Infiltração. Universidade de São Paulo. PHA 5013 Hidrologia Determinística. Escola Politécnica Departamento Engenharia Hidráulica e Sanitária

Transcrição

1 PHA 5013 Hidrologia Determinística Universidade de São Paulo Escola Politécnica Departamento Engenharia Hidráulica e Sanitária Infiltração Prof. Dr. Arisvaldo V. Méllo Jr.

2 Processo de infiltração Solo seco Água adsorvida Água capilar (meniscos na interface ) Água gravitacional 2

3 Curva típica fo Constante k fc tc Quando a disponibilidade de água não é limitante, a taxa máxima de infiltração num tempo qualquer é chamada de capacidade de infiltração do solo. 3

4 Infiltração Definição Parcela da água precipitada que infiltra no solo Eventualmente, poderá voltar a um rio, através da sua margem. Parte da água poderá infiltrar mais profundamente, recarregando o aquífero subterrâneo A água pode percorrer longas distâncias ou permanecer no armazenamento subterrâneo por longos períodos antes de retornar à superfície, aos rios ou oceanos 4

5 Representação dos principais componentes do ciclo hidrológico VIOLA (2011) 5

6 Robert Elmer Horton ( ) Horton R.E The role of infiltration in the hydrologic cycle. Transactions, American Geophysical Union, 14: Infiltration divides rainfall into two parts, which thereafter pursue different courses through the hydrologic cycle. One part goes via overland flow and stream channels to the sea as surface runoff; the other goes initially into the soil and thence through ground-water again to the stream or else is returned to the air by evaporative processes. The soil therefore acts as a separating surface and... various hydrologic problems are simplified by starting at this surface and pursuing the subsequent course of each part of the rainfall as so divided, separately.

7 Capacidade de infiltração Taxa de Infiltração: é a velocidade ou intensidade da penetração da água no solo (mm/hora, mm/dia, etc) Se a intensidade da chuva é maior do que a taxa de infiltração, a água será acumulada na superfície e começará o escoamento superficial direto Infiltração acumulada: é a quantidade de água total infiltrada após um determinado tempo (mm)

8 Fatores responsáveis O enchimento dos poros finos do solo com água reduz as forças capilares O impacto das gotas de chuva no solo faz com que o material da superfície do solo seja dissolvido e preencha os poros do solo

9 Retenção da água no solo É influenciada por diferentes forças Força molecular (a mais forte): Retém a água higroscópica (na faixa de mm) ao redor da partícula de solo. Esta água só pode ser retirada do solo por aquecimento Força matricial: retém a água de a 0.06 mm ao redor da partícula de solo. Devida à atração molecular superficial das partículas de solo à água e coesão da moléculas de água entre si

10 Retenção da água no solo Força capilar: Movimenta a água de áreas onde a força matricial é menor para áreas onde ela é maior por ação capilar. Esta água é conhecida como água capilar. As plantas podem utilizar esta água até que o solo atinja o ponto de murchamento Força gravitacional: A água em excesso à água capilar e à higroscópica é chamada de água gravitacional. Move-se livremente sob o efeito da gravidade. Quando esta água é drenada, a quantidade de água retida é chamada de capacidade de campo.

11 Energia potencial da água Energia é a capacidade de produzir trabalho Energia: cinética, térmica, potencial osmótico O estado de energia da água é denominado de potencial total da água no sistema Diferenças do potencial da água entre diferentes pontos no sistema originam o seu movimento Movimento da água no sistema solo-plantaatmosfera é lento e a energia cinética pode ser desprezada 11

12 Potencial total da água g p m os g componente gravitacional p componente de pressão m componente matricial os componente osmótico Quantificação de e de seus componentes é feita de forma relativa em comparação ao estado padrão (zero) Expresso em termos de energia por unidade de volume pressão (Pa, atm, bária) E E mgh kg m N mgh gh m Pa V V m s m 12

13 Diferença de potencial a b Se é positivo (a > b) água segue de A para B, pois a água procura ponto de menor energia, mais estável Se no solo é -0,1 MPa, na planta é -0,5 MPa e na atmosfera de -10 MPa: a água passará do solo para a planta, e da planta para a atmosfera 13

14 Gradiente de potencial Mede o sentido no qual um campo potencial apresenta maior crescimento e F são vetores de mesmo módulo, mas de sentido contrário trabalho F x grad x distância x grad F F x distância entre os pontos A e B A movimento B cm H 2 O 14

15 Componente Gravitacional A energia potencial gravitacional da água depende da posição na qual ela se encontra em relação a um plano de referência No plano de referência g = 0 positivo acima dele e negativo abaixo dele Se o plano de referência for a superfície do solo, o g torna-se negativo em pontos localizados abaixo da superfície Pode ser medido em energia por unidade de volume Importante para solos próximos à saturação 15

16 Componente Gravitacional Exemplo Calcular o g para a água situada a 50 cm de profundidade no solo. g mgz V gz kg m g , ,5m 4905Pa 4,905kPa m s 16

17 A g = 0 (Plano de Referência) B g = - 4,9 kpa C g = - 9,8 kpa D g = - 4,9 kpa E g = + 6,9 kpa F g = + 11,8 kpa Gradiente do Potencial gravitacional é constante grad g gz z g z g Entre A e B: grad Entre F e D: grad g g 0 4,905 0,5 11,8 4,905 1,7 9,81 kpa/m 9,81 kpa/m 17

18 Componente de Pressão Aparece sempre que a pressão que atua sobre a água do solo é maior que a pressão atmosférica (estado padrão, p = 0) Só é considerado para pressões positivas É importante para solos saturados, onde existe excesso de água exercendo uma carga hidráulica sobre o solo p gh 18

19 p gh 1 atm = 10,33 m = 1013,25 mb = Pa p p p kg m (A) ,81 0,1m 981 Pa = 0,1 m H 3 2 2O m s (B) 10009,81 0, Pa = 0,3 m H O (C) 10009,81 0, Pa = 0,5 m H O

20 Componente Matricial Refere-se ao estado de energia da água devido à sua interação com as partículas sólidas do solo (matriz) Interação está ligada à capilaridade e adsorção que conferem à água estados de energia menores que a pressão atmosférica (estado padrão, valor zero) O potencial matricial será sempre negativo (pressão negativa, sucção ou tensão da água no solo) Capilaridade e adsorção dependem do arranjo e da distribuição de poros, tensão superficial da água, afinidade entre a água e as superfícies sólidas, superfície específica do solo, qualidade das partículas sólidas 20

21 Tangente da interface líquido-gás (ponto A) e a superfície do sólido forma um ângulo (ângulo de contato) Valor de depende das forças de adsorção entre as moléculas do líquido e do sólido = 0 o significa um espalhamento completo do líquido sobre o sólido (molhamento perfeito). Ocorre para a água pura sobre superfícies planas e inorgânicas = 180º corresponde a um não molhamento Rugosidades e impurezas adsorvidas pela superfície fazem diferir de zero 21

22 Formação de menisco resultante do raio do tubo (r) e do ângulo de contato () entre as paredes do tubo e o líquido agudo formará um menisco côncavo na interface água e vidro Pressão P 1 é menor que a pressão atmosférica (P 0 ) A diferença de pressão (P) entre a água sob o menisco e a atmosfera é negativa (tensão) P P P 1 0 P gh 2 cos h gr 2 cos r - tensão superficial da água (25 o C é 0,0719 kg/s 2 ) - ângulo de contato entre vidro e água, grau - massa específica da água (1000 kg/m 3 ) g aceleração da gravidade, m/s 2 r raio do tubo capilar, m h altura da água no tubo, m 22

23 Calcular h para um tubo com diâmetro interno de 2 mm e = 10 o m 2cos 20, 0719cos10 h gr 10009,810,001 0,0144 m = 1,44 cm Quanto menor o diâmetro do tubo, maior h e mais negativa a pressão Fenômenos semelhantes ao do tubo capilar ocorrem no solo A energia negativa (tensão) é a componente matricial da água no solo ( m ) No solo saturado (todos os poros preenchidos de água) não existe menisco, a adsorção é nula e m = 0 No solo não saturado o ar está presente e o efeito de capilaridade aparece e o m é negativo A água sempre vai ocupar os poros menores onde a energia é mais negativa Quanto menor a umidade do solo, mais negativo m O arranjo poroso, determinado pela estrutura, textura e composição das partículas representam papel fundamental no m Para umidade baixa (solos secos), a água fica adsorvida (filme cobrindo as partículas), a capilaridade deixa de ter importância, e m é influenciado pela adsorção Na prática m é medido, não calculado 23

24 Curva característica da água no solo Curva de retenção É normalmente obtida experimentalmente (variando-se a tensão m e medindo-se os correspondentes valores de umidade, ) Um aumento gradual da tensão resultará em um esvaziamento progressivo de poros menores Em tensões muito elevadas apenas poros muito pequenos conseguem reter água 24

25 Medida do m Funil de placa porosa Placa saturada e com granulometria homogênea m = - h Usados para fazer curvas de retenção de água na faixa bem úmida do solo 25

26 Tensiômetro Cápsula de cerâmica ligada a um manômetro por meio de um tubo de PVC cheio de água A água do tensiômetro entra em contato com a água do solo através dos poros da cápsula porosa e o equilíbrio é estabelecido O solo exerce uma sucção sobre o instrumento, retira água, causando queda na pressão hidrostática dentro do instrumento da água dentro da cápsula é igual ao m do solo P P h h h P P A B B C 13,6 h C 1 2 P 13,6 h h h h A P 12,6 h h h A P

27 A B m A g A B B m m 12, 635, ,3 cmh O 12,6 26, ,1 cmh O A 377, ,3 cmh O B 240, ,1 cmh O m g A < B Movimento ascendente de água Se A = B Capacidade de campo (equilíbrio) Se A > B Lixiviação de solutos (drenagem) Faixas de umidade do solo Solo molhado m = 0 a - 0,3 atm Solo úmido m = - 0,3 a - 0,6 atm Solo seco m = - 0,6 a - 1 atm Valores de m menores que 1 atm aparecem bolhas de ar e rompem a coluna de água 27

28 Tensiômetro faixa de funcionamento Na maioria dos solos uma maior quantidade de água é retirada entre 0 e -1 atm m entre -0,01 e -1 atm: 0,55 0,25 = 0,3 cm 3 /cm 3 m entre -1 e -15 atm: 0,25 0,17 = 0,08 cm 3 /cm 3 Total de água do solo: 0,55 0,17 = 0,38 cm 3 /cm 3 Umidade retida entre -0,01 e -1 atm: 0,3/0,38 = 0,79 Umidade retida entre -1 e -15 atm: 0,08/0,38 = 0,21 28

29 Componente Osmótica Fração líquida do solo é uma solução aquosa de sais minerais e substâncias orgânicas Há uma complexa interação entre a fração sólida (reservatório de íons) e a fração líquida Concentração média da solução do solo (mmol/l) Elemento Intervalo (tipo de solo) Solo ácido Solo calcário N 0, ,1 13 P 0, ,007 0,03 K 0,2-10 0,7 1 Mg 0, ,9 7 Ca 0,5-38 3,4 14 S 0, ,5 24 Cl 0, ,1 20 Na 0,

30 A presença de solutos confere à solução uma pressão osmótica A pressão osmótica expressa a diferença de potencial da água na solução em relação ao potencial da água pura Equação de Van t Hoff os RTC os potencial osmótico, atm R constante universal dos gases (0,082 atm.l/mol.k) T temperatura absoluta, K (K = o C +273) C concentração da solução, mol/l 30

31 Solução A 0,1 mol de NaCl Solução B 0,5 mol de NaCl Temperatura = 27 o C os A B os os RTC 0, ,1 2,46 atm 0, ,5 12,3 atm Membrana semipermeável (deixa passar o solvente e não deixa passar o soluto) A água sai de A e passa para B O desnível do reservatório aumenta e é igual a h numa situação de equilíbrio A concentração em A aumenta e em B diminui As diferenças de os só causarão movimento de água quando o sistema estiver separado por membrana semipermeável 31

32 Cálculo do os de uma solução 0,006 mol KNO 3 + 0,004 mol Ca(NO 3 ) 2.4 H 2 O + 0,002 mol NH 4 H 2 PO 4 + 0,001 mol MgSO 4.7 H 2 O C 1 = 0,006 K + + 0,006 NO 3 - = 0,012 mole C 2 = 0,004 Ca ,004 NO 3 - = 0,012 mole C 3 = 0,002 NH ,002 H 2 PO 4 - = 0,004 mole C 4 = 0,001 Mg + + 0,001 SO 4 - = 0,002 mole C = C 1 + C 2 + C 3 + C 4 = 0, , , ,002 = 0,03 mole os = -0, ,03 = -0,738 atm Na planta Membranas celulares semipermeáveis e o os é de grande importância (entrada de água nas raízes) Água penetra nas células mantendo-as túrgidas No solo Não há membrana semipermeável e o os não é considerado para o movimento as água 32

33 Potencial total da água Soma de todas as componentes importantes para cada ambiente Solo Solo saturado e imerso em água = g + p Solo não saturado = g + m Passagem da água do solo para as raízes Solo inundado = g + p + os Planta Solo não saturado = g + m + os Células de tecido tenro (folhas) = p + os Tecido fibroso (fibras de celulose e aglomerados de amido) = m + os Atmosfera = p 33

34 Movimento de água no solo Camada superficial mais úmida (chuva pouco intensa) é maior na superfície e a água drena no perfil Perfil úmido (chuva prolongada) m praticamente nulo e g importante (drenagem interna) Superfície do solo seca na superfície mais negativo movimento ascendente da água Condutividade hidráulica também afeta o movimento 3 K V m m A t m 2 s s Aumenta com o aumento da umidade do solo (K o : condutividade hidráulica saturada quando = s) Com o secamento do solo K diminui drasticamente 34

35 q K grad K grande não implica, necessariamente, em q grande Se grad for muito pequeno, não haverá q grande mesmo se K for grande Solo seco: mesmo com grad grande o q será praticamente nulo Sistema constituído por uma cultura em pleno desenvolvimento A = -0,1 a -2 atm B = -1 a -5 atm C = -3 a -10 atm D = -50 a -100 atm 35

36 Fatores que influem na infiltração Umidade do solo Precipitação: quantidade, intensidade e duração Geologia, tipo do solo (a argila absorve menos água e a uma taxa mais lenta do que os solos arenosos) Granulometria e arranjo das partículas Cobertura do Solo (ocupação) Topografia (declividades, depressões) Evapotranspiração

37 Importância Crescimento da vegetação Recarga dos aquíferos subterrâneos Manutenção da vazão nos rios durante as estiagens Redução do escoamento superficial direto (cheias, erosão, etc.)

38 01/05/83 08/05/83 15/05/83 22/05/83 29/05/83 05/06/83 12/06/83 19/06/83 26/06/83 03/07/83 10/07/83 17/07/83 24/07/83 vazão (m³/s) chuva (mm) 01/05/83 08/05/83 15/05/83 22/05/83 29/05/83 05/06/83 12/06/83 19/06/83 26/06/83 03/07/83 10/07/83 17/07/83 24/07/83 vazão (m³/s) chuva (mm) mesma chuva, mesma bacia quando se alterar a capacidade de infiltração tempo (dias) Q Qb P tempo (dias) Q Qb P 38

39 Irrigação Projeto Jaíba e outros CODEVASF...

40 Drenagem 40

41 Água Subsuperficial A água infiltrada na parte subsuperficial do solo forma uma zona não saturada (onde os espaços vazios entre as partículas de solo contêm água e ar) e uma zona saturada (onde todos os vazios só contêm água) Embora exista uma quantidade grande de água na zona não saturada, a água não pode ser bombeada, porque fica muito presa pelas forças capilares

42 Água Subsuperficial Zona não saturada A parte superior da zona não saturada é a zona de água do solo. Esta zona é cortada por raízes, aberturas deixadas por raízes mortas e esqueletos de animais, que permitem a infiltração nesta zona A água nesta zona é utilizada pelas plantas, mas pode evaporar diretamente para a atmosfera Recarga para o Lençol freático Franja capilar Zona saturada abaixo do lençol freático Zona do solo Lençol freático Água subterrânea

43 Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel Mede a taxa de decaimento da coluna d água no anel interno fonte: Infiltração

44 Infiltrômetro Mini Disco Tampa Câmara de bolha Tubo de Mariotte Tubo de controle de sucção Câmara de barreira Reservatório de água Disco de aço 44

45 Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel Duplo Anel Data Logger Garrafa de Mariotte Sonda de Neutrons

46 Medição Lisímetros 46

47 Modelos de infiltração 47

48 Modelos de infiltração Modelos empíricos Equação para descrever a taxa de infiltração da água no solo em função do tempo Equação que relaciona a taxa de infiltração com a umidade inicial e outros parâmetros (porosidade do solo e a presença neste de fendas criadas por fatores biológicos) Modelos físicos Análise teórica ou conceitual Infiltração em função da condutividade hidráulica do solo saturado, do potencial matricial do solo antes da ocorrência da infiltração e das umidades inicial e de saturação do mesmo, e não do tempo de ocorrência do processo 48

49 Lei de Darcy Redução da perda de carga dz q = K h z O fluxo diminui com o produto entre a condutividade hidráulica do meio (K) e a relação da perda de carga (h) por unidade de comprimento (z). O fluxo é constante através da profundidade. Fluxo q Forças atuantes: Meio Não saturado: gravidade, atrito e potencial matricial ( - sucção) h = Ψ + z Meio Saturado: gravidade e atrito 49

50 Profundidade (z) Variação do conteúdo de umidade no perfil do solo durante a infiltração Profundidade Mudança do perfil de umidade com o tempo Zona de saturação 0 θ i t 1 t 2 100% superfície Zona de Transmissão Zona de transição t 3 t 4 Zona de umedecimento t 5 50

51 Modelo de Green-Ampt Taxa de precipitação (p) Taxa de infiltração (f) Infiltração acumulada (F) F Chuva excedente F t F t+t t t+t F t+t - F t Tempo f = df dt

52 Modelo de Green-Ampt 0 h o Infiltração acumulada F t = L η θ i = L θ q positivo para cima f positivo para baixo Relacionando f ao fluxo de Darcy (q): - f q q = K h z r L Se ho é muito pequeno em relação a e L, então ho = 0: f = K h z = K h 0 Ψ L L = K Ψ + L L Como L = F Δθ, então f = K Ψ θ+f F = K Ψ θ F(t) + 1 i - porosidade - potencial matricial r umidade residual e umidade efetiva S e saturação efetiva e S e = θ i θ r η θ r θ e = η θ r θ = η θ i Como f = df dt df então = k dt F F + Ψ θ df = K dt F + Ψ θ Ψ θ F + Ψ θ F + Ψ θ F + Ψ θ Ψ θ F + Ψ θ ΨΔθ+F F df = K dt df = k dt Acrescentar para dividir em duas partes Substituindo θ = 1 S e θ e

53 Modelo de Green-Ampt F + Ψ θ F + Ψ θ Ψ θ F + Ψ θ df = k dt Integrando obtém-se F f (t) F i (t) 1 Ψ θ F + Ψ θ df = t f Kdt t i F f t Ψ θ ln F f t + Ψ θ F i t Ψ θ ln F i t + Ψ θ F(t) 0 = K t f t i t 0 F t Ψ θ ln F t + Ψ θ 0 Ψ θ ln 0 + Ψ θ = Kt K 0 F t Ψ θ ln F t + Ψ θ ln Ψ θ = Kt Como ln M N = lnm lnn F t Ψ θ ln F t + Ψ θ Ψ θ = Kt F t = Kt + Ψ θ ln F t Ψ θ + 1 f = K Ψ θ F(t) + 1 Quando ho não é insignificante substituir por ( + ho)

54 Taxa (cm/h) Acumulado (cm) Tempo para formação da lâmina na superfície (t p ) Chuva acumulada Taxa infiltração potencial Infiltração acumulada (F) f = i Taxa de precipitação ( i ) F p = i.t p Infiltração atual (f) Tempo t p Tempo f = K Ψ θ F(t) + 1 F t = Kt + Ψ θ ln F t Ψ θ + 1 i = K Ψ θ i t p + 1 t p = KΨ θ i i K

55 RAWLS et al. (1996) ou S teor de areia, decimal C teor de argila, decimal - porosidade, decimal k o condutividade hidráulica do solo saturado 59

56 Parâmetros de solo para o modelo de Green-Ampt Solo Porosidade () Porosidade efetiva (e) Carga sucção na frente de molhamento ( - cm) Condutividade hidráulica (K cm/h) Areia 0,437 (0,374-0,5)* 0,417 (0,354-0,48) 4,95 (0,97-25,36) 11,78 Areia Barrosa 0,437 (0,363-0,506) 0,401 (0,329-0,473) 6,13 (1,35-27,94) 2,99 Arenoso 0,463 (0,375-0,551) 0,434 (0,334-0,534) 8,89 (1,33-59,38) 0,34 Franco siltoso Argila barro arenosa 0,501 (0,42-0,582) 0,486 (0,394-0,578) 16,68 (2,92-95,39) 0,65 0,398 (0,332-0,464) 0,33 (0,235-0,425) 21,85 (4,42-108) 0,15 Argiloso 0,464 (0,409-0,519) 0,309 (0,279-0,501) 20,88 (4,79-91,1) 0,10 Barro argiloso Argila arenosa 0,471 (0,418-0,524) 0,432 (0,347-0,517) 27,3 (5,67-131,5) 0,10 0,43 (0,37-0,49) 0,321 (0,207-0,435) 23,9 (4,08-140,2) 0,06 Argiloso 0,479 (0,425-0,533) 0,423 (0,334-0,512) 29,22 (6,13-139,4) 0,05 Argila 0,475 (0,427-0,523) 0,385 (0,269-0,501) 31,63 (6,39-156,5) 0,03 * Desvio padrão do valor. Fonte: Rawls et al. (1983). 60

57 Fórmula de Horton f fc fo fce kt 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 (horas) k - constante, depende do tipo de solo (hora -1 ) t = 0 f = fo t = infinito f = fc

58 62

59 Infiltração Acumulada (mm) Infiltração Acumulada - Horton F( t) f. t c Kt. ( f f ).(1 e ) Tempo (min) 0 c K 63

60 64

61 Fórmula de Horton f fc fo fce kt Chuva Chuva excedente Chuva infiltrada 65

62 Método do NRCS (Natural Resources Conservation Service) ex SCS (Soil Conservation Service) Método empírico desenvolvido pelo SCS, com base na hipótese: Chuva Excedente Real Chuva Excedente Potencial = Infiltração Real Infiltração Potencial A chuva excedente real (Pexc, em mm) é a parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial direto. A chuva excedente potencial seria igual à chuva total do evento (P, em mm), retirada a parcela de perdas por interceptação e detenção em depressões do solo. As perdas iniciais (Ai, em mm) são resultados da interceptação e da detenção em depressões do terreno. São estimadas como sendo 20% da capacidade de absorção do solo. A infiltração real é a diferença entre a Chuva total (menos as perdas iniciais) e a Chuva Excedente Infiltração potencial seria a altura infiltrada máxima igual à capacidade de absorção de água pelo solo (S, em mm). 66

63 Método do NRCS (Natural Resources Conservation Service) ex SCS (Soil Conservation Service) Método empírico desenvolvido pelo SCS, com base na hipótese: Chuva Excedente Real Chuva Excedente Potencial = Infiltração Real Infiltração Potencial P exc Pexc P 0,2S = P 0,2S Pexc S 2 ( P 0,2 S) para P 0, 2 S ( P 0,8 S) Sendo: P (mm) Chuva total de um evento S (mm) Capacidade potencial de absorção de água no solo Pexc (mm) Chuva excedente total do evento Ai (mm) Abstrações iniciais da chuva (interceptação, detenção nas depressões do terreno) = 0,2.S 67

64 Método do NRCS (Natural Resources Conservation Service) ex SCS (Soil Conservation Service) O SCS relacionou o valor de S em função do tipo de solo, do uso do solo e da condição de umidade inicial do solo. Para facilitar o método de aplicação, criou uma variável auxiliar, denominada CN (curve number), que está relacionada com o CN pela expressão: CN 1000 S 10 25,4 ou S ( CN)*25,4 CN Os valores de CN são obtidos de tabelas que relacionam as propriedades do solo com o valor de CN 68

65 Método do SCS H EXC para ( P 0,2 S) ( P 0,8 S) P 0,2 S 2 CN 1000 S 10 25,4 69

66 Exemplo de uma tabela parcial de CN - áreas urbanas Tipo de uso do solo/ Tratamento/ Condições hidrológicas Uso Residencial Tamanho médio do lote % Impermeável até 500 m m m 2 30 Grupo Hidrológico A B C D Estacionamentos pavimentados, telhados Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra Áreas comerciais (85% de impermeabilização) Distritos industriais (72% impermeável) Espaços abertos, parques, jardins: boas condições, cobertura de grama > 75% condições médias, cobertura de grama > 50% Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

67 Grupos Hidrológicos de Solos Grupo A Grupo B Grupo C Grupo D 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%. 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 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 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. 71

68 Condições Típicas de Umidade do Solo Condição II - situação média na época das cheias, as chuvas nos últimos 5 dias totalizam entre 15 e 40 mm. Condição I - solos secos, as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassam 15 mm. CN I 10 4, 2CNII CN II 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. CN III 23 CNII 10 0, 13 CN II 72

69 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. 73

70 Tipo de uso do solo/ Tratamento/ Condições hidrológicas Uso Residencial Tamanho médio do lote % Impermeável até 500 m m m 2 30 Grupo Hidrológico A B C D Estacionamentos pavimentados, telhados Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra Áreas comerciais (85% de impermeabilização) Distritos industriais (72% impermeável) Espaços abertos, parques, jardins: boas condições, cobertura de grama > 75% condições médias, cobertura de grama > 50% Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

71 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) 75

72 Conhecido o hietograma de projeto mm Horas mm Horas 76

73 Conhecido o valor de CN (p.ex., CN= 80), deve-se aplicar a fórmula do SCS da seguinte maneira: Horas Chuva Ch. Acum. Ch. Exc. Acum. Hietogr. Exc Acumular as precipitações do hietograma 2. Aplicar a fórmula às precipitações acumuladas 3. Diferenciar para obter o hietograma excedente S ,5 80 0,2S 0,2 63,5 12,7 mm H exc P 12,7 2 P 50,8 0,08 mm 77

74 Hietograma excedente mm 20 Chuva excedente Horas Ptot mm Pexc mm Horas Chuva infiltrada 78

75 Críticas ao método A chuva excedente total não depende da distribuição temporal da chuva O valor chuva excedente total é muito sensível à variação de CN Justificativa frágil para o valor 0,2 S A fórmula do SCS é inconsistente se vista como uma fórmula de capacidade de infiltração 79

76 Índice de infiltração F É a taxa de infiltração f suposta constante ao longo do tempo É uma aproximação do modelo de Horton para o caso em que fo paroxima-se de fc Pode ser determinado quando se dispõe de registros simultâneos de chuva e vazão 80

77 Índice de infiltração F L ESD M R m t m1 L ESD Lâmina do escoamento Superficial direto M n o de intervalos de chuva que contribui para o escoamento R m chuva observada no intervalo de tempo m (cm) - índice Fi (cm/h) t intervalo de tempo 81

78 Intens. chuva (cm/h) Determine a precipitação efetiva do seguinte evento de chuva para L ESD = 2 cm Tempo (h) Intensidade (cm/h) 1 0,5 2 1,5 3 1,2 4 0,3 5 1,0 6 0,5 1,6 1,4 1,2 0,8 0,6 0,4 Lâmina escoada = 2 cm Lâmina infiltrada = 5 2 = 3 cm Supor índice é > 0,5 e 1 cm/h 2 = (1.5 - x 1) + (1.2 - x 1) + (1 - x 1) 2 = = cm/h 1 Total = 5 cm 0, Tempo (h) 82

79 VIOLA, M. R. Simulação hidrológica na cabeceira da bacia hidrográfica do Rio Grande de cenários de usos do solo e mudanças climáticas A1B p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas) Universidade Federal de Lavras, Lavras, MEIN, R.G., LARSON, C.L. Modeling infiltration during a steady rain.water Resources Research, v.9, n.2, p , RAWLS, W.J., DAVID, G., VAN MULLEN, J.A., WARD, T.J. Infiltration. In: ASCE. Hydrology Handbook. 2.ed. New York. p (ASCE Manuals and Report on Engineering Practice, 28), RAWLS, W.J., BRAKENSIEK, D.L., MILLER, N. Green-Ampt infiltration parameters from soils data. J. Hydraulic Div. ASCE, v. 109, n. 1, p ,