Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos
Enviado: 03-11-2016
|Aceptado: 04-07-2017
|Publicado: 27-07-2017
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Palabras clave:
Mediciones distribuidas de temperatura con cables de fibra óptica (FO-DTS), Método activo, Contenido de humedad volumétrico
Agencias de apoyo:
Proyecto FONDECYT N°1170850 (CONICYT)
Programa Nacional de Becas y Crédito Educativo del Perú (PRONABEC)
C. Sayde y S. Tyler
Centro de Desarrollo Urbano Sustentable
Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes
Resumen:
En los últimos años las mediciones distribuidas de temperaturas con cables de fibra óptica (FO-DTS) se han utilizado con éxito para investigar una amplia gama de procesos hidrológicos. En particular, con la tecnología FO-DTS se han desarrollado dos métodos para monitorear el contenido de humedad volumétrico en suelos (θ): el método pasivo y el método activo. Este trabajo presenta una evaluación del método activo para determinar el θ de un suelo arenoso. En este método, se utilizan cables de fibra óptica con elementos metálicos, donde se aplica una diferencia de voltaje entre sus extremos para calentarlo durante un período de tiempo determinado. Luego, se utiliza una relación empírica para relacionar el θ con un parámetro denominado temperatura acumulada (Tcum). Para aplicar el método activo se propuso una relación potencial definida por tramos, la cual depende de las propiedades hidrodinámicas del suelo estudiado. Distintos experimentos fueron realizados para evaluar el método activo. Estos experimentos tuvieron distintas duraciones del pulso de calor (2, 5, 10 y 20 min con potencias eléctricas de 2.1, 2.6, 2.3 y 2.4 W/m, respectivamente), y permitieron determinar la duración óptima del pulso de calor (tf), el tiempo de integración óptimo (∆t), el tiempo final óptimo de integración (t0) utilizado en el cálculo de la temperatura acumulada, y la corriente óptima (I) que debe circular por el cable de fibra óptica para generar el pulso de calor. Los resultados revelan que los parámetros óptimos son: tf = 1200 s, ∆t = 150 s, t0 = tf, e I ≈ 17 A (2.4 W/m). Este análisis permitió obtener contenidos de humedad que van desde 0.14 hasta 0.46 m3/m3, con errores menores que 0.08 m3/m3.
Citas:
Aufleger, M., Conrad, M., Perzlmaier, S., Porras, P. (2005). “Improving a fiber optics tool for monitoring leakage”. Hydro Review Worldwide, 13(4):18–23.
Benítez-Buelga, J., Rodríguez-Sinobas, L., Sánchez-Calvo, R., Gil-Rodríguez, M., Sayde, C., Selker, J.S. (2016). “Calibration of soil moisture sensing with subsurface heated fiber optics using numerical simulation”. Water Resources Research, 52, 2985-2995. https://doi.org/10.1002/2015WR017897
Bennett, N. D., Croke, B. F., Guariso, G., Guillaume, J. H., Hamilton, S. H., Jakeman, A. J., & Andreassian, V. (2013). “Characterising performance of environmental models”. Environmental Modelling & Software, 40, 1-20. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2012.09.011
Black, C. A., Evans, D. D., y Dinauer, R. C. (1965). “Methods of soil analysis”. Vol. 9, pp. 653-708. Madison, WI: American Society of Agronomy.
Cao, D., Shi, B., Zhu, H., Wei, G., Chen, S., Yan, J. (2015). “A distributed measurement method for in-situ soil moisture content by using carbon-fiber heated cable”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 7, 700-707. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2015.08.003
Ciocca, F., I. Luna, N. van de Giesen, and M. B. Parlange (2012). “Heated optical fiber for distributed soil-moisture measurements: A lysimeter experiment”. Vadose Zone Journal., 11, 1–10, doi:10.2136/vzj2011.0177.
Cristi, F., Fierro, V., Suárez, F., Muñoz, J.F., Hausner, M.B. (2016). “A TDR-waveform approach to estimate soil water content in ellectrically conductive soils”. Computers and Electronics in Agriculture, 121, 160-168. https://doi.org/10.1016/j.compag.2015.12.004
Dong, J., Steele-Dunne, S. C., Ochsner, T. E., & van de Giesen, N. (2016). “Estimating soil moisture and soil thermal and hydraulic properties by assimilating soil temperatures using a particle batch smoother”. Advances in Water Resources, 91, 104-116. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.03.008
Entekhabi, D., Rodriguez-Iturbe, I., Castelli, F. (1996). “Mutualinteraction of soil moisture state and atmospheric processes”. Journal of Hydrology, 184:3-17. https://doi.org/10.1016/0022-1694(95)02965-6
Gil-Rodríguez, M., Rodríguez-Sinobas, L., Benítez-Buelga, J., Sánchez-Calvo, R. (2013). Application of active heat pulse method with fiber optic temperature sensing for estimation of wetting bulbs and water distribution in drip emitters. Agricultural Water Management, 120, 72-78. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2012.10.012
Klute, A., (1994). Methods of Soil Analysis. Part 1: Physical and Mineralogical Methods. Agronomy Series, vol. 9. American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin.
Kurth, A.-M., Dawes, N., Selker, J., Schirmer, M. (2013). “Autonomous distributed temperature sensing for long-term heated applications in remote areas”. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, 2, 71-77. https://doi.org/10.5194/gi-2-71-2013
Muñoz, O., Gómez, R., Russo, B., & Sánchez, J. C. (2016). Sistema de detección de fugas en tiempo real en presas de materiales sueltos mediante sensores distribuidos en fibra óptica. Ingeniería del agua, 20(2), 103-114. https://doi.org/10.4995/ia.2016.4450
Perzlmaier, S., Straßer, K. H., Strobl, T., & Aufleger, M. (2006). “Integral seepage monitoring on open channel embankment dams by the DFOT heat pulsemethod”. 22nd ICOLD, Barcelona, Spain.
Peters, A., & Durner, W. (2008). Simplified evaporation method for determining soil hydraulic properties. Journal of Hydrology, 356(1), 147-162. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.04.016
Rowell, D. L. (2014). Soil science: Methods & applications. Routledge. https://doi.org/10.4324/9781315844855
Sayde, C., Gregory, C., Gilâ€Rodriguez, M., Tufillaro, N., Tyler, S., van de Giesen, N., y Selker, J. S. (2010). “Feasibility of soil moisture monitoring with heated fiber optics”. Water Resources Research, 46(6). https://doi.org/10.1029/2009WR007846
Sayde, C., J. B. Buelga, L. Rodriguez-Sinobas, L. E. Khoury, M. English, N. van de Giesen, and J. S. Selker (2014). “Mapping variability of soil water content and flux across 1–1000 m scales using the Actively Heated Fiber Optic method” Water Resources Research, 50. https://doi.org/10.1002/2013WR014983
Selker, J.S., Thevenaz, L., Huwald, H., Mallet, A., Luxemburg, W., van de Giesen, N.C., Stejskal, M., Zeman, J., Westhoff, M., Parlange, M.B. (2006). “Distributed fiberoptic temperature sensing for hydrologic systems”. Water Resources Research, Vol.42, N°.W12202, (2006), 8. https://doi.org/10.1029/2006WR005326
Soil Survey Staff. (2014). Keys to Soil Taxonomy, 12th ed. USDA-Natural Resources Conservation Service, Washington, DC.
Steele-Dunne, S.C., Rutten, M.M., Krzeminska, D.M., Hausner, M.B., Tyler, S.W., Selker, J.S., Bogaard, T.A., van de Giesen, N.C. (2010). “Feasibility of soil moisture estimation using passive distributed temperature sensing”. Water Resources Research, 46, W03534. https://doi.org/10.1029/2009WR008272
Striegl, A. M., Loheide, I. I., y Steven, P. (2012). “Heated distributed temperature sensing for field scale soil moisture monitoring”. Groundwater, 50(3), 340-347. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2012.00928.x
Suárez, F., Aravena, J.E., Hausner, M.B., Childress, A.E., Tyler, S.W. (2011a). Assessment of a vertical high-resolution distributed-temperature-sensing system in a shallow thermohaline environment. Hydrology and Earth System Sciences, 15:1081-1093. https://doi.org/10.5194/hess-15-1081-2011
Tyler, S.W., Selker, J.S., Hausner, M.B., Hatch, C.E., Torgersen, T., Thodal, C.E., Schladow, S.G. (2009). Environmental temperature sensing using Raman spectra DTS fiber-optic methods. Water Resources Research, 45, W00D23. https://doi.org/10.1029/2008WR007052
Weiss, J. D. (2003). “Using fiber optics to detect moisture intrusion into a landfill cap consisting of a vegetative soil barrier”. Journal of the Air & Waste Management Association, 53:1130-1148. https://doi.org/10.1080/10473289.2003.10466268
van Genuchten, M.T. (1980). A Closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 44, 892-898. https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x
