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84 J.A. MACHADO e AC.R. BRUM
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PROBLEMÁTICA DA CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS ALUVIAIS PARA FINS DEDRENAGEM SUBTERRÃNEA (1)
P.C.F. GOMES (2) & AA MILLAR (")
RESUMO
Objetivou-se estudar os problemas de interpretação e representatividade de resultadosde campo e de condutividade hidrãulica de solos aluviais, definir o melhor método para sua ca-racterização e verificar o procedimento mais adequado para a análise desses resultados, com rIOSde drenagem subterrânea. O trabalho foi conduzido no Projeto de Irrigação de São Gonçalo, PB,onde se estabeleceu um Campo Piloto de testes de drenagem subterrânea de 1,3 ha. Estudou-setambém a variabilidade espacial, horizontal e vertical das propriedades físico-hídricas: textura,densidade global e infiltração básica. Para o' estudo da condutividade hidráulica (K) usaram-setrês métodos de campo (poço, piezõmetro e infiltração básica) e um método indireto baseado nagranulometria.
Observou-se grande variação horizontal das propriedades físicas, principalmente devi-da à mistura de camadas de solo com texturas areia barrenta e barro arenoso, com outras maisadensadas pela alta concentração de sódio. Constatou-se que os dados de densidade global e infil-tração básica tendem a ter uma distribuição normal. A variação da densidade aparente foi de 1,45a 1,77 g/cm3 e a de infiltração básica de 0,06 a 1,28 m/dia. Quanto à condutividade hidráulica, en-controu-se baixa correlação entre valores obtidos pelos diferentes métodos, num mesmo lugar.Através do cálculo da probabilidade de ocorrência, definiu-se que os valores de K seguem a ten-dência de uma distribuição logarítmica. Com essa metodologia, valores representativos (50% deprobabilidade de ocorrência) dos diferentes métodos foram da mesma magnitude. Em virtude deos métodos fornecerem valores de K que representam diferentes camadas do perfil, dando, conse-quentemente, resultados de diferentes magnitudes, sua representatividade necessária seria obtidaatravés da variabilidade espacial horizontal do solo.
Quanto aos métodos tradicionais para determinar K, poço e piezõmetro, verificou-se queeles podem ser usados em solos aluviais desde que sujeitos a algumas restrições, como adequadadensidade e distribuição de determinações, e dependência da presença ou ausência de estratifica-çâo subsuperfiçial.
SUMMARY: CHARACTERIZATION PROBLEMS OF ALLUVIAL SOILS FORSUBSURFACE DRAINAGE PURPOSES
The objectives of this work were to study the interpretation and representation problems offield data, to define tne best way to characterize the hydraulic properties, and to identify the apro-priate method to analizé the data of alluvial soils. Spatial variabilüy of texture, bulk density andwater intake rate were studied in an experimental site installedfor subsurface drainage studies. Thehydraulic conductivity (K) was determined in thejield using the auger hole,piezometer and the intakerate methods, and indirectly by particle distribution.
It was observed a great variability in the soil properties mainly due to the texture stratifica-tion ofthe soil profile and the presence of high sodium contentoIt uiasfounâ that bulk density and inta-ke rate âatafoüoui a normal distribution. Thebulk density variedfrom 1.45 to 1.77 g/cm' and the intakeraie from Oto 1.28 m/day. It was not found correlation for the hydraulic conductivity obtained bythe threejield methods in 25 sites. Thejield data for a samemethodfollowed a log-normal âistriõu-tion. Analyzing the information through plotting in log probabilüy paper ü was [ounâ that the logmean (50%probabilüy) obtaineâ for the düJerent methods were of the same order ofmagnitude. Itwas observed that the necessary data representation is comingfrom the spatial variabilüy since theK value represents âifferent layers of the soil profile.
The auger hole and piezometer methods can be used in alluvial soils to determine K, butcare must be taken to have an adequate density and distribution of determinations. In highly strati-fieâ soils, the auger hole method should be prejerreâ becausegives an average of floui conditionsrather than the property of a single layer.
(') Contribuição conjunta do CPATSA/EMBRAPA, SUDENE e DNOCS. (Convê-nio EMBRAPA/SUDENE/DNOCS). Apresentado no XVI Congresso Brasileirode Ciência do Solo, São Luiz, MA - Julho 1977. Recebido para publícaçáo emoutubro de 1977 e aprovado em abril de 1978.
(') Centro de Pesquisa Agropecuária do Trópico Semi-Arldo. CPATSA/EMBRA-PA, Petrolina, PE.
(') Projeto BRAI74/008, FAOIPNUD. Centro de Pesquisa Agropecuárta do Trópi-co Semi-Arldo. CPATSAIEMBRAPA, Petrolina-PE.
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PROBLEMÁTICA DA CARACTERIZAÇÃODE SOLOS ALUVIAISPARA FINS DE DRENAGEM SUBTERRÂNEA 85
INTRODUÇÃO
A maioria dos problemas de drenagem en-contra-se em solos aluviais que se caracterizampor apresentar estratificações texturais no per-fil. Essa anisotropia determina grande variaçãonas suas propriedades hidrãulicas (Maasland,1956).Do ponto de vista de drenagem subterrá-nea de uma área, a grande heterogeneidade dosperfis de solo apresenta problemas para a defi-nição de certas características hidrodinámicasque se constituem em fatores de delineamentodos sistemas subterrãneos. O problema da va-riabilidade das características hídricas, espe-cialmente condutividade capilar em solos nãosaturados, tem sido discutido por alguns auto-res (Nielsen et alii, 1973;Reichardt et alii, 1976a).
A condutividade hidrãulica em solos satu-rados é um dos fatores de maior importãncia nadelimitação de áreas que requerem diferentesdelineamentos e espaçamentos de drenos (Wes-selíng, 1973).Para sua determinação no campousam-se vários métodos, os quais têm diversospropósitos e são aplicãveis para certas situa-ções, por exemplo, em presença ou ausência dolençol (Boerma, 1965a, 1965b).Contudo, os mé-todos tradicionais para sua determinação nocampo são os de poço e de piezõmetro. No casode solos aluviais muito estratificados, estes mé-todos apresentam problemas de interpretação ede representatividade de seus valores.
Normalmente, em pesquisa de campo, emsolos com perfis homogêneos, e dependendo daextensão da área em estudo, as determinaçõesde condutividade hidráulica se reduzem a umapor hectare. Esta densidade de informação podenão representar as condições reais, quando setrata de solos aluviais estratificados e com pro-blemas de sódio, como é o caso do Perímetro deIrrigação de São Gonçalo, PB (Hidroservice,1970a). Nesse projeto, visando gerar informaçãopara definir o sistema de drenagem, a Hidroser-víee (1970b), determinou a condutividade hí-àráulica mediante uso de piezômetros espaça-dos de 1 km entre si, numa área aproximada-mente 3.000 ha.
Do exposto se deduz a importãncia de co-nhecer a representatividade e a relação entre osresultados obtidos com os métodos mais tradi-cionais quando usados em solos aluviais.
Neste trabalho foram empregados trêsmétodos de campo e um método indireto paradeterminar a condutividade hidráulica, numaárea restrita de solos aluviais e com problemasde sódio, estudar os problemas de representati-vidade de seus valores, e definir o melhor méto-do para sua caracterização e o procedimentomais apropriado para análises dos resultados.
MATERIAL E MÉTODOSl. Localização e descrtçâo :da área - Estabeleceu-se
um campo de testes de drenagem subterrânea de 1,3ha, noProjeto de Irrigação de São Gonçalo, no Estado da Paraíba.Maiores detalhes sobre esse Campo Piloto são apresentadospor Millar e Gomes (1978).
O perímetro irrigado de São Gonçalo está localizado
no Município de Souza, no sertão da Paraíba. Segundo a Hi-droservice (1970a),o clima da região é seco de estepe, semi-árido quente; as precipitações concentram-se no trimestrefevereiro, março e abril, alcançando a marca de 66%do totalanual. A média das precipitações é de 590 mm por ano. Otrimestre mais seco é agosto, setembro e outubro, corres-pondendo a 28% do total anual. A temperatura média éde 27°C, sendo junho e julho os meses mais frios, e novem-bro e dezembro os mais quentes. A umidade relativa médiaé de 64% e a evaporação média anual do tanque classe A éde 7,5 mm/dia. Os solos predominantes no perímetro são deorigem aluvial, existindo pequena fração de vertissolo.
2. Parãmetro e métodos -Adeterminação da condutivi-dade hidráulica foi feita utilizando vários métodos de campo,em 25parcelas de 100ms, demarcadas na área, do Campo Pilo-to. A análise das propriedades físicas e quúnicas do solo foiexecutada no laboratório de solos e águas do CPATSA/EM-BRAP A, em Petrolina, PE, sendo que as amostras foram co-letadas em 13perfis do Campo Piloto.
A análise granulométrica do solo foi feita através dométodo da pipeta descrito por Day (1965),tendo como agen-te dispersante a solução de Calgon a 5%. A densidade daspartículas do solo foi determinada em terra fina seca ao arpelo método do picnômetro usando álcool etílico, e a densi-dade global, segundo a metodologia do torrão parafinado. Acurva de retenção de água no solo foi determinada pelo mé-todo da panela de pressão e placa porosa de acordo com Ri-chards (1954).
As propriedades quúnicas do solo não têm influêncianos fatores de delinemanento dos sistemas de drenagem,mas são importantes na definição do tipo de material a serusado na instalação do sistema. Contudo, conhecendo a al-ta incidência de problemas de solos sódicos e sallno-sódicosna área do Projeto de Irrigação, fizeram-se as determina-ções químicas necessárias para definir o tipo de solo exis-tente no Campo Piloto. •
Na determinação da condutividade hidráulica do per-fil do solo, em cada uma das 25 parcelas do Campo Piloto,empregaram-se 3 métodos de campo, para a condição de olençol freático estar a certa profundidade. Os métodos fo-ram: método do poço, do piezômetro e o da determinaçãoatravés de dados de infiltração básica do solo. Também foiutilizado um método indireto, baseado no conhecimento dagranulometria do solo. a. Método do poço - É o procedi-mento mais simples e tradicionalmente usado em pesquisasde drenagem subterrânea. Consiste em perfurar um poçoaté uma profundidade superior ao lençol freático e, logo quese obtenha a estabilização do lençol, extrair a água e mediro tempo de recuperação do nível freático. Tais medições sãorealizadas dentro do primeiro quarto de recuperação do ní-vel da água. Para o controle das medições usou-se uma son-da elétrica transistorizada, descrita por Millar (1977).A con-dutividade hidráulica é calculada diretamente através defórmulas derivadas para a situação do fluxo para o poço(Van Bavel e Kirkham, 1949;Luthin, 1957),ou através de no-mogramas (Van Beers, 1963; Bouwer e Jackson, 1974). b.Método do piezômetro - Usou-se o procedimento descritopor Luthin e Kirkham (1949).Foram instalados, em cadaparcela, tubos de 2 polegadas de diãmetro até profundidadede 1,4m, construindo-se uma cavidade de 7,5 em abaixo doextremo inferior do tubo. Extraiu-se a água dos tubos, me-diante uma bomba manual e mediu-se a recuperação do ní-vel freático em função do tempo, com a sonda elétrica. Acondutividade hidrãulica foi calculada usando a fórmula deKirkham (1946). é. Método da infiltração básica - Consisteem determinar a taxa de infiltração básica no solo, pelo mé-todo de cilindros infiltrômetros, e relacioná-Ia com a profun-didade de umedecimento e pressão capilar (Nesterov, citadopor Palácios, 1969).Este método é muito usado na UniãoSoviética e pouco conhecido no Ocidente. Segundo Palácios(1969),a taxa de infiltração básica é aproximadamente igualà da condutividade hidráulica, mas um cálculo mais aproxi-mado, considerando a profundidade de umedecimento e apressão capilar, é feito pela seguinte fórmula: K= Vi P/(P+H+Hk), onde K é a condutividade hidráulica (m/día),Viéa taxa de infiltração básica (rn/dia), P é a profundidade deumedecimento (rn), tomada a partir do fundo do cilindro in-filtrômetro, que é determinada após o teste de infiltração,H é a altura média de água no infiltrômetro, e Hk é a pres-são capilar (rn), a qual depende da textura, como segue:areia grossa: 0,1 Hk; areia média: 0,1-0,2Hk; areia fina: 0,2-0,3 Hk; silte: 0,3--0,5Hk; e argila: 0,5-1Hk.
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Os testes de intlltração com cilindros duplos foram fei-tos em cada parcela, de acordo com o procedimento descri-to por Haise et alii (1956). A carga de água no cilindro foimantida constante, pela inversão de uma garrafa de volumeconhecido, previamente calibrada. d. Método indireto - Arelação entre condutividade hidráulica, determinada empermeãmetro com amostra de estrutura não deformada e asua granulometria foi obtida a nível de área do Campo Pilo-to.
Para estudar a informação de campo obtida pelos di-ferentes métodos foram feitos cálculos de probabilidade deocorrência, com a finalidade de definir os valores mais re-presentativos de cada método. Este procedimento é reco-mendado por Dieleman e TratIord (1976), para o caso da de-finição de valores representativos de condutividade hidráu-lica. Tais valores não são normalmente distribuídos, mas,seguem tendência de distribuição logarítmíca normal de talforma que, usando papellog de probabilidade deve-se obterlinhas retas, sendo a média logarítmica definida por umaprobabilidade de ocorrência de 50% corresponde ao valormais representativo (Dieleman e TratIord, 1976).
RESULTADOS, DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
A Figura 1 mostra esquematicamente oCampo Piloto, indicando os tipos de solos pre-sentes na área. Encontrou-se alta estratificaçãonos perfis estudados, com presença de horízon-tes sádicos e salino-sádicos, de acordo com aclassificação normalmente usada (Ríchards,1954).A maior parte do campo piloto apresentaperfis com camadas sádicas em posições inter-mediárias, nas profundidades de 30 a 120em. Omapa esquemãtico (Fig. 1) mostra subdivisõesde áreas com diferenças características de den-sidade global e infiltração básica do solo. Obser-vou-se grande variação horizontal dessas pro-priedades, especialmente quanto a infiltraçãobásica.
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PROBLEMÁTICA DA CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS ALUVIAIS PARA FINS DE DRENAGEM SUBTERRÃNEA 87
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AREA PARCIAL
PROJETO (150 ho)
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PROBABILIDADE DE OCORRENCIA (%)
Figura 3. Probabilidade de ocorrência de valores de con-dutividade hidráulica pelo método do poço, nu-ma área parcial do projeto de irrigação e no Campo Piloto.
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PROJETO
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PROBABILlOADE DE OCORRENCIA (elo)
Figura 4. Probabilidade de ocorrência de valores de con-.dutividade hidráulica pelo método do piezõme-tro na área do Campo Piloto.
A Figura 4 mostra os dados de campoobtidos pelo método do piezômetro para a áreado campo piloto e, para comparação, são incluí-dos dados obtidos pela Hidroservice (1970a).NoCampo Piloto, com uma densidade de 8,45 de-terminaçôes por hectare, o valor representativode K é de 0,11 m/dia, definido com probabilida-de de ocorrência de 50%, entretanto na ãrea doprojeto o valor representativo é de 0,7 m/día, Es-tas duas populaçôes de informação apresentamdiferenças fundamentais, por exemplo, os píezó-metros do Campo Piloto foram instalados atéprofundidade de 1,4 m, a qual corresponde àprofundidade de instalação das linhas de dre-nos subterrãneos. Segundo análise dos solos, a
maior parte dos perfis apresentaram camadasde textura barro-argilosa e barro argílo-arenosanessa profundidade. No caso da informação daHidroservice (1970a) os piezômetros, com espa-çamento de 1 km, foram instalados a uma pro-fundidade de 3,2 m, atingindo a camada deareia presente sobre o folhelho em toda a área doprojeto. Daí a obtençáo de valores mais altosneste último caso.
Os dados de K obtidos pelo método da in-filtração básica no Campo Piloto são apresenta-dos na Fjgura 5. Os dados apresentam uma den-sidade de 15 determinações por hectare. O valorrepresentativo de K por esse método, determi-nado com probabilidade de ocorrência de 50%,é de 0,18 m/día.
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PROBABILIDADE DE OCORRENCIA (%)
Figura 5. Probabilidade de ocorrência de valores de cem-dutividade hidráulica pelo método da infiltraçãobásica na área do Campo Piloto.
Usando a relação entre os dados de Kobtidos pelo método do permeâmetro de alturaconstante, em amostras com estrutura não de-formada, e as características granulométricasda amostra, como feito por Rodas (1970),verífi- .cou-se que a condutividade hidráulica estavamais bem relacionada com a porcentagem deareia ou de silte + argila, presente nela. Essasrelações foram derivadas, a partir de dados cole-tados pela Hidroservice (1970a), para toda aárea do projeto, e são apresentadas na Figura 6.
As relações da Figura 6 foram usadas pa-ra obter dados de K no Campo Piloto, a partirde seus dados granulométricos. Para obter K,foram utilizados dados granulométricos das ca-madas de 60-90e 90-120em, cuíos valores foramcolocados em papel logarítmico de probabilida-de, apresentados na Figura 7. O valor represen-tativo da condutividade hidráulica por esse mé-todo indireto, correspondente a 50%de probabili-dade, é de 0,68% m/día.
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SIL TE + ARGILA, AREIA (%)
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Figura 6. Condutfvidade hidráulica em função da porcen-tagem da areia e sílte + argila. Estas relações fo-ram derivadas de dados obtidos pela Hidroservi-ce (l970a), para toda a área do Projeto de Irriga-ção.
Resumindo a situação para os diferentesmétodos, observa-se que os valores representa-tivos de K, derivados de um gráfico de probabi-lidade logarítmica, são da mesma magnitude pa-ra todos os métodos usados. Usando o métodode descarga de drenos, que integra as condições.subterrâneas de toda a área, Millar e Gomes(1978) encontraram que K foi da ordem de 0,1m/día, informação esta muito semelhante àobtida através do método do piezõmetro. Issonão é surpreendente porque, com o conheci-mento prévio da profundidade dos drenos sub-terrâneos da área, instalaram-se os piezômetrosà mesma profundidade. Dessa forma, os píezô-metros, assim como os drenos subterrâneos, re-ceberam contribuição de tluxo de água em tor-no daquela profundidade.R. bras. Ci. Solo 2: 84-89, 1978
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PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA (%)
Figura 7. Probabilidade de ocorrência de valores de con-dutividade hidráulica pelo método indireto naárea do Campo Piloto .
Ainda que os valores representativos de Kobtidos pelos diferentes métodos sejam da mes-ma magnitude, os valores individuais para asmesmas parcelas não apresenta boa correlação.Isso também foi evidenciado por Reeve e Kirk-han (1951).A falta de correlação se deve, princi-palmente ao fato de os valores de K representa-rem a condição de tluxo de diferentes camadasdo perfil do solo. Assim, o método da infiltraçãobásica atinge só uma camada superficial de até50 em, dependendo da textura, enquanto o pie-zômetro dá a média da condição de tluxo deágua numa camada em torno de sua profundi-dade de instalação (1,4 m em nosso caso), e ométodo do poço dá a média da condição de tluxode água numa camada de 80 a 140 em, que é acamada de tlutuação do lençol freático durantea determinação de K. Não obstante os valoresde K representarem diferentes partes do perfilnum mesmo lugar, não existindo correlação sig-nificativa entre métodos, a variação horizontaldas propriedades na área, permite obter, pelosdiferentes métodos, dados representativos de K,semelhantes quando analisados através de grá-ficos de probabilidade logarítmica.
De todo o exposto deduz-se que os méto-dos, especialmente de poço e de piezômetro, po-deriam ser usados em solos aluviais, desde quesujeitos a algumas restrições. Em primeiro lu-gar, o número de determinações por área deveráser bem maior e estas mais bem distribuídasque no caso de solos normais, especialmente nocaso do piezõmetro que gera informação deuma camada restrita do solo. Quando se tem co-nhecimento prévio da profundidade de instala-ção dos drenos subterrâneos, a determinação deK através do piezômetro naquela profundidadepoderá dar melhor caracterização do tluxo. Con-tudo, o método do poço, pelas suas característi-cas de símplícídade, facilidade de instalação erapidez nas determinações, é o mais indicado,
. porque, além dessas características, dá uma mé-dia das condições de transmissão da água numacamada de solo bem maior que no caso do pie-zômetro. Dada a sua rapidez de determinação,
PROBLEMATIC.I\ DA CARACTERIZAÇÃO DE SOLOS ALUVlAIS PARA FINS DE DRENAGEM SUBTERRÃNEA 89
permite obter maior número de dados numaárea por igual tempo, em relação aos outros mé-todos. Ainda que o valor representativo de Kobtido pelo método da infiltração básica tenhasido da mesma magnitude, os outros métodosdevem ser preferidos, dada a sua condição dedeterminação em ausência do lençol e em virtu-de de gerar informação para camadas superfi-ciais. A presença de uma camada superficialuniforme e de camadas desuniformes em pro-fundidade invalida o uso dos dados para a ca-racterização do movimento da água nas cama-das subsuperficiais; seu uso é mais adequado egera dupla informação no caso de solos de perfilhomogêneo (Palácios, 1969).
O método indireto, através da granulome-tria, não é o mais adequado para a caracteri-zação prévia ao delineamento de sistemas por-que requer a calibração de um método diretoque já dá conhecimento das características hi-dráulicas. Tal calibração poderá ser de utilida-de em etapas posteriores, ainda que a acumula-ção de sais mude a permeabilidade (Richards,1954),podendo invalidá-Ia.
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