Modellistica e dati sperimentali per il bilancio idrico in

Scarsità idrica e siccità
ARPA Rivista N. 6 novembre-dicembre 2008
Modellistica e dati sperimentali
per il bilancio idrico in agricoltura
In agricoltura si utilizza fino alla metà o più di tutta l’acqua prelevata dai bacini idrografici. Razionalizzare
l’utilizzo delle risorse idriche in questo settore è quindi di grande importanza. Gli interventi di ottimizzazione e
risparmio possono essere pianificati avvalendosi di metodologie modellistiche e sperimentali che migliorano la
precisione del bilancio idrico del suolo.
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La gestione delle risorse idriche
riveste una delle tematiche più
significative nella pianificazione
delle risorse territoriali, specialmente se si considera la competizione tra i settori della produzione quali il primario (agricoltura) e il secondario (industria),
che concorrono all’utilizzo delle
risorse idriche. Ad esempio, per il
bacino del Po (dati dell’Autorità
di bacino del Po), di tutta l’acqua
prelevata, il 16% è destinato a usi
civili (acquedotti, ricreazione), il
46% all’agricoltura (irrigazione), il
20% all’industria (raffreddamento
e processi) e il 18% all’energia
(idroelettrico).
Considerando che l’agricoltura
utilizza fino alla metà o più di
tutta l’acqua prelevata dai bacini
idrografici, la razionalizzazione
dell’utilizzo delle risorse idriche
in questo settore è di grande
importanza. Sono numerose le
possibili aree d’intervento:
- il miglioramento della qualità
della rete distributiva
- l’ottimizzazione delle tecniche
irrigue, che comprende la scelta
dei sistemi irrigui più adatti, l’utilizzo di pianificazioni dell’utilizzo
della risorsa e della tempistica
d’irrigazione
- la selezione di sistemi colturali
comprendenti l’aridocoltura
- il recupero e il riutilizzo delle
acque irrigue.
Questi interventi possono avvalersi di metodologie (sia modellistiche, sia sperimentali), atte a
migliorare la quantificazione dei
termini del bilancio idrico, e
quindi pianificare gli interventi
sui diversi elementi del bilancio
stesso.
IL BILANCIO IDRICO
Il bilancio idrico descrive la variazione del contenuto idrico del
suolo in un determinato intervallo di tempo, mettendo a con-
fronto fra loro i termini positivi
(vale a dire di ricarica d’acqua
nello strato di suolo) quali precipitazione, irrigazione e risalita
capillare, con i termini negativi,
ovvero di perdita d'acqua, e in
pratica l’evaporazione del suolo,
la traspirazione della pianta, il
drenaggio profondo, il ruscellamento superficiale e il flusso laterale sottosuperficiale.
Spesso i termini di evaporazione
dal suolo e traspirazione delle colture sono accorpati in un unico
termine chiamato evapotraspirazione (ET). Il flusso laterale sottosuperficiale è significativo in terreni in pendio. La tabella 1 mostra
un esempio di bilancio idrico su
terreno coltivato a mais in monosuccessione nella zona di Ozzano
Emilia, in terreno pedecollinare,
per un periodo di sette anni. L’esempio mostra che la coltura utilizza il 54.3% dell’apporto di precipitazione e irrigazione. Il termine di flusso laterale sottosuperficiale determina una perdita del
20% della ricarica totale,
anch’esso quindi non trascurabile, dovuto alla pendenza del
suolo e alla presenza di strati
semimpermeabili sottosuperficiali che limitano il drenaggio
profondo.
Questo esempio evidenzia la
necessità di avvalersi di strumenti
che permettano di quantificare i
vari termini, per pianificare interventi di risparmio idrico. Se, ad
esempio, gli apporti di precipitazione diminuiscono, su quali termini del bilancio possiamo intervenire per assicurare alle colture
una condizione idrica “ottimale”
e quindi determinare produzioni
areali che siano economicamente
soddisfacenti per l’imprenditore
agricolo? Oppure, come possiamo quantificare il contenuto
idrico del suolo nei vari periodi
dell’anno per utilizzare l’acqua di
irrigazione strettamente necessa-
ria? Possiamo calcolare, per le
diverse specie agrarie, i diversi
livelli di traspirazione e domanda
idrica, per poter quindi scegliere
le colture più adatte a una determinata zona? Uno dei vantaggi
dei modelli di simulazione è di
poter rispondere (pur con un
certo margine di errore) a queste
e ad altre domande. In particolare, i modelli permettono di fare
simulazioni di scenari alternativi
(ad esempio diversi sistemi colturali), che non devono necessariamente essere realizzati, per poter
essere valutati. È come se
costruissimo diversi modelli
architettonici di progetti alternativi per una stazione ferroviaria,
con il vantaggio di non doverli
realizzare tutti per poterne valutare, ad esempio, l’impatto estetico o i consumi elettrici.
MODELLI DI SIMULAZIONE
DEL BILANCIO IDRICO
Nel corso degli ultimi decenni
sono stati sviluppati numerosi
modelli di bilancio idrico per svariate applicazioni, nei settori dell’ingegneria civile, dell’idrologia,
dell’agronomia, delle scienze
ambientali. I modelli di simulazione utilizzano dei programmi
implementati al computer per
simulare i vari processi coinvolti.
Nonostante la realtà sia di gran
lunga più complessa rispetto alla
capacità dei modelli di rappresentarla, e quindi i modelli sono sempre un’approssimazione dei
sistemi reali, negli ultimi anni si
sono ottenuti risultati incoraggianti. In generale, i modelli
richiedono delle informazioni
relative a:
- meteorologia (precipitazione,
temperatura, umidità relativa,
velocità del vento, radiazione)
- caratteristiche pedologiche, ma
soprattutto
fisico-chimiche
(quindi quantitative) del suolo
- distribuzione territoriale delle
colture agrarie, quali rotazioni e
successioni
- caratteristiche biologiche delle
colture che comprendono la fenologia, la nutrizione minerale, la
domanda idrica, la sensibilità alle
infestanti e alle specie crittogame, e la sensibilità a fattori
abiotici quali siccità e gelate
Tab. 1 - Bilancio idrico su un terreno coltivato a mais
in monosuccessione, Ozzano Emilia
Anno
P+I
[mm]
R
[mm]
E
[mm]
T
[mm]
CI*
[mm]
FLs
[mm]
Dp
[mm]
1999
800
8
210
396
398
191
14
2000
643
0
122
502
340
108
10
2001
545
6
145
371
331
115
10
2002
1009
16
154
464
353
114
12
2003
519
24
133
336
358
140
12
2004
937
27
169
436
380
198
14
2005
901
137
127
399
400
217
15
Media
765
31
151
415
366
155
12
* Il contenuto idrico è calcolato per uno strato di suolo di 2 metri di profondità. Da Pieri et al. (2007).
I dati sono ottenuti da misure in campo – precipitazione (P), irrigazione (I), contenuto idrico
(CI) e ruscellamento (R) – e da simulazioni al computer: evaporazione (E), traspirazione (T),
flusso laterale sottosuperficiale (FLs) e percolazione profonda (Dp)
ARPA Rivista N. 6 novembre-dicembre 2008
Fig. 1 - Esempio di modello utilizzato a scala regionale in Emilia-Romagna. Acqua disponibile (U-PA),
conduzione colturale: prato di graminacee 26/10/2008
- informazioni sulla gestione delle
pratiche colturali quali epoche di
semina, quantità ed epoca di concimazioni e irrigazioni, applicazioni fitosanitarie, lavorazioni e
raccolta.
Come possono essere utilizzati i
modelli, per ottimizzare l’utilizzo
delle risorse idriche e quindi limitare la siccità? Naturalmente le
applicazioni sono numerose, ma
prendiamo l’esempio dell’utilizzo
idrico delle colture, che è un termine fondamentale del bilancio. I
modelli di simulazione permettono di quantificare l’acqua necessaria alla coltura e il periodo di
maggior utilizzo, proprio perché
riescono a simulare la crescita in
base all’andamento meteorologico
(in gran parte sulla base della temperatura). I volumi e i turni irrigui
possono quindi essere pianificati
in base a queste informazioni, evitando lo spreco d’acqua che verrebbe percolata in falda, ruscellata
o evaporata dal suolo. Inoltre, i
modelli possono essere utilizzati
per individuare la tecnica irrigua
più efficiente (ad esempio selezionando tra sistemi ad aspersione o a
goccia), oppure per quantificare
gli effetti di tecniche “a stress
idrico controllato”, nelle quali la
coltura viene tenuta in uno stato di
leggero stress idrico, che permette
un risparmio d’acqua, ma con
riduzioni di produzione non significative per l’economia dell’azienda. Infine, la modellizzazione
è di grande supporto per l’analisi
di sistemi colturali alternativi a
quelli correnti, quali l’aridocoltura.
I modelli, oltre che alla scala dell’azienda agraria, sono anche utilizzati a larga scala (regionale o
Fig. 2 - Evapotraspirazione potenziale cumulata della settimana
dal 20 al 26 ottobre 2008 (mm)
nazionale) per quantificare il
bilancio idrico territoriale: la figura
1 mostra ad esempio la disponibilità d’acqua per una certa pianta
nel suolo regionale, mentre la
figura 2 mostra l’evapotraspirazione
potenziale
cumulata,
durante la settimana del 20-26
ottobre 2008, ottenuta dal modello
Criteria (Marletto, 2006) di
ArpaER. L’informazione di acqua
disponibile può quindi essere di
supporto alla scelta dei volumi irrigui e delle zone irrigue.
METODOLOGIE
E STRUMENTAZIONE
L’affidabilità e il margine di
errore dei dati prodotti dal
modello devono essere verificati
con misure sperimentali in
campo. Negli ultimi decenni si
sono affermati numerosi strumenti che permettono di misurare, ad esempio, il contenuto
idrico del suolo, la percolazione
profonda, oltre alle ben note
variabili
meteorologiche.
I
metodi per misurare il contenuto
idrico del suolo utilizzano proprietà elettromagnetiche dell’ac-
qua che si basano sulla misura del
tempo impiegato da un’onda
elettromagnetica a viaggiare
lungo un’antenna, nel nostro caso
collocata nel terreno. Il tempo di
viaggio dipende dalla lunghezza
della linea, ma soprattutto dalla
“costante dielettrica” del mezzo
che circonda l’antenna. Quest’ultima grandezza fisica varia moltissimo a seconda dello stato di umidità del suolo e quindi con opportuni (e complessi) calcoli la stazione è in grado di risalire al contenuto idrico presente alla profondità in cui è sepolto ogni sensore. Per quanto esistono numerose ditte che producono sistemi
diversi, il principio si basa sulla
misura della stessa variabile, la
“costante dielettrica”. I moderni
sistemi di acquisizione via
modem, radio o satellite, permettono di acquisire queste informazioni da remoto. Come già accennato i risultati possono essere utilizzati per testare i modelli utilizzati, oppure direttamente per pianificare la gestione delle risorse
idriche, con tempi di risposta
brevi e con un alto livello di accuratezza. Ad esempio, se il suolo
scende sotto a un certo valore di
contenuto idrico considerato ottimale per la coltura, il sistema di
misura può mandare un segnale
al sistema irriguo e farlo partire. Il
volume e il turno irriguo può
quindi essere controllato in base
alla risposta del sensore, che
determina quando il suolo è stato
“ricaricato”, e spegne l’impianto
irriguo, limitando l’eccessivo
apporto di acqua che sarebbe
sprecata. In questo modo l’agricoltore può ottimizzare l’uso dell’acqua e la produzione, con vantaggi economici e ambientali.
Marco Bittelli
Dipartimento di Scienze e tecnologie
agroambientali
Università di Bologna
BIBLIOGRAFIA
- Marletto V., 2006. CRITERIA: ecco il modello regionale di bilancio idrico. Agricoltura 34(6): 127-128.
- Pieri L., M. Bittelli, J. Q. Wu, S. Dun, D. C. Flanagan, P. Rossi Pisa, F. Ventura, and F. Salvatorelli. 2007. Using the Water Erosion Prediction Project
(WEPP) Model to Simulate Field-Observed Runoff and Erosion in the Apennines
Mountain Range, Italy. Journal of Hydrology, 336, 84-97.
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