MINISTERIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI
DIAMANTINA – MINAS GERAIS
APOSTILA
Irrigação e Drenagem
Prof. Dr. Cláudio Márcio P. de Souza
Diamantina-MG
Agronomia
Janeiro/2013
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Apostila irrigação ufvjm 2012, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Aeronáutica
Apostila irrigação ufvjm 2012
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2016
1 / 77
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MINISTERIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI
DIAMANTINA – MINAS GERAIS
APOSTILA
Irrigação e Drenagem
Prof. Dr. Cláudio Márcio P. de Souza
Diamantina-MG Agronomia Janeiro/
Relações água solo planta
O manejo da irrigação é uma etapa muito importante na produção agrícola. A aplicação de água no momento e quantidade adequados para o desenvolvimento das culturas envolve uma série de conhecimentos sobre os parâmetros de solo e a relação destes com a água. O estudo destas relações é muito importante para que o manejo inadequado da irrigação (excesso ou deficiência hídrica) não seja fator limitante da produção.
1.0 Conteúdo de água no solo.
1.1 Densidade^1 absoluta ou Massa especifica do solo (Ds)
É a relação entre a massa das partículas do solo seco e o volume total da amostra.
.. ( ) (. ).. .sec ( ) (^3) volumedocilindro cm 3 Ds gcm massadesolo og
1.2 Densidade^2 de partículas ou Massa especifica do solo (Dp)
É a relação entre a massa das partículas do solo seco e o respectivo volume das partículas (excluído os poros).
... ( ) (. ).. .sec ( ) (^3) volumeocupadopelasparticulas cm 3 Dp gcm massadesolo og
1.3 Porosidade^3 do solo ( α ) Calculada em função da densidade do solo e da densidade de partículas, refere-se ao volume de vazios existentes no solo. (%) (^1) * 100
^ Dp Ds
(^1) Obs: varia de 0,7 g cm-3, até 1,8 g cm-3 (^) para solos arenosos. (^2) Obs: a densidade das partículas dos solos é quase constante e igual a 2,6 g cm-3. (^3) Obs: em geral a porosidade dos solos minerais varia entre 25% e 60%, normalmente 40-50%.
1.4.2 Umidade volumétrica
3 volumedesolocomsuaestruturanatural cm Uv volumedeaguacontidanaamostracm
Obs: conhecendo-se a densidade do solo (Ds), é possível calcular a umidade volumétrica (Uv) com o uso da expressão:
Uv (cm^3 cm-3) = Ug (%) * Ds (g cm-3)
Logo o volume de poros ocupados por ar (Ea) = α – Uv Obs: Também chamado de volume de vazios.
A lamina de água (h), a umidade volumétrica (Uv) e a profundidade do solo (p) estão relacionados pela expressão:
100 h Uv *^ p
Infiltração da Água no Solo
É o nome dado ao processo pelo qual a água penetra no solo, através de sua superfície. É um fator muito importante na irrigação, visto que ela determina o tempo em que se deve manter a água na superfície do solo ou a duração da aspersão, de modo que se aplique uma quantidade desejada de água. É expressa em termos de lâmina de água mm h-1, cm h-1^ ou l h-1. A velocidade de infiltração (VI) depende diretamente da textura e da estrutura dos solos. Em um mesmo tipo de solo a VI varia em função: da umidade do solo na época da irrigação; a porosidade do solo; existência ou não de camadas permeáveis, ao longo do perfil. Há vários métodos e varias maneiras de determinar a VI de um solo. Para que seu valor seja significativo, o método de determiná-la deve ser condizente com o tipo de
VI inicial
VI básica (VIB)
VI (cm h-^1 ) 4 3 2
1 0,5 1,0 1,5 2,0 Tempo (hora) Figura: Velocidade de infiltração de água no solo versus tempo.
irrigação que será usado naquela área. Portanto podemos classificar os diversos tipos de irrigação, segundo a infiltração, em dois grupos: -Infiltração somente na vertical (aspersão e inundações). -Infiltração ocorrendo na vertical e na horizontal: (sulco).
Sendo assim, ao se fazer irrigação em sulco, a VI deve ser determinada pelo método da “Entrada- Saída” de água no sulco, pelo método do “Infiltrômetro de Sulco”, ou pelo método do balanço de água no sulco. No caso de irrigação por aspersão ou por inundação deve-se determinar a VI pelo método das “Bacias”, do “Infiltrômetro de Anel” ou do “Infiltrômetro de Aspersor”.
Segundo a VIB de um solo, pode-se classificá-lo em: Classificação da VIB em função da velocidade de infiltração. Muito alta > 3,0 cm h-^1 Alta 1,5-3,0 cm h-^1 Media 0,5-1,5 cm h-^1 baixa <0,5 cm h-^1
OBS: Na irrigação por aspersão a intensidade de precipitação dos aspersores não deve ultrapassar a velocidade básica de infiltração do solo, para evitar encharcamento do terreno e escoamento superficial.
Exercício 10: Qual o armazenamento de água à profundidade de 60cm para as umidades Uv% 35,8; 42,3; 44,1; respectivamente para as profundidades 0-20, 20-40 e 40-60cm. Resp.: 244,4mm. Ou seja, cada m^2 desse solo ate a profundidade de 60cm contem 244,4L de água.
Exercício 11: Qual a composição ideal dos solos visando o desenvolvimento vegetal?
Exercício 12: O que são textura e estrutura?
Exercício 13: Através de um anel amostrador de diâmetro interno igual a 7cm, de altura de 5cm determinou-se o peso de um solo seco em estufa igual a 198,19g. Qual a densidade desse solo? Resp.: Ds=1,03 g cm-
Exercício 14: A densidade aparente de um solo é 1,3g cm-3^ e o peso da amostra seca em estufa 105-110oC é 150g. Determinar a porosidade desse solo. Considerando a umidade volumétrica média do exercício 7, determinar o volume de vazios.
Exercício 15: Quais solos são mais pesados: os argilosos ou os arenosos? Por quê?
Exercício 16: Supondo-se um teor de umidade volumétrica de 0,25 numa camada de profundidade de solo de 40cm, quanto de água está armazenado no solo? Resp.: 100mm.
Obs: Valores de VIB em função da textura do solo Arenosa: 25 a 250 mm h-1. Franco arenosa: 13 a 76 mm h-1. Franco arenosa argilosa: 5 a 20 mm h-1. Franco argilosa: 2,5 a 15 mm h-1.
Estado energético da Água no Solo
Depois da umidade, o estado de energia da água é, provavelmente, a característica mais importante do solo. A água sempre se movimenta dos pontos de maior energia para os de menor energia, ou seja, a tendência universal de toda matéria na natureza a assumir um estado de menor energia.
Formas de energia
Para definir o estado da energia da água, podem-se utilizar as seguintes formas de expressão: Energia Cinética : a energia cinética na maioria dos casos é desprezível
g Ec mV
.^2
Sendo Ec= Energia cinética da água em kg m, m= massa da água em kg, V= velocidade da água, m.s-1; g= aceleração da gravidade em ms-2.
Energia Potencial : é de suma importância na caracterização do estado de energia (função de posição e condição interna da água no ponto em consideração).
E= m.g.h
Sendo h = altura em que se encontra o corpo em m.
Movimento da água
Figura 1: Movimento água.
Potencial total da água no solo (ψt)
Do ponto de vista de extração de água do solo pelas plantas, não basta somente conhecer o conteúdo de água presente neste solo, e sim a energia com que esta água esta retida. Por definição ψt é “ Quantidade de trabalho que é preciso aplicar para transportar reversível e isotermicamente uma quantidade de água desde uma situação padrão de referencia a um ponto do solo considerado”. O estado de energia em que se encontra a água pode ser descrito pela função termodinâmica da “Energia Livre de Gibbs” que no sistema solo-planta-atmosfera recebe o nome de potencial total de água. Devido às baixas velocidades com que a água se desloca no solo, a energia cinética é desprezada. As diferenças de energia potencial ao longo dos diferentes pontos no sistema dão origem ao movimento da água no solo.
Componentes do potencial total da água no solo
Composto basicamente por quatro componentes, e representados pela letra grega Ψ. Onde: Ψt= Potencial total; Ψm= Potencial matrico; Ψo= Potencial osmótico; Ψg= Potencial gravitacional; Ψp= Potencial de pressão.
Ψt = Ψm + Ψos + Ψg + Ψp
*A
*C *B
*D
Se ψA>ψB logo A – B ψA<ψB logo B – A ψC>ψA logo C – A
Figura 2: Representação esquemática do potencial total da água no solo
Potencial gravitacional (Ψg). Está relacionado com a força da gravidade.
Potencial matricial(Ψm). Refere-se aos estados de energia da água e suas interações com as partículas sólidas do solo. Depende da textura, estrutura, superfície específica, afinidade da água com as partículas do solo, etc. Na pratica é determinada pelo tensiômetro (campo), placas de Richards e Funis (Laboratório).
O potencial matricial esta intimamente relacionado com os fenômenos de adsorção e capilaridade.
*A
-^ + 20 cm^ Referencia
Figura 3: Potencial gravitacional.^ Logo ψg A=-20cm
Curva característica de água no solo.
O tensiômetro é um equipamento que permite se determinar o potencial matricial da água no solo e não a umidade diretamente. Por isso, a sua utilização deve ser acompanhada de uma curva característica ou curva de retenção de água no solo, a qual relaciona valores de potencial matricial (ψm) com o conteúdo de água no solo. Conhecendo-se a curva característica de água do solo, pode-se estimar o potencial matricial conhecendo-se umidade e vice-versa. Existem vários modelos utilizados para se justar os dados de umidade do solo com potencial matricial, destacando-se entre os demais, o modelo de van Genuchen 1980:
m n m
r s^ r [ 1 (. ) ]
Sendo: ψ=Potencial matricial (cmca). θs= Umidade saturação (cm^3 .cm-3). θr= Umidade residual (cm^3 .cm-3). θ= Umidade atual (cm^3 .cm-3). α, m, n= parâmetros de ajuste do modelo. Exemplo: Considere uma curva de retenção com os seguintes valores: θr=0,039, θs=0,484, ψm=50,8cmca, α, m, n=16,353; 0,2681; 0,213 respectivamente. Qual é a umidade do solo neste momento? Resp.: 0,325 cm^3 .cm-
Exemplo: Para um tensiômetro instalado a 30cm de profundidade, distancia da cuba ate o solo de 5cm e altura da coluna de mercúrio de 20cm, umidade volumétrica na capacidade de campo de 0,35 e ponto de murcha permanente de 0,20 (volume). Deseja-se saber se está no momento de proceder à irrigação. Obs considere: irrigar toda vez que a umidade atingir 40% da água disponível. Obs: Ui=Ucc-40%(Ucc-Upmp).
As plantas possuem diferentes capacidades de extrair água do solo, algumas são capazes de retirar água sob altas tensões (algodão). Outras retiram a baixas (alface).
Tabela 1: Potenciais de água no solo indicado para algumas culturas: Cultura Tensão de água no Solo (kPa)
Cultura Tensão de água no Solo (kPa) Alface 40-60 Couve-flor 60- Batata 20-40 Melão 30- Cebola 15-45 Tomate 30-
Obs: Os tensiômetros operam nas faixas de no máximo até 80kPa. Pegando a maioria das faixas de manejo das culturas, correspondendo a mais de 50% da água útil (CC e PMP) contida no solo, nos arenosos essa porcentagem pode-se elevar ate 75%.
Potencial osmótico (Ψo): Está relacionado com o total de sais no solo. Muito importante em solos salinos. Dependendo do nível de salinidade do solo,
Ψos=-0,36CE* Onde: Ψos= potencial osmótico, em atm. CE= condutividade elétrica do extrato de saturação do solo (mmhos/cm) determinado em laboratório. Potencial de Pressão (Ψp): Decorrente da pressão externa sobre a água, é uma pressão hidrostática, normalmente maior que a atmosférica, portanto maior que zero: é positiva em muitas células de plantas como, também, num solo saturado abaixo da linha do lençol freático. Nesse componente de pressão somente serão consideradas as pressões positivas, e, portanto elas só existem em condições de solos saturados na presença de uma lamina de água sobre a superfície do solo. Ψp = d g h Onde: d= densidade do fluido. g= aceleração da gravidade h= diferença entre o ponto considerado e a superfície do fluido.
Saturação: Um solo está saturado quando todos os seus poros estão cheios de água. No estado de saturação o potencial matricial da água no solo é zero.
Capacidade de campo (CC): Terminado o processo de drenagem chega um ponto em que o solo não perde mais água, neste estado disse-se que o solo esta na capacidade de campo “ou seja, é máximo de água que o solo pode reter sem que haja percolação”.
Determinação no campo: O solo é completamente umedecido, até uma profundidade de mais ou menos 1,5m, por meio de irrigação normal ou de represamento d’água, em uma bacia de 2m de diâmetro, durante o tempo necessário. Após o umedecimento do solo, sua superfície é coberta com um plástico para evitar evaporação. O teor de umidade é então determinado, em intervalos de 24h por amostragens em cada camada de 5cm, até a profundidade desejada. A amostragem e determinação da umidade deve continuar ate que se note que a variação do teor de umidade, no período de 24h, tenha se tornado mínima, ao longo do perfil. Um gráfico de teor de umidade versus tempo ajuda a decidir qual é o teor de umidade que melhor representa a capacidade de campo. Este método é mais preciso e funciona como método padrão. Uma única amostragem, em determinado tempo, em geral após 24h, em solos arenosos e 48 em argilosos, é muito usado na prática, porém pode causar sérios erros.
Determinação no Laboratório: Método da curva de tensão (curva característica). A tensão, que foi considerada como equivalente a “CC”, é de 1/10 de atmosfera, para solo de textura grossa, e de 1/3 de atmosfera, para solos de textura fina. A tensão geralmente usada é de 1/3 de atmosfera, para qualquer tipo de solo. Esta curva de tensão é determinada em laboratório com “panela” e “membrana” de pressão ou funil de “Bukner”, podendo ser usados solos sem estrutura ou com estrutura natural, sendo este ultimo mais trabalhoso, porem mais preciso. O teor de umidade na “CC” pode variar de 8%, em peso, para solos arenosos, ate mais de 30%, em solo argilosos.
Ponto de murcha permanente (PMP): Em condições de campo, é comum notar que pela tarde alguns vegetais murcham, mesmo estando o solo com teor de umidade relativamente alto. Eles recuperam a turgidez durante a noite e permanecem túrgidos até a tarde do dia seguinte. Este caso é chamado de “murchamento temporário”, e é mais comum durante os dias muitos quentes.
Água útil: Independente das dificuldades encontradas nas determinações de CC e PMP, esses tem um grande significado agronômico, e representam os limites máximos e mínimos da umidade do solo que pode ser utilizada pelas culturas. A quantidade de água compreendida entre esses valores é definida como “Água Útil”. Pode ser expressa em termos de umidade gravimétrica ou volumétrica. Au CC PMP
Exemplo: Uma análise de um solo tem as seguintes características: ds=1,45, dp=2,6, CC=36% e PMP=20%. Calcular os conteúdos de água nos estados de saturação, capacidade de campo e ponto de murchamento, expressando em mm e m^3 ha-1^ de água útil. Resp.: Estado θv(%) h (mm) (^) m^3 ha-^1 Saturação 44 220 2200 CC (^36 180) 1800 PMP 20 100 1000 A.u 36 - 20 80 800
Exemplo: Considerando que se queira drenar o solo do exemplo anterior, quanto de água se obteria? Resp.: 400m^3 ha-1^ ou 400mm.
Exemplo: Um solo de 70cm de profundidade tem CC=28%, PMP=11%. Supondo uma evapotranspiração de 6mm dia-1. Se o solo esta na CC, quantos dias serão necessários para a umidade desse solo alcançar o PMP? Resp.: 20 dias.
Exemplo: No solo do exemplo anterior pretende-se irrigar quando o conteúdo de água atingir 70% da água útil.Sem considerar eficiência da irrigação, calcule o intervalo de irrigação. Resp.: 6 dias.
Disponibilidade Total de Água do Solo (DTA) É uma característica do solo, a qual corresponde à quantidade de água que o solo pode reter ou armazenar por determinado tempo.
DTA ( CC^10 PMP * ds
Onde: DTA: disponibilidade total de água, em mm cm-1^ de solo; CC: capacidade de campo, % em peso. PMP: ponto de murchamento, % em peso. Ds: densidade aparente do solo, em g cm-3.
Ou ainda: V^ ( CC^ PMP )* Ds Sendo V= m3 de água disponível, por ha, em cada cm de profundidade do solo.
Capacidade Total de Água no Solo (CTA) Tanto a quantidade de chuva quanto a irrigação só devem ser consideradas disponíveis para a cultura no perfil do solo que esteja ocupado pelo seu sistema radicular.
CTA DTA * Z Em que: CTA= capacidade total de água no solo em mm; Z= profundidade efetiva^4 do sistema radicular, em cm.
Tabela: Profundidade efetiva das raízes crescendo em solos homogêneos (cm) Alfafa 90-180 Milho 30- Feijão 30-60 Cana 50- Citrus 50-150 Hortaliças 20-
(^4) A profundidade efetiva do sistema radicular (Z) deve ser tal que, pelo menos, 80% do sistema radicular da cultura esteja nela contida. Ela depende da cultura e da profundidade do solo na área.