Drenagem Agrícola - Apostilas - Engenharia Agrícola Part1, Notas de estudo de Agroflorestal

Baixe Drenagem Agrícola - Apostilas - Engenharia Agrícola Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Agroflorestal, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E =" PROF. JORGE LUIZ PIMENTA MELLO, D.S. FEVEREIRO - 2009 DRENAGEM AGRÍCOLA I












Este material se constitui no principal apoio à condução da disciplina IT 134 – Drenagem, oferecida aos cursos de Agronomia e Engenharia Agrícola.  
Pág. Capítulo I: Estudos básicos 2 1.1 – Introdução 2 1.2 – Definições 2 1.3 – Objetivos da drenagem agrícola 3 1.4 – Classificação da drenagem agrícola 3 1.5 – Influência da drenagem deficiente nas propriedades físicas dos solos 4 1.6 – Propriedades físicas dos solos afetadas pelo excesso de água 4 1.6.1 – Aeração 4 1.6.2 – Estrutura 5 1.6.3 – Permeabilidade 5 1.6.4 – Textura 5 1.6.5 – Temperatura 5 1.7 – Efeitos da drenagem deficiente no desenvolvimento das culturas 6 DRENAGEM AGRÍCOLA 1 CAPÍTULO I: ESTUDOS BÁSICOS 1.1 – INTRODUÇÃO Em uma área destinada à exploração agrícola, é necessário que, fundamentalmente, o solo possua um teor de umidade adequado à germinação e desenvolvimento das culturas. Desta forma, é necessário que se estabeleça e se mantenha um ótimo equilíbrio da relação água-oxigênio-sais na zona radicular, visando oferecer condições ideais de sobrevivência para as culturas. Se as chuvas da região não são suficientes, em épocas oportunas, para manter o solo com teores de umidade adequados, a irrigação é a técnica recomendada para suprir essa deficiência. Por outro lado, se o solo se mantiver com teores excessivos de umidade durante longos períodos, a adoção de um sistema de drenagem é a solução para o problema. Em regiões irrigadas, em que são utilizadas águas com teores de sais, a drenagem é utilizada para controlar a elevação do lençol freático bem como eliminar a água de lixiviação, de modo a evitar a salinização do solo. Os principais benefícios da drenagem agrícola são: incorporação de novas áreas à produção agrícola, aumento da produtividade agrícola, controle da salinidade do solo, recuperação de solos salinos e ou alcalinos, e saúde pública e animal. 1.2 – DEFINIÇÕES Drenagem: sob o ponto de vista agrícola, é a remoção do excesso de água e sais do solo a uma razão que permita o crescimento normal das culturas. Drenagem Adequada: é a drenagem necessária para se manter uma agricultura rentável e permanente na área. Isto não implica numa drenagem completa e perfeita, uma vez que o aspecto econômico tem que ser considerado. Drenagem Natural: é aquela em que o solo em suas condições naturais tem capacidade para escoar a água que atinge a área, proveniente do escoamento superficial e sub- DRENAGEM AGRÍCOLA 2 superficial de áreas altas, transbordamentos de rios, sub-pressões artesianas, excessos de água de irrigações e infiltrações provenientes de canais, mantendo o solo em condições adequadas de aeração para as culturas ali instaladas. Um diagnóstico bem efetuado, mostrará se o solo apresenta drenagem natural eficiente, ou se há necessidade da realização de drenagem artificial em complemento à drenagem natural do solo. Drenagem Artificial: é aquela necessária quando a drenagem natural não é suficiente para eliminar os excessos de água. Desta forma, a drenagem artificial visa complementar a diferença entre a drenagem natural e a drenagem necessária ou adequada. 1.3 – OBJETIVOS DA DRENAGEM AGRÍCOLA Em zonas áridas: tem como principal objetivo a manutenção do equilíbrio salino do solo, por meio da lixiviação do excesso de sais. Em zonas úmidas: tem como objetivo o controle do nível do lençol freático, por meio da eliminação do excesso de água na superfície e no perfil do solo, visando garantir condições favoráveis de aeração, possibilitando, assim, o desenvolvimento adequado das culturas. 1.4 – CLASSIFICAÇÃO DA DRENAGEM AGRÍCOLA De maneira geral, a drenagem agrícola é dividida em duas categorias: a drenagem superficial e a drenagem subterrânea ou subdrenagem. A finalidade da drenagem superficial é a remoção do excesso de água proveniente do escoamento superficial, provocado por chuvas com intensidade superior à taxa de infiltração da água no solo. Já a subdrenagem visa o controle do nível do lençol freático, mantendo-o a uma profundidade adequada ao desenvolvimento das culturas. 1.5 – INFLUÊNCIA DA DRENAGEM DEFICIENTE NAS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS SOLOS DRENAGEM AGRÍCOLA 3 Sob o ponto de vista agrícola, o solo é o produto da intemperização e fragmentação da crosta terrestre por meio de processos físicos, químicos e biológicos, sendo, portanto, um sistema heterogêneo, trifásico, disperso e poroso. As proporções das três fases do solo, ou seja, sólida (matriz do solo), líquida (solução do solo) e gasosa (atmosfera do solo), variam continuamente e dependem das variáveis tempo, vegetação e manejo, dentre outras. As condições ideais de um solo dependem do equilíbrio entre as fases líquida e gasosa. Quando a solução do solo começa a ocupar todo o espaço poroso, temos um problema de drenagem, ocasionando falta de oxigênio para o desenvolvimento das plantas. No caso da fase gasosa começar a ocupar o espaço da solução do solo, temos um problema de déficit hídrico, ocasionando deficiência de água para o desenvolvimento das plantas. 1.6 – PROPRIEDAES FÍSICAS DO SOLO AFETADAS PELO EXCESSO DE ÁGUA NO SOLO 1.6.1 – Aeração Aeração é o processo pelo qual gases consumidos ou produzidos dentro do perfil do solo, são permutados pelos gases da atmosfera externa, sendo assim um processo dinâmico. A simples ocorrência da fase gasosa no solo não implica necessariamente que este solo tem aeração adequada. A fase gasosa é necessária para existir aeração, mas isoladamente não é suficiente, pois a aeração é dinâmica e, portanto, deve existir troca de gases entre a atmosfera interna e externa do solo. Essa troca de gases se dá por meio de dois mecanismos: difusão (movimento dos gases em resposta ao gradiente de pressão parcial ou do gradiente de concentração dos gases) e fluxo de massa (movimento dos gases em resposta ao gradiente de pressão total dos gases). Desta forma, solos com excesso de água, provocam interferência no processo de aeração, fazendo com que esta troca de gases do solo para a atmosfera e vice-versa, seja alterada. DRENAGEM AGRÍCOLA 6 A presença do lençol freático próximo à zona radicular das culturas, distingue duas situações: a – áreas em que parte das necessidades hídricas das culturas são satisfeitas, mesmo que parcialmente, pela ascensão capilar procedente do lençol freático. Esta situação é comum em países ou regiões úmidas que não tem irrigação. Nestes casos, uma profundidade excessiva do lençol, embora tendo um efeito favorável à aeração do solo, pode provocar escassez de água na zona radicular. Além disto, a água freática deve ser de boa qualidade; b – áreas que não utilizam água de ascensão capilar do lençol freático, mesmo existindo uma certa deficiência hídrica, pois a contribuição da água do lençol seria prejudicial, em virtude do acúmulo de sais na zona radicular. Esta situação é comum em regiões de clima árido e semi-árido, onde o lençol freático comumente tem água com elevado teor de sais. Nestes casos, deve-se manter o lençol freático mais profundo através da drenagem para evitar a elevação de sais para a parte superior do solo. Sob o ponto de vista técnico, a profundidade ótima do lençol freático é aquela que não causa diminuição da produção das culturas. Entretanto, na maioria dos casos, a instalação de uma drenagem que assegure esta profundidade é antieconômica. Desta forma, prefere-se que o rendimento das culturas não alcance o máximo, porém que o sistema seja mais econômico. Em resumo, a profundidade ótima do lençol freático, é aquela que proporciona a menor relação custo-benefício. Mas, esta conclusão é extremamente relativa, porque, na realidade, não há disponibilidade de dados suficientes que permitam o conhecimento da redução de produtividade das culturas causada pelos diferentes níveis do lençol freático, uma vez que existem vários parâmetros tais como preço de mercado na época de colheita e custo de produção, que são difíceis de serem previstos. Ainda, os custos das obras de drenagem são variáveis de um local para outro, tanto o de aluguel de máquinas e implementos quanto dos materiais utilizados nos drenos. Dificilmente a profundidade tecnicamente ótima coincidirá com a convenientemente econômica. A Tabela 1 apresenta a profundidade do sistema radicular de algumas culturas. Tabela 1 - Profundidade das raízes para algumas culturas (cm) DRENAGEM AGRÍCOLA 7 Culturas Zona de ramificação densa Zona de ramificação moderada Profundidade Extrema Trigo 30 30-90 120-150 Centeio 50 50-75 150-225 Aveia 50 50-75 120-150 Cevada 70 70-140 150-180 Milho 70 70-140 150-180 Sorgo 65 Algodão 70 120 Girassol 30 30-90 275 Beterraba açucareira 30 30-120 150-180 Cana-de-açúcar 70 Alfafa 90 90-180 180-275 Trevo 90 120-245 Cenoura 90 150 Cebola 60 60-90 90-230 Couve 60 60-90 90-230 Couve-flor 30-50 50-90 90-140 Alface 20-30 30-120 230 Tomate 60 60-90 120 Pimentão 0-45 45-90 120 Vagem 30 30-75 90 Rabanete 15 60 Espinafre 25 35-60 105 Batata 25-30 30-100 100 Melão 20-30 30-90 90-120 Pêssego 90 Maçã 100 Uva 75 Fonte: PIZARRO, F. Drenaje Agricola y Recuperación de Suelos Salinos. 1.9 – CRITÉRIOS AGRONÔMICOS DE DRENAGEM Vimos, anteriormente, que a profundidade ótima do lençol freático é dependente do sistema radicular e das características de cada cultura. Entretanto, na prática, o lençol freático não se mantém estático, uma vez que após uma chuva ou irrigação ele se ascenderá e depois descenderá. Este fato condiciona as necessidades de drenagem das culturas em termos dinâmicos, estabelecendo critérios agronômicos que servirão de base para o dimensionamento de projetos de drenagem. Mais adiante, serão estudadas as aplicações desses critérios no dimensionamento de uma rede de drenagem. No presente tópico, veremos unicamente o que são estes critérios. Basicamente, existem dois critérios de drenagem: o da época de irrigação e o da época de chuva. Vale ressaltar que os valores a serem sugeridos são, sobretudo, orientativos, movidos pelo fato dos conhecimentos atuais não nos permitirem estabelecer DRENAGEM AGRÍCOLA 8 critérios de drenagem considerados seguros. Esses valores são derivados de observações práticas e são os únicos disponíveis. 1.9.1 – Critério para época de irrigação Quando ocorre a irrigação, parte da água infiltrada é retida pelo solo, elevando seu teor de umidade, normalmente até alcançar a capacidade de campo. O excesso de água infiltrada, intencional ou inevitável, eleva o lençol freático até a uma altura que, por vezes, é indesejável e problemática. O critério de drenagem para a época de irrigação, estabelece que "N" dias após a aplicação de água, o lençol freático deverá rebaixar até uma profundidade "p". Os valores de N e p dependem das culturas e do tipo de solo. Normalmente se utiliza N igual a 3 dias mas, em muitos casos, são mais adequados os valores de N igual a 2 ou a 4 dias, sendo o primeiro para culturas mais sensíveis ao excesso de umidade. A Tabela 2 apresenta valores usuais de p, na maioria dos casos para N igual a 3 dias. Tabela 2 - Valores de "p", para o critério da época de irrigação Culturas p (m) Pastos(1) - solos de textura fina 0,70 - solos arenosos 0,50 Hortaliças 0,50 - 0,80 Cultivos extensivos 0,90 - 1,20 Frutíferas 1,50 (1) N = 4 dias Fonte: PIZARRO, F. Drenaje Agricola y Recuperacion de Suelos Salinos. 1.9.2 – Critério para época de chuva Durante a época das chuvas, o lençol freático. está submetido à uma série de oscilações que dependem da ocorrência de precipitações e de suas quantidades. Cada nível freático é alcançado certo número de vezes. Em geral, níveis freáticos mais altos correspondem uma menor frequência, uma vez que fortes precipitações são menos frequentes que as fracas. DRENAGEM AGRÍCOLA 11 A força de gravidade também atua sobre as moléculas de água, mas é muito pequena comparada com as forças de atração sobre moléculas próximas às partículas sólidas. Quando a espessura da película líquida cresce, o efeito relativo da gravidade aumenta, até que se alcança um estado de umidade em que supera as forças de atração molecular. Devido a capilaridade, a zona do solo situada imediatamente acima do lençol freático, tem um elevado teor de umidade, que decresce a medida que aumenta a distância em relação a ele. Teoricamente, a altura de ascensão capilar é infinita mas, na prática, o fenômeno se interrompe quando a umidade do solo decresce a um certo valor, que se denomina umidade de ruptura de ascensão capilar. Este valor depende de cada tipo de solo. Para os de textura média, é da ordem de 65% do teor de umidade na capacidade de campo. A distância entre a superfície do lençol freático e o ponto em que ocorre ruptura da ascensão capilar, é chamada distância crítica ou profundidade crítica, que é o termo mais utilizado. O termo profundidade crítica é geralmente utilizado como sendo a profundidade necessária do lençol freático para que o movimento capilar não afete a superfície do solo ou a zona radicular. Quando o lençol freático se encontra a uma distância da zona radicular inferior à crítica, ocorre um movimento de água no sentido lençol freático
zona radicular
atmosfera. Este movimento não é contínuo e se interrompe devido a uma chuva ou a uma irrigação. Como na maioria dos casos o lençol freático sempre tem uma certa salinidade, que em muitos casos é bastante elevada, a capilaridade acumula sais nas camadas superiores do solo. Os sais não são eliminados por evapotranspiração e, como conseqüência, se não ocorrer lixiviação, os horizontes superiores do solo podem salinizar- se. De fato, este é o mecanismo de salinização de grande parte dos solos de clima árido. 1.11.1 – Determinação do valor da capilaridade DRENAGEM AGRÍCOLA 12 Nos estudos de salinização, há necessidade de se realizar um balanço de sais, que se constituem como importante fator de salinização por capilaridade. A velocidade de ascensão capilar depende de muitos fatores, tais como: tipo de solo, estado de umidade do solo e profundidade freática. Existem várias fórmulas que relacionam estes fatores. Na prática, é mais comum o emprego dos valores da Tabela 4, em virtude da dificuldade de obtenção dos parâmetros necessários nas diferentes equações que estimam a capilaridade. Os maiores valores são alcançados em solos franco arenosos. Em solos de baixa permeabilidade, a velocidade capilar é menor devida a maior percentagem de poros pequenos (microporos). Em contrapartida, a distância crítica é maior que nos demais solos. Os solos arenosos tem poros mais uniformes, o que faz com que a velocidade capilar diminua rapidamente ao aumentar a profundidade freática. A Tabela 4 apresenta os dados equivalentes a velocidade capilar máxima, ou seja, a que ocorreria em condições ótimas de umidade, evaporação, etc. A partir desses dados, é possível estimar a contribuição do lençol freático. para a zona radicular, para a superfície do solo ou mesmo para qualquer camada do solo. Esta contribuição, pode ser estimada para diferentes períodos de tempo, tais como: intervalos entre irrigações, meses, anos, etc. Seu valor é componente do cálculo das necessidades de lixiviação de sais de um solo, como também do balanço de sais. Tabela 4 - Valores máximos de velocidade capilar (mm d-1). Profundidade do Tipos de solos lençol freático (cm) Argiloso ou franco-argiloso Franco Franco arenoso Arenoso moderado 25 10,0 alta muito alta 10,0 40 4,0 10,0 muito alta 2,5 50 2,5 3,0 alta 1,0 75 1,0 1,0 alta 0,5 100 0,5 --- 10,0 0,2 150 0,2 --- 1,0 - 4,0 --- 200 --- --- 0,5 - 1,0 --- Fonte: PIZARRO, F. Drenaje Agricola y Recuperacion de Suelos Salinos. Geralmente, para estes cálculos é tomado o período de 1 ano. Sua estimativa é feita por meio da Equação 1. DRENAGEM AGRÍCOLA 13 21 GGG += (1) em que G = contribuição de água do lençol freático [mm tempo-1]; G1 = contribuição de água do lençol freático durante a temporada com irrigação; e G2 = contribuição de água do lençol freático durante a temporada sem irrigação. 1.11.2 – Exemplo da determinação de G Logo após uma irrigação, o solo tem seu teor de umidade tendendo a capacidade de campo. Devido a evapotranspiração, a umidade decresce e quando é alcançado um determinado valor (umidade crítica ou ponto crítico), novamente é procedida a irrigação. Desta forma, o teor de umidade entre duas irrigações é variável, e como a ascensão capilar depende do teor de umidade do solo, também varia. O exemplo a seguir, apresenta uma estimativa de G. Dados básicos : - tipo de solo: franco; - capacidade de campo: 32 % (em volume); - ponto de murchamento: 20 % (em volume); - profundidade efetiva do sistema radicular da cultura: 60 cm; - prof. média do lençol freático. entre duas irrigações sucessivas: 110 cm; - critério de suplementação de água ao solo: irrigar-se-á todas as vezes que houver consumo de 1/3 da água disponível do solo; - período de irrigação: 8 meses. Resolução a) estimativa de G1 : No momento da irrigação, o teor de umidade do solo será: Ad = 32 - 20 = 12 % 1/3 Ad = 1/3 x 12 = 4% U = 32 - 4 = 28 % A distância entre a zona radicular e o lençol freático será: DRENAGEM AGRÍCOLA 16 De modo geral, o espaço aéreo adequado para a maioria das culturas situa- se em torno de 10% . A propriedade física do solo de maior importância em estudos de drenagem é a sua permeabilidade, que é definida como sendo a maior ou menor facilidade com que o solo se deixa atravessar pela água e pelos gases. Quantitativamente, a permeabilidade do solo é determinada sob dois aspectos: em termos de velocidade de infiltração, onde se considera a passagem da água da superfície para o seu interior no sentido vertical, em um meio não saturado, que nada mais éque a zona de aeração do solo; e em termos de condutividade hidráulica, onde se considera o movimento da água no interior do solo em todos os sentidos e direções, ou seja, no espaço tridimensional, em meio saturado, que é a zona de saturação do solo. Não entraremos em considerações sobre velocidade de infiltração, por se tratar de um assunto pertinente a estudos de permeabilidade para fins de irrigação. Em drenagem, nos interessa o estudo da condutividade hidráulica (k). A quantificação da condutividade hidráulica pode ser feita por uma série de métodos, tanto de campo como de laboratório. Dentre esses métodos, os principais são os seguintes: • estimativa pela composição granulométrica do solo; • estimativa pela distribuição do tamanho de poros do solo; • utilização de permeâmetro de carga constante; • utilização de permeâmetro de carga variável; • método do tubo duplo; • método do poço ou furo do trado (Auger-Hole); • método do piezômetro; • método dos dois poços; • método dos quatro poços; • método do poço seco; • método da descarga de poços profundos; e, • método dos cilindros infiltrômetros (por meio de dados da velocidade de infiltração básica do solo). Dos métodos citados, vamos dar destaque a dois de laboratório, permeâmetro de carga constante e carga variável, e um método de campo, o do poço ou furo do trado (Auger-Hole). DRENAGEM AGRÍCOLA 17 1.12.1 - Método do permeâmetro de carga constante Utilizado para estimativa da condutividade hidráulica em solos com alta permeabilidade (solos arenosos). O esquema do equipamento utilizado é mostrado na Figura 1. A amostra do solo a ser analisado deve ser, na medida do possível, indeformada, pois estamos extrapolando, à nível de campo, uma determinação executada em laboratório, e quanto mais próximo estivermos da condição real, menores serão as distorções e os resultados terão maior representatividade. A estimativa da condutividade hidráulica é feita por meio da Equação 4. ( )hLA LQ k +× ×= (4) em que k = condutividade hidráulica do solo [m d-1]; Q = vazão coletada [m3 d-1]; L = altura da amostra de solo no permeâmetro [m]; h = lâmina de água sobre a amostra (carga hidráulica) [m]; e, A = seção transversal do cilindro contendo a amostra [m2]. Figura1 - Esquema de um permeâmetro de carga constante. 1.12.2 - Método do permeâmetro de carga variável DRENAGEM AGRÍCOLA 18 Utilizado para estimativa da condutividade hidráulica em solos com baixa permeabilidade (solos argilosos). O esquema do equipamento utilizado é mostrado na Figura 2. De acordo com a figura temos que: L = altura da amostra do solo no permeâmetro; a = área do tubo de alimentação; h = altura inicial da água no tubo; h = altura final da água no tubo; A = área do permeâmetro contendo a amostra; t = tempo de duração de h0 até h1. Dessa forma, temos que: 21 VV = em que V1 = volume equivalente ao rebaixamento da água no tubo de alimentação; e, V2 = volume coletado no recipiente. Podemos expressar os volumes V1 e V2, como sendo: dhadV1 ×= dt QdV2 ×= Figura 2 - Esquema de um permeâmetro de carga variável. Como 21 VV = , vem que: dh adt Q ×−= Recipiente DRENAGEM AGRÍCOLA 21 No ensaio, são medidos vários incrementos de altura (∆Y) para determinados incrementos de tempo (∆t). No princípio, a velocidade de recuperação é grande e, a medida que o nível de água vai aumentando, a velocidade (∆Y/∆t) diminui. No início do ensaio, a relação ∆Y/∆t é aproximadamente linear mas, rapidamente, sua variação torna-se aleatória. O limite de confiabilidade do método corresponde à seguinte relação: Yn = 3/4 Y0 em que: Yn = última leitura referente à distância entre a superfície freática e o nível de água dentro do poço (Figura 3); Y0 = primeira leitura efetuada. Para a estimativa da condutividade hidráulica, foram propostas várias fórmulas empíricas. Vamos destacar a de ERNST, que tem as seguintes formas: a) Para solo homogêneo e a camada impermeável muito abaixo do fundo do poço (S > 0,5 H), utiliza-se a Equação 6. ( ) t Y Y r H Y 2r20H 4000 k 2 ∆ ∆××
     −××+ = (6) em que k = condutividade hidráulica do solo [m d-1] ; H = distância entre o nível do lençol freático e o fundo do poço [cm]; r = raio do poço [cm]; Y = distância do nível de água no poço ao nível do lençol freático, relativa a cada intervalo de medição [cm]; ∆Y = variação do nível da água no poço nos intervalos de tempo (leitura anterior menos leitura atual) [cm]; e, ∆t = intervalo de tempo relativo a cada medição de altura [s]. Para que a equação tenha uma boa aproximação, é necessário que as seguintes condições sejam atendidas: 3 < r < 7 cm 20 < H < 200 cm Y > 0,2 H DRENAGEM AGRÍCOLA 22 b) Para solo homogêneo e o fundo do poço apoiado sobre a camada impermeável (S = 0), utiliza-se a Equação 7. ( ) t Y Y r H Y 2r10H 3600 k 2 ∆ ∆××
     −××+ = (7) c) Para solos heterogêneos com duas camadas Neste caso, ERNST (1950) propôs a perfuração de dois poços, um situado na primeira camada e o outro até a segunda camada, com o lençol localizado na camada superior (Figura 4). As condutividades k1 e k2, são estimadas por meio das Equações 8 e 9. t Y 1C1k = (8) 1 C2 Co 1k t' Y' Co 2k − − = (9) Figura 4 - Esquema para aplicação do método de Ernst para dois poços. em que k1 = condutividade hidráulica da camada superior do solo; k2 = condutividade hidráulica da camada inferior do solo; DRENAGEM AGRÍCOLA 23 t Y = velocidade de recuperação no poço superior; t' Y' = velocidade de recuperação no poço inferior; C1 e C2 = coeficientes obtidos nos nomogramas 1 ou 2 (Figuras 5 e 6); Co = coeficiente obtido no nomograma 2 em função de D e Y2. 1.12.3.1 - Estimativa da condutividade hidráulica pelo método do poço, utilizando-se o processo gráfico. O cálculo é feito utilizando-se os nomogramas 1 ou 2, e o procedimento é o seguinte: a) de posse dos valores de H (distância entre o nível do lençol freático e o fundo do poço) e de Y= (Yo + Yn)/2, determinaremos o valor de C no gráfico; b) a condutividade hidráulica será estimada pela Equação 10. t Y Ck = (10) Exemplo 1: Com o objetivo de se determinar a condutividade hidráulica de um solo, foi escolhido o método do poço. Para tanto, os seguintes dados foram levantados: - raio do poço (r) : 4 cm; - distância do fundo do poço ao lençol freático (H) : 0,50 m; - primeira leitura efetuada (Yo) : 0,36 m; - verificou-se que o fundo do poço não atingiu a camada impermeável. - valores registrados durante o teste: t (s) Leituras (m) ∆t (s) Y (cm) ∆Y 0 1,060 --- 36,0 --- 10 1,042 10 34,2 1,8 20 1,028 10 32,8 1,4 30 1,022 10 32,2 0,6 40 1,015 10 31,5 0,7 50 1,005 10 30,5 1,0 ao so 100 180 200 300 T s2 30 pupidiio Determineção do condutivida os hidrdulico conforme mefodo do poço. À de poço | cm, estondo & fundo muito scimo da comodo im. permegval, Ss > 05H Figura 5 - Nomograma 1. DRENAGEM AGRÍCOLA  Determinação da con: dade hr conforma mufedo do poço E do poço estondo 0 fundo no comada imperm Figura 6 - Nomograma 2. DRENAGEM AGRÍCOLA 27  DRENAGEM AGRÍCOLA 28 CAPÍTULO II: NECESSIDADE DE LIXIVIAÇÃO EM SOLOS SALINOS 2.1- O PROBLEMA DA SALINIDADE DOS SOLOS Normalmente, um problema de salinidade surge quando os sais contidos na água de irrigação se acumulam na região do solo onde se encontra o sistema radicular das culturas e, com isto, seus rendimentos são afetados. Um outro fator que causa o problema de salinidade é o lençol freático a pouca profundidade, e com sua água salina. O movimento ascendente de água e sais, a partir da superfície freática, penetrando na zona radicular, faz com que os sais fiquem retidos após o processo da evapotranspiração. Os sais dissolvidos na água de irrigação, vão provocando um aumento da tensão total de retenção da água no solo, reduzindo assim a disponibilidade para as plantas. Para evitar o acúmulo excessivo de sais, estes devem ser eliminados em quantidades aproximadamente iguais aos que existem na água de irrigação, de tal sorte a se proceder um equilíbrio salino. Para isto, deverá ser aplicada uma quantidade adequada de água que permita a infiltração através da profundidade efetiva do sistema radicular. Isto nada mais é que o processo de lixiviação. Esse processo pode ser conduzido em cada irrigação, mas só é necessário quando a concentração de sais no solo implicar em danos à cultura. Em alguns casos, as chuvas, mesmo que concentradas em pequenos períodos do ano, podem cumprir essa função. A necessidade de lixiviação é definida como sendo a quantidade de água que penetra no solo além da profundidade efetiva do sistema radicular. Esta água de lixiviação deverá então ser eliminada pelo sistema de drenagem. Se, mediante a lixiviação, se conseguir um equilíbrio salino permanente, a salinidade média do solo na zona radicular estará diretamente relacionada com a qualidade da água de irrigação aplicada, como também da água de lixiviação. As culturas respondem, em termos de rendimento, à esta salinidade média e, sendo assim, todo aumento de salinidade da água de irrigação, dará como resultado um DRENAGEM AGRÍCOLA 31 Tabela 5 – Diretrizes para interpretar a qualidade da água para irrigação Tipo de problema Guia para qualidade da água Unidade Não há problema Problema crescente Problema grave Salinidade (afeta as disponibilidades de água às plantas) - Condutividade elétrica da água (CE) dS m-1 < 0,7 0,7 – 3,0 > 3,0 Permeabilidade (afeta a taxa de infiltração da água no solo) - Condutividade elétrica da água (CE) - RAS • Montmorilonita • Ilita • Caulinita dS m-1 ----- ----- ----- > 0,5 < 6,0 < 8,0 < 16,0 0,5 – 0,2 6,0 – 9,0 8,0 – 16,0 16,0 – 24,0 < 0,2 > 9,0 > 16,0 > 24,0 Toxidade iônica específica (afeta as culturas sensíveis) - Sódio (Na) • Irrigação superficial • Irrigação por aspersão - Cloretos (Cl) • Irrigação superficial • Irrigação por aspersão - Boro (B) RAS meq L -1 meq L -1 meq L -1 mg L -1 < 3,0 < 3,0 < 4,0 < 3,0 < 0,7 3,0 – 9,0 > 3,0 4,0 – 10,0 > 3,0 0,7 – 3,0 > 9,0 ----- > 10,0 ----- > 3,0 Efeitos diversos (afeta as culturas suscetíveis) - Nitrogênio (NO3 - N ou NH4 – N) * - Bicarbonato (CO3 H) com aspersores • Irrigação aspersão - pH mg L –1 meq L -1 ----- < 5,0 < 1,5 ----- 5,0 – 30,0 1,5 – 8,5 6,5 – 8,4 > 30,0 > 8,5 Fonte: Ayers, R. S., Westcot, D. W. Calidad del agua para la agricultura. Estudio FAO: Riego y Drenaje no 29. (*)NO3 – N: nitrogênio na forma de NO3 e NH4 – N: nitrogênio na forma de NH4. Conversões: mg L–1 ≅ ppm; mmhos cm-1 ≅ 640 mg L–1; meq L-1 = 10 mmhos cm-1. Atualmente, a unidade padronizada pelo sistema internacional `para expressar a condutividade elétrica da água é o dS m-1 (deciSiemens por metro); 1 dS m-1 = 1 mmhos cm-1. DRENAGEM AGRÍCOLA 32 em que FL = fator de lixiviação, adimensional; CEAi = condutividade elétrica da água de irrigação, obtida a partir da análise de água [mmhos cm-1]; CEEs = condutividade elétrica do extrato de saturação do solo, obtida a partir da Tabela 6, em função do grau de diminuição do rendimento igual a 10%, [mmhos cm-1]. Se o sistema de irrigação adotado for por aspersão ou localizado, o fator de lixiviação deverá ser calculado por meio da Equação 13. máximoCEE5 CEA FL s i= (13) Conhecido o fator de lixiviação e a irrigação real necessária, a necessidade de água de lixiviação será determinada tomando por base a Equação 14. FL1 IRN IRNL − = (14) em que IRNL = necessidade de água de lixiviação [mm]; IRN = irrigação real necessária [mm]. DRENAGEM AGRÍCOLA 33 Tabela 6 – Tolerância à salinidade de algumas culturas, com referência à condutividade elétrica do extrato de saturação do solo (mmhos cm-1) Cultura Diminuição de rendimento (%) 0 10 25 50 Máximo Abacate 1,3 1,8 2,5 3,7 6,0 Algodão 7,7 9,6 13,0 17,0 27,0 Arroz 3,3 3,8 5,1 7,2 11,5 Batata 1,7 2,5 3,8 5,9 10,0 Cebola 1,2 1,8 2,8 4,3 7,5 Cevada 8,0 10,0 13,0 18,0 28,0 Feijão 1,0 1,5 2,3 3,6 6,5 Laranja 1,7 2,3 3,2 4,8 8,0 Limão 1,7 2,3 3,3 4,8 8,0 Melão 2,2 3,6 5,7 9,1 16,0 Milho 1,7 2,5 3,8 5,9 10,0 Pepino 2,5 3,3 4,4 6,3 10,0 Soja 5,0 5,5 6,2 7,5 10,0 Sorgo 4,0 5,1 7,2 11,0 18,0 Trigo 6,0 7,4 9,5 13,0 20,0 Tomate 2,5 3,5 5,0 7,6 12,5 Exemplo Uma cultura de milho será cultivada em uma região onde as necessidades hídricas foram estimadas em 4,5 mm d-1, com um turno de rega de 6 dias. A irrigação real necessária foi estimada em 27 mm. A condutividade elétrica da água de irrigação a ser usada, foi medida e o valor encontrado foi de 1,7 mmhos cm-1 a 250 C. Nessas condições, qual deverá ser a quantidade de água a aplicar, sabendo-se que o sistema de irrigação será por superfície ? a) Determinação do fator de lixiviação is i CEACEE5 CEA FL − = Da tabela 6 e para uma diminuição de rendimento de 10%, o valor da CEEs para o milho é de 2,5 mmhos cm-1. Assim, o FL será: DRENAGEM AGRÍCOLA 36 a) Zona saturada É a mais profunda, em que todos os poros do solo estão ocupados com água. Parte da água está retida junto às partículas do solo, cujo volume é igual à microporosidade. Para o resto da água, cujo volume é igual à macroporosidade, a gravidade é a força dominante, de forma que, se existir uma saída (drenos ou bombeamento), essa água pode ser extraída. A água presente na zona saturada é chamada de água freática e o seu limite superior é denominado de lençol freático. b) Zona capilar É a faixa de solo situada imediatamente acima do lençol freático. Pelo efeito da capilaridade, a água freática da zona saturada se eleva acima do lençol. Nesta faixa de solo, o conteúdo de umidade diminui à medida que se distancia do lençol, até alcançar uma distância crítica. Nesta faixa, a água é chamada de capilar. c) Zona não saturada Se estende do limite superior da zona capilar até a superfície do solo. Pode ter uma espessura de alguns metros ou de poucos centímetros, podendo, em alguns casos, nem existir (terrenos pantanosos). O conteúdo de umidade é muito variável. Em períodos secos, pode chegar até abaixo do PM e, após o período de chuvas, pode atingir temporariamente a saturação. Do ponto de vista agronômico, essa faixa é a mais importante, pois é nela que se desenvolve o sistema radicular das plantas. A água contida nesta faixa é denominada água do solo, e é retida pelo solo contra a força da gravidade. 3.2 - CARGA HIDROSTÁTICA A carga hidrostática da água freática em um ponto A (Figura 8) é a altura que o nível da água alcançaria em relação a um nível de referência, se se instalasse no terreno um tubo com a extremidade inferior perfurada e coincidindo com o ponto A. Um tubo desta forma é denominado piezômetro e a carga hidrostática recebe a denominação de altura piezométrica. A carga hidrostática é a soma de h’, altura de água no tubo, e z, altura correspondente do ponto A até o nível de referência. DRENAGEM AGRÍCOLA 37 Figura 8 – Representação da carga hidrostática. O termo h’ representa a pressão de água sobre o ponto A, e pode ser expresso em termos de coluna de água, conforme Equação 15. g p h =′ (15) em que p = pressão de água em A; ρ = densidade da água; e, g = aceleração local da gravidade. O valor da carga hidrostática pode ser determinado pela Equação 16. z g p zhh +=+′= (16) Na Figura 8, o nível representado por B se denomina superfície piezométrica e, como veremos a seguir, nem sempre coincide com o nível freático. 3.3 - ESTRATOS E AQÜÍFEROS Do ponto de vista da hidrologia subterrânea, os estratos do solo podem ser classificados como: permeável, semi-permeável e impermeável. h’ h z Nível de referência B A DRENAGEM AGRÍCOLA 38 Permeável Um estrato é considerado permeável quando suas propriedades de transmissão de água são favoráveis em comparação ao estrato situado acima ou abaixo dele. A resistência ao movimento vertical é desprezível e se considera apenas a resistência ao movimento horizontal. Semi-permeável Neste caso, as propriedades de transmissão de água são pouco favoráveis. O fluxo horizontal nestes estratos é desprezível, mas não o vertical, já que em geral, devido à sua pequena espessura, a resistência vertical é pequena. Impermeável Um estrato é considerado como impermeável quando é praticamente desprezível o movimento de água através dele, tanto no sentido vertical como no horizontal. Para efeitos práticos, se considera impermeável um estrato quando sua permeabilidade é menor que 10 % da permeabilidade dos estratos vizinhos. Os distintos estratos que contém água se combinam constituindo sistemas aqüíferos, os quais podem ser classificados como: não confinados, confinados e semi- confinados. Não confinados Consiste na parte saturada de um estrato permeável, abaixo do qual há um estrato impermeável que constitui o limite inferior deste aqüífero. O seu limite superior é o nível do lençol freático, que neste caso, coincide com a superfície piezométrica. Confinados Consiste de um estrato permeável totalmente saturado de água e compreendido entre dois estratos impermeáveis. Neste caso, o lençol freático e o limite superior da zona saturada coincide com a separação do estrato permeável e o estrato impermeável superior. De outro modo, a superfície piezométrica normalmente está mais alta, de maneira que, se um poço for aberto e penetrar no estrato permeável, a água se eleva acima da separação dos estratos superiores. DRENAGEM AGRÍCOLA 41 Substituindo a Equação 17 na Equação 18, encontraremos a Equação 19. Q = k D I (19) O produto k.D é denominado transmissividade (T). Assim, como a condutividade hidráulica resume as propriedades transmissoras de água de um solo, a transmissividade depende da natureza do material que constitui o solo (k) e da espessura do estrato (D). Suas dimensões são [T] = [LT-1 ].[L] = [L2 T-1 ]. A unidade mais usual para expressar transmissividade é m2 d-1. 3.4.2 - Escoamento horizontal através de vários estratos: condutividade equivalente É freqüente um aqüífero sear constituído por vários estratos de diferentes características. A Figura 11 representa o esquema de um solo com três estratos. Figura 11 - Representação esquemática de um solo com três estratos L DRENAGEM AGRÍCOLA 42 Supondo que não exista fluxo através da superfície de separação, a vazão, por unidade de comprimento, através de cada estrato é: L h DkQ 111 = (20) L h DkQ 222 = (21) L h DkQ 333 = (22) A vazão total é dada pela Equação 23. )DkDkDk( L h QQQQ 332211321 ++=++= (23) que pode ser comparada a um estrato fictício de espessura D, igual à soma das espessuras dos estratos e de permeabilidade k, representado pela Equação 24. == ii DkL h Dk L h Q (24) em que = iDD . A condutividade equivalente é dada pela Equação 25. D Dk k ii = (25) DRENAGEM AGRÍCOLA 43 3.4.3 - Escoamento vertical através de um estrato: resistência hidráulica A Figura 12 representa um estrato de permeabilidade k e espessura D, situado sobre outro de condutividade superior. Um piezômetro situado no estrato inferior indica uma carga piezométrica h2 . Se se inunda uma parcela, mantendo água à nível constante (tabuleiro de arroz, por ex.), o nível d’água representa uma carga hidrostática h1, em relação à camada de impedimento. Devido à diferença h1 - h2, a água de irrigação se infiltra verticalmente (o movimento horizontal é desprezível), e segue a trajetória indicada na Figura 12. Figura 12 – Superposição de estratos onde o superior possui permeabilidade maior que o estrato situado abaixo. Aplicando a Lei de Darcy ao estrato superior, tem-se que: k/D hh D hh kq 2121 − = − = (26) O valor de D/k recebe o nome de resistência hidráulica do estrato (C). Suas dimensões são: [C] = [L] [LT-1 ]-1 = [T]. k é expresso em m d-1 e C em dias. Superfície piezométrica Movimento de água Rio DRENAGEM AGRÍCOLA 46 Entretanto, quando for de interesse realizar observações durante um grande período de tempo, é necessário instalar um poço de observação, que requer alguns cuidados para a sua instalação. Para tanto, o fundo do poço é preenchido com material poroso (brita ou cascalho) e, logo após, é instalado um tubo de PVC perfurado em todo o seu comprimento. A Figura 14 ilustra um poço de observação. Uma vez colocado o tubo, toda a sua lateral é completada com brita. Na parte superior, próxima à superfície, se constrói um anel de concreto com o objetivo de aumentar a resistência e impedir que a água de chuva ou de irrigação penetre junto às paredes do tubo. O poço é coberto com uma tampa que possui uma pequena perfuração, a fim de permitir a entrada e a saída de ar, que se move devido às oscilações do nível freático. O diâmetro do tubo depende do sistema de medida do nível, uma vez que, quanto menor o diâmetro, maior é a sensibilidade do poço, já que uma oscilação de nível de mesma quantidade, o correspondente volume de água é menor. Dessa forma, é recomendado que o diâmetro não seja menor que 5 cm, para facilitar a coleta de água. As perfurações no tubo devem ter diâmetros de aproximadamente 3 mm. Com relação à profundidade a ser instalado, esta deve ser compatível com o objetivo do estudo a ser realizado. O poço de observação indica o nível correspondente ao estrato de maior carga hidrostática entre os perfurados. Desse modo, se se aprofundar muito o poço, pode-se atingir um aqüífero artesiano, cuja leitura não indicará a verdadeira profundidade freática. Da mesma maneira, pode-se penetrar em um estrato permeável não- saturado, o que promoveria uma perda de água do poço (funciona como dreno). Como norma geral, utiliza-se uma profundidade igual à do sistema radicular, mais 1 (um) metro. Se com esta perfuração um estrato de características muito diferentes do superior for atravessado, é conveniente reduzir a profundidade. Se não existir esse risco, pode-se aprofundar um pouco mais. Para comprovar se o poço funciona bem, deve-se extrair toda a água do seu interior e observar a recuperação do nível inicial. Outra maneira, mais trabalhosa, consiste na perfuração de um outro poço ao lado do poço de observação e verificar se os níveis coincidem. DRENAGEM AGRÍCOLA 47 Figura 14 – Esquema de um poço de observação. 3.6 – PIEZÔMETROS O procedimento normal de se determinar a carga hidrostática consiste na instalação de piezômetros, que são tubos com a extremidade perfurada. A Figura 15 apresenta o esquema de um piezômetro. Os piezômetros são geralmente de PVC, os quais são recomendáveis devido ao baixo custo. Eles são introduzidos no solo de forma que a parte perfurada se situe no estrato cuja carga hidrostática se quer medir. Os diâmetros variam de 3 a 20 cm e as mesmas considerações vistas para os poços de observação são válidas também neste caso. O comprimento do estrato perfurado deve ser de, no mínimo, 1 (um) metro. Com relação aos procedimentos de instalação, estes variam em função da maior ou menor profundidade de interesse. Após a instalação do piezômetro, espera-se um certo tempo para que haja a estabilização no nível de água em seu interior. O nível alcançado pela água no interior do piezômetro é a carga piezométrica. Tampão perfurado Concreto Nível freático Brita DRENAGEM AGRÍCOLA 48 Figura 15 – Esquema de um piezômetro. 3.7 – HIDRÓGRAFAS As hidrógrafas são curvas que relacionam as variações do nível da água em relação ao tempo. Podem ser construídas a partir dos dados de poços de observação (hidrógrafas freáticas) ou com dados de piezômetros (hidrógrafas piezométricas). No caso de hidrógrafas freáticas, pode-se tomar como referência a superfície do terreno, conforme apresentado na Figura 16. A utilização de hidrógrafas permite os seguintes estudos: • velocidade de elevação e descida do nível freático; • períodos em que o nível freático alcança a zona radicular; • fatores de carga do aqüífero, analisando a variação do nível com precipitações, irrigações, bombeamentos, cheias dos rios, etc; e, • tendência do nível freático a longo prazo. Tampão Perfurado Concreto Nível piezométrico Areia Filtro