INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO

1. Hidrologia INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO Benedito C. Silva

2. Água do solo x água subterrânea Infiltração Poros ocupados por ar e água (água do solo) Zona não saturada Percolação Poros ocupados por água (água subterrânea) Zona saturada Camada impermeável

3. Água do solo x água subterrânea

4. O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes) Água no solo

5. Composição do solo

6. Parte sólida do solo • Normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo:

7. Textura do solo

8. Textura do solo

9. Armazenamento de água no solo Porosidade Capilaridade Retenção de água no solo Potencial mátrico

10. Porosidade Volume total do solo = volume de sólidos + volume de poros Porosidade = volume de poros / volume total

11. Porosidade Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52

12. Armazenamento Conteúdo de água no solo em volume Na situação em que todos os poros do solo estão ocupados pela água o solo é denominado saturado. Neste caso, o valor do conteúdo de água no solo é máximo, e q é igual a a. Portanto, o máximo conteúdo de água no solo é igual à porosidade.

13. Solo seco • Na condição de solo completamente seco todos os poros estariam ocupados pelo ar, e o valor de q seria zero. • Entretanto, isto raramente acontece, porque a água é fortemente atraída pelas partículas e pelos poros dos solos. • Adsorção • capilaridade

14. Medição de contéudo de água do solo Método gravimétrico TDR Moderação de neutrons

15. Medição do conteúdo de umidade do solo No método gravimétrico de medição de conteúdo de água no solo uma amostra de solo é coletada e pesada na condição de umidade encontrada no campo. A seguir esta amostra passa por um processo de secagem em um forno a 105 oC por 24 horas para que toda a umidade seja retirada e a amostra é pesada novamente. A umidade do solo é calculada a partir da diferença de peso encontrada, conforme a equação onde q é o conteúdo de água no solo em volume (adimensional); Mu é a massa da amostra de solo úmido (Kg); Ms é a massa da amostra do solo após a secagem no forno (Kg); VT é o volume da amostra (m3); r é a massa específica da água (kg.m-3).

16. Medição de umidade do solo O método TDR (Time Domain Reflectometry ou reflectometria no domínio do tempo) está baseado na relação entre a umidade do solo e a sua constante dielétrica. Duas placas metálicas são inseridas no solo e é medido o tempo de transmissão de um pulso eletromagnético através do solo, entre o par de placas. A vantagem deste método é que não é necessário destruir a amostra de solo para medir a sua umidade, e o monitoramento pode ser contínuo. A desvantagem é que o método é indireto, e é preciso calibrar uma relação entre a resposta do aparelho de medição e a umidade do solo.

17. Medição da umidade do solo Moderação de neutrons O método da moderação de nêutrons está baseado na emissão de nêutrons por uma fonte radioativa inserida no solo através de tubos de acesso. Os nêutrons sofrem espalhamento pelos átomos de hidrogênio da água presente no solo, e alguns deles podem ser detectados por um detector também inserido no solo por um tubo de acesso. Quanto maior a contagem de nêutrons no detector, maior é o conteúdo de água na proximidade do equipamento (Libardi, 2012).

18. Usando sonda de neutrons

19. Retenção de água no solo • Retenção de água no solo • Potencial mátrico • Capilaridade • adsorção • tensiometro • Capacidade de campo • Ponto de murcha

20. Retenção de umidade no solo • O solo pode ser entendido de uma forma simplificada como uma esponja, ou papel de filtro, que tem capacidade de reter a água. • Há duas forças principais que atuam no sentido de reter a água nos poros dos solos: • as forças capilares • as forças de adsorção.

21. Capilaridade Tubos capilares exercem sucção por causa da tensão superficial Poros do solo podem exercer o mesmo efeito Quanto menor o diâmetro dos poros, maior é o efeito Granulometria mais fina = poros menores = mais capilaridade • As forças capilares ocorrem como consequência da tensão superficial da água interagindo com as paredes dos poros.

22. Adsorção • As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas atuando entre as partículas do solo e as moléculas de água, ou de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um filme muito fino de água sobre as partículas do solo (Libardi, 2012).

23. Tensão mátrica As duas forças (capilar e adsorção) atuam no sentido de reter a água no solo e é praticamente impossível avaliar separadamente cada uma delas. Assim, normalmente se refere à força de retenção de água no solo como a força mátrica, ou potencial mátrico de um solo (Libardi, 2012). Tem unidades de pressão (N/m2)

24. Medição de tensão Bulbo cerâmico Tensiômetro

25. Curva de retenção de umidade Para uma amostra de solo o potencial mátrico normalmente varia com o conteúdo de água do solo, e esta relação é, normalmente, determinada de forma experimental (Reichert e Timm, 2012). Solos mais secos apresentam um potencial mátrico maior (exercem maior sucção sobre a água) do que solos mais úmidos. A função que relaciona as duas variáveis é a curva de retenção de umidade, ou curva de retenção de água no solo

26. Umidade do solo • Umidade do solo varia ao longo do tempo. • Para retirar a umidade do solo: • Por gravidade • Por sucção Hornberger et al., 1998 – Elements of physical hydrology

27. Umidade do solo • Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água • Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade • Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem

28. Condutividade de água em condição de saturação Movimento da água em meios porosos

29. Experimento de Darcy

30. Experimento de Darcy K = propriedade do material = condutividade hidráulica saturada

31. Q = fluxo de água (m3/s) A = área (m2) H = carga (m) L = distância (m) K = condutividade hidráulica (m/s) Fluxo da água em meios porosos saturados

32. Condutividade de água em condição de saturação Solo arenoso: 23,5 cm/hora Solo siltoso: 1,32 cm/hora Solo argiloso: 0,06 cm/hora

33. Movimento no meio não saturado saturado não saturado A equação de Darcy foi desenvolvida para fluxos de água em meios porosos saturados, e será retomada no capítulo sobre água subterrânea. Nos solos, entretanto, a situação mais comum é que o meio não está saturado. Neste caso, a condutividade hidráulica é uma função do conteúdo de água no solo. Além disso, a carga hidráulica deve ser expressa como uma combinação do potencial gravitacional e potencial mátrico. A equação de Darcy com estas adaptações é, por vezes, denominada equação de Darcy-Buckingham (Libardi, 2012).

34. Movimento no meio não saturado A condutividade hidráulica em condições não saturadas é menor do que a condutividade hidráulica saturada

35. Infiltração de água no solo Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida totalmente pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos poros vazios (com ar). Nesta condição, o potencial mátrico do solo é muito alto, e a água da chuva é absorvida muito rapidamente. À medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir, estando limitada pela capacidade do solo de transferir a água para as camadas mais profundas.

36. Taxa de infiltração e capacidade de infiltração A taxa de infiltração é a quantidade de água que penetra no solo ao longo do tempo. Normalmente a taxa de infiltração é expressa em unidades de mm.hora-1. A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração varia ao longo do tempo.

37. Medição da capacidade de Infiltração Anéis concêntricos

38. Capacidade de infiltração A capacidade de infiltração de água no solo varia de acordo com a umidade do solo. Em solos secos a capacidade de infiltração é, normalmente, bastante alta. À medida em que o solo vai ficando úmido, no entanto, a capacidade de infiltração diminui.

39. Modelo de capacidade de infiltração de Horton fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora

40. f = taxa de infiltração (mm/hora) fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora) fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora) t = tempo (minutos)  = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto) Equação de Horton

41. Infiltração conforme o tipo de solo

42. Exercício Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura?

43. Exercício Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora-1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2 deste solo, considerando que está saturado?

44. Exercício Uma medição de infiltração utilizando o método dos anéis concêntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parâmetros fc, fo e  da equação de Horton.