Simulação do movimento da água no solo utilizando modelo numérico

Um dos principais desafios para o século XXI é o uso sustentável dos recursos hídricos. A agricultura é a maior usuária desse recurso, sendo responsável por aproximadamente 70% dos gastos globais de água. Para o uso racional da água é necessário o conhecimento das propriedades hidráulicas do solo na condição de não-saturação. A simulação do movimento da água no solo através da modelagem é uma ferramenta importante no entendimento do sistema solo-água-planta, pois permite a previsão e estudo do comportamento da redistribuição da água no solo de maneira eficiente. Porém a forte dependência entre os parâmetros hidráulicos do solo (teor de água, potencial matricial e condutividade hidráulica) fazem da modelagem um assunto complicado, necessitando de modelos numéricos que utilizem intervalos discretos de tempo e espaço. Esses intervalos devem ser suficientemente pequenos para que dentro de um intervalo as variações dos parâmetros hidráulicos sejam insignificantes. Nesta tese é proposto um algoritmo para a descrição do movimento vertical da água no solo, definindo o intervalo de tempo como função de uma variação máxima admissível do teor de água. O algoritmo foi testado para alguns conjuntos de dados hidráulicos de solos, utilizando as condições de contorno de um experimento de perfil instantâneo. A eficiência do algoritmo foi verificada em situações práticas, como na previsão do teor de água na Capacidade de Campo e na predição do tempo para ser atingida determinada condição de umidade no solo. Utilizando o algoritmo, também foram estudados o comportamento da retenção e dos parâmetros de condutividade em relação aos parâmetros de drenagem. Concluiu-se que o algoritmo descreve adequadamente o processo de redistribuição de água no solo utilizando intervalos suficientemente pequenos de tempo e espaço; a forma de discretização do tempo não comprometeu a acurácia das medidas; a previsão do teor de água na Capacidade de Campo e do tempo para ser atingida determinada condição de umidade no solo foram satisfatórias; e o algoritmo permite o estudo das relações entre os parâmetros hidráulicos do solo.

Variabilidade espacial do conteúdo de água no solo na bacia do arroio Donato - RS

Este trabalho apresenta um estudo experimental realizado na bacia hidrográfica do arroio Donato, localizada na região central do derrame basáltico sul-riograndense, com o objetivo de avaliar se a variabilidade espaço-temporal do conteúdo de água no solo pode ser explicada a partir de fatores do ambiente, tais como topografia e solo. Para isto foi analisado um conjunto de mais de 2000 medições de conteúdo de água no solo, coletadas numa malha regular em toda a bacia, nas profundidades de 0, 30 cm e 60 cm, com detalhamento em dois perfis com 280 m (Perfil P1) e 320 m (Perfil P3) de comprimento. As medições do conteúdo de água no solo foram realizadas pelo método gravimétrico, na camada superficial, e com TDR, nas camadas inferiores. A análise geoestatística dos dados mostrou que, na superfície do solo, a estrutura espacial é muito variável temporalmente. Na profundidade de 30 cm a presença de estrutura é mais permanente, indicando que nesta profundidade os processos laterais de distribuição de água são predominantes sobre os processos verticais. Os semivariogramas calculados com os dados do perfil P3 apresentam uma clara estrutura espacial, com o modelo exponencial com pepita apresentando um excelente ajuste. A análise de correlação mostrou que os atributos topográficos com maior correlação com o conteúdo de água no solo foram: área de contribuição, aspecto e curvatura no perfil, na superfície; e declividade, área de contribuição e aspecto, a 30 cm de profundidade. Os dados dos perfis P1 e P3 mostraram correlação muito fraca com praticamente todos os atributos topográficos testados nesta tese. Com relação aos índices de conteúdo de água, observou-se que os mesmos apresentam boa correlação com os dados da malha regular, principalmente com os obtidos a 30cm de profundidade. Nos conjuntos de dados obtidos somente numa vertente (perfis P1 e P3) os índices de conteúdo de água não apresentam bom desempenho. A análise de estabilidade temporal mostrou que na bacia do arroio Donato a estabilidade completa do padrão espacial do conteúdo de água no solo não existe na camada superficial existindo somente para a profundidade de 30 cm. No entanto, foi possível identificar pontos na bacia com estabilidade temporal, principalmente na profundidade de 30 cm e no perfil P1. O uso de pontos de estabilidade temporal permite estimar a média espacial do conteúdo de água no solo com erro inferior a 5% e 1% na superfície e 30 cm, respectivamente.

Dinâmica da água no solo em cultivos de milho sob plantio direto e preparo convencional

A dinâmica da água em sistema de plantio direto (PD) é alterada em relação ao preparo convencional (PC) devido a modificações na estrutura do solo e a presença de palha na superfície. Para avaliar estas diferenças foram conduzidos experimentos de campo, em 2001/02 e 2002/03, em Eldorado do Sul, RS. O objetivo geral foi quantificar alterações físico-hídricas no perfil e na superfície do solo em PD e PC, com ênfase na dinâmica da água e respostas das plantas de milho. Os sistemas de manejo do solo foram implantados na área em 1995. Foram avaliadas propriedades físicas, a movimentação e a armazenagem de água no solo. Mediu-se a infiltração e a capacidade de campo e monitorou-se a dinâmica da água durante o ciclo da cultura, enfocando a secagem do solo e a extração de água em períodos sem precipitação. Nestes períodos também foi determinada a evaporação da água na superfície e avaliadas respostas das plantas. Os efeitos do plantio direto se evidenciaram nas camadas de solo próximas à superfície. A mesoporosidade foi a propriedade física mais afetada, apresentando uma distribuição exponencial de mesoporos no plantio direto, enquanto no preparo convencional a mesma se aproximou de uma curva normal. Em geral, a condutividade hidráulica, a retenção e a disponibilidade de água foram mais elevadas em plantio direto, principalmente, próximo à superfície. O solo em PD também apresentou maior umidade volumétrica com menor energia de retenção, resultando em redução no avanço da frente de secagem do solo e extração de água. A evaporação também foi maior em PD, demonstrando que a maior umidade no solo em plantio direto se deve ao aumento na capacidade de armazenagem de água. O aprofundamento radicular foi sempre maior no preparo convencional. O plantio direto altera propriedades físicas ligadas à dinâmica da água, proporcionando maior disponibilidade hídrica no solo ao longo do tempo.

Simulação hidrológica de grandes bacias

O comportamento hidrológico de grandes bacias envolve a integração da variabilidade espacial e temporal de um grande número de processos. No passado, o desenvolvimento de modelos matemáticos precipitação – vazão, para representar este comportamento de forma simplificada, permitiu dar resposta às questões básicas de engenharia. No entanto, estes modelos não permitiram avaliar os efeitos de modificações de uso do solo e a variabilidade da resposta em grandes bacias. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de um modelo hidrológico distribuído utilizado para representar os processos de transformação de chuva em vazão em grandes bacias hidrográficas (maiores do que 10.000 km2). Uma grade regular de células de algumas dezenas ou centenas de km2 é utilizada pelo modelo para representar os processos de balanço de água no solo; evapotranspiração; escoamentos: superficial, sub-superficial e subterrâneo na célula; e o escoamento na rede de drenagem em toda a bacia hidrográfica. A variabilidade espacial é representada pela distribuição das características da bacia em células regulares ao longo de toda a bacia, e pela heterogeneidade das características no interior de cada célula. O modelo foi aplicado na bacia do rio Taquari Antas, no Rio Grande do Sul, na bacia do rio Taquari, no Mato Grosso do Sul, e na bacia do rio Uruguai, entre Rio Grande do Sul e Santa Catarina. O tamanho destas bacias variou entre, aproximadamente, 30.000 km2 e 75.000 km2. Os parâmetros do modelo foram calibrados de forma manual e automática, utilizando uma metodologia de calibração automática multi-objetivo baseada em um algoritmo genético. O modelo foi validado pela aplicação em períodos de verificação diferentes do período de calibração, em postos fluviométricos não considerados na calibração e pela aplicação em bacias próximas entre si, com características físicas semelhantes. Os resultados são bons, considerando a capacidade do modelo de reproduzir os hidrogramas observados, porém indicam que novas fontes de dados, como os fluxos de evapotranspiração para diferentes coberturas vegetais, serão necessários para a plena utilização do modelo na análise de mudanças de uso do solo.

Avaliação de indicadores da condição hídrica em milho sob diferentes níveis de água, em semeadura direta e convencional

O déficit hídrico atinge freqüentemente a cultura de milho cultivada no período de primavera-verão. A utilização do sistema de semeadura direta pode ser uma tecnologia importante para minimizar os efeitos do déficit hídrico, por disponibilizar mais água às plantas. O trabalho teve como objetivo estudar indicadores da condição hídrica das plantas de milho cultivadas sob sistema de semeadura direta (SD) e convencional (SC). Desenvolveu-se um experimento numa área de aproximadamente 0,5 ha, metade cultivada em SD e metade em SC. Na divisão entre os sistemas foi posta a linha dos aspersores que possibilitou a disposição de níveis de água: máxima irrigação (I2), 41% da capacidade de campo (I1) e sem irrigação (I0). Mediu-se o potencial matricial da água no solo e os indicadores da condição hídrica da planta: potencial mínimo da água na folha, potencial de pressão, potencial osmótico hidratado e não hidratado, ajuste osmótico e condutância foliar máxima e mínima. Observou-se maiores valores de potencial mínimo de água na folha em plantas cultivadas sob SD, em razão do maior potencial matricial da água no solo neste sistema. O potencial de pressão e o osmótico hidratado diminuíram em razão do déficit hídrico, o que determinou a ocorrência de ajuste osmótico em ambos os sistemas, sendo este mais intenso em SC. A condutância foliar relacionou-se exponencialmente com o potencial mínimo da água na folha. Tanto o potencial mínimo da água na folha quanto a condutância foliar apresentaram sensibilidade ao déficit hídrico, podendo ser utilizados como indicadores da condição hídrica das plantas de milho em ambos os sistemas de manejo.

Alterações físicas e químicas de um argissolo amarelo coeso sob diferentes sistemas de manejo com cana-de-açúcar

O cultivo contínuo da cana-de-açúcar por longo tempo sob diferentes manejos em solos de tabuleiros costeiros pode causar alterações nas propriedades químicas, físicas e micromorfológicas do solo. Para estudar os efeitos de diferentes sistemas de manejo com cana-de-açúcar nas propriedades de um ARGISSOLO AMARELO Coeso, quatro áreas foram selecionadas na usina Triunfo, no Estado de Alagoas, sendo uma área não irrigada, uma área irrigada, uma com aplicação de vinhaça e uma sob floresta nativa como condição original. Amostras foram tiradas de cada área a 0-0,2m, 0,2-0,4m e 0,4-0,8m de profundidade para determinar as alterações nas propriedades físicas, químicas e micromorfológicas do solo. A maior dispersão de argila nos solos cultivados com cana-de-açúcar promoveu um maior acúmulo desta partícula nas camadas subsuperficiais do solo. Os sistemas de manejo com cana-de-açúcar afetaram as propriedades químicas do solo, resultando em alterações no limite de plasticidade, umidade ótima de compactação e agregação do solo. Todos os sistemas de manejo com cana-de-açúcar promoveram um aumento da compactação do solo, com conseqüente redução da porosidade e condutividade hidráulica saturada do solo. Os parâmetros de compressibilidade e a coesão do solo foram influenciados pelos sistemas de manejo e pelo teor de água do solo. Observações micromorfológicas evidenciaram modificações na estrutura do solo, no sistema de poros e no arranjamento de partículas no solo.

Avaliação da irrigação por sulcos em solos com camada de impedimento

O objetivo deste trabalho foi o de analisar o movimento da água no perfil de solos hidromórficos, do tipo glei, com camada de impedimento, quando irrigados por sulcos. Esses solos têm vocação para o cultivo do arroz irrigado por inundação, sendo considerados marginais para outros cultivos. A monocultura, decorrente dessas características, traz consigo o surgimento de limitações ao cultivo, destacando-se entre elas o surgimento de invasoras como arroz vermelho e preto, (Oryza sativa L.) que, por serem da mesma espécie da planta cultivada, não podem ser erradicadas por meio de controle químico com aplicação de herbicidas. A introdução de cultivos alternativos ao de arroz é limitada, entre outros fatores, pela pequena capacidade de armazenamento de água desses solos, o que torna a irrigação prática imprescindível nesses casos. A pequena profundidade da camada impermeável, entretanto, constitui um impedimento à penetração tanto do sistema radicular como da água. Considerando que, neste método a profundidade de umedecimento não é a mesma, em conseqüência de o tempo de permanência da lâmina sobre a superfície também não ser o mesmo, para que a profundidade mínima de irrigação seja igual à profundidade do sistema radicular, haverá sempre um excesso que irá percolar além dessa profundidade. Como a profundidade destes solos está em torno de 0,40m, o excesso de água ao ter sua percolação impedida, tende a saturar o perfil de maneira ascendente, a partir da camada de impedimento. Buscando uma contribuição para a solução da problemática, procurou-se acompanhar o movimento da água de irrigação no perfil desse tipo de solo, quando irrigado pelo método de sulcos. Para tal, foi implantado um cultivo de sorgo granífero (Sorghun bicolor L.), irrigado por sulcos retilíneos com 200m de comprimento e espaçamento de 0,95m. O movimento da água no interior do solo foi monitorado por meio das variações de umidade, com a utilização da prática da reflectometria no domínio do tempo (TDR). As variações do conteúdo de água do solo, durante e após 24 horas cessada a irrigação, indicaram que a distribuição da água no perfil do solo foi bastante boa, não restando pontos com deficiência de umidade e não alcançando, a saturação, uma altura muito significativa, que pudesse comprometer o desenvolvimento de cultivos mesofíticos. A eficiência de aplicação calculada foi de 84%, considerada muito alta para esse método de irrigação. Foi aplicado, utilizando-se os dados do experimento, um modelo de simulação de irrigação superficial, desenvolvido pelo U. S. Water Conervation Laboratory, do U. S. Department of Agriculture, Simulation Irrigation Model SRFR. A simulação realizada pelo modelo não representou o movimento da água no solo, da mesma forma como este foi observado no campo.

Climatologia das condições hídricas e análise de risco de deficiência hídrica decendial na metade sul do Estado do Rio Grande do Sul

o conhecimento da distribuição espacial e temporal da disponibilidade hídrica estabelece diretrizes para a implementação de políticas de planejamento e execução para o uso racional desse recurso. O Rio Grande do Sul tem a agricultura como principal atividade econômica, sendo extremamente influenciada pela disponibilidade hídrica para as culturas. Na metade sul do Estado, são registrados os menores índices pluviométricos,fazendo com que seja freqüente a ocorrência de deficiência hídrica. O objetivo deste trabalho foi analisar o índice hídrico (ETR/ETo) decendial na metade sul do Estado, para verificar o risco de ocorrência de deficiência hídrica decendial. Para tanto, foram obtidos dados meteorológicos diários de nove localidades, bem distribuídas nas cinco regiões ecoclimáticas(Campanha, DepressãoCentral, Grandes Lagoas, Litoral e Serra do Sudeste) da metade sul do Estado, do período 1961-90. Foram realizados balanços hídricos decendiais, pelo método de Thornthwaite-Mather, com capacidade de armazenamentode água no solo de 50, 75,100 e 125mm.A partir daí, foi obtido o índice hídrico decendial para verificar o risco de ocorrência de deficiência hídrica.O período de dez dias foi adotado para fazer um detalhamento temporal do risco climático.Com a análise dos resultados, ficou constatado que a região da Campanha é a que tem maior probabilidade de ocorrência de deficiência hídrica decendial, principalmenteno período compreendido entre o 2° decêndio de dezembro e o 2° de janeiro. Essas deficiências são minimizadas em anos de EI Nino. Tambémfoi analisada a tendência temporal do índice hídrico e da precipitação pluvial decendiais e não foi constatado incremento ou diminuição dessas variáveis, durante o período 1961-90.

Estimativa da evapotranspiração regional por meio de técnicas de sensoriamento remoto integradas a modelos de balanço de energia : aplicação no estado do Rio Grande do Sul

A evapotranspiração (ET) abrange todos os processos que envolvem a mudança de fase líquida ou sólida para vapor de água. Globalmente, suas principais componentes são a evaporação nos oceanos, corpos d’água e solo e a transpiração pela cobertura vegetal. O conhecimento da ET da superfície terrestre para a atmosfera é muito importante para a resolução de inúmeras questões relacionadas aos recursos hídricos. Dentre essas questões, destacam-se planejamento de bacias hidrográficas e, em especial, o manejo da irrigação. Esse tipo de informação é igualmente relevante para estudos climáticos uma vez que, por meio da ET, ocorre redistribuição de umidade e calor da superfície para a atmosfera.As metodologias convencionais de estimativa da ET, em geral, apresentam muitas incertezas. Essas incertezas aumentam muito quando o interesse é o comportamento espacial da mesma. A única tecnologia que permite acessar esse tipo de informação, de forma eficiente e econômica, é o sensoriamento remoto. Por meio de dados derivados de imagens de satélite é possível calcular o balanço de energia de uma região e acessar as reais taxas de ET. A literatura internacional apresenta alguns modelos para estimar a ET por meio de sensoriamento remoto. A verificação dessas estimativas é feita por medidas dos termos do balanço de energia realizadas por sensores colocados em torres meteorológicas. Esse tipo de informação, no entanto, é de alto custo e de difícil aquisição. Após revisão de literatura, foram escolhidos os algoritmos SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) e SSEBI (Simplified Surface Energy Balance Index). O primeiro foi adotado por ser um dos mais utilizados e o segundo pela sua simplicidade.Dessa maneira, a partir de 44 imagens de satélite, praticamente livres de cobertura de nuvens, do sensor AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), a bordo do satélite NOAA-14, e dados climatológicos de algumas estações, foram geradas séries de coberturas de ET real para o Estado do Rio Grande do Sul em nível diário, durante o ano de 1998. Para efeito de simplificação, na análise dos resultados foram escolhidas algumas áreas representativas das principais classes de cobertura do Estado: área cultivada, campo, área urbana, banhado, lagoa e floresta. Os resultados demonstraram que, para o SEBAL, asperdas médias anuais (mm ano-1) ocorrem, em ordem decrescente nas classes banhado (827), lagoa (732), floresta (686), área cultivada (458), campo (453) e área urbana (276). Para o S-SEBI, esta ordem é a seguinte: floresta (918), banhado (870), lagoa (669), área cultivada (425), campo (403) e área urbana (363). Ficou evidente que as classes com as menores influências antrópicas apresentaram as maiores taxas de ET. Outra observação feita é que, em média, as estimativas do S-SEBI superestimam a ET em relação ao SEBAL, na porção leste do Estado, e o oposto na porção oeste. Foi verificado, ainda, um eixo de decréscimo da ET na primeira metade do ano da porção noroeste para sudeste, e posterior crescimento na segunda metade do ano, em sentido oposto.As verificações foram feitas de forma indireta por meio de um balanço hídrico anual simplificado em algumas bacias hidrográficas do Estado, por meio de valores de ET real para a cultura do milho em algumas localidades do Estado e medidas de evaporação de tanque do tipo Classe A. Em geral, os resultados foram considerados coerentes, o que confere à metodologia utilizada um grande potencial de uso, uma vez que possibilita acessar a distribuição espacial da ET.