Apa în sApa în solol

ProprProprieiettățile ățile SolSoluluiului• TexturTextură: ă: proporproporțțiiaa relativ relativă a particulelor solului cu ă a particulelor solului cu

diferite diensiunidiferite diensiuni– CClasificalasificarere

• NisipNisip: 0.05 – 2.0 mm: 0.05 – 2.0 mm• HumusHumus: 0.002 - 0.05 mm: 0.002 - 0.05 mm• ArgilăArgilă: <0.002 mm: <0.002 mm

– TTririuungnghiul thiul texturexturilorilor – AfectAfecteazăează deplasarea și deplasarea și stocarea apeistocarea apei

• StructurStructurăă– Definition:Definition: modul de modul de aranjare și grupare aranjare și grupare a a pparticarticuulelelorlor soluluisolului– AfectAfectează penetrarea în rădăcini și deplasarea apei în ează penetrarea în rădăcini și deplasarea apei în

sol.sol.

• DensitDensitateaatea ( (bb))

bb = densit = densitatea soluluiatea solului, g/cm, g/cm33

– MMss = mas = masaa de de solsol uscat uscat, , în kîn kgg– VVbb = volum = volumulul dede sol, m sol, m33

• VValalori tipiceori tipice: 11: 110000 - 16 - 160000 kkg/mg/m33

• DensitDensitatea particuleloratea particulelor ( (pp))

PP = Densit = Densitatea particuleloratea particulelor soluluisolului, , kkg/mg/m33

– MMss = mas = masaa de sol uscatde sol uscat, , kkgg– VVss = volum = volumulul de solidde solid, m, m33

• Valori tipiceValori tipice: 26: 260000 - 27 - 270000 kkg/mg/m33

b

sbV

M

ps

s

M

V

• Porozitatea ()

• Valori tipice: 30 - 60%

volum pori

volum de sol

1 100%b

p

ApaApa îîn n ssolol

• Conținutul de apă din sol

m = masa de apă conținută (fracție)

– Mw = masa de apă evaporată, kg (24 ore la 105oC)

– Ms = masa de sol uscat, kg

s

wm

M

M

• Conținutul volumetric de apă (v)

V = conținutul volumetric de apă (fracție)– Vw = volum de apă– Vb = volum de sol– La saturație, V = V = As m

– As = densitatea aparentă a solului = b/w (w = densitatea apei, b=densitatea solului)

– As = b numeric dacă pt densitatea apei se folosește unitatea g/cm3

• Adâncimea echivalentă a apei (d)- d = volum de apă pe unitatea de suprafață= (v A L) / A = v L

– d = adâncimea echivalentă a apei în stratul de sol – L = grosimea stratului de sol

vw

b

V

V

Conținutul volumetric de apă și adâncimea echivalentă

PotenPotențțialialul apei în sul apei în solol

• DescriDescriereere– MMăăssoară starea energetică a apei din soloară starea energetică a apei din sol– Important Important deoarecedeoarece reflect reflectăă cât de mult lucrează cât de mult lucrează

plantele pentru aplantele pentru a extra extrage apage apa– UnitUnitateaatea dede m măăsursurăă esteeste bar bar sausau atmos atmosffereraa– Potențialul apei în sol este presiunea negativăPotențialul apei în sol este presiunea negativă

(tensi(tensiuunneaea sausau suc sucțțiiuunneaea))– Curgerea apei de la potențial mai mare Curgerea apei de la potențial mai mare ((mai puținmai puțin

negativ) negativ) la potențial scăzutla potențial scăzut (m (maiai negativ) negativ)

• ComponentComponentee

tt = poten = potențțialialulul total total al apei în al apei în sol sol gg = poten = potențțialialulul gravitational (gravit gravitational (gravitațiaația)) mm = poten = potențțialialul deul de matric matricee ( (capilaritateacapilaritatea)) oo = potential = potentialulul osmotic (d osmotic (datoratatorat diferen diferențeiței de de

concentrație de o parte și de alta a unei concentrație de o parte și de alta a unei membrane semipermeabile,membrane semipermeabile, ca rădăcina planteica rădăcina plantei))

– PPotenotențțialialul deul de matric matricee, , mm, , are cel mai mare are cel mai mare efect efect în eliberearea apei din sol spre planteîn eliberearea apei din sol spre plante

t g m o PotenPotențțialialul apei în sul apei în solol

• Eliberarea apei din solEliberarea apei din sol– CurCurbaba potențial de matrice funcție de conținutul de apăpotențial de matrice funcție de conținutul de apă– Mai puțină apă Mai puțină apă tensi tensiuunne mai maree mai mare– La o La o tensitensiuunne datăe dată, , solul cu textura mai fină reține mai solul cu textura mai fină reține mai

multă apă multă apă (num(număărr mai mare de mai mare de por porii))

Ascensiunea capilară Ascensiunea capilară este invers este invers proporțională cu proporțională cu diametrul capilaruluidiametrul capilarului

PotenPotențțialialul de matriceul de matrice și textura soluluiși textura soluluiAscensiunea capilară creată în capilarele cu diametru Ascensiunea capilară creată în capilarele cu diametru mai mic este mai mare decât cea din capilarele cu mai mic este mai mare decât cea din capilarele cu diametru mai mare. La un potențial de matrice dat, diametru mai mare. La un potențial de matrice dat, solurile grosiere rețin mai puțină apă decât cele cu solurile grosiere rețin mai puțină apă decât cele cu textura mai fină. textura mai fină.

În termeni de management al apei din sol, clasificarea potențialului de matrice al apei Ψm este bazată pe disponibilitatea apei pentru plante. Termenii folosiți pentru a descrie aceasta sunt: - Saturația (Apa gravitatională), - Capacitatea câmpului, - Puncul de ofilire permanentă, - Diponibilitatea de apă Saturația- Solul atinge maximum retenției de apă. Altfel spus, toți porii din sol sunt plini de apă.

- Ψm este aproape de zero.

- La saturație, porozitatea solului corespunde cu conținutul în umezeală al solului ().

Clasificarea umidității din sol

CCapacitapacitatea câmpului atea câmpului (FC (FC sausau fcfc))-Conținutul de apă din sol de la care drenajul Conținutul de apă din sol de la care drenajul

gravitațional gravitațional devine neglijabildevine neglijabil

- - SolSolulul nu estenu este saturat saturat dar este foarte umeddar este foarte umed

- Definită t- Definită tradiradițțional ional drept conținutul în apă corespunzător drept conținutul în apă corespunzător unui unui poten potențțialial al apei de ordinul al apei de ordinul -1/10 -1/10 lala -1/3 bar -1/3 bar

Clasificarea umidității din sol

Punctul de ofilire permanentă Punctul de ofilire permanentă (WP or(WP or wpwp))-Conținutul de apă în sol de la care plantele nu Conținutul de apă în sol de la care plantele nu

pot recupera stresul de apă și morpot recupera stresul de apă și mor

-Puțina apă din sol este insuficientă pentru plantePuțina apă din sol este insuficientă pentru plante

- Definit tDefinit tradiradițțional ional drept drept conținutul de apă conținutul de apă corespunzător unui potențial al apei de ordinul acorespunzător unui potențial al apei de ordinul a -15 bar -15 barii

Clasificarea umidității din sol

ADP – Apa Disponibilă pentru PlanteADP – Apa Disponibilă pentru Plante- este cantitatea de apă- este cantitatea de apă conținută de sol conținută de sol între limitele Capacitate a câmpuluiîntre limitele Capacitate a câmpului și și punctul de ofilire permanentă. Totuși punctul de ofilire permanentă. Totuși numai apar din apropierea punctului de numai apar din apropierea punctului de Capacitate a câmpului poate fi Apa Ușor Capacitate a câmpului poate fi Apa Ușor Accesibilă (AUA)Accesibilă (AUA)

Clasificarea umidității din sol

• DefiniDefinițțiiee– Apa stocată în sol între Capacitatea câmpului și Apa stocată în sol între Capacitatea câmpului și

punctul de ofilire permanentă este disponibilă punctul de ofilire permanentă este disponibilă pentru plante. pentru plante.

• Volumul de Apă DisponibilVolumul de Apă Disponibil ( (VVAADD))– VVAADD = = fcfc - - wpwp

– UnitUnitateate: : nivelul (adâncimea) de apă disponibilă nivelul (adâncimea) de apă disponibilă pe unitatea de adâncime de solpe unitatea de adâncime de sol ( (îîn mm/mm)n mm/mm)

– MMăăsursurat prin metode de laboratorat prin metode de laborator

Clasificarea umidității din sol

ProprProprieiettăți hidraulice aleăți hidraulice ale ssololuluiului și textura soluluiși textura solului

Legea lui DarcyLegea lui DarcyUnUn mediu mediu poros poros eesstete unun solid ( solid (numit și matricenumit și matrice) ) străpuns de către o străpuns de către o rețea de pori interconectați plini cu unrețea de pori interconectați plini cu un fluid. fluid. De obicei și matricea solidă De obicei și matricea solidă și rețeaua de pori sunt considerați ca un continuu. Mediul poros este și rețeaua de pori sunt considerați ca un continuu. Mediul poros este deci suprapunerea a două medii continue. deci suprapunerea a două medii continue. În dinamica fluidelor și hidrologie, legea lui Darcy este o lege constitutivă, fenomenologicp, care descrie curgerea unui fluid printr-un mediu poros.

Legea lui Darcy stabilește proporționalitatea între rata instantanee de descărcare printr-un mediu poros, vâscozitatea fluidului și căderea de presiune pe o distanţă dată.

Q (unități de volum pe timp - m³/s) este egal cu produsul permeabilității (κ în unități de arie - m²) mediului, aria secțiunii transversale (A) la curgere, și căderea de presiune (Pb − Pa), divizate cu vâscozitatea dinamică μ (unități SI. - kg/(m·s) sau Pa·s), și cu lungimea L pe care are loc căderea de presiune. Semnul minus indică curgerea de la presiune mare la presiune mică.

Legea lui DarcyLegea lui Darcy

Cu Cu notanotațțiii mai generalei mai generale

undeunde qq eesstete viteza de filtrare sau fluxul viteza de filtrare sau fluxul Darcy (Darcy (unitatea - unitatea - m/s). m/s). Această Această valvaloare a vitezei de filtrareoare a vitezei de filtrare nu este viteza cu nu este viteza cu care apa se deplasează real prin pori. care apa se deplasează real prin pori. Viteza în pori (v) este legată de viteza de filtrare și Viteza în pori (v) este legată de viteza de filtrare și porozitate prin relația: porozitate prin relația:

Fluxul Darcy este divizat prin porozitate pentru a arăta că numai o parte din volumul total este disponibil pentru curgere.

Legea lui DarcyLegea lui Darcy

CConductivitonductivitatea hiatea hidraulicdraulicăă, , notatănotată KK, , eesstete propr proprieiettatea atea sistemului vascular al plantelorsistemului vascular al plantelor, sol, soluluiului sausau roc rocilorilor, , care care descrie ușurința cu care apa se poate deplasa prin pori sau descrie ușurința cu care apa se poate deplasa prin pori sau fracturi.fracturi. Ea depinde de permeabilitatea intrinsecă a materialului și de gradul de saturare. Conductivitatea hidraulică saturată, Ksat, descrie mișcarea apei prin mediul saturat. O formulă O formulă empiricempiricăă aproximati aproximativă pentru cvă pentru conductivitonductivitatea atea hihidraulicdraulică, pornind de la analiza texturii, este:ă, pornind de la analiza texturii, este:

KK = = aa((DD1010))bb unde unde aa șiși bb sunt constante empirice, determinate de tipul sunt constante empirice, determinate de tipul solului,solului, iariar DD1010 eesstete diametr diametrulul a 1a 10 pr0 proocente cente din mărimea din mărimea

grăunțelor solului.grăunțelor solului.

Deplasarea apei în solDeplasarea apei în solPProceserocesele le importantimportantee îîn determinn determinarea balanței apei în sol area balanței apei în sol sunt:sunt:infiltrainfiltrarearea apei apei, , rredistribuiedistribuirea apei în profilul soluluirea apei în profilul solului,,evaporaevaporarearea apei de la suprafața soluluiapei de la suprafața solului, , ttranspiraranspirațțiiaa plantelor (văzut anterior).plantelor (văzut anterior). AApliplicând legea luicând legea lui Darcy Darcy unor unor problemprobleme de curgere ue de curgere unnii--dimensionaldimensionalee, , în care apa se deplasează în sus sau în jos în care apa se deplasează în sus sau în jos prin sol, se obține:prin sol, se obține:

Probleme:Probleme:-- conductivit conductivitatea hidraulică are o atea hidraulică are o dependendependență strânsă de potențialul de ță strânsă de potențialul de structură;structură;- Curgerea apei este cauzată de către gradientul potențialului- Curgerea apei este cauzată de către gradientul potențialului gravitationalgravitational..

Deplasarea apei în solDeplasarea apei în solO relație simplă care dă o bună aproximație pentru conductivitatea hidraulică este

unde e este potențialul de intrare a aerului și Ks este conductivitatea de saturație a solului. Parametrul b este exponentul umidității, dat de relația:

în care este conținutul volumetric de apă, iar s este conținutul în apă la saturație. Valorile lui b, Ks, și e depind de caracteristicile fizice ale solului, între care textura.

InfiltraInfiltrarea apeirea apeiInfiltrarea este fenomenul de pătrundere a apei în Infiltrarea este fenomenul de pătrundere a apei în

sol.sol.

FactorFactori care influențează infiltrarea apei în soli care influențează infiltrarea apei în sol• TTexturextura soluluia solului• Conținutul iConținutul ininițțialial de apă în de apă în solsol• Etanșeitatea suprafeței Etanșeitatea suprafeței (structur(structurăă, etc.), etc.)• Crăpăturile din sCrăpăturile din solol• Practicile agricolePracticile agricole• MetodMetodee de udarede udare• TTemperaturemperatura apeia apei

InfiltraInfiltrarea apeirea apeiRata de infiltrare poate fi calculată dacă se cunoaște

conductivitatea de saturație a solului:

unde Kave este conductivitatea hidraulică medie a solului umed iar mf și mi sunt potențialul apei la frontul de umezire respectiv la frontiera de infiltrare.

Adâncimea cumulată de iAdâncimea cumulată de infiltranfiltrarere funcție funcție de timp pentru dde timp pentru dififeerriitte texturi ale e texturi ale

ssololuluiului

Nisip fin

Nisip fin și argilă

Argilă cu fisuri

Rata de iRata de infiltranfiltrare funcție de tre funcție de timimppPentruPentru ddiferiferiitte texturi alee texturi ale ssololuluiului

Nisip fin

Nisip fin și argilă

Argilă cu fisuri

Rata deRata de iinfiltranfiltrarere șiși textura stextura sololuluiului

Redistribuirea apei în solAtunci când infiltrarea încetează, apa

continuă să coboare în sol, sub

influența potențialului de matrice și a

forțelor gravitaționale.

Într-o primă analiză a redistribuirii apei,

potențialul de matrice poate fi neglijat.

Se alege o valoare de pentru fluxul de

apă care iese din porțiunea umedă a

profilului, astfel încât fluxul să fie

neglijabil comparativ cu cantitatea de

apă care intră sau cu pierderile de apă. Atunci

unde n = 2 + 3/b și fc este potențialul apei corespunzător unei rate de drenaj egală cu în unități kg/m2s. Înlocuind C= rezultă

Redistribuirea apei în sol după infiltrare.

Apa subterană• Un acvifer este un strat de material porors care conține și

transmite apa subterană. Atunci când apa poate să se deplaseze direct între suprafață și zona saturată a acviferului, acviferul este nelimitat. Stratul cel mai adânc al unui astfel de acvifer este mai saturat din cauza forțelor gravitaționale care aduc apa mai jos.

• Partea superioară a acestui strat saturat din acviferul nelimitat este numită suprafață freatică. Sub această suprafață, unde toți porii sunt în general saturați cu apă se numește zona freatică.

• Substratul cu porozitate redusă care permite o transmisie limitată a apei subterane se numește acvitard. Un acviclud este un substrat cu porozitatea atât de redusă încât este practic impermeabil pentru apa subterană.

Apa subterană• Un acvifer nelimitat este un acvifer așezat sub un strat

relativ impermeabil ca un acviclud sau acvitard. Dacă un acvifer nelinitat urmează o pantă descendentă față de zona sa de încărcare, apa subterană poate fi supusă unei presiuni puternice. Aceasta poate crea fântâni arteziene care să se ridice la o înălțime mai mare decât suprafața pânzei freatice.

• Apele subterane conțin cam 20% din apa dulce de pe Pământ, deci 0,61% din întreaga cantitate de apă a planetei. Apele subterane stochează o cantitate de apă egală cu cea stocată în zăpadă și gheață, inclusiv cea de la poli. Aceasta face ca apele subterane să fie o resursă importantă ce poate fi folosită în perioadele de secetă extremă.

Apa subterană• Apa subterană este alimentată natural de către apele de suprafață prin

precipitații, pârâuri și râuri, atunci când aceasta ajunge la pânza freatică.

• Apa subterană poate fi un rezervor pe termen lung în ciclul natural al apei, așa cum apa de la suprafață sau din atmosferă constituie un rezervor pe termen scurt. Figura prezintă modul în care apele freatice profunde participă la ciclul apei pe termene foarte lungi.

Evaporarea de la suprafața soluluiApa poate fi pierdută din zona rădăcinilor plantelor prin:

• filtrare spre adâncime,

• evaporare de la suprafața solului,

• absorbție prin rădăcinile plantelor.Figura prezintă evoluția ratei de evaporate în timp pentru trei experimente de uscare a solului. E pot distinge două stadii în aceste procese de uscare, unul cu o rată de evaporare constantă și una cu o scădere semnificativă a acesteia. Tranziția între cele două apare atunci câns suprafața solului devine uscată. -Rata de evaporare din primul stadiu este determinată de cererea de evaporare din partea atmosferei. - La debutul etapei a doua de uscare, solul limitează rata de aprovizionare a suprafeței sale.

Balanța apei în solLa orice moment de timp, conservarea masei cere ca rata de

încărcare în apă la o adâncime în sol L să fie suma dintre

intrări și pierderi. Acest echilibru (balanță) poate fi scris sub

forma:

unde termenii din stânga reprezintă rata de stocare, iar cei

din dreapta reprezintă rata de infiltrare (Jwi), filtrare spre

adâncimi mai mari decât L (Jwd), evaporare de la suprafața

solului (Es) și transpirația plantelor (Ep).

Ecuația se rezolvă simplu numeric.

MMăăsursurarea cantității de apă dinarea cantității de apă din ssolol

• Metode gravimetrice– Măsurarea conținutului de apă (m)– Se iau probe de sol se cântăresc se usucă se

cântăresc– Avantaje: acuratețe; locații multiple– Dezavantaje: laborioase; timp mare de lucru

• Pe baza aparenței– Se iau probe de sol și se apreciază prin palpare– Avantaje: cost scăzut; locații multiple– Dezavantaje: necesită experiență; acuratețe redusă

• Împrăștierea nÎmprăștierea neutroneutronilorilor (atenua (atenuarere))– MMăăssoară conținutul volumic de apăoară conținutul volumic de apă ( (vv))– AtenuaAtenuarea neutronilor cu energii mari de către rea neutronilor cu energii mari de către

nucleele de nucleele de hhiidrogendrogen– AvantaAvantajje: e:

• Probele sunt sfere mari de solProbele sunt sfere mari de sol • RepetRepetabilitate cu probe din același loc de la adâncimi diferiteabilitate cu probe din același loc de la adâncimi diferite • AcurateAcuratețețe

– DDezezadvantaadvantajje: e: • Cost ridicat aparaturăCost ridicat aparatură• Lucrul cu izotopi radioactiviLucrul cu izotopi radioactivi• NNeerearealizabil pentru adâncimi mici, aproape de suprafața lizabil pentru adâncimi mici, aproape de suprafața

soluluisolului

• Pe baza Pe baza constantconstanteiei ddielectricielectricee– constantconstantaa dielectric dielectricăă dep depiinde nde de umiditatea de umiditatea solsoluluiului– Metodă simplă se cu acuratețe bunăMetodă simplă se cu acuratețe bună

MMăăsursurarea cantității de apă dinarea cantității de apă din ssolol

MMăăsursurarea cantității de apă dinarea cantității de apă din ssolol Atenua Atenuarearea nneutroneutronilorilor

• Tensiometre– Măsoară potențialul apei în sol– Domeniu de operare 0 la 0.75 bar

• Rezistența electrică– Măsoară potențialul apei în sol– Rezultate corecte la conținut mic de apă

• Disipație termică– Măsoară potențialul apei în sol– Necesită calibrare

MMăăsursurarea cantității de apă dinarea cantității de apă din ssolol

TensiometTensiometeer r pentrupentru mămăsursurareaarea potențialului apei potențialului apei în solîn sol

Porous Ceramic Tip

Vacuum Gauge (0-100 centibar)Vacuum Gauge (0-100 centibar)

Water ReservoirWater Reservoir

Variable Tube Length (12 in- 48 in) Based on Root Zone Depth

ReRezzististeennța eța electriclectricăă