Hidrologia
INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO
Benedito C. Silva
Água do solo x água subterrânea
Infiltração
Poros ocupados por ar e água
(água do solo)
Zona não saturada
Percolação
Zona saturada
Camada impermeável
Poros ocupados por água
(água subterrânea)
Água do solo
x
água subterrânea
Água no solo
 O solo é uma mistura
de materiais sólidos,
líquidos e gasosos.
 Na mistura também
encontram-se muitos
organismos
vivos
(bactérias,
fungos,
raízes,
insetos,
vermes)
Composição do solo
Parte sólida do solo
 Normalmente analisada do ponto de vista do
diâmetro das partículas que compõe o solo:
Diâmetro (mm)
Classe
0,0002 a 0,002
Argila
0,002 a 0,02
Silte
0,02 a 0,2
Areia fina
0,2 a 2,0
Areia grossa
Textura do solo
Textura do solo
Textura (português)
Textura (inglês)
Arenosa
areia franca
Sand
Loamy sand
franco arenosa
Sandy
loam
Silt loam
Loam
franco siltosa
franca
franco argilo arenosa
franco argilo siltosa
Sandy clay
loam
Silty clay loam
franco argilosa
Clay loam
argilo arenosa
Sandy clay
argilo siltosa
Silty clay
argila
Clay
Siltosa
Silt
Armazenamento de água no solo
 Porosidade
 Capilaridade
 Retenção de água no solo
 Potencial mátrico
Porosidade
VT  VS  VP
 Volume total do solo = volume de sólidos + volume de
poros
 Porosidade = volume de poros / volume total
VP

VT
Porosidade
 Areia: 0,37 a 0,50
 Argila: 0,43 a 0,52
Armazenamento
 Conteúdo de água no solo em volume
VA
q
VT
 Na situação em que todos os poros do solo estão ocupados pela
água o solo é denominado saturado. Neste caso, o valor do
conteúdo de água no solo é máximo, e q é igual a . Portanto, o
máximo conteúdo de água no solo é igual à porosidade.
q 
Solo seco
 Na condição de solo completamente seco todos os
poros estariam ocupados pelo ar, e o valor de q seria
zero.
 Entretanto, isto raramente acontece, porque a água é
fortemente atraída pelas partículas e pelos poros dos
solos.
 Adsorção
 capilaridade
Retenção de umidade no solo
 O solo pode ser entendido de uma forma simplificada
como uma esponja, ou papel de filtro, que tem
capacidade de reter a água.
 Há duas forças principais que atuam no sentido de
reter a água nos poros dos solos:
 as forças capilares
 as forças de adsorção.
Capilaridade
 As forças capilares ocorrem como consequência da tensão
superficial da água interagindo com as paredes dos poros.
Tubos capilares exercem sucção por causa da tensão superficial
Poros do solo podem exercer o mesmo efeito
Quanto menor o diâmetro dos poros, maior é o efeito
Granulometria mais fina = poros menores = mais capilaridade
Adsorção
• As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas
atuando entre as partículas do solo e as moléculas de água, ou
de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um
filme muito fino de água sobre as partículas do solo
Tensão mátrica
 As duas forças (capilar e adsorção) atuam no sentido
de reter a água no solo e é praticamente impossível
avaliar separadamente cada uma delas.
 Assim, normalmente se refere à força de retenção de
água no solo como a força mátrica, ou potencial
mátrico de um solo.
 Tem unidades de pressão (N/m2)
Medição de tensão
 Tensiômetro
Bulbo cerâmico
Curva de retenção de umidade
 Para uma amostra de solo o potencial
mátrico normalmente varia com o
conteúdo de água do solo, e esta
relação é, normalmente, determinada
de forma experimental.

 Solos mais secos apresentam um
potencial mátrico maior (exercem
maior sucção sobre a água) do que
solos mais úmidos.
 A função que relaciona as duas
variáveis é a curva de retenção de
umidade, ou curva de retenção de água
no solo
Umidade do solo
 Umidade do solo varia ao longo do tempo.
 Para retirar a umidade do solo:
 Por gravidade
 Por sucção
Umidade do solo
 Saturação:
condição
em que todos os poros
estão ocupados por
água
 Capacidade de campo:
Conteúdo de umidade
no solo sujeito à força
da gravidade
• Ponto de murcha permanente: umidade do solo para
a qual as plantas não conseguem mais retirar água e
morrem
Balanço hídrico no solo
V
V  P  Q  G  ET
 V = variação de volume de
água armazenada no solo;
 P = precipitação;
 Q = escoamento superficial;
 G = percolação;
 ET = evapotranspiração
Exercício
Considere uma camada de solo de 1 m de
profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na
capacidade de campo e de 12% na condição de ponto
de murcha permanente. Quantos dias a umidade do
solo poderia sustentar a evapotranspiração constante
de 7 mm por dia de uma determinada cultura?
Movimento da Água no Solo
 Movimento da água em meios porosos
Movimento da água em solo saturado
Experimento de Darcy
Movimento da água em solo saturado
Experimento de Darcy
h1  h2
h
Q  K  A
 K  A
L
x
K = propriedade do material = condutividade hidráulica saturada
Movimento da água em solo saturado
Equação de Darcy
Q  KA
H
L
 Q = fluxo de água (m3/s)
 A = área (m2)
 H = carga (m)
 L = distância (m)
 K = condutividade hidráulica (m/s)
Movimento da água em solo saturado
Equação de Darcy
 Solo arenoso: 23,5 cm/hora
 Solo siltoso: 1,32 cm/hora
 Solo argiloso: 0,06 cm/hora
Movimento no meio não saturado
 A equação de Darcy foi desenvolvida para
fluxos de água em meios porosos saturados, e
será retomada no capítulo sobre água
subterrânea.
 Nos solos, entretanto, a situação mais comum
é que o meio não está saturado.
 Neste caso, a condutividade hidráulica é uma
função do conteúdo de água no solo.
 Além disso, a carga hidráulica deve ser
expressa como uma combinação do potencial
gravitacional e potencial mátrico.
 A equação de Darcy com estas adaptações é,
por vezes, denominada equação de DarcyBuckingham (Libardi, 2012).
saturado
qK
h
x
não saturado
q   K q  
   z 
z
Movimento no meio não saturado
 A condutividade hidráulica em condições não
saturadas é menor do que a condutividade
hidráulica saturada
Movimento no meio não saturado
A equação de Richards
 Combinando a equação de Darcy q  K 
h
x
 Com a equação da continuidade para um pequeno volume de
solo:
q q

0
t z
 Pode-se chegar à equação de Richards:
q
 
 

  K q   
 1
t z 
 z

 Que descreve o fluxo da água em meios porosos não saturados.
Movimento no meio não saturado
Equação de Richards
q
 
 

  K q   
 1
t z 
 z

 Fortemente não linear
 Soluções analíticas apenas em casos simplificados
 Normalmente são usadas soluções numéricas
Infiltração de água no solo
 Uma chuva que atinge um solo inicialmente
seco será inicialmente absorvida totalmente
pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos
poros vazios (com ar).
 Nesta condição, o potencial mátrico do solo é
muito alto, e a água da chuva é absorvida muito
rapidamente.
 À medida que os poros vão sendo preenchidos,
a infiltração tende a diminuir, estando limitada
pela capacidade do solo de transferir a água
para as camadas mais profundas.
Taxa de infiltração e capacidade de infiltração
 A taxa de infiltração é a quantidade de água que
penetra no solo ao longo do tempo.
 Normalmente a taxa de infiltração é expressa em
unidades de mm.hora-1.
 A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é
definida como sua capacidade de infiltração.
 A capacidade de infiltração varia ao longo do tempo.
Medição da capacidade de Infiltração
Infiltrômetros
de anéis
Capacidade de infiltração
 A capacidade de infiltração
de água no solo varia de
acordo com a umidade do
solo.
 Em solos secos a
capacidade de infiltração é,
normalmente, bastante
alta.
 À medida em que o solo vai
ficando úmido, no entanto,
a capacidade de infiltração
diminui.
Modelo de capacidade de infiltração de
Horton
f  fc   fo  fc e t
fo = 50 mm/hora
fc = 4 mm/hora
Equação de Horton
f  fc   fo  fc e
 t
 f = taxa de infiltração (mm/hora)
 fc = taxa de infiltração em condição de saturação
(mm/hora)
 fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora)
 t = tempo (minutos)
  = parâmetro que deve ser determinado a partir de
medições no campo (1/minuto)
Infiltração conforme o tipo de solo
Exercício
Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de
infiltração na condição de saturação é de 4 mm.hora-1,
está saturado e recebendo chuva com intensidade de
27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por
segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2
deste solo, considerando que está saturado?
Exercício
Tempo (min)
Total Infiltrado (mm)
0
0,0
1
41,5
2
60,4
3
70,4
4
76,0
5
82,6
6
90,8
7
97,1
8
104,0
9
111,7
10
115,1
15
138,1
20
163,3
24
180,8
Uma medição de
infiltração utilizando o
método
dos
anéis
concêntricos
apresentou o seguinte
resultado. Utilize estes
dados para estimar os
parâmetros fc, fo e  da
equação de Horton.