Balanço de água no solo e sua avaliação através de sondas de nêutrons e tensiômetros

Bibliografia recomendada

BACCHI, O.O.S.; REICHARDT, K. (1990). A sonda de nêutrons e seu uso na pesquisa

agronômica. Boletim Didático –022, Piracicaba, CENA/USP, 84p.

IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training

Course Series Nº 2. Vienna, Austria.

KLUTE, A. (1986). Methods of soil analysis - Part 1- Physical and mineralogical methods.

Second edition. SSSA, USA.

KUTÍLEK, M. and NIELSEN, D.R. (1994). Soil hydrology. Catena-Verlag, Germany.

LIBARDI, P.L. (1995). Dinâmica da água no solo. Departamento de Física e Meteorologia,ESALQ/USP (1a Ed), 497p.

REICHARDT, K. (1990). A água em sistemas agrícolas. Editora Manole Ltda.188p.

REICHARDT, K. (1996). Dinâmica da matéria e da energia em Ecossistemas. Piracicaba,USP/ESALQ. Depto. Física e Meteorologia, 2a edição, 505p.

Balanço de água no solo e sua avaliação através de sondas de nêutrons e tensiômetros

Balanço hídrico: Contabilização das entradas e saídas de água em uma camada do solo (cultivado ou não) com objetivo de avaliar ocomportamento hídrico (estático e dinâmico) do sistema.

Importância: Básico para o manejo do solo e da água em sistemas agrícolas, visando a otimização da disponibilidade hídrica para asplantas e maximização da produtividade

Algumas aplicações práticas na agricultura:

•Controle de irrigação: escolha do sistema, dimensionamento do sistema, quando e quanto irrigar

•Controle de sistemas de drenagem: escolha do sistemadimensionamento de canais

•Avaliação do efeito de técnicas de manejo do solo sobre ao comportamento e disponibilidade da água.

•Caracterização das plantas cultivadas quanto às exigênciashídricas

Entradas: (+)

- Precipitação (P)- Irrigação (I)- Enxurrada - a montante da área (+R)- Ascensão capilar - fluxo ascendente (+Q)

(+Q)

P I

(+R)

Saídas: (-)- Enxurrada - a jusante da área (-R)- Evaporação pelo solo (E)- Transpiração pela plantas (T)- *Evapotranspiração (ET) (determinada por diferença)- Drenagem - fluxo descendente (-Q)

(-Q)

(-R)

T

E

A AZ=0

Z=L

Componentes do Balanço no sistema

LL QRETIPΔA

AL = AF-Ai

Avaliação dos componentes do balanço no solo:

AL - variação do armazenamento de água no soloQL - fluxos de drenagem e ascensão capilar

Umidade do solo - Sondas de nêutronsPotencial da água -Tensiômetros

Avaliação dos outros componentes do balanço:

P e I - pluviômetros, pluviógrafos

R - coletores de enxurrada

E e T ou ET - difícil medida direta (por diferença)

Parâmetros a serem avaliados (no solo)

AZ=0

Z=L

Armazenamento de água no solo

s

a

s

a

sss

aaa

s

a

z

h

z

z

zyx

zyx

V

V

..

. .

Z=0

Z=L

xy

z

)/( 33 solocmáguacm

A = ha = zha

Armazenamento de água em um perfil heterogêneo

i

n

iia zhA

Z=0

Z=L

1

2

3

4

ha

z

Variação do Armazenamento - (AL)

AL = AF-Ai

Sonda de Nêutrons

N (taxa de contagem de nêutrons lentos)

tubo de acesso

detetor de nêutrons lentos e preamplificador

fonte de nêutrons rápidos

blindagem

sistema eletrônico de contagem

nível do solo

(umidade do solo -cm3H2O/cm3solo)

CR

Contagem relativa de nêutrons lentos

a+b.CR

padrãonocontagemdeTaxa

solonocontagemdeTaxaCR

Z=L

AZ=0

A

Z=0

Z=L

1

2

3

4

i

n

iia zhA

Avaliação da umidade (e armazenamento (A)

com a sonda de nêutrons

Exemplo de cálculo do armazenamento

CR.042376,109535,0 Calibração da sonda

Z=0

Z=120

1

2

3

4

Z=30

Z=60

Z=90

z=300mm (30cm)

Z CR A=z0-30 0,51 0,436 130,830-60 0,48 0,405 121,560-90 0,37 0,290 87,0

90-120 0,36 0,280 84,00-120 423,3

Armazenamento inicial (t=0)

Z=0

Z=120

1

2

3

4

Z=30

Z=60

Z=90

z=300mm (30cm)

Z CR A=z0-30 0,40 0,322 96,630-60 0,42 0,342 102,660-90 0,37 0,290 87,0

90-120 0,36 0,280 84,00-120 370,2

Armazenamento final (t=5dias)

A = Af-Ai = 370,2 - 423,3 = -53,1 mm

(+Q)

(-Q) Z=0

Z=L

Fluxos de drenagem e ascensão capilar

Q q dt q dt q t q tt t

. ( ) .0 0

0

Q = fluxo total de drenagem ou ascensão capilarno período t na profundidade L

(volume/área) = (mm)

q = densidade do fluxo na profundidade L

(volume de água/área/tempo) = (mm/dia)

Fluxo saturado quação de Darcy - (1856)

zKq

0

Fluxo não saturado quação de Darcy-Buckingham- (1907)

zKq

)(

Avaliação da densidade de fluxo (q)

Parâmetros a serem determinados:

)(K Condutividade hidráulica do solo em L

z

Gradiente de potencial hidráulico em L

(Característica do solo que pode ser determinada no campo também com o auxílio da sonda de nêutrons)

(Medido com o auxílio de tensiômetros)

Condutividade hidráulica do solo em L

* Característica do solo previamente determinada(tema de outra aula)

)(0

0)( eKK

K() = condutividade hidráulica do solo na umidade K0= condutividade hidráulica do solo saturado = umidade do solo no momento da avaliação de K0= umidade do solo saturado

Potencial da água no solo -

g (gravitacional) posição no solom (matricial) tensiômetroso (osmótico) membranasp (pressão) lâminasd’água

Representa a diferença entre a energia livre da água no solo e a energia livre da água em uma situação de padrão (água livre em uma posição de referência)

T= g+ m+ o+ p

Medida do potencial da água no solo -

Água retida na matriz do solo na profundidade z=Lg= - L (menor potencial gravitacional)m<0 (medido com auxílio de um tensiômetro)

Z=0

Z=L

Referência =Água livre na superfície do solo g= 0 (máximo potencial gravitacional)m= 0 (máximo potencial mátrico)

Hg

H2O

Cápsulaporosa

Nível do solo

Profundidadede medida

hHg

hc

h z

m (?)

m = -12,6.hHg+hc+hz

Tensiômetro

Energia por unidade de massa =E/m =gh (erg/g)Energia por unidade de volume =E/v=gh (d/cm2)Energia por unidade de peso =E/mg=h (cm)

volume

força

distância

volumeenergiagradiente

/

distância

distância

distância

pesoenergiagradiente

/

Expressão do Potencial da água no solo

Gradiente de potencial z

zzzLzL

2)()(

Z=0

Z=L

Gradiente de potencial hidráulico em L

zKq

)(

O fluxo (q) tem sentido contrário ao do gradiente

* No balanço: fluxo ascendente = entrada de água no sistema= (+)

fluxo descendente=perda de água no sistema = (-)

Exemplo de cálculo do gradiente de potencial

hHg=20cm

hc=20

Z=90

Z=110

hc=20

hHg=30cm

?z

Z=100

cmcmzz

TT /3,620

)232(358)90()110(

100

90)90(

g142902020.6,12

)90(mcmT 232)142(90

)90(

110)110(

g2481102030.6,12

)110(mcmT 358)248(110

)110(

Questões: 1) qual é o sentido do fluxo? Drenagem ou ascensão capilar ?

2) qual a principal energia que comanda o fluxo: gravitacional ou matricial ?

Exemplo de cálculo da densidade de fluxo (q)

)5,0(400,60)( eK

diammz

Kq /3,0)3,6.(0478,0)(

cmcmz

/3,6100

CR.042376,109535,0

hHg=20cm

hc=20

Z=90

Z=110

hc=20

hHg=30cm

Z=100

q

Para CR=0,5 =0,32

)5,032,0(400,60)( eK

diammK /0478,0)(

Outros componentes do balanço

P

R

Va

x y

yx

VR a

.

Enxurrada (R)

Precipitação pluvial (P)

A

VP a

Va

A

Exercício:

Calcular o balanço hídrico na camada de 0-100cm para o período de 10 dias, compreendidos entre as duas datas indicadas abaixo, no qual foram registrados os seguintes dados: P=50mm; I=40mm; R=-5mm

Data 1:(0-20)=0,30(20-40)=0,35(40-60)=0,40(60-80)=0,40(80-100)=0,45

Condutividade hidráulica do solo(mm/dia) à 100cm:

)5,0(400,50)( eK

Data 2:(0-20)=0,35(20-40)=0,40(40-60)=0,45(60-80)=0,45(80-100)=0,40

P=50mm; I=40mm; R=-5mm

(10 dias)

A1= z (0,30+0,35+0,40+0,40+0,45)= 380mm

A2= z (0,35+0,40+0,45+0,45+0,40)= 410mm

2252

)250(200

29090 )2()1(

90

2502

)280(220

2110110 )2()1(

110

25,120

)225(250100

425,02

40,045,0

2100100 )2()1(

100

diammeK /5,20,50)( )5,0425,0(40

A=30mm

diammq /125,3)25,1.(5,2100 (= fluxo de drenagem)

mmttqdtqQt

t

25,3110.125,3)12(. 100

2

1

100100

diammdiasmmET

ET

/37,210/75,23

25,315405030

QRETIPΔA LL

data dias A A I P L K (Q) gradt Q R ET ET

(período) (diária)6-Jun 228.8 0.351 3.41E-22 mm/periodo

16-Jun 10 218.0 -10.8 21.6 0 0.348 3.49E-09 1.0 -3.56E-08 0.026 32.41 3.2426-Jun 10 223.8 5.8 24.5 28.2 0.360 3.62E-08 1.1 -3.98E-07 0.006 46.87 4.696-Jul 10 206.7 -17.1 23.5 0 0.341 5.14E-09 0.5 -2.69E-08 0.167 40.39 4.04

16-Jul 10 215.8 9.1 22.1 34.2 0.364 1.95E-08 0.8 -1.47E-07 0.164 47.07 4.7126-Jul 10 221.8 6.0 32.2 10 0.369 2.31E-08 1.0 -2.34E-07 0.108 36.13 3.615-Aug 10 231.0 9.3 60.1 0 0.360 1.94E-08 0.9 -1.69E-07 1.544 49.29 4.93

2.2 184.0 72.4 -1.01E-06 2.016 252.16256.4

LL QRETIPΔA 610.01,1016,216,2521844,722,2