Avanços no desenvolvimento de equipamento para avaliação da erosão hídrica em laboratório / Advances in the development of equipment for the evaluation of water erosion in the laboratory

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p. 61290-61300. aug. 2020. ISSN 2525-8761

Avanços no desenvolvimento de equipamento para avaliação da erosão hídrica

em laboratório

Advances in the development of equipment for the evaluation of water erosion

in the laboratory

DOI:10.34117/bjdv6n8-519

Recebimento dos originais: 25/07/2020 Aceitação para publicação: 24/08/2020

Andréa Cristina Thoma

Doutoranda em Produção Vegetal - UFVJM

Patric Souza Santa

Graduando Engenharia Geológica

Vítor Lima de Oliveira

Graduando em agronomia

Wagner Lima de Oliveira

Graduando em agronomia

Bernat Vinolas Prat

Professor adjunto – ICT/UFVJM

Alexandre Christofaro Silva

Professor Titular - DEF/UFVJM

RESUMO

O solo sofre erosão hídrica, intensificada pela ação antrópica. A erosão produz uma grande perda de solo produtivo e uma consequência é a diminuição de seu potencial agrícola. Devido a importância de avaliação deste tipo de erosão foram desenvolvidos no laboratório vários equipamentos para avaliação das perdas de solo por erosão hídrica. Este trabalho apresenta modificações no ensaio de Inderbitzen, utilizando-se o equipamento desenvolvido por Inderbitzen, para avaliar a erosão hídrica de solos. As modificações foram feitas para avaliar o controle de erosão em áreas declivosas, com e sem barreira física e com simulador de chuva, de maneira a facilitar o uso e operação, minimizar custos, utilizando materiais de fácil aquisição e permitir o uso de maior volume de solo em relação às versões anteriores do equipamento.

Palavras-chave: Erosão do solo, Inderbitzen, avaliação da erosão do solo, contenção erosão solo ABSTRACT

The soil undergoes water erosion, intensified by anthropic action. Erosion produces a great loss of productive soil and a consequence is the decrease of its agricultural potential. Due to the importance of evaluating this type of erosion, several equipment were developed in the laboratory to assess soil losses due to water erosion. This work presents modifications in the Inderbitzen test, using the equipment developed by Inderbitzen, to assess soil water erosion. The modifications were made to

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evaluate the erosion control in sloping areas, with and without physical barrier and with rain simulator, in order to facilitate the use and operation, minimize costs, using materials of easy acquisition and allow the use of a larger volume of compared to previous versions of the equipment.

Keywords: Soil erosion, Inderbitzen, assessment of soil erosion, containment of soil erosion.

1 INTRODUÇÃO

O solo, principal substrato para o crescimento das plantas, é susceptível a processos erosivos. O processo de erosão depende de vários fatores como clima, tipo de solo, declividade e densidade de cobertura vegetal (Soares, 2019). A pesar da erosão ser um processo natural, esta pode ser intensificada pela ação humana. Estima-se que um 30% dos solos do Planeta Terra estão degradados (FAO, 2015). O processo erosivo ocasiona grande perda de solo agrícola, diminuindo a capacidade produtivo.

Erosão natural ou geológica é um processo natural de desnudação, que provoca modificações contínuas das paisagens, pela desagregação e transporte das partículas de solo pelos agentes erosivos tais como a chuva, o vento, as geleiras e os cursos d’água. Porém, estas modificações ocorrem de forma lenta e gradual ao longo do tempo e são consideradas normais e benéficas, pois resultam em inúmeras formas de relevo da superfície terrestre como colinas suaves, planícies extensas e vales férteis (BASTOS, 1999; BERTONI e LOMBARDI NETO, 1999; TOMASI, 2015).

Erosão antrópica ou acelerada aumentando sua intensidade de várias formas, provocando desequilíbrios intensos na paisagem. Quando o equilíbrio é afetado bruscamente, numa escala de tempo relativamente curta, a reestruturação da paisagem é muto lenta. As intervenções antrópicas executadas sem planejamento e preocupação com a sustentabilidade ambiental potencializam o processo erosivo dos solos e geram prejuízos tanto em áreas urbanas quanto em áreas rurais, retirando a proteção dos solos, impermeabilizando áreas, aumentando o volume de enxurradas, gerando maior transporte e deposição de sedimentos em cursos d’água como rios, lagos e reservatórios, provocando assoreamento (BASTOS, 1999; TOMASI, 2015).

Vários trabalhos pautam a avaliação da erosão em laboratório, tema de suma importância para avaliar os impactos da perda de solo. Uma analise laboratorial permite avaliar a erosão de cada tipo de solo em função de diferentes parâmetros: intensidade e tempo de chuva, existência de cobertura vegetal, declividade, dentre outros. Este análise permite criar mapas de risco de áreas mais susceptíveis e priorizar atuações. A recriação de processos erosivos em campo tem custos e tempo bem maiores do que em laboratório (Bastos, 1999, Jacinto et al. 2006). Assim, vários equipamentos foram desenvolvidos para avaliação de erosão em laboratório.

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Diante do exposto o objetivo de este trabalho é propor um novo modelo de equipamento para a avaliação da erosão em laboratório, que consiga simular com eficácia a erosão. Os objetivos específicos são:

• Avaliar quais características deveriam ter um equipamento para avaliar a erosão do solo em laboratório, simulando vários fatores envolvidos de forma conjunta;

• Comparar diferentes equipamentos de avaliação da erosão em laboratório;

• Descrever as modificações e/ou ampliações de equipamentos existentes para avançar no desenvolvimento de um que simule de maneira mais eficiente as condições de campo.

2 METODOLOGIA

A metodologia está dividida em três fases, de acordo com os três (3) objetivos específicos. Na primeira fase foi realizada uma revisão bibliográfica para descrever os fatores que mais influenciam a erosão. Estes aspectos foram aqueles simulados no laboratório para avaliar a erosão. Nas condições de campo, vários são os fatores que atuam de forma simultânea no processo de erosão. Por exemplo, em eventos intensos de precipitação, a água pode tanto infiltrar no solo como escoar superficialmente e estes dois fatores devem ser avaliados conjuntamente. Da mesma forma, um mesmo tipo de solo pode ser encontrado em diferentes declividades e densidades de cobertura vegetal. Desta forma, deve-se buscar reproduzir em laboratório várias combinações dos principais fatores que influenciam o processo erosivo.

Na segunda fase foi realizada, a partir de uma revisão da literatura, um levantamento dos equipamentos desenvolvidos, assim como uma análise das características de cada um. Foram utilizadas as seguintes palavras chave: 1) Inderbitzen – erosão - solo; 2) avaliação em laboratório – erosão - solo. Inderbitzen é a denominação de um equipamento desenvolvido primordialmente para avaliação da erosão (Inderbitzen, 1961). Desde então, vários equipamentos de avaliação da erosão em laboratório foram desenvolvidos a partir deste modelo. Todos os equipamentos descritos na literatura foram avaliados da seguinte forma: dimensões, tamanho da amostra do solo (deformada ou indeformada) e fatores avaliados (declividade, infiltração, escoamento, cobertura vegetal e possibilidade de testagem de elementos de contenção). Posteriormente foram avaliadas as características principais dos simuladores de chuva utilizados.

Na terceira fase, com base nos equipamentos encontrados na fase anterior e após avaliar suas características, foi desenvolvido um novo equipamento para avaliação da erosão em laboratório. Este desenvolvimento está detalhado a seguir.

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3 RESULTADOS

3.1 FATORES QUE INFLUENCIAM NA EROSÃO DO SOLO Os fatores que influenciam a erosão hídrica são:

1- Fatores climáticos. Segundo Bastos (1999) a chuva, temperatura, radiação solar e vento são os fatores climáticos que influenciam na erosão do solo. A chuva é, sem dúvida, o mais importante e provoca diretamente a erosão pelo impacto das gotas sobre a superfície e determina o fluxo concentrado das águas de escoamento superficial. Sua ação erosiva, chamada de erosividade, dependente da distribuição pluviométrica (tempo e intensidade de chuva);

2- Fatores topográficos. Declividade e o comprimento de rampa. Influem particularmente no escoamento superficial: terrenos com maiores declividades e comprimentos de rampa apresentam maiores velocidades de escoamento superficial e, consequentemente, maior capacidade erosiva (Spohr et. al., 2009);

3- Fator vegetação (densidade da cobertura vegetal). Tem efeitos na interceptação da chuva e no decréscimo da velocidade do escoamento superficial. Mudanças no regime de escoamento superficial e subterrâneo são observados como consequência do desmatamento e alteração nas formas de uso do solo. Por outro lado, as raízes afetam propriedades do solo aumentando a sua resistência à erosão. O plantio de espécies também pode ajudar a diminuição da erosão (Bellinasso e Vania, 2019).

4- Fator solo. Independiente do clima, declividade e vegetação, há tipos de solo que são mais propensos à erosão. Fatores como granulometria do solo, porosidade, resistência das partículas ao impacto, dentre outros, influenciam o processo erosivo. A taxa de erodibilidade do solo (Cassol e Lima, 2003) é a que mede de forma quantitativa quanto um solo pode ser mais ou menos erodido nas mesmas condições de clima, declividade e densidade de cobertura vegetal.

Em síntese, um eficiente equipamento de laboratório para avaliar a erosão deve ter as seguintes caraterísticas: a) possibilitar a coleta de amostras de solo indeformadas; b) simular a precipitação pluviométrica em diferentes intensidades e tempos de duração e o escoamento da água com diferentes tipos de fluxo; c) ajustar a declividade; d) possibilitar o uso de elementos de contenção da erosão que podem favorecer a diminuição da erosão. Os elementos de contenção ajudam a diminuir a energia de erosão da água de chuva e podem auxiliar para criar as curvas de nível, fator que influencia na contenção da erosão do solo (dos Santos et al., 2019).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p. 61290-61300. aug. 2020. ISSN 2525-8761 3.2 ANÁLISE DE EQUIPAMENTOS DESCRITOS NA LITERATURA

Na tabela 1 se apresentam os equipamentos que avaliam a erosão em laboratório tendo como fator principal o escoamento da água. Em alguns casos, no equipamento é incorporado um modelo simples de simulação de chuva. Na tabela 2 são mostrados os equipamentos que só simulam a precipitação. Alguns deles avaliam os efeitos da precipitação no campo.

Tabela 1 - Equipamentos existentes para avaliação da erosão do solo

Equipamento e referencia Características principais Fatores avaliados*

Tamanho da amostra

Inderbitzen - An erosion test for soils (Inderbitzen, 1961)

Rampa metálica com 76,20 cm de longitude. Utiliza-se tubo de cobre perfurado com largura parecida a rampa na parte inicial

de esta para manter vazão constante. Escoamento da água e variação da declividade. 15,24 cm de diâmetro e 4,6 cm de altura Proposição de uma metodologia de estudo de erodibilidade dos solos do Distrito Federal, UnB, Brasília, DF (Fácio, 1991).

Similar a Inderbitzen. Com colocação de três (3) rampas paralelas reduzindo a longitude da

rampa a 130 cm Escoamento da água e variação da declividade. 10 cm de diâmetro e 4,6 cm de altura Estudo geotécnico sobre a

erodibilidade de solos residuais não saturados. (Bastos, 1999)

Modelo similar a Inderbitzen com rampa de 25 cm de largura e 60 cm de comprimento Escoamento da água e variação da declividade. 9,76 cm de diâmetro e 5 cm de altura Desenvolvimento de uma nova versão do aparelho inderbitzen. (Fragassi et al.,

2001).

Aparelho Inderbitzen mais versátil que permite resolver alguns dos problemas existentes nos aparelhos convencionais, tais como a concentração de fluxo de água durante a descida na rampa e

a fixação de apenas dois ângulos de inclinação da rampa. Escoamento da água e variação da declividade. 15,24 cm de diâmetro e 4,6 cm de altura Ensaio Inderbitzen modificado: um novo modelo para avaliação do

grau de erodibilidade do solo. (Freire, 2001)

Aparelho Inderbitzen com incorporação de simulador de

chuva. Duas linhas de chuveiramento através de tubos perfurados, dispostos a uma altura

de 0,20 m, com sua pressão controlada por manômetros

Escoamento da água, precipitação pluviométrica e variação da declividade. 10 cm de diâmetro e 4,6 cm de altura Avaliação da erosão superficial em áreas de cultivo com plantio direto e

plantio convencional, utilizando o aparelho de Inderbitzen (Lemos, 2002).

Modelo similar a Inderbitzen com incorporação de simulador de chuva. Malla (10 x 10 cm) de fitas gotejantes com 20 cm de distância

entre os pontos de quedas das gotas, no diâmetro de 1/2", com

uma área de cobertura de 4 m2

Escoamento da água, precipitação pluviométrica e variação da declividade. 10 cm de diâmetro e 4,6 cm de profundida de Emprego de diferentes métodos para avaliação geotécnica da erodibilidade

de um solo (Ide and Giacheti, 2009)

O equipamento empregado é uma mistura entre o proposto inicialmente por Inderbitzen com rampa de 50 cm de comprimento x 11 cm de largura. Com incorporação de simulação do impacto da gota Escoamento da água, precipitação pluviométrica e variação da declividade. 10 cm de diâmetro e 5 cm de profundida de

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Tabela 2 - Equipamentos existentes para simulação da precipitação pluviométrica

Equipamento e

referencia Características principais

Tipo de amostra avaliada e tamanho Infiltração de água em solo com simulador de chuvas e determinada pelo método dos anéis

(Costa, 1996).

Tubulação de 12 m de longitude, diâmetro de 1” com aspersores tipo difusor espaçados 0,5 m. Esta

tubulação e elevada e sustentada por estrutura de cabos de aço com incorporação de rodinhas para

sua movimentação.

A amostra é avaliada em campo. Tamanho avaliado da amostra é de

3 x 1, 2 x 1 m, limitadas por chapas de aço, de 25 cm de altura, dos quais 15 cm foram cravados no

solo. Desenvolvimento e

validação de um simulador de chuvas portátil (Sphor et al.,

2015).

O simulador de chuva consiste de uma armação metálica retangular apoiada sobre quatro pernas reguláveis para uma altura de 2,9 m sobre a superfície do solo. No centro da armação há aspersor que oscila movido por um braço. Mecânico. Permite simular chuvas que variam de

63 a 106 mm h-1_. Amostra avaliada diretamente em campo. Subdivisão de 3 parcelas de 0,4 m x 1 m. Tamanho total de 1,2 m x 1 m. Calibração e uso de minissimulador de chuva para estudos de erosão e poluição

do solo (Do Brasil, 2010).

O simulador consiste de um reservatório de aço inox de dimensões de 0,88 m

de comprimento, 0,88 m de largura e 0,2 m de altura, montado sobre uma torre de 3 m construída em metal. Esta torre pode ser desmontada na altura de 1,23 m, para facilitar o seu transporte. O fundo desse reservatório apresenta 1849 furos de 0,5 mm de diâmetro, dispostos em uma malha quadrada,

espaçados 1,5 cm um do outro.

O equipamento pode ser utilizado com eficiência tanto em condições de campo quanto de laboratório, para a estimativa de perdas de solo. O tamanho da amostra é de 0,4 m x 0,6 m Análise das perdas

de água e solo no semiárido paraibano utilizando simulador de chuva (dos Santos

et al., 2012)

Simulador de chuvas pendular, constituído por uma armação retangular apoiada por quatro pés tubulares de aço removíveis, localizado no centro

da armação a uma altura de 2,88 m do solo. O simulador possui um motor com sistema eletrônico

que realiza movimentos oscilantes temporizados, que permitem a oscilação do bico aspersor, possibilitando uma maior uniformidade da chuva

simulada sobre a parcela de erosão.

A amostra é avaliada diretamente em campo. As parcelas possuem área de 3 m², com dimensões de 1 × 3 m Desenvolvimento de um infiltrômetro de aspersão portátil (Alves Sobrino et al.,

2002)

Construído em seis (6) módulos: estrutura de sustentação, sistema de acionamento do obturador

rotativo, mecanismo de transmissão de potência, sistema de aplicação de água, sistema regulador da

intensidade de precipitação e sistema de bombeamento de água. O equipamento desenvolvido permite aplicar-se intensidades de

precipitação entre 19 e 308 mm h-1_.

O equipamento pode ser utilizado com eficiência tanto em condições de

campo quanto de laboratório. Parcela experimental de 0,70 m2

Simulador de chuva tipo empuxo com

braços movidos hidraulicamente (Berto et al., 2012)

Equipamento construído predominantemente em alumínio, desprovido de motor para rotação dos braços e movido hidraulicamente por empuxo. Foram colocados 20 pluviômetros em cada parcela,

distribuídos em quatro linhas longitudinais distanciadas 0,875 m uma da outra, com cinco pluviômetros em cada linha distanciados 2,2 m um

do outro, de modo que cada pluviômetro representasse uma área de amostragem

de 1,925 m2_.

Amostra avaliada diretamente em campo. Tamanho da amostra de

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3.3 ELEMENTOS INCORPORADOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE NOVO EQUIPAMENTO

Os elementos incorporados foram bancada de testes com mesa de suporte ajustável para diferentes declividades, rampa de escoamento para coletar e testar amostras de solo indeformadas, com 15x20x40 cm (altura, largura e comprimento), possibilidade de utilização de materiais para contenção da erosão e inserção de simulador de chuva. Estas características são descritas a seguir:

1- A mesa de suporte foi construída em perfil metálico. A base da mesa mede 165 mm x 200 mm + 566 mm x 306 mm. A parte de 165 mm x 200 mm serve de apoio para a caixa de água onde sai à água de escoamento. A parte que mede 566 mm x 306 mm é o espaço que serve de apoio para a rampa de escoamento de 400 mm x 200 mm. Os pés dianteiros foram feitos em metalon 15 x 15 x 1,2 mm e 80 cm altura. Os pés traseiros dispõem de mecanismo que permite a mudança de declividade da rampa de escoamento. Para dar estabilidade ao material na rampa foram inseridas duas barras rosqueáveis, mantendo os pés estáveis mesmo com os ajustes de declividade. Esta mesa de suporte permite a inserção dos seguintes elementos: simulador de água de chuva na parte superior (Figura 1), caixa d’água na parte posterior para simulação de agua de escoamento e incorporação de amostra de maiores dimensões (rampa de escoamento).

Figura 1. Foto da mesa de suporte, simulador de água de chuva e coleta de amostra

2- O simulador de chuva é responsável pela reprodução de eventos de precipitação pluviométrica de até de 125 mm h-1, com tamanho de gota d´água específico.

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3- A rampa de escoamento foi produzida com chapa metálica 2,00 mm de espessura, nas dimensões de 20x20x40 cm (Figura 2a), para ser precisamente cortada e dobrada de modo a garantir o layout preestabelecido para o equipamento e suportar o peso das amostras (aproximadamente 33 kg de solo molhado). Serve, ainda, para simular o defluxo superficial, que transportará os sedimentos para recipientes coletores. As dimensões da amostra testada são maiores do que em anteriores equipamentos (20 cm de largura x 40 cm de comprimento x 15 cm de profundidade) permitindo avaliar os efeitos da densidade de cobertura vegetal de elementos de contenção, para avaliação da eficácia dos mesmos no controle da erosão. Como se observa na figura 2b) foram incorporadas duas chapas laterais de fechamento da amostra. A parte inferior da chapa pode ser perfurada, para avaliar a infiltração, possibilitando a avaliar amostras com diferentes graus de saturação com água.

Figura 2A - chapa em formato de U Figura 2B - Fechamentos laterais

4 CONCLUSÃO

As conclusões de este trabalho são:

• Para que um equipamento laboratorial de avaliação da erosão do solo possa representar de forma fiel o acontecido em campo, este deve avaliar de forma simultânea vários fatores que influenciam na erosão. Os principais fatores relacionados à erosão são: o escoamento da água de chuva, a precipitação pluviométrica, a declividade, a densidade de cobertura vegetal e possível incorporação de elementos de contenção.

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• Em todos os equipamentos encontrados na literatura, os tamanhos máximos de amostra são de 15 cm de diâmetro e 5 cm de altura. Este tamanho não permite considerar de forma fiel aspectos relacionados a diminuição da erosão devido cobertura vegetal existente e/ou incorporação de elementos de contenção.

• Foi desenhado um novo elemento de coleta de amostras indeformadas de solo de maiores dimensões (200 mm de largura x 400 mm de comprimento x 150 mm de altura), permitindo avaliar a influência da cobertura vegetal e/ou incorporar elementos de contenção. Neste novo equipamento é possível acoplar na parte superior um simulador de chuva.

AGRADECIMENTOS

Este estudo foi financiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior— Brasil (CAPES) — Financiado Código 001, pelo CNPq (processo 408162/2018-0) e FAPEMIG (processos PPM 00568-16 APQ 01000-18).

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