Scheda programma d'esame
IDRAULICA E IDROLOGIA AGRARIA
GIOVANNI RALLO
Anno accademico2021/22
CdSSCIENZE AGRARIE
Codice438GG
CFU6
PeriodoPrimo semestre

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
IDRAULICA E IDROLOGIA AGRARIAAGR/08LEZIONI64
GIOVANNI RALLO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze
  • Strumenti e metodologie di calcolo necessari per lo studio dei processi di trasporto di massa e di energia all'interno della catena idraulica-idrologica aziendale, che si estende dalla fonte di approvvigionamento idrico fino al sistema fogliare della coltura.
  • Efficienza idrica/energetica annidata nei diversi anelli che compongono la catena idraulica-idrologica.
  • Strumenti e metodologie per la progettazione e la gestione degli impianti di approvvigionamento ed irrigui aziendali, nonché sensoristica per il monitoraggio dello stato idrico del sistema suolo-pianta.
Knowledge
  • Provide computational methods to study water transport processes within the farm hydraulic-hydrologic chain. The latter comprehends from the water supply source to the crop leaves system.
  • Ability to compute the Nested water/energy use efficiency.
  • Knowledge concerning the tools and methodologies for the design and management of the farm irrigation plan, as well as the most innovative soil-plant water status monitoring systems.
Modalità di verifica delle conoscenze

Per l'accertamento delle conoscenze saranno svolte delle verifiche scritte sui principali argomenti dell’insegnamento. L’argomento riguarderà l’idrostatica e l’idrodinamica dei fluidi reali che muovono all’interno degli impianti irrigui in pressione.

Assessment criteria of knowledge

Ongoing written tests will be carried out to assess the knowledge acquired by the students. Besides, there will be meetings between the lecturer and the students through lessons, which will evaluate the gained information. The written test will cover hydrostatic and fluid dynamics in the pressurized irrigation plan.

Capacità
  • Capacità di calcolo analitico nella progettazione degli impianti irrigui in pressione e nella stesura di bilanci agro-idrologici per la quantificazione dei consumi idrici della coltura e la gestione degli adacquamenti alla scala aziendale.
  • Ricerca e analisi di dati meteorologici, climatologici, colturali e pedologici contenuti nei database nazionali e internazionali.
  • Capacità di analisi del sistema idraulico rivolta alla valutazione dell’efficienza idrica/energetica dei diversi anelli che lo compongono (audit dell’irrigazione).
  • Senso critico nella scelta di strumentazioni sia idrauliche sia idrologiche e consapevolezza sull’importanza che rivestono i protocolli di istallazione e calibrazione.
  • Impostare disegni tecnici in CAD e redigere relazioni tecniche sulle attività progettuali che si svolgeranno in aula durante le prove scritte.
Skills
  • Analytical computing capabilities on pressurized irrigation system design and agro-hydrological water balances application to predict the crop water requirements and irrigation timing.
  • Search and analysis of the meteorological, climatological, crop, and pedological data sources available from the national and international databases.
  • Capabilities for the water/energy use efficiency assessment of the water chain (i.e. irrigation audit);
  • Obtain a critical point of view in the choice of hydraulic and hydrological instruments. The student will be aware of the importance of the installation and calibration protocols.
  • Set up CAD drawings and technical reports over project activities that will take place during lessons and written tests.
Modalità di verifica delle capacità

Durante le esercitazioni in aula sarà richiesto l’uso del computer e saranno svolti progetti idraulici attraverso l’implementazione di fogli di calcolo Excel e disegno in CAD.

Lo studente dovrà preparare e presentare fogli di calcolo che implementino la progettazione e/o la verifica di impianti idraulici per l’approvvigionamento e l’irrigazione aziendale.

Saranno svolte attività pratiche per la ricerca dati agro-ambientali (risorse idriche del territorio, dati agro-climatologici, colturali e pedologici) attraverso l'utilizzo di noti database.

Assessment criteria of skills

During classroom exercises, hydraulic projects will be developed using Excel spreadsheets and CAD drawing.

Students will prepare and submit spreadsheets in which the computation to design/validate the farm irrigation and water harvesting plans are implemented.

Practical activities will be addressed to research agro-environmental data (i.e. water resources, agro-climatological, crop, and pedological data) through the use of known databases.

Comportamenti
  • Sensibilità alle problematiche ambientali e all’uso sostenibile delle risorse idriche ed energetiche in agricoltura;
  • Accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati tecnici;
  • Senso critico sull’attendibilità del dato;
  • Abilità nello scegliere e calibrare la strumentazione e la sensoristica sia idraulica sia idrologica da utilizzare per una gestione esperta ed efficiente dell’irrigazione;
  • Abilità nello sviluppare protocolli di audit dell’irrigazione.
Behaviors
  • Environmental awareness linked to the sustainable use of water and energy resources in agriculture.
  • Accuracy and precision will be gained in collecting and analyzing experimental data.
  • Critical analysis of the data reliability.
  • Ability to choose and calibrate the hydraulic and hydrological instruments and sensors.
  • Ability to develop irrigation audit protocols.
Modalità di verifica dei comportamenti

Durante le esercitazioni saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte dallo studente;

In seguito alle attività seminariali e le esercitazioni saranno richiesti agli studenti delle brevi relazioni concernenti gli argomenti trattati.

Assessment criteria of behaviors

During the ongoing test, the degree of accuracy and precision of the student's activities will be evaluated.

Following the seminar/webinar activities and field exercises, students have to provide a short report about the studied topics.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per seguire il corso in modo proficuo, lo studente dovrebbe possedere abilità/capacità in merito alla statistica e analisi dei dati, meccanica dei fluidi, fondamenti di elettronica, pedologia ed ecofisiologia vegetale.

È obbligatorio avere sostenuto la Matematica e la Fisica.

Prerequisites

Agricultural Hydraulic course requires initial knowledge concerning statistic and data analysis, fluid mechanics, fundamentals of electronics, pedology, and crop ecophysiology.

The student must have already passed the examinations in mathematics and physics.

Indicazioni metodologiche

Lo svolgimento delle lezioni avviene attraverso la somministrazione di lezioni on-line e con ausilio di slide/filmati che saranno disponibili sulla piattaforma Teams di Microsoft.

Le esercitazioni necessitano l’utilizzo di computer personali con installati i software per le analisi dati (Excel, Number, LibreOffice Calc) and CAD (Autocad, SketchUp).

A supporto delle lezioni/esercitazioni si utilizzano risorse web, seminari e strumentazione idraulica/idrologica a scopo didattico.

Dalla piattaforma Teams del corso lo studente può eseguire lo scaricamento dei materiali didattici e divulgativi e comunicare con il docente. Allo stesso tempo, il docente pubblica i test per esercitazioni a casa e coordina/segue gli studenti.

Il docente è disponibile per ricevimento e usa la chat Teams come strumento principale di comunicazione docente-studente.

Alcuni argomenti richiedono l’ausilio di terminologia internazionale in lingua anglosassone e/o statunitense.

Teaching methods

The lessons are conducted through the administration of online lessons and with the help of slides/videos that will be available on the Microsoft Teams platform.

The exercises require the use of personal computers with the software installed for data analysis (Excel, Number, LibreOffice Calc) and CAD (Autocad, SketchUp).

Web resources, seminars and hydraulic/hydrological instrumentation are used to support the lessons/exercises.

From the Teams platform, the student can download the didactic materials and communicate with the lecturer. At the same time, the lecturer posts tests for home exercises and coordinates/follows up with students.

The lecturer is available for meeting and uses the Teams chat as the main tool for lecturer -student communication.

Some topics require the use of international terminology in Anglo-Saxon and/or U.S. languages.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

IDRAULICA AGRARIA

Introduzione al corso. Obiettivi e articolazione del corso.

Richiami di fisica. Sistemi di unità di misura. Richiami di cinematica, statica e dinamica dei fluidi. Energia e lavoro. Potenza. Sforzi nei sistemi materiali continui.

Proprietà fisiche dei fluidi. Peso specifico, densità, viscosità. Tensione superficiale. Capillarità.

Idrostatica. Pressione in un liquido in quiete. Equazione indefinita e globale dell’idrostatica. Pressione assoluta e relativa. Spinte su parete piane e curve. Formula di Mariotte. Misura e monitoraggio delle pressioni. Esercitazione: i) Determinazione della distribuzione delle pressioni in recipienti a superficie libera e in pressione; ii) Calibrazione di un trasduttore di pressione.

Idrodinamica. Definizione e classificazione delle correnti. Regimi di moto. Portata. Equazione di continuità. Teorema di Bernoulli. Interpretazione geometrica e meccanica del Teorema di Bernoulli. Moto in pressione del liquido perfetto: considerazioni sulle variazioni dell’altezza geometrica, piezometrica e cinetica. Misura e monitoraggio dei flussi e delle portate.

Correnti in pressione.  Leggi di resistenza per correnti di liquido reale in regime laminare e turbolento. Esercitazione: Equazione del moto per le correnti in pressione: problema di verifica e problema di progetto.

Lunghe e corte condotte. Definizione. Problema di verifica e di progetto di una lunga condotta. Condotte con erogazione lungo il percorso. Problema di verifica delle reti di condotte. Esercitazioni: Verifica idraulica di una lunga/corta condotta in pressione e con tratti in depressione.

Macchine Idrauliche. Cenni sulle macchine idrauliche motrici. Macchine operatrici: Pompe e impianti di sollevamento. Potenza della pompa. Esercitazione: Progettazione e Verifica idraulica di un impianto di sollevamento.

Correnti a superficie libera in moto uniforme. 

Foronomia. Luci sotto battente e luci a stramazzo, leggi di efflusso.

Idrometria. Idrometria delle correnti in pressione e idrometria delle correnti a pelo libero: tubo di Pitot, Venturimetro, Mulinello, Stramazzi. Esercitazione: misura delle portate di un corso d’acqua naturale.

Metodi di distribuzione dell’acqua irrigua. Aspersione, Microirrigazione, Macchine per l’irrigazione (pivot, Rainger, rotolone per irrigazione, ecc.) integranti i nuovi sistemi LESA (Low Energy Spray Application) o LEPA (Low Energy Precision Application). Esercitazione: dimensionamento idraulico-idrologico di un impianto irriguo.

Approvvigionamento idrico in agricoltura. Fonti di approvvigionamento idrico. Metodi di utilizzo delle acque superficiali e sotterranei. Dimensionamento dei serbatoi artificiali.

IDROLOGIA AGRARIA

Ciclo dell’acqua e bilancio. Raccolta dei dati idrologici. Altezze e intensità di pioggia. Piogge di massima intensità e breve durata. Pluviometri e pluviografi. Intercettazione e Deflussi superficiali. Esercitazione: Ricerca, controllo qualità e implementazione banca dati agro-meteorologici. Determinazione dell’idrogramma delle portate.

Idrostatica dell’acqua nel suolo. Rapporti acqua-terreno: Caratteristiche fisico-meccaniche del terreno e relative determinazioni (contenuto idrico gravimetrico e volumetrico, porosità fisica ed efficace, massa volumica apparente). Potenziale idrico e sue componenti. Curva di ritenzione dell’acqua del terreno in condizione di umettamento ed essiccamento. (Processo di isteresi). Acqua disponibile per le piante. Pedofunzioni di trasferimento (PTF). Metodi di misura dello stato idrico del terreno. Esercitazione: Applicazione di PTF. Determinazione diretta e indiretta della curva di ritenzione idrica del suolo.

Idrodinamica dell’acqua nel suolo. Principi del moto dell’acqua nei mezzi porosi saturi ed insaturi. Legge di Darcy. Moto dell’acqua nei mezzi porosi insaturi. Processi di infiltrazione e di ridistribuzione dell’acqua nel terreno. Moti di filtrazione. Falde freatiche e falde artesiane. Pozzi. Curva caratteristica dei pozzi. Metodi di campo e di laboratorio per la determinazione della conducibilità idrica satura e insatura. Esercitazione: Simulazione del processo di formazione di bulbi umidi in diversi terreni durante l'irrigazione a goccia.

Modellistica agro-idrologica. Sistemi naturali, agrari e funzioni di stato. Introduzione ai modelli. Modelli di massa e /o energetici fisicamente basati ed empirici per la stima flussi evapotraspirativi. Funzione di risposta della coltura al deficit idrico del suolo. Concetti di evapotraspirazione massima ed effettiva ed effetti sullo stato idrico della coltura. Coefficienti colturali. Misura dell’evapotraspirazione effettiva tramite tecniche micrometeorologiche, atmometri e lisimetri. Modelli matematici ed empirici per la stima dello stato idrico del suolo e della pianta: SWAP (Alterra), FAO-56 model e AQUACROP.

Sensoristica agro-idrologica. Cenni di elettronica e elettromagnetismo. Cenni sull’analisi ed elaborazione dei segnali elettrici. Mezzi porosi naturali, artificiali e misti. Sensori per la misura dello stato idrico del suolo e della pianta. Le tecniche della Riflettometria nel Dominio del Tempo (TDR) e della Frequenza (FDR) per la misura del contenuto idrico del suolo. Le tecniche a base termica per la misura dei flussi idrici xilematici. Calibrazione sito specifica dei sensori. Spettroscopia da campo. Sistema per la raccolta, organizzazione, analisi e comparazione dei dati. Procedure di scaling dell’informazione, dalla foglia al campo.

Efficienza idrica ed energetica dei sistemi idraulici. Definizione di EUE e WUE. Nesso efficienza uso acqua-energia. WUE nested approach. Gestione esperta degli adacquamenti e degli impianti irrigui. Irrigation Audit. Il paradosso di Jevons ed efficienza irrigua. Effetto rimbalzo.

Syllabus

AGRICULTURAL HYDRAULICS

Introduction to the course. Course objectives and articulation.

Recalls of physics. Unit systems. Recalls of kinematics, statics and dynamics of fluids. Energy and work. Power. Forces in continuum material systems.

Physical properties of fluids. Real and ideal fluids. Specific gravity, density, viscosity. Surface tension. Capillarity.

Hydrostatics. Hydrostatic forces on horizontal, vertical and curved surface. Indefinite and global equations. Formula of Mariotte. Total pressure, resultant pressure, and centre of pressure. Measurement and monitoring of pressures: atmospheric pressure, gauge pressure, vacuum pressure and absolute pressure. Piezometers, simple manometer, differential manometer and mechanical gauges. Exercise: i) Determination of pressure distribution in free-surface and pressurized tank; ii) Computation of total pressure and centre of pressure; iii) pressure transducer calibration.

Hydrodynamics. Flow types. Flow velocity. Equation of continuity. Bernoulli's equation. Measurement and monitoring of flows in open channel and pressurized pipes.

Flow under pressure. Resistance law of laminar and turbulent flow. Exercise: hydrodynamic in pressurised flow: designing and testing.

Long and short pipelines. Definition. Testing and designing. Pipelines with delivery along the path. Exercises: Hydraulic testing and designing of a long/short pipeline under positive and negative pressions.

Hydraulic Machines. Hydraulic Motive-Power Engines. Operating machines: Pumps and pumping systems. Pump Power. Exercise: Designing and testing of a pumping system.

Water flow in channel.

Orifice and Weirs. Description. Flow over weirs. Free jet flow. Coefficient of contraction.

Hydrometry. Hydrometry of pressurized flow: Pitot tube, Venturi Tube, Velocimeter, Weirs. Exercise: Flow velocity measurement of a natural water stream.

Methods of irrigation water distribution. Sprinkler, Micro-irrigation, Irrigation machines (Rainger and Pivot, irrigation rollers) integrating the new LESA (Low Energy Spray Application) or LEPA (Low Energy Precision Application) systems. Exercise: hydraulic-hydrological designing of an irrigation system.

Water supply in agriculture. Sources of water supply. Methods of surface and underground water use. Designing of farm lake and small earth dams.

AGRICULTURAL HYDROLOGY

Water cycle and balance. Hydrological data collection. Precipitation and meteoric inflows. Cloud, formation of precipitation, rise of the air mass, temporal and spatial distribution of precipitation, method of measuring the precipitation amount and effective precipitation depth in a watershed. Interception and Runoff. Exercise: Research, quality control and implementation of agro-meteorological dataset. Determination of flow ideographs.

Hydrostatics of water in soils. Soil-water relationships: physical-mechanical characteristics of the soil and relative variables (gravimetric and volumetric water content, physical and effective porosity, bulk density). Water potential and its components. Soil water retention curve under wetting and drying conditions. (Hysteresis process). Crop water available. PedoTransferFunction (PTF). Field and laboratory methods for measuring soil water status. Exercise: Application of PTF. Direct and indirect determination of the soil water retention curve.

Hydrodynamics of water in soil. Principles of fluid dynamics in porous media. Darcy's law. Groundwater and artesian tables. Wells and characteristic curve. Field and laboratory methods for the determination of saturated and unsaturated water conductivity. Exercise: Estimation of 3D wet bulb formation in various soil during drip irrigation.

Agro-hydrological Modeling. Natural and agricultural systems. Sate functions. Physically based and empirical mass and/or energy models for estimating evapotranspiration fluxes. Crop coefficients. Measurement of effective evapotranspiration using micrometeorological techniques, atmometers and lysimeters. Mathematical and empirical models for the estimation of soil and plant water status: SWAP (Alterra), FAO-56 model and AQUACROP.

Agro-hydrological Sensing. Notes on electronics and electromagnetism. Notes on signal analysis and processing. Natural, artificial and mixed porous media. Sensors for the measurement of soil and plant water status. Time Domain Reflectometry (TDR) and Frequency Domain Reflectometry (FDR) techniques for measuring soil water content. Thermal-based techniques for measuring xylem water fluxes. Site-specific calibration of sensors. Field spectroscopy. System for data collection, organization, analysis, and comparison. Scaling from organs to canopy to agrosystems

Water and energy efficiency: Definition of EUE and WUE. Water use-energy efficiency nexus. WUE nested approach. Expert management of watering and irrigation systems. Irrigation Audit. Jevons’ Paradox and Efficient Irrigation Technology. Rebound effect.

Bibliografia e materiale didattico
  • Dispensa di Idraulica ed AgroIdrologia redatta dal docente.
  • Mossa M., Antonio F. Petrillo 2013. Idraulica. Editore: CEA. ISBN: 8808180727.
  • Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Giuseppe Cozzo, Cinzia Santoro. 2014. MECCANICA DEI FLUIDI 4/ED CON CONNECT 3ed. ISBN 978883866884-5.
  • Luigi Cavazza. 2006. Terreno agrario. Il comportamento fisico. Editore: REDA.
  • Freddie R. Lamm, James E. Ayars, Francis S. Nakayama. 2002. Microirrigation for Crop Production Design, Operation, and Management. ELSEVIER. ISBN: 978-0-444-50607-8.
  • Pumo D. 2009. L’Approvvigionamento idrico in Agricoltura. Editore: ARACNE editrice s.r.l. ISBN 978–88–548–1708–1.

per approfondimenti:

  • Wilfried Brutsaert. 2006. Hydrology: An Introduction. Cambridge University Press. ISBN-10: 0521824796. ISBN-13: 978-0521824798.
  • Waller Peter, Yitayew Muluneh. 2015. Irrigation and Drainage Engineering. SPRINGER. ISBN: 978-3-319-05698-2.
  • Francesco Uzzani. 2012. Laghetti collinari e dighe. Guida pratica per la progettazione, l'esercizio e la manutenzione. Dario Flaccovio Editore. ISBN 9788857902609.
  • Peart R. M. and W. David Shoup. 1998. Agricultural Systems Modeling and Simulation. CRC Press. ISBN-13: 978-0824700416.
  • Boyer, J. S. 1995. Measuring the water status of plants and soils. Academic Press. ISBN-13: 978-0121222604.
Bibliography
  • Lecture notes “Idraulica ed AgroIdrologia” provided by professor.
  • Mossa M., Antonio F. Petrillo 2013. Idraulica. Editore: CEA. ISBN: 8808180727.
  • Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Giuseppe Cozzo, Cinzia Santoro. 2014. MECCANICA DEI FLUIDI 4/ED CON CONNECT 3ed. ISBN 978883866884-5.
  • Luigi Cavazza. 2006. Terreno agrario. Il comportamento fisico. Editore: REDA.
  • Freddie R. Lamm, James E. Ayars, Francis S. Nakayama. 2002. Microirrigation for Crop Production Design, Operation, and Management. ELSEVIER. ISBN: 978-0-444-50607-8.
  • Pumo D. 2009. L’Approvvigionamento idrico in Agricoltura. Editore: ARACNE editrice s.r.l. ISBN 978–88–548–1708–1.

to deepen

  • Wilfried Brutsaert. 2006. Hydrology: An Introduction. Cambridge University Press. ISBN-10: 0521824796. ISBN-13: 978-0521824798.
  • Waller Peter, Yitayew Muluneh. 2015. Irrigation and Drainage Engineering. SPRINGER. ISBN: 978-3-319-05698-2.
  • Francesco Uzzani. 2012. Laghetti collinari e dighe. Guida pratica per la progettazione, l'esercizio e la manutenzione. Dario Flaccovio Editore. ISBN 9788857902609.
  • Peart R. M. and W. David Shoup. 1998. Agricultural Systems Modeling and Simulation. CRC Press. ISBN-13: 978-0824700416.
  • Boyer, J. S. 1995. Measuring the water status of plants and soils. Academic Press. ISBN-13: 978-0121222604.
Indicazioni per non frequentanti

Gli studenti non frequentanti possono seguire lo svolgimento dell’insegnamento utilizzando il materiale didattico multimediale messo a disposizione dal docente sulla piattaforma Teams del CdS e seguendo il registro delle lezioni del docente. 

Non-attending students info

Not-attending students can follow the lessons using the teaching material provided Teams by the lecturer before the beginning of the lectures and consulting the lesson log.

Modalità d'esame

L'esame include una prova orale. La prova orale è superata quando il candidato è in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta, dimostrare di avere compreso l’idraulica dei fluidi reali all’interno di sistemi irrigui in pressione, gli scambi idrici all’interno del sistema continuo suolo-pianta-atmosfera, la gestione esperta dell’irrigazione e il concetto di efficienza idrica-energetica secondo l’approccio annidato.

Assessment methods

The oral examination is passed when the candidate speaks clearly and uses correct hydraulic and hydrology terminology when he/she understands the fluid-dynamic in pressured irrigation plan and can schematize the water exchanges within the soil-plant-atmosphere system (SPAC). Moreover, the student should be able to interconnect the hydraulic of the irrigation plan with the hydrology of the SPAC system, as well as to understand the concept of water-energy use efficiency according to the nested approach.

Altri riferimenti web

Laboratorio di sensoristica e modellistica agroidrologica (AgrHySMo Lab.)

  • www.agrhysmo.agr.unipi.it

WEBPAGE DEL DOCENTE

Scientific database ID

  • SCOPUS: 35722806100
  • ORCID: orcid.org/0000-0002-8405-8618
  • PUBLONS: publons.com/a/587042/
Additional web pages

AgroHydrological Sensing and Modeling Laboratory (AgrHySMo Lab.)

  • agrhysmo.agr.unipi.it

UNIPIMAP

  • http://unimap.unipi.it/cercapersone/dettaglio.php?ri=109586

Scientific database ID

  • SCOPUS: 35722806100
  • ORCID: orcid.org/0000-0002-8405-8618
  • PUBLONS: publons.com/a/587042/
Ultimo aggiornamento 23/09/2021 20:28