Interceptação e Infiltração - notas de aula

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Interceptação e Infiltração 
Hidrologia Aplicada 
1 
2 
3 
Escolha do Período de Retorno 
Tormenta de Projeto 
Escoamento Superficial Direto 
Vazões e Volumes de Projeto 
Dimensionamento Hidráulico 
Política 
Economia 
Hidrometeor. 
Hidrologia/ 
Uso do Solo 
Hidrologia 
Hidráulica 
Metodologia para determinação do 
Hidrograma de Cheia 
4 
Escoamento Superficial Direto Hidrologia/ Uso do Solo 
Metodologia para determinação do 
Hidrograma de Cheia 
5 
Conceitos 
—  A interceptação é a 
retenção de parte da 
precipitação acima da 
superfície do solo 
—  A interceptação pode 
ocorrer devido a 
vegetação ou outra forma 
de obstrução ao 
escoamento como a 
depressão do solo. A água 
retorna a atmosfera por 
evapotranspiracão; 
ET P 
Meio saturado 
Lençol freático 
P ET 
Meio não saturado 
Conceitos 
—  Este processo interfere 
no balanço hídrico da 
bacia hidrográfica, 
funcionando como um 
reservatório que 
armazena uma parcela da 
precipitação para 
consumo. A tendência é 
de que a interceptação 
reduza a vazão média e a 
variação da vazão ao longo do 
ano, retardando e reduzindo o 
pico das cheias freqüentes. 
7 
Q (vazão) = P (precipitação – ET 
(evapotranspiração) 
• Equação para um período longo 
• Para a mesma precipitação a 
vazão altera em função da 
evapotranspiração. 
• A vegetação aumenta a ET 
devido a Interceptação. Quando 
é retirada diminui. 
• Pode alterar se houver efeitos 
locais 
Interceptação vegetal 
—  A interceptação vegetal depende de vários fatores: 
características da precipitação e condições climáticas, 
tipo e densidade da vegetação e período do ano. 
—  As características principais da precipitação são a 
intensidade, o volume precipitado e a chuva 
antecedente. 
8 
Relação interceptação e total precipitado 
9 
Características 
—  O tipo de vegetação caracteriza a quantidade de gotas 
que cada folha pode reter e a densidade da mesma indica 
o volume retido numa superfície de bacia. As folhas 
geralmente interceptam a maior parte da precipitação, 
mas a disposição dos troncos contribui 
significativamente. 
—  Em regiões em que ocorre uma maior variação climática, 
ou seja em latitudes mais elevadas, a vegetação apresenta 
uma significativa variação da folhagem ao longo do ano, 
que interfere diretamente com a interceptação. A época 
do ano também pode caracterizar alguns tipos de cultivos 
que apresentam as diferentes fases de crescimento e 
colheita. 
10 
Equação da continuidade 
 A equação da continuidade 
do sistema de 
interceptação pode ser 
descrita por 
 Si = P ‑T ‑ C 
onde Si = precipitação interceptada; 
P = precipitação; 
T = precipitação que atravessa a vegetação; 
C = parcela que escoa pelo tronco das 
árvores. 
11 
Medição das variáveis 
—  Precipitação: postos em clareiras, topo das árvores 
—  Precipitação que atravessa as árvores: Esta precipitação é medida por 
drenagem especial colocada abaixo das árvores e distribuída de tal 
forma a obter uma representatividade espacial desta variável; utilizar 
cerca de dez vezes mais equipamentos para a medição da precipitação 
que atravessa a vegetação do que para a precipitação total. 
—  Escoamento pelos troncos ‑ Esta variável apresenta uma parcela pequena do 
total precipitado (de 1 a 15% do total precipitado), e em muitos casos 
está dentro da faixa de erros de amostragem das outras variáveis. A 
medição desta variável somente é viável para vegetação com tronco de 
magnitude razoável 
12 
Quantificação 
—  Equações empíricas 
 Si= a + b Pn 
a, b e n = parâmetros 
ajustados ao local e Si e P 
= precipitação, em 
polegadas. 
Valores obtidos com base 
em medidas 
Cobertura vegetal a b n 
Pomar 0,04 0,018 1,00 
"Ash" 0,02 0,018 1,00 
"beech" 0,04 0,18 1,00 
Carvalho 0,05 0,18 1,00 
"maple" 0,04 0,18 1,00 
arbustos 0,02 0,40 1,00 
pinus 0,05 0,20 0,50 
feijão, batata e outras 
pequenas culturas 0,02h 0,15h 1,00
h
pasto 0,005h 0,08h 1,00 
forrageiras 0,01h 0,10h 1,00 
pequenos grãos 0,005h 0,05h 1,00 
milho 0,05h 0,005h 1,00 
13 
Armazenamento em depressões 
—  existem obstruções naturais e artificiais ao escoamento, 
acumulando parte do volume precipitado 
—  Depressões em áreas de inundação; 
—  o volume retido pelas depressões do solo após o início da 
precipitação 
Vd = Sd ( 1 ‑ e-kPe ) 
onde Vd = volume retido; Sd = capacidade máxima; Pe = 
precipitação efetiva; k= coeficiente equivalente a 1/Sd 
14 
Exemplo do armazenamento em escoamento 
superficial de pequenas bacias 
15 
Impactos Antrópicos 
Classificação Tipo 
M u d a n ç a d a 
superfície 
1.  desmatamento 
2.  reflorestamento 
3.  impermeabilização 
O uso da superfície 1.  Urbanização 
2.  r e f l o r e s t a m e n t o p a r a 
exploração sistemática 
3.  desmatamento : extração de 
m a d e i r a , c u l t u r a d e 
subsistência; culturas anuais; 
culturas permanentes 
Método de alteração 1.  queimada 
2.  manual 
3.  equipamentos 
—  Passagem da água através da superfície do solo, 
ocupando os poros existentes no solo. 
—  Importante para: 
—  crescimento da vegetação 
—  abastecimento dos aquíferos 
(mantém vazão dos rios durante as estiagens) 
—  reduzir escoamento superficial, cheias, erosão 
Infiltração	
  
—  Processos difíceis de quantificar 
—  Física não muito complicada, mas fortemente 
dependente da variabilidade espacial das 
propriedades do solo. 
—  Estimativas por equações empíricas ajustadas 
para reproduzir dados medidos no campo. 
Infiltração	
  
—  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	
  
—  O solo é uma mistura 
de materiais sólidos, 
líquidos e gasosos. 
—  Na mistura também 
encontram-se muitos 
o r gan i smos v i vo s 
(bactérias, fungos, 
r a í z e s , i n s e t o s , 
vermes) 
—  figura extraída de Para entender a 
Terra (Press et al. 2006) 
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 
—  Relação entre volume de vazios e volume total do 
solo 
—  Poros são ocupados por ar e água 
—  Conteúdo de umidade do solo: 
-  Máximo conteúdo de umidade é igual à porosidade. 
-  Neste caso o solo está SATURADO de água. 
Vt
Va
v =θ
Porosidade	
  e	
  umidade	
  do	
  solo	
  
—  Areia: 0,37 a 0,50 
—  Argila: 0,43 a 0,52 
Porosidade	
  
—  Método gravimétrico: 
—  Coleta amostra e pesa 
—  Seca a amostra e pesa 
—  TDR 
—  Time domain reflectometry 
—  Existe uma relação entre o conteúdo de umidade e a 
constante dielétrica do solo. 
—  Mede o tempo de transmissão de um pulso 
eletromagnético através do solo, entre um par de placas 
metálicas colocadas no solo. 
—  Permite medições contínuas e não destrutivas 
Medição	
  da	
  umidade	
  do	
  solo	
  
—  Umidade	
  do	
  solo	
  varia	
  ao	
  longo	
  do	
  tempo.	
  
—  Para	
  re3rar	
  a	
  umidade	
  do	
  solo:	
  
—  Por	
  gravidade	
  
—  Por	
  sucção	
  
Umidade	
  do	
  solo	
  
—  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	
  
—  Q = fluxo de água (m3/s) 
—  A = área (m2) 
—  H = carga (m) 
—  L = distância (m) 
—  K = condutividade hidráulica (m/s) 
L
HAKQ
Δ
Δ
⋅⋅=
Fluxo	
  da	
  água	
  em	
  meios	
  	
  
porosos	
  saturados	
  
Condu=vidade	
  de	
  água	
  em	
  	
  
condição	
  de	
  saturação	
  
—  Solo arenoso: 23,5 cm/hora 
—  Solo siltoso: 1,32 cm/hora 
—  Solo argiloso: 0,06 cm/hora 
—  Inicialmente não saturados 
—  Preenchimento dos poros garante alta taxa 
de infiltração 
—  A medida que o solo vai sendo umedecido, a 
taxa de infiltração diminui 
—  Equações empíricas 
 
Infiltração	
  de	
  água	
  em	
  solos	
  
32 
—  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) 
—  k = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições 
no campo (1/minuto) 
f = fc+ fo− fc( ) ⋅e−kt
Equação	
  de	
  Horton	
  
f = fc+ fo− fc( ) ⋅e−kt
fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora 
Equação	
  de	
  Horton	
  
----- k =0,1 
----- k=0,05 
Infiltração	
  conforme	
  o	
  =po	
  de	
  solo	
  
36 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
01
/0
5/
83
08
/0
5/
83
15
/0
5/
83
22
/0
5/
83
29
/0
5/
83
05
/0
6/
83
12
/0
6/
83
19
/0
6/
83
26
/0
6/
83
03
/0
7/
83
10
/0
7/
83
17
/0
7/
83
24
/0
7/
83
tempo (dias)
va
zã
o 
(m
³/s
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
ch
uv
a 
(m
m
)
Q
Qb
P
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
01
/0
5/
83
08
/0
5/
83
15
/0
5/
83
22
/0
5/
83
29
/0
5/
83
05
/0
6/
83
12
/0
6/
83
19
/0
6/
83
26
/0
6/
83
03
/0
7/
83
10
/0
7/
83
17
/0
7/
83
24
/0
7/
83
tempo (dias)
va
zã
o 
(m
³/s
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
ch
uv
a 
(m
m
)
Q
Qb
P
mesma 
chuva, 
mesma 
bacia... 
... se alterar 
a capacidade 
de 
infiltração ... 
Medição	
  da	
  Infiltração	
  
Balanço	
  hídrico	
  no	
  solo	
  
ΔV = P −Q− I −ET
—  ΔV	
  =	
  variação	
  de	
  volume	
  de	
  
água	
  armazenada	
  no	
  solo;	
  
—  P	
  =	
  precipitação;	
  
—  Q	
  =	
  escoamento	
  superficial;	
  
—  I	
  =	
  infiltração	
  /	
  percolação;	
  
—  ET	
  =	
  evapotranspiração	
  	
  
 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	
   u3lizando	
   o	
  
mé todo	
   do s	
   a n é i s	
  
concêntricos	
  apresentou	
  
o	
   seguinte	
   resultado.	
  
U3lize	
   estes	
   dados	
   para	
  
es3mar	
   os	
   parâmetros	
  
fc,	
  fo	
  e	
  k	
  da	
  equação	
  de	
  
Horton.	
  
Exercício	
  
Tempo (min) Total Infiltrado (mm) 
0 0,0 
1 41,5 
2 60,4 
3 70,4 
4 76,0 
5 82,6 
6 90,8 
7 97,1 
8 104,0 
9 111,7 
10 115,1 
15 138,1 
20 163,3 
24 180,8