CC54Z - Hidrologia

Infiltração e água no solo

Prof. Fernando Andrade

Curitiba, 2014

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

• Definir as grandezas características e a

importância da infiltração

• Definir a composição típica, textura e

porosidade do solo

• Analisar os mecanismos de movimento da

água no solo e a taxa de infiltração

• Aprender o procedimento de medição da

infiltração

Objetivos da aula

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Definições, composição e textura do solo

Definição e importância

• Infiltração é definida como a passagem da água através da superfície, passando pelos poros e atingindo o interior do solo

• É importante para o crescimento da vegetação, para o abastecimento dos aquíferos (reservatórios de água subterrânea), para armazenar a água que mantém o fluxo nos rios durante as estiagens, para reduzir o escoamento superficial, reduzir as cheias e diminuir a erosão

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Grandezas características

• Capacidade de infiltração: razão máxima

em que o solo, em uma dada condição, é

capaz de absorver água, f (mm/h)

• Velocidade de infiltração: velocidade em

que a água atravessa o solo

• Estimativas por equações empíricas

ajustadas por dados de campo

• Física dependente da variabilidade

espacial das propriedades do solo 5

Composição do solo

• O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. Na mistura se encontram organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes) e matéria orgânica, especialmente nas camadas superiores, mais próximas da superfície

• Cerca de 50% do solo é composto de material sólido, enquanto o restante são poros que podem ser ocupados por água ou pelo ar

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Composição típica do

solo

7 [1]

Parte sólida do solo

• A parte sólida mineral do solo é analisada

do ponto de vista do diâmetro das

partículas. As partículas são classificadas

como argila, silte, areia fina, areia grossa,

e cascalhos ou seixos

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Textura do solo

9 [2]

Porosidade do solo

• A porosidade do solo, n, é definida como o

volume de vazios dividido pelo volume

total do solo (em percentagem)

• A porosidade de solos arenosos varia de

37 a 50 %, enquanto a porosidade de

solos argilosos varia de 43 a 52%

n=Vvazios/Vtotal

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Água no solo

• Solo saturado: todos os poros estão

ocupados por água (máxima quantidade

de água preenchendo os vazios)

• Solo seco: todos os poros estão ocupados

por ar

• Grau de umidade: razão entre o peso da

amostra úmida e da amostra

completamente seca em um forno a 105ºC

por 24 horas (método gravimétrico) 11

Curva de retenção de

umidade

12

[3]

Infiltração e movimento da água no solo

Infiltração da água no solo

• Fatores que interferem na infiltração da água

• Umidade: um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial devido a soma das forças gravitacionais e capilares

• Permeabilidade: fator preponderante na infiltração (no fluxo de água para baixo)

• Outros fatores: temperatura da água no solo, profundidade do extrato impermeável

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Taxa de infiltração da

água no solo

• Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida quase totalmente pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos poros vazios (com ar)

• À medida que os poros vão sendo preenchidos a infiltração tende a diminuir

• A partir do ponto em que o solo está saturado a infiltração é constante e em torno da condutividade hidráulica

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Equação de Horton

• Equação empírica que descreve o comportamento da infiltração da água no solo

• f é a taxa de infiltração (mm/h)

• fc é a taxa de infiltração em condição de saturação (mm/h)

• fo é taxa de infiltração inicial (mm/h)

• t é o tempo (minutos)

• b é um parâmetro determinado a partir de medições no campo (1/min)

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tefcfofcf b

Equação de Horton

• Se integrarmos no tempo a taxa de

infiltração dada pela equação de Horton

obteremos a capacidade total de infiltração

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tefcfofcf b

𝐹 =𝑓0 − 𝑓𝑐

𝛽 1− 𝑒−𝛽𝑡 + 𝑓𝑐𝑡

Equação de Horton

18

Equação de Horton

19

Medição da taxa de

infiltração

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Infiltrômetro

• Dois anéis concêntricos de chapa metálica

com diâmetros variando entre 16 e 40 cm

• Aplica-se água em ambos os cilindros,

mantendo uma lâmina líquida de 1 a 5 cm

acima do solo

• No cilindro interno mede-se o volume

aplicado a intervalos fixos de tempo bem

como o nível da água ao longo do tempo

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Exemplo 1

• A tabela a seguir reproduz os resultados

obtidos em teste realizado com um

infiltrômetro cilíndrico de 26 cm de

diâmetro.

• (a) Determinar a capacidade de infiltração

do solo, em cm/h, para os diversos

intervalos de tempo

• (b) Representar graficamente os

resultados 22

Exemplo 1

Tempo

(min)

Volume

infiltrado

(cm3)

Dt (h)

Água

infiltrada

F (cm)

DF (cm) f (cm/h)

0 0

1 63

2 120

5 269

10 436

20 681

30 862

60 1153

90 1298

120 1440

Exemplo 2

• Em uma bacia hidrográfica, cujo solo apresenta os valores de f0=200 mm/h, fc=12 mm/h e b=2 h-1, ocorreu a seguinte chuva

• Determinar a parcela infiltrada e a chuva excedente (chuva que escoa superficialmente) utilizando o método de Horton

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Intervalo de

tempo (h) 0 – 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5

Precipitação (mm) 5 15 20 25 15

Fluxo de água em meios

porosos saturados

• A vazão em meios porosos é proporcional ao gradiente hidráulico

• Q é a vazão (m3/s)

• A é a área (m2)

• H é a carga hidráulica (m)

• L é a distância (m)

• K é a condutividade hidráulica (m/s)

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L

HAKQ

D

D

Condutividade de água em

condição de saturação (K)

• Solo arenoso:

23,5 cm/hora

• Solo siltoso:

1,32 cm/hora

• Solo argiloso:

0,06 cm/hora

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Exemplo 3

• Considere um aquífero confinado entre

duas camadas impermeáveis, como

mostra a figura a seguir. Dois piezômetros

instalados a uma distância dL de 1000 m

mostram níveis de 42,1 (A) e 38,3 (B) m. A

espessura do aquífero é de 10,5 m e a

condutividade hidráulica é de 83,7 m/dia.

Calcule a vazão através do aquífero por

unidade de largura em m3/dia∙m.

27

Exemplo 3

28

Balanço hídrico

P=Qs+E+G

29

s

Referências bibliográficas

[1] VILLELLA, S. M., MATTOS, A.. Hidrologia aplicada. São Paulo. Editora McGraw Hill do Brasil, 1975

[2] TUCCI, C. E. M.. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade, 4 ed. 2009

[3] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976