Agronomia Generale Fisica del terreno Relazioni acqua-terreno (idrostatica)

Transcript

1 Agronomia Generale Fisica del terreno Relazioni acqua-terreno (idrostatica) Marco Bittelli Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-ambientali (DiSTA) Universita di Bologna

2 Variabili necessarie per definire lo stato dell acqua nel terreno Contenuto idrico Quantità Estensiva e Potenziale idrico Qualità Intensiva Misure correlate volume e contenuto di calore e carica e pressione temperatura voltaggio

3 Potenziale dell acqua Energia necessaria, per unità di peso o volume di acqua, per trasportare una 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-piantaatmosfera L acqua disponibile per la pianta L attività microbica quindi la decomposizione della sostanza organica La germinazione dei semi La nutrizione delle piante

4 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 il punto di congelamento dell acqua.

5 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 Potenziale totale ψ = ψ p + ψ o + ψ m + ψ g p pressione - idrostatica o pneumatica o osmotica soluti m g matriciale (capillari, adsorbimento) gravitazionale - posizione nello spazio

6 Potenziale gravitazionale ψ g = -z g E determinato dall altezza della massa d acqua considerata rispetto ad un piano di riferimento, moltiplicata per l accelerazione gravitazionale. Il piano di riferimento è generalmente la superficie del terreno, oppure la tavola d acqua. E preferibile usare la superficie del terreno, in quanto la posizione della tavola d acqua può cambiare.

7 Potenziale matriciale Determinato dalle forze matriciali che trattengono l acqua nella matrice del suolo. Le forze sono riconducibili ai fenomeni di capillarità e adsorbimento. La curva di ritenzione idrica mette in relazione il potenziale matriciale e il contenuto idrico.

8 Potenziale osmotico Un agricoltore applica 300 kg di NH 4 NO 3 ad un ettaro di terreno (10000 m 2 ). Grazie ad una leggera pioggia, il concime si ridistribuisce uniformemente per una profondita di 0.15 m. La temperatura del suolo e 20 0 C. Il suolo ha una porosita totale (Φ) dello 0.5 m 3 m -3 e, dopo la pioggia, ha un livello di saturazione (Se) dello V = m *0.15 m= 1500 m T θ = Se* ϕ = 0.5*0.5 = kg 1m 1mol 1m mol c = * * * = m 0.25m H O 0.08kg 1000 kg kg 2 Considerando che il peso molecolare dell NH 4 NO 3 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. ψ o mol J J = 0.01 *2*1*8.31 *293.15K = kg molk kg

9 Umidità relativa e potenziale Umidità relativa h r = e (T)/e s (T) Umidità relativa e potenziale dell acqua sono messi in relazione dall equazione di Kelvin Ψ= RT M w ln h r R = costante dei gas T = temperatura M w = peso molecolare dell acqua

10 Potenziale dell acqua nel continuum suolo pianta atmosfera Atmosfera -100 Foglie Xylema Radici Suolo Capacità di Campo (MPa) Punto di Appassimento (MPa)

11 Unità di misura e relazione del potenziale Punto cong. Osmolalità MPa m water rh C mol/kg

12 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

13 Resistenze elettriche Una matrice nota (ceramica) è messa in equilibrio con il suolo La resistenza elettrica è influenzata dal contenuto idrico della ceramica Si conosce la relazione tra contenuto idrico e potenziale della ceramica Economico, poca stabilità, bassa accuratezza. Sensibile ai suoli salini

14 Metodi capacitivi Una matrice nota (ceramica) è messa in equilibrio con il suolo La capacità dielettrica è influenzata dal contenuto idrico della ceramica Stabile e risente poco dei sali nel suolo Non necessita di calibrazione Buona accuratezza da to -0.5 MPa Limitata (al momento) dalla disuniformità delle ceramiche

15 Metodi a dissipazione di calore Misura la conducibilità termica, tramite la dissipazione del calore. Robusto (all interno della ceramica c è una resistenza elettrica che si scalda e due termocoppie) Stabile (non è soggetto alla salinità) Richiede calibrazioni individuali

16 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 (bolle d aria).

17 Piastre a pressione Applicano una pressione (generata di solito da un compressore) Raggiunto l equilibrio alla pressione applicata, il campione viene pesato e quindi determinato il contenuto idrico. Ha problemi di raggiungimento dell equilibrio ad alte pressioni e quindi di affidabilità.

18 Metodi a pressione di vapore Misurano l umidità relativa di una camera stagna, soprastante il campione» Tramite la diminuzione della temperatura di bulbo umido (metodi psicrometrici)» Tramite la determinazione della temperatura di rugiada (metodi a punto di rugiada)

19 Curva di pressione di vapore Esempio: partendo da un campione insaturo (90 % di h r ) ad una temperatura di 20 C, esso raggiunge la saturazione alla temperatura di circa 9 C. La temperatura di 9 C è anche chiamato punto di rugiada. h r = e (T) /e s (T) Ψ= RT M w ln h r e s (T)=0.611*Exp (17.502*T / T) Pressione di vapore (k Pressione di vapore saturo Pressione di vapore insaturo Temperatura (C)

20 Tecnica a punto di rugiada Uno specchio è raffreddato fino al formarsi della rugiada. La temperatura alla quale si forma la rugiada è la temperatura di saturazione, dalla quale si determina il valore iniziale di pressione di vapore. Specchio Optical Sensor Infrared Sensor Campione Ventola Vantaggi Alta accuratezza Misura rapida ~ 5 min. Buona ripetibilità Svantaggi Misure limitate a potenziali intermedi e molto negativi. Effetto dei sali, quindi necessità di separare la componente osmotica

21 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

22 Specifiche del WP4 Range: < 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.

23 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

24 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-h 2 O. Le linee indicano il risultato di una ottimizzazione dell equazione di van Genuchten (1980) e quindi l effetto che queste differenze hanno sulla stima dei parametri idrologici.

25 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-h 2 O) Piastre a pressione nella parte intermedia della curva (potenziali > ~ 50 m-h 2 O) Metodi a punto di rugiada nella parte più secca (potenziali < ~ 50 m-h 2 O).

26 Misura del 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 idrico volumetrico)

27 Metodo gravimetrico Misura del peso di un campione umido (m w ) Measurement of oven dry sample weight (m s ) m l = m w m s, (g/g) w= m l /m s Vantaggi Metodo di riferimento Svantaggi Richiede tempo, limitato numero di campioni Semplice ed economico Indipendente dalla densità apparente. Il suolo è disturbato Il campionamento automatico non è possibile

28 Time Domain Reflectometer (TDR) La permittività dielettrica può essere calcolata dal tempo di attraversamento di un segnale su una linea di trasmissione. V = t s = L t 2L c ε t s L = Tempo di attraversamento (s) = Lunghezza della sonda (m) ε = Permittività dielettrica L 8 1 c = Velocità della luce (3 10 ms )

29

30 1.Tempi di attraversamento in funzione di diversi contenuti idrici del terreno Reflection Coeff Time (ns)

31 1.Derivazione del contenuto idrico dalla permittività dielettrica Empirical Topp s equation (Topp et al., 1980) θ = ε b ε b ε b 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,

32 1.Dielectric Mixing Model (Roth et al. 1990) ε ( f, T ) = dielectric permittivity of the sample ε ( f, T ) = dielectric permittivity of ε ( f, T ) = dielectric permittivity of ε ( f, T ) = dielectric permittivity of soil minerals ε ( f, T ) = dielectric permittivity of θ θ m b a s i w a θ = i φ = = α = α = volumetric water content volumetric air content volumetric ice content porosity geometrical α w water air ice α a ε = θ ε + θ ε + (1 φ) ε + θ ε b w a i parameter ( α = 0.5 random distribution of α s particles) α i 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, , 1990.