DETERMINAÇÃO DE CURVAS DE INFILTRAÇÃO USANDO UMA CÂMARA DE FLUXO¹

DETERMINATION OF INFILTRATION CURVES USING A FLUX CHAMBER

RESUMO

Testou-se uma câmara de fluxo metálica de 80 cm de diâmetro por 80 cm de altura, num podzólico vermelho-amarelo em Itaguaí (RJ), em 1994. O equipamento pode ser totalmente cravado por pressão hidráulica sobre o terreno. Devido a seu tamanho e método de instalação, ele reduz as inconveniências do infiltrômetro de duplo anel, sendo indicado para pesquisas "in situ" envolvendo fenômenos de transferência vertical em solos. Os resultados dos testes de infiltração indicaram que a infiltração na câmara foi sempre inferior à do anel, aproximadamente quatro vezes menor, em média, apontando para a necessidade de uma revisão crítica do método tradicional. O trabalho também testa a adequação de cinco equações de infiltração (Philip, Kostiakov, Kostiakov-Lewis, Horton e SCS), e indica uma inconveniência de emprego daquelas equações cujas velocidades tendam a zero para os tempos de infiltração longos. À exceção da equação de Horton, aplicada aos dados do anel, todas as demais se mostraram satisfatórias até o início da estabilidade do fluxo. A equação de Kostiakov-Lewis também foi adequada para descrever a infiltração estabilizada de longa duração.

Termos de indexação
infiltração; infiltrômetros; curvas de infiltração

SUMMARY

A metallic flux chamber, 80 cm in diameter x 80 cm in height, was tested in a typical Kanhapludalf from Itaguaí (State of Rio de Janeiro, Brazil) in 1994. The equipment can be totally driven by hydraulic pressure on the terrain. Due to its size and method of installation, it reduces the inconveniences of the double-ring infiltrometer, being an equipment indicated for in situ studies involving vertical transfer phenomena in soils. The results of the infiltration test indicated that the infiltration in the chamber was always smaller than in the ring, approximately 4 times on average, pointing to the need of critical revision of the traditional method. We also tested the fitness of five infiltration equations (Philip, Kostiakov, Kostiakov-Lewis, Horton, and SCS). The results indicate an inconvenience of employing those equations whose velocities tend to zero for long infiltration times. With the exception of the Horton equation applied to the ring data, all other equations proved to be satisfactory up to the beginning of flux stability. The Kostiakov-Lewis equation was also adequate to describe long-lasting steady-state infiltration.

Index terms
infiltration; infiltrometers; infiltration curves

INTRODUÇÃO

O conhecimento do processo de infiltração vertical é de grande importância na hidrologia e na engenharia de água e solo. Sua taxa determina o volume de água que escorrerá sobre a superfície dos terrenos por ocasião das fortes chuvas, tendo influência sobre os processos erosivos, sedimentológicos e de formação das cheias nas bacias hidrográficas (Linsley et al., 1975; Hillel, 1980; Reichardt, 1990). O volume infiltrado é o que garante a evapotranspiração nas bacias hidrográficas e a taxa de recarga nos lençóis de água subterrânea (Bouwer, 1978; Linsley et al., 1975).

A infiltração pode-se dar com a água de irrigação, chuva ou recarga artificial. As velocidades de infiltração dependem de diversos fatores pedológicos: densidade, porosidade, estrutura e textura do solo, morfologia do perfil, fendas, crostas ou rachaduras superficiais do terreno, tipo de preparo do solo, matéria orgânica (Hillel 1980; Chen & Wagenet, 1992; Meek et al., 1992), presença de vegetação (Dunne et al., 1991), umidade (Poulovassilis, 1983), canais biológicos (Smettem, 1992), ar aprisionado (Linden et al., 1976; Constantz et al., 1988), e condições químicas da água e do solo (Chen & Wagenet, 1992). Freqüentemente, muitas dessas grandezas intervenientes se modificam ao longo do tempo ou das estações, além de poder ser espacialmente variáveis (Warrick & Nielsen, 1980). Tudo isso torna difícil uma precisa caracterização da infiltrabilidade dos terrenos. Assim, a infiltração deve ser preferencialmente avaliada em condições de campo, sem modificações nas propriedades morfológicas, físicas e químicas do solo, e em áreas com dimensões representativas.

O infiltrômetro de anel ou de duplo anel é o equipamento de mensuração comumente utilizado (Bertrand, 1965; Bernardo, 1984), devido, sobretudo, à sua simplicidade e à facilidade de execução dos testes. Uma séria limitação, mesmo quando se usa o duplo anel, é a infiltração horizontal induzida pelos fortes gradientes de pressão entre o solo muito úmido sob o infiltrômetro e o solo seco circundante, já que os anéis são cravados apenas poucos centímetros no terreno (Bertrand, 1965; Bouwer, 1978; Scopel et al., 1978; Souza et al., 1979; Reichardt et al., 1986). Como esperado, tal efeito de bordadura deve diminuir com o aumento de tamanho dos anéis. Swartzendruben & Olson, citados por Bertrand (1965) sugerem que um duplo anel, com diâmetros de 100 e 120 cm , minimize a percolação horizontal, contanto que não haja heterogeneidade marcante de camadas ao longo do perfil. Segundo Mattan (1991), camadas com menor condutividade hidráulica no perfil induzem o crescimento da carga hidráulica e a percolação lateral da água para fora da área inundada. Aronovici (1955) e Shull (1964) demonstram que, por obstrução hidráulica, as taxas de infiltração decrescem à medida que a profundidade de cravação do anel é aumentada.

Outra inconveniência do método dos anéis infiltrômetros é a deformação da estrutura do solo superficial, devida aos esforços da sua cravação por percussão (Bertrand, 1965). Tais esforços podem introduzir fendas, rachaduras e desagregação do terreno. Essa mutilação pode alterar substancialmente as taxas naturais de infiltração, especialmente em casos de terrenos com crostas, ocorrências muito comuns em solos naturais e irrigados (Hillel, 1980; Reichert et al., 1992). Segundo Hillel (1980), crostas com poucos milímetros de espessura podem reduzir marcantemente a infiltrabilidade dos terrenos.

A curva de infiltração define a variação da infiltração com o tempo. Sua determinação é vital para o entendimento dos processos hidrológicos (Bouwer, 1978; Hillel, 1980; Reichardt, 1990) e nas áreas de projeto e manejo dos sistemas de irrigação (Hart et al., 1980; Bernardo, 1984). Alguns métodos de cálculo requerem uma equação de representação dessa curva. Clemmens (1983) avaliou o ajustamento de oito equações de infiltração a uma grande gama de dados experimentais. A equação de Philip, a de maior formulação teórica, mostrou-se inadequada naquele trabalho. As de Green-Ampt e Horton também não interpolaram devidamente os dados experimentais. As equações do Soil Conservation Service (SCS) e de Collis-George não apresentaram vantagens em relação ao modelo mais simples de Kostiakov. Para a maioria das situações, a equação de Kostiakov foi adequada para descrever a infiltração. Quando isso não ocorreu, Clemmens (1983) recomendou a adoção das equações de Kostiakov-Lewis ou Kostiskov-Branch. As duas últimas são sofisticações do modelo potencial simples de Kostiakov, pois permitem a convergência para uma velocidade final de infiltração básica (VIB).

Este trabalho apresenta um equipamento, denominado câmara de fluxo; por sua concepção, são minoradas ou eliminadas as perdas d'água de bordadura quando nela forem desenvolvidos experimentos de infiltração no campo. O método de cravação do equipamento elimina também os inconvenientes das deformações de superfície. Assim, por meio de testes num solo podzólico vermelho-amarelo, foi possível avaliar a adequação de um infiltrômetro usual de duplo anel como instrumento de medida da infiltração. Também, o artigo investiga a qualidade de interpolação de diversas equações de infiltração, relativamente aos dados do anel e câmara de fluxo.

MATERIAL E MÉTODOS

Câmara de fluxo - A câmara desenvolvida é um cilindro de aço inox com 80 cm de diâmetro, 80 cm de altura e 1 mm de espessura, com reforço estrutural externo em cantoneira de ferro. A extremidade basal cortante foi reforçada com aço carbono. A câmara é totalmente cravada por pressão hidráulica, com auxílio de contrapesos e de uma mesa de cravação. Os contrapesos são quatro caixas de madeira cheias com o próprio solo, as quais são apoiadas sobre os estrados dos pés da mesa de cravação. A figura 1 mostra a mesa de cravação, no interior da qual se vê a câmara antes de ser instalada no terreno.

Figura 1
Câmara de fluxo antes de ser cravada no terreno, abaixo da mesa de cravação. Entre o topo da câmara e a mesa, na ordem: base radial, cubos de madeira e macaco hidráulico.

A câmara é prevista para ser cravada 70 cm , profundidade que corresponde à região onde se encontra a maior parte do sistema radicular da maioria dos cultivos de interesse. O cilindro apresenta uma seção transversal de 0,50 m², sendo, portanto, bem superior à área dos anéis infiltrômetros usuais, acarretando, assim, maior representatividade espacial na amostragem de infiltração. A cravação ocorre mediante pressão exercida por um macaco hidráulico assentado sobre uma base radial metálica que é apoiada sobre a câmara, com auxílio da mesa de cravação. A mesa é constituída de chapas de ferro e tubos de ferro galvanizado, articulados em munhões, sendo, portanto, de fácil transporte e montagem manual. A mesa deve ser instalada em nível sobre a câmara, que também deve estar em nível e no prumo. O centro geométrico da câmara deve coincidir com o da mesa. Para proceder à cravação, o macaco é instalado entre a câmara e a mesa. A distância entre ambas é ocupada pela base radial assentada sobre a câmara, por cubos de madeira, gradualmente instalados conforme a câmara é cravada e pelo próprio macaco (Figura 1). Entre a extremidade do pistão do macaco e a parte inferior da mesa, uma pequena chapa de ferro com orifício para encaixe do pistão, garante um perfeito apoio no centro geométrico da mesa. Como contrapesos, utilizam-se cerca de 4 a 8 toneladas do próprio terreno. Com o acionamento do macaco, a câmara penetra no solo em vista de a pressão exercida pelo macaco ser superior à resistência de cravação. A cada 10 cm de cravação, o terreno circundante à câmara deve ser retirado para que não ofereça resistência à penetração. Para diminuir o atrito entre o solo e a parede interna da câmara, recomenda-se besuntar a superfície desta com óleo mineral ou produto equivalente. Após a cravação, a cava em torno da câmara deve ser preenchida com o solo, de preferência mantendo-se a seqüência original das camadas (Figura 2). Em seguida, retiram-se os contrapesos e desarma-se a mesa, deixando a câmara livre para os experimentos.

Figura 2
Câmara de fluxo instalada a 70 cm de profundidade. O terreno circundante à câmara deve ser gradualmente removido até a instalação do equipamento na profundidade desejada, após o que o solo é recolocado no lugar de origem.

Descrição da área e análise do solo - Os trabalhos foram desenvolvidos em 1994, na área do Centro Nacional de Pesquisas em Agrobiologia (CNPAB-EMBRAPA), no município de Itaguaí (RJ). Uma trincheira foi aberta próxima ao local do experimento, para descrição do perfil e determinação das características físicas do solo (Quadro 1). A área experimental localiza-se no terço superior de uma elevação com cerca de 0,07 m m⁻¹ de declive, sob cobertura de gramíneas. O relevo local é suave ondulado com pendente longa. O solo é constituído de saprólito de gnaisse, rochas de caráter ácido e sedimentos coluviais. De acordo com Oliveira et al. (1992), a unidade foi classificada como podzólico vermelho-amarelo. As seguintes análises físicas foram realizadas de acordo com o método recomendado pela EMBRAPA (1979):

Densidade das partí- culas....................... Método do picnômetro. Densidade do solo... Método do anel volumétrico(277 cm3 de volume). Calhaus e cascalho.. Método gravimétrico. Textura......................... Método da pipeta (modificado). Microporosidade..... Método da mesa de tensão(60 cm de tensão) Volume total de poros(VTP)................................. A partir dos valores de densidade das partículas e do solo.

Densidade das partí- culas.......................	Método do picnômetro.
Densidade do solo...	Método do anel volumétrico (277 cm3 de volume).
Calhaus e cascalho..	Método gravimétrico.
Textura.........................	Método da pipeta (modificado).
Microporosidade.....	Método da mesa de tensão (60 cm de tensão)
Volume total de poros (VTP).................................	A partir dos valores de densidade das partículas e do solo.

A densidade do solo e a microporosidade foram determinadas a partir de amostras indeformadas obtidas pelo coletor de Uhland. O teor de carbono orgânico também foi determinado, pelo método descrito por Walkley & Black (1934).

Testes de infiltração - Realizaram-se os ensaios de infiltração (EMBRAPA, 1979) em quatro locais do solo acima descrito, utilizando-se um infiltrômetro de duplo anel (com diâmetros de 15 e 30 cm) e a câmara de fluxo proposta. Cada ensaio correspondeu ao uso simultâneo de ambos os equipamentos para obter as curvas de infiltração até depois da estabilização da velocidade de infiltração. O duplo anel e a câmara foram instalados um junto ao outro a fim de minimizar os efeitos de variabilidade espacial. Os anéis foram cravados por percussão com marreta sobre madeira, à profundidade de 10 cm. As diversas leituras no anel e na câmara foram efetuadas simultaneamente e continuadas até a duração preestabelecida de oito horas. Os quatro ensaios foram realizados em dias diferentes, distantes uns dos outros como os vértices de um quadrado de 5 m de lado.

Quadro 1
Características físicas e de quantidade de carbono orgânico no perfil do podzólico vermelho-amarelo estudado

Horizonte	Profundidade	Granulometria
		Total					Terra fina
		Calhau >20 mm	Cascalho 20 a 2 mm	Terra fina <2 mm			Areia			Silte	Argila
							Grossa	Fina
	cm	-----------------------------------------------g kg-1---------------------------------------------------------
Ap	0-24	0	80	920		610	200		60	130
2 AB	24-37	0	190	810	550	160		50	240
3BA	37-66	0	200	800	430	140		40	390
3Bt	66-104	0	100	900	400	80		30	490
3BC	104+	0	30	970	300	30		140	530
Horizonte	Profundidade	Argila dispersa em água	Grau de floculação	Relação silte/argila	Densidade			Porosidade			C(2)
					Solo	Partículas		Micro-	Macro-	VTP(1)
	cm	−−−−%−−−−			−−−kg dm−3−−−			-----------dm3 dm−3----------			g kg−1
Ap	0-24	10	23	0,46	1,65	2,62	0,17	0,19	0,37	3,9
2 AB	24-37	19	21	0,21	1,73	2,61	0,23	0,09	0,34	1,3
3BA	37-66	8	79	0,10	1,74	2,63	0,25	0,07	0,34	1,7
3Bt	66-104	6	87	0,06	1,43	2,62	0,34	0,10	0,45	1,0
3BC	104 +	0	100	0,26	1,41	2,62	0,38	0,07	0,46	0,5

• ⁽¹⁾
  VTP= volume total de poros.
• ⁽²⁾
  C= teor de carbono orgânico.

No momento dos testes, o solo apresentava cobertura vegetal com predomínio de grama-batatais (Paspalum notatum), capim-gordura (Mellinis minutiflora), capim-jaraguá (Hyparrenia rufa), rabo-de-burro (Sparabolus indicus) e capim-colonião (Panicum maximum), cobrindo desuniformemente o terreno.

No centro da câmara, foi introduzido um tubo de alumínio (D≡5,0 cm) visando permitir o acesso de uma sonda de nêutrons (Troxler 4300) para determinação da umidade volumétrica. Na sua calibração, utilizou-se o método de campo (Greacen et al., 1981); o erro-padrão de desvio na equação de calibração foi de 0,015 dm³ dm⁻³ (a partir de 64 pontos de leitura da sonda no solo). Para instalação dos tubos, usou-se um trado com diâmetro ligeiramente inferior ao do tubo, visando permitir maior contato entre a parede externa do tubo e o solo. À medida que se abria o buraco com o trado por dentro do tubo, este ia sendo cravado, pressionando-o com as mãos ou com leve percussão por meio de um cubo de madeira. A extremidade inferior do tubo foi vedada com uma mistura de água e cimento 24 horas antes de o solo ser inundado. Para impedir que a argamassa aderisse nas paredes internas do tubo,empregou-se um tubo de polietileno flexível com D=1,9 cm. Recomenda-se que sempre se faça a vedação na base do tubo, visando evitar entrada de água, que pode causar danos à sonda e impossibilidade de leituras. Quando não houver inundação sobre o terreno, tal impermeabilização é desnecessária. O quadro 2 contém os valores de umidade do solo nas profundidades de 15, 30, 45 e 60 cm, medidos logo antes do início dos ensaios de infiltração.

Quadro 2
Umidade volumétrica medida instantes antes do início dos testes de infiltração na câmara de fluxo

Local	Profundidade (cm)				Média no perfil
	15	30	45	60
	-----------------------------------------------------dm3 dm−3 ------------------------------------------------
1	0,127	0,207	0,267	0,285	0,221
2	0,083	0,106	0,124	0,176	0,122
3	0,126	0,169	0,187	0,219	0,175
4	0,133	0,157	0,178	0,235	0,176
Média	0,117	0,160	0,189	0,229	0,174
C.V. %	19,7	26	31	19,7	23

Equações de infiltração - As equações de infiltração testadas neste trabalho encontram-se no quadro 3. Nestas, 𝐓 é o tempo de infiltração, e 𝐈 e i são, respectivamente, a lâmina de infiltração acumulada e a taxa de infiltração. As constantes K, a e c são coeficientes empíricos a serem ajustados. Com exceção da equação do SCS, c é a velocidade de infiltração básica (VIB), sendo determinada "a priori" como a velocidade terminal de infiltração nos testes. Com respeito à equação do SCS, c foi determinada por tentativas, para minimizar os erros de ajuste no método dos quadrados mínimos. Tal método foi também usado na determinação de 𝐚 e 𝐊 de todas as equações, visando a uma regressão linear (Volk, 1969) dos dados experimentais (Quadro 3). Com exceção da equação de Horton, os coeficientes das demais foram obtidos com os valores de infiltração acumulada versus tempo, pois há uma aproximação quando se considera i = dI/dT ≅ ΔI/ΔT. O coeficiente de determinação (r²) da interpolação linear foi usado como índice de qualidade do ajuste.

Quadro 3
Equações de infiltração utilizadas no trabalho e sua transformação visando a uma regressão linear dos dados experimentais

Equação	I(T)	i(T)	Regressão: 𝐘=𝐀+𝐁𝐗
			Parâmetro de ajuste	Y	X	A	B
Pailip	KT1/2 + cT	(1/2) KT−1/2 + c	K, c	I-cT	T1/2	-	K
Kostiakov	KTa	aKTa−1	K, a	log I	log T	log K	a
Kost.-Lewis	KTa + cT	aKTa−1 + c	K, a, c	log I−cT)	log T	logK	a
Horton	K(1−e−aT) + cT	aKe−aT + c	K, a, c	In (i-c)	T	ln (aK)	-a
SCS	KTa + c	aKTa−1	K, a, c	log (I−c)	log T	log K	a

• Obs.: I= lâmina de infiltração acumulada; i= taxa de infiltração; T= tempo de infiltração.

Visando determinar a equação de melhor ajuste, realizou-se a análise da variância com os valores de r², na qual cada equação de regressão, aplicada separadamente aos dados do anel e da câmara, representa um tratamento diferente e os valores de r², relativos aos diferentes locais do teste de infiltração, representam a variável aleatória mensurada, com quatro repetições. O teste foi o de Tukey (Pimentel Gomes, 1993).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Desempenho da câmara de fluxo

As cravações da câmara não introduziram rachaduras ou modificações morfológicas aparentes no perfil. O tempo entre o início e o fim da cravação, desconsiderando-se a montagem e desmonte da mesa, foi de cerca de 30 minutos. Tanto a câmara como os componentes da estrutura de cravação resistiram adequadamente aos esforços solicitados. Verificou-se, entretanto, que, mesmo procurando manter a câmara no prumo durante a cravação, ela, às vezes, tendeu a se inclinar levemente devido à heterogeneidade no perfil ou à falta de absoluta simetria na distribuição dos esforços. Quando isso ocorre, torna-se necessário deslocar o macaco um pouco para fora do centro da câmara, a fim de restabelecer o prumo. Por esse motivo, ao final da cravação, verifica-se a existência de um pequeno espaço, em torno de 0 a 5 mm, entre o solo e a parede interna da câmara em alguns segmentos do seu perímetro. Para que este espaço vazio não afete as leituras de infiltração, deve ser preenchido com solo e compactado com uma régua metálica fina.

A vantagem principal da utilização da câmara é desenvolver experimentos envolvendo fluxos verticais em amostras indeformadas "in situ", sem influência dos efeitos de bordadura até aproximadamente 70 cm de profundidade. Isso faz com que a câmara constitua um laboratório de solo natural, sendo recomendável o seu uso em pesquisas envolvendo processos dinâmicos assumidamente verticais, como infiltração, drenagem interna, evaporação, fluxo de solutos, calor, gases, etc. Além disso, o solo não terá seu arranjamento estrutural modificado (com exceção de um delgado volume em torno das paredes da câmara), devido à pequena espessura da câmara (1 mm) e ao fato de a cravação se dar por pressão, ao contrário do que normalmente ocorre quando se cravam os anéis sob percussão. Esta pode gerar rachaduras e outras formas de alterações morfológicas; do mesmo modo, os importantes efeitos decorrentes do encrostamento e selamento superficial podem ser eliminados parcialmente neste processo de cravação, comprometendo a representatividade dos dados obtidos nos anéis.

Curvas de infiltração

Os resultados dos testes de infiltração são mostrados na figura 3 e no quadro 4 . A figura 3 diz respeito apenas às medições do local 3 , já que para os demais a plotagem é de comportamento similar à desta figura. Os resultados confirmam que a infiltração na câmara (em termos de lâmina ou velocidade) foi sempre bem menor do que no anel, desde os primeiros instantes da inundação; a infiltração acumulada e a taxa de infiltração básica foram, em média, respectivamente, 3,6 e 4,8 vezes menores na câmara do que no anel, como indica o quadro 4.

Figura 3
Dados de infiltração acumulada (a) e taxa de infiltração (b) na câmara de fluxo e anel de infiltração, para o local 3. As linhas cheias e tracejadas representam, respectivamente, as equações de Kostiakov-Lewis e Kostiakov interpolando os mesmos dados de infiltração do local.

Quadro 4
Infiltração acumulada ao fim do experimento (T=480 min) e velocidade de infiltração básica na câmara de fluxo e anel de infiltração

Local	Câmara			Anel			Anel/Câmara
	I	VIB		I	VIB		em I	em VIB
	mm mm h−1			mm	mmh−1
1	238	24		409	40		1,7	1,7
2	653	70		1649	180		2,5	2,6
3	157	12		983	120		6,3	10,0
4	252	24		999	120		4,0	5,0
Média	325	32,5		1010	115		3,6	4,8
C.V. %	68	79		50	50		55	78

• Obs.: I: infiltração acumulada; VIB: velocidade de infiltração básica; CV: coeficiente de variação.

Esse resultado aponta para o fato de que o infiltrômetro de duplo anel, nos tamanhos usualmente utilizados (15 a 30 cm de diâmetro do anel interno) não é um instrumento adequado de medida sistemática de infiltração no campo. O anel externo, neste experimento, não vedou suficientemente a fuga lateral da água, devido, pelo menos em parte, aos gradientes horizontais de pressão. Outro motivo adicional do aumento de infiltração no anel, em relação à câmara, é uma possível modificação estrutural do solo, incluindo a ruptura do selamento superficial, devida à cravação do anel por percussão. Esses dois fatos podem aumentar substancialmente os valores infiltrados no anel em relação à lâmina infiltrada de ampla área de solo natural inundado, que é o que precisa ser mensurado.Como a vedação lateral da câmara é total até a profundidade de sua cavação (70 cm) e não há modificações estruturais do terreno por causa do seu método de cravação, os dados obtidos na câmara podem ser tomados como padrão de medida de infiltração no campo, padrão de alta representatividade pontual até, pelo menos, a frente de molhamento atingir a base da cravação do equipamento. A partir desse instante, as fugas laterais são inevitáveis, ainda que em quantidades menores que no método do anel. Uma forma de diminuir esse inconveniente é aumentar a altura da câmara, o que faz incrementar, entretanto, sua resistência à cravação.

A revisão no método do infiltrômetro de anel deve levar em conta a estanqueidade quanto às perdas laterais, bem como a mudança na sua forma deletéria de cravação por percussão. A câmara de fluxo, de instalação mais trabalhosa, pode ser utilizada como instrumento de medida padrão de infiltração pontual no campo. Não se propõe, portanto, que a câmara seja um instrumento de rotina nos trabalhos de levantamento de solos.

No quadro 5, são indicados o perfil médio de umidade imediatamente após o término dos testes de infiltração na câmara, bem como a porosidade total média por profundidade. Cessados os testes, a umidade média no perfil foi de 0,247 dm³ dm⁻³, bem abaixo do 0,35 dm³ dm⁻³ da umidade de saturação, o que se repetiu aproximadamente em todas as profundidades. Possivelmente, essa diferença de cerca de 0,10 dm³ dm⁻³ não se deve simplesmente a ar aprisionado, mas, também, a um fluxo não saturado de infiltração, motivado talvez por um selamento superficial (que não foi rompido pela cravação da câmara) ou por um decréscimo da velocidade proveniente da heterogeneidade no perfil. Tal heterogeneidade revela uma queda da permeabilidade com o aprofundamento no terreno, devida ao gradiente textural no perfil (Quadro 1). Portanto, como é o caso deste estudo, o fenômeno da infiltração por inundação do terreno, nem sempre abriga, em condições de campo, um fluxo saturado acima da frente de molhamento, como observado por Hillel (1980).

Quadro 5
Perfis médios de umidade volumétrica nos quatro ensaios na câmara de fluxo, na saturação (VTP) e imediatamente ao fim dos testes de infiltração (umidade final)

Variável	Profundidade (cm)				Média no perfil
	15	30	45	60
	---------------------------------------dm3dm−3 ---------------------------------------
VTP	0,36	0,34	0,35	0,35	0,35
Umidade final	0,230	0,235	0,249	0,274	0,247

• Obs.: VTP = volume total de poros.

Equações de infiltração

Os coeficientes das cinco equações de infiltração, aplicadas separadamente aos dados do anel e câmara, acham-se representados no quadro 6, juntamente com os respectivos coeficientes de determinação r² da regressão. As regressões foram calculadas para os dados de infiltração até o instante em que se inicia a estabilidade aparente das curvas de velocidade de infiltração, como é de praxe na prática. Esses tempos foram inferiores à duração total dos testes (8 horas).

Quadro 6
Coeficientes das equações de infiltração que interpolaram os dados da câmara de fluxo e do anel de infiltração. Também são representados os coeficientes de determinação r², com os resultados dos seus testes de média

Equação	Local	Câmara				Anel
		K(1)	a(1)	c(1)	r2(2)	K	a	c	r2
SCS	1	2,9	0,71	0,1	0,999	1,9	0,88	1,1	0,999
	2	6,9	0,73	-3,5	0,997	7,4	0,87	0,9	0,999
	3	49,9	0,19	-44,0	0,984	3,5	0,88	1,5	1,000
	4	6,2	0,58	-2,0	0,999	2,6	0,98	2,5	1,000
	Média	16,5	0,55	-12,3	0,995a(4)	3,8	0,90	1,5	0,999a(4)
	C.V. %(3)	135	46	172	0,7	64	5,7	47	0,03
Kostiakov	1	2,9	0,70	-	0,999a	2,4	0,83	-	0,998
	2	4,7	0,81	-	0,994	7,9	0,86	-	0,999
	3	9,2	0,45	-	0,911	4,7	0,79	-	0,998
	4	4,9	0,63	-	0,996	0,4	0,86	-	0,995
	Média	5,4	0,65	-	0,975a	4,8	0,83	-	0,997a
	C.V. %	49	23	-	4,4	48	4,0	-	0,1
KostiakovLewis	1	3,6	0,45	0,40	0,955	2,1	0,63	0,67	0,990
	2	4,5	0,60	1,17	0,920	5,9	0,63	3,00	0,994
	3	10,8	0,33	0,20	0,737	3,1	0,39	2,00	0,986
	4	5,9	0,43	0,40	0,945	2,4	0,54	2,00	0,969
	Média	6,2	0,45	0,54	0,889a	3,4	0,55	1,92	0,984a
	C.V. %	52	25	79	12	51	20	50	1,1
Philip	1	2,6	0,50	0,40	0,919	4,3	0,50	0,67	0,982
	2	6,6	0,50	1,17	0,871	11,4	0,50	3,00	0,986
	3	4,1	0,50	0,20	0,612	2,3	0,50	2,00	0,982
	4	6,7	0,50	0,40	0,999	2,8	0,50	2,00	0,959
	Média	5,0	-	0,54	0,850a	5,2	-	1,92	0,977a
	C.V. %	40	-	79	20	82	-	50	1,2
Horton	1	65,4	0,010	0,40	0,792	109,2	0,006	0,67	0,816
	2	107,2	0,017	1,17	0,925	248,8	0,008	3,00	0,637
	3	54,0	0,042	0,20	0,739	21,4	0,057	2,00	0,658
	4	78,6	0,014	0,40	0,850	36,7	0,020	2,00	0,510
	Média	76,3	0,029	0,54	0,826a	104,0	0,023	1,92	0,655b
	C.V. %	30	53	79	9,6	100	104	50	19

• ⁽¹⁾
  Coeficientes das equações de infiltração (I em mm, T em min, i em mm min ⁻¹).
• ⁽²⁾
  r² = coeficiente de determinação.
• ⁽³⁾
  CV = coeficiente de variação.
• ⁽⁴⁾
  Médias na mesma coluna seguidas de mesma letra não diferem entre si ao nível de 5% (pelo teste de Tukey).

Os coeficientes de determinação foram altos, com médias superiores a 0,800 , indicando o bom ajuste das equações. A exceção foi a de Horton aplicada ao anel, que apresentou r² médio de 0,655 , a única média significativamente inferior às demais, como demonstrado no quadro 6. Essa inadequação da equação de Horton também foi verificada por Clemmens (1983). Da mesma forma, tal equação foi a que pior interpolou a infiltração na câmara, seguida, na ordem, pela de Philip, Kostiakov-Lewis, Kostiakov e SCS. Essa mesma ordenação crescente na qualidade de ajuste foi mantida para os dados do anel. Os coeficientes r² também tiveram baixa variabilidade espacial (C.V. < 11,6%), à exceção da equação de Philip na câmara e de Horton no anel. A baixa variabilidade espacial de r² é também outro indicativo da boa qualidade das regressões. A maior variabilidade de r² quanto à equação de Philip na câmara (C.V. =19,7%) deveu-se à pior interpolação no local 3, com r² = 0,612.

Os coeficientes das equações de infiltração apresentaram, em geral, média variabilidade espacial, segundo Warrick & Nielsen (1980), com C.V. quase sempre superior a 20%. A exceção foi o expoente a nas equações do SCS e Kostiakov aplicadas ao anel, com C.V. < 10%. É interessante mencionar que, de forma geral, tanto os coeficientes das equações como a própria infiltração foram mais espacialmente variáveis na câmara do que no anel (Quadros 4 e 6). Por exemplo, enquanto a velocidade de infiltração básica na câmara apresentou C.V. de 79%, no anel a variabilidade foi de 50%.

Na figura 3 são apresentadas, como ilustração, as curvas de infiltração para o local 3 , calculadas pelas equações de Kostiakov e Kostiakov-Lewis. Percebe-se a má interpolação da equação da Kostiakov aos dados do anel que ocorrem a partir da estabilidade da infiltração. Como mencionado, tais dados terminais do teste de infiltração não foram utilizados na regressão das equações, o que justifica a má interpolação citada. De fato, há uma tendência de as equações de Kostiakov e SCS não interpolarem adequadamente a infiltração de longa duração, já que, para elas, lim i (T) = 0 para T → ∞ (Quadro 3). Por outro lado, a equação de Kostiakov-Lewis generaliza a equação de Kostiakov, eliminando esse inconveniente; percebe-se, na figura 3, que todos os dados da infiltração estabilizada são bem ajustados pela equação de Kostiakov-Lewis, o que se repetiu para os locais 1, 2 e 4. Na realidade, a infiltração de longa duração nas equações de Kostiakov-Lewis, Philip e Horton, tende, necessariamente, à velocidade de infiltração básica (VIB).

CONCLUSÕES

1. As largas dimensões da câmara de fluxo (cilindro com 80 cm de diâmetro e 80 cm de altura), bem como seu processo de cravação por pressão hidráulica, que não altera a estrutura natural do terreno, tornaram o equipamento adequado para investigações e pesquisas "in situ" de processos de transferência vertical em solos, como infiltração, evaporação, drenagem interna, transporte de solutos, calor, gases, etc.

2. Testes de infiltração realizados na câmara apontaram para a inadequação do método do infiltrômetro de duplo anel como forma de medida sistemática do fenômeno de infiltração por inundação no campo. A infiltração acumulada e a taxa de infiltração foram sempre bem superiores (em média 3,6 e 4,8 vezes respectivamente) no anel do que na câmara, devido às perdas por infiltração horizontal no anel e ao seu processo de cravação por percussão, que introduz modificações estruturais no perfil, como fendas, rachaduras e rupturas do selamento superficial. Portanto, chama-se a atenção para a necessidade de revisão do método "in situ" visando à determinação da infiltração por inundação. A câmara de fluxo proposta pode ser usada como instrumento de medida padrão dessa infiltração, na busca de um método prático e de fácil repetição que mensure mais adequadamente esse tão importante processo hidrológico (a infiltração por inundação).

3. Ao final dos testes de infiltração na câmara de fluxo, com oito horas de duração, verificou-se que a umidade em todo o perfil de 60 cm de solo estava aproximadamente 0,10 dm dm⁻³ abaixo da umidade de saturação. Portanto, tudo indica que ar ocluso e existência de heterogeneidade ao longo do perfil, incluindo a presença de selamento superficial, determinaram que, em condições de campo, mesmo o fenômeno da infiltração por inundação corresponda a um fluxo hídrico não saturado.

4. As equações de SCS, Kostiakov, Kostiakov-Lewis e Philip interpolaram adequadamente os dados de infiltração na câmara e no anel (r²>0,80). A equação de Horton foi satisfatória para os dados da câmara, mas não para o anel. As duas primeiras equações, entretanto, têm o inconveniente de, eventualmente, não ser adequadas para descrever a infiltração de longa duração, o que aconteceu nesse estudo. A equação de Kostiakov-Lewis, sendo uma generalização da de Kostiakov com lim i (T) = velocidade de infiltração básica, para T → ∞, elimina esse inconveniente. A equação de Philip, como é caso particular da equação de Kostiakov-Lewis, deve ser preterida em relação à mesma.

5. A infiltração na câmara teve maior variabilidade espacial do que no anel. Os coeficientes de variação (C.V.) foram quase sempre superiores a 20%, como na velocidade de infiltração básica, que teve C.V. de 49,9 e 79,0% no anel e na câmara respectivamente.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à EMBRAPA/Centro Nacional de Pesquisas de Solos a ajuda financeira e o apoio operacional, sem os quais não seria possível a realização dessa pesquisa.

• 1
  Parte do trabalho de Tese de Mestrado do primeiro autor, realizada no Departamento de Solos da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, com bolsa de pós-graduação do CNPq.

LITERATURA CITADA

• ARONOVICI, V.S. Model study of ring infiltrometer performance under low initial soil moisture. Soil Sci. Soc. Am. Proc., Madison, 19:1-6, 1955.
• BERNARDO, S. Manual de irrigação. Viçosa, UFV, 1984. cap. 1 (p.3-29) e 7 (p.246-290).
• BERTRAND, A.P. Rate of water intake in the field. In: BLACK, C.A., ed. Methods of soil analysis. Part 1. Madison, American Society of Agronomy, 1965. p.197-208.
• BOUWER, H. Groundwater hydrology. New York, McGraw-Hill, 1978. p.252-302.
• CHEN, C. & WAGENET, R.. J. Simulation of water and chemicals in macropore soils. Part 1. Representation of the equivalent macropore influence and its affect on soilwater flow. J. Hidrol., Amsterdam, 130:105-126, 1992.
• CLEMMENS, A. J. Infiltration equations for border irrigation models. In: NATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN INFILTRATION, Chicago, 1983. Anais. St. Joseph, Amer. Soc. Agr. Eng., 1983. p. 266-274.
• CONSTANTZ, J.; HERKELRATH, W.N. & MURPHY, F. Air encapsulation during infiltration. Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, 52:10-16, 1988.
• DUNNE, T.; ZHANG, W. & AUBRY, B.F. Effects of rainfall, vegetation and microtopography on infiltration and runoff. Wat. Resour. Res., Washington, 27(9): 2271-2285, 1991.
• EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA (EMBRAPA-SNLCS). Manual de métodos de análise de solo. Rio de Janeiro, 1979. 235p.
• GREACEN, E.L.; CORREL, R.L.; CUNNINGHAM, R.B.; JOHNS, G.G. & NICOLLS, K.D. Calibration. In: GREACEN, E.L., ed. Soil water assessment by the neutron method. Adelaide, Division of Soils, CSIRO, 1981. p.50-81.
• HART, W.E.; COLLINS, H.G.; WOODWARD, G. & HUMPHERYS, A.S. Design and operation of gravity or surface systems. In: JENSEN, M.E., ed. Design and operation of farm irrigation systems. St. Joseph, Amer. Soc. Agr. Eng., 1980. p.501-566.
• HILLEL, D. Applications of soil physics. New York, Academic Press, 1980. p.50-72. .
• LINDEN, D.R. & DIXON, R. M. Soil air pressure effects on route and rate of infiltration. Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, 40:963-965, 1976.
• LINSLEY, R.K.; KOHLER, M.A. & PAULHUS, J.L.H. Hydrology for engineers. Tokyo, McGraw-Hill, 1975. p.257-284.
• MATTAN, K.K. Infiltration studies in alfisoils. J. Ind. Soc.Soil Sci., New Delli, 39: 344-347, 1991.
• MEEK, B. D.; RECHEL, E. R.; CARTER, L. M. ; DETAR, W. R. & URIE, A. L. Infiltration rate of a sandy loam soil: effects of traffic, tillage and plants roots. Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, 56:908-913, 1992.
• OLIVEIRA, J.B.; JACOMINE, P.K.T. & CAMARGO, M.N. Classes gerais de solos do Brasil: guia auxiliar para seu reconhecimento. Jaboticabal, FUNEP, 1992. 201p.
• PIMENTEL GOMES, F. Curso de estatística experimental. Piracicaba, Nobel, 1993. 430 p.
• POULOVASSILIS, A. The influence of the initial water content on the redistribution of soil water after infiltration. Soil Sci., Baltimore, 135:275-281, 1983.
• REICHARDT, K. A água em sistemas agrícolas. São Paulo, Manole, 1990. cap. 1 (p. 1-3), 5 e 6 (p. 79-94).
• REICHARDT, K.; VIEIRA, S. R. & LIBARDI, P.L. Variabilidade espacial de solos e experimentação de campo. R. bras. Ci. Solo, Campinas, 10:1-6, 1982.
• REICHERT, J. M; DA VEIGA, M. & CABEDA, M. S. V. Selamento superficial e infiltração de água em solos do Rio Grande do Sul. R. bras. Ci. Solo, Campinas, 16:289-298, 1992.
• SCOPEL, I.; COGO, N.P. & KLAMT, E. Infiltração da água em solos do litoral-norte do Rio Grande do Sul. R. bras. Ci. Solo, Campinas, 2:167-170, 1978.
• SHULL, H. Influence of installation depth on infiltration from unbuffered cylindre infiltrometers. Soil Sci., Baltimore, 97:279-282, 1964.
• SMETTEM, K. R. J. The relation of earthworms to soil hydraulic properties. Soil Biol. Biochem., Oxford, 24:1539-1543, 1992.
• SOUZA, M.L.P.; LIBARDI, P.L & REICHARDT, K. Propagação de erros na medida de fluxos de água no solo em condições de campo. R. bras. Ci. Solo, Campinas, 3:137-140, 1979.
• VOLK, W. Applied statistics for engineers. New York, McGraw-Hill, 1969. p.260-341.
• WALKLEY, A. & BLACK, I.A. An examination of the Degtjareff method for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Sci., Baltimore, 37:29-38, 1934.
• WARRICK, A.W. & NIELSEN, D.R. Spatial variability of soil physical properties in the field. In: HILLEL, D., ed. Applications of soil physics. New York, Academic Press, 1980. p.319-345.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  17 Jul 2026
• Data do Fascículo
  1997

Histórico

• Recebido
  Abr 1996
• Aceito
  Fev 1997