Infiltração e Percolação Manual II

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Infiltração 6-1 
 
 
Manual de Hidrologia 
6 INFILTRAÇÃO 
 
6.1 O PROCESSO FÍSICO DA INFILTRAÇÃO 
 
Define-se infiltração como sendo o movimento de água para dentro do solo por efeito da 
gravidade e da acção capilar. O movimento de água já no interior do solo designa-se por 
percolação. 
 
Quando ocorre uma chuvada, parte ou 
totalidade da água penetra no solo. A equação 
do balanço hídrico na superfície do terreno é: 
 
 P - I - Q = ∆S 
 
em que ∆S é a variação do armazenamento à 
superfície do terreno. A equação pode ser 
escrita como: 
 
 Q = P - I - ∆S, 
 
o que significa que apenas ocorre escoamento superficial quando P > I + ∆S, ou seja, quando a 
precipitação excede a infiltração e se encheram as depressões superficiais. Como a capacidade de 
armazenamento à superfície do terreno é normalmente bastante pequena, pode-se aceitar que 
ocorre escoamento superficial quando a precipitação excede a infiltração. 
 
Define-se capacidade de infiltração como sendo a máxima intensidade de precipitação que o 
solo pode absorver sem que se inicie o escoamento superficial. Exprime-se em mm/h. A 
capacidade de infiltração dum solo varia com o tempo, decrescendo durante a chuvada. 
 
A água que atinge o solo penetra nele através do poros devido à acção da gravidade. A entrada 
da água faz-se mais facilmente pelos poros de maiores dimensões onde a resistência ao 
escoamento é mais pequena. Por outro lado as forças de capilaridade provocam o movimento da 
água verticalmente, para baixo ou para cima, ou horizontalmente sendo a sua acção tanto mais 
importante quanto menor for o diâmetro dos poros. Assim, a acção da capilaridade permite 
retirar água dos poros maiores para os mais pequenos. 
 
A infiltração envolve, portanto, três processos interdependentes: entrada da água no solo, 
armazenamento no solo e percolação. Note-se que, como o movimento da água no interior do 
solo (percolação) é bastante lento, a capacidade de infiltração fica bastante reduzida quando o 
solo se aproxima da saturação na camada logo abaixo da superfície. 
 
 
Figura 6.1 – O processo de infiltração
 Infiltração 6-2 
 
 
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6.2 FACTORES QUE INFLUENCIAM A CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO 
 
A capacidade de infiltração tem normalmente um valor alto no início da chuvada e decresce 
substancialmente à medida que a precipitação vai ocorrendo em virtude da progressiva saturação 
do solo. Se a chuvada for prolongada, a capacidade de infiltração tende para um valor constante 
que corresponde à velocidade de percolação da água no solo, valor esse bastante baixo. 
 
A figura 6.2 representa a evolução da infiltração e do escoamento superficial durante uma 
chuvada longa de intensidade constante. 
 
 
Figura 6.2 – Evolução da infiltração durante uma chuvada 
 
Há uma série de factores que influenciam a capacidade de infiltração dum solo ao longo duma 
chuvada. Os princípios são os seguintes: 
 
a) textura do solo – se um solo tem uma textura grosseira, como os solos arenosos, os poros são 
grandes pelo que a entrada da água no solo é fácil e a velocidade de percolação é grande, 
significando uma elevada capacidade de infiltração. Pelo contrário, num solo de textura fina, 
como uma argila, os poros são muito pequenos e dificultam a entrada da água e o movimento da 
água no interior do solo. 
 
O quadro 6.1 apresenta valores mínimos (constantes) da capacidade de infiltração, f, para vários 
tipos de solos e após longos períodos de humedecimento (solos cultivados), cf. Ven Te Chow 
(1964); 
 
 
 Infiltração 6-3 
 
 
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Quadro 6.1 Capacidade de infiltração para vários tipos de solos (cultivados) 
 
Grupo de 
solos 
Características do solo fmin 
(mm/h) 
A 
 
 
B 
 
C 
 
 
 
D 
Areias profundas, loesses profundos, solos 
agregados com matéria orgânica 
 
Loesses pouco profundos e solos franco-arenosos 
 
Solos francos-argilosos, franco-arenosos pouco 
profundos, solos com baixo teor em matéria 
orgânica, solos com elevado teor de argila 
 
Solos com grande percentagem de matérias 
expansíveis, argilas plásticas pesadas, alguns solos 
salinos 
8-12 
 
 
4-8 
 
1-4 
 
 
 
0-1 
 
b) duração da chuvada - se uma chuvada durar bastante tempo, a capacidade de infiltração vai-
se reduzindo devido à progressiva saturação da camada superficial do solo; 
 
c) retenção superficial - a retenção da água em pequenas depressões à superfície do terreno 
retarda o início do escoamento superficial e, deste forma, aumenta a infiltração (embora não 
influencie directamente a capacidade de infiltração); 
 
d) humidade do solo no início da chuva - quanto mais húmido está o solo no início da chuvada 
menor é a capacidade de infiltração e a infiltração. Se o solo estiver muito seco, não só o efeito 
do armazenamento da água na camada superficial do solo é mais importante mas também o 
humedecimento inicial provoca um forte efeito de capilaridade que reforça a acção da gravidade 
para facilitar a infiltração; 
 
e) compactação devido à chuva - o impacto das gotas de água em solos de textura fina destrói 
os agregados estruturais de partículas e origina uma crosta superficial em que as partículas finas 
preenchem os poros maiores, reduzindo substancialmente a capacidade de infiltração; 
 
f) compactação devido ao tráfego - o tráfego pode ser de veículos, homens ou animais (como 
em estradas de terra, campos de jogos, pastos muito utilizados). A consequência é uma grande 
redução da capacidade de infiltração; 
 
g) cobertura vegetal - tem um efeito importante no aumento da infiltração. Primeiro, porque 
amortece o impacto das gotas de chuva; segundo, porque favorece a actividade de escavação do 
solo pelos insectos que se movem ao longo das raízes das plantas; terceiro, porque retarda o 
início do escoamento superficial, funcionando como uma retenção. Nem todos os tipos de 
cobertura vegetal são igualmente eficientes: a substituição de áreas de floresta por áreas de 
culturas normalmente reduz bastante a capacidade de infiltração; 
 Infiltração 6-4 
 
 
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h) urbanização - introduz largas zonas impermeáveis (estradas de asfalto, passeios de cimento, 
coberturas de edifícios), onde a capacidade de infiltração é nula. A mesma precipitação origina 
maior volume de escoamento superficial (menor infiltração) e maior caudal de pico (porque o 
escoamento encontra menor resistência e converge mais depressa na secção de saída) como se 
ilustra na figura 6.3. 
 
 
 
 
Figura 6.3 – Impacto da urbanização na infiltração e no escoamento 
superficial 
 
 
6.3 MEDIÇÃO DA CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO 
 
A capacidade de infiltração pode ser medida com infiltrómetros que são tubos abertos nas 
extremidades, com 10 a 30 cm de diâmetro, que se enterram entre 5 e 50 cm no solo. Coloca-se 
água no tubo com uma altura de 1 a 2 cm que se mantêm a nível constante, através da ligação a 
um reservatório graduado. A água necessária para manter o nível constante define a capacidade 
de infiltração. Os valores obtidos são pouco rigoroso sendo 2 a 10 vezes superiores aos que se 
verificam durante uma precipitação nas mesmas condições do solo. 
 
No caso de pequenas bacias hidrográficas, pode-se estimar a capacidade de infiltração durante 
uma chuvada medindo a precipitação (ponderada) sobre a bacia e medindo o caudal 
correspondente. O volume de precipitação não escoado corresponde à infiltração. A capacidade 
de infiltração (média) durante a chuvadaserá o volume de infiltração dividido pela área da bacia 
e pela duração da chuvada. 
 
 
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6.4 CÁLCULO DA INFILTRAÇÃO 
 
Diversas fórmulas têm sido propostas para a determinação da infiltração, como as fórmulas de 
Horton e Philip. 
 
6.4.1 Fórmula de Horton 
 
A fórmula de Horton descreve o decréscimo da capacidade de infiltração com o tempo pela 
expressão: 
 
 f = fc + (f0-fc)e-kt, 
 
em que 
 f0 = valor inicial da capacidade de infiltração, para t=0; 
 fc = valor mínimo da capacidade de infiltração; 
 k = constante característica do solo; 
 t = tempo desde o início da chuvada. 
 
Embora simples, a fórmula de Horton não é de fácil aplicação devido à dificuldade de se 
conhecerem os valores de f0 e k. O quadro 6.2 apresenta alguns valores da capacidade de 
infiltração ao fim de 1 hora de chuva. 
 
 Quadro 6.2 Valores da capacidade de infiltração. 
 
Características do solo Infiltração f1 (mm/h) 
Solos arenosos 
Solos francos e siltosos 
Solos argilosos e franco-argilosos 
Elevada 
Média 
Baixa 
12.5 - 25.0 
 2.5 - 12.5 
 0.25 - 2.5 
 
O volume infiltrado desde o início da chuvada obtem-se por integração: 
 1)-e(k
f-f - tf = fdt = F kt-c0c
t
0
∫ 
 
6.4.2 Fórmula de Philip 
 
A fórmula de Philip escreve-se como: 
 
 A + tS2
1 = f 2
1- 
 
A fórmula parece ajustar-se melhor às observações do que a fórmula de Horton, sem no entanto 
resolver a dificuldade principal que é a determinação dos parâmetros que nelas intervêm. 
 
 Infiltração 6-6 
 
 
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Quer a fórmula de Horton quer a de Philip são válidas apenas enquanto a intensidade de 
precipitação excede a capacidade de infiltração. Quando isso não acontece, a capacidade de 
infiltração deixa de decrescer e aumenta novamente porque a percolação da água no solo faz com 
que este deixe de estar saturado. 
 
 
6.5 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO ÚTIL PELO MÉTODO DO ÍNDICE Φ 
 
Designa-se por precipitação útil aquela parcela da precipitação que origina escoamento 
superficial sendo a parte restante da precipitação aquela que se infiltra. 
 
Um método pouco rigoroso mas prático e por isso muitas vezes utilizado é o do índice-φ. Este 
método assume que a infiltração se processa a uma taxa constante durante toda a chuvada, 
hipótese que se torna mais válida para chuvadas longas ou chuvadas em que o solo já se encontre 
muito húmido. 
 
Para se determinar o índice-φ para uma dada 
chuvada, determina-se a altura total de 
infiltração (por diferença entre a altura total 
de precipitação e a altura correspondente ao 
volume total escoado). Em seguido divide-se 
o diagrama da intensidade da precipitação 
(hietograma) em duas partes (por uma linha 
horizontal), de tal maneira que a parte do 
hietograma acima da linha corresponde à 
altura do escoamento superficial e a parte 
abaixo da linha corresponde à altura total da 
infiltração (ver a figura 6.4). A linha 
horizontal representa uma intensidade φ, que 
é, portanto, a intensidade média (constante) 
de infiltração. Figura 6.4 – Determinação do índ
 
 
Calculando o índice-φ para várias chuvadas, pode-se obter um valor médio. Esse valor médio 
pode ser usado para o problema inverso: dada uma precipitação, saber qual a precipitação útil. 
Para tal, basta subtrair ao hietograma o valor constante do índice-φ. 
 
6.6 PERCOLAÇÃO E DRENAGEM 
 
A partir da água infiltrada, a humidade no solo vai aumentando. À medida que o solo se torna 
mais húmido, aumenta a sua capacidade para propagar a humidade até que consegue propagá-la 
à mesma velocidade com que ela entra no solo. Quando se atinge esta situação, o teor de 
humidade da camada superficial mantem-se constante e esse teor vai-se propagando para baixo, 
pondo sucessivas camadas com um teor de humidade tal que a condutividade hidráulica (será 
definida mais tarde) iguala a capacidade de infiltração. Podem ser consideradas as seguintes 
zonas (ver a figura 6.5): 
Figura 6.4 – Determinação do índice-φ
 Infiltração 6-7 
 
 
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- zona de saturação, à superfície, com 
solo saturado. A espessura desta zona é 
pequena (≈ 1 cm); 
- zona de transição, com grande 
variação do teor de humidade. A 
espessura desta zona é pequena (≈ 5 cm); 
- zona de transmissão, não saturada, em 
crescimento constante. O teor de 
humidade varia pouco; 
- zona de humedecimento. O teor da 
humidade aumenta com o avanço da 
infiltração. Essa zona é separada do solo 
seco pela frente de humedecimento. 
 Figura 6.5 – Propagação da humidade no solo 
 
Quando a infiltração cessa, o solo começa a drenar e reduz a velocidade de percolação que tende 
para zero à medida que o teor de humidade se aproxima da capacidade de campo. Nas camadas 
em que se atingiu a capacidade de campo, cessa o escoamento de água para baixo. A água que 
entretanto percolou e drenou vai atingir uma zona inferior saturada, que constitui uma reserva de 
água subterrânea ou aquífero. Esta quantidade de água percolada representa a recarga do 
aquífero. A figura 6.6, retirada de Dunne e Leopold (1978), mostra a evolução do teor de 
humidade do solo a partir do momento de cessação da chuva e consequentemente da infiltração. 
 
 
 
Figura 6.6 Evolução do teor de humidade após a cessação da chuva. 
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A medição do teor de humidade dum solo pode fazer-se por diversos processos: 
 
por secagem: recolhem-se várias amostras de solo; cada amostra é pesada, secada e novamente 
pesada; a diferença de pesos corresponde ao volume de água contida no solo; 
através duma sonda de neutrões: a sonda emite neutrões rápidos; parte deles colide com os 
átomos de hidrogénio de água e são retardados; um aparelho mede a percentagem de neutrões 
lentos que será tanto maior quanto maior a humidade do solo; 
através do tensiómetro: o tensiómetro é um bolbo de porcelana porosa, cheio de água, ligado a 
um manómetro; colocando o bolbo em contacto com o solo não saturado, a água passa do bolbo 
para o solo, reduzindo a pressão medida no manómetro. 
 
Pode-se estimar a capacidade de absorção do solo para uma dada chuvada. Conhecendo o teor de 
humidade do solo ou admitindo que este está à capacidade de campo, o volume de poros vazios 
por unidade de área (expresso em altura) é igual ao produto da profundidade do solo não 
saturado pela diferença entre a porosidade e a capacidade de campo. Este volume representa a 
capacidade de absorção do solo. O mesmo princípio pode ser aplicado para o estudo da absorção 
pelo solo de efluentes de fossas sépticas. 
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Exercício 
 
Numa área de 250 hectares foram registadas 3 chuvadas (as alturas foram medidas em mm). 
 
Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
Chuvada 1 2 6 7 10 5 4 4 2 0 
Chuvada 2 4 9 15 12 5 0 0 0 0 
Chuvada 3 3 8 11 4 12 3 0 0 0 
 
O volume total do escoamento superficial resultante destas chuvadas foi respectivamente de 
35,000; 57,500; e 46,250 m3. Calcule o valor médio do índice φ.