Příloha 1: Odborná zpráva o postupu jednotlivých prací a dosažených výsledcích projektu TA01021283 v roce 2011
Stanovený cíl pro první rok projektu spočívající ve vyvinutí zdokonalené stanice pro měření půdní vlhkosti a teploty vzduchu a půdy integrované se záznamovou jednotkou se nám zdárně podařilo naplnit. V průběhu analýzy, vývoje, testování a kalibrace se podařilo vytvořit konstrukčně a výrobně jednoduché, nejen zcela nové řešení čidla vlhkosti, ale i celé stanice. Pro tento objev bylo zahájeno patentové řízení, ačkoliv očekávaným výstupem projektu v kategoriích RIV za rok 2011 měl být pouze užitný vzor popisující konstrukci stanice. Pro kalibraci čidel byla zakoupena, sestavena a zprovozněna kalibrační aparatura a shromážděna část půdních vzorků. V terénu byly testovány funkční prototypy generace TMS1 na celkovou mechanickou i funkční odolnost, získávání dat v reálném prostředí terénních podmínek. Stanovené cíle všech partnerů byly splněny při dodržení plánovaného harmonogramu. Podrobný popis výsledků přináší následující kapitoly
1. Příjemce: TOMST s.r.o. V první fázi projektu byly řešeny i primární personální otázky projektového týmu příjemce pro řešení úloh projektu (od února 2011 programátor, od června 2011 další technik). Rozhodlo se o výrobě inovované stanice TMS1+, kde byla využita již stávající konstrukce a datový formát vyvinutý pro platformu TMS1. Hlavním důvodem tohoto rozhodnutí bylo zachování totožných prvků i metod měření pro kompatibilitu a následné porovnání výsledků již stávajících stanic TMS1, ze kterých existují a jsou dále získávána data a zkušenosti. TMS1+ byla vyrobena ve dvou modifikovaných emisích (změny v osazení součástek oscilačního obvodu hodin reálného času). Tyto stanice byly průběžně instalovány v terénu, navracely se též nejstarší primárně vyrobené stanice TMS1 po předešlém zimním období pro stanovení jejich opotřebení a zjištění funkčnosti a možnosti vyčtení dat z poškozených stanic. Hlavní slabinou stanice TMS1 byla shledána nepostačující mechanická odolnost (viz též kapitolu 2., zpráva dalšího příjemce: BÚ AVČR). Jak praxe ukázala, tak klimatické podmínky, zima, sníh, tání, sesuvy půdy a sluneční radiace způsobily značnou degradaci jednotlivých stanic. U stanic TMS1 docházelo k prasknutí, občas zlomení (tento jev se teoreticky simulovat nedá, jelikož mechanicky bez použití techniky není v běžných lidských možnostech stanici ručně poškodit ani zničit). Častým jevem je poškození lesní zvěří, kdy je především ukousnut komunikační konektor. Mechanické poškození čidla vlhkosti vznikalo nejčastěji posuvy v půdě. Z těchto a řady dalších drobných poznatků jsme se rozhodli zásadně přetvořit konstrukci stanice, rozdělit ji na několik částí, které se samostatně zpevní a ačkoli celý celek bude hermeticky uzavřen, umožní to nezávislou dilataci a případně rozdílné namáhání (část čidla je v půdě, část na rozhraní a část ve vzduchu). Reálné opotřebení stanic TMS1+ ukazuje obr. 1.1. Dle těchto poznatků byla zahájena příprava nové stanice TMS2 (vývojovou linii ilustruje obr. 1.2). Všechny konstrukční změny byly provedeny s ohledem na snadnou vyrobitelnost. Stanice je konstrukčně koncipována jako dvoudílná s částí podzemní a nadzemní. Podzemní část obsahuje čidlo měření vlhkosti půdy a teploty, řídící jednotku, záznamové zařízení v plastovém krytu (obr. 1.4), další teploměr na rozhraní půdy a variabilní připojení externích
1
Obr. 1.1 Analyzované, poškozené či nefunkční zkušební stanice platformy TMS1 z terénu modulů a nadzemní jednotky sestávající ze zdroje, tj. baterií, komunikačního konektoru, třetího teploměru pro měření vzdušné teploty. Tento koncept již obsahuje rozhraní dceřiné desky pro bezdrátový modul, který je naším budoucím cílem. Část nadzemní je tvořena robustním plastovým tubusem, ve kterém je umístěn zdroj energie ve dvou lithiových článcích s dlouhodobou životností, připojení vzdušného teploměru a komunikačního rozhraní. Tubus zároveň slouží jako podpěra stínítka vzdušného teploměru (obr. 1.4) a stínícího lemu na zemní teploměr (obr. 1.4, 1.7). Tento lem poskytuje i dodatečnou vertikální stabilitu celé stanici. Pro novou konstrukci čidla vlhkosti půdy, jsme využili metody TDT (time domain transmission) tj. sledování transformace pulsu v čase probíhajícího na rozhraní čidla a půdního prostředí; v praktickém provedení za použití tzv. zpožďovací linky (okruh TDT) a využití změny elektrické permitivity prostředí. Po mnoha různých výrobních experimentech bylo nalezeno výrobní řešení v použití technologie výroby vícevrstvé desky plošných spojů (obr. 1.3) Vyrobili jsme tedy prototyp nové stanice TMS2 v několika variantách vrstvení vícevrstvé desky plošných spojů (DPS), kde primární kalibrace variant stanice v laboratoři ČVUT v Praze poskytla informace o tom, který způsob výroby poskytuje nejlepší výsledky měření, ev. zda-li bude tento způsob použitelný.
Obr. 1.2 Srovnání generací DPS stanice TMS0, TMS1, TMS1+ a TMS2 (odzdola nahoru)
2
Obr. 1.3 Čtyřvrstvá DPS se stanicí TMS2, první prototypy, přířez-panel s TMS2
Obr. 1.4 Konstrukční plastové díly, ochranný skelet pro elektroniku, stínítka teploměrů
obr. 1.5 Použitý obr. 3 z přihlášky patentu PV-2011-879
Obr. 1.6 Testovací série stanice TMS2
3
Obr. 1.7 Prototyp stanice TMS2 s krycími teplotnímu štíty ve variantě nezávislé terénní stanice i jako čidla připojeného přes rozhraní USB k měřící soustavě čidel Výsledky primárního testování stanice TMS2 byly pozitivní, veškeré teoretické předpoklady byly potvrzeny. Testovací varianta měřícího okruhu půdní vlhkosti s jedním čidlem měření teploty a napojením na rozhraní USB se ukázala jako vhodné řešení pro neomezené rychlé snímání vlhkosti s přímým napojením na počítač a vzbudila též zájem na mezinárodních fórech. Po konzultaci s patentovým právníkem a základní rešerši jsme ověřili, že použitá konstrukce je jedinečná a rozhodli se pro podání patentu. Hlavní patentní nárok spočívá v konstrukci čidla vlhkosti půdy s integrovanou řídící jednotkou, resp. záznamovým zařízením. Tato konstrukce spočívá ve využití technologie výroby vícevrstvé desky plošných spojů, kdy na základní desce tištěného spoje (obr. 1.5 – 21) je vyleptaný motiv zpožďovací linky (obr. 1.5 – 22), který je ochráněný technologickou vrstvou při vysoké teplotě nalisovaného prepregu (polotovaru k výrobě vláknových kompozitů) (obr. 1.5 – 23). Tato ochranná vrstva je zcela souvislá, rovná, nenasákavá, opakovatelně a přesně vyrobitelná. Jelikož se jedná o sklolaminát, který je velmi pevný, nelze jej poškodit a zcela přesně definuje dielektrikum rozhraní s půdou. Detailnější popis v přiloženém textu přihlášky vynálezu PV-2011-879. Dosavadní zkušenost z užívání stanice přinesla informaci, že dochází k poničení i zašpinění povrchu při vyjmutí a opětovné instalaci stanice. Z tohoto důvodu byla věnována nemalá pozornost celkovému designu provedené stanice, aby vzniklo nejen účelné, ale též vkusné a elegantní zařízení s předpokládanou vyšší prodejností (obr. 1.7). V souhrnu lze konstatovat, že jsme využili poznatků z výroby a instalace cca 1900 ks stanic platformy TMS1, z nich provedli analýzu cca 300 ks různě poškozených. Pro vyčítání dat z poškozených, nefunkčních stanic jsme modifikovali software Tupomanager pro vyčtení a základní převod komprimovaných dat ze stanic do textového formátu vhodného pro běžné další zpracování v tabulkových procesorech a databázích (např. MS Excel), nebo pomocí software vyvíjeného na pracovišti BÚ AVČR (TMSView) . Pro stanici TMS2 byla navržena nová datová struktura, vymyšlena řada užitečných funkcí a vlastností. Konkrétně byla provedena separace hodin reálného času do autonomního, zablokovaného modulu zcela nezávislého na procesoru jednotky, abychom eliminovali možnost poškození časové stopy a v jejím důsledku i zaznamenaných dat. Dále byla zvětšena paměť stanice, aby bylo možné uchovat veškerá měření po celou dobu životnosti, tj. v případě ztráty dat z důvodu krádeže či poškození externího záznamového nosiče je možné data obnovit z terénní stanice. V případě selhání zdroje je možné data vyčíst přes pomocné
4
napájení komunikačního rozhraní. Modul je možné rozšířit o další externí čidla měřených veličin. Stanice byla dovybavena mikrovibračním sensorem, všechny měřené záznamy získají doplňkovou informaci, zda-li od minulého měření došlo ke změně polohy nebo otřesu. V současnosti je koncept stanice ověřován na energeticky nenáročné zběžné měření vlhkosti, kdy stanice získá funkci prakticky kontinuálního sledování změny vlhkosti a při překročení minimální nastavené změny, dojde k mimořádnému měření. Bude možné např. zachytit počáteční fázi vsakování vody do půdního profilu. Podrobný výčet všech těchto zlepšení, funkcí a vlastností bude obsahovat návod i propagační leták sériově vyráběné stanice TMS2, která se rozeběhne na jaře 2012. Zefektivnění stanice během jejího vývoje byly průběžně konzultovány s projektovými partnery, kteří ji připomínkovali z pozice expertů provádějící dlouhodobá teplotní a vlhkostní měření se zkušeností zpracování dat a kalibrace čidel tak, aby byl vývoj stanice maximálně efektivní v časové i finanční rovině. Příjemce (TOMST s.r.o.) plánuje v dalším roce projektu tyto práce Přípravy sériové výroby TMS2: leden-únor 2012 Zahájení sériové výroby TMS2: březen 2012 Modifikace firmware měření půdní vlhkosti u TMS2: leden-březen 2012 Základní firmware pro TMS2: leden-březen 2012 Přípravy a zkoušky bezdrátového modulu pro TMS2: duben-říjen 2012 Průběžně během celého roku 2012 analýzy dalších nashromážděných dat i stanic z terénu, změny firmware, software, implementace dalších nových funkcí, příprava samostatné sekce – webové prezentace
2. Další účastník projektu: Botanický ústav AV ČR, v.v.i. Hlavním cílem pro letošní rok bylo ověření prototypů v reálných podmínkách při řešení konkrétních badatelských projektů. Vzhledem k postupu vývoje verze TMS2 jsme se především soustředili na získání co nejvíce poznatků z měření provedených na funkčních vzorcích typu TMS1. V rámci tohoto úkolu bylo v terénu spravováno dohromady cca 440 stanic na dvou lokalitách (NP České Švýcarsko a NP Šumava). Obě lokality jsou charakteristické náročnými přírodními podmínkami, které umožní ve velkém rozsahu ověřit funkčnost stanice v reálných podmínkách a při dlouhodobém exponování v terénu, ke kterému jsou určeny. Zároveň byly jednotlivé kusy testovány v extrémních teplotních (např. v teplotně extrémních oblastech přes 5500 m n. m., Ladakh, Indie), nebo vlhkostních (tropický prales, Kamerun) podmínkách v rámci dalších projektů řešených na tomto pracovišti spoluřešitele. Stanice TMS1 instalované ve dvou oblastech v ČR byly použity pro: 1) ověření schopnosti měření zvolených parametrů a jejich relevance vzhledem k lokálním podmínkám prostředí, 2) ověření terénní mechanické odolnosti stanic, 3) indikaci chyb záznamu a následnému ladění firmware a 4) jako rozsáhlý vzorek dat pro vývoj software na jejich zpracování. Ad 1. Doposud naměřené hodnoty ze všech stanic verze TMS1 instalovaných v NP České Švýcarsko jsou průběžně využívány pro sestavení dlouhodobé spojité teplotní a vlhkostní charakteristiky jednotlivých poloh topograficky členitého území pískovcové krajiny. Teplotní i vlhkostní poměry této oblasti jsou rozhodujícím faktorem určujícím jak celkový vegetační pokryv tak výskyt vzácných či ohrožených druhů cévnatých rostlin, mechorostů, hub, lišejníků, ale i živočichů. Teploty blízko povrchu země jsou zásadní pro životní cyklus většiny rostlin a drobných živočichů, ale jsou jen těžko odvoditelné ze standardně prováděných meteorologických měření. Dosud komerčně dostupná řešení neumožňovala jak z technických,
5
tak finančních důvodů provádět jejich dlouhodobé a reprezentativní měření na rozsáhlejších oblastech. S pomocí instalovaných prototypů TMS1 se ale podařilo vytvořit dlouhodobější teplotní charakteristiky, které potvrzují ekologické fenomény popsané na základě jednorázových měření z dané oblasti. Např. byl potvrzen pufrující efekt hlubokých údolí, které na úrovni mikroklimatu vytvářejí nejen relativně chladnější prostředí, což lze snadno předpokládat, ale především zmírňují denní ale jak se nově ukazuje i sezónní teplotní výkyvy, díky vyrovnané teplotě v zimním období (Obr. 2.1).
Obr. 2.1 Průměrné teploty 15 cm nad zemí za vegetační období (duben až listopad) – A a zimní období (prosinec až březen) - B v polohách s různou relativní výškou vůči dnu údolí. V průběhu vegetační sezóny jsou dna údolí chladnější, naopak v zimním období se teplotně neliší, čímž vytváří stabilnější mikroklimatické podmínky v průběhu celého roku. Dále byly ověřovány možnosti použití rozsáhlé sítě stanic pro vytvoření modelu jednotlivých klimatických charakteristik v závislosti na parametrech odvozených z digitálního modelu terénu (DEM) s cílem extrapolovat získaná měření na širší území. Z přesného modelu terénu (rozlišení 1 m na pixel) získaného laserovým skenováním (LiDAR) byly odvozeny parametry a indexy, u nichž lze předpokládat výrazný vliv na podmínky stanoviště. Jedná se o: topografický index vlhkosti (SagaWI), vertikální vzdálenost ke dnu údolí (RelHeight), index konvergence terénu (ConvIndex) a solární radiaci (SolRad). Topografický index vlhkosti SagaWI jsme pro každou buňku rastru spočítali podle vzorce: WI = ln(As/tan β), kde As je specifické povodí pro danou buňku a β je sklon terénu v dané buňce (Beven & Kirkby 1979). Specifické povodí jsme určili pomocí algoritmu formulovaného Freemanem (1991) a dále modifikovaného kolektivem (Böhner et al. 2002) a implementovaného v software SAGA (http://www.saga-gis.org). Vertikální vzdálenost ke dnu údolí jsme odvodili z rozdílu mezi hodnotou DEM a hodnotou rastru vytvořeného interpolací nadmořských výšek buněk tvořících dna údolí. Tyto buňky jsme identifikovali pomocí algoritmu, který definuje říční síť v daném území na základě velikosti povodí a směru toku. Vertikální vzdálenost ke dnu údolí je proměnná, která byla v minulosti úspěšně využita jak při modelování teplotních inverzí (Dietrich & Böhner 2008), tak i hloubky podzemní vody (Bock & Köthe 2008). Index konvergence terénu charakterizuje celkový tvar okolí příslušné buňky. Pozitivní hodnoty znamenají, že buňka se nachází na terénní vyvýšenině, zatímco negativní hodnoty indikují buňky, které jsou pod úrovní okolního terénu. Solární radiaci jsme spočítali jako 6
sumu přímé a nepřímé radiace modelovanou pomocí nástroje Solar Analyst (Fu & Rich 2002). Pro stanovená období (měsíce, vegetační období) byly z naměřených hodnot na jednotlivých stanicích vypočteny průměrné, minimální a maximální hodnoty pro všechna teplotní čidla, průměrné hodnoty půdní vlhkosti a sumy efektivních teplot (growing degree days). Prozatím byly do dalšího testování zahrnuty jen průměrné teploty za letní měsíce (červenec, srpen a celé vegetační období – duben až listopad) měřené na nadzemním teplotním čidle. Teplotní a vlhkostní parametry byly korelovány s jednotlivými parametry odvozenými z DEM a dále byl vytvořen minimální adekvátní model pomocí mnohonásobné lineární regrese a metody postupné selekce proměnných (porovnání modelů na základě AIC). Modely průměrné teploty byly schopny vysvětlit 78 % prostorové variability pro letní měsíce a 68% variability pro celé vegetační období. Modelem půdní vlhkosti bylo možné vysvětlit 56 % prostorové variability. Extrapolace teplotních průměrů byla testována s využitím dvou datových sad (cca 90 stanic na sadu) pokrývajících každá jednu modelovou oblast. Model založený na datech z jedné oblasti byl použit pro extrapolaci dat na širší území a úspěšně validován (r = 0,79) na měřených datech v druhé oblasti (Obr. 2.2). Jak jednotlivé korelace, tak vysvětlené variability v rámci lineárního modelu a následná validace indikují silnou vazbu měřených hodnot na parametry modelu terénu a podporují možnost jejich extrapolace na větší zájmové celky.
Extrapolované hodnoty (°C)
19.0 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
Měřené hodnoty (°C)
Obr. 2.2 Porovnání modelovaných a měřených hodnot (r = 0,79). Pro ověření schopnosti měření teplotních a vlhkostních parametrů prostředí a jejich relevance k přírodním podmínkám jsou v oblasti NP České Švýcarsko v místě instalace stanic pořizovány záznamy o druhovém složení bylinného a mechového patra vegetace v bezprostředním okolí stanice (1 m2) a hemisférické fotografie, které poskytují informaci o intenzitě přímé i nepřímé sluneční radiace. V průběhu roku 2011 byly takto zdokumentovány 2/3 instalovaných stanic. Vyhodnocení proběhne v průběhu dalšího roku po doplnění datového souboru o všechny stanice. Ad 2. Mechanicky jsou stanice namáhány především svahovými posuny půdní hmoty, posunem či přímo pádem sněhu. Dalším důležitým faktorem je působení zvěře, především pak drobných hlodavců, kteří se snaží narušit plášť zařízení, nebo naopak velkých savců jako
7
prase divoké, která z neznámých důvodů často atakují stanice. Mechanická poškození všeho druhu byla velmi častá v průběhu celého roku. Nejcitlivější oblastí se ukázala konstrukce konektoru pro výměnu dat a oblast uchycení baterií. Tato zjištění byla využita pro návrh nové konstrukce TMS2. Pro ochranu před velkými savci byla úspěšně testována chemická ochrana stanic. Na savý materiál umístěný pod stínítkem byla aplikována látky firmy HAGOPUR (http://hagopur.cz/) pro pachové ohradníky (ochranu silnic). Ad 3. Chybné záznamy jsou detekovány buď na základě vizuálního posouzení průběhu grafu jednotlivých veličin, nebo s využitím programových rutin postupně vyvíjených v rámci obslužného software a to jak na pracoviště řešitele tak účastníka BU AVČR. Sofistikovaná kontrola dat založená na časoprostorové korelaci záznamů z jednotlivých sousedních stanic, nebo stanic instalovaných v obdobném prostředí je vyvíjena a postupně prováděna na jednotlivých datových sadách za spolupráce s pracovníkem Českého hydrometeorologického ústavu (hrazeno formou OON). Identifikované chybné záznamy byly postupně předávány na pracoviště řešitele a využity pro vývoj firmware pro prototyp TMS2. Ad 4. Software TMSView pro zpracování naměřených dat je vyvíjen v prostředí C++ Builder (nyní ve verzi XE2) jako samostatná aplikace s grafickým uživatelským rozhraním. Primárním cílem je jak dobrá vizualizace dat, tak jejich dávkové analytické zpracování a odvození základních klimatologických veličin jako jsou průměry, minima a maxima za dané období, či sumy efektivních teplot. Samostatnou část tvoří příprava dat, která zahrnuje detekci chybných měření, selekci záznamů a spojování záznamů z jednotlivých odečtů. Dílčí statistické analýzy jsou programovány v prostředí R (Development Core Team 2011). Prezentace výsledků: Prototyp stanice TMS2 a přehled dosavadních badatelských výsledků založených na měření s TMS1 byl prezentován na dvou konferencích formou posteru s názvem: Field monitoring of microclimate: new combined thermal and soil moisture standalone unit. Spatial Ecology and Conservation 5.9.2011 - 7.9.2011, Birmingham, UK Konference České společnosti pro ekologii 21.10.2011 - 23.10.2011, Kostelec n. Č. Lesy, ČR Úkoly plánované pro rok 2011 byly splněny. Literatura Beven, K.J. & Kirkby, M.J. (1979) A physically based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrologic Science Bulletin, 24: 43–69. Bock, M. & Köthe, R. (2008) Predicting the depth of hydromorphic soil characteristics influenced by ground water. In: Böhner, J., Blaschke, T. & Montanarella, L. [eds.]: SAGA – Seconds Out, pp. 13–22. Hamburger Beiträge zur Physischen Geographie und Landschaftsökologie. Hamburg, DE. Böhner, J., Koethe, R. Conrad, O., Gross, J., Ringeler, A. & Selige, T. (2002) Soil regionalisation by means of terrain analysis and process parameterisation. In: Micheli, E., Nachtergaele, F. & Montanarella, L. [eds.]: Soil Classification 2001, pp. 213–222. The European Soil Bureau, Joint Research Centre, Ispra, IT. Dietrich, H. & Böhner, J. (2008) Cold air production and flow in a low mountain range landscape in Hessia (Germany). In: Böhner, J., Blaschke, T. & Montanarella, L. [eds.]: SAGA – Seconds Out, pp. 37–48. Hamburger Beiträge zur Physischen Geographie und Landschaftsökologie. Hamburg, DE. Dyer, J.M. (2009) Assessing topographic patterns in moisture use and stress using a water balance approach. Landscape Ecology, 24, 391–403. Freeman, G.T. (1991) Calculating catchment area with divergent flow based on a regular grid. Computers and Geosciences: 17, 413–422. Fu, P. & Rich, P.M. (2002) A geometric solar radiation model with applications in agriculture and forestry. Computers and Electronics in Agriculture, 37: 25-35. R Development Core Team (2011). R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL: http://www.R-project.org.
8
Pro rok 2012 jsou plánovány tyto úkoly: Analýza modelu terénu a na jejím základě provedená stratifikace zájmového území pro výběr lokalit k instalaci stanic TMS2: leden – březen 2012 Instalace stanic TMS2 v terénu: březen – květen 2012 Obsluha stanic TMS1 a TMS2 v terénu: leden – prosinec 2012 Vývoj software pro zpracování dat: průběžně celý rok řešení Vyhodnocování dat ze stanic TMS1: leden – prosinec 2012 Vyhodnocení dat ze stanic TMS2: říjen – prosinec 2012
3. Další účastník projektu: ČVUT v Praze, F. stavební Práce týmu na F. stavební, ČVUT v Praze se zaměřily na zakoupení kalibrační aparatury pro stanice TMS1 a TMS2, její celkový design a doplnění o doprovodné měřící součásti (teploměry) a princip zrychleného a rovnoměrného vysoušení půdních vzorků pomocí vzduchového kompresoru. Práce v laboratoři zahrnovaly úpravu prostoru pro instalaci kalibrační aparatury (obr. 3.1) a pomocného skladu půdních vzorků (obr. 3.5). Kalibrační aparatura byla sestavena a zprovozněna. Pro porušené vzorky byl sestaven speciální kontejner s dvojitým dnem a napojením na provzdušňovací systém (obr. 3.1).
Obr. 3.1 Prvky kalibrační aparatury: kontejnery s dvojitým dnem na půdní vzorky provzdušňované kompresorem, automatická váha na principů zátěžových čidel a centrální jednotka CR3000 s reflektometrem TDR100, vlhkostními a teplotními čidly. Pro stanice TMS1 byly vyhodnoceny dříve provedené kalibrace pro tři půdní typy z lokality NP České Švýcarsko (kambizem “údolí”, podzol “vršek”) pro potřeby probíhajícího testování v této lokalitě. Charakteristiky byly stanoveny i pro referenční čistý písek z lokality Střeleč.
Obr. 3.2 Čáry zrnitosti pro půdní typy v NP České Švýcarsko a pro referenční materiál
9
Obr. 3.3 Kalibrace TMS1 pro půdy z lokality NP České Švýcarsko a referenční materiál Na primární sadě prototypů čidla TMS2 byly testovány základní charakteristiky chování stanice s různou tloušťkou povrchové úpravy v různých půdách a odlišných půdních vlhkostech pro rozhodnutí následující výroby.
Obr. 3.4 Primární testování prototypu TMS2 na sadě tří půdních materiálů (písek Střeleč, arenická kambizem NP České Švýcarsko a dystrická kambizem CHKO Šumava). V terénu byly na čtyřech experimentálních lokalitách: CHKO Jizerské hory, CHKO Šumava, Kopaninský tok a Nučice provedeny odběry porušených půdních vzorků se stanovením základních fyzikálních a chemických vlastností půd (tab. 3.1). V lokalitě CHKO Jizerské hory byly instalovány stanice TMS1 pro testování měřícího okruhu půdní vlhkosti a sady teplotních čidel v extrémních teplotních a vlhkostních podmínkách v mimovegetačním období a v období jarního tání. Tab. 3.1 Přehled změřených fyzikálněchemických parametrů půd půdní vzorek Jizerské hory Ah Jizerské hory B Jizerské hory BC Šumava A Šumava B Šumava BC České Švýcarsko - údolí České Švýcarsko - vršek Nučice A Nučice B Kopaninský tok AB Kopaninský tok BC
jíl (%) 3.2 6.6 5.3 6.1 9.1 5.2 5.7 15.6 14.0 13.0 5.1 7.9
čára zrnitosti prach (%) 24.9 28.1 28.2 36.1 35.2 30.6 9.9 71.3 57.0 66.0 33.7 34.0
písek (%) 71.9 65.3 66.5 57.8 55.7 64.3 84.4 13.1 29.0 21.0 61.2 58.2
10
pH aktivní 3.92 4.38 4.45 3.87 4.36 3.96 4.00 3.70 5.56 6.37 5.58 5.68
pH výměnné 3.56 3.89 4.21 3.67 4.16 4.07 3.60 3.00 4.79 5.23 4.49 4.28
el. vodivost (uS/cm) 324.0 119.6 45.0 226.7 97.4 106.3 35.8 110.6 307.0 224.0 154.0 70.1
org. uhlík (%) 15.77 8.35 4.37 1.49 0.77 1.09 1.44 5.45 0.34 0.24 0.74 0.36
Obr. 3.5 Úprava prostoru laboratoře pro instalaci kalibrační aparatury a skladu vzorků, instalace modulární konstrukce a umístění úložných prostorů na pracovní desku nad systémem kalibrační aparatury 1.0 0.9
volumetric moisture (-)
0.8 0.7
air-water quartz sand arenic cambisol dystric cambisol
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 800
1000
1200
1400
inverse counts (-):
1600
1800
2000
4096-loops in 230 msec
Obr. 3.6 Výsledky primárního testování prototypu TMS2 na sadě tří půdních prezentované na konferenci American Geophysical Union. Prezentace výsledků: Harmonogram vývoje stanice TMS2 byl prezentován formou posteru: Šanda M., Haase T., Wild. J. „Combined thermal and soil moisture TDT standalone unit” a představením produktu
11
TMS1 na mezinárodní konferenci European Geosciences Union European Geosciences Union General Assembly 2011 Vienna | Austria | 03 – 08 April 2011 Funkční prototypy stanice TMS2 byly prezentovány formou posteru Šanda M., Sněhota, M., Haase T., Wild. J. „Measurements of heat fluxes and soilmoisture patterns in the field conditions” a představením produktu TMS2 na mezinárodní konferenci American Geophysical Union. AGU Fall Meeting 2011: 5-9 December, San Francisco, CA, USA. Na obou těchto fórech byl o stanice projeven zájem od renomovaných výzkumných pracovišť a zavedených firem podnikajících v oboru terénní hydrologické elektroniky. Úkoly plánované pro rok 2011: úprava laboratoře, zprovoznění kalibrační aparatury a shromáždění půdních vzorků se stanoveních základních fyzikálních a chemických vlastností byly splněny. Prototypy byly instalovány v terénu pro testování vlivu extrémně nízkých teplot na chod stanice. Pro rok 2012 jsou plánovány tyto úkoly: Testování stanic TMS2 s upraveným firmware pro úspornější provoz: leden – březen 2012 Kalibrace stanic TMS2 v porušených půdních vzorcích: duben – prosinec 2012 Příprava užitného vzoru kalibrační aparatury: září – prosinec 2012 Odběr porušených půdních vzorků pro testování stanic TMS2: květen – říjen 2012 Odběr neporušených půdních vzorků pro testování stanic TMS2: květen – říjen 2012 Instalace stanic TMS2 v terénu: červen – říjen 2012 Obsluha stanic TMS1 a TMS2 v terénu: leden – prosinec 2012 Vyhodnocení dat z kalibrační aparatury a z terénu: září – prosinec 2012
12
