Water and solute transport simulation in a Fluvisol irrigated with waters of different quality: testing the HYDRUS-1D model with observations in soil monoliths

M. C. Gonçalves¹, T. B. Ramos¹, J. Šimnek², M. J. Neves¹, J. C. Martins¹, F P. Pires¹ & P. Leitão³

RESUMO

Entre 2001 e 2004 procedeu-se à monitorização dos teores de água e dos catiões solúveis Na⁺, Ca²⁺ e Mg²⁺, às profundidades de 10, 30, 50 e 70 cm, em três monólitos de solo (1.2 m² x 1.0 m de profundidade), construídos num Aluviossolo de textura mediana, situado em Alvalade de Sado, visando o estudo da evolução da salinização e da sodicização do solo em função de diferentes qualidades de água de rega aplicadas.

Os monólitos, cobertos com vegetação natural, foram regados manualmente (10 mm por aplicação), durante o ciclo de rega da região (500 mm) e sujeito à lava-gem pela chuva (entre 388 e 570 mm/ano) durante o período remanescente do ano. As águas de rega inicialmente aplicadas apresentavam uma CE de 0.4, 0.8 e 1.6 dS m^-1 e um valor de SAR de 1, 3 e 6 (meq L^-1)^0,5, designadas de A, B e C, respectivamente, mantendo sempre uma relação Ca:Mg = 1:2. No 3º e 4º anos optou-se por aumentar a CE das águas de rega para 0.8, 1,6 e 3.2 dS m^-1, mantendo o respectivo equilíbrio entre os catiões. O teor de água no solo foi monitorizado às 4 profundidades por TDR e a solução de solo foi amostrada recorrendo a cápsulas porosas instaladas às mesmas profundidades. Foi monitorizada a evolução dos teores de água e de Na⁺, Ca²⁺ e Mg²⁺ solúveis, da condutividade eléctrica (CE), da razão de adsorção de sódio (SAR) e da percentagem de sódio de troca (ESP) nos três monólitos, às quatro profundidades e ao longo dos 4 anos de ensaio.

A modelação dos processos envolvidos foi efectuada recorrendo ao modelo HYDRUS-1D, o qual se mostrou adequado à simulação dos resultados experimentais. A análise entre os valores medidos e simulados foi feita com recurso à análise de regressão simples, forçada à origem. As equações obtidas apresentaram coeficientes de regressão próximos de 1 e coeficientes de determinação elevados, variando entre 0.985 para o teor de água e 0.797 para o cálcio solúvel. Pode-se considerar que este modelo é uma ferramenta valiosa para previsões a médio/longo prazo da influência da qualidade da água de rega no solo.

HYDRUS-1D was used to analyze water flow and solute transport in three soil monoliths (1.2 m² ? 1.0 m) that were irrigated during summer months with different quality waters. The soil monoliths were constructed on a Eutric Fluvisol in Alentejo, Portugal. EC of irrigation waters varied between 0.4 and 3.2 dS m^-1 and SAR between 1 and 6 (meq L^-1)^0.5, maintaining a relation of Ca:Mg equal to 1:2. In the irrigation season, about 500 mm of irrigation water was applied. During the rest of the year, the soil monoliths were subjected to regular rainfall leaching. The objective was to evaluate the effectiveness of the HYDRUS-1D software package to predict water contents and fluxes, concentrations of individual ions (Na⁺, Ca²⁺ and Mg²⁺), electrical conductivity of soil solution (EC), sodium adsorption ratio (SAR) and exchangeable sodium percentage (ESP) indices under field conditions where salinisation may occur. These variables and indices were monitored from May 2001 to September 2004 at four depths (10, 30, 50, 70 cm) in all three soil monoliths. HYDRUS-1D has successfully described field measurements of overall salinity, individual soluble cations, as well as SAR and ESP with regression coefficients close to 1 and determination coefficients ranging from 0.985 to the water content to 0.797 to the soluble calcium simulation.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes D. & Smith, M. 1998. Crop evapotranspiration – Guidelines for computing crop water requirements. Irrigation and drainage, paper 56, FAO, Rome, Italy.

Galvão, P., Chambel Leitão, P., Neves, R. & Leitão, P.C. 2004. A different approach to the modified Picard method for water flow in variably saturated media. In Miller, C.T., Farthing, M.W., Gray, W.G. & Pinder, G.F. (eds) Computational Methods in Water Resources Part 1, 55. Proceedings of the 15^th International Conference on Computational Methods in Water Resources (CMWR XV), June 13-17, 2004 Chapel Hill, NC, USA.         [ Links ]

Gonçalves, M.C., Leij, F.J. & Schaap, M.G. 2001. Pedotransfer functions for solute transport parameters of Portuguese soils. European Journal of Soil Science, 52: 563-574.

Gonçalves, M.C., Martins, J.C. & Gonçalves, A.R. 2002. Avaliação dos parâmetros de transporte de solutos no solo. Rev. das Ciências Agrárias, XXV (3 e 4): 227-239.

Gonçalves, M.C., Martins, J.C., Oliveira, A., Pires, F.P, Gonçalves, A.R., Bica, J. & Bica, M. 2004. Estudo preliminar sobre a evolução da salinização e da sodicização de um Aluviossolo regado com águas de diferentes qualidades, em Alvalade-Sado (Alentejo). Rev. de Ciências Agrárias, XXVI (1): 113-126.

Gonçalves, M.C., Martins, J.C., Neves, M.J., Pires, F.P., Oliveira, A.V., Bica, J. & Bica, M. 2005. Impacto da qualidade da água de rega no solo. Estudos da salinização e da sodicização de um Aluviossolo, em Alvalade do Sado, Alentejo. Rev. de Ciências Agrárias, XXVIII (2): 177-188.

Gonçalves, M.C., Pereira, L.S. & Leij, F.J., 1997. Pedo-transfer functions for estimating unsaturated hydraulic properties of Portuguese soils. European Journal of Soil Science, 48:387-400.

Mesquita, M.E. & Alvim, A. 1981. Testagem de um método de determinação da capacidade de troca catiónica em solos salinos. Pedologia, 16 (1): 165-176.

Richards, L.A. 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. USDA Handbook 60, Washington, USA.

Ritchie, J.T. 1972. Model for predicting evaporation from a row crop with incomplete cover. Water Resources Research, 8(5): 1204-1213.

Šimunek, J., Suarez, D.L. & Šejna, M. 1996. The UNSATCHEM software package for simulating one-dimensional variably saturated water flow, heat transport, carbon dioxide production and transport, and multicomponent solute transport with major ion equilibrium and kinetic chemistry, Version 2.0, Research Report No. 141, U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside, California, 186pp.

Šimunek, J., van Genuchten, M.Th. & Šejna, M. 2005. The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Version 3.0, HYDRUS Software Series 1. Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, CA, 270pp.

Toride, N., Leij, F.J. & van Genuchten, M. Th. (1995). The CXTFIT Code for Estimating Transport Parameters from Laboratory or Field Tracer Experiments, Version 2.0. Research Report 137, US Salinity Laboratory, Riverside, CA.

Van Genuchten, M.Th. 1980. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 44: 892-898.

Van Genuchen, M.Th. & Šimunek, J. 2004. Integrated modeling of vadose zone flow and transport processes. In Feddes, R.A. Rooij, G.H. & van Dam, J.C.. Wageningen (ed) Proc. Unsaturated Zone Modelling: Progress, Challenges and Applications, 3-5, pp. 37-69. The Netherlands, October.

Wagenet, R.J. & Hutson, J.L. 1987. LEACHM: Leaching Estimation and Chemistry Model, A Process-based Model of Water and solute Movement, Transformations, Plant Uptake and Chemical Reactions in the Unsaturated Zone. Continuum 2. Water Resour. Inst., Cornell University, Ithaca, New York.

¹ Est. Agronómica Nacional, Quinta do Marquês, 2784-505 Oeiras, Portugal – Tel: 214 403 500 – Fax: 214 416 011 – E-mail: mc.goncalves@netc.pt

² Department of Environmental Sciences, University of California, Riverside, CA 92521, USA

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