visualizacao da propagacao da umidade no solo...

Visualização da propagação da umidade no solo por meio de eletrorresistividade

Rafael Rodrigues Silva 1

Carlos Tadeu Carvalho do Nascimento 2

1

Universidade de Brasília, Campus Planaltina

Planaltina – DF, 73345-010

[email protected]

2

Universidade de Brasília, Campus Planaltina

Planaltina – DF, 73345-010

[email protected] Abstract. The DC electrical resistivity geophysical method is fairly used in geological and groundwater studies, as well as environmental monitoring activities. The purpose of electrical surveys is to determine the subsurface

resistivity distribution by making measurements on the ground surface. Electrical resistivity is mainly influenced

by soil moisture and, in this work, moisture is the main soil property that is being studied. The field technique

used was horizontal electrical profiling with Wenner arrangement for electrodes which is characterized by the

equidistant disposal of potential and current electrodes, according to a straight line. The objective of this study is

to demonstrate how is possible to visualize the progress of soil moisture through electrical resistivity data.

Measurements were obtained using a resistivity meter with 25 electrodes connected to a multi-core cable in a 2-

D electrical imaging survey. The Res2dinv software allowed the construction of four geoelectrical sections. The

sections allowed the visualization of the progress of water plume, and demonstrated a progressive increase in soil

moisture, related to the low resistivity area. These results demonstrated the applicability of this method for

visualization of the soil moisture advance in a four hours period. 350 liters of clean water were used in this work,

which was conducted in the region of Planaltina, Distrito Federal on the campus of the Brasilia University.

Palavras-chave: geofísica, infiltração, geophysics, infiltration.

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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1. Introdução

O solo é a porção superior da crosta terrestre, formada pela desagregação e pela alteração

de rochas pré-existentes. Abaixo do solo, em profundidades que variam de alguns centímetros

até dezenas de metros, encontra-se a rocha inalterada, que pode ou não ser a matriz do solo

sobreposto. A água, oriunda de precipitação atmosférica, lagos e cursos de água, pode se

infiltrar no solo. Neste caso, a água passa a ser referenciada como subsuperficial. A

subsuperfície, normalmente apresenta duas regiões distintas, a zona não saturada, superior, e a

zona saturada, inferior. Na zona não saturada, os espaços vazios estão preenchidos por água e

por ar. Na zona saturada, os espaços vazios estão preenchidos exclusivamente por água. A

água pertencente à zona saturada é conhecida como água subterrânea.

O fluxo de água na zona não saturada é condicionado principalmente pela atração

molecular, traduzida neste caso como capilaridade e adsorção. A combinação entre essas

forças é genericamente referida como sucção. De modo simplificado, na zona não saturada,

água move-se em direção às regiões mais secas. A permeabilidade de um meio poroso tende a

diminuir com a redução da saturação. Isto ocorre porque em um meio não saturado, a

influência da sucção do meio sobre o fluxo de água manifesta-se com maior intensidade, além

do que a secção transversal por onde se dá o fluxo fica restrita às áreas molhadas Hillel

(1971). A infiltração é o processo pelo qual a água entra no solo, geralmente, mas não

necessariamente, na direção vertical e no sentido descendente. Se o meio estiver seco num

momento inicial, a ação da sucção faz com que ocorra uma elevada infiltração, a qual diminui

na medida em que o solo se umedece.

Métodos geofísicos podem ser utilizados no mapeamento geológico e na prospecção

mineral, bem como na identificação e monitoramento de parâmetros ambientais. A geofísica

permite a identificação e caracterização de parâmetros físicos do solo, permitindo obter

resultados sobre as suas condições de forma indireta, pois utiliza técnicas de investigação das

estruturas de subsuperfície através da aquisição e interpretação de dados instrumentais,

caracterizando-se, portanto, como métodos não invasivos ou não destrutivos Cetesb (1999).

O objetivo deste trabalho é mostrar como é possível visualizar a propagação da umidade

no solo por meio de medidas de resistividade elétrica. Este experimento foi realizado na

região de Planaltina-DF, no campus da Universidade de Brasília.

2. Metodologia de Trabalho

Os métodos geofísicos superficiais mais empregados para solucionar questões relativas à

proteção da água subterrânea e à detecção de poluentes na subsuperfície são aqueles

fundamentados nas características elétricas do substrato, mais especificamente na

resistividade elétrica que é a dificuldade que um corpo apresenta em se deixar atravessar por

uma corrente elétrica Mazac et al. (1987); Orellana (1972). A passagem de corrente elétrica

através das rochas deve-se à presença de minerais condutores na sua composição, ou à

existência de soluções iônicas nos seus espaços intersticiais. A resistividade dos solos e das

rochas normalmente diminui em duas situações: 1) quando o conteúdo de água ou a umidade

aumenta; 2) quando o conteúdo de sólidos dissolvidos na água intersticial aumenta. As rochas

e os solos argilosos tendem a ser menos resistivos que rochas e solos arenosos devido a

cátions que podem estar adsorvidos na superfície dos cristais de argila, e que atuam como

condutores de eletricidade Benson et al. (1982).

O método da resistividade elétrica requer que uma corrente elétrica seja injetada no solo

através de um par de eletrodos (A e B) fixados na superfície do terreno. A diferença de

potencial que se forma no solo é medida utilizando-se um segundo par de eletrodos (M e N).

A resistividade subsuperficial pode ser calculada conhecendo-se a geometria da disposição


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dos eletrodos, a corrente elétrica injetada e a voltagem medida Moura e Malagutti Filho

(2003); Nascimento (1999). O procedimento de campo para a disposição dos eletrodos foi o

arranjo de Wenner, utilizado normalmente para a perfilagem elétrica, que é a determinação da

variação lateral da resistividade, a uma profundidade constante. Este arranjo foi criado pelo

norte-americano Frank Wenner, em 1915, e caracteriza-se pela disposição equidistante dos

eletrodos de potencial e corrente, segundo uma linha reta Fetter (1994); Koefoed (1979); Van

Nostrand e Cook (1966). Segundo Barker (1989), a profundidade de investigação de um

arranjo de eletrodos deve ser aquela para qual a medida de resistividade pode ser melhor

associada. Esta profundidade dependeria das posições relativas de todos os eletrodos do

arranjo. De acordo com este autor, utilizando-se o arranjo de Wenner, a profundidade de uma

dada medida seria de, aproximadamente, a/2.

Para a execução das perfilagens elétricas, utilizou-se o Geopulse, um resistivímetro

fabricado por Campus Geophysical Instruments, Birmingham, Inglaterra (Figuras 1 e 2). O

Geopulse possui seleção manual de corrente entre 0,5 e 100 mA, executa leituras entre 0 e

180V, e pode ser utilizado em perfilagens e sondagens elétrica verticais. O Geopulse trabalha

com corrente contínua e é alimentado por uma bateria de 12 Volts. Durante sua operação,

pode optar-se pela medição da diferença de potencial (ddp), ou pela medição da resistência

elétrica (R) no terreno. O intervalo de leituras de R vai de 0,001Ohm até 360kOhm. Este

equipamento foi projetado para levantamento geofísico de pequena profundidade.

O Geopulse pode ser utilizado como um resistivímetro convencional, operando com dois

pares de eletrodos. Contudo, para aumentar a eficiência do trabalho, existe a possibilidade de

se automatizar a obtenção de dados conectando cabos especiais e um microcomputador

portátil ao resistivímetro. Na perfilagem, utilizou-se um cabo com 25 tomadas para eletrodos,

espaçadas de 1 metro. Este cabo permitiu a conexão simultânea e independente de 25

eletrodos ao Geopulse. Um microcomputador controlou a operação do equipamento através

do software Imager, fornecido pelo fabricante do aparelho. O software possibilitou ao

computador calcular e armazenar o valor da resistividade elétrica em um conjunto de pontos

da subsuperfície, que foram processados no programa Res2dinv Loke e Barker (1996), para

elaboração de quatro imagens (Figura 3) capazes de tornar possível a visualização do avanço

da água no solo ao longo do tempo.

O local onde foi desenvolvido o experimento corresponde ao pátio interno da Unidade de

Ensino e Pesquisa do Campus da Universidade de Brasília, situado na cidade de Planaltina -

Distrito Federal. Inaugurada no dia 16 de maio de 2006, a Faculdade UnB Planaltina nasceu

dentro do planejamento estratégico de expansão da Universidade de Brasília que visa, não só

a ampliação da oferta de vagas no ensino superior gratuito para a população do DF e Entorno,

como também, a implantação de cursos superiores comprometidos com o desenvolvimento

regional.

O solo do local do experimento corresponde a um Latossolo. Em função da sua

localização, o material constituinte do solo no local do experimento apresenta-se compactado

e com uma cobertura de gramíneas. O terreno plano e compactado determinou a vazão

utilizada neste experimento, com o objetivo de minimizar a formação de acúmulo de água na

superfície do terreno.


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Figura 1 - Equipamento geofísico.

0 6 12 18 24m

NÍVEL 1

NÍVEL 2

NÍVEL 3

NÍVEL 4

NÍVEL 5

NÍVEL 6

PONTOS DEMEDIÇÃO

MICROCOMPUTADOR

GEOPULSECABO COM 25 ELETRODOS, 1 ELETRODO A CADA METRO

NÍVEL ESPAÇAMENTO PONTOS DE PROFUNDIDADE CORRENTE DOS ELETRODOS MEDIÇÃO APROXIMADA EMPREGADA

1 1m 22 0.50m 0.5mA 2 2m 19 1.00m 0.5mA 3 3m 16 1.50m 1.0mA 4 4m 13 2.00m 1.0mA 5 5m 10 2.50m 2.0mA 6 6m 7 3.00m 2.0mA

Figura 2- Esquema da aquisição de dados.


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3. Resultados e Discussão

Os resultados possibilitaram a construção de quatro seções na área de estudo (Figura 3).

Estas seções correspondem a modelos geoelétricos da subsuperfície nos quais a distribuição

dos valores de resistividade elétrica representam a variação e o avanço da umidade no solo.

Nas seções obtidas todas as medições foram feitas em intervalos de uma hora em relação

à anterior. Para realização dos cálculos referentes ao volume de água na subsuperfície foi

considerada uma geometria esférica. As quatro imagens (Figura 3) foram identificadas com o

tempo de infiltração em 1, 2, 3 e 4 horas. A imagem correspondente ao tempo 1 hora (01:00)

mostra a constante influência da água no solo a uma vazão de 1,46 litros por minuto. Neste

intervalo foi possível que 85,87 litros de água infiltrassem na zona não saturada do solo, o que

corresponde a um volume saturado de forma esférica com diâmetro de 1,1 metro. Com o

aumento da umidade do solo encontram-se valores de resistividade elétrica na faixa de 580

Ohm.m.

Após duas horas (Tempo 02:00) de infiltração o solo já se encontra umedecido tendo

possivelmente menor taxa de infiltração devido a uma menor diferença no potencial matricial

da água no solo. O volume infiltrado foi de 175,71 litros, correspondente a uma meia esfera

com 2,4 metros diâmetro. Os valores de resistividade são relativamente menores em relação à

imagem anterior, estando entre 500 e 560 Ohm.m.

Na imagem referente ao tempo de infiltração de 3 horas (03:00) o volume de água

infiltrado foi de 263,57 litros, o que corresponde a 7,5 metros quadrados de área na superfície.

Os valores de resistividade elétrica são baixos estando entre 440 e 580 Ohm.m.

No último perfil a capacidade de infiltração do solo foi reduzida, devido à subsuperfície

já estar saturada o que provocou uma diminuição da taxa de infiltração. O volume de água

infiltrado foi de 351,42 litros que corresponde a uma área na superfície de 7,5 metros

quadrados. Nota-se que área ocupada e o volume em subsuperfície ocupado por esta água são

iguais aos da seção anterior, entretanto ocorre um aumento na área central da seção,

correspondente aos menores valores de resistividade na faixa de 420 Ohm.m.

4. Conclusões

Neste trabalho foi gerada uma pluma de água (limpa) que infiltra no solo. Esta pluma foi

visualizada por meio de uma perfilagem elétrica horizontal em diferentes momentos a partir

do início da infiltração. As seções geoelétricas mostraram um progressivo crescimento da área

de baixa resistividade imediatamente abaixo do ponto de lançamento de água. Considerando

que a redução da resistividade representa o aumento no conteúdo de umidade do solo, as

seções geoelétricas mostram o avanço da pluma em subsuperfície. Observa-se com este

resultado a grande aplicabilidade deste método na visualização da variação da umidade do

solo.

Agradecimentos

Laboratório de Geofísica Aplicada da Universidade de Brasília.


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Figura 3 - Seções Geoelétricas. Referências Bibliográficas

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