cm water per cm soil

in collaborazione con:

con il contributo di: Regione Siciliana

Assessorato Regionale dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana

Dipartimento dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana

con il patrocinio di:

Irritrol System Europe S.r.l.

La progettazione e gestione degli impianti di microirrigazione per le colture agrarie

30-31 gennaio 2014

Ordine dei Dottori Agronomi e dei Dottori Forestali della Provincia di Catania

2

Gestione dell’irrigazione

Prof. Simona Consoli - DiGeSA UNICT

Catania 30-31 Gennaio 2014

in collaborazione con:

con il contributo di: Regione Siciliana

Assessorato Regionale dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana

Dipartimento dei Beni Culturali e dell’Identità Siciliana

con il patrocinio di:

Irritrol System Europe S.r.l.

Ordine dei Dottori Agronomi e dei Dottori Forestali della Provincia di Catania

Contenuti della lezione

Saranno esposte:

• le modalità di stima della variabili irrigue

fabbisogno, volume di adacquamento e turno, la cui conoscenza è

– preliminare alla progettazione di qualsiasi impianto irriguo e

– determinante ai fini di una razionale gestione

La determinazione delle variabili irrigue è basata sulla

conoscenza dei rapporti suolo-acqua-pianta.

4

Pianificazione dell’irrigazione

Per pianificazione dell’irrigazione si intende il processo decisionale relativo a

“quando” irrigare ed a “quanta” acqua somministrare alle colture.

Tali decisioni riguardano sia la fase di gestione, sia quella di progettazione.

Occorre determinare le variabili irrigue:

fabbisogno irriguo

turno

volume di adacquamento,

durata dell’adacquamento,

portata di punta

Per una razionale pianificazione sono disponibili conoscenze scientifiche e strumentazione per il monitoraggio del sistema suolo-pianta-atmosfera, ma restano, nella maggior parte dei casi, confinate al settore della ricerca.

In un’epoca in cui i metodi irrigui diventano sempre più sofisticati, anche il fattore umano riveste una grande importanza: per organizzare l’irrigazione sono richieste elevate capacità gestionali.

Vantaggi della programmazione

• migliori produzioni,

• maggiore reddito,

• risparmio d’acqua

• riduzione dell’impatto ambientale

La programmazione razionale fino ad oggi è usata solo

eccezionalmente come procedura standard dai

progettisti, dai gestori dei sistemi irrigui e dagli

informatori agrari.

6

Ausili alla programmazione

• I modelli di simulazione possono essere utilizzati sia in fase di gestione sia in fase di progettazione,

• Il «consiglio irriguo» fornito da organismi vari

(Consorzi di bonifica, Servizi regionali di

assistenza tecnica, ecc.) che informano gli

agricoltori, via Internet o via SMS su cellulare,

sul momento in cui irrigare e sui volumi da

somministrare.

Nel sistema continuo suolo-pianta- atmosfera l’acqua si muove seguendo i gradienti di potenziale, da zone a potenziale maggiore a zone a potenziale minore.

Elevati gradienti di potenziale idrico tra il suolo e l’atmosfera facilitano la traslocazione dell’acqua.

La teoria della coesione (Dixon e Joly, 1985) spiega il passaggio dell’acqua nel continuum SPA.

8

L’ACQUA NEL TERRENO: LA

CAPACITÀ DI CAMPO E LA SOGLIA CRITICA DI INTERVENTO

DIFFUSIONE DELL’ACQUA IN FUNZIONE DELLA TIPOLOGIA DI

SUOLO

SUOLO: MEZZO POROSO

Il suolo è un mezzo poroso.

È possibile distinguere tre categorie principali di pori (Corey, 1977):

microscopici, capillari, macropori

Il movimento di un fluido all’interno dei pori del suolo avviene poiché essi

costituiscono un sistema

interconnesso. La porzione di suolo interessata da tali connessioni viene definita spazio poroso effettivo.

10

Contenuto idrico del suolo

• Si può esprimere

– in termini di peso di acqua (kg) presente nel suolo rispetto alla massa di terreno secco (essiccato in stufa a 100-110°C)

– in termini di volume di acqua rispetto al volume di suolo

s w

M w = M

V

V

_w

θ =

• Il potenziale rappresenta “la quantità di lavoro che deve essere spesa (per unità di acqua) per trasportare reversibilmente ed isotermicamente una infinitesima quantità d’acqua da un deposito posto ad una certa altezza, ed alla pressione atmosferica, alle condizioni dell’acqua nel punto considerato”.

• Il lavoro che l'acqua libera nel suo movimento può essere positivo, se è l'acqua stessa a compiere il lavoro, o negativo, quando l'acqua è trattenuta dalla matrice del terreno e qualche altro agente deve compiere del lavoro per spostarla.

• Il potenziale è un'energia ma può convenientemente essere espresso come pressione per unità di peso (Mg):

• oppure come pressione per unità di volume (L³):

IL POTENZIALE DELL'ACQUA NEL SUOLO

MLT L T ML

Mg Ψ = =

−

− 2

2 2

forza MLT

T

Ψ ML

^{2 −2 −2}

12

Il potenziale di matrice dell’acqua nel suolo

Il potenziale di matrice ψm è la componente del potenziale totale dell’acqua nel suolo che tiene conto delle forze di adsorbimento e di capillarità dovute all’affinità dell’acqua con la matrice del suolo.

• Viene generalmente espresso in kPa;

• Assume valore zero in terreno saturo,

• Valori negativi in terreno non saturo per indicare che per estrarre quest’acqua è necessario spendere energia.

Si può esprimere anche come

altezza d’acqua h (in valore assoluto), in m o in cm;

quando è espresso in cm, si è convenuto di usare la scala logaritmica in base 10, definendo il pF = log₁₀ h. (ad es. pF=4 vuol dire 10000 cm=100 m=10 Atm)

Acqua legata debolmente (-0.3 ≈ –1.0 bar sono

sufficienti ad allontanarla) Acqua legata fortemente Acqua igroscopica

14

Curva di ritenzione del terreno

La curva di ritenzione del terreno lega il potenziale matriciale al contenuto idrico (umidità del terreno).

Nei terreni a grana fine (argillosi) e quindi con pori piccoli, l’acqua si muove con minore facilità: è necessario un lavoro maggiore per provocare un suo spostamento.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

-1.5 -1.2

-0.9 -0.6

-0.3 0.0

ΨΨΨ

Ψ_s, Soil Water Potential (MPa)

cm water per cm soil

Clay

Silt loam

Sand

Con riferimento ad un processo di umettamento del terreno a partire dallo stato secco, la curva di ritenzione non risulta coincidente con quella del processo inverso (processo di essiccamento). Tale fenomeno è detto di isteresi: “ad uno stesso valore di potenziale corrispondono due valori di umidità diversi, uno riferito al processo di essiccamento a partire dalla saturazione e l’altro al processo di umidificazione a partire dal terreno secco”.

Curva di ritenzione del terreno: isteresi

Curva principale Curva principale Curva principale Curva principale di umettamento e di umettamento e di umettamento e di umettamento e curva principale curva principale curva principale curva principale di essiccamento di essiccamento di essiccamento di essiccamento

di un terreno di un terreno di un terreno di un terreno (fenomeno di (fenomeno di (fenomeno di (fenomeno di

isteresi) isteresi) isteresi) isteresi)

16

Curva di ritenzione di un terreno di medio impasto con indicati

alcuni punti

caratteristici della curva stessa

Il fenomeno di ricarica del tenore di umidità avviene in maniera continua e passa dagli strati superiori agli inferiori. I diversi stadi attraverso cui il terreno giunge a saturazione totale sono i seguenti:

- acqua igroscopica (sempre presente) - acqua di adesione e acqua capillare - acqua gravitazionale

Allorché cessa l’apporto idrico esterno, per essiccamento si procede in senso inverso

Questi stati dell’acqua nel terreno sono caratterizzati da numeri indici che rappresentano il passaggio da processi di desaturazione a processi di successiva ricarica

18

Suolo saturo

Quando il suolo è saturato, dopo un’irrigazione o una pioggia, i pori

sono riempiti d’acqua.

Solid Water

Capacità di campo

Quando l’acqua gravitazionale è drenata, il suolo è alla capacità di campo e circa metà dei suoi pori contengono acqua

Solid Capacità

campo Spazio

pori

0 FC

Saturo

20

L'acqua nel terreno può essere classificata secondo categorie di una certa utilità dal punto di vista pratico.

Capacità idrica massima

(CIM) è il volume d'acqua contenuto in un suolo saturo ( Ψ > 0).

Capacità idrica di campo

(CIC o CC) è il volume d'acqua contenuto in un suolo in opposizione alla forza di gravità

(Ψ = 0 circa). Secondo una definizione pratica è l'acqua contenuta nel suolo due o tre giorni dopo un'intensa precipitazione; potenziale=-0.1÷-0.3 bar oppure pF=2÷2.5

Acqua gravitazionale

(AG) è l'acqua che viene drenata dal suolo per gravità (AG=CIM-CC).

Classificazione dell’acqua nel terreno

Acqua al punto di appassimento

(APA) è il volume d'acqua presente quando le piante iniziano ad appassire (Ψ = -15 bar).

Acqua assimilabile

(AA) è l'acqua a disposizione dei vegetali (AA=CC-APA).

Acqua non assimilabile

(ANA) è l'acqua legata al terreno che i vegetali non riescono ad assimilare (Ψ < -15 bar).

Acqua igroscopica

(AI) è l'acqua tenacemente trattenuta dai legami col terreno (Ψ = -31 bar). Si determina mediante essiccazione dei campioni in stufa a 105°C.

Classificazione dell’acqua nel terreno

22

Punto di appassimento permanente

Il punto di appassimento permanente è raggiunto quando l’acqua disponibile è rimossa e l’acqua rimanente è trattenuta con troppa forza per poter essere estratta.

Solid

PWP FC

0 Saturo

Pore space

Acqua disponibile

Circa metà della capacità di campo è disponibile per le piante

Disponibile

Pore space

Solid

0 FC

Saturo

PWP

24

Classificazione dell'acqua nel suolo

Valori orientativi della Capacità di campo e del Punto di appassimento per diversi tipi di terreno

Acqua disponibile totale, A_d, mm m^-1 Tipo di terreno

(figura 3.1)

Capacità di campo, θ_CC,

mm m^-1

Punto di appassimento,

θPA, mm m^-1 range Media

Sabbioso 70 – 170 20 – 70 50 - 110 80

Franco sabbioso 110 – 190 30 – 100 60 – 120 90

Sabbioso franco 180 – 280 60 – 160 110 –

150

130

Franco 200 - 300 70 – 170 130 –

180

155

Franco limoso 220 – 360 90 – 210 130 –

190

160

Limoso 280 – 360 120 – 220 160 –

200

180 Franco limoso argilloso,

Franco argilloso, Franco sabbioso argilloso

300 – 370 170 – 240 130 – 180

155

Argilloso limoso, Argilloso sabbioso

300 – 420 170 – 290 130 – 190

160

Argilloso 320 – 400 200 – 240 120 -

200

160

26

L’EVAPOTRASPIRAZIONE E LE

METODOLOGIE DI STIMA

Il trasporto dell’acqua nel continuum

suolo-pianta-atmosfera

Le piante si collocano all'interfaccia tra il suolo e l'atmosfera, giocando un ruolo centrale nel passaggio del vapore acqueo tra il terreno e l'aria.

Esse si possono considerare un sistema idraulico continuo che mette in connessione l’acqua presente nel suolo con il vapore acqueo.

28

Nel sistema continuo suolo-pianta- atmosfera l’acqua si muove da un punto all’altro seguendo i gradienti di potenziale, da zone a potenziale maggiore a zone a potenziale minore.

Elevati gradienti di potenziale idrico tra il suolo e l’atmosfera facilitano la traslocazione dell’acqua.

La teoria della coesione (Dixon e Joly, 1985) spiega il passaggio dell’acqua nel continuum SPA.

Le catenelle di acqua non si rompono in virtù della coesione che caratterizza le molecole d’acqua.

L’acqua persa dalle cellule del mesofillo per traspirazione crea una tensione, che si propaga fino al capillizio radicale consentendo l’assorbimento di acqua dal terreno.

Il gradiente di potenziale nel continuum suolo-pianta-atmosfera è la forza che guida il trasporto attraverso la pianta: il flusso idrico partirà da un punto del sistema ad alto (meno negativo) potenziale idrico a un altro punto a basso (più negativo) potenziale idrico. Normalmente il flusso seguirà la direzione dal suolo (Ψ_s = -0,01 ÷ -0,15 MPa) verso l’atmosfera (Ψ_atm = -50 ÷ -100 MPa) passando attraverso la pianta.

Ψ_s = potenziale idrico del suolo;

Ψ_r = potenziale idrico radicale;

Ψ_x = potenziale idrico xilematico;

Ψ_l = potenziale idrico fogliare;

Ψ_aria = potenziale idrico dell’atmosfera;

R_s = resistenza suolo;

R_r = resistenza radicale;

R_st = resistenza del fusto;

R_l = resistenza fogliare;

E = ambiente esterno

Il continuum suolo-pianta-atmosfera può essere considerato analogo ad un circuito elettrico.

30

Il potenziale idrico nella pianta

Ψ_w

=

Ψ_p + Ψ_o + Ψ_g + Ψ_m

• Ψp (potenziale di turgore): rappresenta la componente di pressione del potenziale idrico cellulare ed è il risultato della pressione idrostatica nelle cellule.

• Ψo (potenziale osmotico): esprime una forza di tensione (suzione) e dipende dalla concentrazione di soluti.

• Ψg (potenziale gravitazionale): legato alla forza di gravità, è in relazione all’altezza della pianta.

• Ψm (potenziale matriciale): dipende dalle interazioni tra la fase liquida e solida di un determinato tessuto, l'acqua si lega infatti alla fase solida attraverso fenomeni di capillarità.

Misura del potenziale idrico nella pianta

La misura del potenziale fogliare permette di valutare lo stato idrico della pianta; si misura con apposite camere a pressione.

Camera di Sholander

Si tratta di una camera a pressione, munita di un apposito misuratore di pressione e collegata, durante le misure, ad una bombola contenente del gas liquido inerte ad alta pressione (in genere si tratta di azoto, non ossigeno perché danneggia i tessuti vegetali).

32

Diurnal variation of leaf water potential

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00

time of day

PSI (bar)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 5 10 15 20 25 30 35

ora del giorno

Assorbimento Traspirazione

Dinamica giornaliera dell’acqua nella pianta

Dinamica giornaliera del potenziale idrico

Il ruolo dell’acqua nella pianta

•Mezzo in cui avvengono le reazioni biochimiche

•Elemento essenziale per la realizzazione della fotosintesi

•Mezzo di trasporto di composti organici (floema) e ioni minerali (xilema)

•Funzione meccanica (grazie al turgore cellulare consente la distensione dei tessuti, la penetrazione delle radici nel suolo e il portamento della parte aerea delle piante)

•Regolazione termica (disperde il calore in eccesso durante le calde giornate estive e mantiene i tessuti vegetali in condizioni termiche vicine a quelle ottimali)

I volumi d'acqua che passano attraverso gli organismi vegetali sono sorprendentemente elevati,

34

Evapotraspirazione ET

• E’ il processo risultante dall’evaporazione dell’acqua dalla superficie del terreno E, e dalla traspirazione da parte delle piante T,

La conoscenza di ET è necessaria:

• per la determinazione della quantità d’acqua da

somministrare con l’irrigazione in fase di gestione,

• per il dimensionamento dell’impianto irriguo

• per la stima dell’efficienza.

Evaporazione

L’evaporazione è il processo secondo cui l’acqua presente su una qualsiasi superficie passa dallo stato liquido allo stato di vapore e viene così rimossa dalla superficie stessa.

I fattori che influenzano il processo sono:

→

la radiazione solare;

→

la temperatura dell’aria;

→

l’umidità dell’aria;

→

la velocità del vento.

36

Traspirazione

La traspirazione è il processo secondo cui l’acqua presente nei tessuti delle piante passa dallo stato liquido allo stato di vapore e viene così immessa in atmosfera attraverso le aperture stomatiche delle foglie.

I fattori principali che influenzano il processo

sono i medesimi

dell’evaporazione.

Inoltre la traspirazione dipende anche dal contenuto idrico del terreno, dalla salinità dell’acqua, dalle caratteristiche delle colture.

Evapotraspirazione

Il termine Evapotraspirazione (ET) combina l’evaporazione dal suolo con la traspirazione delle piante e descrive la perdita totale di acqua di una coltura.

Il contributo di tali processi

all’evapotraspirazione varia in funzione dello stato di crescita della

coltura.

38

Unità di misura di ET

L’evapotraspirazione viene normalmente espressa in millimetri di altezza d’acqua (mm) per unità di tempo (giorno, decade, mese, anno). L’unità di misura più comune è mm/giorno.

L’evapotraspirazione può anche essere espressa in termini di energia o calore necessari per vaporizzare l’acqua: calore latente di vaporizzazione λ=f(T). A 20 °C λ=2.45 MJ/kg di acqua. In questo caso si parla di λET e si misura in MJ/m²·giorno.

depth volume per unit area energy per unit area * mm day^-1 m³ ha^-1 day^-1 l s^-1 ha^-1 MJ m^-2 day^-1

1 mm day^-1 1 10 0.116 2.45

1 m³ ha^-1 day^-1 0.1 1 0.012 0.245

1 l s^-1 ha^-1 8.640 86.40 1 21.17

1 MJ m^-2 day^-1 0.408 4.082 0.047 1

* For water with a density of 1000 kg m^-3 and at 20°C.

Sono dunque necessari 2.45 MJ/m² per vaporizzare 0.001 m o 1 mm di acqua Fattori di conversione fra le unità di misura:

Fattori che influenzano l’evapotraspirazione

Fattori climatici:

•radiazione solare

•temperatura dell’aria

•velocità del vento

•umidità dell’aria

Caratteristiche della coltura:

•tipo di pianta

•varietà

•fase di sviluppo

Condizioni colturali e ambientali:

•densità di impianto

•contenuto idrico del suolo

•contenuto di sali nel terreno

Il processo è tanto più rapido quanto maggiore è la differenza fra la quantità di acqua presente nell’aria (pressione di vapore effettiva) e quella che essa potrebbe contenere a saturazione.

Tale differenza è definita deficit di pressione di vapore (VPD).

40

Metodi diretti

Calcolo dell’evapotraspirazione

Stima di ETo

Misura dell’ET

• misure a livello di pianta

•misure a livello di sistema colturale (es.

frutteto)

• misure a livello territoriale

Metodi indiretti

• vasca

evaporimetrica •empirici

•analitici

ET

_a =

ET

_c ^×

K

_s

= ETo +

ETo x = ETc

K_c

ETo x = ETa

K_c x K_s

Stima dell’evapotraspirazione effettiva

ET

_c =

ET

_o ^×

K

_c

ET

_o su base climatica

42

L’evaporazione dalla vasca è correlata all’evapotraspirazione di riferimento attraverso il coefficiente, empiricamente determinato, Kp secondo la relazione:

ETo = Kp · E [mm/g]

in cui

Kp: coefficiente di riduzione, specifico in base al colore e l’ubicazione della vasca, l’u.r. dell’aria e la velocità del vento E: misura dell’evaporato nell’intervallo di riferimento [mm/g]

Il metodo, sebbene influenzato dalle condizioni microclimatiche e dallo stato di manutenzione della stazione, restituisce stime affidabili dell’ETo per periodi di 10 o più giorni.

L’evaporimetro di classe A

Formula di Hargreaves-Samani

E’ consigliabile utilizzare questo metodo per periodi di riferimento di dieci o più giorni. I risultati sono considerati sufficientemente in linea con quelli forniti dal metodo FAO.

( ) ( [

_{max min}

) ]

^0.76

0 0.0013 R T 17 T T 0.0123 P

ET = ⋅ _a ⋅ _mean + ⋅ − − ⋅

dove ETo e Ra sono espresse in mm giorno^-1,

Tmean, Tmax, Tmin = temperatura media, massima e minima, °C;

P= pioggia totale mensile, in mm,

44

Equazione di Penman-Monteith

[MJ/m²g]

in cui

λ: calore latente di vaporizzazione [MJ/kg]

∆: coefficiente di correlazione fra la pressione di vapore saturo e la temperatura [KPa/°C]

R_n: radiazione solare netta [MJ/m²g]

G: flusso di calore nel terreno [MJ/m²g]

ρ_a: densità dell’aria [kg/m³]

c_p: calore specifico dell’aria [kJ/kg/°C]

e_s: tensione di vapore saturo dell'aria [kPa]

e_a: tensione di vapore dell'aria [kPa]

r_a: resistenza aerodinamica al flusso di vapore [S/m]

r_s: resistenza della superficie evapotraspirante al flusso di vapore [S/m]

γ: costante psicrometrica [KPa/°C]

FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56

Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements

Indica il metodo Penman-Monteith come l’unico standard, capace di stimare correttamente l’ETo in un’ampia varietà di luoghi e di condizioni climatiche.

Superficie di riferimento

“Un prato di graminacea (Festuca arundinacea) con un’altezza di 0.12 m, una resistenza stomatica di 70 S/m ed un albedo di 0.23.“

La coltura di riferimento ombreggia completamente il terreno, ha un buon rifornimento idrico e si trova in ottime condizioni nutrizionali e sanitarie.

46

Stima dell’evapotraspirazione colturale, ETc ETc = Kc · ETo

ETo → tiene conto delle caratteristiche climatiche

Kc → tiene conto di: assorbimento della luce da parte della coltura (LAI), scabrezza della copertura vegetale, caratteristiche fisiologiche della coltura, età colturale

Kc

singolo (considera congiuntamente gli effetti dell’evaporazione e della traspirazione)

duale (considera separatamente gli effetti dell’evaporazione e della traspirazione): K_cb + K_e

K_cb: coefficiente colturale basale, tiene conto della traspirazione K_e: coefficiente per l’evaporazione dal suolo

Colture erbacee

75% SEN

48

Frutteti e vigneti

Stima dell’evapotraspirazione effettiva, ETa ETa = Ks · ETc = Ks · Kc · ETo

Ks → coefficiente di stress: tiene conto degli effetti dello stress idrico sulla traspirazione colturale.

Ks

= 1, suolo in ottime condizioni di rifornimento idrico (non esiste stress)

< 1, condizioni limitanti di rifornimento idrico del suolo

ETa = (Ks · Kcb + Ke) · ETo

50

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

1.00θCC θt θPA

θ = contenuto idrico del suolo

K^s

A^df

A^d

A^d A^df

0.00

Il Ks:

• si mantiene uguale ad 1 fino a quando viene consumata solo l’acqua facilmente disponibile,

• assume valori inferiori ad 1 al di sopra di questa soglia,

• diventa 0 quando è stata consumata tutta l’acqua disponibile, ossia fino al PA

Metodi di misura dell’ET

• A livello di sistema colturale

– Diretti

• Lisimetro a pesata – Indiretti

• Tecniche micrometeorologiche (Eddy Covariance, Surface Renewal)

• A livello di singola pianta

• Metodo Sap flow

• A livello territoriale

• Telerilevamento

52

Lisimetro a pesata

ET≈W

_t

-W

_t-1

Cilindro di grandi dimensioni contenente un campione rappresentativo di terreno, incassato in un locale sotterraneo che permette l'accesso per l'ispezione dei dispositivi di rilevamento e per le operazioni di servizio; è dotato di un sistema di pesatura a bascula.

Il sistema permette la misura degli apporti idrici e delle perdite per percolazione profonda e ruscellamento.

La registrazione del peso del cilindro permette di rilevare le variazioni di peso e, per differenza, la quantità d'acqua persa per evapotraspirazione.

A) Terreno in studio B) Bascula a quadrante

C) Raccolta dell'acqua di drenaggio D) Raccolta dell'acqua di ruscellamento

Lisimetro a pesata

54

Vantaggi

• Sistema di riferimento per validare altri metodi di misura dell’ET

• Restituisce misure accurate su scala oraria, giornaliera e stagionale

• Considera nella sua interezza il sistema continuo suolo-pianta-atmosfera

Svantaggi

• Costi eccessivi

• Gestione complicata

• Rappresentatività variabile nello spazio

• Annulla la risalita capillare nei terreni profondi

• “Effetti di bordo”

Lisimetro a pesata

Consentono di misurare i flussi di massa e di energia al di sopra della vegetazione

• Considerano il trasporto delle molecole d’acqua dalla vegetazione verso l’atmosfera

• Le dinamiche di tale trasporto fanno capo alla meccanica dei fluidi che consente di determinare in ogni istante di tempo la posizione e la temperatura di tutte le molecole

• Tale teoria è alla base della modellazione dei processi evapotraspirativi

suolo nudo coltura

laminare turbolento

Al di sopra della vegetazione il flusso è turbolento

E’ rappresentato mediante vortici,

“eddies”, responsabili del

Le tecniche micrometeorologiche

56

Equazione di bilancio energetico

Rn – G – LE – H = 0 [W/m²]

Rn = radiazione netta

G = densità del flusso di calore nel suolo LE = densità del flusso di calore latente H = densità del flusso di calore sensibile

I suddetti termini possono essere positivi o negativi:

Rn > 0 → apporto di energia alla superficie

G, LE, H > 0 → rimozione di energia dalla superficie e apporto all’atmosfera

Radiazione netta - Rn

Differenza tra la radiazione proveniente dall’atmosfera e quella riflessa dalla superficie in esame.

Radiometro netto a quattro componenti: composto da due piranometri, per le misure di onde corte (radiazione solare), e due pirgeometri, per le misure di onde lunghe (radiazione atmosferica e terrestre).

Radiometro netto integrato: misura la differenza tra radiazione entrante e riflessa senza distinzione di lunghezza d’onda.

58

Flusso di calore nel suolo - G

Non essendo agevole la misura di G in superficie, generalmente si misura G2 ad una profondità nota (z) mediate l’utilizzo di piastre di flusso.

Il termine di accumulo (∆S) viene misurato mediante termocoppie posizionate al di sopra delle piastre

E’ dunque possibile stimare G1

G2 G1

z

S 2

G 1

G = + ∆

Termocoppie

t z t

T C T

S _v 









−

= −

∆

1 2

1 2

T₂ - T₁ è la variazione di temperatura nell’intervallo di tempo t₂ - t₁

G2

60

Flusso di calore sensibile - H

Il calore sensibile è quell’energia che, somministrata ad un corpo, ne provoca un aumento della temperatura.

Valori positivi di H [+] indicano che del calore viene aggiunto al mezzo aeriforme; valori negativi [-], invece, indicano che del calore è stato rimosso dall’aria.

62

Flusso di calore latente – LE

Nei confronti dell’acqua presente nel suolo e nella vegetazione, è l’energia necessaria per rompere i legami idrogeno delle molecole d’acqua.

Il calore latente è quell’energia che, somministrata ad un corpo, ne provoca il cambiamento di stato.

In fase di evaporazione, il calore sensibile si trasforma in calore latente e la temperatura diminuisce [+].

In fase di condensazione, il calore latente si trasforma in calore sensibile e la temperatura aumenta [-].

Flusso di calore latente – LE

LE = Rn – G – H

Per colture irrigue, il termine LE è abbastanza simile all’energia disponibile, dunque (R_N-G) può rappresentare, in prima approssimazione ET.

Facendo riferimento all’equazione di bilancio energetico, la stima di H può migliorare quella di LE (e dunque di ET).

64

8 metri

4 metri

Metodo Sap flow

Il flusso linfatico (sap flow) è strettamente correlato alla traspirazione della pianta.

Può essere misurato con due metodi:

• heat pulse

• heat balance

E’ sempre necessario l’ ‘up-scaling’ dalla pianta alla coltura.

66

Heat pulse

I termistori sono utilizzati per convertire una temperatura in un valore rappresentativo di corrente elettrica.

V = (X_d + X_u) / 2t [m/s]

Velocità dell’impulso di calore:

X_d e X_u: distanza dei termistori dal riscaldatore

t: intervallo di tempo

Heat pulse

V_c = a + bV + cV² [m/s]

Velocità corretta per l’effetto ferita:

J = (K · F_m + F_l) V_c [m/s]

Velocità del flusso della linfa:

F_m e F_l: frazioni volumiche di legno e acqua K: coefficiente funzione delle proprietà termiche della matrice legnosa

68 Integrazione della velocità di flusso sull’intera sezione interessata al flusso linfatico

70

CONFRONTO Sap Flow- Eddy Covariance

72

Telerilevamento (Remote Sensing)

La scienza che raccoglie informazioni qualitative e quantitative di un oggetto (o superficie) senza entrare in contatto fisico con esso.

Studia la radiazione elettromagnetica riflessa o emessa da un oggetto mediante strumenti detti “sensori remoti”, i quali possono essere collocati su piattaforme terrestri, palloni, veicoli aerei e spaziali.

La radiazione elettromagnetica rappresenta il veicolo di trasporto dell’informazione dall’oggetto di indagine al sensore; variazioni nelle caratteristiche delle radiazioni elettromagnetiche diventano fonte di una grande quantità di dati, che consentono di interpretare e di ricavare importanti informazioni sui diversi aspetti del fenomeno investigato.

Per ogni superficie si può costruire un grafico che riporta la capacità di riflessione in funzione della lunghezza d’onda della radiazione, questo grafico prende il nome di Firma Spettrale

Il telerilevamento passivo utilizza la riflettanza per caratterizzare le superfici.

Serve a riconoscere le superfici e, quindi, a classificarle.

74

Attraverso le tecniche di Remote Sensing notevoli miglioramenti sono stati conseguiti nella definizione delle variabili biofisiche della vegetazione, delle grandezze climatiche ed idrologiche utili alla stima della variabilità spazio/temporale dei flussi evapotraspirativi da superfici vegetate.

QUICK BIRD

Risoluzione spaziale: 2.8 m;

Risoluzione spettrale: 3 bande del visibile (Blue- Green-Red) + NIR

Data di acquisizione: 17 Agosto 2002

ASTER TERRA

Risoluzione spaziale: 15 m; 30 m

Risoluzione spettrale: 2 bande del visibile (Green-Red) + NIR + 6 SWIR

Data di acquisizione: 7 Luglio 2002

LANDSAT ETM

Risoluzione spaziale: 30 m; 60 m

Risoluzione spettrale: 3 bande del visibile (Blue - Green-Red) + NIR + 2 SWIR + 1 TIR

Data di acquisizione: 17 Agosto 2002

METODOLOGIA (1) - Immagini satellitari utilizzate

76

DATI SUPER e IPER- SPETTRALI

Migliore risoluzione spettrale …

1. Determinazione di dati di input riguardanti i parametri della superficie: albedo, copertura del suolo, Indice di area fogliare (LAI) => VIS+NIR

2. Stima dei valori istantanei di variabili e termini del

bilancio idrologico o energetico:

evapotraspirazione reale, => TIR

Modelli distribuiti per il bilancio

idrologico + Osservazione della Terra

78

Le ricerche condotte presso il DiGeSA (idraulica) in anni recenti hanno consentito la messa a punto di metodologie che,

integrando osservazioni di campo con l’analisi di immagini satellitari portano alla stima dei fabbisogni irrigui delle colture

s i

i r

s r

WDVI = - ρ ρ ρ ρ

1 ln 1 WDVI LAI = - ( - )

α WDVI

_∞

Indici di Vegetazione (VIS/NIR) basati sulla “linea del suolo”

Validazione del modello LAI(WDVI) 80

Stima del LAI

attraverso l’indice WDVI

0 1 2 3

0 1 2 3

LAI measured LAI predicted

Artichokes Forages Maize Fruit-trees Vegetables

R²=0.616

Dalla ricerca alle applicazioni:

Determinazione dei FABBISOGNI IRRIGUI

82

2) Definizione “analitica”:

( )

c c

K = K NDVI

( , , , ; , , )

c a c

K = f K T RH U

^↓

r LAI h

Sviluppo e validazione di due metodologie per la determinazione del coefficiente colturale K

_c

1) Relazione empirica con NDVI:

( ) 87.52 / 1

(1 / )

ns nl E a

p

c a

R R G D r

E r r

ρ

λ γ

∆ − − +

= ∆ + +

(1 )

ns t

R = − r S

_,min

0.5

t c

r r

= LAI

2 2

3 3

ln ln

0.123 0.0123 0.168

U c T c

c c

a

z h z h

h h

r U

 −   − 

   

   

   

=

Definizione analitica del K

_c

Procedura “1-step” della FAO per il calcolo di ETp

84

Definizione analitica del K

_c

Procedura “1-step” della FAO per il calcolo di ETp

Vigneto irriguo, Sicilia

y = 0.56x R² = 0.58

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

ET reale

from doy 226 to doy 239 - Vigna

86

Esempio di Mappe di Evapotraspirazione :

20 luglio 2011

Mappa di K

_c

Parcella ID: 229870/00136 Volume irriguo consigliato,

settimana 28: 213 m³ Durata applicazione: 5.5 h

Distribuzione all’utente finale in tempo

reale

88

VALUTAZIONE DEI FABBISOGNI IRRIGUI DI PUNTA E CALCOLO DEI

VOLUMI IRRIGUI

Efficienza di adacquamento

E’ la percentuale dell’acqua somministrata ed effettivamente utilizzata dalla coltura

90

Efficienza di adacquamento

Metodo irriguo Uniformità di distribuzione

Intrinseche all’impianto

Gestione dell’impianto

fattori cause

Efficienza aziendale

Le quantità d'acqua da prelevare in corrispondenza dei punti d'approvvigionamento devono essere maggiorate, rispetto ai fabbisogni netti parcellari, per tenere conto delle inevitabili perdite che si hanno lungo le reti irrigue e durante le operazioni di adacquamento (nel caso della sommersione permanente, i valori dei fabbisogni netti parcellari comprendono anche le perdite d'adacquamento).

Con riferimento al processo di trasporto, di distribuzione, di utilizzazione dell'acqua irrigua, indicando con "V" il volume entrante in uno “stadio”

generico del processo e con "P" le perdite nello “stadio” medesimo, per efficienza irrigua "E" s'intende il rapporto:

V P E V −

=

Efficienza irrigua

92

 Fabbisogno idrico colturale (crop water requirement)

Rappresenta il volume d’acqua perso per evapotraspirazione (ET) da una coltura.

ET = K_cxET₀ (essendo ET₀ l’evapotraspirazione di riferimento)

 Fabbisogno irriguo netto (net irrigation requirement)

Rappresenta il volume d’acqua perso per evapotraspirazione (ET) da una coltura a cui sono sottratti gli apporti idrici meteorici.

 Fabbisogno irriguo di campo (field irrigation requirement)

E’ il fabbisogno irriguo maggiorato per tener conto dell’efficienza del sistema di distribuzione irrigua e degli eventuali volumi necessari per la lisciviazione di sali.

Fabbisogno idrico colturale

E’ la quantità di acqua da somministrare con l’irrigazione in una determinata unità di tempo;

dipende sostanzialmente dalla differenza fra pioggia ed ET (P-ET)

può comprendere il fabbisogno di lisciviazione ed altre frazioni di acqua utile dal punto di vista agronomico.

Può essere espresso

come altezza,

volume o

portata continua

1 mm giorno^-1 = 10 m³ ha^-1 giorno^-1 = 0.116 l s^-1 ha^-1

La modalità di stima più utilizzata in fase di progettazione è la simulazione del bilancio idrico del suolo.

94

Bilancio idrico del suolo

L’equazione del bilancio idrico si può scrivere come:

Fi= ETc – P – CR + RO + DP ± ∆^SW

dove ETc= evapotraspirazione colturale, mm ; P= pioggia totale, mm;

CR= risalita capillare da falda superficiale, mm;

RO= deflusso superficiale, mm;

DP= percolazione profonda, mm;

∆SW= variazione di contenuto idrico del suolo, mm.

• L’evapotraspirazione ETc può essere stimata come descritto;

• la pioggia P da misure di pluviometria;

• gli altri elementi (CR, RO e DP) vengono usualmente stimati utilizzando modelli idrologici di varia complessità.

Semplificazioni del Bilancio idrico del suolo

• la pioggia totale P viene sostituita dalla pioggia efficace Pe, ossia dalla parte di pioggia totale che si infiltra nella zona occupata dall’apparato radicale (si evita, quindi, di dover stimare il deflusso superficiale RO durante le piogge);

• il deflusso superficiale di acqua di irrigazione, una parte di RO, si considera nullo (impianto ben progettato e gestito);

• la percolazione profonda di acqua irrigua, una parte di DP, inevitabile nonostante una buona progettazione e gestione viene computata

successivamente nel passaggio dal fabbisogno irriguo netto Fin a quello lordo Fil;

• le variazioni di contenuto idrico del suolo SW si considerano nulle dato che la gestione dell’irrigazione è di norma basata sulla restituzione dell’acqua facilmente disponibile;

• la scala temporale può essere il giorno, la settimana, la decade o il mese.

Prevedendo la piena irrigazione (restituzione di Adf) ed il dilavamento dei sali in eccesso (Ks= 1), ed in assenza di risalita capillare da falda superficiale CR,

Fi= ETc – Pe = (ETo . Kc)– Pe

96

 Il volume d’adacquamento (V) è la quantità d’acqua che va apportata al terreno attraverso un’irrigazione per riportarlo allo stato ottimale di umidità, che corrisponde alla capacità idrica di campo (CC).

 Il volume d’adacquamento risulta funzione dell’umidità critica d’intervento (PCC) intesa come il contenuto d’acqua del suolo al di sotto del quale non si deve scendere per evitare danni alla coltura. Il limite critico d’intervento, o punto critico colturale, varia da coltura a coltura, secondo la capacità che le varie piante hanno di estrarre acqua dal suolo.

 Ultimo elemento necessario per il calcolo di V è lo spessore dello strato di suolo da bagnare H_u: esso dipende principalmente dalla profondità delle radici delle colture da irrigare.

Volume di adacquamento

Volume netto di adacquamento

Il volume d’acqua che può essere immagazzinato nello strato di suolo utile ad ogni adacquamento è dato da:

Va(m³/ha)=10⁴·(CC-PCC)·H_u dove:

CC e PCC = umidità volumica rispettivamente alla capacità di campo ed al punto critico colturale.

H_u(m) = profondità dello strato utile, varia da 0,3 a 1,5 (valore minimo per colture erbacee, massimo per alberi di frutto).

10⁴ = numero di m² ad ettaro

Il volume d’acqua che può essere immagazzinato nello strato di suolo utile ad ogni adacquamento è dato anche da:

Va(m³/ha)=10⁴·(ρρρρ_aps/ρρρρ_l)(CC-PCC)·H_u dove:

ρρρ

ρ_aps= massa volumica apparente del terreno o bulk density;

ρ ρρ

ρ_l = densità della fase liquida