1
Měření půdní vlhkosti
RNDr. Tomáš Litschmann
firma AMET, Velké Bílovice
Odborná přednáška, Brno, 19. dubna 2010
2
Osnova
* Základní metody měření půdní vlhkosti
* Přístroje používané k měření
* Příklady využití naměřených půdních
vlhkostí ve vědě a výzkumu
* Příklady využití naměřených půdních
vlhkostí v zemědělské praxi
3
Vlhkost půdy
Voda se v půdě vyskytuje od prakticky zanedbatelného množství v suché
půdě až po úplné zaplnění všech půdních pórů v mokré půdě, tj. při hodnotě
plné vodní kapacity. Poměr množství vody k pevné fázi půdy je vyjádřen
hodnotami hmotnostní nebo objemové vlhkosti.
Momentní vlhkost půdy, tj. její obsah v daném okamžiku je základní
kvantitativní
charakteristikou vztahu půdy a vody. Je dána poměrem hmotnosti nebo
objemu půdní vody k hmotnosti nebo objemu vysušené půdy.
4
Hmotnostní vlhkost půdy:
poměr hmotnosti vody k hmotnosti tuhé fáze půdy
w = mw/mz
mw - hmotnost vody
mz ­ hmotnost půdy o nulové vlhkosti. Prakticky se uvažuje půda vysušená
při 105 oC
Objemová vlhkost půdy:
poměr objemu vody k objemu vzorku půdy
= Vw/Vs
Vw ­ objem vody
Vs ­ objem vzorku půdy
Vzájemný přepočet:
 = w.d/w
d - objemová hmotnost půdy
w ­ objemová hmotnost vody = 1
5
Sací tlak půdní vody
Na vodu v půdě působí různé síly v souhrnu označované jako matriční. Jsou
podmíněny zvláštnostmi pórovitého prostředí půdy, tj. v podstatě přitažlivými
silami mezi vodou a pevnými půdními částicemi (van der Waalsovy síly,
vodíkové můstky, elektrostatické síly nabitého povrchu koloidů, kapilární
meniskové síly aj.). Patří k nim i síly podmíněné volnými ionty v půdní vodě,
hydrostatický tlak a tlak vzduchu atmosférického a uzavřeného v půdních
pórech. Na vodu působí také síla tíže, její pohyb je omezován vnitřním třením
půdního roztoku.
Rozměr sacího tlaku se udává v pascalech a jejich násobcích. Pro
praktické účely je výhodné vyjadřovat sací tlak jako sací tlakovou výšku vodního
sloupce (hst) v metrech nebo centimetrech.
Pro praktické účely lze přibližně uvažovat, že
Sm [1 hPa] = hst [1 cm]
Rozměr sací tlakové výšky v centimetrech je významný, poněvadž jeho
prostřednictvím se tradičně vyjadřují tzv. p F h o d n o t y, pro něž platí
pF = log10 hst [cm]
Pro praktické účely rovněž přibližně
pF = log10 Sm [hPa]
Logaritmického vyjadřování sacích tlakových výšek se používá pro jejich značné
řádové rozdíly mezi maximálními a minimálními hodnotami.
6
Retenční čáry vlhkosti, (pF čáry)
Grafickým zobrazením vztahu mezi vlhkostí a sacím tlakem půdy je retenční
čára
vlhkosti.
7
8
Základní rozdělení metod měření
půdní vlhkosti
* Laboratorní a polní
* Destruktivní a nedestruktivní (Pokud se pro
stanovení půdní vlhkosti musí odebrat půdní vzorek, jedná se o
metodu destruktivní. Při měření půdní vlhkosti bez narušení
celistvosti půdního profilu jde o metodu nedestruktivní)
* Přímé a nepřímé (přímé ­ zjišťuje se skutečné množství
vody v půdě, nepřímé, půdní vlhkost se odvozuje z vlastností
objektů (čidel) umístěných v půdě, které jsou ovlivňovány půdní
vlhkostí)
9
Principy měření půdní vlhkosti
Objemová vlhkost Sací tlak
Gravimetrický princip
Radioaktivní princip Neutronová sonda
Dielektrický princip Kapacitní metoda
TDR Time Domail Reflectometry
TDT Time Domain Transmission
Phase Transmission
Tensiometry
Odporový princip
Sádrové bločky
GMS Granular Matrix Sensor
10
Měření sacího tlaku
11
Tensiometry
Tensiometr se skládá z porézního keramického tělíska, které
musí být v dokonalém kontaktu s půdou, a plastové trubice
naplněné vodou a na druhém konci opatřené snímačem podtlaku
(mechanický anebo elektrický manometr). Keramické tělísko
umožňuje hydraulické spojení mezi půdní vodou a manometrem.
Obvyklý rozsah je 0 ­ 0,8 bar.
12
13
Výhody
* Možnost přímého odečtu
* Poloměr dosahu měření přibližně 10 cm
* Nevyžaduje elektrické napájení
* Vhodný pro časté měření a řízení závlahy
* Není ovlivněn půdní salinitou
* Lze připojit elektronický tlakoměr a provádět
záznam hodnot
* Nízká cena
14
Nevýhody
* Omezený rozsah měření (<1 bar)
* Relativně pomalá doba odezvy
* Vyžaduje dokonalý kontakt keramického tělíska s
okolní zeminou
* Zejména v bobtnavých a skeletovitých půdách je
nebezpečí ztráty kontaktu a nutnosti přeinstalování
* Vyžaduje častější doplňování vody, zejména v
teplejších dnech
* Na zimu je zapotřebí tenzometry demontovat
15
Odporová metoda
Vlhká půda je polovodivý nehomogenní materiál, jehož vodivost vzrůstá se
zvětšováním vlhkosti
Charakteristický průběh závislosti měrné elektrické vodivosti  na vlhkosti 
za konstantní teploty lze vyjádřit vztahem:
 = a b
Závislost vodivosti na teplotě lze popsat rovnicí:
 = 0 exp (T)
0 - měrná vodivost při teplotě 0 oC
 ­ koeficient teplotní změny měrné vodivosti
T ­ teplota oC
Změna teploty o 1 oC má na měření stejný vliv jako změna vlhkosti o 1 %
16
Příklad kalibračních čar pro
odporové měření vlhkosti půdy
(podle Kutílka)
17
Sádrové bločky
Sádrové bločky jsou tvořeny kovovými elektrodami buď
tyčového tvaru anebo ve tvaru mřížky, zalité do sádry. Kolem
elektrod se vytváří nasycený roztok síranu vápenatého, který
vytváří elektrolyt. Odpor mezi elektrodami se měří malými
střídavými proudy, aby nedošlo k polarizaci elektrod. Nelze
měřit při vyšších vlhkostech, umožňuje měřit 0,3 ­ 2,0 bar)
18
Výhody
* Nevyžaduje údržbu
* Jednoduchý a levný
* Vhodný do zasolených půd až do 6 dSm
* Vhodný pro řízení závlah, kde jsou
vyžadovány pouze stavy ,,sucho ­ vlhko"
19
Nevýhody
* Nízké rozlišení, limitující při výzkumných aktivitách
* Nevhodný pro měření při stavech blízkých nasycení
* Změna vlastností s časem vlivem kontaminace jílovitými částicemi a
rozpadem materiálu snímače
* Dlouhá doba odezvy, není proto vhodný do písčitých půd s rychlými
změnami vlhkosti
* Výrazná teplotní závislost
* Není vhodný do bobtnavých půd
* K hysterezi půdy se přidává ještě hystereze sádrového bločku, při
stejném sadím tlaku ukazuje rozdílné hodnoty v závislosti na tom,
jedná-li se o vysušování anebo zvlhčování.
20
GMS - Granular Matrix Sensor
Jedná se o obdobu sádrového bločku, vylepšeného tím, že
elektrody jsou umístěny v křemenném porézním materiálu
potaženém syntetickou membránou a kovovým perforovaným
pouzdrem. Vnitřek porézního tělíska je vyplněn sádrou. Použití
křemenného materiálu hrubší struktury umožňuje měřit i sací
tlaky při vlhčí půdě (0,1 ­ 2,0 bar). Většina výhod a nevýhod je
stejná jako u sádrových bločků)
21
Měření objemové vlhkosti
22
Gravimetrická metoda
* Standardní postup, se kterým se srovnávají jiné metody
a užívá se pro kalibraci nepřímých metod
* Vzorek se vysušuje při teplotě 105 oC po dobu 24 h, při
vysokém obsahu organických látek se musí vysušovat
při nižší teplotě
* Nevýhodou je destruktivní charakter, při odběru
dochází k porušení půdního profilu.
* Pro dlouhodobé sledování není gravimetrická metoda
vhodná
23
24
25
Neutronová sonda (neutron probe)
Při interakci rychlých neutronů s jádry atomů malých atomových hmot dochází ke
zpomalování těchto rychlých neutronů (termalizaci neutronů). Nejsilnějším moderátorem
jsou atomy vodíku. Moderační účinnost půdy závisí především na obsahu vody. Zpomalené
neutrony vytvářejí ,,oblak" kolem zdroje zhruba kulového tvaru. Čím je větší vlhkost půdy,
tím dříve se rychlý neutron zpomalí a poloměr koule termalizovaných neutronů je malý,
naopak u suché půdy je poloměr velký.
Část termalizovaných neutronů se vrací zpět k sondě, kde se počítají detektorem.
26
27
Výhody:
* Stálost a přesnost
* Jedna sonda umožňuje měřit v různých hloubkách
* Měření půdní vlhkosti v přibližně kulovém tvaru o
poloměru 10 ­ 40 cm
* Výsledek není ovlivněn salinitou půdy
* Stabilní kalibrace pro danou půdu
28
Nevýhody
* Bezpečnostní riziko, sondu mohou obsluhovat jenom
specielně vyškolení pracovníci
* Je zapotřebí kalibrace pro každou půdu
* Poměrně velký, těžkopádný přístroj
* Nemožnost kontinuálního měření
* Měření v blízkosti povrchu půdy (cca 20 cm) jsou
zkreslená
* Poměrně vysoké pořizovací náklady
* Dosah měření závisí na půdní vlhkosti
29
Kapacitní metoda
Umístíme-li vlhkou půdu do slabého proměnného elektrického pole, můžeme ji
charakterizovat relativní permitivitou 
Jako relativní permitivita (dříve dielektrická konstanta) se označuje podíl
permitivity daného materiálu a permitivity vakua
Relativní permitivita je látková konstanta, která vyjadřuje, kolikrát se zvětší kapacita
kondenzátoru, umístí-li se mezi elektrody dielektrikum.
Její hodnota závisí na vlastnostech daného materiálu - jde tedy o materiálovou
konstantu. Relativní permitivita je bezrozměrná veličina.
Vzhledem k tomu, že  tuhé fáze (částeček zeminy) má řádovou hodnotu jednotek, 
vzduchu je cca 1 a  vody kolem 81, bude množství vody v půdě ovlivňovat značně
výslednou hodnotu  vlhké půdy. Kapacita kondenzátoru ­ půdy umístěné mezi dvěma
elektrodami ­ tedy závisí především na vlhkosti půdy.
30
Kapacitní sondy se skládají ze dvou anebo více elektrod většinou válcového tvaru,
popřípadě i tyčí, umístěných přímo v půdě anebo v pažnici. Vyžadují obvykle
kalibraci pro danou půdu.
31
Výhody
* Po kalibraci na danou půdu poměrně vysoká
přesnost
* Variabilita prostorového uspořádání elektrod,
umožňuje měřit současně ve více hloubkách
* Vhodné i do zasolenějších půd
* Možnost trvalého monitorování anebo řízení
závlahy
* Nižší pořizovací náklady než TDR
32
Nevýhody
* Malý objem měřené zeminy
* Vyžaduje dokonalý kontakt mezi zeminou a
snímačem, popřípadě pažnicí
* Vyšší citlivost na teplotu, obsah jílovitých
částic, vzdušné kapsy než TDR
* Vyžaduje kalibraci pro danou půdu
33
TDR (Time Domain Reflectometry) ­ metoda pulsní
reflektometrie
Metoda TDR, která byla původně vyvinuta k detekci a lokalizaci poruch
kabelů, je od konce sedmdesátých let minulého století používána k měření
půdní vlhkosti v polních podmínkách. Princip metody spočívá v určení
permitivity prostředí pomocí měření rychlosti šíření vysokofrekvenčního
elektromagnetického impulsu.Zjištěná permitivita je přepočítána na půdní
vlhkost pomocí empiricky stanovených vzorců. Tyto vztahy jsou nejpřesnější
pro písčité půdy, se vzrůstajícím podílem jílovitých částic přesnost klesá.
Hloubkový dosah metody je totožný s délkou použitých elektrod.
Elektronika snímače produkuje vysokofrekvenční pulsy elektromagnetického
vlnění (0,02 ­ 3 GHz) které se šíří podél dvou až tří zářičů, na jejich konci se
částečně odráží zpět
34
35
Výhody
* Vysoká přesnost
* Většinou nevyžaduje kalibraci pro danou
půdu
* Minimální narušení půdy při instalaci
* Možnost ambulantních měření
* Nižší citlivost na běžné zasolení
* Umožňuje současně měřit i elektrickou
vodivost půdy
36
Nevýhody
* Vyšší pořizovací cena
* Omezené možnosti použití v silně
zasolených půdách a v půdách s vysokou el.
vodivostí
* Nižší měřený objem půdy, cca o poloměru 3
­ 4 cm podél elektrod
37
TDT (Time Domain Transmission)
Obdobná metoda jako TDR, rozdíl je v tom, že vlna se
neodráží na konci zářiče zpět, ale po vyslání pulsu je na
tomto konci přijata a zjištěn fázový posun. Proto nemůžou
mít snímače využívající této metody hrotovité elektrody.
Tvoří přechodovou skupinu mezi TDR a Phase
Transmission metodou.
38
Fázový posun (Phase Transmission)
Při průchodu elektromagnetické vlny po dané dráze dochází k
jejímu fázovému posunu oproti vysílanému signálu. Velikost
fázového posunu závisí na dráze, po jaké se šíří, frekvenci a
rychlosti šíření. Rychlost šíření je v nepřímé závislosti na
relativní permitivitě prostředí, v půdním prostředí je velikost
permitivity ovlivněná nejvíce obsahem vody
Při konstantní frekvenci a délce zářičů je tudíž fázový posun
závislý na obsahu vody v půdě.
39
40
Výhody
* Poměrně vysoká přesnost při použití
kalibrace pro danou půdu
* Velký objem měřené zeminy (20 ­ 25 l)
* Může být připojen k různým registračním a
řídícím jednotkám
* Nízká cena
41
Nevýhody
* Porušení přirozeného půdního profilu při
instalaci
* Vyžaduje kalibraci pro danou půdu
* Citlivost na zasolení > 3 dS/m
* Pouze pro trvalé sledování
42
43
44
45
Praktické aplikace ­ k čemu je měření
vlhkosti půdy dobré
* Monitorování půdní vlhkosti (pokusy,
výzkumy, dlouhodobý režim)
* Ověřování modelů na simulaci půdních
vlhkostí
* Zjišťování anomálií v chodu půdních
vlhkostí
* Řízení závlah
46
Monitorování půdní vlhkosti
(pokusy, výzkumy, dlouhodobý
režim)
47
48
49
50
51
52
Lokalita Židlochovice
53
Lokalita Herdy u Lednice
54
Zjišťování anomálií v chodu
půdních vlhkostí
55
56
57
58
Ověřování modelů na simulaci
půdních vlhkostí
59
60
Využití měření půdních vlhkostí při ověřování bilančních modelů
61
Řízení závlah
62
63
64
65