Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

José Luis Serna Farfan, José Francisco Muñoz, Francisco Suárez

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.


Palabras clave

Mediciones distribuidas de temperatura con cables de fibra óptica (FO-DTS); Método activo; Contenido de humedad volumétrico

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Referencias

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., Gil‐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

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1. Challenges in determining soil moisture and evaporation fluxes using distributed temperature sensing methods
Magdalena Lagos, José Luis Serna, José Francisco Muñoz, Francisco Suárez
Journal of Environmental Management  vol: 261  primera página: 110232  año: 2020  
doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110232



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