Como visto nos tópicos anteriores os parâmetros hidráulicos como a Ksat, K(θ), vi e D(θ) são de fundamental importância para o estudo do movimento da água nas encostas. Entretanto, a obtenção desses parâmetros é notoriamente difícil, demorada e na maioria das vezes bastante dispendiosa, sendo considerado como um dos principais obstáculos na caracterização do meio físico para elaboração de projetos, avaliação de risco, entre outros.
Segundo BORGES et al. (1997) e NISHIYAMA (1998) devido às dificuldades de proceder-se a quantificação da infiltração sob condições de chuvas naturais em áreas extensas, torna-se imprescindível a adoção de um método de simulação que apresente valores próximos da situação real. Além disso, as propriedades solo-água
podem variar temporal e espacialmente e o método escolhido deve considerar esses efeitos. (FABIAN e OTTONI FILHO, 1997). Por este motivo os ensaios in situ são os mais recomendados para a sua obtenção, representando uma maior proximidade com a situação real.
De acordo com a literatura, as técnicas para obtenção destas propriedades podem ser realizadas diretamente no campo ou em laboratório. Dentre os métodos de campo serão aqui abordados os seguintes métodos: simuladores de chuva, infiltrômetro de anel ou de cilindro, infiltrômetro de disco, permeâmetro de Guelph, perfil instantâneo e método de umidade de Libardi, e dentre os de laboratório será apresentado o permeâmetro de carga constante.
Os ensaios de infiltração de campo são normalmente realizados a partir da aplicação de água em um local especifico e de área pré-definida sendo que os parâmetros esperados são obtidos em geral a partir da medida de velocidade de consumo de água.
a) Simuladores de chuva
Esse tipo de equipamento tem sido desenvolvido para emular os efeitos das chuvas naturais, como a distribuição das gotas, velocidade e ângulo de impacto e intensidade. No Brasil, a sua utilização é rara, principalmente devido ao alto custo envolvido na sua implementação.
Estes simuladores promovem o máximo controle de quando e como o dado de chuva deve ser coletado e o montante de chuva a ser aplicado. No caso de chuvas naturais a obtenção das combinações desejadas de intensidade e duração pode levar muito tempo, ou seja, com os simuladores é possível coletar uma grande quantidade de dados em um curto período de tempo. No entanto, a maioria dos simuladores não considera o efeito das chuvas transientes para tempos de chuva muito curtos, ou seja, para um mesmo evento chuvoso a intensidade de chuva é comumente considerada igual (SCOTT, 2001). Em comparação aos infiltrômetros de cilindro, representam um custo muito elevado e, além disso, exigem uma área maior para a realização do ensaio.
b) Infiltrômetro de anel ou cilindro,
Este método pode ser utilizado tanto para calcular a velocidade de infiltração da água no solo como para a obtenção da Ksat.
O arranjo da instrumentação é composto por um cilindro (diâmetro de 30cm e altura de 20cm) e um reservatório de água graduado que está conectado ao cilindro através de uma mangueira. O anel é introduzido no solo até aproximadamente 10cm e
o reservatório é mantido em uma posição mais alta do que o anel para que possa haver um gradiente hidráulico razoável. Para a realização do ensaio é introduzida água tanto no cilindro como no reservatório, no qual são feitas leituras de consumo de água com o tempo.
Este método geralmente conduz a superestimação da velocidade de infiltração em razão da formação de um fluxo lateral de água. Sendo assim aconselha-se a utilização do infiltrômetro de cilindro duplo (FIGURA 2.25), o qual tende a minimizar o efeito do fluxo lateral, uma vez que a verticalidade da infiltração do cilindro interno (infiltrômetro) é assegurada pela infiltração que se processa no cilindro externo (efeito de bordadura) (NISHIYAMA, 1998; FABIAN e OTTONI, 1997; MERTENS et al., 2002).
O cilindro duplo consiste na instalação de um outro cilindro cujo diâmetro em geral é de 60 cm, o qual também deve ser preenchido com água, no entanto, as medidas de infiltração são realizadas apenas no cilindro central. O ensaio com o infiltrômetro pode ser realizado tanto para carga constante quando o nível de água dentro do anel não varia, como a carga variável quando o nível de água varia com o tempo. 30 cm 60 cm infiltrômetro cilindro externo reservatório de água graduado linhas de fluxo
Figura 2.25: Modelo esquemático do equipamento utilizado no ensaio de infiltração de duplo cilindro
A velocidade de infiltração é obtida a partir da utilização da eq. 25 abaixo, que tem como base as leituras realizadas no reservatório ao longo do tempo:
vi = x60 t h ∆ ∆ = 60 x t t h h 1 n n 1 n n − − − − (25) Onde:
vi é a velocidade de infiltração para cada instante i; hn – hn-1 é a diferença de nível d’água no reservatório e tn-tn-1 é a diferença de tempo entre uma leitura e outra
A velocidade de infiltração pode ser calculada para cada instante, porém, comumente considera-se como efetivo o valor obtido após atingir a infiltração constante.
A partir deste ensaio podem também ser obtidos valores de condutividade hidráulica a qual será discutida posteriormente.
A principal vantagem desse método é que somente uma pequena área é necessária para a realização do ensaio, porém é representativo das heterogeneidades do solo. Além disso, tem um custo mínimo de instalação, é de simples utilização e não necessita grande quantidade de água.
Os valores de condutividade hidráulica, relacionados aos ensaios com os infiltrômetros descritos acima, pode ser calculada através da aplicação da lei de Darcy descrita pela eq. 26.
Ksat = t . A ). Z Z H ( Q w w + (26) Onde:
Ksat é a condutividade hidráulica saturada de campo; Zw é a profundidade da frente de saturação;
A é a área transversal do anel; t é o tempo entre as duas medidas;
Q é o volume total de água infiltrada no solo; H é a profundidade da água no anel;
c) Infiltrômetro de disco
O infiltrômetro de disco consiste em um instrumento utilizado para medidas rápidas de condutividade hidráulica in situ. O princípio deste método envolve a introdução de água dentro de um anel de teste, selado, que esteja em contato com o solo, no qual são realizadas medidas de velocidade de infiltração ao longo do tempo. Esta medida é obtida a partir da variação de volume de água observado no reservatório existente no próprio instrumento. Seguindo, portanto, o mesmo princípio do infiltrômetro de anel, porém resulta em medidas pontuais (0,3 m2), e por este motivo não reflete totalmente as heterogeneidades presentes no solo. (SAI e ANDERSON, 1990; ANGULO-JARAMILLO et al., 2000;)
d) Permeâmetro de Guelph.
O equipamento consiste em um permeâmetro de carga constante que trabalha sob o princípio do tubo de Mariotte, e permite determinar a condutividade hidráulica
saturada, o potencial matricial de fluxo, e a sorção do solo no campo (REYNOLDS e ELDRICK, 1985).
A diferença entre este instrumento e o anterior é que o contato entre solo e água é feito a partir de pequenos furos cilíndricos no solo. Segundo SAI e ANDERSON (1990), o volume de solo testado é muito pequeno, sendo o resultado pouco representativo dos valores reais de condutividade hidráulica. Porém trata-se de um método barato, simples e relativamente rápido em comparação aos outros métodos.
Sua praticidade permite que sejam feitos ensaios em diversos pontos em um curto período de tempo. Este método tem sido utilizado com freqüência, no Brasil e no mundo, apresentando bons resultados. (REYNOLDS e ELDRICK (1987), GUPTA et
al., (1993), SOTO (1999) e VIEIRA (2001). e) Perfil instantâneo.
Trata-se de um procedimento bastante difundido no meio científico e que foi utilizado pela primeira vez por RICHARDS et al. (1956) e simplificado por HILLEL et al. (1972). Este método de campo consiste na aplicação de água em uma parcela de solo, delimitada por um cilindro de borda alta, mantendo-se uma lâmina de água na superfície de maneira que o perfil se torne tão úmido quanto possível.
Com auxílio da instalação de tensiômetros em várias profundidades de interesse o processo de saturação do solo é monitorado, até o momento em que aparelho não mostrar mais variação nas medidas com o tempo, ou seja, o processo de infiltração tornou-se constante. Atingida esta condição, interrompe-se o fornecimento de água e cobre-se a superfície do solo com uma lona ou outro material impermeável, para evitar a evaporação e a entrada de água na superfície.
Desta maneira a água contida no perfil será redistribuída em profundidade pelo processo de drenagem interna, e à medida que este processo ocorre, medidas periódicas de umidade e quando necessário de potencial mátrico são realizadas.
Quando não é possível a utilização de tensiômetros, a quantidade de água necessária para saturar o solo até a profundidade desejada deve ser estimada por meio de correlação com os índices físicos, como por exemplo, a porosidade.
As umidades em profundidade e ao longo do tempo podem ser obtidas por meio de uma sonda de nêutrons ou a partir do processo de tradagem, com coleta de amostras para realização da secagem em estufa.
As condições de contorno consideradas para a realização deste ensaio são as seguintes:
1) θ = θ(z), t = 0, z > 0 2) θ = θi , t > 0, z = ∞
3) θ = 0, t > 0, z = 0
A partir dos dados de umidade obtidos é então analisada a variação da umidade com o tempo para cada profundidade. Para analisar os dados são utilizados métodos de cálculo específicos como é o caso do método de fluxo e método de umidade de Libardi (LIBARDI, 1995).
f) Método de umidade de Libardi (LIBARDI et al, 1980)
Este método foi proposto por LIBARDI et al. (1980) e consiste em um método de cálculo para obtenção dos valores de K(θ), utilizando a variação de umidade obtida a partir dos dados resultantes do método de perfil instantâneo abordado acima.
A aplicação do método parte do princípio de que a umidade ao longo do perfil até a profundidade de penetração da água deve sempre decrescer com o tempo e que a variação da umidade com o tempo segue uma função linear (BACCHI e REICHARD, 1988).
Com base nesta função linear obtém-se determinados parâmetros, γ, γm e b que dependem dos coeficientes angular e linear da função de variação de θ e θmédio com o tempo.
Considerando-se estes parâmetros é possível obter o valor da condutividade hidráulica inicial, relativa ao grau de saturação máximo, através da eq. 27.
Ko= z . eb.γ / γmédio (27)
Onde:
Ko é a condutividade hidráulica na umidade máxima, z é a profundidade e
b, γ e γm são parâmetros obtidos das curvas de variação da θ com o tempo. Admitindo-se que K(θ) varia de uma maneira exponencial com a umidade á partir da eq. 28, é possível obter os valores de k(θ) para qualquer valor de umidade volumétrica desejado.
K(θ) = Koeγ(θ-θo) (28)
Onde θ é a umidade volumétrica e θo é a umidade volumétrica inicial.
Este ensaio é realizado em laboratório e tem como base a percolação de água através de um corpo de prova ajustado a um cilindro. Este ensaio pode ser realizado a partir de colunas grandes ou pequenas de amostras, indeformadas ou compactadas.
No caso das colunas grandes elas podem chegar a 1 metro ou mais de comprimento e são geralmente compostas por amostras de solo deformadas e/ou compactadas (LIBARDI, 2000). No caso das colunas pequenas, a amostra pode ser deformada ou mais comumente indeformada, para que seja possível a obtenção de parâmetros mais próximos da situação real, e a altura da coluna pode variar de 10 a 20 cm, dependendo do caso. Os valores de condutividade obtidos por este ensaio são em geral superestimados em relação aos ensaios de campo. O cálculo do parâmetro K é feito com base na equação de Darcy adaptada para as condições do ensaio (eq. 29)
K=
)
L
h
(
t
.
A
L
.
Va
+
(29) Onde:Va é o volume de água percolado durante o tempo t; A é a área da secção transversal da amostra; L é o comprimento da coluna de solo e
h é a carga hidráulica no topo da amostra (nível d’água acima da amostra).