agm5724 aula 5 ciclohidrologico nova

AULA 5

Disciplina INTERAÇÃO BIOSFERA-ATMOSFERA AGM 5724 Pós-Graduação Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha

Ciclo hidrológico na superfícieBalanço de água sobre microbacia.Umidade do soloParâmetros físicos do solo, potencial de água no solo, curva de retenção. Métodos de mediçãoInfiltração, escoamento superficial e sub-superficial. Fluxo da água no solo, equação de RichardsExtração de água no sistema radicular. Evaporação do solo. Interceptação da precipitaçãoExemplos na biota global e brasileira

Umidade disponível para vegetação

Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Previsão do tempo e simulações do clima



Source K. Lemke, Comet Program

Agua subterrânea

Figura (H. Chang, Lebac/Igc/Unesp


Importância da evapotranspiração (ET)

1. A componente de maior perda do balanço de água anual à superfície

Variação de umidade do solo ∆S (+ ) umidecimento (-) secamento

∆S = P – ET – R ↔ ET = P – R – ∆S

2. Controla os processos de precipitação

3. Controla a água disponível para uma série de serviços ambientais:

recursos hídricos (abastecimento, irrigação, hidroeletricidade)

na componente de transpiração (evapotranspiração menos a evaporação do solo), para produzir vida (produtividade) na forma de alimentos, fibras e energia

escoamento em riachos e rios (fauna)

umidade na zona radicular do solo (flora e microbiologia)

Parâmetros físicos do solo

Retenção de umidade do solo


Estrutura matricial dos poros no solo

Figura 1. Desenho esquemático da estrutura do solo onde:

matriz do solo (hachurada) e espaço poroso preenchido por água (cinza) ou por ar (branco).


Fonte: Bruno et al., Hydrological Processes (2006)


Porosidade total, densidade do solo e de partículas de três solos paulistas (adaptada de Grohmann, 1960)

ProfundidadePorosidade

TotalDensidade

do SoloDensidade de

Partículas

cm % kg.dm-3

Latossolo roxo

0-2525-5050-80

565561

1,211,211,06

2,752,702,68

Latossolo vermelho-escuro

0-2525-5050-80

656667

0,950,930,94

2,702,782,88

Latossolo vermelho-amarelo

0-2525-5050-80

515048

1,301,331,35

2,532,602,56


(Esq) relações de potencial matricial (Ψ, em Pa) e conteúdo de umidade do solo (θ, em % de volume) em solos com diferentes texturas. (Adap Buckman & Brady, 1960; apud Oke, 1990).

(Dir) (Bouma, 1977)


Efeito de histerese para curva de retenção (Fonte: Lindsay Jr et al., 1988).


Comparação da porosidade em um solo argiloso, a) comparação entre a porosidade total no solo compactado e no não compactado, b) comparação de poros maiores do que 0,03 mm em solo compactado e não compactado (Eriksson. 1975/1976)


Dinâmica da água no solo

1. Infiltração2. Drenagem

3. Geração de Escoamento


Capacidade de infiltração (mm/h)

t (ou umidade )

1. Frente de onda saturada

2. Decaimento e Limitação da capacitade de infiltração com de Ksat

3. Dependencia

do solo

Geração de escoamento (Runoff)

3 processos

Superficial (Surface runoff) : RoSub-superficial (Interflow) : RiDe Base (Baseflow): Rg

Q = Ro + Ri + Rg

Q ≈ P –E –∆Sv –∆Ss

≈ FSH + FSS + FS


Vazão no evento de chuvaHidrógrafa (vazão)Hietógrafa (chuva)Curva de depleção ou recessão (do escoamento de base)

Efeitos das mudanças de uso da terra

Fonte: Ward&Trimble (Environmental Hydrology)

Redistribuição da água após a saturação

(Torre de fluxos ecótono floresta-pastagem, TO)


2005

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Teor de umidade volumétrico (m3m-3)

Prof

undi

dade

(cm

)

3/jun

15/jun

30/jun

15/jul

31/jul

16/ago

31/ago

15/set

30/set

5/jun

6/jun

7/jun

8/jun

9/jun

10/jun

11/jun

12/jun

13/jun

14/jun

15jun

3 jun

15jul

16ago

31ago

30set

Dinâmica da água no solo

2. Equação de Richards

3. Modelos de curva de retenção


Condutividade hidráulica e potencial


- Extração radicular

-Ascensão capilar

sob área de floresta

amazonica

Fonte: Rocha et al (2004)Ciclo hidrológico à superfície

Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Modelos de condutividade e retenção

Fonte: Bonnan (2002)


Métodos de medição de umidade do solo


Método gravimétrico

mwet , mdry = amostra de solo antes (wet) e depois (dry) secagem na estufa;

ρw = densidade da água

Vb = volume do material obtido com anel amostrador

mdry :

- Obter medida com secagem na estufa a 1050 C por 24h;- reestimar c/ secagem por ~ 6 h, e repetir até não haver diferença significativa

Método da sonda de neutrons


Método com tensiômetros (cápsula porosa)


Refletômetro no domínio do tempo (TDR)

Refletômetro no domínio da frequência (FDR)Ciclo hidrológico à superfície

Notas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)

Bruno et al., Hydrological Processes (2006)

Fraction of Water Withdrawl

Exemplo da variação sazonal, e do perfil vertical de umidade

do solo, em um solo muito argiloso

Figure 3. Measured 10 m soil moisture profile (in m3m-3) beneath tropical forest at km 83 tower site,

Santarem, for both the wettest and driest soil moisture measured at each depth.

(Fonte: Bruno et al. 2006)

Refletômetro (FDR)


Sensor de raios cósmicos• Fluxo de raios cósmicos variam com latitude, longitude e ciclo de

manchas solares• Neutrons rápidos são absorvidos no solo, e os que escapam do

solo são contados – variam com o teor de água no solo• aproximadamente insensíveis às características químicas do solo.

Extração de umidade do solo


Fonte: Brunini (1998)


Conversão

1 MPa =

10 Bar =

10 atm

Sistema radicular

As raízes ocupam ~ 5% do volume do solo concentram-se nos 20 cm superioresvolume decresce com a profundidade

apenas pequena fração de solo está em contato direto com as raízes: extração não depende só da fisiologia mas por fatores edáficos (tipo de solo, manejo – compactação) Na maioria plantas herbáceas e arbóreas: diâmetro > (0,1 mm) que é > diâmetro macroporos (~0,05 mm)

crescimento das raízes ocorrem nos macroporos(solos mal estruturados inibem pleno desenvolvimento raizes)Fonte (IAC)


Ward & Trimble: Profundidade das raizes

Raízes de milho no perfil de um latossolo argiloso, sem e com aplicação do gesso.


Umidade do solo (mm) de 0-1m de profundidade, e de 1-2m de profundidade em Pastagem e

Floresta na Amazonia (Hodnett 1992)

Profundidade de raízes até 10 m em florestas

Arroz

Soja

Algodão

Fonte: Brunini (1998)


Pastagem em Manaus (Faz. Dimona) Fonte: Rocha et al (1996)


Interceptação de chuva


Precipitação interna (chuva que atinge o solo)(throughfall)

Coletor de água de transprecipitação, e parcela para estudo da interceptação, em floresta de Mata Atlântica (Lab Hidrologia Florestal Walter Emmerich, IF/SP, Cunha, SP).

Escoamento troncos : água que escorre pelos troncos e atinge o solo.


Interceptação de chuva

Fonte: Ramirez (Journal of Climate, 1999)


Annual mean interception ratio and annual rainfall. Fonte:Ward (1990) (Principles of

hydrology)

Interceptação de florestas tropical terra firme na Amazônia

Fonte : Ferreira et al (2005) (Acta Amazonica)


Interceptação em agroecossistemas, florestas plantadas e nativas

PI (%) Est(%) I(%) Fonte

Pinus sylvestris - - 32 (Inglatera 4000 ind/ha, 7m)

Florestas coníferas 18-50% Rakhmanov (1966), Rutter (1975)

Florestas decíduas mistas (Hnorte) 15-25%

Consórcio agrícola 88 4 18 Dijk (2000)

Eucaliptus salignaea 84 4 12 Lima 1976 (Piracicaba, SP) (Eucalipto 13 m , Pinus 6 m)

Pinus caribaea caribaea 90 3 7

Pinus oocarpa 88 - 12 Lima 1983 (Brasil 1000 ind/ha, 20m)

Pinus caribaea hondurensis 88 - 12

Cerradão 73 - Lima 1983

Floresta de Mata Atlântica (secundária) 80 2 18 estágio inicial crescimento, Viçosa, MG, Oliveira Jr (2005)


Termo de escoamento nos troncos


Capacidade de armazenamento da chuva (em mm)

~ (0,1 a 0,5) do IAF


Método simples de medição1.Mede-se PI e Est (acumulada) em células de grade, ou transecção linear, alternando-se aleatoriamente os pluviômetros 2 a 4 vezes/mês.2.Estima-se as correlações com P, sobre amostras de períodos de coleta ~ 2 anos.

Fonte : Oliveira Jr (2005)


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