Métodos para determinar Humedad de Suelos

1. Métodos para determinar Humedad de Suelos John Selker Universidad del Estado de Oregon (OSU) http://www.ianr.unl.edu/pubs/irrigation/graphics/g690-06.jpg

2. Resumen • Cuales son los objetivos de conocer la humedad del suelo • Formas de expresar humedad del suelo • Indicadores físicos • Métodos: directos • Métodos: Indirectos con tensión y dieléctrico • Métodos:Indirectos2; reemplazar suelo con materiales que se comporten en forma similar • ¿Qué cambios obtendremos en el futuro? • Comparación de métodos

3. Objetivos de la medición • Programación de riego • Variación de humedad en tiempo (para computar Kc) • Indicadores de necesidad de riego (agr. gnal.) • Determinar condiciones mecánicas de suelos (proyectos de ingeniería civil) • Cálculos de balance hídrico (ciencia) Existen diversas herramientas aplicables de acuerdo a las necesidades

4. Objetivos de las mediciones de la humedad • Compre lo que es realmente necesario para su trabajo:hay una variedad de instrumentos desde US$100 hasta US$10.000 • Evalúe su necesidades con respecto a las posibilidades que existen Ejemplo: Supongamos una situación puntual de suelo uniforme en contenidos de materia orgánica y textura • Considere el método simple de capacitancia. Los costos son bajos 200 mil pesos, es consistente en el tiempo, confiable y suficiente para determinar cuando necesita regar.

5. Objetivos de las mediciones de humedad: mas ejemplos • Si necesita medir en distintas condiciones de suelo… • Necesita un método que no requiere una calibración, como el TDR. • Si el terreno no se expande con agua, pero tiene gran variabilidad en materia orgánica, y solo queremos saber si regar o no. • Considere el uso de bloques de yeso. • Si necesita alta precisión y tiene mucho tiempo, considere el uso de neutrómetro. http://www.civag.unimelb.edu.au/~jwalker/ data/nerrigundah/connector.jpg http://www.unidata-starlog.de/ produkte/5513c.jpg http://www.wateright.org/ site2/images/neutron.jpg

6. Objetivos de las mediciones de humedad Puntos Importantes: • El precio no es un buen indicador de calidad ni aplicabilidad • Se requiere hacer una buena selección de método teniendo en cuenta: • Las características del suelo (materia orgánica, textura, variabilidad, suelos que se expanden) • Sus objetivos • La gente que va a usar el equipo • Presupuesto disponible ¡Cuidado con pensar que hay una tecnología que es la mejor!

7. Unidades de Medición: ¡no es una pregunta de metros o pulgadas! Punto Importante: • Cultivos se preocupan de lo difícil que es extraer agua del suelo (la tensión). • Los agricultores se preocupan de cuándo y cuánta agua deben aplicar (contenido de humedad) Distintos equipos miden cantidades distintas, aunque los folletos digan “sistema para medir humedad”

8. Unidades de Medición • Tensión v/s Humedad • Muchas veces los equipos entregan la tensión como indicador de humedad de suelo • Recuerden que la relación entre humedad y tensión no está bien definida ¡Cuidado! T Humedad posible

9. Presión con elevación: Potencial total • Es importante entender la relación entre presión (tensión) y potencial. Observen este vaso de agua:

10. Presión con elevación: un ejemplo depósito Supongamos que tenemos un tensiómetro de 1 m de altura, que indica -10 cbar. ¿Cuál es la tensión del agua dentro del suelo? Recordemos las unidades: 1 cbar = 0.01bar = 0.1m columna de agua La tensión dentro del suelo es:P = -10cbar + 10cbar = 0 Indicador Cuerpo Separable Vaso

11. Humedad de Suelo • Podemos expresar la humedad del suelo en términos de masa o volumen • Recuerde que estos sistemas son distintos

12. Unidades de Medición Formas de expresar humedad • Contenidos volumétricos - • Contenidos en masa - • Grado de saturación - Ninguno de éstos es correcto o falso; hay aplicaciones donde cada uno es apropiado

13. Indicadores físicos de humedad Todos los métodos usan una propiedad física que cambia con la humedad. ¿Que podría medir? • El peso de suelo • La tensión del agua dentro del suelo • La humedad del aire dentro del suelo • La dispersión de la radiación que entra al suelo • La atenuación de la radiación que entra al suelo • El dieléctrico del suelo • La resistencia eléctrica del suelo • La textura del suelo • La energía para cambiar la temperatura del suelo

14. Métodos: Directos versus indirectos • Métodos directos miden la cantidad de agua que hay en el suelo • Métodos indirecto calculan la humedad mediante una calibración entre humedad y una propiedad que es mas fácil de medir (p.ej. tensión) • La gran mayoría de los métodos son indirectos La clave para evaluar un método indirecto es con respecto a calidad/estabilidad/consistencia de la calibración

15. Métodos: Directos • Gravemétrico • Sacar suelo, pesarlo cuando está húmedo, pesarlo cuando está seco • Volumétrico • Obtenga un cilindro de suelo sin modificación (densidad original); pesar, secar, pesar otra vez Ventajas Desventajas - Preciso (+/- 1%) - No puede repetir en el - Barato mismo lugar equipo - gratis - Consume mucho tiempo por muestra - gratis - Lento: 2 días mínimo www.geog.plym.ac.uk/ labskills/bdpg.htm

16. Métodos: Indirectocon tensión • Tensiómetros • Sicrómetros • Indirectos2: Medir humedad dentro de otro medio bloques de yeso (incluyendo WaterMark etc.)

17. Comunicación con suelo: sólidos porosos • El tensiómetro usa un vaso rígido y poroso para medir la presión del agua dentro del suelo. • El agua puede pasar sin obstáculo de un lado a otro, entonces la presión dentro del vaso es igual a la que hay en el suelo.

18. deposito Indicador Cuerpo Separable Vaso Para medir presión: el tensiómetro • Puede fabricar en muchas formas y tamaños • Mantenimiento es requisito cada semana, por lo menos • Útil hasta -0.8 bar • En uso desde 1940 • Necesita más de uno por seguridad (>4)

19. Para medir presión: el tensiómetro http://www.ci.eagan.mn.us/Forestry/6_1_01_tensiometer.jpg Cuidado con: • Suelos expansivos • Le va a pedir contacto con suelo, y no función • ¡Usarías instrumento incompetente! • Malo para lugares donde se usará con destrezas bajas • Fácil para obtener datos de basura sin mucho cuidado • Suelos con textura fina (no puede medir <-0.8 bar) • Necesita características del suelo para interpretar la humedad

20. Potencial Total: El Sicrómetros Permite la determinación de humedad relativa en la atmósfera del suelo midiendo la temperatura en el punto de rocío nevada.usgs.gov/adrs/ pg_hydro.html Presión Humedad relativo Constante de gas Temperatura

21. Potencial Total: El Sicrómetro Excelente donde las condiciones son muy seco. A veces más seco de lo que el cultivo requiere, pero en uva puede ser útil. • Baja precisión en el rango de humedad entre 0-1 bar • Para determinar humedad, necesita curvas entre presión y humedad - problemático en suelos variable. • Útil en proyectos de investigaciones en regiones de secano. http://www.decagon.com/wp4/

22. W Tensión indirecta: bloques de yeso • Usan un materiales con relación dentro presión y humedad conocido • Energía de calentamiento es una función de humedad - o - • Resistencia eléctrica es una función de humedad • Primero, medir la energía de calentamiento o resistencia, luego deducir la humedad de bloque, después deducir presión de bloque, entonces deducir presión de suelo, finalmente deducir humedad del suelo. Problemas: • Los propiedades cambiar en tiempo • Difícil para fabricar con suficiente consistencia (necesita calibrar cada uno) http://www.unidata-starlog.de/ produkte/5513c.jpg http://www.dynamax.com/gypsum.jpg

23. Ejemplo: Watermark US$260 metro US$27 bloque http://www.irrometer.com/images/watsensor.JPG

24. Indirecto Presión: bloque de yeso Concepto: Medición indirecta de la tensión Bloque Suelo Presión Presión Humedad Humedad Queremos la humedad del suelo Medimos humedad de bloque

25. Indirecto Presión: bloques de yeso Resumen: • Generalmente la opción de bajo costo • Calibración problemática en tiempo y entre unidades • Malo en suelos expansivos • Malo en suelos de alta variabilidad • A veces es muy útil para decidir si o no regar

26. Indirecto eléctrico: La naturaleza del dieléctrico de suelos • Generalmente los suelos tienen dieléctrico entre 2 y 4 en las frecuencias altas (> 200 mHz) • Agua tiene dieléctrico de 80 • Si podemos medir dieléctrico del suelo, nos muestra la humedad Cuidado: El dieléctrico del suelos es mas grande y variable si la frecuencia es menos de 200 mHz.

27. Indirecto eléctrico: Capacitancia de baja frecuencia (dieléctrico,) • Insertar un capacitor sin protección en suelo, medir la capacitancia • La capacitancia es más alta si hay mucha agua por volumen • Necesita calibración para cada suelo porque frecuencia es baja US$70 US$500

28. Indirecto eléctrico: TDR (dieléctrico) • Observar el tiempo de tránsito de una señal en un par de cables en suelo • La señal es lenta si el dieléctrico es alto (mucha agua) • Calibrar tiempo de tránsito con humedad volumétrica • Por ser de alta frecuencia se puede usar una calibración universal

29. Los cálculos de TDR • Obtenga el dieléctrico con el tiempo de tránsito en el cable en suelo y tránsito en aireObtenga la humedad volumétrica con la ecuación de Topp, u otras calibraciones

30. Ejemplos de Sistemas de TDR 3 m

31. Indirecto eléctrico: TDR (dieléctrico) • Hay mucho entusiasmo por TDR ahora. ¿Porque? • No-nuclear • calibración universal • media de humedad volumétrica • Muchas configuraciones posibles • Largos (hasta 3 m ahora) • Cortos (2 cm) • Se puede medir en muchos puntos con un equipo automáticamente • Los costos bajan cada día (pronto <US$500) • Preciso (+/- 2% o mejor)

32. Capatancia de Alta Frecuencia (Dieléctrico) • 80 mHz • $250 metro • $250 sensor • $20 tubo • Calibraciónuniversal

33. Indirecto con radiación: interacciones entre suelo & radiación • Cuando radiación pasa a través de suelo, puede: • absorber • cambiar energía • pasa sin obstáculo • Lo que pasa depende de la energía de la radiación • Cada una de estas posibilidades son útiles para determinar la humedad del suelo http://www.pnl.gov/flowcells/images/satunsat2.jpg

34. Indirecto con radiación: Neutrómetro (termalización) • Emite neutrones de alta energía • Cuando ellos encuentran cosas con masa de neutrones similar (p.e. hidrógeno) ellos pierden energía • La cantidad de neutrones lentos que vuelven al neutrómetro tienen relación de humedad • Necesita solamente un hoyo • buena precisión • Muchos componentes del suelo efectúan la calibración http://www.wateright.org/ site2/images/neutron.jpg

35. Indirecto con radiación:Neutrómetro (termalización) Ventajas • Potencialmentepreciso si lacalibración es buena • Disponible • Uso de bajo costo • Flexible (p.e., puede usar en profundidad) Desventajas • Necesita calibración por suelo (mucho trabajo) • Trabajar con radiación • Su compra es de alto costo • Caro para desechar • Lento para usar • No se puede usar en forma automática

36. Indirecto con radiación:Sonda de Gamma Atenuación de radiación • Fuente & detector son separado por suelo. • La humedad determina la absorción de energía de rayo. • Necesita calibrar este métodoen cada suelo. • Puede usar el mismo métodocon absorción neutrón y radiografía • Se puede usar frecuencias diversas para determinar contenidos de líquidos (p.e., aceites) • No se usa en agricultura comercial muestra Detector Fuente http://www.pnl.gov/flowcells/images/satunsat2.jpg

37. Método Indirecto por tacto:conozca su suelo • Puede determinar humedad del suelo con suficiente precisión usando el tacto. ¿Es posible hacer una cinta de suelo? ¿Pegar el suelo en la mano? ¿Puede pulverizarlo fácilmente? • Aunque rústico, la información es inmediata y el agricultor la obtiene en el predio y él piensa sobre las condiciones del agua y suelo • Posiblemente la estrategia más efectiva para controlar el agua en el campo http://www.ianr.unl.edu/pubs/ irrigation/graphics/g690-06.jpg

38. Tendencia futura • TDR con costos bajos • Sistemas mas flexibles • radio telemetría barato • sistemas que obtienen datos en forma automática • Proyección futura por medio de la computación • Menos agua para regar • Más presión de todos los sectores para usar agua con alta eficiencia http://www.historyoftheuniverse.com/ images/future.gif

39. Comparación de métodos Aprovéchelos: hay más opciones y métodos ahora con características muy útiles