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

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1 PIER GINO MEGALE QUADERNI DI IDRAULICA AGRARIA DISPENSE TRATTE DALLE LEZIONI DI IDRAULICA AGRARIA TENUTE PRESSO LA FACOLTÀ DI AGRA- RIA DELL UNIVERSITÀ DI PISA ANNO ACCADEMICO SECONDA EDIZIONE AGGIORNATA PER L ANNO ACCADEMICO

2 Gli studenti della nostra facoltà si lamentano spesso di veder ripetuti 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 sbiadite 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 valutazione 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 pubblicare in rete la dispensa è certamente il sistema di distribuzione più pratico, moderno ed economico.

3 INDICE 1. PRECIPITAZIONI E IRRIGAZIONE 1.1. Precipitazione efficace Formula Soil Conservation Service U.S.D.A 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 Determinazione dell ETo in tempo reale Determinazione dell ETo in fase di progetto 3.2. Evapotraspirazione effettiva - ETE 3.3. Evapotraspirazione potenziale - ETP ETP in irrigazione ETP in campo idrologico 3.4. Evapotraspirazione reale - ETR ETR in irrigazione ETR in campo idrologico. Metodo di Thornthwaite-Mather Risorse idriche potenziali e disponibili 4. LA PRATICA IRRIGUA 4.1. Turno 4.2. Orario 4.3.

4 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 terreno 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 capacità 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 condizioni analoghe a quelle per le quali sono state desunte 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 efficace mensile la seguente formula: 0,824 0,001ETo ( 1,253P 2,935) 10 Peff = fc (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 metro di suolo. Per una profondità radicale di 50 cm equivale pertanto ad una riserva utile di 75 mm (750 m 3 ha -1 ); - P, precipitazione totale mensile in mm; - ETo, evapotraspirazione mensile di riferimento (vedi di seguito) Valutazione speditiva La stima della pioggia efficace serve essenzialmente per valutare in fase di progetto se le risorse 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. Richiami di idrologia dell irrigazione. 1 di 13

5 Peff [mm] apr mag giu lug ago set USDA 3,0 mm Fig Stima della pioggia efficace in Valdinievole con il metodo speditivo e con la formula USDA. Tenuto conto che questa stima si riferisce ai mesi irrigui caratterizzati da scarse precipitazioni e bassa umidità del suolo, si può ammettere che tutta l acqua che si infiltra nello strato utile risulti efficace e che quindi possa essere calcolata decurtando la precipitazione di ciascun evento meteorico della quantità persa per evaporazione ed intercettazione della vegetazione. Gli Annali idrologici forniscono le serie storiche della precipitazione mensile e del relativo numero di giorni piovosi. Assimilando gli eventi meteorici ai giorni piovosi, la pioggia efficace mensile può essere valutata come segue: Peff = P n p (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 meteorico. 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 Valdinievole, 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 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 produttive, 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 irriguo é dato da: Widr Peff Wirr = (1.3) Ei 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 relativi 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 macropori e per metà da micropori (Fig. 2.1). Richiami di idrologia dell irrigazione. 2 di 13

6 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 gravitazionali, l acqua utile per le colture è quella contenuta nei micropori Costanti idrologiche La capacità di campo CC è l umidità del terreno quando è completa la saturazione dei micropori. È la massima umidità che il terreno può avere una volta allontanata l acqua gravitazionale. In questo stato le piante producono il minimo sforzo 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 superi 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 Fig Rappresentazione schematica di un terreno contenuta tra CC e PI si da il nome di acqua facilmente utilizzabile. agrario medio in situ. Come grandezze le costanti idrologiche sono umidità e possono essere misurate in termini di peso U P come rapporto tra il peso di acqua Pa contenuto nel terreno ed il peso apparente del terreno secco Pts, o di volume U W come rapporto tra il volume di acqua Wa ed il volume apparente del terreno Wt. Atteso che: Wa Pa γ ts UW = = = U P γ R ts (2.1) W P γ t ts l umidità del suolo in termini volumetrici è uguale all umidità in termini ponderali per il peso specifico apparente relativo (all acqua) del terreno secco. Per un terreno di medio impasto γ Rts =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 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: a WA N ( CC U ) γ Hr = 0, 1 (2.2) P ts Richiami di idrologia dell irrigazione. 3 di 13

7 con: - WAN, volume specifico netto di adacquamento in m 3 ha -1 ; - CC, capacità di campo in % del peso apparente del terreno secco; - U P, umidità del terreno al momento dell intervento irriguo in % del peso apparente del terreno secco; - γ ts, 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 U P. 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 adacquamento risulta: WA N π = 0,1 1 ( CC PA) γ ts Hr (2.3) 100 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 irriguo 1. Si a- vrà quindi: WA N WAL = (2.4) Ea Esempio Un terreno franco, costituito da 44% di sabbia e 20 % di argilla, abbia le seguenti caratteristiche: - γ ts = 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: 40 WA N = 0, ( 22,8 10,7) ,4 = 389 m ha mm Se l efficienza di adacquamento è dell 82 % = 0,82, il volume lordo di adacquamento è: WAL = = 475 m ha 1 48 mm 0, 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 saturazione 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. Richiami di idrologia dell irrigazione. 4 di 13

8 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 parametri rappresentativi di contenuti idrici analoghi, non esattamente uguali, ma determinabili con maggiore rigore sperimentale. SETTO POROSO CAMPIONE ARIA IN PRESSIONE PP Figura 2.2. Schema della piastra di Richards. Per questo si ricorre alla piastra di Richards, schematicamente illustrata in Fig. 2.2, che basa il suo funzionamento sul fenomeno della capillarità. Un setto poroso a bassissima permeabilità completamente saturato di acqua separa due camere: quella inferiore a pressione atmosferica è piena di acqua in continuità col setto; quella superiore 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 idraulica, 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 matriciale 2 PP = 0,3 bar; - PA, l umidità nel terreno corrispondente alla tensione matriciale PP = 15 bar 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 decresce 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 I m sia minore della velocità d infiltrazione, per evitare fenomeni di ruscellamento, causa di disuniformità di distribuzione dell acqua e nei casi più gravi di erosione superficiale: I m Vf (2.5) Figura 2.3. Infiltrometro a doppio cilindro. 2 PP è la pressione nella camera superiore, la tensione matriciale si esprime in termini negativi, -PP. Richiami di idrologia dell irrigazione. 5 di 13

9 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 sulle piante, bensì sul contenuto idrico del terreno. Il terreno pertanto va visto come un serbatoio di capacità massima pari al volume complessivo dei micropori contenuti nello strato utile, che viene rifornito dalle precipitazioni o dalle irrigazioni e da cui a loro volta si alimentano le piante. La Fig. 2.4 rappresenta in maniera allegorica il meccanismo dell irrigazione 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 entra, l acqua che tracima si perde fuori del serbatoio. Allo stesso modo se l intensità di pioggia supera la velocità di infiltrazione, l acqua defluisce superficialmente e non raggiunge lo strato utile. Il volume del serbatoio compreso tra il bordo ed il troppopieno interno rappresenta il volume dei macropori, occupato solo temporaneamente da acqua che si perde oltre lo strato utile per percolazione gravitazionale. La quota del troppopieno definisce il volume massimo che può essere contenuto utilmente dal serbatoio ovvero il contenuto idrico del terreno alla CC. L acqua che resta nel serbatoio Figura 2.4. Allegoria dell irrigazione. al disotto del rubinetto non è disponibile, così come non lo è il contenuto idrico 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 gravoso, 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 complesso 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. Richiami di idrologia dell irrigazione. 6 di 13

10 - 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 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 parametro meteorologico influenzato esclusivamente dai fattori climatici. La coltura standard è stata individuata in un prato di graminacea, un prato di festuca, coltivato: - 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 sperimentale e dalle condizioni di prova. Per di più allo stesso termine evapotraspirazione potenziale vengono 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 regolarità. 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 riferimento, ETo 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 velocità 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 Determinazione dell ETo in fase di progetto In fase di progetto, per determinare il fabbisogno irriguo dell area d intervento e per dimensionare 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 sufficientemente 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. Richiami di idrologia dell irrigazione. 7 di 13

11 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 soltanto che fornisce risultati molto approssimativi. Si richiama invece la meno popolare formula di Hargreaves-Samani (1985), per altro utilizzata 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. ETo = C Ra ( T + 17, 8) T M Tm (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; - T M, temperatura massima del giorno in C; - T m, 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 N di Lampedusa e 47 N di Pratomagno in Valle Aurina (BZ). Pisa si trova alla latitudine di N. In Tab. 3.1 sono riportati i valori di Ra per latitudini comprese tra 34 e 48 N. Tab 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 3,6 46 Trento 4,6 6,9 9,9 13,4 16,0 17,1 16,6 14,4 11,2 7,8 5,1 4,0 44 La Spezia 5,1 7,3 10,3 13,7 16,0 17,1 16,6 14,7 11,6 8,3 5,7 4,5 42 Cerveteri 5,6 7,8 10,7 13,9 16,1 17,1 16,7 14,8 11,9 8,7 6,2 5,1 40 Maratea 6,1 8,3 11,1 14,2 16,2 17,1 16,7 15,0 12,2 9,2 6,7 5,6 38 Trapani 6,6 8,8 11,5 14,4 16,3 17,1 16,7 15,1 12,5 9,6 7,1 6,0 36 Malta 7,1 9,2 11,8 14,6 16,3 17,0 16,7 15,3 12,9 10,0 7,6 6,6 34 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, Evapotraspirazione effettiva - ETE L evapotraspirazione effettiva di una coltura, ETE, ne rappresenta il consumo idrico in condizioni 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 influenzato dalle caratteristiche ambientali e dalla tecnica colturale: ETE = Kc ETo (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 pubblicazione prende in considerazione l ETE in condizioni diverse da quelle, diciamo così, standard, quali Richiami di idrologia dell irrigazione. 8 di 13

12 quelle sotto stress idrico, per vegetazione spontanea, per diverse tecniche colturali ed al di fuori della stagione produttiva Evapotraspirazione potenziale - ETP 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 ottimale 3, 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 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 verifica quando lo sviluppo della vegetazione è il migliore ed il contenuto idrico del terreno è permanentemente alla capacità di campo. Si tratta pertanto del limite superiore della quantità di acqua che realmente 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 coperto da vegetazione nelle migliori condizioni. Si deve comunque rilevare che l incidenza delle zone 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 10T ETP = 16 K (3.3) I con: - ETP, evapotraspirazione potenziale media mensile in mm mese -1 ; N d - K =, 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; 1,514 T - I = i =, indice di calore annuo, somma degli indici di calore mensile i; a = I I I + 0, Definizione adottata dal Bollettino agrometeorologico nazionale, Ufficio centrale di ecologia agraria del MiPAF. Richiami di idrologia dell irrigazione. 9 di 13

13 Tab 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 8,4 46 Trento 9,0 10,3 11,9 13,6 15,0 15,7 15,4 14,2 12,6 10,9 9,5 8,7 44 La Spezia 9,3 10,4 11,9 13,5 14,8 15,5 15,2 14, ,0 9,7 8,9 42 Cerveteri 9,5 10,5 11,9 13,4 14,6 15,2 14,9 13,9 12,5 11,0 9,8 9,1 40 Maratea 9,7 10,7 11,9 13,3 14,4 15,0 14,7 13,8 12,5 11,1 10,0 9,4 38 Trapani 9,8 10,8 12,0 13,2 14,3 14,8 14,5 13,6 12,4 11,2 10,1 9,5 36 Malta 10,0 10,8 12,0 13,1 14,1 14,6 14,4 13,5 12,4 11,3 10,3 9,7 34 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 : Evapotraspirazione reale - ETR ETR in irrigazione Per evapotraspirazione reale si intende l ET della coltura in condizioni di rifornimento idrico naturale (assenza di irrigazione), considerando il solo apporto delle piogge per un suolo con un contenuto d acqua disponibile medio 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 lecito 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 terreno, che si essicca progressivamente fino a quando la pioggia non torna a superare l evapotraspirazione potenziale. Il modello di Thornthwaite-Mather si basa su una curva di essiccamento dello strato superficiale del terreno di tipo esponenziale: RU = RI e (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 precipitazione 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 soggetto all azione dell evapotraspirazione. Nel caso in esame RI è stato assunto pari 150 mm, ovvero 1500 m 3 ha -1. Successivamente si calcola la variazione mensile di acqua nel terreno RU come differenza 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 precipitazione e della perdita di riserva idrica del suolo in valore assoluto, P+ RU. Σ P RI Richiami di idrologia dell irrigazione. 10 di 13

14 Tab 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 8,9 Precipitazione P mm 56,8 49,0 39,5 79,1 59,1 53,0 6,5 42,0 136,2 162,5 166,7 72,7 Evapotrasp. 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 16,9 Pioggia 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 55,8 Perdita cumulata Σ P mm ,8-100,6-247,6-356, Riserva utile nel suolo RU mm 150,0 150,0 150,0 150,0 121,4 76,7 28,8 14,0 53,4 150,0 150,0 150,0 Variazione riserva idrica RU mm ,6-44,7-47,9-14,8 39,5 96,6 0 0 Perdita riserva idrica Σ RU mm ,6-73,3-121,2-136,0-96, Evapotraspirazione 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 16,9 Deficit idrico DI mm ,1 24,2 99,1 93, Eccedenza idrica mm 39,3 31,0 5,1 29, ,3 135,8 55,8 Con riferimento alla Fig. 3.1, si osservi come la riserva utile di acqua nel terreno si mantenga 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 RU 9 del mese precedente e quindi la riserva utile torna al suo valore massimo, mentre l eccedenza defluisce Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic mm mm Precipitazione ETP ETR Riserva utile nel suolo Eccedenza idrica Fig Andamento delle medie mensili di ETR, RU ed eccedenza idrica per la zona di Pisa. 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 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 praticamente possibile intercettare i deflussi saltuari. Richiami di idrologia dell irrigazione. 11 di 13

15 Le risolse idriche potenziali, cioè quelle suscettibili di utilizzazione, sono fornite dalla differenza tra le precipitazioni e le suddette perdite, delle quali l evapotraspirazione è parte preponderante. Nell esempio precedente la precipitazione annua è di 923 mm, ma le sole perdite per evapotraspirazione 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 naturali di regolazione non sono sufficienti bisogna ricorrere alla realizzazione di invasi artificiali, laghi 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 idrico, si dovrà evitare che l umidità dello strato utile scenda sotto il punto di intervento PI, attuando con tempestività l irrigazione. Somministrando il WAL l umidità del 25 terreno tornerà in breve tempo alla CC per poi scendere nuovamente e 20 risalire all adacquata successiva, secondo l andamento a dente di sega CC PI rappresentato in Fig Umidità % Giorni Figura 4.1. Umidità del terreno per effetto dell irrigazione PA U Proseguendo con l esempio del 2.2, se ETo=6 mm die -1 e Kc=1,1: 4.1. Turno Il turno T è il tempo in giorni che separa due interventi irrigui successivi e vale: WAN T = (4.1) ETE 40 T = = 6 1,1 6 die 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: WAL O = (4.2) Ia Richiami di idrologia dell irrigazione. 12 di 13

16 Nel caso dell esempio di 2.2, se Ia=8 mm h -1 : 48 O = = 6 8 h 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. Richiami di idrologia dell irrigazione. 13 di 13