Hidrologia dos Solos: Estudo da Infiltração e Seus Impactos

ENG1216 INFILTRAÇÃO PROFA MONIQUE DE FARIA MARINS MONIQUEMARINSPUCRIOBR HIDROLOGIA Hidrologia dos Solos A hidrologia dos solos é uma área da ciência do solo que se dedica ao estudo do movimento e armazenamento da água no solo Estuda a capacidade do solo de reter e armazenar água bem como a forma como a água se move no solo e é absorvida pelas plantas Infiltração 3 Os processos físicos relacionados ao fluxo de água no solo têm um papel central na fase terrestre do ciclo hidrológico Fonte Todd 1967 Infiltração 4 Fase terrestre do ciclo hidrológico Infiltração 5 Aplicações Setor Agrícola projetos de drenagem rural projetos de irrigação Planejamento urbano e controle de inundações Estudos ambientais aspectos ligados à qualidade das águas e identificação de áreas vulneráveis à erosão Planejamento e Gestão de Recursos Hídricos e de Bacias Hidrográficas Identificação de áreas de recarga de aquíferos Infiltração 6 Aplicações É importante avaliar os impactos do uso da terra na hidrologia do solo impacto da agricultura da urbanização e da mineração na capacidade do solo de absorver e armazenar água O fluxo de água no solo também tem papel importante na qualidade das águas superficiais subsuperficiais e subterrâneas já que a água serve como veículo para contaminantes Infiltração 7 Fatores que influenciam a hidrologia dos solos Características do solo Permeabilidade e porosidade do solo textura e estrutura Fatores climáticos Intensidade e distribuição das precipitações Umidade do solo antecedente Fatores fisiográficos Área e forma da bacia Topografia Uso da terra Superfícies vegetadas Superfícies impermeáveis solo compactado estradas estacionamentos etc Infiltração 8 Infiltração Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo Tucci 2012 Processo pelo qual a água passa para dentro do solo através de sua superfície em função do gradiente potencial total da água no solo Philip 1957 Infiltração 9 A infiltração pode ser dividida em Intercambio Descida e Circulação Infiltração Infiltração 10 Intercâmbio Na fase de intercambio a água está próxima a superfície do terreno sujeita a retornar a atmosfera por uma aspiração capilar provocada pela ação da evaporação ou absorvida pelas raízes das plantas que em seguida evapotranspiram Descida Quando o deslocamento vertical da água ocasionado pela ação de seu próprio peso supera a adesão e a capilaridade chamamos de fase de descida Esse movimento se efetua até atingir uma camadasuporte de solo impermeável Circulação A fase de circulação ocorre quando há o acumulo de água onde são constituídos os lençóis subterrâneos cujo movimento se deve também a ação da gravidade obedecendo as leis de escoamento subterrâneo Infiltração Infiltração 11 Distribuição da água abaixo da superfície Fonte Todd 1967 Linha de saturação Barreira impermeável Zona de Aeração não saturada região onde os poros contém água e ar ou vapor dágua Zona Capilar se estende da superfície até o limite de ascensão capilar da água A sua espessura depende principalmente da distribuição de tamanho dos poros e da homogeneidade do terreno Adotase o conceito de franja capilar como um limite abaixo do qual o solo é considerado praticamente saturado próximo de 75 Infiltração 12 Distribuição da água abaixo da superfície Fonte Todd 1967 Linha de saturação Barreira impermeável Zonas de Saturação todos os espaços vazios encontramse completamente ocupados pela água Infiltração x Percolação Infiltração é o processo de entrada de água no solo proveniente da precipitação O movimento de água no solo percolação é o processo de movimentofluxo de água de um ponto para outro Os dois processos não podem ser dissociados uma vez que a taxa de infiltração é controlada pela taxa de percolação logo abaixo da superfície e a percolação por sua vez promove a redistribuição de água no solo na zona não saturada A percolação também controla a disponibilidade de água para o aproveitamento pelas plantas e para a evaporação ao nível da superfície Consequentemente a infiltração e a percolação desempenham um papel fundamental na geração de escoamento superficial recarga dos aquíferos evapotranspiração erosão do solo e transporte de contaminantes Traduzido de Maidment 1993 Infiltração 14 Precipitação Escoamento Superficial 𝑄𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑄𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑎 Infiltração Percolação Frente de molhamento Infiltração 15 Infiltração x Percolação Fatores Intervenientes Tipo de solo Altura de retenção superficial e espessura da camada saturada Grau de umidade inicial do solo Ação da precipitação sobre o solo Compactação devida ao homem e aos animais Macroestrutura do terreno Cobertura vegetal Temperatura Presença de ar 16 Infiltração Fatores Intervenientes 17 Infiltração Tipos de Infiltração Formato da Superfície do Solo 18 Infiltração 19 A água no solo fica contida em formações geológicas consolidadas ou não em que os poros estão saturados de água denominados aquíferos Collischonn 2015 Armazenamento de Água Subterrânea O reservatório subterrâneo é constituído por espaços ou poros das rochas que são conectados entre si Infiltração 20 Aquíferos Unidade geológica permeável saturada que pode transmitir quantidades significativas de água Freeze e Cherry 1979 Ainda podese definir aquífero como uma formação geológica que contêm água e permite que quantidades significativas dessa água se movimentem no seu interior em condições naturais Feitosa Manoel Filho 2000 Infiltração 21 NãoConfinado Freáticos ou Livres Os aquíferos não confinados denominados freáticos estão sujeitos à pressão atmosférica São limitados superiormente pela superfície freática linha piezométrica Os aquíferos freáticos são os mais explorados devido à facilidade de acesso já que são geralmente menos profundos Tipos de Aquíferos Confinado Artesiano O aquífero confinado encontrase sob pressão maior do que a pressão atmosférica Está limitado superior e inferiormente por camadas impermeáveis Os aquíferos confinados são denominados de aquíferos artesianos São em geral aquíferos de grande produção Infiltração 22 Aquitardo e Aquífero semiconfinado Formações geológicas de natureza semipermeável localizadas entre o aquífero livre e o confinado que transmitem água a uma taxa mais baixa quando comparada à de um aquífero Infiltração Tipos de Aquíferos 23 Recarga de aquíferos Consiste em uma das etapas dentro do ciclo hidrológico A precipitação da água da chuva infiltra no solo ou na rocha e parte dessa água permanece em subsuperfície recarregando os aquíferos e fluindo em subsuperfície até serem descarregadas em rios lagos e oceanos A título de entendimento hidrodinâmico quando ao longo da trajetória no aquífero a água subterrânea aflora naturalmente no terreno essa descarga pontual pode iniciar eou manter um curso dágua podese assim entender como o surgimento de uma nascente Infiltração 24 Recarga de aquíferos é o processo pelo qual a água da superfície ou das precipitações é absorvida pelo solo e percolada através dos poros e fissuras da rocha até atingir uma camada subterrânea de água armazenada conhecida como aquífero As áreas de recarga de aquíferos utilizadas para o abastecimento humano ou para outros fins devem ser identificadas e ter uso controlado sendo recomendados aqueles que não resultem em grandes reduções na infiltração da água Para essas áreas são recomendados usos tais como recreação preservação ecológica ou paisagística silvicultura agricultura e outros com baixas taxas de ocupação no máximo 010 a 020 Nelas devese reduzir ao máximo a impermeabilização do solo e o desmatamento Além do aspecto da recarga devese controlar nessas áreas as fontes poluidoras de modo a reduzir os riscos de poluição dos aquíferos Campos Studart 2001 Infiltração Recarga de aquíferos 25 Exemplos de Aquíferos O Aquífero Guarani como é muito permeável arenito e basalto os poços perfurados podem ultrapassar vazões da ordem de 500m³h Guarani volume 45 mil km³ Alter do Chão volume 86 mil km³ Infiltração 26 Aproveitamento dos aquíferos Construção de poços escavação direta perfurados com broca cravados por percussão Cuidados na instalação de poços revestimento dos poços proteção sanitária Cuidados na localização e utilização de poços contaminação intrusão salina paralisação do poço Infiltração 27 Porosidade razão entre o volume de vazios e o volume de solo Umidade razão entre o volume de vazios e o volume de água para condições saturadas todos os vazios estão preenchidos com água e portanto a umidade é dita saturada e se aproxima do valor da porosidade total Volume Volume vazios total Volume Volume água Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos 28 Porosidade e Permeabilidade Propriedades Físicas dos Aquíferos Infiltração 29 Experimento e a Lei de Darcy Baseiase na similaridade entre o escoamento através do solo saturado e o escoamento laminar em tubos no qual dizse que a água enquanto escoando de um ponto de maior carga hidráulica para um de menor perde energia devido aos efeitos de atrito em sua trajetória proporcionalmente à velocidade da água Seus experimentos em areias saturadas indicaram que a vazão através do solo era diretamente proporcional à perda de carga e à área da seção de escoamento e inversamente proporcional à trajetória percorrida pela água Permeabilidade e Condutividade Hidráulica Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos 30 Permeabilidade e Condutividade Hidráulica 57 v velocidade da água através do meio poroso ms K condutividade hidráulica saturada ms dh variação de Carga Piezométrica m dx variação de comprimento na direção do fluxo m dhdx perda de carga Perda de Carga Decréscimo na carga hidráulica causada pela dissipação de energia fricção no meio poroso Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos Experimento e a Lei de Darcy 31 Permeabilidade e Condutividade Hidráulica 57 v velocidade da água através do meio poroso ms K condutividade hidráulica saturada ms dh variação de Carga Piezométrica m dx variação de comprimento na direção do fluxo m dhdx perda de carga Perda de Carga Decréscimo na carga hidráulica causada pela dissipação de energia fricção no meio poroso Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos Experimento e a Lei de Darcy Q v x A Q vazão m³s A área da seção transversal m² Permeabilidade e Condutividade Hidráulica 57 v velocidade da água através do meio poroso ms K condutividade hidráulica saturada ms dh variação de Carga Piezométrica m dx variação de comprimento na direção do fluxo m dhdx perda de carga Perda de Carga Decréscimo na carga hidráulica causada pela dissipação de energia fricção no meio poroso 32 O sinal negativo denota que o escoamento é sempre na direção da altura piezométrica decrescente A diferença em altura piezométrica é sempre igual à diferença de elevação do nível dágua nos piezômetros Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos Experimento e a Lei de Darcy 33 Parâmetro hidrogeológico com dimensão LT que combina as propriedades do fluido e as propriedades do meio medida da habilidade de um aquífero conduzir água através do meio poroso é expressa em mdia ms mmh Condutividade Hidráulica é a não resistência ao fluxo por exemplo Na areia a velocidade do fluxo é maior então K é maior Na argila a velocidade do fluxo é menor então o K é menor 𝐾 𝑘 𝜌𝑔 𝜇 Condutividade Hidráulica K k permeabilidade intrínseca 𝜌 massa específica da água g aceleração da gravidade 𝜇 viscosidade dinâmica da água Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos 34 Infiltração Condutividade Hidráulica K Propriedades Físicas dos Aquíferos 35 A transmissividade T expressa a capacidade de uma material poroso transmitir água em termos de unidades de área por unidades de tempo Transmissividade Onde T transmissividade m²s K condutividade hidráulica ms b espessura do aquífero m Infiltração Propriedades Físicas dos Aquíferos Solo Saturado Todos os vazios estão ocupados por água O conteúdo de água no solo é máximo Solo Seco Todos os vazios estão ocupados por ar Condição muito improvável devido à poropressão Ponto de Murcha Capacidade de Campo Tensão de Sucção de água no solo Umidade Plantas não conseguem retirar água do solo Forças de gravidade superam forças de sucção percolação Adaptado de Paiva 2020 Solos saturados pressão positiva expulsa Solos não saturados pressão negativa sucção Fluxo de Água no Solo 36 Infiltração 37 EXERCÍCIO Considere um aquífero confinado entre duas camadas impermeáveis como mostra a Figura abaixo Dois piezômetros instalados a uma distância dL de 1000 metros mostram níveis 421m A e 383m B A espessura do aquífero b é de 105m e a condutividade hidráulica é de 837mdia Calcule 1 A transmissividade do aquífero 2 A vazão através do aquífero por unidade de largura em m³diam Infiltração 38 Aplicações na Engenharia Investigação de nascentes Medição de cargas hidráulicas em piezômetros multiníveis com diferentes profundidades Carga hidráulica é medida a partir da elevação do nível de água nos piezômetros O nível de água é medido com o auxílio de um medidor de nível eletrônico ou transdutor de pressão Elevação do nível de água h é obtida subtraindo a profundidade do nível de água NA da elevação da superfície Medidor de nível Infiltração 39 Instalação de poços de monitoramento com tubos geomecânicos de 2 de diâmetro e seção filtrante com dois 2 metros de comprimento Piezômetros Casagrande instalados com tubos de PVC de 1 de diâmetro com seção filtrante de 050m de comprimento Profundidade de cada poço de monitoramento 30m dos piezômetros varia entre 10m o mais raso e 15m o mais profundo Infiltração Aplicações na Engenharia Investigação de nascentes 40 Cotas relativas do nível de água subterrâneo e do fluxo de base estabelecidas a partir do levantamento topográfico e da medição do nível de água nos poços Variação de nível de água subterrânea medida pelos transdutores Infiltração Aplicações na Engenharia Investigação de nascentes 41 Mapa potenciométrico a direção preferencial do fluxo subterrâneo com sentido para as drenagens superficiais Informações dos poços de monitoramento piezômetros e níveis de água dos afloramentos superficiais Mapa potenciométrico com a direção do fluxo subterrâneo Infiltração Aplicações na Engenharia Investigação de nascentes 42 Infiltração Aplicações na Engenharia Investigação de nascentes 43 Estudos de Disponibilidade hídrica Potencialidade hidrogeológica para os aquíferos Possibilidade de utilização da água subterrânea para uso em empreendimentos Infiltração Aplicações na Engenharia 44 Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento A água de chuva precipitada sobre terreno permeável é absorvida totalmente pelo solo até o instante em que este se satura iniciando a formação de um espelho dagua sobre a superfície e consequentemente a ocorrência de deflúvio superficial Infiltração 45 Modelo da Capacidade de Infiltração de Horton A formulação de Horton de 1940 tem sido bastante aplicada para representar a capacidade de infiltração onde f e F são respectivamente a capacidade de infiltração e a capacidade de infiltração acumulada volume f taxa de infiltração mmh fc taxa de infiltração mínima no solo saturado mmh f0 taxa de infiltração inicial em t 0 mmh k constante de decaimento parâmetro que depende do tipo de solo e das condições iniciais de umidade 1hora t tempo decorrido desde a saturação superficial do solo hora Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento 46 Modelo da Capacidade de Infiltração de Horton A formulação de Horton de 1940 tem sido bastante aplicada para representar a capacidade de infiltração onde f e F são respectivamente a capacidade de infiltração e a capacidade de infiltração acumulada volume Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento f taxa de infiltração mmh fc taxa de infiltração mínima no solo saturado mmh f0 taxa de infiltração inicial em t 0 mmh k constante de decaimento parâmetro que depende do tipo de solo e das condições iniciais de umidade 1hora t tempo decorrido desde a saturação superficial do solo hora 47 Formação do escoamento superficial Processo Hortoniano Horton 1934 precipitação sobre áreas impermeáveis ou de baixa infiltração eou precipitação superior à capacidade de infiltração Processo Dunneano Dunne precipitação sobre solos saturados Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento 48 O Processo Hortoniano é baseado na ideia de que a infiltração no solo diminui à medida que o solo fica mais úmido Esse processo descreve o escoamento superficial como resultado da precipitação excedente que ocorre quando a taxa de chuva excede a taxa de infiltração do solo O escoamento hortoniano é mais predominante em solos compactados impermeáveis ou saturados onde a infiltração é limitada Esse tipo de escoamento é caracterizado por uma rápida resposta ao início da chuva atingindo um pico e diminuindo rapidamente à medida que a taxa de precipitação diminui ou quando o solo fica saturado Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento Formação do escoamento superficial 49 PROCESSO HORTONIANO ÁREAS IMPERMEÁVEIS ÁREAS BAIXA INFILTRAÇÃO Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento 50 Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento PROCESSO HORTONIANO 51 Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento PROCESSO HORTONIANO 52 Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento PROCESSO HORTONIANO 53 O Processo Dunneano por outro lado considera que o escoamento superficial ocorre principalmente como resultado do escoamento subsuperficial que emerge nos cursos de água Esse processo enfatiza a contribuição do escoamento interno também conhecido como escoamento de base que é o fluxo de água que se move através de camadas mais profundas do solo e emerge nos canais de drenagem O escoamento dunneano é mais relevante em solos com maior capacidade de infiltração e maior conectividade dos poros permitindo que a água se mova mais facilmente verticalmente e lateralmente dentro do solo Esse tipo de escoamento é caracterizado por uma resposta mais lenta ao início da chuva um tempo de pico mais longo e uma diminuição gradual à medida que a chuva continua ou quando o escoamento de base diminui Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento Formação do escoamento superficial 54 PROCESSO DUNNEANO SOLOS SATURADOS Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento 55 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO Infiltração 56 Infiltração IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO 57 CONCLUSÕES O conhecimento sobre a movimentação da água nos solos auxilia na prevenção de problemas como a instabilidade do terreno a infiltração excessiva em estruturas e a erosão das fundações A hidrologia dos solos desempenha um papel essencial na busca por práticas sustentáveis de uso da água na conservação dos recursos naturais e na proteção do meio ambiente O contínuo avanço nessa área de estudo é fundamental para enfrentar os desafios futuros relacionados à escassez de água mudanças climáticas e segurança alimentar Infiltração 58 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Collischonn W Dornelles E F 2ED Hidrologia para Engenharia e Ciências Ambientais 2015 Freeze RA Cherry JA Groundwater Second Edition Englewood Cliffs Nj Prentice Hall 604 p 1979 Feitosa FAC Manoel Filho J Feitosa EC Demetrio JGA 2008 Hidrogeologia conceitos e aplicações 3rd ed CPRM Revisado e ampliado Rio de Janeiro CPRM 812p Disponível em httprigeocprmgovbrxmluihandledoc14818 Acesso em 03 de março de 2022 PHILIP J R The theory of infiltration 1 The infiltration equation and its solution Soil Science v84 p257264 1957 TUCCI C E M Hidrologia Ciência e Aplicação Editora UFRGS Porto Alegre RS 2012 Infiltração