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Perché _Kfs è un problema

La conducibilità idraulica satura, ovvero la capacità del suolo di assorbire acqua, è stata tradizionalmente una misura complessa da effettuare per gli scienziati. Misurazioni imprecise della conducibilità idraulica satura (_Kfs) sul campo sono comuni a causa di errori nella stima dell'alfa specifico del suolo e di un'inadeguata tamponatura del flusso tridimensionale. Il flusso tridimensionale significa che l'acqua si infiltra nel terreno in tre dimensioni; si diffonde lateralmente, oltre che verso il basso. Il problema è che il valore che rappresenta la conducibilità idraulica satura, _Kfs, è un valore monodimensionale. I ricercatori usano _Kfs nella modellazione come base per le loro decisioni, ma per ottenere quel valore devono prima rimuovere gli effetti del flusso tridimensionale.

La stima: una proposta rischiosa

Il metodo tradizionale per eliminare gli effetti del flusso tridimensionale consiste nell'esaminare una tabella di valori alfa o la lunghezza capillare macroscopica del suolo. Ma poiché l'alfa è solo una stima dell'effetto di sorpattività, ovvero di quanto il terreno tira l'acqua lateralmente, il rischio di imprecisione è elevato. E se un ricercatore o un ingegnere sceglie il valore alfa sbagliato, la sua stima potrebbe essere notevolmente sbagliata.

Per ovviare a questo problema, i ricercatori talvolta misurano la _Kfs con un infiltrometro a doppio anello (Figura 2), un metodo semplice in cui l'anello esterno ha lo scopo di limitare la diffusione laterale dell'acqua dopo l'infiltrazione e di tamponare il flusso tridimensionale. Tuttavia, un infiltrometro a doppio anello non tampona perfettamente il flusso tridimensionale (Swartzendruber D. e T.C. Olson 1961a). Pertanto, se i ricercatori partono dal presupposto di ottenere un flusso monodimensionale nell'anello centrale, possono sovrastimare i valori di conducibilità satura del campo. Questo può essere disastroso, soprattutto quando si lavora con un terreno che è stato progettato per avere una permeabilità molto bassa. Se _Kfs è sovrastimato, un ricercatore o un ingegnere potrebbe ritenere erroneamente che la copertura di una discarica (ad esempio) sia inefficace (_Ks è superiore a ^10-5 cm ^s-1), mentre in realtà ha sovrastimato _Kfs e la copertura è effettivamente conforme.

Kfs _risolto

Il SATURO elimina il problema della stima/assunzione automatizzando il consolidato metodo della doppia testa . Il sistema accumula l'acqua sopra il terreno e utilizza la pressione dell'aria per creare due diverse teste di pressione. La misurazione dell'infiltrazione a queste due diverse teste di pressione evita la necessità di stimare il fattore alfa, consentendo ai ricercatori di determinare la conducibilità idraulica satura del campo senza fare alcuna ipotesi. Inoltre, SATURO consuma molta meno acqua perché non richiede un grande anello esterno come un infiltrometro a doppio anello. Questo approccio automatizzato consente di risparmiare tempo e di ridurre gli errori nella valutazione della conducibilità idraulica. La seguente sezione teorica spiega in dettaglio perché ciò è possibile.

Vedere come le letture di SATURO si confrontano con quelle dell'infiltrometro a doppio anello

Nel video qui sotto, il dottor Gaylon S. Campbell insegna le basi dell'idrologia e la scienza alla base dell'infiltrometro automatico a doppia testa SATURO . In questo webinar di 30 minuti si apprende che:

• Che cos'è la conducibilità idraulica?
• Mezzi porosi
• Cosa determina la conducibilità idraulica
• Perché è importante la conducibilità idraulica
• Come si misura la conducibilità idraulica?
• Strumenti di laboratorio
• Strumenti di campo
• Il metodo alla base di SATURO: infiltrometro a doppia testa
• Confronto: Metodi a doppio anello e SATURO a doppia testa

SATURO: Perché è più preciso

Conducibilità idraulica satura di campo, K_fs (cm/s) è una proprietà idraulica fondamentale del suolo che descrive la facilità con cui un fluido (solitamente acqua) può muoversi attraverso gli spazi dei pori o le fratture in condizioni di saturazione del terreno. Uno dei metodi più antichi e semplici per la determinazione in situ di K_fs consiste nel misurare l'infiltrazione in laghetto(D) all'interno di un singolo anello (di raggio b) spinto a una piccola distanza nel terreno(d) (Figura 1). L'analisi originale utilizzava la portata costante misurata, Qs (cm3/s) e ipotizzava un flusso verticale monodimensionale per ottenere K_fs da Bouwer (1986) e Daniel (1989).

Questo approccio ha sovrastimato K_fs a causa della divergenza laterale del flusso dovuta alla capillarità del terreno insaturo e al ristagno nell'anello (Bouwer 1986). I tentativi di eliminare la divergenza del flusso prevedevano l'aggiunta di un anello esterno per tamponare il flusso nell'anello interno (Figura 2). Tuttavia, la tecnica dell'infiltrometro a doppio anello si è rivelata inefficace nel prevenire il flusso laterale dall'anello interno (Swartzendruber e Olson 1961a, 1961b).

Ricerche più recenti forniscono nuovi metodi per correggere il flusso laterale. Reynolds ed Elrick (1990) hanno presentato un nuovo metodo di analisi dell'infiltrazione stagnante in un singolo anello, che tiene conto della capillarità del terreno, della profondità dello stagno, del raggio dell'anello(b) e della profondità di inserimento dell'anello(d) e fornisce un mezzo per calcolare K_fs, il flusso matrico(φm) e la lunghezza capillare macroscopica(∝). Questa analisi è nota come approccio "two-ponding head" (Reynolds e Elrick 1990).

L'approccio a due teste è la tecnica utilizzata da SATURO, anche se con alcune modifiche e semplificazioni. L'equazione più semplice per questo calcolo è quella di Nimmo et al. (2009). Essi calcolano K_fs come mostrato nell'equazione 1.

dove i ( cm/s) è la velocità di infiltrazione stabile (finale) (volume diviso per area) e F è una funzione che corregge la sorptività e gli effetti geometrici.

Nimmo et al. (2009) forniscono F come mostrato nell'Equazione 2

dove

• D è la profondità di stagnazione (cm)
• d è la profondità di inserimento dell'infiltrometro (cm)
• b è il raggio dell'infiltratore (cm)
• ∆ è la costante per una determinata geometria dell'infiltrato; C₁d + C₂b (cm)
• C₁ è 0,993
• C₂ è 0,578
• λ è il reciproco del Gardner ∝, che è una caratteristica del terreno e del suo contenuto idrico iniziale (cm)

Nell'equazione 2, ∆ è semplicemente l'equazione 36 di Reynolds ed Elrick (1990) moltiplicata per bπ, il che permette di conciliare la figura 2 e l'equazione 2 con l'equazione 37 di Reynolds ed Elrick (1990).

Per due profondità di stagnazione, utilizzare l'Equazione 3:

Riarrangiando uno dei termini giusti per risolvere λ in termini di K_fssostituendo λ nell'altro termine di destra e semplificando si ottiene

dove

• D₁ è la prevalenza effettiva dell'alta pressione
• D₂ è la prevalenza effettiva di bassa pressione
• ∆ è 0,993d + 0,578b (cm)
• i₁ è il tasso di infiltrazione alla testa di pressione elevata
• i₂ è il tasso di infiltrazione alla bassa pressione di testa

Per ∆ , d è la profondità di inserimento dell'infiltrometro e b è il raggio dell'infiltrometro. Per l'anello di inserimento SATURO, 5 cm, d = 5 cm e b = 7,5 cm, quindi ∆ = 9,3 cm. Per l'anello di inserimento da 10 cm, d = 10 cm e b = 7,5 cm, quindi ∆ = 14,3 cm.

La conducibilità idraulica viene quindi moltiplicata per la differenza del tasso di infiltrazione allo stato quasi stazionario dell'ultimo ciclo di pressione e divisa per la differenza della prevalenza misurata nell'ultimo ciclo di pressione.

L'equazione 4 è equivalente all'equazione 41 di Reynolds ed Elrick (1990) ed elimina la dipendenza dalle caratteristiche del suolo e dal contenuto idrico iniziale descritto da λ.

Risparmiare ore di noioso lavoro manuale

Il sistema SATURO combina automazione e analisi semplificata dei dati in un unico sistema. Calcola anche i tassi di infiltrazione e la conducibilità idraulica satura del campo al volo. Il sistema SATURO semplifica la vita di chi ha bisogno di un modo più rapido e accurato per misurare il _Kfs sul campo.

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I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.

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Riferimenti

1. Bouwer H. 1986. Velocità di aspirazione: Infiltrometro a cilindro. In Klute A., editore, Metodi di analisi del suolo: Parte 1-Metodi fisici e mineralogici. 2a ed. Madison (WI): ASA e SSSA. 825-844.(Link all'articolo)
2. Dane JH e Topp GC, redattori. 2002. Metodi di analisi del suolo: Parte 4-Metodi fisici. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(link)
3. Daniel DE. 1989. Test di conducibilità idraulica in situ per argilla compattata. J. Geotech. Eng. 115(9).(Link all'articolo)
4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS e Stock JD. 2009. Misura rapida della conducibilità idraulica satura in campo per la caratterizzazione areale. Vadose Zone J. 8(1): 142-149.(Link all'articolo)
5. Reynolds WD e Elrick DE. 1990. Infiltrazione da un singolo anello: I. Analisi del flusso stazionario. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Link all'articolo)
6. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Studio su modello di sabbia degli effetti tampone nell'infiltratore a doppio anello. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Link all'articolo)
7. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Studio modellistico dell'infiltratore a doppio anello in funzione della profondità di bagnatura e della dimensione delle particelle. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Link all'articolo)

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Sei brevi video vi insegnano tutto quello che c'è da sapere sul contenuto d'acqua del suolo e sul potenziale idrico del suolo, e perché dovreste misurarli insieme. Inoltre, imparate a conoscere le basi della conducibilità idraulica del suolo.

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