Erosão Hídrica e Infiltração de Água em Solos - Estudo e Modelagem

XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1 EROSÃO HÍDRICA E INFILTRAÇÃO DE ÁGUA SOB DIFERENTES TIPOS E COBERTURA DE SOLO Caroline Alvarenga Pertussatti 1 Teodorico Alves Sobrinho 2 Lais Cristina Soares Rebucci 3 Dulce Buchala Bicca Rodrigues 4 Paulo Tarso Sanches de Oliveira 5 RESUMO Em decorrência da importância atribuída à gestão dos recursos hídricos estudos sobre os fatores que influenciam o gerenciamento de bacias hidrográficas ganharam foco no mundo inteiro Neste trabalho foram avaliadas as perdas de solo e a infiltração de água em três tipos de solo sob chuva simulada e verificada a adequação de modelos na estimativa da taxa de infiltração Os testes com o simulador de chuvas possibilitaram a determinação do escoamento superficial da perda de solo e da infiltração de água no solo A taxa de infiltração foi determinada experimentalmente e estimada utilizando os modelos de KostiakovLewis Horton e Philip Após os testes verificouse que o tempo para o início do escoamento superficial foi maior nas parcelas com cobertura o que acarretou aumento na infiltração e diminuição da enxurrada principal responsável pela perda de solo Os modelos apresentaramse eficientes na estimativa de taxas de infiltração necessárias ao manejo do solo Porém o modelo de KostiakovLewis resultou um melhor ajuste Além disso os resultados desse estudo reafirmaram a importância da cobertura vegetal na mitigação dos processos erosivos ABSTRACT Due to the importance given to the management of water resources studies on the factors that influence the management of watersheds gained worldwide focus In this work soil loss and water infiltration in three types of soil under simulated rain was evaluated and verified the adequacy of models to estimate the infiltration rate Tests with the rainfall simulator allowed the determination of runoff soil loss and water infiltration into the soil The infiltration rate was determined experimentally and estimated using the model KostiakovLewis Horton and Philip After the tests it was found that the time for the start of runoff was higher in plots with vegetation leading to increased infiltration and reduced runoff primarily responsible for soil loss The models showed to be effective to estimate infiltration rates necessary for soil management However the model KostiakovLewis led a better fit Moreover the results of this study reaffirmed the importance of vegetation in mitigating soil erosion PalavrasChave simulador de chuvas perda de solo taxa de infiltração 1 Mestranda em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos pela Universidade de Brasília Prédio SG12 térreo UNB campus Universitário Asa Norte CEP 70910900 Email cpertussattihotmailcom 2 Prof Associado Departamento de Hidráulica e Transportes Universidade Federal de Mato Grosso do Sul UFMS Cidade Universitária Campus da UFMS Campo Grande MS CEP 79070900 Caixa Postal 549 UFMS Fone 67 33457497 Email talvesninufmsbr 3 Engenheira Ambienta pela UFMS Email laisrebuccigmailcom 4 Doutoranda em Hidráulica e Saneamento pela USPSão Carlos Universidade de São Paulo campus São Carlos Av Trabalhador Sãocarlense 400 CEP 13566590 Email dulcebbryahoocombr 5 Doutorando em Hidráulica e Saneamento pela USPSão Carlos Universidade de São Paulo campus São Carlos Av Trabalhador Sãocarlense 400 CEP 13566590 Email paulotarsomshotmailcom XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2 INTRODUÇÃO A erosão hídrica é um processo de degradação que afeta significativamente a capacidade produtiva dos solos A chuva exerce sua ação erosiva mediante o impacto de sua gota e posteriormente através do escoamento superficial Bertoni Lombadi Neto 1990 Existem alguns métodos para determinar a taxa de infiltração infiltrômetro de anéis simulador de chuvas entre outros Mao et al 2008 Com o intuito de melhor compreender a erosão dos solos simuladores de chuva são usados pois permitem repetições de condições controladas do escoamento e da perda de solo Estes equipamentos permitem a obtenção de dados hidrológicos para diferentes combinações de classes de solo cobertura e sistemas de cultivo Alves Sobrinho et al 2008 Além disso a utilização de chuvas artificiais elimina a necessidade de espera por um determinado evento de chuva natural A infiltração tornouse alvo dos cientistas de solo e água pela sua relevância no balanço hídrico na irrigação e na agricultura E por isso houve um avanço na modelagem matemática para facilitar seu cálculo Cecílio et al 2003 Mishra et al 2003 Ma et al 2009 Devese considerar que a infiltração de água no solo está diretamente ligada ao escoamento superficial e à erosão do solo Os modelos que descrevem a infiltração são teóricos baseados na teoria física do escoamento em meios porosos Equação de Darcy ou de Richards ou empíricos relacionam os parâmetros a atributos do solo sem que tenham obrigatoriamente significado físico Segundo Brandão et al 2003 há uma limitação no empirismo pois os dados ajustados são válidos apenas para as condições em que eles foram determinados ou seja não podem ser adotados para outros tipos de solo Dentre as equações empíricas uma das mais utilizadas é a de KostiakovLewis cujos parâmetros são avaliados a partir de dados experimentais Outro modelo empírico foi o desenvolvido por Horton Ambos os modelos apresentam coeficientes que podem ser calculados a partir de dados de infiltração medidos em campo Já Philip desenvolveu um modelo teórico baseado na Equação de Richards O modelo teórico de Philip pode ser calculado por métodos numéricos ou por meio de análise de regressão a partir de medições da infiltração Comparando a adequação dos modelos de Horton e de KostiakovLewis Alves Sobrinho et al 2003 e Panachuki et al 2006 concluíram que para estimar a taxa de infiltração em condições de chuva artificial a equação de Horton é a mais adequada XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3 A infiltração de água no solo pode ser afetada por fatores como atributos físicos do solo textura estrutura porosidade umidade declividade do terreno rugosidade superficial cobertura do solo vegetação solo exposto manejo do solo selamento superficial características da água energia da chuva e compactação da subsuperfície do solo Brandão et al 2003 Li et al 2009 A cobertura vegetal é responsável pelo aumento da macroporosidade da camada superficial protege os agregados do impacto direto das gotas de chuva e consequentemente pode favorecer a ocorrência de altas taxas de infiltração diminuindo consideravelmente as perdas de água e solo Brandão et al 2003 Bertol et al 2007 Considerando esse fator Carvalho et al 2009 concluíram que a perda de solo foi mais influenciada pelo emprego de diferentes tratamentos dados ao solo do que pela perda de água Silva et al 2005 verificaram que o aumento da porcentagem de cobertura do solo para intensidades de precipitação constantes possibilita a diminuição expressiva nas perdas de solo Além disso a redução do potencial erosivo do impacto das gotas de chuvas intensas pela elevação do percentual de cobertura do solo faz com que o processo de erosão passe a ser dominado pelo efeito erosivo do escoamento superficial Deste modo objetivouse i avaliar as perdas de solo e a infiltração de água em três tipos de solo com e sem cobertura vegetal e ii verificar a adequação das equações de Horton Kostiakov Lewis e Philip na estimativa da taxa de infiltração sob chuva artificial MATERIAL E MÉTODOS O estudo foi realizado em três diferentes classes de solo presentes na bacia hidrográfica do Ribeirão Salobra tributário do Rio Aquidauana Os solos estudados são classificados como Latossolo Roxo Distrófico LR Latossolo VermelhoEscuro LV e Neossolo Quartzarênico NQ sendo caracterizados conforme a Tabela 1 Tabela 1 Classificação textural dos solos Tipos de Solo LV LR NQ Classe textural Método da Pipeta Argila 66 54 38 Silte 196 750 260 Areia 738 196 702 Textura FrancoArenosa FrancoSiltosa FrancoArenosa LV LatossoloVermelhoEscuro LR Latossolo Roxo NQ Neossolo Quartzarênico XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4 Os dados de perda de solo da infiltração de água no solo e do escoamento superficial foram obtidos experimentalmente com o simulador de chuvas portátil desenvolvido por Alves Sobrinho et al 2002 e 2008 O equipamento é constituído por cinco módulos independentes o que facilita o transporte e a operação em campo O simulador é equipado com dois bicos Veejet 80150 posicionados a 230 m de altura em relação ao solo que produzem chuva artificial com diâmetro médio volumétrico de gotas correspondente a 20 mm A relação entre a energia cinética da chuva produzida pelo simulador e a energia cinética da chuva natural corresponde a valores acima de 90 A área da parcela experimental de 070 m² foi delimitada por chapas de aço galvanizado no formato retangular com 070 m de largura e 1 m de comprimento no sentido do declive permitindo a coleta do volume de água escoado superficialmente As parcelas foram submetidas à prémolhamento 24 horas antes do início dos testes O pré molhamento é necessário para que o solo atinja condições iniciais de uniformidade de umidade nos testes Para evitar o selamento superficial prejudicial ao teste este procedimento foi realizado através de um sistema gotejamento O simulador de chuvas foi calibrado para aplicação de chuva contínua com intensidade de precipitação de 60 mm h1 O intervalo de tempo compreendido entre o início da aplicação da chuva e o início do escoamento foi registrado como tempo de início do escoamento superficial em cada parcela Após o início do escoamento superficial foram realizadas coletas sucessivas do escoamento superficial durante o período de um minuto com intervalos de 1 minuto totalizando 30 coletas por parcela no período de uma hora de teste As simulações envolveram três repetições em parcelas aleatórias na presença e ausência de cobertura vegetal e classificada de acordo com os três tipos de solos encontrados na bacia hidrográfica Para quantificar a perda de solo adotouse o método direto Bertoni Lombardi Neto 1990 feito por meio da coleta do solo transportado por arraste superficial Assim a cada 6 minutos amostras do escoamento superficial de cada parcela foram armazenadas e levadas à estufa para secagem e determinação do peso Com esses dados foi possível avaliar o efeito da cobertura vegetal sobre a perda de solo para os diferentes tipos de solo da bacia As lâminas de escoamento superficial foram determinadas através da relação do volume escoado a cada 2 minutos e da área de 070 m² Com a diferença entre a lâmina de escoamento e a lâmina precipitada temse a lâmina de água infiltrada em cada intervalo de tempo A taxa de infiltração então é calculada a partir da relação entre a lâmina infiltrada e o tempo de infiltração considerado XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5 Como a taxa de infiltração é influenciada tanto pelas condições de superfície cobertura vegetal uso do solo entre outros como pela umidade do solo amostras de solo foram coletadas a uma profundidade aproximada de 10 cm antes do início dos experimentos para determinação da umidade inicial Para a comparação das médias os resultados foram submetidos à análise de variância com posterior aplicação do Teste de Tukey a 5 de significância Considerando os valores das taxas de infiltração obtidos pelos testes utilizouse os Modelos de Horton Eq 1 KostiakovLewis Eq 2 e Philip Eq 3 para verificar a estimativa da taxa de infiltração de água nos diferentes tipos de solo em que i taxa de infiltração mm h1 io taxa de infiltração inicial observada mm h1 if taxa de infiltração final mm h1 α β κ f1 e f2 parâmetros estatísticos t tempo de infiltração considerado min Os parâmetros α β κ f1 e f2 foram estimados a partir de análise de regressão considerando se os dados de infiltração medidos em campo com o simulador de chuvas A qualidade do ajuste dos modelos foi avaliada através de regressões não lineares entre valores estimados e valores médios observados em cada tratamento estudado juntamente com os respectivos coeficientes de determinação Na avaliação foram também utilizados os seguintes índices estatísticos coeficiente de massa residual CMR Eq 4 coeficiente de ajuste CA Eq 5 e eficiência EF Eq 6 n i 1 i n 1 i n i 1 i i O P O CMR 4 2 n 1 i n i 1 i 2 i O P O CA O 5 n i i n i n i i i O O P O O O EF 1 2 2 1 1 2 6 β i e i i i f 0 f 1 1 f t i i κα α 2 1 2 2 1 t 2 f 1 f i 3 XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6 em que Oi valores observados Pi valores estimados n número de observações Ō média aritmética das observações e P média aritmética dos valores estimados RESULTADOS E DISCUSSÃO Os valores médios observados de umidade inicial do solo e declividade necessários para a avaliação da simulação estão descritas na Tabela 2 assim como as taxas médias de infiltração de início e final dos testes em parcelas com PCC e sem cobertura PSC Tabela 2 Valores médios observados LV LR NQ Condições Iniciais Umidade 173 a 380 b 300 ab Declividade 60 57 40 Taxa de Infiltração mm h1 PCC PSC PCC PSC PCC PSC Inicial io 5568 5368 4981 4844 5619 4207 Final if 4306 Aa 2722 Ab 1486 Ba 791 Cb 4240 Aa 1151 Bb Médias seguidas com a mesma letra minúscula para as umidades do solo não diferem entre si a 5 de significância pelo Teste de Tukey Médias de infiltração final seguidas com a mesma letra minúscula na mesma linha para as duas condições de cobertura e no mesmo tipo de solo não diferem entre si a 5 de significância pelo Teste de Tukey Médias de infiltração final seguidas com a mesma letra maiúscula para a mesma condição de cobertura nos três tipos de solo não diferem entre si a 5 de significância pelo Teste de Tukey Em relação à umidade do solo verificouse que não houve diferenças estatísticas entre o latossolo vermelho e o neossolo e entre o latossolo roxo e o neossolo Já o menor valor de umidade do latossolo vermelho em relação ao latossolo roxo possivelmente está relacionado ao maior tempo para início de escoamento superficial nas parcelas para o latossolo vermelho Para a mesma cobertura de solo considerando os três tipos de solo a taxa de infiltração final apresentouse menor no latossolo roxo em parcelas com e sem cobertura o que é explicado pela menor macroporosidade em sua composição do que nos outros solos mais arenosos Para parcelas sem cobertura o latossolo vermelho apresentou maiores valores de infiltração do que o neossolo quartzarênico Entretanto a taxa de infiltração final para estes dois tipos de solo não apresentaram diferenças estatísticas em parcelas com cobertura Observaramse menores valores de taxa de infiltração em solos sem cobertura do que com cobertura nos três tipos de solo Tabela 2 assim como o tempo para início de escoamento em parcela sem cobertura é relativamente menor do que na com cobertura Tabela 3 Considerando esses fatores observase que a cobertura vegetal auxilia no aumento da taxa de infiltração e XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7 consequentemente diminui o tempo para início do escoamento superficial Considerando ainda que segundo Liu et al 2010 a quantidade de água que infiltra na superfície do solo afeta diretamente a quantidade de escoamento superficial e a erosão do solo Diversos autores obtiveram resultados semelhantes Silva Kato 1998 Silva et al 2005 Bertol et al 2007 Kato et al 2009 evidenciando a importante função desempenhada pela cobertura vegetal no favorecimento à elevação da taxa de infiltração de água no solo além de preservar as propriedades físicas e impedir a formação de selamento superficial que é uma das principais causas da diminuição da infiltração de água no solo Tabela 3 Resultados de perda média de solo e água e tempo para início do escoamento superficial LV LR NQ PCC PSC PCC PSC PCC PSC Perda de solo g m2 h1 108 Aa 1647 Ab 259 Aa 2019 Ab 142 Aa 3165 Aa Tempo de início do escoamento min 567 700 533 267 1200 367 Perda de Água mm h1 837 Aa 1477 Ab 2157 Ba 2520 Bb 817 Aa 2157 Cb PCC Parcela com Cobertura PSC Parcela sem Cobertura Médias seguidas com a mesma letra minúscula na mesma linha para os dois tipos de cobertura e no mesmo tipo de solo não diferem entre si a 5 de significância pelo Teste de Tukey Médias seguidas com a mesma letra maiúscula para as mesmas coberturas nos três tipos de solo não diferem entre si a 5 de significância pelo Teste de Tukey Ao avaliar a perda de solo observouse que estatisticamente os tipos de solo não influenciaram na perda de solo No entanto mesmo não existindo diferenças estatísticas o latossolo vermelho escuro obteve menores valores de perda de solo em parcelas sem cobertura que o latossolo roxo e o neossolo quartzarênico Tabela 3 Na análise granulométrica realizada verificaramse maiores quantidade de silte nos solos latossolo roxo e neossolo quartzarênico Tabela 1 assim esses solos possuem maior erodibilidade que o latossolo vermelho o que justifica os maiores valores de perda de solo tanto nas parcelas com quanto nas sem cobertura vegetal Em relação ao tipo de cobertura entretanto nos latossolos observouse menor perda de solo em parcela com cobertura do que em parcela sem cobertura O neossolo não apresentou diferenças estatísticas em relação à cobertura mesmo assim observase menor perda de solo em parcela com cobertura do que sem cobertura Para perda de água analisandose os dados nas parcelas com e sem cobertura nos três tipos de solo o latossolo roxo apresentou maior perda de água que os outros dois tipos de solo O latossolo vermelho e o neossolo não apresentaram diferenças estatísticas para valores de perda de água em parcelas com cobertura Entretanto para parcelas sem cobertura o latossolo vermelho obteve XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8 menores valores de perda de água que o neossolo Podese atribuir esse resultado ao menor valor de umidade para o latossolo vermelho do que nos outros tipos de solo saturandoo mais lentamente e obtendose assim menor escoamento superficial Considerandose a influência da cobertura na perda de água o maior valor está relacionado a parcelas sem cobertura do que com cobertura Verificouse que nas parcelas sem cobertura as perdas de solo e água foram respectivamente aproximadamente 91 e 40 maiores que nas parcelas com cobertura Já Albuquerque et al 2002 observaram que nas parcelas com cobertura morta houve redução nas perdas de solo e água de cerca de 99 e 74 respectivamente em relação às parcelas desmatadas Os coeficientes ajustados para os modelos matemáticos e os índices estatísticos apresentados na Tabela 4 permitem avaliar que os modelos apresentaram em geral boa qualidade no ajuste aos dados observados Em relação aos índices quanto mais próximo de zero o valor do CMR e quanto mais próximo de 1 o valor do CA melhor o ajuste No geral as previsões de todos os modelos testados foram razoavelmente boas Conforme os índices CA e CMR para todas as parcelas o modelo de KostiakovLewis apresentou o melhor desempenho Tabela 4 Parâmetros estatísticos estimados LV LR NQ PCC PSC PCC PSC PCC PSC Modelo de KostiakovLewis α 026050 000874 013706 000149 039829 001097 κ 5840136 316235177 25078613 2382959395 3421610 263241303 if 4114086 2711044 1465702 669944 4230930 1277867 CMR 000003 000003 000023 000024 000015 000008 CA 203077 138917 112942 126127 152057 123988 EF 000066 000028 000023 000019 000112 000029 Modelo de Horton β 030547 025661 032293 046392 035969 030215 if 4123528 2774899 1529640 831353 4238106 1366335 CMR 000205 000366 000643 001660 000093 000525 CA 287874 177087 153953 208741 220646 167439 EF 000066 000028 000023 000019 000112 000029 Modelo de Philip f1 3873371 2275010 899405 189168 3995243 814422 f2 2776867 5581253 6730803 6579257 2557943 5885943 CMR 000003 000003 000023 000026 000015 000010 CA 250907 145002 123227 156838 174650 126847 EF 000066 000028 000023 000019 000112 000029 Onde if taxa de infiltração final estimada α κ β f1 f2 parâmetros estatísticos XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 9 Paixão et al 2009 ajustaram os dados obtidos com infiltrômetro de anel e concluíram que o modelo proposto por Horton foi o que apresentou melhor desempenho apesar de os modelos de Horton Kostiakov e KostiakovLewis terem apresentados resultados praticamente similares Já Urchei e Fietz 2002 avaliaram a adequação dos modelos de Horton e KostiakovLewis e concluíram que a equação de KostiakovLewis é a mais adequada para estimar a taxa de infiltração básica utilizando o método dos anéis concêntricos Os modelos subestimam a taxa de infiltração final relacionada aos valores positivos do Coeficiente de Massa Residual exceto nos modelos de KostiakovLewis e Philip para o neossolo quartzarênico e para parcela sem cobertura para o latossolo roxo Devese considerar que as diferenças nas previsões podem ser atribuídas a diversos pressupostos do modelo e das condições do campo especialmente o antecedente de umidade do solo Bamutaze et al 2010 O coeficiente de ajuste demonstrou que os modelos subestimaram os valores nos três modelos observado através dos valores maiores que 1 As equações completas de Horton KostiakovLewis e Philip ajustadas para cada tipo e cobertura de solo estão apresentadas na Tabela 5 Tabela 5 Equações ajustadas para os tipos e coberturas de solo Tipo e cobertura do solo Equações KostiakovLewis Horton Philip LV PCC i 4114 1518t1260 i 4124 1447e0305t i 3873 1389t05 LV PSC i 2711 2846t1009 i 2775 2595e0257t i 2275 2791t05 LR PCC i 1466 3436t1137 i 1530 3450e0323t i 899 3365t05 LR PSC i 670 35507t0999 i 831 4009e0464t i 189 3290t05 NQ PCC i 42 31 1362t1398 i 4238 1382e0360t i 3995 1279t05 NQ PSC i 1278 2896t1011 i 1366 2844e0302t i 814 2943t05 i é a taxa de infiltração final em mm h1 t o tempo em min Na análise do coeficiente de determinação R2 na qualidade dos ajustes observados na Figura 1 todos os modelos apresentaramse de forma semelhante sofrendo pequenas variações entre seus dados estimados e observados Dentre os modelos o de KostiakovLewis foi o que apresentou o melhor coeficiente de determinação em todas as situações Avaliando os modelos de infiltração através de dados obtidos com infiltrômetro de duplo cilindro Bamutaze et al 2010 observaram que os modelos de Philip e os modelos de Kostiakov obtiveram a melhor precisão R2 com valores de R2 de 087 para o modelo de Philip 079 para o modelo de Horton e de 087 para o modelo de Kostiakov XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 10 Podese observar pelos gráficos que à medida que aumenta o tempo de precipitação há uma tendência de diminuir a taxa de infiltração até um valor estável chamada de taxa de infiltração estável final Figura 1 Taxa de infiltração em função do tempo para os três tipos de solo com ausência e presença de cobertura CONCLUSÃO Parcelas com cobertura apresentam maiores taxas de infiltração que parcelas sem cobertura As perdas de solo e água são respectivamente 91 e 40 maiores nas parcelas sem cobertura XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 11 Os três modelos de infiltração apresentam resultados satisfatórios no entanto o modelo de KostiakovLewis foi o que obteve o melhor ajuste para os solos em estudo BIBLIOGRAFIA Albuquerque AW Lombardi Neto F Srinivasan VS Santos JR 2002 Manejo da cobertura do solo e de práticas conservacionistas nas perdas de solo e água em Sumé PB Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v 6 p 136141 Alves Sobrinho T Ferreira PA Pruski F F 2002 Desenvolvimento de um infiltrômetro de aspersão portátil Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v 6 p 337344 Alves Sobrinho T Vitorino A C T Souza L C F Gonçalves M C Carvalho D F 2003 Infiltração de água no solo em sistemas de plantio direto e convencional Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v 7 p 191196 Alves Sobrinho T GómezMacpherson H Gómes J A 2008 A portable integrated rainfall and overland flow Simulator Soil Use and Management v 24 p 163170 Bamutaze Y Tenywa M M Majaliwa M J G Vanacker V Bagoora F Magunda M Obando J Wasige J E 2010 Infiltration characteristics of volcanic sloping soils on Mt Elgon 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