ESTUDO DA DISTRIBUICAO DE UMIDADE NO SOLO UTILIZANDO A SONDA DE CAPACITANCIA DIVINER 2000 : CALIBRACAO E PRIMEIROS RESULTADOS

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ESTUDO DA DISTRIBUICAO DE UMIDADE NO SOLO UTILIZANDO A

SONDA DE CAPACITANCIA DIVINER 2000

®

_{: CALIBRACAO E PRIMEIROS}

RESULTADOS

Gervásio Araújo Souto Neto 1; Eduardo Coriolano de Paiva 2; Antonio Marozzi Righetto3;Eulina Maria de Moura4

RESUMO- O presente trabalho apresenta os primeiros resultados do monitoramento da umidade do solo, utilizando a sonda de capacitância Diviner 2000®, em uma área piloto, nas imediações do LARHISA- Laboratório de Recursos Hídricos da UFRN. Apresenta também uma descrição detalhada de todo o processo de calibração desse aparelho para um solo arenoso, tipo Duna. Este estudo objetiva conhecer e compreender o processo de distribuição da água pluvial nas camadas do solo, através do levantamento dos perfis verticais de umidade, para posterior modelagem da infiltração da água pluvial. O sensor foi calibrado para as três condições de campo: solo saturado, solo úmido e seco, através de amostragens para o cálculo da umidade gravimétrica e volumétrica. Os resultados das leituras de campo proporcionaram o conhecimento da distribuição de umidade entre as camadas do solo, bem como a análise da relação de causa e efeito entre alguns eventos chuvosos e os perfis de umidade. Porém, como esse estudo está em fase inicial, e a série de dados é curta, não se pode obter ainda conclusões muito precisas e detalhadas a cerca do processo de drenagem da água pluvial. Faz-se necessário um monitoramento em intervalos mais curtos, principalmente quando da ocorrência da chuva.

ABSTRACT-This paper presents the first results of soil moisture monitoring, using Diviner 2000®

capacitance probe, in an experimental area near to Laboratory of Water Resources on Rio Grande do Norte University. It also shows a description of the calibration process of this sensor to sandy soil. The goal of this research is to know and comprehend the rainfall distribution process through soil layers, by data acquiring of moisture vertical profile, and then, modeling the rainfall infiltration. The sensor was calibrated for three field conditions: saturated soil, humid soil and dry soil, by collecting of soil samples to determinate the volumetric and gravimetric soil water, bulk density and porosity of soil. The results of the readings lead the knowledge of moisture distribution between the soil layers, and the analysis of the cause and effect relationship between some storms occurs and the moisture profile. However, because this study is still on an initial stage, and have few data, it can not obtain precision and details conclusions about the water drainage through the soil. It’s necessary to do a monitoring on shorter intervals, mainly when the storms occur.

PALAVRAS-CHAVES: Perfil de umidade do solo, monitoramento, sonda Diviner 2000®

INTRODUÇÃO

1_{Aluno de graduação, Bolsista PVG-UFRN,}_{gervasio_ufrn@hotmail.com} 2_{Aluno da graduação, Bolsista DTI /CNPq,}_{educpaiva@hotmail.com} 3_{Professor Doutor do LARHISA/UFRN,}_{righetto@ct.ufrn.br} 4_{Mestre em Engenharia Sanitária,}_{eulinamm@yahoo.com.br}

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A modelagem do processo de infiltração e distribuição de água no solo requer monitoramento das variáveis hidroclimatológicas envolvidas nesse processo. Dessa forma, é assaz importante o conhecimento do perfil vertical de umidade do solo, da quantificação da precipitação, da temperatura, entre outros.

A infiltração da água é um fenômeno que reflete as propriedades físicas do solo, as quais influenciam diretamente na capacidade de drenagem da água.

Este estudo objetiva conhecer e compreender o processo de distribuição da água pluvial nas camadas do solo, através do levantamento dos perfis verticais de umidade, para posterior modelagem da infiltração da água pluvial. Para tanto, vem sendo realizado o monitoramento do teor de umidade do solo através da sonda de capacitância Diviner 2000®, que é um sistema portátil de monitoramento da umidade do solo a cada 10cm de profundidade do solo.

Este trabalho descreve todo o processo de calibração desse sensor para um solo arenoso, e ainda apresenta os primeiros resultados da relação de causa e efeito entre alguns eventos chuvosos e os perfis de umidade.

MATERIAL E MÉTODOS Área de Estudo

O estudo experimental foi realizado em uma parcela de solo localizada em uma área piloto, nas imediações do LARHISA- Laboratório de Recursos Hídricos da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, cujas coordenadas UTM são: latitude Sul 256,672 km e longitude Oeste 9.353,776 km. O Campus Universitário da UFRN, localizado na cidade de Natal, foi construído sobre uma área de Dunas. Portanto, utilizou-se um solo arenoso, com porosidade média de 45% nas camadas superficiais de até 1m de profundidade. Nessa área piloto também foi instalado um pluviógrafo digital, com leituras de precipitação a cada 5 minutos.

Metodologia

As medições de umidade do solo foram realizadas com o auxilio de uma sonda de capacitância, modelo Diviner 2000®da Sentek Pty Ltda. As leituras são realizadas diariamente conforme a figura 01.

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Figura 01- Medição de umidade com o Diviner 2000®

Para a calibração do aparelho, foram instalados 6 tubos de acesso, de PVC com DE = 56,5 mm e DI = 51 mm, de 1m de comprimento, dispostos de acordo com o esquema abaixo (Figura 02):

Figura 02- Esquema da disposição dos tubos de acesso

Os tubos foram cravados com um trado manual, restando cerca de 4 cm acima da superfície do solo. A limpeza dos tubos foi feita com esponja e flanela, e em seguida, foram fechados com caps na extremidade. Os três pares de tubo representam as três condições de campo: solo saturado, solo úmido e solo seco. Para que o solo no entorno do ultimo par de tubos permanecesse seco, foi construída uma tenda durante a fase experimental.

A calibração necessita de dados de umidade volumétrica do solo (dados coletados), os quais serão comparados com as escalas de freqüência fornecidas pelo aparelho (dados medidos). Esta escala de freqüência é calculada através da fórmula (Manual Diviner 2000®) :

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(

)

(

A W

)

S A F F F F SF − − = (1) Onde:

(

)

gua na mergulhado quando acesso de tubo no ncia freq da leitura F cm de profundida cada para acesso de tubo no ncia freq da leitura F ar no suspenso quando acesso de tubo no ncia freq da leitura F W S A á üê : 10 üê : üê :

Os dados de umidade volumétrica ( %) foram calculados segundo Caputo, 1973: 100

) (

(%)= γs×h ×

θ (2) Onde γs é a peso específico aparente do solo seco das amostras (g/cm3); e h é a umidade gravimétrica calculada por:

s a

P P

h = (4)

Onde Pa é o peso da água, dado pela diferença ente o peso da amostra antes e depois da estufa (a 1050C, durante 48 horas); e Ps é o peso das amostras secas.

E o peso específico aparente é dado por :

t s s _V P = γ (3) Onde Vt é o volume do anel (Vt =235,62cm3).

O processo de amostragem seguiu as seguintes etapas: inicialmente foram cavadas duas trincheiras de dimensões 1,5 x 0,5 x 1 m (respectivamente: comprimento, largura e profundidade), distantes 50 cm de cada tubo (ver Figura 03). Três níveis de umidade foram utilizados para representar as três condições de campo: solo saturado, úmido e seco. Assim, dois tubos foram usados para cada nível de umidade.

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Figura 03- Trincheiras cavadas ao lado dos tubos de acesso

Posteriormente, o solo foi umedecido utilizando como materiais: mangueira e dois anéis de infiltração metálicos concêntricos, cravados no solo, e preenchidos com água de forma a manter uma lâmina de aproximadamente 40mm de água sobre a superfície. A vazão da mangueira foi controlada para que esta quantidade de água não extravasasse para o interior do anel de maior diâmetro. Este maior anel tem a finalidade de atenuar a influência da dispersão lateral da água infiltrada, e é cravado a uma profundidade maior que o outro.

Para a condição de solo úmido, o procedimento foi análogo ao do solo saturado, porém utilizou-se a metade da quantidade de água que foi usada no primeiro par de tubos.

Transcorrida 2 horas após o umedecimento dos solos (saturado e úmido), foram feitas três leituras com o Diviner 2000®_{no interior dos tubos de acesso, e coletadas três amostras}_{, com o auxilio}

de um anel (raio 5cm e altura 3cm) e uma espátula, para cada camada (10 a 70cm) ao redor dos seis tubos de acesso, totalizando 126 amostras coletadas (ver Figura 04).

Figura 04- Coleta das amostras

Essas amostras foram armazenadas em bandejas de alumínio, pesadas, e colocadas na estufa, à temperatura de 105ºC, com capacidade para suportar as 42 amostras de cada bateria de coleta realizada.

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Quarenta e oito horas depois, retirou-se as amostras para efetuar a segunda pesagem, obtendo assim Ps

e Pa , e conseqüentemente γs, h e (%)θ .

A calibração é feita comparando os valores de umidade volumétrica calculados, com os valores médios de SF, a fim de encontrar uma função do tipo y₌axb ₊c_{para cada profundidade do solo.}

Assim, as constantes a, b e c são implementadas no sensor através do display, e os dados descarregados no computador já se apresentam na forma de umidade volumétrica (%).

De posse das amostras, ainda foram encontrados os valores de porosidade do solo, conforme Caputo, 1973: 1 + = i i n (5) Onde: vazios de indice i porosidade n = =

O índice de vazios (i) é dado por :

1 − = s g i γ γ

Onde γgé o peso específico das partículas do solo (adotou-se γg=2,67 g/cm3); e γsé peso especifico aparente do solo seco(g/cm3).

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os primeiros resultados obtidos foram os decorrentes das amostras retiradas do solo. A partir delas foram calculadas: a densidade aparente do solo seco, o índice de vazios e a porosidade. A tabela 01 apresenta os valores obtidos com as amostras adjacentes ao tubo 01 (solo saturado).

Tabela 01- Resultado das amostras coletadas no solo do tubo 01

1º Amostra 2º Amostra 3º Amostra 1º Amostra 2º Amostra 3º Amostra 1º Amostra 2º Amostra 3º Amostra

10 cm 1.350 1.399 1.472 0.977 0.908 0.814 0.494 0.476 0.449 20 cm 1.648 1.555 1.588 0.621 0.717 0.681 0.383 0.418 0.405 30 cm 1.640 1.404 1.512 0.628 0.902 0.766 0.386 0.474 0.434 40 cm 1.527 1.475 1.508 0.749 0.810 0.770 0.428 0.448 0.435 50 cm 1.531 1.487 1.372 0.744 0.795 0.946 0.427 0.443 0.486 60 cm 1.508 1.451 1.292 0.771 0.840 1.066 0.435 0.457 0.516 70 cm 1.650 1.396 1.417 0.618 0.913 0.884 0.382 0.477 0.469

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Durante a fase de calibração, a umidade gravimétrica e a umidade volumétrica foram calculadas para cada profundidade do solo, nas três condições de campo: solo seco, solo úmido e solo saturado, utilizando três amostras para cada profundidade, nos seis tubos de acesso instalados. A tabela 02 mostra os valores de umidade encontrados para cada condição de campo, e a figura 05 mostra os perfis de umidade do solo para estas condições.

Tabela 02- Valores obtidos de umidade gravimétrica e volumétrica para as três condições de campo

1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra Media 1ª Amostra 2ª Amostra 3ª Amostra Media

10 cm 0.065 0.073 0.071 0.070 8.72 10.28 10.39 9.795 20 cm 0.072 0.076 0.067 0.072 11.92 11.77 10.65 11.448 30 cm 0.079 0.076 0.072 0.075 12.92 10.63 10.82 11.455 40 cm 0.083 0.078 0.077 0.080 12.75 11.55 11.68 11.992 50 cm 0.069 0.075 0.067 0.070 10.55 11.09 9.16 10.264 60 cm 0.076 0.079 0.071 0.075 11.46 11.43 9.20 10.698 70 cm 0.063 0.070 0.070 0.068 10.47 9.71 9.93 10.036 10 cm 0.050 0.054 0.060 0.054 6.49 7.74 8.01 7.413 20 cm 0.058 0.056 0.053 0.056 7.49 6.34 6.31 6.713 30 cm 0.063 0.058 0.057 0.059 8.25 7.36 7.30 7.639 40 cm 0.064 0.064 0.061 0.063 8.13 8.36 7.45 7.982 50 cm 0.066 0.064 0.061 0.064 9.69 8.19 7.78 8.552 60 cm 0.069 0.062 0.062 0.064 9.90 7.91 8.08 8.627 70 cm 0.073 0.064 0.062 0.066 9.85 8.06 7.99 8.631 10 cm 0.011 0.013 0.013 0.012 1.49 1.69 1.83 1.672 20 cm 0.014 0.013 0.012 0.013 1.85 1.99 1.90 1.910 30 cm 0.013 0.013 0.019 0.015 1.80 1.75 2.63 2.058 40 cm 0.016 0.016 0.014 0.015 2.17 2.11 1.79 2.022 50 cm 0.017 0.020 0.019 0.019 2.40 2.60 2.74 2.579 60 cm 0.016 0.017 0.022 0.018 2.56 2.52 3.10 2.728 70 cm 0.021 0.015 0.021 0.019 2.84 2.19 2.93 2.653 S ol o S ec o S ol o S at ur ad o S ol o U m id o

Umidade gravimetrica Umidade volumetrica (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade Volumétrica (%) saturado úmido seco

Figura 05- Perfis de umidade do solo para as três condições de campo

P ro fu nd id ad e (c m )

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Nota-se que a camada do solo mais úmida, quando este está saturado, encontra-se a 40cm da superfície, apresentando, em média, umidade gravimétrica de 0.08 e umidade volumétrica de 11.99%. O perfil de umidade, nesta condição de campo, mostra-se atípico. Há uma retenção maior de água na camada intermediária, onde foi encontrado um solo de cor preta, do tipo orgânico. Percebe-se que ele retém água, ao contrário do solo da camada de 10cm que rapidamente perde sua água por evaporação e rápida percolação.

Na condição de solo úmido, o perfil de umidade é quase crescente, assim como na condição de solo seco. Nota-se que a umidade se concentra nas três últimas camadas.

É necessário um conhecimento mais detalhado do perfil do solo e sua implicação na drenagem da água pluvial, para compreender melhor o comportamento do movimento da água entre as camadas.

O resultado da calibração do sensor procede do ajuste dos valores de escala de freqüência lidos pelo sensor em função da umidade calculada, obtendo-se as constantes a,b e c para cada camada do solo. Os gráficos das figuras 06 a 12 apresentam as equações de calibração e os coeficientes de correlação para as sete camadas.

Calibração do sensor na camada de 10cm

y = 0.4424x0.2691 R2_{= 0.9352} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 Umidade Volumetrica(%)

Figura 06- Resultado da calibração para a camada de 10cm

E sc al a de F re qü ên ci a (S F)

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Calibração do sensor na camada de 20cm y = 0.481x0.2962 R2_{= 0.9731} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade Volumetrica(%)

y = 0.5225x0.2459 R2_{= 0.7779} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade volumetrica (%)

Figura 08- Resultado da calibração para camada de 30cm

E sc al a de F re qü ên ci a (S F) E sc al a de F re qü ên ci a (S F)

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Calibração do sensor na camada de 40cm y = 0.5752x0.2401 R2_{= 0.9049} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade volumetrica (%)

y = 0.5852x0.1975 R2_{= 0.6399} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade volumetrica (%)

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XVII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

y = 0.5896x0.1896 R2_{= 0.8350} 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 14 Umidade Volumetrica (%)

y = 0.4553x0.3089 R2 = 0.9595 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 2 4 6 8 10 12 Umidade Volumetrica (%)

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P re ci pi ta çã o (m m )

Percebe-se que os melhores ajustes ocorreram nas camadas de 10, 20 e 70cm (_R2 ₌0.935_, 973

. 0

2 ₌

R e _R2 ₌0.959_{, respectivamente), e o menos satisfatório foi o da camada 50cm} (_R2 ₌0.639_).

O monitoramento da umidade do solo vem sendo realizado diariamente desde a calibração do sensor, em dezembro de 2006. Logo, a série de dados ainda é curta. Porém, já é possível analisar a distribuição da umidade nas sete camadas do solo quando este se encontra seco ou umedecido devido a um evento chuvoso. A figura 12 a seguir mostra o hietograma de três dias consecutivos, em intervalos de 1 hora. Nesses dias, foram feitas medições de umidade pontuais às 17:30 do dia 16/02; às 16:30 do dia 17/02; e às 15:30 do dia 18/02. Os resultados dessas medições são mostrados na figura 13.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 12 :3 0 13 :3 0 14 :3 0 15 :3 0 16 :3 0 17 :3 0 18 :3 0 19 :3 0 20 :3 0 21 :3 0 22 :3 0 23 :3 0 0: 30 1: 30 2: 30 3: 30 4: 30 5: 30 6: 30 7: 30 8: 30 9: 30 10 :3 0 11 :3 0 12 :3 0 13 :3 0 14 :3 0 15 :3 0 16 :3 0 17 :3 0 18 :3 0 19 :3 0 20 :3 0 21 :3 0 22 :3 0 23 :3 0 0: 30 1: 30 2: 30 3: 30 4: 30 5: 30 6: 30 7: 30 8: 30 9: 30 10 :3 0 11 :3 0 12 :3 0 13 :3 0 14 :3 0 15 :3 0 16 :3 0

16-Jan 17-Jan 18-Jan

Tempo

(13)

XVII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos P ro fu nd id ad e (c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Umidade Volumetrica (%)

16-Jan 17-Jan 18-Jan

Figura 13- Perfis de umidade do solo nos dias 16, 17 e 18 de janeiro de 2007

Notam-se dois eventos distintos, no dia 17/01, espaçados 10 horas. Durante a primeira medição de umidade (dia 16/01), o solo estava seco (não havia chovido em dias anteriores), e a camada que retinha maior umidade era a de 50cm (2.55%) e a menos úmida era a de 70cm (1.45%). A segunda medição aconteceu às 16:30 do dia 17/01, ou seja, 9 horas após o término do primeiro evento chuvoso, que teve um total precipitado de 12,44mm. O perfil de umidade neste instante (ver figura 13, curva azul) sofreu diminuição nos seus valores, com exceção da camada 30cm.

Supõe-se que houve percolação da água pluvial nas camadas de 10 e 20cm, as quais perderam sua umidade principalmente por evaporação, atingindo a camada de 30cm no instante da medição.

Ainda no dia 17/02, ocorreu um outro evento de 33mm, mas os dados de umidade só foram medidos às 15:30 do dia 18/02. Mesmo assim, as camadas mais superficiais (10 e 20cm) mantiveram sua umidade elevada na hora da medição, ao contrário das outras que perderam umidade. A água retida na camada de 30cm foi drenada para a camada de 70 cm que apresentou umidade maior que na medição anterior.

Outros eventos observados foram os ocorridos nos dias 13, 14 e 15 de fevereiro. A distribuição temporal dessas chuvas é mostrada na figura 14 a seguir. Em cada um desses dias foram feitas medidas de umidade do solo nos seguintes horários: às 13:40 do dia 13/02; às 09:30 do dia 14/02 e às 12:30 do dia 15/02. Os respectivos perfis de umidade do solo são mostrados na figura 15.

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X V II S im pó sio B ra sile iro d e R ec urs os H íd ric os 14 Precipitação (mm) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 13 -Fe b 14 -F eb 15 -F eb Te m po Fig ura 1 4- H iet og ra m a d os d ias 1 3, 14 e 1 5 d e f ev ere iro d e 2 00 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 U m id ad e v o lu m et ric a ( % ) dia 1 3/0 2 dia 1 4/0 2 dia 1 5/0 2 Profundidade (cm)

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XVII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos

Figura 15- Perfis de umidade do solo dos dias 13, 14 e 15 de fevereiro de 2007

No dia 13/02 a medição de umidade foi realizada anteriormente ao evento ocorrido. Logo, o perfil de umidade exibido na figura 15 para o dia 13/02 representa ainda o solo no seu estado seco, pois não havia chovido nos dias anteriores.

No dia 14/02, a medição foi feita meia hora após o término do evento mostrado na figura 14, que teve um total precipitado de 10,92mm. Esse evento saturou o solo na camada de 10cm de profundidade, mas não ocasionou um incremento significativo nas outras camadas do solo, chegando a diminuir a umidade nas camadas de 60 e 70cm. Portanto, essa zona do solo possui um tempo de percolação alto, e uma capacidade de retenção de umidade também elevada em certas camadas.

Por fim, no dia 15/02 ocorreu um evento chuvoso de apenas 4mm a 01:00 hora da madrugada, e a medição de umidade foi feita às 12:30 da manha. Observou-se um aumento da umidade somente nas camadas de 10 e 20cm. A partir desta, a umidade permaneceu a mesma a 30 e 70cm , e declinou bastante nas demais camadas.

CONCLUSÕES

A calibração do sensor de medição da umidade do solo (Diviner 2000®_{) foi realizada de forma}

simples e satisfatória. Os resultados das leituras de campo proporcionaram o conhecimento da distribuição de umidade entre as camadas do solo de 10 a 70 cm de profundidade, bem como a análise da relação de causa e efeito entre alguns eventos chuvosos e os perfis de umidade.

Porém, como esse estudo esta em fase inicial, e a serie de dados é curta, não se pode obter ainda conclusões muito precisas e detalhadas a cerca do processo de drenagem da água pluvial entre as camadas do solo. Faz-se necessário um monitoramento em intervalos mais curtos, principalmente quando da ocorrência da chuva.

Percebe-se também que, apesar da pequena profundidade estudada e da proximidade da superfície, o solo não é homogêneo. Trata-se de uma área de Duna, mas com camadas de solo com particularidades que afetam na percolação da água. Logo, é assaz importante o domínio das propriedades desse solo.

AGRADECIMENTOS

Os autores deste trabalho agradecem à FINEP pelo financiamento do projeto BEER- Bacias Experimentais e Representativas, através do CT-HIDRO, que permitiu a realização deste estudo.

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BIBLIOGRAFIA

CAPUTO, H. P (1973). Mecânica dos Solos e suas aplicações. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Rio de Janeiro.

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