Capítulo 5: Infiltração

Departamento de Engenharia Civil Disciplina : Hidrologia Aplicada (HIA) Prof. Dr. Doalcey Antunes Ramos Capítulo 5: Infiltração Referências: CARLOS E. M. TUCCI, Hidrologia - Ciência e Aplicação, Editora da Universidade / Edusp / ABRH, 1993, Porto Alegre. NAGHETTINI, M. Engenharia de Recursos Hídricos Notas de Aula, Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos, EE-UFMG, Belo Horizonte, 1999. 1

5.1 - Definições Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo. É um processo que depende fundamentalmente : da água disponível para infiltrar da natureza do solo do estado de sua superfície das quantidades de água e ar inicialmente presentes no seu interior. Percolação é o processo de movimento da água dentro do solo.

Processo de Infiltração À medida que a água infiltra pela superfície, as camadas superiores do solo vão se 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. 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 próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. 5

Infiltração e Percolação Precipitação Solo não saturado Fase inicial quando a chuva alimenta o solo Solo saturado Lençol freático fase final depois da chuva ter terminado 6

Fatores Intervenientes Umidade do solo Geologia Ocupação do solo Topografia Depressões

5.2 - Capacidade de Infiltração e Infiltração Real Capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que um solo, sob dada condição, pode absorver na unidade de tempo, por unidade de área horizontal. Só se verifica quando a intensidade da precipitação excede a capacidade do solo em absorver água. Infiltração real é a infiltração que realmente ocorre em cada intervalo de tempo. quando P I c I r I c quando P I c I r P

EXEMPLO Períodos em que P > Ic 9

Variação da Capacidade de Infiltração

Teor de Umidade do Solo É a quantidade de água presente no solo por ação da capilaridade. Se o solo, no início da precipitação, já apresenta uma certa umidade, ele terá uma capacidade de infiltração menor do que se estivesse seco. A máxima quantidade de água retida por capilaridade é conhecida como Capacidade de Campo.

Métodos de Avaliação: Variação da Infiltração como o tempo, segundo Horton f = taxa de infiltração no tempo t, em mm/h f c = taxa de infiltração constante quando t, em mm/h; depende das características de permeabilidade do solo. f 0 = taxa de infiltração no instante inicial, em mm/h; depende do grau de umidade do solo. k = constante empírica que depende do tipo de solo t = intervalo de tempo, em horas

Medição Direta da Capacidade de Infiltração: Infiltrômetro de Inundação Anel Interno Anel Externo Imediatamente após iniciada a aplicação de água, aciona-se o cronômetro e a intervalos fixos de tempo, geralmente 10 min, procedese à leitura do nível de água. A medição deve prosseguir até que a variação do nível de água com o tempo permaneça praticamente constante.

Capacidade de Infiltração V h a V = volume infiltrado durante o tempo t, em cm 3 ; a = área do cilindro interno, em cm 3 ; h = altura de água infiltrada, em cm. h V a f 60h t

Conclusões Infiltração é um processo que ocorre na camada superior do solo Para uma bacia hidrográfica ou uma área maior tem importante variabilidade espacial O uso de uma equação de infiltração numa superfície como uma bacia apresenta grandes incertezas Outra fonte importante de incertezas está relacionada com a determinação dos parâmetros que variam no tempo e no espaço. 16

Departamento de Engenharia Civil Disciplina : Hidrologia Aplicada (HIA) Prof. Dr. Doalcey Antunes Ramos Capítulo 6: Evaporação e Evapotranspiração Referências: ZAHED Fº, K & Mello Jr. A. V. Material de Aulas - Disciplina PHD2307 - Hidrologia Aplicada, Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental, Poli-USP, São Paulo, 2007. CARLOS E. M. TUCCI, Hidrologia - Ciência e Aplicação, Editora da Universidade / Edusp / ABRH, 1993, Porto Alegre. NAGHETTINI, M. Engenharia de Recursos Hídricos Notas de Aula, Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos, EE-UFMG, Belo Horizonte, 1999. NASCIMENTO, N. O. Elementos de Hidrologia Notas de Aula, Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio ambiente e Recursos Hídricos, UFMG, Belo Horizonte, 2006. 17

6.1 - Conceitos A evaporação e a evapotranspiração ocorrem quando a água líquida é convertida para vapor de água e transferida, neste estado, para a atmosfera. O processo somente poderá ocorrer naturalmente se houver ingresso de energia no sistema, proveniente do sol, da atmosfera, ou de ambos e, será controlado pela taxa de energia, na forma de vapor de água que se propaga da superfície da Terra. Superfície líquida Evaporação Evapotranspiração Solo 18

Evaporação É o conjunto de fenômenos de natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, a dos cursos d água, lagos, reservatórios de acumulação e mares. Transpiração É a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais. As plantas, através de suas raízes, retiram do solo a água para suas atividades vitais. Parte dessa água é cedida à atmosfera, sob a forma de vapor, através da superfície das folhas. 19

Evapotranspiração Engloba tanto a evaporação como a transpiração vegetal mencionadas, além de incluir a evaporação da água interceptada pela vegetação. Evapotranspiração Potencial: é a máxima evapotranspiração que ocorreria se o solo dispusesse de suprimento de água suficiente. Evapotranspiração Real ou Efetiva: é a perda de água por evaporação e/ou transpiração, nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo). Nos períodos de deficiência de chuva em que os solos tornam-se mais secos, a evapotranspiração real é sempre menor do que a potencial. As taxas de evaporação, transpiração e evapotranspiração são dadas em unidades de altura divididas por unidade de tempo : mm/dia ou mm/mês. 20

Movimento da molécula de água entre as superfícies de água e o ar Algumas moléculas vaporizam a uma taxa proporcional à temperatura da superfície. Outras condensam-se e voltam à superfície a uma taxa proporcional à pressão de vapor do ar úmido. Vapor de água Condensação Vaporização Água líquida Quando as taxas de condensação e vaporização se igualam não que o ar está SATURADO. há evaporação : diz- se 21

Fatores intervenientes a) Grau de umidade relativa do ar atmosférico: quanto maior for a quantidade vapor no ar atmosférico, menor a intensidade de evaporação. b) Temperatura: a elevação da temperatura eleva o valor da pressão de saturação do vapor, permitindo que maiores quantidades de vapor possam estar presentes no mesmo volume de ar, para o estado de saturação. c) Vento: pode atuar renovando o ar em contato com as massas de água ou com a vegetação, afastando do local as massas de ar que já tenham grau de umidade elevado. 22

Fatores intervenientes d) Radiação Solar: o calor radiante fornecido pelo Sol constitui a energia motora para o próprio ciclo hidrológico. e) Pressão Barométrica: só é apreciada para grandes variações de altitudes. Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade de evaporação. f) Outros fatores: tamanho da superfície evaporante; estado da área vizinha; salinidade da água; umidade do solo; composição e textura do solo; etc. 23

6.2 - Determinação Direta da Evaporação e Evapotranspiração Tanques Evaporimétricos (ou Evaporímetros) São tanques que expões à atmosfera uma superfície líquida de água permitindo a determinação direta da evaporação potencial diária. Correlaciona a evaporação potencial (EP) com a evaporação medida no tanque (E): EP K p E K p : coeficiente do tanque (depende do tipo de tanque e de outros parâmetros meteorológicos) 24

O mais usado em nível mundial é o TANQUE CLASSE A, que tem forma circular com um diâmetro de 122 cm e profundidade de 25,4 cm. Construído em aço ou ferro galvanizado, deve ser pintado na cor alumínio e instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo. Deve permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior. O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do tanque classe A oscila entre 0,6 e 0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado. 25

Tanque Classe A 26

Tanque Classe A É efetuada a leitura diária e comparada com a leitura do dia anterior e calculada a diferença entre as duas leituras. Se não houve chuva, a evaporação será a diferença entre as duas leituras. Se houve chuva, soma-se a diferença à altura pluviométrica diária para se obter a evaporação. Fonte : Sabesp 27

Tanque Classe A Termômetro Flutuante e Micrômetro Fonte : Sabesp 28

Atmômetros São equipamentos que dispõem de um recipiente com água conectado a uma placa porosa, de onde ocorre a evaporação. São instalados em abrigos meteorológicos. 29

Evaporímetro de Piché: É constituído de um tubo de vidro, de 25 cm de comprimento e 1,5 cm de diâmetro. O tubo é graduado e fechado em sua parte superior; a abertura inferior é obturada por um papelfiltro padronizado, de 30 mm de diâmetro e de 0,5 mm de espessura. O tubo é previamente enchido por água destilada, que se evapora progressivamente através do papelfiltro. A diminuição do nível d água no tubo permite calcular a taxa de evaporação. Fáceis de instalar, operar e de boa portabilidade. Indicam a tendência da evaporação, mas são muito pouco precisos, sendo os resultados limitados e indicativos. 30

Evapotranspirômetros ou Lisímetros A evapotranspiração pode ser medida através de instrumentos denominados evapotranspirômetros, cujo princípio de funcionamento encontra-se esquematizado na figura ao lado. Se P representa a precipitação ( ou o volume irrigado expresso em altura equivalente) tal que o teor de umidade do solo seja mantido à sua capacidade máxima (capacidade de campo), então: ETP = P S onde S representa o volume medido de água drenada por gravidade. 31

Lisímetros de Percolação VEGETAÇÃO TANQUE Solo Brita coletor SOLO ETP I P S D ETP = evapotranspiração potencial, em mm/período ; I = irrigação do tanque, em litros ; P = precipitação pluviométrica no tanque, em litros ; D = água drenada do tanque, em litros ; S = área do tanque, em m 2. 32

6.3 - Determinação Indireta da Evaporação e Evapotranspiração Método de Balanço de Massas Estima a evaporação através da Primeira Lei de Dalton que estabelece a relação entre evaporação e pressão de vapor Parâmetro onde é introduzido o efeito do vento por expressões empíricas Pressão de vapor de saturação da superfície de água Pressão de vapor do ar numa coluna acima da superfície E 0 e s e a B = evaporação (em m/s) = pressão de saturação do vapor (em Pa) = pressão de vapor (em Pa) = parâmetro empírico 33

Método de Penman A evaporação potencial (EP) é obtida aplicando-se a equação: EP E 1 E2 E3 E4 E 1 = f(t, n/d) E 2 = f(t, n/d, R a ) E 3 = f(t, n/d, h) E 4 = f(t, h, u 2 ) t u 2 R a D n = temperatura média (ºC) = velocidade do vento a 2 m do solo (m/s) = radiação incidente na atmosfera (cal/cm²/dia)(tabelado) = número máximo de horas de sol por dia (h) (tabelado) = número real de horas de sol por dia (insolação) (tabelado) 34

Método de Thorntwaite A evapotranspiração potencial (ETP) é obtida aplicando-se a equação: ETP b T m a a 8 3 6 2 67,510 I 7,7110 I 0,01791 I 0, 492 ETP = evapotranspiração potencial (mm/mês) T m = temperatura média mensal ( o C) I b N 12 T m i 1 5 1,514 I b N 12 = índice de calor (somatória dos doze meses do ano) = fator de ajuste do comprimento do dia = máxima insolação diária (função da latitude e do mês) (tabelado) É muito utilizado em todas as regiões, já que se baseia somente na temperatura. É limitado, no entanto, por não considerar a influência do vento, e não permite estimar a ETP diária. É mais indicado para regiões úmidas. 35

Método de Blaney-Criddle A evapotranspiração potencial (ETP) é obtida aplicando-se a equação: ETP K p 0,46t 8,13 ETP K = evapotranspiração potencial, em mm/mês = coeficiente da cultura, adimensional, depende do tipo e estágio de crescimento da cultura p = porcentagem mensal de horas de insolação em relação ao total anual (em %) t = temperatura média mensal do ar, em o C. É mais indicado para regiões áridas e semi-áridas. 36

Porcentagem de Horas de Insolação VALORES DE (p) SEGUNDO BLANEY - CRIDLE LAT. SUL JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 20º 9,2 8,0 8,5 7,8 7,8 7,4 7,7 8,0 8,1 8,7 8,9 9,3 22º 9,3 8,1 8,5 7,8 7,7 7,3 7,6 7,9 8,1 8,8 8,9 9,4 24º 9,4 8,1 8,6 7,8 7,6 7,2 7,5 7,9 8,1 8,8 9,0 9,5 37

Coeficientes de Cultura 38

Fórmulas Empíricas E k f ( u) e0 e A E K f(u) e 0 e A = taxa de evaporação = constante = uma função da velocidade do vento = pressão de saturação à temperatura da superfície evaporante = pressão parcial de vapor por sobre a superfície evaporante a uma determinada altura 39

Balanço Hídrico Utilizado no estudo da água perdida por evaporação em reservatórios: EP I P O D DS EP I = evaporação potencial = entrada de água no sistema P = precipitação O = saída de água do sistema D = drenagem profunda DS = variação de armazenamento de água 40