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30 INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO 1. Introdução Denomina-se infiltração ao processo pelo qual a água atravessa a superfície do solo. Este processo é de grande importância prática, pois a velocidade de infiltração da água no solo é um dos fatores que mais influência o escoamento superficial, responsável por processos indesejáveis como a erosão e as inundações que ocorrem quando da incidência de chuvas intensas. Assim, durante uma chuva, parte da água infiltra e parte escoa sobre a superfície do solo. Portanto, da velocidade de infiltração da água no solo dependerão a quantidade de água que será incorporada ao solo e alimentará o lençol freático e o escoamento superficial. O conhecimento do processo de infiltração fornece, manejo eficiente do solo e da água, e também subsídios fundamentais para dimensionamento de reservatórios, estruturas de controle da erosão e de inundação, canais e sistemas de irrigação e drenagem. 2. Perfil de umidade típico durante a infiltração A distribuição da água em um perfil de solo uniforme, submetido a um apequena carga hidráulica na superfície (H0) pode ser representada esquematicamente pela Figura abaixo. No perfil de umedecimento do solo, distingui-se quatro zonas: - zona de saturação – corresponde a uma camada de aproximadamente 1,5 cm, em que o solo encontra-se saturado. - zona de transição – constitui um acamada com espessura em torno de 5 cm cujo teor de umidade decresce rapidamente com a profundidade. - zona de transmissão – é a região do perfil, através da qual a água é transmitida. Esta camada é caracterizada por uma pequena variação da umidade, em relação ao espaço e ao tempo. - zona de umedecimento – é uma região caracterizada por grande redução no teor de umidade, com o aumento da profundidade. - Frente de umedecimento – compreende um pequena camada na qual existe elevado gradiente hidráulico, havendo uma variação brusca da umidade do solo. A frente de umedecimento representa o limite visível da movimentação de água no solo. Figura 1. Perfil tipo de Umidade 2 3.Grandezas características da infiltração 3.1 . Capacidade de infiltração A capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que pode infiltrar no solo, em um dado intervalo de tempo, sendo expressa comumente em mm h -1 (ou cm/min ou mm/min). A capacidade de infiltração (CI) apresenta uma magnitude alta no início de uma chuva, e diminui, progressivamente, com transcorres desta até atingir um valor aproximadamente constante após um período longo de tempo (VIB). A capacidade de infiltração só é atingida durante uma chuva se houver excesso de precipitação. Caso contrário, a razão de absorção da água no solo não é máxima, e por conseguinte a razão de absorção não é a capacidade ou taxa de infiltração. Alguns valores de infiltração básica (VIB ou i), classificação em função do tipo do solo Taxa final de infiltração (VIB) – Velocidade de infiltração básica Classe VIB VIB (mm/h) Baixa VIB < 5 Media 5 < VIB < 15 mm/h Alta 15 < VIB < 30 mm/h Muito alta VIB > 30 mm/h O valor da VIB de um solo é um fator de grande importância em irrigação possíveis de serem usados naquele solo, bem como determinará a intensidade máxima de precipitação, que poderá ser permitida na irrigação por aspersão. 3.2.– Velocidade de infiltração A velocidade de infiltração é definida como a lâmina de água (volume de água por unidade de área) que atravessa a superfície do solo, por unidade de tempo. Representa, portanto, a taxa de variação da infiltração acumulada ao longo do tempo, sendo representada pela equação dT dI VI em que VI = velocidade de infiltração no solo, LT 1 ; I = infiltração acumulada, L; e t = tempo, T. Quando uma precipitação atinge o solo com intensidade menor do que a capacidade de infiltração, toda a água penetra no solo, provocando progressiva diminuição na própria CI. Persistindo a precipitação, a partir de um tempo t = tp representado na Figura 2, a velocidade de infiltração iguala-se à capacidade de infiltração, passando a decrescer com o tempo e tendendo a um 3 valor constante, após grandes períodos de tempo, caracterizado como a condutividade hidráulica do solo saturado (K0). Figura 3. A partir do início da precipitação, representado pelo tempo t =A, o solo começa a aumentar seu teor de umidade, e consequentemente a capacidade de infiltração diminui. Como a intensidade de precipitação (ip) é menor do que a capacidade de infiltração, o processo de infiltração é determinado pela intensidade de precipitação e, consequentemente, a velocidade de infiltração é igual à própria intensidade de precipitação. No tempo t = B, a velocidade de infiltração iguala-se á capacidade de infiltração, que continua decrescendo e, portanto, a partir deste instante, inicia-se o escoamento superficial. No tempo t = C, a chuva diminui termina e o solo começa a perder umidade por evaporação enquanto a capacidade de infiltração começa a aumentar até que outra precipitação ocorra, e o processo descrito se repita. Portanto ip CI VI = ip não há escoamento superficial. ip CI CI = VI há escoamento. 4. Fatores que intervém na infiltração A infiltração é um processo que depende em maior ou menor grau de diversos fatores, dentre os quais destacam-se: - condição de superfície – a natureza da superfície considerada fator determinante no processo de infiltração. Áreas urbanizadas apresentam menores velocidades de infiltração em áreas agrícolas (principalmente quando têm cobertura vegetal), por apresentarem altas porcentagens de impermeabilização da superfície do solo, o que limita a infiltração d’ água nele. Além disso, o sistema radicular das plantas cria caminhos preferenciais para o movimento da água no solo o que, 0 20 40 60 80 100 120 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 t (horas) f ( m m /h ) 4 consequentemente aumenta a velocidade de infiltração. A presença de cobertura vegetal reduz, ainda o impacto das gotas de chuva e promove o estabelecimento de uma camada de matéria orgânica em decomposição, que favorece a atividade microbiana de insetos e animais, contribuindo para o aumento da infiltração da água no solo. A cobertura vegetal também reduz a velocidade do escoamento superficial e, portanto contribui para aumentar o volume de água infiltrado. - tipo de solo – a velocidade de infiltração da água no solo depende do tamanho e tipo de ligação existente entre os poros. Desta forma, a textura e a estrutura são propriedades que influenciam expressivamente a movimentação da água no solo e, consequentemente, a infiltração. Qualquer fator que exerça influência sobre o tamanho e a configuração dos poros do solo, exercerá influência, também, na velocidade de infiltração. Considerando que um fluxo de água no solo é proporcional à Quarta potência do diâmetro do poro, o escoamento em um poro com 1 mm de raio é equivalente ao de 10.000 poros com raio de 0,1 mm. A textura e a estrutura são propriedades às quais a condutividade hidráulica e, consequentemente, a velocidade de infiltração estão mais diretamente ligadas. Solos arenosos que geralmente apresentam maior quantidade de macroporos do que os solos argilosos, possuem , via de regra, maiores velocidades de infiltração. Do mesmo modo, solos com estrutura granular estávelpossuem maiores velocidades de infiltração do que os solos com estrutura estável, que dispersam quando são umedecidos ou submetidos a algum agente compactador. O fluxo de água no solo é influenciado, também pela quantidade de matéria orgânica existente nesse solo e pela natureza dos colóides, que influenciam diretamente a própria estrutura do solo. A presença de camadas que diferem a textura ou estrutura, no perfil do solo, pode retardar o movimento da água durante a infiltração. Surpreendentemente, camadas de argilas e camadas de areia podem Ter comportamentos similares, embora por razões opostas, que são: a presença de camada de argila dificulta o movimento da água no perfil do solo devido à sua baixa condutividade hidráulica saturada, enquanto a presença de camada de areia pode retardar o deslocamento da frente de umedecimento, devido à sua baixa condutividade hidráulica sob condições não saturadas. Diversos trabalhos realizados em solos formados sob condições de clima tropical, como é caso de estudos realizados no cerrado brasileiro, demostram que mesmo solos com altos conteúdos de argila têm apresentados elevadas velocidades de infiltração, o que é justificado pelo alto grau de desenvolvimento da estrutura evidenciada nestes solos, acarretando, inclusive maior macroporosidade do que a observada em solos de textura média. - condições do solo – refere-se ao solo estar ou não preparado. Em geral, o preparo do solo tende a aumentar a capacidade de infiltração. No entanto, se as condições de preparo e manejo do solo forem inadequadas, sua capacidade de infiltração poderá tornar-se inferior à de um solo sem preparo, principalmente se a cobertura vegetal presente sobre o solo for removida. A capacidade de 5 infiltração da água em um solo recém-preparado é alta, em razão da quebra da estrutura da camada superficial. Uma vez que o selamento superficial é formado e, em muitos casos este se estabelece muito rapidamente após as primeiras precipitações, ocorre grande redução na velocidade de infiltração da água no solo. Fendas, rachaduras e canais biológicos, originados por raízes decompostas ou pela fauna do solo, atuam como caminhos preferências por onde a água movimenta-se com pouca resistência e, portanto, aumentam a capacidade de infiltração. O tráfego intensivo de máquinas sobre a superfície do solo, principalmente quando se utiliza o sistema convencional de preparo, produz uma camada compactada que reduz a capacidade de infiltração da água no solo. Solos situados em áreas de pastoreio também sofrem intensa compactação pelos casos de animais. - umidade inicial do solo – para um mesmo solo, a capacidade de infiltração será tanto maior quanto mais seco estiver o solo, inicialmente. - carga hidráulica – quanto maior for a diferença de carga hidráulica entre os dois pontos considerados, maior deverá ser a velocidade de infiltração, pois, como mostra a equação Darcy, o movimento das águas no solo ocorre em função da diferença de potencial entre os dois pontos considerados. - condições da superfície - quando a estrutura do solo é muito poros, a velocidade de infiltração inicial á alta. Por outro lado, quando a superfície do solo é compactada e o perfil coberto por uma crosta superficial de baixa condutividade, a velocidade de infiltração passa a ser menor do que aquela de um solo uniforme. Ao se chocarem contra o solo, as gotas da precipitação promovem, a compactação da sua superfície, reduzindo a capacidade de infiltração. A intensidade desta ação varia com a quantidade e tipo de cobertura vegetal, com a energia cinética da precipitação e com a estabilidade dos agregados do solo. O selamento superficial, causado pelo impacto das gotas de água, é de ocorrência comum, particularmente em solos que tenham sido intensamente cultivados. A superfície do solo apresenta-se compactada e, embora possa ser de pequena espessura, seu efeito sobre as propriedades físicas do solo influência, acentuadamente, as características de infiltração. A crosta superficial apresenta alta resistência hidráulica, dificultando a infiltração. Este efeito torna-se mais pronunciado com o aumento da espessura e da densidade da crosta. Solos pouco estáveis têm maior propensão para formação da crosta superficial, especialmente como resultado da ação das gotas de chuva. Em tais solos, a cobertura vegetal pode atenuar o impacto das gotas d’ água e ajudar a prevenir o selamento superficial. - temperatura – a velocidade de infiltração aumenta com a temperatura, devido à diminuição da viscosidade da água. 6 5. Métodos para determinação da infiltração A determinação da infiltração de água no solo deve ser feita por métodos simples e capazes de representar, adequadamente as condições em que se encontra o solo. Para tanto torna-se necessário adotar métodos, cuja determinação baseia-se em condições semelhantes àquelas observadas durante o processo ao qual o solo é submetido, sendo que, uma vez que a velocidade de infiltração é muito influenciada pelas condições de superfície e conteúdo de umidade do solo, o conhecimento dessas condições é fundamentalmente importante para a interpretação dos resultados. Os infiltrômetros são equipamentos utilizados para a determinação da velocidade de infiltração da água no solo, sendo o infiltrômetro de anel e o simulador de chuvas os principais tipos utilizados em estudos hidrológicos. 5.1 – Infiltrômetro de anel O infiltrômetro de anel consiste de dois tubos cilíndricos curtos, os quais são posicionados de forma concêntrica no solo. O anel interno deve apresentar diâmetro interno da ordem de 250 a 300 mm e o externo diâmetro da ordem de 500 a 600 mm. A altura destes anéis deve ser da ordem de 300 mm. Os anéis cujas bordas devem ser bizeladas, são cravados verticalmente no solo, deixando-se uma borda livre ligeiramente superior a 50 mm. O tubo externo tem como facilidade reduzir o efeito da dispersão lateral da água infiltrada do tubo interno. Assim, a água do cilindro interno infiltra no perfil do solo em uma direção predominantemente vertical , o que evita uma superestimativa da velocidade de infiltração 7 5.2 . Simuladores de chuva Os simuladores de chuva são equipamentos nos quais a água é aplicada por aspersão com intensidade conhecida e controlável. A área de aplicação de água é limitada por placas metálicas, e o escoamento superficial resultante é medido. A velocidade de infiltração é obtida pela diferença entre a intensidade de precipitação e a taxa de escoamento resultante. O infiltrômetro de anel superestima a velocidade de infiltração em relação ao simulador de chuvas, devido ao selamento da superfície do solo, que no infiltrômetro de anel não ocorre na mesma proporção, pela ausência do impacto das gotas de precipitação. Por outro lado no infiltrômetro de anel a lâmina de água sobre o solo proporciona maior potencial para promover a infiltração, apresentando, em geral, maiores valores de infiltração que os simuladores de chuva. 6. Equações de infiltração 6.1 Equação de Kostiakov (1932) A equação de Kostiakov é muito utilizada no dimensionamento de sistemas de irrigação por superfície, embora empírica, apresenta bons resultados quando as condições do meio são bem controladas, sendo representadas pela equação: L = a t m em que, a e m são parâmetros determinados a partir de valores de t e L. A velocidade de infiltração é obtida derivando-se a equação 1: Vi = am t m-1 fazendo am = K e m - 1 = n obtém-se Vi = Kt n 8 A equação de Kostiakov tem como principal limitação o fato de que a velocidadede infiltração tende para zero, quando t assume valores elevados, o que não acontece na prática. Ajuste dos parâmetros O ajuste dos parâmetros pode ser feito pelo método do papel log-log ou pelo método da regressão linear. No método do papel log-log são plotados os valores de infiltração acumulada (L) na ordenada e o tempo acumulado nas abcissas. Com os pontos plotados deve-se traçar a linha que melhor une os pontos. Teste de infiltração Tempo t (min) Leitura (cm) t (min) tac (min) L (cm) Lac (cm) Vi (cm/h) Lac/tac*60 Via (cm/h) L/t *60 0 10,8 - - - - - - 1 10,3 1 1 0,5 0,5 30 30 3 9,8 2 3 0,5 1,0 20 15 5 9,3 2 5 0,5 1,5 18 15 10 8,7 5 10 0,6 2,1 12,6 7,2 15 80 5 15 0,7 2,8 11,2 8,4 25 7,1/12,4 10 25 0,9 3,7 8,9 5,4 35 11,5 10 35 0,9 4,6 7,9 5,4 50 10,45 15 50 1,1 5,7 6,8 4,4 65 9,4 15 65 1,0 6,7 6,2 4,0 95 8,1/11,7 30 95 1,3 8,0 5,1 2,6 125 10,4 30 125 1,3 9,3 4,5 2,6 155 9,1 30 155 1,3 10,6 4,1 2,6 L = 0,50 t 0,33 (cm/min) 0,1 1 10 100 1 10 100 1000 9 No método da regressão linear deve-se primeiro proceder a transformação logarítmica das variáveis, da seguinte forma: L = at m log L = log a + m log t Y = A + B X Para a regressão linear tem-se: N X X N YX XY B 2 2 XBYA t L X (Log t) Y (Log L) X Y X 2 1 0,5 0,0000 -0,3010 0,0000 0,0000 3 1 0,4771 0,0000 0,0000 0,2276 5 1,5 0,6990 0,1761 0,1231 0,4886 10 2,1 1,0000 0,3222 0,3222 1,0000 15 2,8 1,1761 0,4472 0,5259 1,3832 25 3,7 1,3979 0,5682 0,7943 1,9542 35 4,6 1,5441 0,6628 1,0233 2,3841 50 5,7 1,6990 0,7559 1,2842 2,8865 65 6,7 1,8129 0,8261 1,4976 3,2867 95 8 1,9777 0,9031 1,7861 3,9114 125 9,3 2,0969 0,9685 2,0308 4,3970 155 10,6 2,1903 1,0253 2,2458 4,7976 16,0710 6,3542 11,6333 26,7169 N X X N YX XY B 2 2 12 )0710,16( 7169,26 12 3542,6*0710,16 633,11 2 B B = 0,6013 XBYA 12 071,16 6013,0 12 5342,6 A =-0,2756 a = 10 A a = 0,5299 L = at m L = 0,5298 t 0,6013 (cm/min) Vi = 0,3186 t -0,3986 (cm/min) 10 6.2. Equação de Kostiakov Modificada Como o nome sugere, esta equação é uma modificação da equação de Kostiakov no sentido de eliminar a limitação descrita no item anterior. L = K T n + fo T e Vi = KnT n-1 + fo Na equação 6 quanto t tende para o infinito, a velocidade de infiltração VI tende para o valor fo , denominado velocidade de infiltração básica (Vib). Para o ajuste pelo método da regressão tem-se: L = K T n + fo T (L - fo T) = KT n Log(L - fo T) = log K+ n log T Y = A + B X sendo fo = 2,6/60 = 0,043 cm/min T L L-foT X= log T Y =log (L-fot) XY X 2 1 0,5 0,4567 0,0000 -0,3404 0,0000 0,0000 3 1 0,8700 0,4771 -0,0605 -0,0289 0,2276 5 1,5 1,2833 0,6990 0,1083 0,0757 0,4886 10 2,1 1,6667 1,0000 0,2218 0,2218 1,0000 15 2,8 2,1500 1,1761 0,3324 0,3910 1,3832 25 3,7 2,6167 1,3979 0,4177 0,5840 1,9542 35 4,6 3,0833 1,5441 0,4890 0,7551 2,3841 50 5,7 3,5333 1,6990 0,5482 0,9313 2,8865 65 6,7 3,8833 1,8129 0,5892 1,0682 3,2867 95 8 3,8833 1,9777 0,5892 1,1653 3,9114 125 9,3 3,8833 2,0969 0,5892 1,2355 4,3970 155 10,6 3,8833 2,1903 0,5892 1,2906 4,7976 31,1933 16,0710 4,0735 7,6896 26,7169 N X X N YX XY B 2 2 12 )0710,16( 7169,26 12 0735,4*0710,16 6896,7 2 B B = 0,4302 XBYA A = 0,33944 - 0,4302*1,3392 A = -0,2367 K = 10 A = 0,5798 L = 0,5798 T 0,4302 + 0,0433 T (L = cm; T = min) Vi = 0,2494 T - 0,5698 + 0,0433 (Vi = cm/min; T = min) 11 6.3. Equação de Horton (1940) A taxa de infiltração pode ser calculada por: ktoio effff onde: f = capacidade de infiltração no tempo t; fi = taxa de infiltração inicia (t = 0); fo = taxa mínima de infiltração; k = parâmetro do solo (deve ser ajustado); t = tempo decorrido desde o início da saturação do solo A infiltração acumulada é calculada pela equação: ktoio e k ff tfL 1 A equação de Horton é valida para o caso da intensidade de precipitação (i) ser maior que a capacidade de infiltração (f), isto é ( i f). A maior dificuldade de aplicação da fórmula de Horton reside na determinação de seus parâmetros (fo, fi, k), que embora possam ser determinados experimentalmente por meio de infiltrômetros, estão sujeitos a erros sistemáticos. O parâmetro fo é facilmente identificado nos experimentos por que representa a condutividade hidráulica saturada aparente do solo (aparente porque inclui a resistência proporcionada pelo ar aprisionado nos poros do solo). O parâmetro fi também é obtido dos testes de campo por que representa a taxa de infiltração no momento em que é atingido a saturação da superfície e começa a haver o excesso superficial, o que equivale a dizer que fi é igual a intensidade de precipitação saturada do solo. O parâmetro k deve estar na unidade do tempo Exercício: Para um solo com velocidade de infiltração inicial de 55mm/h, velocidade de infiltração básica de 22 mm/h, e parâmetro k =2,5/h, pede-se: a) Calcule a velocidade de infiltração e a infiltração acumulada nos tempos de 5, 20, 30 minutos e 1 e 2 horas . t (minutos) t (horas) f (mm/h) L (mm) 5 20 30 60 120 12 b) Comente os processos de infiltração e escoamento se ocorrem uma precipitação com intensidade de 75 mm/hora durante 20 minutos? c) E se a chuva continua na mesma intensidade durante 1 hora? d) Quanto tempo deve se esperar para infiltrar 100 mm (no caso de irrigação). 2) Com os dados do teste de infiltração abaixo pede-se: Ajustar a equação de Kostiakov conforme modelos abaixo Infiltraçao acumulada: L = a t m Velocidade de infiltração: f = Kt n Teste de Infiltração Hora L ac (cm) tac (min) ∆t (min) VI (mm/h) Via (mm/h) ∆L (mm) Lac/tac 60 ∆L/∆t* 60 08:40 0,0 08:42 1,0 08:45 2,0 08:50 3,3 08:55 4,3 09:00 5,1 09:10 6,4 09:20 7,4 09:30 8,2 09:45 9,1 10:00 9,8 10:20 10,5 10:40 11,2 11:00 11,9
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