Zespół:

dr hab. inż. Jarosław Kucza - kierownik
mgr inż. Anna Ilek

Istota wynalazku

Umiejętność właściwego określania wodoprzepuszczalności górskich gleb leśnych jest niewątpliwie jednym z najważniejszych, a jednocześnie najtrudniejszych zagadnień hydrologicznych. Złożoność i niejednorodność tych gleb, spowodowana obecnością materii organicznej, szkieletu glebowego i makroporów glebowych sugerują, że każdy z tych komponentów będzie odgrywał swoistą rolę w kształtowaniu zdolności infiltracyjnych gleb. Aby możliwe było określenie wpływu poszczególnych komponentów gleby na wartość współczynnika filtracji, konieczny jest pobór próbek w sposób, zapewniający zachowanie ich naturalnych właściwości fizykochemicznych. Najczęstszą metodą pobierania próbek jest wbijanie cylindra w grunt, co w przypadku górskich gleb leśnych może powodować przesunięcia systemów korzeniowych i szkieletu glebowego, niszczenie i zagęszczanie kanałów występujących w glebie oraz zmniejszenie porowatości badanego ośrodka glebowego. Z kolei nierównomierne wbijanie cylindra w grunt powoduje powstawanie luk pomiędzy cylindrem a próbką, a tym samym prowadzi do powstawania błędów w czasie pomiarów współczynnika filtracji, o wielkości trudnej nawet do oszacowania.

W związku z powyższym, opracowano laboratoryjną metodę badania współczynnika filtracji górskich gleb leśnych, umożliwiającą pozyskanie materiału badawczego o nienaruszonej strukturze. Istotą metody jest pojemnik do pobierania próbek glebowych, sposób ich pobierania oraz konstrukcja dostosowanego do tej metodyki urządzenia do badania współczynnika filtracji.

Pojemnik do pobierania próbek składa się z trzech cylindrów ze stali nierdzewnej o tych samych średnicach oraz z dwóch przykrywek. Pomiędzy cylindrami znajdują się kątowe wkładki dystansowe, zapewniające zachowanie szczeliny pomiędzy nimi. Cylindry połączone są ze sobą za pomocą mocnej taśmy samoprzylepnej, przylegającej do ścian cylindrów. Dwa zewnętrzne cylindry – górny i dolny – o tej samej wysokości, służą do zabezpieczenia struktury próbki w czasie jej transportu do laboratorium, natomiast cylinder środkowy przeznaczony jest na próbkę właściwą. Jego wysokość uzależniona jest od miąższości poziomu glebowego, z którego pobierana jest próbka do badania współczynnika filtracji.

Pobór próbek o nienaruszonej strukturze polega na stopniowym i precyzyjnym formowaniu monolitu glebowego na kształt walca, w czasie którego usuwa się wystający szkielet glebowy i obcina systemy korzeniowe. Na monolit nakłada się pojemnik w taki sposób, aby jego cylinder środkowy znalazł się wewnątrz poziomu glebowego, przeznaczonego do badań. Następnie w wolną przestrzeń pomiędzy monolitem, a pojemnikiem wprowadza się wodoszczelny środek wypełniający. Po przewiezieniu próbek do laboratorium, odcina się dwa skrajne cylindry, a dolną powierzchnię cylindra środkowego z próbką właściwą, przykrywa się siateczką mosiężną i perforowaną przykrywką. Jeżeli w trakcie odcinania cylindrów napotka się szkielet glebowy, należy go usunąć, a powstałe zagłębienie wypełnić nieprzepuszczalnym materiałem, który po zastygnięciu imituje kształt szkieletu glebowego.

Podstawowym elementem aparatu do badania współczynnika filtracji próbek o nienaruszonej strukturze jest okrągła podstawa z perforowanym gniazdem, w którym umieszczana jest próbka do badań. Podstawa zawiera boczne kanały odpowietrzające połączone z pompą próżniową. Kanały zapewniają usunięcie powietrza spod badanej próbki. Podstawę łączy się z kolumną ciśnieniową za pomocą śrub mocujących, a całość umieszcza się w cylindrze zewnętrznym, wyposażonym w boczne przelewy pomiarowe.

Korzyści z zastosowania wynalazku

1. Sposób poboru próbek glebowych zapewnia pozyskanie materiału badawczego o nienaruszonej strukturze, także ze stoków o dużym nachyleniu. Umożliwia określenie wpływu poszczególnych komponentów gleby na wartość współczynnika filtracji oraz precyzyjne oznaczenie niektórych właściwości fizycznych gleb (gęstość objętościowa, porowatość).
2. Konstrukcja pojemnika zabezpiecza strukturę próbki w czasie jej transportu do laboratorium oraz ogranicza parowanie i nadmierne przesuszenie próbki.
3. Obecność środka wypełniającego w cylindrze, eliminuje niekontrolowane przepływy wody na granicy ośrodek glebowy – cylinder, a tym samym zapewnia uzyskanie rzeczywistych wartości współczynnika filtracji.
4. Wysoka kolumna ciśnieniowa umożliwia badanie gruntów słabo przepuszczalnych.
5. Nakładki redukcyjne na gniazdo podstawy aparatu, dają możliwość badania wodoprzepuszczalności próbek o różnych średnicach.
6. Metoda umożliwia badanie gruntów zarówno szkieletowych, jak i bardziej jednorodnych.

Potencjał komercjalizacyjny

Wynalazek - laboratoryjna metoda badania współczynnika filtracji ma istotny potencjał komercjalizacyjny. Może mieć zastosowanie przy rozwiązywaniu problemów inżynierskich zmierzających do precyzyjnego określania natężeń przepływów wody w ciekach i bilansu wodnego zlewni. Dane uzyskane ww. metodą mogą przyczynić się do lepszego diagnozowania zagrożenia powodziowego, oraz do projektowania szlaków komunikacyjnych. Wynalazek ma więc praktyczne zastosowanie. Firmy potencjalnie zainteresowane komercyjnym wykorzystaniem wynalazku to m.in. producenci urządzeń badawczych, przedsiębiorstwa geologiczne i hydrogeologiczne, przedsiębiorstwa prowadzące działalność wiertniczą i geotechniczną, zakładowe służby ochrony środowiska w fabrykach, kopalniach oraz mniejszych wytwórniach.
Wynalazek może być również wykorzystany w pracach naukowych a proponowana metoda może znaleźć zastosowanie w laboratoriach gleboznawczych, gruntoznawczych i hydrologicznych.