Agronomia GeneraleFisica del terreno

Relazioni acqua-terreno(idrostatica)

Marco BittelliDipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-ambientali (DiSTA)

Universita’ di Bologna

Variabili necessarie per definire lo stato dell’acquanel terreno

Contenuto idrico eQuantitàEstensiva

Misure correlatevolume econtenuto di calore ecarica e

Potenziale idricoQualitàIntensiva

pressionetemperaturavoltaggio

Potenziale dell’acqua

Energia necessaria, per unità di peso o volume di acqua, per trasportareuna quantità infinitesima di acqua pura da un livello di riferimento ad un altro.

Il potenziale dell’acqua determina:

• La direzione e il tasso di flusso idrico nel continuum suolo-pianta-atmosfera

• L’acqua disponibile per la pianta• L’attività microbica quindi la decomposizione della sostanzaorganica

• La germinazione dei semi• La nutrizione delle piante

Potenziale dell’acqua

• Energia per unità di massa o volume

• Proprietà differenziale

• Deve essere specificato un sistema di riferimento (acqua pura, temperatura, livello piezometrico) da definire come punto a potenziale zero

• Abbassando il potenziale si abbassa la pressione di vapore e ilpunto di congelamento dell’acqua.

Potenziale dell’acqua è influenzato da:

• Pressione dell’acqua (idrostatica o pneumatica)• Concentrazione dei soluti nella soluzione• Legami dell’acqua con le superfici• Interfaccie tra acqua e aria• Posizione dell’acqua nel campo gravitazionale

ψ = ψp + ψo +ψm+ ψgPotenziale totalep pressione - idrostatica o pneumatica

o osmotica soluti

m matriciale – forze adsorbimento

g gravitazionale - posizione nello spazio

Potenziale osmotico (esempio)

• Un agricoltore applica 300 kg di NH4NO3 ad un ettaro di terreno (10000 m2). Grazie ad una leggera pioggia, il concime si ridistribuisce uniformemente per una profondita’ di 0.15 m. La temperatura del suolo e’ 20 0C.

Il suolo ha una porosita’ totale (Φ) dello 0.5 m3 m-3 e, dopo la pioggia, ha un livello di saturazione (Se) dello 0.5.

Considerando che il peso molecolare dell’NH4NO3 e’ di 80 g mol-1, e che il coefficiente di attivita’ chimica e’ uguale a 1, calcolare l’incremento di potenziale osmotico del terreno in J kg-1 a seguito dell’applicazione del fertilizzante.

2 310.000 *0.15 1500TV m m m= =

* 0.5*0.5 0.25Seθ ϕ= = =

3 3

3 32

300 1 1 1* * * 0.010.08 10001500 0.25

kg m mol m molckg kg kgm m H O

= =

0.01 * 2*1*8.31 * 293.5 48.77omol J JKkg mol K kg

ψ⎛ ⎞

= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

Umidità relativa e potenziale

Umidità relativahr = e (T)/es(T)

Umidità relativa e potenziale dell’acqua sono messi in relazionedall’equazione di Kelvin

ln rw

RT hM

Ψ =

R = costante dei gas T = temperaturaMw= peso molecolare dell’acqua

Potenziale dell’acqua nel continuum suolo piantaatmosfera

Atmosfera -100

-1.0

-0.7

-0.03-0.03

-3.0

-2.5

-1.7-1.5Suolo

Radici

Xylema

Foglie

Punto di Appassimento

(MPa)

Capacità di Campo(MPa)

Unità di misura e relazione del potenziale

Punto cong. OsmolalitàMPa m water rh C mol/kg-0.1 -10.2 0.999 -0.076 0.041-1 -102 0.993 -0.764 0.411-10 -1020 0.929 -7.635 4.105-100 -10204 0.478 -76.352 41.049-1000 -102041 0.0006 410.494

Metodi di misura del potenziale

• Metodi a equilibrio di solidi– Resistenza elettrica– Capacità elettrica– Conducibilità termica

• Metodi a equilibrio di liquidi– Tensiometri

• Metodi a equilibrio di vapore– Psicrometria a termocoppie– Metodi a punto di rugiada

Resistenze elettriche

• Una matrice nota (ceramica) è messa in equilibriocon il suolo

• La resistenza elettrica è influenzata dal contenutoidrico della ceramica

• Si conosce la relazione tra contenuto idrico e potenziale della ceramica

• Economico, poca stabilità, bassa accuratezza.

• Sensibile ai suoli salini

Metodi capacitivi

• Una matrice nota (ceramica) è messa in equilibrio con il suolo

• La capacità dielettrica è influenzata dalcontenuto idrico della ceramica

• Stabile e risente poco dei sali nel suolo

• Non necessita di calibrazione

• Buona accuratezza da -0.01 to -0.5 MPa

• Limitata (al momento) dalla disuniformità delleceramiche

Metodi a dissipazione di calore

• Misura la conducibilità termica, tramite la dissipazione del calore.

• Robusto (all’interno della ceramica c’è unaresistenza elettrica che si scalda e due termocoppie)

• Stabile (non è soggetto alla salinità)

• Richiede calibrazioni individuali

Equilibrio di liquidi: tensiometri

• Mettono in equilibrio con il suolo, acqua in tensione dentro a una coppa porosa.

• Misurano la pressione esercitata su un trasduttore di pressione.

• Accurati, ma limitati nel range (0 to -80 J kg-1)

• Richiedono spesso di essere risaturati, in quanto si formano cavitazioni (bolled’aria).

Piastre a pressione

• Applicano una pressione (generatadi solito da un compressore)

• Raggiunto l’equilibrio alla pressione applicata, ilcampione viene pesato e quindi determinato ilcontenuto idrico.

• Ha problemi di raggiungimento dell’equilibrio adalte pressioni e quindi di affidabilità.

Metodi a pressione di vapore

• Misurano l’umidità relativa di una camera stagna, soprastante ilcampione

– Tramite la diminuzione della temperatura di bulbo umido (metodipsicrometrici)

– Tramite la determinazione della temperatura di rugiada (metodia punto di rugiada)

Curva di pressione di vapore

Esempio: partendo da un campioneinsaturo (90 % di hr) ad una temperaturadi 20 C, esso raggiunge la saturazionealla temperatura di circa 9 C.La temperatura di 9 C è anche chiamatopunto di rugiada.

es (T)=0.611*Exp (17.502*T / 240.97+T)

0

2

4

6

8

10

12

14

-10 0 10 20 30 40 50 60

Temperatura (C)

Pres

sion

e di

vap

ore

(k

Pressione di vapore saturo

Pressione di vapore insaturo

hr= e (T) /es (T)

ln rw

RT hM

Ψ =

Tecnica a punto di rugiada

Infrared Sensor

Optical Sensor

Campione

Specchio

Ventola

Uno specchio è raffreddato fino al formarsi della rugiada. La temperaturaalla quale si forma la rugiada è la temperatura di saturazione, dalla qualesi determina il valore iniziale di pressione di vapore.

Svantaggi• Misure limitate a potenziali intermedi e molto negativi.

• Effetto dei sali, quindinecessità di separare la componente osmotica

Vantaggi• Alta accuratezza• Misura rapida ~ 5 min.• Buona ripetibilità

Applicazioni del WP4

• Misure di curve di ritenzione• Potenziale idrico dei semi e dei

tessuti vegetali• Studi sul rigonfiamento dei suoli• Determinazione della superficie

specifica del suolo

Specifiche del WP4

• Range: - 300 < – 300.000 J kg-1

• Accuratezza: 1% • Tempo di misura: 5 a 10 minuti• Il WP4-T controlla la temperatura da 5-

40°C• L’operatore può ricalibrare lo strumento

indipendentemente.

Metodologia

• Saturare i campioni con l’utilizzo di una pompa a vuoto• Lasciare evaporare per tempi diversi e lasciare equilibrare per

24 hr. • Misurare il potenziale con il WP4• Determinare il contenuto idrico gravimetrico• Si ottengono così dati per la curva di ritenzione

Esempio di applicazione del WP4

La figura mette a confronto due curve di ritenzione (per due campioni di suolo) ottenute utilizzando letti di Stackman e piastre a pressione (ST-PP) e la combinazione di letti di Stackman, piastre a pressione e WP4 (ST-PP-WP4). Il WP4 è stato utilizzato per valori < ~ −50 m-H2O.

Le linee indicano il risultato di una ottimizzazione dell’equazione di vanGenuchten (1980) e quindi l’effetto che queste differenze hanno sulla stima dei parametri idrologici.

Misure di curve di ritenzione

Al fine di ottenere CRI più affidabili si consiglia l’utilizzo combinato di tre tecniche:

• Metodo della colonna d’acqua o dei letti di Stackman negli intervalli più vicini alla saturazione (0 a −1 m-H2O)

• Piastre a pressione nella parte intermedia della curva (potenziali > ~ −50 m-H2O)

• Metodi a punto di rugiada nella parte più secca (potenziali < ~ −50 m-H2O).

3. Contenuto idrico

• Quantità di acqua presente nello spazio poroso del terreno.• Può essere espressa o come frazione massica (contenuto idrico

gravimetrico) o come frazione volumetrica (contenuto idricovolumetrico)

Metodo gravimetrico

•Misura del peso di un campione umido (mw)•Measurement of oven dry sample weight (ms)

ml = mw – ms , (g/g)w= ml/ms

VantaggiVantaggi SvantaggiSvantaggiMetodo di riferimento Richiede tempo, limitato numero

di campioni

Semplice ed economico Il suolo è disturbato

Indipendente dalla densitàapparente.

Il campionamento automatico non è possibile

2. Fertilizzazione e controllo della salinità

• Un agricoltore applica 300 kg di NH4NO3 ad un ettaro di terreno (10000 m2). Grazie ad una leggera pioggia, il concime si ridistribuisce uniformemente per una profondita’ di 0.15 m. La temperatura del suolo e’ 20 0C.

Il suolo ha una porosita’ totale (Φ) dello 0.5 m3 m-3

e, dopo la pioggia, ha un livello di saturazione (Se) dello 0.5.

Considerando che il peso molecolare dell’ NH4NO3e’ di 80 g mol-1, e che il coefficiente di attivita’chimica e’ uguale a 1, calcolare l’incremento di potenziale osmotico del terreno in J kg-1 a seguito dell’applicazione del fertilizzante.

2 310.000 *0.15 1500TV m m m= =

* 0.5*0.5 0.25Seθ ϕ= = =

3 3

3 32

300 1 1 1* * * 0.010.08 10001500 0.25

kg m mol m molckg kg kgm m H O

= =

0.01 * 2*1*8.31 * 293.5 48.77omol J JKkg mol K kg

ψ⎛ ⎞

= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

1.Time Domain Reflectometer (TDR)• Dielectric Permittivity can be

calculated from the travel time of the signal along a transmission line.

LtLV =

)10(3 light of Speedc

tyPermittivi Dielectricε(m)length probe PhysicalL

(s) timeTravelt

18

s

−×=

===

sm

cL2

stε

=

1.Travel times for different water contents

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Time (ns)

Refle

ctio

n C

oeff.

1.How to derive soil water content from dielectric permittivity

• Empirical Topp’s equation (Topp et al., 1980)

362422 103.4105.51092.2103.5 bbb εεεθ −−−− ×+×−×+×−=

G. C. Topp and J. L. Annan and A. P. Davis, 1980, Electromagnetic determination of soil water content:measurements in coaxial transmission lines, Water Resources Research, 16, 574-582.

1.Dielectric Mixing Model (Roth et al. 1990)

particles) ofon distributi random0.5(parameter lgeometricaporosity

content ice volumetriccontentair volumetric

content water volumetricice ofty permittivi dielectric),(

minerals soil ofty permittivi dielectric),(air ofty permittivi dielectric ),( waterofty permittivi dielectric),(

sample theofty permittivi dielectric),(

→======

=====

ααφθθθεεεεε

i

a

w

i

s

a

b

m

TfTfTfTfTf

ααααα εθεφεθεθε iisaawwb +−++= )1(

Roth, K., R. Schulin, H. Flu¨hler, and W. Attinger, Calibration of time domain reflectometry for water content measurement using a composite dielectric approach, Water Resour. Res., 26, 2267–2273, 1990.

1.Installation of a TDR station

1.Installation of TDR probes

Sonde TDR

Sonde PT100

1.Installation of TDR control unit

TDR 100, Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA

1.Water Content from TDR under a Corn Field(sandy loam)

1.Water Content from TDR under a Corn Field(sandy loam)

1.Water Content from TDR under a Corn Field(sandy loam)

2.Capacitive methods

• Capacitance-type sensors measure the dielectric constant or permittivity of the material in which they are buried. This type of sensor (capacitance) measures the dielectric constant of a medium by finding the rate of change of voltage on a sensor thatis embedded in the medium.

ECH2O Probe (Decagon Devices Inc.)

2.Water Content from Capacitive method under a bare soil (loam)

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

40 90 140 190 240 290

-0.03 m-0.05 m-0.13 m0.5 m

Time (hr)

Wat

er C

onte

nt(m

3 m

-3)

3.Ground Penetrating Radar

• Electromagnetic technique originally designed to detect buriedobjects.

• It takes advantage of the changes in soil dielectric permittivity tomeasure soil water content.

• It allows to obtain soil water content distribution over largerareas in respect to the TDR technique.

Measuring Soil Water Content with Ground Penetrating Radar: A Review J. A. Huisman,* S. S. Hubbard, J. D. Redman, and A. P. Annan, Vadose Zone Journal., 2, 476–491, 2003.

3.Ground Penetrating Radar

3.Reflections and deconvolution

• The waveform is collected asindividual traces, that when stackedtogether, produce a 2D vertical profile. Combination of 2D profiles allowsto generate 3D maps.

3.Velocity analyses

Grid Setup and GPR measurement

1. Set a geo-referenced grid (GPS and Total Station)

2. Set a grid for GPR (lines)

3. Perform GPR transects (0.5 lateralincrement, 30-50 meters lenght)

1

2

3

1 m

3.Soil Moisture with GPR

Measuring Soil Water Content with Ground Penetrating Radar: A Review J. A. Huisman,* S. S. Hubbard, J. D. Redman, and A. P. Annan, Vadose Zone Journal., 2, 476–491, 2003.

4.Passive Microwave Radiometry and Radar

1. Remote Sensing has great potential for providing timely information on a rangeof hydrologic and meteorological variables, such as soil moisture and evaporation.

2. The satellite ENVISAT ASAR (ESA,European Spatial Agency) is used for earth soilmoisture sensing. An Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR), operating at C-band, ASAR ensures continuity with the image mode (SAR) and the wave mode of the ERS-1/2 AMI.

3. The Advanced Microwave Scanning Radiometer on EOS (AMSR-E) is a multichannelpassive microwave instrument scheduled to be launched on the Earth ObservingSystem (EOS) Aqua satellite (NASA).

ENVISAT ASAR (ESA)

Satellite ASAR

Wagner, W., K. Scipal, C. Pathe, D. Gerten, W. Lucht, B. Rudolf (2003) Evaluation of the agreement between the firstglobal remotely sensed soil moisture data with model and precipitation data, Journal of Geophysical Research –Atmospheres, 108(D19), 4611, doi: 10.1029/2003JD003663.

4.AQUA (NASA)

Satellite Aqua

Kustas, W.P. and Norman, J.M., 1999. Evaluation of soil and vegetationheat flux predictions using a simple two-source model with radiometric temperatures for partial canopy cover. Agric. For. Meteorol., 94: 13-25.

CONCLUSIONS

• Electromagnetic methods are the most promising techniques for soil water content measurement.

• They can be applied at various time and space scales.

• They can acquire very important information for regarding crop water use efficiency, evapotranspiration, drought indexes.

La fisica del terreno

• Disciplina che riguarda lo studio fisico del terreno.

• Il terreno è ujn sistema costituito da materiali solidi derivatidall’azione dei cinque fattori di formazione del suolo (clima, roccia madre, tempo, topografia e i fattori biotici).

• Il terreno è un materiale poroso, polifasico, non-isolato e caratterizzato da tre parti: parte solida, parte liquida e la partegassosa.