4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

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1 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Energia cinética das precipitações Na Figura 9 estão apresentadas as curvas de caracterização da energia cinética aplicada pelo simulador de chuvas e calculada para a chuva natural, nas condições de intensidade de precipitação utilizadas nos testes. Os dados de diâmetro médio das gotas (D 5 ), a velocidade terminal das gotas e o coeficiente de arraste das gotas (C 2 ), utilizados para o cálculo da energia cinética das chuvas simuladas, estão apresentados no Apêndice A. De acordo com a Figura 9, pode-se observar que a energia cinética da chuva simulada foi menor que a da chuva natural, atingindo, em média, 68% da energia cinética da chuva natural e apresentando pequena variação em relação à média obtida para a faixa de intensidade de precipitação de 3 a 17 mm h -1. Uma vez que para o processo de erosão entre sulcos o desprendimento das partículas do solo se dá, principalmente, pela ação erosiva do impacto das gotas de chuva sobre a superfície do solo, é importante conhecer o valor de energia cinética da chuva simulada nos estudos do processo erosivo em condições de laboratório, pois chuva com determinado valor de energia cinética proporciona certo valor de desprendimento de partículas de solo, independentemente se a chuva é simulada ou natural. No entanto, quando se trabalha apenas com 43

2 Chuva natural Chuva simulada (EC = 28,6 Ip - 13,7 R 2 = 99,98) (EC = 18,75 Ip - 76,52 R 2 = 99,39) -2 ) Energia Cinética (J m -2 ) Ip Ip (mm h -1 )) Figura 9 Energia cinética das chuvas produzidas com o uso do simulador e calculada para a chuva natural em função das intensidades de precipitação (Ip) utilizadas no experimento. intensidade de precipitação, tal afirmativa não poderia ser feita, uma vez que terse-iam energias de impacto muito diferenciadas entre as chuvas simulada e natural para uma mesma intensidade. Esse tipo de observação também foi feito por MEYER e HARMOM (1992), os quais evidenciaram a importância da energia cinética da chuva simulada para avaliar o processo de erosão entre sulcos, visto que dificilmente se consegue reproduzir as características da chuva natural, principalmente para intensidades elevadas Perdas de solo Nas Figuras 1 a 14 estão apresentadas as curvas e equações ajustadas referentes aos valores de perda acumulada de solo, em função do tempo de precipitação e da energia cinética decorrente das precipitações, para as 44

3 Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = -,2491 +,2538 t R 2 aj = 99,66 P as =-11, ,9345 t R 2 aj = 98,39 P as = 9,9135 * 1,663 t R 2 aj = 97,54 P as =4, ,78 t R 2 aj = 99,54 P as = 11, ,679 t R 2 aj = 99, Tempo (min) (J m -2 ) Figura 1 Perda acumulada de solo (P as ) em função do tempo de precipitação e da energia cinética, para superfície com 2% de declividade. Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = -,1986 +,2749 t R 2 aj = 99,82 P as = -57, ,7324 t R 2 aj = 98,7 P as = 11,345 t 1,533 R 2 aj = 99,68 P as =-3,646 +1,3525 T R 2 aj = 99,28 P as = -97, ,266 T R 2 aj =99, Tempo (min) (J m -2 ) Figura 11 Perda acumulada de solo (P as ) em função do tempo de precipitação e da energia cinética, para superfície com 6% de declividade. 45

4 Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = -2,7662 +,9559 t R 2 aj = 99,62 P as = 35, ,3735 T R 2 aj = 99,32 P as = 21,8238 * 1,81 T R 2 aj = 98,8 P as =-31, ,118 t R 2 aj = 98,69 P as = -197, ,969 T R 2 aj = 98, Tempo (min) (J m -2 ) Figura 12 Perda acumulada de solo (P as ) em função do tempo de precipitação e da energia cinética, para superfície com 1% de declividade. Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = -4, ,4279 t R 2 aj = 99,4 P as = 21, ,3995 T R 2 aj = 99,11 P as = 2,847 t 1,6177 R 2 aj = 96,33 P as =-49, ,891 t R 2 aj = 97,88 P as = -46, ,816 T R 2 aj = 99, Tempo (min) (J m -2 ) Figura 13 Perda acumulada de solo (P as ) em função do tempo de precipitação e da energia cinética, para superfície com 14% de declividade. 46

5 Perda acumulada de solo (g m P as = -9, ,31935 t R 2 aj = 99,73 Pas = 114, ,511 t R 2 aj = 98,97 P as = t R 2 aj = 97,56 P as =12, ,878 t R 2 aj = 99,34 P as = ,683 t R 2 aj = 97, Tempo (min) (J m -2 ) Figura 14 Perda acumulada de solo (P as ) em função do tempo de precipitação e da energia cinética, para superfície com 18% de declividade. declividades da superfície do solo de 2, 6, 1, 14 e 18%, respectivamente. Os dados de perdas de solo obtidos para cada intervalo de dois minutos, utilizados para ajuste das equações em cada teste, estão apresentados no Apêndice B. Analisando as Figuras 1 a 14, observa-se, de modo geral, tendência de aumento linear da perda acumulada de solo com o tempo de precipitação. MERMUT et al. (1997) também observaram esse mesmo tipo de tendência para intensidades de precipitação de 4 e 1 mm h -1. Essa linearidade da perda acumulada de solo em função do tempo indica que, na modelagem do processo erosivo, pode-se considerar uma taxa de perda de solo em áreas entre sulcos constante ao longo do tempo, embora para o valor de energia cinética de J m -2 essa tendência de linearidade não tenha sido observada. Para declividade da superfície do solo de 2% (Figura 1), observou-se aumento linear da perda acumulada de solo ao longo do tempo de precipitação para os eventos com valores de energia cinética aplicada de 495 a 1.54 J m -2, 47

6 correspondendo às intensidades de precipitação de 3 a 88 mm h -1, respectivamente, mostrando, com isso, que, nessa faixa de variação da energia cinética, a taxa de perda de solo é constante ao longo do tempo. No entanto, para o valor de energia cinética aplicada de J m -2, o qual está associado à maior intensidade de precipitação (17 mm h -1 ), verificou-se tendência não-linear, apresentando taxa de perda de solo crescente ao longo do tempo. Esse mesmo comportamento foi verificado nas demais declividades (Figuras 1, 11, 12, 13 e 14). Tal mudança de comportamento se deve, provavelmente, ao aumento da vazão de escoamento superficial produzida por essa intensidade de precipitação, o que pode estar ocasionando a concentração do escoamento e, conseqüentemente, a formação de caminhos preferenciais de escoamento da água, e isso faz aumentar a sua capacidade de transporte. Verificou-se, na declividade da superfície do solo de 2% (Figura 1), que a taxa de perda de solo na energia cinética de 1.54 J m -2 foi 1,5 vezes maior que a correspondente à energia cinética de 495 J m -2. Considerando a taxa média de perda de solo correspondente à energia cinética de J m -2, observou-se aumento de cerca de 28 vezes na perda, em comparação com o valor de 495 J m -2. Na Figura 11, referente à declividade da superfície do solo de 6%, verifica-se que a taxa de perda de solo com a energia cinética aplicada de J m -2 foi 71 vezes maior que a energia cinética de 495 J m -2. Observa-se também, nessa figura, que a perda acumulada de solo foi bem semelhante para os valores de energia cinética de 1.54 e J m -2. Embora a equação ajustada para o valor de energia cinética de J m -2 não tenha sido linear, a partir de 19 minutos de teste foi observado comportamento bem próximo do linear. Para a declividade da superfície do solo de 1% (Figura 12), a taxa de perda de solo na energia cinética de J m -2 foi 36 vezes maior que a correspondente à energia cinética de 495 J m -2. Para a declividade de 14% (Figura 13), a superioridade relativa da taxa de perda de solo correspondente à energia cinética de J m -2, em comparação com a energia cinética de 48

7 495 J m -2, foi de 24 vezes, enquanto para a declividade de 18% essa superioridade relativa foi menor, sendo de aproximadamente 19 vezes. A redução observada na diferença relativa entre as taxas de perdas de solo obtidas entre os maiores e menores valores de energia cinética, à medida que a declividade aumentou, provavelmente esteja relacionada à capacidade de transporte de partículas de solo pelo escoamento superficial, ou seja, quando se tem baixa declividade da superfície do solo, tem-se também baixa velocidade de escoamento e, conseqüentemente, a capacidade de transporte fica limitada à vazão de escoamento. Com isso, quando são comparados baixos valores de energia cinética (nas condições estudadas, correspondentes a baixas intensidades de precipitação) com valores mais elevados, tem-se maior diferença na taxa de perda de solo, em razão do aumento na vazão de escoamento. No entanto, quando se aumentou a declividade da superfície do solo, outro componente passou a incrementar a capacidade de transporte de sedimentos, em razão do aumento na velocidade do escoamento superficial. Esse incremento foi igual para todos os valores de energia cinética aplicados, tendendo a diminuir, com isso, a diferença entre as taxas de perdas de solo entre os valores extremos de energia cinética nas maiores declividades. No Quadro 3 estão apresentados os valores de perdas de solo obtidos experimentalmente, em razão da energia cinética decorrente das precipitações e da declividade da superfície do solo, para precipitações com 58 minutos de duração. Analisando o efeito isolado da energia cinética na perda total de solo, observaram-se aumentos de 29,5; 73,3; 3,8; 27,5; e 21 vezes na perda de solo quando o valor de energia cinética foi aumentado de 495 para 1895 J m -2, nas declividades da superfície do solo de 2, 6, 1, 14 e 18%, respectivamente. Pôde-se observar, ainda, que a declividade da superfície do solo apresentou, isoladamente, efeito menos expressivo na perda total de solo quando comparado com o da energia cinética, resultando num aumento de perda de solo de 8,7; 9,1; 1,7; 9,3; e 6,2 vezes para os valores de energia cinética de 495, 832, 1.15, 1.54 e J m -2, respectivamente. Essa menor importância relativa da 49

8 Quadro 3 Perdas de solo, g m -2, em função da energia cinética decorrente das precipitações, J m -2, e da declividade da superfície do solo (DEC), %, para precipitações com duração de 58 minutos DEC Energia cinética (J m -2 ) (%) ,3 61,6 112,6 168,3 421,2 6 15,8 71,5 416, , ,9 1 53,3 26,5 66, , , ,8 44,56 77, , , ,51 563,2 1.26, , ,7 declividade da superfície na perda de solo, em áreas entre sulcos, foi também observada por LATTANZI et al. (1974), o que se deveu ao fato de que, na erosão entre sulcos, o processo de desprendimento de partículas de solo ocorre devido à energia de impacto das gotas de chuva, sendo o escoamento responsável apenas pelo transporte das partículas desprendidas. Entretanto, ao analisar o efeito conjunto desses dois fatores, verificou-se aumento expressivo da perda de solo, sendo esse incremento da ordem de 186 vezes quando se comparou o teste com 2% de declividade da superfície do solo e energia cinética de 495 J m -2 com o teste com 18% e J m -2. O aumento observado na perda de solo quando a declividade da superfície do solo foi aumentada, tendo a taxa de escoamento permanecido constante ao longo de todo o teste, pode ser devido a três fatores: aumento no desprendimento de partículas de solo provocado pelo maior ângulo de impacto das gotas de chuva sobre a superfície do solo; maior facilidade com que as partículas se movimentam no sentido da declividade pelo efeito da gravidade, em maiores declividades da superfície do solo; e aumento da velocidade de escoamento superficial, o qual eleva a capacidade de transporte do escoamento (LATTANZI et al., 1974; GROSH e JARRET, 1994). 5

9 Na Figura 15 estão apresentadas as curvas de perdas de solo em razão da energia cinética decorrente das precipitações e das declividades estudadas, para precipitações com 58 minutos de duração. Pode-se observar, nessa figura, que a perda de solo aumenta com a elevação da energia cinética aplicada, sendo esse aumento uma função potencial do valor da energia cinética. Verifica-se também, nessa figura, que, à medida que a declividade aumenta, o incremento, em termo absoluto, da perda de solo, em razão do aumento da energia cinética, é mais acentuado. Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = 8,9.1-6 EC 2,3161 P as =1,7.1-8 EC 3,469 R 2 aj = 97,64 R 2 aj = 94,92 P as = 4, EC 2,6267 P R 2 aj = 97,37 as = 4, EC 2,3595 R 2 P as = 2, EC 2,1643 aj = 97,9 R 2 aj = 96, Energia cinética, J m -2 2% 6% 1% 14% 18% Figura 15 Perda de solo (Ps), g m -2, em função da energia cinética (EC) decorrente das precipitações, J m -2, e da declividade da superfície do solo, em precipitação com duração de 58 minutos. Na Figura 16 estão apresentadas as curvas de perdas de solo em função da declividade, para cada valor de energia cinética avaliada. Observa-se, nessa figura, que a perda de solo aumentou com o acréscimo da declividade, sendo esse aumento uma função exponencial do valor da declividade para valores de energia cinética de 495 e 832 J m -2 e exponencial com expoentes próximos de 1, 51

10 Perda acumulada de solo (g m -2 ) P as = 9,327. 1,164 DEC R 2 aj = 91,92 P as = 57,879 DEC 1,372 R 2 aj = 98,29 P as = 244,3374 DEC,837 R 2 aj = 99,6 P as =39, ,1689 DEC R 2 aj = 92,93 P as = 111,4551.DEC 1,64 R 2 aj = 82, Declividade (%) (J m -2 ) Figura 16 - Perda de solo (Ps), g m -2, em função da declividade da superfície do solo (DEC) e da energia cinética decorrente da precipitação, em precipitação com duração de 58 minutos. mostrando tendência à linearidade para valores de energia cinética de 1.151, e J m -2. Pode-se observar ainda, nessa figura, efeito menos expressivo da declividade da superfície nas perdas de solo. No entanto, quando foi feita uma análise do efeito conjunto das duas variáveis sobre a perda de solo, observou-se aumento acentuado, evidenciando a importância do efeito da interação desses dois fatores sobre a perda de solo. Essa interação é decorrente das influências direta e indireta dos dois fatores na capacidade de transporte do escoamento superficial. A energia cinética influencia o desprendimento de partículas de solo e a vazão de escoamento, visto que nas condições estudadas essa energia está associada a maiores lâminas aplicadas; e a declividade da superfície do solo influencia a velocidade do escoamento superficial. Na tentativa de expressar o efeito dessa interação, fez-se o ajuste de equações de perda de solo em função da energia cinética da chuva e da declividade da superfície do solo. Dentre as diversas equações ajustadas, a que apresentou melhor coeficiente de ajuste e quando aplicada nas condições 52

11 estudadas teve menor desvio em relação aos dados observados experimentalmente foi a em que,7451 1,853 Ps =,249 Dec Ec/a R 2 = 98,46 (29) Ps = massa de partículas de solo desprendidas e transportadas, g m -2 ; Dec = declividade da superfície do solo, %; e E c/a = energia cinética por unidade de área, J m -2. Esta equação vem confirmar as observações feitas anteriormente de que a perda de solo é crescente com o aumento da intensidade de precipitação e da declividade da superfície do solo e também o efeito menos expressivo da declividade na perda de solo quando comparado ao da energia cinética, tendo em vista que a declividade apresenta valor de expoente inferior ao da energia cinética Comparação das Perdas de Solo Estimadas e Obtidas no Canal de solo No Quadro 4 são apresentados os valores de perda de solo obtidos experimentalmente e os valores estimados pelos modelos utilizados pelos programas ANSWERS e WEPP na predição da liberação de partículas de solo pelo impacto das gotas de chuva. Fazendo uma comparação dos valores de perdas de solo estimados pelo WEPP e os observados experimentalmente, verificou-se que em todos os testes com intensidade de precipitação de 21,27 mm h -1 os valores estimados foram superiores aos valores observados, com a ressalva de que essa superioridade variou da ordem de 1,43 a 5,2 vezes, com menores valores de superioridade relativa para maiores valores de declividade da superfície do solo. Nas demais intensidades de precipitação, verificou-se variação entre superestimatitivas e subestimativas dos valores observados, em comparação com os estimados. Para os menores valores de declividades, os valores de perdas de solo foram 53

12 Quadro 4 Valores de perda total de solo, g.m -2, obtidos a partir dos modelos matemáticos para predição da erosão entre sulcos utilizados pelos programas ANSWERS e WEPP e os obtidos nos experimentos realizados no canal de solo, para precipitação com duração de 58 min DEC Ip 1 Estimados Relação estimado/observado (%) (mm h -1 ) WEPP ANSW 2 OBS 3 WEPP/OBS ANSW/OBS 21,27 74,31 1,6 14,3 5,2,74 34,22 192,33 27,43 61,6 3,12, ,1 349,6 49,79 112,6 3,1,44 6,3 597,22 85,19 168,3 3,55,51 75,25 93,6 132,66 421,2 2,21,31 21,27 16,8 1,6 15,8 6,77,67 34,22 276,43 27,43 71,5 3,87, ,1 51,67 49,79 416,8 1,2,12 6,3 858,33 85, ,5,76,8 75, ,69 132, ,9 1,16,11 21,27 134,48 1,6 53,31 2,52,2 34,22 348,8 27,43 26,5 1,69, ,1 631,72 49,79 66,2,96,8 6,3 1.8,83 85, ,3,8,6 75, ,2 132, ,1 1,3,8 21,27 158,7 1,6 79,8 1,98,13 34,22 49,15 27,43 44,6,93, ,1 742,54 49,79 77,3,96,6 6,3 1.27,44 85, ,4,91,6 75, ,48 132, ,9,9,6 21,27 178,17 1,6 124,5 1,43,9 34,22 461,18 27,43 563,2,82, ,1 836,97 49, ,,69,4 6, ,1 85, ,7,91,5 75, ,9 132, ,7,85,5 1 valores de intensidade de precipitação corrigida para condições de chuva natural utilizando a energia cinética aplicada pelo simulador para valor de intensidade de precipitação simulada. 2 valores de perdas de solo estimados pelo modelo utilizado pelo ANSWERS. 3 valores de perdas de solo obtidos experimentalmente. 54

13 superestimados quando comparados com os observados; para maiores declividades houve uma inversão, ou seja, os valores de perdas de solo foram subestimados quando comparados com os valores observados. Com relação à superestimativa do valor obtido pelo WEPP, provavelmente isso ocorreu em função da maneira pela qual o fator de erodibilidade foi obtido, uma vez que a equação utilizada para estimar a erodibilidade do solo (K i ) era de base empírica, obtida a partir de dados experimentais para condições de solo diferentes das existentes no Brasil, mostrando que, embora o modelo seja baseado em um conceito físico do processo erosivo, a estimativa de K i é feita empiricamente. Essa consideração também foi feita por GOVERS (199), o qual afirmou que, apesar de o WEEP apresentar interação ou relação entre os componentes individuais do processo de erosão baseada em princípios físicos, as equações usadas para quantificar alguns parâmetros desse modelo são obtidas empiricamente. De acordo com os resultados apresentados no Quadro 4, pode-se observar que a perda de solo estimada pelo modelo WEPP apresentou aumento médio de 2,4 vezes quando a declividade foi aumentada de 2 para 18%, sendo esse aumento inferior ao observado experimentalmente, o que indica que o fator de ajuste da declividade usado no modelo subestimou o efeito da declividade na perda de solo. O mesmo pôde ser observado quando se comparou o aumento na perda de solo em função da intensidade de precipitação, ou seja, segundo o modelo WEPP, a perda de solo aumenta, em média, 12,6 vezes quando a intensidade de precipitação é incrementada de 21 para 75,25 mm h -1, enquanto para os dados obtidos experimentalmente esse aumento médio relativo foi cerca de 37 vezes. Com relação à sensibilidade da equação à variação da intensidade de precipitação, verificou-se que, provavelmente, tenha havido necessidade de ajuste do expoente da intensidade de precipitação na equação usada para estimativa das perdas de solo, posto que o efeito erosivo da precipitação varia para uma mesma intensidade (a energia cinética pode variar e, conseqüentemente, alterar o efeito da intensidade de precipitação na perda de 55

14 solo). Essa subestimativa dos efeitos da declividade e da intensidade de precipitação provavelmente possa explicar a redução na diferença relativa entre os valores estimados e os obtidos experimentalmente, chegando, em alguns casos, a ser observado mudança de superestimativas para subestimativas dos valores estimados em relação aos observados quando a declividade ou intensidade de precipitação é aumentada. A equação utilizada pelo ANSWERS para predição da erosão pelo impacto das gotas de chuva não apresenta sensibilidade à variação de declividade, o que conduziu a uma dificuldade de comparação com os dados observados experimentalmente. No entanto, de maneira geral, os valores estimados pelo ANSWERS foram inferiores aos obtidos experimentalmente, e essa inferioridade tornava-se maior à medida que a declividade aumentava. Tal comportamento pode ser explicado pelo fato de ANSWERS não considerar o efeito da declividade no processo erosivo causado pelo impacto das gotas de chuva. Com isso, independentemente da declividade, segundo ANSWERS, a quantidade de sedimentos liberados por unidade de área é a mesma, o que levou a uma redução drástica da relação entre os valores estimados pelo ANSWERS e os obtidos experimentalmente nas maiores declividades. Fazendo uma análise comparativa entre os valores de perdas de solo estimados pelos dois modelos utilizados, verificou-se diferença relativa, em média, de 12,3 vezes, sendo o valor estimado pelo WEPP superior ao estimado pelo ANSWERS. Isso se deveu, provavelmente, à diferença conceitual entre os dois modelos. 56