CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE UMIDADE DO SOLO ENVIROSCAN ORANGE BODY PARA FINS DE CÁLCULO DA RECARGA FREÁTICA EM
SISTEMA DE DRENAGEM COMPENSATÓRIA
Daniel de Lima Nascimento Sírio 1*; Ademir Paceli Barbassa 2
Resumo
Na Universidade Federal de São Carlos foi construído um sistema de drenagem compensatória que potencializa e promove a recarga freática artificial da água pluvial recolhida na cobertura predial do Edifício de Medicina em um sistema composto por um filtro gramado, uma vala de escoamento e uma trincheira de infiltração denominado sistema FVT. Para se determinar a recarga promovida nesse sistema instalou-se sensores de umidade do solo entre a superfície e o lençol freático que necessitaram de calibração para que as curvas de umidade e o consequente cálculo do armazenamento de água no solo fossem realizados. Os resultados da calibração utilizados tiveram boa aproximação entre as umidades de campo reais feitas em laboratório em duas datas e aquelas medidas pelos sensores.
Palavras-Chave – Drenagem compensatória, recarga freática, calibração ENVIROScan Orange body
SOIL HUMIDITY SENSOR ENVIROSCAN ORANGE BODY CALIBRATION FOR COMPUTER GROUNDWATER RECHARGE IN THE
COMPENSATORY STORMWATER DRAINAGE SYSTEM
Abstract
At the Federal University of São Carlos, a compensatory drainage system was built to enhance and promote an artificial water table water recharge. The system was built near the Medical Building. The rainwater ran from the gutters to the system that it is composed of a grass filter, a drainage ditch and an infiltration trench Called FVT system. In order to determine the groundwater recarge promoted in this system, soil moisture sensors were installed between the surface and the water table that required calibration so that the moisture curves and the consequent calculation of soil water storage were performed. The calibration results used had a good approximation between the real field motions made in the laboratory in two dates and those measured by the sensors ENVIRScan Orange Body.
Keywords – Compensatory drainage system, groundwater recharge, ENVIROScan Orange Body calibration
1. INTRODUÇÃO
Em frente ao Departamento de Medicina da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) foi construído um sistema de drenagem compensatória Filtro-Vala-Trincheira (FVT). Os sistemas de drenagem compensatória, segundo Baptista e Barraud (2005), podem ser instalados segundo aspectos físicos como capacidade de infiltração do solo entre 10-3 e 10-6m/s, a topografia local com declividades aceitáveis, a estabilidade do subsolo com baixa capacidade de dissolução para se evitar deslizamentos, o nível da água subterrânea com lençol profundo para se evitar contaminações da água subterrânea e o características intrínsecas da estrutura para aporte de água quando a estrutura compensatória necessitar de espelho de água permanente. Também devem-se levar em conta, segundo os autores, os aspectos urbanísticos e sanitários, tais como disponibilidade de espaço, inclinação e forma dos conjuntos coletores de água, redes existentes de drenagem e risco de poluição.
1 Doutorando em Engenharia Urbana na UFSCar: dansirio@yahoo.com.br*
O equipamento de drenagem FVT, (Figura 1), tem o objetivo de controlar o Escoamento Superficial Direto (ESD) gerado pelas áreas próximas ao edifício (telhado, canal de distribuição, filtro, vala e trincheira), retendo a água em sua estrutura e promovendo a infiltração de água dentro de praticamente toda a estrutura, em volumes e tempos distintos. Dessa forma, o volume do ESD gerado pela bacia diminui consideravelmente na rede pluvial de drenagem convencional. Além disso, verificou-se que o equipamento é capaz de promover uma recarga artificial do aquífero freático que está localizado numa zona de recarga do Aquífero Guarani pois no local é encontrado um solo arenoso residual da Formação Itaqueri, subrupo da Formação Bauru de textura areno-argilosa, que por sua vez é parte do sistema do afloramento e fonte de recarga do arenito que armazena o aquífero e, portanto, almejaram-se avaliar o volume potencial recarregado para cada evento meteórico de água pluvial ocorrido na área. Dessa maneira, sabendo as dimensões dos equipamentos drenantes, localização, características físicas e procedimentos construtivos do projeto e ainda, monitorando as vazões de entrada e volumes de armazenamento e conhecendo as precipitações características na área para cálculo do balanço hídrico (Hillel, 1980), intensidades de chuva para a cidade de São Carlos através da equação de chuva local (Barbassa (1991)) e a dinâmica da água no solo (Libardi (1995);
Reichardt (1996), Filho (2000), Bouwer (1969)), pode-se mensurar os volumes de precipitação que promovem a infiltração que efetivamente recarregam o lençol freático por meio do cálculo do balanço hídrico.
Para tanto, foram instalados no solo uma coluna de 12 metros de profundidade com 9 sensores de umidade em determinadas profundidades que requereram procedimentos de calibração para que a umidade fosse medida mais próximo possível do real no perfil do solo para que se realizasse a medida do armazenamento de água no solo e sua consequente recarga freática.
Figura 1 - Sistema Filtro-Vala-Trincheira e equipamentos utilizados na pesquisa e inseridas no campus da UFSCar em frente ao Departamento de Medicina
2. ÁGUA NO SOLO E ARMAZENAMENTO
A água no solo é monitorada desde janeiro de 2016 por meio de sensores da marca Sentek Pty LTD que é a principal fabricante de sondas por capacitância EnviroSCAN Orange Body, a multisonda semi-portátil enviroSCAN e a sonda portátil Diviner 2000, cuja distribuidora no Brasil é Campbell SCI. O EnviroSCAN Orange Body é utilizado para grandes profundidades, enquanto o EnviroSCAN monitora até 2,5m e o Diviner2000 até 1,6m. Esses sensores medem a água no solo por frequência no domínio do tempo (FDR) ou por capacitância, e esses métodos têm sido muito utilizados em pesquisas, em função da sua precisão, facilidade de acoplamento a um sistema de coleta de dados, rapidez e segurança ao operador (SILVA et al, 2007), no entanto, são mais susceptíveis aos efeitos da salinidade do solo e temperatura (BAUMHARDT et al, 2000).
A Figura 2 a) é uma imagem do sensor EnviroSCAN Orange Body e b) do sensor EnviroSCAN da Sentek.
a) b)
Figura 2 – Sensores de medição de umidade do solo da Marca Sentek; a) EnviroSCAN Orange Body; b) EnviroSCAN
3. INSTALAÇÃO DOS SENSORES ENVIROSCAN
A coluna de sensores tem 12m e está instalada no centro do FVT a 1,8 metros da trincheira de infiltração e ligada ao datalogger CR10X da marca Campbell SCI numa das colunas do Edifício de Medicina ao abrigo da chuva e insolação direta. A coluna de inserção dos sensores tem 6 trilhos conectados e nesses trilhos estão ligados 9 sensores de umidade do solo. Na Figura 3 pode-se observar um croqui de instalação dos sensores que medem a umidade nas profundidades de 60, 100, 150, 300, 500, 600, 800, 900 e 1000cm.
Zona não saturada
Franja capilar Zona saturada
60cm 100cm
150cm 300cm 500cm
600cm 800cm
900cm 1000cm
Sensor EnviroScan Orange Body Tubo de inserção dos Sensores
4. NORMALIZAÇÃO E CALIBRAÇÃO DOS SENSORES ENVIROSCAN ORANGE BODY Para medir a água no solo foram escolhidos os sensores EnviroScan Orange body e, para seu funcionamento, foram necessários alguns procedimentos importantes, tais como a perfuração do solo para instalação do tubo de acesso, a normalização e a calibração dos sensores. A Normalização do aparelho é orientada pelo manual e serve para delimitar a frequência relativa que um determinado solo pode armazenar de água em um dado volume, ou seja, entre a maior escala de frequência e a menor tem-se a amplitude de toda a umidade possível a ser armazenada num dado volume de solo. O maior valor de escala de frequência é obtido quando se tem a ausência de água e a menor escala de frequência quando o solo se apresenta saturado. A instalação requer a perfuração em perfilação vertical de 90° sem desvios e bem justaposta ao solo.
A Normalização foi realizada em laboratório em caixa de normalização adquirida junto aos sensores. A Normalização consiste basicamente em se medir a frequência relativa dada pelos sensores no ar e na água, em que no ar a umidade considerada é igual a zero, ou seja, considerado 0% de umidade. No passo seguinte, mede-se a frequência relativa na caixa de normalização cheia de água para obter o valor considerando-se 100% de umidade ou a saturação.
Para tanto, os sensores devem estar ligados a uma fonte de energia, a uma interface chamada SDI que é vendida junto com o equipamento e serve para que até 16 sensores em um mesmo trilho sejam lidos de forma integrada em apenas uma entrada de coleta de dados do datalogger e também ao computador por meio do software “Probe Configuration Utility” também fornecido pelo fabricante. Na Figura 4 pode-se observar a) a caixa normalizadora; b) as colunas dos trilhos; c) o datalogger (com fonte de energia interna); e, d) o circuito integrado SDI e um sensor.
a) b) c) d)
Figura 4 – Procedimento de Normalização dos sensores a) a caixa normalizadora; b) as colunas dos trilhos; c) o datalogger (fonte de energia e armazenador de dados); e, d) o circuito integrado SDI com um sensor e trilho
A calibração deve ser realizada sempre, pois em alguns casos, a umidade real pode não estar de acordo com aquela medida pelos sensores. A calibração dos sensores foi realizada em laboratório por meio de frequência relativa da capacitância da água no solo (meio dielétrico ou isolante), em que:
Fr = (Fa-Fs)/(Fa-Fw) (1)
Para tanto, foram construídas três caixas de madeira com medidas internas de 26cm de largura e altura e 30cm de comprimento. Nessas caixas foram colocados solos de características físicas semelhantes tais como densidade natural seca e úmida, massa específica dos sólidos, índices de compactação e granulometria. Na Figura 5 observa-se a ilustração da caixa de madeira e suas dimensões. Os solos de características semelhantes foram separados como superficial, meio e fundo.
A camada denominada Superficial continha solo de 0,20m até 2,4m de profundidade, a camada denominada Meio continha solo do perfil de 2,4 metros até 6,0 metros de profundidade e a camada denominada Fundo continha solo de 6,0 metros de profundidade até 12 metros. Nessas caixas foram compactados a quantidade de solo calculada para as umidades residual (𝜃 ≅ 0%), 10%, 20% e solo saturado, segundo a equação:
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 = 𝛾𝑑. (1 + 𝜃). (𝑉𝑐 − 𝑉𝑙) (2)
Onde, ɣd é a densidade do solo seco em g.cm-³; 𝜃 é a umidade do solo no momento do preenchimento em cm³.cm-³; Vc é o volume interno da caixa em cm³; e, Vl é o volume que o cilindro (tubo de inserção dos sensores) ocupa no interior da caixa em cm³. Dessa forma, foi determinado a massa de solo que deveria ser separada para o enchimento de cada caixa. Em sequência foram separadas em massas equivalentes uma fração de solo pela altura da caixa para se deixar, o mais homogêneo possível, a compactação e os volumes de poros dentro da caixa.
Figura 5 – Esquema e dimensões das caixas de madeira construídas para realização da calibração dos sensores EnviroSCAN e EnviroSCAN Orange Body
Após todo o processo foi medida a frequência lida pelo sensor e retiradas três frações de solo para medição direta de umidade em estufa e isso se repetiu por três vezes. Depois disso as caixas eram novamente esvaziadas e o solo ajustado a próxima umidade desejada por meio da equação:
𝑉á𝑔𝑢𝑎 (𝑚𝑙) = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜(𝑔) . (𝜃𝑑− 𝜃𝑖). 100−1 (3)
Onde, 𝜃𝑑 é a umidade desejada em % e 𝜃𝑖 é a umidade instantânea em %.
Em todos os procedimentos foi verificada a relação entre a massa calculada e a massa total na caixa e avaliados os erros de massa que ficaram em torno 4% de erro e foram considerados desprezíveis, de acordo com a Tabela 1:
Tabela 1 –Verificação da massa real na caixa e a massa total calculada para as diferentes umidades
Massa calculada (g) Massa descartada
(g) Erro de massa (%) Profundidade da calibração do solo 1ª calibração umidade
𝜃 ≅ 0%
25072,32 620,35 2,47 Superficial
24925,12 440,02 1,77 Meio
25532,18 0,00 0,00 Fundo
2ª calibração umidade 𝜃 ≅ 10%
27265,64 973,14 3,57 Superficial
27192,80 752,26 2,77 Meio
27982,75 447,89 1,60 Fundo
3ª calibração umidade 𝜃 ≅ 20%
30086,22 0,00 0,00 Superficial
29161,85 192,44 0,66 Meio
26,0cm
32,0cm 30,0cm
1,0cm 1,0cm 1,0cm 1,0cm
10,0cm10,0cm
Na quarta calibração que seria a umidade de saturação não foi realizado todo o procedimento de esvaziamento, ajuste de umidade, cálculo de massa e pesagem, preenchimento da caixa e verificação de massa devido ao desconhecimento dos valores de saturação efetiva de cada estrato de solo. Portanto, as caixas foram alçadas e submergidas em tanque com água onde ficaram por 48 horas para depois serem medidas as capacitâncias do solo.
Na Figura 6 são as fotografias do ensaio de saturação do solo em tanque de submersão em água onde as caixas alçadas com alavanca já estão dentro do tanque para saturação do solo.
Figura 6 – Caixas de madeira construídas submergidas para realização da calibração de solo saturado para os sensores EnviroSCAN e EnviroSCAN Orange Body
5. RESULTADOS DA CALIBRAÇÃO DOS SENSORES DE UMIDADE DO SOLO FDR ENVIROSCAN ORANGEBODY E VALIDAÇÃO
As calibrações dos sensores EnviroSCAN Orange Body foram realizadas no laboratório de mecânica dos solos da UFSCar e os parâmetros de calibração foram inseridos via software para cada um dos sensores. Dessa maneira, para cada camada Superficial, Meio e Fundo houve uma calibração que estão na Tabela 2. A coluna ar se diz respeito a Normalização do sensor em relação ao 0% de umidade. Já a coluna água é o valor de Normalização para condições de saturação ou 100% dos poros ocupados por água.
Tabela 2 – Coeficiente da equação de calibração para os sensores de umidade do solo EnviroScan Orange Body
Profundidade Ar Água a b c
Superficial a 2,4m 39151 28711 0,029 0,887 0,307
2,5 a 6,00m 39697 29829 0,115 0,456 0,282
6,00m a 10,00m 39312 27022 0,158 0,334 0,243
Os resultados das calibrações são demonstrados graficamente na Figura 7 a seguir, em que os pontos vermelhos são a relação entre a frequência relativa e a umidade no solo durante a calibração.
Já a curva de calibração é representada pela linha azul e pela equação no gráfico, cujos coeficientes a, b e c correspondem aos parâmetros das curvas e é a umidade do solo. A correlação quadrática (R²) entre a curva e os pontos também estão apresentadas nos gráficos.
Figura 6 – Curva de calibração da camada Superficial que vai da superfície até 2,4m de profundidade (Superficial), curva de calibração da camada Superficial que vai de 2,4m até 6,00m de profundidade (Meio), e a curva de calibração da camada Superficial que é válida a partir de 6,00m de profundidade (Fundo)
Os resultados entre as umidades reais coletadas no solo e medidas em laboratório tiveram erros inferiores a 10,54% por sensor e inferiores a 8% por camada, ou seja, para a média dos valores calibrados nas camadas Superficial, Meio e Fundo os erros médios chegaram a 8,08% enquanto para a curva de calibração aplicada a cada sensor esses erros não superaram 10,54%, como se pode observar na Tabela 3.
Tabela 3 – Validação de umidade calibrada e de campo em 15/07/2016 e 12/04/2017
Camada Superficial Meio Fundo
Profundidade (cm) 60 100 150 300 500 700 800 900 1000
Sensor n° 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Data 15/07/2016
Umidade campo (q%) 11,82 13,88 12,92 14,94 20,22 20,30 36,39 37,70 40,83 Umidade calculada por sensor (q%) 11,13 12,18 13,01 15,23 22,35 21,35 34,56 36,4 39,5
Erro (%) 5,84 12,25 0,70 1,94 10,53 5,17 5,03 3,45 3,26 Data 12/04/2017
Umidade campo (q%) 17,35 17,42 18,64 21,05 22,35 21,35 35,12 37,85 39,8 Umidade calculada por sensor (q%) 16,03 18,25 18,45 22,6 23,25 23,01 34,33 36,08 41,1 Erro (%) 7,61 4,76 1,02 7,36 4,03 7,78 2,25 4,68 3,27
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 10 20 30 40
Escala de frequência
Umidade (%) Superficial
Pontos observados
𝑆𝑓 = 0,029. 𝜃0,887+ 0,307
R² = 0,99401 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 10 20 30 40
Escala de frequência
Umidade (%) Meio
Pontos observados
𝑆𝑓 = 0,115. 𝜃0,456+ 0,262 R² = 0,93444
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0 10 20 30 40
Escala de frequência
Umidade (%) Fundo
Pontos observados
𝑆𝑓 = 0,118. 𝜃0,334+ 0,243 R² = 0,93303
REFERÊNCIAS
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