Mirko Castellini, Domenico Ventrella, Luisa Giglio, Enza Di Giacomo

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1 Atti Progetto AQUATER, Bari, 31 ottobre 2007, DETERMINAZIONE DELLE PROPRIETÀ IDRAULICHE DEL SUOLO: INTEGRAZIONE DEL METODO DELL EVAPORAZIONE CON L INFILTROMETRO A TENSIONE Mirko Castellini, Domenico Ventrella, Luisa Giglio, Enza Di Giacomo CRA - Unità di Ricerca per i Sistemi Colturali degli Ambienti caldo-aridi. Bari Introduzione La determinazione delle proprietà idrauliche del suolo, come le curve di ritenzione e di conducibilità idraulica, è di fondamentale importanza per la simulazione dei fenomeni connessi con i flussi di acqua e soluti all interno del terreno. Diverse problematiche di carattere agrario ed ambientale presuppongono la conoscenza delle suddette proprietà: progettazione degli impianti di irrigazione e di drenaggio; gestione razionale dei comprensori irrigui e di bonifica; studio della ricarica delle falde acquifere o delle problematiche legate al movimento degli inquinanti; valutazione della qualità dei suoli, in relazione alle pratiche agronomiche; impiego di modelli agro-idrologici fisicamente basati. Da queste considerazioni si comprende l importanza che le suddette proprietà rivestono nell ambito dell agro-idrologia. L interesse degli studi è indirizzato infatti, ora più che mai, verso l individuazione di metodologie che consentono di valutare simultaneamente ed a partire da un unico esperimento, le proprietà idrauliche del terreno, possibilmente in maniera rapida ed accurata. Numerosi sono i metodi disponibili attualmente per la determinazione delle proprietà idrauliche del suolo. In generale, la conducibilità idraulica, K, può essere misurata sia in pieno campo che in laboratorio, in quest ultimo caso utilizzando per lo più campioni di suolo indisturbato. La ritenzione idrica viene usualmente determinata solamente in laboratorio mediante metodi tensiometrici e pressiometrici. Nessuno approccio metodologico può essere considerato ideale, cioè non affetto da imprecisioni e/o complicazioni sperimentali. La scelta del metodo più adatto presuppone un analisi dei diversi fattori caratterizzanti il metodo stesso, quali la sua applicabilità ed accuratezza, la precisione richiesta in relazione alle finalità dello studio, la durata della prova, il costo delle misure, l intervallo di potenziali applicabili. Nel presente lavoro si esporranno i primi risultati ottenuti, per un suolo medio sabbioso, dall applicazione di una metodologia integrata che prevede l esecuzione di prove di infiltrazione idrica con l infiltrometro a tensione (IT) e di evaporazione, su campioni indisturbati di suolo, per la caratterizzazione idraulica dei suoli monitorati nell ambito del progetto AQUATER. Gli obiettivi del lavoro, che si riferisce alla sola azienda denominata Felifonte, sono i seguenti: i) determinare le proprietà idrauliche del suolo col metodo dell evaporazione, per l utilizzo nei modelli agro-idrologici; ii) testare la validità della procedura sperimentale integrata proposta, ovvero dei metodi dell evaporazione e del gradiente unitario del potenziale (UHG) utilizzando l IT; iii) valutare il miglioramento apportato ai risultati dall utilizzo del metodo UHG.

2 124 Materiali e metodi Campionamento La fase di campionamento ha riguardato tutte le aziende monitorate nell ambito del progetto AQUATER. In ciascuna azienda sono stati prelevati campioni indisturbati di suolo per mezzo di anelli campionatori cilindrici in acciaio, dotati di bordo tagliente (D=8.5 cm ed H=12 cm) e di 3 fori laterali per l inserimento delle capsule tensiometriche ed utilizzati per le prove di evaporazione. Ulteriori 2 tipologie di campioni indisturbati sono stati prelevati nello strato superficiale di suolo, per la determinazione della curva di ritenzione (D=8 cm ed H=5 cm) e della densità apparente del suolo (D=5 cm ed H=5 cm). Dal punto di vista della tessitura, il suolo dell azienda Felifonte è classificato come medio sabbioso (USDA). Metodo dell evaporazione Il metodo dell evaporazione o di Wind (Wind, 1968) è un metodo relativamente speditivo che consiste nel sottoporre un campione di suolo indisturbato, inizialmente saturo, ad un processo di evaporazione forzato (mediante l utilizzo di un ventilatore), monitorando nel corso della prova sperimentale sia il peso del campione che il potenziale matriciale a diverse quote. Il metodo consente di ottenere, simultaneamente, misure di ritenzione idrica e di conducibilità idraulica in un range di potenziali matriciali compresi tra la condizione di suolo quasi-saturo e valori di h 600 cm circa, in funzione delle differenti tipologie di tessitura dei suoli. Il metodo può essere applicato su campioni di suolo con proprietà idrauliche omogenee. Assumendo trascurabile il potenziale osmotico, h o, e quello pneumatico, h pn, il flusso idrico può essere descritto mediante una forma generalizzata dell equazione di Darcy: h h h p hm v = K( hm ) = K( hm ) + 1 = K( hm ) + 1 [1] z z z dove v indica la densità di flusso (cm g -1 ), K(h m ) la conducibilità idraulica (cm g -1 ) funzione del potenziale matriciale h m (cm), h h il potenziale idraulico (cm), h p il potenziale di pressione (cm) e z (cm) l altezza geometrica (positiva verso l alto). In particolare, si assume che il campione cilindrico possa essere suddiviso in n comparti (n 2) intorno a ciascuna capsula tensiometrica. Il potenziale matriciale, h m, ed il contenuto idrico, in tal caso, vengono assunti costanti all interno del comparto, ed il flusso nullo al contorno inferiore. Il metodo dell evaporazione è largamente adottato poiché presenta numerosi vantaggi applicativi: i. da un unico esperimento si ottengono le proprietà idrauliche dei suoli, quali curva di ritenzione e conducibilità idraulica; ii. il set-up dell esperimento è relativamente semplice; iii. può essere applicato a campioni di diversa geometria; iv. l esperimento può anche essere condotto in ambiente controllato così da simulare le naturali condizioni di evaporazione; v. è un metodo che è stato largamente testato e verificato;

3 125 vi. la procedura sperimentale è stata standardizzata (ISO, 2004). In maniera analoga ad altri metodi, presenta alcuni difetti e limitazioni che vengono di seguito riportati: i. la conducibilità idraulica prossima alla saturazione non può essere misurata correttamente quando i gradienti del potenziale idraulico tra i comparti sono piccoli; ii. dà conto delle proprietà idrauliche dei suoli dedotte soltanto in fase di esaurimento; iii. può essere applicato su campioni di suolo con proprietà idrauliche omogenee; iv. il range di variazione dei potenziali di pressione esplorato dipende dalla efficienza del sistema di misura del potenziale e dal valore di entrata dell aria all interno delle capsule tensiometriche (h 600 cm circa). Una condizione di piccoli gradienti di h misurati all interno dei comparti pertanto, determina un elevato grado di scattering delle misure di K (Tamari et al., 1993; Halbertsma e Veerman, 1994; Wendroth and Simunek, 1998). Da un punto di vista pratico, infatti, quando nella fase iniziale della prova di evaporazione non si instaurano condizioni di sufficiente gradiente del potenziale matriciale tra i diversi comparti in cui si suppone suddiviso il campione di suolo, le misure ottenute in prossimità della saturazione idrica, risultano estremamente variabili e praticamente inutilizzabili ai fini della successiva procedura di regressione non lineare dei dati. Tale inconveniente, che si verifica sempre all inizio della prova sperimentale, poiché è opportuno che il campione di suolo sia uniformemente insaturo (h 20 cm circa), può essere superato sostituendo tali valori di K con nuove misure (Wendroth and Simunek, 1998), avvalendosi in tal caso di metodologie sperimentali che conducono a risultati più accurati (metodo UHG). Il metodo dell evaporazione, inoltre, prevede una procedura di calcolo che può essere suddivisa in due parti distinte: una prima parte iterativa per il calcolo di h m (θ) ed una seconda in cui vengono determinate le relazioni K(h m ) e K(θ). Il software METRONIA vers (Halbertsma and Veerman, 1994) è stato utilizzato per ottenere le coppie di misure θ(h) e K(h) ad ogni intervallo di tempo. Il software RETC (van Genuchten et al., 1991) è stato poi utilizzato per effettuare, simultaneamente, una regressione non lineare delle coppie di misure θ(h) e K(h) precedentemente ottenute. Le proprietà idrauliche del suolo sono state descritte con il modello parametrico di Mualem-van Genuchten, MVG (van Genuchten, 1980): θ θ 1 r Θ = = [2] n θ m s θ r (1 + αh ) 2 m K K s [3] 0.5 1/ m ( Θ) = Θ ( 1 Θ ) 1 dove θ r e θ s [cm 3 cm -3 ] sono rispettivamente il contenuto idrico residuo ed a saturazione, K s [LT -1 ] è la conducibilità idraulica alla saturazione, α [cm -1 ], n [-] ed m (=1-1/n) [-], sono parametri empirici. Nell indagine sperimentale sono stati utilizzati i campionatori cilindrici con D=8.5 cm ed H=12 cm, entrambi dotati di 3 fori laterali disposti lungo un unica direttrice, per l inserimento delle capsule tensiometriche (partendo dal bordo inferiore: tens1=2 cm;

4 126 tens2=6 cm; tens3=10 cm). Trasduttori di pressione del tipo ad ago (SDEC, Francia) sono stati utilizzati per monitorare il potenziale matriciale. La prova di evaporazione è stata condotta avvalendosi di un sistema di acquisizione automatica delle misure di potenziale matriciale e di peso del campione, con acquisizioni ogni 30 minuti. Le capsule tensiometriche sono state fissate con del gesso a presa rapida ed il contorno inferiore del campione è stato sigillato con del silicone, per evitare l evaporazione dalla base dello stesso. Il flusso di evaporazione forzata, che è stato ottenuto con un ventilatore, è stato mantenuto costante durante l intera durata dell esperimento. Su ciascun campione di suolo la prova di evaporazione è stata effettuata dopo aver condotto le prove di infiltrazione con l IT; in ogni caso, essa è stata avviata non prima di aver accertato le condizioni di gradiente unitario di H all interno del campione. Metodo del gradiente unitario del potenziale La conducibilità idraulica prossima alla saturazione, è stata determinata in laboratorio su campioni indisturbati, applicando il metodo del gradiente unitario del potenziale totale, UHG. Il metodo UHG consente di ottenere la K in condizioni di stazionarietà del flusso idrico e di gradiente unitario del potenziale totale. L ipotesi di gradiente unitario del potenziale totale equivale ad ipotizzare che il flusso all interno del campione avvenga in condizione di uniforme insaturazione (h=costante), per effetto quindi del solo gradiente del potenziale gravitazionale. Imponendo una condizione di potenziale matriciale costante alle due estremità del campione mediante due setti porosi, la condizione di gradiente unitario si determina allorquando la densità di flusso idrico assume valori costanti. In tal caso, la densità di flusso misurata è pari alla conducibilità idraulica corrispondente al potenziale imposto (Bagarello et al., 2007). Si ha infatti: Figura 1. Immagine schematica della installazione sperimentale utilizzata per effettuare le prove di infiltrazione con il metodo UHG. dh q s = K = K( h) [4] dz

5 127 dove q s rappresenta il valore stazionario della densità di flusso idrico di infiltrazione (LT -1 ), K è la conducibilità idraulica (LT -1 ), H indica il potenziale idrico totale (L), z è il potenziale gravitazionale (L), e il segno negativo indica che il flusso avviene in direzione opposta a quella in cui cresce il potenziale totale. La suddetta condizione può pertanto ragionevolmente considerarsi verificata quando il flusso di infiltrazione assume una condizione di stazionarietà, così come verificata secondo gli usuali criteri. A tale scopo, è stata predisposta un apposita installazione sperimentale, come rappresentato in maniera schematica in figura 1. In particolare, essa è costituita da un imbuto filtrante dotato di piastra porosa con potenziale di entrata dell aria, P a, pari a circa -40 cm. L imbuto è idraulicamente collegato ad uno sfioro, consentendo così di impostare un prefissato valore del potenziale di pressione alla base del campione stesso. Sulla superficie del campione, il potenziale di pressione viene imposto mediante l utilizzo dell IT, impiegando un disco di diametro pari al diametro dell anello campionatore (Bagarello et al., 2007). La determinazione della conducibilità idraulica corrispondente al potenziale imposto, K(h), viene effettuata quando si perviene alla condizione di stazionarietà del flusso idrico per fissato potenziale, poiché tale condizione implica il raggiungimento del gradiente unitario del potenziale totale. Nella presente indagine sperimentale, tuttavia, non è stato monitorato il valore del potenziale matriciale all interno del campione. Come verificato in precedenti indagini sperimentali infatti (Bagarello et al., 2007), una adeguata durata di ciascun transitorio di infiltrazione (circa 24 ore per i valori più bassi di h) conduce, con un buon grado di approssimazione, a condizioni stazionarie del potenziale matriciale. Per le prove di infiltrazione è stata adottata una sequenza decrescente di quattro valori del potenziale di pressione, h 0 = -(1, 3, 7.5 e 15) cm. I campioni indisturbati di suolo sono stati posti sul setto poroso dell imbuto e preventivamente equilibrati al primo della sequenza (h 0 = -1 cm). Procedura di ottimizzazione dei parametri Nell ambito della procedura di regressione non lineare con RETC, al fine di valutare il miglioramento apportato dall introduzione di misure ausiliarie di conducibilità idraulica prossima alla saturazione, sono stati adottati tre diversi criteri di ottimizzazione dei parametri che figurano nel modello MVG: C1: fitting delle sole misure di θ e di K ottenute col metodo di Wind e stima di tutti i parametri del modello MVG; C2: come per il caso C1, imponendo la conducibilità idraulica alla saturazione, K s, ad un valore reperibile in letteratura per suoli di uguale tessitura (van Genuchten et al., 1991) che, per un suolo medio sabbioso è pari a 106 cm giorno -1 ; C3: come per il caso C2, ma fissando K s pari al valore misurato con l IT e corrispondente al potenziale h = -1 cm. I risultati ottenuti sono stati analizzati calcolando l errore medio (ME), l errore massimo (MXE), e l errore quadratico medio (RMSE) fra valori di θ(h) e K(h) stimati e misurati nel corso degli esperimenti di evaporazione e di infiltrazione. Risultati

6 128 Nelle figure 2 e 3, si riporta l andamento temporale del potenziale matriciale e del contenuto idrico volumetrico (asse secondario delle ordinate), per i due esperimenti denominati rispettivamente M14 ed M15. Dal confronto dei due diagrammi si evince che la condizione di elevato gradiente all interno dei tre settori è stata ottenuta in maniera adeguata soltanto per il primo esperimento (M14) M h (cm) theta (cm 3 cm -3 ) tens basso tens medio tens alto theta tempo (giorni) Figura 2. Andamento temporale del potenziale matriciale, h, e del contenuto idrico volumetrico, theta (asse secondario delle ordinate), per la prova M M h (cm) tens medio tens basso tens alto theta theta (cm 3 cm -3 ) tempo (giorni) Figura 3. Andamento temporale del potenziale matriciale, h, e del contenuto idrico volumetrico, theta (asse secondario delle ordinate), per la prova M15.

7 129 A circa un giorno dall inizio della prova infatti, è già possibile individuare un evidente gradiente di h sia nella metà inferiore del campione che in quella superiore. Per il secondo esperimento (M15), simili condizioni sono state ottenute soltanto nella metà superiore del campione (dopo circa giorni dall inizio della prova) poiché in quella inferiore, l andamento temporale della differenza di potenziale è risultata praticamente costante sino al termine della prova sperimentale. In tal condizioni, le misure di K ottenute risultano mediamente più imprecise e caratterizzate da un maggior grado di scattering (Fig. 5 e Tab. 2). Tabella 1. Contenuto idrico volumetrico misurato all inizio, θ i, ed al termine, θ f, delle prove di evaporazione, oltre alla densità apparente, Bd. Campione M14 M15 θ i (cm 3 cm -3 ) θ f (cm 3 cm -3 ) Bd (g cm -3 ) Nella tabella 1 sono riportati i contenuti idrici volumetrici misurati all inizio ed al termine dei due esperimenti, oltre alla densità apparente dei campioni di suolo. Nelle figure 4 e 5 invece si riportano, per le suddette prove M14 ed M15, le curve di conducibilità idraulica e di ritenzione ottenute col metodo di Wind. Nel diagramma inerente alla conducibilità idraulica inoltre, sono riportate le misure di infiltrazione ottenute con l IT. In entrambi i casi considerati, le misure ausiliarie sono risultate estremamente utili per il miglioramento del risultato finale (Tab. 2). Negli stessi diagrammi sono stati considerati i tre diversi criteri di ottimizzazione dei parametri considerati. Nel primo caso (C1), la regressione non lineare delle misure di conducibilità e di ritenzione è stata effettuata sulle sole misure ottenute col metodo di Wind, quindi per valori di h cm; nel secondo caso (C2), è stato utilizzato un valore tabellare di K s (con K s = 106 cm d -1 ; suolo medio sabbioso); nel caso 3 (C3) infine è stato utilizzato un valore prossimo alla saturazione (h=-1 cm) misurato con l IT. Nella tabella 2 sono riportati, per ciascuno dei 3 casi considerati, i tre indici statistici quali RMSE, ME e MXE calcolati tra le misure sperimentali e le stime ottenute nel corso della procedura di regressione non lineare con RETC. L utilizzo delle misure di K ottenute con l infiltrometro a tensione ha prodotto un evidente miglioramento rispetto alle altre procedure più speditive adottate (Tab. 2). In particolare, in termini di conducibilità idraulica e per entrambe le prove effettuate, sia l RMSE, che il ME che il MXE sono risultati più bassi con C3 rispetto agli altri due casi. In termini di ritenzione il miglioramento è meno evidente, anche per il fatto che gli errori commessi sono in ogni caso molto bassi e probabilmente trascurabili in tutti i casi. Fa eccezione il caso C1 della prova M15 in cui sia la K(h) che la θ(h) sono risultate inadeguate.

8 SUOLO FELIFONTE (M14) K (h) (cm day -1 ) Observ Wind Observ TI (UHG) C1_Solo K Wind C2_Ks=Sandy Loam C3_Ks=TI h (cm) SUOLO FELIFONTE (M14) theta (cm 3 cm -3 ) Observ wind C1_Solo K Wind C2_Ks=Sandy Loam C3_Ks=TI h (cm) Figura 4. Curva di conducibilità idraulica e di ritenzione idrica ottenuta col metodo di Wind per il campione M14.

9 SUOLO FELIFONTE (M15) K (h) (cm day -1 ) Observ Wind Observ TI (UHG) C1_Solo K Wind C2_Ks=Sandy Loam C3_Ks=TI h (cm) theta (cm 3 cm -3 ) SUOLO FELIFONTE (M15) Observ wind C1_Solo K Wind C2_Ks=Sandy Loam C3_Ks=TI h (cm) Figura 5. Curva di conducibilità idraulica e di ritenzione idrica ottenuta col metodo di Wind per il campione M15. In tabella 3 sono riportati i parametri del modello di MVG ottenuti con RETC, per ciascun campione e per i tre casi, mentre in figura 6 è riportato il confronto delle due curve di conducibilità idraulica, con indicazione della curva interpolante corrispondente al caso C3.

10 132 Tabella 2. Prospetto riepilogativo degli indici statistici calcolati a partire dalle misure e dalle stime di conducibilità idraulica e ritenzione idrica, per i due campioni M14 ed M15 (unità di misura in cm d -1 ). M14 Conducibilità idraulica Ritenzione C1 C2 C3 C1 C2 C3 RMSE ME E E E-05 MXE M15 Conducibilità idraulica Ritenzione C1 C2 C3 C1 C2 C3 RMSE ME E E E-06 MXE Dalla figura 6 si evince come la procedura sperimentale adottata, nel suo complesso, conduca a risultati soddisfacenti e riproducibili per stessa tipologia di suolo sebbene, il confronto, sia limitato a due soli campioni. Stesse considerazioni possono essere fatte anche per i parametri del modello MVG ottenuti e per le misure di K ottenute con l IT (Tab. 3). Tabella 3. Prospetto riepilogativo dei parametri del modello MVG a partire dalle misure di conducibilità idraulica e ritenzione idrica, per i due campioni M14 ed M15 e per le tre procedure considerate. I parametri riportati in grassetto sono stati fissati (unità di misura in cm d -1 ). M14 M15 C1 C2 C3 C1 C2 C3 alfa alfa n n thetas thetas thetar thetar ks ks gamma gamma

11 133 K (h) (cm day -1 ) Observ Wind Observ TI (UHG) C3_Ks=TI Observ Wind Observ TI (UHG) C3_Ks=TI SUOLO FELIFONTE (M14 e 15) h (cm) Figura 6. Curve di conducibilità idraulica ottenute col metodo di Wind e con l IT, con indicazione della curva interpolante corrispondente ottenuta per i parametri stimati nel caso C3. Conclusioni In questo lavoro è stata applicata una metodologia integrata, costituita dal metodo dell evaporazione e del gradiente unitario del potenziale, per la determinazione delle proprietà idrauliche in laboratorio, per l utilizzo nei modelli agro-idrologici. Limitatamente ai due campioni di suolo con tessitura medio-sabbiosa analizzati, i risultati riportati hanno messo in evidenza come la metodologia proposta possa essere applicata per ottenere le proprietà idrauliche in maniera accurata e relativamente speditiva. Il metodo UHG, con cui sono state ottenute le misure della K quasi-satura, ha permesso di migliorare il fitting della curva di conducibilità idraulica prossima alla saturazione. La procedura di regressione non lineare ha condotto, infine, a stime dei due principali parametri del modello MVG (caso C3), quali alfa ed n, che rappresentano rispettivamente il parametro di forma e di scala delle funzioni idrauliche, sostanzialmente equivalenti per i due campioni analizzati. Bibliografia Bagarello, V., Castellini, M., Iovino, M., Comparison of unconfined and confined unsaturated hydraulic conductivity. Geoderma 137,

12 134 Halbertsma, J. M. and Veerman, G. J., A new calculation procedure and simple setup for the evaporation method to determine soil hydraulic functions. Report 88. DLO Winand staring Centre, Wageningen (The Netherlands). ISO (International Organization for Standardization) 11275, Soil quality- Determination of unsaturated hydraulic conductivity and water-retention characteristic- Wind's evaporation method. Tamari, S., Bruckler, L., Halbertsma, J., Chadoeuf, J., A simple method for determining soil hydraulic properties in the laboratory. Soil Sci. Soc. Am. J. 57, van Genuchten, M. T., A closed from equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil. Soil Sci. Soc. Am. J., 44, van Genuchten, M.T., Leij, F. J., e Yates, S. R., The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils. Riverside, CA: U.S. Salinity Laboratory. Wendroth, O. and Simunek, J., Soil hydraulic determined from evaporation and tension infiltrometer experiments and their use for modeling field moisture status. In: Master Thesis. Wind, G.P., Capillarity conductivity data estimates by a simple method. In: P.E. Rijetema and H. Wassink (Editors), Water in the unsaturated zone. Proceedings of the Wageningen symposium, June 1966, Vol. 1. IASH Gentbrugge/Unesco Paris, pp