WIESŁAW MACIASZEK
APARAT DO POMIARU RETENCJI I SPŁYWU POWIERZCHNIOWEGO WODY W GLEBACH STOKOWYCH 1
Zakład Ekologii Lasu Akadem ii Rolniczej w Krakowie
W m iarę pogłębiania się deficytu wody coraz częściej podkreślana jest rola gleby w obiegu wody opadowej i w kształtow aniu się zasobów wodnych [1, 2, 4].
O zdolności gleb do przyjm ow ania wody opadowej wnioskowano do tychczas na podstawie pomiarów przepuszczalności (przesiąkliwości) w y konanych w terenie przy użyciu takich przyrządów, jak na przykład cylindry Burgera, aparat Ostromęckiego, kw atery zalewane Rozowa [6]. Niedogodnością tych przyrządów jest to, że w cylindrach i kw aterach pow staje słup wody, który w w arunkach naturalnych (gleby położone na stoku) nigdy nie w ystępuje. Wyniki uzyskane za pomocą wspom nianych przyrządów są prawdopodobnie wysokie z uwagi na ciśnienie hydrosta tyczne słupa wody. Powyższe przypuszczenia zdają się potwierdzać roz bieżności w wynikach badań gleboznawczych i hydrologicznych. Badania nad przepuszczalnością gleb zlewni górnej Soły i[2], w ykonane przy uży ciu cylindrów Burgera, wykazały, że dominują tam gleby średnio prze puszczalne, natom iast z obserw acji przepływ u wody w ciekach {3] w y nikałoby, że w ystępują w tej zlewni gleby nieprzepuszczalne.
Skonstruow any aparat służy do określania bezpośrednio w terenie zdolności gleby do przyjęcia wody opadowej w czasie silnej krótkotrw ałej ulewy. Z analizy hydrologicznej deszczów [5, 7] wynika, że silne krótko trw ałe ulewy są przyczyną w ystępow ania lokalnie dużego spływ u po wierzchniowego i silnego spłukiw ania gleb na stokach. K onstrukcja apa ra tu pozwala na wytworzenie w arunków, które są zbliżone do n a tu ra l nych, a tym samym do uzyskania bardziej wiarygodnych wyników po miarów. A parat nadaje się do pracy na stokach o nachyleniu od 1° do 45° (50°). Można nim zmierzyć:
— ilość wody, jaka zostanie wchłonięta przez powierzchniową w ar stwę gleby i zatrzym ana na powierzchni roślinności (intercepcja), a po chodzącą ze sztucznie wytworzonego przez aparat opadu typu burzowego 0 wysokości 20 m m i różnym natężeniu, na przykład 1, 3 i 5 mm/min; — wielkość spływ u powierzchniowego przy danym natężeniu opadu 1 wyrazić go w mm, w °/a opadu lub w m3/ha;
— m aksym alną ilość opadu w mm, jaką może wchłonąć jednorazowo badana gleba p rzy w ybranym natężeniu opadu do chwili w ystąpienia spływ u powierzchniowego.
A parat (rye. 1) składa się z ram y 1, wzmocnionej w narożnikach k ą tow nikam i 2, ułatw iającym i wbicie jej do gleby. Dolne krawędzie ram y
Rye. 1. Ogólny widok aparatu
1 — rama, 2 — kątow nik, 3 — ramię, 4 — zraszacz, 5 — zbiornik w ody, 6 — wspornik składa ny, 7 — przewód odprowadzający wodę, 8 — rozdzielacz, 9 — zacisk sprężynow y, 10 — prze w od y gum owe, 22 — zaciskacz śrubowy, 12 — rynienka, 13 — przewód odprowadzający wodę,
24 — pojem nik
General v ie w of the apparatus
2 — frame, 2 — level gauge, 3 — arm, 4 — sprinkler, 5 — water tank, 6 — folded bracket, 7 — water leading-in conduit, 8 — distributor, 9 — spring clip, 10 — rubber conduit, 22 —
są zaostrzone i m ają kształt litery V. Rama ogranicza z trzech stron przestrzeń, w dolnej zaś części (od strony podnóża stoku) ma wycięcie pozwalające na swobodny odpływ wody po powierzchni stoku. W ymia ry w ew nętrzne ram y wynoszą 400X400 mm, co odpowiada powierzchni 0,16 m2. Do ram y za pomocą dwóch ram ion 3 przymocowany jest rucho mo zraszacz 4 m ający cztery sztywne przewody z otworami. Woda do zraszacza doprowadzana jest ze zbiornika kalibrowanego 5, przewodem gumowym 7, wyposażonym w zacisk sprężynowy 9 do rozdzielacza 8. Zbiornik 5 o pojemności 3,2 dm3 zawieszony jest na w sporniku składa nym 6. Z rozdzielacza woda jest doprowadzona do poszczególnych prze wodów zraszacza wężami gumowymi 10. W ypływ wody ze zraszacza, a tym samym natężenie opadu, są regulowane za pomocą zaciskaczy śru bowych 11. Ta część wody, która nie zostanie wchłonięta przez glebę, spływa do rynienki 12, a następnie przewodem gumowym 13 do plasty kowego pojem nika 14. Ilość tej wody powinna być mierzona z dokład nością do 2 cm3. W skład dodatkowego wyposażenia aparatu wchodzą: plecak turystyczny służący do jego przenoszenia, młotek, łopatka saper ska, k anistry plastykowe (2 szt.), stoper i cylinder pomiarowy pojemno ści 250 cm3.
W celu w ykonania pomiarów ram ę aparatu w bijam y w glebę za po mocą młotka, zagłębiając ją do 1/3 wysokości (ryc. 2). Do ram y przykrę cam y zraszacz z przewodami gumowymi i rozdzielaczem. Zraszacz usta w iam y zawsze równolegle do powierzchni stoku. Następnie składam y w spornik i w bijam y go w glebę powyżej prawego górnego narożnika ram y. Na w sporniku zawieszamy zbiornik wody, a przewód w yprow a dzający wodę ze zbiornika w raz z założonym na nim zaciskaczem sprę żynowym łączymy z rozdzielaczem. Różnica wysokości między dnem zbiornika a górnym przewodem zraszacza powinna wynosić m inim um 40 cm. Następnie łopatką w ykonujem y rowek, tuż przy wycięciu ramy, w celu zamocowania rynienki. Rynienkę wciskamy w ścianę rowka jak najbliżej powierzchni gleby, ile tylko pozwoli na to m ikrorelief terenu. Zbyt głębokie zamontowanie rynienki jest przyczyną błędów, ponieważ na spływ powierzchniowy nakłada się wówczas spływ wewnątrzglebowy. Przew ód wyprowadzający wodę spływającą z rynienki układam y wzdłuż stoku i umieszczamy w pojem niku. Pojem nik osadzamy w specjalnie w ykonanym wgłębieniu i zabezpieczamy przed przechyleniem i stocze niem się po stoku. N apełniamy zbiornik wodą, zam ykając jej w ypływ zaciskaczem sprężynowym, umieszcżonym na przewodzie w yprow adzają cym tuż nad rozdzielaczem. Do napełniania zbiornika powinna być uży w ana woda czysta, pozbawiona zawiesin i cząstek, ponieważ grozi to zatkaniem drobnych (0,8 mm 0 ) otworów zraszacza. Następnie zwalnia m y zacisk sprężyny i w ypełniam y wodą rozdzielacz i przewody zrasza cza aż do chwili pojaw ienia się kropelek wody w ypływ ających ze wszy stkich przewodów zraszacza. W ypływ wody zam ykam y i uzupełniam y
Rye. 2. Podłużny przekrój przez ramę, sposób m ontowania aparatu i położenie jego
c z ę ś c i p o d c z a s p r a c y n a stoku
a — połogim , b — bardzo stromym; 1 — wspornik składany, 2 — zbiornik wody, 3 — przewód doprowadzający wodę, 4 — zraszacz, 5 — ramię, 6 — rama, 7 — rynienka, 8 — przewód od
prowadzający wodę, 9 — pojem nik
Longitudinal section troutgh frame, assem bly w ay of the apparatus and position of its parts during its work on a slope
a — steep, b — very steep; 1 — folded bracket, 2 — water tank, 3 — w ater leading-in conduit, 4 — sprinkler, 5 — arm, в — frame, 7 — pan, 8 —! water leading-out conduit, 9 —
container
zbiornik wodą z kanistra do górnej kreski kalibracyjnej (menisk dolny). Po w ykonaniu opisanych czynności aparat jest przygotow any do prze prowadzenia pomiaru.
O tw ieram y wypływ wody ze zbiornika, przenosząc zacisk sprężynowy na metalową końcówkę rozdzielacza i równocześnie włączamy stoper. Za
pomocą zaciskaczy śrubowych regulujem y w ypływ wody ze zraszacza i ustalam y zamierzone natężenie opadu. Krople wody powinny równo miernie wyciekać ze wszystkich przewodów zraszacza. Czas w ypływ u 3,2 dm3 wody (20 mm opadu przy powierzchni gleby ograniczonej ra mą = 0,16 m2) przy natężeniu opadu 1 m m /m in wynosi 1200 sekund, przy natężeniu 3 mm /min — 400 sekund, a przy natężeniu 5 mm/min — 240 sekund. Jeżeli połowa zawartości zbiornika w ypłynie po upływie 540 sekund, to natężenie opadu będzie wynosić 1 mm/min, po upływie 180 sekund — 3 mm/min, a po upływie 108 sekund — 5 mm/min. Jeśli woda wycieka z inną szybkością, trzeba zwiększyć lub zmniejszyć natężenie w ypływ u wody, regulując odpowiednio zaciskacze śrubowe. W ypływ wo dy zam ykamy ponownie zaciskaczem sprężynowym w chwili, gdy woda w zbiorniku osiągnie poziom dolnej kreski kalibracyjnej. Jeśli przy pierw szym pomiarze nie w ystąpił spływ powierzchniowy, to szybko uzupełnia my poziom wody w zbiorniku do górnej kreski kalibracyjnej i ponow nie przeprow adzam y pomiar. Czynność tę pow tarzam y aż do chwili w y stąpienia spływu powierzchniowego. Jeżeli spływ powierzchniowy pojawił się już przy pierwszym pomiarze, to cylindrem miarowym m ierzym y ilość wody, która spłynęła do pojemnika. Znając ilość wody zaw artej w zbiorniku na początku pom iaru (3200 cm3) oraz iloiść wody, która spłynęła po powierzchni gleby do pojemnika, możemy z różnicy obliczyć ilość opadu wchłoniętego przez glebę, a także wielkość spływu powierz chniowego przy danym natężeniu opadu.
Iilość wody wchłoniętej przez glebę obliczamy ze wzoru:
3200 lub
n / _ (n ‘ 3 2 0 0 —a) • 100 n • 3200 gdzie:
W — ilość wody wchłoniętej przez glebę w m m lub w % opadu, n — liczba kolejnych napełnień zbiornika do chwili w ystąpienia
spływ u powierzchniowego,
a — ilość wody spływającej po stoku do pojem nika w cm3. Wielkość spływ u powierzchniowego obliczamy ze wzoru:
I(jb s = a '. 10° (o/) lub S = — (m3/ha)
3200 n - 3200 16
gdzie:
S — spływ powierzchniowy w mm, w °/o opadu lub w m3/ha, o — ilość wody spływ ającej po stoku do pojem nika w cm3,
п — liczba kolejnych napełnień zbiornika do chwili w ystąpienia spływu powierzchniowego.
Do w ykonywania pomiarów potrzebne są dwie osoby. Czas w ykona nia jednego pom iaru wynosi od 15 do 35 m inut. Wynik wiarygodny uzy skuje się ze średniej 3-5 pomiarów dla danej gleby i natężenia opadu. A parat został skonstruowany w celu wypracow ania danych do k la syfikacji gleb górskich dla ustalenia zdolności przyjm ow ania przez nie opadów atmosferycznych. W yniki uzyskane za pomocą omawianego apa ra tu mogą być w ykorzystane m.in. do wskazania płatów gleb potencjal nie zagrożonych erozją wodną, do badań geomorfologicznych, do progno zowania m aksym alnych przepływów wody w ciekach, do racjonalnego rozmieszczenia użytków rolnych i leśnych w terenach górskich. Obec nie prowadzone są prace nad adaptacją aparatu do określania zmywu gleby podczas opadów burzowych.
LITERATURA
,[1] A d a m c z y k B.: Rola gleby w regulowaniu dyspozycyjnych zasobów w od nych. Zesz. probl. Post. Nauk roi. 1980, 235, 58-84.
![2] A d a m c z y k B., M a c i a s z e k W. , J a n u s z e k K.: Badania nad przepu szczalnością i retencją wodną gleb górskich. Gospod. w odna 1972, 9, 336-337. :[;3J P u n z e t J.: Stosunki hydrologiczne w dorzeczu Soły. Prace i Stud. Zakł.
Ochr. Srod. Reg. Przem. Warszawa, 1971, z. 9.
[4] S ł u p i к J.: Gospodarka wodna na stokach fliszow ych 'w św ietle bilansu wodnego w arstw y gleby. Zesz. probl. Post. Nauk roi. 1980, 235, 93-102.
[5] S t а г к e 1 L.: Erozja gleby a gospodarka wodna w Karpatach. Zesz. probl. Post. Nauk roi. 1980, 235, 103-118.
![6] Ś w i ę c i c k i C.: Gleboznawstwo m elioracyjne. PWN, W arszawa 1976. [71 W i t - J ó ź w i k K.: A naliza deszczów okresu w egetacyjnego (1969-1973)
w Szymbarku. Zesz. probl. Post. Nauk roi. 1980, 235, 281-289.
Wpłynęło do Redakcji 27.VII.1983
В. М А Ц Я Щ Е К АППАРАТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОЗАДЕРЖАНИЯ И ПОВЕРХНОСНОГО СТОКА ВОДЫ В ПОЧВАХ НА СКЛОНАХ Кафедра экологии леса Краковской сельскохозяйственной академии Резюме Аппарат находит применение в полевых исследованиях по определению способности почв к впитыванию атмосферных осадков. Конструкция аппарата позволяет производить осадок ливневого типа величиной 20 мм с интенсивностью 1-5 мм в минуту. С помощью указанного аппарата можно измерять:
— количество воды впитанное почвой, — величину поверхностного стока в мм, процентах осадка или м /эа, — максимальное количество осадков, которое может быть однократно поглощено исследуемой почвой при выбранной интенсивности осадка. Аппарат может использоваться на склонах с уклоном от 1 до 45° .Результаты измерений можно использовать для гидрологической оценки почв на склонах, для прогнозирования максимальных расходов в водотоках, оценки степени угрозы водной эрозии для денной почвы, а также рационального распределения травяных угодий на горных площадях. W. MACIASZEK
APPARATUS FOR MEASUREMENTS OF RETENTION AND SURFACE RUNOFF OF WATER IN SOILS ON SLOPES
D epartm ent of Forest Ecology, A gricultural U niversity of Cracow
S u m m a r y
The apparatus is applied in investigations on determination of soil ability 1;o absorbs atm ospheric precipitation. The construction of the apparatus enables to produce a turbulent rainfall of 20 mm in height w ith the intensity of 1-5 mm/min. The m easurem ents of:
— w ater am ount absorbed by soil,
— surface runoff in mm, in the rainfall per cent or in m3/ha,
— m axim um rainfall, w hich can be absorbed at once by the given soil at the •chosen rainfall intensity,
can be carried out by means of the apparatus.
The apparatus can be applied on slopes w ith inclination ranging from 1 to 45°. The m easurem ent results can be m ade use of for hydrological evaluation of soils on slopes, for forecasting m axim um discharges in watercourses, for estim a tion of the w ater erosion threat for soils, for reasonable distribution of grasslands, arable and forest lands in m ountain areas.
Dr Wiesław Maciaszek, Nakład Ekologii Lasu AR K r a k ó w , 29 listopada 48
