AULA 5 Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERA AGM 5724 Pós-Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha Ciclo hidrológico na superfície Balanço de água sobre microbacia. Umidade do solo Parâmetros físicos do solo, potencial de água no solo, curva de retenção. Métodos de medição Infiltração, escoamento superficial e sub-superficial. Fluxo da água no solo, equação de Richards Extração de água no sistema radicular. Evaporação do solo. Interceptação da precipitação Exemplos na biota global e brasileira
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AULA 5
Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERA AGM 5724 Pós-Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha
Ciclo hidrológico na superfícieBalanço de água sobre microbacia.Umidade do soloParâmetros físicos do solo, potencial de água no solo, curva de retenção. Métodos de mediçãoInfiltração, escoamento superficial e sub-superficial. Fluxo da água no solo, equação de RichardsExtração de água no sistema radicular. Evaporação do solo. Interceptação da precipitaçãoExemplos na biota global e brasileira
Umidade disponível para vegetação
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Previsão do tempo e simulações do clima
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Source K. Lemke, Comet Program
Agua subterrânea
Figura (H. Chang, Lebac/Igc/Unesp
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Importância da evapotranspiração (ET)
1. A componente de maior perda do balanço de água anual à superfície
Variação de umidade do solo ∆S (+ ) umidecimento (-) secamento
∆S = P – ET – R ↔ ET = P – R – ∆S
2. Controla os processos de precipitação
3. Controla a água disponível para uma série de serviços ambientais:
na componente de transpiração (evapotranspiração menos a evaporação do solo), para produzir vida (produtividade) na forma de alimentos, fibras e energia
escoamento em riachos e rios (fauna)
umidade na zona radicular do solo (flora e microbiologia)
Parâmetros físicos do solo
Retenção de umidade do solo
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Estrutura matricial dos poros no solo
Figura 1. Desenho esquemático da estrutura do solo onde:
matriz do solo (hachurada) e espaço poroso preenchido por água (cinza) ou por ar (branco).
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Fonte: Bruno et al., Hydrological Processes (2006)
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Porosidade total, densidade do solo e de partículas de três solos paulistas (adaptada de Grohmann, 1960)
ProfundidadePorosidade
TotalDensidade
do SoloDensidade de
Partículas
cm % kg.dm-3
Latossolo roxo
0-2525-5050-80
565561
1,211,211,06
2,752,702,68
Latossolo vermelho-escuro
0-2525-5050-80
656667
0,950,930,94
2,702,782,88
Latossolo vermelho-amarelo
0-2525-5050-80
515048
1,301,331,35
2,532,602,56
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
(Esq) relações de potencial matricial (Ψ, em Pa) e conteúdo de umidade do solo (θ, em % de volume) em solos com diferentes texturas. (Adap Buckman & Brady, 1960; apud Oke, 1990).
(Dir) (Bouma, 1977)
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Efeito de histerese para curva de retenção (Fonte: Lindsay Jr et al., 1988).
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Comparação da porosidade em um solo argiloso, a) comparação entre a porosidade total no solo compactado e no não compactado, b) comparação de poros maiores do que 0,03 mm em solo compactado e não compactado (Eriksson. 1975/1976)
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Dinâmica da água no solo
1. Infiltração2. Drenagem
3. Geração de Escoamento
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Capacidade de infiltração (mm/h)
t (ou umidade )
1. Frente de onda saturada
2. Decaimento e Limitação da capacitade de infiltração com de Ksat
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Vazão no evento de chuvaHidrógrafa (vazão)Hietógrafa (chuva)Curva de depleção ou recessão (do escoamento de base)
Efeitos das mudanças de uso da terra
Fonte: Ward&Trimble (Environmental Hydrology)
Redistribuição da água após a saturação
(Torre de fluxos ecótono floresta-pastagem, TO)
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2005
0102030405060708090
100110120130140150160170180190200
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Teor de umidade volumétrico (m3m-3)
Prof
undi
dade
(cm
)
3/jun
15/jun
30/jun
15/jul
31/jul
16/ago
31/ago
15/set
30/set
5/jun
6/jun
7/jun
8/jun
9/jun
10/jun
11/jun
12/jun
13/jun
14/jun
15jun
3 jun
15jul
16ago
31ago
30set
Dinâmica da água no solo
2. Equação de Richards
3. Modelos de curva de retenção
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Condutividade hidráulica e potencial
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- Extração radicular
-Ascensão capilar
sob área de floresta
amazonica
Fonte: Rocha et al (2004)Ciclo hidrológico à superfície
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Modelos de condutividade e retenção
Fonte: Bonnan (2002)
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Métodos de medição de umidade do solo
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Método gravimétrico
mwet , mdry = amostra de solo antes (wet) e depois (dry) secagem na estufa;
ρw = densidade da água
Vb = volume do material obtido com anel amostrador
mdry :
- Obter medida com secagem na estufa a 1050 C por 24h;- reestimar c/ secagem por ~ 6 h, e repetir até não haver diferença significativa
Método da sonda de neutrons
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Método com tensiômetros (cápsula porosa)
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Refletômetro no domínio do tempo (TDR)
Refletômetro no domínio da frequência (FDR)Ciclo hidrológico à superfície
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Bruno et al., Hydrological Processes (2006)
Fraction of Water Withdrawl
Exemplo da variação sazonal, e do perfil vertical de umidade
do solo, em um solo muito argiloso
Figure 3. Measured 10 m soil moisture profile (in m3m-3) beneath tropical forest at km 83 tower site,
Santarem, for both the wettest and driest soil moisture measured at each depth.
(Fonte: Bruno et al. 2006)
Refletômetro (FDR)
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Sensor de raios cósmicos• Fluxo de raios cósmicos variam com latitude, longitude e ciclo de
manchas solares• Neutrons rápidos são absorvidos no solo, e os que escapam do
solo são contados – variam com o teor de água no solo• aproximadamente insensíveis às características químicas do solo.
Extração de umidade do solo
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Fonte: Brunini (1998)
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Conversão
1 MPa =
10 Bar =
10 atm
Sistema radicular
As raízes ocupam ~ 5% do volume do solo concentram-se nos 20 cm superioresvolume decresce com a profundidade
apenas pequena fração de solo está em contato direto com as raízes: extração não depende só da fisiologia mas por fatores edáficos (tipo de solo, manejo – compactação) Na maioria plantas herbáceas e arbóreas: diâmetro > (0,1 mm) que é > diâmetro macroporos (~0,05 mm)
crescimento das raízes ocorrem nos macroporos(solos mal estruturados inibem pleno desenvolvimento raizes)Fonte (IAC)
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Ward & Trimble: Profundidade das raizes
Raízes de milho no perfil de um latossolo argiloso, sem e com aplicação do gesso.
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Umidade do solo (mm) de 0-1m de profundidade, e de 1-2m de profundidade em Pastagem e
Floresta na Amazonia (Hodnett 1992)
Profundidade de raízes até 10 m em florestas
Arroz
Soja
Algodão
Fonte: Brunini (1998)
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Pastagem em Manaus (Faz. Dimona) Fonte: Rocha et al (1996)
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Interceptação de chuva
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Precipitação interna (chuva que atinge o solo)(throughfall)
Coletor de água de transprecipitação, e parcela para estudo da interceptação, em floresta de Mata Atlântica (Lab Hidrologia Florestal Walter Emmerich, IF/SP, Cunha, SP).
Escoamento troncos : água que escorre pelos troncos e atinge o solo.
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Interceptação de chuva
Fonte: Ramirez (Journal of Climate, 1999)
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Annual mean interception ratio and annual rainfall. Fonte:Ward (1990) (Principles of
hydrology)
Interceptação de florestas tropical terra firme na Amazônia
Fonte : Ferreira et al (2005) (Acta Amazonica)
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Interceptação em agroecossistemas, florestas plantadas e nativas
Floresta de Mata Atlântica (secundária) 80 2 18 estágio inicial crescimento, Viçosa, MG, Oliveira Jr (2005)
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Termo de escoamento nos troncos
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Capacidade de armazenamento da chuva (em mm)
~ (0,1 a 0,5) do IAF
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Método simples de medição1.Mede-se PI e Est (acumulada) em células de grade, ou transecção linear, alternando-se aleatoriamente os pluviômetros 2 a 4 vezes/mês.2.Estima-se as correlações com P, sobre amostras de períodos de coleta ~ 2 anos.
Fonte : Oliveira Jr (2005)
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