Hidro Cap5 Inf

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Hidrologia

Agosto/2006

CAPTULO 5. INFILTRAO5.1. Generalidades A infiltrao o nome dado ao processo pelo qual a gua atravessa a superfcie do solo. um processo de grande importncia prtica, pois afeta diretamente o escoamento superficial, que o componente do ciclo hidrlogico responsvel pelos processos de eroso e inundaes. Aps a passagem da gua pela superfcie do solo, ou seja, cessada a infiltrao, a camada superior atinge um alto teor de umidade, enquanto que as camadas inferiores apresentam-se ainda com baixos teores de umidade. H ento, uma tendncia de um movimento descendente da gua provocando um molhamento das camadas inferiores, dando origem ao fenmeno que recebe o nome de redistribuio. O perfil tpico de umidade do solo, durante a infiltrao, est apresentado esquematicamente na Figura a seguir.

Figura 23 - Perfil de umidade do solo durante a infiltrao.

Prof. Daniel Fonseca de Carvalho e Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva

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Zona de saturao: corresponde a uma camada de cerca de 1,5 cm e, como sugere o nome, uma zona em que o solo est saturado, isto , com um teor de umidade igual ao teor de umidade de saturao.

Zona de transio: uma zona com espessura em torno de 5 cm, cujo teor de umidade decresce rapidamente com a profundidade. Zona de transmisso: a regio do perfil atravs da qual a gua transmitida. Esta zona caracterizada por uma pequena variao da umidade em relao ao espao e ao tempo. Zona de umedecimento: uma regio caracterizada por uma grande reduo no teor de umidade com o aumento da profundidade. Frente de umedecimento: compreende uma pequena regio na qual existe um grande gradiente hidrulico, havendo uma variao bastante abrupta da umidade. A frente de umedecimento representa o limite visvel da movimentao de gua no solo. 5.2. Anlise fsico-matemtica do processo de infiltrao da gua no solo O movimento da gua em um solo no-saturado pode ser descrito pela equao de Darcy, originalmente deduzida para solos saturados e representada pela equao:H z

q = Ko .

em que: q = densidade de fluxo, mm.h-1; Ko = condutividade hidrulica do solo saturado, mm.h-1; H = potencial total da gua no solo, mm; e z = distncia entre os pontos considerados, mm.Prof. Daniel Fonseca de Carvalho e Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva61

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A razo entre a taxa de variao do potencial da gua no solo, ao longo da distncia por ela percorrida ( H / z ), denomina-se gradiente hidrulico, representando a fora responsvel pelo escoamento da gua no solo. O sinal negativo na equao de Darcy indica que o escoamento se estabelece do maior para o menor potencial. Na equao de Darcy para solos saturados, evidencia-se que as condies imprescindveis para que se estabelea o movimento da gua no solo so a existncia de uma diferena no potencial entre os pontos considerados e um meio poroso condutivo, isto , a condutividade hidrulica do solo no pode ser nula. Se ambas as condies no forem satisfeitas, o escoamento da gua no solo no ocorrer. A relao linear entre a densidade de fluxo e o gradiente hidrulico s verificada em condies de escoamento laminar, tornando a equao de Darcy vlida somente sob esta condio. Outra limitao para o emprego desta equao refere-se velocidade de escoamento muito baixa, ou seja, um gradiente hidrulico muito pequeno. A aplicao da equao de Darcy, para condies de solos no-saturados, exige que seja considerada tambm a variao da condutividade hidrulica com o teor de umidade do solo, tendo esta como limite superior o prprio valor da condutividade hidrulica do solo saturado. Nesse caso, o potencial da gua no solo tem dois componentes, o gravitacional e o matricial, sendo representado pela equao:H=+Z

em que: = potencial matricial da gua no solo, mm; e Z = potencial gravitacional da gua no solo, mm. Nessas condies, a equao de Darcy torna-se: ( + Z) z62

q = K () .

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em que: K() a condutividade hidrulica do solo para um teor de umidade , mm.h-1. A taxa de infiltrao da gua no solo alta no incio do processo de infiltrao, particularmente quando o solo est inicialmente muito seco, mas tende a decrescer com o tempo, aproximando-se assintoticamente de um valor constante, denominado taxa de infiltrao estvel (muito conhecida por velocidade de infiltrao bsica da gua no solo - VIB). Este comportamento pode ser compreendido a partir da aplicao da equao de Darcy s condies de escoamento, em meio no-saturado. No incio do processo, a valor da profundidade da frente de umedecimento pequeno. Desta forma, ter-se- um valor do gradiente hidrulico muito elevado e, portanto, uma taxa de infiltrao alta. Com o tempo, o valor de Z vai aumentando at que o gradiente hidrulico [ ( + Z ) / Z ] vai tendendo a 1 e, conseqentemente, a taxa de infiltrao tende a um valor aproximadamente igual condutividade hidrulica do solo saturado, a qual aproxima-se da prpria VIB. Um solo mais mido ter, inicialmente, uma menor taxa de infiltrao devido a um menor gradiente hidrulico (menor diferena no potencial matricial da gua no solo), e mais rapidamente a taxa de infiltrao se tornar constante. A Figura 24 representa a variao da taxa de infiltrao e da infiltrao acumulada, para um mesmo solo sob duas condies iniciais de umidade, isto , seco e mido.

5.3. Grandezas Caractersticas5.3.1. Capacidade de infiltrao (CI) a quantidade mxima de gua que pode infiltrar no solo, em um dado intervalo de tempo, sendo expresso geralmente em mm.h-1. A capacidade de infiltrao s atingida durante uma chuva se houver excesso de precipitao. Caso contrrio, a taxa de infiltrao da gua do solo no mxima, no seProf. Daniel Fonseca de Carvalho e Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva63

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igualando capacidade de infiltrao. A CI apresenta magnitude alta no incio do processo e com o transcorrer do mesmo, esta atinge um valor aproximadamente constante aps um longo perodo de tempo. Da mesma forma como citado anteriormente, este valor denominado taxa de infiltrao estvel, comumente conhecido com VIB (Figura 24).

Figura 24 Velocidade de infiltrao e infiltrao acumulada em funo do tempo para solo inicialmente seco e mido. 5.3.2. Taxa (velocidade) de Infiltrao A taxa de infiltrao definida como a lmina de gua (volume de gua por unidade de rea) que atravessa a superfcie do solo, por unidade de tempo. A taxa de infiltrao pode ser expressa em termos de altura de lmina dgua ou volume dgua por unidade de tempo (mm.h-1). A equao a seguir, representa a taxa de infiltrao de gua no solo, correspondendo variao da infiltrao acumulada ao longo do tempo:

TI =em que:

dI dT

TI = taxa de infiltrao da gua no solo, mm.h-1; I = infiltrao acumulada, mm; e T = tempo, h.Prof. Daniel Fonseca de Carvalho e Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva64

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Como foi dito anteriormente, se em um solo com baixa capacidade de infiltrao aplicarmos gua a uma taxa elevada, a taxa de infiltrao ser correspondente capacidade de infiltrao daquele solo. Dever existir empoamento da gua na superfcie e o escoamento superficial daquela gua aplicada na taxa excedente capacidade de infiltrao do solo poder ocorrer. medida que vai-se adicionando gua no solo, a frente de umedecimento vai atingindo uma profundidade cada vez maior, diminuindo a diferena de umidade entre essa frente e a camada superficial, que vai se tornando cada vez mais mida. Com isto, a TI vai se reduzindo substancialmente at um valor praticamente constante, caracterstico de cada tipo de solo, e que recebe o nome de taxa de infiltrao estvel ou VIB. Portanto, a TI depende diretamente da textura e estrutura do solo e, para um mesmo solo, depende do teor de umidade na poca da chuva ou irrigao, da sua porosidade e da existncia de camada menos permevel (camada compactada) ao longo do perfil (Figura 25). Quando uma precipitao atinge o solo com intensidade menor do que a capacidade de infiltrao, toda a gua penetra no solo, provocando progressiva diminuio na prpria CI. Persistindo a precipitao, a partir de um tempo t = tp, representado na Figura 25, a taxa de infiltrao iguala-se capacidade de infiltrao, passando a decrescer com o tempo e tendendo a um valor constante, aps grandes perodos de tempo, caracterizado como a condutividade hidrulica do solo saturado (Ko).

Figura 25 Variao da velocidade de infiltrao com o tempo.

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A Figura 26 mostra o desenvolvimento tpico das curvas representativas da evoluo temporal da infiltrao real e da capacidade de infiltrao com a ocorrncia de uma precipitao. A partir do tempo t = A, o solo comea aumentar seu teor de umidade, consequentemente a capacidade de infiltrao diminui. No tempo t = B, a velocidade de infiltrao iguala-se capacidade de infiltrao, que continua decrescendo. Portanto, a partir desse instante, inicia-se o escoamento superficial. No tempo t = C, a chuva termina, e o solo comea a perder umidade por evaporao/transpirao. A partir deste momento, a capacidade de infiltrao comea aumentar at que uma outra precipitao ocorra, quando o processo descrito se repete.Taxa e Cap. de Infiltrao

tempo de encharcamento escoamento superficial cap. de infiltrao B C

Taxa e cap. de infiltrao

volume infiltrado

precip.

A

Tempo

Figura 26 - Curvas de capacidade e velocidade de infiltrao.

Portanto, Ip CI Ip > CI TI = Ip CI = TI no h escoamento superficial. h acmulo de gua na superfcie e possibilidade de ocorrer escoamento superficial.

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