3. MATERIAL E MÉTODOS

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1 3. MATERIAL E MÉTODOS Para atingir seus objetivos, o presente estudo foi realizado em três etapas distintas: a) desenvolvimento e construção do canal de solo; b) realização dos testes para quantificação das perdas de solo para as condições de interesse; e c) comparação das perdas de solo obtidas experimentalmente com as obtidas utilizando os modelos WEPP e ANSWERS Desenvolvimento e construção do canal de solo O canal de solo foi desenvolvido objetivando isolar o efeito das diversas variáveis que intervêm no processo de erosão hídrica do solo, possibilitando, assim, estudar o efeito da declividade e da energia cinética decorrente das intensidades de precipitação adotadas Construção do canal de solo O canal de solo foi constituído de cinco partes, as quais estão descritas e esquematizadas a seguir: 25

2 a) Dois cavaletes para suporte do canal, os quais foram feitos com tubos de aço galvanizado, sendo um deles em sistema telescópio para permitir a variação da declividade do canal. Os cavaletes, distanciados 850 mm, tinham dimensões de 500 mm de altura e 620 mm de largura (Figura 1). 620 mm 100 mm 400 mm 620 mm 850 mm 500 mm Figura 1 Representação esquemática dos cavaletes para suporte do canal. b) Base de apoio para a caixa de acomodação do solo, construída com perfil metálico tipo cantoneira, em L, com barras transversais a cada 340 mm, apresentando dimensões semelhantes às da caixa de contenção do solo (Figura 2). c) Caixa de contenção do solo, que é o canal de solo propriamente dito, construída com chapa metálica n o 16 (Figura 3). Esta caixa tem mm de comprimento, 700 mm de largura e 250 mm de altura, com a ressalva de que a extremidade do canal onde se fez a coleta do escoamento superficial dispunha de sistema de comporta para possibilitar que a altura da caixa, nessa seção, fosse 26

3 38,1 mm 710 mm 58 mm 1010 mm 340 mm Figura 2 Representação esquemática da base de apoio para a caixa de acomodação. 700 mm 250 mm 1000 mm Figura 3 Representação esquemática da caixa de acomodação do solo. 27

4 mantida igual à da lâmina de solo disposto na caixa. A área do canal de solo foi definida em função da área efetiva de precipitação do simulador, utilizado no experimento, conforme recomendado por ALVES SOBRINHO (1997). No fundo da caixa foram inseridas mangueiras para permitir a saída do ar no momento de saturação do solo. Essa caixa teve drenagem impedida com o objetivo de permitir a caracterização apenas do processo de desprendimento das partículas de solo pelo impacto das gotas da chuva simulada. Foram colocadas também, no fundo dessa caixa, chapas transversais (aletas) no sentido da declividade, para evitar o escoamento rente ao fundo da caixa e, dessa forma, fazer com que todo o escoamento ocorresse sobre a superfície do solo. d) Calha para condução do escoamento superficial, construída com chapa metálica n o 20, apresentando formato afunilado, com dimensões de 700 mm no lado maior, 200 mm no lado menor, 500 mm de comprimento e declividade de 20% (Figura 4). 700 mm 200 mm 200 mm 50 mm Figura 4 Representação esquemática da calha para condução do escoamento superficial. 28

5 e) Caixa de coleta do escoamento superficial, confeccionada com chapa metálica n o 16, com mm de comprimento, 700 mm de largura e 300 mm de altura. Nessa caixa foi interligado um linígrafo para registrar a lâmina de água acumulada ao longo do tempo Descrição do experimento O experimento foi conduzido na área do Laboratório de Hidráulica do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, em Viçosa, MG. Os ensaios foram realizados, utilizando-se o canal de solo (Figura 5), descrito no item 3.1, no qual foi colocada uma camada de solo de aproximadamente 150 mm de altura. Entre o fundo do canal e a camada de solo, colocou-se uma camada de areia de 5 cm, para facilitar a drenagem da água aplicada durante o preparo do solo no canal, bem como no momento da realização da saturação prévia do solo antes de cada ensaio. O solo foi passado em peneira de 4,5 mm, após ser secado ao ar por um período de dois dias, e, posteriormente, acomodado sobre o canal em três camadas de 5 cm cada uma. As camadas foram compactadas, individualmente, a partir da carga exercida com a queda de um peso de 10 kg de uma altura de 600 mm, em uma chapa de aço colocada sobre o solo. A compactação foi feita de forma que a massa específica do solo no canal se aproximasse da massa específica existente em condições de campo. Para atingir tal objetivo, fizeram-se alguns testes preliminares para determinar a massa da barra de ferro e o número de golpes necessários para que a massa específica se aproximasse da original do solo, em condições de campo. Foram feitas ranhuras entre as camadas de solo após a compactação da camada, para evitar a formação, entre estas, de caminhos preferenciais de escoamento (Figura 6). A massa de solo colocada em cada camada foi calculada em função do volume de cada camada e da massa específica obtida nos testes preliminares de compactação. Primeiramente, colocaram-se 80% da massa de solo calculada e aplicou-se um 29

6 (a) (b) Simulador de chuva Comporta Canal Aleta Calha Dreno Cavalete Caixa de coleta Figura 5 Vista geral do canal de solo sob o simulador de chuva (a) e interior do canal de solo (b). Figura 6 Vista do solo no momento da realização das ranhuras antes de ser colocada a próxima camada de solo. 30

7 volume de água de 50 litros. Após a drenagem do excesso de água, colocaram-se os 20% restantes e, após 30 minutos, fez-se a compactação da camada de solo. O equipamento utilizado para compactação do solo constituiu-se de tubo de aço galvanizado de 100 mm de diâmetro e 1 m de comprimento, com uma roldana na parte superior do tubo, na qual um cabo de aço, possuindo uma barra tubular de aço de massa de 10 kg, deslizava. A altura de elevação da barra dentro do tubo foi de 60 cm (Figura 7). Cabo Compactador Figura 7 Vista do solo sendo compactado. As aplicações da precipitação foram realizadas, utilizando-se o simulador de chuvas desenvolvido por ALVES SOBRINHO (1997), equipado com bocais tipo Veejet , sob o qual o canal de solo foi locado a uma altura de 2,5 m do 31

8 bico do simulador. Foram feitos testes preliminares de uniformidade de distribuição de água pelo simulador para a locação do canal. As intensidades de precipitação a serem aplicadas nos ensaios foram obtidas conforme recomendado por ALVES SOBRINHO (1997), em função do número de obturadores a serem abertos e da abertura desses obturadores, sendo a pressão de serviço do simulador fixada em 32,75 kpa para todas as intensidades de precipitação utilizadas. Foram feitos testes preliminares para obtenção das precipitações desejadas com o auxílio de uma calha de área igual à do canal (0,7 m 2 ) e locada na mesma posição do canal de solo. A intensidade de precipitação média foi determinada pela relação entre o volume de água coletado na calha durante o intervalo de tempo estabelecido e a área da calha de coleta. Para cada intensidade de precipitação utilizada no estudo de perda de solo, foi determinada a uniformidade de distribuição de água pelo simulador de chuvas, empregando-se o coeficiente de uniformidade de Christiansen (CHRISTIANSEN, 1942). Os testes de uniformidade de precipitação foram feitos com três repetições para cada intensidade. Para obtenção do volume de água aplicada, foram utilizados 35 coletores, distribuídos eqüidistantemente na área do canal de solo (0,7 m 2 ). O volume de água nos coletores foi determinado, utilizando-se uma proveta de 250 ml. Sabendo que a condição crítica para a ocorrência de escoamento superficial e perdas de solo é aquela em que o solo se encontra saturado antes da incidência da chuva de projeto, procedeu-se, antes da aplicação da água pelo simulador de chuvas, à aplicação de uma lâmina d'água de 100 mm, capaz de proporcionar a saturação do solo. Para evitar que durante a saturação do solo ocorressem alterações drásticas na sua superfície, esta foi protegida com uma manta sintética de alta permeabilidade (Bidim). O experimento consistiu de um esquema fatorial, no qual o material de solo foi submetido a cinco distintos valores de energia cinética (495, 832, 1.151, e J.m -2 ), correspondentes às intensidades de precipitação de 30, 46, 69, 88 e 107 mm h -1, respectivamente, com duração de 60 minutos, e a cinco declividades do canal de solo (2, 6, 10, 14 e 18%). 32

9 3.3. Caracterização do solo O solo foi coletado do horizonte A de um Latossolo Vermelho-Amarelo, nas imediações da localidade denominada "Tiro de Guerra", no município de Viçosa, MG, onde foram retiradas amostras para análise de algumas de suas características físicas e químicas, sendo os resultados apresentados nos Quadros 1 e 2, respectivamente. Quadro 1 Características físicas do solo utilizado Profundidade cm Argila 1 Massa específica Areia fina Areia grossa Silte aparente 2 dag kg -1 kg dm ,06 Classe textural Muito argilosa 1) Método da pipeta (EMBRAPA, 1997) e 2) determinada pelo método do anel volumétrico (EMBRAPA, 1997). Quadro 2 Características químicas do solo utilizado ph 1 P 2 K 2 Ca 3 Mg 3 Al 3 SB CTC CTC Saturação Profund. C-Org 4 Efetiva ph 7,0 de Al Cm -mg dm cmol c dm % g kg ,2 2,7 6,0 0,1 0,0 1,5 0,12 1,62 11,02 92,6 24,7 1 - ph em água - Relação 1:2,5; 2 - P e K = fósforo e potássio disponíveis, respectivamente, extraídos com Mehlich 1 e determinados conforme o método definido por DELFELIPO e RIBEIRO (1981); 3 - Ca, Mg, e Al = cálcio, magnésio e alumínio trocável, respectivamente, extraídos com KCl 1 mol L -1 e determinados conforme DELFELIPO e RIBEIRO (1981); e 4 - Determinado pelo método Walkley-Black (DELFELIPO e RIBEIRO, 1981). 33

10 Foram também retiradas amostras de solo na profundidade de 0-20 cm, as quais foram submetidas às tensões de 10, 30, 100, 500, e kpa, para obtenção da curva de retenção de água no solo. Os conteúdos de água retidos nas amostras de solo submetidas às referidas tensões estão apresentados na Figura Umidade (dag kg -1 ) Tensão (kpa) Figura 8 Curva de retenção de água no solo, na profundidade de 0-20 cm Determinação da energia cinética das precipitações A energia de impacto da precipitação sobre o solo, por unidade de área, foi estimada por meio da equação 5, proposta por STILLMUNKES e JAMES (1982). A energia cinética da chuva natural foi estimada pela equação proposta por WISCHMEIER e SMITH (1958) e expressa na forma EcN = (17, ,229log I) It (16) em que EcN é a energia cinética da chuva natural por unidade de área, J m

11 Velocidade de impacto das gotas na superfície do solo Partindo do pressuposto de que o jato d água fraciona-se em gotas de diâmetros diferentes ao sair de um bocal, pode-se estimar, com base nos fundamentos da hidrodinâmica, a velocidade de impacto da gota na superfície do solo. A equação diferencial que caracteriza a trajetória de uma gota que deixa um bocal posicionado verticalmente para baixo pode ser representada, segundo o princípio fundamental da dinâmica, da seguinte forma: em que 2 d y = m g - m f (17) d t m 2 m = massa da gota, M; y = altura de queda da gota, L; g = aceleração da gravidade, L T -2 ; f = resistência de arrastamento, L T -2 ; e t = tempo, T. A resistência do ar ao deslocamento da gota foi calculada a partir da relação entre a velocidade da gota e o coeficiente de arraste proposta por SEGINER (1965), ou seja: em que n f = C v (18) n C n = coeficiente de arraste cuja dimensão depende do valor de n. Substituindo a equação 18 na equação 17 e procedendo-se às devidas simplificações, tem-se 2 d y n = g - Cn v (19) 2 d t 35

12 diferencial A variação da velocidade das gotas no tempo é descrita pela equação d 2 d t y 2 d y = (20) d t A velocidade de uma gota proveniente de um bico, que, posicionado a uma altura y em relação ao solo, pulveriza a água verticalmente para baixo, foi estimada, fazendo-se n = 2 e igualando-se as equações 19 e 20, ou seja: d y = g - C v 2 2 (21) d t A velocidade foi estimada com a solução da equação diferencial 21, utilizando-se a técnica númerica de Runge-Kutta de quarta ordem. Para tal, utilizou-se uma subrotina do programa ENERCHUVA, desenvolvido por ALVES SOBRINHO (1997). Para a estimativa do coeficiente de arraste modificado em função do diâmetro da gota, empregou-se a relação entre C 2 e o diâmetro da gota proposta por HILLS e GU (1989), isto é: -0,9859 C = (22) 2 0,4671d em que d é o diâmetro médio da gota, em mm. A velocidade inicial da gota é calculada pela equação em que V 0 0,5 2 g P = C d (23) γ V 0 = velocidade inicial da gota, m s -1 ; C d = coeficiente de descarga do bico, adimensional; 36

13 g = aceleração da gravidade, m s -2 ; P = pressão de serviço, kpa; e γ = peso específico da água, N m Distribuição do diâmetro de gotas da precipitação A distribuição do diâmetro médio das gotas da precipitação foi determinada nas intensidades de precipitação de 30, 46, 69, 88 e 107 mm h -1, aplicadas com o simulador de chuvas operando com pressão de 32,75 kpa, numa altura de 2,5 m em relação à superfície do solo no canal. O método utilizado na estimativa da distribuição de tamanhos de gotas foi o da farinha, conforme descrito por OLIVEIRA (1991). A curva de calibração da farinha foi efetuada pelo impacto de gotas d água de massa conhecida, caindo de uma altura de 1,5 m dentro de bandejas contendo uma camada de 2,5 cm de farinha de trigo previamente secada em estufa ( C, por 24 horas) e passada em peneria de malha de 50 mesh. As bandejas foram feitas de tubos de PVC de 250 mm de diâmetro, com 2,5 cm de altura. Após a coleta das gotas, foi acrescentada uma fina camada de farinha às bandejas, via peneiramento, para evitar perdas por evaporação. A gota d água, em contato com a farinha, formou pequenos grânulos, que, após serem secados ao ar, por um período de 24 horas, foram separados por peneiramento e secados em estufa ( C, por 24 horas), sendo, então, pesados em balança analítica de precisão de 0,0001 g, para obtenção do peso médio dos grânulos. Esse procedimento foi repetido, usando-se gotas de massas diferentes, obtidas por meio de microtubos e agulhas de seringas. O diâmetro da gota, considerada esférica, foi determinado diretamente pela equação D 6 m π ρ = 3 (24) w 37

14 em que D = diâmetro da gota, mm; m = massa média da gota, mg; e ρ w = massa específica da água, mg.mm -3. A massa média de uma gota d água foi determinada pela coleta e pesagem de 10 gotas. Com a finalidade de minimizar os erros devido à evaporação, a coleta das gotas foi feita em placa de Petri parcialmente cheia com óleo de soja. Foram feitas três repetições para obtenção definitiva, tanto da massa média das gotas d água de determinado diâmetro quanto do correspondente peso médio dos grânulos. A curva de calibração foi obtida, correlacionando-se os diversos valores de peso médio dos grânulos com os respectivos valores de diâmetro médio das gotas d água. A colocação da farinha nas bandejas foi acompanhada de um nivelamento da superfície, mediante o uso de réguas, tomando-se o cuidado para minimizar o problema de compactação. As bandejas foram preparadas imediatamente antes de sua exposição à precipitação artificial, com a finalidade de evitar alterações expressivas no conteúdo de umidade da farinha seca, dado o seu alto poder higroscópio. Foram utilizadas três bandejas na amostragem das gotas, as quais foram passadas sob a precipitação do simulador a aproximadamente 0,2 m da superfície do solo, para evitar respingos. As bandejas foram expostas à precipitação em três posições distintas do canal (inicial, central e final), por um período de aproximadamente dois segundos. Os grânulos secos procedentes de cada bandeja, referentes a determinada intensidade de precipitação, foram separados em classes de diâmetros, utilizandose um conjunto de 11 peneiras U. S. Standard, de números 4, 5, 7, 10, 12, 16, 18, 20, 30, 35 e

15 O peso médio dos grânulos para cada peneira foi obtido pela relação entre o peso total e o número de grânulos retidos em cada peneira. O diâmetro da gota correspondente foi determinado, utilizando-se a curva de calibração Determinação das perdas de solo As perdas de solo foram determinadas pelo método direto, por meio da quantificação do solo arrastado pelo escoamento superficial. O solo foi coletado a cada intervalo de dois minutos, por um período de 30 segundos, sendo feitas coletas por um período de uma hora de precipitação. Para coleta do solo, utilizou-se o filtro de café Mellita, o qual foi previamente pesado, colocado em uma armação de tela e apoiado em um copo de plástico descartável. Após a coleta, esperou-se completar a filtragem de todo líquido coletado, para, então, colocar o filtro com solo em estufa a 105 C, por aproximadamente 36 horas, para posterior determinação da massa seca. Para quantificação do solo em suspensão que passou pelo material filtrante, foi utilizado o método da pipeta, em que todo o volume de escoamento superficial que passou pelo filtro foi agitado e, com o auxílio de uma pipeta volumétrica, foi retirada uma alíquota de 50 ml. A alíquota coletada foi colocada em uma lata, previamente pesada, e levada à estufa a 105 C, por aproximadamente 36 horas, para posterior determinação da concentração de solo em suspensão. Com base no volume total escoado durante o tempo de coleta, obteve-se a massa de solo seco que passou pelo material filtrante. A massa total de solo seco foi obtida por meio do somatório do solo retido no material filtrante e do solo em suspensão na solução que passou pelo filtro Estabelecimento dos modelos de regressão Foram realizadas análises de regressão, utilizando-se o programa estatístico "SAEG", desenvolvido pela Universidade Federal de Viçosa, com o objetivo de obter equações matemáticas ajustadas aos dados obtidos, tendo como 39

16 variável dependente a perda de solo e, como independentes, a declividade e a energia cinética decorrentes das precipitações aplicadas ao solo Comparação das perdas de solo obtidas experimentalmente com as perdas estimadas com o uso dos modelos WEPP e ANSWERS A perda de solo foi estimada, utilizando-se os modelos de predição da erosão empregados nos programas ANSWERS e WEPP. Os dados de perdas de solo obtidos experimentalmente foram comparados, por meio de correlação linear, com os valores estimados pelas equações usadas nos modelos Modelo ANSWERS No modelo ANSWERS, o desprendimento e o arraste de partículas pelo impacto das gotas da precipitação foram calculados com o uso da equação 11, descrita por MEYER e WISCHMEIER (1969). O fator de erodibilidade do solo (K) foi obtido segundo a equação proposta por WISHEMEIER e SMITH (1965), qual seja: em que -4 1,14 [2,1.10 (12 - OM) M + 3,25(s - 2) + 2,5 (p - 3)] K = (25) 100 OM = porcentagem de matéria orgânica; M = produto das frações dos tamanhos de partículas primárias; s = classe de estrutura do solo, adimensional; e p = permeabilidade do perfil, adimensional. O valor de M é calculado pela equação M = (% silte + % areia fina).(100 - % argila). 40

17 WEPP A taxa efetiva de desprendimento de sedimentos entre sulcos para este modelo foi determinada, utilizando-se a equação 14, proposta por FLANAGAN e NEARING (1995). Tendo em vista que a equação 14 foi desenvolvida para condições de chuva natural e pelo fato de o experimento ter sido conduzido utilizando chuvas simuladas, fez-se necessário proceder à correção dos valores de intensidade de chuva empregados no experimento, de forma a obter a intensidade de chuva natural que corresponda ao nível de energia cinética da chuva aplicada pelo simulador, uma vez que as chuvas simuladas apresentaram valor de energia cinética inferior ao da chuva natural. Para tal, utilizou-se a equação 16, proposta por WISCHMEIER e SMITH (1958), substituindo na equação o valor de energia cinética da chuva simulada; obteve-se, assim, a intensidade de precipitação natural correspondente a cada valor de energia cinética estudado. O efeito da cobertura vegetal foi estimado com o uso da equação em que i c -0.34Hc C = 1- F e (26) F c = fração do solo protegida pela cobertura das copas das plantas; e H c = altura efetiva da copa das plantas, m. Em razão de o solo estudado ter apresentado teor de areia menor que 30%, o K i foi estimado pela equação 27, proposta no manual do usuário do WEEP (UNIÃO... USDA, 1995): K i = Arg (27) em que K i = parâmetro de erodibilidade em áreas entre sulcos para um solo cultivado (kg.s.m -4 ); e 41

18 Arg = fração de argila no solo, g g -1. O fator de ajuste relativo à declividade entre sulcos foi estimado pela equação 9, proposta por LIEBERNOW et al. (1990). O efeito da cobertura do solo no desprendimento de sedimentos em áreas entre sulcos foi estimado por meio da equação -2,5 G gi e = e (28) em que g i é a fração da área entre sulcos que se encontra coberta. 42