CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos Retenção de água no solo: métodos convencionais e por atenuação 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 Osny Bacchi CENA/USP 2005

Bibliografia recomendada: 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.

Processos de retenção da água no solo: Fenômenos capilares Adsorção (Forças atrativas entre cargas da superfície das partículas e a molécula dipolar da água) “Forças mátricas de retenção”

Equilíbrio = R não paralelo à parede “líquido molha a parede” Ângulo de contato líquido/sólido F1 Força de atração adesiva (sólido-líquido) acima da superfície gás G líquido a F (força resultante da atração coesiva do líquido) F1 R sólido G Força de atração adesiva (sólido-líquido) abaixo da superfície a = 90o Equilíbrio = R paralelo à parede Quando F = 2 F1 ou a < 90o Equilíbrio = R não paralelo à parede “líquido molha a parede” Quando F < 2 F1 ou gás líquido F R G Menisco côncavo a sólido

Forças mátricas de retenção / potencial mátrico da água no solo Água sobre vidro Mercúrio sobre vidro a a a a Forças mátricas de retenção / potencial mátrico da água no solo Água livre (estado padrão) Água retida por forças mátricas “Diminuem a energia potencial da água”

p = pressão interna sob a superfície côncava = “tensão” Capilaridade R R p (força contrátil) L a r p = pressão interna sob a superfície côncava = “tensão” p h

Curva de retenção da água no solo Avalia a relação entre conteúdo de água no solo e a energia com que a água está retida na matriz do solo por forças de adsorção e capilares A relação é característica para cada solo = depende da estrutura (distribuição de tamanho de poros) e da textura (superfícies para adsorção da água) “curva característica de retenção” Predomínio de forças capilares forças de adsorção Aplicações práticas: avaliação da umidade através de tensiômetros q(Ym) avaliação do potencial mátrico através da umidade Ym (q) 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 curvas de 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 amostra e o potencial mátrico da água no solo P poros (r) Placa porosa (“extensão do solo para condução da água”) Patm P1 P2 p1 p2 p a O menisco se rompe quando: Pressão de borbulhamento da placa ou “valor de entrada de ar”

Procedimento convencional de uso dos sistemas extratores (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 potencial mátrico 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 processo 2) Dificuldade de detecção dos pontos de equilíbrio 3) Perturbação da estrutura da amostra pelo freqüente manuseio 4) Variação na densidade do solo com a variação da umidade (solos expansivos) 5) Impossibilidade de automação

Modelagem das curvas de retenção VAN GENUCHTEN (1980)

Exemplo de curva de retenção e algumas aplicações 1) Volume de macro e micro poros do solo: a) Ráio limite entre macro e micro poros: r = 0,0025cm b) Potencial mátrico limite c) Volume de água retido no potencial limite (Vmicro): c) Volume de macro poros:

Água disponível no solo a) Umidade na capacidade de campo: após a drenagem da água nos macro poros b) Umidade no PMP: (no limite de potencial de extração de água pela planta) ym = 1500kPa = 15.000cm H2O c) Umidade disponível:

Tensiometria Nível do solo PA h No equilíbrio: B

Tensiômetro com manômetro de mercúrio h hc z P = -13,6.h B

Exemplo de utilização do tensiômetro 1) Tomando-se a superfície do solo como referência para o potencial gravitacional, quais os valores da energia potencial total da água no solo nos pontos A e B ? qual seria o sentido do movimento da água ? h2=40cm hc=20cm Z2=30cm B h1=20cm hc=20cm Z1=60cm A 2) Se o perfil do solo estivesse saturado, quais seriam os valores de h1 e h2 de mercúrio e os potencias da água nos pontos A e B? qual seria o sentido do movimento da água? 1) Movimento de A para B 2) 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 acrílico Feixe colimado de raios gama Placa porosa amostra Castelo de chumbo Bolsa de borracha preamplificador Sistema eletrônico de contagem e computador 1) Avaliação simultânea da densidade e da umidade da amostra Ioo x Io I Lei de Lambert-Beer

Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um solo úmido tem-se: Conhecidos ds , mp ,mw e X :  Determinação de q  Determinação da densidade ds Para solo seco:  Como os coeficientes de atenuação (m) dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241Am e 137Cs, por exemplo, tem-se:

Determinação simultânea da umidade e densidade Resolvendo o sistema para ds e q tem-se: Determinação simultânea da umidade e densidade do solo Vantagem em relação ao procedimento convencional para solos expansivos

Uso de feixe mono energético para solos não expansivos (2) x Io Is (3) qo Amostra solo saturado x Io I q Amostra não saturada x Io Iw