Nová technologie snižování hladiny podzemních vod

Tags: COMSOL | DSI | Měření | Multiphysics | Simulace

Vysoká hladina podzemních vod je častý problém při stavebních úpravách, sanaci starých dolů a dalších činnostech. Tradičně se hladina snižuje pomocí odčerpávání a následného přemístění přebytečného množství vody mimo oblast stavby. V současné době se ale úspěšně používá alternativní technologie odvodňování s názvem „Düsensauginfiltration" (DSI), která má řadu výhod – snížení finančních nákladů, minimalizaci dopadů na životní prostředí i zjednodušení celého postupu. Tvorba počítačového modelu a následná simulace celého systému umožnila hlubší pochopení procesů probíhajících při využití nové technologie.

Při stavebních úpravách je často nutné snížit hladinu podzemní vody tak, aby nezasahovala do stavby. Hladinou podzemní vody se nazývá horní okraj oblasti zemského povrchu, která je nasycena vodou. Tradičně se problém snížení její hladiny řeší odčerpáním přebytečného množství vody a jejím odvozem mimo oblast stavby. Tento přístup však může mít negativní dopad na životní prostředí. Lokální ekosystémy na obou místech jsou narušené, může se zhoršit kvalita půdy a neblahý důsledek může mít i pokles či kontaminace povrchové nebo podzemní vody. Navíc do hry vstupuje také otázka finanční, neboť musíme vzít v úvahu náklady na transport a likvidaci vytěžené vody, spolu se zvýšenými výdaji v případě nutnosti ošetření vytěžené vody před jejím návratem do přírody.

Princip DSI technologie

Na rozdíl od standardního postupu funguje nově zaváděná DSI technologie tak, že odčerpaná voda se vrací do stejného vrtu, pouze ve větší hloubce. Tento přístup naprosto odbourává potřebu vodu kamkoliv přesouvat, neboť nedojde ani k jejímu vypumpování na povrch. Tím lze předejít řadě představených problémů. Vrt se tak v podstatě dělí na dvě části. V horní části dochází k odčerpávání podzemní vody, zatímco v nižších polohách se voda vrací do oběhu. Tyto dvě části vrtu bývají odděleny, viz obr. 1.

Obr. 1 Schematický nákres vrtu

Werner Wils tuto metodu (nazývanou také „Jet Suction Infiltration System Werner Wils") úspěšně používá ve své firmě již od roku 2000. V následujících letech zaujala společnosti na celém světě.

Praktické zkušenosti ukazují, že nová metoda funguje, i když zatím není úplně vysvětleno, proč. Vědci z katedry aplikované geologie na George-August-University v Göttingenu se tedy chopili úkolu technologii detailně prozkoumat a popsat. Tým vedený Prof. Dr. Martinem Kauterem na projektu spolupracuje s přední německou firmou zabývající se odvodňováním, Hölscher Wasserbau.

Jak říká vedoucí výzkumného týmu, Assoc. Prof. Dr. Ekkehard Holzbecher, jejich role spočívá především v osvětlení principů, na nichž celá technologie funguje, v pochopení jejích výhod a omezení a následné optimalizaci funkčnosti technologie v reálných situacích.

Simulace technologie

Tým k simulaci představeného problému využívá program COMSOL Multiphysics. Práce na počítačových modelech bude postupovat v několika krocích. V prvním kroku chtějí výzkumníci dosáhnout shody vytvořených modelů s výsledky měření, které mají k dispozici. V kroku druhém je cílem modelovat nové, neznámé situace a předpovídat odezvy systému na měnící se podmínky.

COMSOL Multiphysics je simulační nástroj pro řešení fyzikálních úloh popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi pomocí metody konečných prvků. Specializované nadstavbové moduly jsou určeny k modelování úloh z různých profesních oborů a oblastí, například z dynamiky tekutin, přestupu tepla, pružnosti a pevnosti, akustiky, elektromagnetismu, apod.

Obr. 2 Výsledky 2D modelu řezu v okolí vrtu, zobrazení vodního sloupce a tvaru vodní hladiny

Obr. 3 Výsledky 3D modelu, zobrazení výšky vodního sloupce a tvaru vodní hladiny v okolí vrtu

K řešení proudění podzemních vod a průsaků slouží speciální nadstavbový modul s názvem Subsurface Flow Module. Implementována je řada rovnic, které popisují průsaky jak porézním prostředím, tak i kombinaci proudění v porézním a volném prostředí. V rámci modelu je možné řešit i znečištění podzemních vod, jejich kontaminaci v závislosti na čase a na koncentraci odpadních látek a řadu dalších situací.

V prvním kroku tým vytvořil 2D model řezu oblasti v místě vrtu. Závisle proměnnými byla výška vodního sloupce a deformace hladiny podzemní vody. Výsledky simulací můžeme vidět na obr. 2 spolu se šipkami rychlostního pole. Na obrázku můžeme vidět, že jak se snižuje výška vodního sloupce v horní části vrtu (zobrazená barevnou škálou), tak se zároveň snižuje hladina podzemní vody (hladina je ohraničena barevnou plochou). To je základní princip fungování celé DSI technologie, který vysvětluje, proč dochází k poklesu hladiny i přesto, že voda je pumpována zpět v tom samém místě.

Obdobná situace byla následně simulována ve 3D, aby bylo možné vzít do úvahy i proudění podzemních vod v okolí vrtu. V modelu je vrt zobrazený jako válec, v jehož vrchní části dochází k odčerpávání a v dolní části k vypouštění vody zpět do půdy. Jak je vidět na obr. 3, v reálnější 3D situaci dochází k analogickým jevům jako v předchozím 2D modelu.

Porovnání výsledků simulace a měření

Vědci při simulacích využili v rámci COMSOLského modelu parametrický sweep (změnu určitého parametru během výpočtu) k provedení rozsáhlé studie, která se zaměřovala na výsledky pro rozdílnou rychlost vypouštění vody do půdy při zachování konstantní rychlosti odčerpávání. Díky tomu byli schopni provést srovnání s klasickou metodou snižování hladiny, kdy se voda pouze odčerpává a již se na tom samém místě nevrací zpět. Vědci zjistili, že pokud jsou rychlosti odčerpávání i vypouštění stejné, DSI technologie má poloviční rychlost snižování hladiny podzemní vody ve srovnání se standardními metodami. Ovšem s přihlédnutím k dalším aspektům tak, jak byly představeny na začátku článku, lze i v těchto situacích upřednostňovat novou DSI technologii. Výsledky studie jsou ilustrovány na obr. 4, kde je zobrazena výška vodního sloupce podél hladiny podzemní vody v závislosti na vzdálenosti od vrtu. Zobrazeny jsou situace pro různé rychlosti vypouštění vody ve spodní části vrtu.

Obr. 4 Závislost výšky vodního sloupce na vzdálenosti od vrtu pro různé rychlosti vypouštění

Až do této doby vykazují výsledky numerických modelů stejné trendy jako naměřená data. Vědci z nich tedy mohou odvodit obecné principy, na nichž DSI funguje. Například zjistili, že technologii lze s úspěchem použít jen v místě, kde je podloží propustné, ideálně tvořené zejména pískem či štěrkem. Dále objevili, že nutnou podmínkou pro funkčnost celého systému je dostatečné množství podzemní vody, které pozitivně ovlivňuje možnost rychlosti vypouštění. Výraznou roli hraje také prostorová závislost propustnosti podloží. Především je nutné brát v úvahu fakt, že proudění v podzemních vodách se mění nejen s ročními obdobími, ale i s ohledem na relativní propustnost jednotlivých vrstev půdy. Problém může nastat třeba v případě, že voda, která je vypouštěna ve spodní části vrtu, vytvoří lokální odklon od hlavního toku a tím výrazně změní charakter proudění. Všechny tyto situace lze ale simulovat a úspěšně předpovídat jejich vliv na funkčnost technologie v daných podmínkách.

Reálný příklad a optimalizace procesu

Představme si reálný příklad využití DSI technologie v těžebních oblastech. Při zasypávání starých dolů dochází často ke zvýšení hladiny podzemních vod a k zatopení sklepů v okolí. V těchto případech není vhodné používat standardní metody, protože odčerpávat se musí nepřetržitě. Proto vědci do připraveného 3D modelu přidali nová data zjištěná přímo na místě v terénu, což umožnilo modelovat tuto konkrétní situaci. Nejprve se ukázalo, že je nutné najít vhodnou kombinaci hloubky vypouštění, velikosti použité trysky, rychlosti a tlaku vypouštění i odčerpávání. V dalším kroku vědci uvažovali více vrtů v okolí. Pomocí provedených simulací tedy byli výzkumníci schopni pomoci při řešení konkrétního problému bez nutnosti zdlouhavého testování správného nastavení čerpacího systému v terénu.

Poté co se díky simulacím zjistilo, jak přesně technologie funguje, a našly se její slabiny i přednosti, se chce univerzitní tým zaměřit na optimalizaci celého procesu. Z dosavadních výsledků je patrné, že představená technologie má řadu výhod. Bohužel v současné době trvá vždy několik dní, než se zjistí, kolik vrtů a v jakých místech je potřeba k řešení konkrétní situace. Na základě simulací chce tým vytvořit příručku, která bude shrnovat základní doporučené postupy při využití DSI, což ušetří čas, námahu i peníze a umožní rychlejší rozšíření metody do dalších postižených oblastí.

Autorka pracuje ve společnosti Humusoft.

www.humusoft.cz
zuzanaz@humusoft.cz