QUADERNI DI IDRAULICA AGRARIA - lni.unipi.it Richiami di idrologia dell... · Per evitare che...

PIER GINO MEGALE

QQUUAADDEERRNNII DDII IIDDRRAAUULLIICCAA AAGGRRAARRIIAA

DISPENSE TRATTE DALLE LEZIONI DI IDRAULICA AGRARIA TENUTE PRESSO LA FACOLTÀ DI AGRA-RIA DELL’UNIVERSITÀ DI PISA

ANNO ACCADEMICO 2008 - 2009 SECONDA EDIZIONE AGGIORNATA PER L’ANNO ACCADEMICO 2009 - 2010

Gli studenti della nostra facoltà si lamentano spesso di veder ripe-tuti gli stessi argomenti in più corsi. Per evitare che questo accadesse anche col corso di Idraulica a-graria, che poggia la parte dell’irrigazione su nozioni proprie dei corsi di agronomia, si era ritenuto di dare per acquisite le conoscenze della idrologia del terreno e dei consumi idrici delle colture. Si è dovuto però constatare che spesso gli studenti affrontano lo studio dell’idraulica agraria con conoscenze di agronomia un po’ sbia-dite o ancora da formare per la mancanza di vincoli di propedeuticità. Questa dispensa non ha la pretesa di fornire tali conoscenze in modo esaustivo, ma piuttosto vuole essere un promemoria per ricordare che sono necessarie. Si è approfittato di questo lavoro per dare a questi argomenti un’articolazione che si leghi meglio col progetto e con la gestione degli impianti irrigui, introducendo qualche concetto integrativo e qualche nuova formula. É anche parso utile fornire delle nozioni elementari sulla valuta-zione delle risorse idriche potenziali, attraverso un modello semplice come quello di Thornthwaite-Mather, che permette di valutare l’ordine di grandezza dei fenomeni in giuoco e che, soprattutto, ne favorisce la comprensione. La trattazione molto semplice è gradita dai nostri studenti e pub-blicare in rete la dispensa è certamente il sistema di distribuzione più pratico, moderno ed economico.

INDICE

1. PRECIPITAZIONI E IRRIGAZIONE 1.1. Precipitazione efficace

1.1.1. Formula Soil Conservation Service U.S.D.A. 1.1.2. Valutazione speditiva

1.2. Fabbisogno idrico e fabbisogno irriguo

2. IDROLOGIA DEL TERRENO 2.1. Costanti idrologiche 2.2. Volume specifico di adacquamento 2.3. Piastra di Richards 2.4. Velocità d’infiltrazione 2.5. Allegoria dell’irrigazione

3. EVAPOTRASPIRAZIONE 3.1. Evapotraspirazione di riferimento - ETo

3.1.1. Determinazione dell’ETo in tempo reale 3.1.2. Determinazione dell’ETo in fase di progetto

3.2. Evapotraspirazione effettiva - ETE 3.3. Evapotraspirazione potenziale - ETP

3.3.1. ETP in irrigazione 3.3.2. ETP in campo idrologico

3.4. Evapotraspirazione reale - ETR 3.4.1. ETR in irrigazione 3.4.2. ETR in campo idrologico. Metodo di Thornthwaite-Mather 3.4.3. Risorse idriche potenziali e disponibili

4. LA PRATICA IRRIGUA 4.1. Turno 4.2. Orario 4.3.

P.G. Megale. Quaderni di idraulica agraria

Richiami di idrologia dell’irrigazione. 1 di 13

RICHIAMI DI IDROLOGIA DELL’IRRIGAZIONE 1. PRECIPITAZIONI E IRRIGAZIONE 1.1. Precipitazione efficace Quando piove, l’acqua che investe il terreno in parte

- scorre in superficie e contribuisce alla formazione dei deflussi superficiali, in parte - si infiltra nel terreno ed è trattenuta per capillarità dallo strato superficiale, per tornare

progressivamente nell’atmosfera per evaporazione o per traspirazione delle piante, in parte - attraversa lo strato superficiale e sotto l’azione gravitazionale raggiunge strati più profondi

della crosta terrestre, alimentando falde e deflussi sotterranei. La quota di precipitazione che raggiunge e permane nello strato utile del terreno, quello cioè occupato dalla parte significativa delle radici delle piante, prende il nome di precipitazione o pioggia efficace, in quanto disponibile per l’alimentazione idrica della vegetazione. L’entità della pioggia efficace è assai variabile e dipende dalla:

- morfologia del terreno e dall’intensità di pioggia; - dalle caratteristiche e dall’umidità del terreno; - dalla copertura vegetale e dalla potenza (profondità) dello strato utile.

Se l’intensità della precipitazione supera di molto la velocità di infiltrazione del terreno (che varia durante l’evento meteorico perché legata all’umidità del suolo), la quota che si infiltra nel ter-reno è minore di quella che si infiltrerebbe se lo stesso afflusso avvenisse con bassa intensità. L’acqua che si infiltra nello strato utile, vi si accumula fin tanto che l’umidità non raggiunge la ca-pacità di campo, poi, una volta superata la saturazione capillare, l’acqua prosegue verso gli strati più profondi. Se è complicato valutare la pioggia efficace per un evento noto, lo è molto di più fare una previsione, per cui la stima avviene per via empirica o semi empirica, con formule valide per condi-zioni analoghe a quelle per le quali sono state desunte. 1.1.1. Formula Soil Conservation Service U.S.D.A. (United States Department of Agriculture, 1970) Il Dipartimento dell’agricoltura degli Stati Uniti suggerisce per la stima della pioggia effica-ce mensile la seguente formula: ( ) EToPfcPeff 001,0824,0 10935,2253,1 ×−= (1.1) con:

- fc, fattore correttivo dipendente dalla riserva utile del terreno ed assume il valore 1 per la condizione pedologica standard, caratterizzata da una riserva utilizzabile di 150 mm per me-tro di suolo. Per una profondità radicale di 50 cm equivale pertanto ad una riserva utile di 75 mm (750 m3·ha-1);

- P, precipitazione totale mensile in mm; - ETo, evapotraspirazione mensile di riferimento (vedi di seguito).

1.1.2. Valutazione speditiva La stima della pioggia efficace serve essenzialmente per valutare in fase di progetto se le ri-sorse idriche disponibili siano sufficienti a soddisfare il fabbisogno irriguo di un’area da irrigare. Tale stima si basa su valori dei parametri richiesti tratti da serie storiche; nel caso della formula USDA sui valori mensili della precipitazione e dell’evapotraspirazione di riferimento.



Tenuto conto che questa sti-ma si riferisce ai mesi irrigui carat-terizzati da scarse precipitazioni e bassa umidità del suolo, si può am-mettere che tutta l’acqua che si in-filtra nello strato utile risulti effica-ce e che quindi possa essere calco-lata decurtando la precipitazione di ciascun evento meteorico della quantità persa per evaporazione ed intercettazione della vegetazione. Gli Annali idrologici forni-scono le serie storiche della precipi-tazione mensile e del relativo nu-mero di giorni piovosi. Assimilan-do gli eventi meteorici ai giorni piovosi, la pioggia efficace mensile può essere valutata come segue:

pnPPeff −= (1.2) con:

- P, precipitazione totale mensile in mm; - n, numero dei giorni piovosi del mese; - p, perdita in mm per evaporazione ed intercettazione, che si verifica per ciascun evento me-

teorico. In pratica da 2 a 4 mm. In Fig. 1.1 sono riportate le stime della pioggia efficace per i mesi irrigui della zona di Val-dinievole, desunte applicando entrambi i metodi. Col metodo speditivo, assumendo la perdita p = 3 mm, si ottengono valori analoghi e cautelativi rispetto a quelli calcolati con la formula USDA, ma con un procedimento molto più agile. 1.2. Fabbisogno idrico e fabbisogno irriguo Il fabbisogno idrico Widr è la quantità di acqua di cui ha bisogno una coltura per fornire il risultato agronomico desiderato. Se questo coincide con le migliori condizioni vegetative e produt-tive, il fabbisogno idrico coincide con l’evapotraspirazione effettiva. Il fabbisogno irriguo Wirr è la quantità di acqua da somministrare artificialmente con l’irrigazione per integrare gli apporti naturali fino a soddisfare il fabbisogno idrico. Se gli apporti naturali sono costituiti essenzialmente dalle precipitazioni, il fabbisogno irri-guo é dato da:

Ei

PeffWidrWirr −= (1.3)

dove Ei è l’efficienza irrigua. 2. IDROLOGIA DEL TERRENO Il terreno è costituito da un aggregato di particelle solide, minerali ed organiche, e dai relati-vi vuoti interstiziali occupati da aria e acqua. In prima approssimazione si può ammettere che un terreno agrario sia composto per metà da particelle solide e per metà dai vuoti interstiziali; a loro volta i vuoti sono formati per metà da ma-cropori e per metà da micropori (Fig. 2.1).

0

10

20

30

40

50

60

apr mag giu lug ago set

Pef

f [m

m]

USDA3,0 mm

Fig. 1.1. Stima della pioggia efficace in Valdinievole con il metodospeditivo e con la formula USDA.



Nei micropori l’acqua è trattenuta per capillarità, mentre quella eventualmente contenuta nei macropori transita verso il basso sotto l’azione della gravità. Quindi, esauriti i fenomeni gravitazio-nali, l’acqua utile per le colture è quella contenuta nei micropori.

2.1. Costanti idrologiche La capacità di campo CC è l’umidità del terreno quando è completa la saturazione dei mi-cropori. È la massima umidità che il terreno può avere una volta allontanata l’acqua gravitazionale. In questo stato le piante producono il minimo sfor-zo per asportare l’acqua dal suolo. Il punto di appassimento PA è l’umidità del terreno quando il suo contenuto idrico non è sufficiente per la sopravvivenza delle piante, in quanto la loro capacità di suzione è inferiore alla tensione matriciale. Per garantire la sopravvivenza delle piante è necessario che l’umidità del terreno si mantenga entro tali limiti. In realtà l’attività vegetativa delle colture si riduce sensibilmente anche per umidità ben al disopra del punto di appassimento, per cui è necessario intervenire con l’irrigazione per evitare che l’umidità del terreno scenda al disotto di una certa soglia (oppure che la tensione matriciale su-peri il corrispondente valore) che prende il nome di punto di intervento PI. All’acqua contenuta nel terreno tra CC e PA si da il nome di acqua utilizzabile; a quella contenuta tra CC e PI si da il nome di acqua fa-cilmente utilizzabile.

Come grandezze le costanti idrologiche sono umidità e possono essere misurate in termini di peso UP come rapporto tra il peso di acqua Pa contenuto nel terreno ed il peso apparente del terreno secco Pts, o di volume UW come rapporto tra il volume di acqua Wa ed il volume apparente del ter-reno Wt. Atteso che:

tsRPa

ts

ts

a

t

aW U

PP

WWU γ

γγ

=== (2.1)

l’umidità del suolo in termini volumetrici è uguale all’umidità in termini ponderali per il peso speci-fico apparente relativo (all’acqua) del terreno secco. Per un terreno di medio impasto γRts=1,25. Per una prima valutazione dei parametri idrologici del terreno si suggerisce di consultare il sito web del Servizio Agrometeorologico per la Sardegna (S.A.R.) ed in particolare la pagina http://www.sar.sardegna.it/servizi/agro/idrosuoli.asp . 2.2. Volume specifico di adacquamento Il volume specifico (cioè per ettaro) netto di adacquamento WAN è la quantità di acqua da somministrare allo strato utile per riportare il terreno alla capacità di campo. Ovviamente dipende dall’umidità presente nel terreno al momento dell’irrigazione. Se i parametri del terreno sono e-spressi in termini di peso, il volume specifico netto di adacquamento vale: ( ) HrUCCNWA tsP γ−= 1,0 (2.2)

Fig. 2.1. Rappresentazione schematica di un terreno agrario medio in situ.



con: - WAN, volume specifico netto di adacquamento in m3·ha-1; - CC, capacità di campo in % del peso apparente del terreno secco; - UP, umidità del terreno al momento dell’intervento irriguo in % del peso apparente del terre-

no secco; - γts, peso specifico apparente del terreno secco in kg·m-3; - Hr, spessore dello strato utile, variabile con lo sviluppo della coltura, in m.

Dividendo per 10 si ottiene il WAN in mm di spessore della lama d’acqua da somministrare. Se l’intervento irriguo deve ripristinare l’acqua utilizzabile, ovvero deve aver luogo quando l’umidità nel terreno ha raggiunto il punto di appassimento, nella precedente basta sostituire PA a UP. Ma poiché di norma l’adacquamento deve avvenire quando l’umidità del suolo ha raggiunto il punto d’intervento PI, fissato in modo da assicurare che il contenuto idrico del terreno non scenda al disotto di una certa percentuale π dell’acqua utilizzabile, il volume specifico netto di adacqua-mento risulta:

( ) HrPACCNWA tsγπ−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

10011,0 (2.3)

In realtà il volume di acqua da somministrare, volume specifico lordo di adacquamento WAL, deve essere maggiore per tener conto dell’efficienza Ea del sistema o metodo irriguo1. Si a-vrà quindi:

Ea

NWAWAL = (2.4)

Esempio Un terreno franco, costituito da 44% di sabbia e 20 % di argilla, abbia le seguenti caratteristiche:

- γts = 1340 kg·m-3 - CC = 22,8 % - PA = 10,7 %

e sia: - Hr = 0,4 m

Si voglia che il contenuto idrico del terreno non scenda al disotto di π=40% dell’acqua utilizzabile. Applicando la 2.3 si ottiene:

( ) mmhamNWA 403894,013407,108,221004011,0 13 ≅⋅=××−×⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −×= −

Se l’efficienza di adacquamento è dell’82 % = 0,82, il volume lordo di adacquamento è:

mmhamWAL 4847582,0

389 13 ≅⋅== −

2.3. Piastra di Richards I concetti di capacità di campo e punto di appassimento sono tanto chiari quanto di laboriosa ed aleatoria determinazione diretta. Per la capacità di campo si potrebbe immaginare di portare a sa-turazione un campione di terreno e misurarne l’umidità una volta esaurita la percolazione dell’acqua gravitazionale. Per il punto di appassimento si dovrebbe misurare l’umidità di un terreno in cui la vegetazione avesse appena raggiunto l’avvizzimento permanente. In entrambi i casi i risultati delle misure sono influenzati in modo determinante dal procedimento adottato e da valutazioni soggetti- 1 Vedi Miscellanea.



ve; per il punto di appassimento entra poi in giuoco anche la resistenza della pianta, variabile anche da soggetto a soggetto. Si preferisce, allora, sostituire la capacità di campo ed il punto di appassimento con parame-tri rappresentativi di contenuti idrici analoghi, non esattamente uguali, ma determinabili con mag-

giore rigore sperimentale. Per questo si ricorre alla piastra di Richards, schematicamente illustrata in Fig. 2.2, che basa il suo funzionamen-to sul fenomeno della capillarità. Un setto poroso a bassissima permeabilità completamente saturato di acqua separa due camere: quella inferio-re a pressione atmosferica è piena di ac-qua in continuità col setto; quella supe-riore è occupata da aria alla pressione PP. Il passaggio dell’aria è contrastato dalla resistenza prodotta nel setto dalla capillarità, la cui entità dipende dalla dimensione dei vuoti. Se un campione di terreno saturo è appoggiato sulla piastra in modo da garantire continuità idrauli-

ca, l’acqua in esso contenuta è spinta nella camera sottostante fino a quando nel campione non si raggiunge una tensione matriciale pari alla pressione PP. Si definiscono quindi:

- CC, l’umidità nel terreno corrispondente alla tensione matriciale2 PP = 0,3 bar; - PA, l’umidità nel terreno corrispondente alla tensione matriciale PP = 15 bar.

2.4. Velocità d’infiltrazione La velocità d’infiltrazione Vf è la velocità con cui l’acqua penetra nel terreno a partire dalla superficie, rappresentata dallo spessore della lama d’acqua che si infiltra nel terreno nell’unità di tempo. Essa dipende dal carico, cioè dalla altezza della lama d’acqua che sovrasta il terreno, e dalle

caratteristiche fisiche del suolo a partire dal contenuto idrico. La velocità di infiltrazione de-cresce all’aumentare dell’umidità ed è minima per il terreno saturo. Di norma si misura in situ con l’infiltrometro a doppio cilindro (Fig. 2.3). Il parametro è importante specialmente per l’irrigazione per aspersione, in quanto si deve garantire che l’intensità di pioggia Im sia minore della velocità d’infiltrazione, per evitare fenomeni di ruscellamento, causa di disunifor-mità di distribuzione dell’acqua e nei casi più gravi di erosione superficiale: VfI m ≤ (2.5)

2 PP è la pressione nella camera superiore, la tensione matriciale si esprime in termini negativi, -PP.

Figura 2.3. Infiltrometro a doppio cilindro.

PP

Figura 2.2. Schema della piastra di Richards.

SETTO POROSO

CAMPIONE

ARIA IN PRESSIONE



2.5. Allegoria dell’irrigazione L’irrigazione è una forma primordiale di dominio della natura operato attraverso il controllo artificiale della umidità del suolo. L’effetto della irrigazione, infatti, non si espleta direttamente sul-le piante, bensì sul contenuto idrico del terreno. Il terreno pertanto va visto come un serbatoio di capacità massima pari al volume comples-sivo dei micropori contenuti nello strato utile, che viene rifornito dalle precipitazioni o dalle irriga-zioni e da cui a loro volta si alimentano le piante.

La Fig. 2.4 rappresenta in manie-ra allegorica il meccanismo dell’irriga-zione ed i parametri ad esso legati. L’imbuto che convoglia l’acqua simula l’infiltrazione. Quando la portata dell’imbuto è inferiore a quella che en-tra, l’acqua che tracima si perde fuori del serbatoio. Allo stesso modo se l’in-tensità di pioggia supera la velocità di infiltrazione, l’acqua defluisce superfi-cialmente e non raggiunge lo strato uti-le. Il volume del serbatoio compre-so tra il bordo ed il troppopieno interno rappresenta il volume dei macropori, occupato solo temporaneamente da ac-qua che si perde oltre lo strato utile per percolazione gravitazionale. La quota del troppopieno definisce il volume massimo che può essere contenuto util-mente dal serbatoio ovvero il contenuto idrico del terreno alla CC. L’acqua che resta nel serbatoio al disotto del rubinetto non è disponibi-le, così come non lo è il contenuto idri-co del terreno al disotto di PA. Quindi il

volume utilizzabile del serbatoio è quello compreso tra il troppopieno e il rubinetto. La portata della fonte dipende dalla pressione a monte, cioè dal livello dell’acqua rispetto al rubinetto. Al disotto di un certo livello la portata si riduce troppo e l’uso dell’acqua si fa più gravo-so, come più gravoso è il prelievo da parte delle piante quando l’umidità del terreno scende sotto il punto critico colturale. 3. EVAPOTRASPIRAZIONE L’evapotraspirazione, normalmente indicata con ET, rappresenta la quantità d'acqua che in un determinato periodo di tempo passa dal terreno all'aria in forma di vapore per effetto congiunto della traspirazione delle piante e dell'evaporazione dal suolo. L’evapotraspirazione, quindi, misura il consumo idrico delle colture, intese come il com-plesso della vegetazione e del terreno su cui insiste. L’evapotraspirazione di una coltura dipende dai seguenti fattori.

• Fattori legati alla coltura: - tipo di pianta; - fase di sviluppo.

Figura 2.4. Allegoria dell’irrigazione.



- densità della coltura; - tecnica colturale.

• Fattori climatici: - radiazione solare; - temperatura; - vento; - umidità relativa dell’aria.

• Fattori legati al suolo: - contenuto idrico; - arieggiamento.

A parità degli altri fattori, l’evapotraspirazione dipende essenzialmente dalla densità della superficie fogliare. 3.1. Evapotraspirazione di riferimento - ETo Se si rendono costanti i fattori legati alla coltura assumendone una standard, e quelli legati al terreno, mantenendo l’umidità prossima alla capacità di campo, l’evapotraspirazione diventa un pa-rametro meteorologico influenzato esclusivamente dai fattori climatici. La coltura standard è stata individuata in un prato di graminacea, un prato di festuca, coltiva-to:

- in grande estensione su un terreno pianeggiante; - in condizioni ottimali di umidità del suolo; - in copertura totale ed omogenea, senza diradamenti; - in perfetto stato nutrizionale e sanitario; - falciato ad un’altezza tra 8 e 15 cm.

Chi si occupa di irrigazione ha sempre indicato col termine di evapotraspirazione potenziale ETP l’evapotraspirazione prodotta dalla coltura standard, da determinarsi sperimentale attraverso misure dirette in lisimetro. Tali misure, però, sono fortemente influenzate dall’apparato sperimenta-le e dalle condizioni di prova. Per di più allo stesso termine “evapotraspirazione potenziale” vengo-no attribuiti significati differenti che generano ambiguità. Nel 1998 la FAO, Quaderno 56, ha individuato nel metodo di Penman-Monteith quello che fornisce la migliore approssimazione per la determinazione indiretta dell’evapotraspirazione del prato standard in base a parametri fisiologici, aerodinamici e climatici, misurabili con maggiore re-golarità. All’evapotraspirazione del prato standard, direttamente misurata per via sperimentale, si è preferito sostituire quella di un ipotetico prato standard, stimata col metodo FAO Penman-Monteith attraverso misure agrometeorologiche, a cui è stato dato il nome di Evapotraspirazione di riferimen-to, ETo. 3.1.1. Determinazione dell’ETo in tempo reale Per applicare il metodo FAO Penman-Monteith è necessario disporre di una strumentazione agrometeorologica completa che fornisca radiazione solare, temperatura ed umidità dell’aria e ve-locità del vento. Una volta installata la stazione, però, non vi sono difficoltà a determinare l’ETo, che è necessaria per una consapevole gestione dell’irrigazione. 3.1.2. Determinazione dell’ETo in fase di progetto In fase di progetto, per determinare il fabbisogno irriguo dell’area d’intervento e per dimen-sionare le reti e gli impianti, occorre definire l’ETo sulla scorta di valori pregressi. Per desumerli attraverso il metodo FAO Penman-Monteith sarebbe necessario possedere serie storiche sufficien-temente estese di tutti i parametri richiesti, o almeno di parte di essi, che sono raramente disponibili perché rilevati sistematicamente soltanto da pochi anni. Si deve pertanto ricorrere a formule più semplici, anche a costo di una minore approssimazione, ma basate su dati disponibili.



In genere tali formule fanno riferimento alla temperatura ed all’esposizione rispetto al sole attraverso parametri astronomici. Per la stranota formula di Blaney-Criddle si rimanda al corso di Agronomia, ricordando sol-tanto che fornisce risultati molto approssimativi. Si richiama invece la meno popolare formula di Hargreaves-Samani (1985), per altro utiliz-zata dall’ARSIA al posto di quella di Penman-Monteith per calcolare l’ETo fornita dal servizio a-grometeorologico regionale, perché i risultati sono considerati sufficientemente in linea con quelli forniti dal metodo FAO Penman-Monteith, ancorché possa essere necessaria una calibratura della costante C. ( ) mM TTTRaCETo −+= 8,17 (3.1) con:

- ETo, in mm die-1; - C = 0,0023; - Ra, radiazione extra atmosferica (astronomica) giornaliera al 15 di ogni mese in mm die-1; - T , temperatura media del giorno in °C; - TM, temperatura massima del giorno in °C; - Tm, temperatura minima del giorno in °C.

La radiazione extra atmosferica Ra è un dato astronomico che dipende dalla latitudine, che per il territorio italiano varia tra 35° 30’ N di Lampedusa e 47° N di Pratomagno in Valle Aurina (BZ). Pisa si trova alla latitudine di 43° 43’ N. In Tab. 3.1 sono riportati i valori di Ra per latitudini comprese tra 34° e 48° N. Tab. 3.1. Radiazione solare extra atmosferica giornaliera a 15 del mese in mm di acqua evaporata al giorno

Latitud. N Località Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 48 Friburgo 4,1 6,4 9,5 13,1 15,8 17,1 16,5 14,2 10,9 7,4 4,7 3,646 Trento 4,6 6,9 9,9 13,4 16,0 17,1 16,6 14,4 11,2 7,8 5,1 4,044 La Spezia 5,1 7,3 10,3 13,7 16,0 17,1 16,6 14,7 11,6 8,3 5,7 4,542 Cerveteri 5,6 7,8 10,7 13,9 16,1 17,1 16,7 14,8 11,9 8,7 6,2 5,140 Maratea 6,1 8,3 11,1 14,2 16,2 17,1 16,7 15,0 12,2 9,2 6,7 5,638 Trapani 6,6 8,8 11,5 14,4 16,3 17,1 16,7 15,1 12,5 9,6 7,1 6,036 Malta 7,1 9,2 11,8 14,6 16,3 17,0 16,7 15,3 12,9 10,0 7,6 6,634 Golfo di Cabes (Tunisia) 7,6 9,7 12,2 14,7 16,3 17,0 16,7 15,3 13,1 10,4 8,1 7,1

3.2. Evapotraspirazione effettiva - ETE L’evapotraspirazione effettiva di una coltura, ETE, ne rappresenta il consumo idrico in con-dizioni agronomiche ottimali e senza limitazioni idriche, riferito ad un determinato lasso di tempo. Tradizionalmente l’ETE si calcola in funzione dell’ETo applicando un coefficiente colturale Kc, determinato empiricamente per ogni coltura, variabile con lo sviluppo della pianta ed influenza-to dalle caratteristiche ambientali e dalla tecnica colturale: EToKcETE = (3.2) L’argomento è noto dal corso di Agronomia, a cui si rimanda per gli approfondimenti sul Kc. Si vuole eventualmente aggiungere e segnalare, che il Quaderno 56 della FAO contempla, oltre al metodo tradizionale, un metodo con doppio coefficiente colturale, Kcb+Ke, con cui si separano i contributi della traspirazione Kcb e della evaporazione da suolo nudo Ke. Inoltre la stessa pubblica-zione prende in considerazione l’ETE in condizioni diverse da quelle, diciamo così, standard, quali



quelle sotto stress idrico, per vegetazione spontanea, per diverse tecniche colturali ed al di fuori del-la stagione produttiva. 3.3. Evapotraspirazione potenziale - ETP 3.3.1. ETP in irrigazione Come si è visto, ancor oggi capita di indicare col termine “potenziale” l’ET della coltura standard, ormai rimpiazzata dall’ET di riferimento ETo. Facendo ricorso al concetto ed al termine di evapotraspirazione di riferimento per indicare il consumo idrico standard, da cui desumere l’ETE attraverso i Kc, non si ingenerano ambiguità se con evapotraspirazione potenziale di una coltura, ETP, si indica l’evapotraspirazione della coltura stessa in condizioni di rifornimento idrico ottimale3, quindi la massima possibile. In questo modo evapotraspirazione potenziale ed evapotraspirazione effettiva coincidono. Infatti, ove non intervengano tecniche colturali basate sullo stress idrico, restituendo al terreno l’acqua persa per l’ETE, la coltura è in grado di raggiungere l’evapotraspirazione potenziale. 3.3.2. ETP in campo idrologico L’evapotraspirazione di territori vasti dipende da condizioni di umidità del suolo e copertura vegetale che variano molto da zona a zona e all’interno delle quali si trovano anche aree urbanizzate e corpi idrici, di cui non è facile distinguere i contributi. Per semplificare il processo logico, nel 1948 Thornthwaite introdusse il concetto di evapotraspirazione potenziale, cioè quella che si verifi-ca quando lo sviluppo della vegetazione è il migliore ed il contenuto idrico del terreno è permanen-temente alla capacità di campo. Si tratta pertanto del limite superiore della quantità di acqua che re-almente tornerebbe all’atmosfera per evaporazione e traspirazione. La difficoltà di tenere conto della variabilità dei fattori che determinano l’evapotraspirazione e la necessità di avere almeno l’ordine di grandezza del fenomeno fanno si che si proceda per grandi approssimazioni e semplificazioni, quale quella di considerare che tutto il territorio in esame sia co-perto da vegetazione nelle migliori condizioni. Si deve comunque rilevare che l’incidenza delle zo-ne urbanizzate o dei corpi idrici superficiali che non siano laghi, in genere è del tutto trascurabile. Per il calcolo dell’evapotraspirazione potenziale ha goduto di grande popolarità la formula empirica di Thornthwaite, che, per quanto superata dai modelli idrologici, fornisce un ordine di grandezza per stime di previsione di prima approssimazione. La sua applicazione è preliminare alla stima dell’evapotraspirazione reale attraverso il bilancio di Thornthwaite-Mather, che se non altro costituisce un eccellente strumento per la comprensione del fenomeno. Secondo Thornthwaite,

a

ITKETP ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1016 (3.3)

con: - ETP, evapotraspirazione potenziale media mensile in mm·mese-1;

- 3012dNK ⋅= , coefficiente di irraggiamento del mese, dove:

• N, numero massimo di ore di sole al giorno in funzione della latitudine; • d, numero di giorni del mese;

- T , temperatura media giornaliera del mese in °C;

- ∑∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

514,1

5TiI , indice di calore annuo, somma degli indici di calore mensile i;

- 49239,01019721077110675 52739 +×+×−×= −−− IIIa 3 Definizione adottata dal Bollettino agrometeorologico nazionale, Ufficio centrale di ecologia agraria del MiPAF.



Tab. 3.2. Numero massimo giornaliero di ore di sole secondo la latitudine

Latitud. N Località Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 48 Friburgo 8,8 10,2 11,9 13,7 15,2 16,0 15,6 14,3 12,6 10,8 9,3 8,446 Trento 9,0 10,3 11,9 13,6 15,0 15,7 15,4 14,2 12,6 10,9 9,5 8,744 La Spezia 9,3 10,4 11,9 13,5 14,8 15,5 15,2 14,0 12.5 11,0 9,7 8,942 Cerveteri 9,5 10,5 11,9 13,4 14,6 15,2 14,9 13,9 12,5 11,0 9,8 9,140 Maratea 9,7 10,7 11,9 13,3 14,4 15,0 14,7 13,8 12,5 11,1 10,0 9,438 Trapani 9,8 10,8 12,0 13,2 14,3 14,8 14,5 13,6 12,4 11,2 10,1 9,536 Malta 10,0 10,8 12,0 13,1 14,1 14,6 14,4 13,5 12,4 11,3 10,3 9,734 Golfo di Cabes (Tunisia) 10,1 10,9 12,0 13,0 14,0 14,4 14,2 13,4 12,4 11,3 10,4 9,9

Per un calcolo rapido dell’ETP vedi in internet :http://www.fmulas.net/geologia/evapo/index.php 3.4. Evapotraspirazione reale - ETR 3.4.1. ETR in irrigazione Per evapotraspirazione reale si intende l’ET della coltura in condizioni di rifornimento idri-co naturale (assenza di irrigazione), considerando il solo apporto delle piogge per un suolo con un contenuto d’acqua disponibile medio. 3.4.2. ETR in campo idrologico. Metodo di Thornthwaite-Mather Facendo riferimento ad un bilancio mensile, fintanto che il terreno è alla capacità di campo e la parte della precipitazione che si infiltra nel terreno supera l’evapotraspirazione potenziale, è le-cito ammettere che l’evapotraspirazione reale ETR sia uguale a quella potenziale. Quando però le piogge non compensano l’evapotraspirazione potenziale, l’evapotraspirazione reale è inferiore ed è uguale alla precipitazione efficace più una parte della riserva idrica dello strato superficiale del ter-reno, che si essicca progressivamente fino a quando la pioggia non torna a superare l’evapotraspira-zione potenziale. Il modello di Thornthwaite-Mather si basa su una curva di essiccamento dello strato superficiale del terreno di tipo esponenziale:

RIP

eRIRU∆Σ

= (3.4) dove:

- RU, è la riserva idrica utile dello strato superficiale del terreno; - RI, è la riserva utile massima, corrispondente alla capacità di campo; - ∆P, è la differenza tra i valori mensili della precipitazione P e dell’ETP per P<ETP.

La determinazione dell’ETR può farsi agevolmente con una tabella come quella mostrata di seguito (Tab. 3.3), riferita alla zona di Pisa. Ricavati dagli Annali idrologici i valori medi mensili della temperatura T e della precipita-zione P, si procede al calcolo dell’ETP con Thornthwaite. Nelle righe che seguono si riporta la differenza ∆P=P-ETP, a cui si da il nome di perdita se negativa, e la perdita cumulata. Tramite la 3.4 si calcola la riserva utile RU nel suolo, avendone stabilito il valore massimo RI che dipende dalla capacità di campo e dalla profondità dello strato superficiale del terreno sog-getto all’azione dell’evapotraspirazione. Nel caso in esame RI è stato assunto pari 150 mm, ovvero 1500 m3 ha-1. Successivamente si calcola la variazione mensile di acqua nel terreno ∆RU come dif-ferenza tra valori precedenti e la perdita cumulata Σ ∆RU. Per i mesi in cui l’ETP supera la precipitazione, l’ETR è data dalla somma della precipita-zione e della perdita di riserva idrica del suolo in valore assoluto, P+|∆RU|.



Tab. 3.3. Calcolo dell’ETR media mensile col metodo di Thornthwaite-Mather per la zona di Pisa

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic Temperatura media T °C 8,8 8,9 11,5 13,6 18,2 21,5 24,6 25,4 21,2 16,9 12,4 8,9Precipitazione P mm 56,8 49,0 39,5 79,1 59,1 53,0 6,5 42,0 136,2 162,5 166,7 72,7Evapotrasp. potenziale ETP mm 17,5 18,0 34,4 49,8 90,9 121,8 153,5 150,6 96,7 60,6 30,9 16,9Pioggia netta o Perdita ∆P= P-ETPmm 39,3 31,0 5,1 29,3 -31,8 -68,8 -147,0 -108,6 39,5 101,9 135,8 55,8Perdita cumulata Σ∆P mm 0 0 0 0 -31,8 -100,6 -247,6 -356,1 0 0 0 0Riserva utile nel suolo RU mm 150,0 150,0 150,0 150,0 121,4 76,7 28,8 14,0 53,4 150,0 150,0 150,0Variazione riserva idrica ∆RU mm 0 0 0 0 -28,6 -44,7 -47,9 -14,8 39,5 96,6 0 0Perdita riserva idrica Σ∆RU mm 0 0 0 0 -28,6 -73,3 -121,2 -136,0 -96,6 0 0 0Evapotraspirazione reale ETR mm 17,5 18,0 34,4 49,8 87,7 97,7 54,4 56,8 96,7 60,6 30,9 16,9Deficit idrico DI mm 0 0 0 0 3,1 24,2 99,1 93,7 0 0 0 0Eccedenza idrica mm 39,3 31,0 5,1 29,3 0 0 0 0 0 5,3 135,8 55,8

Con riferimento alla Fig. 3.1, si osservi come la riserva utile di acqua nel terreno si manten-ga al suo valore massimo RI (150 mm) fintanto che le precipitazioni P superano l’ETP. Quando l’ETP prevale sulle piogge, la RU si riduce progressivamente per effetto dell’evapotraspirazione. In settembre la precipitazione torna a superare l’ETP e l’eccesso di acqua P-ETP compensa in parte la perdita accumulata fino a quel momento e la RU torna a salire. In ottobre la differenza P-ETP è maggiore di quella tra RI ed RU9 del mese precedente e quindi la riserva utile torna al suo valore massimo, mentre l’eccedenza defluisce.

La quota di precipitazione che non evapotraspira o che non resta nel terreno per ripristinarne la riserva idrica (eccedenza idrica) produce i deflussi, superficiali o sotterranei. Nel caso in esame i deflussi sono praticamente nulli da maggio a settembre e si riducono sensibilmente nel mese di marzo. 2.4.3. Risorse idriche potenziali e disponibili Le risorse idriche proprie di una regione sono originate dalle precipitazioni. Una parte di queste però è persa per evapotraspirazione o perché si manifesta in forme tali da non poter essere sfruttata. È il caso dei piccoli corsi d’acqua direttamente recapitanti a mare, di cui non è praticamen-te possibile intercettare i deflussi saltuari.

Fig. 3.1. Andamento delle medie mensili di ETR, RU ed eccedenza idrica per la zona di Pisa.

0102030405060708090

100110120130140150160170180

Gen Feb

Mar

Apr

Mag Giu

Lug

Ago Set Ott

Nov Dic

mm

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

mm

Precipitazione ETP ETR Riserva utile nel suolo Eccedenza idrica



Le risolse idriche potenziali, cioè quelle suscettibili di utilizzazione, sono fornite dalla diffe-renza tra le precipitazioni e le suddette perdite, delle quali l’evapotraspirazione è parte preponderan-te. Nell’esempio precedente la precipitazione annua è di 923 mm, ma le sole perdite per evapo-traspirazione valgono 621 mm, il 67% degli afflussi, quindi le risorse idriche potenziali si riducono a poco più di 300 mm. Raramente queste risorse sono distribuite in modo uniforme nel tempo; nel caso di Fig. 3.1 si manifestano come deflussi tra ottobre e aprile normalmente in misura superiore ai fabbisogni. Per avere disponibilità idrica tutto l’anno è necessario che parte delle risorse invernali sia accumulata in volumi di regolazione da cui attingere nei mesi estivi. Gli accumuli naturali sono costituiti dai ghiacciai (accumuli in fase solida), dai laghi, dagli alvei fluviali e dalle falde. Quando i volumi na-turali di regolazione non sono sufficienti bisogna ricorrere alla realizzazione di invasi artificiali, la-ghi e bacini. Le risorse idriche disponibili sono quindi quelle realmente utilizzabili nel momento in cui si verifica la domanda e dipendono oltre che dalle precipitazioni, anche dai volumi di regolazione. Per aumentarne l’entità è necessario aumentare gli accumuli. 4. LA PRATICA IRRIGUA In assenza di apporti naturali il contenuto idrico di un terreno che si trovi alla CC si riduce progressivamente per effetto dell’ETE. Se si vuole garantire alla coltura un buon rifornimento idri-co, si dovrà evitare che l’umidità dello strato utile scenda sotto il punto di intervento PI, attuando

con tempestività l’irrigazione. Som-ministrando il WAL l’umidità del terreno tornerà in breve tempo alla CC per poi scendere nuovamente e risalire all’adacquata successiva, se-condo l’andamento a dente di sega rappresentato in Fig. 4.1. 4.1. Turno Il turno T è il tempo in giorni che separa due interventi irrigui suc-cessivi e vale:

ETEWANT = (4.1)

Proseguendo con l’esempio del § 2.2, se ETo=6 mm·die-1 e Kc=1,1:

dieT 661,1

40=

×=

4.2. Orario L’orario O indicata la durata dell’adacquamento, ovvero il tempo di funzionamento di un settore o di una postazione dell’impianto irriguo. Se Ia è l’intensità di applicazione dell’irrigazione:

Ia

WALO = (4.2)

Figura 4.1. Umidità del terreno per effetto dell’irrigazione

5

10

15

20

25

0 6 12 18 24 30

Giorni

Um

idità

% CCPIPAU



Nel caso dell’esempio di § 2.2, se Ia=8 mm·h-1:

hO 6848

==

Ovviamente T ed O variano durante la stagione irrigua sia perché cambia l’ETE, sia perché cambia con lo sviluppo delle radici lo spessore dello strato utile.

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