SILVIO BUENO PEREIRA DESPRENDIMENTO E ARRASTE DO SOLO EM DECORRÊNCIA DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL

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1 SILVIO BUENO PEREIRA DESPRENDIMENTO E ARRASTE DO SOLO EM DECORRÊNCIA DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL Tese apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae. VIÇOSA MINAS GERAIS BRASIL JULHO 2000

2 SILVIO BUENO PEREIRA DESPRENDIMENTO E ARRASTE DO SOLO EM DECORRÊNCIA DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL Tese apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae. APROVADA: 7 de outubro de Prof. Demetrius David da Silva Prof. Antonio Teixeira de Matos (Conselheiro) (Conselheiro) Prof. Daniel Fonseca de Carvalho Prof. Márcio Mota Ramos Prof. Fernando Falco Pruski (Orientador)

3 A Deus. Aos meus pais Adonias e Leonilda. Aos meus irmãos Sueli, Sérgio e Sidnei. Ao meu Pastor Almir e família. A Amanda e família. ii

4 AGRADECIMENTO À Universidade Federal de Viçosa (UFV), por intermédio do Departamento de Engenharia Agrícola, pela oportunidade de realização do Curso. À Coordenadoria de Aperfeiçoamento do Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela concessão da bolsa de estudo. Ao professor Fernando Falco Pruski, pela orientação, pelo incentivo, pela amizade, pela compreensão e pela confiança. Ao professor Demetrius David da Silva, pela orientação, pelo incentivo, pela amizade e pela compreensão. Ao professor Antonio Teixeira de Matos, pelas oportunas sugestões e críticas durante a realização deste trabalho. Aos amigos do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, com os quais compartilhei as dificuldades e alegrias, pela amizade. Ao amigo Ricardo, pela valiosa ajuda e convivência durante a realização desta tese. Ao amigo Marcelo, técnico do Laboratório de Mecanização Agrícola, pela dedicação, pelas sugestões e pelo apoio durante a construção da estrutura necessária à realização desta pesquisa. iii

5 Aos funcionários do Departamento de Engenharia Agrícola e do Laboratório de Hidraúlica, pelo apoio. A todos aqueles que, direta ou indiretamente, participaram da realização deste trabalho. iv

6 BIOGRAFIA SILVIO BUENO PEREIRA, filho de Adonias Alves Pereira e Leonilda Bueno Pereira, nasceu em Guaíra, PR, em 9 de junho de Em janeiro de 1989, iniciou o Curso Técnico em Contabilidade em Mundo Novo, MS, concluindo-o em dezembro de Em agosto de 1992, iniciou o Curso de Engenharia Agronômica na Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, no Rio de Janeiro, RJ, concluindoo em agosto de Em agosto de 1997, ingressou no Curso de Mestrado em Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, em Viçosa, MG, concluindo seus estudos na área de Irrigação e Drenagem, submetendo-se à defesa de tese em outubro de v

7 CONTEÚDO Página LISTA DE SÍMBOLOS... viii EXTRATO... x ABSTRACT... xii 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA Processo de ocorrência da erosão hídrica Fatores que intervêm no processo erosivo decorrente do escoamento superficial Erodibilidade do solo Modelos para predição das perdas de solo Evolução Equação universal de perdas de solo (USLE) Water erosion prediction project (WEPP) MATERIAL E MÉTODOS Desenvolvimento e construção do canal de solo Descrição do experimento Caracterização do solo Determinação das vazões vi

8 Página 3.5. Determinação das perdas de solo Determinação da geometria da superfície do solo Estabelecimento dos modelos de regressão Comparação dos dados experimentais com os obtidos pelo modelo WEPP WEPP RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise do efeito de diferentes vazões de escoamento superficial e declividades da superfície do solo sobre as perdas de solo Comparação das perdas de solo estimadas e obtidas no canal de solo RESUMO E CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES vii

9 LISTA DE SÍMBOLOS AR = percentual de partículas com diâmetro entre 0,5 e 2 mm. Arg = percentagem de argila presente no solo. C = fator uso do solo e manejo da cultura, adimensional. C i = parâmetro que considera o efeito da cobertura vegetal entre sulcos, adimensional. C r = fator que considera a cobertura existente no sulco, adimensional. D i = taxa de desprendimento de sedimentos entre sulcos, kg s -1 m -2. D r = taxa de desagregação do solo em sulcos, kg s -1 m -2. E = espaçamento horizontal entre terraços, m. EV = espaçamento vertical entre terraços, m. G = carga de sedimentos transportados no escoamento, kg s -1 m -1. G e = efeito da cobertura do solo na erosão entre sulcos, adimensional. i m = intensidade máxima média de precipitação, mm h -1. i p = intensidade de precipitação, m s -1. K = fator erodibilidade do solo, (t ha -1 )/(MJ ha -1 mm h -1 ). K, a, b, c = parâmetros relativos à localidade. K i = parâmetro que caracteriza a erodibilidade do solo entre sulcos, kg s -1 m -4. viii

10 K r = fator erodibilidade do solo em sulcos, s m -1. K t = coeficiente de transporte, m 0,5 s 2 kg -0,5. L = fator comprimento do declive, adimensional. m = fator manejo do solo. OM = percentual de matéria orgânica do solo. P = fator prática de controle da erosão, adimensional. PERM = permeabilidade do perfil codificado conforme WISCHMEIER et al. (1971), adimensional. P u = perda de solo por unidade de área e de tempo, t ha -1 ano -1. Q = vazão de escoamento superficial, L min -1. R = fator erosividade da chuva, que é o potencial erosivo médio anual das chuvas, MJ ha -1 mm h -1. R h = raio hidráulico do escoamento, m. R s = espaçamento entre sulcos, m. S = fator grau de declive, adimensional. S f = fator ajuste relativo à declividade entre sulcos, adimensional. S S = declividade do sulco, m m -1. T = período de retorno, anos. t = duração da precipitação, min. T c = capacidade de transporte de sedimentos pelo escoamento superficial, kg s -1 m -1. T PS = taxa de perda de solo, kg min -1 m -2. u = fator uso do solo. x = distância percorrida pelo escoamento, m. W = largura do sulco, m. γ = peso específico da água, kg s -2 m -2. τ = tensão cisalhante do escoamento, N m -2. τ c = tensão crítica de cisalhamento do solo, N m -2. ix

11 EXTRATO PEREIRA, Silvio Bueno, M. S., Universidade Federal de Viçosa, julho de Desprendimento e arraste de solo em decorrência do escoamento superficial. Orientador: Fernando Falco Pruski. Conselheiros: Demetrius David da Silva e Antonio Teixeira de Matos. A erosão consiste no processo de desprendimento e arraste das partículas de solo causado pela ação da água (erosão hídrica) ou do vento (erosão eólica). Nas condições do Brasil localizado, em grande parte na região tropical do planeta, a erosão hídrica apresenta maior interesse, por ser de ocorrência mais freqüente, processar-se com maior rapidez e causar grandes prejuízos não só ao setor agrícola, como também a diversas outras atividades econômicas e ao próprio meio ambiente. Apesar dos esforços já realizados para controlar a erosão hídrica, esta ainda alcança proporções alarmantes e, segundo informações obtidas na literatura, proporciona perdas anuais da ordem de 15 a 20 t ha -1 de solo nas áreas intensivamente mecanizadas. O desprendimento e o arraste das partículas de solo são resultantes da energia cinética proveniente do impacto das gotas da chuva sobre o solo e do escoamento superficial, sendo a maior parte do solo perdida por erosão hídrica retirada das áreas agrícolas por meio de pequenos sulcos que se formam em decorrência do escoamento superficial. Com base neste x

12 enfoque, o presente trabalho teve como objetivos analisar o efeito de diferentes vazões de escoamento superficial e declividades da superfície sobre as perdas de solo; e comparar os valores dessas perdas obtidos experimentalmente com os estimados pela equação adotada pelo modelo "Water Erosion Prediction Project" (WEPP), de ampla utilização em nível mundial. Para o cumprimento dos objetivos propostos, fizeram-se necessários, previamente, o desenvolvimento e a construção de um canal de solo, no qual foi colocada uma camada de solo (Latossolo Vermelho-Amarelo) com espessura de aproximadamente 12 cm, sendo a compactação feita de modo que a densidade do solo no canal se aproximasse da existente no campo. Para análise da capacidade de desprendimento e arraste de partículas de solo pelo escoamento superficial, a aplicação de água no canal foi feita de forma uniforme, ao longo de toda a largura do canal, por meio de uma calha e de dispositivos que permitiram manter a vazão constante durante os testes. Utilizaram-se as declividades de 2, 4, 6, 8 e 10%, sendo em cada declividade usadas cinco vazões distintas. Em cada teste foi determinada a perda de solo, pelo método direto, em intervalos de dois minutos, e, com base nos dados de taxas de perdas de solo obtidos a partir das diferentes declividades e vazões de escoamento superficial utilizadas nos testes, foram ajustadas equações de regressão com tendências linear e potencial. Os resultados obtidos permitiram as seguintes conclusões: a) a declividade apresentou efeito mais expressivo nas taxas de perdas de solo que a vazão de escoamento superficial; b) observou-se tendência de declínio das taxas de perdas de solo com o tempo, sendo evidenciado que, nas declividades de 2, 4 e 6%, houve tendência de valor constante. Essa constância não foi observada nas declividades de 8 e 10%, em razão da curta duração dos testes; c) na declividade de 2%, verificou-se que a equação linear foi a que melhor se ajustou aos dados de perdas de solo ao longo do tempo; d) os valores de perdas de solo obtidos pelo WEPP superestimaram em até nove vezes os observados experimentalmente; e e) a diferença entre os valores calculados por esse modelo e os obtidos experimentalmente foi menor nas menores declividades. xi

13 ABSTRACT PEREIRA, Silvio Bueno, M. S., Universidade Federal de Viçosa, July, Detachment and movement of soil by surface runoff. Adviser: Fernando Falco Pruski. Committee Members: Demetrius David da Silva and Antonio Teixeira Matos. Erosion is the process of detachment and movement of soil particles by water (water erosion) or wind (wind erosion). In Brazilian conditions, since Brazil is almost entirely located in the tropical region, water erosion is of major concern, as it occurs more frequently, in a more rapid way and not only causes serious damages to agriculture, but to various other economic activities and the environment as well. Despite the efforts to control water erosion, it still reaches alarming proportions, and according to information obtained from literature, causes annual losses of 15 to 20 ton ha -1 soil in areas of intensive mechanization. The detachment and movement of soil particles result from the kinetic energy deriving from the impact of raindrops on the soil and from surface runoff, with most part of the soil worn away by water erosion being removed from agricultural areas via small channels that are formed due to surface runoff. Taking this into consideration, the objectives of this work were to analyse the effect of different surface runoff outflows and surface slopes on soil losses; and xii

14 to compare the loss values obtained experimentally with those estimated by the equation adopted by the Water Erosion Prediction Project (WEPP) model, which is widely used throughout the world. To achieve the proposed objectives, the development and construction of a soil channel was accomplished. A 12 cmthick layer of soil (Red-Yellow Lotosol) was placed in the channel and compactation was carried out to approximate the channel soil density to the one existing in the field. For analysing the capacity of detachment and movement of soil particles by surface runoff, the application of water on the channel was carried out uniformly along all the channel width by means of a gutter and devices for keeping a steady outflow during the tests. Five slopes (2, 4, 6, 8 and 10%) were used, and for each, five different outflows were assessed. Soil loss was determined by the direct method, every two minutes, for each test, and regression equations with linear and power tendency were adjusted, based on data of soil loss rates obtained from the different slopes and surface runoff outflows used in the tests. The results obtained permitted the following conclusions: a) slope presented more expressive effect on soil loss rates than surface runoff outflow; b) tendency for soil loss rates to decrease with time was observed, being verified that in slopes of 2, 4 and 6% there was tendency for constant value. This constancy was not observed in slopes of 8 and 10%, because of the short duration of the tests; c) in the slope of 2%, the linear equation presented the best fitting to data for soil loss over the time; d) soil loss values obtained from WEPP overestimated the ones obtained experimentally up to nine times; and e) the difference between the values estimated by this model and the experimental ones was smaller in the lower slopes. xiii

15 1. INTRODUÇÃO A erosão consiste no processo de desprendimento e arraste das partículas do solo causado pela ação da água e do vento, constituindo a principal causa da degradação das terras agrícolas. Quanto ao tipo de agente causador, a erosão pode ser classificada em eólica ou hídrica. Na erosão eólica, o agente responsável pelo processo erosivo é o vento, enquanto na erosão hídrica é a água. Nas condições do Brasil, localizado em grande parte na região tropical do planeta, onde ocorrem precipitações intensas e as temperaturas são normalmente elevadas, a erosão hídrica apresenta maior interesse, por ser a de ocorrência mais freqüente, se processar com maior rapidez e causar grandes prejuízos não só ao setor agrícola, como também a diversas outras atividades econômicas e ao próprio meio ambiente, uma vez que, para a formação de um centímetro de solo, são necessários de 120 a 400 anos (HUDSON, 1981). A erosão apresenta importância muito grande e, apesar dos esforços já realizados para controlá-la, ainda alcança proporções alarmantes. Segundo a Federação da Associação dos Engenheiros-Agrônomos do Brasil (FAEAB), no país são perdidos, a cada ano, 600 milhões de toneladas de solo agrícola devido à erosão ou ao seu inadequado manejo. Considerando uma camada arável com 20 cm de profundidade e cuja massa específica seja de 1,0 g cm-3, essa perda anual corresponderia a uma área de aproximadamente ha, ou seja, 0,5% 1

16 da área nacional ocupada por lavouras temporárias ou permanentes. Com base em parâmetros obtidos na literatura, a essas perdas de solo estão associadas perdas de nutrientes da ordem de 1,5 bilhão de dólares (BAHIA et al., 1992). No Estado do Paraná, a erosão hídrica resulta em perdas anuais da ordem de 15 a 20 t ha-1 de solo nas áreas intensivamente mecanizadas (PARANÁ, 1989). Kronen, citado por PARCHEN e BRAGAGNOLO (1991), salientou que essa perda equivale a uma perda anual de nutrientes no valor de US$250 milhões. No Estado de São Paulo, a perda anual devido à erosão é de aproximadamente 194 milhões de toneladas de terras férteis, das quais 48,5 milhões de toneladas chegam aos mananciais na forma de sedimentos transportados, causando assoreamento e poluição. Estima-se que as perdas de solo decorrentes da erosão correspondam a 10 quilos de solo para cada quilo de soja produzido e 12 quilos de solo para cada quilo de algodão (BERTOLINI e LOMBARDI NETO, 1993). Segundo BARROSO e SILVA (1992), o processo erosivo também causa problemas em cursos e reservatórios d água, podendo-se destacar: redução da capacidade de armazenamento dos reservatórios devido à sedimentação de material transportado; redução do potencial de geração de energia elétrica; elevação dos custos de tratamento da água; desequilíbrio no balanço de oxigênio dissolvido na água, proporcionando prejuízos para o crescimento de espécies aquáticas; e aumento dos custos de dragagem dos cursos e reservatórios d água. O desprendimento e arraste das partículas do solo ocorrem quando há ruptura do equilíbrio natural existente no solo, e as forças advindas de fatores climáticos, como a chuva e o vento, passam a ser suficientes para desequilibrar esse sistema. Associadas a outros fatores relativos às condições do terreno sobre o qual a chuva incide, essas forças determinam a intensidade do processo erosivo. Dentre os fatores relacionados às condições do terreno que interferem no processo erosivo, destacam-se a declividade, a capacidade de infiltração de água no solo, a distância percorrida pelo escoamento superficial, a rugosidade superficial, a resistência do solo à ação erosiva da água e a percentagem de cobertura do solo existente à época da ocorrência da chuva. A erosão hídrica, 2

17 causada pelo impacto das gotas de chuva e pelo escoamento superficial, envolve os processos de extração, transporte e deposição das partículas do solo, e sua intensidade depende de inúmeros fatores. Dessa forma, para uma adequada modelagem do processo erosivo, deve-se considerar a influência desses fatores. Dentre os inúmeros modelos computacionais desenvolvidos para estimar as perdas de solo, o Water Erosion Prediction Project (WEPP) merece destaque, sendo de ampla utilização mundial. Esse modelo considera que o desprendimento e o arraste de partículas de solo pela água ocorrem por meio de dois processos. O primeiro envolve a liberação das partículas em decorrência da energia cinética da chuva e o segundo, da liberação das partículas do solo em virtude do escoamento superficial. Tendo em vista as dificuldades de se estimarem as perdas de solo decorrentes da erosão hídrica e de caracterizar o efeito individualizado de cada um dos fatores intervenientes no processo erosivo, o presente trabalho teve como objetivos analisar o efeito de diferentes vazões de escoamento superficial e da declividade da superfície do solo sobre as perdas de solo e comparar os valores de perdas de solo obtidos experimentalmente com os estimados pela equação adotada pelo modelo WEPP. Para o cumprimento dos objetivos propostos, fizeram-se necessários, previamente, o desenvolvimento e a construção de um canal de solo. 3

18 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Processo de ocorrência da erosão hídrica O processo associado à erosão hídrica pode ser descrito da seguinte forma: com o início da chuva, parte do volume precipitado é interceptada pela vegetação e parte atinge a superfície do solo, provocando o umedecimento dos agregados do solo e reduzindo suas forças coesivas. Com a continuidade da ação da chuva, pode ocorrer a desintegração dos agregados, com conseqüente desprendimento de partículas menores. A quantidade de solo desestruturado aumenta com a intensidade da precipitação, a velocidade e o tamanho das gotas. Além de ocasionar a liberação de partículas que obstruem os poros do solo, o impacto das gotas tende, também, a compactá-lo, ocasionando o selamento de sua superfície e, conseqüentemente, reduzindo a capacidade de infiltração da água. O empoçamento da água nas depressões da superfície do solo começa a ocorrer somente quando a intensidade de precipitação excede à velocidade de infiltração ou quando a capacidade de acumulação de água no solo for excedida. Esgotada a capacidade de retenção superficial, a água começa a escoar. Associado ao escoamento superficial ocorre o transporte de partículas do solo, as quais podem sofrer deposição quando a velocidade do escoamento superficial for reduzida (PRUSKI, 1997). 4

19 Juntamente com as partículas de solo em suspensão, o escoamento superficial transporta nutrientes, matéria orgânica, sementes e defensivos agrícolas que, além de causarem prejuízos diretos à produção agropecuária, causam a poluição dos recursos hídricos. Assim, as perdas por erosão tendem a elevar os custos de produção, em vista da necessidade de aumento do uso de corretivos e fertilizantes e da redução no rendimento operacional das máquinas agrícolas. As perdas de solo associadas à erosão hídrica são, normalmente, descritas a partir da combinação de dois processos que regem o desprendimento de partículas de solo pela ação da água: a erosão entre sulcos e a erosão no sulco (FOSTER et al., 1977; MEYER et al., 1975). A erosão entre sulcos decorre do desprendimento das partículas do solo pelo impacto das gotas de chuva, enquanto a erosão no sulco provém da liberação das partículas do solo em virtude da concentração do escoamento superficial (KING et al., 1995). O processo de escoamento superficial d'água sobre o terreno ocorre tanto sob a forma laminar como de forma concentrada, em pequenos sulcos, sendo a vazão em cada sulco função da área de contribuição de escoamento para ele e do microrrelevo do terreno. A vazão de cada sulco afeta a erosão que ocorre neste e o transporte de sedimentos (GILLEY et al., 1990). A erosão entre sulcos é, às vezes, referida como erosão laminar, formando-se a partir da liberação de partículas de solo tanto pelas gotas de chuva como pelo escoamento superficial. Esse tipo de erosão é considerado o que mais causa prejuízos à agricultura, sendo de difícil identificação em sua fase inicial, por não deixar sinais de fácil percepção visual. Portanto, na erosão entre sulcos, os mecanismos relacionados à liberação de partículas de solo, pelo impacto das gotas da chuva na superfície do solo e pelo escoamento superficial, são responsáveis pelo desprendimento e transporte de sedimentos (FOSTER, 1982). Segundo FOSTER (1982), a concentração do escoamento superficial produzido por uma chuva ocasiona a formação de pequenos canais, o que resulta na erosão em sulcos, constituindo uma etapa mais avançada da erosão laminar, que pode ser facilmente controlada pelas práticas de cultivo. Numa encosta, ela 5

20 começa em posições situadas mais a jusante, porém, pelo seu próprio processo de formação, deixa marcas visíveis no terreno, sendo, portanto, de fácil identificação. A erosão em sulcos é caracterizada pela formação de canais com uma profundidade máxima de 300 mm, podendo ser subdividida quanto à profundidade dos sulcos, em razão do grau de dificuldade que os sulcos oferecem ao movimento das máquinas agrícolas, e quanto à freqüência de ocorrência dos sulcos, em virtude da distância entre estes. Nas áreas de ocorrência da erosão em sulcos há domínio da ação erosiva decorrente da energia associada ao escoamento, sendo a energia de impacto das gotas da chuva no desprendimento de partículas usualmente considerada desprezível. Além de promover o desprendimento de partículas de solo, o escoamento concentrado no sulco é também o principal agente de transporte dos sedimentos liberados (ALMEIDA, 1981). O desprendimento do solo nos sulcos ocorre quando a capacidade de transporte de sedimentos pelo escoamento é maior do que a resistência ao cisalhamento do solo. Quando a força cisalhante exceder a resistência crítica ao cisalhamento e quando a carga de sedimentos transportada for menor que a capacidade de transporte do escoamento, ocorrerá o desprendimento de solo nos sulcos. O desprendimento de partículas de solo no sulco é considerado nulo quando a força de cisalhamento for menor do que a resistência crítica do solo (TISCARENO-LOPEZ et al., 1993). BRADFORD et al. (1987) estudaram a importância relativa dos mecanismos decorrentes do impacto das gotas da chuva na superfície do solo e do escoamento superficial no processo de erosão entre sulcos. Eles concluíram que, enquanto o desprendimento das partículas de solo é ocasionado principalmente pela energia de impacto das gotas da chuva, a força cisalhante do escoamento superficial é o principal agente de transporte, sendo, entretanto, esses processos interdependentes. Tais conclusões também foram obtidas por vários outros autores, dentre eles FOSTER (1982) e GILLEY et al. (1985). 6

21 Apesar da inter-relação entre a ação erosiva do impacto das gotas da chuva e do escoamento superficial, os papéis impostos por cada um dos agentes erosivos, seja em áreas entre sulcos ou em sulcos, são muitos distintos. A maioria das equações disponíveis para predição do desprendimento das partículas de solo, sejam elas desenvolvidas para avaliar o efeito do escoamento superficial ou do impacto das gotas da chuva, não leva em consideração a inter-relação entre os agentes erosivos Fatores que intervêm no processo erosivo decorrente do escoamento superficial A precipitação é o fator climático de maior importância na erosão hídrica do solo, devido à ação erosiva exercida pelo impacto das gotas e pelo escoamento superficial produzido. Os solos, em geral, possuem variabilidade espacial muito grande das suas propriedades químicas, físicas e morfológicas. Com isso, é esperado que o seu comportamento em relação ao processo erosivo seja bastante diferenciado. Entretanto, quanto menores a estabilidade dos agregados e a capacidade de infiltração da água no solo, maior será a suscetibilidade do solo à erosão. Solos ricos em silte e areia e pobres em matéria orgânica são mais propensos ao processo erosivo, em razão da pequena resistência que oferecem ao desprendimento de partículas durante a precipitação. A baixa capacidade de infiltração da água em um solo torna-o mais propenso ao escoamento superficial e, conseqüentemente, ao transporte dos sedimentos. Além disso, quanto mais íngreme e longa for a encosta, tanto maior será a concentração do escoamento superficial e, por conseqüência, maiores devem ser a velocidade e a vazão correspondentes, o que aumentará a capacidade de transporte de sedimentos (PRUSKI, 1998). Segundo COGO et al. (1996), a erosão do solo depende das características da chuva, do escoamento superficial e das condições da superfície do terreno. As características da chuva são determinantes da erosão laminar, enquanto as condições do escoamento o são da erosão que ocorre nos sulcos. 7

22 Outros autores, como LATTANZI et al. (1974), MEYER e HARMON (1989), MEYER (1981), PARK et al. (1983), BRADFORD et al. (1987) e GHIDEY e ALBERTS (1994), têm destacado que a intensidade da chuva, a infiltração da água no solo, o escoamento superficial e a declividade e cobertura do solo são os fatores que mais afetam a erosão laminar. O processo de erosão em sulcos também é influenciado pelas condições da superfície do solo, como a existência de vegetação ou resíduos vegetais, a declividade e as condições de rugosidade, que reduzem a velocidade e o volume de escoamento, diminuindo a capacidade de transporte do escoamento. O escoamento superficial concentra-se em razão de irregularidades do terreno como presença de linhas de cultivo, sulcos de semeadura, microrrelevo do terreno e barreiras vegetais e de diferenças na densidade e erodibilidade do solo (MEYER et al., 1975). A erosão no sulco é um processo hidráulico no qual as forças de cisalhamento do escoamento produzem desagregação e transporte de partículas do solo na interface água-solo (FOSTER, 1982). O agente principal da erosão em sulcos é a ação cisalhante do escoamento concentrado sobre o fundo e as laterais dos sulcos que age diretamente na desagregação do solo, na formação de caminhos preferenciais que avançam no sentido da jusante para a montante e no desmoronamento das paredes laterais dos sulcos. Com a ocorrência do escoamento em sulcos, desenvolve-se uma tensão cisalhante no perímetro molhado do sulco que pode desagregar as partículas da massa do solo. A taxa de desagregação resultante, quando a tensão cisalhante do escoamento supera a tensão crítica de cisalhamento do solo, varia conforme o tipo e manejo do solo e é diretamente proporcional ao seu fator de erodibilidade nos sulcos e à diferença entre a tensão cisalhante do escoamento e a tensão crítica de cisalhamento do solo. FOSTER (1982) descreveu essa relação com a seguinte expressão: em que D r K r ( τ τ ) = (1) c 8

23 D r = taxa de desagregação do solo em sulcos, kg s -1 m -2 ; K r = fator de erodibilidade do solo em sulcos, s m -1 ; τ = tensão cisalhante do escoamento, N m -2 ; e τ c = tensão crítica de cisalhamento do solo, N m -2. A ocorrência da erosão do solo, decorrente de um escoamento concentrado, ocasiona, inicialmente, aprofundamento do sulco devido à maior tensão cisalhante do escoamento no fundo do canal (CHOW, 1959). O aprofundamento do sulco ocorre até que o escoamento superficial encontre uma camada de solo mais resistente à erosão, quando, então, o sulco passa a sofrer maior alargamento do que aprofundamento. O alargamento do sulco causa redução do seu raio hidráulico, o que, por conseguinte, mantida a mesma vazão, causa redução da tensão cisalhante do escoamento. Quando a tensão cisalhante do escoamento tornar-se menor que a tensão crítica de cisalhamento do solo, o sulco atingirá uma condição de equilíbrio, não havendo mais desagregação do solo na superfície dos sulcos (FOSTER, 1982). O aumento da porcentagem de cobertura do solo, independentemente do tipo do resíduo utilizado, proporciona diminuição da velocidade de escoamento superficial da água e, conseqüentemente, da porcentagem de sedimentos transportados. Isso se deve ao fato de que o resíduo cultural, presente sobre a superfície do solo, serve como barreira física, retendo sedimentos de maior tamanho que, de outra forma, seriam transportados pelo escoamento superficial (LOPES et al., 1987). Os resíduos vegetais incorporados ao solo podem proporcionar, por efeitos diretos e indiretos, redução da erosão em sulcos. VAN LIEW e SAXTON (1983) verificaram que o efeito desses resíduos sobre a desagregação do solo nos sulcos é devido à redução da tensão cisalhante do escoamento atuante sobre o solo, à formação de locais de deposição de partículas suspensas e, em longo prazo, à melhoria da agregação do solo. MEYER et al. (1983) conduziram uma série de experimentos para avaliar as perdas de solo ao longo do sulco em uma linha de cultivo. Foram 9

24 realizadas combinações com quatro declividades e quatro vazões, sendo os testes conduzidos em duas condições: precipitação de 122 mm h -1 e sem precipitação. A vazão na entrada do sulco foi reduzida à medida que se iniciou a precipitação, nas mesmas proporções, de forma que a saída do escoamento estivesse igual à vazão obtida no teste sem a precipitação. Esses autores concluíram que o transporte de sedimentos no sulco foi um fator muito influenciado pela declividade. Com a elevação da declividade, houve aumento na capacidade de transporte de sedimentos no sulco. Apesar de ter ocorrido em menor escala, a vazão também afetou a capacidade de transporte de sedimentos, sendo o valor desse parâmetro diretamente proporcional à vazão. LATTANZI et al. (1974) verificaram que, quando a declividade aumentou de 2 para 20%, a erosão entre sulcos de um solo siltoso cresceu mais do que o dobro. WATSON e LAFLEN (1986) afirmaram que o aumento da declividade da superfície do solo também aumenta a erosão nas áreas entre sulcos, embora isso não aconteça na mesma proporção que ocorre na erosão em sulcos. Essa conclusão foi também obtida por diversos outros pesquisadores, dentre os quais ZINGG (1940), SMITH e WISCHMEIER (1957), VAN LIEW e SAXTON (1983) e HAHN et al. (1985). A suscetibilidade do solo à erosão em sulcos também é muito afetada pelo método de preparo do solo. O revolvimento aumenta a erodibilidade e reduz a tensão crítica de cisalhamento do solo. FOSTER (1982) verificou que a erosão em sulcos, em solo recém-preparado, foi de 3 a 15 vezes superior àquela em solo preparado há um ano Erodibilidade do solo A suscetibilidade de um solo ao processo erosivo é expressa, quantitativamente, pela sua erodibilidade (WISCHMEIER e SMITH, 1962). Essa propriedade do solo representa o efeito integrado dos processos que regulam o comportamento do solo diante dos agentes erosivos (LAL, 1988). Nos modelos de predição da erosão, a erodibilidade do solo é geralmente representada por um 10

25 fator que expressa a perda de solo por unidade de erosividade da chuva para um solo característico (WISCHMEIER e SMITH, 1958). Inúmeros índices, baseados em parâmetros do solo determinados em análises laboratoriais de rotina, têm sido usados para avaliar a suscetibilidade relativa dos solos à erosão. A maioria desses índices expressa a resistência do solo à desagregação, envolvendo propriedades que influenciam os processos de agregação e estabilidade de agregados, retenção e transmissão de água e resistência ao impacto das gotas de chuva. Tais índices representam uma medida relativa da desagregação de um solo e podem não refletir, em condições naturais, o seu comportamento em resposta aos agentes erosivos e ao manejo (BRYAN, 1968; LAL, 1988). O impacto da chuva em um solo recém-cultivado causa desarranjo dos agregados da superfície. Esse desarranjo pode provocar o selamento superficial (DULEY, 1939; FARRES, 1978), afetando a infiltração de água (DULEY, 1939; HILLEL e GARDNER, 1970) e o desprendimento e arraste das partículas do solo (FRANCIS e CRUSE, 1983). A estabilidade de agregados do solo é, provavelmente, a sua propriedade que mais influencia a erodibilidade do solo (BRYAN, 1968). Portanto, as propriedades físicas, químicas, mineralógicas e microbiológicas do solo que influenciam a estabilidade dos agregados influenciam também a erodibilidade do solo. GHEBREIYESSUS et al. (1994), analisando a influência da densidade do solo na predisposição à erosão de um solo argilo-siltoso, verificaram que a resistência à desagregação do solo foi 4,7 vezes maior para um solo com massa específica de 1,4 g cm -3, em comparação com um solo com massa específica de 1,2 g cm -3. O modelo desenvolvido por WISCHMEIER e MANNERING (1969) para estimar o fator de erodibilidade do solo considera 24 variáveis independentes. Dentre os parâmetros do solo que contribuíram expressivamente para o ajuste do modelo, destacam-se: granulometria, ph, conteúdo de matéria orgânica, índices de agregação e estrutura. A equação é válida para grande diversidade de solos de textura média, porém, além de ser um modelo complexo, 11

26 algumas variáveis, nas quais a equação está fundamentada, não são válidas quando a fração areia excede 65%, ou quando a fração argila for superior a 35%. A utilização do nomograma de Wischmeier e Smith para estimar a erodibilidade (K) dos solos de ocorrência típica no Brasil é desaconselhável, pois ela geralmente superestima os valores de K em solos tropicais (DANGLER et al., 1976; LO et al., 1985). Conforme levantamento feito por DENARDIN (1990), no Brasil número considerável de solos já tem seu fator de erodibilidade determinado, em decorrência de resultados de testes efetuados, na maioria das vezes, com o uso de simuladores de chuvas. Esse mesmo autor propôs equações para a obtenção de K em função de propriedades de cada um dos solos estudados. A expressão obtida por esse pesquisador, usando os dados de 31 solos brasileiros, foi K = 0,00608 (PERM) + 0,00834 (OM) - 0,00116 (OAL)- 0, (AR) (2) em que K = fator de erodibilidade do solo, t.ha.h/ha.mj.mm; PERM = permeabilidade do perfil obtida conforme WISCHMEIER et al. (1971), adimensional; OM = conteúdo de matéria orgânica do solo, percentagem; AR = percentual de partículas com diâmetro entre 0,5 e 2 mm; e OAL = teor de óxido de alumínio extraído por ácido sulfúrico, percentagem. O coeficiente de determinação da equação 2 foi de 0,90, indicando que ela apresenta bom potencial de utilização para a estimativa de K, nas condições dos solos brasileiros, uma vez que os solos utilizados na análise de regressão cobriram a maioria das classes de solos agricultáveis do país. GOFF et al. (1994), estudando a erodibilidade de dois tipos de solo, em condições naturais em áreas entre sulcos, obtiveram valores de erodibilidade cerca de 8,5 vezes maiores no solo arenoso (4,88 x 10 5 kg s m -4 ), em comparação com o solo argiloso (5,67 x 10 4 kg s m -4 ). Esses mesmos autores verificaram, 12

27 também, que os valores de erodibilidade obtidos nas condições naturais foram cerca de uma a duas vezes menores quando comparados com os valores obtidos por MEYER (1981), LINE e MEYER (1989) e LAFLEN et al. (1991) em solos cultivados. Eles atribuíram parte dessas diferenças à forma de uso do solo, que pode proporcionar condições bastantes diferenciadas de encrostamento e de agregação de partículas na superfície Modelos para predição das perdas de solo O processo de modelagem consiste, inicialmente, da observação de fenômenos naturais, seguida de sua descrição matemática. Aplicados a situações de campo, os modelos auxiliam na determinação das práticas conservacionistas e de manejo mais indicadas para os diferentes cenários de aplicação. Se, entretanto, essas determinações usassem apenas resultados experimentais, elas seriam altamente limitadas, tanto em termos de custo e de tempo como também de imprevisibilidade, intrínseca a fenômenos naturais (FERREIRA e SMITH, 1988). Em nível de pesquisa, os modelos matemáticos de erosão, quando empregados como parte de programas científicos e experimentais, auxiliam na identificação de lacunas do conhecimento (FOSTER e LANE, 1987) Evolução Apesar de processos físicos simples poderem ser descritos precisamente, a maioria dos processos complexos, como os dissipativos, que incluem os processos hidrológicos e sedimentológicos, requer suposições e simplificações, agregações e algum grau de empirismo na sua formulação, mesmo porque a tecnologia atual não permite sua medição precisa (FERREIRA e SMITH, 1988). Portanto, os objetivos da modelagem da erosão do solo têm sido a identificação e a posterior representação de subprocessos importantes, bem como a desconsideração ou agregação daqueles menos importantes ou de pouca influência na representação do fenômeno descrito. Tal separação é, no entanto, 13

28 muitas vezes definida em função do tipo de aplicação do modelo (FOSTER, 1988). Diversas proposições têm sido elaboradas visando representar adequadamente o processo erosivo. O desenvolvimento de tecnologia para a estimativa da erosão hídrica foi iniciado por Cook, em Esse autor identificou as três principais variáveis que afetavam a erosão hídrica como sendo: a erodibilidade do solo, a erosividade da chuva e do escoamento superficial e a proteção do solo pela cobertura vegetal. Em 1940, Zing publicou a primeira equação para calcular a perda de solo, a qual considerava os efeitos da declividade e do comprimento da rampa. Em 1941, Smith adicionou à equação fatores que permitiram considerar a influência dos sistemas de cultivo e das práticas de manejo do solo. Ele também adicionou o conceito de limite anual de perdas de solo e usou o resultado da equação para desenvolver um método gráfico para selecionar práticas conservacionistas para determinadas condições de uso do solo típicas do meio-oeste dos Estados Unidos. O desenvolvimento de modelos de estimativa de erosão continuou durante a Segunda Guerra Mundial, mas publicações de pesquisas nesta área só ocorreram após a guerra. Browning, em 1947, adicionou fatores de erodibilidade e manejo do solo à equação proposta por Smith, em 1941, e preparou tabelas para estudo das perdas de solo pela erosão, nas quais estão considerados diferentes tipos de solo, culturas e comprimentos de rampa (RENARD, 1997). A partir da década de 50, com o surgimento da Equação Universal de Perdas de Solo, observou-se grande evolução na descrição físico-matemática do processo erosivo. Na época, a grande limitação de processos que permitissem a solução de equações matemáticas induzia à utilização de procedimentos fundamentados em bases empíricas, como é o caso da Equação Universal de Perdas de Solo. O avanço da informática, entretanto, permitiu o desenvolvimento de procedimentos baseados em técnicas de simulação que possibilitam considerar as variações espaciais e temporais inerentes ao processo erosivo (GROSH e JARRETT, 1994). 14

29 Equação universal de perdas de solo (USLE) Segundo Wischmeier e Smith, citados por ALBUQUERQUE (1991), com o uso da USLE, pode-se fazer a previsão das perdas de solo causadas pela erosão, bem como indicar quais são os fatores que exercem maior influência sobre as perdas de solo. Foi desenvolvida em 1954, no "Runoff and Soil-Loss Data Center", sediado na Universidade Purdue - EUA (WISCHMEIER e SMITH, 1965), apresentando, em sua versão original, a seguinte forma (WISCHMEIER e SMITH, 1958): P u = R K LSCP (3) em que P u = perda de solo por unidade de área e de tempo, t ha -1 ano -1 ; R = fator erosividade da chuva (potencial erosivo médio anual das chuvas), MJ ha -1 mm h -1 ; K = fator erodibilidade do solo (perda de solo por unidade do fator erosividade da chuva, para um solo específico, quando mantido permanentemente descoberto e com preparo do solo no sentido do declive, em uma parcela com 22 m de comprimento e 9% de declividade), (t ha -1 )/(MJ ha -1 mm h -1 ); L = fator comprimento do declive (razão entre as perdas de solo de uma área com um comprimento de declive qualquer e aquela com 22 m de comprimento, para o mesmo tipo de solo e mesma declividade), adimensional; S = fator grau de declive (razão entre as perdas de solo de uma área com uma declividade qualquer e aquela com 9% de declividade, para o mesmo tipo de solo e o mesmo comprimento de declive), adimensional; C = fator uso do solo e manejo da cultura (razão entre as perdas de solo de uma área com uma cultura e manejo específicos e aquela mantida, permanentemente, descoberta e com o preparo 15

30 P do solo no sentido do declive), adimensional; e = fator práticas de controle da erosão (razão entre as perdas de solo de uma área com práticas conservacionistas e aquela mantida permanentemente descoberta e com o preparo do solo no sentido do declive), adimensional. O fator erodibilidade do solo é um parâmetro quantitativo, determinado experimentalmente no campo numa parcela com dimensões e características padronizadas (22 m de comprimento, 9% de declive e mantida permanentemente descoberta e com preparo do solo reduzido no sentido do declive) (WISCHMEIER e SMITH, 1965). Nessas condições da parcela-padrão, os fatores L, S, C e P assumem valores unitários e o fator K iguala-se a P u /R, ou seja, passa a ser o coeficiente angular da curva de regressão das perdas de solo em função do fator erosividade da chuva (WISCHIMEIER e SMITH, 1962). É importante salientar que, mesmo nas regiões em que existem bancos de dados suficientes para dar suporte à utilização da USLE, seu emprego está condicionado a algumas limitações, ou seja, além de ser uma equação de predição apenas de erosão e, conseqüentemente, não considerar deposição, ela não estima a erosão em sulcos em fase mais avançada e nem a perda de solo decorrente de chuvas isoladas (RISSE et al., 1993). Apesar da existência de um consenso entre os pesquisadores da área de que com o uso da USLE obtém-se boa estimativa da erosão sazonal, ela não é capaz de satisfazer os crescentes desafios impostos pelos problemas de erosão (WILLIAMS, 1975; FOSTER, 1982; OWOPUTI e STOLTE, 1995). Por exemplo, WILLIAMS (1975) verificou que com o uso da USLE não se pode estimar, efetivamente, a perda de solo de canais ou barrancos, e FOSTER (1982) relatou que a USLE não fornece informação adequada das variabilidades temporal e espacial da erosão durante uma chuva. Porém, isso não quer dizer que modelos empíricos como a USLE não tenham valor, pelo contrário, projetos práticos serão por muito tempo baseados nesses modelos empíricos até que o processo físico da erosão seja mais bem entendido. 16

31 Na tentativa de aperfeiçoar ou adaptar a estrutura da USLE para outras finalidades, modificações feitas em alguns de seus fatores resultaram em modelos diferentes, mantendo, entretanto, uma estrutura semelhante. Exemplos mais conhecidos desses modelos são: a Equação Universal de Perdas de Solo Modificada (MUSLE) (WILLIAMS, 1975), desenvolvida para predição do aporte de sedimentos na seção de deságue de pequenas e médias bacias hidrográficas; o modelo ONSTAD-Foster (ONSTAD e FOSTER, 1975), no qual o termo de erosividade é separado em um fator de chuva e outro de enxurrada; e o modelo Erosion Productivity Impact Calculator (EPIC) (WILLIAMS et al., 1984), com o qual não se prediz apenas a erosão, mas também sua relação com a perda de produtividade e, mais recentemente, a RUSLE (RENARD et al., 1991), que é uma atualização da USLE com modificações na estimativa dos fatores K, C e LS Water erosion prediction project (WEPP) O WEPP representa a última geração de modelos baseados em processos, incorporando os desenvolvimentos anteriores de Meyer e Wischimeier em 1969, Foster e Meyer em 1972 e Meyer et al. em1975. Esse modelo constitui um pacote tecnológico de predição da erosão desenvolvido por um programa interinstitucional envolvendo as instituições norte-americanas: USDA Natural Resources Conservation Service, Agricultural Research Service, USDA Forest Service e USDI Bureau of Land Management, dentre outras envolvidas na conservação de água e solo e no planejamento e avaliação da qualidade ambiental. Tal pacote teve como objetivo elaborar uma tecnologia para o planejamento ambiental e a conservação da água e do solo, a fim de permitir a predição dos impactos resultantes de práticas de manejo de terras para produção agrícola, pastagens e áreas florestais, especialmente no que se refere à erosão. O WEPP inclui os processos hidrológicos fundamentais de precipitação, infiltração e escoamento superficial, além dos processos erosivos básicos de 17

32 desprendimento, transporte e deposição, tanto em vertentes (hillslope version) como em bacias hidrográficas (watershed version). O modelo permite o cálculo da distribuições espacial e temporal de perda de solo e deposição em uma bacia hidrográfica ou encosta, tanto em nível de evento como em simulação contínua, ao longo do ano, de forma a possibilitar a adoção de medidas conservacionistas para controlar a erosão. O modelo WEPP pode ser dividido, conceitualmente, em seis componentes: i) climático, com o qual, por meio de um algoritmo baseado na cadeia de Markov de estádio duplo, considerando dados históricos, são gerados dados climáticos para uma localidade específica; ii) hidrológico, sendo a infiltração calculada pela equação de Green-Ampt; iii) crescimento de plantas; iv) solos; v) erosão/deposição; e vi) irrigação. Na modelagem para predição das perdas de solo, a erosão é separada em erosão entre sulcos e erosão em sulcos. A erosão entre sulcos é descrita como o processo de desprendimento das partículas de solo pelo impacto das gotas da chuva, pelo transporte no escoamento de lâmina rasa e pela liberação de sedimentos para os pequenos sulcos ou canais. A erosão em sulco é descrita como função da capacidade do escoamento em desprender os sedimentos, da capacidade de transporte do escoamento e da carga de sedimentos existentes no escoamento (FLANAGAN, 1995). A erosão é determinada, utilizando-se a equação da continuidade para a quantificação do transporte de sedimentos em suspensão e considerando condições de regime permanente, ou seja: em que dg dx = D i + D r (4) G = carga de sedimentos transportados, kg s -1 m -1 ; x = distância percorrida pelo escoamento, m; e D i = taxa de desprendimento de sedimentos entre sulcos, kg s -1 m

33 A liberação de sedimentos entre sulcos é considerada independente de x e é sempre positiva. A erosão em sulcos é positiva para o desprendimento e negativa para a deposição. De acordo com TISCARENO-LOPEZ et al. (1993), nesse modelo a capacidade de desagregação de partículas entre sulcos em decorrência da chuva é estimada a partir da sua intensidade, de acordo com a equação em que R s D i = C i K i Sf i p G e (5) W C i = parâmetro que considera o efeito da cobertura vegetal entre sulcos, adimensional; K i = parâmetro que caracteriza a erodibilidade do solo entre sulcos, kg s -1 m -4 ; S f = fator de ajuste relativo à declividade entre sulcos, adimensional; i p = intensidade de precipitação, m s -1 ; G e = efeito da cobertura do solo na erosão entre sulcos, adimensional; R s = espaçamento entre sulcos, m; e W = largura do sulco, m. A capacidade de desagregação é dependente do fator representativo da resistência do solo ao processo erosivo e da ação da tensão de cisalhamento relativa ao escoamento superficial. A extração ou depósito de sedimentos nos sulcos, em kg s -1 m -2, é obtida com o uso da equação proposta por FLANAGAN et al. (1995): em que G ( ) D r = Cr K r τ - τ c 1 (6) Tc C r = fator que considera a cobertura existente no sulco, adimensional; G = carga de sedimentos no escoamento, kg s -1 m -1 ; e 19

34 T c = capacidade de transporte de sedimentos pelo escoamento superficial, kg m -1 s -1. O termo D r pode ser a taxa de desprendimento ou deposição de sedimentos. Isso leva a crer que ambos sempre ocorrem simultaneamente, porém tanto o desprendimento como a deposição são influenciados pela condição de escoamento no canal. A capacidade de desprendimento é dependente das propriedades de erodibilidade do solo e da tensão de cisalhamento atuante nas partículas de solo em decorrência do escoamento. A tensão de cisalhamento que atua nas partículas do solo devido ao escoamento superficial pode ser calculada conforme CHOW (1959), utilizando-se a equação τ = γ R h S S (7) em que γ = peso específico da água, kg s -2 m -2 ; R h = raio hidráulico do escoamento, m; e S S = declividade do sulco, m m -1. A capacidade de transporte de sedimentos é calculada em função da tensão de cisalhamento, usando-se para isso a equação de transporte simplificada T c = K τ t 3/2 em que K t é o coeficiente de transporte, m 0,5 s 2 kg -0,5. (8) Quando a capacidade de transporte é atingida, para dada condição de escoamento o sistema atinge a condição de equilíbrio quando o desprendimento se iguala à deposição. 20

35 3. MATERIAL E MÉTODOS Para o cumprimento dos objetivos propostos, fizeram-se necessários, previamente, o desenvolvimento e a construção de um canal de solo Desenvolvimento e construção do canal de solo Na Figura 1 estão apresentadas uma visão geral do canal de solo (a), construído para o estudo da capacidade de desprendimento e arraste de partículas de solo em decorrência do escoamento superficial, e, de forma esquemática, uma vista lateral do canal de solo, mostrando as estruturas básicas com as respectivas dimensões (b). O canal é constituído das estruturas básicas descritas a seguir: a) A estrutura de sustentação, constituída de dois cavaletes, os quais foram feitos com cantoneiras de 76,2 mm (3"), sendo em um dos cavaletes montada uma estrutura de sustentação equipada com sistema telescópio, para permitir a variação da declividade do canal com o uso de um macaco hidráulico. A cantoneira interna apresenta espessura de 63,5 mm (2,5"), Figuras 2 (a, b e c). 21