UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS CAMPUS JATAÍ CURSO DE AGRONOMIA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS CAMPUS JATAÍ CURSO DE AGRONOMIA INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO DOS CERRADOS DO BRASIL UTILIZANDO CILINDROS INFILTRÔMETROS DE DIMENSÕES REDUZIDAS MARCELLO HUNGRIA RODRIGUES Jataí-GO Agosto, 2013

2 MARCELLO HUNGRIA RODRIGUES INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO DOS CERRADOS DO BRASIL UTILIZANDO CILINDROS INFILTRÔMETROS DE DIMENSÕES REDUZIDAS Trabalho apresentado à Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí, como parte das exigências do curso de graduação em Agronomia, para obtenção do titulo de Bacharel em Agronomia. Prof. Dr.João Batista Leite Júnior Jataí-GO Agosto, 2013

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4 Resumo- O conhecimento da velocidade de infiltração da água é de fundamental importância para definir os métodos de conservação do solo. Por isso, foi proposto este trabalho, o qual teve por objetivo estimar a velocidade da infiltração da água no solo utilizando conjunto de cilindros infiltrômetros duplos de dimensões reduzidas e correlacionar os valores obtidos com os valores determinados pelos cilindros de dimensões padrões, afim da redução na quantidade de água utilizada. O trabalho foi realizado no município Jataí-GO.A infiltração da água no solo foi determinada através do método do infiltrômetro de anel, com anéis infiltrometros de dimensões reduzidas (10-20 cm) e de dimensões padrão(25-50 cm)e empiricamente por meio de modelos proposto por Horton (1940), Kostiokov (1932) e o Kostiokov-Lewis (1945).foram feitas análise comparativa dos resultados estatisticamente através do coeficiente determinação (R 2 ). Concluiu-se que os cilindros de dimensões reduzidas podem ser usados para determinação da velocidade de infiltração da água no solo, o de Kostiakov apresentou em média os melhores valores e houve uma redução de 84,2% na quantidade de água utilizada. Termos para indexação: movimento de água; regressão linear; Kostiakov-Lewis; Horton.

5 1. INTRODUÇÃO A infiltração da água no solo é um processo dinâmico de penetração vertical da água através da superfície do solo. O conhecimento da taxa de infiltração da água no solo é de fundamental importância para definir técnicas de conservação do solo, planejar e delinear sistemas de irrigação e drenagem, bem como auxiliar na composição de uma imagem mais real da retenção da água e aeração no solo. A velocidade de infiltração no solo (VI) pode ser expressa por unidade indicativa de altura de lamina ou volume de água infiltrada no perfil do solo por unidade de tempo como mm h -1, cm h -1, ou L s -1, sendo que a velocidade é um dos fatores mais importantes na irrigação, porque ela determina o tempo em que se deve manter a água na superfície do solo ou a duração da aspersão, na busca de uma aplicação de quantidade desejada de água (Bernardo et al.,2006). Segundo Reichardt (1987), o conhecimento desta variável é imprescindível para a elaboração de um projeto de irrigação com objetivo de obter maior rendimento das culturas. A determinação da infiltração tem sido amplamente estudada e ainda não existe um parecer geral sobre qual é o melhor método para sua determinação. Entre as propriedades físicas do solo, a infiltração é uma das mais importantes quando se estudam fenômenos que estão ligados ao movimento de água entre estes a infiltração e a redistribuição. A permeabilidade do solo tem grande influencia na capacidade de infiltração do solo, então quanto mais permeável for o solo, maior será a quantidade de água que ele pode absorver. Alguns fatores tais como a umidade, permeabilidade, temperatura do solo e profundidade do extrato impermeável, são fatores de extrema importância no fenômeno da infiltração. E que devido ao fato das forças gravitacionais e de capilaridade um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial. (Gomes Filho et al.,2013). É necessário que em estudos hidrológicos, nos países tropicais, o conhecimento da resposta que o solo tem à chuva. Porque ela é um tipo de precipitação que causa erosão, e é fundamental na escolha do sistema de manejo adequado, com vistas na manutenção do potencial produtivo do solo. Por isso é necessário conhecer os processos envolvidos na infiltração, no escorrimento superficial de água e na erosão do solo (Pott et. al.,2001).

6 A infiltração de água no solo deve ser quantificada por meio de métodos simples e capazes de representar, adequadamente, as condições naturais em que se encontra o solo. Uma vez que a taxa de infiltração é afetada pelo conteúdo inicial de umidade, condições da superfície do solo, condutividade hidráulica saturada, distribuição de tamanho e volume de poros, presença de horizontes estratificados, distancia entre a fonte de suprimento de água e frente de umedecimento, textura e tipo de argila. Os resultados obtidos são ainda grandemente dependentes do método utilizado para sua determinação, apresentando todos eles problemas se utilizados para múltiplos fins (Pruski et al., 1997). Sendo assim, o conhecimento dessas condições é de fundamental importância para a interpretação dos resultados. Embora não exista padronização dos sistemas de medição da infiltração, utilizam-se principalmente infiltrômetros duplo-anel ou simples-anel. A vantagem do primeiro sobre o segundo é de minimizar as infiltrações laterais, mantendo o fluxo na direção vertical. A sua desvantagem é uma operação mais complicada, principalmente porque necessitam de maiores volumes de água, pois as dimensões dos cilindros são de 30 e 60 cm. Com a finalidade de reduzir a quantidade de água utilizada e facilitar a instalação dos anéis, foi proposto este trabalho, o qual teve por objetivo estimar a velocidade da infiltração da água no solo utilizando conjunto de cilindros infiltrômetros duplos de dimensões reduzidas e correlacionar os valores obtidos com os valores determinados pelos cilindros de dimensões padrões.

7 2. MATERIAL E MÉTODOS O experimento foi conduzido durante os meses de maio a setembro de 2011 na área experimental do Campus Jataí da Universidade Federal de Goiás, localizado a 17º53 S e 51º43 W e com 670 m de altitude. O clima da região, segundo a classificação de Koepen, é do tipo Cw, mesotérmico, com estação seca e chuvosa definidas. O solo da área do experimento é um Latossolo Vermelho distroférrico (Embrapa, 1999), o qual é manejado em sistema convencional, ou seja, é submetido à aração e gradagem anualmente. Foram realizados seis testes de infiltração no mesmo local utilizando cilindro infiltrômetro duplo com 40 cm de altura e 10 e 20 cm de diâmetro para os anéis interno e externo, respectivamente e o cilindro infiltrômetro de dimensões padronizadas, altura de 40 cm, diâmetros externos e internos de 50 cm e 25 cm, respectivamente. O anel externo tem como finalidade reduzir o efeito da dispersão lateral da água infiltrada do anel interno. Assim, a água do anel interno infiltra no perfil do solo em direção predominante vertical, o que evita super estimativa da taxa de infiltração. Os cilindros de dimensões reduzidas e padronizadas foram posicionados a 20 cm de profundidade e durante a realização dos testes dentro do cilindro interno foi mantida uma carga de água constante de aproximadamente 19 cm em relação à superfície do solo, a qual mantida por controle manual por um registro de ação rápida, devidamente ajustada a uma mangueira que alimenta o cilindro interno e o externo foi abastecido manualmente. Os tempos em minutos de cada leitura foram: 0, 1, 2, 2, 5, 5, 10, 10, 15,15, 15, 30, 30 e 30 minutos a contar do instante zero e, com o tempo total de duração de cada teste de 200 minutos. Os testes foram realizados até que a taxa de infiltração, observada no anel interno, tornasse aproximadamente constante com o tempo. (O critério adotado neste trabalho para condição de taxa de infiltração constante foi quando o valor de leitura da carga de água no cilindro interno se repetiu pelo menos três vezes). A infiltração da água no solo foi determinada in situ através do método do infiltrômetro de anel e empiricamente por meio de modelos proposto por Horton (1940), Kostiokov (1932) e o Kostiokov-Lewis (1945).

8 Para avaliar o desempenho entre os valores da infiltração obtidos em campo e os valores calculados através dos modelos empíricos de Kostiakov, Horton e Kostiakov-Lewis para os seis testes de infiltração, foram feitas análise comparativa dos resultados estatisticamente através do coeficiente determinação (R 2 ). Para comparação e análise dos resultados dos cilindros de dimensões reduzidas comparados com o de tamanho padrão foram utilizados os critérios propostos por (Jensen et al., 1990), envolvendo o erro padrão de estimativa (EPE), erro padrão da estimativa ajustado (EPEa), coeficientes de ajustes das equações lineares com seus respectivos coeficientes de determinação (R 2 ). em que Y i é a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões reduzidas (mm h -1 );Y m é a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões padronizadas (mm h -1 ); n é o número total de observações e Y ic é a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões padronizadas, corrigida pelos coeficientes da regressão linear (mm h -1 ). As correlações entre os valores de velocidade de infiltração foram realizadas estatisticamente através da equação linear: em que: y representa a variável dependente; x a variável independente; a e b são coeficientes angular e linear da equação de regressão linear. A variável dependente y corresponde aos valores da velocidade de infiltração obtidos no cilindro de dimensões reduzidas, em quanto que a variável independente x corresponde aos valores de velocidade de infiltração obtidos no cilindro de dimensões padronizadas.

9 A correlação entre a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões reduzidas e a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões padronizadas foi realizada com base em indicadores estatísticos, a fim de se observar a precisão dada pelo coeficiente de correlação (r) que está associado ao desvio entre valores estimados e medidos indicando o grau de dispersão dos dados obtidos em relação à média. O coeficiente de correlação pode ser calculado a partir da seguinte equação: em que: Y est representa a variável estimada; Y representa a variável observada e Y med representa a média das variáveis observadas. Os valores de coeficiente de correlação encontrados foram classificados de acordo com a metodologia de Hopkins (Tabela 1). Tabela 1. Classificação das correlações de acordo com coeficiente de correlação (r) Coeficiente de correlação (r) Classificação 0,0 0,1 Muito Baixa 0,1 0,3 Baixa 0,3 0,5 Moderada 0,5 0,7 Alta 0,7 0,9 Muito alta 0,9 1,0 Quase perfeita Hopkins Aplicou-se, também, o teste desenvolvido por Willmott (1981), que através de um coeficiente designado concordância ou exatidão (d), quantifica matematicamente a dispersão dos dados em relação aos dados obtidos pelos cilindros de dimensões padrões, sendo calculado pela equação:

10 em que: P i é a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões reduzidas (mm h -1 ); O i é a velocidade de infiltração obtida no cilindro de dimensões padronizadas (mm h -1 ) e O é a média dos valores obtidos da velocidade de infiltração no cilindro de dimensões padronizadas (mm h -1 ). Com a correlação entre os dados e a exatidão, calculou-se o coeficiente de desempenho (c) (Tabela 2) que é determinado pelo produto do coeficiente de correlação e o de exatidão ( c = r x d) (Camargo & Sentelhas, 1997). Tabela 2. Valores do coeficiente de desempenho conforme Camargo & Sentelhas (1997) Valor de c Desempenho > 0,85 Ótimo 0,76 0,85 Muito Bom 0,66 0,75 Bom 0,61 0,65 Mediano 0,51 0,60 Sofrível 0,41 0,50 Mau 0,40 Péssimo Camargo & Sentelhas (1997)

11 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Tabela 3 podem ser observados os valores das médias da velocidade de infiltração e da infiltração acumulada dos testes de infiltração. Tabela 3.Médias dos dados da velocidade de infiltração e da infiltração acumulada de água no solo, obtidos a partir dos testes no cilindro infiltrômetro duplo reduzido, em Latossolo Vermelho Distroférrico -Jataí GO. Tempo Acumulado (min) Infiltração Acumulada (mm) Velocidade de Infiltração (mm.h -1 ) 1 9,00 540,0 3 15,00 217,5 5 18,80 142, ,30 78, ,50 132, ,30 43, ,50 49, ,00 48, ,00 46, ,80 45, ,30 46, ,00 45, ,80 44, ,50 45,0 Analisando a Tabela 3, pode-se observar que no início do processo a velocidade de infiltração foi relativamente rápida (540mm.h -1 ), e diminuiu gradativamente com o tempo, até um valor aproximadamente constante, denominado de velocidade de infiltração básica (VIB), estabilizando-se no tempo de aproximadamente de 200 minutos (45mm.h -1 ). Os valores médios de infiltração obtidos estão de acordo com os reportados pela bibliografia para solo franco arenoso (Hillel, 1980).

12 As equações da velocidade de infiltração através dos modelos empíricos para os seis testes de infiltração e os coeficientes de determinação (R 2 ) para os respectivos modelos podem ser observados na Tabela 4.O alto coeficiente de determinação, de valor aproximadamente 0,999 indica que o melhor modelo para cálculo da velocidade de infiltração para a área em estudo é dado pelo modelo de Kostiakov, seguindo pelo modelo de Kostiakov-Lewis com R 2 = 0,983. Tabela 4.Equações da velocidade de infiltração da água no solo e coeficientes de determinação dos modelos empíricos de Kostiakov, Kostiakov-Lewis e Horton Modelos Equações Coeficiente de Determinação (R 2 ) Kostiakov VI = 258,56 t -0,460 0,999 Kostiakov-Lewis VI = 258,56 t -0, ,983 Horton VI = e -0,4405t 0,718 Na Figura 1 notam-se as diferenças entre os valores médios da taxa de infiltração obtidos em campo e os calculados pelos modelos. O modelo de Horton apesar de apresentar o menor R 2, foi o que apresentou velocidade de infiltração básica semelhante ao valor obtido no campo com o cilindro infiltrômetro duplo de dimensões reduzidas. Este processo hortoniano tem se mostrado predominante em algumas regiões de clima semiárido (Cantón et al., 2001), sendo a fonte principal na geração de picos de descarga em bacias, especialmente em área com estrutura de solos compactados ou desprovidos de cobertura vegetal (Garfur et al., 2003), (Thomaz et al., 2009). Em solos com alta capacidade de infiltração este modelo representa melhor a infiltração ao final do evento.

13 Figura 1. Valores médios de velocidade de infiltração obtidos em campo nos cilindros de dimensões reduzidas e os calculados pelos modelos empíricos. Na Figura 2 podem ser observadas as relações entre os valores de velocidade de infiltração calculados pelo cilindro infiltrômetro duplo de dimensões reduzidas com os valores obtidos pelo cilindro infiltrômetro duplo de dimensões padronizadas, para o município de Jataí no período de maio a setembro de Verificou-se uma alta correlação (R 2 = 0,9191).

14 Cilindro de dimensões reduzidas (20-10) 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 y = 0,8023x + 0,933 R² = 0,9191 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 Cilindro de dimensões padrão (50-25) Figura 2.Relação entre os valores de VI calculados pelo cilindro infiltrômetro duplo de dimensões reduzidas com os valores obtidos no cilindro de dimensões padronizadas. Na Tabela 5 podem ser observados os valores de EPE, EPEa, r, d, c e o desempenho do cilindro de dimensões reduzidas comparado com o cilindro considerado padrão. Tabela 5.Coeficientes estatísticos analisados para os valores de VI para a região de Jataí-GO Cilindro EPE (mm dia - r d c EPEa (mm dia - Desempenho 1 ) 1 ) Dimensões reduzidas 6,40 0,96 0,96 0,92 4,97 Ótimo O índice de confiança c entre a velocidade de infiltração obtida nos cilindros de dimensões reduzidas e os de dimensões padrões foi de 0,92, considerado ótimo de acordo com Camargo &Sentelhas (1997). De acordo com a Tabela 1, verificou-se uma correlação quase perfeita (r = 0,96) entre os valores obtidos pelo cilindro de dimensões reduzidas e o cilindro de dimensões padronizadas.

15 Tabela 6. Dados de volume de água total dos dois cilindros. Dados anel cm Dados anel cm Volume interno (L) 26, 46 4, 19 Volume externo (L) 105, 86 16, 74 Volume total (L) 132,32 20,93 De acordo com a Tabela 6 verificou-se que o volume do cilindro de dimensões reduzidas necessitou de 111,39 L a menos que o cilindro de dimensões padrão que corresponde a uma porcentagem de 84.2%.

16 4. CONCLUSÕES O modelo, de Kostiakov apresentou os melhores valores estimados da velocidade de infiltração. Os modelos empíricos subestimaram, em média, os valores das taxas da infiltração no início do processo comparados com os dados obtidos em campo. Dentro dos limites de aplicabilidade e das respectivas limitações de cada modelo, ambos forneceram resultados estatisticamente equivalentes, evidenciados pelas semelhanças dos altos valores do coeficiente de determinação e, no caso do modelo proposto por Horton, pela semelhança no valor obtido da velocidade de infiltração básica com os dados obtidos no campo. Constatou-se uma redução de volume de água gasto no teste de 84,2%, utilizando-se um volume total de 20,93 L, contrastando com a utilização de 132,32 L do teste convencional. Os cilindros de dimensões reduzidas podem ser usados para determinação da velocidade de infiltração da água no solo tornando este tipo de teste mais pratico em sua execução, devido à menor necessidade de transporte de água ate o local da execução.

17 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BERNARDO,S.; SOARES, A.A.; MANTOVANI, E.C. Manual de Irrigação. Viçosa: Universidade Federal Viçosa p. BUSSAB, W. de O. & MORETTIN, P.A. Estatística Básica. Editora Saraiva, 2004, 525 p. CANTÓN, Y.; DOMINGO, F.; Solé-BENET, A.; PUIGDEFÁBREGAS, J. Hydrological and erosion response of a badlands system in semiarid SE Spain. Journal of Hydrology. 252: EMBRAPA-Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaria. Sistema brasileiro de classificação de solos. Brasilia: Embrapa/CNPS, GARFUR, A.; JENSEN, J. R.; BORGGAARD, O. K.; PETERSEN, L. Runoff and losses of soil and nutrients from small watersheds under shifting cultivation (Jhum) in the Chittagong Hill Tracts of Bangladesh. Journal of Hydrology, v. 274, p , ASSUNÇÃO, H.F. de. Hidrologia Básica e Aplicação. In: GOMES FILHO, R.R. Gestão de Recursos Hídricos. Goiânia: Gráfica e Editora America e co-edição com a editora UEG, 2013.p HILLEL, D. Applications of soil physic.california: Academic Press, Inc. 1980, 385 p. HORTON, L.D. An approach toward a physical interpretation of infiltration capacity. Soil Sci. Soc. Am. Proc., Madison, v.5, , 1940.

18 KOSTIAKOV, A.N. On the dynamics of the coefficient of water - percolation in soils and on the necessity for studying it from a dynamic point of view for purposes of ameliation. Trans. 6t h comm. Intern. Soc. Soil Sci., Moscou, Part A., 17-21, POTT, C.A. Determinação da velocidade de infiltração básica de água no solo por meio de infiltromêtros de aspersão, de pressão, e de tensão em três solos do estado de São Paulo p. Tese(Mestrado)- Instituto Agronômico de Campinas- Campinas PRUSKI, F.F.; SILVA, D.D.; SANTOS, W.L.; RODRIGUES, L.N.; ANTTUNES, V.L. Infiltração de água no solo [S.l.:s.n], p. (Caderno didático, 25). REICHARDT, K. A Água em Sistema Agrícolas. Universidade de São Paulo-USP Piracicaba- São Paulo p. THOMAZ, E. L. The influence of traditional steep land agricultural practices on runoff an soil loss. Agricultural, Ecosystem and environment, v. 130, p , 2009.

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