medidadelcontenidodehumedaddelsuelo-140127065622-phpapp02

MÉTODOS DE MEDIDA DEL
CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Y
APLICACIONES EN CAMPO
Francesc Ferrer Alegre
Dr Ingeniero Agrónomo
R
Responsable
bl del
d l área
á
d Humedad
de
H
d d del
d l Suelo
S l LabFerrer
L bF
www.lab‐ferrer.com
Esquema
• Medidas Directas vs.
vs Indirectas
• Contenido de agua: Gravimétrico vs. Volumétrico
• Técnicas de Medida del Contenido de Agua
o
o
o
o
Sonda de Neutrones
Sensor de Pulso de Calor de Aguja
g j Doble
Muestreo Gravimétrico
Sensores Dieléctricos
 Domino del Tiempo
 Dominio de la Frecuencia
• Métodos de instalación
• Ejemplos de aplicación en campo
www.lab‐ferrer.com
Té i
Técnicas
d Medida
de
M did
• Medidas Directas
• Evaluación directa
• Longitud con un pie de rey
• Masa con una balanza
• Medidas Indirectas
• Se mide otra propiedad relacionada con la que
nos interesa
• E
Expansión
ió de
d un líquido
lí id en un tubo
b para determinar
d
i
la temperatura
www.lab‐ferrer.com
D fi i ió Contenido
Definición:
C t id de
d Agua
A
V l ét i
Volumétrico
•
•
•
θ = Contenido Volumétrico de Agua
g
(VWC)
Vw = volumen de agua
V T = voLumen total de la muestra
Aire
15%
Agua
g
35%
35% VWC
Separado en las partes que lo forman
Suelo
www.lab‐ferrer.com
50%
D fi i ió Contenido
Definición:
C t id de
d Agua
A
G i ét i
Gravimétrico
w = Contenido de Agua Gravimétrico
m = masa
w = agua
d = sólidos
l d secos
www.lab‐ferrer.com
Contenido de agua Volumétrico vs.
G i ét i
Gravimétrico

Contenido
Volumétrico de agua
(VWC)

Volumen de agua por
unidad de volumen
total
Densidad
aparente del
suelo, rb
Contenido
Gravimétrico de
agua (GWC)


Peso del agua por
unidad de peso
seco del suelo
Dos comentarios importantes:
1
1.
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 volumen
conocido para medir el VWC mediante gravimetría en
laboratorio
www.lab‐ferrer.com
Contenido de agua Directo: Técnica
G i ét i (w)
Gravimétrica
( )
Generar el contenido volumétrico de agua

Igual que el gravimétrico
gra imétrico pero con un volumen
olumen de muestra conocido

Instrucciones de calibración en:,
www.decagon.com/appnotes/CalibratingECH2OSoilMoistureProbes.pdf
www.lab‐ferrer.com
C t id de
Contenido
d Agua
A
Di t
Directo

Ventajas




Simple
M did directa
Medida
di t
Puede ser muy barato
D
Desventajas
j



Destructivo (no es útil para variabilidad)
Tiempo dedicado
Necesario una balanza de precisión y una estufa
www.lab‐ferrer.com
M did in
Medida
i situ
it del
d l VWC (Indirecto)
(I di t )
Termalización
l
d neutrones
de
 Sonda de Neutrones
 Sensor
S
d pulso
de
l de
d calor
l de
d aguja
j doble
d bl (Dual
D l Needle
N dl

Heat Pulse –DNHP‐)

Medidas
M
did Dieléctricas
Di lé t i
 Capacitancia/Reflectancia en el dominio de la
frecuencia (FDR)
 Reflectancia en el dominio del tiempo (TDR)
www.lab‐ferrer.com
Có
Cómo
f i
funciona
l sonda
la
d de
d neutrones
t


Fuente Radioactiva
Libera neutrones en el suelo

Interactua con los átomos de H del suelo

Ralentización

Otros átomos habituales


Ab b poca energía
Absorbe
í de
d los
l neutrones
t
Detector de baja energía

Ralentiza los átomos recogidos,
recogidos “neutrones
neutrones
termalizados”

Los neutrones termalizados están
relacionados
l i
d directamente
di
con ell
contenido de agua en el suelo
www.lab‐ferrer.com
Sonda de neutrones: Instalación y
C lib ió
Calibración

Instalación



Barrenar
Instalar los tubos de
acceso
Calibrar la sonda


Gravimetría con
muestras de volumen
conocido
Punto representativo
representati o
www.lab‐ferrer.com
Data
D
t courtesy
t
off Scott
S tt Stanislav,
St i l
L
Leo
Ri
Rivera
and
d
Cristine Morgan, Texas A&M University
M did con Sonda
Medidas
S d de
d Neutrones
N t

Para medir:



Destapar
Deslizar la sonda hasta la profundidad
p
deseada
Hacer una medida a cada profundidad
 14 sg a 2 min/lectura
i /l
 Tiempos de lectura más largos
proporcionan medidas más precisas
www.lab‐ferrer.com
Sonda de Neutrones

Ventajas

Gran volumen de
medida,,
entre 10 ‐20cm de radio
dependiendo del
contenido
co
e do de agua
 Se eleja de la variabilidad
espacial



Un solo equipo se emplea
en muchos sitios
Insensible a salinidad y
temperatura
www.lab‐ferrer.com

Desventajas




Medidas puntuales
Manejo especializado
C
Caro
Pesado
Sensor de pulso de calor de aguja doble
(DNHP)

Teoría



Los cambios en la capacidad térmica del suelo están
fuertemente relacionados con el contenido de agua
C
Crear
ecuaciones
i
que relacionen
l i
VWC y capacidad
id d
térmica
M did
Medida



Usar sonda de aguja doble, una contiene el calentador y
la 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)
www.lab‐ferrer.com
DNHP

Instalación

Clavar el sensor en el suelo (no
doblar las agujas)

Conectar un datalogger,
datalogger tener
una buena medida de la
p
y
personal
p
temperatura
capacitado para manejar los
equipos e interpretar los datos
www.lab‐ferrer.com
DNHP
V t j
Ventajas



Medidas en volúmenes
pequeños
Método específico para
cada situación
Puede medir el VWC
alrededor de una semilla
que está
tá creciendo
i d
Young et at. (2008) Correcting Dual-Probe HeatPulse Readings for Changes in Ambient
Temperature, Vadose Zone Journal 7:22-30
www.lab‐ferrer.com
D
Desventajas
t j




Necesita un datalogger y
una medida muy precisa de
la temperatura
Puede ser sensible a los
gradientes de temperatura
en el suelo: tiempo y
profundidad
f did d
Integra un volumen de
suelo pequeño
Frágiles
T í Dieléctrica:
Teoría
Di lé t i Cómo
Có
f i
funciona

En un medio heterogéneo:
La fracción de volumen de
cualquier componente está
relacionada
l
d con la
l permitividad
d d
dieléctrica
 Cambiando el volumen de
cualquier componente cambia el
dieléctrico
 A causa de su elevada
permitividad dieléctrica, los
cambio en el volumen de agua
tienen un efecto significativo
sobre el total
Material

www.lab‐ferrer.com
Aire
Permitividad
Dieléctrica
1
Suelos Minerales
3‐7
Materia Orgánica
2‐5
Hielo
5
Agua
80
Di l t i Mixing
Dielectric
Mi i Model
M d l

La permitividad dieléctrica total de un suelo está
formada por la permitividad de cada componente
individual

Las fracciones de volumen, Vx, son factores que
constituyen
y la unidad
   V  V    V  V
b
t

b
m m
b
a a
b
w
b
om om
b
i i
 es la permitividad dieléctrica, b es unaconstante de valor proximo
a 0,5, y los subíndices t, m, a, om, i, y w representan, suelo mineral,
aire, materia orgánica, hielo y agua.
www.lab‐ferrer.com
Contenido Volumétrico de agua y
P
Permitividad
iti id d Dieléctrica
Di lé t i

Reorganizando la ecuación que muestra el contenido de
humedad, , está relacionada directamente con la
permitividad dieléctrica mediante

1
0.5


0 .5
w
t
0 .5
( m0.5Vm   a0.5Va   om
Vom   i0.5Vi )
 w0.5
Remarcar

Idealmente,
d l
ell contenido
d de
d agua es una ecuación sencilla
ll de
d
primer orden de permitividad dieléctrica


Por lo g
general,, en la realidad es una ecuación de segundo
g
orden
Por este motivo, los equipos que miden la permitividad dieléctrica
del medio se calibran para registrar el contenido de humedad
www.lab‐ferrer.com
Equipos Dielectricos: Reflectometría
d l Dominio
del
D i i de
d la
l Frecuencia
F
i
www.lab‐ferrer.com
Equipos Dieléctricos: Reflectometría
d l Dominio
del
D i i del
d l Tiempo
Ti


Mide la longitud aparente (La) de una sonda a partir de una
onda electromagnética (EM) que se propaga a lo largo de
unas varillas metálicas
La está relacionada con  y por tanto con 
www.lab‐ferrer.com
R fl t
Reflectometría
t í del
d l Dominio
D i i del
d l Tiempo
Ti

Ventajas
Calibración es
relativamente insensible a
la diferencia de textura
 La señal de salida
proporciona
i
i f
información
ió
de la CE
 Buena precisión
 Poca sensibilidad a los
cambios en la CE sí son
leves o moderados a los de
temperatura

www.lab‐ferrer.com

Desventajas





Caro
No funcionan en
situciones de CE
elevadas
Necesario analizar la
forma de las ondas
Sensible a la falta de
contacto suelo‐sensor
Integra un volumen
pequeño
Equipos Dieléctricos: Capacitivos /
S
Sensores
FDR

La sonda es un gran condensador
 En el circuito hay un condensador
 El medio que lo rodea se comporta como un
dieléctrico
 El campo electromagnético se produce entre las
placas positiva y negativa
www.lab‐ferrer.com
C d
Condensador
d Típico
Tí i
Condensador
Placa Positiva
Material
Dieléctrico
Placa Negativa
Campo
Electromagnético
www.lab‐ferrer.com
Ej
Ejemplo
l d
de FFuncionamiento
i
i t
2 cm
( i t lateral)
(vista
l t l)
Campo
electrromagnéttico
Sensor
1 cm
0 cm
www.lab‐ferrer.com
Cál l del
Cálculo
d l VWC
La carga del
L
d l condensador
d
d
está relacionada
directamente con la
permisividad
 El circuito del Sensor
convierte la carga del
condensador a una salida
de voltaje o corriente
 La salida del sensor está
calibrada para calcular el
valor de VWC

www.lab‐ferrer.com
Volumetrric Water Content (m
m3/m3)
0.35
Sand (0.16, 0.65, 2.2, 7.6 dS/m)
Patterson (0.52, 0.83, 1.7, 5.3 dS/m)
0.3
Palouse (0.2, 0.7, 1.5 dS/m)
Houston Black (0.53 dS/m)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
350
400
450
500
550
600
Probe Output (mV)
650
700
750
C
Capacitancia/FDR
it i /FDR
Ventajas




Baratos
Necesitan un lector sencillo
Fáciles de instalar / usar
La mejor resolución para
detectar los cambios en el
VWC
Inconvenientes



www.lab‐ferrer.com
Algunos sensores son sensibles
a los cambios de textura del
suelo y a las fluctuaciones de
temperatura (dependiendo de
la frecuencía del oscilador del
sensor)
En algunos casos es necesario
cavar un agujero para instalar
Sensibles a la presencia de aire
en la zona de contacto con el
suelo
I t l ió de
Instalación
d los
l Sensores
S

Tres tipos de equipos
 Tubo de acceso
 Instalación permanente
p
 “Clavar y leer”

TUBO DE ACCESO
 Barrenar hasta la profundidad de instalación
 Insertar el tubo de acceso en el orificio ((hay
y evitar
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 las
profundidades de interés
www.lab‐ferrer.com
I t l ió permanente
Instalación
t

Muchas técnicas para instalar
1.
2.
3.
4.

Pared vertical
Barrenar con cabezal de 5 cm
diametro: parte inferior
Barrenar con el cabezal de
10cm de diámetro: pared
lateral
Barrenar con el cabezal de 5cm
de diametro y con 45º: parte
inferior
1
2
3
Inserción del Sensor

Debe ser vertical no horizontal
www.lab‐ferrer.com
Video de instalación: www.decagon.com/videos
Cl
Clavar
y Leer
L

Propósito




Medidas puntuales del VWC
Muchas
Muc
as medidas
ed das een u
un áárea
ea
No son necesarios datos sobre la evolución del
VWC lo largo del tiempo
Técnica



Clavar la sonda en el suelo
A
Asegurar
un buen
b
contacto
t t entre
t sensor y suelo
l
Registrar la lectura con un display
www.lab‐ferrer.com
Pregunta ¿Cuál es la técnica / sensor
más
á adecuado
d
d para mi?
i?

Respuesta: 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
Presupuesto,
VWC?
Ver presentación
Qué precisión necesito
¿Qué le debo pedir
a mi sensor?
Mano de
d obra
b disponible
di
ibl para ell trabajo
b j
Certificación (especial para trabajar con equipos radiactivos)
www.lab‐ferrer.com
Ej
Ejemplos:
l Medidas
M did en campo
CASO 1: PROGRAMACIÓN DE RIEGOS

Detalles





Más de 20 p
puntos, medidas desde 0,255 m a 2 m
Repartidas por toda la parcela
Recogida de datos en continuo, opcional
Hay presupuesto para equipos
Elección

Sensores capacitivos
p
 Buena precisión
 Baratos
 Fáciles de instalar en el suelo sin disturbar
 Posibilidad de facilitar la recogida de datos por telemetría
www.lab‐ferrer.com
Ej
Ejemplos:
l Medidas
M did en campo
CASO 2: MONITORIZACIÓN EN PARCELA

Detalles






20 puntos de medida, separados 4 m
Medidas
d d de
d VWC a varias profundidades/punto
f dd d
Medias con frecuencia diaria
Personal disponible para recoger los datos
Presupuesto limitado
Decisión

Sonda
d de
d Neutrones
 Precisa
 El coste es el precio del equipo
 Medidas a diferentes profundidades con un tubo de acceso
 Seguro
www.lab‐ferrer.com
Ej
Ejemplos:
l Medidas
M did en campo
CASO 33: MUESTREO GEOESTADÍSTICO PARA DETERMINAR EL
CONTENIDO DE AGUA

Detalles





Puntos de
P
d medida
did del
d l contenido
id de
d agua con una frecuencia
f
i
estadísticamente significativa
Escaso presupuesto
Mano de obra disponible para medir
La variabilidad espacial es el punto clave del análisis
D i ió
Decisión

Un sensor capacitivo “Clavar y Leer”
 Económico y fácil de usar
 No necesita instalación
 Calibración disponible
www.lab‐ferrer.com
Ej
Ejemplos:
l Medidas
M did en campo
CASO 4: BALANCE DE AGUA EN UN ECOSISTEMA
 Detalles





La textura del suelo cambia con la profundidad
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 salinidad
Sensor capacitivo en puntos lejanos
Datalogger y sensores más económicos
www.lab‐ferrer.com
Conclusiones



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 :
 Páginas
Pá i
W b de
Web
d los
l fabricantes
f bi
 Foros, blogs y Google Group
http://www.sowacs.com
http://www sowacs com
Grupo de Google AgSciences, contacto:
[email protected]
g
g g g
 Aplicaciones científicas
www.lab‐ferrer.com
Tabla comparativa ¿Qué técnica de
medida
did es mejor?
j ?
Sonda de
Neutrones
C
Coste
d l sensor
del
TDR
$4‐8K
Lector y sensor: Lector: $4
$5000
Sensor: $100+
TDT
Lector: $600++,
Sensor: $180 ‐
$1000
Capacitivo
Lector: $150++
Sensor: $60‐
$2000
Tiempo
p p
para
instalar
3 min a
30
1h/punto
15 a 2h/punto
h/
t
15 a 2h/punto
h/
t
155 min a
2h/punto
Problemas en la
instalacion: Aire
Problema
menor
Principal
problema
Principal
problema
Principal
problema
Campo
p de
influencia: Radio
Seco: 50cm
Húmedo: 10cm
di
0,5 a 2cm radio
0,5cm radio
di
0,5 a 2cm radio
di
Instalación en
suelo disturbado
Si
Si
No
Si
www.lab‐ferrer.com
Tabla comparativa ¿Qué técnica de
medida es mejor?
Sonda de
Neutrones
TDR
No
Lector específico
Comunicación
Digital
Necesaria para
mejorar la
precisión
Necesaria para
mejorar la
precisión
Data Logger?
Calibración
Precisión
Sensible a la
Temperatura
Sensible a
S li id d
Salinidad
Necesaria para
mejorar la
precisión
TDT
+/‐ 0,03 m3 m‐3
Aumenta con la
calibración
+/‐ 0,03 m3 m‐3
Aumenta con la
calibración
+/‐ 0,03 m3 m‐3
Aumenta con la
calibración
Insensible
Depende del
suelo, puede ser
significativa
Depende del
suelo, puede ser
significativa
Insensible
bl
A niveles bajos:
b
bajo.
A niveles
l
elvados: Fallos
www.lab‐ferrer.com
A niveles bajos:
bajo.
j A niveles
elvados: Fallos
Capacitivo
Si
Necesaria para
mejorar la
precisión
+/‐ 0,03 m3 m‐3
Aumenta con la
calibración
Depende del
suelo/sensor,
puede ser
significativa
A niveles bajos:
bajo. A niveles
elvados: depende
de cada sensor
Apéndice: Dieléctrico Componente Real e
I
Imaginaria
i i

a es la
l permitividad
d d
dieléctrica aparente
 
’ y 
’’ son la parte real e
imaginaria de la constante

dieléctrica, respectivamente
  es la conductividad iónica
  es la frecuencia angular y o
es la permitividad del vacio

www.lab‐ferrer.com
La permitividad
d d aparente tiene
un componente capacitivo y
conductor
La Conductividad iónica (s) está
impulsada por los iones del suelo
y las superficies cargadas de las
arcillas
 s depende de la temperatura
 el efecto iónico disminuye
con la frecuencia de medida
A li i
Aplicaciones
Control y p
programación
g
de riegos
g
Balance de agua Ecosistemas/cultivos
Eficiencia en el uso del agua
Monitoreo Hidrológico
 Hidropedologia
 Seguimiento
S
i i
d catastrofes
de
f naturales
l




www.lab‐ferrer.com
20
20
16
16
12
12
8
8
4
4
0
0
8/1
8/4
8/7
8/10
8/13
8/16
8/19
8/22
8/25
8/28
August 2006
EC-5 15cm
EC-5 30cm
EC-5 45cm
EC-5 90cm
TE-5(WC) 15cm
Rain (mm) 0
Datos cortesía de W. Bandaranayake
y
y L.
Parsons, Univ. of Florida Citrus Research
and Education Center
www.lab‐ferrer.com
8/31
Rainfall (m m)
Volum
metric waterr Content
(%)
¿Q é es lo
¿Qué
l que voy a obtener?
bt
?