Trabalho de Hidrologia

INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO TUNDAVALA

Importância do estudo de tipos de solos para Hidrologia

Grupo nº 6 Flávio Pedro de Sousa Rogério

José Cláudio Amparo Tyilundo

10 De Maio de 2013

O Docente

Dr. Edson Baptista

O estudo do tipo de solos é de grande importância para a Hidrologia, nomeadamente o ciclo hidrológico e os fenómenos ligados a ele e que estão condicionados pelo tipo de solo, isto é as suas características.

Importância do estudo de tipos de solos para Hidrologia 1

Índice Grupo nº 6 ..................................................................................................................................... 0

1. Introdução. ....................................................................................................................... 2

2. Tipos de solos. ...................................................................................................................... 3

2.1. Eluviões ou Solos Residuais .......................................................................................... 3

2.2. Solos Aluvionares (transportados) ............................................................................... 4

2.3. Solos Glaciares (transportados) ................................................................................... 4

2.4. Solos Coluviais (transportados) ................................................................................... 4

2.5. Classificação granulométrica dos solos. ...................................................................... 5

2.6. Identificação e classificação de solos ........................................................................... 6

3. Importância do estudo dos tipos de solo para a Hidrologia. .............................................. 7

3.1 Conservação da energia ............................................................................................... 7

3.2 Lei de Darcy ................................................................................................................... 8

4. Infiltração ............................................................................................................................ 10

4.1. Definição ..................................................................................................................... 10

4.2. Factores que influem na infiltração ........................................................................... 11

4.3. Curva de capacidade de infiltração ............................................................................ 11

4.4. Medição da capacidade de infiltração ....................................................................... 13

5. Evaporação e transpiração ................................................................................................. 14

5.1 Evaporação ................................................................................................................. 14

5.2 Factores que influenciam na evaporação .................................................................. 14

5.3 Medição de evaporação ............................................................................................. 15

5.4 Medida da evaporação da superfície das águas ........................................................ 15

5.5 Medida da evaporação da superfície do solo ............................................................ 17

5.6 Medida da transpiração ............................................................................................. 18

5.7 Fórmula geral da evaporação ..................................................................................... 18

5.8 Medição da evapotranspiração.................................................................................. 19

6. Conclusão. ........................................................................................................................... 20

7. Bibliografia. ......................................................................................................................... 21


1. Introdução.

Para a Engenharia Civil os solos são agregados naturais, formados por partículas de

diferentes tamanhos e diferente origem, separáveis por meios mecânicos pouco

intensos e que constituem a interface ou o suporte de praticamente todas as

construções.

De acordo com o ciclo hidrológico a parte da precipitação que atinge a zona sólida

pode sofrer vários destinos:

- Ou se infiltra, alimentando as napas freáticas subterrâneas, onde se armazena,

mas de onde se alimentam as nascentes e rios;

- Ou se escoa superficialmente alimentando rios e lagos;

- Ou se armazena sob forma sólida em glaciares;

- Uma pequena parte fica armazenada temporariamente nas árvores, nas

plantas, nas depressões do solo e daqui volta a evaporar-se.

No que diz respeito ao estudo dos solos interessa a fracção da precipitação que se

infiltra ou escoa à superfície (causando erosão e levando consigo partículas que

depositam em locais, de acordo à granulometria).

Pedologia (da palavra grega ‘pedon’, que significa solo ou terra) – Ciência que

estuda os solos → considera o solo como um corpo natural, um produto sintetizado da

natureza e submetido a intemperismos.

Há que referir a grande importância do conhecimento do tipo de solo para a

Hidrologia, nomeadamente o ciclo hidrológico e os fenómenos ligados a ele e que

estão condicionados pelo tipo de solo, isto é as suas características. Por isso é de suma

importância o conhecimento solo.

Fig.1. Esquema dos níveis de organizacção pedológica.


2. Tipos de solos.

Os solos são essencialmente formados por meteorização das rochas. Muitos

processos, dos quais têm origem os solos estão ligados a fenómenos hidrológicos que

fazem parte do ciclo hidrológico.

E os processos de meteorização podem ocorrer de dois modos:

1º Processo físico da meteorização:

Este processo desagrega as rochas e dá origem a pedras, gravilhas, areias e siltes;

Diminuição de tensões devido à remoção de camadas superiores de solo

e rocha;

Dilatação e contracção térmica;

Ciclos molhagem / secagem;

Ciclos gelo / degelo;

Acção orgânica;

Vento e água.

2º Processo químico da meteorização:

Este é o processo que dá origem às argilas e solos coloidais;

Hidrólise (reacção com a água que envolve normalmente dissolução da

sílica e a alumina do solo);

Troca catiónica;

Oxidação;

Carbonatação.

2.1. Eluviões ou Solos Residuais

São os que permanecem no local de formação (taxa de formação é mais rápida do

que taxa de transporte).


2.2. Solos Aluvionares (transportados)

São transportados pelos rios, pelas linhas de água, escorrências superficiais ou

vento -são os mais comuns e encontram-se na proximidade do leito dos rios. Têm

origem na erosão de solos rochosos e/ou arenosos, que se encontram nas encostas e

taludes.

Possuem normalmente grandes aquíferos

Verifica-se uma segregação em tamanho ao longo do transporte fluvial:

Partículas mais largas (cascalho e areia): – no início

Partículas mais pequenas (silte e argila) – mais para jusante junto à foz.

2.3. Solos Glaciares (transportados)

A acção dos glaciares quebra os solos e rochas e transporta os materiais ao longo

de grandes distâncias.

2.4. Solos Coluviais (transportados)

Transportados pela gravidade de forma lenta ou rápida (encostas).

Os solos são formados pela fase sólida (os grãos), pela fase líquida (a água que

ocupa os vazios) e a fase gasosa (o ar que ocupa parte dos vazios).

Dependendo da granulometria e da porosidade, os solos podem condicionar a

ocorrência de certos fenómenos hidrológicos. Os solos rochosos não permitem que

haja infiltração pois o são considerados impermeáveis, isto é o índice de vazios

acessíveis pela água são muito reduzidos; Os solos constituídos por cascalho,

permitem que haja grandes índices de infiltração; Os solos constituídos por areias na

sua maioria permitem que haja infiltração e erosão; os solos constituídos por

partículas finas, argila e/ou silte, não permitem que haja grande índice de infiltração,

pois o volume de vazios é muito reduzido, porque as partículas de argila reagem com a

água e criando fortes ligações entre si.

Essa constituição dos solos condiciona: O tipo de escoamento podendo ser

superficial ou subterrâneo. E até a profundidade do nível freático.


Fig.2. Disposição das diferentes fases do solo.

Fig.3. Relação escoamento/infiltração e constituição do solo.

2.5. Classificação granulométrica dos solos.

A granulometria de um solo é o estudo da distribuição das partículas por tamanho.

O processo de separação da massa de solo em fracções, cada uma consistindo de grãos

dentro de uma certa variação de tamanho, é conhecido como análise granulométrica,

que não depende da humidade do solo, composição mineralógica, densidade e forma

dos grãos.

A análise granulométrica é feita por peneiração para solos grossos (areias e

pedregulhos) até a abertura de malha da peneira 200 (0,075 mm), e pela

sedimentação para solos finos. Segundo a American Society for Tests and Materials –

ASTM, se faz o ensaio de sedimentação no material que passa na peneira numero 200.


Fig.3. Ex. De uma curva granulométrica, indicando a percentagem de passados

acumulados de cada classe granulométrica correspondente.

2.6. Identificação e classificação de solos

Principais fracções granulométricas de um solo

Especificação E-219 – Prospecção Geotécnica de terrenos: vocabulário

Classificação Unificada

Cascalho – Material com dimensões entre 75 mm (#3”) e 4,75 mm (#4)

Areia – Material com dimensões entre 4,75mm (#4) e 0,075mm (#200)

Silte e Argila (Finos) –Material com dimensões inferiores a 0,075 mm (#200)


3. Importância do estudo dos tipos de solo para a Hidrologia.

A água ocupa a maior parte dos vazios do solo. E quando é submetida a diferenças

de potenciais, ela se desloca no seu interior. As leis que regem os fenômenos de fluxo

de água em solos são aplicadas nas mais diversas situacções da engenharia como:

a) No cálculo das caudais, na estimativa da quantidade de água que se infiltra numa

escavacção ou a perda de água do reservatório da barragem.

b) Na análise de recalques, porque, freqüentemente, recalque está relacionado

com diminuição do índice de vazios, que ocorre pela expulsão de água destes

vazios e;

c) Nos estudos de estabilidade geral da massa de solo, porque a tensão efetiva (que

comanda a resistência do solo) depende da pressão neutra, que por sua vez,

depende das tensões provocadas pela percolacção da água.

d) Possibilidades da água de infiltração produzir erosão, e conseqüentemente, o

araste de material sólido no interior do maciço “piping”.

O estudo dos fenômenos de fluxo de água em solos é realizado apoiando-se em

três conceitos básicos: Conservacção da energia (Bernoulli), Permeabilidade dos solos

(Lei de Darcy) e Conservacção de massa.

3.1 Conservação da energia

O conceito de energia total de um fluido, formulado por Bernoulli é expresso

em relacção ao peso de um fluido de acordo com a equação abaixo:

2g

2v

wγ

uztotalh

Onde:

htotal - é a energia total do fluido;

z - é a cota do ponto considerado com relacção a um dado referencial padrão;

u - é o valor da pressão neutra;

v - é a velocidade de fluxo da partícula de água;

g - é o valor da aceleracção da gravidade terrestre.


Para a grande maioria do problemas envolvendo fluxo de água nos solos, a

parcela da energia total da água no solo referente a energia cinética, termo g2

v2

, pode

ser desprezada, desta forma: w

total

uzh

3.2 Lei de Darcy

Experimentalmente, Darcy, em 1850, verificou como os diversos Factores

geométricos, indicados na Figura 1, influenciavam o caudal da água, expressando a

equação de Darcy:

AL

hkQ

onde:

Q – caudal;

A - área do permeâmetro;

k - o coeficiente de permeabilidade;

h – carga dissipada na percolacção (escoamento no interio do solo);

L – distância na qual a carga é dissipada.

A relacção L

hL é chamada de gradiente hidráulico, expresso pela letra i.

Então: kiAQ

Figura 1: Água percolando num permeâmetro


O caudal dividido pela área indica a velocidade com que a água sai da areia. Esta

velocidade, v, é chamada de velocidade de percolacção. A lei de Darcy é válida

somente para os casos de fluxo laminar.

Então: v = ki


4. Infiltração

4.1. Definição

É o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo e se move para baixo, em direcção ao lençol d'água.

Capacidade de infiltração (f): É a máxima taxa com que um solo, em uma dada condição, é capaz de absorver água, depois de certo tempo ‘t’.

Taxa de infiltração: Taxa de água que infiltra no solo. A taxa de infiltração só é igual à capacidade de infiltração, quando a chuva for de intensidade superior ou igual a esta capacidade.

Excesso de precipitação: Diferença entre a precipitação e a capacidade de infiltração.

solo

zona intermediáriazona capilar

camada impermeável

nível do lençol

zona de

umidade

do solo


4.2. Factores que influem na infiltração

Tipo de solo: Quanto maior a porosidade, tamanho das partículas granulares ou estado de fissuração, maior a capacidade de infiltração.

Cobertura vegetal: A vegetação, devido ao esforço causado pelas raízes, aumenta a capacidade de infiltração.

Humidade do solo: Solo húmido tem menor capacidade de infiltração que o solo seco.

Precipitação pluviométrica: Choques das gotas na superfície do solo causam compactação, diminuição de vazios, diminuindo a capacidade de infiltração.

Acção do homem escavando a terra: Produção de falhas no solo, provocando o aumento de capacidade de infiltração.

4.3. Curva de capacidade de infiltração

É a representação gráfica da variação da capacidade de infiltração antes e após a chuva.

Curva padrão de capacidade de infiltração:

f (mm/h)

t (h)

f0

fc

f0 = capacidade de infiltração inicial.

fc = constante de infiltração.


Equação de Horton para a curva padrão:

( )

Onde:

f = capacidade de infiltração em qualquer instante.

Solução da equação ( )

Tomando logaritmos:

( ) ( )

[

( )] ( ) [

( )] ( )

A equação acima é da forma: y = mx + C

Onde: y = t

m = -1 / (k log e)

x = log (f - fc)

C = [1 / (k log e)].log (f0 - fc)

Em gráfico log (f - fc) x t, m representa a inclinação da recta, onde m = tg .

t

log (f - fc)


4.4. Medição da capacidade de infiltração

A forma mais comum de medir a capacidade de infiltração de um solo consiste de um aparato de dois anéis metálicos concêntricos, como mostrado na figura. Nele, é colocada água com mesmo nível nos dois compartimentos. A capacidade de infiltração é calculada a partir da quantidade de água necessária a ser adicionada ao cilindro interior, com finalidade de manter o nível d'água constante. O anel externo tem por finalidade evitar que o espraiamento lateral afecte os resultados do cilindro interno.

superfície

do solo

N.A

.

Também são utilizados simuladores de chuva, que são dispositivos que criam chuvas artificiais com taxas de precipitação controladas sobre os infiltradores com objectivo de reprodução das condições reais.

Esse conhecimento permite-nos determinar o índice de infiltração e a velocidade

da mesma, a evapotranspiração e o índice de precipitação de uma determinada zona.


5. Evaporação e transpiração

5.1 Evaporação

Transformação da água em vapor como consequência da incidência de raios solares.

5.2 Factores que influenciam na evaporação

A quantidade evaporada a partir de uma superfície de água é proporcional à diferença entre a pressão do vapor na superfície e a pressão do vapor no ar das camadas adjacentes (lei de Dalton).

Em ar parado, a diferença de pressão do vapor diminui rapidamente e o processo de evaporação fica limitado pelo vapor difundido na atmosfera proveniente da superfície da água. A turbulência provocada por vento e por convecção térmica afasta o vapor das camadas em contacto com a superfície da água e possibilita a continuidade da evaporação.

Outros Factores:

Temperatura da superfície

Quanto maior a temperatura da superfície, maior a energia cinética das moléculas e maior o número de moléculas que escapam da superfície.

Salinidade da água

Os sais dissolvidos na água reduzem a pressão de vapor de uma superfície de água. Por isto a evaporação é mais lenta em águas salgadas.

Grau de humidade relativa do ar

humidade de saturado se ar, de volumeno água de quantidade

ar no presente águad' vapor de quantidade= relativa Humidade


Quanto maior a quantidade de água no ar atmosférico, maior o grau de humidade e maior a intensidade de evaporação da superfície d’água.

Pressão barométrica

Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade da evaporação (a influência da pressão é pequena).

5.3 Medição de evaporação

Algumas definições:

Evaporação potencial: Perda d'água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais.

Transpiração: Perda d'água para a atmosfera na forma de vapor, decorrente das acções fisiológicas e físicas dos vegetais.

Evapotranspiração: Conjunto de evaporação do solo mais transpiração das plantas.

Evapotranspiração potencial: Perda d'água por evaporação e transpiração de uma superfície tal que:

- Esteja totalmente coberta;

- Teor de humidade esteja próximo da capacidade do campo.

Evapotranspiração real: Perda d’água observada nas condições reais.

5.4 Medida da evaporação da superfície das águas

Evaporímetro Ordinário

É um recipiente cilíndrico de eixo vertical (enterrado ou não), aberto para a atmosfera, contendo água no estado líquido. O abaixamento do nível da água no evaporímetro mede o quociente V/A, sendo V o volume de água que se evaporou durante um intervalo de tempo considerado e A a área da secção recta do recipiente.


O mais usado é o tanque classe A do U.S. Wheater Service, que é um recipiente cilíndrico com diâmetro 121,9 cm e altura 25,4 cm, sendo cheio com água até 5 cm da borda. A medida da evaporação é obtida a partir do decréscimo de nível d’água no tanque. As medidas são feitas através de um limnímetro.

Evaporímetro Atmómetros

São evaporímetros em que a superfície é porosa (cerâmica, papel de filtro, e etc.) e embebida em água.

Costuma-se usar o evaporímetro Piche, um tubo longo e recto, de seção circular com uma extremidade fechada e outra aberta. A sua extremidade costuma ter uma presilha metálica para permitir fechá-la por meio de um disco circular de papel absorvente. O tubo é cheio de água e pendurado por um olhal para suspensão do aparelho. A água embebe o disco de papel e evapora para o ambiente. A altura d’água evaporada, para um certo intervalo de tempo, é obtida pela diferença de altura no início e no fim do intervalo.


5.5 Medida da evaporação da superfície do solo

Lisiómetro

Constituído de caixa estanque, enterrada no solo, aberta na face superior e contendo o terreno que se quer estudar. A amostra recebe as precipitações no local (medidas por pluviómetro ou pluviógrafo próximo), e o solo é drenado no fundo da caixa, sendo medida a água recolhida.

E = P - I + AR

E = evaporação do solo

P = precipitação

I = água drenada

AR = quantidade de água acumulada no lisiómetro, medida a partir de determinações de humidade em vários pontos.

Caixa coberta de vidro

Constituída por uma caixa metálica coberta com vidro inclinado. A água evaporada condensa-se na superfície inferior do vidro e escoa por uma pingadeira para o recipiente de medição.


5.6 Medida da transpiração

Fotómetro fechado

Recipiente estanque contendo terra para alimentar a cultura. A tampa do fotómetro evita a entrada da precipitação e a evaporação da água do solo. São adicionadas quantidades conhecidas de água.

Transpiração = (peso inicial + peso de água adicionada) - peso final

Este método só serve para os casos de plantas de pequeno porte.

Obs.: Os resultados na medição de evaporação e transpiração são afectados pela forma e dimensão dos aparelhos, assim como pela disposição dos mesmos. Por estas razões é necessário o estudo de coeficientes que correlacionem os resultados com as intensidades reais ocorridas em uma determinada área ou massa d'água.

5.7 Fórmula geral da evaporação

Fórmula e equação - Dalton (1928)

E = C (es - e)

Onde:

C = função de vários elementos meteorológicos;

es = pressão de saturação à temperatura da superfície;

e = pressão de vapor do ar.

Inúmeras fórmulas foram obtidas a partir da equação de Dalton. Entre elas, serão citadas duas:

E = 0,131 V2 (es - e2)

E = 0,13 (1 + 0,72 V2)(es - e2)


V2 = velocidade do vento 2 m acima da superfície evaporante (m/s);

e2 = Pressão de vapor do ar a 2 m acima da superfície (mb).

As pressões de saturação do vapor para diferentes temperaturas estão na tabela abaixo:

Temperatura (°C) 0 5 10 15 20

Pressão de vapor (mca) 0,062 0,089 0,125 0,174 0,238

Temperatura (°C) 25 30 35 40

Pressão de vapor (mca) 0,322 0,431 0,572 0,75

5.8 Medição da evapotranspiração

A medição da evapotranspiração e relativamente mais complicada do que a

medição da evaporação. Existem dois métodos principais de medição de

evapotranspiração: os lisiómetros e as medições micro meteorológicas.

Os lisiómetros são depósitos ou tanques enterrados, abertos na parte superior, os

quais são preenchidos com o solo e a vegetação característicos dos quais se deseja

medir a evapotranspiração. O solo recebe a precipitação, e é drenado para o fundo do

aparelho onde a água é colectada e medida. O depósito é pesado diariamente, assim

como a chuva e os volumes escoados de forma superficial e que saem por orifícios no

fundo do lisiómetro. A evapotranspiração e calculada por balanço hídrico entre dois

dias subsequentes de acordo com a equação que se segue, onde DV é a variação de

volume de água (medida pelo peso); P é a chuva (medida num pluviómetro); E é a

evapotranspiração; Qs é o escoamento superficial (medido) e Qb é o escoamento

subterrâneo (medido no fundo do tanque).

E = P - Qs – Qb – DV

Fig: Lisiómetros para medição de evapotranspiração.


6. Conclusão.

Portanto chegamos à conclusão que o estudo do solo é de grande importância para

Hidrologia uma vez que ajudam a determinar o comportamento da água no solo, sua

influência no estudo dos fenómenos hidrológicos tais como o escoamento das águas

superficiais e subterrâneas e o ciclo hidrológico.


7. Bibliografia.

1. Professor Antônio Sérgio F. Mendonça- Apostila de Hidrologia 2009

(www.ebah.com.br)

2. PhD. Amândio Teixeira Pinto- Aulas de Mecânica dos solos

3. IST- Mecânica dos solos e das rochas (Formulário 2009-2010)

4. Professora Agda- Permeabilidades (www.ebah.com.br)

http://www.ebah.com.br/

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