Pomocí analýz chování vody v hornině získávají vědci cenné poznatky, kterých lze využít při vytváření numerických modelů, průzkumu a hodnocení lokalit vhodných pro potřeby ukládání jaderného odpadu a pro řadu dalších účelů. V minulosti lidé zkoumali podzemní vody a jejich chování především kvůli získávání vodních zdrojů. Lidé potřebovali vědět, kde mají vykopat studnu, aby z ní mohli čerpat dostatečné množství kvalitní vody. Postupně tento výzkum dostával širší rozměr. Vědci přistoupili k pozorování geologického prostředí a vody přímo v podmínkách podzemí a tento postup se v posledních desetiletích stal pro vědecké bádání nepostradatelným. A proto uvítali možnost pracovat v tunelu v Bedřichově, který je vhodným prostředím pro výzkum v různých geovědních disciplínách. Již v roce 2003 začala Česká geologická služba s výzkumem horninového prostředí v tunelu. Vědci zde zkoumali složení a strukturu horniny dokumentující její vznik a geologický vývoj. Zajímalo je například stáří výplní puklin a hydrotermálních žil (pomocí izotopového složení a termometrie) nebo migrace přírodního uranu a dalších stopových prvků. Aktivní seismickou metodou a pomocí odporové tomografie sledovali šíření mechanického zvukového pulsu a elektrického proudu v hornině. Tyto poznatky mají obecně význam pro sledování změn v horninách, které lze použít při plánování strategických staveb, jako jsou například mosty a výškové budovy. Velký význam mají metody a pozorované děje i pro stanovení podmínek pro případná úložiště radioaktivního odpadu a k výběru finální lokality, i když se jedná o lokality v jiných oblastech. Později se do monitoringu puklin v hornině zapojili i vědci Technické univerzity v Liberci (TUL). O výzkumu v bedřichovském tunelu hovoříme s docentem Milanem Hokrem z Ústavu nových technologií a aplikované informatiky Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL: Čím se konkrétně v tunelu zabýváte? Liberecká univerzita se do výzkumu ve vodárenském tunelu v Bedřichově zapojila v roce 2009, kdy jsme se v rámci širšího výzkumu začali podílet na hydrogeologických měřeních. Spolupracovali jsme s ústavy Akademie věd, které již před námi prováděly další měření – Geofyzikální ústav zkoumal teplotu horniny a Ústav struktury mechaniky hornin se zase zabýval posuny na puklinách. My jsme řešili automatizaci měření a postupně jsme u některých zavedli on-line přenosy nebo alespoň záznamníky (tzv. dataloggery), které ukládají data na místě. To naši práci ulehčilo a obohatilo. Před tím se veškerý sběr dat prováděl jen při ručním měření v tunelu, většinou s měsíční periodou. Dnes stačí jednou za čas přijít a stáhnout data, kterých máme k dispozici podstatně více. Přesto jednou za měsíc tunel navštívíme kvůli odběrům vzorků vody pro rozbor jejího složení. To se totiž zautomatizovat nedá, a když už tam jsme, tak provedeme i ruční kontrolní měření. Proč berete vzorky vody, k čemu to slouží? Zkoumáme tím nepřímo hydrogeologické podmínky. Měříme množství prosakující vody v podzemí a její chemické a izotopové složení. Zjišťujeme, jaké jsou v ní rozpuštěné ionty, a tak získáme informaci, jakým způsobem voda procházela horninou. Původně dešťová voda, tedy v přírodě jako „destilovaná“, totiž do sebe nabírala rozpouštěním minerálů z okolní horniny různé látky. Podobné chemické rozbory mají význam třeba při určování kvality vody ve studnách. Dalšími měřenými složkami jsou látky, které se do vody dostávají již z atmosféry – tzv. stopovače. Ty pak indikují, jak dlouho voda prochází od vsáknutí do země až do odběru v tunelu. Jsou to třeba stabilní izotopy kyslíku a vodíku, tritium, helium jako produkt rozpadu tritia nebo rozpuštěné freony. Do mělkých vývěrů v hloubce 20—30 m se vsakuje voda půl roku až rok, do 40 m v průměru tři roky. Do větších hloubek v rozmezí 10 až 30 let. Na co je výzkum zaměřen a proč právě tunel v Bedřichově je tím vhodným prostředím? Bedřichovský tunel je vyvrtán v žule. To jen přesně ten typ horniny, který díky stabilitě a malé propustnosti připadá v úvahu při plánování hlubinného úložiště vyhořelého jaderného paliva v Česku, ale i na lokalitách v jiných regionech mimo Jizerské hory. My se zaměřujeme na analýzy chování vody a horniny, jejichž postupy a výsledky pak lze využít při průzkumu a hodnocení těch dalších lokalit. Je nutné zjistit, jakým způsobem se voda chová v málo propustném médiu. Pohyb vody v takovém prostředí je totiž hlavním ukazatelem toho, jak se mohou prvky z případného úložiště dostat do životního prostředí. Bylo výhodné využít poměrně snadný přístup do vhodného horninového prostředí v podzemí, i když jsme se nedostali až do potřebné hloubky. Tady je maximální hloubka 150 m a projekt hlubinného úložiště uvažuje o hloubce do 500 m. Ale dostat se v žule do 500 m v Česku v podstatě takovýmto jednoduchým způsobem dosud nešlo. Jistě, je možné vyvrtat v určitém místě takto hluboký vrt a změřit v něm tlakovou zkouškou propustnost. To však pro široké posouzení pohybu vody v žule nestačí. Tyto běžné metody hydrogeologického průzkumu totiž nepostihnou různá měřítka, tedy nerozliší vše, co se děje v matrici kompaktní žuly a co se děje jednotlivých puklinách, kterými rychle projde část vody. Část vody je naopak téměř imobilní v té matrici, kde se mohou rozpuštěné látky zadržovat a jen velmi pomalu uvolňovat. Proto je potřeba postihnout pohyb vody v různých experimentálních podmínkách a tím jsou naše analýzy pro tyto účely důležité. Naše výsledky můžeme porovnávat s kolegy z ČVUT, kteří provádějí související výzkum ve zhruba stejné hloubce ve Štole Josef na Příbramsku v bývalém průzkumném dole. Velmi cenné budou závěry experimentů z podzemních laboratoří Bukov, kterou Správa úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO) vybudovala v uranovém dole Rožná v hloubce 500 m. Tady pracují také třeba mikrobiologové, kteří zkoumají, jaké jsou v té hloubce bakterie, které mohou mít vliv na korozi kontejnerů. Takže jde o to, jak bezpečně uložit vyhořelé jaderné palivo? To je jen jedna z motivací vědeckých týmů. My v Liberci se jako všeobecně výzkumný tým snažíme o širší záběr. Pro SÚRAO jsme sice schopni dodat odpovědi, které pro tyto účely využije, ale zároveň využíváme možnosti vyzkoušet si metodiku měření obecně. Získáváme tak data pro naše numerické modely, které chceme dále rozvíjet. Díky lokalitě bedřichovského tunelu máme pro své numerické výpočty k dispozici unikátnější data pro výzkum chování vody v žule v obecnější rovině. Vlastně jsme začali aplikovanou matematikou a využili jsme příležitost přidat k ní terénní měření jako další odbornou oblast. K čemu se takové modely potom využijí? Přispějí k větší bezpečnosti úložiště vyhořelého paliva? Využívají se souběžně s terénním měřením na to, abychom změřená a sebraná data interpretovali do podoby procesu v podzemí. Bezpečnost bude daná podmínkami vybrané lokality a použitými materiály, takže naše výsledky ji přímo asi neovlivní. Ale numerickým modelem toho, jakou rychlostí voda podzemím protéká, dáváme k dispozici fundamentálnější základy a nástroje k prokázání této bezpečnosti. Změřením koncentrace látek a průtoku vody pak pomocí modelu získáme informace, jaký děj probíhá v žule, která má specifické vlastnosti. Naše průběžná měření průsaků a deformací mají význam i pro vodárenskou společnost jako dílčí indikátor stability tunelu. Počítačové modely umožňují provádět hydrogeologická hodnocení i ve složitějších podmínkách, kde působí a vzájemně se prolíná více vlivů – např. teplota nebo mechanika. Využití mají numerické modely i v oblasti geotermální energie. Teplo se v žule šíří stejně jako v jiném materiálu podle Fourierova zákona na základě spádu teploty a tepelné vodivosti. My ale mapujeme transport tepla také vlivem proudění vody, konkrétně pozorujeme sezónní změny teploty vlivem vody v potrubí a reakci okolní žuly na tyto změny a můžeme vyhodnotit mechanismus transportu tepla. Numerický model znázorní tyto děje dohromady a my zjistíme, kolik tepla se přenáší vedením horninou a kolik tepla se přenáší proudící vodou. Tento postup lze zobecnit pro podmínky geotermální lokality, i když tady jde jen o rozdíly v teplotě vody od dvou do sedmi stupňů. Vliv na konstrukci tunelu takové změny nemají, ale my díky nim můžeme měřit pronikání teploty do hloubky. Vidíme, že profil teplot do hloubky je jiný v místech, kde voda do tunelu prosakuje, a jiný v místech, kde je hornina suchá. Vraťme se k vaší práci pro úložiště. Cílem projektu je vybrat vhodnou lokalitu? To je zkreslené – náš projekt určitě nerozhodne, kde bude úložiště, ale dává metodiku, co všechno a jakým způsobem se dá v té žule změřit a zhodnotit, zda je to prostředí vhodné, nebo ne. Ta metodika se pak musí prověřit na vybrané lokalitě. To však už není zadání pro nás, nýbrž je to dlouhodobý úkol pro specialisty SÚRAO. Ti oslovují odborníky z dalších institucí – geology, hydrogeology, geotechniky, jaderné chemiky a podobně. Při výběru lokality se posuzuje více otázek. Ale metody monitoringu ověřené našimi partnery v Bedřichově mají významnou roli nyní v podzemní laboratoři Bukov. Získané údaje z této laboratoře, kde kromě samotné horniny jsou testovány i další součásti bariér úložiště, musí být zpracovány do podoby predikcí pravděpodobného chování celého díla, které se v hloubce 500 m pod zemí jednou třeba na vybrané lokalitě postaví. Vizí našeho týmu je přispět do těchto predikcí, na nichž bude hodnocení bezpečnosti založeno, numerickými simulacemi komplexních dějů zahrnujících šíření látek v podzemní vodě, a využít přitom zkušenosti i z práce na terénním monitoringu. /Jaroslava Kočárková/
