Processos Hidrológicos
CST 318 / SER 456
Tema 5 – Física do Solo
ANO 2013
Camilo Daleles Rennó
Laura De Simone Borma
http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
O Papel do Solo no Ciclo Hidrológico
chuva
transpiração
evaporação (interceptação)
evapotranspiração
evaporação infiltração
Zona de
Aeração
(não saturada)
escoamento
superficial
percolação
Zona de
Raízes
fluxo ascendente
lençol freático
escoamento
sub-superficial
Zona de
Saturação
rocha
O que é Solo?
O termo solo se refere à camada superficial da crosta terrestre, que se
encontra intemperizada e fragmentada e é constituída por partículas
minerais, matéria orgânica, água, ar e organismos vivos.
Origina-se da rocha que, por ação de processos físicos, químicos e biológicos
de desintegração, decomposição e recombinação, transformou-se, no
decorrer do tempo, num material poroso. Pode ter origem na rocha matriz
subjacente ou ser constituído de materiais provenientes de outras regiões,
transportadas pela água, vento ou gelo.
Reconhecem-se cinco fatores na formação do solo: material de origem (rocha),
tempo (idade), clima, topografia e organismos vivos.
São necessários 10.000 anos
para a formação de 1 cm de
solo a partir de uma rocha
granítica
http://danielrsilveira.blogspot.com/2010/04/formacao-do-solo.html
Perfil do Solo
Matéria
orgânica
Argila
Nutrientes
E – Horizonte de cores claras, de onde as argilas e outras
partículas finas foram lixiviadas pela água
B – Horizonte de acumulação de materiais provenientes dos
horizontes superiores, principalmente argilas. Pode
apresentar cores avermelhadas devido à presença de
óxidos e hidróxidos de ferro
C – Horizonte constituído por material não consolidado
R – Rocha consolidada
http://analuizabaierle.blogspot.com/2010_09_20_archive.html
Água
O – Horizonte com predominância de restos orgânicos (H – quando em condições hidromórficas)
A – Horizonte mineral escurecido pela acumulação de matéria orgânica
Características Morfológicas dos Solos
Espessura e transição
entre horizontes
Cor
Textura
Estrutura e Porosidade
Consistência
Cerosidade
Presença de nódulos e
concreções
Estes atributos são utilizados para classificar os solos
Cores escuras: indicam presença
de matéria orgânica e estão
relacionadas com os horizontes
mais superficiais.
Cores claras: indicam presença
de minerais claros (caolinita e
quartzo). Pode significar a
perda de materiais corantes.
Cores vermelhas: indicam
condições de boa drenagem e
aeração do solo. Estão
relacionadas com a presença de
hematita.
Cores acinzentadas: indicam
condições de saturação do solo
com água (redução do ferro).
Cores amarelas: podem indicar
condições de boa drenagem, mas
com regime mais úmido. Estão
relacionadas com a presença de
goetita.
Cores mosqueadas: manchas
amarelas, vermelhas, pretas, em
uma matriz ou fundo
normalmente acinzentado.
Definida a partir da Carta de Cores Munsell para Solos (Matiz/Valor/Croma)
http://www.labogef.iesa.ufg.br/labogef/arquivos/downloads/Morfologia_SPA_I_2006_71177.pdf
Cor
Textura
Diz respeito a distribuição de tamanho das partículas do solo
Classificação granulométrica
Fração
Diâmetro
Matacões
> 20 cm
Calhaus
20 mm a 20cm
Cascalhos
2 a 20 mm
Areia Grossa
0,2 a 2 mm
Areia Fina
0,05 a 0,2 mm
Silte
0,002 a 0,05 mm
Argila
< 0,002 mm
O conhecimento da textura é
importante pois fornece informação
sobre o solo a respeito de:
• sua capacidade em permitir a
movimentação da água
(condutividade hidráulica),
• sua capacidade em reter/armazenar
água,
• seu potencial de fertilidade e,
• sua capacidade mecânica
Matacões, Calhaus e Cascalhos
Diâmetros maiores que 2 mm
Não são considerados como parte da
fração fina do solo
linha de pedras
Fração Areia
Diâmetro entre 0,05 e 2 mm
Partículas visíveis a olho nu
Formato arredondado ou angular
Sensação áspera ao tato
Não tem coesão (não é plástico, nem
pegajoso)
As areias quartzosas têm coloração
branca. Se o quartzo estiver
misturado com outros minerais a
coloração pode ser marrom. Algumas
areias podem ser avermelhadas ou
amareladas devido aos sesquióxidos
Baixa superfície específica
Pobre em nutrientes
Os poros formados entre as partículas de
areia favorecem a drenagem e a
aeração
Armazena pouca água
Fração Silte
Diâmetro entre 0,002 e 0,05 mm
Partículas invisíveis a olho nu
Sensação sedosa ao tato
É plástico, mas não é pegajoso quando
molhado
Retém mais água que a areia
Facilmente lavável e sujeito à erosão
Retém mais nutrientes que a areia
Fração Argila
Diâmetro menor que 0,002 mm
Possuem formato de lâminas planas ou
pequenos flocos
As partículas de argila são colóides
Sensação sedosa ao tato
É pegajoso e plástico (fácil de ser
moldado)
Alguns tipos apresentam expansão e
contração (argilas 2:1)
Alta superfície específica
Formam espaços porosos pequenos
Alta capacidade de retenção de água
Grande capacidade de adsorção de
elementos químicos
Classe Textural
A Classe textural é definida a partir das proporções das frações areia (grossa+fina),
silte e argila presente na amostra de solo.
Ex: 60% areia
10% argila e
30% silte
Terra
Fina
Seca
ao Ar
Fração
Diâmetro
Matacões
> 20 cm
Calhaus
20 mm a 20cm
Cascalhos
2 a 20 mm
Areia Grossa
0,2 a 2 mm
Areia Fina
0,05 a 0,2 mm
Silte
0,002 a 0,05 mm
Argila
< 0,002 mm
(textura franco arenosa)
Triângulo Textural
(SBCS)
Determinação da Textura do Solo
Qualitativa (campo)
baseado na sensação ao tato (plasticidade e pegajosidade)
requer experiência (presença de outros materiais podem mascarar o resultado)
Quantitativa (laboratório)
uso de peneiras para frações mais grossas (> 0,05mmm)
método da pipeta para frações argila e silte (areia fina é calculada por diferença)
Estrutura e Porosidade
Estrutura é o arranjo das partículas primárias do solo
formando agregados (torrões). Este arranjo é
geralmente bastante complexo não permitindo uma
caracterização geométrica.
A descrição da estrutura é feita no campo, observando-se
detalhadamente os agregados por ocasião de sua
remoção no perfil.
A estrutura depende do grau de adesão e coesão das
partículas durante o processo de intemperismo.
A estrutura do solo é determinante para a porosidade do solo, ou seja, na distribuição e no
tamanho dos poros. A estrutura do solo afeta, portanto, a capacidade de retenção e a
condutividade hidráulica do solo. Afeta processos tais como germinação, crescimento
de raízes, erosão, etc.
A estrutura do solo resulta de uma combinação de diversos fatores: raízes, húmus e
matéria orgânica em geral, microorganismos, coesão das partículas, conteúdo e tipo de
argila, e conteúdo de óxidos de alumínio e ferro.
Classificação de Solos
Permite extrapolar as características dos solos para outros locais com iguais
condições climáticas, geológicas e de relevo (sem dados experimentais)
Sistema Brasileiro
Ex: Latossolo Amarelo Distrófico Típico
Sistema Americano

Oxisol Ustic Dystrophic Typic
(esta correspondência nem sempre é biunívoca)
http://www.pedologiafacil.com.br
http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/arroz/arvore/CONT000fesi63xh02wx5eo0y53mhyx67oxh3.html
Classificação de Solos
Mapa de Solos do Brasil atualizado com
base no atual Sistema Brasileiro de
Classificação de Solos (Embrapa, 2006)
Cerca de 50% é Latossolo e 25% Argissolo (Podzólico)
Atenção com legendas que representam
associações de classes de solos bastante
distintas (função da escala de
mapeamento)
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0044-59672005000200006
Relação entre Solo e Paisagem
Região Oeste Paulista
Região Norte
Centro-Oeste Paulista
Região Nordeste
http://www.pedologiafacil.com.br
As 3 fases do Solo
(~50%) Poros
Sólidos (~50%)
O solo pode ser entendido como
um meio poroso onde a fração
sólida (matriz do solo) é
Ar
Mineral (~45%)
praticamente constante para
um determinado solo (cerca de
50%). Os espaços entre as
partículas sólidas (poros) são
Água
ocupados pelas frações gasosa
(atmosfera do solo - ar) e
Orgânica (~5%)
líquida (solução do solo – água)
em diferentes proporções.
Porosidade
O arranjo entre os componentes sólidos (física e quimicamente diferentes, e
com formas e tamanhos variados) determina as características geométricas
dos poros, nos quais a água e o ar se movimentam ou são retidos.
Solo Arenoso
Solo Argiloso
A porosidade influencia diretamente
no movimento da água no solo
A porosidade determina a capacidade
Poros
Grandes
Poros
Pequenos
de armazenamento da água no solo
Através das relações de massa e volume de cada fase do
solo, é possível determinar uma série de métricas
que caracterizam a densidade, porosidade e
conteúdo de água do solo.
Vp
Ar
Água
Vs
Sólidos
Mar ~ 0
Mw
Ms
Densidade do Solo e Porosidade
Densidade real (ou das partículas): é uma medida da relação entre a massa do solo
seco (Ms, g) e o volume (Vs, cm3) das partículas do solo, dada por:
(cerca de 2,65 g cm-3 para a maioria dos solos minerais)
Densidade aparente: é uma medida da relação entre a massa do solo seco (Ms, g) e
o volume total* (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:
Porosidade: é uma medida da relação entre o volume de poros (Vp, cm3) e o volume
total (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:
*Vt considera a amostra indeformada, ou seja, a estrutura do solo
Conteúdo de Água no Solo
Conteúdo gravimétrico: é uma medida da relação entre as massas de água (Mw, g)
e do solo seco (Ms, g), dada por:
Conteúdo volumétrico: é uma medida da relação entre os volumes de água (Vw, cm3)
e total (Vt, cm3) do solo, dada por:
Usa-se umidade volumétrica para se calcular a lâmina d’água (1 mm = 1 l m-2)
equivalente estocada no solo, quando se quer realizar o balanço hidrológico
(relacionar precipitação, água no solo, evapotranspiração e deflúvio na
mesma unidade de medida).
Determinação da umidade do solo
Métodos diretos:
•Gravimétrico
Métodos indiretos:
•Sonda de nêutrons
•Baseados na condutividade elétrica (TDR)
•Tensiômetros (curva de retenção)
Método Gravimétrico
Uma amostra indeformada (não perturbada) do
solo é retirada usando-se um anel volumétrico
e imediatamente pesada (Mt)
Leva-se a amostra para secar em estufa (105oC)
por 24 horas, pesando-a novamente. A
diferença entre pesos resulta na massa de
água (Mw)
É um método destrutivo, não permitindo a
repetição da amostragem no mesmo ponto
Exemplo
Uma amostra não perturbada foi tirada do solo. A amostra tem 10 cm de
comprimento e 5 cm de diâmetro. O peso da amostra imediatamente após
ser retirada foi de 331,8 g. Após secagem a 105oC, o peso foi de 302,4 g.
Calcule a densidade aparente, a porosidade, o conteúdo de água
(gravimétrico e volumétrico).
Volume da amostra é
A densidade do solo é
Considerando que r = 2,65 gcm-3, a porosidade é
O conteúdo volumétrico de água é
O conteúdo gravimétrico é
Sonda de Nêutrons
Usa uma fonte radioativa que emite nêutrons rápidos. Os nêutrons
rápidos colidem com elementos do solo e desaceleram.
Um detector “conta” o número de nêutrons lentos. A densidade de
nêutrons lentos é diretamente proporcional a quantidade de
hidrogênio presente no solo, permitindo correlacioná-la com a
umidade volumétrica do solo através de uma calibração prévia.
Grande limitação: é radiativo!
Pode ser usado a qualquer profundidade (exceto à superfície),
avaliando um volume referente a uma esfera de 15 a 30 cm de
diâmetro, sem introduzir uma grande perturbação no solo.
No entanto, sofre influência do conteúdo natural de hidrogênio no
solo (grande desacelerador de nêutrons), da densidade do solo
e de outros componentes químicos.
TDR (Time Domain Reflectometry)
Baseia-se na determinação da constante dielétrica do solo (), que
mede a tendência de moléculas de uma substância de se
orientarem em um campo elétrico. A constante dielétrica da
água é de cerca de 80, das partículas minerais de 3 a 7, e do ar
de 1. Esta grande diferença permite estimar a umidade
volumétrica do solo.
É um método não destrutivo e não radiativo. Permite medições
automáticas e contínuas. No entanto, requer uma calibração
específica para cada tipo de solo e não funciona adequadamente
em solos com alto teor de argila, quartzo e matéria orgânica. A
temperatura do solo também influencia nas medições de
umidade.
Propriedades da água: estrutura molecular
As duas propriedades mais importantes da água
são:
• As ligações covalentes (os átomos de H e O
compartilham os elétrons da camada
externa) são muito fortes na água.
• A estrutura molecular da água é assimétrica,
formando ângulos de 104,5o entre os átomos
de H, o que provoca a existência de cargas
positivas de um lado e negativa do outro,
possibilitando a formação de pontes de
hidrogênio que mantém a coesão entre as
moléculas de água.
As partículas do solo são carregadas positivamente,
promovendo a adsorção (ou adesão) da água às
partículas sólidas
-
-
H
+
H
-
-
-
O
-
-
++
+
+
-
O
-
-
-
H
-
-
-
-
pontes de
hidrogênio
+
+
Tensão Superficial e Capilaridade
A tensão superficial ocorre, em geral, na interface
líquido-gás. O líquido se comporta como se
estivesse coberto por uma membrana elástica
em estado de tensão permanente, e que tende a
provocar a contração da superfície, tentando
que provoca a movimentação ascendente da água.
A altura da coluna d’água é inversamente
proporcional ao diâmetro do capilar.
adesão
entre o líquido e o gás não é plana mas curva, o
coesão
gravidade
Tem relação com a capilaridade já que a interface
adesão
assumir uma área mínima.
Potencial de Água no Solo
Os poros presentes no solo, representados
partículas
de solo
pelos espaços entre as partículas (mineral
e orgânica) que constituem o solo, podem
água
estar totalmente preenchidos com água,
como na zona saturada, ou estar
ar
parcialmente preenchidos por ar, como na
zona não saturada.
Os poros da zona de aeração podem ficar
Toda molécula de água no solo está
temporariamente saturados por ocasião da
sujeita a uma série de forças que
chuva ou irrigação, mas, deixados em
determinarão o sentido e velocidade
repouso, retornarão à condição não
de deslocamento desta molécula
saturada.
dentro do solo.
Potencial de Água no Solo
A energia com a qual o solo retém a água é medida em termos de potencial de água
(), que tem unidades de pressão*, ou energia por unidade de volume, que
equivale à força por unidade de área.
O movimento da água será sempre orientado para a região de menor potencial
A
A
A
B
B
B
A > B
A < B
A = B
O potencial de água no solo é a soma dos potenciais gravitacional, osmótico e de pressão.
* Unidades de pressão: 1000 kPa = 10 bar = 101,98 mca = 7500,64 mmHg
Potencial Gravitacional
O potencial gravitacional (g) é baseado simplesmente na posição da partícula de
água dentro do campo gravitacional relativo a um nível de referência
qualquer.
Considerando como superfície de referência o nível do mar, a força gravitacional
é sempre positiva e orientada para baixo, o que faz que a água,
desconsiderando os outros potenciais, tenha a tendência de mover-se
verticalmente para baixo ao longo do perfil do solo.
Potencial Osmótico
O potencial osmótico (o) é baseado na diferença de concentração de sais entre
dois pontos.
Em geral, pode ser negligenciado para a maioria dos solos. Apenas em solos
salinos este potencial pode tornar-se importante fazendo com que a água
seja mais fortemente retida no solo, dificultando sua retirada pelas raízes
das plantas.
Potencial de Pressão
Por convenção, a pressão exercida na linha do lençol freático é nula, sendo
positiva abaixo (zona saturada) e negativa acima deste nível (zona não
saturada). O potencial de pressão negativo é chamado de potencial matricial
(m) e o positivo é denominado simplesmente de carga (c).
Em solos não saturados, o potencial matricial representa a força de adesão da
água às partículas do solo. Quanto menor for a umidade, mais fortemente a
água será retida pelas partículas do solo.
Em solos saturados, a carga representa o peso da coluna d’água sobre o ponto
considerado.
Curva de Retenção do Solo
Cada solo, dependendo de sua textura e porosidade, possui uma curva de
retenção característica que relaciona o conteúdo de umidade e o potencial
matricial deste solo.
É importante observar que a relação entre a umidade e o potencial matricial é
diferente se este solo estiver recebendo ou perdendo água. Este fenômeno
é conhecido como histerese.
0,6
0,6
fase de
secamento

0,4
0,4
fase de
umedecimento
0,3
0,2
0,1
0,1
0
-0,001
-0,01
m
-0,1
silte
0,3
0,2
0
argila
0,5

0,5
-1
-10
-100 (MPa)
0
areia
0
-0,001
-0,01
m
-0,1
-1
-10
-100 (MPa)
Medição do Potencial de Água no Solo
Métodos indiretos:
• Medindo-se a umidade e obtendo-se o potencial através da curva de retenção
característica do solo
Métodos diretos:
• Tensiômetros (0 até -85 kPa)
• Baseados na condutividade elétrica (entre -100 e -1500 kPa)
Tensiômetro
É um tubo cilíndrico, geralmente de PVC, com uma
cápsula porosa instalada em um extremo.
A cápsula porosa, geralmente de cerâmica, tem poros
tão finos que eles permanecem saturados nos
potenciais de pressão encontrados em condições de
campo.
A cápsula está em contato íntimo com o solo, e o interior
do tubo é completamente cheio de água.
A diferença de pressão entre a cápsula porosa e o solo é
transmitida para o tubo do tensiômetro.
Blocos Porosos
Dois eletrodos envolvidos por um bloco de gesso ou nylon
medem a condutividade elétrica, que tem relação com o
potencial de água no solo (necessitam calibração).
Não são adequados para solos salinos, já que o conteúdo de sais
afeta a calibração do bloco.
Podem ser usados sob tensão bem maior que os tensiômetros, e
são mais sensíveis em potenciais mais negativos (solos muito
secos).
Não tem boa precisão em potenciais próximos a zero (umidade
próximo à saturação).
Câmara de Richards (Laboratório)
O sistema consta de panela de pressão, placa cerâmica
porosa e equipamentos de produção e controle de
pressão, podendo usar tanto amostras indeformadas
como deformadas.
Trabalham com pressões entre -10 e -1500 kPa
As amostras (úmidas) são pesadas logo
após serem submetidas a uma
pressão negativa pré-determinada
e, em seguida, são secas em estufa
para determinar o conteúdo de água
da amostra.
Modelos de Relação entre  e m
Se é a saturação efetiva (entre 0 e 1)
s e r são os conteúdos volumétricos de água na saturação
natural (Vw = Vp) e residual ( = -1500kPa)
• Brooks-Corey
b é o potencial de entrada de ar ou pressão de entrada do ar
 é chamado de índice de distribuição de poros
(se |m|≥|b| então  = s)
• van Genuchten
-m
 e n são parâmetros
BC
vG
r
s
Brooks, R.H.; Corey, A.T. (1966). Properties of porous media affecting fluid flow. Journal Irrigation Drain. Div., 92 (IR2): 61-68.
van Genuchten, M.Th. (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44 (5): 892–898.
Redistribuição da Água no Perfil
Condições de
equilíbrio para um
solo homogêneo
-m
argiloso
Limite superior
da zona capilar
arenoso

lençol freático ( = 0)
s (arg) > s (aren)
r (arg) > r (aren)
Em condições reais vários fatores alteram
esta distribuição:
•A existência de horizontes do solo que
determinam que a relação entre o m e 
(curva de retenção) variem com a
profundidade.
•A existência de raízes, que reduzem o
conteúdo de umidade na zona radicular
•A oscilação do lençol freático como
consequência da recarga e do fluxo de
base
•A presença de frentes de umidade no perfil
do solo como consequência da infiltração
•A presença de evaporação do solo, que cria
perfis de dessecamento nas camadas
superiores do solo
Redistribuição da Água no Perfil
a) condição de equilíbrio com solo seco à
superfície e saturado ao nível do lençol
freático
b) com o início da precipitação, a infiltração
é rápida, adicionando água nas camadas
superficiais
c) a precipitação continua, saturando o solo
nas primeiras camadas
Baseado em Hewlett (1982)
d) a precipitação cessa, a umidade superficial
começa a descer no perfil do solo e
evaporar
e) a umidade continua a descer com
velocidades diferentes (camadas com
diferentes texturas e porosidades)
gerando curvas de umidade mais
complexas
Macroporos
Matriz
do Solo
Macroporo
-3100 kPa
-1500 kPa
-100 kPa
Filmes de água
Água Disponível: CC e PMP
Após a chuva ou irrigação, a infiltração cessa
e a água se redistribui dentro do perfil
principalmente pela influência do potencial
gravitacional.
A umidade do solo na qual a redistribuição
praticamente cessa é denominada
capacidade de campo (CC), ou seja, é a
umidade que o solo consegue sustentar sob
a ação da gravidade.
Em laboratório, corresponde a umidade da
amostra de solo previamente saturada,
submetida a uma pressão de -33kPa (ou -6
ou -10 kPa).
Apesar de arbitrário, este conceito é
considerado por muitos como um critério
prático e útil para o limite superior de
água que um solo pode reter.
Saturação
Todos os
poros estão
cheios de
água. A água
gravitacional é
perdida.
Capacidade
de Campo
Apenas os
macroporos
estão ocupados
por ar.
Água Disponível: CC e PMP
A água perdida pelas plantas por transpiração
deve ser constantemente reposta pela
extração da água do solo na zona
radicular.
Água
Disponível
(CC – PMP)
Quando a planta não consegue mais retirar a
água do solo, as folhas perdem a turgidez
e a planta murcha.
O ponto de murcha permanente (PMP) é
definido como a umidade do solo na qual
uma planta não mais recupera a turgidez
(mesmo quando colocada em atmosfera
saturada por 12 horas).
Em laboratório, corresponde a umidade da
amostra de solo submetida a uma pressão
de -1500 kPa.
É também bastante arbitrário (as xerófitas
podem extrair água até -7500 kPa e as
freatófitas não além de -500 kPa)
Capacidade
de Campo
Apenas os
macroporos
estão ocupados
por ar.
Ponto de
Murcha
Permanente
Não há mais água
disponível para as
plantas (apenas
umidade residual)
Água Disponível: CC e PMP
UMIDADE
CC
PMP
areia
franco
arenoso
franco
franco
siltoso
franco
argiloso
argila