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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
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Source K. Lemke, Comet Program
Agua subterrânea
Figura (H. Chang, Lebac/Igc/Unesp
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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
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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).
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Fonte: Bruno et al., Hydrological Processes (2006)
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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
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
(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)
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Efeito de histerese para curva de retenção (Fonte: Lindsay Jr et al., 1988).
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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)
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Dinâmica da água no solo
1. Infiltração2. Drenagem
3. Geração de Escoamento
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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
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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)
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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
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Condutividade hidráulica e potencial
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- 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)
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Métodos de medição de umidade do solo
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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
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Método com tensiômetros (cápsula porosa)
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Refletômetro no domínio do tempo (TDR)
Refletômetro no domínio da frequência (FDR)Ciclo hidrológico à superfície
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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)
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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
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
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Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
Fonte: Brunini (1998)
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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)
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Ward & Trimble: Profundidade das raizes
Raízes de milho no perfil de um latossolo argiloso, sem e com aplicação do gesso.
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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)
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Pastagem em Manaus (Faz. Dimona) Fonte: Rocha et al (1996)
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Interceptação de chuva
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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.
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Interceptação de chuva
Fonte: Ramirez (Journal of Climate, 1999)
Ciclo hidrológico à superfícieNotas de aulas AGM5724 (Interação Biosfera-Atmosfera, IAG/Usp)
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)
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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)
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Termo de escoamento nos troncos
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Capacidade de armazenamento da chuva (em mm)
~ (0,1 a 0,5) do IAF
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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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