Caracterización y Estudio del Volumen de Suelo Húmedo mediante Tomografía Eléctrica

Abstract

El continuo incremento de la necesidad de agua exige realizar un uso más eficiente y racional de este recurso vital. Los sistemas de riego localizado han adquirido desde hace algunas décadas una relevancia significativa, siendo el volumen de suelo humedecido por los emisores un factor clave para su diseño. Según la ESYRCE (2017) es el sistema de riego que más aumenta en España de forma sostenida en los últimos años (un 14,85% entre 2007 y 2016). La presente tesis doctoral explora las capacidades, bondades y limitaciones del método de prospección geofísica denominado Tomografía Eléctrica o “Electrical Imaging” en un ámbito concreto de su aplicación a la agricultura: la estimación de las dimensiones, formas y características del volumen de suelo humedecido por microirrigación. Esta investigación se centra en la posibilidad de utilizar los resultados de este método tanto para conocer el estado energético del agua en el suelo como para localizar con precisión la posición del frente húmedo. Para la consecución de los objetivos propuestos se emplearon técnicas de simulación numérica, se realizaron ensayos de laboratorio a escala reducida y sobre muestras de suelos de varios tipos texturales, así como ensayos de campo a escala real. En el desarrollo de este trabajo de investigación queda patente la importancia del uso de modelos teóricos, no solo en la valoración de los estudios, sino también para obtener estrategias que permiten corregir los efectos adversos que influyen en los resultados. En esta tesis se evalúan algunas de ellas y se plantean metodologías para su eliminación. Las conclusiones del estudio revelan que es posible localizar con precisión la posición del frente húmedo y obtener una interpretación cuantitativa de ella. Sin embargo, no se ha podido demostrar fehacientemente que la variación de la resistividad con la humedad permita determinar el estado energético del agua en el suelo, lo que de conseguirse abriría interesantes oportunidades a la aplicación del método en agricultura, proporcionando información sobre el agua disponible para las plantas en una sección bidimensional de la zona humedecida en función del tiempo y ampliarlo a la cuantificación del proceso de absorción de agua por las plantas. Las posibilidades que ofrece el método de tomografía eléctrica son muy amplias, quedando abierto un campo de trabajo muy extenso, bien como complemento a otras técnicas aplicadas en agricultura de precisión, donde la conductividad eléctrica se utiliza principalmente para identificar la variabilidad superficial de la humedad y/o las propiedades edáficas del terreno, bien en aplicaciones relacionadas con la caracterización del subsuelo, sus patrones de humedad y desecación, y la absorción del agua por parte de las plantas (estructura, textura, direcciones predominantes de flujo, evapotranspiración, etc.), o bien extendiendo a toda la zona humedecida durante el riego la información puntual proporcionada por los sensores de humedad, donde entre otros inconvenientes, la propia instalación de instrumentación puede afectar a los patrones de humectación que se están midiendo (Subbaiah, 2013 y referencias citadas en él).

The constant increase in water demands needs more efficient and rational use of this vital resource. Localized irrigation systems have acquired importance in the last decades, the soil wetted volume by the emitters is the most important factor to design them. According to the ESYRCE (2017), it is the irrigation system that has grown the most in Spain in a sustained way in recent years (14.85% between 2007 and 2016). This PhD thesis explores capabilities, benefits and limitations of the geophysical prospecting method called Electrical Tomography or "electrical imaging" in a specific field of application to agriculture: estimation of the dimensions, shapes and other features of wetted soil volume by micro irrigation. The goal of the research is to analyze the possibilities for this methodology both to know the energy status of soil water and to accurately locate the position of a wetting front with time. In order to achieve these aims, numerical simulation techniques were used, laboratory tests were carried out on a reduced scale and on soil samples of various textural types, as well as realscale field tests. In this work, the importance of the use of theoretical models is clear, not only in evaluation of the studies, but also to develop strategies that allow us to correct the adverse effects. In this PhD thesis some of them are evaluated, and we proposed methodologies to suppress them. The conclusions of the study reveal that it is possible to accurately locate the position of the wet front and obtain a quantitative interpretation of it. However, it has not been possible to demonstrate convincingly that the variation of the resistivity with humidity allows to determine the energetic status of the water in the soil, which if achieved would open interesting opportunities to the application of the method in agriculture, providing information about the water available for the plants in a two-dimensional section of the wetted area as a function of time and extend it to the quantification of the water absorption process by the plants. The possibilities offered by the electrical resistivity imaging are very broad, leaving open an extensive field of application: as a complementary technique in precision agriculture, where electrical conductivity is used mainly to determine surface soil moisture variability and edaphic factors; in applications related to the characterization of the subsoil, its humidity and desiccation patterns, and the water absorption by the plants (structure, texture, predominant Flow directions, evapotranspiration, etc.); or spreading through to the wet area the information provided by the humidity sensors, where, among other drawbacks, the instrumentation installation itself may affect the humidification patterns that are being measured (Subbaiah, 2013, and references therein).