DEFINIÇÃO, FASES E CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO...

UNI 129 - HIDROLOGIA E SISTEMAS DE DRENAGEMENGENHARIA AMBIENTAL/CIVIL

DOCENTE: AUDENICE SILVA

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.

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).

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 éestabelecido muito rapidamente após as primeiras precipitações, a taxa de infiltração da água no solo é consideravelmente reduzida.

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.

TIPOS DE LENÇÓIS

Lençol Freático: quando uma das superfícies não éimpermeável (livre). Pressão = Patm

Lençol Cativo ou Confinado: quando está confinado entre duas camadas impermeáveis. Pressão ≠ Patm

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 cmArgilas: 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.

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.

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.

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

DD

Cu =

ÍNDICE

CURVA GRANULOMÉTRICA

Diâmetro

Por

cen

tage

m q

ue

pass

a (%

)

d60dmenor grão dmaior grão

10

60

ddCU =

Pela ABNT 6502/95 na nomenclatura das partPela ABNT 6502/95 na nomenclatura das partíículasculas

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.

dxdh

Kv =unitária. carga h

dade,permeabili de ecoeficient K fictícia, e velocidad v

:Onde

===

t

v

VV

=η

LEI DE DARCY

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

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.

EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO DO SOLO

Uma pessoa tende a impermeabilizar em média, 50 m²;O tempo de concentração éreduzido quando ocorre a impermeabilização;Alterações climáticas.

MEDIDAS DE INFILTRAMEDIDAS DE INFILTRAÇÇÃO ÃO

O equipamento para medir a infiltração pode ser por infiltrômetro ou simulador de chuva. Infiltrômetro éconstituído 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.

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.

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:

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).

thf .60

=aVh =

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

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.

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

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 Φhipotético.

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.

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.

ExercícioDurante 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 mmSupondo 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 /2,7.643

==ϕ

Supondo agora o excesso em 5 horas, temos:

hmmÍndice /8.5

40==ϕ

Método de HortonA partir de experimento de campo Horton em 1939 estabeleceu para o caso de um solo submetido a uma precipitação com intensidade sempre superior àcapacidade 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) / FcOnde:

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.

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;

f = f = ffcc + (f+ (f00 –– ffcc) * ) * ee--ktkt

APLICAÇÃO DO MÉTODO DE HORTONA 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 4,752 4,603 3,304 3,255 3,106 2,407 2,278 1,709 1,5510 1,4011 1,3312 1,02

SOLUÇÃO1. Plota-se o gráfico com os valores de infiltração (tabela)

obtidos a partir do experimento realizado em campo.

2 - Traça-se uma reta, paralela ao eixo x, a partir do valor de infiltração mínimo.

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

tthLLbLLB

Onde

hbB

A

mínima

mínima

i

−=−=−=

+=

( ) ( ) ( ) 66,312.2

02,160,402,175,41 =−

−+−=A

( ) ( ) ( ) 93,212.2

02,130,302,16,42 =−

−+−=A

Assim sucessivamente, até:

( ) ( ) ( ) 16,012.2

02,102,102,133,111 =−

−+−=A

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

( ) 287,057,16

02,175,4=

−=K

Onde:K = (f0 – fc) / Fc

Portanto, a curva será:f = fc + (f0 – fc) * e-kt

f = 1,02 + 3,73 * e-0,287t

EXERCÍCIO1- 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

buÜ|ztwt4