7/24/2019 Aula 10 Infiltracao 2015
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Universidade de So Paulo
Escola Politcnica daUniversidade de So Paulo
Departamento de Engenharia Hidrulica e Ambiental
Aula 10
Infiltrao
PHA 2307
Hidrologia Aplicada
Prof. Dr. Arisvaldo Vieira Mllo Jr.
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Objetivos da Aula
1.Conhecer o processo de infiltrao nosolo.
2. Conhecer os mtodos de medio de
infiltrao no solo. 3. Conhecer frmulas de clculo de
infiltrao no solo.
4.Aplicar o mtodo do NRCS.
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Infiltrao
Definio: parcela da gua precipitada que infiltra no
solo Parte da gua que infiltra permanecer na camada
superficial do solo, onde se movimentar de formagradual na vertical e na horizontal, atravs do solo
Eventualmente, poder voltar a um rio, atravs da suamargem. Parte da gua poder infiltrar maisprofundamente, recarregando o aqufero subterrneo
A gua pode percorrer longas distncias oupermanecer no armazenamento subterrneo porlongos perodos antes de retornar superfcie, aosrios ou oceanos
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Rio que desaparece em uma caverna no sul da Georgia (EUA), mostra que
um rio pode agir como um funil direto para o escoamento subterrneo.
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VIOLA, M. R. Simulao hidrolgica na cabeceira da bacia hidrogrfica do Rio Grande de cenrios de usos dosolo e mudanas climticas A1B 2011. 287 p. Tese (Doutorado em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas) Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2011
Representao dos principais componentesdo ciclo hidrolgico
5
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Importncia
Crescimento da vegetao Recarga dos aquferos subterrneos Manuteno da vazo nos rios durante as
estiagens Reduo do escoamento superficial direto
(cheias, eroso, etc.)
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Projeto Jaba e outros CODEVASF...
Irrigao
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Drenagem
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Conceitos
Taxa de Infiltrao: a velocidade ouintensidade da penetrao da gua no solo(mm/hora, mm/dia, etc)
Se a intensidade da chuva maior do que ataxa de infiltrao, a gua ser acumulada nasuperfcie e comear o escoamentosuperficial direto
Infiltrao acumulada: a quantidade degua total infiltrada aps um determinadotempo (mm)
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Conceitos
A taxa de infiltrao, normalmente, decai rapidamente
durante a parte inicial de uma chuva intensa e atingeum valor constante depois de algumas horas de chuva
Os fatores responsveis por este fenmeno incluem O enchimento dos poros finos do solo com gua
reduz as foras capilares. medida que o solo umedece, as partculas de
argila colmatam e reduzem o tamanho dos poros. O impacto das gotas de chuva no solo faz com que
o material da superfcie do solo seja dissolvido epreencha os poros do solo.
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Fatores que influem na infiltrao
Umidade do solo Precipitao: quantidade, intensidade e durao Geologia, tipo do solo (a argila absorve menos gua
e a uma taxa mais lenta do que os solos arenosos) Granulometria e arranjo das partculas Cobertura do Solo (ocupao) Topografia (declividades, depresses) Evapotranspirao
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
01/05/83
08/05/83
15/05/83
22/05/83
29/05/83
05/06/83
12/06/83
19/06/83
26/06/83
03/07/83
10/07/83
17/07/83
24/07/83
tempo (dias)
vazo(m/s)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
chuv
a(mm)
Q
Qb
P
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
01/05/83
08/05/83
15/05/83
22/05/83
29/05/83
05/06/83
12/06/83
19/06/83
26/06/83
03/07/83
10/07/83
17/07/83
24/07/83
tempo (dias)
vazo
(m/s)
0
50
100
150
200
250300
350
400
450
500
chuva
(mm)
Q
Qb
P
mesma chuva,
mesma bacia
quando sealterar a
capacidade de
infiltrao ...
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gua Subsuperficial
A gua infiltrada na parte subsuperficial do solo forma
uma zona no saturada (onde os espaos vazios entreas partculas de solo contm gua e ar) e uma zona
saturada (onde todos os vazios s contm gua)
Embora exista umaquantidade grande
de gua na zona no
saturada, a gua no
pode ser bombeada,porque fica muito
presa pelas foras
capilares
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gua Subsuperficial
A parte superior da zona no saturada a zona
de gua do solo. Esta zona cortada por razes,aberturas deixadas por razes mortas eesqueletos de animais, que permitem ainfiltrao nesta zona
A gua nesta zona
utilizada pelas plantas,
mas pode evaporar
diretamente para aatmosfera
Zona do solo
Lenol freticoZ
ona
no
saturada
Franja capilar
Zona saturada abaixodo lenol fretico
gua subterrnea
Recarga para o
Lenol fretico
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Medio: Infiltrmetro de Duplo Anel
Mede a taxa de decaimento da
coluna dguano anel interno
Infiltrao
fonte:http://www.alwi.com/wastewater.php
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Processo de Infiltrao
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Para entender o
processo deinfiltrao
necessrio sabercomo a gua se
movimenta nazona nosaturada do solo
Isto pode ser
feito por meiode uma
representaoda taxa de
umidade do soloao longo da
profundidade Z
Neste grficomin a taxamnima de
umidade do solo
em condiesnaturais e
sat a taxa
de saturao dosolo em
condiesnaturais
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Processo de Infiltrao
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Processo de Infiltrao
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Processo de Infiltrao
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V i d T d i filt
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Variao da Taxa de infiltrao com aUmidade do Solo
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Variao da Taxa de Infiltrao com o Tempo
Frmula de Horton
A l d l d H
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Chuva
Chuva excedente
Chuva infiltrada
ktefcfofcf
Aplicao da Frmula de Horton
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Frmula de Horton
f - taxa de infiltrao (mm/hora)fc - taxa de infiltrao em condio de saturao
(mm/hora)
fo - taxa de infiltrao inicial (mm/hora)t - tempo (horas)k - constante, depende do tipo de solo (hora-1)
t = 0 f = fot = infinito f = fc
kt
efcfofcf
F l d H t
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Frmula de Horton
Estimativas dos parmetros para a frmula de Horton
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Mtodo emprico desenvolvido pelo SCS, com base na hiptese:
=
A chuva excedente real (Pexc, em mm) a parcela da chuva que
se transforma em escoamento superficial direto.
A chuva excedente potencial seria igual chuva total do evento (P,
em mm), retirada a parcela de perdas por interceptao e deteno
em depresses do solo.
As perdas iniciais (Ai, em mm) so resultados da interceptao e
da deteno em depresses do terreno. So estimadas como
sendo 20% da capacidade de absoro do solo.
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
ex SCS (Soil Conservation Service)
Mt d d NRCS
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Mtodo emprico desenvolvido pelo SCS, com base na hiptese:
=
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
ex SCS (Soil Conservation Service)
A infiltrao real a diferena entre a Chuva total (menos asperdas iniciais) e a Chuva Excedente.
Infiltrao potencial seria a altura infiltrada mxima igual
capacidade de absoro de gua pelo solo (S, em mm).
Mt d d NRCS
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=
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
ex SCS (Soil Conservation Service)
SPparaSP
SPPexc
2,0
)8,0(
)2,0( 2
P (mm)Chuva total de um evento
S (mm)Capacidade potencial de absoro de gua no solo
Pexc (mm)Chuva excedente total do evento
Ai (mm)Abstraes iniciais da chuva (interceptao, deteno nas depresses do terreno) =
0,2.S
0,2=
0,2
Mt d d NRCS
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4,2510
1000
SCN
Para facilitar o mtodo de aplicao, criou uma varivel auxiliar,
denominada CN (curve number), que est relacionada com o CN
pela expresso:
O SCS relacionou o valor de S em funo do tipo de solo, do
uso do solo e da condio de umidade inicial do solo.
CN
CNS
4,25*)101000( ou
Os valores de CN so obtidos de tabelas que relacionam aspropriedades do solo com o valor de CN
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mt d d NRCS
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SPpara
SP
SPHEXC
2,0
)8,0(
)2,0( 2
4,25
10
1000
SCN
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mt d d NRCS
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Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condies hidrolgicas
Grupo Hidrolgico
A B C D
Uso ResidencialTamanho mdio do lote % Impermevel at 500 m22 65 1000 m22 38
1500 m
22
30
7761
57
8575
72
9083
81
9287
86Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98
Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra
987672
988582
988987
989189
reas comerciais (85% de impermeabilizao) 89 92 94 95
Distritos industriais (72% impermevel) 81 88 91 93
Espaos abertos, parques, jardins:boas condies, cobertura de grama > 75%condies mdias, cobertura de grama > 50%
3949
6169
7479
8084
Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta
77 86 91 94
Exemplo de uma tabela parcial de CNreas urbanas
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mt d d NRCS
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Grupo A
Grupo B
Grupo C
Grupo D
Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de
argila total, porm ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas, este limite
pode subir a 20%, graas maior porosidade. Os dois teores de hmus podem
subir, respectivamente a 1,2% e 1,5%. No pode haver pedras e nem camadasargilosas at 1,5 m, mas quase sempre presente camada mais densificada
que a camada superficial.
Solos argilosos (30% a 40% de argila total) com camada densificada a 50 cm
de profundidade; ou solos arenosos com camada argilosa quase impermevel
ou horizonte de seixos rolados.
Solos barrentos, com teor de argila total de 20% a 30%, mas sem camadas
argilosas ou pedras at a profundidade de 1,2 m. Nocaso de terras roxas esses
limites podem ser 40% e 1,5m. Nota-se a 60 cm de profundidade, camadamais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condies de
impermeabilidade.
Solos arenosos, com baixo teor de argila, inferior a uns 8%, no h rochas nem
camadas argilosas e nem mesmodensificadas at a profundidade de 1,5 m. Oteor de hmus muito baixo, no atingindo 1%.
Grupos Hidrolgicos de Solos
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mt d d NRCS
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Condio I- solos secos, as chuvas nos
ltimos 5 dias no ultrapassam 15 mm.
Condio II- situao mdia na poca das cheias, as chuvas nos
ltimos 5 dias totalizam entre 15 e 40 mm.
Condio III- solos midos (prximos da
saturao), as chuvas nos ltimos 5 dias
foram superiores a 40 mm e as condies
meteorolgicas foram desfavorveis aaltas taxas de evaporao.
II
III
CN.
CN,CN
058010
24
II
IIIII
CN,
CNCN
13010
23
Condies Tpicas de Umidade do Solo
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mt d d NRCS (N l R C i S i )
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Classificar o tipo de solo existente na bacia
Determinar a ocupao predominante
Com a tabela do SCS para a Condio de Umidade II
determinar o valor de CN
Corrigir o CN para a condio de umidade desejada
No caso de existirem na bacia diversos tipos de solo e
ocupaes, determinar o CN pela mdia ponderada.
Aplicao
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Mtodo do NRCS (N t l R C ti S i )
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Tipo de uso do solo/ Tratamento/Condies hidrolgicas
Grupo Hidrolgico
A B C D
Uso ResidencialTamanho mdio do lote % Impermevel at 500 m22 65 1000 m22 38
1500 m22
30
7761
57
8575
72
9083
81
9287
86Estacionamentos pavimentados, telhados 98 98 98 98
Ruas e estradas: pavimentadas, com guias e drenagem com cascalho de terra
987672
988582
988987
989189
reas comerciais (85% de impermeabilizao) 89 92 94 95Distritos industriais (72% impermevel) 81 88 91 93
Espaos abertos, parques, jardins:boas condies, cobertura de grama > 75%condies mdias, cobertura de grama > 50%
3949
6169
7479
8084
Terreno preparado para plantio, descoberto Plantio em linha reta 77 86 91 94
Mtodo do NRCS (Natural Resources Conservation Service)
Exemplo de uma tabela parcial de CNreas urbanas
Exemplo: Bacia do Rio Cabuu SP
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Departamento de Engenharia Hidrulica e Ambiental - PHA
Exemplo: Variao do
CN ao longo da bacia do
Cabuu de Baixo
(resultado da
sobreposio das
informaes da geologia
e do uso e cobertura do
solo)
Exemplo: Bacia do Rio Cabuu - SP
Aplicao do Mtodo do NRCS
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Conhecido o hietograma de projeto
5
10
15
20
mm
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Horas
0.5
1.01.5
2.0
2.5
3.0
5
1020
15
10
5
mmHoras
Aplicao do Mtodo do NRCS
Aplicao do Mtodo do NRCS
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Conhecido o valor de CN (p.ex., CN= 80), deve-se aplicar a
frmula do NRCS da seguinte maneira:
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
5
10
20
15
10
5
ChuvaHoras
1. Acumular as precipitaes do hietograma
2. Aplicar a frmula s precipitaes acumuladas
3. Diferenciar para obter o hietograma excedente
5
15
35
50
60
65
Ch. Acum. Ch. Exc. Acum.
0.0
0.08
5.80
13.81
20.20
23.63
Hietogr. Exc.
0.0
0.08
5.72
8.01
6.39
3.43
Aplicao do Mtodo do NRCS
Aplicao do Mtodo do NRCS
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Departamento de Engenharia Hidrulica e Ambiental - PHA
Conhecido o valor de CN (p.ex., CN= 80), deve-se aplicar a
frmula do NRCS da seguinte maneira:
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
5
10
20
15
10
5
ChuvaHoras
1. Acumular as precipitaes do hietograma
2. Aplicar a frmula s precipitaes acumuladas
3. Diferenciar para obter o hietograma excedente
5
15
35
50
60
65
Ch. Acum. Ch. Exc. Acum.
0.0
0.08
5.80
13.81
20.20
23.63
Hietogr. Exc.
0.0
0.08
5.72
8.01
6.39
3.43
2
25400
254 63,580
0,2 0,2 63,5 12,7 mm
12,70,08 mm
50,8exc
S
S
PH
P
Aplicao do Mtodo do NRCS
15
150,08
Aplicao do Mtodo do NRCS
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Conhecido o valor de CN (p.ex., CN= 80), deve-se aplicar a
frmula do NRCS da seguinte maneira:
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
5
10
20
15
10
5
ChuvaHoras
1. Acumular as precipitaes do hietograma
2. Aplicar a frmula s precipitaes acumuladas
3. Diferenciar para obter o hietograma excedente
5
15
35
50
60
65
Ch. Acum. Ch. Exc. Acum.
0.0
0.08
5.80
13.81
20.20
23.63
Hietogr. Exc.
0.0
0.08
5.72
8.01
6.39
3.43
Aplicao do Mtodo do NRCS
-
Aplicao do Mtodo do NRCS
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Departamento de Engenharia Hidrulica e Ambiental - PHA 50
Hietograma excedente
5
10
15
20mm
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Horas
0.51.01.52.02.53.0
5102015105
mmHoras
00.085.728.016.393.43
mmPtot PexcChuva excedente
Chuva infiltrada
Aplicao do Mtodo do NRCS
Crticas ao mtodo do NRCS
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A chuva excedente total no depende da distribuio
temporal da chuva
O valor chuva excedente total muito sensvel
variao de CN
Justificativa frgil para o valor 0,2 S
A frmula do NRCS inconsistente se vista como uma
frmula de capacidade de infiltrao
Crticas ao mtodo do NRCS
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Exerccio
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Exerccio
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