Medida del contenido de humedad del suelo

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

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


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


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


50%

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


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


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


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


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)


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


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


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

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


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




Desventajas





Medidas puntuales
Manejo especializado
Caro
C
Pesado

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)

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


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


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

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




Aire

Permitividad
Dieléctrica
1

Suelos Minerales

3 ‐ 7

Materia Orgánica

2 ‐ 5

Hielo

5

Agua

80

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.


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


Equipos Dielectricos: Reflectometría
del Dominio de la Frecuencia
d lD i i d l F
i


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 


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





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

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


Condensador Tí i
C d
d Típico
Condensador

Placa Positiva

Material
Dieléctrico
Placa Negativa

Campo
Electromagnético

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


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



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

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






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

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

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


Video de instalación: www.decagon.com/videos

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


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)


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


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

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

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

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


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


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


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

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



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

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






¿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

8/31

Rainfall (m m)

Volum
metric water Content
r
(%)

20

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