Infiltração: Índices e Medição de Infiltração (com Diagrama)
Leia este artigo para aprender sobre os índices e a medição da infiltração.
Índices de Infiltração:
Vários índices de infiltração fornecem taxas de infiltração de diferentes maneiras para ajudar na avaliação da perda de água por meio de infiltração.
Os importantes entre eles são os seguintes:
(i) Capacidade de infiltração:
É a taxa máxima em que a água pode entrar através da superfície do solo em um determinado ponto do tempo sob o conjunto de condições dadas. Agora está claro que a taxa real de infiltração será menor que a capacidade de infiltração, a menos que a taxa líquida de chuva que atinge o solo depois de cumprir a retenção (ou seja, armazenamento de interceptação + depressão) seja igual ou maior que a capacidade de infiltração. A capacidade de infiltração continua reduzindo à medida que o perfil do solo fica saturado. Assim como a infiltração, a capacidade de infiltração também depende do tipo de solo, teor de umidade, matéria orgânica presente no solo, cobertura vegetal e estação do ano.
Horton deu a seguinte expressão matemática para descobrir o valor da capacidade de infiltração a qualquer momento:
f p = f c + (f o - f c ) e- Kt
Onde f p é a capacidade de infiltração.
f o é a taxa de infiltração no início da tempestade.
f c é a taxa de infiltração constante que é obtida após o perfil do solo ficar saturado.
e é base de logaritmos naturais (base Napieriana).
t é tempo desde o começo da chuva e K é uma constante. Pode ser lembrado que esta equação só pode ser aplicada quando a taxa de precipitação líquida que chega à superfície é maior do que a capacidade de infiltração ao longo das chuvas da tempestade.
(ii) ф Índice:
O índice ф é a porção da taxa média de precipitação durante qualquer tempestade que se perde pelos processos de intercepção, armazenamento de depressão e infiltração em conjunto. Pode, portanto, ser definido como a taxa de precipitação média durante qualquer tempestade além da qual o volume de precipitação restante é igual ao volume de escoamento superficial direto. O índice pode ser calculado a partir de um hetógrafo (tempo versus intensidade do gráfico de precipitação) da tempestade de tal forma que o volume de precipitação em excesso desta taxa seja igual ao volume do escoamento da tempestade. Fig. 3.2.
Se a intensidade da chuva ao longo da tempestade permanecer igual ou maior que ф, então o índice ф representa a recarga da bacia porque o índice ф representa a soma total de armazenamento de infiltração, interceptação e depressão.
(iii) Índice W:
Este índice fornece a taxa média de infiltração para esse período de tempo da precipitação pluviométrica durante a qual a intensidade da chuva é maior que W. Assim, pode-se dizer que é um refinamento superior ao índice ф que além da infiltração também inclui armazenamento de interceptação e depressão.
O índice W pode ser obtido da seguinte equação:
W = PQS / t
Onde
W é taxa média de infiltração
P é precipitação pluviométrica total correspondente a t
Q é o escoamento total da tempestade.
t tempo durante o qual a intensidade da chuva é superior a W e
S é uma retenção de superfície efetiva.
W = ф taxa média de retenção
Onde a retenção inclui armazenamento de interceptação e depressão.
Para todos os propósitos práticos, ф index pode ser usado para representar a taxa média de infiltração. Já que ф e índices assumem taxa média de infiltração que de fato é menor que a taxa de infiltração inicial e mais que a taxa de infiltração final, sua utilidade é limitada a grandes tempestades que produzem enchentes.
Tais tempestades geralmente ocorrem em solo úmido e as tempestades são de tal intensidade e duração que a taxa de infiltração pode ser praticamente constante para tempestades inteiras ou maioria de tempestades. Obviamente, para tempestades isoladas curtas ф e índices W não são úteis.
Problema:
Uma bacia de drenagem tem uma área de captação de 0, 5 km 2 .
Uma tempestade de cinco horas ocorreu na bacia com as seguintes intensidades de precipitação:
O volume de escoamento superficial direto observado como resultado dessa tempestade na saída da bacia foi de 0, 232 cumec-day.
Calcule o índice ф para a bacia.
Solução:
Passo 1:
Usando o dado dados pluviométricos, o hetógrafo pode ser desenhado como mostra a Fig. 3.3.
A linha XX mostra a taxa média de infiltração e retenção de superfície juntas, isto é, índice ф.
Temos que descobrir o valor de ф.
Passo 2:
A partir do total de precipitação hídrica, a tempestade de 5 horas é de 60 mm.
Fig. 3.3
Etapa 3:
Volume total de escoamento superficial direto = 0, 232 x 60 x 60 x 24 = 20, 045 m 3 .
Passo 4:
A partir da definição do índice ф, é a porção da taxa média de precipitação acima da qual o volume de precipitação restante é igual ao volume de escoamento.
Volume de água perdido = (Volume total de chuva) - (Volume total de escoamento) ie (infiltração + retenção)
= 30.000 - 20.045 = 9955 m 3
Como uma profundidade de água sobre a bacia = 9955 / (0, 5 × 10 6 ) = 0, 00398 m = 3, 98 mm.
ф índice = 3, 98 mm.
Medição de Infiltração:
A infiltração pode ser medida por dois métodos, a saber:
1. Métodos Indiretos:
Envolvem a aplicação artificial de água em uma área de amostra. O mecanismo usado para esse fim é chamado de infiltrômetro. Existem dois tipos de infiltrômetro: tipo de inundação e simuladores de chuva.
a) Infiltrómetro do tipo de inundação:
Consiste em cerca de 25 cm de diâmetro com um cilindro de 50 a 65 cm de comprimento. O cilindro é afundado no solo a uma profundidade de 40 a 50 cm. A água é então aplicada através de buretas graduadas para manter uma cabeça constante de água. As leituras em bureta em intervalos fixos de tempo dão a taxa e quantidade de água infiltrada no solo. Para eliminar o efeito do solo seco circundante no infiltrômetro, por vezes, dois anéis concêntricos, um do mesmo tamanho e outro maior diâmetro digamos 35 cm são afundados no solo.
Estes anéis são, no entanto, afundados até uma profundidade mínima apenas necessária para evitar fugas dos anéis. O espaço entre os dois anéis é preenchido até o mesmo nível e mantido em nível constante por duas buretas diferentes. A leitura da bureta alimentando o anel interno dá velocidade e quantidade de infiltração. Este método é agora substituído pelo simulador de chuva.
(b) simulador de chuva:
Neste método, os sprinklers especiais são montados em ambos os lados de uma parcela experimental de 2 m x 4 m. O bocal desses sprinklers direciona a pulverização de água de forma inclinada para cobrir totalmente a trama e atingir uma altura de cerca de 2 m acima do solo. Esse arranjo garante a aplicação de água na forma de chuva provável.
As intensidades de precipitação simulada podem ser alteradas fechando e abrindo os bicos. O infiltrômetro começa a trabalhar com o que é chamado de execução de calibração de chuva. Para isso, um plástico ou uma folha de metal é colocada sobre a parcela, de modo que toda a água que chega ao solo possa ser medida sem perda de água. Isto dá a taxa média de precipitação.
Depois disso, o teste começa. Esta corrida é permitida continuar até o escoamento se tornar constante. A diferença entre a taxa de precipitação simulada e a taxa de escoamento medida dá o valor de fc (fc é a taxa de infiltração constante que se estabeleceu após o solo estar saturado). Para eliminar o efeito de borda de cerca de 0, 5 m de largura, a planta também é pulverizada com água separadamente.
Este método sofre das seguintes desvantagens:
(i) É difícil simular o tamanho das gotas de chuva.
(ii) A velocidade de queda alcançada pelas gotas de água não representa as condições corretas de chuva.
(iii) O valor do experimento da taxa de infiltração tende a ser maior que o obtido em condições naturais.
(iv) Os valores do infiltrômetro podem ser usados para calcular o escoamento de uma pequena bacia somente por causa da área limitada na qual a taxa de infiltração foi computada.
2. Método Direto:
Consiste na análise do hidrograma de escoamento resultante de uma chuva natural sobre uma bacia sob consideração.
Medição de Infiltração por análise hidrográfica:
A análise teórica do hidrograma de escoamento tem a vantagem de levar em consideração o padrão pluviométrico, o comprimento do escoamento superficial, a inclinação da bacia, o tipo de solo, a cobertura vegetativa, o armazenamento de depressão e a retenção superficial, como tendem a ocorrer.
No entanto, em uma grande distribuição de bacias hidrográficas não é geralmente conhecido em detalhe para justificar métodos teóricos trabalhosos de análise hidrográfica. Para aplicação prática, é conveniente separar os chuveiros de cada chuva pluvial em uma série de blocos e considerar o hidrograma de escoamento resultante, independentemente, pela transposição de curvas de recessão ou pelo cálculo da taxa média de infiltração.
A análise pode ser feita nos seguintes passos (consulte a Fig. 3.4):
Eu. Desenhe o hidrógrafo de chuvas e o hidrograma do escoamento no mesmo terreno para a tempestade na bacia.
ii. Separe cada chuveiro da tempestade.
iii. Separe cada hidrograma de escoamento do seguinte, transpondo as curvas de recessão.
iv. Deduza o fluxo de base do fluxo total.
v. Obtenha o escoamento da tempestade para cada aumento.
vi. Selecione a duração do excesso de precipitação (T e ) por inspeção do hidrógrafo e do hidrograma.
vii. Faça um gráfico das curvas de massa da precipitação e obtenha os valores acumulados de precipitação (Pw 1, Pw 2, Pw 3 etc.).
viii. Faça um gráfico das curvas de massa do escoamento direto da tempestade e obtenha valores cumulativos de escoamento (Qs 1, Qs 2, Qs 3 etc.).
ix. Calcule a diferença de precipitação acumulada e escoamento cumulativo (P w - Q s ) que dá infiltração total F.
x. Divida a infiltração total pela duração do excesso de chuva (Te) para obter a taxa média de infiltração para aquele banho ou bloqueio da tempestade.
Adequação do Método de Medição de Infiltração:
Os vários métodos de medição de infiltração direta e indireta não podem ser usados em todos os tamanhos de bacias hidrográficas com precisão suficiente para avaliar o escoamento resultante.
Os métodos comumente adotados em vários tamanhos de bacias hidrográficas são os seguintes:
(i) Pequenas Bacias Hidrográficas:
Em pequenas bacias hidrográficas, os valores do infiltrômetro e o método de análise do hidrograma da chuva fornecem resultados satisfatórios.
(ii) grandes bacias hidrográficas:
No caso de grandes bacias hidrográficas, é considerado conveniente desenvolver curvas padrão de taxa de infiltração, estudando o número de tempestades em uma bacia representativa típica, considerando diferentes usos da terra. Outro método de importância prática em ambos os casos é a adoção do índice ф, que dá uma taxa média durante toda a tempestade. É bem adequado para estimar o pico de escoamento de uma grande tempestade em solos úmidos.
