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
=
Chuva
ET
Evapotranspiração
+ ∆S zona radicular
+ Q
umidade do solo
escoamento hidrológico
(drenagem vertical, esc. Lateral supericial)
2. escala regional/microbacia
P
=
Q
+
Chuva
Vazão
100%
até ~ 35%
Evapotranspiração
3. escala global
P
=
ET +
ET
> 60%
∆Svad,sub
+
(Csup,sub,Ex)
Recarg rasa,prof Captação, Transposição
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 JaguariJacareí 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
• 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
Profundida
de
Porosida
de
Total
Densida
de Solo
cm
%
kg.dm-3
Latossolo
roxo
0-25
25-50
50-80
56
55
61
1,21
1,21
1,06
Latossolo
vermelhoescuro
0-25
25-50
50-80
65
66
67
Latossolo
vermelhoamarelo
0-25
25-50
50-80
51
50
48
0,95
0,93
0,94
Densida
de
Partícul
as
2,75
2,70
2,68
2,70
2,78
2,88
1,30
1,33
1,35
Porosidade total, densidade do solo e de
partículas de três solos paulistas (adaptada
de Grohmann, 1960)
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 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)
𝑞=
chamado eq. de Darcy
𝑄
Δℎ
= −𝐾(ψ)
𝐴
𝐿
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)
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
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
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.