Characterization of capacitance soil moisture sensors for the automated scheduling of drip irrigation in orchards

Abstract

La sostenibilitat econòmica i ambiental de l’agricultura en regadiu requereix la millora dels sistemes de reg. L’optimització del reg en una parcel·la requereix proporcionar la dosi adequada d’aigua al moment adequat per a satisfer les necessitats del cultiu, que varien espacialment i amb el pas del temps. Un dels factors més importants a considerar és la humitat del sòl, que es pot mesurar de moltes maneres. Els sensors que es basen en la capacitància són dispositius interessants per a controlar i programar el reg. Aquests sensors són populars perquè proporcionen mesures contínues del contingut d’aigua del sòl, són robustos, de baix cost i requereixen poc manteniment. Tot i que les mesures d’aquests sensors tenen bona exactitud al laboratori, quan s’instal·len en plantacions amb reg per degoteig mostren grans diferències entre sensors. Això dificulta fer valoracions i prendre decisions. Per tant, és interessant conèixer i comprendre quines són les incerteses pràctiques d’aquestes mesures respecte a la variabilitat real del contingut d’aigua del sòl en una plantació regada per degoteig. El coneixement dels factors implicats permetrà optimitzar l’ús d’aquests sensors, quant a aspectes com el seu nombre i ubicació en el sòl, així com la seva interpretació i integració en el flux de treball de la programació automatitzada del reg. La tesi s’estructura en quatre capítols. Els resultats mostren que les diferències entre els sensors individuals en condicions de laboratori són insignificants i que un calibratge específic considerant el sòl local millora la precisió de les mesures. Independentment dels sensors, la dinàmica 3D de l’aigua del sòl en aquest tipus d’escenari es pot simular adequadament en tres dimensions mitjançant el model HYDRUS-3D, utilitzant paràmetres hidràulics determinats pel mètode HYPROP + WP4 i específics per al sòl de cada parcel·la. Tanmateix, la dinàmica de l'aigua del sòl prevista per HYDRUS-3D només pot explicar una fracció de les diferències observades entre sensors. La variació addicional es podria explicar pels patrons més arbitraris i de grans contrastos que es donen en la superfície de sòl mullat pels emissors. Malgrat aquestes limitacions pràctiques, l’ús de sensors que es basen en la capacitància per a la programació automatitzada del reg per degoteig es demostra factible, sempre que es segueixin els enfocaments adequats quant a la ubicació dels sensors, la seva interpretació i el mètode de programació del reg.

La sostenibilidad económica y ambiental de la agricultura de regadío requiere la mejora de los sistemas de riego. La optimización del riego en una parcela debe proporcionar la dosis adecuada de agua en el momento adecuado para satisfacer las necesidades del cultivo, que varían espacialmente y con el paso del tiempo. Uno de los factores más importantes a considerar es la humedad del suelo, que se puede medir de diversas maneras. Los sensores de capacitancia son dispositivos interesantes para controlar y programar el riego. Estos sensores son populares porque proporcionan mediciones continuas del contenido de agua del suelo, son robustos, de bajo coste y requieren poco mantenimiento. Aunque las mediciones efectuadas por estos sensores tienen buena exactitud en el laboratorio, cuando se instalan en plantaciones con riego por goteo muestran grandes diferencias entre sensores. Esto dificulta establecer consignas y tomar decisiones. Por lo tanto, es interesante conocer y comprender cuáles son las incertidumbres prácticas de estas mediciones respecto a la variabilidad real del contenido de agua del suelo en una plantación regada por goteo. El conocimiento de los factores implicados permitirá optimizar el uso de estos sensores, en cuanto a aspectos como su número y ubicación en el suelo, así como su interpretación e integración en el flujo de trabajo de la programación automatizada del riego. La tesis se estructura en cuatro capítulos. Los resultados muestran que las diferencias entre los sensores individuales en condiciones de laboratorio son insignificantes y que un calibrado específico con el suelo local mejora la precisión de las mediciones. Independientemente de los sensores, la dinámica del agua del suelo en este tipo de escenario se puede simular adecuadamente en tres dimensiones mediante el modelo HYDRUS-3D, utilizando parámetros hidráulicos determinados por el método HYPROP + WP4 y específicos para el suelo de cada parcela. Sin embargo, la dinámica del agua del suelo prevista por HYDRUS-3D sólo puede explicar una fracción de las diferencias observadas entre sensores. La variación adicional se podría explicar por los patrones más arbitrarios y de grandes contrastes que se dan en la superficie de suelo mojado por los goteros. A pesar de estas limitaciones prácticas, el uso de sensores de capacitancia para la programación automatizada del riego por goteo se demuestra factible, siempre que se sigan los enfoques adecuados en cuanto a su instalación, interpretación y método de programación del riego.

The economic and environmental sustainability of irrigation agriculture requires the improvement of irrigation systems. The optimization of irrigation on a plot of land requires providing the right dose of water at the right time to meet the water needs of the crop, which vary spatially and over time. One of the most important factors to consider is soil moisture, which can be measured in many ways. Capacitance soil moisture sensors are interesting devices for monitoring and scheduling irrigation. These sensors are popular because they provide continuous measurements of soil water content, are robust, low cost and require little maintenance. Although the measurements by these sensors are accurate in the laboratory, when they are installed in drip-irrigated orchards they show large sensor-to-sensor differences. This makes it difficult to establish guidelines and make decisions. Therefore, it is interesting to know and understand which are the practical uncertainties of such measurements with regard to the actual variability of soil water content in a drip-irrigated orchard. Knowledge of the factors involved will allow to optimize their use, regarding aspects such as the number and location of the sensors as well as their interpretation and integration in the workflow of automated irrigation scheduling. The thesis is structured in four chapters. The results show that the differences between individual sensors in laboratory conditions are negligible and that a site-specific calibration considering the local soil improves the accuracy of the measurements. Independently of the sensors, the 3D dynamics of soil water in a drip irrigated orchard can be simulated adequately by HYDRUS-3D model, using site-specific soil hydraulic parameters determined by the method of HYPROP + WP4. However, the soil water dynamics predicted by HYDRUS-3D can only explain a fraction of the observed sensor-to-sensor differences. Additional variations can be explained by the more arbitrary and sharply defined patterns of soil surface wetted by the drippers. Despite these practical limitations, the use of capacitance sensors for automated irrigation scheduling in orchards is proven feasible, provided that the adequate approaches are followed regarding sensor location, interpretation and irrigation scheduling method.