1. DEFINIÇÃO, FASES E
CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO...
UNI 129 - HIDROLOGIA E SISTEMAS DE DRENAGEM
ENGENHARIA AMBIENTAL/CIVIL
DOCENTE: AUDENICE SILVA
2. DEFINIÇÃO, FASES E CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO...
Infiltração é o processo pelo qual a
água penetra no solo e se move para
baixo, em direção ao lençol freático,
devido à ação da gravidade e ao
potencial capilar. A água que penetra no
solo é armazenada e pode ou não
movimentar-se através de percolação ou
drenagem.
A capacidade de infiltração designa-se
por f e a unidade utilizada é mm/h.
3. IMPORTÂNCIA DA DETERMINAÇÃO
DA INFILTRAÇÃO
A infiltração determina o balanço de água
na zona radicular e, por isso, o
conhecimento desse processo e suas
relações com as propriedades do solo é de
fundamental importância para o eficiente
manejo do solo e da água, visto que, é um
processo responsável pela erosão e as
inundações. O conhecimento do processo de
infiltração também fornece subsídios para
o dimensionamento de reservatórios,
estruturas de controle de erosão e de
inundação, canais e sistemas de irrigação e
drenagem (BRANDÃO, 2003).
4. PREPARO E MANEJO DO SOLO
Segundo (Pruski et al, 1997) em geral, quando se
prepara o solo, a capacidade de infiltração tende
aumentar, em razão da quebra da estrutura da
camada superficial. No entanto, se as condições de
preparo e manejo forem inadequadas, sua
capacidade de infiltração poderá tornar-se inferior
à de um solo sem preparo, principalmente se a
cobertura vegetal for removida. Uma vez formado
o selamento superficial e, em muitos casos, este é
estabelecido muito rapidamente após as primeiras
precipitações, a taxa de infiltração da água no solo
é consideravelmente reduzida.
5. AS FASES DE INFILTRAÇÃO DE ÁGUA DE CHUVA NO
TERRENO SÃO:
Fase de intercâmbio: ocorre na camada
superficial de terreno, onde as partículas de
água estão sujeitas a retornar à atmosfera,
seja devido ao fenômeno à aspiração capilar
provocada pela evaporação à superfície, seja
devido ao fenômeno de transpiração das
plantas;
Fase de descida: a ação da gravidade
superando a capilaridade, obriga o
escoamento descendente da água até atingir
camada impermeável;
Fase de circulação: saturado o solo,
formam-se os lençóis subterrâneos. A água
escoa devido à declividade das camadas
impermeáveis.
6. TIPOS DE LENÇÓIS
Lençol Freático:
quando uma das
superfícies não é
impermeável (livre).
Pressão = Patm
Lençol Cativo ou
Confinado: quando
está confinado
entre duas
camadas
impermeáveis.
Pressão ≠ Patm
7. NOS LENÇÓIS FREÁTICOS PODEMOS DISTINGUIR DUAS
ZONAS
1º Zona (parte superior):
ocupada por água de
capilaridade (franja capilar),
cuja altura depende do
material do solo.
Areias Finas: 30 < hc < 60 cm
Argilas: hc ≤ 3,0 m
2º Zona: ocupada pela água
do lençol e compreendida
entre a franja capilar e a
camada impermeável.
Lee, 1980
Franja capilar: Zona onde ocorre um intenso
movimento ascendente de água a partir da zona de
saturação, por fenômenos de capilaridade.
8. GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO
1 – Capacidade de infiltração (f) é a
quantidade de água máxima que um solo, em
condições preestabelecidas, pode absorver
por unidade de superfície horizontal, durante
a unidade de tempo. Pode ser medida pela
altura de água que se infiltrou (lâmina-
volume de água por unidade de área),
expressa em mm/hora, e é uma grandeza
que caracteriza o fenômeno da infiltração
em suas fases de intercâmbio e de descida.
9. CURVAS DE CAPACIDADE E TAXA DE INFILTRAÇÃO
Quando termina a precipitação e não há mais aporte de
água à superfície do solo, a taxa de infiltração real
anula-se rapidamente e a capacidade de infiltração
volta a crescer, porque o solo continua a perder
umidade para as camadas mais profundas (além das
perdas por evapotranspiração).
i = Taxa de infiltração;
I = Infiltração acumulada;
t = Tempo.
10. GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO
2) Distribuição granulométrica: é a distribuição das
partículas constitutivas de solos granulares em função
das dimensões das mesmas.
D10 = diâmetro efetivo (Diâmetro das partículas
correspondentes a 10% do peso total da amostra).
Cu= Coeficiente de uniformidade (Indica a falta
de uniformidade: ↓ Cu ↑ uniforme)
Muito uniforme: Cu <; Média uniformidade: 5 < Cu < 15;
Desuniforme >15.
10
60
D
D
Cu =
ÍNDICE
12. 3) Porosidade de um solo: é a relação entre volume de
vazios e o volume total do solo; geralmente é expressa
em porcentagem.
4) Velocidade de infiltração: é a velocidade média
fictícia de escoamento da água através de um solo
saturado, considerando-se como seção de escoamento
não apenas a soma das seções dos interstícios (poro),
mas toda a superfície atuante. Numericamente é igual
à quantidade de água que passa através da unidade de
superfície de material filtrante durante a unidade de
tempo. É expressa em m/s, ou em m/dia, ou em
m3/m2dia, ou ainda em mm/s.
dx
dh
Kv =
unitária.cargah
dade,permeabilideecoeficientK
fictícia,evelocidadv
:Onde
=
=
=
t
v
V
V
=η
LEI DE DARCY
13. 5) Coeficiente de permeabilidade (K): é a velocidade de
filtração da água em um solo saturado, quando se tem um
escoamento com perda de carga unitária a uma certa
temperatura. Esse coeficiente mede a maior ou menor
facilidade que cada solo, quando saturado, oferece ao
escoamento da água através de seus interstícios.
Expresso em m/dia, cm/s, m3/m2dia. A permeabilidade
depende principalmente da porosidade, da granulometria e
das formas dos grãos.
6) Suprimento específico: é a quantidade máxima de água
que se pode obter de um solo saturado por meio de
drenagem natural. Geralmente é expresso em porcentagem
de solo saturado.
7) Retenção específica: é a quantidade de água que fica
retida (por adesão e capilaridade) no solo, após este ser
submetido a um máximo de drenagem natural. Expressa
em porcentagem do volume do solo saturado.
Retenção especifica = Porosidade − Suprimento específico
14. FATORES QUE AFETAM A CAPACIDADE DE
INFILTRAÇÃO
Umidade do solo, permeabilidade do
solo, temperatura do solo e
profundidade da camada impermeável.
Um solo seco tem maior capacidade de
infiltração porque se somam as forças
gravitacionais e de capilaridade.
A cobertura vegetal, a compactação,
a presença de materiais finos ou
grossos são preponderantes no
fenômeno da infiltração.
15. EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO
DO SOLO
Uma pessoa tende
a impermeabilizar
em média, 50 m²;
O tempo de
concentração é
reduzido quando
ocorre a
impermeabilização;
Alterações
climáticas.
16. MEDIDAS DE INFILTRAMEDIDAS DE INFILTRAÇÇÃOÃO
O equipamento para medir a infiltração pode ser por
infiltrômetro ou simulador de chuva. Infiltrômetro é
constituído por dois cilindros concêntrico e um
dispositivo de medir volumes de água, aduzida ao
cilindro interno. Destinados a determinação direta da
capacidade de infiltração do solo.
17. As indicações fornecidas por este tipo de
aparelho não são absolutos, devido a
diversas causas de erro:
1. Ausência do efeito da compactação produzida
pela água da chuva;
2. Fuga de ar retido pela área externa aos
tubos;
3. Deformação da estrutura do solo com a
cravação dos tubos.
18. Tubos cilíndricos concêntricos de chapa metálica cujo
diâmetros (Ø) variam entre 200 – 900 mm;
Cravados no solo por meio de um macaco hidráulico. A
finalidade do tubo externo é manter verticalmente o fluxo
de água; coloca-se o filme plástico; 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 (10 min);
Retira-se rapidamente o filme plástico disparando o
cronômetro nesse instante, dando início ao teste. A altura
inicial da lâmina de água deve ser lida e registrada.
Método Com aplicação de água por
inundação:
19. Após aplicação da água procede-se a leitura do volume
em intervalos geralmente de 10 minutos. A medição
prossegue-se até que a variação do nível permaneça
praticamente constante;
Recomenda-se que durante os primeiros 5 a 10 minutos, as
leituras sejam feitas a intervalos curtos (30s a 1min em
solos arenosos, dois (2) a cinco minutos (5) nos argilosos). A
partir daí, se for observada uma redução na taxa de
infiltração, as leituras podem passar a ser mais espaçadas.
O cálculo da capacidade de infiltração é feita por:
V = h. a , onde V é o volume infiltrado no tempo
(cm³); a = área do cilindro interno (cm²),
h é altura da água (cm).
t
h
f
.60
=
a
V
h =
20. CURVA DA CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO fp
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).
t (hora)
mm
21.
22. Método do índice Φ de infiltração – Simulador de
chuva
O índice Φ representa a intensidade de chuva
acima da qual o volume do escoamento
superficial se iguala ao volume da chuva.
Conhecendo–se a precipitação e o escoamento
superficial (run-off) calcula-se por
diferença, a capacidade de infiltração. Para
pequenas bacias o erro produzido pelo
retardamento devido à interceptação e
armazenamento em depressão é menor que
para grandes bacias, pois consegue-se obter
uma capacidade de infiltração média.
23. A curva de massa da infiltração (Figura 6.13.) pode ser
chamada de "recarga da bacia", e o índice Φ pode ser obtido
pela seguinte expressão:
Φ = recarga da bacia / duração da chuva
t
24. Metodologia em forma algorítmica
1. Computar, para cada intervalo de tempo, a
precipitação ocorrida;
2. Deduzir da precipitação total (P) , a
quantidade de água escoada;
3. Dividir o valor obtido pelo tempo de duração
total da chuva. Obtém desta forma o Φ
hipotético.
4. Comparar o Φhipotético com as precipitações
observadas em cada intervalo de tempo. Caso,
algum intervalo, a precipitação tenha sido
inferior ao Φhipotético, excluí-lo do cálculo e
repetir o processo.
25.
26. Com aplicação de água por aspersão ou
simulador de chuva:
Aplicação de água por aspersão, com taxa
uniforme, superior à capacidade de infiltração
no solo, exceto para um curto período de
tempo inicial.
Delimitam-se áreas de aplicação de água, com
forma retangular ou quadrada, de 0,10 a 40
m2 de superfície;
Medição da quantidade de água adicionada e
do escoamento superficial resultante,
deduzindo-se a capacidade de infiltração do
solo.
27. Exercício
Durante a cheia , em uma bacia produzida por uma chuva cuja
altura é de P = 76mm, o escoamento superficial foi equivalente a Q
= 33mm. A distribuição do tempo da chuva é dada abaixo:
Solução:
Balanço hídrico (∆V) = P – Q = 76 – 33 = 43 mm
Supondo o excesso de 6 horas, temos:
Porém, este valor é superior ao valor das seis horas; portanto esta
chuva não foi efetivada, assim deve ser retirada dos cálculos. O
Balanço hídrico, fica: ∆V = (76 – 3) - 33 = 40 mm/h
Horas 1 2 3 4 5 6 Total
Chuvas (mm) 8 18 25 12 10 3 76
hmmÍndice /2,7.
6
43
==ϕ
Supondo agora o excesso em 5 horas, temos:
hmmÍndice /8.
5
40
==ϕ
28. Método de Horton
A partir de experimento de campo Horton em 1939
estabeleceu para o caso de um solo submetido a
uma precipitação com intensidade sempre superior à
capacidade de infiltração, uma relação empírica
para representar o decaimento da infiltração com o
tempo, conforme equação abaixo.
f = fc + (f0 – fc) * e-kt
K = (f0 – fc) / Fc
Onde:
t = tempo transcorrido desde o início do processo de infiltração;
f = taxa de infiltração no tempo (t) ;
Fc = área do gráfico da curva de infiltração;
f0 = taxa de infiltração inicial (t = 0) ;
fc = capacidade de infiltração final – próximo a saturação (mm/h) e
K = taxa de decaimento constante da taxa de infiltração, específica para cada solo.
29. t = tempo decorrido desde a saturação superficial do solo;
f = capacidade de infiltração no tempo (t );
f0 = capacidade de infiltração inicial (t=0) e
fc = capacidade de infiltração final (mm/h);
Fc = área do gráfico da curva de infiltração;
31. APLICAÇÃO DO MÉTODO DE HORTON
A aplicação da fórmula desenvolvida por Horton para determinar a
equação da capacidade de infiltração no solo. Estabelece esta equação
a partir dos dados abaixo:
Tempo
(horas)
Capacidade de Infiltração
(cm/hora)
1 4,75
2 4,60
3 3,30
4 3,25
5 3,10
6 2,40
7 2,27
8 1,70
9 1,55
10 1,40
11 1,33
12 1,02
32. SOLUÇÃO
1. Plota-se o gráfico com os valores de infiltração (tabela)
obtidos a partir do experimento realizado em campo.
33. 2 - Traça-se uma reta, paralela ao eixo x, a partir do valor
de infiltração mínimo.
34. 3 – Calcula-se a área entre os pontos obtidos e a reta.
Considerando-se que a referida área corresponde a uma
série de trapézios, calcula-se a área de cada um, ou seja:
12
2
1
:
.
2
tth
LLb
LLB
Onde
h
bB
A
mínima
mínima
i
−=
−=
−=
+
=
36. Obtendo-se: O somatório que representa uma área do gráfico e
será usado para calcular o coeficiente k da curva de Horton.
Tempo
(horas)
Lâmina Infiltrada
(cm/hora)
Áreas
(A1 a A11)
1 4,75 -
2 4,60 3,66
3 3,30 2,93
4 3,25 2,26
5 3,10 2,16
6 2,40 1,73
7 2,27 1,32
8 1,70 0,97
9 1,55 0,61
10 1,40 0,46
11 1,33 0,35
12 1,02 0,16
TOTAL 16,57
38. EXERCÍCIO
1- Para um dado solo, foram observadas taxas de infiltração após o início
da chuva nos intervalos de tempo descritos na Tabela abaixo. Determine
a equação da capacidade de infiltração no solo.
Tempo
(horas)
Capacidade de Infiltração
(mm/hora)
1 3,4
2 2,9
3 2,6
4 2,3
5 2,1
6 1,9
7 1,8
8 1,7
9 1,6
10 1,5
