CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL EM SOLO DESCOBERTO E COM COBERTURA MORTA SOB CONDIÇÕES DE CHUVA SIMULADA

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1 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL EM SOLO DESCOBERTO E COM COBERTURA MORTA SOB CONDIÇÕES DE CHUVA SIMULADA Thayná Alice Brito Almedia 1 *, Abelardo Antônio de Assunção Montenegro 2, Cleene Agostinho de Lima 3, Myrtta Stherphanny Rodrigues de Santana 4, Roberta Queiroz Cavalcanti 5 Resumo A investigação das características hidráulicas do escoamento superficial é de grande valia para o entendimento dos processos hidrológicos. O presente trabalho objetivou avaliar as características hidráulicas do escoamento superficial em solo descoberto e com cobertura morta em parcelas experimentais de erosão em condições de chuva simulada. O foi conduzido no Laboratório de Máquinas Agrícolas, do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal Rural de Pernambuco, Brasil. Em parcela experimental de dimensão de 1,51 x 0,51 m preenchida com Argissolo Amarelo Eutrófico Típico, com tratamento de solo descoberto e com cobertura morta de pó de coco de densidade de 8 ton ha -1, sob condição de chuva simulada de intensidade constante de 90 mm h -1 durante 15 minutos de testes. As características hidráulicas do escoamento superficial foram: velocidade de escoamento, descarga líquida, altura da lâmina de escoamento, número de Reynolds e Froude, viscosidade cinemática e rugosidade. O regime de escoamento superficial foi classificado como laminar lento para os tratamentos de solo descoberto e cobertura morta. A cobertura morta mostrou-se uma prática agrícola eficiente no controle do escoamento superficial, pois influenciou na velocidade do escoamento superficial, devido ao aumento do coeficiente de rugosidade em 78% pelo material sobre o solo. Palavras-Chave regime de escoamento, rugosidade, semiárido CHARACTERISTICS HYDRAULIC SURFACE RUNOFF IN BARE SOIL AND MULCHING UNDER CONDITIONS OF SIMULATED RAINFALL Abstract The investigation of the hydraulic characteristics of runoff is valuable for understanding the hydrological processes. This study aimed to evaluate the hydraulic characteristics of runoff on bare soil and mulch in experimental erosion plots on simulated rainfall. The was conducted at the Mechanical Laboratory, Department of Agricultural Engineering at the Universidade Federal Rural of Pernambuco, Brazil. The dimensions of the experimental plot size of 1,51 x 0,51 m filled with Ultisol Yellow Eutrophic with treatment of bare soil and density of coconut dust mulch 8 ton ha-1 under simulated rainfall condition of constant intensity of 90 mm h -1 for 15 minutes testing. The hydraulic characteristics of runoff were: flow velocity, liquid discharge blade height of the flow, the Reynolds number and Froude number, kinematic viscosity and surface roughness. Runoff regime was classified as laminar slow to the bare soil treatments and mulch. The Coconut cover proved to be efficient in the control of agricultural practice runoff therefore influence of runoff rate, due to the increased roughness coefficient in 78% for the material on the soil. Keywords flow regime, roughness, semiarid 1 Graduanda em Engenharia Agrícola e Ambiental, UFRPE-PE, Recife thayna_tau@hotmail.com 2 Professor Titular, UFRPE, DEAGRI, Recife, PE. abelardo.montenegro@yahoo.com.br 3 Doutoranda em Engenharia Agrícola. UFRPE-PE, Recife, PE cleene2@hotmail.com 4 Graduanda em Engenharia Agrícola e Ambiental, UFRPE-PE, Recife myrtta@hotmail.com 5 Graduanda em Engenharia Agrícola e Ambiental, UFRPE-PE, Recife robertaqueirozcavalcanti@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO O escoamento superficial é caracterizado pelo deslocamento do fluxo de água sobre a superfície do solo, sendo um dos fatores responsáveis pelo processo erosivo (Lima et al., 2014). Segundo Bezerra et al. (2010), o escoamento superficial tem início quando a intensidade de precipitação torna-se maior do que a taxa de infiltração da água no solo, devido a superação da detenção e da retenção superficial, da interceptação vegetal, da demanda matricial do solo e da evaporação, que são as abstrações hidrológicas dos volumes precipitados. A investigação das características hidráulicas do escoamento superficial (velocidade média do escoamento, altura e descarga líquida, viscosidade cinemática da água, rugosidade e os números de Reynolds e Froude) em função da presença ou ausência de cobertura morta em condições de campo e em laboratório através de simuladores de chuva, é de grande valia para o entendimento dos processos hidrológicos decorrentes de chuvas naturais, permitindo o detalhamento e a reprodução de forma controlada de eventos complexos por Santos et al. (2009); Bezerra e Cantalice (2009); Bezerra et al. (2010); Lima (2013); Lima et al. (2014). A simulação de chuvas proporciona o controle das características temporais e espaciais da precipitação, tal como a obtenção rápida de dados, garantindo algumas vantagens na utilização de simuladores de chuva em estudos relacionados com erosão hídrica, tanto em laboratório como in situ (Pérez-Latorre et al., 2010; Montenegro et al., 2013). A cobertura do solo é um dos fatores que minimizam os efeitos de degradação do solo pela exploração pela agricultura, devido especialmente, à ação protetora dos resíduos deixados pelas culturas, sendo assim, a cobertura morta uma das práticas conservacionistas que tem proporcionado ao solo, aumento da umidade, proteção contra o impacto direto das gotas da chuva, redução da velocidade de escoamento, aumento da rugosidade hidráulica e redução erosão hídrica, conforme constatado em estudos por Santos et al., (2008) onde resultados demonstraram que a condição de cobertura morta foi a que ofereceu a maior proteção ao solo O presente trabalho objetivou avaliar as características hidráulicas do escoamento superficial em solo descoberto e com cobertura morta em parcelas experimentais de erosão em condições de chuva simulada. MATERIAL E MÉTODOS Descrição do experimento XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Ensaio laboratorial foi conduzido no Laboratório de Máquinas Agrícolas, do Departamento de Engenharia Agrícola (DEAGRI) da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE) Pernambuco, Brasil. Foi utilizado uma parcela experimental delimitada por chapas metálicas de dimensão de 1,51 x 0,51m com uma estrutura de baldes que podem ser removidos e substituídos para facilitar as simulações (Figura 1A), preenchida com Argissolo Amarelo Eutrófico Típico (Santos et al., 2011) da bacia do Alto Ipanema-PE, Brasil. Os tratamentos adotados foram: solo descoberto e solo com cobertura morta de pó de coco (Cocos nucifera L) com densidade de 8 ton ha -1 (Figura 1B e C). Figura 1- Estrutura da parcela experimental mostrando os baldes removíveis (A); parcela com solo descoberto (B) e com 8 t ha -1 de cobertura morta de pó de coco (C) Para os tratamentos foram aplicado uma chuva simulada de intensidade constante de 90 mm h -1 durante 15 minutos de teste, utilizando-se um simulador de chuva de intensidade variável com bico Veejet , da Spraying Systems Company, desenvolvido na Universidade Federal de Viçosa, MG. A intensidade de chuva foi estimada a partir da equação da intensidade-duração-freqüência (IDF) da precipitação para tempo de retorno de 7 anos, para o município de Pesqueira-PE, segundo Coutinho et al. (2010).Curva IDF para o município de Pesqueira, equação 1: (1) Características hidráulicas do escoamento superficial A velocidade do escoamento superficial foi obtida pela cronometragem do tempo gasto para um corante azul percorrer uma distância de 1 m entre dois pontos fixos na parcela (Figura 2). Esse XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 procedimento se deu a intervalos regulares de 15 segundos, ao mesmo tempo em que se coletava a enxurrada. Os valores da velocidade de escoamento foram calculados pela multiplicação de um fator de correção ( = 2/3), pela observação da velocidade de escoamento em segundos. Obtendo-se a velocidade media do escoamento, em m.s -1, conforme Farenhorst e Bryan (1995) e Katz et al. (1995). Figura 2- Deslocamento do escoamento superficial em parcela experimental sob condições de chuva simulada A altura da lâmina do escoamento (h) (m) foi obtida pela equação 2: q h V (2) em que: q- descarga líquida total por unidade de largura em (m 2 s -1 ); V- velocidade média do escoamento (m s -1 ). A descarga líquida por unidade de largura (q) foi determinada pela medição do volume da enxurrada coletado na extremidade da calha coletora em proveta, durante os 15 segundos, e dividido pela largura da parcela, para ser expressa em m² s -1. A classificação do regime do escoamento foi obtida a partir do Número de Reynolds (Re) e do Número de Froude (Fr), expressos na Equação 3 e 4: Vh Re v (3) Fr V gh (4) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 em que: Re - Número de Reynolds (-); Fr - Número de Froude (-); ν - Viscosidade cinemática da água (m 2 s -1 ); e g - Aceleração da gravidade (m s -2 ). A viscosidade cinemática da água foi determinada pela utilização da equação 5, segundo Julien (1995), sendo a temperatura ( C) aferida por meio de um termômetro em cada teste. v 6 2 1,14 0,031 T 15 0,00068 T 15 x10 A rugosidade foi definida pelo coeficiente de Manning (n), conforme Braida e Cassol (1999) (equação 6). h n 5/ 3 S 1/ 2 q (6) em que: h - altura da lâmina do escoamento (m); S é o declive da parcela (m m -1 ); q- descarga líquida total por unidade de largura em (m 2 s -1 ). (5) RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 1 encontram-se as condições hidráulicas do escoamento superficial para o tratamento de solo descoberto e com cobertura morta. Para os tratamentos os valores de descarga líquida apresentaram na ordem de grandeza de 10-5 e 10-6, juntamente com os valores de Reynolds (< 500) e de Froude (< 1), proporcionou um regime de escoamento classificado como laminar lento, indicando ter ocorrido erosão laminar, corroborando com os resultados encontrados por Santos et al. (2009) avaliando o uso de práticas conservacionistas em cultivo de feijoeiro (Phaseolus vulgaris L.) em Pesqueira-PE; Lima et al. (2014) avaliando o efeito de práticas conservacionistas no cultivo de mandioca (Manihot esculenta Cranz) e Borges, (2013), em estudo laboratorial sob condições de solo descoberto 6 e 12 t ha -1 de palha de cana-de-açúcar. O número de Froude diminuiu pela ação de resistência ao escoamento promovida pela rugosidade de forma originada pela presença da cobertura morta, que também elevaram a altura da lâmina de escoamento (6,08x10-04 m) em relação ao tratamento de solo descoberto (5,88x10-04 m). Também foi constatado esse aumento da lâmina de escoamento pelos pesquisadores Lima et al. (2014) e Santos et al. (2009) usando cobertura morta de capim (Brachiaria decumbens) e palha de feijão. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Tabela 1- Características hidráulicas do escoamento superficial para solo descoberto e com cobertura morta Variáveis hidráulicas Tratamentos Solo com cobertura morta Solo descoberto Número de Reynolds (adm.) 17,11 29,22 Número de Froude (adm.) 0,35 0,60 Velocidade (m s -1 ) 0,02 0,05 Descarga líquida (m 2 s -1 ) 9,34E-06 2,56E-05 Altura do escoamento (m) 6,08E-04 5,88E-04 Viscosidade cinemática (m 2 s -1 ) 8,8128E-07 8,8128E-07 Coeficiente de rugosidade (s m -1/3 ) 9,72E-02 5,47E-02 A velocidade de escoamento no tratamento com a cobertura morta foi (0,02 m s -1 ) menor em relação a velocidade de escoamento do solo descoberto (0,05 m s -1 ), devido à barreira física ao escoamento, provocado pela presença da cobertura morta de pó de coco ter provocado a redução da velocidade do escoamento causada pela presença de resíduos vegetais na superfície o que, geralmente, ocorre em virtude do aumento da rugosidade hidráulica do fluxo superficial com consequente aumento da altura do escoamento conforme relata Braida e Cassol (1999). Este fato é confirmado devido ao aumento em, aproximadamente, 78% do coeficiente de rugosidade pela presença de cobertura morta de pó de coco sobre o solo, mostrando a eficiência da cobertura morta na redução da velocidade de escoamento. Embora a rugosidade tenha aumentado à viscosidade cinemática permaneceu constante. Ao avaliar o coeficiente de rugosidade pode-se observar no tratamento com solo com cobertura morta apresentou maior rugosidade da superfície do solo (9,7x10-02 s m -1/3 ) em relação ao solo descoberto (5,47x10-02 s m -1/3 ). É explicado pelo fato de que a rugosidade representa à variação vertical do microrrelevo superficial, logo, a cobertura morta permitiu que a lâmina d água permanecesse acumulada em certas regiões da parcela diminuindo a vazão do escoamento. Já no tratamento sem cobertura morta a menor rugosidade da superfície do solo, isso se deve, basicamente, ao efeito desagregador promovido pela ação da chuva que foi mais intenso em relação a parcela com cobertura morta. Tais resultados também foram evidenciados por Bezerra e Cantalice (2009). CONCLUSÕES XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 O regime de escoamento superficial foi classificado como laminar lento para os tratamentos de solo descoberto e com presença de cobertura morta. A cobertura morta foi uma prática agrícola eficiente no controle do escoamento superficial, pois alterou significativamente na velocidade do escoamento superficial, devido ao aumento em, aproximadamente, 78% do coeficiente de rugosidade o qual foi proporcionado pelo material sobre o solo. Concomitantemente ao aumento do fator rugosidade temos a diminuição da descarga líquida, gerando assim uma maior manutenção de água no solo e menor taxa de erosão. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e CNPQ pela concessão da bolsa, e ao Finep e ao CT-Hidro suporte a pesquisa, a UFRPE pelo apoio institucional, e ao Laboratório de Água e Solo da UFRPE. REFERÊNCIAS BEZERRA, S. A., CANTALICE, J. R. B.; CUNHA FILHO, M.; SOUZA, W. L. S. (2010). Características hidráulicas da erosão em sulcos em um Cambissolo do semiárido do Brasil. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 34, p BEZERRA, S.A.; CANTALICE, J. R. B. (2009). Influência da cobertura do solo nas perdas de água e desagregação do solo em entressulcos. Revista Caatinga, 22, p BORGES, T. K. S. (2013). Desempenho de técnicas conservacionistas no controle da umidade, erosão hídrica e na produtividade do milho no semiárido Pernambucano. Recife-PE, Universidade Federal Rural de Pernambuco, 96f. Dissertação Mestrado. BRAIDA, J. A.; CASSOL, E. A. (1996) Erodibilidade em sulcos e em entressulcos de um Podzólico Vermelho-Escuro franco arenoso. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 20, p CERDÁ, A.; IBÁÑEZ, S.; CALVO, A. (1997). Design and operation of a small and portable rainfall simulator for rugged terrain. Soil Technology, 11, p COUTINHO, A. P; SILVA, F.B; SILVA, R.O; ANTONINO, A.C.D; MONTENEGRO, S.M.G.L. (2010). Determinação de Equações de Chuvas Intensas para Municípios das Mesorregiões do Estado de Pernambuco com dados pluviométricos. In Anais do Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, Fortaleza, 2010, 14 p. FARENHORST, A.; BRYAN, R. B. (1995). Particle size distribution of sediment transported by shallow flow. Catena, 25, (2), p JULIEN, P. Y. (1995). Erosion and sedimentation. 1.ed. Melbourne: Cambridge University Press, 280p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 KATZ, D. M.; WATTS, F. J.; BURROUGHS, E. R. (1995). Effects of surface roughness and rainfall impact on overland flow. Journal of the Hydraulics Division, 121, (1), p LIMA, C. A. (2013). Perdas de solo, água e nutrientes em cultivo de mandioca no Recôncavo da Bahia. Recife-PE. Universidade Federal Rural de Pernambuco-UFRPE. 78 f. Dissertação Mestrado. LIMA, C. A.; MONTENEGRO, A. A. A.; SANTOS, T. E. M.; MONTEIRO, A. L. N.; PEREIRA, E. G.; SANTOS, L. M.; MACHADO, L. S.(2014). Características hidráulicas do escoamento superficial sob diferentes intensidades de chuva e práticas agrícolas. In Anais do VI Congresso Sobre Uso e Manejo do Solo, Recife, Março, 2014, 1, p MONTENEGRO, A. A. A.; ABRANTES, J. R. C. B.; LIMA, J. L. M. P.; SINGH, V.P.; SANTOS, T. E. M. (2013). Impact of mulching on soil and water dynamics under intermittent simulated rainfall. Catena, 109 p PÉREZ-LATORRE, F. J.; CASTRO, L.; DELGADO, A. (2010). A comparison of two variable intensity rainfall simulators for runoff studies. Soil & Tillage Research, 107, p SANTOS, T. E. M.; MONTENEGRO, A. A. A.; PEDROSA, M. E. R. (2009). Características hidráulicas e perdas de solo e água sob cultivo do feijoeiro no semiárido. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 13, p SANTOS, T. E. M.; MONTENEGRO, A. A. A.; SILVA JÚNIOR, V. P.; MONTENEGRO, S. M. G. L.(2008). Erosão hídrica e perda de carbono orgânico em diferentes tipos de cobertura do solo no semiárido, em condições de chuva simulada. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 13, p XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8