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Engenharia Sanitária e Ambiental ·
Hidrologia
· 2021/2
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INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Centro Tecnológico - CTC Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ENS ENS5102 - HIDROLOGIA Profa Patrícia Kazue Uda TÓPICOS: ➢ Infiltração e água no solo ➢ importância da infiltração no ciclo hidrológico ➢ Parâmetros importantes para a infiltração e para a água no solo ➢ Retenção de água no solo ➢ Taxa de infiltração ➢ Medição e estimative da infiltração ➢ Fatores que influenciam a infiltração ➢ Exercícios "The source of this material is the COMET® Website at http://meted.ucar.edu/ of the University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), sponsored in part through cooperative agreement(s) with the NOAA, U.S. DOC. ©1997-2017 UCAR. All Rights Reserved." Infiltração e água no solo ✓ Infiltração é a entrada da água no solo, a partir da superfície. ✓ A percolação é o movimento descendente da água, da zona vadosa para a zona saturada, localizada abaixo. ✓ Os processos de redistribuição da água no solo podem incluir fluxos laterais e verticais. ©The COMET Program ✓ A ascensão capilar é o fluxo para cima, a partir das camadas mais úmidas, pelo efeito de capilaridade do solo. Importância: • Permite a passagem da água através da superfície do solo, ocupando os poros. • Água armazenada no solo permite a manutenção da evapotranspiração ao longo do tempo. • Permite a percolação e, consequentemente, o abastecimento dos aquíferos (disponibilidade hídrica subterrânea e manutenção da vazão dos rios durante as estiagens). • Reduzir escoamento superficial durante uma chuva, diminuindo o efeito de inundações e erosão. INFILTRAÇÃO Parâmetros importantes para a infiltração e para a água no solo: • Porosidade do solo (η): Relação entre volume de vazios e volume total do solo; Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52 • Conteúdo de umidade do solo (θv): relação entre o volume de água (Va) e o volume total (Vt) de um solo. - Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade. - Neste caso o solo está SATURADO de água. Vt = Va θv V = Vv Vt Ms θv = Mu − • Composição e textura do solo: Diâmetro (mm) Classe 0,0002 a 0,002 Argila 0,002 a 0,02 Silte 0,02 a 0,2 Areia fina 0,2 a 2,0 Areia grossa Agora, vamos olhar abaixo da superfície.... Há duas formas principais que atuam na retenção de água no solo: forças capilares e forças de adsorção. As forças capilares ocorrem como consequência da tensão superficial da água interagindo com as paredes dos poros. As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas atuando entre as partículas de solo e as moléculas de água, ou de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um filme fino de água sobre as partículas de solo. As duas forças (capilar e adsorção) atuam retendo a água no solo, comumente chamadas de força mátrica, ou potencial mátrico de um solo. Para uma determinada amostra de solo, a curva que relaciona o conteúdo de umidade do solo e o esforço (em termos de pressão) necessário para retirar a água do solo, chama-se curva de retenção de água no solo. Retenção de água no solo: A curva de retenção de água no solo nos dá um indicativo da quantidade de água que um solo pode armazenar, e, por conseguinte, disponibilizar às plantas para o processo de transpiração. A diferença entre o conteúdo de umidade na capacidade de campo e o conteúdo de umidade no ponto de murcha permanente é chamada de água disponível para as plantas. Retenção de água no solo: • Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água • Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade • Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem Saturação Capacidade de campo Ponto de murcha permanente ≈ 40% Agora, vamos olhar acima da superfície.... Uma chuva que atinge um solo incialmente seco, será incialmente totalmente absorvida pelo solo, enquanto o solo apresentar muitos poros vazios. Nessa condição, o potencial mátrico do solo é muito alto, e a água da chuva é absorvida rapidamente. A medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir, estando limitada a capacidade de o solo transferir a água para as camadas mais profundas. A taxa de infiltração é a quantidade de água que penetra no solo ao longo do tempo. Normalmente, a taxa de infiltração é expressa em mm/hora. A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração varia com a umidade do solo, e, durante um evento de chuva, pode ser representado por um gráfico do tipo: INFILTRAÇÃO I é a capacidade de Infiltração (mm/h) ; Capacidade de Infiltração 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t (h) I (mm/h) Solo arenoso: 23,5 cm/hora Solo siltoso: 1,32 cm/hora Solo argiloso: 0,06 cm/hora A condutividade hidráulica expressa a facilidade com que um fluido é transportado através de um meio poroso. A condutividade hidráulica (meio saturado) é afetada pela estrutura e textura do solo, sendo maior em solos porosos (poros grandes), fraturados e bem estruturados (formação de agregados). Ou seja, não depende apenas da quantidade de poros, mas também do tamanho e da geometria desses poros (tortuosidade) por onde o fluido irá ser conduzido. Por isso, em geral, solos arenosos apresentam condutividade hidráulica maior que solos argilosos quando saturados. Taxa de infiltração e Condutividade Hidráulica do Solo INFILTRAÇÃO Areia Silte Argila O tamanho das partículas é diretamente proporcional a capacidade de infiltração média. Infiltrômetros: aparelhos para determinação direta da capacidade de infiltração do solo. Infiltrômetros de anéis concêntricos: Consistem de 2 anéis concêntricos de chapa metálica. i. Cilindro externo: prover água para espalhamento ii. Cilindro interno: mede-se o volume aplicado e a variação do nível de água no tempo. INFILTRAÇÃO A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração varia com a umidade do solo, e esse processo pode ser medido, através de infiltrômetros, e representado matematicamente através de modelos de infiltração. Equação de Horton: f = taxa de infiltração (mm/hora) fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora) fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora) t = tempo (minutos) k = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto) ( ) kt fc fofce f = + − − (Horton, 1940) 1. Os anéis devem ser cravados no solo com o auxilio de uma marreta. 2. Coloca-se água, ao mesmo tempo nos dois anéis, mantendo-se uma lâmina líquida de de 1 a 5 cm. 3. No cilindro interno, mede-se o volume aplicado a intervalo fixos de tempo, bem como o nível da água ao longo do tempo. 4. Em geral, a evolução da capacidade de infiltração ao longo do tempo, segue a forma do gráfico abaixo. Medição da infiltração através de Infiltrômetros de anéis concêntricos: INFILTRAÇÃO INFILTRAÇÃO Fatores que influenciam a infiltração: • A compactação da superfície do solo o torna mais impermeável, diminuindo a capacidade de infiltração; • A capacidade de infiltração pode ser aumentada pela alteração da macroestrutura do solo (escavações, decomposição de raízes e ação do sol, aração); • Umidade do solo (antecedente): quando o solo está muito seco, atua ajudando a infiltração em função da tensão matricial. • Cobertura vegetal: protege contra a gota e as raízes criam caminhos para facilitar a infiltração; • A urbanização (retirada de áreas verdes) provoca diminuição da taxa de infiltração e aumento do escoamento superficial. • Temperatura: a viscosidade da água aproximadamente dobra a cada 22°C mais fria; INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO Antes, durante e após um evento de chuva • Antes de um evento de chuva, o perfil de umidade no solo pode se aproximar ao apresentado na figura abaixo. Antes da chuva Depois da chuva • Durante um evento de chuva, o perfil de umidade tende à saturação em toda a profundidade, sendo a superfície, naturalmente, o primeiro nível a saturar. • Quando o aporte de água à superfície cessa, deixa de haver infiltração, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. • Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração, tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas. • Após o início de um evento de precipitação, a capacidade de infiltração varia enquanto perdurar a chuva, tendo comportamento semelhante ao apresentado no gráfico. Taxa de infiltração (mm/hora) Tempo (minutos) Bom dia chega de preguiça. Ao trabalho. Exercícios: (Horton, 1940) 1. Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? 2. Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora-1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2 deste solo, considerando que está saturado? Exercícios: 1. Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? Sabendo que a diferença entre o conteúdo de umidade na capacidade de campo e o conteúdo de umidade no ponto de murcha permanente é chamada de água disponível (θD )para as plantas, temos: • Capacidade de campo (θCC ): Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade. É a máxima quantidade de água que um solo pode efetivamente reter. • Ponto de murcha permanente (θPMP ): umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem, considerada como a mínima quantidade de água no solo, que pode ficar disponível para outros usos. Conteúdo de água no solo (%) Tensão matricial do solo (kPa) Curva de retenção de água: θPMP = 12% θCC = 35% 1 10 100 1000 10000 1 metro Neste exercício: θCC = 35% do volume de solo. Isso significa que, se este volume de solo tem 1 metro de profundidade, o conteúdo de umidade no solo na capacidade de campo, será = 1 metro x 35% = 0,35 metros! θCC = 0,35m θD = θCC - θPMP = 0,35 – 0,12 = 0,23 m = 230 mm Se a taxa de evapotranspiração é de 7 mm/dia, a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração da cultura por:
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INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Centro Tecnológico - CTC Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – ENS ENS5102 - HIDROLOGIA Profa Patrícia Kazue Uda TÓPICOS: ➢ Infiltração e água no solo ➢ importância da infiltração no ciclo hidrológico ➢ Parâmetros importantes para a infiltração e para a água no solo ➢ Retenção de água no solo ➢ Taxa de infiltração ➢ Medição e estimative da infiltração ➢ Fatores que influenciam a infiltração ➢ Exercícios "The source of this material is the COMET® Website at http://meted.ucar.edu/ of the University Corporation for Atmospheric Research (UCAR), sponsored in part through cooperative agreement(s) with the NOAA, U.S. DOC. ©1997-2017 UCAR. All Rights Reserved." Infiltração e água no solo ✓ Infiltração é a entrada da água no solo, a partir da superfície. ✓ A percolação é o movimento descendente da água, da zona vadosa para a zona saturada, localizada abaixo. ✓ Os processos de redistribuição da água no solo podem incluir fluxos laterais e verticais. ©The COMET Program ✓ A ascensão capilar é o fluxo para cima, a partir das camadas mais úmidas, pelo efeito de capilaridade do solo. Importância: • Permite a passagem da água através da superfície do solo, ocupando os poros. • Água armazenada no solo permite a manutenção da evapotranspiração ao longo do tempo. • Permite a percolação e, consequentemente, o abastecimento dos aquíferos (disponibilidade hídrica subterrânea e manutenção da vazão dos rios durante as estiagens). • Reduzir escoamento superficial durante uma chuva, diminuindo o efeito de inundações e erosão. INFILTRAÇÃO Parâmetros importantes para a infiltração e para a água no solo: • Porosidade do solo (η): Relação entre volume de vazios e volume total do solo; Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52 • Conteúdo de umidade do solo (θv): relação entre o volume de água (Va) e o volume total (Vt) de um solo. - Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade. - Neste caso o solo está SATURADO de água. Vt = Va θv V = Vv Vt Ms θv = Mu − • Composição e textura do solo: Diâmetro (mm) Classe 0,0002 a 0,002 Argila 0,002 a 0,02 Silte 0,02 a 0,2 Areia fina 0,2 a 2,0 Areia grossa Agora, vamos olhar abaixo da superfície.... Há duas formas principais que atuam na retenção de água no solo: forças capilares e forças de adsorção. As forças capilares ocorrem como consequência da tensão superficial da água interagindo com as paredes dos poros. As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas atuando entre as partículas de solo e as moléculas de água, ou de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um filme fino de água sobre as partículas de solo. As duas forças (capilar e adsorção) atuam retendo a água no solo, comumente chamadas de força mátrica, ou potencial mátrico de um solo. Para uma determinada amostra de solo, a curva que relaciona o conteúdo de umidade do solo e o esforço (em termos de pressão) necessário para retirar a água do solo, chama-se curva de retenção de água no solo. Retenção de água no solo: A curva de retenção de água no solo nos dá um indicativo da quantidade de água que um solo pode armazenar, e, por conseguinte, disponibilizar às plantas para o processo de transpiração. A diferença entre o conteúdo de umidade na capacidade de campo e o conteúdo de umidade no ponto de murcha permanente é chamada de água disponível para as plantas. Retenção de água no solo: • Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água • Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade • Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem Saturação Capacidade de campo Ponto de murcha permanente ≈ 40% Agora, vamos olhar acima da superfície.... Uma chuva que atinge um solo incialmente seco, será incialmente totalmente absorvida pelo solo, enquanto o solo apresentar muitos poros vazios. Nessa condição, o potencial mátrico do solo é muito alto, e a água da chuva é absorvida rapidamente. A medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir, estando limitada a capacidade de o solo transferir a água para as camadas mais profundas. A taxa de infiltração é a quantidade de água que penetra no solo ao longo do tempo. Normalmente, a taxa de infiltração é expressa em mm/hora. A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração varia com a umidade do solo, e, durante um evento de chuva, pode ser representado por um gráfico do tipo: INFILTRAÇÃO I é a capacidade de Infiltração (mm/h) ; Capacidade de Infiltração 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t (h) I (mm/h) Solo arenoso: 23,5 cm/hora Solo siltoso: 1,32 cm/hora Solo argiloso: 0,06 cm/hora A condutividade hidráulica expressa a facilidade com que um fluido é transportado através de um meio poroso. A condutividade hidráulica (meio saturado) é afetada pela estrutura e textura do solo, sendo maior em solos porosos (poros grandes), fraturados e bem estruturados (formação de agregados). Ou seja, não depende apenas da quantidade de poros, mas também do tamanho e da geometria desses poros (tortuosidade) por onde o fluido irá ser conduzido. Por isso, em geral, solos arenosos apresentam condutividade hidráulica maior que solos argilosos quando saturados. Taxa de infiltração e Condutividade Hidráulica do Solo INFILTRAÇÃO Areia Silte Argila O tamanho das partículas é diretamente proporcional a capacidade de infiltração média. Infiltrômetros: aparelhos para determinação direta da capacidade de infiltração do solo. Infiltrômetros de anéis concêntricos: Consistem de 2 anéis concêntricos de chapa metálica. i. Cilindro externo: prover água para espalhamento ii. Cilindro interno: mede-se o volume aplicado e a variação do nível de água no tempo. INFILTRAÇÃO A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração varia com a umidade do solo, e esse processo pode ser medido, através de infiltrômetros, e representado matematicamente através de modelos de infiltração. Equação de Horton: f = taxa de infiltração (mm/hora) fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora) fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora) t = tempo (minutos) k = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto) ( ) kt fc fofce f = + − − (Horton, 1940) 1. Os anéis devem ser cravados no solo com o auxilio de uma marreta. 2. Coloca-se água, ao mesmo tempo nos dois anéis, mantendo-se uma lâmina líquida de de 1 a 5 cm. 3. No cilindro interno, mede-se o volume aplicado a intervalo fixos de tempo, bem como o nível da água ao longo do tempo. 4. Em geral, a evolução da capacidade de infiltração ao longo do tempo, segue a forma do gráfico abaixo. Medição da infiltração através de Infiltrômetros de anéis concêntricos: INFILTRAÇÃO INFILTRAÇÃO Fatores que influenciam a infiltração: • A compactação da superfície do solo o torna mais impermeável, diminuindo a capacidade de infiltração; • A capacidade de infiltração pode ser aumentada pela alteração da macroestrutura do solo (escavações, decomposição de raízes e ação do sol, aração); • Umidade do solo (antecedente): quando o solo está muito seco, atua ajudando a infiltração em função da tensão matricial. • Cobertura vegetal: protege contra a gota e as raízes criam caminhos para facilitar a infiltração; • A urbanização (retirada de áreas verdes) provoca diminuição da taxa de infiltração e aumento do escoamento superficial. • Temperatura: a viscosidade da água aproximadamente dobra a cada 22°C mais fria; INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO Antes, durante e após um evento de chuva • Antes de um evento de chuva, o perfil de umidade no solo pode se aproximar ao apresentado na figura abaixo. Antes da chuva Depois da chuva • Durante um evento de chuva, o perfil de umidade tende à saturação em toda a profundidade, sendo a superfície, naturalmente, o primeiro nível a saturar. • Quando o aporte de água à superfície cessa, deixa de haver infiltração, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. • Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração, tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas. • Após o início de um evento de precipitação, a capacidade de infiltração varia enquanto perdurar a chuva, tendo comportamento semelhante ao apresentado no gráfico. Taxa de infiltração (mm/hora) Tempo (minutos) Bom dia chega de preguiça. Ao trabalho. Exercícios: (Horton, 1940) 1. Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? 2. Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora-1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2 deste solo, considerando que está saturado? Exercícios: 1. Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? Sabendo que a diferença entre o conteúdo de umidade na capacidade de campo e o conteúdo de umidade no ponto de murcha permanente é chamada de água disponível (θD )para as plantas, temos: • Capacidade de campo (θCC ): Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade. É a máxima quantidade de água que um solo pode efetivamente reter. • Ponto de murcha permanente (θPMP ): umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem, considerada como a mínima quantidade de água no solo, que pode ficar disponível para outros usos. Conteúdo de água no solo (%) Tensão matricial do solo (kPa) Curva de retenção de água: θPMP = 12% θCC = 35% 1 10 100 1000 10000 1 metro Neste exercício: θCC = 35% do volume de solo. Isso significa que, se este volume de solo tem 1 metro de profundidade, o conteúdo de umidade no solo na capacidade de campo, será = 1 metro x 35% = 0,35 metros! θCC = 0,35m θD = θCC - θPMP = 0,35 – 0,12 = 0,23 m = 230 mm Se a taxa de evapotranspiração é de 7 mm/dia, a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração da cultura por: