Caracterización y estudio del volumen de suelo húmedo mediante tomografía eléctrica

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis Recientemente se ha incluido entre los campos de aplicación de la Prospección Geofísica la “agro-geofísica”. Esta sub-disciplina puede definirse como el uso de la geofísica a la agricultura y la ciencia del suelo. Entre sus intereses se encuentra la aplicación de este conjunto de métodos no destructivos al estudio de la capacidad de retención del agua en el suelo, o al efecto de los cultivos sobre su contenido en humedad y de la fertilización en las propiedades del suelo a largo plazo (Reynolds, 2011). Para Zur (1996) la geometría y volumen de suelo humedecido debe ser un objetivo en el diseño del riego más que un resultado final, es decir, se debe determinar la combinación óptima de descarga y espaciamiento entre los emisores para cada zona en función de las propiedades hidráulicas del terreno mediante un conocimiento preciso del volumen de suelo humedecido en el proceso de irrigación. Este conocimiento permitiría aplicar la cantidad de agua suficiente para humedecer la mayor parte de la zona abarcada por las raíces y evitar tanto las pérdidas por percolación como el lixiviado de los nutrientes. Aplicar técnicas no destructivas para la caracterización del bulbo húmedo desde superficie y con la mínima alteración del medio permite estudiar su evolución en el tiempo con el grado de empirismo necesario para caracterizar una zona concreta. La humedad es la causa principal de la circulación de la corriente a través del suelo, por lo que los métodos eléctricos de prospección geofísica se emplean frecuentemente en los estudios cuyo objetivo es el agua en la zona no saturada. La presente tesis doctoral examina varios aspectos relacionados con la aplicación del método denominado Tomografía Eléctrica a la estimación de las dimensiones, forma, contenido de humedad y evolución temporal del volumen de suelo humedecido por microirrigación. Se exploran las posibilidades de utilizar los postulados de Pozdnyakova (1999) y Pozdnyakov et al. (2006) para estimar el contenido específico de agua del bulbo húmedo, se proponen metodologías para localizar la posición precisa del frente húmedo, para la corrección de temperatura de las medidas y de los efectos adversos que imponen las condiciones de medida en los ensayos de laboratorio. También se analizan, entre otros aspectos, los procesos de infiltración y pérdida de humedad en función del tiempo, los errores asociados a la posición de los electrodos y el uso combinado de dispositivos. 2.contenido de la investigación En esta investigación se ha realizado un análisis estadístico de datos históricos, seguido de un estudio en laboratorio sobre muestras de suelo de diferentes texturas para intentar confirmar las hipótesis de partida, para lo cual se han efectuado medidas de resistividad, potencial mátrico, cargabilidad y permitividad. Se propone una metodología de cálculo de las constantes geométrica de las celdas empleadas como un acuerdo entre los valores estimados en laboratorio y los modelizados teóricamente mediante el método de los elementos finitos. Así mismo, mediante un estudio de la sensibilidad de los dispositivos se determinó el efecto que los sensores de humedad empleados en las celdas ejercían sobre las medidas de resistividad. Los procesos de infiltración y redistribución del agua bajo el emisor se han estudiado en laboratorio a escala reducida y se han modelizado por el método de elementos finitos para establecer las correcciones necesarias y evaluar el procedimiento propuesto para localizar la posición del frente húmedo. Por último, se ha aplicado el método a escala real obteniéndose imágenes de la evolución de la zona humedecida de las que puede inferirse información sobre las propiedades hidráulicas del terreno. 3.conclusión Tanto los procesos de infiltración como de redistribución de agua en el terreno pueden observarse con claridad mediante tomografía eléctrica. Así mismo, el contacto de la zona humedecida con el terreno seco puede obtenerse de forma cuantitativa, siendo el principal inconveniente el efecto de los fuertes gradientes introducidos por los artefactos resistivos que acompañan a las anomalías conductoras y la presencia de heterogeneidades resistivas en el terreno. No se ha podido demostrar fehacientemente en laboratorio las propuestas de Pozdyakova y Pozdyakov, aunque los resultados de la tomografía en los ensayos de campo muestran un comportamiento que concuerda con los trabajos de estos autores. Uno de los principales inconvenientes de la aplicación de la tomografía eléctrica es la necesidad de una formación específica para su realización, ya que deben tomarse decisiones que incluyen la elección del dispositivo, el número de electrodos y su separación, el diseño de la secuencia de medidas, su densidad y la selección de los parámetros de inversión en el proceso de interpretación entre otros. Sin embargo, las posibilidades que ofrece el método dejan abierto un campo de trabajo muy extenso. 4. bibliografía Allred, B., Daniels, J. J., & Ehsani, M. R. (2008). Handbook of agricultural geophysics. 432 pp., CRC Press. López-Sánchez, M., Mansilla-Plaza, L., & Sánchez-de-laOrden, M. (2017). Geometric factor and influence of sensors in the establishment of a resistivity-moisture relation in soil samples. Journal of Applied Geophysics, 145, 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2017.07.011 Pozdnyakov, A. I., Pozdnyakova, L. A., & Karpachevskii, L. O. (2006). Relationship between water tension and electrical resistivity in soils. Eurasian Soil Science, 39(1), S78–S83. https://doi.org/10.1134/s1064229306130138 Pozdnyakova, L. (1999). Electrical properties of soils. Department of Renewable Resources. University of Wyoming, Laramie. Reynolds, J. M. (2011). Developments and future trends in near surface geophysics. First Break, 29(8), 69–75. Zur, B. (1996). Wetted soil volume as a design objective in trickle irrigation. Irrigation Science, 16(3), 101–105. https://doi.org/10.1007/BF02215617