APPLICAZIONE DELLA TECNICA SCINTILLOMETRICA PER LA … · 1. La tecnica scintillometrica: teoria e principi di funzionamento 2. Ricerche ed attività sperimentali condotte dal Dipartimento

CSEI Catania, seminario su:CSEI Catania, seminario su:Metodologie di valutazione dei fabbisogni irrigui a Metodologie di valutazione dei fabbisogni irrigui a scala aziendale e comprensorialescala aziendale e comprensoriale

APPLICAZIONE DELLA TECNICA SCINTILLOMETRICA APPLICAZIONE DELLA TECNICA SCINTILLOMETRICA

PER LA STIMA DEI FLUSSI EVAPOTRASPIRATIVI PER LA STIMA DEI FLUSSI EVAPOTRASPIRATIVI

DA COLTURE MEDITERRANEE DA COLTURE MEDITERRANEE

CARMELO AGNESE e MARIO MINACAPILLICARMELO AGNESE e MARIO MINACAPILLI

Taormina, 12Taormina, 12--14 Novembre 200814 Novembre 2008

Dipartimento di Ingegneria e Tecnologie AgroDipartimento di Ingegneria e Tecnologie Agro--Forestali (ITAF), UniversitForestali (ITAF), Universitàà di Palermo (IT)di Palermo (IT)

Dipartimento diIngneria e TecnologiaAgro-Forestali

Problematica Problematica

Messa a punto di Messa a punto di tecnologie avanzate per la misuratecnologie avanzate per la misura dei processi di dei processi di scambio scambio idrico ed energeticoidrico ed energetico nel sistema nel sistema SuoloSuolo--PiantaPianta--AtmosferaAtmosfera..

Applicazione della tecnica Applicazione della tecnica scintillometricascintillometrica per la stima dei flussi per la stima dei flussi evapotraspirativievapotraspirativida colture mediterranee da colture mediterranee C. Agnese e M. C. Agnese e M. MinacapilliMinacapilli

1.1. La tecnica La tecnica scintillometricascintillometrica: teoria e principi di funzionamento: teoria e principi di funzionamento

2.2. Ricerche ed attività sperimentali condotte dal Dipartimento ITAFRicerche ed attività sperimentali condotte dal Dipartimento ITAF::

2.1 Descrizione generale dell’area di studio e delle tecniche u2.1 Descrizione generale dell’area di studio e delle tecniche utilizzatetilizzate2.2 Analisi dei principali risultati si colture arboree2.2 Analisi dei principali risultati si colture arboree

ValidazioneValidazione di di modelli e procedure di calcolomodelli e procedure di calcolo per una più efficiente stima dei per una più efficiente stima dei fabbisogni irriguifabbisogni irrigui di colture.di colture.

Argomenti del seminarioArgomenti del seminario

Geografia della zona di studio: lGeografia della zona di studio: l’’area irrigua di area irrigua di CastelvetranoCastelvetrano (TP(TP--AG)AG)


1 km

500 m

Azienda ConsiglioAzienda Consiglio

Tipologia colturale:Tipologia colturale: NocellaraNocellara del Belicedel Belice

Sesto di impianto:Sesto di impianto: 8 x 5 m (250 piante/ha)8 x 5 m (250 piante/ha)

Irrigazione:Irrigazione: a goccia (a goccia (p.n.p.n. 8 l/h)8 l/h)

Descrizione del sito sperimentale: Descrizione del sito sperimentale: ScintillometroScintillometro ScintecScintec DBSAS SLS20DBSAS SLS20


T

R

T = = Trasmettitore Trasmettitore ScintillometroScintillometroR = = Ricevitore Ricevitore ScintillometroScintillometro

= = Misure di contenuto idrico e/o parametri Misure di contenuto idrico e/o parametri biofisicibiofisici

λET = Rn - G - H

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0:00 4:33 9:07 13:40 18:14 22:48 3:21

time [h:mm]

Rs

& R

n [W

m-2

]

Incoming solar Radiation RsNet Radiation Rn

28/08/2007Olive Olive –– 28/08/200728/08/2007

RRss and and RRnn

GG00

-20

0

20

40

60

80

100

0:00 4:33 9:07 13:40 18:14 22:48 3:21

time [h:mm]

Soil

Hea

t flu

x G

0 [W

m-2

]

Sensor 1Sensor 2Sensor 3

28/08/2007 Soil heat flux G0

H H

-40

0

40

80

120

160

200

240

280

320

0:00 4:33 9:07 13:40 18:14 22:48 3:21

time [h:mm]

Sens

ible

Hea

t flu

x H

[W

m-2

]

Sensible heat flux H28/08/2007

λλETET = = RRnn –– G G -- HH





Valutazione del Valutazione del ““FootprintFootprint”” dello dello ScintillometroScintillometro

U

Dati prevalenti

U = 2.5 m/s

Dir = 316 °

Footprint [-]

Low contribution

High contribution

0 50 100 m.

≈ NO - SE

Monitoraggio dei contenuti idrici del suoloMonitoraggio dei contenuti idrici del suolo

• Time DomainReflectometry (TDR)

• Frequency DomainReflectometry (FDR)(Strumentazione Diviner)


T

R

Misure di parametri biofisici delle coltureMisure di parametri biofisici delle colture

•• LeafLeaf and and canopycanopy temperaturetemperature

•• Leaf /Stem Water Leaf /Stem Water PotentialPotential

•• SapSap FluxFlux

•• LeafLeaf Area Area IndexIndex

Firme spettrali su canopySpettroradiometro ASDI FieldSpect (350-1050 nm)


Misure e controllo di parametri biofisiciMisure e controllo di parametri biofisici


Organizzazione, protocolli e date della campagna di misura 2007Organizzazione, protocolli e date della campagna di misura 2007mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Misure Giu

Scintillometriche Lug ■e Ago ■ ■

date irrigue Sett ■ ■Giu

Umidità LugPotenziali fogliari Ago

SettGiu

Temperature Lugfogliari Ago

SettGiu

Firme Lugspettrali Ago

Sett

■ somministrazione irrigua

Cal. Irriguo h l/pianta m3/ha

25/07/07 24 768 21524/08/07 24 768 21525/08/08 24 768 21507/09/07 24 768 21521/09/07 24 768 215

totale 1075


Analisi dei dati: stagione irrigua 2007 (Olivo): Analisi dei dati: stagione irrigua 2007 (Olivo): 26 giugno 26 giugno –– 22 settembre22 settembre

10

100

190

280

370

460

550

640

26-giu 27-giu 28-giu 29-giu 30-giu 1-lug 2-lug 3-lugdata

W/

m2

Rn

Go

H

lET

ET0 = 6.9ETsc= 2.6

ET0 = 8.1ETsc= 2.7

ET0 = 6.0ETsc= 1.8

ET0 = 5.7ETsc= 2.4

ET0 = 7.9ETsc= 2.7

ET0 = 6.4ETsc= 2.4

ET0 = 7.5ETsc= 2.3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

26/

6

3/7

10/

7

17/

7

24/

7

31/

7

7/8

14/

8

21/

8

28/

8

4/9

11/

9

18/

9

25/

9

Flu

sso

evap

otra

spir

ativ

o [m

m/

d]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Um

idit

à d

el s

uol

o [m

3 /m

3 ]

ETsc

Theta 20-40 cm

Theta 50-70 cm

Data di irrigazione

10

100

190

280

370

460

550

640

14-lug 15-lug 16-lug 17-lug 18-lug 19-lug 20-lug 21-lugdata

W/

m2

Rn

Go

H

lET

ET0 = 6.0ETsc= 1.9

ET0 = 5.9ETsc= 1.5

ET0 = 6.3ETsc=1.5

ET0 = 5.6ETsc= 1.4

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

26/

6

3/7

10/

7

17/

7

24/

7

31/

7

7/8

14/

8

21/

8

28/

8

4/9

11/

9

18/

9

25/

9

Flu

sso

evap

otra

spir

ativ

o [m

m/

d]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Um

idit

à d

el s

uol

o [m

3 /m

3 ]

ETsc

Theta 20-40 cm

Theta 50-70 cm

Data di irrigazione

10

100

190

280

370

460

550

640

25-lug 26-lug 27-lug 28-lug 29-lug 30-lug 31-lug 1-agodata

W/

m2

Rn

G0

H

lET

ET0 = 7.6ETsc= 2.2

ET0 = 6.7ETsc= 2.4

ET0 = 6.9ETsc= 2.1

ET0 = 7.9ETsc= 2.5

ET0 = 6.9ETsc= 2.3

ET0 = 5.7ETsc= 4.0

ET0 = 5.6ETsc= 2.4

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

26/

6

3/7

10/

7

17/

7

24/

7

31/

7

7/8

14/

8

21/

8

28/

8

4/9

11/

9

18/

9

25/

9

Flu

sso

evap

otra

spir

ativ

o [m

m/

d]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Um

idit

à d

el s

uol

o [m

3 /m

3 ]

Rn

G0

H

λET

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

26/

6

3/7

10/

7

17/

7

24/

7

31/

7

7/8

14/

8

21/

8

28/

8

4/9

11/

9

18/

9

25/

9

Flu

sso

evap

otra

spir

ativ

o [m

m/

d]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Um

idit

à d

el s

uol

o [m

3 /m

3 ]

Date di irrigazione - (circa 27 mm per somministrazione) irrigua)Giorni irrigui – (27 mm per somministrazione irrigua)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

26/

6

3/7

10/

7

17/

7

24/

7

31/

7

7/8

14/

8

21/

8

28/

8

4/9

11/

9

18/

9

25/

9

Flu

sso

evap

otra

spir

ativ

o [m

m/

d]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Um

idit

à d

el s

uol

o [m

3 /m

3 ]

Date di irrigazione - (circa 27 mm per somministrazione) irrigua)Giorni irrigui – (27 mm per somministrazione irrigua)

Andamento temporale dell’evapotraspirazione misurata con la tecnica scintillometrica e dei tassi di contenuto idrico nel suolo


Analisi dei dati: stagione irrigua 2007 (Olivo): 26 giugno Analisi dei dati: stagione irrigua 2007 (Olivo): 26 giugno –– 22 settembre22 settembre

Valutazione dei “Coefficienti colturali”

cc

0

ETK

ET= “…well watered crop and optimal

agronomic conditions...”

[Doorenbos and Pruitt, 1977]

c_actc_act cb e s

0

ETK (K K )K

ET= + =

[FAO56; Allen et al, 1996]

“…water and environmental stress ...”

FAO 56: (Kcb + Ke) = 0.65 - 0.75

Zp

p p p

S(z,h) α(h) (z) T

T = ET ‐ E

= ×ρ ×

(Feddes et al., 1978)

( ) ( )[ ] t)νTEI(PdzΔttz, ds

z

0

Δ+−−+=θ−+θ∫ z

hk( ) 1 S(z,h)t z z

⎡ ⎤⎛ ⎞∂θ ∂ ∂= θ − −⎢ ⎥⎜ ⎟∂ ∂ ∂⎝ ⎠⎣ ⎦


Confronto fra flussi Confronto fra flussi evapotraspirativievapotraspirativi misurati e stimati da approcci misurati e stimati da approcci modellisticimodellistici

Modelli di bilancio idrico nel SPAModelli di bilancio idrico nel SPA

SWAP: Approccio “fisicamente basato” FAO 56: Approccio semplificato

Z

Dr,i = Dr,i – 1 – Pi + ETi + DPi

?TAW

RAW

p c 0

c cb e s

ET K ET

K (K K )K

= ×

= +

fc wp r

0

TAW 1000 ( ) Z

RAW p TAWp f(coltura,ET ) Depletion factor

= × θ − θ ×

= ×=

υd = f (condizioni al contorno inferiore)

p c 0

p p

ET K ET

E ET exp( 0.5LAI)

=

= −

p p euhMIN K(h) 1 ; (E T P ) z

⎡ ⎤⎛ ⎞∂= − + + −⎢ ⎥⎜ ⎟∂⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

υ

υd

υu




SWAP: Approccio “fisicamente basato”

pS(z,h) α(h) (z) T= ×ρ ×

Riduzione della traspirazione in presenza di stressRiduzione della traspirazione in presenza di stress

“Potenziali critici” (“Potenziali critici” (AshfortAshfort & & TaylorTaylor, 1972), 1972)

(Feddes et al., 1978)

0

1

α

h1h2h3l h3hh4

FAO 56: Approccio semplificato

Riduzione di ET presenza di stressRiduzione di ET presenza di stress

Kc = (Kcb + Ke)Ks

0

1

0

1

θwp θfc

s

s

K =

K =

<

−

−

i

r ,ii

1 per D RAW

TAW D per D > RAW

TAW RAW

Κs

RAW= p TAW

TAW

RAW


Risultati preliminari relativi alla stagione 2007 Risultati preliminari relativi alla stagione 2007 -- OlivoOlivo

ParametrizzazioneParametrizzazione dei modellidei modelli

Modello SWAP Procedura FAO 56

Caratteristiche idrologiche del terreno

Parametri dedotti0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm

θs 0.030 0.139 0.103 0.119θr 0.400 0.444 0.400 0.410K0 10.00 3.00 30.00 0.24α 0.0104 0.0118 0.0159 0.046n 1.838 2.128 1.548 1.487λ 0.5 0.5 0.5 0.5

( )r s r mn

1

1θ = θ + θ − θ

⎡ ⎤+ αψ⎢ ⎥⎣ ⎦

2m1m

0 e eK K S 1 1 Sλ⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟= ∗ − −⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

van Genuchten (1980)

Parametri biofisici della colturaPARAMETRI Olivo

Critical pressure heads (cm) h2 (h below which optimum water uptake starts in the root

zone) -25

h3h (h below which optimum water uptake reduction starts in the root zone in case of high atmospheric demand) -1500

h3l (h below which optimum water uptake reduction starts in the root zone in case of low atmospheric demand) -1500

h4 (wilting point, no water uptake at lower pressure heads) -16000 kgr (extinction coefficient) (-) 0.50

Development stage and

main crop parameters

DOYplant. Kc DOYdev. Kc DOYmid. Kc DOYlate. Kc DOYharv. Kc

105 (95), 0.75 105 (95), 0.75 105 (95), 0.75 258 (258), 0.75 258(258), 0.75

0.700.700.700.700.70

Parametri Olivo

θfc, Soil moisture at field capacity [cm3/cm3] 0.32

θwp, Soil moisture at wilting point [cm3/cm3] 0.13

TAW, Total Available Water [mm/m] 187.6

Development stage and

main crop parameters

DOYplant. Kcb DOYdev. Kcb DOYmid. Kcb DOYlate. Kcb DOYharv. Kcb

105 (95), 0.75 105 (95), 0.75 105 (95), 0.75 258 (258), 0.75 258(258), 0.75

P = 0.65

Parametri utilizzatiParametri utilizzati

0.700.700.700.700.70

0.42

0.11



0.13 – 0.160.17 – 0.200.21 – 0.240.25 – 0.280.29 – 0.300.31 – 0.340.35 – 0.380.39 – 0.42

3.6 – 4.22.8 – 3.52.3 – 2.71.9 – 2.21.4 – 1.80.9 – 1.30.2 – 0.8-1.4 – 0.1

θ [m3/m3] Log|h|

Ζr

Ζr

Risultati ottenuti dalle simulazioni SWAP



Confronto SWAP – FAO 56


s

s

K =

K =

<

−

−

i

r,ii

1 per D RAW

TAW D per D > RAW

TAW RAW


Calcolo del coefficiente Ks (procedura FAO56)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40

Theta, θ [m3 m-3]

Ks [

-]

Ks stimato(Kcb+Ke=0.75)

FAO56; (p=0.65)

FAO 56: Kc_act = (Kcb + Ke)Ks

Riduzione di ET in presenza di stressRiduzione di ET in presenza di stress

0

1

0

1

θwp θfc

s

s

K =

K =

<

−

−

i

r,ii

1 per D RAW

TAW D per D > RAW

TAW RAW

Κs

RAW= p TAW

TAW

RAW

c_act scs

cb e 0 cb e

K ET 1K = = ×

(K +K ) ET (K +K )

Valutazione del coefficiente Ks dalle misure di ETsc

Valutazione diretta del Valutazione diretta del coefficiente di stress coefficiente di stress KKss

= 0.7


Considerazioni conclusiveConsiderazioni conclusive

Tecnica scintillometrica:

Accuratezza e affidabilità della misura;Dati misurati immediatamente utilizzabili (no post-processamento);☺

Elevati costi di acquisto e manutenzione;Strumentazione da “campagna di misura” con presenza di operatore.

Le schematizzazione di calcolo che utilizzano impostazioni “a base fisica”consentono una corretta simulazione di quei processi la cui misura diretta risulta ancora complessa. L’effettiva affidabilità della simulazione dipende però dalla corretta parametrizzazione del sistema SPA le cui variabili richiedono indagini complesse.

Modellazione agroidrologica:

Le schematizzazione di calcolo semplificate (Procedura FAO 56) consentono di generare modelli facilmente “trasferibili” agli utenti finali e ai gestori della risorsa idrica; Tuttavia le parametrizzazioni semplificate che si utilizzano in questo tipo di approccio risultano ancora incerte e richiedono una verifica di tipo sperimentale.


Gruppo di lavoroGruppo di lavoro

Ricercatori coinvolti nell’attività descritta:

• Prof. Giuseppe PROVENZANO

• Dott. Federico BLANDA (dottore di ricerca in Idronomia Ambientale)

• Dott. Giovanni RALLO (dottorando di ricerca in Idronomia Ambientale)

• Dott.ssa Giovanna COSTA (dottore di ricerca in Idronomia Ambientale)

• Dott. Carmelo CAMMALLERI (dottorando di ricerca in Ingegneria Idraulica)

• Dott.ssa Debora LIOTTA (dottore in Scienze Foresrali)

ENEA (Ente Nazionale Energia Ambiente)

• Sig. Fabrizio ANELLO

• Ing. Francesco MONTELEONE

• Dott. Maurizio SCIORTINO




SWAP: Approccio “fisicamente basato” FAO56: Approccio semplificato

References (Kroes and van Dam, 2002) (Allen et al., 1998)

( ) ( )[ ] t)νTEI(PdzΔttz, ds

z

0

Δ+−−+=θ−+θ∫ z



Modellazione Modellazione AgroAgro--IdrologicaIdrologica

Modelli di bilancio idrico nel SPA

Esempi

FAO 56 (Allen et al., 1998)

SWAP (van Dam, 1997)

HYDRUS (Simunek et al., 1999)

SEBAL (Bastiaanseen et al. 1998)TSEB (Norman et al. 1995)

ss ea s s

dTC R (1 - ) R R - H - (E T)

dt= α + + λ +

Modelli di bilancio energetico di superficie

Rs

αRs HRea

Rs λ(Es+T)P I Es T

νd

dz ΔW

Geografia della zona di studio: lGeografia della zona di studio: l’’area irrigua di area irrigua di CastelvetranoCastelvetrano (TP(TP--AG)AG)


1 km

Clima semi-arido

Colture arboree

(Oliveti; Agrumeti; Vite)

2005 ET0 = 950 mm 2006 ET0 = 1050 mm

500 m

Azienda ConsiglioAzienda Consiglio

Tipologia colturale:Tipologia colturale: NocellaraNocellara del Belicedel Belice

Sesto di impianto:Sesto di impianto: 8 x 5 m (250 piante/ha)8 x 5 m (250 piante/ha)

Irrigazione:Irrigazione: micromicro--irrigazione (irrigazione (p.n.p.n. 175 l/h)175 l/h)

a goccia (a goccia (p.n.p.n. 8 l/h)8 l/h)

Monitoraggio dei contenuti idrici del suoloMonitoraggio dei contenuti idrici del suolo

• Time DomainReflectometry (TDR)

• Frequency DomainReflectometry (FDR)(Strumentazione Diviner)


Confronto e validazione condotti durante le stagioni 2005 e 2006

T

R



Confronto SWAP – FAO56


-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

22/06/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

22/07/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

05/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

08/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm] Diviner

SWAP

08/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm] Diviner

SWAP

12/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

16/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm] Diviner

SWAP

18/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

20/08/2005

-120

-90

-60

-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

25/08/2005

-120

-90

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-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

31/08/2005

-120

-90

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-30

0

0.00 0.20 0.40 0.60

Z[cm]Diviner

SWAP

08/09/2005

-120

-90

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-30

0

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Z[cm]Diviner

SWAP

12/09/2005

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APPLICAZIONE DELLA TECNICA SCINTILLOMETRICA PER LA … · 1. La tecnica scintillometrica: teoria e principi di funzionamento 2. Ricerche ed attività sperimentali condotte dal Dipartimento