Efficient use of water content in the agri-food sector

L'obiettivo macro che ha ispirato il nostro lavoro era quello di prevedere il contenuto volumetrico di acqua a diverse profondità del suolo. La variabile del contenuto di acqua è necessaria per diversi scopi: comprendere il comportamento idrogeologico del suolo, pianificare l'irrigazione dei campi e, infine, monitorare e prestare attenzione alle aree più soggette a frane superficiali. In letteratura esistono due approcci, uno basato sui dati e l'altro sui processi. Il primo approccio si basa su modelli statistici che, nonostante le loro buone capacità predittive, presentano il grave svantaggio di non essere in grado di fornire una facile interpretazione della relazione tra le variabili coinvolte nell'analisi da un punto di vista fisico-geologico. Il secondo approccio si basa su modelli incentrati sui processi idrologici che utilizzano diverse equazioni fisiche. Il nostro contributo è stato quello di proporre il modello LTS, che appartiene alla statistica robusta e quindi non è influenzato dalla presenza di valori anomali. Inoltre, è stato utilizzato un numero limitato di variabili che potevano essere immediatamente interpretate in termini fisico-geologici. Il primo progetto, culminato nella pubblicazione dell'articolo, ha riunito gli sforzi per fornire alla letteratura un modello che cercasse di combinare i due vantaggi dei due approcci esistenti. Il modello opportunamente configurato ha fornito previsioni accettabili utilizzando le precipitazioni cumulative e la temperatura dell'aria, nonché la presenza di componenti stagionali quando opportunamente identificate. Data la facilità di misurazione di queste variabili, la configurazione del modello è stata denominata “facile da ottenere”. Il secondo progetto, presentato come secondo capitolo di questa tesi, ha ripreso e fissato come obiettivo la proposta del lavoro precedente: convalidare il modello LTS utilizzandolo in contesti diversi. Per questo motivo, abbiamo selezionato siti eterogenei distribuiti per tipo, uso del suolo e zona climatica. Per la maggior parte, l'obiettivo è stato raggiunto e il modello sembra essere universale e versatile. Il terzo progetto, descritto nel terzo capitolo, mirava a indagare e superare le difficoltà emerse e riportate nel secondo capitolo. Ciò ha rivelato la necessità di utilizzare altre due configurazioni denominate “costosa da ottenere” e “completa da ottenere”. La configurazione costosa da ottenere utilizza solo il contenuto d'acqua a profondità marginali come input per analizzare il contenuto d'acqua a profondità maggiori. La configurazione completa da ottenere utilizza tutte le variabili utilizzate sia nella configurazione facile da ottenere che in quella costosa da ottenere, quando significative. La linea guida che vorremmo dare ai potenziali utenti e ricercatori è quella di applicare innanzitutto il modello configurato come facile da ottenere e, solo se le previsioni fornite non sono soddisfacenti, adottare la configurazione costosa da ottenere. Alla luce dei risultati ottenuti, riteniamo che la metodologia che proponiamo sia valida e affidabile nella gestione di questo argomento di ricerca.

The macro-objective that inspired our work was to predict the volumetric water content at different soil depths. The water content variable is necessary for several purposes: to understand the hydrogeological behavior of the soil, to plan field irrigation, and finally to monitor and pay attention to areas most prone to surface landslides. There are two approaches in the literature, one based on data and the other on processes. The first approach is based on statistical models which, despite their good predictive capabilities, have the major disadvantage of not being able to provide an easy interpretation of the relationship between the variables involved in the analysis from a physical-geological point of view. The second approach is based on models focused on hydrological processes that use different physical equations. Our contribution was to propose the LTS model, which belongs to robust statistics and is therefore not influenced by the presence of any anomalous values. In addition, a limited number of variables that could be immediately interpreted in physical-geological terms were used. The first project, which culminated in the publication of the article, brought together efforts to provide the literature with a model that sought to combine the two advantages of the two existing approaches. The appropriately configured model provided acceptable predictions using cumulative rainfall and air temperature, as well as the presence of seasonal components when appropriately identified. Given the ease of measuring these variables, the model configuration was named “easy to get.” The second project, presented as the second chapter of this thesis, took up and set as its objective the proposal of the previous work: to validate the LTS model by using it in different contexts. For this reason, we selected heterogeneous sites distributed by type, land use, and climate zone. For the most part, the objective was achieved, and the model appears to be universal and versatile. The third project, reported in the third chapter, sought to investigate and overcome the difficulties revealed and reported in the second chapter. This revealed the need to use two other configurations called expensive to get and complete to get. The expensive to get configuration uses only water content at marginal depths as input to analyze water content at greater depths. The complete to get configuration uses all the variables used in both the easy to get and expensive to get configurations, when significant. The guideline we would like to give to potential users and researchers is to first apply the model configured as easy to get, and only if the predictions provided are not satisfactory, adopt the expensive to get configuration. In light of the results obtained, we believe that the methodology we propose is valid and reliable in managing this research topic.