Retenção de água no solo: métodos convencionais e poratenuação de raios gama

• Os processos de retenção da água na matriz do solo

• Tensiometria

• Métodos convencionais de avaliação das curvas de retenção

• Atenuação de feixe de raios gama como técnica auxiliar na avaliação das curvas de retenção

CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos

Osny BacchiCENA/USP

2005

Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K.; Oliveira, J.C.M, Nielsen, D.R.; Gamma ray beam attenuation as an auxiliary technique for evaluation of the soil water retention curve. Scientia Agricola, Piracicaba, 55(3):498-502, set/dez. 1998

Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R. 1972. Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p.

Buckman, H.O. & Brady, N.N. 1968. Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p.

Klute, A. 1986. Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, 2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.&

Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p.

Libardi, P.L. 1995. Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1aEd.,497p.

Reichardt, K. 1990. A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p.

Reichardt, K.1996. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p.

Van Genuchten, M. Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J.Madison, 44:892-898.

Bibliografia recomendada:

Fenômenos capilares Adsorção

(Forças atrativas entre cargasda superfície das partículas e a molécula dipolar da água)

“Forças mátricas de retenção”

Processos de retenção da água no solo:

gáslíquido

sólido

F (força resultante da atração coesiva do líquido)

F1

F1

G

Força de atração adesiva (sólido-líquido) acima da superfície

Força de atração adesiva (sólido-líquido) abaixo da superfície

R

Ângulo de contato líquido/sólido

90o

Equilíbrio = R paralelo à parede

Quando F = 2 F1 ou 2.GF

90o

Equilíbrio = R não paralelo à parede“líquido molha a parede”

Quando F < 2 F1 ou 2.GF

gáslíquido

FR

G

Menisco côncavo

G

sólido

Água sobre vidro Mercúrio sobre vidro

Forças mátricas de retenção / potencial mátrico da água no solo

Água livre (estado padrão) 0m

Água retida por forças mátricas 0m

“Diminuem a energia potencial da água”

R R

r

LF .

L

LF .p

Rp

2

p = pressão interna sob a superfície côncava = “tensão”

cos.Rr

atmP

atmPpghPP atm

P

atmatm PpghP

ghr

ghR

ghp

cos

2

2

rgh

..

cos..2

h

Capilaridade

(força contrátil)

p

1dinas.cm9,71 vidro)x(água100 0

3g.cm1 w-2cm.s981g

cmh

cmr

Curva de retenção da água no solo

Avalia a relação entre conteúdo de água no solo e aenergia com que a água está retida na matriz do solo

por forças de adsorção e capilares

A relação é característica para cada solo = dependeda estrutura (distribuição de tamanho de poros) e da

textura (superfícies para adsorção da água)“curva característica de retenção”

m

o

Predomínio de forças capilares

Predomínio de forças de adsorção

0

Aplicações práticas:• avaliação da umidade através de tensiômetros m)• avaliação do potencial mátrico através da umidade m (• avaliação da distribuição de tamanho de poros no solo• estimativa do volume de macro e microporos

(estudos de efeitos da compactação)

Métodos convencionais de avaliação das curvasde retenção (sistemas extratores da água retida)

1) Câmara de Richards (pressão sobre a amostra)

2) Funil de placa porosa e mesa de tensão (sucção sob a amostra)

Princípio dos sistemas extratores

Equilíbrio entre a pressão (ou sucção) aplicada sobre a amostrae o potencial mátrico da água no solo

P

Placa porosa(“extensão do solopara condução da

água”)

poros (r)

Patm P1 P2

p1 p2

p

cos.Rr

0

90

p

Ro

0

90

1

1

1

pp

RRo

12

12

12

ppp

RRR

rRp

cos22

O menisco se rompe quando:rRou 0

rpP

2

Pressão de borbulhamento da placa ou “valor de entrada de ar”

Procedimento convencional de uso dos sistemasextratores (Câmara de Richards e Funil):

1) Saturação da amostra e da placa porosa

2) Colocação da amostra sobre a placa porosa

3) Aplicação da pressão ou sucção desejada

4) Aguardar o equilíbrio (toda água retida no solo com potencialmátrico inferior à pressão ou sucção aplicada for extraída)

5) Retirada da amostra do sistema para pesagem (massa de solo úmido)

6) Repetição dos passos de 1 a 5 para as demais pressões desejadas

Principais problemas práticos:

1) Morosidade do processo2) Dificuldade de detecção dos pontos de equilíbrio3) Perturbação da estrutura da amostra pelo freqüente manuseio4) Variação na densidade do solo com a variação da umidade (solos expansivos)5) Impossibilidade de automação

Modelagem das curvas de retenção

VAN GENUCHTEN (1980)

nm

r

rom

11

11

mn

m

ror

.1

m

o0r

Exemplo de curva de retenção e algumas aplicações

2,025,1

.0354,01

05,040,005,0

m

mn

m

ror

.1

1) Volume de macro e micro poros do solo:

rgm ..

cos..2

a) Ráio limite entre macro e micro poros: r = 0,0025cm

1dinas.cm9,71 0

3g.cm1 w-2cm.s981g

cmh

cmr

b) Potencial mátrico limite

OHcm6,580025,0.981.1

9,71.22m

c) Volume de água retido no potencial limite (Vmicro):

332,025,1

.cmcm32,06,58.0354,01

05,040,005,0

c) Volume de macro poros:

33.cmcm08,032,040,0 microomacro VV

Água disponível no solo

a) Umidade na capacidade de campo: após a drenagem da águanos macro poros

332,025,1

.cmcm32,06,58.0354,01

05,040,005,0

CC

b) Umidade no PMP: (no limite de potencial de extração de água pelaplanta) m = 1500kPa = 15.000cm H2O

332,025,1

.cmcm12,015000.0354,01

05,040,005,0

PMP

c) Umidade disponível:

33.cmcm2,012,032,0 PMPCC

Tensiometria

h

m

PA

Nível do solo

ABBm PhP )()(B

No equilíbrio:

cBm hzh 6,12)(

Tensiômetro com manômetro de mercúrio

h

hc

z

)6,13()( hhhz cBm

P = -13,6.hP = -13,6.h

h

B

Exemplo de utilização do tensiômetro

A

h1=20cm

hc=20cm

Z1=60cm

h2=40cm

hc=20cm

Z2=30cmB

1) Tomando-se a superfície do solo como referência para o potencialgravitacional, quais os valores da energia potencial total da água nosolo nos pontos A e B ? qual seria o sentido do movimento da água ?

2) Se o perfil do solo estivesse saturado, quais seriam osvalores de h1 e h2 de mercúrio e os potencias da água nospontos A e B? qual seria o sentido do movimento da água?

1)

232)60(172

60

172206020.6,12

)(

)(

)(

AT

AG

Am

484)30(454

30

454203040.6,12

)(

)(

)(

BT

BG

Bm

2) cm hzh 6,12cm

cmhh

AGAT

Am

60

35,620606,120

)()(

11)(

cm

cmhh

BGBT

Bm

30

97,320306,120

)()(

22)(

Movimento de A para B

Movimento de B para A

Sistema extrator associado a um feixe de raios gama

pressão

dreno

Cristal cintilador NaI(Tl)e válvula fotomultiplicadora

Janela de acrílicoJanela de acrílico

Feixe colimado de raios gama

Placa porosa

amostra

Castelo de chumbo Bolsa de borracha

preamplificador

Sistema eletrônicode contagem ecomputador

CsAm 137241 e/ou

1) Avaliação simultânea da densidade e da umidade da amostra

arararwwwppp xxxeII ......0

(cm) feixe pelo asatravessad

ar eágua de,partículas de espessuras ;;

)(g.cm solo doar do e

água da ,partículas das específicamassa ;;

soloar do eágua da ;partículas

dasmassa de atenuação de escoeficient ;;

)(fótons. emergente feixe do eintensidad

)(fótons. incidente feixe do eintensidad

arwp

3-

12

12

120

xxx

).g(cm

.scmI

.scmI

arwp

arwp

-

-

Ioo

x

Io I

Io Lei de Lambert-Beer

Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um soloúmido tem-se:

)(0

wspdXeII

XxAX

Ax

Xdx

AX

Axd

ww

p

sp

pps

.:portanto;.

.

:portanto;.

..

Como os coeficientes de atenuação (dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241Ame 137Cs, por exemplo, tem-se:

][exp )()()(0)( AmwsAmsAmAm dXII

][exp )()()(0)( CswsCssCsCs dXII

Para solo seco: spdXeII 0 Determinação da

densidade ds

Conhecidos ds , p ,w e X : Determinação de

)..(

)ln(.)ln(.

)()()()(

)(0

)()(0

)(

AmwCspCswAmp

AmCspCsAmp

XII

II

)..(

)ln()ln(

)()()()(

)(0

)()(0

)(

AmwCspCswAmp

CsAmwAmCsw

s XII

II

d

Resolvendo o sistema para ds e tem-se:

Determinação simultânea da umidade e densidadedo solo

Vantagem em relação ao procedimento convencional parasolos expansivos

Uso de feixe mono energético para solos não expansivos

x

Io Is

Amostra solo saturado

wwwppp xxs eII 0

x

Io I

Amostra não saturada

wwwppp xxeII *

0 (3)

(2)

wwwpppwwwppp xxxx

s

eI

I *

)( *wwww xx

s

eI

I AX

Axwo .

.

.

.* Xx

Xx

w

ow

)(ln owwsI

I

X

II

w

so

ln

)( x

Io Iw

ww I

IXk 0ln.

X

II

w

so

ln