Slide - Infiltração - 2023-2

Hidrologia Infiltração Aula 7 É a passagem da água através da superfície do solo para o seu interior, ocupando os poros existentes no solo (anteriormente ocupados por ar). É o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo e se move para baixo, em direção ao lençol d’água. Infiltração 2 É importante para o: • crescimento da vegetação; • abastecimento dos aquíferos e, consequentemente, manter a vazão dos rios durante as estiagens; • reduzir o escoamento superficial, as cheias e a erosão do solo. Infiltração Depende fundamentalmente: • Da água disponível para infiltrar; • Da natureza do solo; • Do estado da sua superfície; • Das quantidades de água e ar, inicialmente presentes em seu interior. 3 A caracterização do processo se dá por: • Processos difíceis de quantificar; • Física não muito complicada, mas fortemente dependente da variabilidade espacial das propriedades do solo; • A obtenção de estimativas é feita por equações empíricas ajustadas para reproduzir dados medidos no campo. It It+1 Pt Vi t t + 1 P, I t Vs tx I = P Interseção da curva de capacidade de infiltração com a precipitação. Existe um instante de tempo (tx) que a intensidade da precipitação passa a superar a capacidade de infiltração. It It+1 Pt Vi t t + 1 P, I t Situação em que todo o volume precipitado é infiltrado no solo. A precipitação, no instante t, possui intensidade inferior a capacidade de infiltração no mesmo instante (Pt < It). Neste caso, admite-se inicialmente que toda a precipitação se infiltra no intervalo ∆t. It It+1 Pt Vs Vi t t + 1 P, I t Separação entre volume superficial e volume infiltrado no solo. A precipitação, no instante t, possui intensidade maior ou igual a capacidade de infiltração no mesmo instante (Pt ≥ It). Neste caso, a equação de Horton é válida. O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes). Água no solo 5 Fases da Infiltração 1. A água infiltrada permanece na zona não saturada, onde os vazios do solo estão parcialmente preenchidos por água e ar, acima do nível freático 2. A água infiltrada pode continuar a fluir lateralmente, na zona não saturada, a pequenas profundidades, quando existem níveis pouco permeáveis imediatamente abaixo da superfície do solo e nessas condições, alcançar os leitos dos cursos d’água (escoamento sub-superficial) 3. A água infiltrada pode percolar até o nível freático, constituindo a recarga ou recursos renováveis dos aquíferos. Precipitação Solo não Saturado Lençol Freático Solo Saturado Estrutura do Solo Ar Água Sólidos V_ar V_w V_v V V_s Composição do solo Água ~ 25% Ar ~ 25% Mat. Orgânica ~ 4% Minerais ~ 46% Esquema da composição do horizonte A de um solo quando em boas condições para o crescimento das plantas. O conteúdo de ar e água dos poros é variável. No caso, metade dos mesmos está ocupada pela água. Define o tamanho dos grãos ou dos sólidos. A parte sólida do solo é normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo: Classificação das Partículas do Solo de acordo com Diâmetro 9 5 Principais Classes de Texturas do solo 10 Parâmetros que Caracterizam a Relação Solo-Água Onde quer que uma porção de solo seco seja colocada em contato com a água, há imediatamente o início de um movimento da água na direção da região seca, mesmo contra a gravidade. Esse movimento dá-se em duas fases: • Como vapor; e, • Como líquido. 11 É a relação entre volume de vazios e volume total do solo. Os poros são ocupados por ar e água. Conteúdo de umidade do solo: - Quando o Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade, significa que o solo está SATURADO de água. V = Vv  Porosidade (η) Onde : Vv – Volume de Vazios V – volume total O valor da porosidade varia entre 0 e 1. 12 Exemplos de Porosidade segundo a granulometria do solo: • Areia: 0,37 a 0,50 • Argila: 0,43 a 0,52 Porosidade 13 É a relação entre a massa total e o volume total do solo. V = M  Massa Específica do Solo (ρ) Onde : m – Massa Total V – volume total 14 M É a relação entre o volume de vazios e o volume de sólidos. s v V V e = Índice de Vazios do Solo (e) Onde : Vv – Volume de vazios Vs – volume de sólidos 15 É a relação entre o volume de água e o volume de vazios. v a V V S = Grau de Saturação do Solo (S) Onde : Vv – Volume de vazios Va – volume de água 16 16 É a relação entre o volume de água e o volume total. V = Va  Umidade volumétrica do Solo (θ) Onde : Va – volume de água V – volume total 17 17 A sucção devida à tensão superficial, que aparece nos solos umedecidos pela chamada “água capilar”, pode ser relacionada com a umidade, centrifugando-se a amostra. A pressão devida à centrifugação provocará a drenagem da água. Essa pressão será igual e oposta (negativa) a que retinha a água no solo e pode ser definida como tensão de umidade. Portanto: Tensão de umidade de um solo para uma dada umidade é a pressão necessária para levar uma amostra do solo, bem drenada, àquela umidade. Tensão de Umidade 18 Distribuição de água no solo Hornberger et al., 1998 – Elements of physical hydrology Zona saturada Zona não saturada 19 Umidade volumétrica do Solo (θ) capilaridade Zona intermediária É a razão máxima com que o solo, em uma dada condição, é capaz de absorver água, e diminui com o tempo. Só é atingida durante uma chuva se houver excesso de precipitação. Caso contrário, a razão de absorção de água do solo não é máxima. A medida que a precipitação continua as camadas superiores do solo vão saturando. Quando cessa a precipitação a umidade no interior do solo se distribui evoluindo para um perfil de umidade inverso (isso porque a água continua percolando no interior do solo). Capacidade de Infiltração: f (mm/h) 20 A capacidade de infiltração pode sofrer interferências da: • Umidade do solo: um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial; • Permeabilidade do solo: pode ser afetada por diversos fatores como cobertura vegetal e compactação; • Temperatura do solo; • Profundidade do extrato impermeável (parte mais rochoso ou solo jovem). Capacidade de Infiltração: f (mm/h) 21 Se i < f : Toda chuva infiltra na taxa de chuva; Se i = f : Toda chuva é absorvida no solo na taxa potencial; Se i > f : Parte da chuva infiltra na taxa potencial e o excesso vai empoçar na superfície e formar o escoamento superficial. Condições de Infiltração 22 Os principais métodos de medição da umidade do solo são: ➢ Método gravimétrico: • Coleta amostra e pesa; depois, • Seca a amostra e pesa. ➢ TDR (Time Domain Reflectometry): • Existe uma relação entre o conteúdo de umidade e a constante dielétrica do solo; • Mede o tempo de transmissão de um pulso eletromagnético através do solo, entre um par de placas metálicas colocadas no solo; • Permite medições contínuas e não destrutivas. ➢ Outros (sensoriamento remoto, etc…). Medição da Umidade do Solo 23 A umidade do solo varia ao longo do tempo. Para retirar a umidade do solo, tem-se 2 métodos: • Por gravidade; • Por sucção. Umidade do solo 24 Existe uma distinção entre o que acontece com solos arenosos e argilosos, quando se trata da relação entre condutividade hidráulica e teor de umidade. Apesar dos solos arenosos saturarem com um menor teor de umidade, sua condutividade hidráulica saturada é maior. Condutividade Hidráulica, Umidade e Textura 25 Isso ocorre de forma equivalente a um escoamento sob pressão em dutos, portanto aquele solo que possuir poros maiores conduzirá mais água, já que a vazão é proporcional à quarta potência do diâmetro dos canalículos. Exemplificando: São necessários 10.000 capilares de 0,01 mm de diâmetro para igualar a vazão de apenas um com diâmetro de 0,1 mm. Condutividade Hidráulica, Umidade e Textura 26 Condutividade Hidráulica, Umidade e Textura Por outro lado, a condutividade hidráulica de um solo argiloso pode ser maior que a de um solo arenoso, quando ambos estão num estado saturado. Em um solo argiloso a cond. hidráulica decresce mais suavemente. Os poros têm um tamanho reduzido e por isso permanecem mais tempo cheios e mantêm a condutividade de saturação em grande parte do solo. Nos arenosos os poros são maiores e por isso permanecem menos tempo cheios. Assim, um solo arenoso é um bom dreno quando está saturado. 27 Curva de retenção de água no solo (solo como uma esponja) Sucção elevada (negativa) medida apenas por centrifugação (Ponto de MURCHA) – Argila possui mais água, mas é de difícil retirada pelas plantas devido a força de ligação com as partículas. A areia tem uma redução maior na umidade após um curto período de estiagem. Maior capilaridade da argila 28 É a velocidade média com que a água atravessa o solo, ou ainda, é a vazão dividida pela área da seção reta do escoamento. Depende da Permeabilidade e do gradiente hidráulico. É determinada pela Lei de Darcy que rege o escoamento da água nos solos saturados e pode ser escrita como: Onde: V é a velocidade de infiltração; K é a condutividade hidráulica ou coeficiente de permeabilidade (medida através de permeâmetros); h é a Carga Piezométrica ou carga hidráulica (altura da água de um aquífero confinado medida num piezômetro). Velocidade de Infiltração dx K dh V . = 29 Q = fluxo de água (m3/s) A = área (m2) h = carga (m) x = distância (m) K = condutividade hidráulica (m/s) dx K A dh Q   = Fluxo da água em meios porosos saturados 30 Condutividade de água em condição de saturação • Solo arenoso: 23,5 cm/hora • Solo siltoso: 1,32 cm/hora • Solo argiloso: 0,06 cm/hora 31 É feita através de infiltrômetros, sendo que o mais comum é a dos anéis concêntricos. São dois anéis metálicos encravados no solo, sobre os quais aplica-se uma chuva permanente e mede-se ao longo do tempo a lâmina infiltrada. Medição da Infiltração Consiste de 2 anéis concêntricos, um menor com 25 cm de diâmetro e outro maior com diâmetro de 50 cm. Ambos com 30 cm de altura e cravados no terreno entre 10 e 15 cm de profundidade. 32 Coloca-se água, ao mesmo tempo nos dois anéis (mantendo uma lâmina fixa entre 1 e 5 cm) e as medições são feitos no cilindro interno com intervalos de tempo fixo. Geralmente a lâmina de água no cilindro interno é maior do que no externo, devido a função do cilindro externo que é apenas a orientação das linhas de corrente (para manter o fluxo interno). Com uma régua graduada acompanha-se a infiltração vertical no cilindro interno para vários intervalos de tempo (sempre fixos). 33 Imediatamente após iniciada a aplicação de água, aciona-se o cronometro medindo a altura da lâmina a cada intervalo de tempo (geralmente a cada 10 minutos). A medição deve ser realizada até que o nível da água, em vários intervalos de tempo, permanece praticamente constante. 34 Medição da Infiltração A capacidade de infiltração instantânea é calculada por: Onde: It é a capacidade de Infiltração instantânea (mm/h) ∆h é a variação da lâmina d’água (mm) ∆t é o intervalo de tempo (h) Medição da Infiltração t h It   = 35 O gráfico da capacidade de infiltração é do tipo: t x It (Capacidade de Infiltração em função do tempo) Onde: It é a capacidade de Infiltração instantânea (mm/h) t é o tempo (h) Medição da Infiltração f estabilizou 36 Os resultados obtidos com o infiltrômetro de inundação não são absolutos, devido aos seguintes fatores: • Ausência do efeito da compactação produzido pela água da chuva; • Efeito do ar retido no tubo; e, • Deformação da estrutura do solo devido a cravação do cilindro. Mas para efeito das avaliações necessárias para fins de irrigação, os resultados obtidos com o procedimento, são plenamente satisfatórios. Medição da Infiltração 37 Deve-se ainda levar em consideração: • Inicialmente os solos como não saturados; • No início o preenchimento dos poros garante alta taxa de infiltração; e, • A medida que o solo vai sendo umedecido, a taxa de infiltração diminui. As Estimativas podem ser por Equações Empíricas (Equação de Horton e Método da Curva Número (CN)). Infiltração de Água em Solos 38 f = taxa de infiltração no tempo t (mm/hora) fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora) fo = taxa de infiltração no instante inicial (mm/hora) t = intervalo de tempo (horas) k = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (constante que depende do tipo de solo) Obs.: fo, fc e k são parâmetros ligados ao tipo de solo do local (ver grupos de solo A, B, C e D). ( ) fc e k t fo fc f  − . − + = Equação de Horton A capacidade de infiltração (f) pode ser representada por: 39 Equação de Horton Grupo A – Solos arenosos profundos; tem alta capacidade de infiltração e geram pequenos escoamentos; Grupo B – Solos franco arenosos pouco profundos; tem menor capacidade de infiltração e geram maiores escoamentos do que o solo A; Grupo C – Solos franco argilosos; tem menor capacidade de infiltração e geram maiores escoamento do que A e B. Grupo D – Solos argilosos expansivos; tem baixa capacidade de infiltração e geram grandes escoamentos. Equação de Horton De posse dos valores de infiltração medidos, ajusta-se a curva. Onde: • fo é obtido extrapolando a curva ajustada; • fc é obtida quando a capacidade de infiltração fica constante. A equação de Horton deve ser ajustada a curva da capacidade de infiltração. Este ajuste é realizado a partir da variação dos parâmetros K, fo e fc da equação. 41 ( ) fc e k t fo fc f  − . − + = fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora Equação de Horton k k 42 LEMBRAR: a infiltração varia conforme o Tipo de Solo. Além disso, o solo argiloso pode ter um fo maior, mas seu f logo decresce e se estabiliza em um fc bem menor. Equação de Horton 43 Equação de Horton A experiência do Soil Conservation Service (SCS) permite a indicação de valores aproximados de fo, fc e k da fórmula de Horton para diferentes solos: 44 Método da Curva Número Este método foi proposto pelo Soil Conservation Service (SCS) e permite determinar a capacidade de armazenamento do solo (S) em função do grupo de solo (A, B, C, D ou E) conforme adaptação realizada em SP, da umidade antecedente e do uso do solo pela equação: Onde: S é a infiltração potencial do solo em (mm) e depende do tipo de solo; CN é o valor da curva número e é função do grupo de solo, da umidade antecedente e do uso do solo. Varia de 0 a 100. = 25400− 254 CN S 45 Método da Curva Número O CN depende de 3 fatores: 1. Tipo de solo (A, B, C , D ou E); 2. Uso do solo (agrícola, urbano, etc.); 3. Umidade antecedente do solo: • Condição I (seca: P5 dias < 13 mm) • Condição II (normal: 13 mm < P5dias < 53 mm) • Condição III (úmida: P5dias > 53 mm) 46 Os Tipos de Solos foram adaptados para São Paulo, mas se adequam bem e podem ser aplicados a todo o Brasil. 47 SR = sulcos retos C = cultivo acompanhando as curvas de nível T = terraceamento CT = curvas de nível e terraceamento Valores CN para a Condição II (normal: 13 mm < P5dias < 53mm) 48 Método da Curva Número Para converter os valores CN da Condição II, utiliza-se: CN da Condição I: CN da Condição III: ) ( ,0 058. 10 ) ( .2,4 ( ) CN II CN II CN I − = ) ( ,013. 10 ) ( 23. ) ( II CN CN II CN III + = 49 Método da Curva Número A Tabela abaixo permite a conversão direta do valor CN da Condição II para a condição de umidade antecedente I ou III, dependendo da necessidade do projeto. 50 Método da Curva Número A fórmula proposta pelo SCS para o escoamento direto é: Onde: Q = escoamento direto ou superficial em mm P = precipitação mm S = Infiltração ou retenção potencial do solo em mm (fórmula que utiliza CN) A quantidade de 0,2.S é uma estimativa de perdas iniciais (Ai) devido à interceptação e retenção em depressões. Por essa razão impõe-se a condição P > 0,2.S. ( ) S P S P S P Q .2,0 , .8,0 .2,0 2  + − = 51 Método da Curva Número Resumindo: • Determine as condições de saturação do solo; • Determine o grupo hidrológico do solo; • Através da Tabela da cobertura vegetal e grupo hidrológico, determine o CN para a condição II; • Transforme o CN para a condição desejada pela Tabela ou fórmulas que correlacionam os valores CN da condição II com as condições I ou III; • Com o valor CN, calcule a Infiltração (S); • Com o S e a precipitação total, calcule o escoamento superficial (Q). 52