L`utilizzo di metodi a pressione di vapore per la determinazione

L’utilizzo di metodi a pressione di
vapore per la determinazione della
curva di ritenzione idrica
Marco Bittelli
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali
Università di Bologna
Variabili necessarie per definire lo stato
dell’acqua nel terreno
Contenuto idrico
Quantità
Estensiva
e
Misure correlate
volume
e
contenuto di calore
e
carica
e
Potenziale idrico
Qualità
Intensiva
pressione
temperatura
voltaggio
Potenziale dell’acqua
Energia necessaria, per unità di peso o volume di acqua, per trasportare
una 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-piantaatmosfera
• L’acqua disponibile per la pianta
• L’attività microbica quindi la decomposizione della sostanza
organica
• La germinazione dei semi
• La nutrizione delle piante
Potenziale dell’acqua
O
Energia per unità di massa o volume
O
Proprietà differenziale
O
Deve essere specificato un sistema di riferimento (acqua pura,
temperatura, livello piezometrico) da definire come punto a
potenziale zero
O
Abbassando il potenziale si abbassa la pressione di vapore e il
punto di congelamento dell’acqua.
Potenziale dell’acqua nel continuum suolo pianta
atmosfera
-100
Atmosfera
Foglie
-1.0
-3.0
Xylema
-0.7
-2.5
-0.03
-0.03
-1.7
-1.5
Radici
Suolo
Capacità di Campo
(MPa)
Punto di
Appassimento
(MPa)
Potenziale dell’acqua è influenzato da:
O
O
O
O
O
Pressione dell’acqua (idrostatica o pneumatica)
Concentrazione dei soluti nella soluzione
Legami dell’acqua con le superfici
Interfaccie tra acqua e aria
Posizione dell’acqua nel campo gravitazionale
Potenziale totale
ψ = ψp + ψo + ψm+ ψg
p
pressione - idrostatica o pneumatica
o
osmotica
m
matriciale – forze adsorbimento
g
gravitazionale - posizione nello spazio
soluti
Unità di misura e relazione del potenziale
MPa
-0.1
-1
-10
-100
-1000
m water
-10.2
-102
-1020
-10204
-102041
rh
0.999
0.993
0.929
0.478
0.0006
Punto cong.
C
-0.076
-0.764
-7.635
-76.352
Osmolalità
mol/kg
0.041
0.411
4.105
41.049
410.494
Umidità relativa e potenziale
Umidità relativa
hr = e (T)/es(T)
Umidità relativa e potenziale dell’acqua sono messi in relazione
dall’equazione di Kelvin
RT
ln hr
Ψ=
Mw
R = costante dei gas
T = temperatura
Mw= peso molecolare dell’acqua
Metodi di misura del potenziale
O
Metodi a equilibrio di solidi
» Resistenza elettrica
» Capacità elettrica
» Conducibilità termica
O
Metodi a equilibrio di liquidi
» Tensiometri
O
Metodi a equilibrio di vapore
» Psicrometria a termocoppie
» Metodi a punto di rugiada
Resistenze elettriche
O
Una matrice nota (ceramica) è messa in equilibrio
con il suolo
O
La resistenza elettrica è influenzata dal contenuto
idrico della ceramica
O
Si conosce la relazione tra contenuto idrico e
potenziale della ceramica
O
Economico, poca stabilità, bassa accuratezza.
O
Sensibile ai suoli salini
Metodi capacitivi
O
Una matrice nota (ceramica) è messa in
equilibrio con il suolo
O
La capacità dielettrica è influenzata dal
contenuto idrico della ceramica
O
Stabile e risente poco dei sali nel suolo
O
Non necessita di calibrazione
O
Buona accuratezza da -0.01 to -0.5 MPa
O
Limitata (al momento) dalla disuniformità delle
ceramiche
Metodi a dissipazione di calore
O
Misura la conducibilità termica, tramite la
dissipazione del calore.
O
Robusto (all’interno della ceramica c’è una
resistenza elettrica che si scalda e due
termocoppie)
O
Stabile (non è soggetto alla salinità)
O
Richiede calibrazioni individuali
Equilibrio di liquidi: tensiometri
O
Mettono in equilibrio con il suolo, acqua in
tensione dentro a una coppa porosa.
O
Misurano la pressione esercitata su un
trasduttore di pressione.
O
Accurati, ma limitati nel range (0 to -80 J
kg-1)
O
Richiedono spesso di essere risaturati, in
quanto si formano cavitazioni (bolle
d’aria).
Piastre a pressione
O
Applicano una pressione (generata
di solito da un compressore)
O
Raggiunto l’equilibrio alla pressione applicata, il
campione viene pesato e quindi determinato il
contenuto idrico.
O
Ha problemi di raggiungimento dell’equilibrio ad
alte pressioni e quindi di affidabilità.
Metodi a pressione di vapore
O
Misurano l’umidità relativa di una camera stagna, soprastante il
campione
» Tramite la diminuzione della temperatura di bulbo umido (metodi
psicrometrici)
» Tramite la determinazione della temperatura di rugiada (metodi
a punto di rugiada)
Curva di pressione di vapore
hr= e (T) /es (T)
RT
ln hr
Ψ=
Mw
es (T)=0.611*Exp (17.502*T / 240.97+T)
14
12
Pressione di vapore saturo
10
Pressione di vapore (k
Esempio: partendo da un campione
insaturo (90 % di hr) ad una temperatura
di 20 C, esso raggiunge la saturazione
alla temperatura di circa 9 C.
La temperatura di 9 C è anche chiamato
punto di rugiada.
8
6
4
2
Pressione di vapore insaturo
0
-10
0
10
20
30
Temperatura (C)
40
50
60
Tecnica a punto di rugiada
Uno specchio è raffreddato fino al
formarsi della rugiada. La temperatura
alla quale si forma la rugiada è la
temperatura di saturazione, dalla quale
si determina il valore iniziale di
pressione di vapore.
Vantaggi
• Alta accuratezza
• Misura rapida ~ 5 min.
• Buona ripetibilità
Ventola
Specchio
Optical Sensor
Infrared Sensor
Campione
Svantaggi
• Misure limitate a
potenziali intermedi e
molto negativi.
• Effetto dei sali, quindi
necessità di separare la
componente osmotica
Applicazioni del WP4
O
O
O
O
Misure di curve di ritenzione
Potenziale idrico dei semi e
dei tessuti vegetali
Studi sul rigonfiamento dei
suoli
Determinazione della
superficie specifica del suolo
Specifiche del WP4
O
O
O
O
O
Range: - 300 < – 300.000 J kg-1
Accuratezza: 1%
Tempo di misura: 5 a 10 minuti
Il WP4-T controlla la
temperatura da 5-40°C
L’operatore può ricalibrare lo
strumento indipendentemente.
Metodologia
O
O
O
O
O
Saturare i campioni con l’utilizzo di una pompa a vuoto
Lasciare evaporare per tempi diversi e lasciare equilibrare per
24 hr.
Misurare il potenziale con il WP4
Determinare il contenuto idrico gravimetrico
Si 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 (STPP) 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 van
Genuchten (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:
O
Metodo della colonna d’acqua o dei letti di Stackman negli
intervalli più vicini alla saturazione (0 a −1 m-H2O)
O
Piastre a pressione nella parte intermedia della curva (potenziali >
~ −50 m-H2O)
O
Metodi a punto di rugiada nella parte più secca (potenziali < ~
−50 m-H2O).
Conclusioni
O
Metodi a equilibrio di solidi
» Resistenza elettrica
» Capacità elettrica
» Conducibilità termica
O
Metodi a equilibrio di liquidi
» Tensiometri
O
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 di
potenziale 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 molto
utili per misurare il potenziale nella parte più secca della curva, laddove altri metodi
sono meno precisi.
Grazie per la vostra
attenzione