Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 2 - ANO 2013 Camilo Daleles Rennó Laura De Simone Borma camilo/prochidr

Processos HidrológicosProcessos Hidrológicos

CST 318 / SER 456CST 318 / SER 456

Tema 2 - ANO 2013Tema 2 - ANO 2013

Camilo Daleles RennóLaura De Simone Bormahttp://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/

O Papel do Solo no Ciclo HidrológicoO Papel do Solo no Ciclo Hidrológico

lençol freático

percolação

fluxo ascendente

infiltração escoamentosuperficial

chuva

evaporação (interceptação)transpiração

evaporação

rocha

escoamentosub-superficial

evapotranspiração

Zona deAeração

(não saturada)

Zona deSaturação

Zona deRaízes

O que é Solo?O que é Solo?

O termo solo se refere à camada superficial da crosta terrestre, que se encontra intemperizada e fragmentada e é constituída por partículas minerais, matéria orgânica, água, ar e organismos vivos.

Origina-se da rocha que, por ação de processos físicos, químicos e biológicos de desintegração, decomposição e recombinação, transformou-se, no decorrer do tempo, num material poroso. Pode ter origem na rocha matriz subjacente ou ser constituído de materiais provenientes de outras regiões, transportadas pela água, vento ou gelo.

Reconhecem-se cinco fatores na formação do solo: material de origem (rocha), tempo (idade), clima, topografia e organismos vivos.

http://danielrsilveira.blogspot.com/2010/04/formacao-do-solo.html

São necessários 10.000 anos para a formação de 1 cm de solo a partir de uma rocha granítica

Perfil do SoloPerfil do Solo

O – Horizonte com predominância de restos orgânicos (H – quando em condições hidromórficas)A – Horizonte mineral escurecido pela acumulação de matéria

orgânica

E – Horizonte de cores claras, de onde as argilas e outras partículas finas foram lixiviadas pela água

B – Horizonte de acumulação de materiais provenientes dos horizontes superiores, principalmente argilas. Pode apresentar cores avermelhadas devido à presença de óxidos e hidróxidos de ferro

C – Horizonte constituído por material não consolidado

R – Rocha consolidada

htt

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e.h

tml

Água

Matéria orgânica

Argila

Nutrientes

Características Morfológicas dos SolosCaracterísticas Morfológicas dos Solos

Espessura e transição entre horizontes

Cor

Textura

Estrutura e Porosidade

Consistência

Cerosidade

Presença de nódulos e concreções

Estes atributos são utilizados para classificar os solos

CorCor

htt

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w.lab

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f

Cores escuras: indicam presença de matéria orgânica e estão relacionadas com os horizontes mais superficiais.

Cores vermelhas: indicam condições de boa drenagem e aeração do solo. Estão relacionadas com a presença de hematita.

Cores amarelas: podem indicar condições de boa drenagem, mas com regime mais úmido. Estão relacionadas com a presença de goetita.

Cores claras: indicam presença de minerais claros (caolinita e quartzo). Pode significar a perda de materiais corantes.

Cores acinzentadas: indicam condições de saturação do solo com água (redução do ferro).

Cores mosqueadas: manchas amarelas, vermelhas, pretas, em uma matriz ou fundo normalmente acinzentado.

Definida a partir da Carta de Cores Munsell para Solos (Matiz/Valor/Croma)

TexturaTextura

Diz respeito a distribuição de tamanho das partículas do solo

Fração Diâmetro

Matacões > 20 cm

Calhaus 20 mm a 20cm

Cascalhos 2 a 20 mm

Areia Grossa 0,2 a 2 mm

Areia Fina 0,05 a 0,2 mm

Silte 0,002 a 0,05 mm

Argila < 0,002 mm

O conhecimento da textura é importante pois fornece informação sobre o solo a respeito de:

• sua capacidade em permitir a movimentação da água (condutividade hidráulica),

• sua capacidade em reter/armazenar água,

• seu potencial de fertilidade e,

• sua capacidade mecânica

Classificação granulométrica

Matacões, Calhaus e CascalhosMatacões, Calhaus e Cascalhos

linha de pedras

Diâmetros maiores que 2 mm

Não são considerados como parte da fração fina do solo

Fração AreiaFração Areia

Diâmetro entre 0,05 e 2 mm

Partículas visíveis a olho nu

Formato arredondado ou angular

Sensação áspera ao tato

Não tem coesão (não é plástico, nem pegajoso)

As areias quartzosas têm coloração branca. Se o quartzo estiver misturado com outros minerais a coloração pode ser marrom. Algumas areias podem ser avermelhadas ou amareladas devido aos sesquióxidos

Baixa superfície específica

Pobre em nutrientes

Os poros formados entre as partículas de areia favorecem a drenagem e a aeração

Armazena pouca água

Fração SilteFração Silte

Diâmetro entre 0,002 e 0,05 mm

Partículas invisíveis a olho nu

Sensação sedosa ao tato

É plástico, mas não é pegajoso quando molhado

Retém mais água que a areia

Facilmente lavável e sujeito à erosão

Retém mais nutrientes que a areia

Fração ArgilaFração Argila

Diâmetro menor que 0,002 mm

Possuem formato de lâminas planas ou pequenos flocos

As partículas de argila são colóides

Sensação sedosa ao tato

É pegajoso e plástico (fácil de ser moldado)

Alguns tipos apresentam expansão e contração (argilas 2:1)

Alta superfície específica

Formam espaços porosos pequenos

Alta capacidade de retenção de água

Grande capacidade de adsorção de elementos químicos

Classe TexturalClasse Textural

Fração Diâmetro

Matacões > 20 cm

Calhaus 20 mm a 20cm

Cascalhos 2 a 20 mm

Areia Grossa 0,2 a 2 mm

Areia Fina 0,05 a 0,2 mm

Silte 0,002 a 0,05 mm

Argila < 0,002 mm

TerraFina

Secaao Ar

A Classe textural é definida a partir das proporções das frações areia

(grossa+fina), silte e argila presente na amostra de solo.

Triângulo Textural (SBCS)

Ex: 60% areia 10% argila e 30% silte

(textura franco arenosa)

Determinação da Textura do SoloDeterminação da Textura do Solo

Qualitativa (campo)

baseado na sensação ao tato (plasticidade e pegajosidade)

requer experiência (presença de outros materiais podem mascarar o

resultado)

Quantitativa (laboratório)

uso de peneiras para frações mais grossas (> 0,05mmm)

método da pipeta para frações argila e silte (areia fina é calculada por

diferença)

Estrutura e PorosidadeEstrutura e Porosidade

Estrutura é o arranjo das partículas primárias do solo formando agregados (torrões). Este arranjo é geralmente bastante complexo não permitindo uma caracterização geométrica.

A descrição da estrutura é feita no campo, observando-se detalhadamente os agregados por ocasião de sua remoção no perfil.

A estrutura depende do grau de adesão e coesão das partículas durante o processo de intemperismo.

A estrutura do solo é determinante para a porosidade do solo, ou seja, na distribuição e no tamanho dos poros. A estrutura do solo afeta, portanto, a capacidade de retenção e a condutividade hidráulica do solo. Afeta processos tais como germinação, crescimento de raízes, erosão, etc.

A estrutura do solo resulta de uma combinação de diversos fatores: raízes, húmus e matéria orgânica em geral, microorganismos, coesão das partículas, conteúdo e tipo de argila, e conteúdo de óxidos de alumínio e ferro.

Classificação de SolosClassificação de Solos

Sistema Brasileiro Sistema Americano

http://www.pedologiafacil.com.br

Ex: Latossolo Amarelo Distrófico Típico Oxisol Ustic Dystrophic Typic

(esta correspondência nem sempre é biunívoca)

Permite extrapolar as características dos solos para outros locais com iguais condições climáticas, geológicas e de relevo (sem dados experimentais)

Classificação de SolosClassificação de Solos

Mapa de Solos do Brasil atualizado com base no atual Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Embrapa, 2006)

http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/arroz/arvore/CONT000fesi63xh02wx5eo0y53mhyx67oxh3.html

Relação entre Solo e PaisagemRelação entre Solo e Paisagem

Região Oeste Paulista

Centro-Oeste Paulista

Região Norte

Região Nordeste

http://www.pedologiafacil.com.br

As 3 fases do SoloAs 3 fases do Solo

Sólidos (~50%)(~50%) Poros

Mineral (~45%)

Orgânica (~5%)

Ar

Água

O solo pode ser entendido

como um meio poroso onde a

fração sólida (matriz do solo)

é praticamente constante

para um determinado solo

(cerca de 50%). Os espaços

entre as partículas sólidas

(poros) são ocupados pelas

frações gasosa (atmosfera do

solo - ar) e líquida (solução

do solo – água) em diferentes

proporções.

PorosidadePorosidade

A porosidade influencia

diretamente no movimento da

água no solo

A porosidade determina a

capacidade de armazenamento

da água no solo

O arranjo entre os componentes sólidos (física e quimicamente

diferentes, e com formas e tamanhos variados) determina as

características geométricas dos poros, nos quais a água e o ar se

movimentam ou são retidos.

Solo Arenoso Solo Argiloso

PorosGrandes

PorosPequenos

Densidade do Solo e PorosidadeDensidade do Solo e Porosidade

(cerca de 2,65 g cm-3 para a maioria dos solos minerais)

Densidade real (ou das partículas): é uma medida da relação entre a

massa do solo seco (Ms, g) e o volume (Vs, cm3) das partículas do solo,

dada por:

Densidade aparente: é uma medida da relação entre a massa do solo seco

(Ms, g) e o volume total* (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:

Porosidade: é uma medida da relação entre o volume de poros (Vp, cm3) e o

volume total (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:

*Vt considera a amostra indeformada, ou seja, a estrutura do

solo

Conteúdo de Água no SoloConteúdo de Água no Solo

Conteúdo gravimétrico: é uma medida da relação entre as massas de água

(Mw, g) e do solo seco (Ms, g), dada por:

Conteúdo volumétrico: é uma medida da relação entre os volumes de água

(Vw, cm3) e total (Vt, cm3) do solo, dada por:

Usa-se umidade volumétrica para se calcular a lâmina d’água (1 mm = 1 l m-2) equivalente estocada no solo, quando se quer realizar o balanço hidrológico (relacionar precipitação, água no solo, evapotranspiração e deflúvio na mesma unidade de medida).

Determinação da umidade do soloDeterminação da umidade do solo

Métodos diretos:

•Gravimétrico

Métodos indiretos:

•Sonda de nêutrons

•Baseados na condutividade elétrica (TDR)

•Tensiômetros (curva de retenção)

Método GravimétricoMétodo Gravimétrico

Uma amostra indeformada (não perturbada)

do solo é retirada usando-se um anel

volumétrico e imediatamente pesada (Mt)

Leva-se a amostra para secar em estufa

(105oC) por 24 horas, pesando-a

novamente. A diferença entre pesos

resulta na massa de água (Mw)

É um método destrutivo, não permitindo a

repetição da amostragem no mesmo

ponto

Sonda de NêutronsSonda de Nêutrons

Usa uma fonte radioativa que emite nêutrons rápidos. Os

nêutrons rápidos colidem com elementos do solo e

desaceleram.

Um detector “conta” o número de nêutrons lentos. A

densidade de nêutrons lentos é diretamente proporcional

a quantidade de hidrogênio presente no solo, permitindo

correlacioná-la com a umidade volumétrica do solo através

de uma calibração prévia.Pode ser usado a qualquer profundidade, avaliando um

volume referente a uma esfera de 30 cm de diâmetro, sem

introduzir uma grande perturbação no solo.

No entanto, sofre influência do conteúdo natural de hidrogênio

no solo (grande desacelerador de nêutrons), da densidade

do solo e de outros componentes químicos.

Além disso, é radiativo

TDR (TDR (Time Domain ReflectometryTime Domain Reflectometry))

Baseia-se na determinação da constante dielétrica do solo (),

que mede a tendência de moléculas de uma substância de

se orientarem em um campo elétrico. A constante

dielétrica da água é de cerca de 80, das partículas

minerais de 3 a 7, e do ar de 1. Esta grande diferença

permite estimar a umidade volumétrica do solo.

É um método não destrutivo e não radiativo. Permite

medições automáticas e contínuas. No entanto, requer

uma calibração específica para cada tipo de solo e não

funciona adequadamente em solos com alto teor de argila,

quartzo e matéria orgânica. A temperatura do solo

também influencia nas medições de umidade.

ExemploExemplo

Uma amostra não perturbada foi tirada do solo. A amostra tem 10 cm de comprimento e 5 cm de diâmetro. O peso da amostra imediatamente após ser retirada foi de 331,8 g. Após secagem a 105oC, o peso foi de 302,4 g. Calcule a densidade aparente, a porosidade, o conteúdo de água (gravimétrico e volumétrico).

Volume da amostra é

A densidade do solo é

Considerando que r = 2,65 gcm-3, a porosidade é

O conteúdo volumétrico de água é

O conteúdo gravimétrico é

pontes dehidrogênio

Propriedades da água: estrutura Propriedades da água: estrutura molecularmolecular

As duas propriedades mais importantes da água são: H- O

-

--

--

--

-

HH

O-

--

--

--

-

- -

+

-

++++++

• As ligações covalentes (os átomos de H e O compartilham os elétrons da camada externa) são muito fortes na água.

• A estrutura molecular da água é assimétrica, formando ângulos de 104,5o entre os átomos de H, o que provoca a existência de cargas positivas de um lado e negativa do outro, possibilitando a formação de pontes de hidrogênio que mantém a coesão entre as moléculas de água.

As partículas do solo são carregadas positivamente, promovendo a adsorção (ou adesão) da água às partículas sólidas

Tensão Superficial e CapilaridadeTensão Superficial e Capilaridade

A tensão superficial ocorre, em geral, na

interface líquido-gás. O líquido se comporta

como se estivesse coberto por uma

membrana elástica em estado de tensão

permanente, e que tende a provocar a

contração da superfície, tentando assumir

uma área mínima.

coesão

ad

esã

o

ad

esã

o

gra

vid

ad

e

Tem relação com a capilaridade já que a

interface entre o líquido e o gás não é plana

mas curva, o que provoca a movimentação

ascendente da água. A altura da coluna

d’água é inversamente proporcional ao

diâmetro do capilar.

Potencial de Água no SoloPotencial de Água no Solo

Os poros presentes no solo, representados

pelos espaços entre as partículas

(mineral e orgânica) que constituem o

solo, podem estar totalmente

preenchidos com água, como na zona

saturada, ou estar parcialmente

preenchidos por ar, como na zona não

saturada.

partículasde solo

água

ar

Toda partícula de água no solo está

sujeita a uma série de forças que

determinarão o sentido e

velocidade de deslocamento

desta partícula dentro do solo.

Os poros da zona de aeração podem ficar

temporariamente saturados por ocasião

da chuva ou irrigação, mas, deixados

em repouso, retornarão à condição não

saturada.

Potencial de Água no SoloPotencial de Água no Solo

A energia com a qual o solo retém a água é medida em termos de potencial

de água (), que tem unidades de pressão*, ou energia por unidade de

volume, que equivale à força por unidade de área.

O movimento da água será sempre orientado para a região de menor

potencial

O potencial de água no solo é a soma dos potenciais gravitacional, osmótico e de

pressão.

B

A

A > B A < B

B

A

A = B

B

A

* Unidades de pressão: 1000 kPa = 10 bar = 101,98 mca = 7500,64 mmHg

Potencial GravitacionalPotencial Gravitacional

O potencial gravitacional (g) é baseado simplesmente na posição da

partícula de água dentro do campo gravitacional relativo a um nível de

referência qualquer.

Considerando como superfície de referência o nível do mar, a força

gravitacional é sempre positiva e orientada para baixo, o que faz que

a água, desconsiderando os outros potenciais, tenha a tendência de

mover-se verticalmente para baixo ao longo do perfil do solo.

Potencial OsmóticoPotencial Osmótico

O potencial osmótico (o) é baseado na diferença de concentração de sais

entre dois pontos.

Em geral, pode ser negligenciado para a maioria dos solos. Apenas em

solos salinos este potencial pode tornar-se importante fazendo com

que a água seja mais fortemente retida no solo, dificultando sua

retirada pelas raízes das plantas.

Potencial de PressãoPotencial de Pressão

Por convenção, a pressão exercida na linha do lençol freático é nula,

sendo positiva abaixo (zona saturada) e negativa acima deste nível

(zona não saturada). O potencial de pressão negativo é chamado de

potencial matricial (m) e o positivo é denominado simplesmente de

carga (c).

Em solos não saturados, o potencial matricial representa a força de

adesão da água às partículas do solo. Quanto menor for a umidade,

mais fortemente a água será retida pelas partículas do solo.

Em solos saturados, a carga representa o peso da coluna d’água sobre o

ponto considerado.

Curva de Retenção do SoloCurva de Retenção do Solo

Cada solo, dependendo de sua textura e porosidade, possui uma curva de

retenção característica que relaciona o conteúdo de umidade e o

potencial matricial deste solo.

É importante observar que a relação entre a umidade e o potencial

matricial é diferente se este solo estiver recebendo ou perdendo água.

Este fenômeno é conhecido como histerese.

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

00 -0,001 -0,01 -0,1 -1 -10 -100 (MPa)

fase desecamento

fase deumedecimento

m

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

00 -0,001 -0,01 -0,1 -1 -10 -100 (MPa)

m

argila

silte

areia

Medição do Potencial de Água no SoloMedição do Potencial de Água no Solo

Métodos indiretos:

• Medindo-se a umidade e obtendo-se o potencial através da curva de

retenção característica do solo

Métodos diretos:

• Tensiômetros (0 até -85 kPa)

• Baseados na condutividade elétrica (entre -100 e -1500 kPa)

TensiômetroTensiômetro

É um tubo cilíndrico, geralmente de PVC, com uma

cápsula porosa instalada em um extremo.

A cápsula porosa, geralmente de cerâmica, tem

poros tão finos que eles permanecem saturados

nos potenciais de pressão encontrados em

condições de campo.

O tubo está em contato íntimo com o solo, e o

interior do tubo é completamente cheio de água.

A diferença de pressão entre a cápsula porosa e

solo é transmitida para o tubo do tensiômetro.

Blocos PorososBlocos Porosos

Dois eletrodos envolvidos por um bloco de gesso ou nylon

medem a condutividade elétrica, que tem relação com

o potencial de água no solo (necessitam calibração).

Não são adequados para solos salinos, já que o conteúdo

de sais afeta a calibração do bloco.

Podem ser usados sob tensão bem maior que os

tensiômetros, e são mais sensíveis em potenciais mais

negativos (solos muito secos).

Não tem boa precisão em potenciais próximos a zero

(umidade próximo à saturação).

Câmara de Richards (Laboratório)Câmara de Richards (Laboratório)

O sistema consta de panela de pressão, placa

cerâmica porosa e equipamentos de produção e

controle de pressão, podendo usar tanto

amostras indeformadas como deformadas.

Trabalham com pressões entre -10 e -1500 kPa

As amostras (úmidas) são pesadas

logo após serem submetidas a

uma pressão negativa pré-

determinada e, em seguida, são

secas em estufa para determinar

o conteúdo de água da amostra.

Relação entre Relação entre e e mm

• Brooks-Corey

• van Genuchten

Se é a saturação efetiva (entre 0 e 1)s e r são os conteúdos volumétricos de água na

saturação natural (Vw = Vp) e residual ( = -1500kPa)

b é o potencial de entrada de ar ou pressão de entrada do ar é chamado de índice de distribuição de poros(se |m|≥|b| então = s)

e n são parâmetros

Brooks, R.H.; Corey, A.T. (1966). Properties of porous media affecting fluid flow. Journal Irrigation Drain. Div., 92 (IR2): 61-68.van Genuchten, M.Th. (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44 (5): 892–

898.

-m

sr

BC

vG

Redistribuição da Água no PerfilRedistribuição da Água no Perfil

argiloso

arenoso

-m

s (arg) > s (aren)

r (arg) > r (aren)

Limite superior da zona capilar

lençol freático ( = 0)

Condições de equilíbrio para um solo homogêneo

Em condições reais vários fatores alteram esta distribuição:

•A existência de horizontes do solo que determinam que a relação entre o m e (curva de retenção) variem com a profundidade.

•A existência de raízes, que reduzem o conteúdo de umidade na zona radicular

•A oscilação do lençol freático como consequência da recarga e do fluxo de base

•A presença de frentes úmidas no perfil do solo como consequência da infiltração

•A presença de evaporação do solo, que cria perfis de dessecamento nas camadas superiores do solo

Redistribuição da Água no PerfilRedistribuição da Água no Perfil

a) condição de equilíbrio com solo seco à superfície e saturado ao nível do lençol freático

b) com o início da precipitação, a infiltração é rápida, adicionando água nas camadas superficiais

c) a precipitação continua, saturando o solo nas primeiras camadas

d) a precipitação cessa, a umidade superficial começa a descer no perfil do solo e evaporar

e) a umidade continua a descer com velocidades diferentes (camadas com diferentes texturas e porosidades) gerando curvas de umidade mais complexas

Base

ad

o e

m H

ew

lett

(1

98

2)

MacroporosMacroporos

Matrizdo Solo

Macroporo

Filmes de água-3100 kPa -1500 kPa -100 kPa

Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMP

Após a chuva ou irrigação, a infiltração cessa e a água se redistribui dentro do perfil principalmente pela influência do potencial gravitacional.

A umidade do solo na qual a redistribuição praticamente cessa é denominada capacidade de campo (CC), ou seja, é a umidade que o solo consegue sustentar sob a ação da gravidade.

Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo previamente saturada, submetida a uma pressão de -33kPa (ou -6 ou -10 kPa).

Apesar de arbitrário, este conceito é considerado por muitos como um critério prático e útil para o limite superior de água que um solo pode reter.

Saturação

Todos os poros estão cheios de

água. A água gravitacional

é perdida.

Capacidade

de Campo

Apenas os macroporos

estão ocupados por

ar.

Capacidade

de Campo

Apenas os macroporos

estão ocupados por

ar.

Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMPA água perdida pelas plantas por

transpiração deve ser constantemente reposta pela extração da água do solo na zona radicular.

Quando a planta não consegue mais retirar a água do solo, as folhas perdem a turgidez e a planta murcha.

O ponto de murcha permanente (PMP) é definido como a umidade do solo na qual uma planta não mais recupera a turgidez (mesmo quando colocada em atmosfera saturada por 12 horas).

Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo submetida a uma pressão de -1500 kPa.

É também bastante arbitrário (as xerófitas podem extrair água até -7500 kPa e as freatófitas não além de -500 kPa)

Ponto de Murcha

Permanente

Não há mais água

disponível para as plantas

(umidade residual)

Água Disponível(CC – PMP)

Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMP

areia francoarenoso

franco francosiltoso

francoargiloso

argila

Água DisponívelÁgua Gravita

cional

Água Higroscópica

UM

IDA

DE

PMP

CC

saturação