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MÉTODOS DE MEDIDA DEL
CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Y
APLICACIONES EN CAMPO
Francesc Ferrer Alegre
Dr Ingeniero Agrónomo
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Esquema
• Medidas Directas vs  Indirectas
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• Contenido de agua: Gravimétrico vs. Volumétrico
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• Evaluación directa
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Equipos Dielectricos: Reflectometría
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La carga d l 
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CASO 3: MUESTREO GEOESTADÍSTICO PARA DETERMINAR EL
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 Detalles
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Medida del contenido de humedad del suelo

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Medidas del contendio de humedad del suelo, Directas vs. Indirectas
Contenido de agua: Gravimétrico vs. Volumétrico
Técnicas de Medida del Contenido de Agua
Sensores Dieléctricos, FDR
Cómo elegir el sensor que más te conviene
Cómo instalar
Ejemplos de aplicación en campo

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Medida del contenido de humedad del suelo

  1. 1. MÉTODOS DE MEDIDA DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL SUELO Y APLICACIONES EN CAMPO Francesc Ferrer Alegre Dr Ingeniero Agrónomo Responsable d l á R bl del área d  H de Humedad d l S l L bF d d del Suelo LabFerrer www.lab‐ferrer.com
  2. 2. Esquema • Medidas Directas vs  Indirectas 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 Doble g j Muestreo Gravimétrico Sensores Dieléctricos  Domino del Tiempo  Dominio de la Frecuencia • Métodos de instalación • Ejemplos de aplicación en campo www.lab‐ferrer.com
  3. 3. Técnicas d M did Té i de Medida • 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 d un lí id en un tubo para d ió de líquido b determinar i la temperatura www.lab‐ferrer.com
  4. 4. Definición: Contenido de Agua Volumétrico D fi i ió C t id d A V l ét i • • • 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%
  5. 5. Definición: Contenido de Agua Gravimétrico D fi i ió C t id d A G i ét i w = Contenido de Agua Gravimétrico m = masa w = agua d = sólidos secos d ld www.lab‐ferrer.com
  6. 6. Contenido de agua Volumétrico vs.  Gravimétrico G i ét i  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
  7. 7. Contenido de agua Directo: Técnica Gravimétrica (w) G i ét i ( ) Generar el contenido volumétrico de agua  Igual que el gra imétrico pero con un  olumen de muestra conocido el gravimétrico con un volumen  Instrucciones de calibración en:,   www.decagon.com/appnotes/CalibratingECH2OSoilMoistureProbes.pdf www.lab‐ferrer.com
  8. 8. Contenido de Agua Directo C t id d A Di t  Ventajas     Simple  Medida directa M did di t Puede ser muy barato Desventajas D j    Destructivo (no es útil para variabilidad) Tiempo dedicado Necesario una balanza de precisión y una estufa www.lab‐ferrer.com
  9. 9. Medida in it del M did i situ d l VWC (I di t ) (Indirecto) Termalización d l de neutrones  Sonda de Neutrones  S Sensor d pulso d calor d aguja d bl (D l N dl de l de l de j doble Dual Needle  Heat Pulse –DNHP‐)  Medidas Dieléctricas M did Di lé t i  Capacitancia/Reflectancia en el dominio de la  frecuencia (FDR)  Reflectancia en el dominio del tiempo (TDR) www.lab‐ferrer.com
  10. 10. Cómo f i Có funciona l la sonda d d de neutrones t   Fuente Radioactiva Libera neutrones en el suelo  Interactua con los átomos de H del suelo  Ralentización  Otros átomos habituales   Absorbe Ab b poca energía d  l   í de los neutrones t Detector de baja energía  Ralentiza los átomos recogidos  “neutrones recogidos,  neutrones termalizados”  Los neutrones termalizados están relacionados di l i d directamente con el    l  contenido de agua en el suelo www.lab‐ferrer.com
  11. 11. Sonda de neutrones: Instalación y   Calibración C lib ió  Instalación    Barrenar Instalar los tubos de  acceso Calibrar la sonda   Gravimetría con  muestras de volumen conocido Punto representati o representativo www.lab‐ferrer.com Data D t courtesy of S tt St i l t f Scott Stanislav, L Leo Ri Rivera and d Cristine Morgan, Texas A&M University
  12. 12. Medidas M did con Sonda d N t S d de Neutrones  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
  13. 13. Sonda de Neutrones de Neutrones  Ventajas  Gran volumen de  medida,  , entre 10 ‐20cm de radio  dependiendo del  co e do de agua contenido 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 Caro  C   Pesado
  14. 14. 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 Crear ecuaciones que relacionen VWC y capacidad C i l i id d térmica Medida M did    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
  15. 15. DNHP  Instalación  Clavar el sensor en el suelo (no doblar las agujas)  Conectar un datalogger tener datalogger, una buena medida de la p y p personal temperatura capacitado para manejar los equipos e interpretar los datos www.lab‐ferrer.com
  16. 16. DNHP Ventajas V t j    Medidas en volúmenes pequeños Método específico para cada situación Puede medir el VWC  alrededor de una semilla que está creciendo tá 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 Desventajas D 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
  17. 17. Teoría Dieléctrica: Cómo f i T í Di lé t i Có funciona  En un medio heterogéneo:  La fracción de volumen de  cualquier componente está relacionada con la permitividad l d l 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
  18. 18. Dielectric Mixing Model Di l t i Mi i 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 la unidad y    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
  19. 19. Contenido Volumétrico de agua y  Permitividad Di lé t i P iti id d Dieléctrica  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 0 0. ( m.5Vm   a .5Va   om5Vom   i0.5Vi ) 0  w.5 Remarcar  Idealmente, el contenido d agua es una ecuación sencilla d d l l d de ll de primer orden de permitividad dieléctrica   Por lo general, en la realidad es una ecuación de segundo orden g , g Por este motivo, los equipos que miden la permitividad dieléctrica del medio se calibran para registrar el contenido de humedad www.lab‐ferrer.com
  20. 20. Equipos Dielectricos: Reflectometría del Dominio de la Frecuencia d lD i i d l F i www.lab‐ferrer.com
  21. 21. Equipos Dieléctricos: Reflectometría del Dominio del Tiempo d l D i i d l 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
  22. 22. Reflectometría d l D i i d l Ti R fl t t í del Dominio del Tiempo  Ventajas Calibración es relativamente insensible a  la diferencia de textura  La señal de salida proporciona i f i 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
  23. 23. Equipos Dieléctricos: Capacitivos / Sensores FDR S  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
  24. 24. Condensador Tí i C d d Típico Condensador Placa Positiva Material  Dieléctrico Placa Negativa Campo  Electromagnético www.lab‐ferrer.com
  25. 25. Ejemplo de Funcionamiento Ej l d F i i t 2 cm (vista lateral) ( i t  l t l) Campo  electr romagnét tico Sensor 1 cm 0 cm www.lab‐ferrer.com
  26. 26. Cálculo del VWC Cál l d l VWC La carga d l  L   del 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 Volumetr Water Content (m ric 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
  27. 27. Capacitancia/FDR C 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
  28. 28. Instalación de los Sensores I t l ió d l 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 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 las profundidades de interés www.lab‐ferrer.com
  29. 29. Instalación I t l ió permanente 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
  30. 30. Clavar y Leer Cl L  Propósito      Medidas puntuales del VWC  Muc as ed das e u á ea Muchas medidas en un área  No son necesarios datos sobre la evolución del   VWC lo largo del tiempo  Técnica     Clavar la sonda en el suelo Asegurar un buen contacto entre sensor y suelo A    b   t t   t       l Registrar la lectura con un display www.lab‐ferrer.com
  31. 31. Pregunta ¿Cuál es la técnica / sensor más adecuado para mi? á d d 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, Presupuesto ¿Cuánto dinero me puedo gastar para conocer el VWC? Ver presentación Qué precisión necesito ¿Qué le debo pedir Mano d obra di de b disponible para el trabajo a mi sensor? ibl l b j Certificación (especial para trabajar con equipos radiactivos) www.lab‐ferrer.com
  32. 32. Ejemplos: Medidas en campo Ej l M did CASO 1: PROGRAMACIÓN DE RIEGOS  Detalles      Más de 20 puntos, medidas desde 0,25 m a 2 m p 5 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
  33. 33. Ejemplos: Medidas en campo Ej l M did CASO 2: MONITORIZACIÓN EN PARCELA  Detalles       20 puntos de medida, separados 4 m  Medidas d VWC a varias profundidades/punto d d de f dd d Medias con frecuencia diaria Personal disponible para recoger los datos Presupuesto limitado Decisión  Sonda d d de Neutrones  Precisa  El coste es el precio del equipo  Medidas a diferentes profundidades con un tubo de acceso  Seguro www.lab‐ferrer.com
  34. 34. Ejemplos: Medidas en campo Ej l M did CASO 3: MUESTREO GEOESTADÍSTICO PARA DETERMINAR EL 3 CONTENIDO DE AGUA  Detalles      Puntos d medida d l contenido d agua con una f P de did del id de frecuencia i estadísticamente significativa Escaso presupuesto Mano de obra disponible para medir La variabilidad espacial es el punto clave del análisis Decisión D i ió  Un sensor capacitivo “Clavar y Leer”   Económico y fácil de usar y  No necesita instalación  Calibración disponible www.lab‐ferrer.com
  35. 35. Ejemplos: Medidas en campo Ej l M did 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
  36. 36. 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 :  Pá i Páginas W b d l f b i Web de los fabricantes  Foros, blogs y Google Group http://www sowacs com http://www.sowacs.com Grupo de Google AgSciences, contacto:       agscience@googlegroups.com g g g g  Aplicaciones científicas www.lab‐ferrer.com
  37. 37. Tabla comparativa ¿Qué técnica de medida es mejor? did j ? Sonda de  Neutrones Coste d l  C del sensor TDR $4 Lector y sensor:  Lector: $4‐8K $5000 Sensor: $100+ TDT Lector: $600++, Sensor: $180 ‐ $1000 Capacitivo Lector: $150++ Sensor: $60‐ $2000 Tiempo para p p instalar 3 30 min a  1h/punto 15 a 2h/punto     h/ t 15 a 2h/punto     h/ t 15 min a  5 2h/punto Problemas en la  instalacion: Aire Problema menor Principal   problema Principal   problema Principal   problema Campo de  p 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
  38. 38. 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  Salinidad S li id d 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:  bajo. A niveles b l elvados: Fallos www.lab‐ferrer.com A niveles bajos:  bajo. A niveles j 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
  39. 39. Apéndice: Dieléctrico Componente Real e  Imaginaria I i i  a es l la permitividad d d dieléctrica aparente  ’ y ’’ son la parte real e    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 aparente tiene  d d 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
  40. 40. Aplicaciones A li i Control y programación de riegos yp g g Balance de agua Ecosistemas/cultivos Eficiencia en el uso del agua Monitoreo Hidrológico  Hidropedologia  S Seguimiento d   i i de catastrofes naturales f l     www.lab‐ferrer.com
  41. 41. ¿Qué lo que voy a obtener? ¿Q é es l bt ? 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 L. y Parsons, Univ. of Florida Citrus Research and Education Center www.lab‐ferrer.com 8/31 Rainfall (m m) Volum metric water Content r (%) 20

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