Come misurare la conducibilità idraulica del suolo: qual è il metodo giusto per voi?

How to measure hydraulic conductivity—Which method is right for you?

Conducibilità idraulica: cos'è, come misurarla, e i pro e i contro dei metodi più comuni.

CONTRIBUENTI

Conducibilità idraulica: Perché ne avete bisogno

La conducibilità idraulica del suolo, ovvero la capacità di un suolo di trasmettere l'acqua, ha un impatto su quasi tutte le applicazioni del suolo. È fondamentale per comprendere il bilancio idrico completo e viene utilizzata anche per stimare la ricarica delle acque sotterranee attraverso la zona vadosa. Gli idrologi hanno bisogno dei valori di conducibilità idraulica per la modellazione e i ricercatori la usano per determinare lo stato di salute del suolo o per prevedere come l'acqua fluirà attraverso il terreno in diversi siti. Le decisioni agricole si basano sulla conducibilità idraulica per determinare i tassi di irrigazione o per prevedere l'erosione o la lisciviazione dei nutrienti. E viene utilizzata per determinare l'efficacia della copertura delle discariche. Gli ingegneri geotecnici ne hanno bisogno per progettare bacini di ritenzione, pavimentazioni stradali, giardini pluviali o qualsiasi altro sistema progettato per catturare il deflusso. E si usa anche per capire l'acqua disponibile per le piante in substrati privi di terra. In sostanza, se si vuole prevedere come l'acqua si muoverà all'interno del sistema suolo, è necessario conoscere la conducibilità idraulica perché governa il flusso dell'acqua. Come si misura? Questo articolo spiega come misurare la conducibilità idraulica, cos'è e quali sono i pro e i contro dei metodi più comuni.

Che cos'è la conducibilità idraulica del suolo?

In termini scientifici, la conducibilità idraulica è definita come la capacità di un mezzo poroso(ad esempio il terreno ) di trasmettere l'acqua in condizioni di saturazione o quasi. L'equazione 1 ne illustra il significato. Se i indica il flusso d'acqua (la quantità d'acqua per unità di superficie e per unità di tempo), è uguale a K (conduttività idraulica) moltiplicato per il gradiente di prevalenza dh/dz. Il gradiente di prevalenza (o gradiente di potenziale idrico) è la forza che provoca il movimento dell'acqua nel terreno. K è il fattore di proporzionalità tra questa forza motrice e il flusso d'acqua nel suolo.

Equation 1
Equazione 1

La prevalenza(potenziale idrico) può essere espansa nelle sue due componenti principali. hm è il battente matrico (potenziale matrico) e hg è il battente gravitazionale (potenziale gravitazionale). In altre parole, ci sono forze matrici che causano il movimento dell'acqua nel terreno e forze gravitazionali.

Equation 2
Equazione 2

Il gradiente gravitazionale dhg/dz è uguale a 1. Inizialmente, quando l'acqua viene applicata al terreno, le forze matriciali attirano rapidamente l'acqua nel terreno (vedi Figura 2). Ma se l'infiltrazione avviene per un periodo di tempo prolungato fino a rendere il suolo molto umido, la prevalenza matriciale diventa pari a 0.

Equation 3
Equazione 3

Quindi, in tempi prolungati, il tasso di infiltrazione è approssimativamente uguale alla conduttività idraulica. Questo dà un'idea di cosa significhi la conducibilità idraulica del suolo. Se l'acqua viene applicata per lungo tempo, la velocità di infiltrazione dell'acqua nel suolo sarà approssimativamente uguale alla conduttività idraulica.

Fattori che influenzano la conducibilità idraulica

La conducibilità idraulica dipende da fattori quali la tessitura del suolo, la distribuzione granulometrica, la rugosità, la tortuosità, la forma e il grado di interconnessione dei pori che conducono l'acqua. Se prendessimo in considerazione solo la tessitura del suolo, i terreni a tessitura più grossolana avrebbero in genere conducibilità idrauliche più elevate rispetto ai terreni a tessitura fine. Tuttavia, la struttura del suolo e la struttura dei pori possono avere un impatto significativo sulla capacità di un suolo di trasmettere l'acqua.

Un terreno strutturato contiene tipicamente pori grandi, mentre i terreni privi di struttura hanno pori più piccoli. La Figura 1 (sotto) illustra la differenza tra un terreno argilloso ben strutturato e un terreno argilloso scarsamente strutturato e l'importanza della struttura per la conducibilità idraulica, soprattutto in prossimità della saturazione.

I biopori, i canali radicali o le tane degli animali aumentano la conducibilità idraulica satura se contengono acqua. Se non si riempiono d'acqua perché non raggiungono la superficie, possono diminuire la conducibilità. La compattazione o la densità del terreno è un altro fattore che influisce, così come il contenuto d'acqua o il potenziale idrico del terreno.

Curve di conducibilità idraulica: importanti strumenti di previsione

Il suolo è saturo o insaturo, quindi la conducibilità idraulica del suolo viene definita conducibilità idraulica satura (Ks/Kfs) o insatura (K(Ψ)). I ricercatori utilizzano strumenti di laboratorio (KSAT e HYPROP) per creare curve di conducibilità idraulica che riportano i valori di conducibilità di un particolare terreno a diversi livelli di saturazione/insaturazione. Queste curve prevedono il flusso dell'acqua in vari tipi di terreno a diversi potenziali idrici.

A graph of Hydraulic conductivity curves for three different soils
Figura 1. Curve di conducibilità idraulica per tre diversi terreni. I valori a destra dell'asse verticale indicano i valori di conducibilità satura. I valori a sinistra indicano i valori insaturi. Si noti che l'asse verticale è un asse logaritmico. Le differenze sono quindi differenze di ordine di grandezza (fattori di 10, non fattori di 1 o 2).

La Figura 1 mostra le curve di conducibilità idraulica del suolo per tre diversi terreni. L'asse verticale è a prevalenza 0(potenziale idrico). I valori a destra indicano i valori di conducibilità satura. I valori a sinistra indicano valori insaturi. Il terreno argilloso poco strutturato (linea inferiore) ha una conducibilità satura molto più bassa del terreno sabbioso. Questo perché il terreno argilloso è costituito da pori piccoli e i percorsi di flusso sono più limitati. Tuttavia, se il terreno argilloso (linea tratteggiata) avesse una buona struttura (cioè contenesse aggregati con grandi pori tra gli aggregati che creano migliori percorsi di flusso), la sua conducibilità idraulica satura potrebbe essere superiore a quella della sabbia.

Sul lato sinistro della Figura 1, dove la prevalenza (potenziale idrico) è negativa, il terreno inizia a desaturarsi e i pori si svuotano. Quando i pori (soprattutto quelli grandi) si svuotano, la conducibilità idraulica diminuisce drasticamente. Pertanto, la conducibilità insatura è sempre inferiore e, nella maggior parte dei casi, di ordini di grandezza inferiore a quella che si ha quando il terreno è saturo.

Si noti che la conducibilità idraulica insatura del terreno argilloso poco strutturato e quella del terreno argilloso ben strutturato alla fine si incontrano. Questo perché a un certo punto i macropori smettono di contribuire al flusso e il flusso avviene solo nei mesopori tra le particelle del terreno. Si noti anche che la curva di conducibilità idraulica insatura per il terreno sabbioso senza struttura inizia più alta rispetto al terreno argilloso, ma quando il terreno si asciuga, la conducibilità idraulica insatura diventa più bassa rispetto al terreno argilloso.

La saturazione del campo non è saturazione

La conducibilità idraulica satura (Ks) non corrisponde alla conducibilità idraulica satura in campo (Kfs). Questo perché quando la conducibilità idraulica satura viene misurata in laboratorio, le carote di terreno possono essere portate a completa saturazione. Sul campo, invece, è difficile portare il terreno a completa saturazione. Perché? In genere, quando l'infiltrazione avviene dall'alto, non c'è spazio per la fuoriuscita dell'aria, per cui il terreno si ritrova con aria intrappolata (Figura 2).

An illustration of particles within the soil and the water absorption around it
Figura 2. Quando il terreno assorbe l'acqua, crea una pellicola d'acqua che si attacca alle particelle del terreno. Ci sono anche degli spazi tra i pori pieni d'aria. In condizioni di campo, è difficile eliminare questi spazi d'aria. Questo intrappolamento d'aria è il motivo per cui la percentuale di saturazione sarà raramente uguale alla saturazione massima teorica per ogni tipo di terreno.

Ciò determina una situazione di non completa saturazione, per cui si parla di conducibilità idraulica satura di campo (Kfs). La Kfs è tipicamente inferiore alla Ks a causa dell'aria intrappolata che rallenta il movimento dell'acqua.

Come misurare la conducibilità idraulica

I ricercatori misurano la conducibilità idraulica dei terreni saturi e insaturi utilizzando diverse tecniche di laboratorio e sul campo. Questo articolo esplora alcuni dei metodi più comuni.

TECNICHE DI LABORATORIO: CONDUCIBILITÀ IDRAULICA SATURA

Celle a flusso (Ks): Come funzionano

Le misurazioni con cella a flusso sono tipicamente effettuate su carote di terreno portate in laboratorio. Misurano campioni di terreno indisturbati o disturbati, ma la dimensione del campione dipende dal design della cella a flusso. Possono utilizzare la tecnica di misurazione a testa costante o a testa cadente.

A diagram of a flow cell
Figura 3. Schema della cella di flusso

La Figura 3 mostra il funzionamento di una tipica cella a flusso (ne esistono altre). La carota di terreno viene saturata prima di essere inserita nella cella di flusso. L'acqua proveniente da una fonte idrica passa attraverso la parte superiore della carota di terreno e viene misurata la portata allo stato stazionario. Questo valore viene poi utilizzato per determinare il tasso di infiltrazione. Per passare da i (la portata d'infiltrazione) a un valore Ks (rappresentativo di un'influenza di pressione pari a 0).

Pro e contro delle celle a flusso

Tabella 1. Pro e contro delle celle a flusso
Vantaggi Svantaggi
Calcoli semplici I terreni espansivi sono confinati
Nessuna correzione per il flusso tridimensionale I valori possono differire dai metodi di campo
Separare i diversi orizzonti Richiede attrezzature aggiuntive per l'automazione
È possibile misurare più campioni contemporaneamente Spazio di laboratorio dedicato
Configurazione relativamente semplice Superficie ridotta

I calcoli delle celle di flusso sono semplici perché l'acqua si infiltra attraverso un'area nota che elimina il flusso tridimensionale (laterale). Un altro vantaggio è che gli orizzonti del suolo possono essere separati: si possono prelevare campioni da diversi strati del suolo per determinare quale orizzonte potrebbe essere un fattore limitante.

Le celle a flusso sono facili da installare, ma l'automazione del dispositivo è più complessa. Richiede uno spazio di laboratorio dedicato a causa delle grandi attrezzature di automazione che devono essere installate. Un altro limite delle celle di flusso è che quando un terreno espansivo viene bagnato, si espande nel nucleo confinato del terreno, comprimendo i pori del terreno e modificandone le proprietà. Ciò può causare una sottostima della conducibilità idraulica del suolo. Per ovviare a questo problema, è necessario campionare quando il terreno è prossimo alla saturazione.

Un problema delle celle a flusso (e di tutte le tecniche di laboratorio) è che i valori di laboratorio differiscono da quelli sul campo. Un macroporo chiuso sul campo potrebbe essere aperto durante il prelievo di una carota di terreno. Poiché l'acqua scorre più facilmente attraverso un poro aperto, è possibile sovrastimare la conducibilità idraulica. Inoltre, una piccola carota di terreno non tiene conto della variabilità spaziale. Perciò sono necessari più campioni per ottenere una rappresentazione accurata del terreno.

KSAT (Ks): Come funziona

METRO KSAT è simile alla cella a flusso, ma semplifica e velocizza la misurazione perché l'automazione è integrata nel dispositivo.

A photograph of the KSAT lab instrument that measures saturated hydraulic conductivity
Vista frontale dello strumento di laboratorio KSAT che misura la conducibilità idraulica satura

È in grado di eseguire sia tecniche a caduta che a testa costante. KSAT utilizza un piccolo nucleo di terreno ed è dotato di una colonna d'acqua con una buretta per controllare il flusso d'acqua (Figura 4).

A diagram of KSAT cross section
Figura 4. Sezione trasversale di KSAT

L'acqua scorre attraverso la buretta, entra nella parte inferiore del campione e fuoriesce dalla parte superiore del campione. Il sistema KSAT utilizza un sensore di pressione che misura automaticamente la prevalenza della colonna d'acqua. Un computer rileva le letture dal trasduttore di pressione e il software automatizza i calcoli e corregge le variazioni di viscosità dell'acqua a diverse temperature. Quando si utilizza la tecnica della caduta di pressione, il trasduttore di pressione misura la variazione della colonna d'acqua e il software calcola la portata e la conducibilità idraulica del campione.

Come le celle a flusso, i limiti di KSATsono dovuti alla superficie ridotta e al fatto che si tratta di un campione confinato. Per questo motivo, quando si esegue un campionamento per questo dispositivo, si devono fare le stesse considerazioni.

Il grande vantaggio del KSAT è che tutto è automatizzato, il che fa risparmiare tempo, e non richiede molto spazio in laboratorio. Inoltre, può essere combinato con il sistema HYPROP per generare automaticamente punti sulla curva di conducibilità idraulica satura e insatura. Guardate il video per vedere come.

TECNICHE DI CAMPO: CONDUCIBILITÀ IDRAULICA SATURA IN CAMPO

Infiltratori ad anello(Kfs)

Le tecniche di campo forniscono una migliore rappresentazione di ciò che accade realmente sul campo. Un infiltrometro ad anello è un cilindro aperto a pareti sottili inserito nel terreno a una profondità specifica (in genere circa 5 cm) per misurare la conducibilità idraulica satura del terreno. L'acqua si infiltra attraverso l'anello (o gli anelli) utilizzando le tecniche a testa costante o a testa cadente. L'operazione viene eseguita manualmente, oppure il sistema può essere automatizzato per consentire più misurazioni contemporaneamente. Esistono diverse disposizioni dei cilindri, tra cui infiltratori a singolo anello e a doppio anello (o concentrici).

Infiltratore ad anello singolo(Kfs)

Un infiltrometro a singolo anello utilizza un singolo cilindro di misurazione (Figura 5) e l'acqua viene infiltrata attraverso il cilindro utilizzando la tecnica a prevalenza costante o a caduta. Quando si esegue la tecnica a prevalenza costante, si usa comunemente un serbatoio con un gorgogliatore a mariotte per controllare il flusso e il livello dell'acqua all'interno dell'anello. Quando l'acqua si infiltra attraverso l'anello, si muove sia orizzontalmente che verticalmente nel terreno, quindi è necessario apportare correzioni per il flusso tridimensionale.

Single ring infiltrometer cross section
Figura 5. Sezione trasversale dell'infiltrometro a singolo anello

I diametri degli infiltratori ad anello singolo variano da 10 a 50 cm. Un diametro maggiore dell'anello permette di misurare una superficie maggiore, consentendo una migliore rappresentazione della variabilità spaziale.

Infiltratore a doppio anello(Kfs)

Un infiltrometro a doppio anello (o ad anello concentrico) ha un singolo cilindro di misura posto all'interno di un cilindro tampone più grande. Il cilindro tampone ha lo scopo di impedire la divergenza del flusso dal cilindro di misura per semplificare l'analisi. In teoria, il cilindro di misura misura solo il flusso verticale dell'acqua, senza alcun flusso orizzontale. Questo metodo utilizza tecniche a caduta o a prevalenza costante, e per ottenere gli stessi gradienti di pressione è necessario mantenere lo stesso livello d'acqua in entrambi i cilindri, il che richiede in genere molta acqua.

Double or concentric ring infiltrometer cross section
Figura 6. Sezione trasversale dell'infiltratore ad anello doppio o concentrico

Pro e contro dell'infiltratore ad anello

Gli anelli più grandi dell'infiltrometro ad anello tengono conto di una maggiore variabilità spaziale, quindi rappresentano meglio le condizioni sul campo rispetto agli strumenti di laboratorio, il che significa che sono più utili per la modellazione. Tuttavia, la misurazione richiede molta acqua: da 60 a 100 litri d'acqua all'ora, ipotizzando un tasso di infiltrazione di circa 30 cm/ora (un terreno ad alta conducibilità potrebbe utilizzare oltre 300 litri/ora), che è difficile da trasportare. Inoltre, la misurazione richiede molto tempo: da due a tre ore, a seconda delle dimensioni dell'anello.

Un altro problema è la necessità di stimare il fattore di lunghezza capillare macroscopica del terreno (denominato Alpha) per correggere il flusso tridimensionale. Esistono tabelle per stimare questo parametro Alpha, ma se si sbaglia, si ottengono stime imprecise della conducibilità idraulica.

Inoltre, spesso il cilindro tampone non è efficace nell'arrestare il flusso laterale. Questo è stato dimostrato in letteratura attraverso analisi di laboratorio e modelli. Quindi i calcoli basati sul presupposto che ci sia solo un flusso verticale possono risultare sovrastimati.

SATURO (KFS): Come funziona

METER SATURO automatizza il consolidato metodo a doppia testa, che misura le infiltrazioni a due diverse teste di pressione, semplificando la misurazione ed evitando potenziali errori umani.

A photograph of a researcher setting up SATURO infiltrometer
Impostazione dell'infiltrometro SATURO

Il sistema accumula l'acqua sopra il terreno, utilizza la pressione dell'aria per creare le due teste di pressione e una pompa mantiene automaticamente i livelli d'acqua corretti. Il processore interno calcola automaticamente la conducibilità idraulica satura del campo a bordo, eliminando la post-elaborazione dei dati.

A diagram of a SATURO cross section
Figura 7. Sezione trasversale di SATURO

SATURO pro e contro

Il sistema SATURO combina automazione e analisi semplificata dei dati in un unico sistema. È progettato per essere trasportato e montato da una sola persona e, poiché mantiene automaticamente i livelli d'acqua corretti, elimina le continue misurazioni e regolazioni.

La misurazione richiede un po' di tempo, ma molto meno di un infiltrometro ad anello, e funziona senza sorveglianza. È possibile far funzionare più strumenti contemporaneamente ed evita la necessità di stimare il fattore Alpha, eliminando una comune fonte di errore. Utilizza due sacchi d'acqua da 20 litri, ma ha bisogno di molta meno acqua rispetto a un infiltrometro a doppio anello perché non richiede un grande anello esterno.

Nel seguente webinar, il Dr. Gaylon S. Campbell insegna le basi della conducibilità idraulica e la scienza alla base dell'infiltrometro automatico a doppia testa SATURO .

Infiltratore a pressione (Kfs)

L'infiltrometro a pressione è simile all'infiltrometro a singolo anello, tranne per il fatto che un attacco alla parte superiore dell'anello consente di controllare la pressione applicata sull'anello (Figura 8).

A diagram of pressure ring infiltrometer cross section
Figura 8. Sezione dell'infiltratore ad anello di pressione

L'utente applica una singola pressione per un certo periodo di tempo, poi passa a una pressione più alta per un intervallo di tempo prestabilito e quindi torna alla pressione più bassa per un intervallo di tempo prestabilito. L'operazione viene ripetuta finché non si raggiunge un tasso di infiltrazione quasi stabile per entrambe le teste di pressione. I tassi di infiltrazione alle diverse teste di pressione possono quindi essere utilizzati per stimare valori quali il valore Alpha o la sorptività.

Pro e contro dell'infiltratore a pressione

Tabella 2. Pro e contro dell'infiltratore a pressione
Vantaggi Svantaggi
La misura di (𝛂) migliora l'analisi di Kfs Apparecchiatura di misura più complessa
Può essere utilizzato anche per determinare la sorptività e il potenziale di flusso matrico. La tecnica a più teste richiede più tempo
Non automatizzato: richiede più lavoro

Questa tecnica consente di eseguire l'analisi delle teste multiple, che permette di effettuare altre misure come la sorptività e il potenziale di flusso matrico. Inoltre, è possibile misurare il fattore di lunghezza capillare macroscopico (il valore Alpha) anziché stimarlo, eliminando così una potenziale fonte di errore nella correzione del flusso tridimensionale.

Ma si tratta di un'apparecchiatura di misura più complessa. Richiede maggiore automazione, soprattutto per cambiare le teste di pressione. Inoltre, il raggiungimento di un tasso di infiltrazione stabile su entrambe le teste di pressione richiede molto tempo.

Permeometri in foro (KFS)

Esistono diversi modelli di permeometri da foro (che esulano dallo scopo di questo articolo), ma qui ne esploriamo le basi.

A diagram of a borehole permeameter cross section
Figura 9. Sezione trasversale del permeametro del foro

I permeametri da foro utilizzano un metodo a prevalenza costante per evitare errori dovuti al controllo dell'altezza dell'acqua nel foro. Per utilizzare un permeametro da foro, si esegue un foro alla profondità desiderata, si monta il permeametro sul pozzo e si inserisce il gorgogliatore a mariotte per mantenere una prevalenza costante all'interno del foro. Quindi si calcola l'afflusso, si attende lo stato stazionario e si utilizzano questi valori per calcolare la conducibilità idraulica, dopodiché si corregge il flusso tridimensionale. È possibile eseguire analisi a testa singola e multipla modificando il livello dell'acqua e la pressione all'interno del foro trivellato.

Pro e contro del permeametro

Tabella 3. Pro e contro del permeametro a pozzo
Vantaggi Svantaggi
La misurazione di (𝛂) migliora l'analisi di Kfs (solo se si utilizza l'analisi a teste multiple) Superficie ridotta
Analisi dei diversi strati di terreno Tempi di misurazione lunghi
Può essere utilizzato per determinare la sorptività e il potenziale di flusso matriciale. Potenziale formazione di smearing e siltation
Nessuna visibilità della superficie di misura

Se si utilizza l'analisi a testa multipla, un permeametro consente di misurare l'alfa, eliminando una potenziale fonte di errore, e può determinare la sorptività e il potenziale di flusso matrico. È anche più facile misurare i diversi strati del terreno perché basta una piccola trivella rispetto agli infiltratori ad anello, che richiedono un grande scavo.

I permeametri misurano solo una piccola superficie, quindi sono necessarie più misurazioni per ottenere una rappresentazione del campo. Inoltre, i tempi di misurazione sono lunghi, soprattutto quando si effettua l'analisi di più teste.

Un altro problema è rappresentato dall'imbrattamento e dall'insabbiamento all'interno del foro (ad esempio, la trivellazione può imbrattare la superficie durante il taglio). Ciò chiude i pori e li rende incapaci di condurre l'acqua, causando una sottostima. Poiché non c'è visibilità, è difficile capire se si sono verificate sbavature o insabbiamenti. Tuttavia, esistono approcci per ridurre questi problemi.

TECNICHE DI LABORATORIO: CONDUCIBILITÀ IDRAULICA INSATURA

Celle di flusso (K(Ψ))

Le celle di flusso sono utilizzate anche per misurare la conducibilità idraulica insatura (K(Ψ)), ma a differenza della conducibilità idraulica satura, la misurazione richiede tensiometri (Figura 10).

A diagram of a flow cell and tensiometer cross section
Figura 10. Sezione della cella di flusso e del tensiometro

L'acqua fluisce da una fonte, attraversa il campione ed esce dal nucleo del terreno. Due tensiometri monitorano il potenziale idrico e l'utente controlla la portata da bassa ad alta per consentire al terreno di trasmettere l'acqua in condizioni di insaturazione. Una portata costante viene mantenuta fino a quando entrambi i tensiometri leggono lo stesso potenziale idrico (aspirazione del terreno). Queste misure e la portata vengono utilizzate per determinare la conducibilità idraulica insatura a quel potenziale specifico. Per ottenere le proprietà di ritenzione, l'utente misura anche il contenuto d'acqua del nucleo del terreno. I passaggi vengono ripetuti per determinare diversi punti lungo la curva di conducibilità idraulica insatura.

Pro e contro delle celle a flusso

Tabella 4. Pro e contro delle celle a flusso
Vantaggi Svantaggi
Proprietà di trasmissione e ritenzione idrica simultanee Richiede un metodo per mantenere un flusso costante
Stima dei parametri di flusso saturo e insaturo sulla stessa colonna di terreno Operazione complessa

Una cella di flusso consente di misurare contemporaneamente la conducibilità idraulica insatura e le proprietà di ritenzione, permettendo di generare una curva di rilascio parziale dell'umidità del suolo. Inoltre, è possibile misurare i parametri di flusso saturi e insaturi sulla stessa colonna di terreno.

Tuttavia, questa tecnica richiede una pompa per controllare e modificare le portate, e il funzionamento è complicato. Le celle a flusso richiedono inoltre spazio in laboratorio e l'automazione richiede una strumentazione complessa.

Metodo di evaporazione (K(Ψ))

Il metodo dell'evaporazione è stato introdotto per la prima volta da Wind nel 1968. Richiede una carota di terreno con tensiometri inseriti a diverse profondità. Il nucleo inizialmente saturo è aperto in alto e chiuso in basso, consentendo l'evaporazione solo dalla superficie. In questo modo si crea un gradiente di potenziale matrico nella carota. La massa della carota di terreno e il gradiente vengono misurati man mano che l'acqua evapora nel tempo, consentendo di calcolare il potenziale di flusso matrico o la conducibilità idraulica insatura. Questa tecnica richiede un tasso di evaporazione costante per ottenere misure simultanee della testa matrice e del contenuto d'acqua, il che consente di misurare la conducibilità idraulica insatura e di generare la curva di rilascio dell'umidità del suolo.

HYPROP (K(Ψ))

METER HYPROP è uno strumento da laboratorio basato su una versione semplificata della tecnica di evaporazione Wind/Schindler.

A photo of HYPROP 2 which creates soil moisture release curves
HYPROP 2 crea curve di rilascio dell'umidità del suolo

All'interno di HYPROP si trovano due tensiometri a diverse altezze all'interno di un nucleo di terreno aperto solo in superficie (Figura 11).

A diagram of a cross section inside the HYPROP cylinder
Figura 11. Sezione interna del cilindro HYPROP

HYPROP si trova su una bilancia e misura la massa del nucleo del terreno mentre evapora nel tempo. Genera sia le proprietà di ritenzione del suolo sia la conducibilità idraulica insatura. La conducibilità idraulica insatura viene calcolata utilizzando l'inversione dell'equazione di Darcy (equazione 4).

Equation 4
Equazione 4

HYPROP pro e contro

Tabella 5. Pro e contro di HYPROP
Vantaggi Svantaggi
Proprietà di trasmissione e ritenzione idrica simultanee Dati K(Ψ) inaffidabili in prossimità della saturazione
Misura automatizzata Curva di apprendimento
Eccellente risoluzione di misura Solo caratteristiche di desorbimento

Il vantaggio di HYPROP rispetto a una cella a flusso è una misurazione completamente automatizzata sull'intero intervallo di umidità. HYPROP consente di risparmiare tempo generando automaticamente la curva di conducibilità idraulica insatura mentre si svolgono altre attività. Fornisce simultaneamente le proprietà di trasmissione e ritenzione dell'acqua con un'alta risoluzione (oltre 200 punti dati), tranne che in prossimità della saturazione. È possibile combinarlo con KSAT per l'estremità satura della curva e con lo strumento per il potenziale idrico (terreni asciutti). WP4C strumento del potenziale idrico (terreni asciutti) per generare curve di rilascio dell'umidità del suolo complete. Per saperne di più sulle curve di rilascio dell'umidità del suolo, vedere il video seguente.

Il HYPROP ha una curva di apprendimento, ma una volta che si è imparato a riempire i tensiometri, l'impostazione è facile. E una volta impostato, è completamente automatizzato. Si noti che HYPROP misura solo le caratteristiche di desorbimento (perdita di acqua) perché è un metodo di evaporazione, quindi potrebbero esserci differenze rispetto alle caratteristiche di adsorbimento (aggiunta di acqua).

TECNICHE DI CAMPO: CONDUCIBILITÀ IDRAULICA INSATURA

Infiltratori a tensione (K(Ψ))

Gli infiltrometri a tensione misurano solo la conducibilità idraulica insatura. Una piastra porosa viene posizionata sul terreno (Figura 12) e l'acqua viene estratta sotto l'effetto di un'aspirazione controllata da una torre contenente un gorgogliatore a mariotte.

A diagram of Tension infiltrometer cross section
Figura 12. Sezione trasversale dell'infiltratore a trazione

Controlla l'aspirazione negativa inserendo il tubo a bolle d'aria più in profondità nell'acqua per aumentare l'energia necessaria a tirare dentro l'aria per sostituire l'acqua tirata attraverso il dispositivo. Questa tecnica consente l'analisi con metodi transitori o allo stato stazionario.

Metodo transitorio: misura il tasso di infiltrazione al variare del tempo ed estrapola uno stato stazionario.

Metodo dello stato stazionario: con il tempo si raggiunge uno stato stazionario del tasso di infiltrazione.

Un infiltratore a tensione infiltra l'acqua nel terreno in presenza di una aspirazione imposta, in modo da poter misurare i tassi di infiltrazione a diverse aspirazioni negative per separare le dimensioni dei pori. Più alta è l'aspirazione, più piccoli devono essere i pori per far uscire l'acqua. È anche una tecnica di infiltrazione tridimensionale, quindi richiede un'analisi tridimensionale del flusso.

Pro e contro dell'infiltrometro a trazione

Tabella 6. Pro e contro dell'infiltrometro a trazione
Vantaggi Svantaggi
Aspirazione controllata I metodi allo stato stazionario richiedono molto tempo
I dischi più grandi sono responsabili di una maggiore variabilità spaziale Richiede la stima delle proprietà del suolo per correggere il flusso tridimensionale
Stima della sorpattività e della repellenza
A photograph of a tension infiltrometer
Una fotografia di un infiltratore a tensione

I vantaggi dell'infiltrometro a trazione sono che l'aspirazione controllata consente di misurare la conducibilità idraulica insatura a un potenziale matrico specifico. L'uso di un disco più grande tiene conto di una maggiore variabilità spaziale. Tuttavia, ciò potrebbe non essere critico perché i pori grandi sono la principale fonte di variabilità spaziale e drenano a suzioni molto basse. Gli infiltrometri a tensione sono utilizzati anche per ottenere una stima della sorptività e della repellenza, utili per gli studi sull'idrofobicità in situazioni post incendio boschivo.

I limiti sono che i metodi allo stato stazionario richiedono molto tempo e, come per il metodo transitorio, sono possibili imprecisioni (soprattutto in un terreno molto asciutto con un tasso di infiltrazione iniziale più elevato). È quindi opportuno effettuare più misurazioni. Questa tecnica richiede una stima di Alpha per correggere il flusso tridimensionale, una potenziale fonte di errore. Nel complesso, però, si tratta di una buona tecnica di campo.

Considerazioni sulla misurazione della conducibilità idraulica

Non date per scontato di poter utilizzare gli stessi valori di conducibilità idraulica del suolo per lo stesso tipo di terreno in un campo. Questo non è vero, soprattutto in presenza di diversi usi del suolo e posizioni del paesaggio. Un ricercatore ha riscontrato drastici cambiamenti nelle proprietà idrauliche dello stesso tipo di terreno. Il suo sito variava da prateria nativa, pascolo migliorato e lavorazione convenzionale del terreno, e c'era un forte cambiamento nella posizione del paesaggio in tutti e tre i campi.

A diagram of hydraulic conductivity values for three different land uses and landscape positions
Figura 13. Valori di conducibilità idraulica per tre diversi usi del suolo e posizioni del paesaggio nelle Blacklands del Texas. I ricercatori hanno effettuato misure in triplo della conducibilità idraulica satura del campo utilizzando infiltratori a doppio anello in ogni punto.

La Figura 13 mostra le stesse tendenze sia per il pascolo che per la prateria attraverso la sommità, il versante posteriore e il versante inferiore. I valori di conducibilità idraulica del suolo sono più elevati sul versante posteriore e più bassi su quello inferiore. Ciò è dovuto in parte all'effetto catina (cambiamenti nelle proprietà idrauliche e nella composizione chimica del suolo dovuti alla lisciviazione dei soluti dalla sommità e alla precipitazione dei soluti nella fascia pedemontana). È interessante notare che questa tendenza non era evidente nel sito a lavorazione convenzionale, probabilmente a causa del fatto che questo sito era disturbato (lavorato regolarmente).

Dove misurare? Quante misure?

Una strategia consiste nel misurare la EC di massa in un campo per ottenere una stima dell'effettiva variabilità spaziale. Con queste informazioni, è possibile decidere dove effettuare le misurazioni e quante sono necessarie per coprire la variabilità spaziale del campo. La Figura 14 mostra una mappa di EC di un campo generata utilizzando un dispositivo EM38 per misurare l'EC di massa.

EC map showing variability in a Texas field
Figura 14. Mappa EC che mostra la variabilità in un campo del Texas

Questa mappa ha aiutato i ricercatori a separare il campo in sezioni e a decidere dove effettuare le misurazioni. In questo caso, i ricercatori hanno scelto di effettuare misure in triplo della conduttività idraulica satura del campo in ciascuno dei punti scelti (croci bianche).

Approfondimento su come misurare la conducibilità idraulica

  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)

 

Partecipate al nostro corso sull'umidità del suolo

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.

Guarda ora

Domande?

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

Per saperne di più sulla misurazione dell'umidità del suolo. Scaricate "La guida completa del ricercatore sull'umidità del suolo".

Per capire come l'umidità del suolo e il potenziale idrico del suolo lavorano insieme, scaricate "La guida completa del ricercatore al potenziale idrico".

Approfondimenti sulla misurazione

Vedi tutti gli articoli

Conducibilità idraulica satura in campo: perché è così difficile?

Misure imprecise della conducibilità idraulica satura (Kfs) sono comuni a causa di errori nella stima dell'alfa specifica del suolo e di un'inadeguata tamponatura tridimensionale del flusso.

LEGGI LE INFORMAZIONI SULLE MISURAZIONI

Come modellare l'acqua disponibile per le piante

Il dottor Gaylon Campbell, fisico del suolo di fama mondiale, insegna ciò che è necessario sapere per realizzare semplici modelli dei processi idrici del suolo.

LEGGI LE INFORMAZIONI SULLE MISURAZIONI

Che cos'è l'umidità del suolo? La scienza alla base della misurazione

La maggior parte delle persone considera l'umidità del suolo solo in termini di una variabile, il contenuto d'acqua. Ma per descrivere lo stato dell'acqua nel suolo sono necessari due tipi di variabili.

LEGGI LE INFORMAZIONI SULLE MISURAZIONI

Casi di studio, webinar e articoli che vi piaceranno

Ricevere regolarmente i contenuti più recenti.

icona-angolo barre-icona icona-tempi