Aula 07 -Inteceptação e Infiltracao $

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Interceptação e Infiltração
Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr.
Prof. Marllus Gustavo F. P. das Neves
I
Hidrologia
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Visita ao Canal do Sertão
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Programa da aula
 Parte 1 (Interceptação)
 Ciclo hidrológico
 O que é interceptação?
 Fatores que influenciam a interceptação
 Tipos de interceptação
 Estimativa da interceptação
 Exercícios
 Parte 2 (Infiltração)
 O que é infiltração?
 Capacidade e taxa de infiltração
 Fatores que influenciam a infiltração
 Estimativa da infiltração
 Exercícios
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Ciclo Hidrológico
lençol freático
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Conceitos: Interceptação
Retenção de parte da precipitação acima da superfície do solo (Blake, 1975);
Devido a vegetação ou outra forma de obstrução ao escoamento, como depressões do solo;
Retorna para a atmosfera por evapotranspiracão.
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Interceptação: conceitos
interfere no balanço hídrico da bacia hidrográfica: funciona como um reservatório que armazena uma parcela da precipitação para consumo;
Tende a reduzir a vazão média e a variação da vazão ao longo do ano, retardando e reduzindo o pico das cheias freqüentes.
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, a vazão aumenta.
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INTERCEPTAÇÃO - Gênese
Inicia a chuva
a água molha a superfície das folhas e armazena devido às concavidades e a tensão superficial, retendo certa lâmina precipitada;
Se continuar (a chuva) a capacidade de interceptação é ultrapassada;
Toda a água que chega às folhas e caules escoa;
Evaporação (simultânea à interceptação) à partir das folhas úmidas;
O vento acelera o processo de evaporação, aumentando as perdas por interceptação. Se for muito intenso (o vento), pode provocar reprecipitação
A precipitação atinge o solo: 
a) atravessando a vegetação (em média 85% da precipitação inicidente); 
(b) através dos troncos (1 a 2% precipitação). 
A diferença é a interceptação.
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL: função de
Condições Climáticas
Período do ano
Condições climáticas: vento é o mais significativo  efeito sazonal
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INTERCEPTAÇÃO
A interceptação depende de um modo geral:
Intensidade da chuva → Maior intensidade, menor interceptação (Blake, 1975).
Área vegetada ou urbanizada (Av) → Maior a área Av, maior o volume da interceptação.
Característica da vegetação, dos prédios ou dos obstáculos (residências, edificações, etc) → Maior o tamanho das folhas, maior a capacidade de armazenamento
O volume interceptado retorna para a atmosfera por evaporação, após a ocorrência da chuva.
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
-caracteriza a quantidade de gotas que cada folha pode reter
-a densidade de folhas pode indicar o volume retido numa superfície de bacia
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
As folhas geralmente interceptam a maior parte da precipitação, mas a disposição dos troncos contribui significativamente
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
Espécie e espaçamento
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
Floresta Nativa
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
-sazonalidade
-a época do ano pode caracterizar alguns tipos de cultivos que apresentam as diferentes fases de crescimento e colheita
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Tipo e densidade de vegetação
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Características da Precipitação
intensidade, volume precipitado e chuva antecedente
Pequenos volumes (0,3 mm)  todo o volume é retido
Precipitações superiores a 1mm: de 10 a 40% pode ficar retido 
 intensidade interceptação (para igual volume precipitado)
Precipitações precedidas por 24h de período seco produzem curva de precipitação-interceptação diferente de ocorrências precedidas por condições úmidas (Blake, 1975)
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INTERCEPTAÇÃO VEGETAL
Características da Precipitação
as perdas por interceptação vegetal podem chegar até a 25% da precipitação anual (Linsley et. al, 1949)
Em regiões úmidas e com florestas Panual~2000mm), a interceptação anual pode chegar a 250mm (Patric, citado por Wighan, 1970)
As depressões do solo ou a baixa capacidade de drenagem podem provocar o armazenamento de grandes volumes de água a Q da bacia. 
No rio Paraguai observa-se em alguns trechos que a Q média diminui para jusante devido ao aumento das áreas de inundação que represam parte do volume a montante.
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INTERCEPTAÇÃO NO PANTANAL
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Relação Interceptação x total interceptado
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Quantificação: Equação de continuidade do sistema de interceptação
Si=P-T-C
P
C
T
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Quantificação: Medição das variáveis
Precipitação: postos em clareiras, topo das árvores
	Há alta correlação entre a precipitação das clareiras e a do topo das árvores (Blake, 1972)
Precipitação que atravessa as árvores: drenagem especial colocada abaixo das árvores e distribuída de forma representativa: Helvey e Patric citados por Wigham (1970): 
	é necessário utilizar cerca de 10 vezes mais equipamentos para a medição da precipitação que atravessa a vegetação do que para a precipitação total 
Escoamento pelos troncos: apresenta uma parcela pequena do total precipitado (de 1 a 15%)  em muitos casos está dentro da faixa de erros de amostragem das outras variáveis. 
A medição só é viável para vegetação com tronco de magnitude razoável 
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Fórmulas Conceituais
Horton (1919);
Merian (1960); 
Equações Empíricas
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Fórmulas Conceituais – Horton 
-relacionou o volume interceptado durante uma enchente com a capacidade de interceptação da vegetação e a taxa de evaporação
-Limitações: nela a interceptação é independente da precipitação
-A capacidade de armazenamento deve ser preenchida, o que necessariamente não ocorre
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Fórmulas Conceituais - Merian (1960)
Introduziu a precipitação (P) na equação original de Horton, usando a expressão exponencial:
Si=Sv+(Av/A).E.tr
Si=Sv (1-e-P/Sv)+A/Av.E.tr
Si=Sv (1-e-P/Sv)+R.E.tr
 intensidade, o termo exponencial: convergindo para uma constante igual a Sv. 
O termo da direita da equação é transformado para
Si=Sv (1-e-P/Sv)+R.E.tr
Si=Sv(1-e-P/Sv)+K.P
Onde:
K=(R.E.tr)/P é adotado constante. Isto significa que a relação entre E e P é constante, o que não ocorre necessariamente durante uma tempestade.
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Fórmulas Conceituais - Equações Empíricas
Uso de equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. São várias
Si = a + b.Pn
Onde: 
a, b e n = parâmetros ajustados ao local e Si e 
P=precipitação (em polegadas)
Essa equação é usada para eventos.
Para a estimativa do volume total interceptado (interceptação média da área):
fator de projeção (f) x Si
Normalmente são utilizadas versões lineares desta equação,o que simplifica ainda mais o problema, já que a expressão não leva em conta a intensidade luminosa, umidade antecedente, velocidade do vento, entre outros fatores.
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Valores dos Parâmetros apresentados por Horton (segundo Wighan, 1970)
f = parcela de vegetação sobre a área de interesse
Os coeficientes, para alguns cultivos, são multiplicados pela altura da planta h em pés
Equações de regressão relacionando as principais variáveis e ajustadas a diferentes tipos de dados. 
Si = a + bp.n
Si e P=precipitação (em polegadas)
Para a estimativa do volume total interceptado utiliza-se o fator de projeção f que é multiplicado ao valor de Si, para se obter a interceptação média da área. 
parâmetros ajustados ao local
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Formulação em Modelos Conceituais
Vegetação como um reservatório com capacidade máxima – de acordo com o tipo de cobertura
analise do processo de transformação de P em Q dentro de uma visão macroespacial
das bacias. 
a interceptação, em grande parte das bacias, durante as enchentes tem um peso relativo pequeno, perto dos demais processos. 
Em bacias onde a vegetação tem peso significativo e deseja-se estudar o comportamento da retirada ou acréscimo da cobertura de vegetação, é necessário retratar este processo com maior detalhe.
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Crawford e Linsley (1966) utilizaram este critério no modelo Stanford IV e sugeriram os valores da tabela a seguir para a capacidade máxima do reservatório de interceptação em função da cobertura vegetal
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Armazenamento nas depressões
Linsley et al. (1949) utilizou a seguinte expressão empírica para retratar o volume retido pelas depressões do solo após o início da precipitação
Vd=Sd (1-e-k.Pe)
Onde: 
Vd=volume retido
Sd=capacidade máxima
Pe=precipitação efetiva
K=coeficiente equivalente a 1/Sd
admite-se que no início da precipitação as depressões estão vazias e para gerar escoamento superficial é necessário que as depressões estejam preenchidas. 
São aproximações do comportamento real já que o escoamento superficial ocorre sem que as depressões sejam todas preenchidas
Hickis (1944) indicou valores de 0,10 polegadas para solos argilosos e 0,20 polegadas para solos arenosos. 
Viessman (1967)apresentou uma relação entre capacidade das depressões e declividade do solo obtida com base em quatro pequenas bacias impermeáveis, indicando uma grande correlação entre as variáveis
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ARMAZENAMENTO NAS DEPRESSÕES
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Armazenamento em escoamento superficial de pequenas bacias
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Impactos Antrópicos que afetam a interceptação
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Impacto na vazão média
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Alterações da precipitação com o desmatamento
 albedo. A floresta absorve maior radiação de onda curta e reflete menos; 
 flutuações da temperatura 
 tensão de vapor das superfícies das áreas desmatadas;
 volume evaporado
 do escoamento
 variabilidade da umidade das camadas profundas do solo;
O efeito do desmatamento pode variar com a escala e com as condições de funcionamento da atmosfera
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Exercício
A Mata do Buraquinho (cujo nome oficial é Jardim Botânico Benjamim Maranhão) abrange uma área de 515 ha. 
	
	A mata, que tem um formato parecido com um coração, está encravada no centro geográfico da capital do estado da Paraíba, a cidade de João Pessoa, cuja precipitação média é de 1500 mm/ano e a evaporação 3,0 mm/dia.
		
	Porém, no dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva diferente, que apresentou uma altura de precipitação de 114,6 mm, em 24 h.
 	
	Portanto, quanto foi o volume interceptado neste dia pela mata do Buraquinho?
	
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Exercício
A partir do evento ocorrido em João Pessoa, mostrado no exercício anterior, qual seria o armazenado nas depressões, da bacia hidrográfica onde ocorreu o evento.
	
	Descrição do evento:
			No dia 18 de junho de 2004, ocorreu um evento de chuva 		diferente, que apresentou um nível de precipitação de			114,6mm, que durou 24hs.
			Supondo que a capacidade máxima da bacia é de 0,15 		polegadas, e que o Rendimento da bacia é igual a 80% .
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Coffee Break!!
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Passagem da água através da superfície do solo, ocupando os poros (volume de vazios) existentes no solo.
Importante para:
crescimento da vegetação
abastecimento dos aquíferos
(mantém vazão dos rios durante as estiagens)
reduzir escoamento superficial, cheias, erosão
INFILTRAÇÃO
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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
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É um fenômeno que depende:
Da água disponível para infiltrar
Da natureza do solo
Do estado da superfície
Das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no solo
Infiltração
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O processo de infiltração define a entrada de água no solo.
Já o movimento da água dentro do perfil é comumente referido como percolação
Infiltração
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Enquanto há aporte de água, o perfil de umidade tende à saturação em toda a profundidade, sendo a superfície, naturalmente, o primeiro nível a saturar. 
Quando o aporte de água à superfície cessa (precipitação para), isto é, deixa de haver infiltração, a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindo para um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas.
Infiltração
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Infiltração
Antes da chuva
Depois da chuva
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A infiltração da água no solo pode ser considerada como sendo a sequência das três seguintes fases:
A entrada da água pela superfície;
A percolação da água através do perfil do solo;
A relação da capacidade de armazenamento da água no solo.
Infiltração
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Capacidade de infiltração (ou taxa de infiltração)
Capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que um solo em determinadas condições pode absorver. Ela varia no decorrer da chuva.
Se uma precipitação atinge o solo com a uma intensidade menor que a capacidade de infiltração toda a água penetra no solo, provocando uma progressiva diminuição da própria capacidade de infiltração, já que o solo está se umedecendo.
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Capacidade de infiltração e taxa de infiltração
Vol.
Infiltrado
Prec.
Esc. Superficial
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Quando cessa a infiltração, parte da água no interior do solo propaga-se para camadas mais profundas no solo e parte é transferida para a atmosfera por evaporação direta ou por transpiração dos vegetais. Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração, tendendo a um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão se tornando mais secas.
Infiltração
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Fatores que intervêm na infiltração
	1-Permeabilidade do solo: Por exemplo a presença de argila no solo diminui sua porosidade, não permitindo uma grande infiltração.
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2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado.
3-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração. 	
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4- Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem.
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5- Umidade do Solo: 
Por exemplo em um solo mais úmido a infiltração é menor do que um solo mais seco.
6- Temperatura
Escoamento no solo é laminar (tranqüilo) em função da viscosidade da água. Quanto maior a temperatura maior a infiltração de água no solo
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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
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Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes)
figura extraída de Para entender a Terra (Press et al. XXXX)
Água no solo
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Água subterrânea
Refere-se a água contida na zona de saturação.
Esta água subsuperficial contitui a maior reserva de água doce disponivel, muitas vezes maior do que todos os rios, lagos e reservatórios.
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Composição do solo
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 Normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo:
Parte sólida do solo
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Textura do solo
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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.
Porosidade e umidade do solo
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Areia: 0,37 a 0,50
Argila: 0,43 a 0,52
Porosidade
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Umidade do solo varia ao longo do tempo.
Para retirar a umidade do solo:
Por gravidade
Por sucção
Umidade do solo
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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
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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
Outros (nuclear, sensoriamento remoto…)
Medição da umidade do solo
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Condutividade de água em 
condição de saturação
Solo arenoso: 23,5 cm/hora
Solo siltoso: 1,32 cm/hora
Solo argiloso: 0,06 cm/hora
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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
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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)
 = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto)
Equação de Horton
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fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora
Equação de Horton
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Infiltração conforme o tipo de solo
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Anéis concêntricos
Desenho
Medição da Infiltração
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V = variação de volume de água armazenada no solo;
P = precipitação;
Q = escoamento superficial;
G = percolação;
ET = evapotranspiração 
Balanço hídrico no solo
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Q = fluxo de água (m3/s)
A = área (m2)
H = carga (m)
L = distância (m)
K = condutividade hidráulica (m/s)
Fluxo da água em meios 
porosos saturados
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	Considere uma camada de solo de 1 m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? 
Exercício
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	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
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	Uma medição de infiltração utilizando o método dos anéis concêntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parâmetros fc, fo e  da equação de Horton.
Exercício
Capítulo 06b
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