1 Água e solo
1.1 - Solo Solo Camada externa e agricultável da superfície da terra, constituindo um sistema complexo e heterogêneo, cuja formação: Material de origem Tempo Clima Topografia
1.1 - Solo a) Fração sólida Minerais Matéria orgânica Forma Tamanho (textura) Composição química Resíduos vegetais e animais Clima
1.1 - Solo a) Fração sólida Organização - arranjo Poros (estrutura) Junção de partículas (agregados) b) Fração líquida Solução do solo c) Fração gasosa Extremamente variável CO 2 e O 2
Fração líquida Fração gasosa Interação física se manifesta por meio de forças que adsorvem a água junto à matriz Um solo bem agregado (estruturado) apresenta boa quantidade de poros de tamanho relativamente grande macroporosidade: Penetração de raízes circulação de ar manejo do ponto de vista agrícola movimentação de água no solo
1.2 Relações massa-volume dos solos Mar ar Var Ma água Va M = M + M + t ar a M s V = V + V + t ar a V s Ms sólido Vs
Para um volume de 1,0 cm 3, as massas de ar, água e solo que ocupam o referido volume são da ordem de 1,12.10-3 ; 1,0 e 2,7 g, respectivamente. Portanto, pode-se desprezar, no cômputo da massa total do solo, a parcela referente ao ar do solo, uma vez que seu valor é bem inferior à massa da água e a dos sólidos. Dessa forma: M = M + t a M s V = V + t p V s
a) Densidade (massa específica) do solo (Ds): representa a relação entre a massa de sólidos em relação ao volume de controle (Vt), ou seja: D = s M V s t Ex. Determine a densidade do solo amostrado em um cilindro de 5,0 cm de diâmetro, 2,5 cm de altura, em que, a massa do solo após secagem foi de 64,3 g. 2 2 π D π 5 V t = h = 2,5 = 4 4 49,1 cm 3 D s = 64,3 49,1 = 1,31 g. cm 3
b) Densidade (massa específica) de partículas (Dp): representa a relação entre a massa de sólidos em relação ao volume do solo ocupado pela fase sólida (Vs): D = p M V s s Ex. Para o solo amostrado descrito no Exercício 1.1, determine a massa específica de partículas sabendo-se que o volume de sólidos foi de 24,2 cm 3. D p = M V s s = 64,3 24,2 = 2,66 g. cm 3
c) Porosidade total (P): expressa a relação entre o volume de poros, ocupados pelas fases líquida e gasosa do solo, em relação ao seu volume total: Vt Vs P = = V t V V p t P = V V t t M V t s V M s s = 1 D D s p Ex. Determine a porosidade total usando as massas específicas do solo e de partículas dos exercícios anteriores. P = 1 D D s p = 1 1,31 2,66 = 0,508 cm 3.cm 3 ou 50,8%
d) Porosidade drenável (Pd): se refere à diferença entre porosidade total e a umidade volumétrica em capacidade de campo (θ cc ) P d = P θ cc Para as situações em que o solo possui certa umidade, a parcela do solo ocupada com a fase gasosa, pode-se então determinar a porosidade livre de água (PLA), ou seja: PLA = P θ
1.3 Umidade do solo Umidade com base em massa (U) Mt Ms Ma U = = Ms Ms Umidade com base em volume (θ) θ = Vt Vs Vt = Va Vt como d água = 1 ma = Va θ = Ma Ms Ms Vt = U D s
Um resultado de U = 0,30 g g -1 significa que 130 g de uma amostra úmida contém 30 g de água (umidade com base em massa seca). Ex: Amostra de solo em um anel de 5 cm de altura e 5 cm de diâmetro. massa do anel = 82,5 g massa do anel + solo úmido = 224,85 g massa do anel + solo seco = 193,55 g
1.4 Medida de umidade no solo Método direto - Gravimétrico (estufa) Métodos indiretos - Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos) - Moderação de neutrons (sonda) - Tensiometria - TDR (Time Domain Reflectometry)
Métodos indiretos - Blocos de resistência elétrica (Bouyoucos)
Métodos indiretos - Sensor Watermark
Métodos indiretos - Sonda HydroSense
Métodos indiretos - Sonda HydroSense Umidade obtida pelo método padrão (%) 50 45 40 35 30 25 20 15 θ = 0,6165 L + 14,595 R² = 0,9656 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Umidade medida pela sonda Hydrosense (%)
Métodos indiretos - Tensiômetro h. A ψ A = 12,6 h + h + 2 h 1
Métodos indiretos - Tensiômetro IT-1101 - AGRICULTURA IRRIGADA
Métodos indiretos - Moderação de Neutrons
Métodos indiretos - Moderação de Neutrons
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) 1 2 3 4 Ka d VpL = 2 1 2 3 4 d = deslocamento (m) Vp = Vel. de propagação L = comp. da haste (m)
Material Constante dielétrica (adimensional) Ar 1 Partículas sólidas do solo 3-5 Água 81 Matriz do solo 1-81 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 X 1 θ = 0,20 m 3 /m 3 θ = 0,26 X 2 0 180 200 220 240 260 280 Distância (cm) θ = 0,33 X X 2 Ka = LVp. L = 10 cm Vp = 0,99 1 2
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) A técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios na determinação da umidade do solo. Para a sua satisfatória utilização é necessário, no entanto, o cumprimento de algumas etapas, quais sejam: - construção dos sensores; - calibração no campo/laboratório; - instalação dos sensores; e - determinação da Ka.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas 15 cm 3 cm
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas Cabo RG-58 50 Ω Conector BNC
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas Resina Epoxy x Catalizador Barras de aço inox (3 mm)
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Construção das sondas
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração θ = 4,3.10 6.Ka 3 5,5.10 4 Ka 2 + 2,92.10 2.Ka 5,3.10 2 Esta equação tem sido largamente utilizada demonstrando sua adequacidade na determinação de θ. No entanto, tendo em vista as diferentes características entre solos, nem sempre o modelo proposto é adequado.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração Apesar da TDR ser um método confiável, Souza et al. (2006) ressaltam que para uma interpretação mais precisa da medida de Ka (θ), é fundamental a calibração de uma curva específica para o local de estudo.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Calibração Durante a calibração deve ser reproduzida a condição de campo na qual a técnica será utilizada. Ka x θ Campo x Laboratório
0,35 0,30 θ = 4E-06ka 3-0,0003ka 2 + 0,0213ka - 0,0696 R² = 0,9854 0,25-3 ) θ (cm 3.cm - 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 ka
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas O número de sondas a ser utilizado para monitoramento da umidade ou condutividade elétrica vai depender da homogeneidade das características do solo da área experimental e da profundidade do perfil do solo a ser monitorada.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas Normalmente, em estudos de manejo da irrigação, a profundidade monitorada corresponde à própria profundidade efetiva do sistema radicular da(s) cultura(s), enquanto que em estudos de lixiviação de nutrientes ou percolação profunda no perfil, sondas devem ser instaladas a maiores profundidades.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Instalação das sondas Quando o estudo é realizado para culturas com maior profundidade de sistema radicular e/ou visando o movimento horizontal da frente de umedecimento no perfil do solo, há necessidade de escavação de trincheiras maiores, permitindo a instalação de um numero bem superior de sondas.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Determinação de Ka Além da escolha do numero de sondas e da correta instalação das mesmas, o treinamento para execução das medições e a manutenção dos equipamentos, devem ser também considerados.
Métodos indiretos - Reflectometria no domínio do tempo (TDR) - Determinação de Ka Além da escolha do numero de sondas e da correta instalação das mesmas, o treinamento para execução das medições e a manutenção dos equipamentos, devem ser também considerados.
1.5 Armazenamento de água no solo Para um manejo adequado da irrigação é necessário conhecermos a quantidade de água armazenada em um perfil do solo, em um dado instante.
1.5 Armazenamento de água no solo S h = V S V h é a quantidade de água sobre a superfície unitária (S = 1). Assim 1L h = 2 m = 1,0mm No solo e considerando superfície unitária, h = V.
1.5 Armazenamento de água no solo S = 1 cm 2 V = 1 cm 3 Como a área é unitária, o volume de água V é igual a θ 1 cm 3 de água e, então, θ1 = h 1.
Seja o exemplo: se 1 cm 3 de solo tem um θ = 0,35 cm 3 cm -3 naquele volume de solo, cuja base é 1 cm 2, tem 0,35 cm 3 de água. Portanto, a altura de água é 0,35 cm ou 3,5 mm. Num segundo cm, com θ 2, a altura de água será h 2 e assim sucessivamente até h n. Portanto, até a profundidade L, a altura de água armazenada é a soma de todas as camadas de 1 cm até L. Admite-se que a umidade do solo não varia na direção horizontal, apenas na vertical. A L = L θ i= 1 i
Profunidade Z (cm) Umidade θ (cm 3 cm -3 ) 0 1 0,101 1 2 0,132 2 3 0,154 3 4 0,186 4 5 0,201 5 6 0,222 6 7 0,263 7 8 0,300 8 9 0,358 9-10 0,399 A água armazenada de 0 5 cm é: 0,101 + 0,132 + 0,154 + 0,186 + 0,201 = 0,774 cm ou 7,74 mm. A água armazenada até 10 cm será 23,16 mm.
O somatório apresentado na equação A L = L θ i= 1 i pode ser substituído por uma integral: L A = θ dz L = L 0 Na primeira equação, como dz era igual a unidade, o seu valor não aparecia na expressão.
Para se determinar o armazenamento de água em um perfil, o ideal, portanto, é necessário conhecer a função θ(z) que define o perfil de umidade, e assim proceder a integração analítica. No entanto, θ(z) é função do tempo podendo assumir diferentes formas. Por isso, torna-se praticamente impossível o uso de integrações. Uma possibilidade é se trabalhar com integração numérica, conhecendo os valores de θ para diferentes z. Desta forma, o perfil de umidade se transforma em um histograma, cuja área pode ser obtida pelo método dos trapézios.
A L = θ 1 z + θ 2 z +... + θ n z A L = ( θ + θ +... + θ ) z 1 2 n A L = ( θ 1 + θ 2 + n... + θ n ) z n A = θl L A = θdz = θ(l L ) ( L 1 ) 2 1 L 2 L 2 L 1
Ex: em um dado instante foram determinadas amostras de solo em uma cultura de cana-de-açúcar e obtidos os seguintes resultados: Z (m) d s (kg m -3 ) U (%) 0 0,15 1250 12,3 0,15 0,30 1300 13,2 0,30 0,45 1300 13,8 0,45 0,60 1150 15,2 0,60 0,75 1100 18,6 0,75 0,90 1100 16,3 0,90 1,05 1050 13,7 1,05 1,20 1000 13,7
Z (m) d s (kg m -3 ) U (%) 0 0,15 1250 12,3 0,15 0,30 1300 13,2 0,30 0,45 1300 13,8 0,45 0,60 1150 15,2 0,60 0,75 1100 18,6 0,75 0,90 1100 16,3 0,90 1,05 1050 13,7 1,05 1,20 1000 13,7 Determine os armazenamentos nas camadas 0 0,45; 0 0,90; 0 1,20; 0,45 1,20 e 0,15 0,30.
Ex. Em uma área experimental cultivada com feijão, a umidade volumétrica do solo foi determinada em várias profundidades e em duas épocas diferentes (Tabela). Pede-se: - trace os perfis de umidade no solo para os dias 10 e 17/04; - empregando os métodos do somatório e da umidade média no perfil, determine o armazenamento de água na camada de solo de 50 cm para o dia 10/04. - determine o consumo de água da cultura do feijão entre os dias 10 e 17/04, sabendo-se que neste período não houve irrigação nem precipitação.
Z (cm) 10/04/2010 17/04/2010 θ (cm 3.cm -3 ) 0 0,503 0,470 10 0,486 0,425 20 0,425 0,382 30 0,395 0,342 40 0,387 0,335
a) Perfil de umidade 0 umidade (cm 3 cm -3 ) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 10 20 z (cm) 30 40 50 10/abr 17/abr 60
cm 3.cm -3 b) Método do somatório A ) 50 ( 10 / 04 = 100 ( 0,503 + 0,486 + 0,425 + 0,395 + 0,387 ) = 219,6 mm θ 0,503 + 0,486 + 0,425 + 0,395 + 0,387 5 ( 10 / 04 ) = = 0,4392 A 1 50 ( 10 / 04 ) = θ ( L2 L ) = 0,4392.( 500 ) = 219,6 mm
cm 3.cm -3 c) A variação de armazenamento de água no solo no volume de controle, entre os dias 10 e 17/04, expressa o consumo de água da cultura de feijão, uma vez que no período considerado não houve irrigação nem precipitação, ou seja: θ 0,470 + 0,425 + 0,382 + 0,342 + 0,335 3 3 ( 17 / 04 ) = = 0,3908 cm cm 5 A 1 50 ( 17 / 04 ) = θ ( L2 L ) = 0,4082.( 500 ) = 204,1mm A 219,6 204,1 7 ( 17 / 04 10 / 04 ) = = 2,2 mm. dia 1
1.5.1 Movimento de água no solo Estado energético da água A água é transferida para a atmosfera pelos processos de transpiração e evaporação. Transpiração a água na forma de vapor passa por difusão estomática para a atmosfera. Evaporação existindo um gradiente de potencial entre o solo e a atmosfera, a umidade do solo diminui e com isso o potencial da água.
1.5.1 Movimento de água no solo Ψ atm =-10,0 a -100,0 MPa Ψ folha =-0,5 a -0,4 MPa Ψ raiz =-0,1 a -1,0 MPa Portanto, a água se desloca de regiões de maior para menor energia tendência na natureza de todos os corpos assumirem um estado de energia mínima. Ψ solo =-0,01 a -0,2 MPa
1.5.1 Movimento de água no solo Conclui-se que, a quantidade de água presente no solo, na planta, na atmosfera ou em qualquer corpo na natureza é caracterizada por um estado de energia Conceitos estáticos Armazenamento Conceitos dinâmicos Movimento
1.5.1 Movimento de água no solo Formas de energia da água O estado de energia da água pode ser expresso: Cinética Potencial Ec 2 mv = Ep = mgh 2
1.5.1 Movimento de água no solo Potencial da água no solo O potencial está associado à quantidade de água disponível no solo. Quanto menor o potencial, mais dificuldade a planta terá para equilibrar o fluxo de água no sistema solo-planta-atmosfera. Pelo fato da Ec ser desprezível, o potencial é uma estimativa do estado de energia da água no solo.
Potencial da água no solo a) Unidades do potencial energia volume energia massa energia peso J Nm N = = = = Pa 3 3 2 m m m = = J kg = J kg.g Nm kg = = Nm Kg.g kgmm 2 s kg = = m s 2 2 kgmm 2 kgs m s 2 = m
Potencial da água no solo a) Potencial e seus componentes ψ = ψ ψ g os + ψ p + ψ... + ψ m +
a) Potencial e seus componentes Potencial matricial Lei de Stevin P = γ h P 2 1 1 A γ(h + h + h) + γ h = P = γ1h + γ(h2 + h1 A + h) 0 PA γ1 γ = h + (h2 + h1 + h) γ γ γ
a) Potencial e seus componentes Potencial matricial ψ A = 13600 1000 h + h 2 + h 1 + h ψ A = 12,6h + h 2 + h 1
a) Potencial e seus componentes Curva de retenção
a) Potencial e seus componentes Van Genutchen (1980) θ = θ r + θ s θ [ 1 + ( αψ ) n ] m m r
Exemplo θ = 0,039 + 0,445 [ 0,213 1 + (16,353ψ ] 0, 2681 m) Com base na equação (θ cm 3 cm -3 e ψ m cca(+)) qual a umidade do solo equivalente a um potencial matricial medido de 50,8 cca;? Um novo tensiômetro foi instalado obtendo h = 20cm, h 1 = 5 cm e h 2 = 30 cm. Sabendo que θ cc = 35% e θ pm = 20% e que a recomendação é que a irrigação seja realizada toda vez que θ = 40% da água disponível: está na hora de irrigar?
1.5.2 Disponibilidade de água no solo A água no solo teoricamente disponível às plantas - θ cc 0,1 a 0,3 atm (10 30 kpa) - θ pm 15 atm (1500 kpa) θ cc equilíbrio entre a retenção e a força da gravidade, quando a drenagem é desprezível θ pm equilíbrio entre as forças de adesão e a sucção exercida pelas raízes
1.5.2 Disponibilidade de água no solo
1.5.2 Disponibilidade de água no solo DTA = U cc U pm mm de água ds 10 cm do solo DTA = g g água solo g solo cm 3 solo = g água cm 3 solo = cm cm 3 3 água solo DTA = cm cm cm cm 2 2 água solo = cm água cm solo = 10mm água cm solo
1.5.2 Disponibilidade de água no solo
1.5.2 Disponibilidade de água no solo Os valores de DTA variam em função da textura do solo e assumem normalmente os seguintes valores: Textura grossa: 0,4 a 0,8 Textura média: 0,8 a 1,6 Textura fina: 1,2 a 2,4
1.5.2 Disponibilidade de água no solo AD U U cc pm = DTA.Z = dsz 10 AFD = AD.f = U cc 10 U pm dsz f
1.5.2 Disponibilidade de água no solo Ex. Sabendo que U = 29,0%, θ =18,0% e que D = 1,35 cc pm s g.cm -3, determine: a) a disponibilidade total de água neste solo; b) a capacidade total de água, sabendo que a profundidade efetiva do sistema radicular é de 30,0 cm.
1.5.2 Disponibilidade de água no solo a) θ cc = U cc.1,35 = 0,3915 cm 3. cm-3 (39,15%). Como os dois valores já estão expressos em volume, cálculo final será: DTA = θ cc θ 10 pm = 39,15 18,0 10 = 2,115 mm.cm 1 b) AD = DTA.Z = 2,115.30 = 63,45 mm.
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA Professor Daniel Fonseca de Carvalho ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO Instituto de Tecnologia - Depto. de Engenharia BR 465, km 7 - Seropédica-RJ - 23.890-000 (21) 2682-1864 e-mail: carvalho@ufrrj.br http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/daniel