PROCESSO DE INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO

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PROCESSO DE INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO
Infiltração é o processo pelo qual a água atravessa a superfície do solo.
A camada superficial é a primeira a saturar.
Umedecimento ocorre das camadas mais superficiais para as mais profundas.
PERFIL DE UMEDECIMENTO
Zona de saturação: camada superficial e estreita onde o solo se encontra saturado;
Zona de transição: há decréscimo da umidade;
Zona de transmissão: única região cuja espessura aumenta com o acréscimo de água. Há pouca variação da umidade;
Zona de umedecimento: camada estreita com grande redução na umidade.
Frente de umedecimento: limite visível da movimentação de água no solo, na qual existe elevado gradiente hidráulico devido à grande variação da umidade.
A INFILTRAÇÃO ACUMULADA IA , que é o volume de água infiltrado no solo por unidade de área, será:
IA = ∫(θ – θi)dz
Onde, z é a direção do fluxo
θ é a umidade volumétrica ao longo da profundidade
θi é a umidade volumétrica antes do início da infiltração.
A umidade inicial do solo pode não ser uniforme ao longo do perfil, sendo necessária a subdivisão da camada em segmentos onde a umidade possa ser considerada uniforme.
O movimento da água no solo não-saturado pode ser descrito pela equação de Darcy:
q = -K(θ)( ΔΨt ÷Δz)
onde, q é o fluxo
K(θ)é a condutividade hidráulica
Ψt é o potencial total da água no solo
ΔΨt ÷Δz é o gradiente hidráulico.
O sinal de negativo indica que o escoamento ocorre do maior para o menor potencial.
O potencial total da água no solo (Ψt) é dado por:
Ψt = Ψp + Ψg + Ψos + Ψm
Onde, Ψp é o potencial de pressão, que surge quando a pressão que atua sobre a água no solo é maior que a atmosférica
Ψg = z é o potencial gravitacional
Ψos é o potencial osmótico, que surge quando a água no solo for uma solução de sais minerais e outros solutos (NÃO É IMPORTANTE)
Ψm é o potencial matricial, que está associado à interação entre matriz sólida do solo e a água, levando a pressões menores que a pressão atmosférica.
A TAXA DE INFILTRAÇÃO DO SOLO i é definida como a lamina de água que atravessa a superfície do solo por unidade de tempo, representando, portanto, a taxa de variação da infiltração acumulada ao longo do tempo.
A CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO CI é a taxa de infiltração que poderia ocorrer caso um excesso de água fosse aplicado ao solo. 
A curva taxa de infiltração i do solo SÓ COINCIDE com a curva de CI quando ocorre precipitação com intensidade maior ou igual à capacidade de infiltração.
Caso ocorra uma precipitação menor que a CI, a água penetrará numa taxa i igual à intensidade ip, reduzindo a CI devido ao umedecimento do solo.
Caso a precipitação persista, a taxa i iguala-se à capacidade de infiltração, passando a decrescer com o tempo e tendendo a um valor constante após grande período de tempo, conhecido como TAXA DE INFILTRAÇÃO ESTÁVEL Tie. i = taxa de infiltração
ip = intensidade de precipitação
Tie = Taxa de infiltração estável
Taxa de infiltração i
Tempo
tp
ip = intensidade de precipitação
i = taxa de infiltração
CI = capacidade de infiltração
Quando a chuva persiste, o teor de umidade do solo aumenta o que faz sua CI diminuir. Antes da CI igualar com a i, esta é igual a ip. 
Quando CI = i (tempo tp), o escoamento superficial começa e, tanto a CI e a i diminuem com o tempo. 
FATORES QUE INTERFEREM NA INFILTRAÇÃO
A infiltração é diretamente proporcional a condutividade hidráulica do solo saturado Ks, ou próximo à saturação, sendo, portanto, fundamentalmente dependente da magnitude desta.
FATORES RELACIONADOS AO SOLO
A textura e a estrutura que são determinantes da quantidade, forma e continuidade dos macroporos, são as características físicas que influenciam mais expressivamente à condutividade hidráulica e à estabilidade dos agregados do solo. 
Solos de textura grossa (arenosos) possuem, em geral, maior quantidade de macroporos do que de textura fina (argilosos), apresentando maiores condutividade hidráulica e taxa de infiltração. 
Solos com maior macroporosidade (arenosos e latossolos argilosos) apresentam maior infiltração que solos onde há predomínio de microporos (argilosos). 
Com relação à densidade, verifica-se que quanto mais denso o solo, maiores serão as taxas de infiltração, o que se deve à redução tanto da porosidade total quanto da macroporosidade do solo. 
Um solo mais úmido terá, inicialmente, menor taxa de infiltração, devido ao menos gradiente hidráulico, e mais rapidamente a taxa de infiltração se tornará constante. 
Solos que possuem argilas caulinitas são mais estáveis do que aqueles formados por argilas montmorilonitas.
FATORES RELACIONADOS À SUPERFÍCIE
O tipo de cobertura da superfície do solo é fator determinante do processo de infiltração.
A cobertura vegetal é responsável pelo aumento da macroporosidade da camada superficial, aumentando a condutividade hidráulica do solo. Também protege os agregados do impacto das gotas de chuva, reduzindo assim o encrostamento superficial. 
PREPARO E MANEJO DO SOLO
O tipo de preparo e manejo do solo afeta a infiltração à medida que interfere nas suas propriedades e nas condições de sua superfície, por meio de práticas como o cultivo agrícola e a irrigação. 
OUTROS FATORES
Outros fatores incluem os processos naturais, tais como a precipitação e o congelamento do solo e as propriedades da água. Estes fatores variam com o tempo e interagem com os demais fatores que também afetam a infiltração.
MÉTODOS DE DETERMINAÃO DA INFILTRAÇÃO
Os infiltrômetros são equipamentos utilizados na determinação da taxa de infiltração da água no solo, sendo o infiltrômetro de anel e o simulador de chuvas os mais usados em estudos hidrológicos.
INFILTRÔMETROS
INFILTRÔMETRO DE ANEL
Consiste de dois anéis que são posicionados de forma concêntrica no solo. Os anéis, cujas bordas devem ser bizeladas, são cravadas verticalmente no solo. O anel externo tem como finalidade reduzir o efeito de dispersão lateral da água infiltrada do anel interno, Assim, a água do anel interno infiltra no perfil do solo em uma direção predominantemente vertical, o que evita superestimar a taxa de infiltração. 
O ensaio deve ser realizado até que a taxa de infiltração, observada no anel interno, torne-se, aproximadamente, constante com o tempo.
SIMULADORES DE CHUVA
Os simuladores de chuva, também chamados infiltrômetros de aspersão, são equipamentos nos quais a água é aplicada por aspersão com uma intensidade de aplicação superior à capacidade de infiltração do solo. A área de aplicação de água é delimitada por placas metálicas, sendo a taxa de infiltração obtida pela diferença entre a intensidade de precipitação e a taxa de escoamento superficial resultante. 
O infiltrômetro de anel superestima a taxa de infiltração em relação ao simulador de chuvas devido ao encrostamento da superfície do solo sob a chuva simulada, enquanto no infiltrômetro de anel isso não ocorre, uma vez que não existe o impacto das gotas de precipitação contra o solo. 
O MODELO DE GREEN-AMPT MODIFICADO POR MEIN E LARSON
DESCRIÇÃO DO MODELO DE GREEN-AMPT
Este modelo é baseado na equação de Darcy, admitindo-se as seguintes condições:
Existência de uma carga hidráulica constante na superfície do solo;
Solo homogêneo e profundidade infinita;
Existência de uma frente de umedecimento abrupta;
Potencial de água no solo, na frente de umedecimento, constante no tempo e ao longo da profundidade considerada; e
Perfil de umidade do solo saturado desde a superfície até a profundidade da frente de umedecimento (a umidade final e a condutividade hidráulica consideradas são aquelas correspondentes à condição de saturação). Abaixo desta profundidade, o solo é considerado com umidade e potencial matricial constantes, iguais à condições anteriores ao início da infiltração.
CONDIÇÕES DE CONTORNO
t = 0, θ = θi (umidade inicial), quando a profundidade z ≤ 0;
t > 0, θ = θs (umidade de saturação), quando a profundidade z = 0;
t ≥ 0, θ = θi quando o local é muito profundo;t ≥ 0, o potencial piezométrico (de pressão) é Ψp = H0 para z = 0.
Observando a figura e obtendo o potencial total nos pontos (1) e (2), considerando o plano de referência na superfície do terreno: 
Ψ1 = Ψp + Ψg + Ψm = H0 + 0 + 0 = H0
Ψ2 = Ψp + Ψg + Ψm = 0 +( -L) + Ψf = -L + Ψf 
OBS: 
o potencial em (2) é nulo pois há bolhas de ar no solo, ou seja, pressão atmosférica;
Ψf é o potencial matricial na frente de umedecimento (considerada constante).
Assim o gradiente de potencial do solo é : 
(Δ Ψt / Δz) =[ ( Ψ2 – Ψ1) / L ] = [ (-L + Ψf - H0) / L ]
O fluxo q, obedecendo a equação de Darcy, será:
q = -Ks . (Δ Ψt / Δz) = -Ks . [ (-L + Ψf - H0) / L ]
L
H0
θ
1
θs
θi
z
2
Igualando o fluxo q à taxa de infiltração i, temos: 
i = -Ks . [ (-L + Ψf - H0) / L ]
onde Ks é a condutividade hidráulica do solo saturado
Considerando as seguintes simplificações:
Carga hidráulica H0 é desprezível comparada com os outros termos;
Valores de Ψf são sempre negativos.
i = Ks . ( 1 + Ψf / L)
Como: I = L . (θs - θi) , ou seja, a infiltração acumulada é igual ao produto da profundidade com o aumento da umidade e substituindo na equação acima, encontramos: 
i = Ks . { 1 + Ψf . [ (θs – θi) / I ]}
Como i = dI/dt, substituindo na equação acima, encontramos:
Ks . t = I(t) - Ψf . (θs – θi) . ln { 1 + [ I(t) / Ψf . [ (θs – θi)]}
Uma das desvantagens desse método é as pressuposições, visto que a maioria dos solos são heterogêneos, ou seja Ks e Ψf podem variar, além de que a umidade inicial θi não é obrigatoriamente constante ao longo do perfil. Considerar uma camada superficial de água constante também é um equívoco, visto que na maioria das vezes, isso não ocorre durante a precipitação. Não recomenda-se usar essa equação quando o solo possui camada de impedimento próxima à superfície, ou mesmo com lençol freático raso. 
DESCRIÇÃO DOMODELO DE GREEN-AMPT MODIFICADO POR MEIN E LARSON
No modelo não modificado, a equação era válida após o empoçamento, já que era necessária a presença de uma camada superficial de água. A modificação de Mein e Larson veio justamente alterar essa situação, de modo que as equações modificadas valem também para períodos anteriores ao empoçamento. 
i = taxa de infiltração
ip = intensidade de precipitação
Ks = condutividade hidráulica
Taxa de infiltração i
Tempo
tp
B
C
A
Situação A: ip < Ks: o escoamento superficial não irá ocorres, e toda a água precipitada irá infiltrar;
Situação B: Ks < ip ≤ CI: toda água infiltra no solo e a umidade do solo próximo à superfície aumenta;
Situação C: Ks < CI ≤ ip: a taxa de infiltração é igual à capacidade de infiltração, diminuindo com o tempo. O escoamento ocorre nessa situação.
Mein e Larson consideraram ambas as situações (B e C) pois acreditavam que o comportamento evidenciado durante a situação B influenciava C.
ANÁLISE DA SITUAÇÃO B
Verifica-se que a umidade do solo próximo à superfície aumenta gradativamente até que atinja a saturação. Assim, na situação antes do empoçamento:
Lp
θ
1
θs
θi
z
2
Ip = Lp . (θs - θi) 
onde Lp é a profundidade média da zona saturada até o momento do empoçamento.
Ψ1 = Ψp + Ψg + Ψm = 0 + 0 + 0 = 0
Ψ2 = Ψp + Ψg + Ψm = 0 +( -Lp) + Ψf = -Lp + Ψf 
ip = Ks . ( 1 + Ψf / Lp)
Ip = [ Ψf . (θs – θi)] /[ ( ip / Ks ) - 1 ]
tp = Ip / ip,
onde tp é o tempo de início de empoçamento.
Ip
ANÁLISE DA SITUAÇÃO C
Inicia-se após o empoçamento.
Lp
θ
1
θs
θi
z
2
Ip = ( Lp + L ) . (θs - θi) 
onde Lp é a profundidade média da zona saturada até o momento do empoçamento.
Ψ1 = Ψp + Ψg + Ψm = 0 + 0 + 0 = 0
Ψ2 = Ψp + Ψg + Ψm = 0 +(-L -Lp) + Ψf = -L-Lp + Ψf 
ip = Ks . { 1 + [ Ψf . (θs – θi) / I]}
I - Ip
Ip
L
O modelo GAML minimiza algumas deficiências do modelo Green Ampt original, como a camada de água superficial constante, mas admite que a intensidade da precipitação seja constante, o que raramente ocorre. Este problema pode ser solucionado como sugerido por Smith e Parlange.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
INTRODUÇÃO
O escoamento superficial corresponde ao segmento do ciclo hidrológico relacionado ao deslocamento de águas sobre a superfície do solo. O conhecimento deste segmento é de fundamental importância para o projeto de obras de engenharia, pois a maioria dos estudos está ligada ao aproveitamento da água superficial e á proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento.
Quando o objetivo é reter ou armazenar a água, o conhecimento do volume scoado é suficiente; porém, quando se pretende conduzir o excesso de água de um lugar para o outro, é mais importante o conhecimento da vazão escoada.
FATORES QUE INTERVÊM NO ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Todos os fatores que interferem na taxa de infiltração da água no solo interferem, também no escoamento superficial resultante.
Agroclimáticos: intensidade e duração da precipitação; área abrangida; cobertura e tipo de uso do solo; evapotranspiração. 
Fisiográficos: área, declividade e forma da bacia. (observação: quanto mais circular for o formato da bacia, mais rápida será a concentração do escoamento superficial).
Obras de engenharia.
GRANDEZAS ASSOCIADAS AO ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Vazão (Q)
Coeficiente de escoamento superficial (C): adimensional que representa a relação entre o volume que escoa sobre a superfície do terreno (ES) e o volume total precipitado (PT). É expresso pela equação:
C = (ES / PT)
Tempo de concentração (tc): tempo que a água que cai no ponto mai longínquo da bacia leva para atingir a seção de deságue.
Período de retorno (T)
ESTIMATIVA DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Antes de estudar os métodos existentes para determinar o valor do escoamento (vazão), vamos ver as várias características necessárias para o cálculo. 
ÁREA DRENADA (A)
- COEFICIENTE DE ESCOAMENTO (C): do volume precipitado sobre a bacia, apenas uma parte atinge a seção de deságue sob a forma de escoamento superficial, uma vez que parte da água é interceptada, a outra preenche as depressões e uma outra infiltra no solo, umedecendo o lençol freático. O volume escoado representa, portanto, apenas uma parcela do volume precipitado, sendo a relação entre os dois denominada de coeficiente de escoamento. A principal maneira de obtenção desse coeficiente é através de tabelas. 
- Quando há variação do coeficiente de escoamento ao longo da área nalisada, este poderá ser determinado por:
C = (Σ Ci . Ai )/ A
Onde Ci é o coeficiente de escoamento para a subárea i
Ai é a subárea
INTENSIDADE MÁXIMA MÉDIA DA PRECIPITAÇÃO (im)
im = (K.Ta) / (t + b)c
onde T é dado em anos e t em minutos
Período de retorno (T): obtido por tabelas
Duração da precipitação (t): fixa-se a duração da chuva em um valor igual ao tempo de concentração (tc). Há várias equações que calculam este valor. Entre as “principais” estão: a equação de kirpich, cujo uso é generalizado, porém seu valor corresponde ao real para talvegues inferiores a 10km; a equação SCS – método cinemático leva em consideração a velocidade do escoamento:
tc = (1000/60).Σ(Li/Vi)
onde tc em minutos, Li em km, Vi em m/s
MÉTODO RACIONAL
Por este método é possível calcular a vazão máxima de escoamento a partir de dados de chuvas para pequenas bacias (área variando de 50 a 500 ha), sendo expressa por:
Qmáx = C.im.A / 360
Onde Qmáx é dado em m³/s
Im é dado em mm/h
A é dado em ha
Princípios:
Precipitação com grande intensidade e baixa duração, admitindo-se que a área da bacia é suficiente pequena para que toda área contribua com o escoamento superficial;
Precipitação uniforme em toda a bacia;
Variação na taxa de infiltração não é grande. Admite-se que o solo se encontra saturado quando ocorre a máxima precipitação, ou seja, a taxa de infiltração é estável. 
Utilização de um único coeficiente de escoamento.
Limitações: despreza-se o armazenamento de água na bacia e a variação da intensidade de precipitação e do coeficiente de escoamento.Não permite caracterizar o volume de escoamento superficial e a distribuição temporal das vazões.
MÉTODO RACIONAL MODIFICADO
- Foi introduzido um coeficiente, denominado coeficiente de retardamento (φ), na equação do Método racional.
Qmáx = [ C.im.A / 360 ].φ
- O coeficiente procura corrigir o fato de o escoamento superficial sofrer um retardamento em relação ao início da precipitação. Se esse fato fosse considerado no Método racional, seria escolhida uma chuva mais longa, e consequentemento, com intensidade mais baixa.
- Utiliza-se a equação:
Φ = 0,278 – 0,00034.A
ou a tabela para obter o valor do coeficiente.
MÉTODO DO NÚMERO DA CURVA (SCS-USDA)
-Por este método pode-se estimar a lâmina de escoamento superficial a partir de dados de precipitação e de outros parâmetros da bacia. Chegou-se na seguinte relação:
( I / S ) = ( ES / Pe )
Onde I é a infiltração acumulada
S é a infiltração potencial
ES é o escoamento superficial
Pe é o escoamento potencial ou excesso de precipitação
- Esta equação só é válida a partir do início do escoamento. Logo:
Pe = PT – Ia
Onde PT é a precipitação total
Ia são as abstrações iniciais. 
- As abstrações iniciais correspondem a toda precipitação que ocorre antes do início do escoamento superficial, englobando, portanto, além da interceptação e do armazenamento superficial, toda a infiltração ocorrida durante esses dois processos. Depois das abstrações iniciais, começa o escoamento superficial. A partir desse momento:
I = Pe – ES
- Foi possível evidenciar que:
Ia = 0,2 . S
- Substituindo tudo:
ES = (PT – 0,2.S)² / (PT + 0,8.S)
TIa
Lâmina
Tempo
Ia
I
Escoamento
S = Ia + I
- Obteve-se a seguinte relação:
S = ( 25400 / CN ) – 254
Onde CN é o número da curva, cujo valor pode variar entre 1 e 100, dependendo do uso e manejo do solo, do grupo a que este pertence, da condição hidrológica e da umidade antecedente do solo.
- Tipos de solo:
Solos A: baixo potencial de escoamento, alta taxa de infiltração quando completamente úmido e perfil profundo, geralmente arenoso, com pouco silte e argila;
Solos B: moderada taxa de infiltração quando completamente úmido e profundidade moderada;
Solos C:baixa taxa de infiltração quando completamente úmido, camada de impedimento e considerável percentagem de argila;
Solos D: elevado potencial de escoamento e baixa taxa de infiltração, raso e de camada impermeável. 
- Uso do solo
- Condição hidrológica do solo:
Boa: em mais de 75% da área;
Regular: entre 50% e 75% da área;
Má: em menos de 50%
MÉTODO DO BALANÇO DE ÁGUA NA SUPERFÍCIE DO SOLO
Premissas:
Precipitação uniforme em toda a área;
Solo com umidade próxima a da saturação. Para essa condição, a taxa de infiltração é estável, o que ocorre após longo tempo de infiltração (Tie);
A evaporação é considerada nula, porque seu valor é muito pequeno durante a ocorrência da precipitação, principalmente por se tratar de chuvas intensas e a umidade do ar ser muito alta. 
ES = PT – I – Ia – ev
Onde ev é a evaporação
PT = im . t / 60
Onde t é em minutos
Ii = im . { 1 – [ (ct) / (t+b) ]}
Onde ii é a intensidade de precipitação instantânea
Observa-se que tanto im quanto ii diminuem com o aumento de t, sendo o ES máximo aquele correspondente ao instante em que ii se torna igual à taxa de infiltração estável. Logo:
im . { 1 – [ (ct) / (t+b) ]} = Tie
Observação importante! Considera-se a umidade do solo, no momento da ocorrência da precipitação de projeto, correspondente a a AMC III.
(1/60) . (K.Ta.tIa)/(tIa + b)c = Ia
I = Tie. Tinf / 60