Como medir a condutividade hidráulica do solo - Qual é o método ideal para você?

How to measure hydraulic conductivity—Which method is right for you?

Condutividade hidráulica - O que é, como medi-la, e os prós e contras dos métodos comuns.

CONTRIBUINTES

Condutividade hidráulica: Por que você precisa dela

A condutividade hidráulica do solo, ou a capacidade do solo de transmitir água, afeta quase todas as aplicações do solo. Ela é fundamental para entender o balanço hídrico completo e também é usada para estimar a recarga de água subterrânea por meio da zona vadosa. Os hidrólogos precisam de valores de condutividade hidráulica para modelagem, e os pesquisadores a utilizam para determinar a saúde do solo ou para prever como a água fluirá pelo solo em diferentes locais de campo. As decisões agrícolas são baseadas na condutividade hidráulica para determinar as taxas de irrigação ou para prever a erosão ou a lixiviação de nutrientes. E ela é usada para determinar a eficácia da cobertura de aterros sanitários. Os engenheiros geotécnicos precisam dela para projetar lagoas de retenção, leitos de estradas, jardins de chuva ou qualquer sistema projetado para capturar o escoamento. E também é usado para entender a água disponível para as plantas em substratos sem solo. Basicamente, se você quiser prever como a água se moverá dentro do seu sistema de solo, precisará entender a condutividade hidráulica, pois ela governa o fluxo de água. Como você a mede? Este artigo explora como medir a condutividade hidráulica, o que ela é e os prós e contras dos métodos comuns.

O que é a condutividade hidráulica do solo?

Em termos científicos, a condutividade hidráulica é definida como a capacidade de um meio poroso(solo, por exemplo) de transmitir água em condições saturadas ou quase saturadas. A Equação 1 ilustra o que isso significa. Se i indica o fluxo de água (a quantidade de água por unidade de área por unidade de tempo), isso é igual a K (condutividade hidráulica) multiplicado pelo gradiente de carga dh/dz. O gradiente de carga (ou gradiente de potencial hídrico) é a força que faz com que a água se mova no solo. K é o fator de proporcionalidade entre essa força motriz e o fluxo de água no solo.

Equation 1
Equação 1

A altura manométrica(potencial hídrico) pode ser expandida em seus dois componentes principais. hm é a carga matricial (potencial matricial) e hg é a carga gravitacional (potencial gravitacional). Em outras palavras, há forças matriciais que fazem com que a água se mova pelo solo e também forças gravitacionais.

Equation 2
Equação 2

O gradiente gravitacional dhg/dz é igual a 1. Inicialmente, quando a água é aplicada ao solo, as forças matriciais puxam a água para dentro do solo rapidamente (veja a Figura 2 abaixo). Mas se a infiltração ocorrer por um longo período de tempo até que o solo esteja muito úmido, essa carga matricial se torna 0.

Equation 3
Equação 3

Portanto, em períodos prolongados, a taxa de infiltração é aproximadamente igual à condutividade hidráulica. Isso dá uma ideia do que significa a condutividade hidráulica do solo. Se a água for aplicada por um longo período, a taxa de infiltração da água no solo será aproximadamente igual à condutividade hidráulica.

Fatores que influenciam a condutividade hidráulica

A condutividade hidráulica depende de fatores como a textura do solo, a distribuição do tamanho das partículas, a rugosidade, a tortuosidade, a forma e o grau de interconexão dos poros condutores de água. Se estivéssemos levando em conta apenas a textura do solo, os solos de textura mais grossa normalmente teriam condutividades hidráulicas mais altas do que os solos de textura fina. No entanto, a estrutura do solo e a estrutura dos poros podem ter um impacto significativo na capacidade do solo de transmitir água.

Um solo estruturado normalmente contém poros grandes, enquanto os solos sem estrutura têm poros menores. A Figura 1 (abaixo) ilustra a diferença entre um solo argiloso bem estruturado e um solo argiloso mal estruturado e a importância da estrutura para a condutividade hidráulica, especialmente na saturação ou próximo a ela.

Bioporos, canais de raízes ou tocas de animais aumentam a condutividade hidráulica saturada se contiverem água. Se não se encherem de água porque não atingem a superfície, podem diminuir a condutividade. A compactação ou a densidade do solo é outro fator de influência, assim como o conteúdo de água ou o potencial hídrico do solo.

Curvas de condutividade hidráulica: importantes ferramentas de previsão

O solo é saturado ou não saturado, portanto, a condutividade hidráulica do solo é designada como condutividade hidráulica saturada (Ks/Kfs) ou condutividade hidráulica não saturada (K(Ψ)). Os pesquisadores usam instrumentos de laboratório (KSAT e HYPROP) para criar curvas de condutividade hidráulica que representam graficamente os valores de condutividade de um determinado solo em diferentes níveis de saturação/insaturação. Essas curvas preveem o fluxo de água em vários tipos de solo em diferentes potenciais hídricos.

A graph of Hydraulic conductivity curves for three different soils
Figura 1. Curvas de condutividade hidráulica para três solos diferentes. Os valores à direita do eixo vertical indicam valores de condutividade saturada. Os valores à esquerda indicam valores não saturados. Observe que o eixo vertical é um eixo logarítmico. Portanto, as diferenças são diferenças de ordem de magnitude (fatores de 10, não fatores de 1 ou 2).

A Figura 1 mostra as curvas de condutividade hidráulica do solo para três solos diferentes. O eixo vertical está na altura 0(potencial hídrico). Os valores à direita indicam valores de condutividade saturada. Os valores à esquerda indicam valores não saturados. O solo argiloso mal estruturado (linha inferior) tem uma condutividade saturada muito menor do que o solo arenoso. Isso ocorre porque o solo argiloso consiste em poros pequenos e os caminhos de fluxo são mais restritos. Porém, se esse solo argiloso (linha pontilhada) tivesse uma boa estrutura (ou seja, contivesse agregados com poros grandes entre esses agregados, o que criaria melhores caminhos de fluxo), sua condutividade hidráulica saturada poderia ser maior do que a condutividade da areia.

No lado esquerdo da Figura 1, onde a carga (potencial hídrico) é negativa, o solo começa a se dessaturar e os poros se esvaziam. À medida que os poros (especialmente os poros grandes) se esvaziam, a condutividade hidráulica diminui drasticamente. Portanto, a condutividade não saturada é sempre menor e, na maioria dos casos, ordens de magnitude menores do que quando o solo está saturado.

Observe que a condutividade hidráulica não saturada para o solo argiloso mal estruturado e para o solo argiloso bem estruturado acaba se encontrando. Isso ocorre porque, em um determinado ponto, os macroporos param de contribuir para o fluxo e, então, o fluxo ocorre apenas nos mesoporos entre as partículas do solo. Observe também que a curva de condutividade hidráulica não saturada para o solo arenoso sem estrutura começa mais alta do que a do solo argiloso, mas, à medida que o solo seca, a condutividade hidráulica não saturada se torna mais baixa do que a dos solos argilosos.

A saturação do campo não é saturação

A condutividade hidráulica saturada (Ks) não é a mesma que a condutividade hidráulica saturada de campo (Kfs). Isso ocorre porque, quando a condutividade hidráulica saturada é medida em laboratório, os núcleos do solo podem ser levados à saturação completa. Entretanto, no campo, é difícil levar o solo à saturação completa. Por quê? Normalmente, quando a infiltração ocorre a partir do topo, não há lugar para o ar escapar, de modo que o solo acaba ficando com ar aprisionado (Figura 2).

An illustration of particles within the soil and the water absorption around it
Figura 2. À medida que o solo absorve a água, ele cria uma película de água que se agarra às partículas do solo. Há também espaços porosos cheios de ar. Em condições de campo, é difícil eliminar esses espaços de ar. Esse aprisionamento de ar é a razão pela qual a porcentagem de saturação raramente será igual ao máximo de saturação teórica para qualquer tipo de solo.

Isso resulta em uma situação não completamente saturada, por isso é chamada de condutividade hidráulica saturada de campo (Kfs). Normalmente, a Kfs é menor que a Ks devido ao fato de o ar retido retardar o movimento da água.

Como medir a condutividade hidráulica

Os pesquisadores medem a condutividade hidráulica do solo saturado e não saturado usando muitas técnicas diferentes de laboratório e de campo. Este artigo explora alguns dos métodos mais comuns.

TÉCNICAS DE LABORATÓRIO: CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA SATURADA

Células de fluxo (Ks): Como elas funcionam

As medições com células de fluxo são normalmente feitas em núcleos de solo trazidos para o laboratório. Elas medem amostras de solo não perturbadas ou perturbadas, mas o tamanho da amostra depende do projeto da célula de fluxo. Elas podem usar a técnica de medição de cabeça constante ou de queda.

A diagram of a flow cell
Figura 3. Diagrama de célula de fluxo

A Figura 3 mostra como funciona uma célula de fluxo típica (há outros projetos). O núcleo do solo é saturado antes de ser inserido na célula de fluxo. A água de uma fonte de água passa pelo topo do núcleo do solo, e a taxa de fluxo em estado estável é medida. Esse valor é então usado para determinar a taxa de infiltração. São feitas correções para as técnicas de cabeça constante e cabeça descendente para ir de i (a taxa de infiltração) para um Ks (representativo de uma influência de cabeça de pressão 0).

Prós e contras da célula de fluxo

Tabela 1. Prós e contras das células de fluxo
Vantagens Desvantagens
Cálculos simples Os solos expansivos são confinados
Sem correções para o fluxo tridimensional Os valores podem ser diferentes dos métodos de campo
Separar horizontes diferentes Requer equipamento adicional para automatizar
Várias amostras podem ser medidas simultaneamente Espaço de laboratório dedicado
Configuração relativamente fácil Pequena área de superfície

Os cálculos de células de fluxo são simples porque a água se infiltra em uma área conhecida, o que elimina o fluxo tridimensional (lateral). Outra vantagem é que os horizontes do solo podem ser separados - você pode coletar amostras de diferentes camadas do solo para determinar qual horizonte pode ser um fator limitante.

As células de fluxo são fáceis de configurar, mas a automação do dispositivo é mais complexa. Isso requer um espaço dedicado no laboratório devido ao grande equipamento de automação que precisa ficar montado. Outra limitação da célula de fluxo é que, quando um solo expansivo é molhado, ele se expande no núcleo do solo confinado, o que comprime os poros do solo e altera as propriedades do solo. Isso pode causar uma subestimação da condutividade hidráulica do solo. Para superar esse problema, faça a amostragem quando o solo estiver próximo da saturação.

Um problema com as células de fluxo (e todas as técnicas de laboratório) é que os valores de laboratório diferem dos valores de campo. Um macroporo fechado no campo pode ser aberto durante a coleta de um núcleo de solo. Como a água flui mais facilmente por um poro aberto, é possível superestimar a condutividade hidráulica. Além disso, um pequeno núcleo de solo não leva em conta a variabilidade espacial. Portanto, são necessárias mais amostras para obter uma representação precisa do campo.

KSAT (Ks): Como funciona

METER's KSAT é semelhante à célula de fluxo, mas simplifica e acelera a medição porque a automação está integrada ao dispositivo.

A photograph of the KSAT lab instrument that measures saturated hydraulic conductivity
Vista frontal do instrumento de laboratório KSAT que mede a condutividade hidráulica saturada

Ele é capaz de realizar técnicas de queda e de cabeça constante. O KSAT usa um pequeno núcleo de solo e tem uma coluna de água com uma bureta para controlar o fluxo de água (Figura 4).

A diagram of KSAT cross section
Figura 4. KSAT seção transversal

A água flui pela bureta, entra na parte inferior da amostra e sai pela parte superior da amostra. O site KSAT usa um sensor de pressão que mede automaticamente a cabeça de pressão da coluna de água. Um computador faz as leituras do transdutor de pressão, e o software automatiza os cálculos e corrige as alterações de viscosidade da água em diferentes temperaturas. Ao usar a técnica de queda de pressão, o transdutor de pressão mede a alteração na coluna de água e o software calcula a taxa de fluxo e a condutividade hidráulica dessa amostra.

Assim como as células de fluxo, as limitações do KSATsão devidas a uma pequena área de superfície e ao fato de ser uma amostra confinada. Portanto, faça as mesmas considerações ao coletar amostras para esse dispositivo.

A grande vantagem do KSAT é que tudo é automatizado, o que economiza tempo, e não requer muito espaço no laboratório. Além disso, ele pode ser combinado com o HYPROP para gerar automaticamente pontos na curva de condutividade hidráulica saturada e não saturada. Assista ao vídeo para ver como.

TÉCNICAS DE CAMPO: CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA SATURADA DE CAMPO

Infiltrômetros de anel(Kfs)

As técnicas de campo fornecem uma melhor representação do que realmente está acontecendo no campo. Um infiltrômetro de anel é um cilindro de parede fina e extremidade aberta inserido no solo a uma profundidade específica (normalmente em torno de 5 cm) para medir a condutividade hidráulica saturada do campo. A água se infiltra através do(s) anel(is) usando as técnicas de cabeça constante ou de queda. Isso é feito manualmente, ou o sistema pode ser automatizado, o que permite várias medições ao mesmo tempo. Há vários arranjos de cilindros, incluindo infiltrômetros de anel simples e de anel duplo (ou concêntrico).

Infiltrômetro de anel único(Kfs)

Um infiltrômetro de anel único usa um único cilindro de medição (Figura 5), e a água é infiltrada através do cilindro usando a técnica de cabeça constante ou de cabeça descendente. Ao executar a técnica da cabeça constante, um reservatório com um borbulhador de mariotte é normalmente usado para controlar o fluxo e o nível de água dentro do anel. À medida que a água se infiltra pelo anel, ela se move horizontalmente e verticalmente no solo, portanto, devem ser feitas correções para o fluxo tridimensional.

Single ring infiltrometer cross section
Figura 5. Seção transversal do infiltrômetro de anel único

Os diâmetros dos infiltrômetros de anel único variam de 10 a 50 cm. Um diâmetro de anel maior significa que mais área pode ser medida, permitindo uma melhor representação da variabilidade espacial.

Infiltrômetro de anel duplo(Kfs)

Um infiltrômetro de anel duplo (ou de anel concêntrico) tem um único cilindro de medição colocado dentro de um cilindro tampão maior. O cilindro de amortecimento tem o objetivo de evitar a divergência de fluxo do cilindro de medição para simplificar a análise. Em teoria, o cilindro de medição mede apenas o fluxo vertical de água, não permitindo o fluxo horizontal. Esse método usa técnicas de queda ou cabeça constante, e o mesmo nível de água deve ser mantido em ambos os cilindros para obter os mesmos gradientes de pressão, o que normalmente requer muita água.

Double or concentric ring infiltrometer cross section
Figura 6. Seção transversal de infiltrômetro de anel duplo ou concêntrico

Prós e contras do infiltrômetro de anel

Os anéis maiores do infiltrômetro de anel são responsáveis por mais variabilidade espacial, portanto, representam melhor as condições de campo do que os instrumentos de laboratório, o que significa que são mais úteis para a modelagem. No entanto, a medição requer muita água - de 60 a 100 L de água por hora, supondo uma taxa de infiltração de cerca de 30 cm/h (um solo de alta condutividade pode usar mais de 300 L/h), o que é difícil de transportar. E a medição é demorada - de duas a três horas, dependendo do tamanho do anel.

Outra questão é a necessidade de estimar o fator de comprimento capilar macroscópico do solo (conhecido como Alfa) para corrigir o fluxo tridimensional. Existem tabelas para estimar esse parâmetro Alfa, mas se você estiver errado, isso resultará em estimativas imprecisas da condutividade hidráulica.

E, muitas vezes, o cilindro tampão não é eficaz para interromper o fluxo lateral. Isso foi demonstrado na literatura por meio de análises laboratoriais e de modelagem. Portanto, os cálculos baseados na suposição de que há apenas fluxo vertical podem resultar em superestimativas.

SATURO (KFS): Como funciona

METER's SATURO automatiza o bem estabelecido método de cabeça dupla, que mede a infiltração em duas cabeças de pressão diferentes, agilizando a medição e evitando possíveis erros humanos.

A photograph of a researcher setting up SATURO infiltrometer
Configuração do infiltrômetro SATURO

Ele armazena água no topo do solo, usa a pressão do ar para criar as duas cabeças de pressão e uma bomba mantém automaticamente os níveis corretos de água. Seu processador interno calcula automaticamente a condutividade hidráulica saturada do campo a bordo, eliminando o pós-processamento de dados.

A diagram of a SATURO cross section
Figura 7. SATURO seção transversal

SATURO Prós e contras

O SATURO combina automação e análise de dados simplificada em um único sistema. Ele foi projetado para ser transportado e montado por uma única pessoa e, como mantém automaticamente os níveis corretos de água, elimina a necessidade de medições e ajustes constantes.

A medição leva algum tempo, mas muito menos tempo do que um infiltrômetro de anel, e funciona sem supervisão. É possível operar vários instrumentos simultaneamente e isso evita a necessidade de estimar o fator alfa, eliminando uma fonte comum de erro. Ele usa duas bolsas de água de 20 litros, mas precisa de muito menos água do que um infiltrômetro de anel duplo porque não requer um anel externo grande.

No webinar a seguir, o Dr. Gaylon S. Campbell ensina os conceitos básicos de condutividade hidráulica e a ciência por trás do infiltrômetro de cabeça dupla automatizado SATURO .

Infiltrômetro de pressão (Kfs)

O infiltrômetro de pressão é semelhante a um infiltrômetro de anel único, exceto que um acessório na parte superior do anel permite o controle da cabeça de pressão aplicada sobre o anel (Figura 8).

A diagram of pressure ring infiltrometer cross section
Figura 8. Seção transversal do infiltrômetro de anel de pressão

Os usuários aplicam um único cabeçote por um determinado período de tempo, depois mudam para um cabeçote de pressão mais alto por um intervalo definido e, em seguida, voltam para o cabeçote mais baixo por um intervalo definido. Isso é repetido até que uma taxa de infiltração de estado quase estável seja alcançada para ambos os cabeçotes de pressão. As taxas de infiltração nos diferentes cabeçotes de pressão podem então ser usadas para estimar valores como o valor alfa ou a sorção.

Prós e contras do infiltrômetro de pressão

Tabela 2. Prós e contras do infiltrômetro de pressão
Vantagens Desvantagens
A medição de (𝛂) melhora a análise de Kfs Aparelhos de medição mais complexos
Também pode ser usado para determinar a sorção e o potencial de fluxo matricial A técnica de múltiplos cabeçotes requer mais tempo
Não automatizado - requer mais trabalho

Essa técnica permite que você faça uma análise de várias cabeças, o que possibilita fazer outras medições, como sorção e potencial de fluxo matricial. Além disso, você pode medir o fator de comprimento capilar macroscópico (o valor alfa) em vez de estimar, o que elimina uma possível fonte de erro ao corrigir o fluxo tridimensional.

Mas é um aparelho de medição mais complexo. É preciso mais automação, especialmente para trocar os cabeçotes de pressão. E é demorado atingir uma taxa de infiltração de estado estável em ambos os cabeçotes de pressão.

Permeâmetros de furo de sondagem (KFS)

Há vários projetos de permeâmetro de furo de sondagem (o que está além do escopo deste artigo), mas aqui exploraremos os conceitos básicos.

A diagram of a borehole permeameter cross section
Figura 9. Seção transversal do permeâmetro do furo de sondagem

Os permeâmetros de furo usam um método de cabeça constante para evitar erros na verificação da altura da água em um furo. Para usar um permeâmetro de furo de sondagem, um furo é perfurado até a profundidade desejada, o permeâmetro é montado sobre o poço e o borbulhador de mariotte é inserido para manter uma altura constante dentro do furo de sondagem. Em seguida, você calcula o influxo, aguarda o estado estável e usa esses valores para calcular a condutividade hidráulica, após o que você corrige o fluxo tridimensional. Você pode fazer uma análise de cabeça única e múltipla alterando o nível de água e a cabeça de pressão no interior do furo.

Prós e contras do permeâmetro

Tabela 3. Prós e contras do permeâmetro de furo de sondagem
Vantagens Desvantagens
A medição de (𝛂) melhora a análise de Kfs (somente se estiver usando a análise de várias cabeças) Pequena área de superfície
Análise de diferentes camadas de solo Longos tempos de medição
Pode ser usado para determinar a sorção e o potencial de fluxo matricial Potencial de assoreamento e sedimentação
Sem visibilidade da superfície de medição

Se você usar a análise de múltiplas cabeças de lago, um permeâmetro permite medir Alpha, removendo uma possível fonte de erro, e pode determinar a sorção e o potencial de fluxo matricial. Também é mais fácil medir diferentes camadas de solo, pois basta fazer um pequeno furo, ao contrário dos infiltrômetros de anel, que exigem uma grande escavação.

Os permeâmetros medem apenas uma pequena área de superfície, portanto, são necessárias mais medições para obter uma representação do campo. E os tempos de medição são longos, especialmente quando se faz análise de vários cabeçotes.

Outro problema é a formação de manchas e assoreamento no interior do furo (ou seja, a broca pode manchar a superfície durante o corte). Isso fecha os poros e os torna incapazes de conduzir a água, causando subestimações. Como não há visibilidade, é difícil saber se houve mancha ou assoreamento. Entretanto, existem abordagens para reduzir esses problemas.

TÉCNICAS DE LABORATÓRIO: CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NÃO SATURADA

Células de fluxo (K(Ψ))

As células de fluxo também são usadas para medir a condutividade hidráulica não saturada (K(Ψ)), mas, diferentemente da condutividade hidráulica saturada, a medição requer tensiômetros (Figura 10).

A diagram of a flow cell and tensiometer cross section
Figura 10. Seção transversal da célula de fluxo e do tensiômetro

A água flui de uma fonte de água, através da amostra e para fora do núcleo do solo. Dois tensiômetros monitoram o potencial de água, e o usuário controla a taxa de fluxo de baixa a alta para permitir que o solo transmita água em condições não saturadas. Uma taxa de fluxo constante é mantida até que os dois tensiômetros leiam o mesmo potencial de água (sucção do solo). Essas medições e a taxa de fluxo são usadas para determinar a condutividade hidráulica não saturada nesse potencial específico. Para obter as propriedades de retenção, o usuário também mede o conteúdo de água do núcleo do solo. As etapas são repetidas para determinar diferentes pontos ao longo da curva de condutividade hidráulica não saturada.

Prós e contras da célula de fluxo

Tabela 4. Prós e contras da célula de fluxo
Vantagens Desvantagens
Propriedades simultâneas de transmissão e retenção de água Requer um método para manter um fluxo constante
Estimativa de parâmetros de fluxo saturado e não saturado na mesma coluna de solo Operação complexa

Uma célula de fluxo permite medir a condutividade hidráulica não saturada e as propriedades de retenção ao mesmo tempo, possibilitando a geração de uma curva de liberação parcial de umidade do solo. Além disso, você pode medir os parâmetros de fluxo saturado e não saturado na mesma coluna de solo.

No entanto, essa técnica requer uma bomba para controlar e alterar as taxas de fluxo, e a operação é complicada. As células de fluxo também precisam de espaço no laboratório, e a automação requer instrumentação complexa.

Método de evaporação (K(Ψ))

O método de evaporação foi introduzido pela primeira vez por Wind em 1968. Ele requer um núcleo de solo com tensiômetros inseridos em diferentes profundidades. O núcleo inicialmente saturado é aberto na parte superior e fechado na parte inferior, permitindo apenas a evaporação da superfície. Isso cria um gradiente de potencial matricial no núcleo. A massa do núcleo do solo e o gradiente são medidos à medida que a água evapora ao longo do tempo, permitindo o cálculo do potencial de fluxo matricial ou da condutividade hidráulica não saturada. Essa técnica requer uma taxa de evaporação constante para obter medições simultâneas da carga matricial e do conteúdo de água, o que permite a medição da condutividade hidráulica não saturada e a geração da curva de liberação de umidade do solo.

HYPROP (K(Ψ))

O METER's HYPROP é um instrumento de laboratório baseado em uma versão simplificada da técnica de evaporação Wind/Schindler.

A photo of HYPROP 2 which creates soil moisture release curves
HYPROP 2 cria curvas de liberação de umidade do solo

Dentro do site HYPROP há dois tensiômetros em diferentes alturas dentro de um núcleo de solo que é aberto apenas na superfície (Figura 11).

A diagram of a cross section inside the HYPROP cylinder
Figura 11. Seção transversal no interior do cilindro HYPROP

O HYPROP fica em uma balança e mede a massa do núcleo do solo à medida que ele evapora com o tempo. Ele gera as propriedades de retenção do solo e a condutividade hidráulica não saturada. A condutividade hidráulica não saturada é calculada usando a inversão da equação de Darcy (Equação 4).

Equation 4
Equação 4

HYPROP Prós e contras

Tabela 5. HYPROP prós e contras
Vantagens Desvantagens
Propriedades simultâneas de transmissão e retenção de água Dados não confiáveis de K(Ψ) próximos à saturação
Medição automatizada Curva de aprendizado
Excelente resolução de medição Somente características de dessorção

A vantagem do HYPROP em relação a uma célula de fluxo é uma medição totalmente automatizada em toda a faixa de umidade. O HYPROP economiza tempo ao gerar automaticamente a curva de condutividade hidráulica não saturada enquanto você faz outras coisas. Ele fornece propriedades simultâneas de transmissão e retenção de água com alta resolução (mais de 200 pontos de dados), exceto próximo à saturação. Combine-o com o site KSAT para a extremidade saturada da curva e com o WP4C instrumento de potencial hídrico (solos secos) para gerar curvas completas de liberação de umidade do solo. Saiba mais sobre as curvas de liberação de umidade do solo no vídeo a seguir.

O HYPROP tem uma curva de aprendizado, mas depois que você aprende a encher tensiômetros, a configuração é fácil. E, depois de configurado, é totalmente automatizado. Observe queo HYPROP mede apenas as características de dessorção (perda de água) porque é um método de evaporação, portanto, pode haver diferenças em relação às características de adsorção (adição de água).

TÉCNICAS DE CAMPO: CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA NÃO SATURADA

Infiltrômetros de tensão (K(Ψ))

Os infiltrômetros de tensão medem apenas a condutividade hidráulica não saturada. Uma placa porosa é colocada no solo (Figura 12), e a água é puxada para fora sob sucção controlada por uma torre que contém um borbulhador mariotte.

A diagram of Tension infiltrometer cross section
Figura 12. Seção transversal do infiltrômetro de tensão

Ele controla a sucção negativa inserindo o tubo de bolhas mais profundamente na água para aumentar a energia necessária para puxar o ar e substituir a água puxada pelo dispositivo. Essa técnica permite a análise usando métodos transientes ou de estado estável.

Método transiente: mede a taxa de infiltração conforme ela muda ao longo do tempo e extrapola para um estado estável.

Método de estado estável: com o passar do tempo, é atingido um estado estável da taxa de infiltração.

Um infiltrômetro de tensão infiltra água no solo sob sucções impostas, de modo que é possível medir as taxas de infiltração em diferentes sucções negativas para segregar os tamanhos dos poros. Quanto maior a sucção, menores devem ser os poros para retirar a água. É também uma técnica de infiltração tridimensional, portanto, requer uma análise tridimensional do fluxo.

Prós e contras do infiltrômetro de tensão

Tabela 6. Prós e contras do infiltrômetro de tensão
Vantagens Desvantagens
Sucção controlada Os métodos de estado estável são demorados
Discos maiores são responsáveis por uma maior variabilidade espacial Requer a estimativa das propriedades do solo para corrigir o fluxo tridimensional
Estimativa de sorção e repelência
A photograph of a tension infiltrometer
Uma fotografia de um infiltrômetro de tensão

As vantagens do infiltrômetro de tensão são que a sucção controlada permite a medição da condutividade hidráulica não saturada em um potencial matricial específico. O uso de um disco maior levará em conta uma maior variabilidade espacial. No entanto, isso pode não ser crítico porque os poros grandes são a principal fonte de variabilidade espacial e drenam em sucções muito baixas. Os infiltrômetros de tensão também são usados para obter uma estimativa de sorção e repelência - útil para estudos de hidrofobicidade em situações pós-incêndio florestal.

As limitações são que os métodos de estado estável consomem muito tempo e, assim como no método transiente, é possível haver imprecisões (especialmente em um solo muito seco com uma taxa de infiltração inicial mais alta). Portanto, é uma boa ideia fazer várias medições. Essa técnica requer uma estimativa de Alpha para corrigir o fluxo tridimensional - uma possível fonte de erro. Mas, em geral, é uma boa técnica de campo.

Considerações sobre a medição da condutividade hidráulica

Não presuma que você pode usar os mesmos valores de condutividade hidráulica do solo para o mesmo tipo de solo em um campo. Isso não é verdade, especialmente com diferentes usos da terra e posições na paisagem. Um pesquisador encontrou mudanças drásticas nas propriedades hidráulicas no mesmo tipo de solo. Seu local variou entre pradaria nativa, pastagem melhorada e lavoura convencional, e houve uma forte mudança na posição da paisagem em todos os três campos.

A diagram of hydraulic conductivity values for three different land uses and landscape positions
Figura 13. Valores de condutividade hidráulica para três diferentes usos da terra e posições na paisagem nas terras negras do Texas. Os pesquisadores fizeram medições em triplicata da condutividade hidráulica saturada do campo usando infiltrômetros de anel duplo em cada um dos pontos.

A Figura 13 mostra as mesmas tendências em pastagens e pradarias no topo, na encosta e na encosta. Houve valores mais altos de condutividade hidráulica do solo na encosta e os valores mais baixos na encosta. Isso se deveu parcialmente ao efeito catina (alterações nas propriedades hidráulicas do solo e na composição química do solo devido à lixiviação de solutos do topo e à precipitação de solutos na encosta). É interessante notar que essa tendência não foi evidente no local de lavoura convencional, provavelmente devido ao fato de que esse local foi perturbado (lavrado regularmente).

Onde você deve medir? Quantas medições?

Uma estratégia é medir a CE total em um campo para obter uma estimativa da variabilidade espacial real. Com essas informações, você pode tomar decisões sobre onde fazer medições e quantas são necessárias para abranger a variabilidade espacial do campo. A Figura 14 é um mapa de CE de um campo gerado usando um dispositivo EM38 para medir a CE total.

EC map showing variability in a Texas field
Figura 14. Mapa de CE mostrando a variabilidade em um campo do Texas

Esse mapa ajudou os pesquisadores a separar o campo em seções e decidir onde fazer as medições. Nesse caso, os pesquisadores optaram por fazer medições em triplicata da condutividade hidráulica saturada do campo em cada um dos pontos escolhidos (cruzes brancas).

Aprofunde-se em como medir a condutividade hidráulica

  1. Bouwer H. 1986. Taxa de entrada: Infiltrômetro de cilindro. Em Klute A., editor, Methods of soil analysis: Part 1-Physical and Mineralogical Methods. 2ª edição. Madison (WI): ASA e SSSA. 825-844.(Link do artigo)
  2. Dane JH e Topp GC, editores. 2002. Methods of soil analysis (Métodos de análise do solo): Part 4-Physical Methods. Madison (WI): Soil Science Society of America Inc.(link)
  3. Daniel DE. 1989. Testes de condutividade hidráulica in situ para argila compactada. J. Geotech. Eng. 115(9).(Link do artigo)
  4. Nimmo JR, Schmidt KM, Perkins KS e Stock JD. 2009. Rapid measurement of field saturated hydraulic conductivity for areal characterization (Medição rápida da condutividade hidráulica saturada em campo para caracterização de áreas). Vadose Zone J. 8(1): 142-149.(Link do artigo)
  5. Reynolds WD e Elrick DE. 1990. Infiltração em lagoas a partir de um único anel: I. Análise de fluxo constante. Soil Sci. Soc. Am. J. 54(5): 1233-1241.(Link do artigo)
  6. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Estudo de modelo de areia dos efeitos de buffer no infiltrômetro de anel duplo. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 25(1): 5-8.(Link do artigo)
  7. Swartzendruber D e Olson TC. 1961. Estudo de modelo do infiltrômetro de anel duplo conforme afetado pela profundidade de umedecimento e pelo tamanho das partículas. Soil Sci. 92(4): 219-225.(Link do artigo)

 

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Condutividade hidráulica saturada em campo - Por que é tão difícil?

As medições imprecisas da condutividade hidráulica saturada (Kfs) são comuns devido a erros na estimativa alfa específica do solo e ao buffer de fluxo tridimensional inadequado.

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Como modelar a água disponível na planta

O Dr. Gaylon Campbell, físico do solo de renome mundial, ensina o que você precisa saber para modelos simples de processos de água no solo.

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O que é umidade do solo? A ciência por trás da medição

A maioria das pessoas analisa a umidade do solo apenas em termos de uma variável - o conteúdo de água. Mas são necessários dois tipos de variáveis para descrever o estado da água no solo.

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