aula6 hidrologia

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Infiltração
Prof.ª Andréa de Oliveira Cardoso
Este processo depende fundamentalmente da água disponível para infiltrar, da
natureza do solo, do estado da sua superfície e das quantidades de água e ar,
inicialmente presentes no seu interior. A água infiltrada no solo preenche os
poros originalmente ocupados pelo ar, sendo o solo uma mistura de materiais
sólidos, líquidos e gasosos.
Quando um solo tem seus poros completamente ocupados por água, diz-se que está
saturado. Ao contrário, quando está completamente seco, seus poros estão
completamente ocupados por ar.
Infiltração é o processo de passagem de água da 
superfície para o interior do solo.
Importância da infiltração:
 diminuir o escoamento superficial;
 reduzir as cheias e inundações;
 minimizar as erosões;
 abastecer os aquíferos e sustentar o fluxo nos rios durante as estiagens; 
 contribuir para o crescimento da vegetação;
 Uma chuva que atinge um solo seco será inicialmente absorvida quase totalmente
pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos poros vazios de água (com ar).
 À medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir;
 Cessada a infiltração, a camada superior atinge um “alto” teor de umidade, enquanto
que as camadas inferiores apresentam-se ainda com “baixos” teores de umidade;
 Há uma tendência de um movimento descendente da água provocando um
molhamento das camadas inferiores (via percolação);
 Além disso, parte da água é transferida para a atmosfera por evaporação direta ou
por transpiração dos vegetais;
 Esses dois últimos processos faz com que o solo vá recuperando a capacidade de
infiltração tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do
solo se tornam mais secas.
Processos relacionados a infiltração
Zona de aeração: Camada superior onde os poros estão parcialmente cheios d’água.
Zona de saturação: Imediatamente abaixo onde os poros estão repletos de água.
A água mantêm-se pela atração molecular e pela
ação da capilaridade, agindo contra a força da
gravidade. Após a saturação começa a deslocar-
se para baixo. (faixa de Umidade do Solo)
Retém a água por atração molecular e
capilaridade, estando os seus poros
parcialmente ocupados pela água.
É a região mais próxima ao nível de água do
lençol freático, onde a umidade é maior
devido à presença da zona saturada logo
abaixo. A água é retida por capilaridade.
É a região abaixo do lençol freático (nível
freático) onde os poros ou fraturas da rocha
estão totalmente preenchidos por água.
Constitui a água subterrânea, cujo movimento
se deve à ação da gravidade.
Lençol freático
Perfil de água no solo
Condição da superfície: Áreas urbanizadas apresentam menores
velocidades de infiltração que áreas agrícolas, principalmente quando estas
têm cobertura vegetal.
Tipo de solo: A capacidade de infiltração varia diretamente com a
porosidade e com o tamanho das partículas do solo. Por exemplo, a
presença de argila no solo diminui sua porosidade, não permitindo uma
grande infiltração.
Umidade do solo: Quando a água é aplicada em um solo seco, não há
movimento descendente dessa água até que as partículas do solo estejam
envolvidas por uma fina película de água.
Solo compactado: Solos nus podem se tornar parcialmente impermeáveis
pela ação compactadora das grandes gotas de chuva, pelo tráfego
constante de homens, veículos ou animais.
Fatores que interferem na capacidade de infiltração:
Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do
que um solo desmatado. O sistema radicular das plantas cria caminhos
preferenciais para o movimento da água no solo.
Inclinação do terreno: Em declividades acentuadas a água corre mais
rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração.
Temperatura: A velocidade de infiltração aumenta com a temperatura,
devido à diminuição da viscosidade da água.
Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo
que chuvas moderadas têm mais tempo para se infiltrar.
Carga hidráulica: Quanto maior for a carga hidráulica, isto é, a espessura
da lâmina de água sobre a superfície do solo, maior deverá ser a taxa de
infiltração.
Fatores que interferem na capacidade de infiltração:
A equação de balanço hídrico de uma camada de solo pode ser
expressa pela equação:
Balanço de água no solo
A infiltração é a diferença entre a precipitação (P) e o escoamento
superficial (Q).
Em condições naturais a umidade do solo varia ao longo do tempo, sob o
efeito de fatores climáticos (precipitação e temperatura) e pela
evapotranspiração.
A percolação é a passagem da água da camada superficial do solo para
camadas mais profundas.
ΔV = P −Q −G − ET
Onde, ΔV é a variação de volume de
água armazenada no solo; P é a
precipitação; Q é o escoamento
superficial; G é a percolação e ET é a
evapotranspiração.
O movimento da água em um solo saturado pode ser descrito pela Equação de Darcy:
Movimento da água no solo
O gradiente hidráulico (dH/dz) representa a força responsável pelo escoamento da água no
solo. O sinal negativo na equação de Darcy indica que o escoamento se estabelece do maior
para o menor potencial. É limitada para gradiente hidráulico pequeno. A condutividade
hidráulica dependente do tipo de material poroso.
Aplicável somente:
1) Condutividade hidráulica
do solo não for nula.
2) Há diferença de potencial
entre os pontos
considerados.
Solo não-saturado:
é considerada a variação da condutividade 
hidráulica com
o teor de umidade do solo, tendo esta como 
limite superior o próprio valor da 
condutividade hidráulica do solo saturado.
q = velocidade de Darcy, mm/h;
(tensão)
associado às propriedades 
físicas da matriz de poros
Capacidade de Infiltração: É a quantidade máxima de água que pode infiltrar no
solo, em um dado intervalo de tempo, sendo expressa geralmente em mm/h. É a
infiltração que pode ocorrer se houver precipitação maior ou igual a esta taxa.
Quando o solo está próximo da saturação, a capacidade de infiltração permanece 
constante e aproximadamente igual à condutividade hidráulica do solo saturado.
 Determinada pela relação entre a quantidade de água que atravessa a
unidade de área do material do solo e o tempo.
 Depende da permeabilidade e do gradiente hidráulico (tipo de solo e teor
de umidade), conforme determinado pela Lei de Darcy.
Velocidade de infiltração
Variação da infiltração com o tempo
O modelo de infiltração de Horton indica que se a
precipitação exceder a capacidade de infiltração, a
infiltração tende a diminuir de forma exponencial.
Precipitação
Curva de capacidade de infiltração
Viessman e Lewis, 2002.
Onde, t = tempo decorrido desde a saturação superficial do solo; It = taxa de infiltração no tempo t;
Ii = taxa de infiltração inicial (t=0); Ib = taxa mínima de infiltração (condição de saturação); e k =
constante de diminuição da taxa de infiltração.
Equação de Horton: Equação empírica para representar o decaimento da
infiltração com o tempo:
 A partir de experimento de campo por Horton (1939);
 Solo submetido a uma precipitação com intensidade sempre superior à
capacidade infiltração.
It = Ib + (Ii-Ib).e
-kt
Decaimento da infiltração com o tempo
Onde t = tempo decorrido desde a saturação superficial do solo;
fp= capacidade de infiltração no tempo t;
fo= capacidade de infiltração inicial (t=0);
fc = capacidade de equilíbrio ou capacidade final (condição de saturação);
k = constante representando a taxa de diminuição da capacidade de infiltração.
A capacidade mínima de infiltração fc, teoricamente seria igual à condutividade
hidráulica saturada Ksat, se não houvesse o efeito do ar aprisionado no interior
do solo, dificultandoa infiltração. Por isso normalmente, fc é menor que Ksat
Pode também ser expressa através da taxa de infiltração:
(1)
O volume infiltrado acumulado até o tempo t, contado a partir do
momento em que a precipitação excede a capacidade de infiltração
do solo, é obtido integrando a Equação de Horton com relação ao
tempo, conforme:
tIe
k
II
V b
ktbi
f 

  )1(Podendo também ser expresso conforme => 
O volume infiltrado (Vf) é dado por:
Volume infiltrado a partir da saturação
tfe
k
ff
V c
ktc
f 

  )1(0
Capacidade de infiltração (Ic) é a taxa de infiltração que pode
ocorrer se houver precipitação (P) maior ou igual a esta
capacidade.
Capacidade de Infiltração x Taxa de infiltração 
Infiltração real (Ir) : é a taxa de infiltração que realmente
ocorre em cada intervalo de tempo, conforme:
Se P > Ic
Ir = Ic
Se P < Ic
Ir = P
1) Dada uma capacidade de infiltração inicial f0 2,9 mm/h e uma taxa
de diminuição da capacidade de infiltração k=0,28 h-1, estime o volume
total da água infiltrada (em mm) sobre a bacia nas 8 primeiras horas,
para o caso de uma capacidade de infiltração final 0,50 mm/h.
Considere que neste caso o solo foi submetido a uma precipitação
com intensidade sempre superior à capacidade infiltração.
Exercício em sala:
O volume infiltrado é obtido através da integração da Equação de Horton, dado por:
Sendo, f0=2,9 mm/h, k=0,28h
-1, fc=0,50 mm/h e t=8h, tem-se:
Solução do exercício 1)
tfe
k
ff
V c
ktc
f 

  )1(0
65,118.50,0)1(
28,0
50,09,2 8.28,0 

 eV f
2) Com base na variação da capacidade de infiltração, discuta a
infiltração real que ocorre nos diferentes intervalos de tempo,
conforme demonstrado no gráfico abaixo:
Exercício em sala:
D E
Algoritmo de Berthelot: Utiliza o modelo de Horton com
algumas modificações. Este algoritmo calcula a infiltração
(entrada) e a percolação (saída) de água na camada superior do
solo, combinando num balanço hídrico, a equação da
continuidade, a equação de Horton e uma equação empírica para
a percolação.
Bastante conveniente à simulação matemática do escoamento em
bacias hidrográficas, porque além de avaliar o que infiltra ou escoa
superficialmente, também determina a percolação que vai compor o
escoamento subterrâneo ou de base.
Tal algoritmo equaciona diferentes casos que podem ocorrer dada uma
precipitação Pt constante entre t e t+1 (casos em que a precipitação pode
ser maior ou igual a capacidade de infiltração ou que pode ser menor).
As deduções das equações podem ser encontradas no livro Hidrologia:
Ciência e Aplicação (Tucci, 2007).
Infiltrômetros de anel:
• São aparelhos para determinação direta
da capacidade de infiltração do solo.
Consistem basicamente por dois cilindros
concêntricos e um dispositivo de medir
volumes da água ligado ao cilindro interno.
• A razão da existência do cilindro externo
é prover a quantidade de água necessária
ao umedecimento lateral, atenuando o
efeito da dispersão da água no tubo
interno.
• A água é colocada, ao mesmo tempo nos
dois anéis e, com uma régua graduada,
faz-se a leitura da lâmina d’água no
cilindro interno ou anota-se o volume de
água colocado no anel, com intervalos de
tempo pré-determinados.
• A diferença de leitura entre dois
intervalos de tempo, representa a
infiltração vertical neste período
Medições para a determinação da capacidade de infiltração:
Simuladores de Chuva:
• São equipamentos nos quais a água é aplicada
por aspersão, com intensidade de precipitação
superior à capacidade de infiltração do solo.
• O objetivo é coletar a lâmina de escoamento
superficial originada pela aplicação de uma chuva
com intensidade superior à capacidade de infiltração
do solo.
• A aplicação de água é realizada sobre uma área
delimitada com chapas metálicas tendo, em um dos
seus lados, uma abertura a fim de ser possível a
coleta do escoamento superficial.
• A taxa de infiltração é obtida pela diferença entre a
intensidade de precipitação e a taxa de escoamento
resultante.
Infiltrômetro de 
aspersão pendular
Medições para a determinação da capacidade de infiltração:
Referências Bibliográficas:
PINTO, Nelson L. de Souza et al. Hidrologia básica. 11 ed. São Paulo:
Edgarb Blucher, 2008.
TUCCI, C. E. M. Hidrologia: ciência e aplicação. Editora da
Universidade – ABRH, Porto Alegre, 4ª ed., 2007, 943 p.
VIESSMAN, W. ; LEWIS, G. L. Introduction to Hydrology. 5
ed. Publisher: Prentice Hall, 2002, 612 p.