5 e 6 - Interceptação e Infiltração

• Passagem da água através da superfície do solo, ocupando os poros (volume de vazios) existentes no solo.

• Importante para:

– crescimento da vegetação – abastecimento dos aquíferos

(mantém vazão dos rios durante as estiagens) – reduzir escoamento superficial, cheias, erosão

• Processos difíceis de quantificar

• Física não muito complicada, mas fortemente dependente da variabilidade espacial das propriedades do solo.

• Estimativas por equações empíricas ajustadas para reproduzir dados medidos no campo.

 É um fenômeno que depende: • Da água disponível para

infiltrar

• Da natureza do solo

• Do estado da superfície • Das quantidades de água e

ar, inicialmente presentes no solo

 A infiltração da água no solo pode ser considerada como sendo a sequência das três seguintes fases:

• A entrada da água pela superfície;

• A percolação da água através do perfil do solo;

• A relação da capacidade de armazenamento da água no solo.

• Enquanto há aporte de água, 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 (precipitação para), isto é, 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.

Fatores que intervêm na infiltração

1-Permeabilidade do solo: Por exemplo a presença de argila no solo diminui sua porosidade, não permitindo uma grande infiltração.

2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado.

3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração.

4- Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem.

5- Umidade do Solo:

Por exemplo em um solo mais úmido a infiltração é menor do que um solo mais seco.

6- Temperatura

Escoamento no solo é laminar (tranqüilo) em função da viscosidade da água. Quanto maior a temperatura maior a infiltração de água no solo

• O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos.

• Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes)

• Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos

(bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes)

Água no solo

• Refere-se a água contida na zona de saturação.

• Esta água subsuperficial contitui a maior reserva de água doce disponivel, muitas vezes maior do que todos os rios, lagos e reservatórios.

Infiltração

Capacidade e Taxa de Infiltração

Taxa de infiltração: é a taxa a qual a água penetra no solo expressa em termos de lâmina, ou seja, cm/h, mm/s, etc. Esta taxa é limitada pela capacidade de infiltração do solo e pela intensidade da chuva. É o volume de água que penetra no perfil do solo expresso por unidade de área, por unidade de tempo

Capacidade de infiltração: é a taxa máxima ao qual a água consegue se infiltrar no solo sob condições ideais.

Infiltração acumulada: é a quantidade de água total infiltrada após um determinado tempo (mm).

Parâmetros da relação

Água-Solo

• Tensão de Umidade

– É a pressão necessária para levar uma amostra dos solo, bem

drenada, aquela umidade.

Ou seja, é a tensão existente no solo que segura a água entre seus grãos deixando o solo com uma determinada umidade.

Fluxo de água no meio saturado

velocidade do fluxo laminar (mh-1 _{= m}3_m-2_h-1₎ velocidade de percolação

(considera apenas os poros)

Lei de Darcy

A lei de Darcy pode ser aplicada para o cálculo do fluxo de água em meios saturados considerando qualquer direção.

(meio isotrópico)

Considerando um meio saturado, o potencial total é formado por dois componentes: o potencial gravitacional, que é determinado pela altura relativa ao plano de referência no qual uma partícula de água se encontra; e o potencial de pressão, que é determinado pela altura da coluna de água acima desta partícula.

Em sua forma mais geral, considerando qualquer ponto da zona saturada do solo, a lei de Darcy pode ser reescrita como:

Capacidade de infiltração e taxa de

infiltração

Vol. Infiltrado Prec. Esc. Superficial

• Quando cessa a infiltração, parte da água no interior do solo propaga-se para camadas mais profundas no solo e parte é transferida para a atmosfera por evaporação direta ou por transpiração dos vegetais. 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.

Vt

Va

v





• Relação entre volume de vazios e volume total do solo • Poros são ocupados por ar e água

• Conteúdo de umidade do solo:

- Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade. - Neste caso o solo está SATURADO de água.

Porosidade e umidade do solo

• Areia: 0,37 a 0,50

• Argila: 0,43 a 0,52

• 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

Umidade do solo

• Umidade do solo varia ao longo do tempo. • Para retirar a umidade do solo:

– Por gravidade – Por sucção

• Método gravimétrico:

• Coleta amostra e pesa • 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 (nuclear, sensoriamento remoto…)

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

• Inicialmente não saturados

• Preenchimento dos poros garante alta taxa de infiltração • A medida que o solo vai sendo umedecido, a taxa de

infiltração diminui • Equações empíricas

• 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)

•  = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto)





t

e

fc

fo

fc

f











Equação de Horton

Método de Horton

A capacidade de infiltração pode ser representada por:

Onde:

f é a capacidade de infiltração no tempo t (mm/h)

f₀ é a capacidade de infiltração inicial para t = 0 (mm/h);

f_c é a capacidade de infiltração final (mm/h); k é uma constante para cada curva (h-1_);

t é o tempo (h);

OBS: f_o, f_c e k são parâmetros ligados ao tipo de solo (ver grupos de solo A, B, C e D)





k t c c

f

f

e

f

f





₀





  f(mm/h) t(h) K₁ (arenoso) K₂(argiloso) k

Particionamento de Fluxo (Horton

)

ta xa d e in filt raç ão ta xa d e p recip it aç ão tempo

Particionamento de Fluxo (Horton)

ta xa d e in filt raç ão ta xa d e p recip it aç ão tempo

Equação de Horton (1940)

tempo t_p 0 tax a d e in fil tr aç ão

GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SOLOS

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



A equação de Horton

deve ser ajustada a

curva da capacidade de

infiltração.

Método de Horton

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 7:55 9:07 10:19 11:31 12:43 13:55 15:07 Horário I, f ( m m /h) I (mm/h) 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 7:55 9:07 10:19 11:31 12:43 13:55 15:07 Horário I, f ( m m /h) I (mm/h) f (mm/h)



Este ajuste é realizado

a partir da variação

dos parâmetros K, f

_o

e

f

_c

da equação.

Anéis concêntricos

Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel

37

Mede a taxa de

decaimento da coluna d’água no anel interno

Infiltração

Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel

38 Sonda de Neutrons Duplo Anel

Garrafa de

Mariotte

Data

Logger

39

S

P

para

S

P

S

P

H

_EXC















2

,

0

)

8

,

0

(

)

2

,

0

(

2

4

,

25

10

1000

S

CN





Método do SCS

40

Tipo de uso do solo/ Tratamento/

Condições hidrológicas _AGrupo Hidrológico_{B C D} Uso Residencial

Tamanho médio do lote % Impermeável até 500 m22 ₆₅ 1000 m22 ₃₈ 1500 m22 ₃₀ 77 61 57 85 75 72 90 83 81 92 87 86 Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98 Ruas e estradas:

pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra 98 76 72 98 85 82 98 89 87 98 91 89 Áreas comerciais (85% de impermeabilização) 89 92 94 95 Distritos industriais (72% impermeável) 81 88 91 93 Espaços abertos, parques, jardins:

boas condições, cobertura de grama > 75%

condições médias, cobertura de grama > 50% 39 49 61 69 74 79 80 84 Terreno preparado para plantio, descoberto

41

Grupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D

Grupos Hidrológicos de Solos

Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas, este limite pode subir a 20%, graças à maior porosidade. Os dois teores de húmus podem subir, respectivamente a 1,2% e 1,5%. Não pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5 m, mas é quase sempre presente camada mais densificada que a camada superficial.

Solos argilosos (30% a 40% de argila total) com camada densificada a 50 cm de profundidade; ou solos arenosos com camada argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados.

Solos barrentos, com teor de argila total de 20% a 30%, mas sem camadas argilosas ou pedras até a profundidade de 1,2 m. Nocaso de terras roxas esses limites podem ser 40% e 1,5m. Nota-se a 60 cm de profundidade, camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de

impermeabilidade.

Solos arenosos, com baixo teor de argila, inferior a uns 8%, não há rochas nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas até a profundidade de 1,5 m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo 1%.

42

Condição I - solos secos, as chuvas nos últimos 5 dias

não ultrapassam 15 mm.

Condição II - situação média na época das cheias, as

chuvas nos últimos 5 dias totalizam entre 15 e 40 mm.

Condição III - solos úmidos (próximos da saturação), as

chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40 mm e

as condições meteorológicas foram desfavoráveis a

altas taxas de evaporação.

43

Conversão do CN da condição II para I e III

II

II

I

CN

.

CN

,

CN









058

0

10

2

4

II

II

III

CN

,

CN

CN









13

0

10

23

Aplicação...

Classificar o tipo de solo existente na bacia

Determinar a ocupação predominante

Com a tabela do SCS para a Condição de

Umidade II determinar o valor de CN

Corrigir o CN para a condição de umidade

desejada

No caso de existirem na bacia diversos tipos

de solo e ocupações, determinar o CN pela

média ponderada.

45 Tipo de uso do solo/ Tratamento/

Condições hidrológicas _AGrupo Hidrológico_{B C D}

Uso Residencial

Tamanho médio do lote % Impermeável

até 500 m22 ₆₅ 1000 m22 ₃₈ 1500 m22 ₃₀ 77 61 57 85 75 72 90 83 81 92 87 86

Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98

Ruas e estradas:

pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra 98 76 72 98 85 82 98 89 87 98 91 89

Áreas comerciais (85% de impermeabilização) 89 92 94 95

Distritos industriais (72% impermeável) 81 88 91 93

Espaços abertos, parques, jardins:

boas condições, cobertura de grama > 75%

condições médias, cobertura de grama > 50% 39 49 61 69 74 79 80 84

Terreno preparado para plantio, descoberto

46 exemplo: Variação do CN ao longo da bacia do Cabuçu de Baixo (resultado da sobreposição das informações da geologia e do uso e cobertura do solo)

47

Conhecido o hietograma de projeto

5 10 15 20 mm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Horas 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 5 10 20 15 10 5 mm Horas

Conhecido o valor de CN (p.ex., CN= 80), deve-se

aplicar a fórmula do SCS da seguinte maneira:

48 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 5 10 20 15 10 5 Chuva Horas

1. Acumular as precipitações do hietograma

2. Aplicar a fórmula às precipitações acumuladas 3. Diferenciar para obter o hietograma excedente

5 15 35 50 60 65

Ch. Acum. Ch. Exc. Acum. 0.0 0.08 5.80 13.81 20.20 23.63 Hietogr. Exc. 0.0 0.08 5.72 8.01 6.39 3.43

L

H

A

K

Q











• Q = fluxo de água (m3_/s) • A = área (m2₎ • H = carga (m) • L = distância (m) • K = condutividade hidráulica (m/s)

Fluxo da água em meios

porosos saturados

Balanço hídrico no solo

ET

G

Q

P

V











• V = variação de volume de água armazenada no solo; • P = precipitação;

• Q = escoamento superficial; • G = percolação;