aula 9 - infiltracao_2015.pdf

Infiltrao

Hidrologia Aplicada

Prof. Giovanni C. Penner [email protected]

Objetivos da Aula Conhecer o processo de infiltrao no solo;

Conhecer os mtodos de medio de

infiltrao no solo;

Conhecer frmulas de clculo de infiltrao

no solo;

Aplicar o mtodo do NRCS.

Conceitos Infiltrao: a penetrao da gua no solo;

Taxa de Infiltrao: a velocidade ou

intensidade da penetrao da gua no solo

(mm/hora, mm/dia, etc.);

Infiltrao acumulada: a quantidade de

gua total infiltrada aps um determinado

tempo (mm).

Fatores que influem na infiltrao:

Umidade do solo; Geologia; Ocupao do solo; Topografia; Depresses (terreno acidentado).

Fatores que afetam a infiltrao 1. Tipo do solo:

infiltrao varia diretamente com

- porosidade - tamanho das partculas - estado de fissurao das rochas

Tringulo de classificao textural dos solos

2. Contedo de Umidade do Solo:

Em solos mais midos a taxa de infiltrao menor que em solos mais secos.

3. Ao da precipitao sobre o solo:

Infiltrao em regies com vegetao maior que nos solos desprovidos da mesma.

4. Temperatura :

Escoamento no solo laminar (tranquilo) em funo da viscosidade da gua. Quanto maior a temperatura maior a infiltrao de gua no solo.

Fatores que afetam a infiltrao

5. Compactao pela atividade humana

Solo compactado pela ao do homem e solo nas condies naturais


6. Macroestrutura do terreno

a - escavaes por animais e insetos b - decomposio de razes c - ao da geada e do sol d - aradura e cultivo da terra


comparao entre um solo bem agregado e um solo desagregado, com respeito a macroestrutura.

velocidade de infiltrao de gua em solo sob diferentes usos

Velocidade de infiltrao de gua em solo sob diferentes usos (taxa aps 9 horas)

DETERMINAO DA CAPACIDADE DE INFILTRAO

Infiltrmetros Os infiltrmetros so aparelhos para determinao direta da capacidade de infiltrao local dos solos

Existem dois tipos:

a) Infiltrmetro com aplicao de gua por inundao, ou simplesmente infiltrmetros.

Infiltrmetros de anis

a) Infiltrmetro com aplicao de gua. Constam de dois anis concntricos onde se mantm uma altura constante de gua e se verifica a taxa infiltrada, adicionando-se quantidades conhecidas de gua. As medidas so vlidas s para o anel central. Mantm-se sempre o nvel dgua no R.N. Ausncia do efeito da compactao do solo produzida pela chuva. ERROS: Fuga do ar retido para a rea externa dos tubos. Deformao da estrutura do solo com a cravao dos anis.


Mede a taxa de decaimento da coluna dgua no anel interno

Infiltrmetros Os infiltrmetros so aparelhos para determinao direta da capacidade de infiltrao local dos solos

Existem dois tipos:

a) Infiltrmetro com aplicao de gua por inundao, ou simplesmente infiltrmetros.

b - INFILTRMETROS SIMULADORES DE CHUVA Os simuladores de chuva so aparelhos nos quais a gua aplicada por asperso, com taxa uniforme, superior capacidade de infiltrao do solo, exceto para um curto perodo de tempo inicial. Delimitam-se reas de 0,10 m2 a 40 m2 de superfcie. Mede-se a intensidade de precipitao por pluvigrafos. Mede-se a quantidade de gua adicionada e o escoamento superficial resultante, deduzindo-se a capacidade de infiltrao do solo.

DETERMINAO DA CAPACIDADE DE INFILTRAO

Mtodo de Horton

Horton (1940) observou que a reduo na taxa de infiltrao com o tempo fortemente controlada por fatores que ocorrem na superfcie do solo. Ele tambm concluiu que a taxa de infiltrao se aproxima de um valor constante.

fo

fc

Chuva excedente

Chuva infiltrada

Mtodo de Horton

Ele props que a taxa de infiltrao instantnea dada por:

( ) k tf fc fo fc e = + Onde:

ffofckt

Capacidade ou taxa de infiltrao para t qualquer, muitas vezes em mm/h;

Capacidade ou taxa de infiltrao para t=0 qualquer, muitas vezes em mm/h;

Capacidade ou taxa de infiltrao final, muitas vezes em mm/h;

Constante de decaimento, caracterstica de cada solo, t-1;

Varivel tempo, deve ter unidade compatvel com a constante k.

Mtodo de Horton

Pela integrao da equao da taxa de infiltrao instantnea, obtemos a taxa de infiltrao acumulada:

( ) ( )0

tk tF t fc fo fc e dt = +

Resultando:

( ) ( )( ) k tfo fcfo fcF t fc t e

k k = +

Onde F a quantidade infiltrada (ou a quantidade que iria infiltrar se houvesse gua disponvel), em mm.

Grupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D

Grupos Hidrolgicos de Solos Solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a uns 8%, no h rocha nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas at a profundidade de 1,5m. O teor de hmus muito baixo, no atingindo 1%.

Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porm ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas este limite pode subir a 20% graas a maior porosidade. Os dois teores de hmus podem subir, respectivamente, a 1,2 e 1,5%. No pode haver pedras e nem camadas argilosas at 1,5m, mas quase sempre presente camada mais densificada que a camada superficial.

Solos barrentos com teor total de argila de 20 a 30% mas sem camadas argilosas impermeveis ou contendo pedras at profundidades de 1,2m. No caso de terras roxas, estes dois limites mximos podem ser 40 % e 1,5m. Nota-se a cerca de 60cm de profundidade camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condies de impermeabilidade.

Solos argilosos (30 - 40% de argila total) e ainda com camada densificada a uns 50cm de profundidade. Ou solos arenosos como B, mas comcamada argilosa quase impermevel ou horizonte de seixos rolados.

Aplicao da Frmula de Horton A literatura tcnica sugere os valores do quadro abaixo para os parmetros fo, fc e k da frmula de Horton.

Parmetro da Frmula de Horton Classificao Hidrolgica do Solo

Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D

Taxa de infiltrao inicial do solo seco: fo (mm/h)

250 200 130 80

Taxa de infiltrao final do solo mido: fc (mm/h)

25 13 7 3

Constante de decaimento expoente k (h-1) 2 2 2 2

Exemplo: Conhecido o hietograma de projeto

5

10

15

20 mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

mm Horas

Conhecido a classificao hidrolgica do solo, por exemplo Tipo B, podemos aplicar a frmula

de Horton aos dados:

Solo tipo B: f0 = 200 mm/h; fc = 13 mm/h; K = 2/h

Potencialidade de infiltrao:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 201 11 13 200 13 1 13 93,5 12K t t t

c cF f t f f e t e t ek = + = + = +

t = 0,5 F = 13 x 0,5 + 93,5 x (1 e-2 x 0,5) = 65,6 mm t = 1,0 F = 13 x 1 + 93,5 x (1 e-2 x 1,0) = 93,8 mm t = 1,5 F = 13 x 1,5 + 93,5 x (1 e-2 x 1,5) = 108,3 mm t = 2,0 F = 13 x 2 + 93,5 x (1 e-2 x 2,0) = 117,8 mm t = 2,5 F = 13 x 2,5 + 93,5 x (1 e-2 x 2,5) = 125,4 mm t = 3,0 F = 13 x 3 + 93,5 x (1 e-2 x 3,0) = 132,3 mm

Intervalo de Tempo

(h)

Chuva (mm)

Potencial de

Infiltrao F (mm)

Potencial de Infiltrao

Desacumulado (mm)

Quantidade Infiltrada

Chuva Excedente

0,5 5 65,6 65,6 5 0,0 1,0 10 93,8 28,2 10 0,0 1,5 20 108,3 14,5 14,5 5,5 2,0 15 117,8 9,4 9,4 5,6 2,5 10 125,4 7,6 7,6 2,4 3,0 5 132,3 6,9 5,0 0,0

Hietograma Excedente

5

10

15

20 mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Horas

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

mm Horas

0,00 0,00 5,50 5,60 2,40 0,00

mm Ptot Pexc

Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)

Mtodo emprico desenvolvido pelo SCS, com base na hiptese:

A chuva excedente real (Pexc, em mm) a parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial direto. A chuva excedente potencial seria igual chuva total do evento (P, em mm), retirada a parcela de perdas por interceptao e deteno em depresses do solo. As abstraes iniciais (Ai, em mm) so resultados da interceptao e da deteno em depresses do terreno. So estimadas como sendo 20% da capacidade de absoro do solo.



A infiltrao real a diferena entre a Chuva total (menos as perdas

iniciais) e a Chuva Excedente.

Infiltrao potencial seria a altura infiltrada mxima igual

capacidade de absoro de gua pelo solo (S, em mm).



P (mm) Chuva total de um evento; S (mm) Capacidade potencial de absoro de gua no solo; Pexc (mm) Chuva excedente total do evento; Ai (mm) Abstraes iniciais da chuva (interceptao, deteno nas depresses do terreno) = 0,2.S.

0,2 = 0,2

= 0,2 2 + 0,8 > 0,2 para

S relacionado a um ndice associado vegetao, uso do solo e condio de umidade inicial.

Para facilitar o mtodo de aplicao foi criada uma varivel auxiliar, denominada CN (Curve Number), que est relacionada com o CN pela expresso:

= 100010 + 25,4 Ou = 1000 10 25,4 Os valores de CN so obtidos de tabelas que relacionam as propriedades do solo com o valor de CN.

Outra forma de determinar o S em funo do CN:

25400 254SCN

= S = mm; CN = adimensional (0 CN 100)

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

P (mm)

Hex

c (m

m)

CN = 20CN = 30CN = 40CN = 50CN = 60CN = 70CN = 80CN = 90CN = 100

Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condies hidrolgicas

Grupo HidrolgicoA B C D

Uso ResidencialTamanho mdio do lote % Impermevel at 500 m22 65 1000 m22 38 1500 m22 30

77 61 57

85 75 72

90 83 81

92 87 86

Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra

98 76 72

98 85 82

98 89 87

98 91 89

reas comerciais (85% de impermeabilizao) 89 92 94 95Distritos industriais (72% impermevel) 81 88 91 93Espaos abertos, parques, jardins:boas condies, cobertura de grama > 75%condies mdias, cobertura de grama > 50%

39 49

61 69

74 79

80 84

Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

77 86 91 94

Valores de CN em funo da cobertura e do tipo hidrolgico de solo (Condio II de umidade)


Uso de solo Superfcie Solo A Solo B Solo C Solo D

Residencial

Lote at 500 m2 (65% impermevel) 77 85 90 92



Estacionamentos Pavimentos 98 98 98 98

Cobertos (telhados) 98 98 98 98

Ruas e estradas

Pavimentadas, com guias e drenagens 98 98 98 98

Com cascalho 76 85 89 91

De terra 72 82 87 89

reas comerciais 85% de impermeabilizao 89 92 94 95

Distritos industriais 72% de impermeabilizao 81 88 91 93

Espaos abertos, parques e jardins

Boas condies, cobertura de grama 39 61 74 80

Condies mdias, cobertura de grama 49 69 79 84


Uso de solo Superfcie Solo A Solo B Solo C Solo D Plantio em linha reta 77 86 91 94 Terreno preparado

para plantio (descoberto) Em fileiras retas 70 80 87 90

Linha reta, condies ruins 72 81 88 91

Linha reta, condies boas 67 78 85 89

Curva de nvel, condies ruins 70 79 84 88

Cultura de fileiras

Curva de nvel, condies boas 65 75 82 86

Linha reta, condies ruins 65 86 84 88

Linha reta, condies boas 63 75 83 87

Curva de nvel, condies ruins 63 74 82 85

Cultura de gros

Curva de nvel, condies boas 61 73 81 84

Em curvas de nvel 60 72 81 88 Terraciamento em nvel 57 70 78 89

Pobres 68 79 86 89 Normais 49 69 79 94

Plantaes de legumes

Boas 39 61 74 80


Linha reta, pobres 68 79 86 89 Linha reta, normais 49 69 79 84 Linha reta, densos 39 61 74 80

Curva de nvel, condies pobres 47 67 81 88

Curva de nvel, condies normais 25 59 75 83

Pastagens

Curva de nvel, condies densos 6 35 70 79

Normais 30 58 71 78 Esparsos, baixa

transpirao 45 66 77 83 Campos

Densos, alta transpirao 25 55 70 77 Normais 56 75 86 91

Ms 72 82 87 89 Estradas de terra Superfcie dura 74 84 90 92

Muito esparsas, baixa transpirao 56 75 86 91

Esparsas 46 68 78 84 Densas, alta transpirao 23 52 62 69

Florestas

Normais 36 60 70 76

Grupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D

Grupos Hidrolgicos de Solos Solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a uns 8%, no h rocha nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas at a profundidade de 1,5m. O teor de hmus muito baixo, no atingindo 1%.

Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porm ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas este limite pode subir a 20% graas a maior porosidade. Os dois teores de hmus podem subir, respectivamente, a 1,2 e 1,5%. No pode haver pedras e nem camadas argilosas at 1,5m, mas quase sempre presente camada mais densificada que a camada superficial.

Solos barrentos com teor total de argila de 20 a 30% mas sem camadas argilosas impermeveis ou contendo pedras at profundidades de 1,2m. No caso de terras roxas, estes dois limites mximos podem ser 40 % e 1,5m. Nota-se a cerca de 60cm de profundidade camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condies de impermeabilidade.

Solos argilosos (30 - 40% de argila total) e ainda com camada densificada a uns 50cm de profundidade. Ou solos arenosos como B, mas comcamada argilosa quase impermevel ou horizonte de seixos rolados.

Condies Tpicas de Umidade do Solo

CONDIO I - solos secos - as chuvas nos ltimos 5 dias no ultrapassam 15 mm. Correo para solo seco.

CONDIO II - situao mdia na poca das cheias - as chuvas nos ltimos 5 dias totalizaram entre 15 e 40 mm. Valor obtido das tabelas dos slides anteriores.

CONDIO III - solo mido (prximo da saturao) - as chuvas nos ltimos 5 dias foram superiores a 40 mm e as condies meteorolgicas foram desfavorveis a altas taxas de evaporao. Correo para solo mido.

( ) ( )( )4,2

10 0,058CN II

CN ICN II

=

( ) ( )( )23

10 0,13CN II

CN IIICN II

=

+

Tabela de referncia para converso das CN para as diferentes condies de umidade do solo.

Valores Mdios

Condio II

Valores Corrigidos Condio I

Valores Corrigidos

Condio III

100 100 100

95 87 99

90 78 98

85 70 97

80 63 94

75 57 91

70 51 87

65 45 83

60 40 79

55 35 75

50 31 70

45 27 65

40 23 60

35 19 55

30 15 50

25 12 45

20 9 39

15 7 33

10 4 26

5 2 17

Aplicao Classificar o tipo de solo existente na bacia; Determinar a ocupao predominante; Com a tabela do SCS para a Condio de

Umidade II determinar o valor de CN; Corrigir o CN para a condio de umidade

desejada; No caso de existirem na bacia diversos tipos

de solo e ocupaes, determinar o CN pela mdia ponderada.

Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condies hidrolgicas

Grupo HidrolgicoA B C D

Uso ResidencialTamanho mdio do lote % Impermevel at 500 m22 65 1000 m22 38 1500 m22 30

77 61 57

85 75 72

90 83 81

92 87 86

Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra

98 76 72

98 85 82

98 89 87

98 91 89

reas comerciais (85% de impermeabilizao) 89 92 94 95Distritos industriais (72% impermevel) 81 88 91 93Espaos abertos, parques, jardins:boas condies, cobertura de grama > 75%condies mdias, cobertura de grama > 50%

39 49

61 69

74 79

80 84

Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

77 86 91 94

Conhecido o hietograma de projeto

5

10

15

20 mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Horas

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

mm Horas

Conhecido o valor de CN (por exemplo, CN = 65), deve-se aplicar a frmula do SCS da

seguinte maneira

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

Chuva Horas

1. Acumular as precipitaes do hietograma

5 15 35 50 60 65

Ch. Acum.

2. Aplicar a frmula s precipitaes acumuladas

Ch. Exc. Acum.

0,0 0,0 0,4 3,2 6,3 8,1

3. Diferenciar para obter o hietograma excedente

Hietogr. Exc.

0,0 0,0 0,4 2,8 3,1 1,8

Hietograma Excedente

5

10

15

20 mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Horas

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

mm Horas mm Ptot Pexc

0,0 0,0 0,4 2,8 3,1 1,8

Metodologia para determinao do Hidrograma de Cheia

Escolha do Perodo de Retorno

Tormenta de Projeto

Escoamento Superficial Direto

Vazes e Volumes de Projeto

Dimensionamento Hidrulico

Poltica Economia

Hidrometeor.

Hidrologia/ Uso do Solo

Hidrologia

Hidrulica

Metodologia para determinao da Precipitao Excedente pelo Mtodo do NRCS

Escoamento Superficial Direto Hidrologia/ Uso do Solo

InfiltraoObjetivos da AulaConceitosFatores que influem na infiltrao:Nmero do slide 5Nmero do slide 6Nmero do slide 7Nmero do slide 8Nmero do slide 9Nmero do slide 10Nmero do slide 11Nmero do slide 12Nmero do slide 13Nmero do slide 14Nmero do slide 15Nmero do slide 16Nmero do slide 17Nmero do slide 18Nmero do slide 19Nmero do slide 20Nmero do slide 21Nmero do slide 22Nmero do slide 23Nmero do slide 24Nmero do slide 25Nmero do slide 26Nmero do slide 27Nmero do slide 28Nmero do slide 29Nmero do slide 30Nmero do slide 31Nmero do slide 32Nmero do slide 33Nmero do slide 34Nmero do slide 35Nmero do slide 36Nmero do slide 37Nmero do slide 38Nmero do slide 39Nmero do slide 40AplicaoNmero do slide 42Nmero do slide 43Conhecido o valor de CN (por exemplo, CN = 65), deve-se aplicar a frmula do SCS da seguinte maneira Nmero do slide 45Nmero do slide 46Nmero do slide 47

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