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