CAPÍTULO 5 INFILTRAÇÃO

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1 CAPÍTULO 5 INFILTRAÇÃO 5.1 Introdução Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo. Portanto, é um processo que depende fundamentalmente da água disponível para infiltrar, da natureza do solo, do estado da sua superfície e das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no seu interior. A medida em que a água infiltra pela superfície, as camadas superiores do solo vão umedecendo de cima para baixo, alterando gradativamente o perfil de umidade. 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. Normalmente, a infiltração decorrente de precipitações naturais não é capaz de saturar todo o solo, restringindo-se a saturar, quando consegue apenas as camadas próximas à superfície, conformando um perfil típico onde o teor de umidade decresce com a profundidade. Quando o aporte de água à superfície cessa, 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 no nível próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. Nem toda umidade é drenada para as camadas mais profundas do solo, já que parte é transferida para a atmosfera por evapotranspiração. Nas camadas inferiores do solo geralmente é encontrada uma zona de saturação, mas sua influência no fenômeno da infiltração só é significativa quando se situa a pouca profundidade. Em um solo natural o fenômeno da infiltração pode ser ainda mais complexo se os diversos horizontes, desde a superfície até a zona de alteração próxima à rocha, tiverem texturas e estruturas diferenciadas, apresentando comportamentos hidráulicos diferentes. 5.2 Capacidade de Infiltração e Taxa de Infiltração O conceito de capacidade de infiltração é aplicado ao estudo da infiltração para diferenciar o potencial que o solo tem de absorver água pela sua superfície, em termos de lâmina por tempo, da taxa real de infiltração que acontece quando há disponibilidade de água para penetrar no solo. Uma curva de taxas reais de infiltração no tempo somente coincide com a curva das capacidades de infiltração de um solo, quando o aporte superficial de água (proveniente de precipitações e mesmo de escoamentos superficiais de outras áreas) tem intensidade superior ou igual à capacidade de infiltração. Em um solo em que cessou a infiltração, parte da água no seu interior propaga-se para camadas mais profundas e parte é transferida para a atmosfera por evaporação ou por transpiração dos vegetais. Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração, tendendo a um limite superior a medida em que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas. Se uma precipitação atinge o solo com intensidade menor que a capacidade de infiltração, toda água penetra no solo, provocando uma progressiva diminuição da própria capacidade de infiltração, já que o solo está se umedecendo. Se a precipitação continuar, pode ocorrer, dependendo da sua intensidade, um momento em que a capacidade de infiltração diminui 47

2 tanto que sua intensidade se iguala à da precipitação. A partir deste momento, mantendo-se a precipitação, a infiltração real se processa nas mesmas taxas da curva da capacidade de infiltração, que passa a decrescer exponencialmente no tempo tendendo a um valor mínimo de infiltração. A parcela não infiltrada da precipitação forma filetes que escoam superficialmente para áreas mais baixas, podendo infiltrar novamente se houver condições. Quando termina a precipitação e não há mais aporte de água à superfície do solo, a taxa de infiltração real anula-se rapidamente e a capacidade de infiltração volta a crescer, porque o solo continua a perder umidade para as camadas mais profundas (além das perdas por evapotranspiração). A Figura 5.1 mostra o desenvolvimento típico das curvas representativas da evolução temporal da infiltração real e da capacidade de infiltração com a ocorrência de uma precipitação. Fig. 5.1 Curvas de capacidade e taxa de infiltração A curva da capacidade de infiltração como mostrada na Figura 5.1 é de difícil determinação experimental, exceto na fase em que a intensidade de precipitação a supera. A curva exponencial desta função tem sido estudada isoladamente por muitos pesquisadores, mas o comportamento da capacidade de infiltração fora deste período pode ser avaliado por algoritmos específicos. Há também equações deduzidas para calcular o tempo de encharcamento ou saturação superficial, contado a partir do início da precipitação Medidas Diretas da Capacidade de Infiltração por Infiltrômetros O infiltrômetro consiste basicamente de dois cilindros concêntricos e um dispositivo de medir volumes de água, aduzida ao cilindro interno. Fig Infiltrômetro Essa técnica está sendo substituída pela técnica de colocar água no cilindro interno e externo ao mesmo tempo por aspersão, sendo apenas medida a quantidade colocada no cilindro interno. A razão da existência do cilindro externo é prover a quantidade de água necessária ao espalhamento lateral devido à capilaridade, deixando a infiltração propriamente dita ser medida relativamente à área limitada pelo cilindro interno. Normalmente, as medidas de capacidade de infiltração através de infiltrômetros são apresentadas em gráficos e tabelas como os mostrados a seguir: Volume Lido Altura da Lâmina (cm3) (mm) Tempo (min) Variação do Volume (cm3) Capacidade de Infiltração (mm/h) 48

3 Fig. 5.3 Curva de infiltração A coluna 4 é calculada dividindo-se a variação de volume pela área limitada pelo cilindro interno, tendo o devido cuidado com as unidades de medida. A coluna 5 é calculada dividindo o valor calculado na coluna 4 pela variação de tempo correspondente em horas Fatores que Intervêm na Capacidade de Infiltração São os seguintes, os fatores intervenientes no fenômeno da infiltração: umidade do solo permeabilidade do solo temperatura do solo profundidade do extrato impermeável Um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial devido ao fato de se somarem às forças gravitacionais e às de capilaridade o fato do solo ter maior capacidade para absorver a água.. A permeabilidade do solo, que pode ser afetada por outros fatores como cobertura vegetal, compactação, infiltração dos materiais finos, etc., é fator preponderante no fenômeno da infiltração da água, pois o seu fluxo para baixo depende primordialmente desse fator. Não se deve confundir permeabilidade com capacidade de infiltração. Permeabilidade é a velocidade de filtração para um gradiente unitário de carga hidráulica em fluxo saturado através de um meio poroso. Não depende das condições de contorno, mas depende primordialmente do tamanho e distribuição dos grãos do solo e da temperatura da água. A capacidade de infiltração, por sua vez, é também um fenômeno de fluxo da água do solo, sua medida depende direta e indiretamente da temperatura da água e da condição de contorno, qualquer que seja a profundidade do solo. 5.3 Cálculo da Infiltração Pontual Todas as equações usadas para cálculo da infiltração, foram desenvolvidas na forma que despreza a carga de uma eventual lâmina de água sobre o solo. A seguir apresenta-se uma das mais usadas equações já desenvolvidas para calculo da infiltração Equação de Horton A partir de experimentos de campo, Horton (1939) estabeleceu para o caso de um solo submetido a uma precipitação com intensidade sempre superior à capacidade de infiltração, uma relação empírica para representar o decaimento da infiltração com o tempo (ramo B-C da Figura 5.1), que pode ser apresentada da seguinte forma: f = f c + ( f f ) e 0 c kt (5.1) K = ( fo fc) / Fc (5.2) 49

4 onde t=tempo decorrido desde a saturação superficial do solo; f = capacidade de infiltração no tempo t, f 0 = capacidade de infiltração inicial, f c = capacidade de infiltração final e Fc = área do gráfico Curva de Infiltração A capacidade mínima de infiltração f c, teoricamente seria igual à condutividade hidráulica saturada K sat, se não houvesse o efeito do ar aprisionado no interior do solo, dificultando a infiltração. Por isso, f c é normalmente menor que K sat Determinação da Lâmina Infiltrada A partir de dados de infiltração observados em campo, é possível obter a curva de infiltração e calcular a lâmina infiltrada utilizando-se a equação de Horton. Exemplo5.1: estabeleça a equação da capacidade de infiltração de Horton a partir da Tabela 5.1: Tempo Capacidade de Infiltração (horas) (cm/hora) 1 3,4 2 2,9 3 2,6 4 2,3 5 2,1 6 1,9 7 1,8 8 1,7 9 1,6 10 1,5 Tabela Dados de infiltração obtido sem campo 1. Faça um gráfico da capacidade de infiltração x tempo 2. Determine fc e f0 3. Determine K Solução: fc=1,5 cm/hora fo=3,4 cm/hora 3. k = f f F c 0 c Fc= área sombreada no gráfico Para calcular a área sombreada pode ser usada uma forma de cálculo aproximada: para cada intervalo de tempo, calcule a área sombreada como se fosse um trapézio. Ou seja, a primeira área seria: 3,4 1,5 + 2,9 1,5 F = 2 1 = 1, 65 c1 2 ( ) ( ) ( ) cm 50

5 Desta mesma forma são calculadas as áreas referentes aos outros intervalos de tempo obtendo-se a seguinte tabela: Tempo (horas) Capacidade de infiltração (cm/hora) Fc i (cm) 1 3,4 2 2,9 1,65 3 2,6 1,25 4 2,3 0,95 5 2,1 0, 6 1,9 0,50 7 1,8 0,35 8 1,7 0,25 9 1,6 0, ,5 0,05 Fc 5,85 Tabela 5.2 Cálculo de Fc Fc é o somatório das Fc i, Fc=5,85cm. 3,4 1,5 k = = 5,85 Logo, 0, 325 A equação da infiltração neste caso é: 5.4 Precipitação Efetiva f = 1,5 + 2,2 e 0,325t Suponhamos uma seção de curso d água, a que corresponde determinada bacia hidrográfica. Seja h, a altura total da precipitação. Nem toda a água precipitada na bacia influenciará o escoamento, isto é, a vazão na seção em estudo. Se designarmos por: D- as perdas por evapotranspiração expressos em mm de altura de chuva R- as águas que ficam retidas quer em lençóis subterrâneos, quer em geleiras e neves expressas também em mm R - as águas restituídas por geleiras, neves e escoamentos subterrâneos, provenientes de precipitações em períodos precedentes, também expressas em mm. Teremos então que, relativamente a um mesmo período de tempo, por exemplo, em um ano: ' R h D R = h e (5.4) em que h e = altura eficaz da precipitação correspondente à precipitação na bacia, diminuída das perdas por evapotranspiração, das águas que ficaram retidas no solo através da infiltração (águas subterrâneas, gelos, mares, etc.) e acrescidas da restituição feita de águas retidas em períodos anteriores. Será a altura média da lâmina de água, que precipitada uniformemente sobre a referida bacia, representaria o volume total de água que iria influenciar o escoamento na seção do curso de água em estudo. 51

6 Relações Funcionais De acordo com o método apresentado pelo SCS (Soil Conservation service-1957) a relação entre precipitação total e precipitação efetiva, durante uma cheia, aproximando-se da seguinte expressão: d / S* = Pe/ P onde: Pe=precipitação efetiva ou seja, a precipitação que gera escoamento superficial Esta relação tem o seguinte significado: volume.inf iltrado = capacidade. máxima precipitação. efetiva precipitação. total P=a precipitação total d= P-Pe S=capacidade de infiltração Substituindo na Equação 5.5, a variável d por P-Pe, resulta 2 P P + S = (5.5) Pe * Nesta equação não estão consideradas as perdas iniciais. Introduzindo as mesmas, resulta: P Pe S I a I a = P Pe Pe * (5.6) Os autores verificam que em média, as perdas iniciais representavam 20% da capacidade máxima S=S*-Ia ou seja, Ia=0,2S. Substituindo-se na Equação 5.7, resulta: Pe = ( P 0,2S ) P + 0,8S Esta equação é válida para P>0,2S quando P<0,2S, Pe=0. Para determinar a capacidade máxima da camada superior do solo S, os autores relacionaram esse perímetro da bacia com um fator CN pela seguinte expressão: = CN S (5.8) Esta expressão foi obtida em unidades métricas. A equação original em unidades inglesas, estabelece o valor de CN numa escala de 1 a 100. Esta escala retrata as condições de cobertura e solo, variando desde uma cobertura muito impermeável (limite inferior) até uma cobertura completamente permeável ( limite superior ). Esse fator foi tabelado para diferentes tipos de solo e cobertura (Tabelas 5.5 e 5.6). Os tipos de solos intensificados nas referidas tabelas são os seguintes: soloa: solos que produzem baixo escoamento superficial e alta infiltração. Solos arenosos profundos com pouco silte e argila; solob: solos menos permeáveis do que o anterior, solos arenosos menos profundos do que o tipo A e com permeabilidade superior à média; soloc: solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da média, contendo percentagem considerável de argila. Pouco profundo; solod: solos contendo argila expansiva e pouco profundos, com muito baixa capacidade de infiltração, gerando maior proporção de escoamento superficial. 2 I a (5.7) 52

7 Uso do solo Superfície A B C D Solo lavrado com sulcos retilíneos 94 em fileiras retas Plantações regulares em curvas de nível terraceado em níveis em fileiras retas Plantações de cereais em curvas de nível terraceado em níveis em fileiras retas Plantações de legumes ou cultivados em curvas de nível terraceado em níveis pobres boas Pastagens pobres em curvas de nível em curvas de nível boas em curvas de nível Campos permanentes esparsas de baixa transpiração densas de alta transpiração Chácaras estradas de terra más de superfície dura Florestas muito esparsas, baixa transpiração esparsas densas, de alta transpiração Tabela 5.4 Valores do parâmetro CN para bacias rurais Utilização ou cobertura do solo A B C D Zona: cultivada: sem conservação do solo com conservação do solo Pastagens ou terrenos em más condições Baldios em boas condições Prado em boas condições Bosques ou zonas de cobertura ruim Florestais: cobertura boa Espaços abertos, relevados, parques, campos de golf, cemitérios, boas condições Com relva em mais de % da área Com relva de 50 a % da área Zonas comerciais e de escritórios Zonas industriais Zonas residenciais Lotes de (m²) % média impermeável < Parques de estacionamento, telhados, viadutos, etc. Arruamentos e estradas asfaltadas e com drenagem de águas pluviais paralelepípedos terra Tabela 5.5 Valores de CN para bacias urbanas e suburbanas

8 Os valores das constantes nas Tabelas 5.5 e 5.6 referem-se a condições médias de umidade antecedente. Os autores apresentam correções aos valores tabelados para situações diferentes da média. As condições consideradas são as seguintes: AMC I situação em que os solos estão secos. No estágio de crescimento, a precipitação acumulada dos cinco dias anteriores é menor que 36mm e em outro período, menor que 13mm; AMC II situação média em que os solos correspondem a umidade da capacidade de campo; AMC III situação em que ocorrem precipitações consideráveis nos cinco dias anteriores e o solo encontra-se saturado. No período de crescimento, as precipitações acumuladas nos cinco dias anteriores, são maiores que 53mm e no outro maior que 28mm. Na Tabela 5.7 é apresentada a correspondência entre a situação media das outras tabelas e as condições de umidade que se diferenciam. Valores médios Valores corrigidos AMCI Valores corrigidos AMCIII Tabela 5.6 Correção de CN para outras condições iniciais de umidade QUESTIONÁRIO 1. Como é feito o gráfico de Infiltração x Tempo, e o que representa a sua área? 2. Como se determina a quantidade de água necessária para irrigação? 3. Descreva o método SCS para o calculo da precipitação efetiva. 54