Análise da redistribuição do “fallout”do137Cs e avaliação da erosão do solo

CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos

Osny BacchiCENA/USP

2005

de Jong,E.; Begg, C.B.M.;& Kachanoski, R.G. 1983. Estimates of soil erosion anddeposition from Saskatchewan soils. Can.J.Soil Sci. 63:607-617.

de Jong,E.; Villar, H.; & Bettany, J.R. 1982. Preliminary investigations on the useof 137Cs to estimate erosion in Saskatchewan. Can J. Soil Sci. 62:673-683

Denardin, J.E., 1990. Erodibilidade do solo estimada por meio de parâmetros físicose químicos. Piracicaba, SP. 114p. (Tese de Doutorado- ESALQ/USP)

FAO/IAEA, 1995 - FAO/IAEA Consultants Meeting on The Use of Isotopes inStudies on Soil Erosion. Report CT-2665, Vienna, Austria.

Fredericks,D.J. & Perrens, S.J. 1988. Estimating erosion using caesium-137: IIEstimating rates of soil loss. In: Sediment Budgets (ed. M.P. Bordas & D.E.Walling). IAHS Publ. N.174:225-231.

Gumimarães, M.F. 1988. Césio-137 da precipitação radioativa ("fallout") no estudoda erosão e sedimentação de solo. Piracicaba, SP., 136p. (Doutorado - EscolaSuperior de Agricultura Luiz de Queiroz", Universidade de São Paulo.

Kachanoski, R.G. 1987. Comparison of measured soil 137-cesium losses and erosionrates. Can.J.Soil Sci. 67:199-203.

Kiss, J.J.; de Jong, E.; & Rostand, H.P.W. 1986. An assessment of soil erosion inWest-central Saskatchewan using cesium-137. Can. J. Soil Sci. 66:591-600.

Lance, J.C.; McIntyre, D.G.; DeCoursey, D.G.; Sharpe, P.G.; Rousseva, S.S.; &Campbell, B.L. 1986. Using cesium-137 to estimate erosion rates on rangeland,pp. 79-89. In: Erosion Control: protecting our future. International ErosionControl Association.

Longmore, M.E.; O'Leary, B.M.; Rose, C.W.; & Chandica, A.L. 1983. Mappingerosion and accumulation with the fallout isotope caesium-137. Aust. J. Soil Res.21:373-385.

Martz, L.W.; & Jong.E.; 1987. Using cesium-137 to assess the variability of net soilerosion and its association with topography in a Canadian Prairie landscape.Catena 14:439-451.

Menzel, R.G.; Jung, P.; Ryu, K.; & Um, K. 1987. Estimating soil erosion losses inKorea with fallout cesium-137. J.Appl. Radiat. Sot. 38:451-454.

Mitchell, J.K.; Bubenzer, G.R.D.; McHenry, J.R.; & Ritchie, J.C. 1980. Soil lossestimation from fallout cesium-137 measurements. In: Assessment of Erosion(ed..M. DeBoot & D. Gabriels), 393-401. Wiley, Chichester, UK.

Onstad, C.A. & Foster, 1975. Erosion modeling on a watershed. Transactions of theASAE, 18:288-292.

Bibliografia recomendada

Ritchie, J.C.; Spraberry, J.A.; McHenry, J.R. 1974- Estimating soil erosion fromthe redistribution of fallout of 137Cs. Soil Sci.Soc.Am.Proc., 38:137-139.

Ritchie, J.C. & McHenry. 1977- The distribution of Cs-137 in some watersheds inthe eastern United States. Health Phys. 32:101-105.

Sakai, T. 1977. -Distribuição do 137-Cs nos solos do Estado da Bahia. Salvador, 63p.(Mestrado - Universidade Estadual da Bahia).

Sparovek, G. 1991- Plano Diretor da Microbacia do Córrego Ceveiro, (Coordenador)Vol.1, diagnóstico da situação, levantamento de problemas e propostas desolução. Piracicaba, ESALQ/USP, (Mimeo), 286p.

Sparovek, G. 1994- Diagnóstico de uso e aptidão das terras agrícolas de Piracicaba.(Coordenador), ESALQ/USP, (Mimeo), 99p.

Villar, H.P. 1981. Distribuição de 137Cs no solo como função de erosão e outrosprocessos. Centro de Energia Nuclear, report n. INIS-MF-7374, 115pp.

Walling, D.E; & Quine, T.A. 1990- Calibration of caesium-137 measurements toprovide quantitative erosion rate data. Land Degrad. Rehabil, 2:161-175.

Walling, D.E; & Quine, T.A. 1991 - Use of 137Cs measurements to investigate soilerosion on arable fields in UK: potential applications and limitations. Journal ofSoil Science, 42:147-165.

Walling, D.E; & Quine, T.A. 1992- The use of 137Cs measurement in soil erosionsurveys. IAHS Publ. N.210:143-152.

Walling, D.E; & Quine, T.A. 1993- Use of caesium-137 as a tracer of erosion andsedimentation: Handbook for application of the caesium-137 technique.University of Exeter, UK. UK Overseas Development Administration ResearchScheme R4579, Department of Geography, 196pp.

Wischmeier, W.H. & Smith, D.D. 1978. Predicting rainfall erosion losses - A guideto conservation planning. Agr. Handbk. 537. Sci. and Educ. Admin., U.S. Dept.Agr.

Vanden Berghe,I.; & Gulinck, H. 1987. Fallout 137-Cs as tracers for soil mobilityin the landscape framework of Belgian loamy regoin. Pedologie 37:5-20.

Zhang, X.B; Higgitt, D.L. & Walling, D.E. 1990- A preliminary assessment of thepotential for using caesium-137 to estimate rates of soil erosion in the Loesslateau of China. Hydrol.Sci.J. 35:267-276.

(http://hydrolab.arsusda.gov/cesium/)

Em Julho de 1945 (1230 Greenwich Civil Time) iniciaram-setestes de bombas nucleares que liberaram 137Cs e outros nuclídeosRadioativos no ambiente.

O 137Cs presente no ambiente tem duas origens principais: testes de bombas nucleares ocorridos entre 1950 e 1970 e o acidente ocorrido em Chernobyl em 26 de abril de 1986

O 137Cs derivado dos testes nucleares foi transportado para atmosfera, distribuido globalmente e subsequentemente depositado na superfície através da precipitação pluvial (“fallout”). A variação temporal do “fallout”, acompanhada por algumas estações de monitoramento, reflete a variação do 137Cs na atmosfera que, por sua vez, reflete a frequência dos testes nucleares (vide gráfico).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1952

1954

1956

1958

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

1974

1976

1978

1980

1982

1984

Anos

"Fal

lou

t" C

s-13

7 (B

q/m

2)

02

468

101214

1618

Hemisf. Norte

Hemisf. Sul

O 137Cs derivado do acidente de Chernobyl foi liberado ao nível do solo e transportado à baixas altitudes . Sua deposição se deu na forma de “fallout” seco em associação com precipitação pluvial e ocorreu, portanto, de forma localizada e com maior intensidade em locais próximos ao acidente.

Bases da metodologia

A variação espacial do “fallout” é evidente em escala global, com significativas menores deposições no hemisfério sul do que no hemisfério norte como reflexo da localização da maioria dos testes nucleares (USA e antiga USSR) (vide tabela).

Em escala regional, alguns poucos dados disponíveis mostram correlação entre a magnitude do ‘fallout” e os totais anuais de pricipitação pluvial. Assume-se que ao nível local, como a Bacia do Piracicaba, por exemplo, que a deposição tenha ocorrido de maneira uniforme

Vários estudos básicos tem demonstrado uma rápida e forte adsorção do 137Cs aos minerais de argila do solo sugerindo sua pronta fixação nos horizontes superiores logo após sua deposição, tendo sido constatada uma taxa muita baixa de sua migração vertical em solos não perturbados após o “fallout”. Tal situação é mais evidentemente constatada em regiões de baixa magnitude de “fallout”.

As diferenças no estoque de 137Cs dos perfis de solo, até a profundidade alcançada pelos implementos agrícolas, em relação ao observado em perfís de referência, não erodidos ou muito pouco erodidos após o “fallout”, permitem avaliar situações de perdas e de acúmulo de 137Cs nos perfis que comprovadamente estão associadas a perdas e acúmulos de sedimentos pelo processo erosivo. A relação entre as perdas ou acúmulos de 137Cs e as perdas ou acúmulos de sedimentos pode ser estabelecida empiricamente para cada levantamento ou através de modelos teóricos.

Localidades 137 Cs (Bq/m2) Fonte

North Mississipi -USA 5729 Ritchie et al (1974)Georgia - USA 1813 Ritchie & McHenry (1977)Mississipi -USA 5439 Ritchie & McHenry (1977)Saskatoon - Canada 2490 Villar (1981)Saskatoon - Canada 2368 De Jong et al (1982)Shawano - USA 3876 McHenry & Bubenzer (1985)New Brunswick - Canada 3400 De Jong et al (1986)West Saskatchewan -Canada 2877 Kiss et al (1986)Phoenix (USA) 736 Lance et al (1986)Clayton - USA 4820 Lance et al (1986)Corea 3541 Menzel et al (1987)South Ontario - Canada 2700 Kachanoski (1987)Brisbane - Australia 854* Longmore et al (1983)Bahia - Brazil 92 Sakai (1977)Piracicaba-SP - Brazil 306 Guimarães (1988)

Níveis de Cs no solo em diferentes localidades

Piracicaba-SP - Brazil 422 Bacchi et al (2000)

T1/2 = 30 anos

Avaliação da atividade do Cs no solo

tempo

çõesdesintegra denúmero NA

1) Atividade:

N = número de átomos radioativos na amostra= constante de desintegração (probabilidade do radioisótopode desintegrar-se

O número de átomos radioativos na amostra diminui exponencialmente com o tempo

to eNN .

to eAA .

Para A = Ao/2

2) Meia vida

)2/1(.2

0 To eA

A

693,0)2/1( T

Unidades: Bq = 1 desintegração por segundoCi = 3,7.1010 Bq

)6,661(][ 13756

13756

13755 keVBaBaCs

3) Sistema de detecção e medida da atividade do Cs no solo

Espectrometria gama de alta resoluçãoDetetor semicondutor de Ge hiperpuro

blindagem

Detetor de Ge

Amostrade solo

Sistema eletrônicode contagem Espectrômetro208Tl (583.14)

214Bi(609.57)

fAm

Cef

s..

.100

Eficiência de detecção

C= taxa de contagem (cps) para a amostra; m= massa de solo (kg)no beaker Marinelli; As= atividade conhecida de uma amostra padrão(Bq/kg); f= % de emissão de raios gama de 661,6 keV do 137Cs (84,6%)

fef

CA

.

.100

A= atividade da amostra (Bq) ; C= taxa de contagem (cps) da amostra;ef = eficiência de detecção (%)

Atividade específica por unidade de massa de solo (Bq/kg) ou por unidade de área de solo no campo (Bq/m2)

Avaliação de perdas e acúmulos de solo no campodesde o “fallout” até o presente

137Cs

Ai (Bq.m-2) erosão

P (solo +Cs)

Af (Bq.m-2)

ΔT

fallout"" o desde decorrido tempo

z atéárea de unidadepor solo de perda

TS

P

Y

Z

Z

si dzSS

P

A

A

..

A

ss

i

dzAdzA

AP ....

T

dzA

T

PY s.

T

AzdY s

.100

..10

*

Y = taxa de perda ou de deposição de solo (Mg.ha-1.ano-1)

ds = densidade do solo (kg.m-3)z = profundidade de cultivo do solo (m)A* = percentagem de redução ou de aumento da atividade emrelação à atividade inicialT = tempo decorrido desde o “fallout” do Cs (anos)

Como a Atividade inicial (logo após o fallout) não é conhecida:

Atividade em área de referência onde Y = 0

Características:• Área plana ; • Não revolvida mecanicamente no período;• Cobertura de pastagem;• Proximidade da área de estudo;

Indicador principal:

• Concentração de Cs na camada superficial do solo (0-15cm)

Amostragem nas áreas de referência

Barra limitadora de profundidade

30 cm

45 cm

5cm

Tubo de PVC

escarificador

0 10 20 30 40 50

Pro

fun

dida

de (

cm)

Atividade (Bq m-2 cm-1)

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0Atividade Total = 422±14 Bq m-2

Exemplo de atividade em área de referência

Localização dos pontos de amostragem no campo

•Transeções

•Malha de pontos (permite o mapeamento e quantificaçãodas áreas de perdas e de acúmulos de sedimento)

•Uso de GPS e bancos de dados de geoprocessamento

Amostragem: garantia de avaliação do Cs em todo o perfil

Pontos Coord x coord y A Y Pontos coord x coord y A Y

1 216272.9 7492915.0 451 4 31 216287.1 7492796.0 101 -452 216252.6 7492893.0 494 10 32 216267.3 7492774.0 202 -313 216232.6 7492870.0 145 -39 33 216247.5 7492752.0 128 -414 216212.7 7492848.0 123 -42 34 216227.4 7492730.0 225 -285 216192.6 7492826.0 576 22 35 216207.6 7492708.0 154 -386 216172.8 7492804.0 68 -50 36 216187.8 7492685.0 410 -27 216152.8 7492782.0 219 -28 37 216167.6 7492663.0 519 148 216132.6 7492759.0 577 22 38 216148.0 7492641.0 125 -429 216112.5 7492738.0 296 -18 39 216372.0 7492858.0 0 -59

10 216092.8 7492715.0 154 -37 40 216352.2 7492835.0 285 -1911 216081.1 7492702.0 0 -59 41 216332.8 7492813.0 103 -4512 216298.0 7492897.0 295 -18 42 216313.5 7492790.0 1038 8613 216277.4 7492875.0 370 -7 43 216293.8 7492768.0 26 -5514 216257.4 7492853.0 91 -46 44 216275.1 7492746.0 790 5215 216237.3 7492831.0 154 -37 45 216256.8 7492726.0 707 4016 216217.4 7492809.0 146 -39 46 216237.1 7492703.0 277 -2017 216197.4 7492787.0 268 -22 47 216217.5 7492680.0 178 -3418 216177.6 7492765.0 164 -36 48 216197.6 7492657.0 135 -4019 216157.6 7492743.0 65 -50 49 216177.9 7492638.0 131 -4120 216137.5 7492720.0 32 -55 50 216158.1 7492612.0 40 -5321 216117.7 7492698.0 251 -24 51 216338.6 7492783.0 0 -5922 216106.0 7492685.0 128 -41 52 216319.7 7492760.0 94 -4623 216302.1 7492857.0 234 -26 53 216300.9 7492737.0 84 -4724 216282.2 7492835.0 165 -36 54 216282.0 7492714.0 208 -3025 216263.0 7492810.0 141 -39 55 216263.1 7492691.0 366 -826 216244.0 7492790.0 162 -36 56 216244.2 7492668.0 207 -3027 216227.0 7492770.0 76 -49 57 216225.2 7492644.0 47 -5328 216347.1 7492862.0 307 -16 58 216206.4 7492621.0 289 -1929 216327.0 7492840.0 0 -5930 216307.1 7492818.0 0 -59

Exemplo de resultados de atividades e taxas de erosãoe deposição de sedimentos em uma malha de pontos

Interpolações e mapeamento

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Ero

são

d

epos

ição

Mg.ha-1.ano -1

Áreas de perdas de soloTaxa média de perdas ( Mg.ha -1. ano-1) 23.0% da área total 94.1

Áreas de deposiçãoTaxa média de deposição ( Mg. ha -1 .ano -1 ) 12.1% da área total 5.9

Área totalTaxa bruta de erosão ( Mg. ha -1 . ano -1 ) 21.6Taxa líquida de erosão 20.9% de liberação de sedimentos 96.7

Interpretação dos resultados

Observações Finais:

1) Redistribuição do Cs segue a redistribuição de sedimentosindependentemente do processo de transporte de sedimentoocorrido (movimentação de solo por cultivos, terraceamento,construção de carreadores, erosão laminar, erosão em sulcos, etc) pode superestimar as taxas de erosão e de deposição

2) O resultado da redistribuição de sedimento é uma média dos últimos 40 anos.

3) Confiabilidade dos dados: relação das taxas de perdas e acúmulos de sedimentos com outras variáveis