E4 Zona Insaturada e Infiltração

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A zona não saturada, também chamada de zona vadosa, é o volume de solo entre a superfície e o lençol freático, um volume no qual os poros do solo contêm água e ar, em vez de estarem completamente preenchidos apenas com um dos dois.

O movimento da água dentro dessa zona não saturada segue a equação de Richards, já mencionada em documentos anteriores, uma equação de difusão não linear que combina o fluxo gravitacional, sempre direcionado para baixo, com o fluxo mátrico, direcionado para a área de menor potencial mátrico, independentemente da direção em que essa área se encontra. É precisamente essa equação que revela extrema não linearidade, porque a condutividade hidráulica do solo pode variar em várias ordens de magnitude ao passar de condições saturadas para secas.

A infiltração é o processo pelo qual a água da chuva ou a água de irrigação penetra na superfície dessa mesma zona não saturada. É precisamente a intensidade do gradiente de sucção mátrica que faz com que a taxa de infiltração seja alta inicialmente, quando o solo ainda está seco, e que essa mesma taxa diminua assintoticamente até se aproximar da condutividade hidráulica saturada do solo, à medida que o solo se umedece. Existem três modelos clássicos que descrevem essa infiltração: o modelo de Green-Ampt, que assume uma frente de umedecimento abrupta e pode ser resolvido analiticamente; o modelo de Philip, que expande a infiltração como uma série de potências da raiz quadrada do tempo; e o modelo de Horton, que descreve a infiltração como um decaimento exponencial ajustado empiricamente.

Quando a intensidade da chuva excede a capacidade de infiltração do solo, é precisamente esse excesso de água que forma o escoamento superficial, do mesmo tipo descrito na discussão sobre inundações, que neste contexto é conhecido como escoamento hortoniano em homenagem a esse mesmo modelo de decaimento exponencial.

O fluxo preferencial, por outro lado, ocorre quando a água se move rapidamente através de macroporos — rachaduras, canais radiculares ou galerias escavadas por minhocas — contornando completamente a matriz do solo descrita pela equação de Richards. É precisamente essa capacidade de evitar a matriz do solo que permite que o fluxo preferencial transporte contaminantes para os aquíferos muito mais rapidamente do que a equação de Richards prevê.

A evaporação que ocorre diretamente do solo, por sua vez, passa por três estágios sucessivos: no primeiro estágio, a evaporação é controlada pela demanda atmosférica e sua taxa é igual à evapotranspiração potencial; no segundo estágio, a própria condutividade hidráulica do solo controla uma taxa de evaporação progressivamente decrescente; e no terceiro estágio, a evaporação cai para taxas muito baixas, limitadas apenas pela difusão do vapor de água através do solo quase seco. Assim, desde a zona não saturada com a qual este documento começa até este estágio final de evaporação com o qual termina, passando pela equação de Richards, pelos modelos de infiltração e pelo fluxo preferencial que a evita, a zona não saturada e a infiltração significam que o destino de cada gota de chuva — infiltrar, escorrer pela superfície ou evaporar — é determinado pelo próprio solo que a gota atravessa.

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