INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DO TRIÂNGULO MINEIRO – IFTM

PÓS-GRADUAÇÃO EM SANEAMENTO AMBIENTAL

Disciplina: Hidrologia Aplicada

Aula: Infiltração e água no solo

Docente responsável: Melina Chiba Galvão

Infiltração

Def.: é a passagem da água através da superf. do solo,

ocupando os poros existentes no solo.

Percolação movimento da água dentro do perfil.

Infiltração

É importante para:

crescimento da vegetação;

abastecimento dos aquíferos (armazenando a água que

mantém o fluxo nos rios durante as estiagens);

reduzir o escoamento superficial, cheias e diminuir a

erosão.

A água infiltrada no solo preenche os poros

originalmente ocupados pelo ar.

Movimento de água no solo e infiltração

Solos não saturados (ex.: solo seco)

Chuva será inicialmente absorvida - preenchendo os poros vazios.

Preenchimento dos poros e infiltração tende a diminuir, limitada pela capacidade do solo de percolação capacidade é dada pela condutividade hidráulica.

A partir deste limite, quando o solo está próximo da saturação, a capacidade de infiltração permanece constante e aproximadamente igual à condutividade hidráulica.

Pode ser obtido por equações empíricas.

Movimento de água no solo e infiltração

Aporte de água - o perfil de umidade tende à

saturação em toda a profundidade (superfície primeiro

nível a saturar.

Quando cessa o aporte de água, deixa de haver

infiltração a umidade no interior do solo se

redistribui (perfil de umidade inverso - menores teores

de umidade próximo à superfície e maiores nas

camadas mais profundas).

Movimento de água no solo e infiltração

Infiltração

Depende fundamentalmente:

da disponibilidade de água para infiltrar;

da natureza do solo;

do estado da camada superficial do solo;

das qtdes de água e ar inicialmente presentes no

interior do solo.

Água Subterrânea

Refere-se à água

contida na zona de

saturação.

Esta água sub-

superficial constitui a

maior reserva de água

doce disponível, muitas

vezes maior do que

todos os rios, lagos e

reservatórios.

Composição do Solo

As propriedades do solo

estão ligadas ao seu

funcionamento hidrológico;

Solo: mistura de materiais

sólidos, líquidos e gasosos,

além de organismos vivos

e matéria orgânica em

especial nas camadas

superiores.

Parte sólida do Solo

Normalmente é analisada do ponto de vista do

diâmetro (d) das partículas.

As partículas são classificadas como: argila, silte, areia

fina, areia grossa, e cascalhos ou seixos.

Diâmetro (mm) Classe

0,0002 a 0,002 Argila

0,002 a 0,02 Silte

0,02 a 0,2 Areia fina

0,2 a 2,0 Areia grossa

Parte sólida do Solo

Geralmente, os solos são formados por misturas de

materiais das diferentes classes.

As características do solo e a forma com que a

água se movimenta e é armazenada no solo

dependem do tipo de partículas encontradas na

sua composição.

Textura do Solo

5 tipos de textura:

definidas com base

na proporção de

materiais de

diferentes d.

Parâmetros da relação água-solo

Porosidade (): a relação entre o volume de vazios

(Vv) e o volume total (V).

Porosidade - solos arenosos: 37 a 50 %; solos

argilosos: 43 a 52%.

Grau de Saturação (S): relação entre o volume de

água (Va) e o volume de vazios (Vv) de uma amostra.

V

Vv

v

a

V

VS

Parâmetros da relação água-solo

Relação de Vazios ou Índice de Vazios (e): relação

entre o volume de vazios (Vv) e o volume de sólidos

(Vs).

Massa Específica do solo (ρ): relação entre a massa

dos sólidos (ms) e o volume total (V).

V

ms

s

v

V

Ve

Parâmetros da relação água-solo

Umidade do solo: pode ser expressa com base na massa ou no volume de água

Umidade gravimétrica: relação entre a massa de água e a massa de solo seco.

Umidade Volumétrica (): relação entre o volume de água (Va) e o volume total (V).

s

a

M

Mw

t

a

V

V

Parâmetros da relação água-solo

As umidades gravimétricas e volumétricas podem

ser relacionadas:

Onde ds – densidade do solo e da – densidade da

água

a

s

d

dw

t

ss

V

md

t

aa

V

md

Relação entre a umidade volumétrica, a

saturação e a porosidade.

S.

Cálculo da umidade do solo

Método Gravimétrico

A amostra de solo é coletada e pesada na condição

de umidade encontrada no campo.

A amostra é seca em forno a 105 oC por 24 h e

pesada novamente, para que toda a umidade seja

retirada.

A umidade é calculada a partir da diferença de

peso encontrada.

Cálculo da umidade do solo

TDR (Time Domain Reflectometry)

Relação entre a umidade do solo e a sua cte

dielétrica.

2 placas metálicas são inseridas no solo e é medido o

tempo de transmissão de um pulso eletromagnético

através do solo, entre o par de placas.

Vantagem: Monitoramento contínuo e não destrutivo

das amostras.

Cálculo da umidade do solo

Umidade do Solo

Umidade do solo varia ao longo do tempo.

Conteúdo de água no solo: função do tamanho e do

volume dos poros

Umidade está relacionada à pressão capilar

(esforço em termos de pressão necessário para

retirar a água do solo.)

Para retirar a umidade do solo:

- Por gravidade

- Por sucção

Medida direta - Tensiômetro

Determinação da pressão da água (tensão)

Qdo colocado no solo, a água contida na cápsula tende

a entrar em equilíbrio com a pressão da água do solo,

o que permite a leitura através do vacuômetro.

Curva de retenção de umidade, ou curva

de retenção de água no solo

Uma importante forma de analisar o comportamento

da água no solo

Ex.: da esponja.

Como uma esponja mergulhada em um balde, o solo

que é completamente imerso em água fica

completamente saturado.

Ao ser suspensa no ar, a esponja perde parte da

água que escoa devido à força da gravidade.

Curva de retenção de umidade, ou curva

de retenção de água no solo

Da mesma forma o solo tem parte da sua umidade retirada pela ação da gravidade capacidade de campo.

A partir daí, a retirada de água do solo é mais difícil e exige a ação de uma pressão negativa (sucção).

As plantas conseguem retirar água do solo até um limite de sucção (ponto de murcha permanente), a partir do qual não se recuperarão mais mesmo se regadas.

Curva de retenção de umidade, ou curva

de retenção de água no solo

Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a

qual as plantas não conseguem mais retirar água e

morrem

Saturação: condição

em que todos os poros

estão ocupados por

água.

Capacidade de

campo: Conteúdo de

umidade no solo sujeito

à força da gravidade

Umidade, pressão capilar e textura do solo

Maior conteúdo de umidade – saturação, capacidade de campo

+ para as plantas.

Maior umidade no ponto de murcha. Há muita água no solo, porém

está fortemente ligada às partículas de argila.

Solos arenosos - poros

grandes decréscimo

de umidade abrupto –

pequeno

armazenamento

Solos argilosos:

diminuição gradual da

umidade – grande nº

de poros pequenos.

Fatores que afetam a infiltração

1) Tipo de solo: a porosidade; tamanho das partículas;

estado de fissuração das rochas.

Ex.: argila no solo

mais microporos, menor

infiltração.

Fatores que afetam a infiltração

2) Grau de Umidade do Solo: a infiltração em solo mais úmido é

menor que num solo mais seco (f. gravitacional e f. capilares).

3) Compactação pela ação antrópica e de animais: A

compactação da superfície do solo o torna mais impermeável,

diminuindo f.

Fatores que afetam a infiltração

4) Precipitação sobre o solo: tende a diminuir f efeito da compactação, transporte de material fino (diminui a porosidade junto à superf.), e diminuição dos espaços intergranulares.

5) Alteração da macroestrutura do terreno: f pode ser aumentada alteração da macroestrutura do solo - escavações de animais, decomposição de raízes de plantas, ação do sol e aração da terra.

6) Cobertura vegetal: aumenta f atenua a ação da chuva, dificulta o escoamento superficial e retira a umidade do solo.

Fatores que afetam a infiltração

7) T: f depende da T da água e da sua viscosidade.

Menores temperaturas provocam o aumento da

viscosidade, reduzindo f.

8) Presença de ar: O ar retido temporariamente nos

espaços intergranulares retarda a infiltração da água.

9) Inclinação do terreno: declividades acentuadas a água

corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de

infiltração.

Movimento de água no solo e infiltração

Onde: Q é o fluxo de água (m3.s-1); K é a condutividade

hidráulica (m.s-1); A é a área (m2); h é a carga

hidráulica; x = distância.

O solo é um meio poroso, e o movimento da água em meio poroso é descrito pela equação de Darcy (1856): o fluxo de água (velocidade de filtração) através de um meio poroso é proporcional ao gradiente hidráulico.

x

hAKQ

K é fortemente dependente do tipo de material poroso.

Solos arenosos conduzem mais facilmente a água, com a

infiltração e a percolação da água no solo mais intensas e

rápidas que os solos argilosos.

Movimento de água no solo e infiltração

Solo arenoso: 23,5 cm/hora

Solo siltoso: 1,32 cm/hora

Solo argiloso: 0,06 cm/hora

VELOCIDADE DE FILTRAÇÃO

Capacidade de infiltração (ou taxa de

infiltração) (f):

Potencial que o solo tem de absorver água.

f: Razão máxima com que um solo, em uma dada

condição, é capaz de absorver água. Varia no

decorrer da chuva.

Medida: lâmina d’água / unidade de tempo

(mm/h; mm/dia).

Capacidade de infiltração x taxa real de

infiltração

São diferentes

Taxa real de infiltração só acontece quando há disponibilidade de água para penetrar no solo.

As curvas, em função do tempo, da taxa real de infiltração e da capacidade de infiltração de um solo somente coincidem 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.

Capacidade de infiltração

A capacidade de infiltração só é atingida durante

uma chuva se houver excesso de precipitação. Caso

contrário, a razão de absorção da água do solo não

é máx., então a razão de absorção não é a

capacidade de infiltração.

Sendo: I - Intensidade da precipitação;

I < f não há escoamento superficial; e

I > f o excesso forma escoamento superficial.

f > i

Equação de Horton

A capacidade de infiltração (decaimento da infiltração com

o tempo) (i>f) pode ser representada pela equação:

f = fc + (f0 - fc)e- kt

Onde: f = capacidade de infiltração (ou taxa real de

infiltração) depois do tempo t; fc = capacidade de

infiltração mínima (para um tempo tendendo ao infinito); fo

= capacidade de infiltração inicial (t = 0); k = cte

característica do solo (cte de Horton); t - tempo decorrido

desde a saturação superficial do solo; e - base dos log.

neperianos

Esta equação é uma função exponencial assintótica ao

valor fc

tefcfofcf

fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora

Variações da capacidade de infiltração

Podem ser classificadas conforme:

a) variações em área geográfica;

b) variações no decorrer do tempo em uma área limitada:

variações anuais devidas à ação de animais, desmatamentos, alteração das rochas superficiais, etc.;

variações anuais devidas à diferença de grau de umidade do solo, estágio de desenvolvimento da vegetação, atividade de animais, temperatura, etc.;

variações no decorrer da própria precipitação.

Variações da capacidade de infiltração

Distribuição granulométrica: é a distribuição das

partículas constituintes do solo em função das suas

dimensões, representada pela curva de distribuição

granulométrica.

Valores de porosidade podem variar bastante,

dependendo do tipo de vegetação, do grau de

compactação, da estrutura do solo (resultante da

combinação das partículas finas em agregados

maiores) e da quantidade de material orgânico e vivo.

Os parâmetros de uma

equação de infiltração,

como a de Horton, podem

ser estimados a partir de

experimentos no campo,

Ex.: infiltrômetros.

Medição direta da capacidade de infiltração

através de Infiltrômetros

Constituídos de 2 anéis concêntricos de chapa metálica,

com d= 16 - 40 cm, cravados verticalmente no solo de

modo a restar uma pequena altura livre sobre este.

Aplica-se água em ambos os cilindros mantendo uma

lâmina líquida de 1 a 5 cm, sendo que no cilindro interno

mede-se o volume aplicado a intervalos fixos de tempo.

A finalidade do cilindro externo é manter verticalmente o

fluxo de água do cilindro interno, onde é feita a medição

da capacidade de campo

Capacidade de Infiltração

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

t (h)

I (m

m/h

)

(1) (2) (3) (4) (5)

Tempo Volume lido Variação do

volume

Altura da

lâmina

Capacidade

de

infiltração

(min) (cm3) (cm3) (mm) (mm/h)

Tabela 1 – Elementos de cálculo da capacidade de

infiltração com o uso do infiltrômetro de anel metálico

coluna (4) = coluna (3) ÷ área do cilindro interno (correção das unidades)

coluna (5) = coluna (4) ÷ variação de T (h)

Balanço Hídrico no Solo

Onde: ΔV – Δ de vol.

de água armazenada

no solo; P -

precipitação; Q -

escoamento superficial;

G - percolação e ET -

evapotranspiração.

ETGQPV

Capacidade de infiltração em uma bacia

Evapotranspiração durante a chuva é muito

pequena.

f = P – Qs/A

Inclui a interceptação e o armazenamento nas

depressões do terreno no valor de f. Para as

pequenas bacias o erro introduzido é menos

significativo do que para as grandes bacias.

Elementos de cálculo da capacidade de

infiltração em uma bacia hidrográfica

Nesta tabela,

coluna (4) = coluna (3) ÷ área da bacia (corrigindo-se as unidades),

coluna (5) = coluna (2) ÷ intervalos correspondentes de tempo (corrigindo-se as unidades),

coluna (6) = coluna (5) − coluna (4).

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

Tempo Precipitação Escoamento

superficial

Escoamento

superficial

Intensidade

de chuva

Capacidade

de

infiltração

(min) (mm) (m3/s) (mm/h) (mm/h) (mm/h)