1 – Água e solo - UFRRJ · IT-1101 - AGRICULTURA IRRIGADA 1.1 - Solo Solo Camada externa e...

IT-1101 - AGRICULTURA IRRIGADA

1 – Água e solo


1.1 - Solo

Solo Camada externa e agricultável da superfície da terra, constituindo um sistema complexo e heterogêneo, cuja formação:sistema complexo e heterogêneo, cuja formação:

Material de origem Tempo Clima Topografia


1.1 - Solo

a) Fração sólida

Matéria orgânicaMinerais Matéria orgânica

Forma Tamanho(textura)

Composição química

Minerais

Resíduos vegetais e

animais

Clima


1.1 - Solo

a) Fração sólida

Organização Poros (estrutura)Junção de partículas (agregados)

Organização - arranjo

Poros (estrutura)Junção de partículas (agregados)

b) Fração líquida Solução do solo

c) Fração gasosa Extremamente variávelCO2 e O2


Fração líquida Interação física se manifesta por meio de forças que adsorvem a água junto à matriz

Fração gasosa

Um solo bem agregado (estruturado) apresenta boaquantidade de poros de tamanho relativamentegrande 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

ar

Ma

r

Va

r

sólido

água

Ma

M

s

Va

V

s

saart MMMM ++=

saart VVVV ++=


Para um volume de 1,0 cm3, as massas de ar, água e soloque ocupam o referido volume são da ordem de 1,12.10-3;1,0 e 2,7 g, respectivamente. Portanto, pode-sedesprezar, no cômputo da massa total do solo, a parcelareferente ao ar do solo, uma vez que seu valor é bemreferente ao ar do solo, uma vez que seu valor é beminferior à massa da água e a dos sólidos. Dessa forma:

sat MMM +=

spt VVV +=


a) Densidade (massa específica) do solo (Ds): representaa relação entre a massa de sólidos em relação ao volumede controle (Vt), ou seja:

M

t

ss V

MD =

Ex. Determine a densidade do solo amostrado em umcilindro de 5,0 cm de diâmetro, 2,5 cm de altura, em que,a massa do solo após secagem foi de 64,3 g.

322

t cm1,495,24

5h

4

DV =×π=×π= 3

s cm.g31,11,49

3,64D −==


b) Densidade (massa específica) de partículas (Dp):representa a relação entre a massa de sólidos em relaçãoao volume do solo ocupado pela fase sólida (Vs):

Ex. Para o solo amostrado descrito no Exercício 1.1,determine a massa específica de partículas sabendo-seque o volume de sólidos foi de 24,2 cm3.

s

sp V

MD =

3

s

sp cm.g66,2

2,24

3,64

V

MD −===


c) Porosidade total (P): expressa a relação entre ovolume de poros, ocupados pelas fases líquida e gasosa dosolo, em relação ao seu volume total:

Ex. Determine a porosidade total usando as massasespecíficas do solo e de partículas dos exercíciosanteriores.

t

p

t

st

V

V

V

VVP =

−=

p

s

s

s

t

s

t

t

DD

1MV

VM

VV

P −=−=

%8,50oucm.cm508,066,2

31,11

D

D1P 33

p

s −=−=−=


d) Porosidade drenável (Pd): se refere à diferença entreporosidade total e a umidade volumétrica em capacidadede campo (θcc)

ccd PP θ−=

Para as situações em que o solo possui certa umidade, aparcela do solo ocupada com a fase gasosa, pode-seentão determinar a porosidade livre de água (PLA), ouseja:

θ−= PPLA


1.3 – Umidade do solo

Umidade com base em massa (U)

MaMsMtU =−=

Ms

Ma

Ms

MsMtU =−=

sDUVtMs

MsMa ==θ

Umidade com base em volume (θ)

Vt

Va

Vt

VsVt =−=θ como dágua = 1 ma = Va


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


Método direto- Gravimétrico (estufa)

1.4 – Medida de umidade no solo

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

50θ = 0,6165 L + 14,595

R² = 0,9656

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Um

ida

de

ob

tida

pel

o m

éto

do p

adr

ão

(%)

Umidade medida pela sonda Hydrosense (%)


Métodos indiretos- Tensiômetro

.

h

A12A hhh6,12 ++−=ψ


Métodos indiretos- Tensiômetro


Métodos indiretos- Moderação de Neutrons


Métodos indiretos- Reflectometria no domínio do tempo (TDR)

2 312

2 3

4

123

1

4

∆d = deslocamento (m)Vp = Vel. de propagaçãoL = comp. da haste (m)

2

LVpd

Ka

∆=


Material Constante dielétrica (adimensional) Ar 1 Partículas sólidas do solo 3-5 Água 81 Matriz do solo 1-81

Distância (cm)180 200 220 240 260 2800

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

X2

X1θ = 0,20 m3/m3

θ = 0,26

θ = 0,33

2

12

.

−=VpL

XXKa

L = 10 cm

Vp = 0,99



A técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios naA técnica da TDR apresenta inúmeros benefícios nadeterminação da umidade do solo. Para a sua satisfatóriautilização é necessário, no entanto, o cumprimento dealgumas etapas, quais sejam:

- construção dos sensores;- calibração no campo/laboratório;- instalação dos sensores; e- determinação da “Ka”.



- Construção das sondas- Construção das sondas

15 cm3 cm




Cabo RG-58 50 Ω Conector BNC




Resina Epoxy x Catalizador

Barras de aço inox (3 mm)



- Calibração- Calibração

Esta equação tem sido largamente utilizadademonstrando sua adequacidade na determinação de θ.No entanto, tendo em vista as diferentes característicasentre solos, nem sempre o modelo proposto é adequado.

222436 10.3,5Ka.10.92,2Ka10.5,5Ka.10.3,4 −−−− −+−=θ




Apesar da TDR ser um método confiável, Souza et al.(2006) ressaltam que para uma interpretação maisprecisa da medida de Ka (θ), é fundamental a calibraçãode uma curva específica para o local de estudo.




Durante a calibração deve ser reproduzida a condição decampo na qual a técnica será utilizada.

Campo x Laboratório

Ka x θ


θ = 4E-06ka3 - 0,0003ka2 + 0,0213ka - 0,0696R² = 0,9854

0,20

0,25

0,30

0,35-3

)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25

θ (c

m3 .

cm-

ka



- Instalação das sondas- Instalação das sondas

O número de sondas a ser utilizado para monitoramentoda umidade ou condutividade elétrica vai depender dahomogeneidade das características do solo da áreaexperimental e da profundidade do perfil do solo a sermonitorada.




Normalmente, em estudos de manejo da irrigação, aprofundidade monitorada corresponde à própriaprofundidade efetiva do sistema radicular da(s)cultura(s), enquanto que em estudos de lixiviação denutrientes ou percolação profunda no perfil, sondasdevem ser instaladas a maiores profundidades.




Quando o estudo é realizado para culturas com maiorprofundidade de sistema radicular e/ou visando omovimento horizontal da frente de umedecimento noperfil do solo, há necessidade de escavação detrincheiras maiores, permitindo a instalação de umnumero bem superior de sondas.



- Determinação de Ka- Determinação de Ka

Além da escolha do numero de sondas e da corretainstalação das mesmas, o treinamento para execução dasmedições e a manutenção dos equipamentos, devem sertambém considerados.


1.5 – Armazenamento de água no solo

Para um manejo adequado da irrigação é necessárioconhecermos a quantidade de água armazenada em umconhecermos a quantidade de água armazenada em umperfil do solo, em um dado instante.



SSV

h =

V

mm0,1m

L1h 2 ==

h é a quantidade de água sobre a superfície unitária (S = 1). Assim

S

No solo e considerando superfície unitária, h = V.



S = 1 cm2

V = 1 cm3V = 1 cm

Como a área éunitária, ovolume de águaV é igual a θ1

cm3 de água e,então, θ1 = h1.


Seja o exemplo: se 1 cm3 de solo tem um θ = 0,35cm3 cm-3 naquele volume de solo, cuja base é 1cm2, tem 0,35 cm3 de água. Portanto, a altura deágua é 0,35 cm ou 3,5 mm.

Num segundo cm, com θ2, a altura de água será h2 eassim sucessivamente até hn. Portanto, até aprofundidade L, a altura de água armazenada é asoma de todas as camadas de 1 cm até L. Admite-seque a umidade do solo não varia na direçãohorizontal, apenas na vertical.

∑θ==

L

1iiLA


Profunidade Z (cm) Umidade θ (cm3 cm-3)

0 – 1 0,101 1 – 2 0,132 2 – 3 0,154

A águaarmazenada de0 – 5 cm é: 0,101+ 0,132 + 0,154 +0,186 + 0,201 =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

0,186 + 0,201 =0,774 cm ou7,74 mm. A águaarmazenada até10 cm será23,16 mm.


O somatório apresentado na equação

pode ser substituído por uma integral:

∑θ==

L

1iiLA

∫ θ=L

dzApode ser substituído por uma integral: ∫ θ=L

0L dzA

Na primeira equação, como dz era igual a unidade, oseu valor não aparecia na expressão.


Para se determinar o armazenamento de água em umperfil, o ideal, portanto, é necessário conhecer afunção θ(z) que define o perfil de umidade, e assimproceder a integração analítica. No entanto, θ(z) éfunção do tempo podendo assumir diferentes formas.função do tempo podendo assumir diferentes formas.Por isso, torna-se praticamente impossível o uso deintegrações.

Uma possibilidade é se trabalhar com integraçãonumérica, conhecendo os valores de θ para diferentesz. Desta forma, o perfil de umidade se transforma emum histograma, cuja área pode ser obtida pelo métododos trapézios.


z...zzA n21L ∆θ++∆θ+∆θ=

z)...(A n21L ∆θ++θ+θ= z)...(A n21L ∆θ++θ+θ=

nzn

)...(A n21

L ∆θ++θ+θ=

LAL θ= ∫ −θ=θ=−

2L

1L12)1L2L()LL(dzA


Ex: em um dado instante foram determinadas amostrasde solo em uma cultura de cana-de-açúcar e obtidos osseguintes resultados:

Z (m) ds (kg m-3) U (%)

0 – 0,15 1250 12,3 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) ds (kg m-3) U (%)

0 – 0,15 1250 12,3 0,15 – 0,30 1300 13,2 0,30 – 0,45 1300 13,8

Determine os armazenamentos nas camadas 0 – 0,45;0 – 0,90; 0 – 1,20; 0,45 – 1,20 e 0,15 – 0,30.

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


Ex. Em uma área experimental cultivada com feijão, aumidade volumétrica do solo foi determinada em váriasprofundidades e em duas épocas diferentes (Tabela).Pede-se:

- trace os perfis de umidade no solo para os dias- trace os perfis de umidade no solo para os dias10 e 17/04;

- empregando os métodos do somatório e daumidade média no perfil, determine o armazenamento deágua na camada de solo de 50 cm para o dia 10/04.

- determine o consumo de água da cultura dofeijão entre os dias 10 e 17/04, sabendo-se que nesteperíodo não houve irrigação nem precipitação.


Z (cm) 10/04/2010 17/04/2010

θ (cm3.cm-3) θ (cm .cm ) 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

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6umidade (cm3 cm-3)

10

20

30

40

50

60

z (c

m)

10/abr

17/abr


b) Método do somatório

mm6,219)387,0395,0425,0486,0503,0(100A )04/10(50 =++++=

cm3 .cm-3

4392,05

387,0395,0425,0486,0503,0)04/10( =++++=θ

mm6,219)500.(4392,0)LL(A 12)04/10(50 ==−θ=


c) A variação de armazenamento de água no solo novolume de controle, entre os dias 10 e 17/04, expressa oconsumo de água da cultura de feijão, uma vez que noperíodo considerado não houve irrigação nemprecipitação, ou seja:

cm3 .cm-3

precipitação, ou seja:

33)04/17( cmcm3908,0

5

335,0342,0382,0425,0470,0 −=++++=θ

mm1,204)500.(4082,0)LL(A 12)04/17(50 ==−θ=

1)04/1004/17( dia.mm2,2

7

1,2046,219A −

− =−=∆


1.5.1 – Movimento de água no solo

Estado energético da água

A água é transferida para a atmosfera pelosA água é transferida para a atmosfera pelosprocessos de transpiração e evaporação.

Transpiração – a água na forma de vapor passa pordifusão estomática para a atmosfera.

Evaporação – existindo um gradiente de potencialentre o solo e a atmosfera, a umidade do solodiminui e com isso o potencial da água.



Portanto, a água se desloca de

Ψatm =-10,0 a -100,0 MPa

Portanto, a água se desloca deregiões de maior para menorenergia tendência nanatureza de todos os corposassumirem um estado deenergia mínima.

Ψsolo=-0,01 a -0,2 MPa

Ψraiz =-0,1 a -1,0 MPa

Ψfolha =-0,5 a -0,4 MPa



Conclui-se que, a quantidade de água presente no solo,na planta, na atmosfera ou em qualquer corpo nanatureza é caracterizada por um estado de energia

Conceitos estáticos

natureza é caracterizada por um estado de energia

Conceitos dinâmicos

Armazenamento Movimento



Formas de energia da água

O estado de energia da água pode ser expresso:O estado de energia da água pode ser expresso:

Cinética Potencial

2mv

Ec2

= mghEp =



Potencial da água no solo

O potencial está associado à quantidade de águaO potencial está associado à quantidade de águadisponível no solo. Quanto menor o potencial, maisdificuldade a planta terá para equilibrar o fluxo deágua no sistema solo-planta-atmosfera.

Pelo fato da Ec ser desprezível, o potencial é umaestimativa do estado de energia da água no solo.



a) Unidades do potencial

PamN

mNm

mJ

volume

energia233 ==== Pa

mmmvolume 233 ====

2

2

2 sm

kgs

kgmm

kgNm

kgJ

massa

energia ====

m

smskg

kgmm

g.KgNm

g.kgJ

peso

energia

22

====



a) Potencial e seus componentes

...os

mpg

ψ+ψ+ψ+ψ+ψ=ψ



Potencial matricial

hPStevindeLei γ=→

0h)hhh(P 112A =γ+++γ−

)hhh(hP 121A ++γ+γ−=

)hhh(hP

121A ++

γγ+

γγ−=

γ

hPStevindeLei γ=→



Potencial matricial

12A

12A

hhh6,12

hhhh1000

13600

++−=ψ

+++−=ψ



Curva de retenção



Van Genutchen (1980)

[ ]mnm

rsr

)(1 αψ+θ−θ+θ=θ


Com base na equação (θ cm3 cm-3 e ψm cca(+)) qual

Exemplo[ ] 2681,0213,0

m)353,16(1

445,0039,0

ψ++=θ

Com base na equação (θ cm cm e ψm cca(+)) quala umidade do solo equivalente a um potencialmatricial medido de 50,8 cca;?

Um novo tensiômetro foi instalado obtendo h = 20cm,h1 = 5 cm e h2 = 30 cm. Sabendo que θcc = 35% eθpm = 20% e que a recomendação é que a irrigaçãoseja realizada toda vez que θ = 40% da águadisponível: está na hora de irrigar ?


1.5.2 – Disponibilidade de água no solo

A água no solo teoricamente disponível às plantas- θ 0,1 a 0,3 atm (10 – 30 kPa)- θcc 0,1 a 0,3 atm (10 – 30 kPa)- θpm 15 atm (1500 kPa)

θcc equilíbrio entre a retenção e a força dagravidade, quando a drenagem é desprezível

θpm equilíbrio entre as forças de adesão e asucção exercida pelas raízes



ds10

UUDTA pmcc −

=solodocm

guaádemm

10 solodocm

solocm

águacm

solocm

águag

solocm

solog

solog

águagDTA

3

3

33===

solocm

águamm10

solocm

águacm

solocmcm

águacmcmDTA

2

2===



Os valores de DTA variam em função da textura dosolo e assumem normalmente os seguintes valores:solo e assumem normalmente os seguintes valores:

Textura grossa: 0,4 a 0,8Textura média: 0,8 a 1,6Textura fina: 1,2 a 2,4



Zds10

UUZ.DTAAD pmcc −

== Zds10

Z.DTAAD

fZds10

UUf.ADAFD pmcc −

==



Ex. Sabendo que Ucc = 29,0%, θpm =18,0% e que Ds = 1,35 g.cm-3, determine:

cc pm s

g.cm-3, determine:

a) a disponibilidade total de água neste solo;

b) a capacidade total de água, sabendo que aprofundidade efetiva do sistema radicular é de 30,0 cm.



a) θcc = Ucc .1,35 = 0,3915 cm3.cm-3 (39,15%). Como

os dois valores já estão expressos em volume,cálculo final será:os dois valores já estão expressos em volume,cálculo final será:

1pmcccm.mm115,2

10

0,1815,39

10DTA −=−=

−=

θθ

b) AD = DTA.Z = 2,115.30 = 63,45 mm.

Professor Daniel Fonseca de Carvalho

ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

ENGENHARIA DE ÁGUA E SOLO

Instituto de Tecnologia - Depto. de Engenharia BR 465, km 7 - Seropédica-RJ - 23.890-000

(21) 2682-1864e-mail: [email protected]

http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/daniel

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