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.

Grazie per la vostraattenzione