *<br />
B(<br />
H ) R(<br />
t)<br />
L<br />
2<br />
− sKL H ( t)<br />
P(<br />
H ) + K<br />
L<br />
−<br />
Q(<br />
t)<br />
R(<br />
t)<br />
−<br />
* 2<br />
= (3.30)<br />
C(<br />
H )<br />
L<br />
Rovnici (3.29) lze vypočítat pomocí metody Runge-Kutta čtvrtého řádu (Rektorys, 2000).<br />
25
Model <strong>odtoku</strong> podzemní vody<br />
4 MODEL ODTOKU PODZEMNÍ VODY<br />
Na základě uvedených rovnic (3.1), (3.3), (3.8), (3.11), (3.14), (3.22), (3.24), (3.26), (3.29)<br />
a (3.30) (v modelu je tedy použita Boussinesqova druhá aproximace) byl sestaven model<br />
neustáleného proudění podzemní vody na nakloněné nepropustné rovině. Model z velké<br />
části řeší ustálené proudění, které je nutné pro odvození tvarů hladiny podzemní vody, a<br />
z části řeší neustálené proudění podzemní vody na svahu. Pro výpočty byl použit program<br />
Scilab-3.1.1.<br />
Model je sestaven za předpokladů uvedených v kapitole 3.2.2:<br />
• půdní prostření je homogenní<br />
• nepropustné podloží není zakřivené<br />
• recipienty leží na nepropustném podloží<br />
• hladina podzemní vody je volná<br />
Vstupní parametry modelu pro řešení proudění na svahu jsou:<br />
• délka svahu L = 600 m<br />
• sklon nepropustného podloží s = 0,23<br />
• rozloha povodí A = 163000 m 2<br />
• časové rozložení <strong>odtoku</strong> Q [l.s -1 ] z povodí<br />
• časové rozložení srážek R [mm] na povodí<br />
• koeficient ztráty deště koef (různý pro různé roky)<br />
• výška hladiny na konci svahu h L = 0 m<br />
• počet výpočtových bodů na ose x n = 100<br />
• časový krok výpočtu fluktuace hladiny dt = 3600 s<br />
Parametry modelu, které jsou pro dané povodí kalibrovány:<br />
• hodnota nasycené hydraulické vodivosti K pro rychlou odezvu (dolní mez: K =<br />
0,0001 m.s -1 ; horní mez: K = 0,0021 m.s -1 )<br />
• hodnota nasycené hydraulické vodivosti K pro pomalou odezvu (dolní mez: K =<br />
0,000001 m.s -1 ; horní mez: K = 0,000021 m.s -1 )<br />
26
Model <strong>odtoku</strong> podzemní vody<br />
• drenážní pórovitost µ pro rychlou odezvu (dolní mez: µ = 0,01; horní mez: µ =<br />
0,026)<br />
• drenážní pórovitost µ pro pomalou odezvu (dolní mez: µ = 0,01; horní mez: µ =<br />
0,035)<br />
Rovnice (3.1) a (3.29) jsou řešeny metodou Runge-Kutta čtvrtého řádu (Rektorys, 2000):<br />
y<br />
n+<br />
1<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
1<br />
= yn<br />
+ h<br />
6<br />
= f<br />
( x , y )<br />
n<br />
⎛<br />
= f ⎜ x<br />
⎝<br />
( k + 2k + 2k + k )<br />
( x + h, y + h k )<br />
n<br />
n<br />
⎛<br />
= f ⎜ x<br />
n<br />
+<br />
⎝<br />
= f<br />
n<br />
1<br />
1 1 ⎞<br />
+ h, yn<br />
+ h k1<br />
⎟<br />
2 2 ⎠<br />
1<br />
h,<br />
2<br />
n<br />
y<br />
n<br />
+<br />
2<br />
1<br />
h k<br />
2<br />
3<br />
2<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
4<br />
(4.1)<br />
kde: x n - nezávislá proměnná v kroku n [L]<br />
y n<br />
k x<br />
h<br />
y n+1<br />
- proměnná závislá na proměnné x n v kroku n [L]<br />
- proměnné metody Runge-Kutta pro odhad y n+1 [L]<br />
- krok výpočtu [L]<br />
- proměnná závislá na proměnné x n v kroku n+1 [L]<br />
n - počet výpočtových kroků [-]<br />
Graficky je tato metoda vyjádřena na obr 4.1:<br />
Obr. 4.1 Metoda Runge-Kutta čtvrtého řádu (Rektorys, 2000).<br />
Jako výchozí hodnota výpočtu fluktuace maxima hladiny (<strong>rovnice</strong> (3.29)) byla použita<br />
hodnota vypočtená z naměřeného průtoku (<strong>rovnice</strong> (3.8) nebo (3.11) nebo (3.14)).<br />
Simulace rychlé odezvy začíná vždy od inflexního bodu výtokové křivky.<br />
V rovnici (3.30) byly parametry tvaru hladiny B(H), C(H) z důvodů stability výpočtu<br />
považovány za shodné.<br />
27
Model <strong>odtoku</strong> podzemní vody<br />
Při kalibraci parametrů K a µ pro rychlou odezvu byl k simulovaným průtokům přičten<br />
základní odtok odhadnutý z naměřených dat, aby se tvar křivek lépe porovnával. Do<br />
výpočtu vstupovaly nulové srážky. Při kalibraci parametrů K a µ pro pomalou odezvu<br />
nebyl k simulovaným průtokům přičten základní odtok a do výpočtu vstupovaly nulové<br />
srážky.<br />
K ověření správnosti namodelovaných průtoků (<strong>rovnice</strong> (3.30)) byla použita data naměřená<br />
na povodí Modrava 2 na Šumavě (pokusné povodí Katedry vodního hospodářství a<br />
environmentálního modelování Fakulty životního prostředí ČZU Praha).<br />
Jako kriterium shody měřených a modelovaných dat byl použit koeficient determinace:<br />
KD<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
= −<br />
n<br />
( Qmer − Qsim )<br />
∑( Qmeri<br />
− pQmer)<br />
i=<br />
1<br />
i<br />
i<br />
2<br />
1 (4.2)<br />
2<br />
kde: KD - koeficient determinace [-]<br />
Qmer i - průtok měřený v čase i [L 3 .T -1 ]<br />
Qsim i - průtok simulovaný v čase i [L 3 .T -1 ]<br />
pQmer - průměrná hodnota naměřených průtoků [L 3 .T -1 ]<br />
Pro kalibraci i pro verifikaci byly vybrány různorodé úseky, aby byla zajištěna co největší<br />
objektivita.<br />
Výsledný model je rozdělen na dvě části. První část simuluje rychlou odezvu povodí,<br />
druhá část simuluje pomalou odezvu povodí. Do první části vstupují nulové srážky, do<br />
druhé části vstupují měřené srážky přenásobené koeficientem ztráty deště. Součet těchto<br />
dvou částí představuje výsledný simulovaný průtok.<br />
28
Výsledky a diskuze<br />
5 VÝSLEDKY A DISKUZE<br />
5.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
Pro výpočet tvaru hladiny podzemní vody při ustáleném proudění byly využity vzorce<br />
(3.1), (3.3), (3.8), (3.11), (3.14), (3.22), (3.24) a (3.26).<br />
Data vzniklá při výpočtech maximální výšky hladiny podzemní vody a její polohy na ose x<br />
pro různé sklony nepropustného podloží jsou uvedena v grafu 5.1. (BPA), v grafu 5.2<br />
(BDA), v tab. 7.1 (BPA) a v tab. 7.2 (BDA). V tab. 5.1 jsou uvedeny výsledky porovnání<br />
vypočtených hodnot s hodnotami získanými při laboratorním experimentu na viskózním<br />
modelu, který provedli Guitjens a Luthin (1965).<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,9<br />
0,8<br />
H/L<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
xH/L<br />
0,1<br />
0,1<br />
0,0<br />
0,0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8<br />
R/K<br />
H s=0,1 H s=0,2 H s=0,3 H s=0,4 H s=0,5 xH/L s=0,05<br />
xH/L s=0,1 xH/L s=0,2 xH/L s=0,3 xH/L s=0,4 xH/L s=0,5 H s=0,05<br />
Graf 5.1 Závislost maximální výšky hladiny podzemní vody a její polohy na ose x<br />
na poměru R/K pro Boussinesqovu první aproximaci.<br />
29
Výsledky a diskuze<br />
1,0<br />
0,9<br />
0,9<br />
0,8<br />
H/L<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
xH/L<br />
0,1<br />
0,1<br />
0,0<br />
0,0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8<br />
R/K<br />
H/L s=0,1 H/L s=0,2 H/L s=0,3 H/L s=0,4 H/L s=0,5 xH/L s=0,05<br />
xH/L s=0,1 xH/L s=0,2 xH/L s=0,3 xH/L s=0,4 xH/L s=0,5 H/L s=0,05<br />
Graf 5.2 Závislost maximální výšky hladiny podzemní vody a její polohy na ose x<br />
na poměru R/K pro Boussinesqovu druhou aproximaci.<br />
Z porovnání výsledků odvozených na základě Boussinsqových aproximací a výsledků<br />
z viskózního modelu (tab. 5.1) lze konstatovat, že hodnotám naměřeným při experimentu<br />
lépe odpovídá Boussinesqova první aproximace. Experiment byl uskutečněn pro podmínky<br />
drenážní soustavy na svahu, tzn. že oba okraje byly odvodněny. Model sestavený pro tuto<br />
diplomovou práci počítá s odvodněním pouze u dolního okraje svahu, u horního okraje<br />
k odvodnění nedochází. Proto lze pro srovnání použít buď minimální sklon a odvozené<br />
vzorce aplikovat pouze na jednu polovinu soustavy, a nebo vyšší sklony, kdy hodnota<br />
faktoru sigma σ > 1. V tabulce jsou pro porovnání orientačně uvedeny i hodnoty, kdy<br />
σ > 0,5. V těchto případech má výška hladiny na horním okraji svahu malou hodnotu a její<br />
vliv na výšku maximální hladiny není podstatný.<br />
Rozdíly ve výsledcích odvozených pomocí obou aproximací a hodnot z viskózního modelu<br />
se zvyšují s rostoucí hodnotou R/K. U <strong>Boussinesqovy</strong> první aproximace však rozdíly<br />
nepřesahují 16 % naměřených hodnot, ve většině případů se rozdíl pohybuje do 10 %. U<br />
<strong>Boussinesqovy</strong> druhé aproximace rozdíly rostou se zvyšujícím se sklonem nepropustného<br />
podloží a dosahují hodnot více než 40 %. Tato aproximace byla autorem určena pro mírné<br />
30
Výsledky a diskuze<br />
svahy. Rozdíly ve vypočtených hodnotách pro BPA a BDA se také zvyšují s rostoucím<br />
sklonem nepropustného podloží. Pro sklon 0,3 jsou rozdíly v obou aproximacích podobné,<br />
což opravňuje užití BDA pro simulaci <strong>odtoku</strong> z experimentálního povodí, kde sklon svahu<br />
má hodnotu 0,23 (tedy hodnotu menší než 0,3).<br />
Tab. 5.1 Porovnání vypočtených hodnot maximální výšky hladiny s hodnotami z viskózního<br />
modelu, které uvádějí Guitjens a Luthin (1965) (hodnoty BPA jsou převedeny na souřadnicový<br />
systém BDA, který byl použitý na viskózním modelu).<br />
sklon<br />
0,0001<br />
0,3<br />
0,4<br />
0,5<br />
0,6<br />
0,7<br />
viskózní<br />
R/K<br />
model H/L<br />
H/L BPA sigma BPA<br />
difference<br />
BPA - model H/L BDA sigma BDA<br />
difference<br />
BDA - model<br />
H/L %<br />
H/L %<br />
0,0157 0,0617 0,1252 0,0004 0,0009 0,70 0,1252 0,0004 0,0009 0,70<br />
0,0343 0,0901 0,1851 0,0003 0,0025 1,34 0,1851 0,0003 0,0025 1,34<br />
0,0452 0,1064 0,2125 0,0002 -0,0001 -0,06 0,2125 0,0002 -0,0001 -0,06<br />
0,066 0,1333 0,2568 0,0002 -0,0049 -1,91 0,2568 0,0002 -0,0049 -1,92<br />
0,0864 0,1587 0,2939 0,0002 -0,0118 -4,01 0,2939 0,0002 -0,0118 -4,02<br />
0,0277 0,0730 0,0727 0,8763 -0,0003 -0,39 0,0655 0,9013 -0,0075 -11,40<br />
0,0446 0,0990 0,1074 0,6786 0,0084 7,83 0,0960 0,7103 -0,0030 -3,09<br />
0,0625 0,1316 0,1405 0,5625 0,0089 6,37 0,1247 0,6000 -0,0069 -5,51<br />
0,0885 0,1639 0,1842 0,4596 0,0202 10,98 0,1619 0,5042 -0,0021 -1,28<br />
0,027 0,0592 0,0624 1,1843 0,0032 5,19 0,0528 1,2172 -0,0064 -12,15<br />
0,0436 0,0971 0,0944 0,9161 -0,0027 -2,88 0,0790 0,9578 -0,0181 -22,84<br />
0,0609 0,1266 0,1251 0,7611 -0,0015 -1,22 0,1038 0,8104 -0,0228 -21,93<br />
0,0931 0,1818 0,1774 0,5944 -0,0044 -2,48 0,1452 0,6555 -0,0367 -25,26<br />
0,0284 0,0595 0,0597 1,4413 0,0002 0,30 0,0467 1,4835 -0,0128 -27,39<br />
0,0488 0,1020 0,0966 1,0765 -0,0054 -5,58 0,0747 1,1317 -0,0274 -36,63<br />
0,0672 0,1351 0,1277 0,8996 -0,0074 -5,80 0,0977 0,9644 -0,0375 -38,34<br />
0,0941 0,1887 0,1705 0,7383 -0,0182 -10,64 0,1286 0,8150 -0,0601 -46,71<br />
0,0273 0,0505 0,0543 1,7661 0,0038 7,07 0,0391 1,8157 -0,0114 -29,23<br />
0,0504 0,1010 0,0951 1,2690 -0,0059 -6,19 0,0673 1,3363 -0,0337 -50,00<br />
0,0654 0,1282 0,1202 1,0964 -0,0080 -6,66 0,0843 1,1731 -0,0439 -52,08<br />
0,0938 0,1786 0,1656 0,8877 -0,0130 -7,84 0,1142 0,9795 -0,0643 -56,33<br />
0,033 0,0588 0,0627 1,8631 0,0039 6,18 0,0409 1,9267 -0,0179 -43,67<br />
0,0456 0,0893 0,0847 1,5643 -0,0046 -5,43 0,0548 1,6390 -0,0345 -62,92<br />
0,0638 0,1333 0,1154 1,2973 -0,0180 -15,56 0,0737 1,3857 -0,0596 -80,80<br />
0,0927 0,1786 0,1622 1,0430 -0,0163 -10,07 0,1018 1,1496 -0,0768 -75,40<br />
31
Výsledky a diskuze<br />
5.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
Při výpočtu vzorců (3.29) a (3.30) pro neustálené proudění na svahu je nejdůležitější<br />
přesné stanovení faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H), <strong>rovnice</strong> (3.22), (3.24) a (3.26),<br />
které se odvozují za podmínek ustáleného proudění. Průběh hodnot těchto faktorů<br />
v závislosti na maximální výšce hladiny podzemní vody je pro sklony 0,05 až 0,2<br />
znázorněn v grafech 7.1 (graf 5.3 je totožný s grafem 7.1) až 7.5 (BPA) a v grafech 7.6 až<br />
7.10 (BDA). V tab. 5.2 a 5.3 jsou uvedeny výsledky porovnání vypočtených hodnot<br />
s hodnotami, které uvádějí Hartani, Lesaffre a Zimmer (2001).<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
1,2<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 5.3 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,05.<br />
32
Výsledky a diskuze<br />
Z grafů závislostí hodnot faktorů tvaru hladiny na maximální výšce hladiny podzemní vody jsou<br />
patrné dvě části průběhu. Při nízkých hodnotách maximální výšky hladiny roste s rostoucí výškou<br />
hladiny také hodnota faktorů tvaru hladiny. Při vyšších hodnotách maximální výšky hladiny<br />
hodnoty faktorů mírně klesají a přibližují se hodnotám těchto faktorů odvozených pro ustálené<br />
proudění na horizontální nepropustné rovině, které jsou konstantní pro všechny výšky maximální<br />
hladiny. Místo, ve kterém dochází ke změně průběhu křivek, se pro větší sklony vyskytuje u<br />
vyšších hodnot maximální hladiny. Tato oblast se přibližně vyskytuje v místě, kde je hodnota<br />
faktoru hladiny podzemní vody σ = 0,7, kdy se začíná ve větší míře projevovat vliv výšky hladiny<br />
na horním okraji svahu.<br />
Tab. 5.2 Porovnání vypočtených hodnot faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) a maximální<br />
výšky hladiny s hodnotami, které uvádějí Hartani, Lesaffre a Zimmer (2001) (část A).<br />
H/L<br />
P<br />
B<br />
C<br />
sklon R/K sigma<br />
článek<br />
článek<br />
článek<br />
článek<br />
H/L BPA P BPA B BPA C BPA<br />
Hartani<br />
Hartani<br />
Hartani<br />
Hartani<br />
0,08<br />
0,3<br />
0,1228 0,1001 0,1753 1,5690 0,7821 0,9972 0,3022 1,6526 0,9305 0,9633<br />
0,0308 0,2210 0,0872 1,5634 0,7979 1,1666 0,1292 1,7105 0,9791 0,9795<br />
0,0235 0,2551 0,0756 1,5611 0,8060 0,2342 0,1083 1,7169 0,9869 0,9782<br />
0,0127 0,3500 0,0551 1,5524 0,8356 0,4593 0,0717 1,7116 1,0064 0,9604<br />
0,0089 0,4200 0,0454 1,5438 0,8632 1,6627 0,0558 1,6997 0,9961 0,9519<br />
0,0056 0,5300 0,0351 1,5261 0,9043 1,9582 0,0399 1,6494 0,9862 0,9138<br />
0,0044 0,6000 0,0304 1,5115 0,9239 2,1018 0,0331 1,6069 0,9710 0,8810<br />
0,0024 0,8200 0,0202 1,4425 0,9026 2,0282 0,0203 1,4534 6,1971 42,3673<br />
0,0020 0,9010 0,0174 1,3774 0,8281 1,7703 0,0174 1,4026 0,8315 0,6403<br />
0,0016 1,0001 0,0146 1,3461 0,8095 1,6377 0,0147 1,3496 0,7707 0,5698<br />
0,0015 1,0300 0,0139 1,3333 0,7980 1,5971 0,0140 1,3375 0,7654 0,5519<br />
0,0001 4,0000 0,0012 1,0528 0,5470 1,1072 0,0012 1,0351 0,1170 -0,4001<br />
0,0215 1,0001 0,0564 1,3587 0,8185 2,0727 0,0540 1,3496 0,7730 0,5704<br />
0,0152 1,2002 0,0417 1,2842 0,7511 1,7784 0,0399 1,2754 0,7130 0,4798<br />
0,0130 1,3000 0,0364 1,2561 0,7260 1,6739 0,0349 1,2454 0,6801 0,4534<br />
0,0112 1,4002 0,0320 1,2324 0,7048 1,5887 0,0307 1,2215 0,6604 0,4317<br />
0,0098 1,5004 0,0284 1,2120 0,6868 1,5180 0,0272 1,2031 0,6558 0,4152<br />
0,0056 2,0005 0,0170 1,1436 0,6264 1,2969 0,0163 1,1338 0,6076 0,3944<br />
0,0036 2,5001 0,0113 1,1050 0,5922 1,1843 0,0108 1,0952 0,5478 0,3169<br />
0,0009 5,0011 0,0030 1,0376 0,5093 1,0186 0,0029 0,9889 12,1613 19,5801<br />
33
Výsledky a diskuze<br />
Tab. 5.2 Porovnání vypočtených hodnot faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) a maximální<br />
výšky hladiny s hodnotami, které uvádějí Hartani, Lesaffre a Zimmer (2001) (část B).<br />
sklon<br />
0,08<br />
0,3<br />
difference<br />
BPA – článek Hartani<br />
difference<br />
BPA - článek Hartani<br />
difference<br />
BPA - článek Hartani<br />
difference<br />
BPA - článek Hartani<br />
H/L % P % B % C %<br />
0,1269 42,00 0,0836 5,06 0,1484 15,95 0,4647 48,24<br />
0,0420 32,53 0,1471 8,60 0,1812 18,51 0,3962 40,45<br />
0,0327 30,20 0,1558 9,07 0,1809 18,33 0,8611 88,03<br />
0,0166 23,16 0,1592 9,30 0,1708 16,97 0,7308 76,09<br />
0,0104 18,58 0,1559 9,17 0,1329 13,34 0,1206 12,67<br />
0,0048 11,95 0,1233 7,48 0,0819 8,31 -0,0653 -7,15<br />
0,0027 8,18 0,0954 5,94 0,0471 4,85 -0,1699 -19,29<br />
0,0001 0,62 0,0109 0,75 5,2945 85,44 41,3532 97,61<br />
0,0000 0,27 0,0252 1,80 0,0034 0,40 -0,2448 -38,24<br />
0,0001 0,61 0,0035 0,26 -0,0388 -5,04 -0,2490 -43,70<br />
0,0001 0,61 0,0042 0,31 -0,0326 -4,26 -0,2466 -44,68<br />
0,0000 -1,10 -0,0177 -1,71 -0,4300 -367,45 -0,9537 238,36<br />
-0,0024 -4,48 -0,0091 -0,67 -0,0455 -5,89 -0,4660 -81,70<br />
-0,0018 -4,46 -0,0088 -0,69 -0,0381 -5,34 -0,4094 -85,33<br />
-0,0015 -4,42 -0,0107 -0,86 -0,0459 -6,75 -0,3835 -84,58<br />
-0,0013 -4,29 -0,0109 -0,89 -0,0444 -6,73 -0,3626 -83,99<br />
-0,0012 -4,37 -0,0089 -0,74 -0,0310 -4,72 -0,3438 -82,82<br />
-0,0007 -4,33 -0,0098 -0,87 -0,0188 -3,09 -0,2541 -64,43<br />
-0,0005 -4,47 -0,0098 -0,90 -0,0444 -8,11 -0,2753 -86,87<br />
-0,0001 -3,91 -0,0487 -4,93 11,6520 95,81 19,0708 97,40<br />
Tab. 5.3 Porovnání vypočtených hodnot maximální výšky hladiny s hodnotami, které uvádějí<br />
Hartani, Lesaffre a Zimmer (2001).<br />
sklon<br />
0,08<br />
H/L<br />
difference<br />
R/K<br />
sigma článek H/L BPA BPA - článek Hartani<br />
(mm/h)<br />
Hartani<br />
H/L %<br />
39 0,0100 0,4415 0,8695 0,4280 49,23<br />
5 0,1138 0,1576 0,2676 0,1100 41,11<br />
1,593 0,2170 0,0883 0,1322 0,0439 33,19<br />
1,172 0,2551 0,0754 0,1083 0,0329 30,36<br />
0,636 0,3502 0,0547 0,0717 0,0170 23,67<br />
0,444 0,4207 0,0451 0,0556 0,0105 18,93<br />
0,281 0,5306 0,0349 0,0398 0,0049 12,31<br />
0,108 0,8588 0,0188 0,0189 0,0001 0,34<br />
0,074 1,0382 0,0138 0,0138 0,0000 0,01<br />
0,05 1,2636 0,0099 0,0099 0,0000 -0,18<br />
34
Výsledky a diskuze<br />
Po porovnání výsledků odvozených na základě BPA a výsledků, které uvádějí Hartani,<br />
Lesaffre a Zimmer (2001), také odvozených na základě BPA je vidět, že rozdíly<br />
v hodnotách maximální výšky hladiny a faktoru tvaru hladiny P(H) se opět zvyšují<br />
s rostoucí hodnotou R/K a také s rostoucím svahem, přičemž největší shody dosahují pro<br />
sklon 0,08 (u parametru P(H) také sklon pro 0,3) a σ > 0,8, kdy diference téměř<br />
nepřesahuje 1% V těchto případech má výška hladiny na horním okraji malou hodnotu a<br />
její vliv na výšku maximální hladiny není podstatný (výsledků, které uvádějí Hartani,<br />
Lesaffre a Zimmer (2001), bylo dosaženo za předpokladu odvodnění horního i dolního<br />
okraje výpočtové oblasti, lze proto pro srovnání použít buď minimální sklon a odvozené<br />
vzorce aplikovat pouze na jednu polovinu soustavy, a nebo vyšší sklony, kdy hodnota<br />
faktoru sigma σ > 1). Uspokojivá je též shoda maxima hladiny a parametru B(H) pro svah<br />
0,3, kdy se diference pohybuje kolem 5%. Největší rozdíly vykazuje parametr C(H): 80 až<br />
90%<br />
35
Výsledky a diskuze<br />
5.3 Kalibrace a verifikace modelu<br />
Parametry modelu (který pro modelování <strong>odtoku</strong> vody z povodí používá Boussinqovu<br />
druhou aproximaci) K a µ pro rychlou odezvu byly kalibrovány na datech z let 2000, 2002<br />
a 2006 a verifikovány na datech z let 1998, 1999 a 2004. Pro pomalou odezvu byly<br />
kalibrovány na datech z let 2001, 2002, 2004 a 2006 a verifikovány na datech z let 1999,<br />
2000 a 2003. Výsledky kalibrací jsou znázorněny v grafech 7.11 až 7.26 a výsledky<br />
verifikací v grafech 7.27 až 7.32. Kalibrace parametrů K a µ se neřídila koeficientem<br />
determinace ale výsledky znázorněnými v grafech 7.11 až 7.26. Při rychlé i pomalé odezvě<br />
je odtoková křivka s klesajícím µ strmější a s klesajícím K pozvolnější.<br />
Po kalibraci byly vybrány tyto parametry:<br />
• nasycená hydraulická vodivost pro rychlou odezvu: K = 0,001 m.s -1<br />
• nasycená hydraulická vodivost pro pomalou odezvu: K = 0,00001 m.s -1<br />
• drenážní pórovitost pro rychlou odezvu: µ = 0,02<br />
• drenážní pórovitost pro pomalou odezvu: µ = 0,015<br />
Parametr K = 0,00001 m.s -1 svědčí pro druh zeminy: hlinitý a jemný písek (tab. 2.2), nebo<br />
písek (tab. 2.3) se střední propustností (tab.2.4). Parametr K = 0,001 m.s -1 svědčí pro druh<br />
zeminy: štěrk (tab. 2.2), nebo hrubší písek (tab. 2.3) s velmi vysokou propustností<br />
(tab.2.4). Parametr µ = 0,015 i µ = 0,02 svědčí pro velikost zrna = 10 -4 mm a menší (obr.<br />
2.3), která spadá do zrnitostní kategorie: koloidní jíl (tab.2.1).<br />
Verifikace těchto parametrů se zdařila:<br />
• KD pro pomalou odezvu se pohybuje v rozmezí 0,53 až 0,77<br />
• KD pro rychlou odezvu se pohybuje v rozmezí 0,98 až 0,998<br />
Nízké hodnoty KD pro pomalou odezvu jsou zapříčiněny srážkami a dotací vláhy ze<br />
sněhové pokrývky, které vedou k rozkolísanému průběhu měřených průtoků.<br />
Občasné „zuby“ ve výtokových křivkách jsou způsobeny nedokonalým výpočtem hladiny<br />
podzemní vody pro ustálené proudění, tato nedokonalost se promítá do výpočtu parametrů<br />
tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) a nakonec do výpočtu průtoku.<br />
36
Výsledky a diskuze<br />
5.4 Simulace<br />
Výsledný model spojující simulaci pomalé i rychlé odezvy povodí byl vyzkoušen na<br />
datech z let 1999, 2002 a 2006, kde byla prokázána schopnost modelu modelovat odtok<br />
vody z povodí. Při simulaci průtoků z roku 1999 (graf 5.4) byla použita jedna rychlá<br />
odezva (Q=12,5 l/s) a jedna pomalá odezva (Q=3,1 l/s). Při simulaci průtoků z roku 2002<br />
(graf 5.5) byla použita jedna rychlá odezva (Q=15,5 l/s) a jedna pomalá odezva (Q=3,5<br />
l/s). Při simulaci průtoků z roku 2006 (graf 5.6) byla použita jedna rychlá odezva (Q=16,3<br />
l/s) a jedna pomalá odezva (Q=6,1 l/s). Zdánlivý neúspěch simulace roku 2006 (KD =<br />
0,24) byl způsoben tím, že do výpočtu byla zahrnuta pouze jedna povodňová vlna (pro<br />
simulaci by bylo vhodné požít také další dvě výrazné povodňové vlny: Q=14,9 l/s a<br />
Q=27,7 l/s) a že v první polovině uvedeného časového úseku se na měřeném <strong>odtoku</strong><br />
významně podílí dotace vláhy z tajícího sněhu, jejíž hodnoty pro výpočet nebyly k<br />
dispozici.<br />
20<br />
0<br />
18<br />
5<br />
16<br />
10<br />
14<br />
15<br />
12<br />
20<br />
Q (l/s)<br />
10<br />
8<br />
Qmer<br />
Qsim1 + Qsim2<br />
25<br />
30<br />
R (mm)<br />
6<br />
R<br />
35<br />
4<br />
40<br />
2<br />
45<br />
0<br />
50<br />
3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 5800<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 5.4 Simulace průtoků z roku 1999, koeficient ztráty deště = 0,05 (KD = 0,84).<br />
37
Výsledky a diskuze<br />
20<br />
0<br />
18<br />
5<br />
16<br />
10<br />
14<br />
15<br />
12<br />
20<br />
Q (l/s)<br />
10<br />
8<br />
Qmer<br />
Qsim1 + Qsim2<br />
25<br />
30<br />
R (mm)<br />
6<br />
R<br />
35<br />
4<br />
40<br />
2<br />
45<br />
0<br />
3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200<br />
referenční čas (hod)<br />
50<br />
Graf 5.5 Simulace průtoků z roku 2002, koeficient ztráty deště = 0,1 (KD = 0,81).<br />
20<br />
0<br />
18<br />
5<br />
16<br />
10<br />
14<br />
15<br />
12<br />
20<br />
Q (l/s)<br />
10<br />
8<br />
Qmer<br />
Qsim1 + Qsim2<br />
R<br />
25<br />
30<br />
R (mm)<br />
6<br />
35<br />
4<br />
40<br />
2<br />
45<br />
0<br />
3600 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300<br />
referenční čas (hod)<br />
50<br />
Graf 5.6 Simulace průtoků z roku 2006, koeficient ztráty deště = 0,06 (KD = 0,24).<br />
38
Závěr<br />
6 ZÁVĚR<br />
Pomocí rozšířené metody separace časových a prostorových proměnných byly upraveny<br />
<strong>rovnice</strong> pro proudění podzemní vody na horizontálním i nakloněném nepropustném<br />
podloží. Tato metoda je založena na předpokladu, že tvar hladiny je konstantní pro danou<br />
výšku hladiny v určitém bodě na ose x. Tento tvar hladiny se stanoví pomocí rovnic<br />
ustáleného proudění.<br />
Při odvození rovnic ustáleného proudění se vycházelo ze vztahů, které slouží pro výpočet<br />
tvaru hladiny v drenážní soustavě. Tyto <strong>rovnice</strong> jsou založeny na Boussinesqových<br />
aproximacích, které byly odvozeny pro různé koordinační systémy. Hodnoty odvozené na<br />
základě těchto dvou aproximací byly porovnány s výsledky viskózního modelu, na základě<br />
čehož bylo rozhodnuto o vhodnosti jejich použití pro podmínku proudění na svahu.<br />
Z porovnání je patrné, že Boussinesqova druhá aproximace je vhodná pro řešení proudění<br />
u sklonu nepropustného podloží do 0,3, zatímco Boussinesqova první aproximace je<br />
vhodná i pro řešení při větších sklonech. Hodnoty odvozené na základě <strong>Boussinesqovy</strong><br />
první aproximace byly porovnány také s výsledky, které uvádějí Hartani, Lesaffre a<br />
Zimmer (2001). Z porovnání je patrné, že lepší shodě dochází při vyšších sklonech.<br />
Platnost modelu pro výpočet <strong>odtoku</strong> pozemní vody z povodí pro nakloněné nepropustné<br />
podloží sestaveného na základě rovnic odvozených z <strong>Boussinesqovy</strong> <strong>rovnice</strong> byla ověřena<br />
na datech naměřených v povodí Modrava 2 na Šumavě (pokusné povodí Katedry vodního<br />
hospodářství a environmentálního modelování Fakulty životního prostředí ČZU Praha).<br />
Model je schopen simulovat odtok základní i odtok přímý.<br />
Pro zlepšení modelu by se dalo udělat několik opatření. Mezi první patří zdokonalení<br />
výpočtu tvaru hladiny podzemní vody, které by vedlo k odstranění mnohých chyb ve<br />
výpočtu. Bylo by vhodné zahrnout do vstupních dat modelu data představující dotaci vláhy<br />
z tajícího sněhu. Dále by bylo třeba upravit srážky tak, aby byly při vstupu do modelu<br />
ukráceny o počáteční a konstantní ztráty, obdobně i tající sníh. A také rychlá odezva by<br />
měla být počítána pro celé výpočtové období stejně jako pomalá odezva, případně podle<br />
potřeby by se vytvořila třetí složka <strong>odtoku</strong> („středně“ rychlá odezva). Celkový výsledný<br />
odtok by se počítal jako součet těchto tří složek.<br />
39
Přílohy<br />
7 PŘÍLOHY<br />
7.1 Ustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
Tab. 7.1 Výsledky aplikace rovnic pro ustálené proudění podzemní vody na svahu odvozeních na<br />
základě <strong>Boussinesqovy</strong> první aproximace (část A).<br />
sklon 0,05 0,1 0,2<br />
R/K xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma<br />
0,0002 0,854 0,0034 1,767 0,940 0,0019 3,535 0,978 0,0010 7,070<br />
0,0004 0,787 0,0063 1,250 0,905 0,0036 2,499 0,964 0,0019 4,998<br />
0,0006 0,741 0,0089 1,020 0,877 0,0053 2,040 0,951 0,0029 4,080<br />
0,0008 0,704 0,0113 0,883 0,854 0,0068 1,766 0,940 0,0038 3,533<br />
0,001 0,675 0,0135 0,790 0,835 0,0084 1,580 0,930 0,0047 3,159<br />
0,002 0,578 0,0232 0,558 0,762 0,0153 1,116 0,890 0,0089 2,232<br />
0,004 0,478 0,0384 0,394 0,674 0,0271 0,787 0,834 0,0167 1,575<br />
0,006 0,421 0,0508 0,321 0,618 0,0373 0,642 0,793 0,0239 1,283<br />
0,008 0,382 0,0616 0,277 0,576 0,0465 0,555 0,761 0,0307 1,109<br />
0,01 0,353 0,0714 0,248 0,543 0,0549 0,495 0,733 0,0370 0,990<br />
0,02 0,271 0,1106 0,173 0,442 0,0902 0,346 0,639 0,0652 0,693<br />
0,04 0,201 0,1678 0,120 0,346 0,1440 0,240 0,535 0,1114 0,480<br />
0,06 0,166 0,2125 0,096 0,293 0,1871 0,192 0,471 0,1502 0,384<br />
0,08 0,144 0,2505 0,081 0,258 0,2243 0,163 0,425 0,1847 0,325<br />
0,1 0,128 0,2841 0,071 0,232 0,2575 0,142 0,389 0,2161 0,285<br />
0,2 0,084 0,4177 0,045 0,157 0,3915 0,089 0,278 0,3473 0,179<br />
0,4 0,046 0,6097 0,024 0,088 0,5883 0,047 0,165 0,5495 0,095<br />
0,6 0,025 0,7592 0,013 0,050 0,7443 0,026 0,095 0,7161 0,052<br />
0,8 0,011 0,8866 0,006 0,022 0,8790 0,011 0,043 0,8640 0,022<br />
40
Přílohy<br />
Tab. 7.1 Výsledky aplikace rovnic pro ustálené proudění podzemní vody na svahu odvozeních na<br />
základě <strong>Boussinesqovy</strong> první aproximace (část B).<br />
sklon 0,3 0,4 0,5<br />
R/K xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma<br />
0,0002 0,989 0,0007 10,604 0,993 0,0005 14,139 0,995 0,0004 17,674<br />
0,0004 0,980 0,0013 7,497 0,988 0,0010 9,996 0,991 0,0008 12,495<br />
0,0006 0,973 0,0019 6,120 0,983 0,0015 8,160 0,988 0,0012 10,200<br />
0,0008 0,967 0,0026 5,299 0,978 0,0020 7,065 0,985 0,0016 8,832<br />
0,001 0,961 0,0032 4,739 0,974 0,0024 6,318 0,982 0,0020 7,898<br />
0,002 0,935 0,0062 3,347 0,957 0,0048 4,463 0,969 0,0039 5,579<br />
0,004 0,898 0,0120 2,362 0,930 0,0093 3,150 0,948 0,0076 3,937<br />
0,006 0,868 0,0175 1,925 0,908 0,0137 2,566 0,932 0,0112 3,208<br />
0,008 0,844 0,0227 1,664 0,889 0,0179 2,218 0,917 0,0148 2,773<br />
0,01 0,823 0,0277 1,485 0,873 0,0220 1,980 0,904 0,0183 2,475<br />
0,02 0,745 0,0507 1,039 0,809 0,0413 1,386 0,851 0,0347 1,732<br />
0,04 0,650 0,0902 0,720 0,726 0,0756 0,960 0,778 0,0649 1,200<br />
0,06 0,587 0,1248 0,576 0,667 0,1065 0,768 0,725 0,0926 0,959<br />
0,08 0,539 0,1563 0,488 0,622 0,1351 0,651 0,683 0,1187 0,813<br />
0,1 0,501 0,1855 0,427 0,584 0,1621 0,569 0,647 0,1437 0,712<br />
0,2 0,374 0,3114 0,268 0,451 0,2819 0,358 0,514 0,2571 0,447<br />
0,4 0,232 0,5151 0,142 0,291 0,4844 0,190 0,343 0,4570 0,237<br />
0,6 0,138 0,6897 0,077 0,177 0,6651 0,103 0,214 0,6421 0,129<br />
0,8 0,064 0,8495 0,034 0,084 0,8354 0,045 0,103 0,8217 0,056<br />
41
Přílohy<br />
Tab. 7.2 Výsledky aplikace rovnic pro ustálené proudění podzemní vody na svahu odvozeních na<br />
základě <strong>Boussinesqovy</strong> druhé aproximace (část A).<br />
sklon 0,05 0,1 0,2<br />
R/K xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma<br />
0,0002 0,854 0,0034 1,768 0,940 0,0019 3,536 0,978 0,0010 7,071<br />
0,0004 0,787 0,0063 1,250 0,905 0,0036 2,500 0,964 0,0019 5,000<br />
0,0006 0,741 0,0089 1,021 0,877 0,0053 2,041 0,951 0,0029 4,082<br />
0,0008 0,705 0,0113 0,884 0,854 0,0068 1,768 0,940 0,0038 3,536<br />
0,001 0,675 0,0135 0,791 0,835 0,0083 1,581 0,930 0,0047 3,162<br />
0,002 0,578 0,0231 0,559 0,762 0,0152 1,118 0,890 0,0089 2,236<br />
0,004 0,479 0,0383 0,395 0,675 0,0270 0,791 0,835 0,0167 1,581<br />
0,006 0,423 0,0507 0,323 0,619 0,0372 0,645 0,794 0,0238 1,291<br />
0,008 0,384 0,0615 0,280 0,578 0,0463 0,559 0,762 0,0305 1,118<br />
0,01 0,356 0,0712 0,250 0,546 0,0546 0,500 0,736 0,0368 1,000<br />
0,02 0,275 0,1101 0,177 0,448 0,0895 0,354 0,645 0,0645 0,707<br />
0,04 0,208 0,1667 0,125 0,356 0,1423 0,250 0,546 0,1093 0,500<br />
0,06 0,176 0,2107 0,102 0,307 0,1843 0,204 0,488 0,1464 0,408<br />
0,08 0,155 0,2480 0,088 0,275 0,2202 0,177 0,448 0,1791 0,354<br />
0,1 0,140 0,2809 0,079 0,252 0,2522 0,158 0,417 0,2085 0,316<br />
0,2 0,103 0,4108 0,056 0,190 0,3795 0,112 0,328 0,3285 0,224<br />
0,4 0,074 0,5953 0,040 0,140 0,5619 0,079 0,252 0,5045 0,158<br />
0,6 0,061 0,7371 0,032 0,117 0,7027 0,065 0,214 0,6421 0,129<br />
0,8 0,054 0,8567 0,028 0,103 0,8217 0,056 0,190 0,7590 0,112<br />
42
Přílohy<br />
Tab. 7.2 Výsledky aplikace rovnic pro ustálené proudění podzemní vody na svahu odvozeních na<br />
základě <strong>Boussinesqovy</strong> druhé aproximace (část B).<br />
sklon 0,3 0,4 0,5<br />
R/K xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma xH/L H/L sigma<br />
0,0002 0,989 0,0007 10,607 0,993 0,0005 14,142 0,995 0,0004 17,678<br />
0,0004 0,980 0,0013 7,500 0,988 0,0010 10,000 0,991 0,0008 12,500<br />
0,0006 0,973 0,0019 6,124 0,983 0,0015 8,165 0,988 0,0012 10,206<br />
0,0008 0,967 0,0026 5,303 0,978 0,0020 7,071 0,985 0,0016 8,839<br />
0,001 0,961 0,0032 4,743 0,974 0,0024 6,325 0,982 0,0020 7,906<br />
0,002 0,936 0,0062 3,354 0,957 0,0048 4,472 0,969 0,0039 5,590<br />
0,004 0,898 0,0120 2,372 0,930 0,0093 3,162 0,949 0,0076 3,953<br />
0,006 0,869 0,0174 1,936 0,909 0,0136 2,582 0,932 0,0112 3,227<br />
0,008 0,845 0,0225 1,677 0,890 0,0178 2,236 0,918 0,0147 2,795<br />
0,01 0,825 0,0275 1,500 0,874 0,0219 2,000 0,905 0,0181 2,500<br />
0,02 0,750 0,0500 1,061 0,813 0,0407 1,414 0,854 0,0342 1,768<br />
0,04 0,661 0,0881 0,750 0,736 0,0736 1,000 0,787 0,0630 1,250<br />
0,06 0,604 0,1209 0,612 0,684 0,1026 0,816 0,741 0,0889 1,021<br />
0,08 0,563 0,1502 0,530 0,645 0,1290 0,707 0,705 0,1127 0,884<br />
0,1 0,531 0,1770 0,474 0,614 0,1534 0,632 0,675 0,1350 0,791<br />
0,2 0,433 0,2887 0,335 0,514 0,2571 0,447 0,578 0,2314 0,559<br />
0,4 0,343 0,4570 0,237 0,417 0,4171 0,316 0,479 0,3832 0,395<br />
0,6 0,295 0,5904 0,194 0,364 0,5458 0,258 0,423 0,5071 0,323<br />
0,8 0,264 0,7046 0,168 0,328 0,6569 0,224 0,384 0,6148 0,280<br />
43
Přílohy<br />
7.2 Neustálené proudění na nakloněné nepropustné rovině<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.1 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,05.<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.2 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,1.<br />
44
Přílohy<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.3 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,15.<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.4 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,18.<br />
45
Přílohy<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.5 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,2.<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.6 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu druhou aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,05.<br />
46
Přílohy<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.7 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu druhou aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,1.<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.8 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu druhou aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,15.<br />
47
Přílohy<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.9 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu druhou aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,18.<br />
2<br />
1,8<br />
1,6<br />
1,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
B(H) C(H) P(H)<br />
0,2<br />
0<br />
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1<br />
H/L<br />
Graf 7.10 Závislost faktorů tvaru hladiny B(H), C(H) a P(H) na výšce hladiny podzemní vody H/L<br />
pro Boussinesqovu první aproximaci a sklon nepropustného podloží 0,2.<br />
48
Přílohy<br />
7.3 Kalibrace modelu<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
3<br />
Qmer mi 0,01 mi 0,015<br />
mi 0,02 mi 0,025 mi 0,03<br />
10<br />
2,5<br />
mi 0,035<br />
R<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
2<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
6100 6300 6500 6700 6900 7100 7300 7500<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.11 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku<br />
2001.<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
Q (l/s)<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
Qmer mi 0,01 mi 0,015<br />
mi 0,02 mi 0,025 mi 0,03<br />
mi 0,035 R<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200<br />
referenční čas (hod)<br />
40<br />
Graf 7.12 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku<br />
2002.<br />
49
Přílohy<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
Q (l/s)<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,015 mi 0,02<br />
mi 0,025 mi 0,03<br />
mi 0,035 R<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300 5500 5700 5900 6100 6300<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.13 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku<br />
2004.<br />
7<br />
0<br />
6<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
5<br />
4<br />
3<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,015 mi 0,02<br />
mi 0,025 mi 0,03<br />
mi 0,035 R<br />
20<br />
30<br />
40<br />
R (mm)<br />
2<br />
50<br />
1<br />
60<br />
0<br />
3600 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300<br />
referenční čas (hod)<br />
70<br />
Graf 7.14 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku<br />
2006.<br />
50
Přílohy<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
3<br />
2,5<br />
Qmer K 0,000001<br />
K 0,000006 K 0,000011<br />
K 0,000016 K 0,000021<br />
R<br />
5<br />
10<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
2<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
6100 6300 6500 6700 6900 7100 7300 7500<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.15 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro pomalou odezvu na datech z roku 2001.<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
Q (l/s)<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
Qmer K 0,000001<br />
K 0,000006 K 0,000011<br />
K 0,000016 K 0,000021<br />
R<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200<br />
referenční čas (hod)<br />
40<br />
Graf 7.16 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro pomalou odezvu na datech z roku 2002.<br />
51
Přílohy<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
3<br />
2,5<br />
Qmer K 0,000001<br />
K 0,000006 K 0,000011<br />
K 0,000016 K 0,000021<br />
R<br />
5<br />
10<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
2<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300 5500 5700 5900 6100 6300<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.17 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro pomalou odezvu na datech z roku 2004.<br />
7<br />
0<br />
6<br />
5<br />
4<br />
Qmer K 0,000001<br />
K 0,000006 K 0,000011<br />
K 0,000016 K 0,000021<br />
R<br />
10<br />
20<br />
30<br />
Q (l/s)<br />
3<br />
40<br />
R (mm)<br />
2<br />
50<br />
1<br />
60<br />
0<br />
3600 3900 4200 4500 4800 5100 5400 5700 6000 6300<br />
referenční čas (hod)<br />
70<br />
Graf 7.18 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro pomalou odezvu na datech z roku 2006.<br />
52
Přílohy<br />
22<br />
0<br />
20<br />
5<br />
18<br />
16<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,014 mi 0,018<br />
mi 0,022 mi 0,026<br />
R<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
5030 5040 5050 5060 5070 5080 5090 5100 5110<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.19 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku<br />
2000.<br />
22<br />
0<br />
20<br />
5<br />
18<br />
16<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,014 mi 0,018<br />
mi 0,022 mi 0,026<br />
R<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
4420 4430 4440 4450 4460 4470 4480 4490 4500<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.20 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku<br />
2002.<br />
53
Přílohy<br />
140<br />
0<br />
130<br />
120<br />
5<br />
110<br />
100<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,014 mi 0,018<br />
mi 0,022 mi 0,026<br />
R<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
40<br />
30<br />
30<br />
20<br />
35<br />
10<br />
0<br />
40<br />
3530 3540 3550 3560 3570 3580 3590 3600 3610 3620<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.21 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku<br />
2006 (událost 1).<br />
22<br />
0<br />
20<br />
5<br />
18<br />
16<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
Qmer mi 0,01<br />
mi 0,014 mi 0,018<br />
mi 0,022 mi 0,026<br />
R<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
5240 5250 5260 5270 5280 5290 5300 5310 5320<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.22 Kalibrace parametru drenážní pórovitost µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku<br />
2006 (událost 2).<br />
54
Přílohy<br />
22<br />
0<br />
Q (l/s)<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
Qmer K 0,0001<br />
K 0,0006 K 0,0011<br />
K 0,0016 K 0,0021<br />
R<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
8<br />
25<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
5030 5040 5050 5060 5070 5080 5090 5100 5110<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.23 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro rychlou odezvu na datech z roku 2000.<br />
22<br />
0<br />
Q (l/s)<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
Qmer K 0,0001<br />
K 0,0006 K 0,0011<br />
K 0,0016 K 0,0021<br />
R<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
8<br />
25<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
4420 4430 4440 4450 4460 4470 4480 4490 4500<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.24 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro rychlou odezvu na datech z roku 2002.<br />
55
Přílohy<br />
140<br />
0<br />
130<br />
120<br />
5<br />
110<br />
100<br />
90<br />
80<br />
Qmer K 0,0001<br />
K 0,0006 K 0,0011<br />
K 0,0016 K 0,0021<br />
R<br />
10<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
70<br />
60<br />
50<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
40<br />
30<br />
30<br />
20<br />
10<br />
35<br />
0<br />
40<br />
3530 3540 3550 3560 3570 3580 3590 3600 3610 3620<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.25 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro rychlou odezvu na datech z roku 2006 (událost 1).<br />
22<br />
0<br />
Q (l/s)<br />
20<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
Qmer K 0,0001<br />
K 0,0006 K 0,0011<br />
K 0,0016 K 0,0021<br />
R<br />
5<br />
10<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
8<br />
25<br />
6<br />
4<br />
2<br />
30<br />
35<br />
0<br />
40<br />
5240 5250 5260 5270 5280 5290 5300 5310 5320<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.26 Kalibrace parametru nasycená hydraulická vodivost<br />
K pro rychlou odezvu na datech z roku 2006 (událost 2).<br />
56
Přílohy<br />
7.4 Verifikace modelu<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
3<br />
2,5<br />
Qmer<br />
K 0,00001; mi 0,015<br />
R<br />
10<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
2<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
3800 4100 4400 4700 5000 5300 5600 5900<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.27 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku 1999<br />
(KD = 0,53).<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
3<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
2,5<br />
2<br />
Qmer<br />
K 0,00001; mi 0,015<br />
R<br />
15<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
3800 4000 4200 4400 4600<br />
referenční čas (hod)<br />
40<br />
Graf 7.28 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku 2000<br />
(KD = 0,66).<br />
57
Přílohy<br />
4<br />
0<br />
3,5<br />
5<br />
3<br />
2,5<br />
Qmer<br />
K 0,00001; mi 0,015<br />
R<br />
10<br />
15<br />
Q (l/s)<br />
2<br />
20<br />
R (mm)<br />
1,5<br />
25<br />
1<br />
30<br />
0,5<br />
35<br />
0<br />
6800 7000 7200 7400<br />
referenční čas (hod)<br />
40<br />
Graf 7.29 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro pomalou odezvu na datech z roku 2003<br />
(KD = 0,77).<br />
35<br />
0<br />
30<br />
5<br />
Q (l/s)<br />
25<br />
20<br />
15<br />
Qmer<br />
K 0,001; mi 0,02<br />
R<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
10<br />
30<br />
5<br />
35<br />
0<br />
40<br />
6230 6240 6250 6260 6270 6280 6290 6300 6310 6320<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.30 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku 1998<br />
(KD = 0,998).<br />
58
Přílohy<br />
14<br />
0<br />
12<br />
5<br />
Q (l/s)<br />
10<br />
8<br />
6<br />
Qmer<br />
K 0,001; mi 0,02<br />
R<br />
10<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
4<br />
30<br />
2<br />
35<br />
0<br />
40<br />
4570 4580 4590 4600 4610 4620 4630 4640 4650<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.31 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku 1999 (KD = 0,98).<br />
60<br />
0<br />
50<br />
5<br />
10<br />
Q (l/s)<br />
40<br />
30<br />
20<br />
Qmer<br />
K 0,001; mi 0,02<br />
R<br />
15<br />
20<br />
25<br />
R (mm)<br />
30<br />
10<br />
35<br />
0<br />
40<br />
6400 6410 6420 6430 6440 6450 6460 6470 6480<br />
referenční čas (hod)<br />
Graf 7.32 Verifikace parametrů K a µ (mi) pro rychlou odezvu na datech z roku 2004 (KD = 0,99).<br />
59
Seznam použitých symbolů<br />
Seznam použitých symbolů<br />
A bod v kartézském koordinačním systému<br />
A horizontální plocha elementu kolektoru [L 2 ]<br />
B bod v kartézském koordinačním systému<br />
B(H) první faktor tvaru hladiny [-]<br />
C bod v kartézském koordinačním systému<br />
C(H) druhý faktor tvaru hladiny [-]<br />
c x<br />
f<br />
integrační konstanty<br />
známá funkce<br />
g tíhové zrychlení [L.T -2 ]<br />
H hydraulická výška [L]<br />
H maximální výška hladiny podzemní vody [L]<br />
(H 1 -H 2 ) ztráta hydraulické výšky při průtoku vody sloupcem zeminy [L]<br />
dH/dl gradient hydraulické výšky – hydraulický gradient [-]<br />
h výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím [L]<br />
h krok výpočtu [L]<br />
h + výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím pro BPA [L]<br />
h * výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím pro BDA [L]<br />
h p<br />
tlaková výška neboli hloubka daného bodu pod hladinou podzemní vody [L]<br />
h L výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím v x = L- [L]<br />
h 0 výška hladiny podzemní vody nad nepropustným podložím v x = 0- [L<br />
∆h pokles hladiny podzemní vody v elementu kolektoru [L]<br />
K nasycená hydraulická vodivost [L.T -1 ]<br />
K ii složky tenzoru nasycené hydraulické vodivosti [L.T -1 ]<br />
KD koeficient determinace [-]<br />
k x proměnné metody Runge-Kutta pro odhad y n+1 [L]<br />
L délka sloupce [L]<br />
L délka svahu [L]<br />
M bod v kartézském koordinačním systému<br />
N bod v kartézském koordinačním systému<br />
n pórovitost [-]<br />
n počet výpočtových kroků [-]<br />
P(H) třetí faktor tvaru hladiny [-]<br />
p tlak vody v daném bodě pod hladinou podzemní vody [L -1 .M.T -2 ]<br />
60
Seznam použitých symbolů<br />
pQmer průměrná hodnota naměřených průtoků [L 3 .T -1 ]<br />
Q průtok [L 3 .T -1 ]<br />
Q průtok na jednotku plochy [L.T -1 ]<br />
Qmer i průtok měřený v čase i [L 3 .T -1 ]<br />
Qsim i průtok simulovaný v čase i [L 3 .T -1 ]<br />
q x specifický průtok ve směru osy x [L 2 .T -1 ]<br />
R přítok na hladinu podzemní vody [L.T -1 ]<br />
S průřezová plocha sloupce [L 2 ]<br />
S storativita [-]<br />
s sklon nepropustného podloží (tanθ) [-]<br />
t čas [T]<br />
u substituovaná proměnná při řešení Boussinesqových rovnic [L]<br />
V celkový objem zeminy [L 3 ]<br />
Vp objem pórů [L 3 ]<br />
∆V změna objemu vody v elementu kolektoru [L 3 ]<br />
v Darcyovská rychlost proudění vody [L.T -1 ]<br />
v n složka rychlosti kolmá k hranici oblasti [L.T -1 ]<br />
v s vektor hustoty toku ve směru osy x [L.T -1 ]<br />
v substituovaná proměnná při řešení Boussinesqových rovnic [L]<br />
w substituovaná proměnná při řešení Boussinesqových rovnic [-]<br />
W funkce tvaru hladiny [-]<br />
X bezrozměrná osa x [-]<br />
x,y,z souřadnice libovolného bodu [L]<br />
x + osa koordinačního systému pro BPA [L]<br />
x * osa koordinačního systému pro BDA [L]<br />
x H poloha maximální výšky hladiny podzemní vody [L]<br />
x n nezávislá proměnná v kroku n [L]<br />
y n proměnná závislá na proměnné x n v kroku n [L]<br />
y n+1 proměnná závislá na proměnné x n v kroku n+1 [L]<br />
z geodetická výška [L]<br />
z + osa koordinačního systému pro BPA [L]<br />
z* osa koordinačního systému pro BDA [L]<br />
ρ hustota [M.L -3 ]<br />
θ úhel, který svírá tečna k hladině s vodorovným směrem [-]<br />
θ sklon nepropustného podloží [l]<br />
λ x substituovaná proměnná při řešení Boussinesqových rovnic [-]<br />
61
Seznam použitých symbolů<br />
µ drenážní pórovitost [-]<br />
σ bezrozměrný faktor tvaru HPV pro proudění na svahu [-]<br />
ϕ hydraulický potenciál [-]<br />
62
Seznam literatury<br />
Seznam literatury<br />
Drbal, J. 1984: Geologie a Půdoznalství III.b. (půdoznalství), VŠZ, Praha, 175 s.<br />
Guitjens, J. C., Luthin, J. N. 1965: Viscous Model Study of Drain Spacing on Sloping<br />
Land and Comparison with Mathematical Solution. Water Resources Research.<br />
Vol. 1, No 4, p. 523-530.<br />
Hartani, T., Zimmer, D., Lesaffre, B. 2001: Drainage of Sloping Lands with Variable<br />
Recharge: Analytical Formulas and Model Development. Journal of Irrigation and<br />
Drainage engineering, Vol. 127, No. 1, p. 8-15.<br />
Henderson, F. M., Wooding, R. A., 1964: Overland flow and groundwater flow from<br />
steady rainfall of finite duration. Journal of Geophysical Research, Vol. 69, No. 8,<br />
p. 1531-1540.<br />
Childs, E. C., 1971: Drainage of Groundwater Resting on Sloping Bed. Water Resources<br />
Research, Vol. 7, No. 5, p. 1256-1263.<br />
Koopmans, R. W. R., 2000: Fluidmechanics and groundwater flow, Department of Water<br />
Resources, Wageningen University, p. 234.<br />
Lesaffre, B., 1987: Analytical formulae for traverse drainage of sloping lands with constant<br />
rainfall. Irrigation and Drainage System, Vol. 1, No. 1, p. 105-121.<br />
Marei, S. M., Towner, G. D., 1975: A Hele-Shaw Analog Study of the Seepage of<br />
Groundwater Resting on Sloping Bed. Water Resources Research, Vol. 11, No. 4,<br />
p. 589-594.<br />
McEnroe, B. M., 1994: Hydraulics of Leachate Collection and Cover Drainage.<br />
In Landfilling of Waste Bariers, Chapman and Hall, London, UK, p. 531-541.<br />
Novák, V., Rieger, F. 2000: Hydraulické pochody, ČVUT, Praha, 318 s.,<br />
ISBN 80-01-02153-X<br />
Ram, S., Chauhan, H. S. 1987: Analytical and Experimental Solution for Drainage of<br />
Sloping Lands With Time-Varying Recharge. Water Resources Research, Vol. 23,<br />
No. 6, p. 1090-1096.<br />
Rektorys, K. 2000: Přehled užité matematiky II, sedmé vydání. Prometheus, Praha,<br />
ISBN 81-7196-181-7.<br />
Schmid, P. and Luthin, J. 1964: The drainage of sloping lands, Journal of Geophysical<br />
Research, Vol. 69, No. 8, p. 1525-1529.<br />
63
Seznam literatury<br />
Šilar, J. 1996: Hydrologie v životním prostředí, MŽP, Praha, 136 s., ISBN 80-7078-361-3<br />
Tourková, J. 2004: Hydrogeologie. ČVUT, Praha, 165 s., ISBN 80-01-03101-2<br />
Towner, G. D. 1975: Drainage of groundwater resting on a sloping bed with uniform<br />
rainfall, Water Resources Research, Vol. 11, No. 1, p. 144-147.<br />
Valentová, J. 2007: Hydraulika podzemní vody. ČVUT, Praha, 174 s.,<br />
ISBN 978-80-01-03625-9<br />
Wooding, R. A., Chapman, T. G. 1966: Groundwater flow over a sloping impermeable<br />
layer, 1. Applications of the Dupuit-Forchheimer assumption. Journal of<br />
Geophysical Research, Vol. 71, No. 12, p. 2895-2902.<br />
64