2. REVISÃO DE LITERATURA

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1 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. Erosão do solo A erosão consiste no processo de desprendimento e transporte das partículas do solo, constituindo-se na principal causa da degradação dos solos agrícolas. Existem duas formas de erosão: a erosão geológica, a qual é oriunda de fenômenos naturais, atuando como agente benéfico para a formação do próprio solo; e a erosão acelerada, a qual é provocada pelo homem, devido à destruição do equilíbrio das condições naturais, sendo comumente caracterizada como erosão. A erosão pode ser classificada, quanto ao agente causador, como eólica ou hídrica. No primeiro tipo, o principal agente responsável pelo desprendimento e transporte das partículas do solo é o vento e, no segundo tipo, a água. No Brasil, indiscutivelmente, a erosão hídrica é mais importante, motivo pelo qual a presente abordagem será direcionada a essa forma de erosão. Além das partículas de solo em suspensão, o escoamento superficial transporta nutrientes, matéria orgânica, sementes e defensivos agrícolas que, além de acarretarem o empobrecimento gradativo dos solos agrícolas, geram também o assoreamento e a poluição dos mananciais. Com isso, a erosão hídrica tem sido uma das principais causas de redução da produtividade das terras 4

2 agrícolas, podendo, inclusive, resultar no abandono de áreas anteriormente produtivas. Além disso, acarreta a elevação do custo de produção, uma vez que aumenta a necessidade do uso de corretivos e fertilizantes, e reduz a capacidade operacional das máquinas agrícolas (BERTONI e LOMBARDI NETO, 1990; PARANÁ, 1989; PARKER et al., 1995). No processo erosivo, o desprendimento das partículas de solo é definido como a liberação de partículas dos agregados presentes na superfície do solo. Essa liberação é provocada por forças aplicadas às partículas de solo por agentes erosivos, os quais são, principalmente, a energia de impacto das gotas da chuva e a força cisalhante do escoamento superficial. O desprendimento das partículas de solo é um processo contínuo, ressaltando-se que as partículas, uma vez desprendidas, podem permanecer próximas ao agregado ou ser transportadas pelo escoamento superficial. Os sedimentos desprendidos são geralmente carreados pela água, por salpico ou por escoamento superficial, e esse movimento define o processo de transporte. Durante o processo de transporte, alguns desses sedimentos podem ser depositados, dependendo de diversos fatores, como: alteração da geometria da superfície do solo, lâmina de escoamento e declividade da superfície do solo, dentre outros. De forma semelhante ao desprendimento, o transporte de sedimentos é realizado por agentes erosivos, isto é, pelo impacto das gotas de chuva e pelo escoamento superficial. O domínio da energia de impacto das gotas de chuva ou do escoamento superficial no desprendimento e transporte de sedimentos depende se a erosão ocorre em sulcos ou em áreas entre sulcos. A erosão em sulcos resulta da concentração do escoamento superficial produzido por uma chuva, ocasionando a formação de pequenos canais que podem ser facilmente desfeitos pelas práticas de cultivo. FOSTER (1982) caracterizou a erosão em sulcos quando a formação de sulco era com uma profundidade máxima de 300 mm. 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 de chuva no desprendimento usualmente considerada desprezível. Além do seu papel no desprendimento de partículas de 5

3 solo, o escoamento no sulco é também o principal agente de transporte. No que diz respeito ao impacto das gotas de chuva, diversos pesquisadores verificaram que tal impacto não provoca o desprendimento de partículas de solo no sulco, entretanto ainda não existe conclusão se esse desprendimento contribui para o transporte de sedimentos (GUY et al., 1987; KINNELL, 1993). A erosão entre sulcos é, às vezes, referida como erosão laminar. O processo é tal que finas camadas de solo são removidas da superfície do solo, uma após a outra, e a erosão não é claramente evidenciada por simples inspeção visual. Na erosão entre sulcos, os mecanismos de impacto das gotas da chuva na superfície do solo e o escoamento superficial são, conjuntamente, os responsáveis pelo desprendimento e transporte de sedimentos. Usando três diferentes solos, preparados com sulcos pré-formados, YOUNG e WIERSMA (1973) estudaram a importância relativa dos mecanismos de impacto das gotas da precipitação na superfície do solo e escoamento superficial, no processo de erosão entre sulcos. Esses autores atribuíram à energia de impacto das gotas de chuva na superfície do solo a capacidade de desprender partículas de solo, bem como de transportá-las por intermédio de um processo comumente chamado de salpico. Eles concluíram que, enquanto o desprendimento das partículas de solo é realizado principalmente pela energia de impacto das gotas de chuva, a força cisalhante do escoamento superficial é o principal agente de transporte, embora esses processos sejam muito interdependentes. Essas conclusões também foram obtidas por vários outros autores, dentre eles FOSTER (1982), GILLEY et al. (1985) e BRADFORD et al. (1987). No entanto, alguns autores têm afirmado que existe interdependência muito grande entre os processos de desprendimento e transporte das partículas de solo na erosão entre sulcos, bem como nos agentes causadores destes, ou seja, a quantidade de partículas de solo desprendidas pelo impacto das gotas da chuva depende da lâmina do escoamento superficial (HIRSCHI e BARFIELD, 1988). A erosão causada pelo impacto das gotas de chuva pode depender também da quantidade de sedimentos que são transportados pelo escoamento superficial 6

4 (KEMPER et al., 1985). Isso indicou que a ação erosiva do impacto das gotas de chuva não é independente da ação erosiva do escoamento superficial. Da mesma forma, a ação erosiva do escoamento superficial, particularmente a carga de sedimentos transportados, é aumentada pelo impacto das gotas de chuva. GUY et al. (1987) verificaram que a taxa de sedimentos transportados aumentou consideravelmente com a introdução da precipitação, apesar de a taxa de escoamento ter permanecido constante. Esse aumento no transporte de sedimentos devido ao impacto das gotas de chuva, também observado por KINNELL (1993), pode ser devido ao aumento de energia causado pela turbulência provocada pelo impacto das gotas de chuva no escoamento superficial. Apesar da inter-relação entre a ação erosiva do impacto das gotas de chuva e do escoamento superficial, a maioria das equações disponíveis para predição do desprendimento das partículas de solo, sejam estas desenvolvidas para avaliar o efeito do escoamento superficial ou do impacto das gotas de chuva, não leva em consideração essa inter-relação entre os agentes erosivos. A erosão entre sulcos é um processo complexo, e a intensidade com que ela ocorre depende, basicamente, de três fatores: características da chuva, características do solo e características da superfície do solo (FOSTER, 1982; WATSON e LAFLEN, 1986) Características da chuva No que se refere ao processo erosivo, os totais anuais precipitados têm pouco significado, sendo muito importante para a erosão entre sulcos e em sulcos o conhecimento das características da chuva, como distribuição do tamanho das gotas dessa chuva, velocidade da queda das gotas, número de gotas e momento e energia cinética das gotas, bem como a intensidade, duração e freqüência da chuva. O conjunto dessas características é comumente conhecido como erosividade da chuva, a qual representa a capacidade potencial da chuva em provocar o processo de erosão do solo. 7

5 Essa erosividade tem sido usualmente expressa como uma função potencial da intensidade de precipitação (MEYER e WISCHMEIER, 1969; MEYER, 1981; PARK et al., 1983; GOFF et al., 1994). Os primeiros estudos visando obter uma equação para determinar a energia cinética das gotas de chuva foram realizados por WISCHMEIER e SMITH (1958), os quais propuseram um índice de erosividade da chuva denominado EI 30, definido como o produto da energia cinética da chuva pela intensidade máxima ocorrida em qualquer período de 30 minutos consecutivos. Apesar do grande êxito obtido nos Estados Unidos e de ser muito utilizada em outros países, a equação proposta por WISCHMEIER e SMITH (1958) para estimar a erosividade da chuva parece subestimar a energia cinética de suas gotas em regiões tropicais (ROTH et al., 1985). Entretanto, Lombardi Neto, citado por SOSA (1987), utilizando o método EI30 para o cálculo da erosividade, encontrou alta correlação (r = 0,99) entre o índice obtido e as perdas de solo no Brasil. HUDSON (1977), trabalhando na África austral, observou que chuvas com intensidade inferior a 25 mm h -1 não produziam perdas de solo expressivas. Esse autor propôs que o índice mais adequado para estimar a erosividade em regiões tropicais seria o KE > 25, que representa a soma da energia cinética dos segmentos de chuva com intensidade superior a 25 mm h -1. LAL (1988) constatou que, no caso de chuvas de alta intensidade, evidenciadas em climas tropicais, os índices que melhor se correlacionam com as perdas de solo são os do tipo PI m, que representam o produto da quantidade de chuva precipitada pela intensidade máxima ocorrida em qualquer período de m minutos consecutivos. MERMUT et al. (1997), estudando o efeito da intensidade de precipitação no desprendimento de partículas do solo, observaram que essa intensidade causa redução na velocidade de infiltração, devido à formação do selamento superficial proporcionado pelo impacto das gotas de chuva e pelo entupimento dos poros pelas partículas desprendidas. Observaram também que a quantidade de sedimentos transportados pelo escoamento tem aumento aproximadamente linear com o tempo da precipitação, o que evidencia a 8

6 importância da duração da chuva no processo de erosão entre sulcos quando associada ao efeito da intensidade da chuva. Diversos pesquisadores conduziram trabalhos em laboratório para avaliar o efeito da energia de impacto das gotas e da intensidade da precipitação na erosão entre sulcos, verificando que ambas têm alta correlação com a erosão entre sulcos (BUBENZER e JONES, 1971; MEYER, 1981; MEYER e HARMON, 1992). MEYER (1981), trabalhando em condições de campo, com aproximadamente 20 tipos de solos, constatou que a erosão entre sulcos em pequenas encostas varia, provavelmente, com o quadrado da intensidade de precipitação em solos de textura grossa, sendo o expoente da intensidade de precipitação ligeiramente menor em solos de textura fina. WATSON e LAFLEN (1986), em estudo semelhante, encontraram ampla faixa de variação em valores do expoente da intensidade de precipitação. Resultados obtidos por TRUMAN e BRADFORD (1993) também indicaram que o valor do expoente da intensidade não se aproximou de 2, sendo observado variação de 0,95 até 2,05, o que levou os autores à afirmação de que a suposição de que a perda de solo varia com o quadrado da intensidade em áreas entre sulcos não pode ser aplicada a todos os tipos de solos. MEYER e HARMON (1992), estudando o efeito da intensidade e da energia de impacto das gotas da precipitação, evidenciaram que precipitações artificiais de mesma intensidade e duração de 30 minutos produzem perdas de solo cerca de três vezes menores quando a energia cinética da precipitação foi reduzida em torno de 57%. Esses autores evidenciaram, ainda, a importância do conhecimento da energia cinética da precipitação aplicada por simuladores de chuvas utilizados nos estudos do processo de erosão entre sulcos, visto que a taxa de erosão pode ser várias vezes maior em condições de chuva natural, em comparação com chuvas artificiais, caso a precipitação simulada possua características de tamanho de gotas, velocidade terminal de gotas e energia inferiores às das chuvas naturais. O efeito do impacto das gotas sobre a superfície do solo é, em geral, representado pela energia cinética da chuva. Com base na relação entre 9

7 intensidade de chuva e distribuição de gotas por tamanho, WISCHMEIER e SMITH (1958) estabeleceram uma equação, modificada posteriormente por FOSTER et al. (1981), para cálculo da energia cinética das chuvas naturais: EC = 0, ,0873log I (1) em que EC = energia cinética, MJ ha -1 mm -1 ; e I = intensidade de precipitação, mm h -1. A relação entre intensidade de precipitação e distribuição de gotas por tamanho é específica para cada local (KINNELL, 1981), o que levou HUDSON (1977) e WAGNER e MASSAMBARNI (1988) a desenvolver diferentes relações entre energia cinética e intensidade, as quais são, respectivamente: EC -1 = 0,298 1,275I (2) EC = 0,153+ 0,0645log I (3) A equação 2 foi desenvolvida nas condições da África austral e a equação 3, a partir de três chuvas convectivas ocorridas na região central do Estado de São Paulo. De acordo com EIGEL e MOORE (1983), o método mais comum de determinação da energia associada às chuvas naturais e artificiais consiste em utilizar as propriedades físicas das gotas de chuva. Para isso, torna-se necessário conhecer a velocidade, o tamanho e a distribuição das gotas de chuva. Assim, propuseram a seguinte equação para determinação da energia cinética da chuva: n 3 2 ( d v N ) ρ w i i i i = 1 E (4) c/v = n 2 3 ( d i N i ) i = 1 10

8 em que E c/v = energia cinética por unidade de volume, M L -1 T -2 ; ρ w = massa específica da água, M L -3 ; d i = diâmetro efetivo da gota, mm; v i = velocidade de impacto da gota de chuva, L T -1 ; N i = número de gotas ou fração de chuva no intervalo de diâmetro de gotas d i e caracterizada por um diâmetro efetivo d i (mm); e n = número de intervalos de diâmetro de gota. STILLMUNKES e JAMES (1982), estudando a energia de impacto de gotas d água provenientes de chuvas artificiais sobre o solo, estabeleceram que, a partir do conhecimento da lâmina média aplicada e da velocidade média do impacto das gotas no solo, a energia cinética por unidade de área pode ser calculada pela seguinte equação: em que E 1 = (5) 2 2 c a ρ w L v E c/a = energia cinética por unidade de área, M T -2 ; L = lâmina média de água aplicada pelos bocais, L; e v = velocidade média de impacto da gota de chuva, L T -1. A lâmina de água aplicada pode ser calculada pela equação L = I t (6) em que I = intensidade média de precipitação dos bocais, L T -1 ; e t = tempo de precipitação, T. De acordo com STILLMUNKES e JAMES (1982), a energia cinética da precipitação simulada pode ser determinada, ainda, por unidade de volume, dividindo a equação 5 pela lâmina de água média aplicada, ou seja: 11

9 E 1 = (7) 2 2 c v ρ w v em que E c/v é a energia cinética por unidade de volume, M L -1 T -2. A velocidade de impacto das gotas no solo pode ser quantificada por técnicas fotográficas, conforme descrito por LAWS (1941), e por espectrômetro óptico, conforme descrito por TOSSELL et al. (1990), além de poder ser estimada por meio da equação do movimento. Além de trabalhosa, a técnica fotográfica pode ser utilizada para determinação da velocidade das gotas para apenas um bocal, sendo, portanto, inadequada para medir a velocidade em diversos bocais. O uso do espectrômetro óptico é limitado devido ao seu elevado custo. A equação do movimento, descrita por LI e KAWANO (1995) e STILLMUNKES e JAMES (1982), tem sido utilizada para estimar a velocidade de gotas, principalmente pela facilidade com que pode ser implementada computacionalmente. Para resolução das diversas equações para cálculo da velocidade de queda das gotas de chuva, é necessário o conhecimento do coeficiente de arraste das gotas, o qual é estimado em função do diâmetro médio dessas gotas. De acordo com EIGEL e MOORE (1983), os tamanhos de gotas de chuva têm sido estimados por vários pesquisadores desde meados de 1890, com a utilização dos seguintes métodos: método da mancha, método da farinha, método da imersão das gotas em óleo, método fotográfico e método do momentum. Segundo esses autores, os dois últimos métodos não prestam muito para estudos de distribuição de gotas por tamanho. O método da mancha baseia-se na suposição de que uma gota caindo sobre uma superfície absorvente uniforme produz uma mancha cujo diâmetro é proporcional ao diâmetro da gota. O tamanho da gota é obtido, comparando-se o tamanho da mancha com aquela produzida por uma gota de diâmetro conhecido. O método da farinha tem sido muito usado por demandar equipamentos facilmente disponíveis e apresentar grande praticidade. Descrito por CARTER et al. (1974), EIGEL e MOORE (1983) e OLIVEIRA (1991), este método consiste 12

10 em expor uma bandeja contendo uma camada de farinha de trigo, peneirada e não-compactada, à precipitação. Em contato com a farinha, as gotas irão produzir grânulos, que, em seguida, serão secados ao ar, separados por peneiras de diferentes malhas e, posteriormente, secados em estufa. Com uma curva de calibração previamente determinada, obtém-se o diâmetro da gota em função da massa dos grânulos formados, considerando que as gotas têm formato esférico. Tal procedimento permite determinar o diâmetro volumétrico médio de gotas, D 50, que, segundo HUDSON (1977), é o índice que melhor representa a distribuição de gotas de uma precipitação Características do solo Os solos, em geral, possuem variabilidade espacial muito grande das suas propriedades químicas, físicas e morfológicas. Com isso, é esperado que o comportamento do solo em relação ao processo erosivo seja bastante diferenciado. Quanto menores a estabilidade dos agregados do solo e a capacidade de infiltração de água, mais suscetível será esse solo à erosão. Solos ricos em silte e areia e pobres em matéria orgânica são muitos propensos ao processo erosivo, em razão da pequena resistência que oferecem ao desprendimento e transporte de partículas durante a precipitação (PRUSKI, 1998). O comportamento do solo diante do processo erosivo é comumente referido na literatura como fator de erodibilidade do solo, que representa o efeito dos processos que regulam a infiltração da água no solo, a desagregação pelo impacto das gotas de chuva e a resistência ao transporte pelo escoamento superficial, os quais são responsáveis pelo comportamento do solo diante dos processos erosivos (LAL, 1988). Nos modelos de predição da erosão, a erodibilidade do solo é, geralmente, representada por um fator K (perda de solo por unidade de erosividade da chuva) (WISCHMEIER e SMITH, 1958). Segundo alguns pesquisadores, para aumentar a praticidade e utilidade do fator de erodibilidade, é necessário impor-lhe algumas restrições, principalmente no 13

11 que concerne ao tamanho e às condições das parcelas usadas para sua determinação (RENARD e FERREIRA, 1993; LOCK e POCKNEE, 1995). No Brasil, número considerável de solos já tem seu fator de erodibilidade determinado, principalmente com uso de simuladores de chuvas. Conforme levantamento feito por DENARDIN (1990), a erodibilidade de solos com horizonte B latossólico varia de 0,002 a 0,034 t h MJ -1 mm -1, ao passo que a dos solos que possuem horizonte B textural fica entre 0,004 e 0,044 t h MJ -1 mm -1. Esses valores colocam os solos do primeiro grupo na classe de erodibilidades muito baixa e baixa e, os do segundo, na classe de erodibilidades muito baixa, baixa e moderada (FOSTER et al., 1981). 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 em 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, também, que esses valores de erodibilidade, obtidos em 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 mantém as condições de encrostamento e a estrutura da superfície do solo muito diferenciadas. A erodibilidade do solo é, geralmente, determinada empiricamente com base em dados de campo obtidos com o uso de simuladores de chuvas. As condições experimentais, como características do simulador de chuvas, qualidade da água de chuva, tamanho da parcela experimental e variabilidade espacial das propriedades do solo, são de extrema importância na qualidade dos resultados, não sendo, freqüentemente, os mesmos de um estudo para outro. Outros métodos de determinação da erodibilidade do solo incluem o uso de modelos (ROSE et al., 1983; LIEBENOW et al., 1990) e dados de erosão obtidos em parcelas experimentais (KINNELL, 1991; BEN-HUR et al., 1992; MAY et al., 1992; MEYER e HARMON, 1992). A determinação de perdas de solo e de erodibilidade em condições de laboratório permite melhor controle das condições 14

12 experimentais, fornecendo resultados mais precisos para comparação entre solos e possibilitando maior repetibilidade, em comparação com as medidas feitas em campo. TRUMAN e BRADFORD (1995) avaliaram a perda e a erodibilidade do solo em áreas entre sulcos, aplicando as equações descritas por MEYER e HARMON (1989) e KINNELL (1991) aos dados obtidos, segundo três métodos: 1) caixa de solo de 0,14 m 2, em simulador de chuvas, com tamanho de gotas constante (4,6 mm); 2) caixa de solo de 0,32 m 2, com área de solo para bordadura e em simulador de chuva com bocal Veejet oscilante (tamanho médio das gotas de 2,3 mm); e 3) uma parcela de 1 m 2, em condições de campo, utilizandose o mesmo simulador do método 2. Esses autores concluíram que o primeiro método não deve ser utilizado para avaliar perdas de solo ou a erodibilidade em áreas entre sulcos, em razão de apresentar área experimental muito pequena e diâmetro de gota superior à média encontrada em chuvas naturais, produzindo, dessa forma, energia cinética elevada e, conseqüentemente, conduzindo a valores de perdas de solo maiores e não correlacionados com os valores obtidos com o segundo e terceiro métodos. No entanto, os valores de perdas de solo obtidos no segundo e terceiro métodos apresentaram correlação considerável com valores de r oscilando de 0,56 a 0,79. Esses mesmos autores ainda verificaram que os valores de erodibilidade calculados em função do tempo, utilizando a equação de KINNELL (1991), foram consistentes com os princípios do mecanismo de erosão segundo o qual a erosão é um processo dinâmico que muda rapidamente durante uma chuva, devido à quebra dos agregados na superfície do solo e à formação do selamento superficial, e a erodibilidade é a função das propriedades do solo relacionadas ao desprendimento e transporte de sedimentos Características da superfície do solo O processo de erosão entre sulcos é muito afetado pelas condições da superfície do solo, como: existência de vegetação ou cobertura morta (reduzem a 15

13 energia de impacto das gotas de chuva e, conseqüentemente, o desprendimento das partículas de solo); microtopografia e, ou, rugosidade da superfície do solo (reduzem a velocidade e o volume de escoamento, diminuindo a capacidade de transporte do escoamento); e declividade da superfície do solo, à qual será dada ênfase especial no decorrer deste item. Pouca importância tem sido dada ao efeito da declividade da superfície do solo na erosão em áreas entre sulcos, sendo prática comum relacionar a taxa de erosão em área entre sulcos como função do quadrado da intensidade de precipitação (LIEBENOW et al., 1990; KINNELL e CUMMINGS, 1993). No entanto, WATSON e LAFLEN (1986) constataram que a elevação da declividade da superfície do solo aumenta a erosão nas áreas entre sulcos, embora não seja com o mesmo grau que ocorre na erosão em sulcos. Tal 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). LATTANZI et al. (1974) verificaram que, quando a declividade da superfície do solo foi aumentada de 2% para 20%, a erosão entre sulcos de um solo siltoso aumentou mais do que o dobro. LANG et al. (1984) verificaram que a erosão entre sulcos de um topossolo foi maior em 9% de declividade do que em 3%. BRYAN (1979), avaliando 10 tipos de solos em uma faixa de 5% a 58% de declividade, observou que, na maioria dos casos, uma função polinomial de segundo grau representou bem a relação entre erosão entre sulcos e a declividade da superfície do solo. McCOOL et al. (1987), revisando o fator de declividade da encosta da USLE, recomendaram um fator, desenvolvido por FOSTER (1982), para estimar a erosão entre sulcos em comprimentos de encosta menores que 4 m. A equação relacionando esse fator de declividade ao ângulo da encosta é em que 0,8 ( sin θ) 0,56 Sf = 3,0 + (8) S f = fator de declividade, adimensional; e θ = ângulo da encosta, em graus. 16

14 LIEBENOW et al. (1990) determinaram a erodibilidade de 18 solos, em condições de cultivo; e, com os dados de outros estudos, desenvolveram um fator de declividade para inclusão no modelo WEPP (Water Erosion Prediction Project). Tal fator, juntamente com a erodibilidade do solo e a intensidade de precipitação, foi usado para predizer o desprendimento de solo em áreas entre sulcos, sendo representado pela equação S f [- 4 sin ( θ) ] = 1,05 0,85 exp (9) Segundo a equação 9, obtém-se um fator de declividade de 0,2 para superfícies em nível e 1,0 para as que apresentam declividade de 100%, com pequeno aumento na erosão entre sulcos em declividades superiores a 50%, embora poucos dados com declividades acima de 30% tenham sido usados no desenvolvimento dessa equação. GHADIRI e PAYNE (1988) verificaram que a energia cinética dos salpicos de uma massa de solo aumentou de 11% da energia de impacto em superfície horizontal para 33% da energia de impacto em uma declividade de 58%. Isso indica que há aumento na energia cinética dos salpicos quando a declividade aumenta, o que pode proporcionar maior desprendimento de partículas de solo. Isso também foi mostrado por QUANSAH (1981) e MOSLEY (1973), que encontraram salpicamento de areia seis vezes maior, em uma declividade de 47%, do que o obtido em declividade zero. No entanto, POESEN (1985) e MORGAN (1978) não encontraram relação significativa entre desprendimento de partículas e declividade da superfície do solo. A declividade da superfície do solo afeta a percentagem de salpicos lançados em direção à parte mais baixa da superfície do solo. Porém, os resultados encontrados por vários pesquisadores têm apresentado resultados pouco consistentes. MOSLEY (1973), por exemplo, observou que, em uma rampa com 25% declividade, 95% dos respingos são lançados em direção à sua parte mais baixa, enquanto POESEN (1985) encontrou o valor de 91% em rampas com 58% de declividade e EKERN (1950) 94% em rampas com 100% de 17

15 declividade. GHADIRI e PAYNE (1988) verificaram que os respingos lançados em direção à parte mais alta da superfície do solo de uma areia grossa diminuiu a zero quando se trabalhou com 84% de declividade de rampa Evolução dos modelos de predição da erosão A maioria dos estudos de erosão do solo é de base empírica. Geralmente, o método de estudo envolve o uso de parcelas experimentais de erosão ou canais em laboratório para observar o mecanismo do processo erosivo e coletar dados de perda de solo em função de características da precipitação, do solo e do escoamento superficial. Esses dados são, então, analisados estatisticamente visando ajustar equações para predição das perdas de solo. Devido às diferenças das condições hidrológicas naturais que podem existir entre eventos de precipitação, vários anos de registro de dados são necessários para se ajustar uma equação confiável de predição da erosão do solo. A equação de predição de erosão mais amplamente conhecida é a Equação Universal de Perdas de Solo (WISCHMEIER e SMITH, 1978). Essa equação, de base empírica, não leva em consideração, de forma individualizada, os processos físicos envolvidos na erosão do solo, como o desprendimento e transporte de partículas de solo. A USLE apenas discrimina a significância dos diferentes fatores que regem o processo erosivo. Dentre esses fatores, estão incluídos a precipitação, o comprimento da encosta, a declividade da encosta, a erodibilidade do solo, o cultivo (uso do solo) e as práticas agrícolas. Apesar da existência de um consenso geral entre os pesquisadores de que a USLE forneça boa estimativa da erosão para um período de tempo preestabelecido, ela não é capaz de satisfazer os crescentes desafios impostos pelos problemas de erosão (WILLIAMS, 1975; FOSTER, 1982; OWOPUTI e STOLTE, 1995). WILLIAMS (1975), por exemplo, verificou que a USLE não pode estimar efetivamente a perda de solo em fases mais avançadas da erosão por sulcos, e FOSTER (1982) relatou que a USLE não fornece informação adequada das variabilidades temporal e espacial da erosão durante uma chuva. Porém, isso 18

16 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 bem entendido. Tem-se observado aumento na busca de melhor entendimento do processo físico da erosão hídrica do solo e no desenvolvimento de modelos de predição da erosão com base física. Para um modelo ser considerado de base física, algumas condições fundamentais devem ser satisfeitas. Por exemplo, devem ser quantificados separadamente os efeitos representados pelos diferentes processos hidrológicos que ocorrem no desprendimento e transporte de partículas de solo (OWOPUTI e STOLTE, 1995). Semelhantemente, os efeitos, bem como as inter-relações entre as propriedades do solo, condições de superfície do solo, condições cisalhantes, condições de umidade do solo antes da ocorrência da precipitação e potencial matricial do solo, devem ser considerados separadamente. Apesar de haver interesse crescente nos processos físicos envolvidos na erosão do solo, é importante notar que o nível de conhecimento atual ainda é deficiente, fazendo com que as relações empíricas sejam as mais usadas (GOVERS, 1990). Muitos dos melhores modelos de predição da erosão, como ANSWERS (BEASLEY e HUGGINS, 1981), KYERMO (HIRSCHI e BRAFIEL, 1988) e WEPP (USDA, 1995), somente apresentam a interação ou relação entre os componentes individuais do processo de erosão baseadas em princípios físicos. As equações usadas para quantificar alguns componentes desses modelos, como desprendimento e capacidade de transporte do solo, são obtidas empiricamente. O avanço da informática permitiu o desenvolvimento de procedimentos baseados em técnicas de simulação que possibilitem considerar as variações espaciais e temporais existentes nos fatores condicionadores do processo erosivo. Dentre os modelos computacionais desenvolvidos para estimar as perdas de solo, os modelos WEPP (Water Erosion Prediction Project) e ANSWERS (Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation) podem ser considerados os mais importantes, motivo pelo qual será feita uma breve 19

17 descrição dos programas no que se refere aos modelos utilizados para predição das perdas de solo ANSWERS Essencialmente, o programa ANSWERS consiste de dois modelos, os quais são usados para predição dos comportamentos hidrológico e erosivo de determinada área. Os conceitos básicos para o modelo hidrológico foram desenvolvidos por HUGGINS e MONKE (1966), enquanto na simulação da erosão é utilizada a equação de continuidade, proposta por FOSTER e MEYER (1972). Primeiramente, o modelo divide a bacia em uma série de pequenas células independentes, dentro das quais o escoamento e os processos erosivos são tratados como funções dos parâmetros hidrológicos e erosivos, os quais são considerados uniformes dentro de cada célula (BEASLEY e HUGGINS, 1981). Os processos descritos no modelo de predição da erosão utilizado pelo programa ANSWERS consideram o desprendimento, o transporte e a deposição das partículas de solo. Quando as gotas de chuva caem na superfície do solo, as partículas de solo são desprendidas pela energia de impacto dessas gotas. Na fase inicial de uma chuva, somente ocorre o desprendimento pelo impacto das gotas. Isso ocorre em razão do pequeno ou de nenhum escoamento na superfície do solo, fazendo com que o processo erosivo tenha o transporte de partículas limitado. No entanto, mais tarde, com a paralisação da chuva ou o aumento da lâmina de escoamento, o processo erosivo pode passar a ter o processo de desprendimento limitado. Assim, a maioria das partículas desprendidas antes do início do escoamento superficial é depositada na superfície. Alguns dos sedimentos depositados não ficam disponíveis para erosão subseqüente, alguns são incorporados ao solo e outros podem ser transportados, mais tarde, com o acúmulo do escoamento superficial e o progresso do processo erosivo. Segundo o ANSWERS, o desprendimento das partículas de solo pelo escoamento superficial ocorre quando as forças cisalhantes do escoamento na 20

18 superfície do solo superam as forças gravitacional e coesiva das partículas do solo. Normalmente, essa força é proporcional à declividade da superfície do solo e à taxa de escoamento, enquanto a taxa de desprendimento das partículas de solo pelo impacto das gotas de chuva é, geralmente, proporcional ao quadrado da intensidade de precipitação. A equação que rege os modelos que tentam representar o processo erosivo é a de continuidade, proposta por FOSTER e MEYER (1972): em que G x F = DR + DF (10) G F = vazão de sedimentos no escoamento, M L -1 T -1 ; x = distância na superfície de escoamento, L; D R = taxa de desprendimento pelo impacto das gotas de chuva, M L -2 T -1 ; e D F = taxa de desprendimento pelo escoamento, M L -2 T -1. O desprendimento das partículas de solo pelo impacto das gotas de chuva é calculado, usando-se a relação descrita por MEYER e WISCHMEIER (1969): em que 2 D R = 0,027 C K AII (11) C = fator de uso e manejo do solo, adimensional; K = fator de erodibilidade do solo, t h MJ -1 mm -1 ; A I = área considerada, m 2 ; e I = intensidade de precipitação, mm min -1. O desprendimento das partículas de solo pelo escoamento superficial é calculado com o uso da equação descrita por MEYER e WISCHMEIER (1969) e modificada por FOSTER (1976): 21

19 em que D = F 0,018C K A I SQ (12) S = declividade da encosta; e Q = vazão de escoamento por unidade de largura, m 2 min WEPP O WEPP é 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 ambientais. 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 das terras para produção agrícola, pastagens e áreas florestais na erosão. O modelo de erosão do WEPP é um programa computacional de simulação contínua, o qual prediz a perda de solo e a deposição de sedimentos do escoamento superficial em encostas, a perda de solo e a deposição de sedimentos do escoamento concentrado em pequenos canais, bem como a deposição de sedimentos em reservatórios. Além do componente de erosão, o WEPP também inclui um componente climático, o qual usa um gerador de informações climáticas diárias; um componente hidrológico, que é baseado nas equações de Green-Ampt modificada e soluções das equações de ondas cinemáticas; um componente de balanço hídrico diário; um componente de crescimento de planta e decomposição de resíduos; e um componente de irrigação. O modelo WEPP calcula as distribuições espacial e temporal da perda de solo e sua deposição, além de fornecer estimativas explícitas de quando e onde, em determinada bacia hidrográfica ou encosta, está ocorrendo erosão, de forma a possibilitar a adoção de medidas de conservação para controlar a perda de solo e a produção de sedimentos. 22

20 Existe uma versão do WEPP (Hillslope) que, à semelhante do ANSWERS, subdivide a área a ser avaliada em pequenas células, nas quais os parâmetros hidrológicos e erosivos, como tipo de solo, superfície do solo, cobertura do solo e manejo do solo, dentre outros, são considerados uniformes. Na modelagem para predição da perda de solo, a erosão é separada em erosão entre sulcos e em sulcos. A erosão entre sulcos é descrita como o processo de desprendimento das partículas de solo pelo impacto das gotas de chuva, transporte pelo escoamento de lâmina rasa e liberação de sedimentos para os pequenos sulcos ou canais, enquanto 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 et al., 1995). Na modelagem para predição da erosão pelo programa WEPP, é utilizada a equação da continuidade para quantificação do transporte de sedimentos em suspensão em um sulco, considerando-se condições de regime permanente, ou seja: em que dg = D i + D r (13) dx G = carga de sedimentos, M T -1 L -2 ; x = comprimento da encosta, L; D i = taxa de liberação de sedimentos nas áreas entre sulcos, M T -1 L -2 ; e D r = taxa de liberação de sedimentos em sulcos, M T -1 L -2. A liberação de sedimentos entre sulcos é considerada independente de x e é sempre positiva. A erosão em sulco é positiva para desprendimento e negativa para deposição de sedimentos. A taxa de liberação de sedimentos em áreas entre sulcos (D i ), usada nesse programa, pode ser calculada pela equação 14, proposta por FLANAGAN e NEARING (1995). 23

21 em que 2 Di = Ci K i Sf I p G e (14) C i = parâmetro que considera o efeito da cobertura vegetal na erosão entre sulcos, adimensional; K i = parâmetro que caracteriza a erodibilidade do solo entre sulcos, M T L -4 ; I p = intensidade de precipitação, L T -1 ; e G e = parâmetro que considera o efeito da cobertura do solo na erosão entre sulcos, adimensional. A taxa de liberação de sedimentos em sulcos (D r ) é calculada para os casos em que a tensão cisalhante do escoamento exceder a tensão cisalhante crítica do solo e quando a carga de sedimentos for menor que a capacidade de transporte do escoamento. O valor de D r pode ser obtido, utilizando-se a equação apresentada por TISCARENO LOPEZ et al. (1993): em que G ( ) D r = C r K r τ τ c 1 (15) Tc C r = fator que considera a cobertura existente no sulco, adimensional; K r = parâmetro que caracteriza a erodibilidade do solo no sulco, T L -1 ; τ = tensão cisalhante atuando nas partículas de solo em decorrência do escoamento, M L -2 T -1 ; τ c = tensão cisalhante necessária para a ocorrência da liberação de partículas, M L -2 T -1 ; e T c = capacidade de transporte de sedimentos pelo escoamento, M L -1 T