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Departamento de Engenharia Civil Disciplina : Hidrologia Aplicada (HIA)

Prof. Dr. Doalcey Antunes Ramos

Capítulo 5:

Infiltração

Referências:

• CARLOS E. M. TUCCI, Hidrologia - Ciência e Aplicação, Editora da Universidade / Edusp / ABRH, 1993, Porto Alegre.

• NAGHETTINI, M. Engenharia de Recursos Hídricos – Notas de Aula, Departamento de Engenharia Hidráulica e

Recursos Hídricos, EE-UFMG, Belo Horizonte, 1999.

Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo.

É um processo que depende fundamentalmente :

– da água disponível para infiltrar – da natureza do solo – do estado de sua superfície – das quantidades de água e ar inicialmente

presentes no seu interior.

Percolação é o processo de movimento da água

dentro do solo.

5.1 - Definições

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Processo de Infiltração

• À medida que a água infiltra pela superfície, as camadas superiores do solo vão se umedecendo de cima para baixo, alterando gradativamente o perfil de umidade.

• 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, 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.

6

Infiltração e Percolação

Solo

saturado Lençol

freático

Solo não

saturado

Precipitação

fase final depois da chuva ter

terminado

Fase inicial

quando a chuva

alimenta o solo

Fatores Intervenientes

• Umidade do solo

• Geologia

• Ocupação do solo

• Topografia

• Depressões

5.2 - Capacidade de Infiltração e Infiltração Real

• Capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que um solo, sob dada condição, pode absorver na unidade de tempo, por unidade de área horizontal. Só se verifica quando a intensidade da precipitação excede a capacidade do solo em absorver água.

• Infiltração real é a infiltração que realmente ocorre em cada intervalo de tempo.

PIIPquando

IIIPquando

rc

crc

9

EXEMPLO

Períodos em que P > Ic

Variação da Capacidade de Infiltração

Teor de Umidade do Solo

• É a quantidade de água presente no solo por ação da capilaridade. Se o solo, no início da precipitação, já apresenta uma certa umidade, ele terá uma capacidade de infiltração menor do que se estivesse seco. A máxima quantidade de água retida por capilaridade é conhecida como Capacidade de Campo.

f = taxa de infiltração no tempo t, em mm/h

fc = taxa de infiltração constante quando t , em mm/h; depende das características de permeabilidade do solo.

f0 = taxa de infiltração no instante inicial, em mm/h; depende do grau de umidade do solo.

k = constante empírica que depende do tipo de solo

t = intervalo de tempo, em horas

Métodos de Avaliação:

Variação da Infiltração

como o tempo, segundo

Horton

Medição Direta da Capacidade de Infiltração:

Infiltrômetro de Inundação

Anel Interno

Anel Externo

• Imediatamente após iniciada a aplicação de água, aciona-se o

cronômetro e a intervalos fixos de tempo, geralmente 10 min, procede-

se à leitura do nível de água.

• A medição deve prosseguir até que a variação do nível de água com o

tempo permaneça praticamente constante.

Capacidade de Infiltração

• V = volume infiltrado durante o tempo t, em cm3;

• a = área do cilindro interno, em cm3;

• h = altura de água infiltrada, em cm.

ahV

aVh

t

hf

60

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Conclusões • Infiltração é um processo que ocorre na camada superior do solo

• Para uma bacia hidrográfica ou uma área maior tem importante

variabilidade espacial

• O uso de uma equação de infiltração numa superfície como uma bacia

apresenta grandes incertezas

• Outra fonte importante de incertezas está relacionada com a determinação

dos parâmetros que variam no tempo e no espaço.

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Departamento de Engenharia Civil Disciplina : Hidrologia Aplicada (HIA)

Prof. Dr. Doalcey Antunes Ramos

Capítulo 6:

Evaporação e Evapotranspiração

Referências:

• ZAHED Fº, K & Mello Jr. A. V. Material de Aulas - Disciplina PHD2307 - Hidrologia Aplicada , Departamento de

Engenharia Hidráulica e Ambiental, Poli-USP, São Paulo, 2007.

• CARLOS E. M. TUCCI, Hidrologia - Ciência e Aplicação, Editora da Universidade / Edusp / ABRH, 1993, Porto Alegre.

• NAGHETTINI, M. Engenharia de Recursos Hídricos – Notas de Aula, Departamento de Engenharia Hidráulica e

Recursos Hídricos, EE-UFMG, Belo Horizonte, 1999.

• NASCIMENTO, N. O. Elementos de Hidrologia – Notas de Aula, Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio

ambiente e Recursos Hídricos, UFMG, Belo Horizonte, 2006.

18 18

6.1 - Conceitos

• A evaporação e a evapotranspiração ocorrem quando a água líquida é convertida para vapor de água e transferida, neste estado, para a atmosfera.

• O processo somente poderá ocorrer naturalmente se houver ingresso de energia no sistema, proveniente do sol, da atmosfera, ou de ambos e, será controlado pela taxa de energia, na forma de vapor de água que se propaga da superfície da Terra.

Evaporação

Superfície

líquida

Solo

Evapotranspiração

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Evaporação

É o conjunto de fenômenos de natureza física que transformam em vapor a

água da superfície do solo, a dos cursos d’água, lagos, reservatórios de

acumulação e mares.

Transpiração

É a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais. As plantas, através

de suas raízes, retiram do solo a água para suas atividades vitais. Parte

dessa água é cedida à atmosfera, sob a forma de vapor, através da

superfície das folhas.

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Evapotranspiração

Engloba tanto a evaporação como a transpiração vegetal mencionadas,

além de incluir a evaporação da água interceptada pela vegetação.

Evapotranspiração Potencial: é a máxima evapotranspiração que ocorreria se o solo

dispusesse de suprimento de água suficiente.

Evapotranspiração Real ou Efetiva: é a perda de água por evaporação e/ou transpiração,

nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo). Nos períodos de deficiência

de chuva em que os solos tornam-se mais secos, a evapotranspiração real é sempre

menor do que a potencial.

As taxas de evaporação, transpiração e evapotranspiração são dadas em unidades de

altura divididas por unidade de tempo : mm/dia ou mm/mês.

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Movimento da molécula de água entre as superfícies de

água e o ar

• Algumas moléculas vaporizam a uma taxa proporcional à temperatura da superfície.

• Outras condensam-se e voltam à superfície a uma taxa proporcional à pressão de

vapor do ar úmido.

Água líquida

Vapor de água

Condensação Vaporização

• Quando as taxas de condensação e vaporização se igualam não há evaporação : diz- se

que o ar está SATURADO.

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Fatores intervenientes

a) Grau de umidade relativa do ar atmosférico: quanto maior for a quantidade

vapor no ar atmosférico, menor a intensidade de evaporação.

b) Temperatura: a elevação da temperatura eleva o valor da pressão de saturação

do vapor, permitindo que maiores quantidades de vapor possam estar presentes

no mesmo volume de ar, para o estado de saturação.

c) Vento: pode atuar renovando o ar em contato com as massas de água ou com a

vegetação, afastando do local as massas de ar que já tenham grau de umidade

elevado.

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Fatores intervenientes

d) Radiação Solar: o calor radiante fornecido pelo Sol constitui a energia motora

para o próprio ciclo hidrológico.

e) Pressão Barométrica: só é apreciada para grandes variações de altitudes. Quanto

maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade de

evaporação.

f) Outros fatores: tamanho da superfície evaporante; estado da área vizinha;

salinidade da água; umidade do solo; composição e textura do solo; etc.

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Tanques Evaporimétricos (ou Evaporímetros)

São tanques que expões à atmosfera uma superfície líquida de água permitindo a determinação

direta da evaporação potencial diária.

Correlaciona a evaporação potencial (EP) com a evaporação medida no tanque (E):

Kp : coeficiente do tanque (depende do tipo de tanque e de outros parâmetros meteorológicos)

EKEP p

6.2 - Determinação Direta da Evaporação e Evapotranspiração

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• O mais usado em nível mundial é o TANQUE CLASSE A, que tem forma circular com um diâmetro

de 122 cm e profundidade de 25,4 cm. Construído em aço ou ferro galvanizado, deve ser pintado

na cor alumínio e instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo. Deve

permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior.

• O fator que relaciona a evaporação de um reservatório e do tanque classe A oscila entre 0,6 e

0,8, sendo 0,7 o valor mais utilizado.

26

Tanque Classe A

27

Tanque Classe A

Fonte : Sabesp

• É efetuada a leitura diária e comparada

com a leitura do dia anterior e calculada a

diferença entre as duas leituras.

• Se não houve chuva, a evaporação será a

diferença entre as duas leituras.

• Se houve chuva, soma-se a diferença à

altura pluviométrica diária para se obter a

evaporação.

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Tanque Classe A

Fonte : Sabesp

Termômetro Flutuante e

Micrômetro

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Atmômetros

São equipamentos que dispõem de um recipiente com água conectado a uma placa porosa, de onde ocorre a evaporação.

São instalados em abrigos meteorológicos.

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Evaporímetro de Piché:

É constituído de um tubo de vidro, de 25 cm de comprimento e 1,5 cm de diâmetro.

O tubo é graduado e fechado em sua parte superior; a abertura inferior é obturada por um papel-filtro padronizado, de 30 mm de diâmetro e de 0,5 mm de espessura.

O tubo é previamente enchido por água destilada, que se evapora progressivamente através do papel-filtro.

A diminuição do nível d’água no tubo permite calcular a taxa de evaporação.

Fáceis de instalar , operar e de boa portabilidade.

Indicam a tendência da evaporação, mas são muito pouco precisos, sendo os resultados limitados e indicativos.

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Evapotranspirômetros ou Lisímetros

A evapotranspiração pode ser medida através de instrumentos denominados evapotranspirômetros, cujo princípio de funcionamento encontra-se esquematizado na figura ao lado.

Se P representa a precipitação ( ou o volume irrigado expresso em altura equivalente) tal que o teor de umidade do solo seja mantido à sua capacidade máxima (capacidade de campo), então:

ETP = P – S

onde S representa o volume medido de água drenada por gravidade.

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Lisímetros de Percolação

coletor

Brita

Solo

SOLO

TANQUE

VEGETAÇÃO

S

DPIETP

ETP = evapotranspiração potencial, em mm/período ;

I = irrigação do tanque, em litros ;

P = precipitação pluviométrica no tanque, em litros ;

D = água drenada do tanque, em litros ;

S = área do tanque, em m2.

33 33

Método de Balanço de Massas

• Estima a evaporação através da Primeira Lei de Dalton que estabelece a relação entre evaporação

e pressão de vapor

Parâmetro – onde é introduzido o efeito do

vento por expressões empíricas Pressão de vapor de saturação

da superfície de água

Pressão de vapor do ar

numa coluna acima da

superfície

E0 = evaporação (em m/s)

es = pressão de saturação do vapor (em Pa)

ea = pressão de vapor (em Pa)

B = parâmetro empírico

6.3 - Determinação Indireta da Evaporação e Evapotranspiração

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Método de Penman

A evaporação potencial (EP) é obtida aplicando-se a equação:

4321 EEEEEP

E1 = f(t, n/D)

E2 = f(t, n/D, Ra)

E3 = f(t, n/D, h)

E4 = f(t, h, u2)

t = temperatura média (ºC)

u2 = velocidade do vento a 2 m do solo (m/s)

Ra = radiação incidente na atmosfera (cal/cm²/dia)(tabelado)

D = número máximo de horas de sol por dia (h) (tabelado)

n = número real de horas de sol por dia (insolação) (tabelado)

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Método de Thorntwaite

ETP = evapotranspiração potencial (mm/mês)

Tm = temperatura média mensal (oC)

I = índice de calor (somatória dos doze meses do ano)

b = fator de ajuste do comprimento do dia

N = máxima insolação diária (função da latitude e do mês) (tabelado)

amTbETP

492,001791,01071,7105,67 2638 IIIa

514,112

1 5

imT

I 12

Nb

A evapotranspiração potencial (ETP) é obtida aplicando-se a equação:

É muito utilizado em todas as regiões, já que se baseia somente na temperatura. É limitado, no entanto, por não considerar a influência do vento, e não permite estimar a ETP diária. É mais indicado para regiões úmidas.

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Método de Blaney-Criddle

ETP = evapotranspiração potencial, em mm/mês

K = coeficiente da cultura, adimensional, depende do tipo e estágio de crescimento

da cultura

p = porcentagem mensal de horas de insolação em relação ao total anual (em %)

t = temperatura média mensal do ar, em oC.

13,846,0 tpKETP

A evapotranspiração potencial (ETP) é obtida aplicando-se a equação:

É mais indicado para regiões áridas e semi-áridas.

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Porcentagem de Horas de Insolação

VALORES DE (p) SEGUNDO BLANEY - CRIDLE

LAT.

SUL

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

20º 9,2 8,0 8,5 7,8 7,8 7,4 7,7 8,0 8,1 8,7 8,9 9,3

22º 9,3 8,1 8,5 7,8 7,7 7,3 7,6 7,9 8,1 8,8 8,9 9,4

24º 9,4 8,1 8,6 7,8 7,6 7,2 7,5 7,9 8,1 8,8 9,0 9,5

38

Coeficientes

de Cultura

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Fórmulas Empíricas

E = taxa de evaporação

K = constante

f(u) = uma função da velocidade do vento

e0 = pressão de saturação à temperatura da superfície evaporante

eA = pressão parcial de vapor por sobre a superfície evaporante a uma

determinada altura

AeeufkE 0)(

40

Balanço Hídrico

Utilizado no estudo da água perdida por evaporação em reservatórios:

EP = evaporação potencial

I = entrada de água no sistema

P = precipitação

O = saída de água do sistema

D = drenagem profunda

DS = variação de armazenamento de água

DSDOPIEP