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PHA2308 - Hidrologia Ambiental

Infiltração

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental

Mario Thadeu Leme de Barros

Renato Carlos Zambon

aulas anteriores...

Ciclo Hidrológico

Bacias Hidrográficas

Precipitação

Evapotranspiração

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3

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Infiltração

• Definição: parcela da água precipitada que infiltra no solo.

• Parte da água que infiltra permanecerá na camada superficial do solo, onde se movimentará de forma gradual na vertical e na horizontal, através do solo.

• Eventualmente, poderá voltar a um rio, através da sua margem. Outra parte da água poderá infiltrar mais profundamente, recarregando o aqüífero subterrâneo.

• A água pode percorrer longas distâncias ou permanecer no armazenamento subterrâneo por longos períodos antes de retornar a superfície, rios ou oceanos.

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Rio que “desaparece” em uma caverna no sul da Georgia (EUA), mostra que um rio pode agir como um “funil” direto para o escoamento subterrâneo...

7

Quase sempre o armazenamento e o escoamento subterrâneos ocorrem em meio poroso, mas há exceções! (Abismo Anhumas e Gruta do Lago Azul, Bonito-MS)

8

O retorno do escoamento subterrâneo para o escoamento superficial (parcela chamada de escoamento básico) pode ocorrer de maneira distribuída ao longo dos cursos d´água, ou utilizando caminhos preferenciais em nascentes e pontos localizados (fotos: Rios Olho d´Água e Prata, Jardim-MS)

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“Infiltration divides rainfall into two parts, which thereafter pursue different courses through the hydrologic cycle. One part goes via overland flow and stream channels to the sea as surface runoff; the other goes initially into the soil and thence through ground-water again to the stream or else is returned to the air by evaporative processes. The soil therefore acts as a separating surface and . . . various hydrologic problems are simplified by starting at this surface and pursuing the subsequent course of each part of the rainfall as so divided, separately.”

Robert Elmer Horton (1875-1945)

Horton RE. 1933. “The role of infiltration in the

hydrologic cycle.” Transactions, American Geophysical Union 14:

446–447.

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11

Conceitos

• Taxa (capacidade) de infiltração: é intensidade da penetração da água no solo num determinado instante (mm/hora, mm/dia, etc).

• Se a intensidade da chuva é maior do que a taxa de infiltração, a água será acumulada na superfície e começará o escoamento superficial direto (overland flow).

• Infiltração acumulada: é a quantidade de água total infiltrada após um determinado tempo (mm).

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Conceitos

A taxa de infiltração, normalmente, decai rapidamente durante a parte inicial de uma chuva intensa e atinge um valor constante depois de algumas horas de chuva. Os fatores responsáveis por este fenômeno incluem:

1. O enchimento dos poros finos do solo com água reduz as forças capilares.

2. À medida que o solo umedece, as partículas de argila colmatam e reduzem o tamanho dos poros.

3. O impacto das gotas de chuva no solo faz com que o material da superfície do solo seja dissolvido e preencha os poros do solo.

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Conceitos

A retenção da água no solo é influenciada por diferentes forças:

• Força molecular: a mais forte, retém a chamada água higroscópica (na faixa de 0,0002 mm ao redor da partícula de solo). Esta água só pode ser retirada do solo por aquecimento.

• Força matricial: retém a água de 0,0002 a 0,06 mm ao redor da partícula de solo. Devida à atração molecular superficial das partículas de solo à água e coesão da moléculas de água entre si.

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Conceitos

A retenção da água no solo é influenciada por diferentes forças:

• Força capilar: Movimenta a água de áreas onde a força matricial é menor para áreas onde ela é maior por ação capilar. Esta água é conhecida como água capilar. As plantas podem utilizar esta água até que o solo atinja o ponto de murchamento.

• Força gravitacional: A água em excesso à água capilar e à higroscópica é chamada de água gravitacional. Move-se livremente sob o efeito da gravidade. Quando esta água é drenada, a quantidade de água retida é chamada de capacidade de campo.

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Fatores que influem na infiltração

Umidade do solo

Precipitação: quantidade, intensidade e duração

Geologia, tipo do solo (a argila absorve menos água e a uma taxa mais lenta do que os solos arenosos)

Granulometria e arranjo das partículas

Cobertura do solo (ocupação)

Topografia (declividades, depressões)

Evapotranspiração

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Importância

• crescimento da vegetação

• recarga dos aquíferos subterrâneos

• manutenção da vazão nos rios durante as estiagens

• reduz o escoamento superficial direto (cheias, erosão...)

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0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

01

/05

/83

08

/05

/83

15

/05

/83

22

/05

/83

29

/05

/83

05

/06

/83

12

/06

/83

19

/06

/83

26

/06

/83

03

/07

/83

10

/07

/83

17

/07

/83

24

/07

/83

tempo (dias)

va

zã

o (

m³/

s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

ch

uv

a (

mm

)

Q

Qb

P

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

01

/05

/83

08

/05

/83

15

/05

/83

22

/05

/83

29

/05

/83

05

/06

/83

12

/06

/83

19

/06

/83

26

/06

/83

03

/07

/83

10

/07

/83

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/83

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/07

/83

tempo (dias)

va

zã

o (

m³/

s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

ch

uv

a (

mm

)

Q

Qb

P

mesma chuva, mesma bacia...

... se alterar a capacidade de infiltração

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Irrigação Projeto Jaíba e outros CODEVASF...

diferentes sistemas de irrigação...

19

Drenagem

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Água Subsuperficial

• A água infiltrada na parte subsuperficial do solo forma uma zona não saturada (onde os espaços vazios entre as partículas de solo contêm água e ar) e uma zona saturada (onde todos os vazios só contêm água).

• Embora exista uma quantidade grande de água na zona não saturada, a água não pode ser bombeada, porque fica muito presa pelas forças capilares.

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Água Subsuperficial

• A parte superior da zona não saturada é a zona de água do solo. Esta zona é cortada por raízes, aberturas deixadas por raízes mortas e esqueletos de animais, que permitem a infiltração nesta zona.

• A água nesta zona é utilizada pelas plantas, mas também pode evaporar diretamente para a atmosfera.

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Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel

Mede a taxa de decaimento da coluna d’água no anel interno

Infiltração

fonte:http://www.alwi.com/wastewater.php

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Sonda de Neutrons

Duplo

Anel

Garrafa de

Mariotte

Data

Logger

Medição: Infiltrômetro de Duplo Anel

24

Para entender o processo de infiltração é

necessário saber como a água se movimenta na

zona não saturada do solo

Isto pode ser feito por meio

de uma representação

da taxa de umidade do solo q ao longo da

profundidade Z

Neste gráfico qmin é a taxa

mínima de umidade do solo

em condições naturais e

qsat é a taxa de saturação do

solo em condições naturais

25

26

27

28

(mm

/h)

29

(mm

/h)

30

Chuva

Chuva excedente

Chuva infiltrada

ktefcfofctf )(

Fórmula de Horton

(mm

/h)

31

• 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 (horas)

• k: constante, depende do tipo de solo (hora-1)

t=0 f=fo

t=“infinito” f=fc

ktefcfofctf )(

Fórmula de Horton

32

33

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Escolha do Período de Retorno

Tormenta de Projeto

Escoamento Superficial Direto

Vazões e Volumes de Projeto

Dimensionamento Hidráulico

Política Economia

Hidrometeor.

Hidrologia/ Uso do Solo

Hidrologia

Hidráulica

Metodologia para determinação do Hidrograma de Cheia para Projeto

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Escoamento Superficial Direto Hidrologia/ Uso do Solo

Determinação da Precipitação Excedente pelo Método do SCS-USDA

"Technical Release 55 (TR-55) presents simplified procedures to calculate storm runoff volume, peak rate of discharge, hydrographs, and storage volumes required for floodwater

reservoirs. These procedures are applicable to small watersheds, especially urbanizing

watersheds, in the United States."

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TR-55: Urban Hydrology for Small Watersheds Author: USDA Soil Conservation Service (SCS) now Natural Resources Conservation Service (NRCS)

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O inventor do método pensou na seguinte relação:

escoamento superficial real infiltração real

escoamento superficial potencial infiltração potencial

Ou seja:

Q: escoamento superficial real

P: precipitação

I: infiltração real

S: infiltração potencial do solo

Q I

P S

onde

38

2

A partir dessa relação podemos isolar o valor de Q

sabendo que

Mas existe uma chuva inicial para qual o escoamento

superficial é zero. Empiricamente este valor corresponde

a 0,2 S, portant

( )

o

PQ

P S

I P Q

2

a fórmula final:

devemos tomar cuidado com as unidade

( 0,2 )

0

s dessa Equação

,8

P SQ

P S

S é função do solo (tipo), do tipo de ocupação do solo e da umidade do

solo no início da chuva

Ele foi equacionado em função de um parâmetro síntese chamado de Curve Number (CN), que varia entre 100 e 0. Conceitualmente num solo com CN=100 a infiltração é zero, num solo CN=0 infiltra tudo

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40

2( 0,2 )

( 0,

0,2

0,2

8 )

0

EXC

EXC

para P S

para P

P S

S

P SH

H

1000

1025,4

CNS

Método do SCS

P e HEXC neste método são acumuladas!!!

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Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condições hidrológicas

Grupo Hidrológico

A B C D

Uso ResidencialTamanho médio do lote % Impermeável até 500 m22 65 1000 m22 38 1500 m22 30

77 61 57

85 75 72

90 83 81

92 87 86

Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98

Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra

98 76 72

98 85 82

98 89 87

98 91 89

Áreas comerciais (85% de impermeabilização) 89 92 94 95

Distritos industriais (72% impermeável) 81 88 91 93

Espaços abertos, parques, jardins:boas condições, cobertura de grama > 75%condições médias, cobertura de grama > 50%

39 49

61 69

74 79

80 84

Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

77 86 91 94

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Grupo A

Grupo B

Grupo C

Grupo D

Grupos Hidrológicos de Solos

Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor

de argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas,

este limite pode subir a 20%, graças à maior porosidade. Os dois

teores de húmus podem subir, respectivamente a 1,2% e 1,5%. Não

pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5 m, mas é quase

sempre presente camada mais densificada que a camada superficial.

Solos argilosos (30% a 40% de argila total) com camada densificada a

50 cm de profundidade; ou solos arenosos com camada argilosa quase

impermeável ou horizonte de seixos rolados.

Solos barrentos, com teor de argila total de 20% a 30%, mas sem

camadas argilosas ou pedras até a profundidade de 1,2 m. Nocaso de

terras roxas esses limites podem ser 40% e 1,5m. Nota-se a 60 cm de

profundidade, camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda

longe das condições de impermeabilidade.

Solos arenosos, com baixo teor de argila, inferior a uns 8%, não há

rochas nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas até a

profundidade de 1,5 m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo

1%.

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Condição I - solos secos, as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassam 15 mm.

Condição II - situação média na época das cheias, as chuvas nos últimos 5 dias totalizam entre 15 e 40 mm.

Condição III - solos úmidos (próximos da saturação), as chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40 mm e as condições meteorológicas foram desfavoráveis a altas taxas de evaporação.

Condições Típicas de Umidade do Solo

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Conversão do CN da condição II para I e III

II

III

CN.

CN,CN

058010

24

II

IIIII

CN,

CNCN

13010

23

45

Aplicação...

Classificar o tipo de solo existente na bacia

Determinar a ocupação predominante

Com a tabela do SCS para a Condição de Umidade II determinar o valor de CN

Corrigir o CN para a condição de umidade desejada

No caso de existirem na bacia diversos tipos de solo e ocupações, determinar o CN pela média ponderada.

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Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condições hidrológicas

Grupo Hidrológico

A B C D

Uso ResidencialTamanho médio do lote % Impermeável até 500 m22 65 1000 m22 38 1500 m22 30

77 61 57

85 75 72

90 83 81

92 87 86

Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98

Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra

98 76 72

98 85 82

98 89 87

98 91 89

Áreas comerciais (85% de impermeabilização) 89 92 94 95

Distritos industriais (72% impermeável) 81 88 91 93

Espaços abertos, parques, jardins:boas condições, cobertura de grama > 75%condições médias, cobertura de grama > 50%

39 49

61 69

74 79

80 84

Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta

77 86 91 94

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exemplo: Variação do CN ao longo da bacia do Cabuçu de Baixo (resultado da sobreposição das informações da geologia e do uso e cobertura do solo)

Conhecido o hietograma de projeto:

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5

10

15

20

mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Horas

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

mm Horas

Conhecido o valor de CN (p.ex., CN=80), deve-se aplicar a fórmula do SCS da seguinte maneira:

Acumular as precipitações do hietograma

Aplicar a fórmula às precipitações acumuladas

Diferenciar para obter o hietograma excedente

49

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

Chuva Horas

5 15 35 50 60 65

Ch. Acum. Ch. Exc. Acum.

0,00 0,08 5,80

13,81 20,20 23,63

Hietogr. Exc.

0,00 0,08 5,72 8,01 6,39 3,43

Hietograma excedente

50

5

10

15

20

mm

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Horas

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

5 10 20 15 10 5

Horas

0,00 0,08 5,72 8,01 6,39 3,43

Ptot mm

Pexc mm

Chuva excedente

Chuva infiltrada

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Críticas ao método

• A chuva excedente total não depende da distribuição temporal da chuva

• O valor chuva excedente total é muito sensível à variação de CN

• Justificativa frágil para o valor 0,2 S

• A fórmula do SCS é inconsistente se vista como uma fórmula de capacidade de infiltração

“SCS TR-55 Peak Discharge and Runoff Calculator”

http://www.lmnoeng.com/Hydrology/hydrology.htm

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