Propriedades hidráulicas do solo para as diferentes classes texturais
INTRODUÇÃO
As propriedades hidráulicas do solo, nomeadamente as curvas de retenção da água
no solo e da condutividade hidráulica, constituem a base de muitos estudos
agronómicos e ambientais. A curva de retenção de água no solo, θ(h), relaciona
teor de água volúmico da fase líquida do solo (θ) com o potencial matricial ou
pressão efectiva da água no solo (h). A condutividade hidráulica, K(h), é o
factor de proporcionalidade entre o fluxo e o gradiente da carga hidráulica na
equação de Darcy. As propriedades hidráulicas do solo são geralmente descritas
através de modelos paramétricos, cujos parâmetros constituem os dados de
entrada da maior parte dos modelos de simulação do movimento de água e de
transporte de solutos na região vadosa do solo. De entre os vários modelos
paramétricos existentes, o mais utilizado é o modelo de Mualem-van Genuchten
(van Genuchten, 1980), que relaciona o teor de água no solo, θ, com a pressão
efectiva, h, através de:
(1),
e a condutividade hidráulica, K, com a pressão efectiva, h, através de:
(2),
em que Se é o teor de água efectivo [L3L-3], θr e θs correspondem aos teores de
água residual e na saturação [L3L-3], respectivamente, Ks é a condutividade
hidráulica saturada [LT-1], α [L-1] e η [-] são parâmetros de ajustamento
empíricos, m = 1–1/n, e é um parâmetro que descreve a conectividade/
tortuosidade dos poros [-].
Embora de uso relativamente simples, muitos dos métodos laboratoriais e de
campo utilizados para determinação das propriedades hidráulicas (Dane e Topp,
2002) são morosos, dispendiosos, bastante trabalhosos e limitados ao tamanho
das amostras colhidas para o efeito, restringindo a sua utilização devido à
heterogeneidade do meio. De facto, estas propriedades são afectadas pela
textura e estrutura do solo, teor de matéria orgânica, fenómenos de expansão de
argilas, dispersão de partículas, formação de crosta, concentração e composição
iónica da solução de solo e ainda pelas práticas culturais, originando grande
variabilidade espacial.
Para melhor compreender essa variabilidade espacial têm sido criadas
internacionalmente, bases de dados que procuram reunir os estudos existentes,
relacionando as propriedades hidráulicas dos solos com outras características
do solo, nomeadamente, as suas propriedades básicas. Os exemplos mais
relevantes são a HYPRES (HYdraulic PRoperties of European Soils) (Wösten et
al., 1999), que reúne a informação existente na Europa, e a UNSODA (UNsaturated
SOil hydraulic DAtabase) (Nemes et al., 2001), que reúne a informação existente
produzida a nível mundial.
A partir da informação existente na base de dados UNSODA, Carsel e Parish
(1988) e Schaap et al. (1998) publicaram os parâmetros médios do modelo de
Mualem-van Genuchten para cada classe textural, segundo a classificação USDA.
Para os limites da escala de Atterberg, recomendada pela Sociedade
Internacional de Ciência do Solo e seguida pela Sociedade Portuguesa da Ciência
do Solo, essa informação não existe.
Este trabalho tem como objectivo estudar a variabilidade das propriedades
hidráulicas dos solos portugueses em cada classe textural do diagrama
triangular de Gomes e Silva (1962), a partir da informação reunida na base de
dados PROPSOLO (Ramos et al., 2007) existente na Estação Agronómica Nacional
(EAN).
MATERIAL E MÉTODOS
Esquema relacional da base de dados PROPSOLO
A base de dados PROPSOLO (PROPriedades do SOLO) foi criada em 1997 com o
objectivo de reunir a informação relativa às propriedades físicas, químicas e
hidrodinâmicas dos perfis dos solos estudados no Departamento de Ciência do
Solo (DCS) da EAN e que anteriormente se encontrava dispersa por diversas teses
de doutoramento, trabalhos de fim de curso, artigos científicos e relatórios.
A primeira versão da base de dados PROPSOLO, constituída apenas por uma tabela
relacional criada numa folha de cálculo, teve como finalidade desenvolver
funções de pedo-transferência para a obtenção dos parâmetros do modelo de van
Genuchten (van Genuchten, 1980) e de Gardner (Gardner, 1958) para as curvas θ
(h) e K(h), respectivamente, a partir das propriedades básicas do solo
(Gonçalves et al., 1997). Agregava informação relativa a 230 curvas θ(h) e 120
curvas K(h), incluindo medições do teor de água a 11 pressões efectivas, entre
-2.5 e -15848.9 cm de água, medições da condutividade hidráulica saturada e
insaturada, granulometria, massa volúmica aparente, pH e matéria orgânica. Os
perfis de solo eram classificados de acordo com Cardoso (1974) e segundo a
classificação da FAO, então em vigor. O primeiro perfil incluído na base de
dados datava de 1977. Uma segunda versão da base de dados foi desenvolvida
pouco tempo depois, em que apenas se adicionaram os parâmetros de Mualem-van
Genuchten (Gonçalves et al., 1999).
A terceira versão (Ramos et al., 2007) teve como principal objectivo a
georreferenciação de todos os perfis de solo existentes na base de dados. A
informação contida na base de dados foi ainda alargada a outras propriedades
físicas e químicas do solo. A PROPSOLO, para além das propriedades presentes na
primeira versão, passou também a incluir: a porosidade total; os teores de
carbonatos; os teores de azoto total, nítrico e amoniacal; os teores de fósforo
e potássio; os teores de Na+, Ca2+, Mg2+, K+ extraíveis, solúveis e de troca; a
condutividade eléctrica (CE); a razão de adsorção de sódio (SAR); a percentagem
de sódio de troca (ESP); a capacidade de troca catiónica (CTC) e os teores de
cloretos (Cl-) no solo. De modo a melhor organizar a informação nela contida, a
PROPSOLO foi dividida em 8 tabelas relacionais (DISTRITO, CONCELHO, FREGUESIA,
SOLO, HORIZONTE, FISICA, QUIMICA e HIDRODINAMICA). Dado o número significativo
de perfis de solo que a base de dados já dispunha, foi também desenvolvido um
script em SQL (Structured Query Language) de modo a permitir mais facilmente a
consulta da informação pretendida através do sistema gestor de base de dados
MySQL (versão 5.0). A PROPSOLO passou assim a utilizar um sistema gestor de
distribuição gratuita e uma linguagem vulgarmente usada em grande parte das
bases de dados (Henley, 2006). Apesar de usar um sistema gestor diferente, a
PROPSOLO seguia os modelos das bases de dados internacionais dedicadas ao
estudo das propriedades hidráulicas dos solos, nomeadamente a HYPRES (Wösten et
al., 1999) que foi desenvolvida no sistema gestor ORACLE, e a UNSODA (Nemes et
al., 2001), esta implementada em Microsoft Access. A PROPSOLO tornava-se ainda
compatível com um Sistema de Informação Geográfica (SIG), devido à
obrigatoriedade dos perfis nela incluídos estarem georreferenciados.
Em 2009 procedeu-se a nova reestruturação da informação disponível na base de
dados, de modo a incluir, também, as metodologias utilizadas na determinação de
cada propriedade do solo e que anteriormente vinham descritas em Ramos et al.
(2007). Na prática, esta reestruturação do esquema relacional implicou a
possibilidade de a PROPSOLO poder acolher, também, a informação relativa às
propriedades físicas, químicas e hidrodinâmicas de perfis dos solos estudados
noutros laboratórios e onde as metodologias utilizadas poderão diferir das
utilizadas regularmente no DCS. O novo esquema relacional da base de dados
PROPSOLO é apresentado na Figura 1.
Figura_1 ' Esquema relacional da base de dados PROPSOLO.
O corpo principal da base de dados é composto pelas tabelas SOLO e HORIZONTE. A
tabela SOLO contém as referências de cada perfil de solo estudado,
nomeadamente, a sua identificação, localização geográfica, data de amostragem,
classificação do solo, referência bibliográfica onde os dados foram publicados
e identificação do laboratório responsável por esses dados. A tabela HORIZONTE
contém os limites, profundidade média e espessura de cada camada/horizonte. As
duas tabelas estão interligadas entre si por uma multiplicidade de 1:n, ou
seja, um perfil de solo pode conter um ou mais horizontes, mas um determinado
horizonte faz apenas parte de um perfil de solo. A tabela HORIZONTE tem por
isso, como chave estrangeira, a chave primária da tabela SOLO.
A tabela HORIZONTE está por sua vez associada às tabelas FISICA, QUIMICA e
HIDRODINAMICA que agrupam as propriedades físicas, químicas e hidrodinâmicas de
cada horizonte/camada, respectivamente. A tabela FISICA contém, assim, a
granulometria, massa volúmica aparente, porosidade total, teores de água a
diversas sucções e a condutividade hidráulica saturada de cada horizonte/
camada. A tabela QUIMICA agrupa por sua vez os teores de carbonatos; os teores
de azoto total, nítrico e amoniacal; os teores de fósforo e potássio; os teores
de Na+, Ca2+, Mg2+, K+ extraíveis, solúveis e de troca; a CE; o SAR; o ESP; a
CTC e os teores de Cl- de cada horizonte/camada. A tabela HIDRODINAMICA reúne
os parâmetros do modelo de Mualem-van Genuchten (θr, θs, α, η, e Ks) que
descrevem as curvas de retenção de água e da condutividade hidráulica de cada
horizonte/camada. O tipo de ligação entre estas três tabelas e a tabela
HORIZONTE é do tipo 1:1, isto é, cada camada/horizonte de solo é caracterizado
apenas por um valor de uma determinada propriedade do solo (ex: massa volúmica
aparente), assim como cada valor de uma determinada propriedade do solo diz
respeito apenas a um determinado horizonte. São as tabelas FISICA, QUIMICA e
HIDRODINAMICA que possuem como chave estrangeira, a chave primária da tabela
SOLOS, para assim facilitar a remoção e actualização destas tabelas, alterações
de campos e adição de novos atributos que venham a ser considerados de
interesse.
Nesta nova versão, a base de dados tem ainda associada à tabela HORIZONTE, a
tabela SOLUTOS que integra os parâmetros de transportes de solutos determinados
em cada horizonte/camada de solo, nomeadamente, os coeficientes de dispersão
(D) e de retardação (R) e a dispersividade (disp). Os parâmetros de transporte
de solutos incluídos na base de dados foram obtidos de acordo com os
procedimentos experimentais descritos em Gonçalves et al. (2001). Contudo, esta
tabela permite a inclusão de todas as metodologias utilizadas na determinação
daqueles parâmetros tendo-se seguido para isso o modelo proposto por
Vanderborght e Vereecken (2007). O tipo de ligação da tabela SOLUTOS à tabela
HORIZONTE é do tipo 1:n permitindo também a inclusão dos valores de todas as
repetições analisadas para cada horizonte/camada.
As tabelas SOLO, FISICA e QUIMICA estão ligadas à tabela METODOS permitindo a
identificação das metodologias utilizadas na classificação dos solos ou na
determinação das suas propriedades físicas e químicas. O tipo de ligação entre
estas tabelas é do tipo 1:n uma vez que o mesmo método pode ser utilizado para
mais do que uma propriedade do solo. Essas ligações fazem-se através das chaves
estrangeiras identificadas na Figura_1 pelos atributos terminados na letra M.
Acessoriamente, a tabela SOLO está também associada à tabela FREGUESIA, que por
sua vez está associada à tabela CONCELHOS, a qual está também relacionada com a
tabela DISTRITOS. Estas tabelas com a divisão administrativa do país servem
apenas para melhor localizar cada perfil de solo estudado, seguindo uma
multiplicidade de 1:n. Finalmente, a tabela DESCRICAO contém a descrição, em
português e inglês, de todos os atributos e tabelas incluídas na base de dados,
não estando por isso associada a qualquer outra tabela relacional.
Todos os campos não preenchidos na base de dados PROPSOLO são representados
pelo valor NULL. Esta situação é comum nas bases de dados de solos (Henley,
2006) e resulta de nem sempre ser possível realizar a amostragem de solo e/ou a
respectiva análise laboratorial, ou ainda por o parâmetro correspondente a esse
campo não ter sido avaliado nos estudos de solos em cujos objectivos não se
incluía a obtenção desse parâmetro.
Propriedades hidráulicas do solo
As curvas θ(h) e K(h) existentes na tabela HIDRODINAMICA da base de dados
PROPSOLO foram analisadas por classes texturais, segundo o diagrama triangular
de Gomes e Silva (1962). Em cada classe textural foram considerados todos os
tipos de horizontes que fazem parte da base de dados não se fazendo qualquer
distinção entre camadas. Desta análise foram apenas retiradas as curvas θ(h) e
K(h) obtidas para os solos do Arquipélago dos Açores que, devido à presença de
minerais de argila do tipo alofanas, apresentam características muito
diferentes dos solos existentes em Portugal Continental, nomeadamente, a massa
volúmica aparente que é muito baixa e a porosidade total e capacidade de
retenção de água que são muito elevadas (Fontes et al., 2004).
Para Portugal Continental, a PROPSOLO contém 558 curvas θ(h) e 245 curvas K(h),
cuja distribuição por classes texturais é apresentada na Figura 2. É importante
referir que todas as curvas aqui analisadas foram determinadas em amostras no
estado natural (não perturbadas). Também importa referir que a base de dados
não contém solos de textura Limosa, uma vez que, até à data, tal classe
textural nunca foi encontrada nos estudos conduzidos pelo DCS.
Figura 2 ' Distribuição das curvas de retenção de água θ(h) e da condutividade
hidráulica K(h) no diagrama triangular de Gomes e Silva (1962). (Ar, Arenosa;
ArF, Areno-Franca; FAr, Franco-Arenosa; F, Franca; FL, Franco-Limosa; FAAr,
Franco-Argilo-Arenosa; FA, Franco-Argilosa; FAL, Franco-Argilo-Limosa; AAr,
Areno-Argilosa; AL, Argilo-Limosa; A, Argilosa).
Para cada classe textural, determinaram-se os valores médios (xm), desvio
padrão (σ), valores máximos (max) e mínimos (min) de cada um dos parâmetros do
modelo de Mualem-van Genuchten disponíveis na base de dados.
Os valores de θ e de K para as pressões efectivas de 0, -2.5, -10, -20, -50, -
100, -200, -250, -500, -1000, -2000, -5000, -10000, -15000 e -16000 cm de água
foram gerados a partir de cada curva parametrizada existente na base de dados.
Calcularam-se os valores médios de θ e de K em função de h, e respectivo desvio
padrão, garantindo-se assim que todos os horizontes/camadas tinham o mesmo
numero de observações nos cálculos realizados. Com base nos valores médios de θ
e de K obtidos, utilizou-se o software RETC (van Genuchten, 1991) para estimar
funções médias representativas de cada classe textural (θr classe, θs classe,
αclasse, ηclasse, classe e Ks classe).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
No Quadro 1 apresentam-se os valores médios, desvio padrão, valores máximos e
mínimos dos parâmetros de Mualem van Genuchten (θr, θs, α, η, e Ks) para cada
classe textural, de acordo com o diagrama triangular de Gomes e Silva (1962).
No mesmo quadro apresentam-se, também, os valores médios dos parâmetros de
Mualem-van Genuchten por classe de textura estimados a partir das pressões
efectivas impostas (θr classe, θs classe, αclasse, ηclasse, classe e Ks
classe). Estes parâmetros permitem obter uma função θ(h) e K(h) média para cada
classe de textura.
Quadro 1 ' Valores médios (xm), desvio padrão (σ), valores máximos (max) e
mínimos (min) e valores médios estimados (θr classe, θs classe, αclasse,
ηclasse, classe e Ks classe) dos parâmetros de Mualem van Genuchten para as
classe texturais do diagrama de Gomes e Silva (1962).
Os valores médios disponíveis na PROPSOLO para o parâmetro θr variam entre
0.004 (FL ' textura Franco-Limosa) e 0.087 (A) cm3 cm-3. Estes valores são
contudo inferiores aos indicados por Carsel e Parish (1988) cujos valores se
situavam entre 0.045 (Ar) e os 0.100 (AAr) cm3 cm-3, e também em relação a
Schaap et al. (1998), cujos valores variam entre 0.049 (ArF) e 0.117 (AAr) cm3
cm-3. Tal deve-se ao facto de 66% dos horizontes presentes na base de dados
PROPSOLO terem sido ajustados a um θr de 0.000 cm3 cm-3. Pela mesma razão, o
parâmetro θr classe foi também de 0.000 cm3 cm-3, para a maior parte das
classes texturais.
Os valores médios para o parâmetro θs variam entre 0.383 (FAAr) e 0.563 (A) cm3
cm-3, verificando-se uma tendência para o aumento de θs das texturas ligeiras
para as finas. O mesmo pode ser observado em Schaap et al. (1998), onde θs
aumenta de 0.375 (Ar) para 0.489 (L) e 0.457 (A) cm3 cm-3. No entanto, Carsel e
Parish (1988) apresentam uma diminuição do parâmetro θs das texturas mais finas
(θs =0.38 cm3 cm-3, na classe Argilosa) para as grosseiras (θs =0.43 cm3 cm-3,
na classe Arenosa). Os valores de θs disponíveis na PROPSOLO são da mesma ordem
de grandeza dos disponíveis nas bases de dados internacionais.
O parâmetro α (valor médio) varia entre 0.049 (Ar) e 0.482 (A) cm-1, não se
observando, tal como em Schaap et al. (1998), qualquer tendência de aumento ou
diminuição deste parâmetro em função do tipo de classe textural. Contudo, em
Carsel e Parish (1988) essa tendência é clara, onde α diminui das classes
ligeiras (α =0.145 cm-1 na classe arenosa) para as classes mais finas (α =0.008
cm-1 na classe argilosa). O parâmetro αclasse apresenta valores diferentes dos
observados para os valores médios (xm), confirmando a dificuldade de
representar uma classe textural com base naquele parâmetro.
O parâmetro η diminui das classes de textura grosseira (η=2.05 na classe
Arenosa) para as classes de textura mais fina (η=1.15 na classe Argilosa), tal
como reportado por Carsel e Parish (1988) e por Schaap et al. (1998).
O parâmetro varia entre -0.48 (Ar) e -11.97 (FAL), o que revela o aumento da
tortuosidade, como seria de esperar, das texturas grosseiras para as texturas
mais finas. Apenas Schaap et al. (1998) apresenta dados sobre este parâmetro,
seguindo as mesmas tendências observadas na PROPSOLO, embora os valores médios
observados variem entre 0.365 (FL) e -3.665 (AL).
A condutividade hidráulica saturada (Ks) apresenta grandes variações dentro de
cada classe textural, sendo o desvio padrão, em todos os casos, da mesma ordem
de grandeza, ou mesmo superior aos valores médios de cada classe. Assim, apesar
da PROPSOLO contar já com 245 curvas K(h), é um número ainda não suficiente de
modo a caracterizar este parâmetro para cada classe textural, devido à sua
grande heterogeneidade espacial.
Nas Figuras 3, 4 e 5 apresentam-se as curvas θ(h) e K(h) médias obtidas para
cada uma das classes texturais em função dos parâmetros de Mualem-van Genuchten
ajustados (θr classe, θs classe, αclasse, ηclasse, classe e Ks classe) e
obtidos a partir dos teores médios de água no solo obtido às sucções e -0, -
2.5, -10, -20, -50, -100, -200, -250, -500, -1000, -2000, -5000, -10000, -15000
e -16000 cm de água. Nas mesmas figuras pode-se também observar o desvio padrão
dos teores de água em cada uma das sucções definidas.
Figura 3 ' Curvas de retenção de água e da condutividade hidráulica para as
texturas Arenosa, Areno-franca, Franco-Arenosa e Franca.
Figura 4 ' Curvas de retenção de água e da condutividade hidráulica para as
texturas Franco-Limosa, Franco-Argilo-Arenosa, Franco-Argilosa e Franco-Argilo-
Limosa.
Figura 5 ' Curvas de retenção de água e da condutividade hidráulica para as
texturas Argilo-Arenosa, Argilo-Limosa e Argilosa.
Como exemplo, passa-se a discutir alguns aspectos das classes texturais Arenosa
e Argilosa. A curva θ(h) obtida para a classe Arenosa apresenta uma porosidade
total média de 0.396 cm3 cm-3 (σ=0.060 cm3 cm-3) e teores médios de água às
sucções de 100 e 16000 cm de 0.119 (σ=0.072 cm3 cm-3) e 0.027 cm3 cm-3 (σ=0.017
cm3 cm-3), respectivamente. Por sua vez, a curva θ(h) para a classe Argilosa
apresenta uma porosidade total média de 0.482 cm3 cm-3 (σ=0.067 cm3 cm-3) e
teores médios de água às sucções de 100 e 16000 cm de água de 0.391 (σ=0.044
cm3 cm-3) e 0.271 cm3 cm-3 (σ=0.053 cm3 cm-3), respectivamente.
Em relação às curvas K(h), as curvas médias obtidas para aquelas duas texturas
(Arenosa e Argilosa) descrevem os dois principais tipos de curvas existentes.
Para os solos arenosos, os valores de K(h) permanecem constantes até ao valor
da pressão de entrada de ar nestes solos. A partir deste ponto, K(h) apresenta
um decréscimo muito acentuado. Para os solos argilosos, a curva K(h) obtida é
típica de solos com macroporos, uma vez que os valores de Ks são de uma ordem
de magnitude superior aos valores de condutividade hidráulica correspondentes a
apenas alguns centímetros de pressão efectiva, mas suficientes para drenar os
macroporos. Na maior parte das classes texturais, as curvas K(h) apresentam
características intermédias às duas curvas aqui descritas.
CONCLUSÕES
Os parâmetros do modelo de Mualem-van Genuchten (θr, θs, α, η, e Ks)
disponíveis na base de dados PROPSOLO apresentam grande variabilidade, mesmo
dentro de cada classe textural, nomeadamente, os parâmetros α e Ks. A
quantificação da variabilidade das propriedades hidráulicas do solo requererá,
no entanto, um trabalho contínuo e mais profundo, de modo a aumentar o número
de curvas θ(h) e K(h) disponíveis para este tipo de estudos. Existem lacunas de
informação relativas às propriedades hidráulicas que deverão ser colmatadas no
futuro, nomeadamente, para as classes texturais Limosa e Argilo-Arenosa e da
condutividade hidráulica insaturada para a totalidade das classes texturais.
