L'impiego di modelli matematici nella gestione dell'irrigazione

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1 Seminario su: "Metodologie di valutazione dei fabbisogni irrigui a scala aziendale e comprensoriale" - Taormina (ME) novembre 2008 L'impiego di modelli matematici nella gestione dell'irrigazione Alessandro Santini Università degli Studi di Napoli "Federico II"

2 Importanza della zona non satura Plant transpiration Irrigation Soil evaporation Rain Infiltration Runoff Groundwater flow Percolation Water uptake by roots Capillary rise

3 infiltrazione e ridistribuzione Rilievi lungo la profondità al variare del tempo Rilievi nel tempo a diverse profondità θ -1m ~ θ -3m ~

4 Modello statico irrigazione o pioggia ruscellamento infiltrazione immagazzinamento superficiale acqua gravitazionale capacità di campo acqua disponibile punto di appassimento acqua non disponibile drenaggio Acqua disponibile = Capacità di campo Punto di appassimento AD = θ CIC θ PA

5 Il suolo evolve e si sviluppa per effetto di complesse interazioni tra diversi fattori, tra cui: il clima la geologia l orografia gli agenti atmosferici ed antropici la biologia il tempo i processi di trasporto

6 A Suoli stratificati: A = a tessitura grossolana B = a tessitura fine B B A

7 Prova di campo Infiltrazione Ridistribuzione

8 Prova di campo Prova di ridistribuzione in un profilo di suolo stratificato Misura dei contenuti d acqua con sonda a neutroni θ z (cm) 50 t= 1 d t= 4 d t= 8 d t= 15 d t= 27 d t= 42 d

9 Processo di ridistribuzione Soil Water Content, θ z = 30 cm z = 45 cm z = 60 cm z = 75 cm Soil Water Storage, W t (cm) average value Time, t (days) Time, t (days)

10 Flusso idrico a diverse profondità

11 Evoluzione del concetto di acqua disponibile

12 Evoluzione dello stress idrico 1.25 TR /TR max silt loam soil TR /TR max pepper crop pepper crop, TRmax=6.0 mm/day pepper crop, TRmax=3.2 mm/day bean crop, TRmax=6.0 mm/day bean crop, TRmax=3.2 mm/day Soil Water Availability Indicator, τ S /τ S * sand, TRmax= 3.2 mm/day sand, TRmax= 6.0 mm/day sandy loam, TRmax= 3.2 mm/day sandy loam, TRmax= 6.0 mm/day silt loam, TRmax= 3.2 mm/day silt loam, TRmax= 6.0 mm/day Soil Water Availability Indicator, τ S /τ S *

13 Evoluzione degli impianti aziendali

14 In azienda le tecniche di irrigazione si devono integrare con tutte le operazioni aziendali e devono evitare il degrado del suolo e lo spreco dell acqua, dei nutrienti e dell energia

15 Modelli dinamici

16 Continuum suolo-pianta-atmosfera

17 Equazioni del moto dell acqua nel suolo Approccio Macroscopico

18 Soluzione dell equazione del moto ( ) h K h h + 1 z C ( h) = S, t z ( h z) Per condizioni di campo l equazione può essere risolta solo ricorrendo a tecniche numeriche Le soluzioni numeriche richiedono la conoscenza di: Funzione di ritenzione θ(h) Funzione di conducibilità K(θ) Funzione di estrazione radicale S(h,z) Condizioni iniziali Condizioni al contorno

19 Proprietà idrauliche del suolo suolo argilloso 0.6 θ 0.4 suolo sabbioso 0.2 suolo sabbioso 1.E+02 K (cm/h) 1.E h (cm) suolo argilloso 1.E-02 1.E-04 1.E-06 1.E h (cm) 10 1

20 Curve di ritenzione z = 5-15 cm z = cm wetting θ s =0.421 θ r =0.176 α= m= drying θ s =0.421 θ r =0.271 α= m= X 4 z= θ (cm 3 /cm 3 ) wetting θ s =0.421 θ r =0.051 α= m= drying θ s =0.421 θ r =0.000 α= m=0.342 X 4 z= θ(ψ) ψ (cm) ψ (cm) 0.300

21 Database dei suoli nel mondo Database Instituzione # pedons Contatto Amazonia Emprapa (Brasil)/ Woods Hole Res. Centr 1153 D. Nepstad Canada Canadian Forest 1462 M.J. Apps Service IGBP DIS Data and Information Variable - System (IGBP) NSCD USDA >21000 E. Benham WISE ISRIC 4350 N.H. Batjes HYPRES Alterra 5521 J.H.M. Wosten SoilProp Dipartimento DIAAT UNINA 1500 N. Romano

22 Modelli di attingimento radicale

23 Schema di attingimento radicale del modello POLICORO

24 Modello POLICORO (pianta)

25 Modello POLICORO (atmosfera)

26

27 Meccanismo di chiusura stomatica

28 Potenziali dell acqua nel suolo e nella pianta

29 Evaporazione e Traspirazione

30 Evoluzione degli attingimenti radicali

31 Schematizzazione dei processi Modello SWAP (Feddes) Atmosphere Rain/Irrigation Interception Plant Unsaturated zone Transpiration Soil evaporation Surface runoff Surface waters Saturated zone Seepage/ Percolation Deep Groundwater Drainage/ Sub-irrigation Flow / transport of: soil water soil heat solutes Influenced by: hysteresis soil spatial variability water repellency shrinkage cracks Drainage/ Sub-irrigation

32 Attingimenti radicali Modello SWAP (Feddes) Root length density L root (cm cm -3 ) Potential root water extraction rate S p (d -1 ) Actual root water extraction rate S (d -1 ) z See Feddes et al., Bulletin American Meteorological Society 82(12): = root Sp() z T 0 p 0 D root D p root L () z L () z z root S z = T p Sz () =α S() z rw p

33 Funzioni di riduzione per stress idrici e salini 1.0 T low α rw 1.0 α rs T high 0.0 h 4 h 3l h 3h h 2 h 1 Soil water pressure head EC slope 0.0 EC max Soil water electrical conductivity Actual root water uptake: S a ( z) =α α S ( z) rw rs p

34 Modelli di crescita colturale LAI T a /T p

35 Integrazione di Modelli, GIS e Telerilevamento Telerilevamento: alta risoluzione spaziale Modelli: alta risoluzione temporale GIS + Osservazione della Terra + modelli u z = ln k z0m ( ) * u z T 0 m T S R A R RS X θ(z,t) T C v(x,y,t)