infiltraÇÃo e Água no solo benedito c. silva hidrologia física

INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO

Benedito C. Silva

Hidrologia Física

Camada impermeável

Zona saturada

Zona não saturada

Poros ocupados por ar e água(água do solo)

Poros ocupados por água(água subterrânea)

Infiltração

Percolação

Água do solo x água subterrânea

Água

do

solo

x á

gua

subt

errâ

nea

O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos.

Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes)

Água no solo

Composição do solo

Normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo:

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

Textura do solo

Textura do soloTextura (português) Textura (inglês)

Arenosa Sandareia franca Loamy sand        

franco arenosa Sandy loam          

franco siltosa Silt loamfranca Loam            

franco argilo arenosa Sandy clay loam  

franco argilo siltosa Silty clay loam

franco argilosa Clay loam        

argilo arenosa Sandy clay        

argilo siltosa Silty clay            

argila Clay                

Siltosa Silt

Porosidade Capilaridade Retenção de água no solo Potencial mátrico

Armazenamento de água no solo

Volume total do solo = volume de sólidos + volume de poros

Porosidade = volume de poros / volume total

Porosidade

PST VVV

T

P

VV

Areia: 0,37 a 0,50 Argila: 0,43 a 0,52

Porosidade

Conteúdo de água no solo em volume

Na situação em que todos os poros do solo estão ocupados pela água o solo é denominado saturado. Neste caso, o valor do conteúdo de água no solo é máximo, e q é igual a . Portanto, o máximo conteúdo de água no solo é igual à porosidade.

Armazenamento

T

A

VV

q

q

Na condição de solo completamente seco todos os poros estariam ocupados pelo ar, e o valor de q seria zero.

Entretanto, isto raramente acontece, porque a água é fortemente atraída pelas partículas e pelos poros dos solos.

Adsorção capilaridade

Solo seco

Método gravimétrico TDR Moderação de neutrons

Medição de contéudo de água do solo

No método gravimétrico de medição de conteúdo de água no solo uma amostra de solo é coletada e pesada na condição de umidade encontrada no campo.

A seguir esta amostra passa por um processo de secagem em um forno a 105 oC por 24 horas para que toda a umidade seja retirada e a amostra é pesada novamente.

A umidade do solo é calculada a partir da diferença de peso encontrada, conforme a equação

onde q é o conteúdo de água no solo em volume (adimensional); Mu é a massa da amostra de solo úmido (Kg); Ms é a massa da amostra do solo após a secagem no forno (Kg); VT é o volume da amostra (m3); r é a massa específica da água (kg.m-3).

Medição do conteúdo de umidade do solo

TVMsMu

r

q

O método TDR (Time Domain Reflectometry ou reflectometria no domínio do tempo) está baseado na relação entre a umidade do solo e a sua constante dielétrica.

Duas 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.

A vantagem deste método é que não é necessário destruir a amostra de solo para medir a sua umidade, e o monitoramento pode ser contínuo.

A desvantagem é que o método é indireto, e é preciso calibrar uma relação entre a resposta do aparelho de medição e a umidade do solo.

Medição de umidade do solo

Moderação de neutrons O método da moderação de nêutrons está baseado na

emissão de nêutrons por uma fonte radioativa inserida no solo através de tubos de acesso.

Os nêutrons sofrem espalhamento pelos átomos de hidrogênio da água presente no solo, e alguns deles podem ser detectados por um detector também inserido no solo por um tubo de acesso.

Quanto maior a contagem de nêutrons no detector, maior é o conteúdo de água na proximidade do equipamento (Libardi, 2012).

Medição da umidade do solo

Usando sonda de neutrons

Retenção de água no solo Potencial mátrico Capilaridade adsorção tensiometro Capacidade de campo Ponto de murcha

Retenção de água no solo

O solo pode ser entendido de uma forma simplificada como uma esponja, ou papel de filtro, que tem capacidade de reter a água.

Há duas forças principais que atuam no sentido de reter a água nos poros dos solos:

as forças capilares as forças de adsorção.

Retenção de umidade no solo

As forças capilares ocorrem como consequência da tensão superficial da água interagindo com as paredes dos poros.

Capilaridade

Tubos capilares exercem sucção por causa da tensão superficialPoros do solo podem exercer o mesmo efeitoQuanto menor o diâmetro dos poros, maior é o efeitoGranulometria mais fina = poros menores = mais capilaridade

• As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas atuando entre as partículas do solo e as moléculas de água, ou de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um filme muito fino de água sobre as partículas do solo (Libardi, 2012).

Adsorção

As duas forças (capilar e adsorção) atuam no sentido de reter a água no solo e é praticamente impossível avaliar separadamente cada uma delas.

Assim, normalmente se refere à força de retenção de água no solo como a força mátrica, ou potencial mátrico de um solo (Libardi, 2012).

Tem unidades de pressão (N/m2)

Tensão mátrica

Tensiômetro

Medição de tensão

Bulbo cerâmico

Para uma amostra de solo o potencial mátrico normalmente varia com o conteúdo de água do solo, e esta relação é, normalmente, determinada de forma experimental (Reichert e Timm, 2012).

Solos mais secos apresentam um potencial mátrico maior (exercem maior sucção sobre a água) do que solos mais úmidos.

A função que relaciona as duas variáveis é a curva de retenção de umidade, ou curva de retenção de água no solo

Curva de retenção de umidade

Umidade do solo varia ao longo do tempo. Para retirar a umidade do solo:

Por gravidade Por sucção

Umidade do solo

Hornberger et al., 1998 – Elements of physical hydrology

Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água

Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade• Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem

Umidade do solo

Condutividade de água em condição de saturação

Movimento da água em meios porosos

Experimento de Darcy

Experimento de Darcy

xhAK

LhhAKQ 21

K = propriedade do material = condutividade hidráulica saturada

LHAKQ

Q = fluxo de água (m3/s) A = área (m2) H = carga (m) L = distância (m) K = condutividade hidráulica (m/s)

Fluxo da água em meios porosos saturados

Condutividade de água em condição de saturação

Solo arenoso: 23,5 cm/hora Solo siltoso: 1,32 cm/hora Solo argiloso: 0,06 cm/hora

A equação de Darcy foi desenvolvida para fluxos de água em meios porosos saturados, e será retomada no capítulo sobre água subterrânea.

Nos solos, entretanto, a situação mais comum é que o meio não está saturado.

Neste caso, a condutividade hidráulica é uma função do conteúdo de água no solo.

Além disso, a carga hidráulica deve ser expressa como uma combinação do potencial gravitacional e potencial mátrico.

A equação de Darcy com estas adaptações é, por vezes, denominada equação de Darcy-Buckingham (Libardi, 2012).

Movimento no meio não saturado

zzKq

q

xhKq

saturado

não saturado

Combinando a equação de Darcy

Com a equação da continuidade para um pequeno volume de solo:

Pode-se chegar à equação de Richards:

Que descreve o fluxo da água em meios porosos não saturados.

A equação de Richards

0zq

t

q

xhKq

1

zK

ztqq

Fortemente não linear Soluções analíticas apenas em casos simplificados Normalmente são usadas soluções numéricas

Equação de Richards

1

zK

ztqq

O que se pode obter usando a

equação de Richards

Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida totalmente pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos poros vazios (com ar).

Nesta condição, o potencial mátrico do solo é muito alto, e a água da chuva é absorvida muito rapidamente.

À medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir, estando limitada pela capacidade do solo de transferir a água para as camadas mais profundas.

Infiltração de água no solo

A taxa de infiltração é a quantidade de água que penetra no solo ao longo do tempo.

Normalmente a taxa de infiltração é expressa em unidades de mm.hora-1.

A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração.

A capacidade de infiltração varia ao longo do tempo.

Taxa de infiltração e capacidade de infiltração

Anéis concêntricosMedição da Infiltração

Medição da Infiltração

Infiltrômetro de Anéis Concêntricos

Infiltrômetro de Anel Consiste de dois anel concêntrico, o de

menor com 25 cm de diâmetro e o maior com diâmetro de 50 cm. Ambos com 30cm de altura. Os anéis devem ser instalados no solo com o auxilio de uma marreta.

Geralmente a lâmina de água no cilindro interno é maior externo, devido a função do cilindro externo que é apenas a orientação das linhas de corrente.

Coloca-se água, ao mesmo tempo nos dois anéis.

Infiltrômetro de Anel

thI t

A capacidade de infiltração instantânea é calculada por:

Onde:It é a capacidade de Infiltração instantânea (mm/h) ;∆h é a variação da lâmina d’água (mm);∆t é o intervalo de tempo (h);

E com uma régua graduada acompanha-se a infiltração vertical no cilindro interno para vários intervalos de tempo.

Infiltrômetro de Anel

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

) O gráfico da capacidade de infiltração é do tipo t x

I (Capacidade de Infiltração em função do tempo).

Onde:It é a capacidade de Infiltração (mm/h) ;t é o tempo (h);

A capacidade de infiltração de água no solo varia de acordo com a umidade do solo.

Em solos secos a capacidade de infiltração é, normalmente, bastante alta.

À medida em que o solo vai ficando úmido, no entanto, a capacidade de infiltração diminui.

Capacidade de infiltração

tefcfofcf

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

Modelo de capacidade de infiltração de Horton

tefcfofcf

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 (minutos) = parâmetro que deve ser determinado a partir

de medições no campo (1/minuto)

Equação de Horton

Infiltração conforme o tipo de solo

Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura?

Exercício

Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora-1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2 deste solo, considerando que está saturado?

Exercício

Uma medição de infiltração utilizando o método dos anéis concêntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parâmetros fc, fo e da equação de Horton.

ExercícioTempo (min) Total Infiltrado (mm)

0 0,01 41,5

2 60,43 70,44 76,0

5 82,66 90,87 97,18 104,0

9 111,710 115,115 138,1

20 163,324 180,8