Infiltração

INFILTRAÇÃO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁSDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

HIDROLOGIA APLICADA

Prof. Heber Martins de Paula

InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo, ouseja, é o processo pelo qual a água proveniente da precipitação penetrano solo, movendo-se para baixo, através dos vazios, sob a ação dagravidade, até atingir uma camada suporte, que a retém, formando entãoa água do solo.

Trata-se de um processo que depende fundamentalmente:• água disponível para infiltrar;

DEFINIÇÃO E CONCEITOS

• água disponível para infiltrar;• da natureza do solo;• do estado da superfície;• das quantidades de água e ar inicialmente no interior do solo.

A medida em que a água infiltra pela superfície, as camadas superiores do solovão umedecendo de cima para baixa, alterando gradativamente o perfil deumidade.

Enquanto há precipitação ou aporte de água, o perfil de umidade tende àsaturação em toda a profundidade, sendo a superfície, naturalmente, o primeironível a saturar.


Normalmente, a infiltração decorrente de precipitações naturais não é capaz desaturar todo o solo, restringindo-se a saturar, quando consegue apenas ascamadas próximas à superfície, conformandoconformandoconformandoconformando umumumum perfilperfilperfilperfil típicotípicotípicotípico ondeondeondeonde oooo teorteorteorteor dedededeumidadeumidadeumidadeumidade decrescedecrescedecrescedecresce comcomcomcom aaaa profundidadeprofundidadeprofundidadeprofundidade.

Ao cessar a infiltração a umidade no interior do solo se redistribui, evoluindopara um perfil de umidade inverso, com menores teores de umidade no nívelpróximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas.

Nem toda umidade é drenada para as camadas mais profundas do solo, já queparte é transferida para a atmosfera por evapotranspiração.

Em solos naturais o fenômeno da infiltração pode ser ainda mais complexo seos horizontes, desde a superfície até a zona de alteração próxima à rocha, tiveremtexturas e estruturas diferenciadas, apresentando comportamentos hidráulicosdiferentes.


FASES DA INFILTRAÇÃO

IntercâmbioIntercâmbioIntercâmbioIntercâmbio ---- ocorreocorreocorreocorre nananana camadacamadacamadacamada superficialsuperficialsuperficialsuperficial dededede terreno,terreno,terreno,terreno, ondeondeondeonde asasasaspartículaspartículaspartículaspartículas dededede águaáguaáguaágua estãoestãoestãoestão sujeitassujeitassujeitassujeitas aaaa retornarretornarretornarretornar àààà atmosferaatmosferaatmosferaatmosfera porporporpor aspiraçãoaspiraçãoaspiraçãoaspiraçãocapilar,capilar,capilar,capilar, provocadaprovocadaprovocadaprovocada pelapelapelapela açãoaçãoaçãoação dadadada evaporaçãoevaporaçãoevaporaçãoevaporação ouououou absorvidaabsorvidaabsorvidaabsorvida pelaspelaspelaspelas raízesraízesraízesraízesdasdasdasdas plantasplantasplantasplantas;;;;

DescidaDescidaDescidaDescida –––– dádádádá----sesesese oooo deslocamentodeslocamentodeslocamentodeslocamento verticalverticalverticalvertical dadadada águaáguaáguaágua quandoquandoquandoquando oooo pesopesopesopesoDescidaDescidaDescidaDescida –––– dádádádá----sesesese oooo deslocamentodeslocamentodeslocamentodeslocamento verticalverticalverticalvertical dadadada águaáguaáguaágua quandoquandoquandoquando oooo pesopesopesopesoprópriopróprioprópriopróprio superasuperasuperasupera aaaa adesãoadesãoadesãoadesão eeee aaaa capilaridadecapilaridadecapilaridadecapilaridade;;;;

CirculaçãoCirculaçãoCirculaçãoCirculação –––– devidodevidodevidodevido aoaoaoao acúmuloacúmuloacúmuloacúmulo dadadada água,água,água,água, oooo solosolosolosolo ficaficaficafica saturadosaturadosaturadosaturadoformandoformandoformandoformando----sesesese osososos lençóislençóislençóislençóis subterrâneossubterrâneossubterrâneossubterrâneos.... AAAA águaáguaáguaágua escoaescoaescoaescoa devidodevidodevidodevido ààààdeclividadedeclividadedeclividadedeclividade dasdasdasdas camadascamadascamadascamadas impermeáveisimpermeáveisimpermeáveisimpermeáveis....

GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS

� CapacidadeCapacidadeCapacidadeCapacidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração ((((fpfpfpfp))))É a quantidade máxima de água que um solo em determinadas condiçõespode absorver, na unidade de tempo por unidade de área horizontal. Ela variano decorrer da chuva.

A penetração da água no solo, na razão da sua capacidade de infiltração,A penetração da água no solo, na razão da sua capacidade de infiltração,verifica-se somente quando a intensidade da precipitação excede acapacidade do solo em absorver a água, isto é, quando a precipitação éexcedente. Surge a chamada TaxaTaxaTaxaTaxa RealRealRealReal dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração....

A Taxa Real de Infiltração acontece quando há disponibilidade de água parapenetração no solo.


� CapacidadeCapacidadeCapacidadeCapacidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração ((((fpfpfpfp))))Uma curva de taxas reais de infiltração no tempo somente coincide com acurva das capacidades de infiltração do solo, quando o aporte superficial deágua tem intensidade superior ou igual à capacidade de infiltração.

Em um solo em que cessou a infiltração, parte da água no seu interiorEm um solo em que cessou a infiltração, parte da água no seu interiorpropaga-se para camadas mais profundas e parte é transferida para aatmosfera por evaporação ou por transpiração dos vegetais. EsseEsseEsseEsse processoprocessoprocessoprocesso fazfazfazfazcomcomcomcom quequequeque oooo solosolosolosolo vávávává recuperandorecuperandorecuperandorecuperando suasuasuasua capacidadecapacidadecapacidadecapacidade dededede infiltraçãoinfiltraçãoinfiltraçãoinfiltração, tendendo a umlimite superior a medida em que as camadas superiores do solo vão setornando mais secas.

Sendo :Sendo :Sendo :Sendo :I I I I ---- Intensidade da Intensidade da Intensidade da Intensidade da precipitaçãoprecipitaçãoprecipitaçãoprecipitaçãoI < f I < f I < f I < f →→→→ não há escoamento superficialnão há escoamento superficialnão há escoamento superficialnão há escoamento superficialI I I I > f > f > f > f →→→→ o o o o excesso forma escoamento superficial (RUNOFF).excesso forma escoamento superficial (RUNOFF).excesso forma escoamento superficial (RUNOFF).excesso forma escoamento superficial (RUNOFF).


� CapacidadeCapacidadeCapacidadeCapacidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração ((((fpfpfpfp))))

Quando termina a precipitação e nãohá mais aporte de água à superfíciedo solo, a taxa de infiltração realanula-se rapidamente e a capacidadede infiltração volta a crescer, porque osolo continua a perder umidade parasolo continua a perder umidade paraas camadas mais profundas (além dasperdas por evapotranspiração). AFigura 01 mostra o desenvolvimentotípico das curvas representativas daevolução temporal da infiltração real eda capacidade de infiltração com aocorrência de uma precipitação. Figura 01Figura 01Figura 01Figura 01


� VelocidadeVelocidadeVelocidadeVelocidade dededede FiltraçãoFiltraçãoFiltraçãoFiltraçãoÉ a velocidade média do escoamento da água através de um solo saturado,determinada pela relação entre a quantidade de água que atravessa a unidadede área do material do solo e o tempo .

Pode ser expressa em Pode ser expressa em

m/s; m/dia; m3/m2 por dia.


� MedidasMedidasMedidasMedidas DiretasDiretasDiretasDiretas dededede CapacidadeCapacidadeCapacidadeCapacidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração porporporpor InfiltrômetrosInfiltrômetrosInfiltrômetrosInfiltrômetros

Figura 02Figura 02Figura 02Figura 02

Figura 03Figura 03Figura 03Figura 03


� MedidasMedidasMedidasMedidas DiretasDiretasDiretasDiretas dededede CapacidadeCapacidadeCapacidadeCapacidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração porporporpor InfiltrômetrosInfiltrômetrosInfiltrômetrosInfiltrômetrosNormalmente, as medidas de capacidade de infiltração através deinfiltrômetros são apresentadas em gráficos e tabelas como os mostrados aseguir:

1 2 3 4 5Tempo Volume Lido Variação do Volume Altura da Lâmina Capacidade de InfiltraçãoTempo Volume Lido Variação do Volume Altura da Lâmina Capacidade de Infiltração(min) (cm3) (cm3) (mm) (mm/h)

A coluna 4 é calculada dividindo-se a variação de volume pela árealimitada pelo cilindro interno,tendo o devido cuidado com asunidades de medida. A coluna 5 écalculada dividindo o valorcalculado na coluna 4 pelavariação de tempo correspondenteem horas .Figura 04Figura 04Figura 04Figura 04

FATORES QUE AFETAM A CAPACIDADE DEINFILTRAÇÃO

� PermeabilidadePermeabilidadePermeabilidadePermeabilidade dodododo SoloSoloSoloSolo (Velocidade(Velocidade(Velocidade(Velocidade dededede InfiltraçãoInfiltraçãoInfiltraçãoInfiltração dadadada água)água)água)água)

A permeabilidade do solo, que pode ser afetada por outros fatores comocobertura vegetal, compactação, infiltração dos materiais finos etc., é fatorpreponderante no fenômeno da infiltração da água.

Velocidade de infiltração de água em solo sob diferentes usos (taxa após 9 horas)Figura 05Figura 05Figura 05Figura 05

FATORES QUE AFETAM A CAPACIDADE DEINFILTRAÇÃO

� UmidadeUmidadeUmidadeUmidade dodododo SoloSoloSoloSolo

Um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial devido ao fato de sesomarem às forças gravitacionais e às de capilaridade o fato do solo ter maiorcapacidade para absorver a água.

� TemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura dodododo SoloSoloSoloSoloTemperaturaTemperaturaTemperaturaTemperatura dodododo SoloSoloSoloSolo

Escoamento no solo é laminar (tranquilo) em função da viscosidade da

água. Quanto maior a temperatura maior a infiltração de água no solo

CÁLCULO DA INFILTRAÇÃO PONTUAL� EquaçãoEquaçãoEquaçãoEquação dededede HortonHortonHortonHorton

Horton (1939) estabeleceu para o caso de um solo submetido a umaprecipitação com intensidade sempre superior à capacidade de infiltração,uma relação empírica para representar o decaimento da infiltração com otempo (ramo B-C da Figura 1), que pode ser apresentada da seguinte forma:

( ) kt

coc effff −−+=

c

co

F

ffk

−=

Onde:t=tempo decorrido desde a saturação superficial do solo; f = capacidade de infiltração no tempo t, f0 = capacidade de infiltração inicial, fc= capacidade de infiltração final e Fc = área do gráfico Curva de Infiltração

CÁLCULO DA INFILTRAÇÃO PONTUAL� EquaçãoEquaçãoEquaçãoEquação dededede HortonHortonHortonHorton

A capacidade mínima de infiltração fc, teoricamente seria igual àcondutividadecondutividadecondutividadecondutividade hidráulicahidráulicahidráulicahidráulica saturadasaturadasaturadasaturada KsatKsatKsatKsat,,,, se não houvesse o efeito do araprisionado no interior do solo, dificultando a infiltração. Por isso, fc énormalmente menor que Ksat.

ObservaçãoObservaçãoObservaçãoObservação:::: AAAA condutividadecondutividadecondutividadecondutividade hidráulicahidráulicahidráulicahidráulica éééé oooo parâmetroparâmetroparâmetroparâmetro quequequeque traduztraduztraduztraduz aaaa facilidadefacilidadefacilidadefacilidadeObservaçãoObservaçãoObservaçãoObservação:::: AAAA condutividadecondutividadecondutividadecondutividade hidráulicahidráulicahidráulicahidráulica éééé oooo parâmetroparâmetroparâmetroparâmetro quequequeque traduztraduztraduztraduz aaaa facilidadefacilidadefacilidadefacilidadequequequeque aaaa águaáguaáguaágua sesesese movimentamovimentamovimentamovimenta aoaoaoao longolongolongolongo dodododo perfilperfilperfilperfil dededede solosolosolosolo....

CÁLCULO DA INFILTRAÇÃO PONTUAL� ExemploExemploExemploExemplo::::

A partir de dados de infiltração observados em campo, é possível obter a curvade infiltração e calcular a lâmina infiltrada utilizando-se a equação de Horton.Estabeleça a equação da capacidade de infiltração de Horton a partir daTabela 01.

Tempo Capacidade de Infiltração

(horas) (cm/hora)

1 3,4

1. Faça um gráfico da capacidade de infiltração x tempo1 3,4

2 2,9

3 2,6

4 2,3

5 2,1

6 1,9

7 1,8

8 1,7

9 1,6

10 1,5

infiltração x tempo2. Determine fc e f03. Determine K


1.

3

3,5

4

Capacidade de Infiltração




Curva de InfiltraçãoCurva de InfiltraçãoCurva de InfiltraçãoCurva de Infiltração

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10





(cm/h)

(cm/h)

(cm/h)

(cm/h)

Tempo (horas)Tempo (horas)Tempo (horas)Tempo (horas)


2. fc=1,5 cm/hora

fo=3,4 cm/hora

3.co

F

ffk

−=

Tempo Capacidade de Infiltração Fci

(horas) (cm/hora) (cm)

1 3,4

2 2,9 1,65

3 2,6 1,25

Equação de Infiltração neste caso:

cF3 2,6 1,25

4 2,3 0,95

5 2,1 0,7

6 1,9 0,5

7 1,8 0,35

8 1,7 0,25

9 1,6 0,15

10 1,5 0,05

Fc 5,85

325,085,5

5,14,3=

−=k

tef 325,09,15,1

−+=

PRECIPITAÇÃO EFETIVA� SuponhamosSuponhamosSuponhamosSuponhamos umaumaumauma seçãoseçãoseçãoseção dededede cursocursocursocurso d’água,d’água,d’água,d’água, aaaa quequequeque correspondacorrespondacorrespondacorresponda determinadadeterminadadeterminadadeterminada

baciabaciabaciabacia hidrográficahidrográficahidrográficahidrográfica....

Seja h, a altura total da precipitação

Nem toda a água precipitada na bacia influenciará o escoamento, isto é, a influenciará o escoamento, isto é, a

vazão na seção em estudo

PRECIPITAÇÃO EFETIVASe designarmos por:

� D D D D ---- as perdas por evapotranspiração expressos em mm de altura de chuva

� R R R R ---- as águas que ficam retidas quer em lençóis subterrâneos, quer em geleiras e neves expressas também em mm

� R’R’R’R’---- as águas restituídas por geleiras, neves e escoamentos subterrâneos, provenientes de precipitações em períodos precedentes, também expressas em mm.em mm.

Teremos então que, relativamente a um mesmo período de tempo, porexemplo, em um ano:

ehRRDh '....

em que he = altura eficaz da precipitação correspondente à precipitação na bacia, diminuída das perdas por evapotranspiração, das águas que ficaram retidas no solo através da infiltração (águas subterrâneas, gelos, mares etc.) e acrescidas da restituição feita de águas retidas em períodos anteriores. Será a altura média da lâmina de água, que precipitada uniformemente sobre a referida bacia, representaria o volume total de água que iria influenciar o escoamento na seção do curso de água em estudo.

PRECIPITAÇÃO EFETIVA� RELAÇÕESRELAÇÕESRELAÇÕESRELAÇÕES FUNCIONAISFUNCIONAISFUNCIONAISFUNCIONAIS

De acordo com o método apresentado pelo SCS (Soil Conservation service-1957) a relação entre precipitação total e precipitação efetiva, durante umacheia, aproximando-se da seguinte expressão:

P

P

S

d e=*

Volume Infiltrado

Capacidade máxima

Precipitação Efetiva

Precipitação Total====

PS * Capacidade máxima Precipitação Total

Onde:Pe=precipitação efetiva ou seja, a precipitação que gera escoamento superficialP=a precipitação totald= P d= P d= P d= P ---- PePePePeS=capacidade de infiltração *

2

SP

PPe

+=

PRECIPITAÇÃO EFETIVA� RELAÇÕESRELAÇÕESRELAÇÕESRELAÇÕES FUNCIONAISFUNCIONAISFUNCIONAISFUNCIONAIS

Alguns autores verificam que em média, as perdas iniciais representavam 20%da capacidade máxima SSSS ==== S*S*S*S* ---- IIIIaaaa, ou seja, IIIIaaaa ==== 0000,,,,2222SSSS

( )SP

SPPe

8,0

2,02

+

−=

SP 8,0+

Esta equação é válida para P>0,2S quando P<0,2S, Pe=0. Para determinar acapacidade máxima da camada superior do solo S, os autores relacionaramesse perímetro da bacia com um fator CN pela seguinte expressão:

25425400

−=CN

S

PRECIPITAÇÃO EFETIVA•Esta expressão foi obtida em unidades métricas. •A equação original em unidades inglesas, estabelece o valor de CN numa escala de 1 a 100. •Esta escala retrata as condições de cobertura e solo, variando desde uma cobertura muito impermeável (limite inferior) até uma cobertura completamente permeável ( limite superior ). Esse fator foi tabelado para diferentes tipos de solo e cobertura.

Os tipos de solos intensificados nas referidas tabelas são os seguintes:•Solo A: Solo A: Solo A: Solo A: solos que produzem baixo escoamento superficial e alta infiltração. Solos arenosos profundos com pouco silte e argila;profundos com pouco silte e argila;

•Solo B: Solo B: Solo B: Solo B: solos menos permeáveis do que o anterior, solos arenosos menos profundos do que o tipo A e com permeabilidade superior à média;

•Solo C: Solo C: Solo C: Solo C: solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da média, contendo percentagem considerável de argila. Pouco profundo;

•Solo D: Solo D: Solo D: Solo D: solos contendo argila expansiva e pouco profundos, com muito baixa capacidade de infiltração, gerando maior proporção de escoamento superficial.

Utilização ou cobertura do solo A B C D

Zona: cultivada: sem conservação do solo 72 81 88 91

com conservação do solo 62 71 78 81

Pastagens ou terrenos em más condições 68 79 86 89

Baldios em boas condições 39 61 74 80

Prado em boas condições 30 58 71 78

Bosques ou zonas de cobertura ruim 45 66 77 83

Florestais: cobertura boa 25 55 70 77

Espaços abertos, relevados, parques, campos

de golf,

cemitérios, boas condições

Com relva em mais de 75% da área 39 61 74 80

Com relva de 50 a 75% da área 49 69 79 84

Zonas comerciais e de escritórios 89 92 94 95

Zonas industriais 81 88 91 93

•Os valores das constantes na Tabela referem-se a condições médias de umidade antecedente.

Zonas industriais 81 88 91 93

Zonas residenciais

Lotes de (m²) % média impermeável

<500 65 77 85 90 92

1000 38 61 75 83 87

1300 30 57 72 81 86

2000 25 54 70 80 85

4000 20 51 68 79 84

Parques de estacionamento, telhados,

viadutos, etc. 98 98 98 98

Arruamentos e estradas asfaltadas e com

drenagem 98 98 98 98

de águas pluviais

paralelepípedos 76 85 89 91

terra 72 82 87 89

•Os autores apresentam correções aos valores tabelados para situações diferentes da média. As condições consideradas são as seguintes:

•AMC I – situação em que os solos estão secos. No estágio de crescimento, a precipitação acumulada dos cinco dias anteriores é menor que 36mm e em outro período, menor que 13mm;

•AMC II – situação média em que os solos correspondem a umidade da capacidade

PRECIPITAÇÃO EFETIVA

•AMC II – situação média em que os solos correspondem a umidade da capacidade de campo;

•AMC III – situação em que ocorrem precipitações consideráveis nos cinco dias anteriores e o solo encontra-se saturado. No período de crescimento, as precipitações acumuladas nos cinco dias anteriores, são maiores que 53mm e no outro maior que 28mm.

Na Tabela 5.7 é apresentada a correspondência entre a situação media das outras tabelas e as condições de umidade que se diferenciam.

Valores médiosValores corrigidos

AMCIValores corrigidos

AMCIII100 100 10095 87 9890 78 9685 70 9480 63 9175 57 8870 51 8565 45 82

PRECIPITAÇÃO EFETIVA

65 45 8260 40 7855 35 7450 31 7045 26 6540 22 6035 18 5530 15 5025 12 4320 9 3715 6 3010 4 225 2 13

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