Cap1 - Apostila de Drenagem

ENG 644 – Drenagem de terras agrícolas UFV/DEA Curso de Pós-graduação em Engenharia Agrícola

1. I NTR NTRODU ODUÇÃ ÇÃO O Os problem probl emas de drenagem drenagem são conseqüênci conseqüências as do excesso de água na superfície do solo e na zona radicular, em regiões de clima úmido e subúmido, e, ou do excesso de sais na solução do solo em clima árido e semi-árido. Em muitas áreas, o sucesso da agricultura irrigada está intimamente associado ao estabelecimento e manutenção de uma relação solo-água-salinidade adequada ao desenvolvimento das culturas. Para o crescimento do sistema radicular e de toda plan planta, ta, elas elas requerem requerem água água e oxigê oxigêni nio o na zona radi radicular. cular. Nas regiões de clima árido e semi-árido, quando um lençol freático de água sal salina atinge atinge a zona radi radicul cular ar prov provocand ocando o excesso excesso de umidade dade e sai sais, a produção agrícola e as propriedades físicas e químicas do solo podem ser seriamente comprometidas. A presença presença de oxigê oxigêni nio o e umidade dade nos nos poros do solo sol o é funda fundam mental ental para para a germinação e o desenvolvimento das plantas. Em certas áreas, a ocorrência do lençol freático elevado passa despercebida à simples inspeção da superfície do solo, pois, esta pode apresentar-se seca embora o solo esteja saturado a poucos centímetros abai abaixo, o que pode comprometer comprometer a cultura. cultura. A necessidade de drenagem varia de acordo com o clima da região. A drenagem é necessária em regiões úmida e subúmido para eliminar o excesso de água no solo, e em regiões áridas e semi-áridas para manter a concentração de sais na obj etivo tivo da dre drenage nagem consiste solução do solo em níveis toleráveis pelas culturas. O obje em criar um ambiente favorável ao desenvolvimento das plantas e preservar as propriedades físicas e químicas do solo. Sob o ponto de vista agrícola, drenagem é a remoção do excesso de água e sal do solo a uma taxa que permita o desenvolvimento normal das culturas. Dre Dr enagem nagem adequada é aquela necessária a uma agricultura rentável e permanente na área. Evidentemente, isto não implica em drenagem completa ou perfeita, ou seja, o sistema de drenagem seria antieconômico se projetado para escoar as recargas atípicas do lençol freático provenientes, por exemplo, das maiores precipitações pluviais na região. Portanto, o aspecto econômico deve ser considerado. A drenagem drenagem pode ser ser natural e artificial. A drenagem artificial torna-se necessária quando a drenagem natural não é suficiente para escoar o excesso de água na superfície e no perfil do solo. A água excessiva pode ser proveniente de chuvas, escoamento superficial e subsuperficial de áreas altas, transbordamento de Prof. Paulo Afonso Ferreira

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rios, pressão hidráulica nas camadas mais profundas (lençol semi-confinado), excesso de água de irrigação e infiltrações provenientes de canais de irrigação. A drenagem artificial visa, conseqüentemente, complementar a diferença entre a drenagem natural e aquela considerada adequada.

1.1. Efeitos da deficiência de drenagem sobre algumas propriedades físicas do solo Antes de abordar os efeitos da drenagem deficiente sobre as propriedades físicas do solo é importante lembrar que, sob o ponto de vista agrícola, o solo deve ser visto e tratado como um sistema heterogêneo, trifásico, disperso e poroso. A heterogeneidade do solo ocorre não apenas por ser o solo um sistema polifásico onde as propriedades físicas e químicas podem variar de ponto a ponto dentro do sistema, mas, também, por ser ele um sistema constituído de várias substâncias e, consequentemente, as propriedades podemvariar dentro de uma mesma fase. As três fases ordinariamente presentes no solo são: fase sólida que constitui a matriz do solo, a fase líquida ou solução do solo e a fase gasosa ou atmosfera do solo. Na Figura 1.1 apresentam-se as proporções relativas das três fases de um solo de textura média, as quais variam continuamente e dependem de variáveis como o tempo, vegetação e manejo. Analisando a Figura 1.1 observa-se que à medida que a fase líquida ocupa o espaço poroso do solo, os gases são expulsos caracterizando problemas de arejamento ou drenagem. Reciprocamente, à medida que o solo perde água, a fase gasosa passa a ocupar quase completamente o espaço poroso do solo, caracterizando um déficit hídrico ou um problema de irrigação.

FIGURA 1.1 - Diagrama esquemático do solo como sistema trifásico.

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Portanto, o controle do espaço poroso do solo de modo a garantir às plantas disponibilidade de água e arejamento adequados ao seu desenvolvimento, é um desafio a ser enfrentado por todos aqueles que se dedicam à área de irrigação e drenagem. As propriedades físicas do solo mais afetadas pela deficiência de drenagem são: aeração, estrutura, permeabilidade, textura e temperatura. Aeração é o processo pelo qual gases, consumidos ou produzidos pela respiração do tecido radicular, são substituídos pelos gases da atmosfera externa.

O movimento dos gases via atmosfera interna do solo para a atmosfera externa e vice-versa ocorre através de dois processos. O primeiro processo, denominado difusão é o movimento em resposta ao gradiente de pressão parcial do gás ou de sua concentração, enquanto o segundo refere-se ao fluxo de massa ou convectivo que é o movimento em resposta ao gradiente de pressão total dos gases. Sabe-se que o processo dominante na troca de gases é a difusão, embora alguma aeração do solo possa ocorrer por fluxo de massa. Tomando como exemplo um segmento de uma radicela, ocorre que à medida que o oxigênio é consumido no processo de respiração das células a concentração diminui surgindo, então, um gradiente de concentração entre aquele ponto no interior do solo e a atmosfera externa. O oxigênio difunde através do espaço poroso do solo ocupado pelo ar, dissolve-se no filme de água que envolve a radicela propagando-se através deste para as células do tecido radicular. O dióxido de carbono, liberado como produto da respiração, irá difundir-se em direção oposta ao oxigênio seguindo o mesmo caminho. O mecanismo da difusão é descrito pela lei de Fick, ou q=

V ΔC = − D0 At L

Eq.1.1

ou q = − D0

∂p

β ∂z

Eq.1.2

em que β=

∂p ∂m

e

q =razão de difusão, moles cm-2 s-1; V =quantidade do gás em movimento, mole; A =área, cm2; Prof. Paulo Afonso Ferreira

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t =tempo, s; D0 =coeficiente de difusão do gás no ar, cm2 s-1; -3

ΔC =mudança na concentração do gás, moles cm

;

L =distância, cm; p =pressão parcial do gás, mm Hg; e m =massa específica do gás, moles cm-3. Tanto a equação 1.1 quanto a equação 1.2 calcula a difusão do gás no espaço gasoso livre. No solo, a área efetiva à difusão (A e) é substancialmente menor do que A devido à presença das fases sólida e líquida, (Fig. 1.1). Além disto, a distância efetiva (L e) é maior do que L devido à tortuosidade do espaço poroso e a equação 1.1, escrita para o meio poroso, torna-se q=

ΔC V = − D0 A et Le

Eq.1.3

No campo, tanto é difícil medir a área efetiva (A e) quanto o comprimento efetivo (L e). Para contornar essa dificuldade, define-se: ε =porosidade total do solo, adimensional; θ =porosidade ocupada pela solução do solo, adimensional; e

f =porosidade efetiva ou porosidade ocupada pelo ar, adimensional; e sabendo-se que f =ε - θ =

A e = f

A eL e AL

=

volumeefetivo obtém-se Volumetotal do solo

AL Le

Eq.1.4

Substituindo a equação 1.4 na equação 1.3, encontra-se q=

VL e ΔC = −D0 fALt Le

ou

q=

ΔC V = −D0fL At L eL e

Eq.1.5

Multiplicando e dividindo o último termo da equação 1.5 por L e rearranjando os fatores, obtém-se


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L2 ΔC q = −D0f 2 Le L

Eq.1.6

L2 Fazendo D = f 2 D0 , a equação 1.1 para meios porosos toma-se Le q=

ΔC V = −D At L

Eq.1.7

em que D =coeficiente de difusão do gás no solo cm2 s-1. Observa-se nas relações que antecedem as equações 1.4 e 1.7, que na medida em que ; f 0; D 0; e q 0. Verificou-se experimentalmente que, para a maioria dos solos, o valor da L2 relação 2 = 0,66. Le Como o valor de D0 é encontrado em tabelas disponíveis na literatura sobre físico-química e f = - , o valor de q, na equação 1.7, torna-se função de valores facilmente determinados. O valor do coeficiente de difusão do oxigênio na água é 2,4 × 10-5 cm2 s-1 e no ar é 1,8 × 10-1 cm2 s-1. A concentração de oxigênio na atmosfera é 2,9 × 10-4 g cm-3 , enquanto na água, em equilíbrio com o ar atmosférico é 8,4 × 10-6 g cm-3. Também , o coeficiente de difusão e a concentração de O2 na água são muito mais baixos do que no ar. Isto provoca rápida asfixia das plantas não adaptadas, quando seu sistema radicular é submerso, porque o teor de oxigênio dissolvido na água é baixo e o coeficiente de difusividade é, aproximadamente, dez mil vezes menor na água em comparação com o ar. Quando a seqüência de poros arejados é interrompida, a continuidade da fase gasosa deixa de existir e a difusividade tende para zero. Verificou-se experimentalmente que, para o crescimento de raízes de milho, o coeficiente de difusividade do O2 no solo deve ser correspondente a pelo menos 2% do seu valor no ar atmosférico. Tal fato demonstra que a cultura necessita de valores de f =12 a 15% para que o arejamento mínimo do solo seja garantido para a cultura. A literatura especializada apresenta estes índices para várias outras culturas. Quanto ao fluxo de massa, os principais fatores que contribuem para que haja diferença em pressão total dos gases entre a atmosfera interna do solo e a externa são: Prof. Paulo Afonso Ferreira

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1. propagação de uma frente de molhamento no perfil; 2. variação térmica diária e sazonal do solo; 3. rajadas de ventos; e 4. variações na pressão barométrica. O fluxo de massa ou convectivo é calculado através da equação q=

V κ ΔP κ Δ H = = ρg At η L η L

Eq.1.8

em que q =fluxo de ar, cm s-1; V =volume de ar emmovimento, cm3; A =área da seção transversal, cm2; t =tempo, s; κ =permeabilidade intrínseca do solo, cm-2; η =viscosidade dinâmica do ar, 1,8 10-4 dina s cm-2, a 25oC; ΔP =diferença de pressão total, dina cm-2;

L =distância, cm; ρ =massa específica do ar, g cm-3;

g =aceleração da gravidade, cm s-2; e ΔH =diferença de potencial, cm.

A textura dos solos com problemas de drenagem tende a apresentar predominância de silte e argila devido à intensa deposição dessas partículas durante as estações chuvosas. A estrutura do solo com excesso de água pode ser alterada pela compactação conseqüente ao tráfego de máquinas e animais, menor decomposição da matéria orgânica e sistema radicular raso e disperso. Em climas árido e semi-árido, geralmente a salinização é a principal responsável pelas alterações que ocorrem na estrutura do solo. Todos os fatores que afetam a estrutura do solo têm um efeito direto sobre a permeabilidade como, por exemplo, a degeneração da estrutura dos solos alcalinos. Quanto à temperatura, os solos encharcados são geralmente frios e têm o aquecimento retardado na primavera principalmente nas regiões de maiores latitudes. Prof. Paulo Afonso Ferreira

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Isto ocorre porque a água possui calor específico aproximadamente cinco vezes maior do que o calor específico dos componentes sólidos do solo necessitando, portanto, de maior quantidade de calorias para aquecer o solo saturado em comparação ao solo que possui umidade adequada. Alémdisso, emsolos encharcados a condutividade térmica é maior do que nos secos, facilitando a redistribuição do aquecimento superficial durante o dia para as camadas mais profundas durante a noite. A evaporação maior junto à superfície é outro fator que contribui para o resfriamento dos solos encharcados.

1.2. Efeitos da deficiência de drenagem sobre as culturas As principais funções do sistema radicular são: sustentação da planta, absorção de água e minerais e síntese de hormônios e outros compostos orgânicos. Nas áreas úmidas, onde o lençol freático eleva-se com freqüência até à superfície do solo, o sistema radicular é raso e as plantas são facilmente tombadas pela ação dos ventos. Além disso, os sistemas radiculares rasos ficam restritos a um pequeno volume de solo e as plantas tornam-se mais vulneráveis ao déficit hídrico durante os períodos de estiagem ou veranicos. O arejamento inadequado reduz indiretamente a absorção de água devido à menor densidade do sistema radicular e, diretamente, diminuindo a permeabilidade das paredes das células das raízes em razão da elevada concentração de CO2. A absorção dos minerais e seu transporte das células da raiz para o xilema consomem energia que é liberada na respiração aeróbica. Portanto, a absorção de nutrientes fica altamente comprometida quando o arejamento do solo é deficiente. A redução na absorção de íons segue a ordem: K, N, P2O5, Ca e Mg. Quando há deficiência de arejamento junto ao sistema radicular, a síntese de compostos orgânicos e de hormônio responsáveis pelo crescimento das plantas como a auxina e citocinina fica altamente prejudicada. Em muitos casos, o raquitismo e a coloração alterada das folhas das plantas em áreas baixas podem ser explicados pelas alterações metabólicas, que ocorrem nas células do sistema radicular, decorrentes da falta de arejamento no solo. A injúria que ocorre das plantas, em solos encharcados, pode ter mais de uma causa. É evidente que, em dias ensolarados e quentes, o primeiro sintoma de injúria é o murchamento que pode não ocorrer em dia nublado e frio. Quando as condições de arejamento deficiente perduram por mais de 24 horas, em muitas culturas podem surgir sintomas irreversíveis como epinastia, amarelecimento e queda das folhas mais velhas. O aparecimento de raízes adventícias


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pode ocorrer após alguns dias de inundação da zona radicular, retratando um esforço de sobrevivência ou adaptação da planta. Algumas plantas aquáticas e semi-aquáticas, como o arroz, vegetam perfeitamente bem em solos saturados porque possuem os aerênquimas (grandes espaços intercelulares cheios de ar), que garantem o suprimento de oxigênio para as raízes através de verdadeiras colunas de ar. Algumas variedades desenvolveramde tal forma este mecanismo de transporte de oxigênio da parte aérea para as raízes que chegam a exalar o oxigênio pelo sistema radicular para defenderem-se da intoxicação pelo Fe++ provocando, assim, a oxidação deste para Fe+++ . Sendo pouco solúvel, o Fe+++ precipita e o filme de Fe2O3 que contorna o sistema radicular dessas variedades de arroz, causa sérios problemas nutricionais à cultura. No solo, as formas de nitrogênio mais assimiladas pelas plantas são o nitrato e o amônio. Nos solos encharcados, certas bactérias anaeróbias usam o nitrato como receptor de hidrogênio em lugar do oxigênio reduzindo-o a nitrito, óxido de nitrogênio e gás. Numa forma simplificada, a Equação de denitrificação pode ser C6H12O6 +4 NO3 6CO2 +6 H2O +2 N2 (glicose) + ( nitrato)

(dióx. de Carbono) +(água) +(gás nitrogênio)

Muitas pesquisas têm comprovado que a taxa de mineralização e nitrificação do nitrogênio é máxima para um teor de umidade do solo em equilíbrio com uma sucção de 150 cm. O teor de nitrogênio disponível e a razão nitrato/amônia variam rapidamente de acordo com as alterações na umidade do solo. A quantidade de nitrogênio disponível às plantas aumenta em condições de drenagem satisfatória do solo; quanto mais constante for a taxa de aeração, menores serão os riscos de denitrificação. Isto vem intensificar a eficiência dos adubos nitrogenados em solos bem drenados.

1.3. Profundidade do lençol freático e produtividade das culturas Para que a produtividade das culturas alcance os valores esperados, a profundidade à qual os solos devem ser drenados constitui item importante a ser considerado pelo engenheiro encarregado do projeto de um sistema de drenagem. Para responder a esta questão, é necessário considerar, inicialmente, o solo um reservatório onde as plantas extraem água e nutrientes. O tamanho do reservatório ou a Prof. Paulo Afonso Ferreira

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profundidade à qual o solo deve ser drenado depende, entre outros, dos seguintes fatores: 1. capacidade em reter a água; 2. taxa de absorção de água pelas raízes; 3. freqüência e quantidade de água de chuva ou de irrigação; 4. transmissividade do solo; e 5. profundidade do sistema radicular das culturas a serem plantadas na área. Para melhor aproximar o valor correto da profundidade do lençol freático, duas situações distintas devem ser consideradas: a) áreas situadas em regiões de clima úmido e subúmido em que as necessidades hídricas das plantas podem ser atendidas parcial ou totalmente pela ascensão da água capilar. Neste caso, uma profundidade excessiva do lençol freático pode provocar déficit hídrico no perfil do solo, principalmente nos períodos de veranico; e b) em áreas situadas em regiões áridas e semi-áridas, isto é, áreas irrigadas onde água do lençol freático é geralmente salina, é necessário minimizar a ascensão capilar para evitar a salinização. Neste caso, se for economicamente viável e a topografia da área permitir, quanto mais profundo o lençol freático, melhor. A profundidade adequada é 2, 0 m, enquanto 1,5 m seria a mínima aceitável. A profundidade à qual o solo deve ser drenado não é aquela que resulta em máxima produtividade da cultura, mas sim, aquela que resulta na melhor relação benefício/custo. Portanto, para chegar à profundidade ótima do lençol freático, é necessário quantificar a queda na produção, decorrente de diferentes níveis freáticos. Esta quantificação é obtida através de pesquisa agronômica desenvolvida em diferentes tipos de solo, cultura, clima e manejo de água-solo-planta. Os dados contidos na Tabela 1.1 servem para orientação, quando se tem de optar por uma dada profundidade de dreno, até que a pesquisa os obtenha em níveis regionais e para as principais espécies de culturas. Os danos causados ao crescimento das plantas e às operações de preparo e cultivo do solo são diretamente relacionados às condições de umidade próximas à superfície do solo. A Figura 1.2 apresenta a produção de uma cultura em função da profundidade do lençol freático em dois diferentes tipos de solos.


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TABELA 1.1 - Profundidades freáticas para quatro categorias de culturas CUL TURAS

Pastagens

PROFUNDIDADE, cm

-----

- solos de textura fina

60 - 80

- solos arenosos

40 - 60

Hortaliças

50 - 80

Cultivos Extensivos

90 - 120

Pomares

150 - 250

FIGURA 1.2 - Produção em função da profundidade freática em dois tipos de solo Os ramos ascendentes das curvas representam profundidades freáticas insatisfatórias ou déficit de oxigênio no solo, enquanto os ramos descendentes caracterizam deficiência de água no solo ou necessidade de irrigação. O cruzamento das curvas caracteriza as diferenças nas propriedades físicas dos dois tipos de solo. Na parte ascendente, o solo argiloso apresenta maior decréscimo de produção por possuir menor porcentagem de macroporos e alta capacidade de retenção e transmissão de água (condições de não saturação) em comparação ao solo arenoso. Isto resulta em menor arejamento. Por outro lado, como na parte descendente da curva o solo arenoso possui baixa capacidadede retenção e transmissão de água emcondições de meio não saturado, o déficit hídrico aumenta muito com a profundidade do lençol freático enquanto o decréscimo na produção acelera devido ao excesso de drenagem. Portanto Prof. Paulo Afonso Ferreira

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o comportamento da cultura, apresentado na Figura 1.2, ressalta a importância do tipo de solo sobre a profundidade dos drenos. Existe também uma relação entre a profundidade freática e os parâmetros operacionais na fazenda, como o custo de preparo e cultivo da terra e o número provável de dias de trabalho mecanizado. Em geral, profundidades freáticas inferiores a 100 cm oneram os custos operacionais na fazenda e limitam o número provável de dias de trabalho mecanizado durante o período chuvoso.


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Cap1 - Apostila de Drenagem

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