Calibration of soil moisture sensing with subsurface heated fiber optics using numerical simulation

Abstract

The heat pulse probe method can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses measured by Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil‐specific calibration relationship. However, most reported applications have been calibrated to homogeneous soils in a laboratory, while inexpensive efficient in situ calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. Here we employed the Hydrus 2‐D/3‐D code to define a soil‐specific calibration curve. We define a 2‐D geometry of the fiber optic cable and the surrounding soil media, and simulate heat pulses to capture the soil thermal response at different soil water contents. The model was validated in an irrigated field using DTS data from two locations along the FO deployment in which reference moisture sensors were installed. Results indicate that θ was measured with the model‐based calibration with accuracy better than 0.022 m3 m−3.

Development and Application of the Heat Pulse Method for Soil Physical Measurements

“…In the last few years, the AHFO‐DTS system has been used for in situ or laboratory measurements of soil thermal properties and water content θ v (Benítez‐Buelga et al, ; Ciocca et al, ; Sayde et al, ; Striegl & Loheide, ). A DTS system consisting of a fiber‐optic cable (up to 10s of kilometers) and readout equipment likes a series of temperature sensors along the fiber‐optic cable.…”

Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

“…Recientemente, los métodos distribuidos de temperatura utilizando cables de fibra óptica (FO-DTS, por sus siglas en inglés), han sido empleados para determinar posibles fugas de agua en presas de materiales sueltos así como flujos de agua y contenidos de humedad volumétricos (θ) en el subsuelo (Weiss, 2003;Aufleger et al, 2005;Perzmaier et al, 2006;Steele-Dunne et al, 2010;Sayde et al, 2010Sayde et al, , 2014Ciocca et al, 2012;Striegl y Loheide, 2012;Gil-Rodríguez et al, 2013;Cao et al, 2015;Benítez-Buelga et al, 2016;Dong et al, 2016). Estos métodos utilizan la reflexión de luz al interior de un cable de fibra óptica para determinar la temperatura a lo largo del cable.…”

“…Gil-Rodríguez et al (2013) utilizaron este método para investigar en el laboratorio los patrones de humectación de un suelo sometido a riego por goteo, mientras que Sayde et al (2014) lo emplearon en condiciones de campo a escalas de 1-1000 m, donde mapearon el θ y los flujos inducidos por la aplicación no uniforme de agua en la superficie del suelo. Por otro lado, Benítez-Buelga et al (2016) desarrollaron una metodología para calibrar el θ en suelos heterogéneos usando simulaciones numéricas. En estos estudios, los pulsos de calor fueron aplicados con diferencias de voltaje que variaron entre 10 y 20 W/m.…”

“…A pesar de que existen estudios que han investigado el método activo para determinar θ (Sayde et al, 2010(Sayde et al, , 2014Ciocca et al, 2012;Striegl y Loheide, 2012;Gil-Rodríguez et al, 2013;Benítez-Buelga et al, 2016), no existen trabajos que presenten una evaluación sistemática de la exactitud y precisión de esta metodología, y que incorporen una base física en las ecuaciones empíricas. Por lo tanto, esta investigación busca complementar las investigaciones anteriores mediante un análisis de sensibilidad del método activo y proponer una expresión para relacionar el aumento de temperatura en el suelo con el θ que incorpore restricciones dadas por las propiedades hidrodinámicas del suelo.…”

Potencial Del Cable De Fibra Óptica Y De La Técnica DTS en El Riego De Jardines

“…Como en el resto de sensores para mejorarla, debe existir buen contacto entre el cable y suelo circundante y, además, la instalación debe de calibrarse de forma correcta. Actualmente algunas unidades DTS estiman  con una resolución espacial de 12,5 cm y temporal de 1 s (Gil et al, 2012;Benitez-Buelga et al, 2016) y con un error de medida pequeño.…”