DETERMINAÇÃO DA CURVA DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO COM AUXILIO DA TRANSMISSÃO DE RAIOS GAMA. Luiz F. Pires e Osny O.S. Bacchi

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1 DETERMNAÇÃO DA CURVA DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO COM AUXLO DA TRANSMSSÃO DE RAOS GAMA Luiz F. Pires e Osny O.S. Bacchi Centro de Energia Nuclear na Agricultura - CENA-USP Av. Centenário, CP 96 Piracicaba, São Paulo, SP, Brasil RESUMO A curva de retenção da água no solo é a curva que relaciona o potencial mátrico da água no solo (ψ m ) e a umidade volumétrica do solo (θ). Uma vez que não ocorram mudanças significativas no espaço poroso, a curva de retenção torna-se uma característica física do solo. Este trabalho apresenta uma metodologia para a obtenção da curva de retenção utilizando a transmissão de raios gama como técnica auxiliar para a determinação da umidade volumétrica do solo. No experimento foram usados uma fonte de 241 Am e um detector de Na(Tl) com dimensões de 3 x3. O novo método desenvolvido dispensa a constante manipulação da amostra para a aplicação de novos valores de pressão nas câmaras de Richards. A umidade das amostras de solo no interior da câmara pode ser constantemente monitorada e dessa forma os tempos de equilíbrio podem ser determinados com uma maior precisão. Para a amostra de solo utilizada no experimento foi possível obter curvas, nos pontos investigados, num tempo até 15 dias menor quando comparado ao método tradicional. Os resultados obtidos permitiram concluir que o método proposto apresenta algumas vantagens em relação ao tradicional e apresenta potencial de uso prático. Keywords: soil water retention, gamma attenuation, gamma radiation.. NTRODUÇÃO A curva de retenção é uma propriedade física do solo obtida a partir da relação entre o potencial mátrico da água no solo (ψ m ) e a umidade volumétrica do solo (θ). Durante os últimos 50 anos o método utilizado para se obter as curvas de retenção é o da câmara de pressão de Richards [1, 2]. O método consiste em inserir em uma câmara de pressão amostras de solo (deformadas e indeformadas) saturadas em contato hidráulico com uma placa porosa, membrana ou qualquer outro meio poroso [3]. Após a acomodação da amostra no interior da câmara, diferentes valores de pressão são aplicados fazendo com que parte da água retida na amostra seja expulsa. A determinação da massa da amostra antes e após a aplicação desta pressão permite a determinação do valor da umidade remanescente, ou seja, aquela que está retida com maior energia que a aplicada. Desde a idealização do método por Richards poucas inovações foram introduzidas e alguns problemas práticos ainda permanecem. Dentre estes pode-se destacar: 1) o estabelecimento do equilíbrio ocorre quando cessa a saída de água da amostra na câmara de pressão. Porém, o julgamento do exato instante em que isto ocorre muitas vezes é de difícil detecção [4, 5]; 2) após a pesagem da amostra, esta deve ser novamente saturada e colocada no interior da câmara para ser submetida a um novo valor de pressão. No entanto, este processo, quando efetuado repetidamente pode causar a soltura (desagregação) de agregados do solo, o que pode modificar significativamente a estrutura e, conseqüentemente, as características de retenção de água da amostra, comprometendo os resultados obtidos [3, 4, 6]; 3) devido aos processos apontados anteriormente requer-se um longo tempo para a obtenção da curva de retenção, pois, a cada estado de equilíbrio há a necessidade de abertura da câmara de Richards para a pesagem e re-saturação das amostras [4, 5, 6, 7]. Em um trabalho teórico Bacchi et al. (1998) propõe a utilização da técnica de atenuação da radiação gama para a obtenção da curva de retenção da água no solo. A técnica de atenuação de radiação gama monoenergética para a determinação de densidade e ou umidade de solo não é recente. Pelo contrário, é uma técnica já bastante explorada [8, 9, 10, 11, 12] e devido ao caráter não destrutivo da análise, apresenta algumas vantagens em relação aos métodos tradicionalmente utilizados. Comumente, para a determinação da umidade e densidade são utilizadas fontes de 137 Cs (661,6 kev) e/ou 241 Am (59,54 kev). No método idealizado por Bacchi et al. (1998) propõe-se uma modificação na câmara de Richards convencional de modo que um feixe de radiação gama

2 possa atravessar a amostra colocada em seu interior. Esta modificação tem como objetivo a utilização da atenuação da radiação gama para a avaliação contínua da umidade do solo durante todo o processo de determinação da curva de retenção. A nova metodologia desenvolvida possibilita uma determinação mais rápida da curva de retenção, além de minimizar a manipulação da amostra, fato que pode ocasionar mudanças na estrutura do solo durante obtenção das curvas durante os ciclos de abertura e pesagem da amostra. Pelo método nuclear a amostra é saturada uma única vez e modificações no arranjo poroso do solo também podem ser bastante minimizadas. Uma melhor definição do tempo de equilíbrio (parada de saída de água da amostra após aplicação da pressão) também foi obtido pelo novo método devido ao constante acompanhamento da variação da umidade da amostra. (T 1/2 ) de 458 anos. A energia do fóton gama (E γ ) proveniente da fonte de 241 Am é de 59,54 kev e sua atividade é de aproximadamente 7,4 GBq. Existe ainda um detector de Na(Tl) ao qual está conectada uma válvula fotomultiplicadora, um pré-amplificador, um amplificador, um analisador monocanal, um temporizador e um contador. A figura 1 traz um desenho esquemático do arranjo experimental idealizado para as medidas da curva de retenção pelo método de atenuação de raios gama.. MATERAS E MÉTODOS A interação de um feixe de raios gama com uma determinada amostra possibilita a obtenção de algumas de suas características físicas tais como: densidade, umidade e espessura. Quando fótons gama provenientes de uma fonte radioativa estão atravessando uma amostra, a sua interação com a mesma, segue a chamada lei de atenuação de Beer- Lambert para radiação monoenergética, dada por: 0 µ. ρ.x = (1) e onde 0 / representa a atenuação pela amostra, µ o coeficiente de atenuação em massa, ρ a densidade e x a espessura, respectivamente. Para amostras de solo este coeficiente de atenuação em massa é dado por µ=µ s ρ s +µ a ρ a [10, 13] e a expressão da Lei de Beer-Lambert é escrita como segue: 0 ( µ s. ρs +µ a. θ).x = (2) e onde µ s é o coeficiente de atenuação em massa para o solo seco, µ a o coeficiente de atenuação em massa para a água e ρ s e θ representam, respectivamente, a densidade do solo seco e a umidade do solo. Para o presente experimento foram utilizadas amostras indeformadas de solo coletadas em cilindros de alumínio com dimensões de: 5,0x10-2 m (diâmetro) e 3,0x10-2 m (altura). Análises granulométricas para a caracterização física do solo utilizando o método da pipeta [14] foram realizadas no laboratório de Física dos Solos do CENA/USP, e permitiram classificá-lo como um solo de textura média-arenosa (intermediária). A mesa de medidas onde foram conduzidos os experimentos é composta de um castelo de chumbo que contém uma fonte radioativa de 241 Am com uma meia vida Figura 1. Esquema do Arranjo Experimental para Obtenção da Curva de Retenção de água no solo utilizando-se uma Câmara de Richards de acrílico e Feixe Gama. No esquema da figura 1 é possível observar o posicionamento do arranjo fonte/amostra/detector. A câmara de pressão de Richards foi especialmente construída para a realização do experimento e foi feita em acrílico, possuindo as seguintes dimensões: 15,3x10-2 m (altura), 7,1x10-2 m (diâmetro interno), 7,9x10-2 m (diâmetro externo) e 12,0x10-2 m (altura do cilindro interno). Para este arranjo experimental a determinação da umidade da amostra desde que ela não seja expansiva, ou seja, solos que não apresentam mudança da densidade com a variação da umidade, e µ s, µ a, ρ s e x sejam conhecidos é obtida através de: 1 θ = x. µ a 0. ln x. µ. ρ s s. RESULTADOS E DSCUSSÃO Foram utilizados colimadores de dois tipos (fenda e circular com diâmetro de 4,0x10-3 m) para a obtenção dos coeficientes de atenuação em massa para o solo e a água. Os valores dos coeficientes de atenuação em massa encontrados para a água foram: 0,019044±0, ,019295±0, m 2.kg -1 para os colimadores fenda e circular, respectivamente. Esses valores estão em concordância com os encontrados na literatura para fótons de 59,54 kev [10, 15, 16]. Com relação ao solo os valores encontrados foram: 0,025594±0, (fenda) e 0,025672±0, m 2.kg -1 (circular). Esses resultados (3)

3 também estão em concordância com os encontrados na literatura [8, 10]. As curvas de retenção pelo método tradicional foram obtidas utilizando-se uma câmara de pressão de Richards da Soil Moisture com capacidade para suportar pressões de até 0,5 MPa. Como o intervalo de pressão investigado nesse trabalho foi de 0 até 0,1 MPa, a placa porosa utilizada suportava valores de pressão até 0,1 MPa. Após cada aplicação de pressão e respectivo equilíbrio da amostra (parada de saída da água) é que foram obtidos os valores de umidade através do método gravimétrico. As curvas de retenção pelo método nuclear foram obtidas utilizando-se a câmara de pressão de acrílico. Após cada equilíbrio atingido pela amostra, fazia-se a medida de umidade através do método de transmissão de radiação gama (equação 3). A tabela 1 e as figuras 2, 3 e 4 trazem os resultados obtidos para o solo de textura intermediária. TABELA 1. Valores do Potencial Mátrico e da Umidade obtidos para cada valor de pressão aplicado no solo de Textura ntermediária pelos Métodos Tradicional e Nuclear. ψ m (Pa) θ T* (m 3.m -3 ) σ θt ** (m 3.m -3 ) θ N*-4mm (m 3.m -3 ) σ θ-4mm *** (m 3.m -3 ) θ N-fenda (m 3.m -3 ) σ θ-fenda (m 3.m -3 ) 2x10 4 0,239 0,001 0,253 0,009 0,242 0,008 4x10 4 0,224 0,005 0,226 0,009 0,229 0,008 6x10 4 0,218 0,004-0,008 0,218 0,008 8x10 4 0,212 0,004 0,221 0,008 0,212 0,008 1x10 5 0,203 0,003 0,219 0,008 0,200 0,008 * As letras T e N referem-se ao método tradicional e nuclear, respectivamente. ** σ θt desvio devido a três repetições para a mesma amostra. *** σ θ-4mm desvio devido à estatística de emissão de um fóton por uma fonte radioativa. Figura 2. Curvas de Retenção obtidas por (A) Método Tradicional e Nuclear (Colimador do tipo Fenda) e (B) Método Tradicional e Nuclear (Colimador Circular). A escolha dos intervalos para as medidas de cada ponto pelos dois métodos estava relacionado com a probabilidade existente no processo de emissão de um fóton devido ao decaimento da fonte de 241 Am. Analisando os valores de umidade medidos pelo método nuclear (tabela 1), e os valores dos coeficientes de atenuação para os dois tipos de colimadores, é possível se chegar a conclusão que o fator com maior relevância para essa diferença nos valores de umidade, serão as intensidades de radiação [ln( 0 /)] detectadas para cada valor de pressão aplicado no solo. A análise da tabela permite observar que os valores obtidos pelo método nuclear, para o colimador do tipo fenda, estão dentro do desvio padrão da umidade para o método tradicional. Quanto ao ajuste entre as curvas mensuradas pelo método tradicional e colimador circular, este não foi possível devido ao valor de umidade não ter sido medido para o potencial de 6x10 4 Pa pelo método nuclear. As figuras 3 e 4 mostram ajustes lineares a fim de comparar a umidade obtida pelos dois métodos. Através da análise desses gráficos é possível observar que existe uma melhor correlação entre os dados obtidos para o colimador fenda

4 do que para o circular quando comparado com aqueles do método tradicional. Com relação ao tempo de obtenção da curva de retenção pelos dois métodos foi observado que para uma curva com 4 pontos, o tempo que se leva pelo método tradicional e nuclear são respectivamente, 18 e 12 dias (solo de textura intermediária). No entanto, é válido lembrar que esses tempos de equilíbrio foram obtidos para valores de pressão até 0,1 MPa, e que para pressões maiores esse tempo de equilíbrio tende a aumentar. Figura 3. Correlação entre os valores de Umidade obtidos pelo Método Tradicional e Nuclear (Colimador Fenda) para diferentes valores de Potencial (ψ m ). Figura 4. Correlação entre os valores de Umidade obtidos pelo Método Tradicional e Nuclear (Colimador Circular) para diferentes valores de Potencial (ψ m ). AGRADECMENTOS REFERÊNCAS A FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo) pela concessão da bolsa de mestrado (processo no. 00/ ). [1] Richards, L.A. A pressure-membrane extraction apparatus for soil solution. Soil Sci., v. 51, p , 1941.

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