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A infiltração é o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo, se move para baixo através dos vazios pela ação da gravidade, até atingir uma camada impermeável, formando um lençol d’água.
A parte superior da crosta terrestre é normalmente porosa até uma maior ou menor profundidade. Os poros podem, nesta porção da litosfera, estar parcialmente ou completamente cheios de água. A camada superior onde os poros estão parcialmente cheios d’água é designada zona de aeração. Imediatamente abaixo onde os interstícios estão repletos d’água, esta é a zona de saturação .
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A zona de aeração é dividida em 3 faixas: a faixa de água no solo, a faixa intermediária e a franja de capilaridade. Seus limites não são bem definidos; há uma transição gradual de uma para outra. A Faixa de água do subsolo – É de particular importância para a agricultura porque fornece a água para crescimento das plantas. A água mantêm-se nesta faixa pela atração molecular e pela ação da capilaridade, agindo contra a força da gravidade. A atração molecular tende a reter uma delgada película de água sobre a superfície de cada partícula sólida. A capilaridade retêm água nos pequenos interstícios das partículas do solo (CETESB, 1978). Só quando a água penetra suficientemente nesta faixa, saturando a capacidade de retenção de água pelas forças capilares, é que a mesma começa a se deslocar verticalmente para baixo (per colação) (wilson, 1969).
Obs.: Embora se faça distinção entre infiltração e percolação no movimento da água dentro do solo, os dois fenômenos estão fortemente associados,
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uma vez que a infiltração não pode continuar livremente sem que a percolação remova a água infiltrada anteriormente (LINSLEY, 1975). Α Faixa intermediária – da mesma forma que na faixa de água do solo, esta faixa retém a água por atração molecular e capilaridade. A água retida nesta faixa é um armazenamento morto, visto que não pode ser aproveitada para qualquer uso. A Faixa de capilaridade – retém a água acima da zona de saturação por capilaridade, opondo-se a ação da gravidade. A zona de saturação é a única dentre as águas da superfície que propriamente constitui a água subterrânea, cujo movimento se deve também à ação da gravidade, obedecendo as leis do escoamento subterrâneo.
É a velocidade média com que a água atravessa o solo, ou seja, é a vazão dividida pela secção reta do escoamento. A área inclui a projeção dos poros por onde escoa a água e a projeção da área dos órgãos. É a velocidade de Darcy.
A velocidade de filtração não é um bom parâmetro da infiltração pois depende somente da permeabilidade (K) e do gradiente hidráulico (dh/dt ). A infiltração, por sua vez, depende também de condições de contorno, sendo melhor utilizar o conceito de Capacidade de infiltração como parâmetro de medida.
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É a taxa máxima que um solo é capaz de absorver água, sob uma dada condição. Geralmente é expressa em mm/h. A intensidade da chuva (i) afeta a quantidade de água que se infiltra no solo e a que escoa superficialmente. Se a taxa real de infiltração é fa, então a capacidade de infiltração fp representa o máximo valor de fa:
São os seguintes os fatores que intervenientes no fenômeno da infiltração. Tipo de solo – A capacidade de infiltração varia diretamente com a porosidade e com o tamanho das partículas do solo. As características presentes em pequena camada superficial, com espessura da ordem de 1 cm, tem grande influência sob a capacidade de infiltração (PINTO et al., 1976). Umidade do solo – Quando a água é aplicada em um solo seco, não há movimento descendente dessa água até que as partículas do solo estejam envolvidas por uma fina película d’água. As forças de atração molecular e capilar fazem com que a capacidade de infiltração (fp) inicial de um solo seco seja muito alta. A medida que a água percola, a camada superficial vai ficando semi-saturada, fazendo com que as forças de capilaridade diminuam, diminuindo também fp, que tende a um valor constante após algumas horas.
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4.3. Vegetação – Uma cobertura vegetal densa como grama ou floresta tende a promover maiores valores de fp, devido ao sistema radicular que proporciona a formação de pequenos túneis e que retira umidade do solo através da transpiração, e à cobertura vegetal que previne a compactação do solo.
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4.4. Compactação – solos nus podem se tornar parcialmente impermeáveis pela ação compactadora das grandes gotas de chuva ( que também preenchem os vazios do solo com material fino), e pela ação do tráfego constante de homens, veículos ou animais. 4.5. Altura da retenção superficial e espessura da camada saturada – a água penetra no solo sob a ação da gravidade, escoando nos canalículos formados pelos interstícios das partículas. A água da chuva dispõe-se sobre o terreno em camada de pequena espessura que exerce pressão hidrostática na extremidade superior dos canalículos. No início da precipitação o solo não está saturado; a água que nele penetra vai constituir uma camada de solo saturado cuja espessura cresce com o tempo. O escoamento da água é função da soma das espessuras da altura de retenção superficial “h” e da espessura da camada saturada H, e a relação resistência é representada por uma força proporcional à espessura da camada saturada H. No inicio da precipitação, a relação ? é relativamente grande, decrescendo com o tempo e influindo na diminuição da capacidade de infiltração.
A capacidade de infiltração (fp) varia com o tempo, ou seja o valor de fp é máximo no início da chuva, o qual denominamos de fo. com o passar do tempo a capacidade de infiltração decresce, tendendo a se manter constante quando o solo começa a ficar saturado (fc).
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Os infiltrômetros são aparelhos para determinação direta da capacidade de infiltração do solo. Consistem de tubos ou qualquer outro limite projetado para isolar uma seção do solo. Geralmente são formados por dois cilindros concêntricos. A razão da existência do cilindro externo é prover a quantidade de água necessária ao umedecimento lateral, atenuando o efeito da dispersão da água no tubo interno. A
água
é
adicionada
nos
dois
compartimentos,
sendo
mantida,
continuamente, uma lâmina d’água de 5 mm em ambos. A taxa com que a água infiltra e media no cilindro interno.
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Conceitos e definições Taxa de Infiltração ou capacidade de infiltração: é a razão máxima com que o solo, em dadas condições de umidade é capaz de absorver água.
f [mm/h ] =
dF ?F = dt ?t
F - quantidade de água absorvida pelo solo (mm) dt - unidade de tempo (horas) INFILTRAÇÃO (ou absorção do solo) - É a altura da lâmina d'água absorvida pelo solo de uma bacia, F (mm). INFLUÊNCIA DA UMIDADE DO SOLO na
taxa de infiltração durante
uma precipitação uniforme numa bacia: Caso 1 I > f (intensidade de precipitação maior do que a Taxa de Infiltração).
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Caso 2 I < f
Eq. do balanço -
(Ia + F r) - absorção do solo = F
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6.1 - MÉTODOS PARA ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO 6.1.1 - Método direto- (para avaliação da Taxa de Infiltração) (Utilização do Método do Infiltrômetro Cilíndrico) - Este método consiste na colocação de um cilindro de aço no solo, fazendo-o penetrar até uma certa profundidade, e depois completá-lo com água. A água absorvida pelo solo, num dado intervalo de tempo, corresponde a Taxa de Infiltração deste solo. APLICAÇÃO Um infiltrômetro cilíndrico de diâmetro d=35cm serviu para a simulação de uma precipitação no solo de uma bacia de drenagem. O resultado do teste está indicado na tabela abaixo, pede-se : a - Completar a tabela b - Traçar a curva taxa de infiltração x tempo c - Determinar a capacidade máxima e mínima de infiltração e - Determinar a capacidade de infiltração média para os primeiros 30 minutos da experiência.
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(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Tempo
Intervalo
Volume
Altura de
Variação da
Tx. de
adicionado
chuva
altura de
infiltração
desde inicio
simulada
infiltração
experiência.
h(cm)
?F(mm)
acumulado de tempo duração
?t (horas)
(min)
?v (cm³)
f=
?F ?T
(mm/h)
0
-
Reservatório Cheio
-
2
0,033
278
0,289
2,89
87,576
5
0,050
658
0,684
6,8-2,8=3,9
79,00
10
0,083
1178
1,225
5,41
65,18
20
0,166
1924
2,000
7,75
46,68
30
0,166
2500
2,60
6
36,14
60
0,5
3345
3,478
8,78
17,56
90
0,5
3875
4,029
5,51
11,02
150
1
4595
4,778
7,49
7,49
12
2
A inf
pd = = 961,63 4
6.1.2 - MÉTODOS INDIRETOS a) Equação de Horton Horton definiu a relação entre a capacidade de infiltração de um solo em função do tempo pela equação abaixo:
Da equação de Horton, tem-se:
F =
∫
f ( t ) dt =
t
∫
to
f c dt +
− kt ( f − f ) e dt c ∫to o t
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fazendo: e
− kt = u → e − kt = e u du du = − kdt ⇒ dt = −k
A equação 2 se torna:
( f0 − fc ) t u e du ⇒ ∫ t −k f − fc t u = f c ( t − t0 ) + 0 e du ⇒ k ∫t f − f 0 − kt F = f c ( t − t0 ) + c [e − e −kt k = f c ( t − t0 ) +
0
0
0
]
APLICAÇÃO Considere uma bacia de 100km² de área cujas características são dadas abaixo: k = 0,8/h, f0 = 80 mm/h e fc = 10 mm/h. Considerando ainda o ietograma médio da precipitação caída na bacia dada abaixo, pede-se:
a) Traçar a curva f(t) x t (Capacidade de Infiltração) b) Calcular o volume infiltrado na bacia c) Calcular o coeficiente de escoamento da bacia
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SOLUÇÃO a) T
0
½
1
1½
2
2½
Kt
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
e-KT
1
0,67
0,45
0,30
0,20
0,14
f(t)
80
56,9
41,5
31,0
24,0
19,8
f(t) = fc + (f 0 − fc)e− kt ⇒ f(t) = 10 + ( 80 − 10 )e −0 ,8t b)
Vol.inf = Ab X F ⇒ 100 x 106 m 2 x F x 10 −3 (m) 0 ,5
F1 =
∫ (10
+ 70e
− 0,8t
) dt
0
10 − 80 1 ⇒ 10 − 0 + [ ]( 0 , 67 − 1 ) 0 ,8 2
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F1 = 33,875 mm ≅ 33,88 mm 1 F2 = 20 x ?x ⇒ 20 x = 10mm 2 F3 = F3' + F3" 40 mm/h = 10 + 70 e-08t1 ⇒
30 = e − 0 ,8t1 70
3 ⇒ ln = − 0,8t1 7 − 0,85 = 0,8t1 ⇒ t1 = 1,059 ⇒ t1 ≅ 1 F 3 = 10 × [1,5 − 1] +
10 − 80 [0,30 − 0,45] ⇒ F 3 = 18,125mm 0,8
F 4 ≅ 10mm F = F1 + F 2 + F 3 + F 4 ≅ 71,925 ≅ 72mm V inf = 72 × 10 −3 × 100 × 10 6 m 3 c)
he h h = 40 + 10 + 20 + 10 = 80 mm
C=
he = h − inf ⇒ 80 − 72 = 8 8 x100 80 C = 10% C=
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b) INDICE DE INFILTRAÇÃO
Φ
É a capacidade de infiltração média durante uma precipitação
Φ=
P − he ( mm / h) ⇒ Trec
P - altura total precipitada durante o
tempo de recarga (mm) (T rec).
he - altura efetiva (mm)
Trec - Tempo ou soma dos tempos em que houver recarga
APLICAÇÃO Dados o HIDROGRAMA e o IETOGRAMA correspondente, calcular: a - o índice de infiltração ( A = 30 km²) b - Verificar se o valor encontrado é satisfatório
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1ª Tentativa
P − he Φ= Trec
⇒
1 - Calcula-se
2 - Estima-se o tempo de recarga ⇒ Trec= 2 horas
3 - Calcula-se P ⇒ (P = 10 + 5 +10 + 2,5) = 27,5 mm 4 – Calcula-se
Φ⇒Φ=
27,5 − 8,7 = 9,4mm / h 2
Para verificar se satisfaz:
t
0 - 0,5
0,5 - 1,0
1,0 - 1,5 1,5 - 2,0
?lt prec
10
5
10
2,5 =9,14mm 9,14 •‚8,7
18 ?lt inf
5,43
5
5,43
2,5
?t efet
4,57
0
4,57
0,0
2ª Tentativa 1 - he = 8,7mm 2 - Trec = 1 hora 3 - P = 20
Altura de infiltração t
0 - 0,5
0,5 - 1,0
1,0 - 1,5 1,5 - 2,0
?lt prec
10
5
10
2,5
?lt inf
5,65
5,0
5,65
2,5
?t efet
4,35
0
4,35
0
Resposta –
=8,7mm 8,7=8,7
SCS METHOD FOR ABSTRACTION O Soil Conservation Service desenvolveu um método para calcular a abstração da precipitação.
Ou seja, por este método permite-se
calcular a quantidade de água absorvida (Fa) pelo solo durante o processo de escoamento superficial ou retida na superfície da bacia.
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Existirá Uma quantidade Ia (abstração inicial, antes do escoamento ocorrer) para a qual não haverá runoff . Assim o Potencial Máximo do Runoff será P - Ia . Onde P é altura precipitada na bacia. A hipótese do SCS é que a razão entre os potenciais de absorção do solo e da precipitação sejam iguais. Fa Pe = S P − Ia
S – é o máximo potencial de retenção da bacia Pe – é a precipitação efetiva . Pelo principi da continuidade P = Pe + Ia + Fa
Combinando as equações acima, pode-se obter Pe, Altura dee precipitação efetiva.
Pe =
( P − Ia ) 2 P − Ia + S
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Que é a equação básica para calcular o excesso de precipitação (precipitação efetiva) pelo SCS. Plotando os dados de P e Pe de muitas bacias, o SCS obtreve vários tipos de curvas que foram padronizadas através de um número admensional CN definido entre 0 e 100. Figura abaixo.
A “Curva Numero”- CN está relacionada com S pela expressão S=
A curva CN
25400 − 254 mm CN
na equação acima é calculada para as condições de
umidade normal antecedente. Nos casos de solo seco ou bastante úmido, corrige-se o CN para os valores I e II respectivamente.
CN ( I ) =
4,2 CN ( II ) (solo Seco) 10 − 0,058 CN ( II )
CN ( III ) =
23 CN ( II ) (solo úmido) 10 + 0,13 CN ( II )
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CN (II )
- solo umidade antecedente normal) Curvas CN têm sido tabulada pelo SCS para os solos tipos
basicos e função do uso da terra. Assim, foram definidos 4 tipos de Grupos de solos: Grupo A : Areias profundas , terra profunda, Siltes agregados Grupo B : Terra rasa, areno argiloso ; Grupo C : Argila- terra, areno argiloso raso, solos com baixo teor de matéria orgânica e solos com alto teor de argila Grupo D: Solos rochosos, solos argilosos altamente plásticos, solos de alta coesão quando úmidos e certos solos salinos. Grupos Hidrológico de Solo
A
B
C
D
Terra Cultivada: Sem conservação ou tratamento Com Conservação e tratamento
72 62
81 71
88 78
91 81
Pastos : Condição fraca Boas condições
68 39
79 61
86 74
89 80
Espaços Abertos: Parques, cemitérios campos
39
61
74
80
98
98
98
98
Ruas e Estradas: Pavimento
