AULA Ciclo hidrológico superficie Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERA AGM 5724 Pós-Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha Ciclo hidrológico na superfície Balanço de água sobre microbacia. Umidade do solo Parâmetros físicos do solo, potencial de água no solo, curva de retenção. Métodos de medição Infiltração, escoamento superficial e sub-superficial. Fluxo da água no solo, equação de Richards Extração de água no sistema radicular. Evaporação do solo. Interceptação da precipitação Exemplos na biota global e brasileira

Escalas em hidrologia e climatologia Níveis de abordagem de escala Processos Medição Modelagem

Ciclo hidrológico: escalas de espaço 1. escala local (plot, parcela) P = ET + ∆S zona radicular + Q Chuva Evapotranspiração variação escoamento hidrológico da umidade do solo (drenagem vertical, fluxo lateral)

P ≂ Q + ET P ≂ ET Ciclo hidrológico: escalas de espaço 2. escala bacia (meso a macro) P = Q + ET + ∆Svad,sub + (Csup,sub,Ex) Chuva Vazão Evapotranspiração Recarg rasa,prof Captação, Transposição 3. grande escala (regional a continental/bacia) (anual) P ≂ Q + ET 100% ~ 33% 66% (estado SP) 4. escala global (média anual) P ≂ ET

Brasil accounts 18% of global freshwater but shows critical areas with water availability Source: Waters National Agency, Conjuntura Recursos Hídricos do Brasil Razão da Evapotranspiração sobre Precipitação Historical 2014 drought in southeast Brazil Fig. Rainfall and volume at Jaguari-Jacareí water reservoir

Ciclo hidrológico à superfície Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp) Umidade do solo Física do solo Parâmetros físicos do solo Potencial de água no solo Curva de retenção

Triangulo de Atterbeg Triângulo simplificado (Embrapa) Composição do solo Fração sólida (matéria orgânica + mineral da rocha de origem) Fração de ar Fração de água Fração sólida mineral: classes granulométricas de areia, silte e argila cf tamanho partículas Textura do solo: classificação simples baseada nas frações granulométricas (triângulo de textura do solo) Triangulo de Atterbeg Triângulo simplificado (Embrapa)

Parâmetros físicos do solo Densidade das partículas Densidade global (aparente) Umidade volumétrica do solo Porosidade Grau de saturação da umidade do solo Quantidade (ou armazenamento) de água no solo Profundidade Porosidade Total Densidade Solo Densidade Partículas cm % kg.dm-3 Latossolo roxo 0-25 25-50 50-80 56 55 61 1,21 1,21 1,06 2,75 2,70 2,68 Latossolo vermelho-escuro 65 66 67 0,95 0,93 0,94 2,70 2,78 2,88 Latossolo vermelho-amarelo 51 50 48 1,30 1,33 1,35 2,53 2,60 2,56 Porosidade total e capacidade de água disponível estimada aproximadamente com perfil de umidade do solo Fonte: Bruno et al., Hydrological Processes (2006) Porosidade total, densidade do solo e de partículas de três solos paulistas (adaptada de Grohmann, 1960)

Porosidade do solo Zona vadosa: não saturada de água Zona saturada: região do aquífero, com nível do aquífero (water table) na fronteira superior Franja capilar: zona intermediária entre zona vadosa e saturada onde a água pode ascender por capilaridade Figura: simplificação do meio poroso do solo: grão do solo (hachurada) espaço poroso preenchido por água (cinza) e ar (branco).

Potencial de água no solo (energia p.u. massa J/kg) 1. Carga (pressão) hidráulica de lâmina d´agua Φp = gh 2. Gravitacional Φg = gz 3. Tensão superficial Φm (<0) 4. Outros: osmótico Φo = MRT Potencial total no solo não saturado Φ ≈ Φg + Φm ou em (energia p.u. peso = metros) H = z + ψ , ψ<0 Φ3 < Φ2 < Φ1 )

Curva de retenção ou curva característica (de água no solo) Potencial matricial (Ψ, em Pa) e umidade do solo (θ, em % de volume) em solos de diferentes texturas. (Adap Buckman & Brady, 1960; apud Oke, 1990). (Dir) (Bouma, 1977) Escalas típicos de areia até argila do PMP (-15 bar), CC (0,1 bar) e CAD Tipos de umidade do solo (

Curva característica de condutividade hidráulica O fluxo de água em uma coluna de solo saturado sob uma carga hidráulica, a velocidade é q (m/s) chamado eq. de Darcy onde Q = vazão (m3/s) A,L = área seção transversal (m2) e comprimento do corpo (m), Δ h= diferença de potencial hidráulico (m) K(ψ) = condutividade hidráulica (m/s) 𝑞= 𝑄 𝐴 =−𝐾(ψ) Δℎ 𝐿 Vilella e Matos 1975

Modelo simples da curva característica de K

porosidade em um solo argiloso, a) total no solo compactado e no não compactado, b) poros maiores do que 0,03 mm (Eriksson. 1975/1976) Efeito de histerese para curva de retenção (Fonte: Lindsay Jr et al., 1988).

Ciclo hidrológico à superfície Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp) Métodos de medição de umidade do solo Robinson et al 2008 (sugestão de leitura para revisão)

1. gravimétrico mwet , mdry = amostra de solo antes (wet) e depois (dry) secagem na estufa; ρw = densidade da água Vb = volume do material obtido com anel amostrador mdry : Obter medida com secagem na estufa a 1050 C por 24h; reestimar c/ secagem por ~ 6 h, repetir até não haver diferença significativa

Ciclo hidrológico à superfície Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp) 2. sonda de neutrons

3. tensiômetros (cápsula porosa): potencial Ciclo hidrológico à superfície Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp) 3. tensiômetros (cápsula porosa): potencial

4. Refletômetro no domínio do tempo (TDR) Refletômetro no domínio da frequência (FDR) instalado em um perfil de 10 m

5. Sensor de raios cósmicos Fluxo de raios cósmicos variam com latitude, longitude e ciclo de manchas solares Neutrons rápidos são absorvidos no solo, e os que escapam do solo são contados: variação com a quantidade de água no solo Pouco sensível às características químicas do solo.

Interpretação de medidas de umidade do solo na escala horária Guderle et al 2015; Gribovzki 2014