Sistema Irrigas para Manejo de Irrigação: Fundamentos, aplicações e desenvolvimentos

Sistema Irrigas para Manejo de Irrigação: Fundamentos, aplicações e desenvolvimentos

(Parte 3 de 7)

O objetivo deste capítulo é apresentar evidências experimentais e discutir os fundamentos de funcionamento e uso do Irrigas para o manejo de irrigação. Adicionalmente, orientações para obter sistemas tensiométricos Irrigas adequados para cada necessidade de manejo de irrigação são apresentadas.

Sensores Irrigas experimentais / procedimentos

Para comparar a resposta do sensor Irrigas em função de valores ajustados de tensão de água, pequenos sensores Irrigas foram manufaturados com uma ampla faixa de tensões críticas (Td). Estes sensores Irrigas têm diâmetro de 17 m, altura de 9 a 10 m e uma cavidade interna com 8 m de diâmetro por 6 m de profundidade. A tampa foi feita com discos de PVC de 5 m de espessura por 17 m de diâmetro e com um orifício central de 3 m de diâmetro, ao qual se fixou um tubo de cobre de 15 m de comprimento. Um tubo de PVC flexível foi conectado ao sensor Irrigas de um lado e a uma cuba graduada transparente de 1,0 ml do outro (Fig.2.3).

Câmara de Richards / procedimentos

Para testar a hipótese de que o sensor Irrigas se torna permeável ao ar em tensões de água superiores a pressão de borbulhamento (Td), câmaras de Richards de pressão negativa (Richards, 1941 e 1949) foram preparadas, conforme está ilustrado na figura 2.3. A estabilização de um tensiômetro comum foi utilizada como indicador de equilíbrio de tensão de água.

Antes de utilizar o aparato, uma fina camada de argila foi aplicada à parede da placa porosa para conduzir água para o tensiômetro ou para o sensor Irrigas e para impedir a entrada de ar na placa porosa. Estas propriedades de boa condutividade hidráulica e impermeabilidade ao ar da

Capítulo 2 Fundamentos argila umedecida foram reconhecidas por Marshall (1959). O nível de água dentro da câmara foi ajustado à cerca de 3 m acima da base da placa porosa (Figura 2.3). Um tecido de algodão com cerca de 20 µm de espessura foi aplicado sobre a camada de argila abaixo do sensor Irrigas e abaixo do tensiômetro. Este tecido que manteve limpo os sensores para medições de troca de água do sensor por pesagem não causou atraso nas respostas à variações de tensão de água em ensaios preliminares. A base do tensiômetro foi esmerilhada, para torná-la plana de modo a melhorar o contato. O contato firme do tensiômetro foi obtido utilizando-se de um suporte (Fig. 2.3). Uma lâmina de plástico circular com orifício central foi utilizado para reduzir a evaporação sobre a câmara de Richards.

O equilíbrio de tensão da água foi alcançado rapidamente de acordo com a leitura no tensiômetro, em poucos minutos. Cápsulas porosas Irrigas com Td entre 7 e 60 kPa têm condutividade hidráulica entre 4 a 100 vezes maior que as cápsulas porosas do tensiômetro, de acordo com a aplicação da equação de Poiseuille (Marshall, 1959).

Tensão crítica do sensor e tensão da água no solo / observações

O sensor Irrigas se tornou permeável ao ar em tensão de água no solo próxima aos valores de pressão de borbulhamento (Td), o que é a razão da linearidade observada na figura 2.4. Esta resposta é uma evidência de que o método da imersão da cubeta é correto para o manejo de irrigação, visto que realmente a tensão Td foi também a tensão da água na qual a cápsula porosa se torna permeável ao ar. Estes resultados foram consistentes com aqueles obtidos por Kemper & Amemya (1958), que verificaram que a pressão de borbulhamento correspondia a tensão da água na qual cápsulas porosas de diferentes fabricantes norte americanos se tornavam permeáveis ao ar.

Permeabilidade ao ar do sensor e secamento / procedimentos

Após manter-se as cápsulas porosas do Irrigas em uma lâmina de água de 5 m por pelo menos duas horas para preencher os poros com água, estas cápsulas foram utilizadas para se obter estimativas de Td pelo método da pressão de borbulhamento ou para determinar a tensão da água no solo em dessorção (secagem) na qual as cápsulas porosas do Irrigas se tornam permeáveis ao ar. Estes ensaios foram realizados a 25 ± 1 °C.

Para medições de pressão de borbulhamento as cápsulas porosas imersas foram submetidas a um gradual aumento da pressão, aplicado por uma fonte de ar de fluxo ajustado (0,5 ml min-1). A pressão de borbulhamento (Td) foi lida em manômetro de Hg, assim que o borbulhamento foi iniciado.

A estimativa da tensão da água no solo na qual as cápsulas porosas de Irrigas com diferentes valores de Td se tornam permeáveis ao ar foi efetuada com câmara de Richards (Figura 2.3). Nestas medições a tensão da água

Capítulo 2 Fundamentos foi aumentada em degraus de 1,0 kPa. O teste de imersão da cuba foi usado para verificar a permeação do ar através do sensor Irrigas (Figura 2.3). Para este teste, a cuba transparente (Figura 1.3) foi imersa em água e o movimento de seu menisco foi inspecionado. Quando não havia movimento do menisco, o sensor Irrigas era considerado impermeável ao ar e um novo de aumento de tensão de água era aplicado. Degraus de aumento de tensão de água foram adicionados até o sensor Irrigas se tornar permeável ao ar.

Secamento do sensor / procedimentos

Para medir a perda de água da cápsula porosa em função da tensão da água, após o ajuste da tensão de água a cápsula porosa era removida da câmara de Richards, colocada em um pequeno frasco tampado, para evitar evaporação, e imediatamente pesada com precisão de miligrama.

Secamento do sensor / observações

Para o desenvolvimento de instrumentos que tenham resposta adequadamente rápida, a quantidade de água que precisa ser trocada entre a cápsula porosa e substrato é importante. Quanto maior a troca de água necessária para uma medição maior será o tempo de resposta.

Cada cápsula porosa possui a sua própria curva característica de teor de água versus tensão de água. A perda de água de três destas cápsulas foi aferida entre tensão de água zero e tensão igual a Td, que é a faixa de trabalho principal dos sensores Irrigas.

Nesta faixa, a perda de água foi proporcional a tensão de água (Figura 2.5) e as cápsulas porosas com poros mais finos (Td mais elevado) trocaram menos água do que as cápsulas porosas com poros maiores.

A troca de água necessária para resposta à tensão de água em cápsulas porosas com Td mais elevado é uma propriedade valiosa porque a condutividade da água no solo decresce rapidamente conforme a tensão da água aumenta. Neste sentido outra boa característica da faixa de trabalho dos sensores Irrigas é a manutenção de fluxo de água praticamente saturado na cápsula porosa entre zero e Td. Isso é uma condição que, evidentemente, favorece o rápido equilíbrio hídrico entre as cápsulas porosas e o solo.

As cápsulas porosas utilizadas nestes ensaios possuíam porosidade entre 20 e 35%. Em cápsulas porosas, a condutividade hidráulica é proporcional ao quadrado do raio efetivo dos poros, conforme a equação de Poiseuille (Moore, 1972), e este raio pode ser estimado a partir de valores de Td (Eq. 1). Desse modo, calcula-se que uma cápsula porosa de 12 kPa deve ser cerca de 100 vezes mais permeável a água do que uma cápsula porosa de tensiômetro comum de 120 kPa, fato que é conhecido há muito tempo (Marshall, 1959).

Pressão e fluxo de ar através do sensor / procedimentos

Capítulo 2 Fundamentos

Na cápsula porosa imersa em água aumentou-se a pressão gradualmente, e após cada aumento esperou-se por 3 min enquanto o fluxo aumentava e se estabilizava, para anotar o fluxo. O fluxo de ar foi medido com fluxímetro de capilar calibrado (Slavick, 1974), enquanto a tensão de ar foi ajustada com uma válvula de agulha, utilizando-se o arranjo experimental ilustrado na (Figura 2.6).

Pressão e fluxo de ar através do sensor / observações

A pressão induzida por um fluxo de ar estacionário em uma cápsula porosa Irrigas imersa em água foi acompanhada no tempo (Figura 2.7A). O ar acumulado na cápsula porosa causou aumento de pressão até atingir Td, após isto o ar que permeava a cápsula superou o fluxo de ar introduzido até igualar-se novamente ao fluxo de entrada de ar quando a pressão estabilizou-se ao redor de Ts. Os sensores Irrigas submetidos à tensão de água do solo com tensão de água maior que zero, por sua vez, apresentam respostas semelhantes porém as pressões observadas são menores (dados não apresentados).

Por outro lado, quando se aumenta a pressão de ar aplicada à cápsula porosa observa-se que o borbulhamento é iniciado quando a pressão aplicada (p) supera Td. Em seguida vazão de ar através da cápsula porosa aumenta dramaticamente conforme p é subseqüentemente aumentado (Figura 2.7B).

Estas respostas das cápsulas porosas tem sido consideradas úteis em todas as aplicações, inclusive para a automação (Calbo, 2000 e 2004) e vem sendo aplicadas com e sem automatização em equipamentos tais como: a cuba de imersão (Calbo & Silva, 2001), o sinalizador de irrigação (Calbo & Silva, 2003a), o tensiômetro a gás (Calbo & Silva, 2003b), os controladores tensiométricos (Calbo et al., 2004) e com novos produtos comerciais, como o MPI 03, o MRI e o controlador autônomo de irrigação fabricados.

Tensiômetro a gás diferencial / procedimentos

Na figura 2.8 um sistema para estimar a tensão da água do solo com as equações 2 e 3 é ilustrado. A tensão da água foi medida de acordo com a pressão induzida por fluxo contínuo de gás através dos tubos de referência e de medição. Para os sensores Irrigas experimentais um fluxo de 0,5 ml por minuto foi ajustado em ambos os tubos. Um fluxímetro de bolha de sabão (bolhômetro) foi utilizado para monitorar este fluxo de gás.

Para medições diretas da tensão da água no solo o tensiômetro foi utilizado no modo diferencial (Fig. 2.8), sensores Irrigas similares foram conectados no lado de referência, imerso em água e no lado de medição. O sensor Irrigas de medição foi colocado em contato com o substrato sob tensão de água ajustada (Figura 2.3) e a medida de tensão de água no solo foi obtida em minutos, após a estabilização.

Tensiometro a gás diferencial / observações

Capítulo 2 Fundamentos

Medições da tensão de água foram obtidas mediante a leitura diferencial de pressão (equação 3). As leituras obtidas foram sempre boas estimativas da tensão da água no solo, o que é observável através da linearidade e a declividade muito próxima da unidade ilustradas na figura 2.9.

Diferentemente do princípio do Irrigas, em seu trabalho experimental Kemper & Amemya (1958) utilizaram o aumento da permeabilidade ao fluxo de ar através de cápsulas porosas quando submetidas a tensões de água maiores que Td, para medir tensão da água no solo. Aquele método, contudo, é difícil porque a permeabilidade ao ar aumenta como uma função sigmoidal da tensão da água no solo. O comportamento exato desta curva é uma característica de cada cápsula porosa em particular e, adicionalmente, a sensibilidade à tensão de água diminui rapidamente conforme o valor assintótico de condutividade ao ar é aproximado.

Em um primeiro relato sobre tensiometria a gás,

Calbo & Silva (2003b) utilizaram de duas técnicas diferentes para aplicar a equação de sorção (Eq. 3). Na primeira técnica, o sensor Irrigas foi lentamente pressurizado até o ponto em que o ar começou a permear através da cápsula porosa e depois disto a entrada de ar foi fechada e a pressão no sistema diminuiu para um valor mínimo p, o qual foi anotado para se calcular a tensão da água com a equação 3. Em uma segunda técnica, um fluxo de gás estacionário foi aplicado e a pressão p de estabilização foi anotada para cálculo com a equação 3. Naquele trabalho, obteve-se uma resposta linear relacionando a tensão de água com pressão de ar estabilizada.

Na figura 2.9 a leitura contínua e direta (em módulo) da tensão de água foi possibilitada por operação do Irrigas no modo diferencial. Dessa maneira o sensor Irrigas indicou a tensão da água similarmente a um tensiômetro comum (Fig. 2.5). O modo diferencial de uso do tensiômetro a gás, contudo, não é essencial para se obter medições diretas e contínuas da tensão da água, visto que a pressão de ar no lado da referência pode ser ajustada com outros mecanismos de ajuste de pressão de gás, como uma pressão de referência (offset).

A resposta diferencial do sensor Irrigas à tensão de água é eudimétrica, em uma faixa que vai de zero and Td, no modo dessorção, e entre zero e Ts, em sistemas que operam no modo sorção ou umidificação. Cápsulas porosas com Td de até 300 kPa tem sido utilizadas com sucesso neste tipo de medição (resultados não apresentados).

Mesmo quando utilizado para estudar tensões de água superiores a 100 kPa, a resposta é estável e o uso do sistema é simples. Diferentemente do Irrigas, o tensiômetro de Ridley & Burland (1993), também estudado por Tarantino & Mangiovì (2001), requer uma fase de pré-hidratação de 24 horas em câmara de alta pressão (4000 kPa) para dissolver as bolhas de ar na cápsula porosa. O tensiômetro de Ridley & Burland (1993) usualmente trabalha adequadamente por algumas horas antes da cavitação ocorrer. Apesar disto, o tensiômetro de Ridley & Burland (1993) é uma importante e

Capítulo 2 Fundamentos nova ferramenta que vem sendo utilizada por engenheiros mecânicos e geofísicos, porém não é apropriado para manejo de irrigação.

Calbo & Silva (2003b) enfatizaram dois fatores relevantes para o uso do Irrigas em tensiômetros a gás portáteis: primeiro, é melhor usar pequenos sensores Irrigas, para se obter equilíbrio hídrico mais rapidamente. Segundo, o ar é compressível e, consequentemente, um volume morto pequeno no sistema é fundamental, especialmente se pressões de ar elevadas são necessárias na medição. Pequeno volume morto é obtido empregando-se tubos de pequeno diâmetro e sensores Irrigas com a cavidade preenchida com material sólido inerte. Adicionalmente, no presente trabalho, se demostrou que menores trocas de água são necessárias fazendo-se uso de cápsulas porosas Irrigas de maior Td, o que também pode ser relevante quando se deseja fazer com que o sensor entre em equilíbrio de tensão hídrica rapidamente.

Irrigas é um sistema para medir tensão de água constituído de uma cápsula porosa (sensor) ligada por um tubo a um dispositivo de aplicar/medir pressão de gás. A tensão de água (T) é obtida com as expressões: T=Td-p e T=Ts-p, onde Td é a tensão crítica de dessorção da água (inicio de borbulhamento), Ts é a tensão crítica de sorção (fim de borbulhamento) e p é a pressão gasosa. Diferentemente dos tensiômetros comuns, a cavidade da cápsula porosa do Irrigas é cheia de ar, não requer adição de água e tampouco correção de pressão hidrostática. O sistema foi testado, tanto no modo dessorção quanto sorção. No primeiro, determinou-se a tensão da água na qual a cápsula torna-se permeável ao ar. Os valores da tensão da água, ajustados com câmara de Richards, na qual o sensor Irrigas se tornou permeável ao ar foi praticamente a magnitude da pressão de borbulhamento (Td). Resultado que confirma a validade do teste de imersão usado para o manejo de irrigação, conforme descrito nos capítulos anteriores. Segundo, no modo sorção, acionado por um fluxo continuo de ar, os sensores Irrigas geraram leituras de tensão de água de maneira direta entre zero e Ts. Em seus usos as trocas de água dos sensores Irrigas são modestas e adequadas a cada aplicação graças ao fato de que sensores Irrigas de maior Td trocarem quantidades muito menores de água com o meio na faixa de medição (0 a Td). Para fins de manejo de irrigação, sistemas Irrigas comerciais de controlar tensão de água são selecionados de acordo com a tensão critica de água para a cultura.

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