Půdní vlhkost | Geoportál ICM SB RAS

Pro zajištění bezpečných ekonomických a průmyslových aktivit v arktické zóně Sibiře je důležité vyvinout nové technologie pro sledování a předpovídání stavu rozsáhlých půdních pokryvů arktické tundry v podmínkách degradace permafrostu pod vlivem globální změny klimatu. Stávající síť meteorologických stanic v arktické zóně je velmi řídká a neposkytuje spotřebitelům údaje o klimatu s vysokým prostorovým rozlišením.

půdní vlhkost

Půdní vlhkost je bezrozměrná veličina, která charakterizuje obsah vlhkosti v půdě. Vyjádřeno jako poměr množství vody k hmotnosti suché půdy (nebo v procentech). V roce 2010 přidala Světová meteorologická organizace půdní vlhkost na seznam 50 základních klimatických veličin, které jsou doporučeny pro systematické pozorování.

Četné studie prokázaly, že půdní vlhkost ovlivňuje interakci mezi zemským povrchem a atmosférou. Půdní vlhkost řídí množství vody, která infiltruje do půdy a doplňuje podzemní vodu, a také ovlivňuje povrchový odvod vlhkosti do atmosféry. Můžeme tedy říci, že půdní vlhkost má významný vliv na počasí a klima.

Měření vlhkosti půdy

Tradiční měření vlhkosti půdy se provádějí pomocí speciálních senzorů a přístrojů (vlhkoměrů). Tento přístup poskytuje vysokou přesnost měření, ale není použitelný pro studium velkých, těžko dostupných oblastí, pro které je vhodné používat vzdálené metody, primárně založené na datech dálkového průzkumu Země (ERS) z vesmíru.

Nevýhodou použití dat dálkového průzkumu Země je nízké prostorové rozlišení (radiometry vhodné pro výpočet půdní vlhkosti mají prostorové rozlišení cca 40 km/pixel) a skutečnost, že nelze přímo měřit vlhkost půdy – zjišťuje se v rámci nějaký fyzikální model jako vypočítaná hodnota.

Satelity pro měření vlhkosti půdy

V současné době je na oběžné dráze několik specializovaných satelitů, jejichž data lze použít k výpočtu vlhkosti půdy. Mezi nimi si všimněme následujících:

• satelit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), vybavený radiometrem MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis), byl vypuštěn v listopadu 2009 (Evropská kosmická agentura). Navrženo k měření vlhkosti půdy a slanosti oceánů, přičemž klíčové klimatické charakteristiky jsou poprvé měřeny v globálním měřítku. Prostorové rozlišení asi 43 km je poskytováno na frekvenci 1,42 GHz.
• satelit GCOM-W1 (Global Change Observation Mission 1st – Water), zahájená v květnu 2012 (Japan Aerospace Exploration Agency). Družice GCOM-W1 je vybavena ultracitlivým skenovacím mikrovlnným radiometrem AMSR-2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer) s prostorovým rozlišením 5. 50 km, který je vylepšenou verzí instalovaných radiometrů AMSR-E a AMSR na ADEOS-2 a Aqua. Pomocí radiometru AMSR-2 je možné sbírat pozorovací data z 99 % zemského povrchu za pouhé 2 dny, protože jeho anténa, která provádí jednu rotaci každých 1,5 sekundy, umožňuje pokrýt oblast 1,450 XNUMX kilometrů.
• satelit SMAP (Soil Moisture Active Passive), vypuštěný NASA (Národní úřad pro letectví a kosmonautiku USA) v lednu 2015. Na palubě satelitu SMAP se nachází pasivní mikrovlnný radiometr pracující v pásmu L (1.400-1.427 GHz) a určený k měření povrchu půdní vlhkost a podmínky mrazu a tání při prostorovém rozlišení asi 40 km. Bohužel aktivní radar s vysokým prostorovým rozlišením (3 km) instalovaný na tomto satelitu ztratil v září 2015 svou funkčnost.

Modelování půdní vlhkosti

Laboratoř radiofyziky dálkového průzkumu Země Filosofického ústavu SB VAS již řadu let provádí výzkum metod dálkového průzkumu půdní vlhkosti, podmínek mrazu/rozmrazování a teploty půdy.

Použití fyzikálně podložených modelů radiotermálního záření půdního pokryvu, ve kterém hraje klíčovou roli použití realistického modelu komplexní dielektrické konstanty tundrové půdy, nám umožnilo získat velmi dobrou shodu s experimentálními daty získanými během expedice výzkum na poloostrově Jamal.

Půdní vlhkost označuje množství vody, která je v jejích pórech. Tento parametr se často určuje v procentech, ale někdy lze použít zlomky jednotky nebo absolutní čísla. Existují různé techniky, které umožňují měřit vlhkost půdy. Každá možnost má své vlastní vlastnosti a výhody.

Co je přirozená vlhkost půdy?

Definice termínu „vlhkost“ je uvedena v národní normě GOST 30416-2012 „Všeobecná ustanovení pro laboratorní zkoušky půd“: Přirozená vlhkost je poměr celkové hmotnosti vody v určitém objemu půdy k hmotnosti půdy. půda při vysušení do konstantní hmotnosti. Půdní horniny mají za určitých přírodních podmínek přirozenou vlhkost. Tento parametr je měřen pro dané objemy zeminy – pro tento účel je stanoven poměr vody a vysušené zeminy.

V horní části půdních masivů dochází k neustálé změně vlhkosti s přihlédnutím k roční době, okolní teplotě, četnosti a množství srážek. V horních vrstvách je zpravidla méně vody oproti spodním, ale na jaře při vydatných deštích je vlhkost vyšší. Ve spodním horizontu jsou indikátory vlhkosti poměrně stabilní a závisí na hloubce podzemní vody, hustotě a stupni porozity půdních hornin.

Přirozená vlhkost závisí na vlastnostech samotné půdy. Písčité a hrubozrnné vrstvy dokonale propouštějí vodu, která se zde nezdržuje. Jílovité a bahnité půdy mají speciální strukturu s uzavřenými póry, což vede k zadržování vlhkosti. Molekuly vody jsou zde vázány na malé částečky, což způsobuje bobtnání a mrazové vzdouvání.

Vlhkost do značné míry určuje provozní vlastnosti a vlastnosti půdních hornin:

• Únosnost: v důsledku vysokého obsahu vody v rozptýlené půdě dochází ke snížení třecí síly mezi částicemi, což vede k jejich posunutí, a tím se snižuje únosnost. Zvýšená vlhkost činí zeminu plastičtější a vede k nevratným deformacím. To neplatí pro kameny.
• Hustota: s rostoucím množstvím vlhkosti se zpočátku zvyšuje hustota půdních mas, ale když je dosaženo určitého ukazatele, začíná se snižovat.
• Stlačitelnost, mrazuvzdornost: sprašovité půdy a prachovité písky mají tendenci se při vysoké vlhkosti prohýbat, ale jíl se při podmáčení roztahuje.
• Pevnost: tato charakteristika klesá s rostoucím množstvím vlhkosti v důsledku destrukce koloidů a ztráty soudržnosti částic.
• Úrodné schopnosti: humus a půdy s organickými zbytky dobře absorbují a váží vodu, což přispívá k urychlenému rozpouštění živin, které se stávají snadno přístupné pro kulturní rostliny.

Klasifikace typů vlhkosti

Při zkoumání stavu půdních hornin je důležité vzít v úvahu jak přirozené, tak i jiné typy vlhkosti, které umožňují komplexnější zobrazení půdních charakteristik.

Hmotnost

Tento obsah vlhkosti je poměr hmotnosti vody k sušině. Hlavním rozdílem tohoto ukazatele je schopnost jej stanovit v dodatečně navlhčené nebo vysušené půdě, která ne vždy odpovídá přírodním podmínkám. Obsah vlhké vlhkosti se udává v procentech nebo jednotkách (0 pro absolutně suchou půdu). V některých typech hornin (například v rašelině) může hmotnost vody převyšovat hmotnost suché půdy – údaj může dosáhnout 1000% nebo více.

Objemový

Tato charakteristika udává poměr objemu vody k půdě ve třech různých skupenstvích (pevné, kapalné, plynné). Absolutně suchá hornina má objemovou vlhkost 0, zcela nasycená vodou – 100 %.

Relativní

Tento indikátor udává stupeň nasycení vodou (koeficient vlhkosti) – plnění půdních pórů kapalinou. Na základě tohoto ukazatele existují tři typy půd:

• nízká vlhkost (0. 0,5) – voda vyplňuje póry z méně než 50 %;
• mokré (0,5. 0,8) – vyplnění 50-80% dutin;
• nasycený vodou (nad 0,8) – minimálně 80 % pórů je vyplněno.

Relativní parametr se používá především pro písčité a hrubé horniny. V jílu a spraši je ve velkém množství přítomna vázaná voda a malé kapiláry, proto charakteristika plně neodráží vyplnění pórů.

S přihlédnutím k relativní vlhkosti se zjišťují další vlastnosti zeminy: stlačitelnost, pevnost, sklon ke smršťování, bobtnání, únosnost. Se znalostí tohoto parametru je snazší plánovat práce na zlepšení vlastností zemin (dosušení kypřením nebo odvodněním, vlhčení atd.).

Hygroskopický

Tato vlhkost je stanovena pro půdy vysušené při +105. +107 °C. Tento parametr je založen na schopnosti pohlcovat vodní páru, proto absorpční kapacita a vlhkostní kapacita půdy a granulometrické složení jsou určeny hygroskopickým indexem.

Optimální

Zde hovoříme o indikátoru obsahu vlhkosti, při kterém má půdní hornina maximální hustotu při daném vnějším zatížení. Tento parametr se stanovuje v laboratořích. Pokud nakreslíte graf vlhkosti a hustoty, pak pro soudržnou půdu bude mít obloukovitý tvar – s rostoucí vlhkostí se hustota nejprve zvýší a pak se sníží. Vrcholová hodnota podle grafu se nazývá optimální vlhkost.

Přípustné

Tento indikátor je podobný předchozímu, ale půda je zhutněna na určitou přijatelnou úroveň.

Jiné typy vlhkosti

Odborníci často určují následující konkrétní typy obsahu vlhkosti v půdě:

• Na hranici valení: tato charakteristika platí pro plastické zeminy. Při určité absorpci vlhkosti získávají jílovité, hlinité, písčitohlinité horniny plastické vlastnosti. Množství vody před tím, než se půda začne valit, aniž by se rozpadla na kusy, ukazuje požadovaný obsah vlhkosti.
• Na meze kluzu: parametr udává, při jakém množství vodní hlíny a jílu mohou držet svůj tvar bez roztečení.
• Bobtnání: Tato charakteristika udává, jaké množství vody je třeba přidat, aby se jílovitá půda v uzavřené nádobě co nejvíce roztáhla.
• Na hranici smrštění: indikátor určuje množství vlhkosti, která zůstává v pórech hlíny při smršťování pod tlakem. Tato charakteristika vám umožní pochopit, jak moc se nadace smrští na konkrétním typu půdy.

Metody měření vlhkosti

Existují různé metody, které pomáhají určit vlhkostní parametry konkrétních vzorků půdy. Podívejme se na vlastnosti jednotlivých možností.

Způsob sušení do konstantní hmotnosti

Pro provedení studie použijte vzorek půdy o hmotnosti asi 20 gramů, čistou, suchou sklenici s víčkem, sušicí skříň a váhu s miligramovou přesností. Nejprve zvažte prázdnou skleněnou kádinku, poté do ní vložte vzorek půdy a nádobu vložte do sušící komory. Vzorek by měl být sušen při teplotě +105. +107 °C (pro sádrovce stačí +80 °C). Doba sušení se může lišit: pro písčité půdy to trvá 3 hodiny, pro sádrové půdy – 8, pro zbytek – asi 5.

Poté se vzorek znovu zváží a suší se asi 2 hodiny (písek – až 1 hodinu). Tento postup se opakuje, dokud se rozdíl mezi měřeními nesníží na 20 mg. Stojí za zvážení, že hmotnost organické půdy se může při sušení zvýšit – v tomto případě se bere v úvahu minimální hodnota.

K určení vlhkosti použijte následující vzorec: W = 100 × (m₁ – m) / (m – m),

kde m je hmotnost sklenice a víka;

m₁ – hmota vlhké zeminy + sklo;

m – hmotnost vysušeného vzorku + sklo.

Konečné číslo je vyjádřeno v procentech. Pokud ze vzorce odstraníte násobení 100, výsledkem budou zlomky jedné. Tato metoda se často používá pro stanovení gravimetrické vlhkosti, ale je vhodná i pro získání dalších parametrů vlhkosti (objemové, relativní).

Studie vlhkoměru

Vlhkoměr je speciální multifunkční zařízení, které umožňuje určit procento vlhkosti půdy s určitou přesností. Studie se provádí přímo v půdě, takže vzorky pro testování není třeba odebírat. Pomocí vlhkoměrů specialisté monitorují stav půd, což umožňuje rychle přijímat nezbytná rozhodnutí pro obnovení nebo změnu vlastností půd.

Provoz zařízení je založen na speciálních senzorových elektrodách ve formě sond, jejichž rozměry jsou asi 200 mm. Pro provedení analýzy se sonda spustí přímo do země. Vlhkoměry se používají celkem snadno – pro výzkum není potřeba žádné další vybavení ani specializované podmínky.

Způsob spalování půdních hornin

Tato metoda se používá v případech, kdy je nutné okamžitě určit optimální úroveň vlhkosti půdy. K tomu se vzorek půdy vloží do porcelánového hrnku, zváží, naplní alkoholem a zapálí. Když alkohol vyhoří, provede se opětovné vážení. Vlhkost se vypočítá pomocí stejného vzorce jako v případě sušení obrazu do konstantní hmotnosti.

Metoda stanovení hygroskopického typu vlhkosti

Pro výzkum se používají stejné přístroje a zařízení jako pro sušení do konstantní hmotnosti. 10-15 gramů půdy se suší, aby se získal zcela suchý stav. Dále je vzorek rozemlet a proset přes síto s oky č. 1 (s oky 1 mm). Poté je vzorek ponechán na vzduchu po dobu 2 hodin, aby absorboval vlhkost z okolního prostředí. Dále se vzorek nalije do sklenice, uzavře víčkem a zváží. Poté se půda znovu vysuší a zváží. Pro výpočet hygroskopické vlhkosti se používá standardní vzorec popsaný výše.

Měření vlhkosti zmrzlých půd

Taková půda může obsahovat kapalnou nebo pevnou vodu. Zmrzlá půda má vždy vysokou přirozenou vlhkost, často na úrovni úplného nasycení vodou. Vlhkost zmrzlých půd může být celková, s ledovými inkluzemi nebo se studenou vodou. Celková vlhkost se stanovuje experimentálně.

Pro výzkum se odebere vzorek zmrzlé půdy o hmotnosti 3 kg, který se umístí do suché nádoby. Zmrzlá zemina se zváží a poté se nechá v místnosti rozmrznout – současně jílovité půdy získávají tekutý stav a písčité jsou zcela nasyceny vodou. Půdní kejda se důkladně promíchá a poté se odebere vzorek pro metodu sušení do konstantní hmotnosti.

Celkový obsah vlhkosti zmrzlé půdy se vypočítá pomocí následujícího vzorce: Wtot = (m₃ – m₂) / (m₄ – 100 – m₂×(100+W)),

kde Wtot je celková hmotnost zmrazeného vzorku;

m₃ – hmotnost vzorku + kapacita;

m₄ – hmotnost smíšené hliněné kaše;

W – ukazatel obsahu vlhkosti po rozmrazení a promíchání půdy.

Jak se určuje vlhkost na valící se hranici?

Pro výzkum odeberte vzorek půdy o hmotnosti 300 gramů s přirozenou vlhkostí. Vzorek se rozdrtí, protře přes síto č. 1 a nechá se několik hodin v uzavřené nádobě. Dále se vzorek suší a mele na prášek a poté se znovu prosívá.

Do výsledného prášku se nalije destilovaná voda, aby se získala homogenní pasta. Hmota se vyválí na skleněnou nebo plastovou desku a získá se šňůra o průměru 3 mm a délce až 10 cm. Postup se opakuje, dokud se vzorek nezačne rozpadat na malé centimetrové úlomky (směs lze očíslovat). Dále se do sklenice shromáždí kusy o celkové hmotnosti do 20 gramů a poté se stanoví jejich vlhkost.

Měření vlhkosti na mezi kluzu

V tomto případě se provede stejná předběžná příprava vzorku jako u předchozí metody (měkká pasta, destilát). Vzorek se vloží do válce a přivede se do vyvažovače s ostrým koncem (kovový předmět zavěšený na závitu na stativu). Ostrý konec vyvažovače se vlastní vahou spustí dolů.

Pokud se kovový předmět ponoří do zeminy do hloubky 10 mm za 5 sekund, znamená to, že obsah vlhkosti dosáhl meze kluzu. Při pomalejším spouštění se pasta odebírá z válce do nádoby, kde se přidá destilát a pokus se opakuje. Pokud se balancer spustí příliš rychle, vzorek půdy se vysuší na vzduchu. Na konci testu se stanoví obsah vlhkosti pomocí sušící techniky.