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

Ciclo hidrológico em escalas 1. escala local (plot, parcela) P = ET + ∆S zona radicular + Q Chuva Evapotranspiração umidade do solo escoamento hidrológico (drenagem vertical, esc. Lateral supericial)

2. escala regional/microbacia P = Q + ET + ∆Svad,sub + (Csup,sub,Ex) Chuva Vazão Evapotranspiração Recarg rasa,prof Captação, Transposição 100% até ~ 35% > 60% 3. escala global 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) Valores típicos entre areia até argila, do PMP, FC e AWC relações de potencial matricial (Ψ, em Pa) e conteúdo de umidade do solo (θ, em % de volume) em solos com diferentes texturas. (Adap Buckman & Brady, 1960; apud Oke, 1990). (Dir) (Bouma, 1977)

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).

Métodos de medição de umidade do solo Ciclo hidrológico à superfície Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

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

Soil moisture measurement with Frequency Domain Reflectometry (FDR)

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 – variam com o teor de água no solo aproximadamente insensíveis às características químicas do solo.