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1 1 Água e solo

2 1.1 - Solo Solo Camada externa e agricultável da superfície da terra, constituindo um sistema complexo e heterogêneo, cuja formação: Material de origem Tempo Clima Topografia

3 1.1 - Solo a) Fração sólida Minerais Matéria orgânica Forma Tamanho (textura) Composição química Resíduos vegetais e animais Clima

4 1.1 - Solo a) Fração sólida Organização - arranjo Poros (estrutura) Junção de partículas (agregados) b) Fração líquida Solução do solo c) Fração gasosa Extremamente variável CO 2 e O 2

5 Fração líquida Fração gasosa Interação física se manifesta por meio de forças que adsorvem a água junto à matriz Um solo bem agregado (estruturado) apresenta boa quantidade de poros de tamanho relativamente grande macroporosidade: Penetração de raízes circulação de ar manejo do ponto de vista agrícola movimentação de água no solo

6 1.2 Relações massa-volume dos solos Mar ar Var Ma água Va M = M + M + t ar a M s V = V + V + t ar a V s Ms sólido Vs

7 Para um volume de 1,0 cm 3, as massas de ar, água e solo que ocupam o referido volume são da ordem de 1, ; 1,0 e 2,7 g, respectivamente. Portanto, pode-se desprezar, no cômputo da massa total do solo, a parcela referente ao ar do solo, uma vez que seu valor é bem inferior à massa da água e a dos sólidos. Dessa forma: M = M + t a M s V = V + t p V s

8 a) Densidade (massa específica) do solo (Ds): representa a relação entre a massa de sólidos em relação ao volume de controle (Vt), ou seja: D = s M V s t Ex. Determine a densidade do solo amostrado em um cilindro de 5,0 cm de diâmetro, 2,5 cm de altura, em que, a massa do solo após secagem foi de 64,3 g. 2 2 π D π 5 V t = h = 2,5 = ,1 cm 3 D s = 64,3 49,1 = 1,31 g. cm 3

9 b) Densidade (massa específica) de partículas (Dp): representa a relação entre a massa de sólidos em relação ao volume do solo ocupado pela fase sólida (Vs): D = p M V s s Ex. Para o solo amostrado descrito no Exercício 1.1, determine a massa específica de partículas sabendo-se que o volume de sólidos foi de 24,2 cm 3. D p = M V s s = 64,3 24,2 = 2,66 g. cm 3

10 c) Porosidade total (P): expressa a relação entre o volume de poros, ocupados pelas fases líquida e gasosa do solo, em relação ao seu volume total: Vt Vs P = = V t V V p t P = V V t t M V t s V M s s = 1 D D s p Ex. Determine a porosidade total usando as massas específicas do solo e de partículas dos exercícios anteriores. P = 1 D D s p = 1 1,31 2,66 = 0,508 cm 3.cm 3 ou 50,8%

11 d) Porosidade drenável (Pd): se refere à diferença entre porosidade total e a umidade volumétrica em capacidade de campo (θ cc ) P d = P θ cc Para as situações em que o solo possui certa umidade, a parcela do solo ocupada com a fase gasosa, pode-se então determinar a porosidade livre de água (PLA), ou seja: PLA = P θ

12 1.3 Umidade do solo Umidade com base em massa (U) Mt Ms Ma U = = Ms Ms Umidade com base em volume (θ) θ = Vt Vs Vt = Va Vt como d água = 1 ma = Va θ = Ma Ms Ms Vt = U D s

13 Um resultado de U = 0,30 g g -1 significa que 130 g de uma amostra úmida contém 30 g de água (umidade com base em massa seca). Ex: Amostra de solo em um anel de 5 cm de altura e 5 cm de diâmetro. massa do anel = 82,5 g massa do anel + solo úmido = 224,85 g massa do anel + solo seco = 193,55 g

14 1.4 Medida de umidade no solo Método direto - Gravimétrico (estufa) Métodos indiretos - Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos) - Moderação de neutrons (sonda) - Tensiometria - TDR (Time Domain Reflectometry)

15 Métodos indiretos - Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos)

16 Métodos indiretos - Sensor Watermark

17 Métodos indiretos - Sonda HydroSense

18 Métodos indiretos - Sonda HydroSense Umidade obtida pelo método padrão (%) θ = 0,6165 L + 14,595 R² = 0, Umidade medida pela sonda Hydrosense (%)

19 Métodos indiretos - Tensiômetro h. A ψ A = 12,6 h + h + 2 h 1

20 Métodos indiretos - Tensiômetro IT AGRICULTURA IRRIGADA

21 Métodos indiretos - Moderação de Neutrons

22 Métodos indiretos - Moderação de Neutrons

23 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) Ka d VpL = d = deslocamento (m) Vp = Vel. de propagação L = comp. da haste (m)

24 Material Constante dielétrica (adimensional) Ar 1 Partículas sólidas do solo 3-5 Água 81 Matriz do solo ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 X 1 θ = 0,20 m 3 /m 3 θ = 0,26 X Distância (cm) θ = 0,33 X X 2 Ka = LVp. L = 10 cm Vp = 0,99 1 2

25 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) A técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios na determinação da umidade do solo. Para a sua satisfatória utilização é necessário, no entanto, o cumprimento de algumas etapas, quais sejam: - construção dos sensores; - calibração no campo/laboratório; - instalação dos sensores; e - determinação da Ka.

26 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas 15 cm 3 cm

27 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas Cabo RG Ω Conector BNC

28 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas Resina Epoxy x Catalizador Barras de aço inox (3 mm)

29 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas

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33 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração θ = 4, Ka 3 5, Ka 2 + 2, Ka 5, Esta equação tem sido largamente utilizada demonstrando sua adequacidade na determinação de θ. No entanto, tendo em vista as diferentes características entre solos, nem sempre o modelo proposto é adequado.

34 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração Apesar da TDR ser um método confiável, Souza et al. (2006) ressaltam que para uma interpretação mais precisa da medida de Ka (θ), é fundamental a calibração de uma curva específica para o local de estudo.

35 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração Durante a calibração deve ser reproduzida a condição de campo na qual a técnica será utilizada. Ka x θ Campo x Laboratório

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42 0,35 0,30 θ = 4E-06ka 3-0,0003ka 2 + 0,0213ka - 0,0696 R² = 0,9854 0,25-3 ) θ (cm 3.cm - 0,20 0,15 0,10 0,05 0, ka

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45 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas O número de sondas a ser utilizado para monitoramento da umidade ou condutividade elétrica vai depender da homogeneidade das características do solo da área experimental e da profundidade do perfil do solo a ser monitorada.

46 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas Normalmente, em estudos de manejo da irrigação, a profundidade monitorada corresponde à própria profundidade efetiva do sistema radicular da(s) cultura(s), enquanto que em estudos de lixiviação de nutrientes ou percolação profunda no perfil, sondas devem ser instaladas a maiores profundidades.

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49 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas Quando o estudo é realizado para culturas com maior profundidade de sistema radicular e/ou visando o movimento horizontal da frente de umedecimento no perfil do solo, há necessidade de escavação de trincheiras maiores, permitindo a instalação de um numero bem superior de sondas.

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51 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Determinação de Ka Além da escolha do numero de sondas e da correta instalação das mesmas, o treinamento para execução das medições e a manutenção dos equipamentos, devem ser também considerados.

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60 Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Determinação de Ka Além da escolha do numero de sondas e da correta instalação das mesmas, o treinamento para execução das medições e a manutenção dos equipamentos, devem ser também considerados.

61 1.5 Armazenamento de água no solo Para um manejo adequado da irrigação é necessário conhecermos a quantidade de água armazenada em um perfil do solo, em um dado instante.

62 1.5 Armazenamento de água no solo S h = V S V h é a quantidade de água sobre a superfície unitária (S = 1). Assim 1L h = 2 m = 1,0mm No solo e considerando superfície unitária, h = V.

63 1.5 Armazenamento de água no solo S = 1 cm 2 V = 1 cm 3 Como a área é unitária, o volume de água V é igual a θ 1 cm 3 de água e, então, θ1 = h 1.

64 Seja o exemplo: se 1 cm 3 de solo tem um θ = 0,35 cm 3 cm -3 naquele volume de solo, cuja base é 1 cm 2, tem 0,35 cm 3 de água. Portanto, a altura de água é 0,35 cm ou 3,5 mm. Num segundo cm, com θ 2, a altura de água será h 2 e assim sucessivamente até h n. Portanto, até a profundidade L, a altura de água armazenada é a soma de todas as camadas de 1 cm até L. Admite-se que a umidade do solo não varia na direção horizontal, apenas na vertical. A L = L θ i= 1 i

65 Profunidade Z (cm) Umidade θ (cm 3 cm -3 ) 0 1 0, , , , , , , , , ,399 A água armazenada de 0 5 cm é: 0, , , , ,201 = 0,774 cm ou 7,74 mm. A água armazenada até 10 cm será 23,16 mm.

66 O somatório apresentado na equação A L = L θ i= 1 i pode ser substituído por uma integral: L A = θ dz L = L 0 Na primeira equação, como dz era igual a unidade, o seu valor não aparecia na expressão.

67 Para se determinar o armazenamento de água em um perfil, o ideal, portanto, é necessário conhecer a função θ(z) que define o perfil de umidade, e assim proceder a integração analítica. No entanto, θ(z) é função do tempo podendo assumir diferentes formas. Por isso, torna-se praticamente impossível o uso de integrações. Uma possibilidade é se trabalhar com integração numérica, conhecendo os valores de θ para diferentes z. Desta forma, o perfil de umidade se transforma em um histograma, cuja área pode ser obtida pelo método dos trapézios.

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71 A L = θ 1 z + θ 2 z θ n z A L = ( θ + θ θ ) z 1 2 n A L = ( θ 1 + θ 2 + n... + θ n ) z n A = θl L A = θdz = θ(l L ) ( L 1 ) 2 1 L 2 L 2 L 1

72 Ex: em um dado instante foram determinadas amostras de solo em uma cultura de cana-de-açúcar e obtidos os seguintes resultados: Z (m) d s (kg m -3 ) U (%) 0 0, ,3 0,15 0, ,2 0,30 0, ,8 0,45 0, ,2 0,60 0, ,6 0,75 0, ,3 0,90 1, ,7 1,05 1, ,7

73 Z (m) d s (kg m -3 ) U (%) 0 0, ,3 0,15 0, ,2 0,30 0, ,8 0,45 0, ,2 0,60 0, ,6 0,75 0, ,3 0,90 1, ,7 1,05 1, ,7 Determine os armazenamentos nas camadas 0 0,45; 0 0,90; 0 1,20; 0,45 1,20 e 0,15 0,30.

74 Ex. Em uma área experimental cultivada com feijão, a umidade volumétrica do solo foi determinada em várias profundidades e em duas épocas diferentes (Tabela). Pede-se: - trace os perfis de umidade no solo para os dias 10 e 17/04; - empregando os métodos do somatório e da umidade média no perfil, determine o armazenamento de água na camada de solo de 50 cm para o dia 10/04. - determine o consumo de água da cultura do feijão entre os dias 10 e 17/04, sabendo-se que neste período não houve irrigação nem precipitação.

75 Z (cm) 10/04/ /04/2010 θ (cm 3.cm -3 ) 0 0,503 0, ,486 0, ,425 0, ,395 0, ,387 0,335

76 a) Perfil de umidade 0 umidade (cm 3 cm -3 ) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, z (cm) /abr 17/abr 60

77 cm 3.cm -3 b) Método do somatório A ) 50 ( 10 / 04 = 100 ( 0, , , , ,387 ) = 219,6 mm θ 0, , , , ,387 5 ( 10 / 04 ) = = 0,4392 A 1 50 ( 10 / 04 ) = θ ( L2 L ) = 0,4392.( 500 ) = 219,6 mm

78 cm 3.cm -3 c) A variação de armazenamento de água no solo no volume de controle, entre os dias 10 e 17/04, expressa o consumo de água da cultura de feijão, uma vez que no período considerado não houve irrigação nem precipitação, ou seja: θ 0, , , , , ( 17 / 04 ) = = 0,3908 cm cm 5 A 1 50 ( 17 / 04 ) = θ ( L2 L ) = 0,4082.( 500 ) = 204,1mm A 219,6 204,1 7 ( 17 / / 04 ) = = 2,2 mm. dia 1

79 1.5.1 Movimento de água no solo Estado energético da água A água é transferida para a atmosfera pelos processos de transpiração e evaporação. Transpiração a água na forma de vapor passa por difusão estomática para a atmosfera. Evaporação existindo um gradiente de potencial entre o solo e a atmosfera, a umidade do solo diminui e com isso o potencial da água.

80 1.5.1 Movimento de água no solo Ψ atm =-10,0 a -100,0 MPa Ψ folha =-0,5 a -0,4 MPa Ψ raiz =-0,1 a -1,0 MPa Portanto, a água se desloca de regiões de maior para menor energia tendência na natureza de todos os corpos assumirem um estado de energia mínima. Ψ solo =-0,01 a -0,2 MPa

81 1.5.1 Movimento de água no solo Conclui-se que, a quantidade de água presente no solo, na planta, na atmosfera ou em qualquer corpo na natureza é caracterizada por um estado de energia Conceitos estáticos Armazenamento Conceitos dinâmicos Movimento

82 1.5.1 Movimento de água no solo Formas de energia da água O estado de energia da água pode ser expresso: Cinética Potencial Ec 2 mv = Ep = mgh 2

83 1.5.1 Movimento de água no solo Potencial da água no solo O potencial está associado à quantidade de água disponível no solo. Quanto menor o potencial, mais dificuldade a planta terá para equilibrar o fluxo de água no sistema solo-planta-atmosfera. Pelo fato da Ec ser desprezível, o potencial é uma estimativa do estado de energia da água no solo.

84 Potencial da água no solo a) Unidades do potencial energia volume energia massa energia peso J Nm N = = = = Pa m m m = = J kg = J kg.g Nm kg = = Nm Kg.g kgmm 2 s kg = = m s 2 2 kgmm 2 kgs m s 2 = m

85 Potencial da água no solo a) Potencial e seus componentes ψ = ψ ψ g os + ψ p + ψ... + ψ m +

86 a) Potencial e seus componentes Potencial matricial Lei de Stevin P = γ h P A γ(h + h + h) + γ h = P = γ1h + γ(h2 + h1 A + h) 0 PA γ1 γ = h + (h2 + h1 + h) γ γ γ

87 a) Potencial e seus componentes Potencial matricial ψ A = h + h 2 + h 1 + h ψ A = 12,6h + h 2 + h 1

88 a) Potencial e seus componentes Curva de retenção

89 a) Potencial e seus componentes Van Genutchen (1980) θ = θ r + θ s θ [ 1 + ( αψ ) n ] m m r

90 Exemplo θ = 0, ,445 [ 0, (16,353ψ ] 0, 2681 m) Com base na equação (θ cm 3 cm -3 e ψ m cca(+)) qual a umidade do solo equivalente a um potencial matricial medido de 50,8 cca;? Um novo tensiômetro foi instalado obtendo h = 20cm, h 1 = 5 cm e h 2 = 30 cm. Sabendo que θ cc = 35% e θ pm = 20% e que a recomendação é que a irrigação seja realizada toda vez que θ = 40% da água disponível: está na hora de irrigar?

91 1.5.2 Disponibilidade de água no solo A água no solo teoricamente disponível às plantas - θ cc 0,1 a 0,3 atm (10 30 kpa) - θ pm 15 atm (1500 kpa) θ cc equilíbrio entre a retenção e a força da gravidade, quando a drenagem é desprezível θ pm equilíbrio entre as forças de adesão e a sucção exercida pelas raízes

92 1.5.2 Disponibilidade de água no solo

93 1.5.2 Disponibilidade de água no solo DTA = U cc U pm mm de água ds 10 cm do solo DTA = g g água solo g solo cm 3 solo = g água cm 3 solo = cm cm 3 3 água solo DTA = cm cm cm cm 2 2 água solo = cm água cm solo = 10mm água cm solo

94 1.5.2 Disponibilidade de água no solo

95 1.5.2 Disponibilidade de água no solo Os valores de DTA variam em função da textura do solo e assumem normalmente os seguintes valores: Textura grossa: 0,4 a 0,8 Textura média: 0,8 a 1,6 Textura fina: 1,2 a 2,4

96 1.5.2 Disponibilidade de água no solo AD U U cc pm = DTA.Z = dsz 10 AFD = AD.f = U cc 10 U pm dsz f

97 1.5.2 Disponibilidade de água no solo Ex. Sabendo que U = 29,0%, θ =18,0% e que D = 1,35 cc pm s g.cm -3, determine: a) a disponibilidade total de água neste solo; b) a capacidade total de água, sabendo que a profundidade efetiva do sistema radicular é de 30,0 cm.

98 1.5.2 Disponibilidade de água no solo a) θ cc = U cc.1,35 = 0,3915 cm 3. cm-3 (39,15%). Como os dois valores já estão expressos em volume, cálculo final será: DTA = θ cc θ 10 pm = 39,15 18,0 10 = 2,115 mm.cm 1 b) AD = DTA.Z = 2, = 63,45 mm.

99 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA Professor Daniel Fonseca de Carvalho ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO Instituto de Tecnologia - Depto. de Engenharia BR 465, km 7 - Seropédica-RJ (21)

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