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