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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
2
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
4
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
6
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
8
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
10
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
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
14
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
15
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)
16
tefcfofcf b
Equação de Horton
• Se integrarmos no tempo a taxa de
infiltração dada pela equação de Horton
obteremos a capacidade total de infiltração
17
tefcfofcf b
𝐹 =𝑓0 − 𝑓𝑐
𝛽 1− 𝑒−𝛽𝑡 + 𝑓𝑐𝑡
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
21
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
24
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)
25
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
26
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
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