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  1. 1. DEFINIÇÃO, FASES E CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO... UNI 129 - HIDROLOGIA E SISTEMAS DE DRENAGEM ENGENHARIA AMBIENTAL/CIVIL DOCENTE: AUDENICE SILVA
  2. 2. DEFINIÇÃO, FASES E CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO... Infiltração é o processo pelo qual a água penetra no solo e se move para baixo, em direção ao lençol freático, devido à ação da gravidade e ao potencial capilar. A água que penetra no solo é armazenada e pode ou não movimentar-se através de percolação ou drenagem. A capacidade de infiltração designa-se por f e a unidade utilizada é mm/h.
  3. 3. IMPORTÂNCIA DA DETERMINAÇÃO DA INFILTRAÇÃO A infiltração determina o balanço de água na zona radicular e, por isso, o conhecimento desse processo e suas relações com as propriedades do solo é de fundamental importância para o eficiente manejo do solo e da água, visto que, é um processo responsável pela erosão e as inundações. O conhecimento do processo de infiltração também fornece subsídios para o dimensionamento de reservatórios, estruturas de controle de erosão e de inundação, canais e sistemas de irrigação e drenagem (BRANDÃO, 2003).
  4. 4. PREPARO E MANEJO DO SOLO Segundo (Pruski et al, 1997) em geral, quando se prepara o solo, a capacidade de infiltração tende aumentar, em razão da quebra da estrutura da camada superficial. No entanto, se as condições de preparo e manejo forem inadequadas, sua capacidade de infiltração poderá tornar-se inferior à de um solo sem preparo, principalmente se a cobertura vegetal for removida. Uma vez formado o selamento superficial e, em muitos casos, este é estabelecido muito rapidamente após as primeiras precipitações, a taxa de infiltração da água no solo é consideravelmente reduzida.
  5. 5. AS FASES DE INFILTRAÇÃO DE ÁGUA DE CHUVA NO TERRENO SÃO: Fase de intercâmbio: ocorre na camada superficial de terreno, onde as partículas de água estão sujeitas a retornar à atmosfera, seja devido ao fenômeno à aspiração capilar provocada pela evaporação à superfície, seja devido ao fenômeno de transpiração das plantas; Fase de descida: a ação da gravidade superando a capilaridade, obriga o escoamento descendente da água até atingir camada impermeável; Fase de circulação: saturado o solo, formam-se os lençóis subterrâneos. A água escoa devido à declividade das camadas impermeáveis.
  6. 6. TIPOS DE LENÇÓIS Lençol Freático: quando uma das superfícies não é impermeável (livre). Pressão = Patm Lençol Cativo ou Confinado: quando está confinado entre duas camadas impermeáveis. Pressão ≠ Patm
  7. 7. NOS LENÇÓIS FREÁTICOS PODEMOS DISTINGUIR DUAS ZONAS 1º Zona (parte superior): ocupada por água de capilaridade (franja capilar), cuja altura depende do material do solo. Areias Finas: 30 < hc < 60 cm Argilas: hc ≤ 3,0 m 2º Zona: ocupada pela água do lençol e compreendida entre a franja capilar e a camada impermeável. Lee, 1980 Franja capilar: Zona onde ocorre um intenso movimento ascendente de água a partir da zona de saturação, por fenômenos de capilaridade.
  8. 8. GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO 1 – Capacidade de infiltração (f) é a quantidade de água máxima que um solo, em condições preestabelecidas, pode absorver por unidade de superfície horizontal, durante a unidade de tempo. Pode ser medida pela altura de água que se infiltrou (lâmina- volume de água por unidade de área), expressa em mm/hora, e é uma grandeza que caracteriza o fenômeno da infiltração em suas fases de intercâmbio e de descida.
  9. 9. CURVAS DE CAPACIDADE E TAXA DE INFILTRAÇÃO Quando termina a precipitação e não há mais aporte de água à superfície do solo, a taxa de infiltração real anula-se rapidamente e a capacidade de infiltração volta a crescer, porque o solo continua a perder umidade para as camadas mais profundas (além das perdas por evapotranspiração). i = Taxa de infiltração; I = Infiltração acumulada; t = Tempo.
  10. 10. GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS DE INFILTRAÇÃO 2) Distribuição granulométrica: é a distribuição das partículas constitutivas de solos granulares em função das dimensões das mesmas. D10 = diâmetro efetivo (Diâmetro das partículas correspondentes a 10% do peso total da amostra). Cu= Coeficiente de uniformidade (Indica a falta de uniformidade: ↓ Cu ↑ uniforme) Muito uniforme: Cu <; Média uniformidade: 5 < Cu < 15; Desuniforme >15. 10 60 D D Cu = ÍNDICE
  11. 11. CURVA GRANULOMÉTRICA Diâmetro Porcentagemquepassa(%) d60dmenor grão dmaior grão 10 60 d d CU = Pela ABNT 6502/95 na nomenclatura das partPela ABNT 6502/95 na nomenclatura das partíículasculas
  12. 12. 3) Porosidade de um solo: é a relação entre volume de vazios e o volume total do solo; geralmente é expressa em porcentagem. 4) Velocidade de infiltração: é a velocidade média fictícia de escoamento da água através de um solo saturado, considerando-se como seção de escoamento não apenas a soma das seções dos interstícios (poro), mas toda a superfície atuante. Numericamente é igual à quantidade de água que passa através da unidade de superfície de material filtrante durante a unidade de tempo. É expressa em m/s, ou em m/dia, ou em m3/m2dia, ou ainda em mm/s. dx dh Kv = unitária.cargah dade,permeabilideecoeficientK fictícia,evelocidadv :Onde = = = t v V V =η LEI DE DARCY
  13. 13. 5) Coeficiente de permeabilidade (K): é a velocidade de filtração da água em um solo saturado, quando se tem um escoamento com perda de carga unitária a uma certa temperatura. Esse coeficiente mede a maior ou menor facilidade que cada solo, quando saturado, oferece ao escoamento da água através de seus interstícios. Expresso em m/dia, cm/s, m3/m2dia. A permeabilidade depende principalmente da porosidade, da granulometria e das formas dos grãos. 6) Suprimento específico: é a quantidade máxima de água que se pode obter de um solo saturado por meio de drenagem natural. Geralmente é expresso em porcentagem de solo saturado. 7) Retenção específica: é a quantidade de água que fica retida (por adesão e capilaridade) no solo, após este ser submetido a um máximo de drenagem natural. Expressa em porcentagem do volume do solo saturado. Retenção especifica = Porosidade − Suprimento específico
  14. 14. FATORES QUE AFETAM A CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO Umidade do solo, permeabilidade do solo, temperatura do solo e profundidade da camada impermeável. Um solo seco tem maior capacidade de infiltração porque se somam as forças gravitacionais e de capilaridade. A cobertura vegetal, a compactação, a presença de materiais finos ou grossos são preponderantes no fenômeno da infiltração.
  15. 15. EFEITOS DA IMPERMEABILIZAÇÃO DO SOLO Uma pessoa tende a impermeabilizar em média, 50 m²; O tempo de concentração é reduzido quando ocorre a impermeabilização; Alterações climáticas.
  16. 16. MEDIDAS DE INFILTRAMEDIDAS DE INFILTRAÇÇÃOÃO O equipamento para medir a infiltração pode ser por infiltrômetro ou simulador de chuva. Infiltrômetro é constituído por dois cilindros concêntrico e um dispositivo de medir volumes de água, aduzida ao cilindro interno. Destinados a determinação direta da capacidade de infiltração do solo.
  17. 17. As indicações fornecidas por este tipo de aparelho não são absolutos, devido a diversas causas de erro: 1. Ausência do efeito da compactação produzida pela água da chuva; 2. Fuga de ar retido pela área externa aos tubos; 3. Deformação da estrutura do solo com a cravação dos tubos.
  18. 18. Tubos cilíndricos concêntricos de chapa metálica cujo diâmetros (Ø) variam entre 200 – 900 mm; Cravados no solo por meio de um macaco hidráulico. A finalidade do tubo externo é manter verticalmente o fluxo de água; coloca-se o filme plástico; Aplica-se água em ambos os cilindros mantendo uma lâmina líquida de 1 a 5 cm, sendo que no cilindro interno mede-se o volume aplicado a intervalos fixos de tempo (10 min); Retira-se rapidamente o filme plástico disparando o cronômetro nesse instante, dando início ao teste. A altura inicial da lâmina de água deve ser lida e registrada. Método Com aplicação de água por inundação:
  19. 19. Após aplicação da água procede-se a leitura do volume em intervalos geralmente de 10 minutos. A medição prossegue-se até que a variação do nível permaneça praticamente constante; Recomenda-se que durante os primeiros 5 a 10 minutos, as leituras sejam feitas a intervalos curtos (30s a 1min em solos arenosos, dois (2) a cinco minutos (5) nos argilosos). A partir daí, se for observada uma redução na taxa de infiltração, as leituras podem passar a ser mais espaçadas. O cálculo da capacidade de infiltração é feita por: V = h. a , onde V é o volume infiltrado no tempo (cm³); a = área do cilindro interno (cm²), h é altura da água (cm). t h f .60 = a V h =
  20. 20. CURVA DA CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO fp A capacidade de infiltração (fp) varia com o tempo, ou seja o valor de fp é máximo no início da chuva, o qual denominamos de fo, com o passar do tempo a capacidade de infiltração decresce, tendendo a se manter constante quando o solo começa a ficar saturado (fc). t (hora) mm
  21. 21. Método do índice Φ de infiltração – Simulador de chuva O índice Φ representa a intensidade de chuva acima da qual o volume do escoamento superficial se iguala ao volume da chuva. Conhecendo–se a precipitação e o escoamento superficial (run-off) calcula-se por diferença, a capacidade de infiltração. Para pequenas bacias o erro produzido pelo retardamento devido à interceptação e armazenamento em depressão é menor que para grandes bacias, pois consegue-se obter uma capacidade de infiltração média.
  22. 22. A curva de massa da infiltração (Figura 6.13.) pode ser chamada de "recarga da bacia", e o índice Φ pode ser obtido pela seguinte expressão: Φ = recarga da bacia / duração da chuva t
  23. 23. Metodologia em forma algorítmica 1. Computar, para cada intervalo de tempo, a precipitação ocorrida; 2. Deduzir da precipitação total (P) , a quantidade de água escoada; 3. Dividir o valor obtido pelo tempo de duração total da chuva. Obtém desta forma o Φ hipotético. 4. Comparar o Φhipotético com as precipitações observadas em cada intervalo de tempo. Caso, algum intervalo, a precipitação tenha sido inferior ao Φhipotético, excluí-lo do cálculo e repetir o processo.
  24. 24. Com aplicação de água por aspersão ou simulador de chuva: Aplicação de água por aspersão, com taxa uniforme, superior à capacidade de infiltração no solo, exceto para um curto período de tempo inicial. Delimitam-se áreas de aplicação de água, com forma retangular ou quadrada, de 0,10 a 40 m2 de superfície; Medição da quantidade de água adicionada e do escoamento superficial resultante, deduzindo-se a capacidade de infiltração do solo.
  25. 25. Exercício Durante a cheia , em uma bacia produzida por uma chuva cuja altura é de P = 76mm, o escoamento superficial foi equivalente a Q = 33mm. A distribuição do tempo da chuva é dada abaixo: Solução: Balanço hídrico (∆V) = P – Q = 76 – 33 = 43 mm Supondo o excesso de 6 horas, temos: Porém, este valor é superior ao valor das seis horas; portanto esta chuva não foi efetivada, assim deve ser retirada dos cálculos. O Balanço hídrico, fica: ∆V = (76 – 3) - 33 = 40 mm/h Horas 1 2 3 4 5 6 Total Chuvas (mm) 8 18 25 12 10 3 76 hmmÍndice /2,7. 6 43 ==ϕ Supondo agora o excesso em 5 horas, temos: hmmÍndice /8. 5 40 ==ϕ
  26. 26. Método de Horton A partir de experimento de campo Horton em 1939 estabeleceu para o caso de um solo submetido a uma precipitação com intensidade sempre superior à capacidade de infiltração, uma relação empírica para representar o decaimento da infiltração com o tempo, conforme equação abaixo. f = fc + (f0 – fc) * e-kt K = (f0 – fc) / Fc Onde: t = tempo transcorrido desde o início do processo de infiltração; f = taxa de infiltração no tempo (t) ; Fc = área do gráfico da curva de infiltração; f0 = taxa de infiltração inicial (t = 0) ; fc = capacidade de infiltração final – próximo a saturação (mm/h) e K = taxa de decaimento constante da taxa de infiltração, específica para cada solo.
  27. 27. t = tempo decorrido desde a saturação superficial do solo; f = capacidade de infiltração no tempo (t ); f0 = capacidade de infiltração inicial (t=0) e fc = capacidade de infiltração final (mm/h); Fc = área do gráfico da curva de infiltração;
  28. 28. f =f = ffcc + (f+ (f00 –– ffcc) *) * ee--ktkt
  29. 29. APLICAÇÃO DO MÉTODO DE HORTON A aplicação da fórmula desenvolvida por Horton para determinar a equação da capacidade de infiltração no solo. Estabelece esta equação a partir dos dados abaixo: Tempo (horas) Capacidade de Infiltração (cm/hora) 1 4,75 2 4,60 3 3,30 4 3,25 5 3,10 6 2,40 7 2,27 8 1,70 9 1,55 10 1,40 11 1,33 12 1,02
  30. 30. SOLUÇÃO 1. Plota-se o gráfico com os valores de infiltração (tabela) obtidos a partir do experimento realizado em campo.
  31. 31. 2 - Traça-se uma reta, paralela ao eixo x, a partir do valor de infiltração mínimo.
  32. 32. 3 – Calcula-se a área entre os pontos obtidos e a reta. Considerando-se que a referida área corresponde a uma série de trapézios, calcula-se a área de cada um, ou seja: 12 2 1 : . 2 tth LLb LLB Onde h bB A mínima mínima i −= −= −= + =
  33. 33. ( ) ( ) ( ) 66,312. 2 02,160,402,175,4 1 =− −+− =A ( ) ( ) ( ) 93,212. 2 02,130,302,16,4 2 =− −+− =A Assim sucessivamente, até: ( ) ( ) ( ) 16,012. 2 02,102,102,133,1 11 =− −+− =A
  34. 34. Obtendo-se: O somatório que representa uma área do gráfico e será usado para calcular o coeficiente k da curva de Horton. Tempo (horas) Lâmina Infiltrada (cm/hora) Áreas (A1 a A11) 1 4,75 - 2 4,60 3,66 3 3,30 2,93 4 3,25 2,26 5 3,10 2,16 6 2,40 1,73 7 2,27 1,32 8 1,70 0,97 9 1,55 0,61 10 1,40 0,46 11 1,33 0,35 12 1,02 0,16 TOTAL 16,57
  35. 35. ( ) 287,0 57,16 02,175,4 = − =K Onde: K = (f0 – fc) / Fc Portanto, a curva será: f = fc + (f0 – fc) * e-kt f = 1,02 + 3,73 * e-0,287t
  36. 36. EXERCÍCIO 1- Para um dado solo, foram observadas taxas de infiltração após o início da chuva nos intervalos de tempo descritos na Tabela abaixo. Determine a equação da capacidade de infiltração no solo. Tempo (horas) Capacidade de Infiltração (mm/hora) 1 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
  37. 37. buÜ|ztwt4

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