M�todos para determinar Humedad de Suelos

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M�todos para determinar Humedad de Suelos Powered By Docstoc
					   Métodos para
determinar Humedad
     de Suelos

                       http://www.ianr.unl.edu/pubs/irrigation/graphics/g690-06.jpg
           John Selker
 Universidad del Estado de Oregon
              (OSU)
                  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
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    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
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        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
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               para determinar cuando necesita regar.             4
      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.             http://www.civag.unimelb.edu.au/~jwalker/
                                                data/nerrigundah/connector.jpg

     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.
                                                        http://www.unidata-starlog.de/
                                                        produkte/5513c.jpg




Si necesita alta precisión y tiene mucho
  tiempo, considere el uso de neutrómetro.
                                                          http://www.wateright.org/
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                                                          site2/images/neutron.jpg
 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
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               tecnología que es la mejor!                            6
                  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”
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      Unidades de
       Medición
•Tensión v/s Humedad               (1)         (5)


  Muchas veces los
     equipos entregan la
                                                       (6)
     tensión como indicador




                                                   primary sc
     de humedad de suelo                                 (8)               ma i
                                                                               n




                                                       se
                                                                                   drai




                                                         co
                                                                                        ning




                                                            nd
                                                                                             curv




                                                               ar
                                                                                                 e




                                                                 ann



                                                                  y
  Recuerden que la           T




                                                                    sc
                                                                      i ng




                                                                      an
                                                                                                           (4)




                                                                         ni
                              ha




                                                                            ng
                                                                            cu
                                                                               rv




                                                                               curve
     relación entre humedad



                                                                                  e
                                                         (2)                    (7)
     y tensión no está bien   hw                           ma in wett ing
                                                                          curve

     definida                                                                                        (3)
                                  0
                                         0    r                                                            su 

              ¡Cuidado!
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                                             Humedad posible
                                                                                                             8
                  Presión con elevación:
                      Potencial total
• Es importante entender la relación entre
   presión (tensión) y potencial. Observen
   este vaso de agua:

                                             H=z+h       z
                         h=0




                         z=0     Elevation               h
                                (0,0)
                                             Potential
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   Presión con elevación:                    depósito
         un ejemplo
Supongamos que tenemos un
tensiómetro de 1 m de altura, que
indica -10 cbar. ¿Cuál es la                Indicador

tensión del agua dentro del
suelo? Recordemos las unidades:           Cuerpo

1 cbar = 0.01bar = 0.1m columna de agua

                                          Separable
La tensión dentro del suelo es:
P = -10cbar + 10cbar = 0
                                          Vaso
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Humedad de Suelo

• Podemos expresar
  la humedad del      Gas
  suelo en términos
  de masa o volumen             Liquid    Solid


                            VOLUME                         MASS

• Recuerde que                       Vg           Gas      Mg

  estos sistemas            V        Vl           Liquid   Ml
                                                                  M
  son distintos                      Vs
                                                  Solid
                                                           Ms


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 Unidades de Medición
   Formas de expresar humedad
                                           Vw
                                        =
  Contenidos volumétricos -               Vt
                                           Mw
  Contenidos en masa -                 w= M
                                            s

  Grado de saturación -                    - o
                                        S=
                                           s - o
          Ninguno de éstos es correcto o falso; hay
         aplicaciones donde cada uno es apropiado
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  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 13
febrero de 2012
    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
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           Métodos: Directos
•Gravemétrico
   Sacar suelo, pesarlo cuando está
    húmedo, pesarlo cuando está seco
•Volumétrico                                           www.geog.plym.ac.uk/
                                                       labskills/bdpg.htm



   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
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                                   - Lento: 2 días mínimo                15
  Métodos: Indirecto con tensión

         • Tensiómetros
         • Sicrómetros
         • Indirectos2: Medir
             humedad dentro de otro
             medio bloques de yeso
             (incluyendo
             WaterMark etc.)
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 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.
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   Para medir presión: el        deposito

        tensiómetro
Puede fabricar en muchas
 formas y tamaños               Indicador
Mantenimiento es requisito
 cada semana, por lo menos    Cuerpo
Útil hasta -0.8 bar
En uso desde 1940
Necesita más de uno por      Separable
 seguridad (>4)
                              Vaso
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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
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      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                            Porous Ceramic Cup
               Humedad relativo
      Constante Temperatura
      de gas

               Pg 
                  _
   Pd = R T ln 
              P 
               
febrero de 2012                   Thermocouple                            20
 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.
febrero de 2012                                                   21
                                         http://www.decagon.com/wp4/
Tensión indirecta: bloques de yeso
 Usan un materiales con relación dentro
                                                                 Thermocouple
  presión y humedad conocido
                                                                              Heater
 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,                                      W
   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
febrero de 2012              http://www.dynamax.com/gypsum.jpg                                    22
     Ejemplo: Watermark

US$260 metro
US$27 bloque




http://www.irrometer.com/images/watsensor.JPG
 Indirecto Presión: bloque de yeso
                          Concepto:
           Medición indirecta de la tensión
               Bloque                           Suelo




       Humedad                        Humedad
     Medimos humedad de          Queremos la humedad del
     bloque
febrero de 2012                  suelo                     24
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
febrero de 2012                              25
    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.
febrero de 2012                                   26
  Indirecto eléctrico: Capacitancia
  de baja frecuencia (dieléctrico,)
 Insertar un capacitor sin
 protección en suelo,                  US$70
 medir la capacitancia

 La capacitancia es más
 alta si hay mucha agua
 por volumen

 Necesita calibración para   US$500
 cada suelo porque
 frecuencia es baja
         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
          Los cálculos de TDR
• Obtenga el dieléctrico con el tiempo de
  tránsito en el cable en suelo y tránsito en
  aire
                                          2
                             t suelo 
                       K a 
                            t       
                             aire 
  Obtenga la humedad volumétrica con la
  ecuación de Topp, u otras calibraciones
                  2      2              4       6
v 5.03x10 2.92x10 Ka  5.5x10 Ka 4.3x10 Ka
                                               2        3
febrero de 2012                                         29
  Ejemplos de Sistemas de TDR




                  3m




febrero de 2012                 30
          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)
febrero dePreciso (+/- 2% o mejor)
          2012                                          31
      Capatancia de Alta Frecuencia
              (Dieléctrico)

• 80 mHz
• $250 metro
• $250 sensor
• $20 tubo
• Calibración
   universal
febrero de 2012                       32
                  Indirecto con radiación:
  interacciones entre suelo & radiación
• Cuando radiación pasa a través de
   suelo, puede:
     absorber
     cambiar energía
     pasa sin obstáculo        http://www.pnl.gov/flowcells/images/satunsat2.jpg




• Lo que pasa depende de la energía de la
   radiación
• Cada una de estas posibilidades son útiles
   para determinar la humedad del suelo
febrero de 2012                                                                     33
        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
                                                   http://www.wateright.org/
 Necesita solamente un                            site2/images/neutron.jpg


 hoyo
 buena precisión
 Muchos componentes
 del suelo efectúan
 la calibración
     Indirecto con radiación:
   Neutrómetro (termalización)
Ventajas                 Desventajas
Potencialmente           Necesita calibración por
                           suelo (mucho trabajo)
 preciso si la
                          Trabajar con radiación
 calibración es buena
                          Su compra es de alto
Disponible                costo
Uso de bajo costo        Caro para desechar
                          Lento para usar
Flexible (p.e., puede
                          No se puede usar en
 usar en profundidad)
                           forma automática
                   Indirecto con radiación:
                     Sonda de Gamma
Atenuación de radiación
     Fuente & detector son separado
                                                     muestra
      por suelo.
     La humedad determina la
      absorción de energía de rayo.
     Necesita calibrar este método
      en cada suelo.
                                         Fuente                         Detector
     Puede usar el mismo método
      con absorción neutrón y
      radiografía
     Se puede usar frecuencias diversas
      para determinar contenidos de
      líquidos (p.e., aceites)
     No se usa en agricultura comercial

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                                              http://www.pnl.gov/flowcells/images/satunsat2.jpg
         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
                                             http://www.ianr.unl.edu/pubs/
    las condiciones del agua y suelo         irrigation/graphics/g690-06.jpg




•   Posiblemente la estrategia más efectiva para
    controlar el agua en el campo
             Tendencia futura
• TDR con costos bajos
• Sistemas mas flexibles
     radio telemetría barato              http://www.historyoftheuniverse.com/
                                           images/future.gif

      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
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     Comparación de métodos
  Sistema         Bloques   Tensi-    Capaci- Neutrón   TDR
 Criterio         de yeso   ometro    tancia
 Costo            400       400       500     5,000     50-
 (US$)                                                  5,000+
 Flexibilidad Regular       Regular   Rango   Regular   Bueno
 Facilidad        Fácil     Regular   Fácil   Mal       Fácil
 Precisión        Mal       Regular   Rango   Bueno     Bueno
 Seguridad        Mal       Regular   Bueno   Excel.    Excel.


 Aprovéchelos: hay más opciones y métodos
         ahora con características muy útiles
febrero de 2012                                                  39

				
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