A drenagem é um processo de remoção do excesso de água dos solos de modo que lhes dê condições de aeração, estruturação e resistência. Sempre que a drenagem natural não for satisfatória, pode-se fazer, em complementação, drenagem artificial. A drenagem pode remover o excesso de água que se acumula sobre a superfície do solo ou mesmo dentro do solo. Seu objetivo é retirar o excesso de água aplicada na irrigação ou proveniente das chuvas. Antes de proceder a drenagem de uma área, é preciso avaliar cuidadosamente seus impactos ambientais.  Em outra matéria abordaremos os possíveis impactos ambientais da drenagem.

Para melhor entender os efeitos do excesso de água sobre solo e plantas, é preciso avaliar alguns mecanismos que participam dos processos envolvidos tais como:

Aeração: O excesso de água reduz a percentagem de ar presente no solo e com isto o oxigênio.  Este mecanismo afeta muito o desenvolvimento das raízes e sobrevivência de microrganismos que necessitam de oxigênio.  Vários efeitos surgem e a principal consequência é a deficiência de nitrogênio (as plantas ficam amareladas)

• Redução do processo de nitrificação (a mineralização da matéria orgânica é feita por microrganismos que a decompõem em aminoácidos, amônia, amoníaco e oxidam a nitrato). O excesso de água expulsa os microrganismos.
• Redução da fixação de Nitrogênio por bactérias pois a água expulsa o ar que contém nitrogênio.
• Redução do NO3 a nitrito, óxido de nitrogênio ou nitrogênio gasoso que escapa do solo por difusão gasosa
• Parte do NO3 também é decomposta por microrganismos que o utilizam no lugar do oxigênio atmosférico expulso pela água.

Estrutura:  O excesso de água reduz a resistência do solo à compressão pois a coesão entre partículas fica reduzida.  Por isso, o tráfego de máquinas é muito afetado, compactando o solo.  Essas alterações trazem alguns impactos como:

• redução da permeabilidade do solo
• redução do desenvolvimento radicular
• redução da troca de gases no solo

Calor no solo:  A temperatura altera a condutividade térmica e a capacidade calorífica do solo que pode ser escrita, conforme literatura, como:

            C = 0.46 FM + 0.60 FO + 1.0 FA

Onde FM é a fração mineral, FO a fração orgânica do solo e FA a fração água do solo.  Observa-se que qualquer variação na fração líquida afeta muito mais a capacidade calorífica, isto é, quantas calorias devem ser adicionadas ou retiradas para reduzir ou aumentar em um grau Celsius a temperatura do solo.  Isto explica, em parte, porque em solos mais úmidos é necessário mais calor para seu aquecimento.

Em relação à temperatura, um gráfico típico da variação da condutividade térmica (Kt) versus umidade do solo é apresentado a seguir:

Como o fluxo de calor no solo é diretamente proporcional ao gradiente de temperatura e à condutividade térmica, solos mais úmidos tem maior dificuldade para condução de calor. De modo geral, solos mal drenados demoram mais para serem aquecidos.

Doenças:  O excesso de água favorece o desenvolvimento de agentes patogênicos e isto pode resultar em maior ocorrência de doenças ou mesmo pragas como mosquitos.  Um exemplo típico de exceção à regra é o caso dos nematoides em que inundar o solo pode ser benéfico para redução da sua população.

Fisiologia:  A deficiência de aeração pode alterar significativamente os aspectos fisiológicos das plantas.  As principais consequências causadas pelo excesso de água são:

• curvatura e acamamento das plantas
• perda de geotropismo (raízes param de crescer verticalmente para baixo e crescem horizontalmente)
• desenvolvimento acentuado de raízes adventícias (raízes que brotam da parte aérea de algumas plantas)
• queda das estruturas de reprodução (flores)
• surgimento de níveis tóxicos de alguns elementos do solo que sofrem redução química e provocam toxidez como ferro, cobalto, manganês, cobre, zinco e enxofre, que na forma reduzida são mais solúveis.

Salinidade:  A má drenagem também pode contribuir para elevação do lençol freático que, ao chegar à superfície do solo por capilaridade, permite a evaporação da água, mas os sais, ainda que poucos que estavam dissolvidos na água, não se evaporam, pois apenas água evapora.  Este fato ocorre muito em solos rasos irrigados em excesso e desprovidos de sistema de drenagem.  Isto faz com que os sais se acumulem na superfície do solo, local onde ainda estavam dissolvidos em água, mas acabam se precipitando e esbranquiçando a superfície do solo, já que se separam da água que foi evaporada (apenas água é capaz de evaporar-se). Este mecanismo dizimou a população da Mesopotâmia cerca de 2000 A.C., onde atualmente é o Iraque, entre os rios Tigris e Eufrates.

Porosidade drenável (μ)

            Porosidade total (P) é o nome dado à porção do solo não ocupada por sólidos. Em geral solos arenosos são menos porosos, embora seus poros sejam maiores. A porosidade drenável (μ), ou água drenável, representa os poros de um solo que não conseguem reter água contra a força da gravidade. Expressa a diferença entre a porosidade total e a porosidade preenchida com água mesmo após a drenagem. A porosidade drenável representa a capacidade de drenagem de um solo.

Para se medir a porosidade drenável se torna necessário enviar amostra para laboratório.  Cabe esclarecer que solos com baixa porosidade drenável (abaixo de 0,04 ou 4%) não devem receber drenos já que após a drenagem, muito provavelmente continuarão próximos da saturação, com problemas típicos de áreas mal drenadas.

Valores típicos de porosidade drenável (cm3 de água por cm3 de solo)

Solo argiloso compacto	001-0,02
Solo bem estruturado	0,04-0,08
Areia fina	0,15-0,20
Areia grossa	0,25-0,35

Condutividade hidráulica (K)

A condutividade hidráulica de um solo saturado determina a velocidade da drenagem. Ela varia conforme o solo e pode ser afetada pela presença de sódio ou pela irrigação com água de baixa condutividade elétrica, como por exemplo, a água do rio São Francisco.

Sua determinação tem muita importância para o dimensionamento dos sistemas de drenagem. Os métodos mais comuns para determiná-la são: o método do permeâmetro de carga constante (método de laboratório) e o método do poço na presença do lençol freático (método de campo).

O método do poço é um método simples, rápido e preciso, que estima a condutividade hidráulica do solo saturado, na faixa de solo entre o lençol freático e o fundo de um furo, tipicamente de 100 a 150 cm de profundidade. Para executá-lo faz-se um furo com trado até abaixo do lençol. Após o equilíbrio entre a água do poço com o lençol freático, parte da água é removida. A água do solo, ao redor do poço, se movimentará para dentro do poço, elevando seu nível. A velocidade com que o nível da água subirá no poço está correlacionada com a condutividade hidráulica do solo ao redor do poço.

 

Valores comuns de K	K (m.dia-1)
Solos argilosos (próximo a superfície)	0,01-0,2
Solos argilosos (camada compactada)	1×10-8-0,01
Solos francos (siltosos)	0,1-1,0
Areia fina	1-5
Areia média	5-20
Areia grossa	20-100
Cascalho	100-1000
Argila + areia + cascalho	0,001-0,1

Drenos e Materiais Drenantes

            A drenagem subterrânea emprega basicamente dois tipos de drenos, abertos e fechados(tubulares).  Os drenos abertos são valetas com seção transversal no formato trapezoidal, de paredes inclinadas, com objetivo de evitar o desmoronamento, conforme ilustrado na figura abaixo.

Drenos e Materiais Drenantes

A drenagem subterrânea emprega basicamente dois tipos de drenos, abertos e fechados(tubulares).  Os drenos abertos são valetas com seção transversal no formato trapezoidal, de paredes inclinadas, com objetivo de evitar o desmoronamento, conforme ilustrado na figura abaixo.

 

Dreno aberto

Seção transversal do dreno aberto

A largura do fundo do dreno(b) é em geral de 30 cm, e a inclinação do talude (z) varia de 0,5 a 1,0 respectivamente para solos bastante coesos até solos soltos (arenosos).  A profundidade (d) varia de 1,2 a 1,5 metros.  Como os drenos têm esta profundidade, facilmente transportam a vazão de escoamento subterrâneo proveniente do solo.  Como vantagem em relação aos drenos tubulares enterrados, os drenos abertos também recolhem água de escoamento superficial. Uma grande desvantagem dos drenos abertos é a necessidade de manutenção (capinas manuais, já que aplicação de herbicida não pode ser feita).

As valetas podem ser escavadas com auxílio de retroescavadeira (escavadeiras acopladas ao trator de pneu) ou escavadeiras hidráulicas (escavadeiras de esteiras).  Enquanto uma retroescavadeira cava aproximadamente 25 m3/hora, a escavadeira hidráulica pode cavar até 100 m3/hora.  Caso a escavação seja manual (pequenos drenos), o rendimento é da ordem de 0,5 m3/hora.  A terra retirada durante a escavação deverá ser esparramada ao lado dos drenos pois do contrário poderá cair dentro do próprio dreno durante chuvas e outras operações normais da agricultura.

Após dimensionado o dreno aberto, é preciso calcular a velocidade da água.  É importante ressaltar que velocidades inferiores a 0,3 m/s proporcionam a sedimentação de materiais sólidos e com isto o assoreamento dos drenos.  Já as velocidades superiores a 0,9 m/s podem causar erosão nos drenos.

Quando os drenos são enterrados, abre-se uma valeta com largura equivalente a três vezes o diâmetro do tubo, com inclinação de talude zero (retangular) ou com pequeno talude (z = 0,2).  Depois de colocar no fundo da valeta uma camada de material envoltório (veja texto a seguir) de espessura equivalente ao diâmetro do tubo, coloca-se o dreno no centro e o cobre com mais material envoltório para depositar sobre o tubo uma camada de espessura equivalente ao diâmetro do tubo utilizado.  Sobre a camada de envoltório coloca-se uma manta plástica e depois repõe-se a terra até cobrir toda a valeta. A manta tem o objetivo de evitar a mistura da terra com o envoltório.  Ela não prejudica a drenagem já que a água entra pelos lados e principalmente pelo fundo do dreno. A terra retirada durante a escavação, deverá ser retornada para valeta (drenos fechados ou tubulares).

Material Envoltório:  Os drenos tubulares requerem a instalação ao seu redor de material envoltório.  Esses materiais também são designados em alguns livros como filtros.  O material envoltório tem a finalidade de colocar ao redor do dreno, onde o movimento de água no solo pode ser tão rápido que se torna erosivo, material permeável, mas de grande resistência à erosão.  Outra finalidade é diminuir a perda de carga da água ao entrar no tubo.  Esta perda de carga já foi estudada e é inversamente proporcional a condutividade hidráulica do material envoltório.  Por isso, os materiais empregados devem ser materiais altamente permeáveis (condutividade hidráulica no mínimo 10 vezes a condutividade hidráulica do solo) e de grande resistência à erosão.  Neste caso, são bons materiais os pedriscos, brita, cascalhos, areia grossa, fibra vegetal, fibra sintética etc.

O tamanho das partículas do material envoltório deve ser tal que 100% das partículas tenham tamanho inferior a 38mm e 90% sejam menores que 20mm.  É desejável também que 85% das partículas tenham tamanho superior a metade da largura do orifício do tubo de drenagem (sabe-se que as partículas se prendem umas às outras e que sendo maiores que metade da largura do orifício já é suficiente para que não passem pelo orifício durante a drenagem). Segundo pesquisadores holandeses, a espessura mínima do material envoltório ao redor do tubo deve ser de 1 centímetro.  O Departamento de Drenagem (USBR) dos Estados Unidos sugere 10cm.  Na prática a recomendação atual é de que seja equivalente ao diâmetro do tubo.

O emprego de fibra sintética é bastante questionável, pois seu custo inviabiliza a aplicação de material envoltório com a espessura recomendada acima.  Segundo o Manual de Engenharia dos Estados Unidos, ela não deve ser utilizada em solos com muita argila dispersa ou silte pois correm o risco de serem colmatadas (sofrem entupimento de seus poros pelas partículas do solo). São mais indicadas para solos arenosos.

O uso de envoltórios pode ser evitado, pois já existem no Brasil drenos com orifícios devidamente fabricados e máquinas que instalam drenos tubulares de modo automático, pois possuem antena coletora de dados de GPS.  As imagens seguintes mostram o equipamento instalando um dreno de 160mm e os monitores existentes no interior do trator, em geral com potência superior a 300 cv.

 

Equipamento com antena RTK

Monitor do trator e da instaladora de drenos

Cálculo de espaçamento de drenos subterrâneos

O cálculo de espaçamento entre drenos pode ser feito com emprego de diferentes métodos.  Entretanto, algumas equações aplicam-se melhor para um determinado regime de chuva do que outras.  Para tanto, os procedimentos são divididos em métodos para regime constante ou regime variável.  Regime constante é aquele em que a posição do lençol freático permanece inalterada durante a chuva, ou seja: a quantidade de chuva que entra menos a água consumida pelas plantas e evaporada é a mesma que sai        pelos drenos, de modo que o lençol freático não se eleva e nem é rebaixado.  Este regime aplica-se apenas em regiões onde as chuvas são de baixa intensidade e longa duração, bastante comum na região central dos Estados Unidos e nos países baixos da Europa (Holanda, Bélgica…).  O Regime Variável é aquele em que as chuvas são de alta intensidade e curta duração.  Neste regime os drenos não conseguem remover a água da chuva enquanto ela ocorre.  A chuva intensa eleva o lençol freático e a drenagem ocorre após a chuva, tendo que rebaixar o lençol num determinado período.  Este regime é bastante comum em clima úmido e subsumido como no Brasil.

Outro fator a ser considerado no cálculo de espaçamento de drenos é a profundidade deles, que pode ser aumentada para trazer benefícios (maior espaçamento entre drenos; menos tubos por hectare). No entanto, a escavação em níveis mais profundos pode acarretar maiores custos de construção. De uma maneira geral, a profundidade ideal dos drenos situa-se entre 1,2 e 1,5 metros, pois fora desta faixa tem-se muitos drenos por hectare ou altos custos de escavação.

A profundidade dos drenos depende também de outros fatores tais como:

• a profundidade não deve exceder a profundidade do ponto de descarga disponível;
• drenos muito profundos podem proporcionar a entrada de água subterrânea, proveniente de áreas vizinhas;
• os drenos não devem ser instalados em camadas impermeáveis, nem em areias instáveis;
• drenos muito profundos podem drenar excessivamente o solo, expondo a cultura a riscos de seca;
• as máquinas disponíveis devem ser consideradas. O rendimento econômico dessas máquinas ainda é bom se os drenos são enterrados a uma profundidade de 1,2 a 1,5 m.

Na região úmida da Europa os drenos são instalados em profundidades de 0,9 a 1,2m; em regiões áridas e semiáridas, quando a drenagem visa controlar os sais no perfil, esta profundidade pode e deve ser maior (1,8m ou mais).

Para calcular o espaçamento entre drenos duas equações são consideradas, em função do regime de drenagem a equação de Hooghoudt para regime permanente e equação de Glover-Dumm para regime variável.

Fórmula para regime permanente

Neste caso, o critério de drenagem especifica a recarga ou coeficiente de drenagem (q) que o sistema deve drenar permanentemente para manter o lençol numa altura mínima (h) constante (o lençol permanece na mesma posição). Caracteriza-se por chuvas de longa duração e de baixa densidade em que o lençol freático permanece em uma posição constante e a drenagem ocorre junto com a chuva, ou seja, a quantidade de chuva que entra no perfil é a mesma evapotranspirada ou retirada pela drenagem.  Esta fórmula não se adequa ao Brasil, onde temos regime variável de recarga (chuvas intensas e rápidas).

O coeficiente de drenagem a ser empregado depende dos objetivos a serem cumpridos pelo sistema de drenagem. Neste caso, o critério de drenagem é drenar uma determinada lâmina diariamente.  Por exemplo, nos Estados Unidos tem sido comum a drenagem de 8 a 12mm/dia. Nas chuvas tropicais brasileiras, caso a equação fosse apropriada, o coeficiente seria provavelmente 15 a 18 mm/dia.

Para calcular o espaçamento entre drenos neste regime emprega-se então a equação de Hoogoudt que pode ser escrita como:

\(L^{2}=\frac{4Kh}{q}(2D+h)\)

Onde L é o espaçamento a ser adotado entre drenos (m), K a condutividade hidráulica do solo (m/dia), h a altura máxima do lençol freático acima dos drenos (m), e q é o coeficiente de drenagem (m/dia).

Em drenagem, é bastante possível a ocorrência de fluxo predominantemente radial (figura abaixo), situação que pode ser prevista sempre que a distância dos drenos até a camada impermeável (D) for maior que W (profundidade dos drenos).  Quando esta situação ocorre, o valor de D precisa ser corrigido, isto é, substituído por d.  Neste caso, o valor de d pode ser calculado como:

\(d=\frac{{\pi}L}{8LN\frac{L}{u}}\)

onde u é o perímetro molhado do dreno.  Para drenos abertos seria a largura do fundo do dreno mais duas vezes a altura da lâmina de água correndo no dreno (em geral 5cm).   Neste caso, por exemplo para um dreno com 30 cm de largura de fundo u = 40 cm ou 0,4 m.  Para drenos tubulares, a água corre em geral com meia seção preenchida.  Neste caso, u é o perímetro da seção transversal dividido por 2.

Regime Variável

A equação utilizada para cálculo de espaçamento de drenos em regime variável é a Equação de Glover-Dumm, que pode ser escrita como:

\(ht=1 16hoe^{-at}\)

 

\({\alpha}=\frac{{\pi}^{2}KD}{{\mu}L^{2}}\)

em que:

K = condutividade hidráulica (m/dia)

α = fator de reação (dia^-1)

μ = porosidade drenável (cm3/cm3)

t = tempo permitido para o rebaixamento do LF (dias);

D = distância do fundo do dreno à camada impermeável (m);

L = espaçamento entre drenos (m)

R = rebaixamento do LF (m)

OBS.: em regime variável, o critério de drenagem define o rebaixamento do lençol freático e o prazo (tempo). Por exemplo, para feijão o rebaixamento é de no mínimo 30 cm no prazo de 3 dias, enquanto para milho este prazo pode ser de 4 dias.

            Caso haja fluxo radial (D>W), o valor de D na equação acima também precisa ser substituído por d, conforme recomendado para regime permanente.