5. Infiltração. Hidrologia cap5 5.1 OCORRÊNCIA

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1 5. Infiltração 5.1 OCORRÊNCIA As águas provenientes das precipitações que venham a ficar retidas no terreno ou a escoar superficialmente podem se infiltrar no solo por efeito da gravidade ou de capilaridade, passando a formar a fase subterrânea do ciclo hidrológico. O fenômeno da infiltração é função das características geológicas do solo, do relevo e dos obstáculos oferecidos ao escoamento superficial, notoriamente do tipo e porte da vegetação da área. As fases de infiltração de água de chuva no terreno são as seguintes: a) Fase de intercâmbio. Ocorre na camada superficial de terreno, onde as partículas de água estão sujeitas a retornar à atmosfera, seja devido à aspiração capilar provocada pela evaporação à superfície, seja devido ao fenômeno de transpiração das plantas. b) Fase de descida. A ação da gravidade superando a capilaridade obriga o escoamento descendente da água até atingir camada impermeável; c) Fase de circulação. Saturado o solo, formam-se os lençóis subterrâneos. A água escoa devido à declividade das camadas impermeáveis; O limite superior dos lençóis não é uma superfície bem delimitada, mas uma verdadeira franja influenciada pela ação da capilaridade. As camadas de terreno em que se dão as fases de intercâmbio e de descida (incluindo a franja de ascensão por capilaridade) são denominadas zonas de aeração; aquela em que se desenvolve a fase de circulação é a zona de saturação. 5.2 GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS Capacidade de infiltração 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, expressa em mm/hora, e é uma grandeza que caracteriza o fenômeno da infiltração em suas fases de intercâmbio e de descida Distribuição granulométrica É a distribuição das partículas constitutivas de solos granulares em função das dimensões das mesmas. Costuma ser representada graficamente pela curva de distribuição granulométrica (ver Fig. 5.1); em abscissas figuram (em mm), em escala logarítmica, os tamanhos D das partículas granulares (aberturas de peneiras) e, em ordenadas, as porcentagens acumuladas P, das quantidades (em peso) de grãos de tamanhos menores que aqueles indicados nas correspondentes abcissas D. Diâmetro efetivo é o tamanho D10, igual à dimensão de uma malha que deixa passar 10% em peso do material em exame. Coeficiente de uniformidade é a relação entre o tamanho D60 (correspondente ao P = 60%), de uma malha que deixa passar 60% em peso do material em exame e o diâmetro efetivo: D60/D Porosidade de um solo É a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo; geralmente é expressa em porcentagem. A porosidade está em relação íntima com a granulometria e com a forma dos grãos Velocidade de filtração 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, mas toda a superfície atuante. Numericamente é igual à quantidade de água que passa através da unidad e de superfície Hidrologia cap5 1

2 de material filtrante durante a unidade de tempo. É expressa em m/s, ou em m/dia, ou em m 3 /m 2 dia, ou ainda em mm/s Coeficiente de permeabilidade É a velocidade de filtração da água em um solo saturado, quando se tem um escoamento com perda de carga unitária a certa temperatura. Esse coeficiente mede a maior ou menor facilidade que cada solo, quando saturado, oferece ao escoamento da água através de seus interstícios. Ele é expresso em m/dia, cm/s, m 3 /m 2 dia. A permeabilidade depende principalmente da porosidade, da granulometria e das formas dos grãos. Tabela 5.1 Velocidades médias efetivas em materiais granulares naturais (mm/s) 2

3 5.2.6 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 do volume de solo saturado Retenção específica É a quantidade de água que fica retida (por adesão e capilaridade) no solo, após este ser subm e- tido a um máximo de drenagem natural. É expressa em porcentagem do volume do solo saturado Fatores intervenientes na capacidade de infiltração Tipo de solo Quanto maior a porosidade, o tamanho das partículas ou o estado de fissuração, maior a capacidade de infiltração. Geralmente as características presentes numa camada superficial de 1 cm aproximad a- mente são as que mais influem nessa capacidade. Os tipos de solo variam entre amplos limites. A sua classificação, de acordo com o diâmetro dos grãos (em mm) obedece a três padrões, conforme indicam os quadros seguintes. O padrão do Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) é o mais difundido no Brasil: argilas diâmetro das partículas = D < 0,002 mm siltes diâmetro das partículas = 0,002 < D < 0,06 mm areias diâmetro das partículas = 0,06 < D < 2,00 mm pedregulhos diâmetro das partículas = D > 2,00 mm 3

4 Cobertura do solo por vegetação Esse fator aumenta mais ou menos a capacidade de infiltração, dependendo da espécie, estágio de desenvolvimento da vegetação e do tratamento dado ao terreno no caso de áreas cultivadas Presença de substâncias coloidais Os solos de granulometria muito fina contêm partículas coloidais que, molha das, entumecem, reduzindo os interstícios de infiltração da água. Ao secarem, retraem-se, formando fissuras no solo Grau de umidade do solo Parcela considerável das águas precipitadas em solo seco é por ele absorvida, em consequência da adesão e capilaridade. Por essa razão, um solo que já apresente certa umidade tem, no início de uma precipitação uma capacidade de infiltração menor que a que teria se estivesse seco. A Fig. 5.2 mostra a relação existente entre as várias características do solo. 4

5 Figura 5.2 Relação entre a porosidade (p), índice de vazios ( ε), teor em água (ω) e massa especifica aparente (γ) para uma massa específica real do solo de 2650 kg/m3 (E = p/1-p), segundo o Prof. Milton Vargas Efeitos da precipitação atmosférica sobre a superfície Segundo Horton, a curva de variação da capacidade de infiltração durante uma chuva é: onde: f = f c + ( f 0 - f c )e - Ft f = capacidade de infiltração no instante t; f c = capacidade de infiltração final, ou seja, valor para o qual f tende assintoticamente no decorrer do tempo; 5

6 f 0 = capacidade de infiltração inicial (valor de f para t = 0); F = constante; t = duração da precipitação Influência de outros fatores a) Ação de animais que escavam o terreno. b) Presença de ar nas camadas inferiores e necessidade de expulsão do mesmo pela água de infiltração. c) Temperatura da água, influindo sobre a viscosidade Determinação da capacidade de infiltração a) Infiltrômetro com aplicação de água por inundação. Usam-se tubos curtos de 250 mm a mm de diâmetro, cravados verticalmente no solo, de modo que fique uma pequena altura livre sobre este; a água é aplicada na superfície delimitada pelo tubo, com uma va zão suficiente para manter sobre o terreno uma carga preestabelecida e constante, geralmente 5 a 6 mm. A capacidade de infiltração em um dado instante é obtida pelo quociente entre a vazão de admissão da água e a área de seção do tubo. b) Infiltrômetro com aplicação de água por aspersão. Tem o objetivo de reproduzir aproximadamente a ação de impacto das precipitações sobre a superfície do solo. Delimitam-se áreas de aplicação da água de forma retangular, com lados variando de 0,30 m até 3 m. A água é ap licada por meio de tubos aspersores horizontais, com movimento rotativo ou não. Por meio de aberturas laterais, eflui a água do escoamento superficial, cuja vazão é determinada. A capacidade de infiltr a- ção em um dado instante é medida pela diferença entre as vazões de admissão e de efluência superficial dividida pela área de aplicação Fatores intervenientes no coeficiente de permeabilidade Como vimos, a permeabilidade é a propriedade que tem os solos de se deixarem atravessar pela água com maior ou menor dificuldade. O coeficiente de permeabilidade pode ser expresso por meio da conhecida lei de Darcy: onde: Q = vazão que atravessa a área S de solo considerada; K = coeficiente de permeabilidade, com dimensões de uma velocidade (LT -1 ); j = gradiente hidráulico; H = perda de carga medida entre dois pontos do solo conside rado; l = distância entre os 2 pontos. A permeabilidade de um solo determinado depende do volume de vazios do mesmo e, portanto, da pressão a que está submetido. Além disso, a permeabilidade dependente da viscosidade da água é função da temperatura. No Brasil é comum adotar 1,5 kg/cm 2 e 20 C para a pressão e temperatura. Deve ser recordado que a lei de Darcy pressupõe o escoamento laminar. Para a determinação experimental de K, nos laboratórios, dois casos são distinguidos: a) solos muito permeáveis; b) solos pouco permeáveis. No caso de solos pouco permeáveis (argilas), prefere-se determinar a permeabilidade pelo ensaio de adensamento, segundo uma técnica especializada da Mecânica de Solos, introduzido por Terzaghi. Para solos permeáveis, a determinação do coeficiente de permeabilidade costuma ser feita por aparelhos denominados permeâmetros, seja de nível constante, seja de nível variável. Para os permeâmetros de nível constante (Fig. 5.3), chamando de Ha sobrepressão da água, de l a 6

7 espessura da amostra, de S a seção transversal da mesma e de Q a vazão, tem-se: Para os permeâmetros de nível variável (Fig. 5.4), levando em conta a variação da sobrepressão da água de H1 a H2 (no intervalo de tempo t1t2), pode-se demonstrar que: onde valem os mesmos símbolos da fórmula anterior e mais: s = área da bureta que funciona como reservatório de água. Para se ter uma ideia da ordem de grandeza dos coeficientes de permeabilidade, são apresentados alguns valores na Tab Figura 5.3 Permeâmetro de carga constante 7

8 Tabela 5.2 Valores de coeficiente de permeabilidade O coeficiente de permeabilidade pode ainda ser obtido ou pela determinação direta da velocidade de escoamento e da perda de carga unitária na própria corrente subterrânea (método de Thiem), ou por ensaios de bombeamento do lençol freático com a aplicação das fórmulas deduzidas na Hidráulica Geral. Figura 5.4 Permeâmetro de nível variável No estágio atual da Hidrologia, os infiltrômetros são considerados mais como processos de avaliação 8

9 qualitativa do que quantitativa; com os infiltrômetros pode-se examinar o efeito relativo da presença de diversos tipos de solos e dos diversos gêneros de tratamento dos mesmos, mas não é possível determinar-se com precisão satisfatória a vazão de escoamento superficial a ser fornecida por uma bacia hidrográfica. Observação: Prefere-se determinar a capacidade de infiltração global das bacias hidrográficas pela medida direta das quantidades de água de precipitação e de escoamento superficial fazendo-se o balanço de escoamento, conforme foi visto no Cap. 4 Evapotranspiração. 9