Universidade Tecnológica Federal do Paraná. CC54Z - Hidrologia. Infiltração e água no solo. Prof. Fernando Andrade Curitiba, 2014

Transcrição

1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná CC54Z - Hidrologia Infiltração e água no solo Prof. Fernando Andrade Curitiba, 2014

2 Objetivos da aula 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 2

3 Definições, composição e textura do solo

4 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

5 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

6 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

7 Composição típica do solo [1] 7

8 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

9 Textura do solo [2] 9

10 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=v vazios /V total 10

11 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

12 Curva de retenção de umidade [3] 12

13 Infiltração e movimento da água no solo

14 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

15 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

16 Equação de Horton Equação empírica que descreve o comportamento da infiltração da água no solo f fc fo fc e t b 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

17 Equação de Horton Se integrarmos no tempo a taxa de infiltração dada pela equação de Horton f fc fo fc e t b obteremos a capacidade total de infiltração F = f 0 f c β 1 e βt + f c t 17

18 Equação de Horton 18

19 Equação de Horton 19

20 Medição da taxa de infiltração 20

21 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

22 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

23 Exemplo 1 Tempo (min) Volume infiltrado (cm 3 ) Dt (h) Água infiltrada F (cm) DF (cm) f (cm/h)

24 Exemplo 2 Em uma bacia hidrográfica, cujo solo apresenta os valores de f 0 =200 mm/h, f c =12 mm/h e b=2 h -1, ocorreu a seguinte chuva Intervalo de tempo (h) Precipitação (mm) Determinar a parcela infiltrada e a chuva excedente (chuva que escoa superficialmente) utilizando o método de Horton 24

25 Fluxo de água em meios porosos saturados A vazão em meios porosos é proporcional ao gradiente hidráulico Q é a vazão (m 3 /s) A é a área (m 2 ) Q H é a carga hidráulica (m) L é a distância (m) K A DH DL K é a condutividade hidráulica (m/s) 25

26 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

27 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 m 3 /dia m. 27

28 Exemplo 3 28

29 Balanço hídrico P=Q s +E+G s 29

30 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 [3] PINTO, N. et al.. Hidrologia básica. São Paulo. Editora Edgard Blucher, 1976