Vědecko-výzkumné projekty

Geodetický monitoring vodních nádrží

SP2021/52

ZPŮSOB ŘEŠENÍ Rešerše Jako základním stavebním kamenem bude rešerše dosavadního způsobu řešené problematiky. Na základě analýzy této rešerše budou navrženy metody pro monitoring hrází a způsoby monitoringu ukládání sedimentů se současným vybavením katedry. Případné návrh inovace nebo doplnění vybavení pro uvedené potřeby. Do rešerše budeme chtít také zahrnout stručný přehled možnost využití dat ZABAGED, možnosti a způsoby výpočtu akumulačních parametrů nádrží a způsoby určení plochy povodí dané nádrže. Jednání s povodím Odry Důležitým vstupem projektu je spolupráce se správci vodních nádrží. V našem případě půjde o prohloubení spolupráce se státním podnikem Povodí Odry. Tato spolupráce je nutná zejména pro potřeby měření pohybů a přetvoření přehradních hrází jak na úrovni terénních měření (zpřístupnění objetu hráze), zjištění potřeba a poskytnutí informací o současném stavu řešení. V soukromých rukou nejsou objekty vodních nádrží, u kterých má takové měřený význam. V současnosti je spolupráce navázána při zpracování diplomové práce studenta Jana Bonczka na téma „Zeměměřické práce pro projekt revitalizace vodní nádrže Baška“. Zájem o spolupráci na projektech týkajících se provozních potřeb podniku Povodí Odry potvrdil na jednáních vedoucí provozního odboru Ing. Skokan. Pro projekt je vytipovaná lokalita žermanické přehrady, která umožňuje nasazení člunu se spalovacím motorem a hráz je monolitického betonu. Betonová hráz je vhodnější pro měření pohybů a deformací pomocí srovnání digitálních modelů. Jednání bude probíhat v celém průběhu řešení projektu v těchto záležitostech: • Zjištění potřeb správce VN • Podmínky plavby po vodní hladině v celé její ploše (člun s elektromotorem o výkonu 0,6kW a se spalovacím motorem s výkonem 1,8kW, ve vzdálenosti neméně 25 m od břehu. • Zjištění potřeb správce VN • Zpřístupnění stávajících geodetických bodů pro měření pohybů a deformací hráze. • Umožnění instalace senzorů na hrázi, případně v inspekční štole (poloha a způsob umístění budou pouze se souhlasem správce nádrže). • Poskytnutí informací o způsobu a výsledcích stávajícího měření pohybů a deformací hráze. • Předání dat a výsledků projetu. Monitoring pohybů a přetvoření V oblasti monitoringu pohybů a přetvoření přehradní hráze se předpokládá využít několik různých metod: • terestrické měření pomocí totální stanice, • laserové skenování, • elektronický monitorovací systém využívající senzory pro měření náklonů. První zmiňovaná je „klasická“ metoda měření pohybů a deformací. Je ovšem nutné upozornit, že velké vodní nádrže na našem území byly budovány v době, kdy nebyly dostupné technologie elektrooptických dálkoměrů. Stabilizace pozorovaných a výchozích bodů je uzpůsobena na přístroje, které byly používány při budování hrází a tudíž se na mnoha hrázích pro měření pohybů deformací stále používají zastaralé přístroje (optickomechanické teodolity). Poloha měřených bodů a jejich polohové změny se měří metodou protínání z úhlů. Při současném měření úhlů a délek dostáváme pro výpočet polohy měřených bodů nadbytečné hodnoty. Nadbytečné hodnoty měření umožňují provést matematické vyrovnání měřených hodnot a eliminovat chyby měření. Další výhodou je robotizace totálních stanic kdy je možné měření provést téměř automaticky bez nutnosti cílení. Což eliminuje lidský faktor a celé měření se zrychluje. Při této metodě by došlo k porovnání a zhodnocení měření s použitím výše uvedených přístrojů z hlediska přesnosti, kontroly a časové náročnosti měření. Při laserovém skenování dochází k zaměření velkého množství bodů tzv. bodových mračen. Technologie laserové skenování využívá pasivního odrazu od pevných předmětů. V případě betonové hráze se paprsek odráží od samotného betonu a v případě zemní hráze by se paprsek odrážel od travního porostu. To je jeden z důvodů, proč jako testovací lokalita byla zvolena Žermanická přehrada. V porovnání s výše uvedenou metodou získáváme body s roztečí několika centimetrů, které lépe pokrývají celou plochu tělesa hráze. Může pak lépe identifikovat případné lokální posuny. Z naměřených mračen (cloudů) je pak možné vytvořit prostorový model a při každé etapě výsledné 3D modely pak porovnat. Porovnání pak zobrazí informace o deformacích hráze jako plošný model a nikoli jako izolované body. Záměrem projektu je provést periodické měření hráze touto metodou, porovnat ji s ostatními použitými metodami a zhodnotit zda odpovídá požadované přesnosti. Třetí metodou měření pohybů a deformací bude využití elektronických čidel pro měření náklonu umožňující sběr takřka kontinuálních dat (obrázek vpravo). Jak je uvedeno v kapitole Aktuálnost tématu s elektronickými senzory náklonu se dosud na pracovišti KGDM nepracovalo. V rámci projektu Technika pro budoucnost 3 bude pořízen automatizovaný systém pro monitoring náklonu. Tento systém bude používat rozměrově malá čidla pro měření náklonu, která umožňují jednoduchou montáž, odolnost čidel je IP68 a mají pevnou skořepinu odolnou proti mechanickému poškození. Zásadní výhodou těchto čidel je a bezdrátový přenos měřených dat a přenos do vyhodnocovacího softwaru. Více se o této technologii dozvíte na: https://www.senceive.com/tilt-sensors/nano-triaxial-tilt-sensor-node-range nebo https://www.senceive.com/case-studies/bazergues-emergency-dam-monitoring Testování metod pro měření břehové čáry Pro potřeby mapování celkového stavu vodní nádrže je nutné zmapovat průběh břehové linie. Tato činnost je poměrně obtížná, protože při měření technologií GNSS nelze měřit přes zeleň a při měření totální stanicí je nutná přímá viditelnost a v případě měření z protějšího břehu se měří na velmi dlouhé vzdálenosti. Tyto omezující podmínky zvyšují časovou i finanční náročnost prací. Pro tuto činnost by bylo vhodné otestovat přístroj Leica GS18 I, který umožnuje kombinací technologie GNSS, metody RTK a průsekové fotogrammetrie změřit nepřístupné body. Pro mapování břehů budou zhodnoceny i další metody jako prostorová polární metoda nebo měření technologií GNSS. Součástí tohoto úkolu bude porovnání výsledků měření břehové čáry s digitálním modelem povrchu z databáze ZBAGED. Testování přesnosti sonaru Testování přesnosti sonaru bude jednou z dílčích úloh celého projektu. Tato činnost bude spočívat v porovnání měřené hloubky sonarem a pomocí jiného měřidla (latě, pásma) jestli hodnoty odpovídají reálnému stavu. Z předchozích zkušeností je možno konstatovat, že zvláště v malých hloubkách sonar vykazuje odchylky. Tyto odchylky jsou však zcela diametrálně odlišné a dají je jednoduše identifikovat. K této činnosti bud připojeno i test tyče pro měření hloubky sedimentu. Mapování sedimentů Mapování sedimentů ve vodních nádržích bude provedeno současným vybavením pracoviště. Jedná se o nafukovací člun s motorem vybavený sonarem na GNSS aparaturou (obrázek dole vlevo). Pomocí tohoto člunu vybaveného měřícím zařízením řešitel projetu Ing. Rajnoch zpracoval výsledky své diplomové práce na téma „Zeměměřické práce pro projekt revitalizace vodní nádrže Horní Bečva“. Obrázek výsledných izobat je na obrázku níže vpravo. Po zmapování dna přehradní nádrže bude vytvořen digitální model. Po určitém časovém odstupu bude provedena druhá etapa měření dna vodní nádrže a po vyhotovení digitálního modelu pude provedeno srovnání s první etapou měření. Po srovnání dvou etap lze stanovit změnu množství sedimentu na dně. Model dna může také sloužit pro výpočet celkových akumulačních parametrů nádrže popřípadě pro jejich zpřesnění. Pro zednodušení práce by bylo vhodné vzájemné propojení sonaru a GNSS aparatury a měřená hloubka vody by se ukládala přímo do poznámky měřeného bodů v GNSS aparatuře. Propojení ovšem naráží na technické zařízení a jejich kompatibilitu. Současné vybavení takové propojení neumožňuje a bylo by vhodné jej zprovoznit z důvodů časových a pro eliminaci chyb při propojení měření ze GNSS a sonaru. Harmonogram prací Harmonogram prací je z důvodu jeho zpracování ve formě Ganntova diagramu vložen jako příloha do IS GAP Specifikace výsledků V obsahu předchozího textu je popsána náplň projektu a způsob jeho řešení. Digitálních modely vzniklé na základě mapování pomocí sonaru budou použity pro výpočet množství sedimentů mezi dvěma digitálními modely dna. Dále budou sloužit pro výpočet akumulačních parametrů na základě hodnot průtoku a odtokových křivek vodní nádrže. Půjde o jednoduchou modelaci stavu plnění nádrže v případě silných dešťových srážek. Druhá část má za úkol zhodnotit využitelnost senzorů náklonu pro sledování pohybů a deformací objektu hráze. Výsledky měření zhodnotit z hlediska možnosti nasazení také na jiných stavebních objektech. Výsledky budou publikovány v odborných časopisech: • GeoSceince Engineering, • Geodesy and Cartography ISSN:2029-699 (Scopus). • International Journal of Mining Reclamation and Environment (Jimp). Dále se předpokládá publikace výsledků na konferencích, které jsou v současné době dosti nejisté. Snahou bude výsledky prezentovat alespoň na dvou konferencích s osobní nebo online účastí. Publikace výsledků projetu bude následovat i po ukončení projektu. Důvodem je fakt, že za jeden necelý rok zvládnout provést kvalitní výzkum, který by bylo možné publikovat například v časopisech s impakfaktorem je na studentské úrovni velmi neobvyklé. Publikace v časopisech, které jsou kvalitně hodnoceny, je časově náročný proces. To ovšem neznamená, že o publikaci v časopisech v databázi WoS nebudeme usilovat. Všechny tyto činnosti budou popsány v závěrečné zprávě, která bude obsahovat také zhodnocení využitelnosti jednotlivých metod a výsledky terénních měření.   Zdůvodnění finančních prostředků Stipendia dle zákona č. 111/1998 Sb. (204 000 Kč) Ing. Lukáš Rajnoch – hlavní řešitel projektu, koordinuje práce jednotlivých řešitelů, komunikace, práce v terénu, administrativní činnost, vyhotovení rešerše – výše stipendia 36000Kč Ing. Tereza Gottvaldová – práce v terénu, komunikace, administrativní činnost, publikace výsledků, vyhotovení rešerše – výše stipendia 36000Kč Ing. Jindřiška Velová – práce v terénu, komunikace, publikace výsledků, vyhotovení rešerše – výše stipendia 36000Kč Bc. Šárka Pauková – práce v terénu, zpracování dat, vyhotovení rešerše – výše stipendia 36000Kč Uvedení studenti budou zapojeni do projektu v průběhu celého roku 2021. Zpracovatelé dílčích částí zapojení do května 2021 Bc. Jan Bonczek – terénní práce, zpracování dat, vyhotovení diplomové práce – výše stipendia 12000Kč, Zeměměřické práce pro projekt revitalizace vodní nádrže Baška Ing. Adam Gřešek – terénní práce, zpracování dat, vyhotovení diplomové práce – výše stipendia 12000Kč, Geodetické práce při výstavbě mokřadů v Dolním Benešově Bc. Jan Stoklassa – terénní práce, zpracování dat, vyhotovení diplomové práce – výše stipendia 12000Kč, Ověření přesnosti výškopisných dat ZABAGED Bc. Martin Rokyta – terénní práce, zpracování dat, vyhotovení diplomové práce – výše stipendia 12000Kč, Geometrické podmínky mapování pomocí zařízení GS18 I a návrh jejich včlenění do Návodu pro obnovu katastrálního operátu a převodu Ing. David Lukeš – terénní práce, zpracování dat, vyhotovení diplomové práce – výše stipendia 12000Kč, Měření a vyhodnocení pohybů závěrného svahu lomu Kotouč Materiálové náklady (64 000 Kč) Do materiálových nákladů jsou zahrnuty kancelářské potřeby, nákup tonerů, papírů 25000Kč Dále materiál na výrobu pomůcek • měřící tyč hloubky sedimentu (hliníková kulatina, šrouby, závitníky očka a ostatní materiál pro opracování kovu, nátěr,…) 9000Kč • úchyty a konzoly výroba těchto konzol bude sloužit pro uchycení senzorů a komunikačních (např. nerezová pásovina a kulatina, nerezové šrouby a kotvící materiál) 9000Kč • nářadí (nářadí pro montáž senzorů, vidiové vrtáky, chemické kotvy, lepidlo Sikadur,…) 7000Kč • ostatní materiál (např. baterie do vysílaček, ochranné pracovní prostředky,…) 14000Kč Celková výše materiálních nákladů 60000Kč. Drobný hmotný majetek (163 000 Kč) Mezi drobný hmotný majetek je zahrnut • Upgrade sonaru (nastavení automatického záznamu do poznámky uložených bodů v přístroji Leica GS18T) ve výši 30 000 Kč, jedná se o nákup jednoduchého zařízení vysílající NMEA navigační zprávy s výstupem RS232 které by vysílalo informaci o hloubce vody přímo do GNSS přijímače. • Upgrade lodě (nákup nových trakčních baterií do hmotnosti 30 kg, napětí 12 V) – 10 000 Kč, nyní slouží pro pohon elektromotoru jedna baterie, její kapacita neumožňuje mapování větších nádrží. • Nákup dvou nových notebooků dle katalogu vzorových sestav DNS_NB15"_typ_B – 50 000 Kč pro potřeby řešení je potřeba efektivně pracovat a větším množstvím dat a současné vybavení pracoviště je pro tuto práci již technicky zastaralé. • Nákup tiskárny dle katalogu vzorových sestav DNS_TISK multi barva – 8 000 Kč, jedná se nákup levné tiskárny umožňující tisk pro potřeby přípravy a zpracování výsledků projektu. Pracoviště nedisponuje obdobným zařízením, které by mohli řešitelé využívat. • Nákup dvou senzorů pro měření náklonu Senceive Flat Mash Nano + ve výši 65 000 Kč. Je to senzor o velikosti 58x45 mm umožňující přesné a spolehlivé monitorování náklonu v různých prostředích (železnice, tunely, konstrukce, těžba). Tyto senzory doplní vybavení nakoupené z projektu Technika pro budoucnost 3 tak aby mohl monitorovací systém fungovat alespoň se 4 čidly. Služby (70 000 Kč) • Mezi služby jsou zahrnuty konferenční poplatky: Konference SDMG, Geodézie v dopravě a průmyslu, Polsko-slovensko-české geodetické dny (4 x 5000Kč). • Překlady a korektura odborných textů Mgr. Karolína Slámová, z důvodu vysoce odborných textů v obru IG a VHS (15000 Kč). • Publikační poplatky použití barevných obrázku v článku apod. (15000 Kč). • Zámečnické práce výroba měřící tyč sedimentů a konzol pro elektronické senzory na základě průzkumu trhu (7000 Kč). • Kalibrace přístrojů a měřidel - GNSS aparatura, totální stanice VUGTK v.v.i. Zdiby (12000Kč). Cestovné (120 000 Kč) Do cestovného jsou zahrnuty cestovní náklady a ubytování a konference SDMG, Geodézie v dopravě a průmyslu, Polsko-slovensko-české geodetické. Plánovány jsou opakované cesty na vodní nádrže v okolí jako Baška, Žermanice nebo Těrlicko. Na tyto vodní nádrže je plánováno více etap měření, tudíž výjezdy budou opakované. Podle náročnosti měření bude zvolen počet osob, které se měření zúčastní, případně pro lepší dostupnost se pro daný počet osob zajistit ubytování. Režie (60 000 Kč) Tato položka je dána směrnicí Celkové náklady projektu činí 681 000 Kč

2021

2021

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Rajnoch Lukáš Ing.