11 04 2018 Infiltracao de agua no solo pdf

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UNICEUB – Centro Universitário de Brasília
Graduação em Engenharia Civil
Disciplina: Hidrologia Aplicada
Infiltração de água no solo
Prof.: Wendy F. Ataide
Brasília, 11 de abril de 2018
▪ Infiltração é a passagem da água da 
superfície para o interior do solo.
▪ Percolação é o movimento 
descendente da água a partir da zona 
não saturada para a zona saturada.
Infiltração de água no solo
Na hidrologia é usual dividir a água sob 
a superfície em:
▪ água do solo: ocorre numa região mais 
próxima da superfície (zona não saturada, 
na maior parte do tempo);
▪ água subterrânea: ocorre em uma zona 
mais profunda (zona saturada).
Infiltração de água no solo
Infiltração de água no solo
Poros ocupados por ar e água,
na maior parte do tempo (água
do solo)
Poros ocupados por água
(água subterrânea)
▪ A água no solo é sujeita aos processos de infiltração, 
percolação, ascensão capilar, evapotranspiração e redistribuição 
interna.
▪ Os processos de redistribuição interna podem incluir fluxos 
laterais e verticais, para cima e para baixo.
▪ A ascensão capilar é um fluxo para cima, a partir de camadas 
mais úmidas, pelo efeito da capilaridade.
Infiltração de água no solo
▪ A água no solo é importante para o crescimento da 
vegetação, porque é do solo que as raízes das plantas retiram a 
água necessária para a transpiração.
▪ A quantificação do armazenamento e fluxo da água no solo 
também é importante na análise de recarga dos aquíferos 
(reservatórios de água subterrânea).
Infiltração de água no solo
▪ O estudo da infiltração também é importante para quantificar o 
escoamento superficial, pois a água que infiltra no solo deixa de 
escoar superficialmente.
▪ Portanto, a redução da infiltração resulta no aumento do 
escoamento superficial, o que pode contribuir para aumentar a 
erosão ou a frequência e a intensidade das cheias.
Infiltração de água no solo
Perdas por erosão: 
▪ EUA: 9 bilhões de dólares/ano;
▪ Brasil: 4,2 bilhões de 
dólares/ano
Infiltração
Erosão: processo de desagregação
e arraste das partículas do solo pela
água ou pelo vento.
Infiltração
Quanto maior a infiltração, maior o abastecimento
do lençol freático e menor o escoamento superficial.
Composição do solo
▪ O solo é um conjunto de 
partículas sólidas de 
diversas formas e tamanhos, 
intercaladas por poros, 
também de diversas formas 
e tamanhos.
▪ É composto por duas partes: 
os sólidos e os poros.
Composição do solo
▪ Os poros podem estar 
ocupados por ar ou água e 
são interconectados (o ar e 
a água podem se 
movimentar). 
Textura do solo
▪ A parte sólida mineral é analisada do ponto de vista do 
diâmetro das partículas.
▪ Normalmente as partículas são divididas em 3 classes: 
areia (diâmetro de 0,053 a 2 mm), silte (0,002 a 0,053 
mm e argila (menor que 0,002 mm).
Textura do solo
▪ Os solos são formados por 
misturas de materiais das 
diferentes classes.
▪ Dependendo da quantidade 
relativa dessas 3 classes de 
partículas o solo é encaixado em 
uma classe textural.
▪ A textura afeta o armazenamento 
e o movimento da água no solo .
Armazenamento de água no solo
▪ O volume total ocupado pelo solo é a soma do volume das 
partículas sólidas e do volume dos poros.
𝑉𝑇 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝑃
𝑉𝑇 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜,𝑚3
𝑉𝑆 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠,𝑚3
𝑉𝑃 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠,𝑚3
Armazenamento de água no solo
▪ A quantidade de água que pode ser contida num solo 
depende da sua porosidade .
𝛼 =
𝑉𝑃
𝑉𝑇
𝑉𝑇 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜,𝑚3
𝑉𝑃 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 (𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑧𝑖𝑜𝑠),𝑚3
𝛼 = 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒, 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙
Armazenamento de água no solo
▪ Embora as partículas de argila sejam menores do que as 
de areia, a porosidade (𝛼) dos solos argilosos 
normalmente é maior do que os arenosos.
𝑎𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠𝑜𝑠 ⇒ 37 < 𝛼 < 50%
𝑎𝑟𝑔𝑖𝑙𝑜𝑠𝑜𝑠 ⇒ 43 < 𝛼 < 52%
▪ Os valores de porosidade podem variar bastante, 
dependendo do tipo de vegetação, do grau de 
compactação, da estrutura do solo e da quantidade de 
matéria orgânica.
Armazenamento de água no solo
▪ Quando um solo tem seus poros completamente 
ocupados por água, diz-se que está saturado. 
Quando está completamente seco, seus poros estão 
completamente ocupados por ar.
seco saturadointermediário
Armazenamento de água no solo
▪ O grau de umidade (teor de umidade) ou o conteúdo de 
água no solo é determinado por:
𝜃 =
𝑉𝐴
𝑉𝑇
𝑉𝑇 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜,𝑚3
𝑉𝐴 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚3
𝜃 = 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑢𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑛𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜, 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙
Armazenamento de água no solo
▪ Quando o solo está saturado, ou seja, todos os poros 
estão ocupados por água, 𝜃 = 𝛼.
▪ Quando o solo está completamente seco (todos os poros 
estão ocupados por ar), 𝜃 = 0
𝜃 =
𝑉𝐴
𝑉𝑇
𝛼 =
𝑉𝑃
𝑉𝑇
Medição de umidade do solo
▪ O método mais direto é o gravimétrico (ou método 
padrão de estufa). A desvantagem é que a amostra 
utilizada para a medida é destruída e o resultado é 
conhecido 24 horas após a amostragem.
𝜃 =
𝑀𝐴
𝑀𝑆
=
𝑀𝑈 −𝑀𝑆
𝑀𝑆
𝑀𝐴 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑔
𝑀𝑆 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜, 𝑔
𝑀𝑈 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜, 𝑔
Medição de umidade do solo
▪ TDR (Time Domain Reflectometry
ou reflectometria no domínio do 
tempo): está baseado na relação 
entre a umidade do solo e a sua 
constante dielétrica. 
▪ A vantagem é que não é 
necessário destruir a amostra do 
solo. A desvantagem é que é 
necessária a calibração prévia.
Medição de umidade do solo
Reflectometria no domínio do tempo (TDR)
Retenção de água no solo
▪ O solo pode ser entendido como uma esponja que tem 
capacidade de reter a água.
▪ Há duas forças principais que atuam no sentido de reter 
a água nos poros dos solos: as forças capilares e as de 
adsorção.
Retenção de água no solo
▪ As forças capilares se referem à interação entre a 
tensão superficial da água e as paredes dos poros.
▪ As forças de adsorção estão relacionadas a 
cargas eletrostáticas entre as partículas de solo e 
as moléculas de água.
Retenção de água no solo
▪ A curva de retenção 
de água no solo 
relaciona o conteúdo 
de umidade no solo e 
o esforço (em termos 
de pressão) 
necessário para 
retirar a água do solo.
Água disponível no solo
Retenção de água no solo
▪ Capacidade de 
campo: de -0,1 a -
0,33 bar (-10 a -33 
kPa).
▪ Ponto de murcha: de 
-10 a -30 bar (-1000 a 
-3000 kPa)
Movimento de água no solo
O solo é um meio poroso, e o movimento da água em 
um meio poroso saturado, é descrito pela equação de 
Darcy.
Equação de (Henry) Darcy (1856): a velocidade de 
fluxo da água através de meios porosos é 
diretamente proporcional ao gradiente hidráulico.
Experimento de
Darcy (1856):
Equação de Darcy (1856), solo saturado:
𝑞 = 𝐾.
𝑑ℎ
𝑑𝑥
𝐾 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜,𝑚/𝑠
ℎ = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎,𝑚
𝑞 = 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑎,𝑚/𝑠
Movimento de água no solo
𝑄 = 𝐾.𝐴.
𝑑ℎ
𝑑𝑥
𝑥 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎,𝑚
𝑄 = 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑚3/𝑠
𝐴 = 𝑎𝑟𝑒𝑎,𝑚2
Equação de Darcy-Buckingham, solo não saturado:
𝑞 = −𝐾(𝜃).
ΔΨ𝑡
Δ𝑧
𝐾 𝜃 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑜 𝑛𝑎𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜,𝑚/𝑠
𝑞 = 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑒𝑎,𝑚/𝑠
Movimento de água no solo
ΔΨ𝑡Δ𝑧
= 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎ç𝑎𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑓𝑢𝑛ç𝑎𝑜 𝑑𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑧,𝑚/𝑚
O sinal negativo indica que o escoamento se
estabelece do maior para o menor potencial
Movimento de água no solo
Ψ𝑡 = Ψ𝑝 +Ψ𝑔 +Ψ𝑜𝑠 +Ψ𝑚
Ψ𝑝 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑎𝑜,𝑚
Ψ𝑔 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙,𝑚
Ψ𝑜𝑠 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑜𝑠𝑚𝑜𝑡𝑖𝑐𝑜,𝑚
Ψ𝑚 = 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙, 𝑚
Movimento de água no solo
O movimento da água será sempre orientado para a região de menor
potencial
Ψ𝐴 > Ψ𝐵 Ψ𝐴 < Ψ𝐵 Ψ𝐴 = Ψ𝐵