Infiltracao ufba

Universidade Federal da Bahia – Departamento de Hidráulica e Saneamento Capítulo 5
Grupo de Recursos Hídricos – Apostila de Hidrologia
47
CAPÍTULO 5
INFILTRAÇÃO
5.1 Introdução
Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo. Portanto, é um
processo que depende fundamentalmente da água disponível para infiltrar, da natureza do
solo, do estado da sua superfície e das quantidades de água e ar, inicialmente presentes no seu
interior.
A medida em que a água infiltra pela superfície, as camadas superiores do solo vão
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. Normalmente, a infiltração decorrente de
precipitações naturais não é capaz de saturar todo o solo, restringindo-se a saturar, quando
consegue apenas as camadas próximas à superfície, conformando um perfil típico onde o teor
de umidade decresce com a profundidade.
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 no nível próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. Nem
toda umidade é drenada para as camadas mais profundas do solo, já que parte é transferida
para a atmosfera por evapotranspiração.
Nas camadas inferiores do solo geralmente é encontrada uma zona de saturação, mas sua
influência no fenômeno da infiltração só é significativa quando se situa a pouca profundidade.
Em um solo natural o fenômeno da infiltração pode ser ainda mais complexo se os diversos
horizontes, desde a superfície até a zona de alteração próxima à rocha, tiverem texturas e
estruturas diferenciadas, apresentando comportamentos hidráulicos diferentes.
5.2 Capacidade de Infiltração e Taxa de Infiltração
O conceito de capacidade de infiltração é aplicado ao estudo da infiltração para diferenciar
o potencial que o solo tem de absorver água pela sua superfície, em termos de lâmina por
tempo, da taxa real de infiltração que acontece quando há disponibilidade de água para
penetrar no solo. Uma curva de taxas reais de infiltração no tempo somente coincide com a
curva das capacidades de infiltração de um solo, quando o aporte superficial de água
(proveniente de precipitações e mesmo de escoamentos superficiais de outras áreas) tem
intensidade superior ou igual à capacidade de infiltração.
Em um solo em que cessou a infiltração, parte da água no seu interior propaga-se para
camadas mais profundas e parte é transferida para a atmosfera por evaporação ou por
transpiração dos vegetais. Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade
de infiltração, tendendo a um limite superior a medida em que as camadas superiores do solo
vão se tornando mais secas.
Se uma precipitação atinge o solo com intensidade menor que a capacidade de infiltração,
toda água penetra no solo, provocando uma progressiva diminuição da própria capacidade de
infiltração, já que o solo está se umedecendo. Se a precipitação continuar, pode ocorrer,
dependendo da sua intensidade, um momento em que a capacidade de infiltração diminui

48
tanto que sua intensidade se iguala à da precipitação. A partir deste momento, mantendo-se a
precipitação , a infiltração real se processa nas mesmas taxas da curva da capacidade de
infiltração, que passa a decrescer exponencialmente no tempo tendendo a um valor mínimo de
infiltração. A parcela não infiltrada da precipitação forma filetes que escoam
superficialmente para áreas mais baixas, podendo infiltrar novamente se houver condições.
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). A Figura 5.1 mostra
o desenvolvimento típico das curvas
representativas da evolução temporal da
infiltração real e da capacidade de
infiltração com a ocorrência de uma
precipitação.
Fig. 5.1 – Curvas de capacidade e taxa de infiltração
A curva da capacidade de infiltração como mostrada na Figura 5.1 é de difícil determinação
experimental, exceto na fase em que a intensidade de precipitação a supera. A curva
exponencial desta função tem sido estudada isoladamente por muitos pesquisadores, mas o
comportamento da capacidade de infiltração fora deste período pode ser avaliado por
algoritmos específicos. Há também equações deduzidas para calcular o tempo de
encharcamento ou saturação superficial, contado a partir do início da precipitação.
5.2.1 Medidas Diretas da Capacidade de Infiltração por Infiltrômetros
O infiltrômetro consiste basicamente de dois cilindros concêntricos e um dispositivo de
medir volumes de água, aduzida ao cilindro interno.
Fig. 5.2 - Infiltrômetro
Essa técnica está sendo substituída pela técnica de
colocar água no cilindro interno e externo ao
mesmo tempo por aspersão, sendo apenas medida
a quantidade colocada no cilindro interno.
A razão da existência do cilindro externo é prover
a quantidade de água necessária ao espalhamento
lateral devido à capilaridade, deixando a
infiltração propriamente dita ser medida
relativamente à área limitada pelo cilindro interno.
Normalmente, as medidas de capacidade de infiltração através de infiltrômetros são
apresentadas em gráficos e tabelas como os mostrados a seguir:
1 2 3 4 5
Tempo
(min)
Volume Lido
(cm3)
Variação do
Volume
(cm3)
Altura da Lâmina
(mm)
Capacidade de Infiltração
(mm/h)

49
Fig. 5.3 – Curva de infiltração
A coluna 4 é calculada dividindo-se a
variação de volume pela área limitada pelo
cilindro interno, tendo o devido cuidado
com as unidades de medida. A coluna 5 é
calculada dividindo o valor calculado na
coluna 4 pela variação de tempo
correspondente em horas
5.2.2 Fatores que Intervêm na Capacidade de Infiltração
São os seguintes, os fatores intervenientes no fenômeno da infiltração:
• umidade do solo
• permeabilidade do solo
• temperatura do solo
• profundidade do extrato impermeável
Um solo seco tem maior capacidade de infiltração inicial devido ao fato de se somarem às
forças gravitacionais e às de capilaridade o fato do solo ter maior capacidade para absorver a
água..
A permeabilidade do solo, que pode ser afetada por outros fatores como cobertura vegetal,
compactação, infiltração dos materiais finos, etc., é fator preponderante no fenômeno da
infiltração da água, pois o seu fluxo para baixo depende primordialmente desse fator.
Não se deve confundir permeabilidade com capacidade de infiltração. Permeabilidade é a
velocidade de filtração para um gradiente unitário de carga hidráulica em fluxo saturado
através de um meio poroso. Não depende das condições de contorno, mas depende
primordialmente do tamanho e distribuição dos grãos do solo e da temperatura da água.
A capacidade de infiltração, por sua vez, é também um fenômeno de fluxo da água do solo,
sua medida depende direta e indiretamente da temperatura da água e da condição de contorno,
qualquer que seja a profundidade do solo.
5.3 Cálculo da Infiltração Pontual
Todas as equações usadas para cálculo da infiltração, foram desenvolvidas na forma que
despreza a carga de uma eventual lâmina de água sobre o solo. A seguir apresenta-se uma das
mais usadas equações já desenvolvidas para calculo da infiltração.
5.3.1 Equação de Horton
A partir de experimentos de campo, Horton (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 (ramo B-C da Figura 5.1), que pode ser
apresentada da seguinte forma:
( )effff
kt
cc
−
−+=
0
(5.1)
FcfcfoK /)( −= (5.2)

50
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
A capacidade mínima de infiltração fc, teoricamente seria igual à condutividade hidráulica
saturada Ksat, se não houvesse o efeito do ar aprisionado no interior do solo, dificultando a
infiltração. Por isso, fc é normalmente menor que Ksat.
5.3.2 Determinação da Lâmina Infiltrada
A partir de dados de infiltração observados em campo, é possível obter a curva de infiltração e
calcular a lâmina infiltrada utilizando-se a equação de Horton.
Exemplo5.1: estabeleça a equação da capacidade de infiltração de Horton a partir da Tabela 5.1:
Tempo
(horas)
Capacidade de Infiltração
(cm/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
Tabela 5.1 - Dados de infiltração obtido sem campo
1. Faça um gráfico da capacidade de infiltração x tempo
2. Determine fc e f0
3. Determine K
Solução:
1.
2. fc=1,5 cm/hora
fo=3,4 cm/hora
3.
F
ff
c
c
k
−
= 0
Fc= área
sombreada no gráfico
Para calcular a área sombreada pode
ser usada uma forma de cálculo
aproximada: para cada intervalo de
tempo, calcule a área sombreada como se
fosse um trapézio. Ou seja, a primeira
área seria:
( ) ( ) ( ) cm
cF 65,112
2
5,19,25,14,3
1
=−⋅
−+−
=

51
Desta mesma forma são calculadas as áreas referentes aos outros intervalos de tempo
obtendo-se a seguinte tabela:
Tempo
(horas)
Capacidade de infiltração
(cm/hora)
Fci
(cm)
1 3,4
2 2,9 1,65
3 2,6 1,25
4 2,3 0,95
5 2,1 0,70
6 1,9 0,50
7 1,8 0,35
8 1,7 0,25
9 1,6 0,15
10 1,5 0,05
Fc 5,85
Tabela 5.2 – Cálculo de Fc
Fc é o somatório das Fci, Fc=5,85cm.
Logo, 325,0
85,5
5,14,3
=
−
=k
A equação da infiltração neste caso é: e
t
f
325,0
2,25,1
−
+=
5.4 Precipitação Efetiva
Suponhamos uma seção de curso d’água, a que corresponde determinada bacia hidrográfica.
Seja h, a altura total da precipitação. Nem toda a água precipitada na bacia influenciará o
escoamento, isto é, a vazão na seção em estudo.
Se designarmos por:
D- as perdas por evapotranspiração expressos em mm de altura de chuva
R- as águas que ficam retidas quer em lençóis subterrâneos, quer em geleiras e neves
expressas também em mm
R’- as águas restituídas por geleiras, neves e escoamentos subterrâneos, provenientes de
precipitações em períodos precedentes, também expressas em mm.
Teremos então que, relativamente a um mesmo período de tempo, por exemplo, em um ano:
hR e
RDh =−−− '
(5.4)
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.

52
Relações Funcionais
De acordo com o método apresentado pelo SCS (Soil Conservation service-1957) a relação entre
precipitação total e precipitação efetiva, durante uma cheia, aproximando-se da seguinte expressão:
PPeSd /*/ =
onde:
Pe=precipitação efetiva ou seja, P=a precipitação total
a precipitação que gera escoamento superficial d= P-Pe
S=capacidade de infiltração
Esta relação tem o seguinte significado:
totalãoprecipitaç
efetivaãoprecipitaç
máximacapacidade
iltradovolume
.
.
.
inf.
=
Substituindo na Equação 5.5, a variável d por P-Pe, resulta
SP
P
Pe *
2
+
= (5.5)
Nesta equação não estão consideradas as perdas iniciais. Introduzindo as mesmas, resulta:
IPP
P
IS
IPP
ae
e
a
ae
−−
=
−
−−
*
(5.6)
Os autores verificam que em média, as perdas iniciais representavam 20% da capacidade
máxima S=S*-Ia ou seja, Ia=0,2S. Substituindo-se na Equação 5.7, resulta:
( )
SP
SP
Pe
8,0
2,0
2
+
=
−
(5.7)
Esta equação é válida para P>0,2S quando P<0,2S, Pe=0. Para determinar a capacidade
máxima da camada superior do solo S, os autores relacionaram esse perímetro da bacia com
um fator CN pela seguinte expressão:
254
25400
−=
CN
S (5.8)
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 (Tabelas 5.5 e 5.6).
Os tipos de solos intensificados nas referidas tabelas são os seguintes:
soloA: solos que produzem baixo escoamento superficial e alta infiltração. Solos arenosos
profundos com pouco silte e argila;
soloB: solos menos permeáveis do que o anterior, solos arenosos menos profundos do que o
tipo A e com permeabilidade superior à média;
soloC: solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de
infiltração abaixo da média, contendo percentagem considerável de argila. Pouco profundo;
soloD: solos contendo argila expansiva e pouco profundos, com muito baixa capacidade de
infiltração, gerando maior proporção de escoamento superficial.

53
Uso do solo Superfície A B C D
Solo lavrado
Plantações regulares
Plantações de cereais
Plantações de
legumes ou
cultivados
Pastagens
Campos permanentes
Chácaras
estradas de
terra
Florestas
com sulcos retilíneos
em fileiras retas
em curvas de nível
terraceado em níveis
em fileiras retas
em curvas de nível
em fileiras retas
em curvas de nível
pobres
normais
boas
pobres em curvas de nível
normais em curvas de nível
boas em curvas de nível
normais
esparsas de baixa transpiração
normais
densas de alta transpiração
normais
más
de superfície dura
muito esparsas, baixa transpiração
esparsas
densas, de alta transpiração
normais
77
70
67
64
64
62
60
62
60
57
68
49
39
47
25
6
30
45
36
25
56
72
74
56
46
26
36
86
80
77
76
76
74
71
75
72
70
79
69
61
67
59
35
58
66
60
55
75
82
84
75
68
52
60
91
87
83
84
84
82
79
83
81
78
86
79
74
81
75
70
71
77
73
70
86
87
90
86
78
62
70
94
90
87
88
88
85
82
87
84
89
89
94
80
88
83
79
78
83
79
77
91
89
92
91
84
69
76
Tabela 5.4 – Valores do parâmetro CN para bacias rurais
Utilização ou cobertura do solo A B C D
Zona: cultivada: sem conservação do solo
com conservação do solo
Pastagens ou terrenos em más condições
Baldios em boas condições
Prado em boas condições
Bosques ou zonas de cobertura ruim
Florestais: cobertura boa
Espaços abertos, relevados, parques, campos de golf, cemitérios,
boas condições
Com relva em mais de 75% da área
Com relva de 50 a 75% da área
Zonas comerciais e de escritórios
Zonas industriais
Zonas residenciais
Lotes de (m²) % média impermeável
<500 65
1000 38
1300 30
2000 25
4000 20
Parques de estacionamento, telhados, viadutos, etc.
Arruamentos e estradas asfaltadas e com drenagem
de águas pluviais
paralelepípedos
terra
72
62
68
39
30
45
25
39
49
89
81
77
61
57
54
51
98
98
76
72
81
71
79
61
58
66
55
61
69
92
88
85
75
72
70
68
98
98
85
82
88
78
86
74
71
77
70
74
79
94
91
90
83
81
80
79
98
98
89
87
91
81
89
80
78
83
77
80
84
95
93
92
87
86
85
84
98
98
91
89
Tabela 5.5 – Valores de CN para bacias urbanas e suburbanas

54
Os valores das constantes nas Tabelas 5.5 e 5.6 referem-se a condições médias de umidade
antecedente. 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 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 médios Valores corrigidos
AMCI
Valores corrigidos
AMCIII
100 100 100
95 87 98
90 78 96
85 70 94
80 63 91
75 57 88
70 51 85
65 45 82
60 40 78
55 35 74
50 31 70
45 26 65
40 22 60
35 18 55
30 15 50
25 12 43
20 9 37
15 6 30
10 4 22
5 2 13
Tabela 5.6 – Correção de CN para outras
condições iniciais de umidade
QUESTIONÁRIO
1. Como é feito o gráfico de Infiltração x Tempo, e o que representa a sua área?
2. Como se determina a quantidade de água necessária para irrigação?
3. Descreva o método SCS para o calculo da precipitação efetiva.

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