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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2
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
octubre de 2015
3
•
•
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
para determinar cuando necesita regar.
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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.
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.civag.unimelb.edu.au/~jwalker/
data/nerrigundah/connector.jpg
http://www.unidata-starlog.de/
produkte/5513c.jpg
Si necesita alta precisión y tiene mucho
tiempo, considere el uso de neutrómetro.
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http://www.wateright.org/
5
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
tecnología que es la mejor!
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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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7
Unidades de
Medición
•Tensión v/s Humedad
(1)
(5)
 Muchas veces los
equipos entregan la
tensión como indicador
de humedad de suelo
(8)
co
r ain
ing
ry
an
ni
(7)
curve
(3)
0
¡Cuidado!
(4)
cu rv e
ng
main w etting
0
octubre de 2015
c ur
ve
sc
e
(2)
hw
in d
a
nd
ha
se
T
ma
rv
cu
relación entre humedad
y tensión no está bien
definida
g
n in
can
p rim ary s
 Recuerden que la
(6)
r
Humedad posible
 su
8

Presión con elevación:
Potencial total
• Es importante entender la relación entre
presión (tensión) y potencial. Observen
este vaso de agua:
h
z= 0
(0 ,0 )
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z
E le vat io n
h = 0
H = z+h
P o tentia l
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Presión con elevación:
un ejemplo
Supongamos que tenemos un
tensiómetro de 1 m de altura, que
indica -10 cbar. ¿Cuál es la
tensión del agua dentro del
suelo? Recordemos las unidades:
depósito
Indicador
Cuerpo
1 cbar = 0.01bar = 0.1m columna de agua
La tensión dentro del suelo es:
P = -10cbar + 10cbar = 0
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Separable
Vaso
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Humedad de Suelo
• Podemos expresar
la humedad del
suelo en términos
de masa o volumen
• Recuerde que
estos sistemas
son distintos
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Gas
Liquid
Solid
MASS
VOLUME
V
Vg
Gas
M
g
Vl
Liquid
M
l
M
s
M
Solid
Vs
11
Unidades de Medición
Formas de expresar humedad
Contenidos volumétricos -
Contenidos en masa Grado de saturación -
 =
Vw
Vt
w =
S =
Mw
Ms
 - o
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
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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
- Preciso (+/- 1%)
- Barato
equipo - gratis
por muestra - gratis
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Desventajas
- No puede repetir en el
mismo lugar
- Consume mucho tiempo
- Lento: 2 días mínimo
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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
tensiómetro
deposito
Puede fabricar en muchas
formas y tamaños
Mantenimiento es requisito
cada semana, por lo menos
Útil hasta -0.8 bar
En uso desde 1940
Necesita más de uno por
seguridad (>4)
Indicador
Cuerpo
Separable
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
Humedad relativo
Constante Temperatura
de gas
_
Pd = R
octubre de 2015
 Pg 

T ln 
 P 
Porous Ceramic Cup
Thermocouple
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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.
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http://www.decagon.com/wp4/
Tensión indirecta: bloques de yeso
 Usan un materiales con relación dentro
presión y humedad conocido
 Energía de calentamiento es una
función de humedad
-o Resistencia eléctrica es una función de
humedad
Thermocouple
Heater
 Primero, medir la energía de calentamiento
o resistencia, luego deducir la humedad de
bloque, después deducir presión de bloque,
entonces deducir presión de suelo,
finalmente deducir humedad del suelo.
W
Problemas:
 Los propiedades cambiar en tiempo
 Difícil para fabricar con suficiente
consistencia (necesita calibrar cada uno)
octubre de 2015
http://www.unidata-starlog.de/
produkte/5513c.jpg
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
Humedad
Medimos humedad de
octubre
de 2015
bloque
Suelo
Humedad
Queremos la humedad del
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
octubre de 2015
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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.
octubre de 2015
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Indirecto eléctrico: Capacitancia
de baja frecuencia (dieléctrico,)
 Insertar un capacitor sin
protección en suelo,
medir la capacitancia
US$70
 La capacitancia es más
alta si hay mucha agua
por volumen
 Necesita calibración para
cada suelo porque
frecuencia es baja
US$500
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
 v  5 . 03 x10
octubre de 2015
2
 2 . 92 x10
2
K a  5 . 5 x10
4
2
K a  4 . 3 x10
6
Ka
3
29
Ejemplos de Sistemas de TDR
3m
octubre de 2015
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)
octubre dePreciso
2015
(+/- 2% o mejor)
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Capatancia de Alta Frecuencia
(Dieléctrico)
• 80 mHz
• $250 metro
• $250 sensor
• $20 tubo
• Calibración
universal
octubre de 2015
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
octubre de 2015
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
 Necesita solamente un
hoyo
 buena precisión
 Muchos componentes
del suelo efectúan
la calibración
http://www.wateright.org/
site2/images/neutron.jpg
Indirecto con radiación:
Neutrómetro (termalización)
Ventajas
Potencialmente
preciso si la
calibración es buena
Disponible
Uso de bajo costo
Flexible (p.e., puede
usar en profundidad)
Desventajas
 Necesita calibración por
suelo (mucho trabajo)
 Trabajar con radiación
 Su compra es de alto
costo
 Caro para desechar
 Lento para usar
 No se puede usar en
forma automática
Indirecto con radiación:
Sonda de Gamma
Atenuación de radiación
 Fuente & detector son separado
por suelo.
 La humedad determina la
absorción de energía de rayo.
 Necesita calibrar este método
en cada suelo.
Fuente
 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
octubre de 2015
muestra
Detector
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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
las condiciones del agua y suelo
http://www.ianr.unl.edu/pubs/
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
 sistemas que obtienen datos en forma automática
 Proyección futura por medio de la computación
http://www.historyoftheuniverse.com/
images/future.gif
• Menos agua para regar
• Más presión de todos los sectores para
usar agua con alta eficiencia
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Comparación de métodos
Sistema
Criterio
Costo
(US$)
Bloques
de yeso
400
Flexibilidad Regular
Facilidad
Precisión
Seguridad
Fácil
Mal
Mal
Tensiometro
400
Capaci- Neutrón
tancia
500
5,000
Regular
Regular
Regular
Regular
Rango
Fácil
Rango
Bueno
Regular
Mal
Bueno
Excel.
TDR
505,000+
Bueno
Fácil
Bueno
Excel.
Aprovéchelos: hay más opciones y métodos
ahora con características muy útiles
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Monitoring Soil Moisture