1

BOLETIM TCNICO UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE CINCIA DO SOLO

CALIBRAO E USO DE MINISSIMULADOR DE CHUVA PARA ESTUDOS DE EROSO E POLUIO DO SOLO

Boletim Tcnico - n. 77 - p. 1-17 Lavras/MG GOVERNO DO BRASIL

2

MINISTRIO DA EDUCAO UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS

MINISTRO: Fernando Haddad REITOR: Antonio Nazareno Guimares Mendes VICE-REITOR: Ricardo Pereira Reis Diretoria Executiva: Marco Antnio Rezende Alvarenga (Diretor), Elias Tadeu Fialho e Renato Paiva Conselho Editorial: Marco Antnio Rezende Alvarenga (Presidente), Amauri Alves de Alvarenga, Carlos Alberto Silva, Elias Tadeu Fialho, Luiz Carlos de Oliveira Lima e Renato Paiva Comisso Editorial: Mozart Martins Ferreira e Marco Aurlio Vitorino Ribeiro Secretria: Glenda Fernanda Morton Referncias Bibliogrficas: Vnia Natal de Oliveira Reviso de Texto: Paulo Roberto Ribeiro Editorao Eletrnica: Luciana Carvalho Costa, Alzia C. M. Ribeiro, Christyane A. Caetano Impresso: Grfica/UFLA Marketing e Comercializao: Bruna de Carvalho Naves

EDITORA

ENDEREO PARA CORRESPONDNCIA: EDITORA UFLA - Caixa Postal 3037 - 37200-000 - Lavras, MG. Telefax: (35) 3829-1532 Fone: (35) 3829-1115 E-mail: editora@ufla.br

3

SUMRIO

1. INTRODUO ........................................................................................................... 2. DESCRIO DO SIMULADOR .............................................................................. 2.1. Material necessrio .............................................................................................. 2.2. Descrio ............................................................................................................... 3. PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO ..................................................................... 4. UTILIZAO DO SIMULADOR ............................................................................ 5. CARACTERIZAO DA CHUVA SIMULADA ................................................... 5.1. Determinao do tamanho da gota .................................................................... 5.2. Altura de queda ................................................................................................... 5.3. Tempo de queda e velocidade terminal das gotas ............................................ 5.4. Intensidade da chuva simulada .......................................................................... 5.5. Energia cintica da chuva simulada .................................................................. 6. CONSIDERAES FINAIS ..................................................................................... 7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................

5 6 6 6 7 8 8 8 9 9 11 12 15 16

4

5

CALIBRAO E USO DE MINISSIMULADOR DE CHUVA PARA ESTUDOS DE EROSO E POLUIO DO SOLO

Bruno Teixeira Ribeiro1 Ciro Augusto de Souza Magalhes2 Jos Maria de Lima3 Marx Leandro Naves Silva3 1. INTRODUOMuitos pesquisadores tm utilizado simuladores de chuva em estudos de perdas de solo, gua e nutrientes, formao do encrostamento, infiltrao de gua e lixiviao de compostos ou metais em solos. A principal vantagem de sua utilizao o controle que se pode ter sobre as caractersticas da chuva, como dimetro e distribuio das gotas, altura e tempo de queda, velocidade terminal, tempo de durao, intensidade e energia cintica, o que no possvel em condies de chuvas naturais. Alm disso, vrios eventos de chuva de diferentes intensidades e energia cintica podem ser produzidos e reproduzidos a qualquer tempo. Vrios tipos de simuladores tm sido propostos, podendo ser de grande ou pequeno porte, pressurizados ou no e, alguns, totalmente automatizados. Os simuladores de grande porte requerem enorme aparato, mo-de-obra e algumas complicaes quanto ao seu abastecimento de gua e transporte, tornando-os, muitas vezes, pouco prticos. Neste boletim, apresentado um minissimulador de chuva adaptado do simulador de chuva tipo Goettingen, introduzido em 1984 no Instituto Agronmico do Paran IAPAR, em convnio com a Universidade de Goettingen e Deutsche Gesellschaft fr Technische Zusammenarbeit GTZ, na Alemanha, para estudos de eroso hdrica em diversos sistemas e manejo do solo (Roth, 1984; Roth et al., 1985). Aspectos relacionados com a construo do minissimulador de chuva, caracterizao da chuva simulada e o potencial de uso so apresentados.1

Engenheiro Agrnomo, doutorando do Departamento de Cincia do Solo da Universidade Federal de Lavras/UFLA Cx. P. 3037 37200-000 Lavras, MG ribeiro.bt@gmail.com 2 Engenheiro Agrcola, mestrando do Departamento de Cincia do Solo da Universidade Federal de Lavras/UFLA Cx. P. 3037 37200-000 Lavras, MG ciromagalhaes@gmail.com 3 Professor do Departamento de Cincia do Solo da Universidade Federal de Lavras/ UFLA Cx. P. 3037 Lavras, MG jmlima@ufla.br, marx@ufla.br

6

2. DESCRIO DO SIMULADORO minissimulador de chuvas o modelo adotado por Roth (1984) e foi construdo no Laboratrio de Conservao do Solo e gua do Departamento de Cincia do Solo da Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG. 2.1. Material necessrio - Barras de metalon para a estrutura do simulador; - Dois reservatrios em ao inox; - Agulhas hipodrmicas; - Materiais hidrulicos (tubos de PVC de polegada; 1 registro do tipo esfera de polegada; tampes de PVC de e polegada; adaptadores de PVC de polegada; mangueira transparente do tipo cristal de polegada; joelhos de PVC de polegada); - Chapas em ao galvanizado para construo das miniparcelas de perda de solo. 2.2. Descrio O simulador consiste de um reservatrio de ao inox de dimenses de 0,88 m de comprimento, 0,88 m de largura e 0,2 m de altura, montado sobre uma torre de 3 m construda em metal (Figura 1). Essa torre pode ser desmontada na altura de 1,23 m, para facilitar o seu transporte. O fundo desse reservatrio apresenta 1849 furos de 0,5 mm de dimetro, dispostos em uma malha quadrada, espaados 1,5 cm um do outro. Em cada um desses furos, foi inserida uma agulha hipodrmica da marca Nipro (20 x 5,5), sendo esse o dispositivo responsvel pela formao das gotas; esse o reservatrio formador de gotas. Esse reservatrio interligado a um outro reservatrio de dimenses de 0,60 m de comprimento, 0,60 m de largura e 0,20 m de altura, com capacidade 72 litros de gua, tambm em ao inox posicionado no topo da torre, estabelecendo-se um sistema de vasos comunicantes (sistema de Mariotte).

7

Detalhe da comunicao dos reservatrios (Sistema de Mariotte) Reservatrio para abastecimento de gua (hermeticamente fechado)Tampo PVC Registro do tipo esfera ( polegada) Nvel de gua Tampo de polegada Mangueira do tipo cristal Sada com joelho de polegada Estrutura do simulador

0,60 m

0, 6 0m

Sada com tampo de polegada

0,20 m 0,20 m

Agulhas hipodrmicas Carga de gua (h) - Tubos comunicantes - Tubos de PVC com adaptadores de polegada - Detalhe das opes de tamanho dos tubos para variao da carga no reservatrio formador de gotas.

0,48 m

Tubo de PVC para comunicao dos reservatrios

Reservatrio formador de gotas Agulhas hipodrmicas

0,88 m 1,27 m

Torre (estrutura do simulador)

Condies laboratoriais Miniparcelas mveis0, 6 m

0,4 m Possibilidade de simulao da declividade Coleta de lixiviado

1,23 m

Miniparcelas de perda de solo 0,4 m m ,6 0 Coleta de gua e sedimentos Coleta de gua e sedimentos

2

m

2m

FIGURA 1 Descrio da construo e princpio de funcionamento do simulador de chuva.

3. PRINCPIO DE FUNCIONAMENTOO princpio de funcionamento do simulador de chuva o de vasos comunicantes (sistema de Mariotte). Para isso, o reservatrio posicionado na parte mais alta da torre deve ser hermeticamente fechado (Figura 1). Na sua parte superior, h uma abertura por onde se faz o abastecimento de gua, devendo estar fechada por um tampo durante as operaes de uso do simulador. Na lateral do reservatrio de abastecimento, h um nvel para acompanhamento da quantidade de gua. Na extremidade inferior, tem-se um registro do tipo esfera de polegada e, conectado a esse, um tubo de PVC de polegada, que abastece o reservatrio formador de

8

gotas. Durante a formao de chuvas, h necessidade de manuteno de uma carga de gua (altura de gua) constante dentro do reservatrio formador de gotas. Para isso, os tubos de PVC que abastecem o reservatrio podem ser seccionados em diferentes tamanhos, de forma que, aps sua conexo ao registro, distncia (h) entre a sua extremidade e o fundo do reservatrio corresponda carga de gua desejada. Definida a carga de gua no reservatrio formador de gotas, abastece-se totalmente o reservatrio superior, mantendo-se o registro fechado. Em seguida, aps a conexo do respectivo tubo de PVC ao registro, abastece-se o reservatrio formador de gotas, at que a gua ultrapasse poucos milmetros da extremidade do tubo e, imediatamente, abre-se o registro. Estabelece-se, ento, o sistema de vasos comunicantes. Nessa condio, medida que a gua no reservatrio formador de gotas atingir a extremidade do tubo, ocorre entrada de ar por ele e a reposio de gua, mantendo-se uma carga constante.

4. UTILIZAO DO SIMULADORO simulador de chuva pode ser utilizado em condies de campo e de laboratrio. No primeiro caso, podem ser montadas miniparcelas de perda de solo (0,60 x 0,40 m) em chapas de ao galvanizado, como aquelas sugeridas e apresentadas na Figura 1, o que possibilita o estudo de diferentes classes de solo, coberturas vegetais, sistemas de manejo, entre outros. Nessas condies, podero ser simuladas chuvas de diferentes intensidades, a qualquer tempo, e se avaliarem as perdas de solo, gua, nutrientes, transporte de metais pesados ou pesticidas, por meio de sedimentos de eroso. Em condies laboratoriais, podem ser construdas miniparcelas mveis (Figura 1) contendo amostras de solo, onde, alm da avaliao de perdas de solo, gua e nutrientes em diferentes eventos de chuva, podero ser tambm coletadas amostras de lixiviados, para avaliao do movimento de nutrientes, metais pesados e pesticidas.

5. CARACTERIZAO DA CHUVA SIMULADA5.1. Determinao do tamanho da gota Para determinao do tamanho mdio de gotas, obtm-se a massa de 100 gotas, coletadas em um determinado intervalo de tempo. Considerando a densidade

9

da gua igual a 1g cm-3, obtm-se o volume mdio das gotas. Considerando-se a gota como uma esfera perfeita, seu dimetro pode ser obtido pela equao 1; neste estudo, o valor foi de 2,45 mm. O tamanho das gotas varivel com o tipo e tamanho da agulha utilizada. Portanto, outros tipos de agulhas podem ser utilizados, caso se deseje gotas de maior ou menor tamanho. Independentemente da agulha escolhida, essa deve permitir que a gota se forme gradativamente na sua extremidade e caia, tendo uma velocidade inicial igual a zero.

V

4 3

R3

(1)

V - volume da gota (cm3) R - raio da gota (cm) 5.2. Altura de queda A altura de queda das gotas corresponde distncia entre as extremidades das agulhas e a superfcie do solo, nas parcelas de campo ou em laboratrio. 5.3. Tempo de queda e velocidade terminal das gotas O tempo de queda e a velocidade terminal das gotas (velocidade no momento do impacto das gotas com a superfcie do solo) podem ser estimados pelas equaes 2 e 3, propostas por Lima et al. (1993).

T

arccos exp Z C

g C12

12

(2)

V

g C

12

tan T g C

(3)

T - tempo de queda da gota (s) Z - altura de queda da gota (m) C - coeficiente de atrito com o ar (adimensional) g - acelerao da gravidade (9,81 m s-2) V - velocidade de impacto das gotas ao tocar a superfcie do solo (m s-1)

10

O coeficiente de atrito com o ar (C) pode ser calculado pela equao 4, segundo Hills (1988), citado por Silva et al. (1995).C 0,804 0,264D 0,066D 2 1,109D 0,004D 3

(4)

C - coeficiente de atrito com o ar (adimensional) D - dimetro da gota (mm) Na Figura 2, mostrado o efeito da altura de queda e do dimetro da gota na sua velocidade terminal, com base nas equaes propostas por Lima et al. (1993). A velocidade aumenta com o dimetro da gota e atinge um valor constante a partir de determinada altura, sendo essa a velocidade terminal. Nas condies desse simulador, as gotas produzidas (2,45 mm de dimetro), caindo de uma altura de 2,26 m, apresentam uma velocidade de impacto com a superfcie do solo de 5,5 m s-1. A altura no foi suficiente para que as gotas, nesse dimetro, atingissem a velocidade terminal.9 Velocidade terminal, m s-1 8 7 6 5 4 3 2 0 2 4 6 8 10 12 14 Altura de queda, mFIGURA 2 Efeito da altura de queda e do dimetro na velocidade da gota.Dimetro da gota (mm)0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

11

5.4. Intensidade da chuva simulada Diferentes intensidades da chuva simulada podem ser obtidas variando a carga de gua (altura da gua) no reservatrio formador de gotas. Na figura 3, apresentada a variao da intensidade da chuva simulada em funo da carga de gua no reservatrio formador de gotas. A intensidade pode ser medida recolhendo-se um determinado volume de gua em um dado intervalo de tempo (equao 5) em recipientes com rea de recebimento conhecida (pluvimetros) colocados na superfcie do solo na projeo da chuva simulada.

I

VS t

60

(5)

I - intensidade da chuva (mm h-1) V - volume de gua coletado (l) S - rea da seo do recipiente de coleta (m2) t - tempo de coleta (minutos)180 160 Intensidade, mm h-1 140 120 100 80 60 40 5 6 7 8 9 10 11 12 Carga de gua, cmFIGURA 3 Variao da intensidade da chuva simulada (I) em funo da carga de gua (h) no reservatrio formador de gotas.

I = -18,87 + 14,50 (h) R2 = 0,96

12

5.5. Energia cintica da chuva simulada A energia cintica da chuva simulada pode ser estimada com base na sua intensidade, por meio do modelo proposto por Wischmeier & Smith (1958) e modificado para o Sistema Internacional de Unidades por Foster et al. (1981) (equao 6). Wagner & Massambani (1988), aps um estudo dos padres de chuva na regio de So Paulo, tambm propuseram um modelo para estimativa da energia cintica da chuva em funo da sua intensidade (equao 7) que, segundo os autores, no diferiu significativamente daquele proposto por Wischmeier & Smith (1958).

EC

0,119 0,0873 log I

(6) (7)

EC

0,153 0,0645 log I

EC energia cintica da chuva (MJ ha-1 mm-1) I intensidade da chuva (mm h-1) Quando so conhecidas a velocidade e a massa das gotas de chuva, a energia cintica pode ser calculada (equao 8), tendo como base o somatrio da energia cintica de todas as gotas que chegam superfcie do solo.

Ec

m.v 2 2

(8)

Ec - energia cintica da gota ao tocar a superfcie do solo (J) m - massa de cada gota (kg) v - velocidade da gota ao tocar a superfcie do solo (m s-1) Nesse caso, o clculo da energia cintica pode fornecer resultados mais confiveis do que aqueles obtidos por meio dos modelos propostos por Wischmeier & Smith (1958) e Wagner & Massambani (1988). Esses modelos podem superestimar a energia cintica, por terem sido obtidos para condies naturais, com o pressuposto de que a velocidade terminal das gotas foi atingida, o que, na maioria das vezes, no acontece quando se trabalha com chuva simulada. Na figura 4, so apresentados os valores de energia cintica estimados por esses modelos e tambm calculados para uma chuva simulada com intensidade de 150 mm h-1, durante 5, 8,

13

11, 16 e 21 minutos (Ribeiro, 2006). A energia cintica correspondeu a 61% e 64% daquela estimada pelos modelos de Wischmeier & Smith (1958) e Wagner & Massambani (1988), respectivamente. Amorim et al. (2001), tambm trabalhando com chuva simulada, encontraram que a energia cintica calculada foi, em mdia, 68% daquela estimada por tais modelos.18 Energia cintica da chuva, MJ ha-1 16 14 12 10 8 6 4 2 0 5 8 11 16 21 Tempo de durao, min Energia calculada Wischmeier & Smith (1958) Wagner & Massambani (1988)

FIGURA 4 Energia cintica calculada e estimada pelos modelos propostos por Wischmeier & Smith (1958) e Wagner & Massambani (1988) para uma chuva simulada com intensidade de 150 mm h-1. Fonte: Ribeiro (2006).

A seguir, apresentada uma descrio detalhada dos clculos da energia cintica da chuva simulada com base nas caractersticas do simulador e da chuva aqui apresentados, podendo ser extrapolado para diversas situaes. - Com base no volume de cada gota determinado pela equao 1, conforme descrio no item 5.1, e considerando a densidade da gua 1 g cm-3, tem-se a massa de cada gota. Nesse caso, as agulhas hipodrmicas escolhidas produzem gotas de 0,0077 g (7,7.10-6 kg). - A altura de queda de 2,26 m, medida diretamente no local com uso de uma trena, desde a extremidade da agulha at a superfcie do solo (Figura 1). - O coeficiente de atrito com o ar (C) de 0,1820, obtido pela equao 4, em funo do dimetro das gotas (2,45 mm).

14

- O tempo de queda de 0,72 s, obtido pela equao 2, e a velocidade das gotas ao tocar a superfcie do solo (equao 3) de 5,5 m s-1. Assim, nesse caso, no se pode chamar de velocidade terminal, uma vez que, para o dimetro de gotas produzidas e a altura de queda, essa no foi atingida (Figura 2). - Considerando a massa de cada gota e sua velocidade ao tocar a superfcie do solo, encontra-se a energia cintica de cada gota (equao 8). - Considerando uma chuva de intensidade de 60 mm h-1 (carga de gua = 5,4 cm - conforme figura 3) durante 30 minutos e delimitando-se a rea de influncia do simulador como sendo a rea das miniparcelas (0,40 x 0,6 m), tem-se que: - 1 mm = 1l m-2, logo: 60 mm = 60 l m-2 60 mm h-1 = 60 l m-2 em 1 hora ou 30 l m-2 em 30 minutos - Miniparcelas (0,40 m x 0,60 m) rea = 0,24 m2 - 30 l 1 m2 x 0,24 m2 x = 7,2 l de gua que as parcelas receberam durante os 30 minutos - Volume de gua = 7,2 l - Volume de 1 gota = 7,7.10-6 l - N gotas = Volume total de gua Volume de 1 gota - N gotas = 7,2 l 7,7.10-6 l = 9,35.105 gotas As miniparcelas receberam 9,35.105 gotas em 30 minutos - Ec gota - Ec gota

m.v 2 2 7,7.10 6.5,5 2 2

1,16361.10 4 J

- Ec total = Ec gota . n gotas = 1,16361.10-4J . 9,35.105 = 108,8 J - Relacionado com a rea das miniparcelas, tem-se que:

15

108,8 J 0,24 m2 x 1 m2 x = 453,33 J m-2 453,33 J 1 m2 x 10.000 m2 (1 ha) x = 4,53.106 J ha-1 = 4,53 MJ ha-1 - Se for estimar a energia cintica da chuva em funo de sua intensidade por meio dos modelos, tem-se que: Wischmeier & Smith (1958) - Intensidade = 60 mm h-1 EC 0,119 0,0873 log I EC = 0,119 + 0,0873log (60) EC = 0,274 MJ ha-1 mm-1 - Considerando a lmina no perodo de 30 minutos = 30 mm, tem-se que: EC = 0,274 . 30 = 8,22 MJ ha-1 Wagner & Massambani (1988) - Intensidade = 60 mm h-1 EC 0,153 0,0645 log I EC = 0,153 + 0,0645log (60) EC = 0,267 MJ ha-1 mm-1 - Considerando a lmina no perodo de 30 minutos = 30 mm, tem-se que: EC = 0,267 . 30 = 8,01 MJ ha-1 - A energia cintica calculada correspondeu a 55% e 57% daquelas estimadas pelos modelos propostos por Wischmeier & Smith (1958) e Wagner & Massambani (1988), respectivamente.

6. CONSIDERAES FINAISO minissimulador de chuva apresentado de construo prtica e de baixo custo. O equipamento pode ser utilizado com eficincia tanto em condies de campo quanto de laboratrio, para a estimativa de perdas de solo e gerao de

16

modelos de perdas de solo, gua e nutrientes, em estudos de infiltrao de gua no solo, encrostamento e tambm em estudos de contaminao ambiental, como o transporte de metais pesados e pesticidas, via sedimentos de eroso e por lixiviao.

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICASAMORIM, R. S. S.; SILVA, D. D.; PRUSKI, F. F.; MATOS, A. T. Influncia da declividade do solo e da energia cintica de chuvas simuladas no processo de eroso entre sulcos. Revista Brasileira de Engenharia Agrcola e Ambiental, Campina Grande, v. 5, n. 1, p. 124-130, jan./abr. 2001. FOSTER, G. R.; McCOOL, D. K.; RENARD, K. G.; MOLDENHAUER, W. C. Conversion of the universal soil loss equation to SI units. Journal of Soil and Water Conservation, Ankeny, v. 36, n. 6, p. 355-359, 1981. LIMA, L. A.; SILVA, M .L. N.; CURI, N.; MARQUES, J. J. G. S. M. O salpicamento de latossolos provocado por gotas de chuva. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CINCIA DO SOLO, 24., 1993, Goinia. Resumos Expandidos... Goinia: SBCS, 1993. v.3, p.161-162. RIBEIRO, B. T. Energia cintica de gotas de chuva simulada e energia ultra-snica na desagregao de um Cambissolo. 2006. 65 p. Dissertao (Mestrado em Solos e Nutrio de Plantas) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG. ROTH, C. H. Relatrio sobre o desenvolvimento de um simulador de chuvas tipo Goettingen modificado e melhorado. Londrina, PR: Acordo BrasilAlemanha/Convnio IAPAR/GTZ/Universidade de Goettingen, 1984. 12 p. (Relatrio). ROTH, C. H.; MEYER, B.; FREDE, H. G. A portable rainfall simulator to study factors affecting runoff, infiltration and soil loss. Catena, v. 12, p. 79-85, 1985. SILVA, M. L. N.; CURI, N.; MARQUES, J. J. G. S. M.; LIMA, L. A.; FERREIRA, M. M.; LIMA, J. M. Resistncia ao salpico provocado por impacto de gotas de chuva simulada em Latossolos e sua relao com caractersticas qumicas e mineralgicas. Cincia e Prtica, Lavras, v. 19, n. 2, p. 176-182, abr./jun. 1995.

17

WAGNER, C. S.; MASSAMBANI, O. Anlise da relao intensidade de chuvaenergia cintica de Wischmeier & Smith e sua aplicabilidade regio de So Paulo. Revista Brasileira de Cincia do Solo, Campinas, v. 12, n. 3, p. 197-203, set./ dez. 1988. WISCHMEIER, W. H.; SMITH, D. D. Rainfall energy and its relationships to soil loss. Transactions of the American Geophysical Union, Washington, v. 39, n. 2, p. 285-291, 1958.