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L’utilizzo di metodi a pressione di vapore per la determinazione della
curva di ritenzione idricaMarco Bittelli
Dipartimento di Scienze e Tecnologie AgroambientaliUniversità di Bologna
Variabili necessarie per definire lo statodell’acqua nel terreno
Contenuto idrico eQuantitàEstensiva
Misure correlatevolume econtenuto di calore ecarica e
Potenziale idricoQualitàIntensiva
pressionetemperaturavoltaggio
Potenziale dell’acqua
Energia necessaria, per unità di peso o volume di acqua, per trasportareuna 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-pianta-atmosfera
• L’acqua disponibile per la pianta• L’attività microbica quindi la decomposizione della sostanzaorganica
• La germinazione dei semi• La nutrizione delle piante
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 ilpunto di congelamento dell’acqua.
Potenziale dell’acqua nel continuum suolo piantaatmosfera
Atmosfera -100
-1.0
-0.7
-0.03-0.03
-3.0
-2.5
-1.7-1.5Suolo
Radici
Xylema
Foglie
Punto diAppassimento
(MPa)
Capacità di Campo(MPa)
Potenziale dell’acqua è influenzato da:
Pressione dell’acqua (idrostatica o pneumatica)Concentrazione dei soluti nella soluzioneLegami dell’acqua con le superficiInterfaccie tra acqua e ariaPosizione dell’acqua nel campo gravitazionale
ψ = ψp + ψo +ψm+ ψgPotenziale totalep pressione - idrostatica o pneumatica
o osmotica soluti
m matriciale – forze adsorbimento
g gravitazionale - posizione nello spazio
Unità di misura e relazione del potenziale
Punto cong. OsmolalitàMPa m water rh C mol/kg-0.1 -10.2 0.999 -0.076 0.041-1 -102 0.993 -0.764 0.411-10 -1020 0.929 -7.635 4.105-100 -10204 0.478 -76.352 41.049-1000 -102041 0.0006 410.494
Umidità relativa e potenziale
Umidità relativahr = e (T)/es(T)
Umidità relativa e potenziale dell’acqua sono messi in relazionedall’equazione di Kelvin
ln rw
RT hM
Ψ =
R = costante dei gas T = temperaturaMw= peso molecolare dell’acqua
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
Resistenze elettricheUna matrice nota (ceramica) è messa in equilibriocon il suolo
La resistenza elettrica è influenzata dal contenutoidrico della ceramica
Si conosce la relazione tra contenuto idrico e potenziale della ceramica
Economico, poca stabilità, bassa accuratezza.
Sensibile ai suoli salini
Metodi capacitiviUna matrice nota (ceramica) è messa in equilibrio con il suolo
La capacità dielettrica è influenzata dalcontenuto idrico della ceramica
Stabile e risente poco dei sali nel suolo
Non necessita di calibrazione
Buona accuratezza da -0.01 to -0.5 MPa
Limitata (al momento) dalla disuniformità delleceramiche
Metodi a dissipazione di calore
Misura la conducibilità termica, tramite la dissipazione del calore.
Robusto (all’interno della ceramica c’è unaresistenza elettrica che si scalda e due termocoppie)
Stabile (non è soggetto alla salinità)
Richiede calibrazioni individuali
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 (bolled’aria).
Piastre a pressione
Applicano una pressione (generatadi solito da un compressore)
Raggiunto l’equilibrio alla pressione applicata, ilcampione viene pesato e quindi determinato ilcontenuto idrico.
Ha problemi di raggiungimento dell’equilibrio adalte pressioni e quindi di affidabilità.
Metodi a pressione di vapore
Misurano l’umidità relativa di una camera stagna, soprastante ilcampione
» Tramite la diminuzione della temperatura di bulbo umido (metodipsicrometrici)
» Tramite la determinazione della temperatura di rugiada (metodia punto di rugiada)
Curva di pressione di vapore
es (T)=0.611*Exp (17.502*T / 240.97+T)
0
2
4
6
8
10
12
14
-10 0 10 20 30 40 50 60
Temperatura (C)
Pres
sion
e di
vap
ore
(k
Pressione di vapore saturo
Pressione di vapore insaturo
hr= e (T) /es (T)
Esempio: partendo da un campioneinsaturo (90 % di hr) ad una temperaturadi 20 C, esso raggiunge la saturazionealla temperatura di circa 9 C.La temperatura di 9 C è anche chiamatopunto di rugiada.
ln rw
RT hM
Ψ =
Tecnica a punto di rugiada
Infrared Sensor
Optical Sensor
Uno specchio è raffreddato fino al formarsi della rugiada. La temperaturaalla quale si forma la rugiada è la temperatura di saturazione, dalla qualesi determina il valore iniziale dipressione di vapore.
Vantaggi• Alta accuratezza• Misura rapida ~ 5 min.• Buona ripetibilità
Svantaggi• Misure limitate a potenziali intermedi e molto negativi.
• Effetto dei sali, quindinecessità di separare la componente osmotica
Campione
Specchio
Ventola
Applicazioni del WP4
Misure di curve di ritenzionePotenziale idrico dei semi e dei tessuti vegetaliStudi sul rigonfiamento deisuoliDeterminazione dellasuperficie specifica del suolo
Specifiche del WP4
Range: - 300 < – 300.000 J kg-1
Accuratezza: 1% Tempo di misura: 5 a 10 minutiIl WP4-T controlla la temperatura da 5-40°CL’operatore può ricalibrare lo strumento indipendentemente.
Metodologia
Saturare i campioni con l’utilizzo di una pompa a vuotoLasciare evaporare per tempi diversi e lasciare equilibrare per 24 hr. Misurare il potenziale con il WP4Determinare il contenuto idrico gravimetricoSi ottengono così dati per la curva di ritenzione
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-H2O.
Le linee indicano il risultato di una ottimizzazione dell’equazione di vanGenuchten (1980) e quindi l’effetto che queste differenze hanno sulla stima dei parametri idrologici.
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-H2O)
Piastre a pressione nella parte intermedia della curva (potenziali > ~ −50 m-H2O)
Metodi a punto di rugiada nella parte più secca (potenziali < ~ −50 m-H2O).
ConclusioniMetodi a equilibrio di solidi» Resistenza elettrica» Capacità elettrica» Conducibilità termica
Metodi a equilibrio di liquidi» Tensiometri
Metodi a equilibrio di vapore» Psychrometry a termocoppie» Metodi a punto di rugiada
Non esiste ad oggi uno strumento che, da solo, possa restituire una misura dipotenziale che copra tutti gli intervalli di interesse e che sia allo stesso tempo accurato. E’ necessario utilizzare tecniche diverse a seconda delle applicazioni e degli intervalli di potenziale di interesse. I metodi a pressione di vapore sono moltoutili per misurare il potenziale nella parte più secca della curva, laddove altri metodisono meno precisi.
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