Modelagem do potencial matricial na frente de umedecimento

Abstract

Infiltração é o processo pelo qual a água passa da superfície para o interior do solo, sendo dependente da carga hidráulica na superfície, do teor de água inicial, da textura, da estrutura, da condutividade hidráulica e da porosidade do solo. Diversos modelos se propõem a estimar este processo, dentre os quais se destaca o de Green-Ampt modificado por Mein e Larson (GAML), baseado numa análise física do processo. Embora seja bastante utilizado, este modelo apresenta como desvantagem a dificuldade de obtenção de seus parâmetros de entrada, principalmente do potencial matricial na frente de umedecimento ( ψ m ). Assim sendo, este trabalho teve como objetivos: obter as variáveis necessárias à estimativa do potencial matricial na frente de umedecimento, utilizando-se para tal o modelo de Green-Ampt modificado por Mein e Larson, e estabelecer modelo matemático que relacione o potencial matricial na frente de umedecimento com as características físicas e a condutividade hidráulica do solo saturado, para sua aplicação no modelo de Green-Ampt modificado por Mein e Larson. Foram utilizadas três classes de solos (Latossolo Vermelho - Amarelo – LVA; Latossolo Vermelho – LV; e Argissolo Vermelho – PV). Estes solos foram secos ao ar, destorroados e peneirados em peneira de malha 10 mm, sendo posteriormente acondicionados em colunas de PVC de 200 mm de diâmetro e 800 mm de altura, de modo que a densidade do solo ficasse próxima daquela observada em campo. Na lateral das colunas, foram instaladas horizontalmente sondas de TDR para a determinação do teor de água e para o acompanhamento da frente de umedecimento. Aplicou-se água sobre a superfície das colunas sob taxa constante, por meio de um simulador de chuvas, sendo que o excesso escoado superficialmente foi conduzido para uma caixa de coleta na qual foi instalado um medidor de nível denominado Thalimedes. O volume infiltrado foi determinado por diferença entre o volume precipitado e o escoado. Após a realização dos testes, foram coletadas amostras de solo para determinação da granulometria, densidade do solo, porosidade, macroporosidade e microporosidade. Foram determinados, ainda, os teores volumétricos de água na zona de transmissão e no início do processo e a condutividade hidráulica do solo saturado. O potencial matricial foi calculado por intermédio de um rearranjo no modelo de GAML, considerando a taxa de infiltração estável (Tie) como representativa da condutividade hidráulica do solo saturado e o teor volumétrico de água na zona de transmissão em lugar do teor volumétrico de água correspondente à saturação. De posse dos valores de ψ m e das características do solo, foram ajustados modelos de regressão, sendo a escolha do melhor modelo feita por meio dos coeficientes de determinação (R 2 ), pela significância dos parâmetros no modelo, pelo menor número de variáveis envolvidas e pela facilidade de obtenção dessas variáveis (características do solo). Os valores de condutividade hidráulica do solo saturado, de porcentagem de silte e de macroporosidade foram significativos em todos os modelos nos quais foram utilizados. A Tie não foi significativa em nenhum dos modelos. Todas as equações obtidas utilizando-se a porcentagem de silte em combinação com outras variáveis apresentaram bons resultados na modelagem do ψ m , sendo que, os melhores resultados foram obtidos para o modelo que relaciona o ψ m com a porosidade, a condutividade hidráulica do solo saturado e a porcentagem de silte.

Infiltration is the process by which water passes through the soil surface down to the soil, being dependent on hydraulic load in the surface, on the antecedent moisture, on texture, structure, soil hydraulic conductivity and soil porosity. Several models aim to estimate this process, among which the Green-Ampt modified by Mein and Larson (GAML) model is based on a physical analysis of the process. Although it is frequently used, this model has a limitation for obtaining input parameters, such as the potential head at the wetting front ( ψ m ). This work aimed to obtain the ψ m for GAML model for soils typical of tropical areas, using three classes of soils (Red-Yellow Oxisol, Red Ultisol and Red Oxisol). These soils were air-dried, ground and sieved through 10 mm mesh sieve, placed in PVC columns of 200 mm diameter and 800 mm height, so that the soil density was similar to the field. In the lateral of the columns, horizontal TDR probes were installed for the moisture determination and for the monitoring of the wetting front. The water was applied to the surface of the columns at a constant rate by means of a rain simulator device and the excess drained superficially, was collected and measured in a box using a “Thalimedes” device. The infiltrated volume was calculated by the difference among the precipitate volume and the runoff. After the tests, soil samples were collected for determination of the texture, soil density, porosity, macroporosity, microporosity, volumetric moisture (before and after the tests) and soil hydraulic conductivity. The pressure head at the wetting front was calculated through an adjustment in the GAML model, considering the rate of stable infiltration (Tie) as representative of the hydraulic conductivity, and the transmission zone moisture instead of the moisture saturation. Once having the ψ m values and soil characteristics, regression models were adjusted, choosing the best fit by R 2 , significance of parameters, less number of variables and easy of obtaining soil variables. The soil hydraulic conductivity values, percentage of silt and macroporosity were all significant for all equations. Tie was not significant in none of the equations. All the obtained equations using the amount of silt in combination with another variable showed good results in the ψ m modeling. The best fitted equation was the one which related the ψ m with the porosity, the soil hydraulic conductivity and the percentage of silt.