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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
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L’utilizzo di metodi a pressione di vapore per la ... · » Psicrometria a termocoppie » Metodi a punto di rugiada. Resistenze elettriche OUna matrice nota (ceramica) è messa

Apr 05, 2018

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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

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Variabili necessarie per definire lo statodell’acqua nel terreno

Contenuto idrico eQuantitàEstensiva

Misure correlatevolume econtenuto di calore ecarica e

Potenziale idricoQualitàIntensiva

pressionetemperaturavoltaggio

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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

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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.

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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).

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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.

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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)

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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 =

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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

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Applicazioni del WP4

Misure di curve di ritenzionePotenziale idrico dei semi e dei tessuti vegetaliStudi sul rigonfiamento deisuoliDeterminazione dellasuperficie specifica del suolo

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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.

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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

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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.

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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).

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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.

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Grazie per la vostraattenzione