On this 6/23/21

Right at 23/06/21

Prof. dr hab. inż. Antoni T. Miler
Katedra Inżynierii Leśnej
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Oznaczanie zasobów wody

w glebach i gruntach:

1. Oznaczanie wilgotności w strefie

aeracji

2. Pomiar stanów wody gruntowej

Ad.1. Metody oznaczania wilgotności:

•metoda

grawimetryczna

nazywana

też

szuszarkową

(stosowana dla kalibracji dla innych metod)

•metody chemiczne: miareczkowanie metodą K. Fischera,
metoda karbidowa, chromatografia gazowa

•metody elektryczne i magnetyczne: pomiar wilgotności
ośrodków w oparciu o ich własności rezystancyjne,

pomiar

wilgotności ośrodków w oparciu i ich własności dielektryczne

,

spektrometria mikrofalowa – pomiar absorpcji lub odbicia
promieniowania z zakresu mikrofal, spektrometria masowa

•spektroskopia podczerwieni – pomiar absorpcji lub odbicia
promieniowania z zakresu podczerwieni

•metody jądrowe: spektroskopia MRJ – pomiar magnetycznego
rezonansu jądrowego, metoda spowalniania neutronów
ciężkich, metoda osłabiania promieniowania beta lub gamma

Metoda dielektryczna

– polega na pomiarze

przenikalności dielektrycznej ośrodka, która zależy od zawartości wody
w ośrodku.  Dipolowa budowa cząsteczek wody powoduje, że jej
przenikalność dielektryczna ma znacznie większą wartość niż
pozostałych

składników

ośrodka

(w

temperaturze

pokojowej

przenikalność dielektryczna wody wynosi około 80, powietrza 1, materii
stałej 4 - 9). Mierząc przenikalność ośrodka w sposób pośredni możemy
ocenić ilość wody w ośrodku. Są dwa zasadnicze sposoby pomiaru stałej
dielektrycznej – w dziedzinie czasu – metoda TDR (ang: Time Domain
Reflectometry) oraz w dziedzinie częstotliwości FD (ang: Frequency
Domain).

W metodzie TDR przenikalność dielektryczna ośrodka (np.

gleby) wyliczana jest na podstawie pomiaru prędkości propagacji
impulsu elektromagnetycznego wzdłuż falowodu utworzonego z elektrod
przewodzących prąd elektryczny, tworzących sondę pomiarową
umieszczoną w badanym ośrodku. Przenikalność dielektryczna 
warunkuje prędkość propagacji w takim falowodzie. Na podstawie
pomiaru prędkości propagacji impulsu elektromagnetycznego można
ocenić wilgotność ośrodka.

W metodach FD przewodzące elektrody umieszczone w ośrodku

traktuje się jako okładki kondensatora, którego dielektrykiem jest
mierzony ośrodek. Wartość przenikalności dielektrycznej ośrodka
wpływa na pojemność tak utworzonego kondensatora. Pomiar tej
pojemności pozwala na ocenę wilgotności ośrodka.

Pomiary metodą TDR

TDR (Time Domain Reflectometry) – Reflektometria Czasowo-
Domenowa
Pomiar stałej dielektrycznej ośrodka wilgotnego na podstawie
prędkości

propagacji

impulsu

elektromagnetycznego

rozchodzącego się w nim.
Prędkość przemieszczania się fali elektromagnetycznej w ośrodku
wyrazić można wzorem:

r

r

0

μ

ε

c

v

gdzie: v – prędkość fali elektromagnetycznej [mˑs

-1

], c

0

– prędkość

światła w próżni [3ˑ10

8

mˑs

-1

], 

r

– względna stała dielektryczna

[-], 

r

– względna przenikalność magnetyczna [-] (

r

i 

r

– wartości

znormalizowane w odniesieniu do próżni).


r

= 1 dla materiałów niemagnetycznych, dlatego prędkość fali

elektromagnetycznej w tych materiałach zależy tylko od stałej
dielektrycznej

t

2l

v 

2

0

r

2l

t

c

ε

















Prędkość fali elektromagnetycznej, prędkość propagacji impulsu
wzdłuż prętów
sondy TDR [mˑs

-1

], można wyliczyć ze wzoru:

gdzie: 2l – odległość, jaką przebywa fala elektromagnetyczna [m]
(l – długość prętów sondy wprowadzonej do ośrodka), t – czas
przejścia fali (propagacji sygnału wzdłuż prętów sondy) [s].

Z dwóch powyższych wzorów można wyznaczyć wartość stałej
dielektrycznej badanego ośrodka:

Ośrodki porowate składają się z następujących faz:

- faza gazowa (przestrzenie powietrzne – pory),
- faza stała (mineralna),
- faza ciekła (woda występująca pod różną postacią)

Wszystkie fazy charakteryzowane są przez różne,
indywidualne stałe dielektryczne:

- powietrze: 1,
- materia stała: 4 - 9,

- woda: ok. 80

1000

043

.

0

5

.

5

292

530

3

2

r

r

r

































18

.

1

17

.

7

159

.

0

168

.

0

819

.

0

2

5

,

0











r

Posługując się poniższymi formułami empirycznymi można wyznaczyć
zawartość wody w badanym ośrodku:

Formuła Toppa

Formuła Malickiego

gdzie: ε

r

– względna stała dielektryczna [-], ρ – gęstość fazy stałej

ośrodka (np. gleby) w stanie suchym [gˑcm

-3

], θ - wilgotność ośrodka

[cm

3

ˑcm

-3

].

Zestaw pomiarowy TDR

Ad.1. Pomiary stanów wód gruntowych:

Sonda pomiarowa

Pomiar głębokości lustra wody:
dotknięcie pomiarowej sondy do
lustra wody powoduje błyskanie
diody sygnalizacyjnej i sygnał
akustyczny.
Taśma pomiarowa - materiał PCV
z zatopionymi przewodami
pomiarowymi, podziałka w cm.

Świstawka - Gwizdek
hydrogeologiczny stalowy z
pierścieniami korekcyjnymi.

+ taśma pomiarowa np. parciana

dokładność pomiaru: +/- 1 cm

Zmienność stanów wód

gruntowych w głównych

siedliskach

Puszczy Zielonka

ok. 30

km

Rozmieszczenie

studzienek

pomiarowych

wód gruntowych

Park

Krajobrazowy

Puszcza Zielonka

Studzienki do pomiarów stanów wód
gruntowych wg typów siedliskowych lasu i
klas wieku drzewostanów

Lp.

Wiek drzewostanu

(wg gatunku panującego)

BMśw

LMśw

Lśw

Ol/OlJ

1

I klasa wieku (0 - 20)

4

5

4

4

2

II klasa wieku (21 – 40)

6

8

5

4

3

III klasa wieku (41 – 60)

8

7

4

5

4

IV klasa wieku (61 – 80)

5

12

5

6

5

V klasa wieku (81 – 100)

5

8

4

4

6

VI i starsze klasy wieku
(>100 lat)

5

9

5

–

Razem:

33

49

27

23

Ogółem:

132

Gatunki gleb

Piaski luźne

Piaski słabo gliniaste

Piaski gliniaste

Pyły, gliny, iły i piaski różnego
pochodzenia

Utwory wietrzeniowe

Utwory organiczne

Typy siedliskowe lasu

Bśw

BMśw

LMśw

Lśw

Ol i OlJ

Pozostałe

Gatunki drzew

Sosna

Modrzew

Świerk

Buk

Dąb

Olsza

Inne liściaste

Klasy wieku drzewostanów

I klasa (0

–

20)

II klasa (21

–

40)

III klasa (41 –
60)

IV klasa (61 –
80)

V klasa (81 –
100)

VI i starsze
klasy (>100)

ok. 2

miesiące

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

Tygodnie

P

o

zi

o

m

Z

W

G

[

cm

p

.p

.t

.]

BMśw

LMśw

Lśw

Ol/OlJ

~ 1.04

~ 1.03

98 cm p.p.t.

375 cm p.p.t.

10.09

ok. 1

miesiąc

Siedlisko

Klasa wieku Średni stan

[cm p.p.t.]

Przedział zmian
stanów [cm]

Odchylenie
standardowe [cm]

Liczba
studzienek

Łączna liczba
pomiarów

Las mieszany
świeży
LMśw

I

259

84

24

5

260

II

398

50

13

8

416

III

551

38

12

7

364

IV

391

33

8

12

624

V

360

38

10

8

416

VI i starsze

292

54

14

9

468

wszystkie

375

46

95

49

2548

Bór mieszany
świeży
BMśw

I

331

36

10

4

208

II

249

61

18

6

312

III

309

45

12

8

416

IV

296

59

18

5

260

V

319

77

26

5

260

VI i starsze

418

53

19

5

260

wszystkie

320

55

54

33

1716

Las świeży
Lśw

I

500

49

14

4

208

II

421

74

21

5

260

III

261

59

16

4

208

IV

230

56

16

5

260

V

307

65

18

4

208

VI i starsze

267

58

18

5

260

wszystkie

331

61

99

27

1404

Oles i oles
jesionowy
Ol/OlJ

I

79

44

12

4

208

II

118

69

17

4

208

III

106

92

27

5

260

IV

112

74

20

6

312

V i starsze

73

67

18

4

208

wszystkie

98

71

26

23

1196

LMśw,

BMśw,

Lśw

ok. 350 cm

Ol/OlJ

ok. 100 cm

LMśw,

BMśw,

Lśw

ok. 55 cm

Ol/OlJ

ok. 70 cm

BMśw

y = -0,053x + 72,703

R

2

= 0,0775

0

50

100

150

0

200

400

600

800

1000

stany wody gruntowej [cm]

ground water levels

zm

ie

nn

oś

ć

st

an

ów

w

od

y

gr

un

to

w

ej

[

cm

]

ra

ng

e

of

g

ro

un

d

w

at

er

le

ve

ls

LMśw

y = -0,0744x + 74,241

R

2

= 0,2821

0

50

100

150

0

500

1000

1500

stany wody gruntowej [cm]

ground water levels

zm

ie

nn

oś

ć

st

an

ów

w

od

y

gr

un

to

w

ej

[

cm

]

ra

ng

e

of

g

ro

un

d

w

at

er

le

ve

ls

Ol

y = 0,6427x + 6,8502

R

2

= 0,472

0

50

100

150

200

0

50

100

150

200

stany wody gruntowej [cm]

ground water levels

zm

ie

nn

oś

ć

st

an

ów

w

od

y

gr

un

to

w

ej

[

cm

]

ra

ng

e

of

g

ro

un

d

w

at

er

le

ve

ls

y = 71,569e

-0,0014x

R

2

= 0,2161

0

50

100

150

200

0

200

400

600

800

1000

1200

stany wody gruntowej (x) [cm]

zm

ie

n

n

o

ś

ć

s

ta

n

ó

w

w

o

d

y

g

ru

n

to

w

e

j

(y

)

[c

m

]

•Największe

wahania

stanów

wody

gruntowej

odnotowano na siedliskach olesowych, gdzie stany wody
zalegały najbliżej powierzchni terenu.

•Nie stwierdzono wyraźnych zależności wahań stanów
wody gruntowej od klasy wieku drzewostanów w
badanych siedliskach.

•Istnieje

generalnie

ujemna

korelacja

pomiędzy

zmiennością stanów wody gruntowej a głębokością jej
zalegania.

•Największą dynamiką zmian stanów wód gruntowych i
retencji charakteryzowały się siedliska olesowe, natomiast
dla pozostałych siedlisk ta dynamika była blisko
dwukrotnie mniejsza.

• Zmienność stanów wód gruntowych na trzech
siedliskach: boru mieszanego świeżego, lasu mieszanego
świeżego, lasu świeżego jest opóźniona o około 1 miesiąc
do analogicznych zmian w siedliskach olesowych.

•Charakter zmienności stanów wód gruntowych (faza) w
danym siedlisku nie tyle zależy od samego siedliska co od
głębokości zalegania wody gruntowej.

Dzi

Dzi

ę

ę

kuj

kuj

ę

ę

za uwag

za uwag

ę

ę