medida del contenido de humedad del suelo

MÉTODOS DE MEDIDA DELCONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Y

APLICACIONES EN CAMPO

Francesc Ferrer AlegreDr Ingeniero AgrónomoR bl d l á d H d d d l S l L bFResponsable del área de Humedad del Suelo LabFerrer

www.lab‐ferrer.com

EEsquema• Medidas Directas vs Indirectas• Medidas Directas vs. Indirectas• Contenido de agua: Gravimétrico vs. Volumétrico• Técnicas de Medida del Contenido de Agua• Técnicas de Medida del Contenido de Agua

o Sonda de Neutroneso Sensor de Pulso de Calor de Aguja Dobleg jo Muestreo Gravimétricoo Sensores Dieléctricos

Domino del Tiempo Domino del Tiempo Dominio de la Frecuencia

• Métodos de instalación• Ejemplos de aplicación en campo


Té i d M didTécnicas de Medida• Medidas Directas

• Evaluación directa• Longitud con un pie de rey• Masa con una balanza• Masa con una balanza

• Medidas IndirectasMedidas Indirectas• Se mide otra propiedad relacionada con la quenos interesaE ió d lí id b d i• Expansión de un líquido en un tubo para determinarla temperatura


D fi i ió C t id d A V l ét iDefinición: Contenido de Agua Volumétrico• θ = Contenido Volumétrico de Agua g(VWC)

• Vw = volumen de agua• VT = voLumen total de la muestra

15%Aire

35%

Aire

Agua

Separado en las partes que lo forman

g35% VWC

50%Suelo


D fi i ió C t id d A G i ét iw = Contenido de Agua Gravimétrico

Definición: Contenido de Agua Gravimétricow = Contenido de Agua Gravimétricom = masaw = aguad l dd = sólidos secos


Contenido de agua Volumétrico vs. G i ét iGravimétrico Contenido Contenido

Volumétrico de agua(VWC)

Gravimétrico de agua (GWC)

Densidadaparente del

suelo, rb Volumen de agua por

unidad de volumentotal

Peso del agua porunidad de peso seco del suelo

suelo, rb

Dos comentarios importantes:1 Los métodos de campo para medir in situ únicamente pueden1. Los métodos de campo para medir in situ únicamente pueden

medir el contenido volumétrico de agua

2. Es necesario recoger en campo muestras de suelo de volumenconocido para medir el VWC mediante gravimetría enlaboratorio


Contenido de agua Directo: TécnicaG i ét i ( )Gravimétrica (w)

Generar el contenido volumétrico de agua Igual que el gra imétrico pero con un olumen de muestra conocido Igual que el gravimétrico pero con un volumen de muestra conocido Instrucciones de calibración en:,

www.decagon.com/appnotes/CalibratingECH2OSoilMoistureProbes.pdf


C t id d A Di tContenido de Agua Directo Ventajas Ventajas

Simple M did di t Medida directa Puede ser muy barato

D j Desventajas Destructivo (no es útil para variabilidad)

Tiempo dedicado Necesario una balanza de precisión y una estufa


M did i it d l VWC (I di t )Medida in situ del VWC (Indirecto)

l d Termalización de neutrones Sonda de Neutrones

S d l d l d j d bl (D l N dl Sensor de pulso de calor de aguja doble (Dual NeedleHeat Pulse –DNHP‐)M did Di lé t i Medidas Dieléctricas Capacitancia/Reflectancia en el dominio de la frecuencia (FDR)frecuencia (FDR)

Reflectancia en el dominio del tiempo (TDR)


Có f i l d d tCómo funciona la sonda de neutrones Fuente Radioactiva Libera neutrones en el suelo

Interactua con los átomos de H del suelo Ralentización Otros átomos habituales

Ab b í d l t Absorbe poca energía de los neutrones

Detector de baja energía Ralentiza los átomos recogidos “neutrones Ralentiza los átomos recogidos, neutrones

termalizados” Los neutrones termalizados están

l i d di l relacionados directamente con el contenido de agua en el suelo


Sonda de neutrones: Instalación y C lib ióCalibración Instalación Instalación

Barrenar Instalar los tubos de Instalar los tubos de

acceso

Calibrar la sonda Gravimetría con

muestras de volumenconocido

Punto representati o D t t f S tt St i l L Ri d Punto representativo Data courtesy of Scott Stanislav, Leo Rivera andCristine Morgan, Texas A&M University


M did S d d N tMedidas con Sonda de Neutrones Para medir: Para medir:

Destapar Deslizar la sonda hasta la profundidadp

deseada Hacer una medida a cada profundidad

i /l 14 sg a 2 min/lectura Tiempos de lectura más largos

proporcionan medidas más precisasproporcionan medidas más precisas


Sonda de NeutronesSonda de Neutrones Ventajas Ventajas Gran volumen de

medida, , entre 10 ‐20cm de radio

dependiendo del contenido de aguaco e do de agua

Se eleja de la variabilidadespacial

Un solo equipo se emplea Desventajas Medidas puntuales Un solo equipo se emplea

en muchos sitios Insensible a salinidad y

Medidas puntuales Manejo especializado C Insensible a salinidad y

temperatura Caro Pesado


Sensor de pulso de calor de aguja doble (DNHP)(DNHP) Teoría Los cambios en la capacidad térmica del suelo están

fuertemente relacionados con el contenido de agua C i l i VWC id d Crear ecuaciones que relacionen VWC y capacidad

térmica

M did Medida Usar sonda de aguja doble, una contiene el calentador y

la otra el medidor de temperaturala otra el medidor de temperatura Una aguja calienta y la otra registra la temperatura a lo

largo del tiempo El aumento máximo de temperatura se usa para calcular

la capacidad de calor y convertirla a VWC (Delta T)


DNHPDNHP Instalación Instalación Clavar el sensor en el suelo (no

doblar las agujas)doblar las agujas)

Conectar un datalogger tener Conectar un datalogger, teneruna buena medida de latemperatura y personalp y pcapacitado para manejar losequipos e interpretar los datos


DNHPDNHPV t j D t jVentajas Medidas en volúmenes

pequeños

Desventajas Necesita un datalogger y

una medida muy precisa de pequeños Método específico para

cada situación

una medida muy precisa de la temperatura

Puede ser sensible a los Puede medir el VWC

alrededor de una semillatá i d

gradientes de temperaturaen el suelo: tiempo y

f did d

Young et at. (2008) Correcting Dual-Probe Heat-Pulse Readings for Changes in Ambient

que está creciendo profundidad Integra un volumen de

suelo pequeñoPulse Readings for Changes in Ambient Temperature, Vadose Zone Journal 7:22-30

suelo pequeño Frágiles


T í Di lé t i Có f iTeoría Dieléctrica: Cómo funciona En un medio heterogéneo: Material Permitividad En un medio heterogéneo: La fracción de volumen de

cualquier componente estál d l d d

Material PermitividadDieléctrica

Aire 1relacionada con la permitividaddieléctrica

Cambiando el volumen de

Suelos Minerales 3 ‐ 7Materia Orgánica 2 ‐ 5

cualquier componente cambia el dieléctrico

A causa de su elevada

Hielo 5 Agua 80

permitividad dieléctrica, los cambio en el volumen de aguatienen un efecto significativotienen un efecto significativosobre el total


Di l t i Mi i M d lDielectric Mixing Model La permitividad dieléctrica total de un suelo está La permitividad dieléctrica total de un suelo está

formada por la permitividad de cada componenteindividualindividual Las fracciones de volumen, Vx, son factores que

constituyen la unidady

ibiom

bom

bwa

bam

bm

b VVVVt

es la permitividad dieléctrica, b es unaconstante de valor proximoa 0,5, y los subíndices t, m, a, om, i, y w representan, suelo mineral,aire, materia orgánica, hielo y agua.


Contenido Volumétrico de agua y P iti id d Di lé t iPermitividad Dieléctrica Reorganizando la ecuación que muestra el contenido de

humedad, , está relacionada directamente con lapermitividad dieléctrica mediante

5.05.05.05.05.0 )(1 iiomomaamm VVVV

Remarcard l l d d ll d

5.05.0ww

t

Idealmente, el contenido de agua es una ecuación sencilla deprimer orden de permitividad dieléctrica Por lo general, en la realidad es una ecuación de segundo ordeng , g

Por este motivo, los equipos que miden la permitividad dieléctricadel medio se calibran para registrar el contenido de humedad


Equipos Dielectricos: Reflectometríad l D i i d l F idel Dominio de la Frecuencia


Equipos Dieléctricos: Reflectometríad l D i i d l Ti Mide la longitud aparente (L ) de una sonda a partir de una

del Dominio del Tiempo Mide la longitud aparente (La) de una sonda a partir de una

onda electromagnética (EM) que se propaga a lo largo deunas varillas metálicas

La está relacionada con y por tanto con


R fl t t í d l D i i d l Ti Ventajas Desventajas

Reflectometría del Dominio del Tiempo Ventajas Calibración esrelativamente insensible a

Desventajas Caro No funcionan en

la diferencia de textura La señal de salida

i i f ió

No funcionan en situciones de CE elevadas

proporciona informaciónde la CE

Buena precisión

Necesario analizar la forma de las ondas

Buena precisión Poca sensibilidad a los cambios en la CE sí son

Sensible a la falta de contacto suelo‐sensor

leves o moderados a los de temperatura

Integra un volumenpequeño


Equipos Dieléctricos: Capacitivos /S FDR La sonda es un gran condensador

Sensores FDRLa sonda es un gran condensador En el circuito hay un condensador El medio que lo rodea se comporta como un El medio que lo rodea se comporta como un

dieléctrico El campo electromagnético se produce entre las El campo electromagnético se produce entre las

placas positiva y negativa


C d d Tí iCondensador Típico

CondensadorMaterial

Dieléctrico

Placa Positiva Placa Negativa

Campo Electromagnético


Ej l d F i i tEjemplo de Funcionamiento

Sensor ( i t l t l)2 cm

tico

Sensor (vista lateral)

1 cm

Cam

po

romag

nét

0 cm

electr0 cm


Cál l d l VWCCálculo del VWC L d l d d La carga del condensador

está relacionadadirectamente con la

0.3

0.35

m3/

m3)

Sand (0.16, 0.65, 2.2, 7.6 dS/m)

Patterson (0.52, 0.83, 1.7, 5.3 dS/m)

Palouse (0.2, 0.7, 1.5 dS/m)

Houston Black (0.53 dS/m)directamente con la permisividad

El circuito del Sensor 0.15

0.2

0.25

ric W

ater

Con

tent

(m

El circuito del Sensor convierte la carga del condensador a una salida 0

0.05

0.1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

Volu

met

r

de voltaje o corriente La salida del sensor está

Probe Output (mV)

calibrada para calcular el valor de VWC


C it i /FDRCapacitancia/FDRVentajas InconvenientesVentajas Baratos Necesitan un lector sencillo

Inconvenientes Algunos sensores son sensibles

a los cambios de textura del Fáciles de instalar / usar La mejor resolución para

detectar los cambios en el

suelo y a las fluctuaciones de temperatura (dependiendo de la frecuencía del oscilador del detectar los cambios en el

VWCla frecuencía del oscilador del sensor)

En algunos casos es necesariocavar un agujero para instalar

Sensibles a la presencia de aireen la zona de contacto con el en la zona de contacto con el suelo


I t l ió d l SInstalación de los Sensores Tres tipos de equiposTres tipos de equipos Tubo de acceso Instalación permanentep “Clavar y leer”

TUBO DE ACCESOTUBO DE ACCESO Barrenar hasta la profundidad de instalación Insertar el tubo de acceso en el orificio (hay evitar( y

las bolsas de aire durante la instalación del tubo) Introducir la sonda en el tubo de acceso y sellar; o

deslizar la sonda a lo largo del tubo a lasprofundidades de interés


I t l ió tInstalación permanente Muchas técnicas para instalar Muchas técnicas para instalar

1. Pared vertical2. Barrenar con cabezal de 5 cm

diametro: parte inferior3. Barrenar con el cabezal de

10cm de diámetro: pared 321

10cm de diámetro: pared lateral

4. Barrenar con el cabezal de 5cm de diametro y con 45º: parte inferior

Inserción del Sensor Inserción del Sensor Debe ser vertical no horizontal

www.lab‐ferrer.comVideo de instalación: www.decagon.com/videos

Cl LClavar y Leer Propósito Propósito Medidas puntuales del VWC Muchas medidas en un área Muc as ed das e u á ea No son necesarios datos sobre la evolución del

VWC lo largo del tiempo Técnica

Clavar la sonda en el sueloA b t t t l Asegurar un buen contacto entre sensor y suelo

Registrar la lectura con un display


Pregunta ¿Cuál es la técnica / sensorá d d i?más adecuado para mi?

Respuesta: depende de lo que quierasRespuesta: depende de lo que quieras Todas tienen ventajas e inconvenientes Todas proporcionan información sobre el VWC

Entonces ¿Qué es lo que debo tener en cuenta? Las necesidades: ¿En cuántos puntos voy a medir? ¿Cuántas

sondas por punto? Oferta comercial actual, ¿Qué instrumentos están disponibles? Presupuesto ¿Cuánto dinero me puedo gastar para conocer el

Ver presentación¿Qué le debo pedir

Presupuesto, ¿Cuánto dinero me puedo gastar para conocer elVWC?

Qué precisión necesitod b di ibl l b j a mi sensor? Mano de obra disponible para el trabajo

Certificación (especial para trabajar con equipos radiactivos)


Ej l M didEjemplos: Medidas en campoCASO 1: PROGRAMACIÓN DE RIEGOSCASO 1: PROGRAMACIÓN DE RIEGOS Detalles Más de 20 puntos, medidas desde 0,25 m a 2 mp 5 Repartidas por toda la parcela Recogida de datos en continuo, opcional Hay presupuesto para equipos Hay presupuesto para equipos

Elección Sensores capacitivosp

Buena precisión Baratos Fáciles de instalar en el suelo sin disturbar Fáciles de instalar en el suelo sin disturbar Posibilidad de facilitar la recogida de datos por telemetría


Ej l M didCASO 2: MONITORIZACIÓN EN PARCELA

Ejemplos: Medidas en campoCASO 2: MONITORIZACIÓN EN PARCELA Detalles 20 puntos de medida, separados 4 m

d d d f d d d Medidas de VWC a varias profundidades/punto Medias con frecuencia diaria Personal disponible para recoger los datos Personal disponible para recoger los datos Presupuesto limitado

Decisiónd d Sonda de Neutrones

Precisa El coste es el precio del equipoEl coste es el precio del equipo Medidas a diferentes profundidades con un tubo de acceso Seguro


Ej l M didCASO 3: MUESTREO GEOESTADÍSTICO PARA DETERMINAR EL

Ejemplos: Medidas en campo3

CONTENIDO DE AGUA Detalles

P d did d l id d f i Puntos de medida del contenido de agua con una frecuenciaestadísticamente significativa

Escaso presupuestoEscaso presupuesto Mano de obra disponible para medir La variabilidad espacial es el punto clave del análisisD i ió Decisión Un sensor capacitivo “Clavar y Leer”

Económico y fácil de usary No necesita instalación Calibración disponible


Ej l M didCASO 4: BALANCE DE AGUA EN UN ECOSISTEMA

Ejemplos: Medidas en campo

Detalles La textura del suelo cambia con la profundidad Es necesario conocer el movimiento de agua en el perfil Es necesario conocer el movimiento de agua en el perfil Numerosos puntos de medida del VWC en todo el ecosistema Hay presupuesto

Decisión Sensor TDR en puntos en los que se necesita conocer el VWC

con detalle• No hay problema con los cambios de textura• Se pueden analizar los datos para evaluar la salinidadSe pueden analizar los datos para evaluar la salinidad Sensor capacitivo en puntos lejanos• Datalogger y sensores más económicos


ConclusionesConclusiones Muchas opciones para medir VWC en campo Muchas opciones para medir VWC en campo Hay que tener en cuenta algunas cosas para acertar el

sistema Hay muchos recursos disponibles para ayudarnos a tomar

decisiones :Pá i W b d l f b i Páginas Web de los fabricantes

Foros, blogs y Google Grouphttp://www sowacs comhttp://www.sowacs.comGrupo de Google AgSciences, contacto: [email protected] g g g

Aplicaciones científicas


Tabla comparativa ¿Qué técnica dedid j ?medida es mejor?

Sonda de Sonda de Neutrones TDR TDT Capacitivo

C d l Lector y sensor: Lector: $4‐8K Lector: $600++, Lector: $150++Coste del sensor Lector y sensor:

$5000$4

Sensor: $100+ Sensor: $180 ‐$1000

Sensor: $60‐$2000

Tiempo para 30 min a h/ t h/ t 15 min a p pinstalar

31h/punto 15 a 2h/punto 15 a 2h/punto 5

2h/punto

Problemas en la Problema Principal Principal Principal instalacion: Aire menor problema problema problema

Campo de Seco: 50cm di di dip

influencia: Radio Húmedo: 10cm0,5 a 2cm radio 0,5cm radio 0,5 a 2cm radio

Instalación en


Instalación en suelo disturbado Si Si No Si

Tabla comparativa ¿Qué técnica demedida es mejor?

Sonda de Neutrones TDR TDT Capacitivo

medida es mejor?Neutrones

Data Logger? No Lector específico ComunicaciónDigital

Si

CalibraciónNecesaria paramejorar la precisión

Necesaria paramejorar la precisión



Precisión+/‐ 0,03 m3 m‐3

Aumenta con la calibración

+/‐ 0,03 m3 m‐3


+/‐ 0,03 m3 m‐3


+/‐ 0,03 m3 m‐3


Sensible a la Temperatura Insensible

Depende del suelo, puede ser

Depende del suelo, puede ser

Depende del suelo/sensor, puede ser significativa significativa puede ser significativa

Sensible a S li id d bl

A niveles bajos: b l

A niveles bajos: bajo. A niveles

A niveles bajos: bajo. A niveles


Salinidad Insensible bajo. A niveleselvados: Fallos

jelvados: Fallos

bajo. A niveleselvados: dependede cada sensor

Apéndice: Dieléctrico Componente Real e I i iImaginaria

l d d d d a es la permitividaddieléctrica aparente

’ y ’’ son la parte real e

La permitividad aparente tiene un componente capacitivo y conductor y son la parte real e

imaginaria de la constantedieléctrica, respectivamente

conductor La Conductividad iónica (s) está

impulsada por los iones del suelo es la conductividad iónica es la frecuencia angular y o

es la permitividad del vacio

y las superficies cargadas de las arcillas s depende de la temperatura es la permitividad del vacio s depende de la temperatura el efecto iónico disminuye

con la frecuencia de medida


A li iAplicaciones Control y programación de riegosy p g g Balance de agua Ecosistemas/cultivos Eficiencia en el uso del agua Monitoreo Hidrológico HidropedologiaS i i d f l Seguimiento de catastrofes naturales


¿Q é l bt ?20 20

¿Qué es lo que voy a obtener?

12

16

r Con

tent

12

16

m)

8

12

met

ric w

ater

(%)

8

12

Rain

fall

(m

0

4Volu

m

0

4

08/1 8/4 8/7 8/10 8/13 8/16 8/19 8/22 8/25 8/28 8/31

August 2006

0

EC-5 15cm EC-5 30cm EC-5 45cmEC-5 90cm TE-5(WC) 15cm Rain (mm) 0

Datos cortesía de W. Bandaranayake y L.


y yParsons, Univ. of Florida Citrus Researchand Education Center