Estudo sobre Escoamento Superficial no Ciclo Hidrológico

ESCOAMENTO SUPERFICIAL PROF PEDRO HELLER EMGE Escoamento Superficial O escoamento superficial é o segmento do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento da água na superfície da Terra Tem origem fundamentalmente nas precipitações e constitui para o sanitarista a mais importante das fases do ciclo hidrológico DEFINIÇÃO E CONCEITOS Tratase da fase mais importante do ciclo hidrológico para os engenheiros É a fase em que há ocorrência e transporte de água na superfície terrestre pois a maioria dos estudos hidrológicos está ligada ao aproveitamento da água superficial e à proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento Percolaç ão Processos da parte terrestre do ciclo hidrológico Interceptação Depressões chu va Escoamento superficial Infiltração Armazenament o no solo Armazenament o no subsolo Escoamento Subsuperfici al Vazão no rio evap Escoamento Subterrâneo CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Subsuperficial Superficial Subterrâneo Tipos de escoamento bacia CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Chuva infiltração escoamento superficial CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Chuva infiltração escoamento superficial escoamento subterrâneo Camada saturada CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Escoamento subsuperficial CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Camada saturada Depois da chuva Escoamento subsuperficial e escoamento subterrâneo CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Estiagem muito longa rio seco Rios intermitentes Camada saturada CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Escoamento Superficial Itajaí onde fica o rio ItajaíAçú que ficou mais de 10 metros acima do normal é um dos municípios mais prejudicados pelas tempestades Escoamento Superficial Ocorrência do escoamento superficial Quando uma chuva atinge uma determinada área parte de suas águas é interceptada pela vegetação e outros obstáculos de onde se evapora posteriormente O restante atinge a superfície do solo durante a chuva é razoável admitirse que as quantidades evaporadas ou evapotranspiradas são desprezíveis Do volume que atinge a superfície do solo parte é retido nas depressões do terreno parte se infiltra e o restante escoa pela superfície Escoamento Superficial Definise como o movimento das águas na superfície do solo na interface entre a superfície e o interior do solo e o lençol subterrâneo Os escoamento são governados em função da gravidade Variáveis de vazão velocidade ou lâmina equivalente Escoamento Superficial O escoamento pela superfície do terreno acontece após a intensidade da precipitação superar a capacidade de infiltração do solo e depois que os espaços nas superfícies retentoras tenham sido preenchidos Escoamento superficial abrange desde o excesso de precipitação posterior a uma chuva suficientemente intensa até o escoamento de um rio que pode ser alimentado tanto pelo excesso de precipitação como pelas águas subterrânea FATORES QUE INFLUENCIAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL Fatores Climáticos Resultantes das características de intensidade e duração da precipitação bem como da ocorrência de uma precipitação anterior quanto maior a intensidade da precipitação mais rápido o solo atinge a sua capacidade de infiltração o excesso de precipitação poderá então escoar superficialmente a duração da precipitação tem influência direta no escoamento superficial pois para chuva de intensidade constante haverá tanto mais oportunidade de ocorrer escoamento quanto maior for a duração da chuva a precipitação que ocorre quando o solo está úmido devido a uma chuva anterior terá maior chance de produzir escoamento superficial FATORES QUE INFLUENCIAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL Fatores Fisiográficos área e a forma da bacia hidrográfica a permeabilidade e a capacidade de infiltração do solo e a topografia da bacia área coletora da água de chuva quanto maior a sua extensão maior a quantidade de água que pode captar permeabilidade do solo quanto mais permeável for o solo maior será a velocidade com que ele pode absorver a água e logo maior a quantidade de água que penetrará pela superfície do solo por unidade de tempo diminui o escoamento superficial topografia declividade da bacia presença de depressões acumuladoras na superfície do solo traçado e da declividade dos cursos dágua que drenam esta bacia Bacias íngremes produzem escoamento superficial mais rápido e mais volumoso por ser menor a chance de infiltração FATORES QUE INFLUENCIAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL Obras Hidráulicas Construídas na Bacia barragem acumula a água em seu reservatório reduz as vazões máximas do escoamento superficial e retarda a sua propagação para jusante retificação de um rio produz um efeito inverso ao da barragem curso dágua retificado tende a aumentar a velocidade do escoamento superficial derivação de água da bacia ou para a bacia bem como o uso da água para irrigação ou a drenagem do terreno FATORES QUE INFLUENCIAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL Para uma mesma área da bacia de contribuição as variações das vazões instantâneas no curso dágua serão tanto maiores e dependerão tanto mais das chuvas de alta intensidade quanto maior for a declividade do terreno menores forem as depressões retentoras de águas mais retilíneo for o traçado e maior a declividade do curso dágua menor for a quantidade de água infiltrada e menor for a área coberta por vegetação TIPOS DE ESCOAMENTO Tipos de escoamento Seção do rio Qs Qss Qb Q Qs Qss Qb Qs escoamento superficial Qss escoamento subsuperficial Qb escoamento de base ou subterráneo ESCOAMENTO SUPERFICIAL O escoamento superficial é de grande importância pois vai definir O volume escoado A vazão de enchente cheia máxima O primeiro é importante na determinação do armazenamento superficial e o segundo utilizado para dimensionar obras de drenagem Telhados Ruas Passeios Geração de escoamento superficial é quase imediata Infiltração é quase nula Áreas Impermeáveis CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Capacidade de infiltração é baixa Gramados Solos Compactados Solos muito argilosos Áreas de capacidade de infiltração limitadas CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Infiltração Escoamento Precipitação tempo Infiltração Intensidade da chuva x capacidade de infiltração CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Relação de infiltração e tipo de solo Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim tempo Infiltração Precipitação início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim tempo Infiltração Precipitação início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração volume infiltrado CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim tempo Infiltração Precipitação início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração volume infiltrado volume escoado CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Precipitaçã o Infiltraçã o Escoamento em áreas de solo saturado CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Precipitação Solo saturado Escoamento em áreas de solo saturado CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M Precipitação Solo saturado Escoamento Escoamento em áreas de solo saturado CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M I mmh F mmh Q mmh Q I F Geração de Escoamento Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo Processo hortoniano Horton 1934 CETECUFAL Fragoso Jr C Neves M ESCOAMENTO SUPERFICIAL A geração do Escoamento pode ser pelo excesso de chuva ou pela chuva sobre um solo saturado i f f Excesso que se converte em lâmina do escoamento ou chuva efetiva Pe Ia Abstração iniciais infiltra na taxa da chuva Infiltração na Taxa Potencial Volume Infiltrado t ESCOAMENTO SUBSUPERFICIAL O escoamento subsuperficial é de grande importância para A umidade da zona radical O processo de percolação de água para o lençol O primeiro está interligado com o processo de evapotranspiração enquanto o segundo vai influir na carga do lençol subterrâneo Geração do escoamento subsuperficial componente da infiltração devido ao gradiente topográfico ESCOAMENTO DE BASE O escoamento de base é de grande importância para O armazenamento subterrâneo Integração do aquífero com o rio O primeiro define o potencial do aquífero para possível exploração e o segundo define se o rio é Efêmero Intermitente Perene Geração do escoamento de base recarga do lençol pela percolação CLASSIFICAÇÃO DO ESCOAMENTO Éfêmero O escoamento é efêmero quando o nível do lençol freático sempre fica abaixo da calha do rio O escoamento só acontece após a precipitação e só há contribuição do escoamento superficial Exemplos os rios de regiões bastante secas com solo sem capacidade de armazenamento solos rochosos leitos impermeáveis etc Além da contribuição do escoamento pode haver contribuição do Qb CLASSIFICAÇÃO DO ESCOAMENTO Perene O escoamento é dito perene quando o nível do lençol freático fica sempre acima do leito do rio mesmo durante o período de estiagem 2 Exemplos os grandes rios como Amazonas Nilo Danúbio Reno etc GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS Vazão Q vazão ou deflúvio isto é o volume de água escoado na unidade de tempo é a principal grandeza que caracteriza um escoamento m3s ou o Ls elemento comparativo entre bacias costumase referir à vazão por unidade de área da bacia ou vazão específica q Q A m3skm2 m3sha Lskm2 Lsha GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS Vazão Q Balanço hidrológico aplicado a uma bacia onde é definido o intervalo de tempo de análise Δt Vazão expressa em termos da altura de lâmina dágua escoada razão do volume escoado no tempo Δt pela área da projeção horizontal da superfície considerada hsQs x Δt A também chamada precipitação efetiva mm GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS Vazão Q Balanço hidrológico aplicado a uma bacia onde é definido o intervalo de tempo de análise Δt Vazão expressa em termos da altura de lâmina dágua escoada razão do volume escoado no tempo Δt pela área da projeção horizontal da superfície considerada hsQs x Δt A também chamada precipitação efetiva mm Método racional Determinação da vazão máxima a partir de dados de chuvas para pequenas bacias 50 a 500 ha Qmax vazão máxima de escoamento superficial m³ s1 C coeficiente de escoamento superficial adimensional im intensidade máxima média de precipitação para uma duração igual ao tempo de concentração da bacia mm h1 A Área da bacia de drenagem ha Método racional As precipitações deverão ter alta intensidade e curta duração Vazão máxima de escoamento superficial quando a duração da chuva for igual ao tempo de concentração tc A precipitação com duração igual a tc ocorre uniformemente ao longo de toda bacia Dentro de um curto espaço de tempo a variação na taxa de infiltração não deverá ser grande Utilização de um único coeficiente de escoamento superficial estimado com base nas características da bacia Princípios básicos Método racional Desconsideração de fatores importantes para a ocorrência do processo de escoamento superficial armazenamento de água variações de precipitação Não permite a caracterização do volume de escoamento superficial produzido Não evidencia a distribuição temporal das vazões Caracteriza apenas a vazão de pico ou vazão máxima de escoamento superficial Limitações do método Método racional Área de drenagem Parâmetro determinado com maior precisão através de mapas ou fotografias aéreas Coeficiente de escoamento C Relação existente entre o volume escoada e o volume precipitado Variação do coeficiente de acordo com a variação de quantidades precipitação interceptadas armazenadas na superfície infiltradas e escoadas Obtenção dos valores de C a partir de tabelas remetendo às condições típicas da área analisada Limitações do método Coeficiente de Escoamento Superficial C Coeficiente de escoamento ou deflúvio superficial ou coeficiente de run off razão do volume de água escoado superficialmente por ocasião de uma chuva Vols pelo volume de água precipitada VolT Pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um intervalo de tempo onde varias chuvas ocorreram Coeficiente de run off para uma determinada chuva intensa de uma certa duração determinase o escoamento superficial de outras precipitações de intensidades diferentes desde que a duração seja a mesma Este procedimento é muito usado para prever a vazão de uma enchente provocada por uma chuva intensa Parcela da chuva precipitada que efetivamente escoa Coeficiente runoff Tabela 1 Coeficiente de Runoff adotado por Hofkes 1975 e Frasier 1975 MATERIAL COEFICIENTE DE RUNOFF Telhas cerâmicas 08 a 09 Telhas comugadas de metal 07 a 09 Tabela 2 Coeficiente de Runoff utilizado por Tucson e Phoenix MATERIAL MÁXIMO MÍNIMO Telhado metal cascalho asfalto fibra de vidro 095 090 Pavimentação concreto asfalto 100 090 Solo c vegetação 075 020 s vegetação 060 010 Gramado c solo arenoso 010 005 c solo barrento 017 013 Coeficiente runoff valores do coeficiente de escoamento C Quando a área de drenagem é heterogênea com ocupação diferenciada atribuise a cada subregião um valor para o coeficiente de escoamento superficial O coeficiente médio para toda a área de drenagem é dado pela média ponderada em relação às áreas das subregiões Assim se a área de drenagem A é caracterizada por n subregiões cada uma com área Ai i 1 2 n e tendo cada subregião um valor específico correspondente para o coeficiente de runoff Ci então o coeficiente médio da área de drenagem será determinado por C frac1AC1 A1 C2 A2 cdots Cn An TABELAS PARA O COEFICIENTE DE RUN OFF Edificação muito densa Partes centrais densamente construídas de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas 070 095 Prefeituras de Belo Horizonte Projeto UTM SAD 69 Fuso 23 Sul Base Cartográfica PRODAIEL GCOT Fonte SMURBE Precipitação Efetiva ou Precipitação Excedente Medida da altura Pef ou intensidade ief parcela da chuva caída que provoca o escoamento superficial É normalmente referida a um determinado intervalo de duração de uma chuva Para eventos simples a precipitação efetiva pode ser calculada em termos de uma altura definida pela razão do volume de água escoado superficialmente pela área da projeção horizontal da superfície coletora Tempo de Concentração Equação de Kirpich tc 57 L²I 0385 tc 852 L³H 0385 Tempo de Concentração Equação de Vem Te Chow Tempo de Concentração Obtenção do tempo de concentração através do coeficiente entre a distância percorrida pelo escoamento superficial e a velocidade do escoamento Equação SCS Método Cinemático tc Tempo de concentração min L comprimento do talvegue km v velocidade do escoamento ms1 ATIVIDADE Para calcular Foi solicitado que você defina vazão de projeto para o A área da bacia é de 239 km² e pela cobertura do solo observada pela imagem podese aferir que o valor de C médio seja da ordem de 025 A área fica localizada próxima a uma estação pluvionétrica Ela apresenta a equação tc 57 L H⁰³⁸⁵ MÉTODO RACIONAL MODIFICADO Melhoria da estimativa da vazão máxima de escoamento superficial em bacias hidrográficas estudas na região Sul de Minas Gerais Euclydes 1987 Introdução de um Coeficiente de Retardamento na equação do Método Racional Φ Coeficiente de retardamento adimensional e varia de 0 a 1 MÉTODO RACIONAL MODIFICADO Para áreas entre 10 e 150 km² Euclydes 1987 Nível de Água Cheia e Inundação Nível de Água h Uma das medidas mais fáceis de serem realizadas em um curso dágua e expressa em metros e se refere a altura atingida pelo nível dágua em relação a um datum nível de referencia Normalmente as palavras cheia e inundação estão relacionadas ao nível dágua atingido Cheia elevação normal do curso dágua dentro do leito do curso dagua Inundação elevação não usual do nível provocando transbordamento e possivelmente prejuízos nível de água HIDRÓGRAFA OU HIDROGRAMA Denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão no tempo A distribuição da vazão no tempo e resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico entre a ocorrência da precipitação e a vazão na bacia hidrográfica Comportamento do hidrograma típico de uma bacia após a ocorrência de uma sequencia de precipitações Verificase que após o início da chuva que acontece em t0 transcorre um intervalo de tempo até que o nível e portanto a vazão comece a elevarse tempo de retardo da resposta que é determinado pelo tempo de deslocamento da água na bacia e também é decorrente do fato de que ocorrem perdas iniciais Estas perdas se devem à interceptação vegetal ou outros obstáculos às retenções da água nas depressões do terreno e às infiltrações que suprem a deficiência de umidade do solo Uma vez excedida a capacidade de infiltração do solo iniciase o escoamento superficial direto representado pelo ponto A no hidrograma Assim a partir de t tA temse a elevação da vazão até o valor de pico com uma conformação que confere um forte gradiente ao ramo de ascensão O escoamento superficial é o processo predominante neste período O valor máximo do hidrograma vazão de pico está em conformidade com a distribuição da precipitação Após este máximo o hidrograma apresenta uma recessão onde normalmente se observa um ponto de inflexão ponto I Este ponto caracteriza o fim da contribuição do escoamento superficial direto e consequentemente a predominância do escoamento subterrâneo escoamento de base Ao trecho da curva que se estende desde o valor de pico até o ponto I denominase curva de depleção do escoamento superficial cv c v HIDRÓGRAFA OU HIDROGRAMA tp tempo do pico é definido como o intervalo entre o centro de massa da precipitação e o tempo de pico tc tempo de concentração é o tempo necessário para a água precipitanda no ponto mais distante na bacia deslocarse até a seção principal Esse tempo é definido também como o tempo entre o fim da precipitação e o ponto de inflexão do hidrograma te tempo de recessão é o tempo necessário para a vazão baixar até o ponto C Figura 65 quando acaba o escoamento superficial tb tempo de base é o tempo entre o início da precipitação e aquele em que a precipitação ocorrida já escoou através da seção principal ou que o rio volta às condições anteriores à da ocorrência da precipitação CARACTERIZAÇÃO DO HIDROGRAMA O hidrograma pode ser caracterizado por três partes principais Ascensão altamente correlacionada com a intensidade da precipitação Região do pico próximo ao valor máximo quando o hidrograma começa a mudar de inflexão resultado da redução da alimentação de chuvas eou amortecimento da bacia Esta região termina quando o escoamento superficial acaba resultando somente o escoamento subterrâneo Recessão nesta fase somente o escoamento subterrâneo esta contribuindo para a vazão total do rio Fatores que influenciam hidrograma Relevo densidade de drenagem declividade do rio ou bacia capacidade de armazenamento e forma Uma bacia com boa drenagem e grande declividade apresenta um hidrograma íngreme com pouco escoamento de base Normalmente as cabeceiras das bacias apresentam essas características As bacias com grande área de inundação tendem a amortecer o escoamento e regularizar o fluxo A forma da bacia influencia o comportamento do hidrograma Fatores que influenciam hidrograma Relevo Uma bacia do tipo radial concentra o escoamento antecipando e aumentando o pico com relação a uma bacia alongada que tem escoamento predominante no canal principal e percurso mais longo ate a seção principal amortecendo as vazões Fatores que influenciam hidrograma Cobertura da Bacia A cobertura da bacia como a vegetal tende a retardar o escoamento e aumentar as perdas por evapotranspiracão Nas bacias urbanas onde a cobertura é alterada tomandose mais impermeável acrescida de uma rede de drenagem mais eficiente o escoamento superficial e o pico aumentam Este acréscimo de vazão implica o aumento do diâmetro dos condutos pluviais e dos custos Fatores que influenciam hidrograma Modificações artificiais no rio O homem produz modificações no rio para o uso mais racional da água Um reservatório para regularização da vazão tende a reduzir o pico e distribuir o volume enquanto a canalização tende a aumentar o pico como mostra a bacia urbana Fatores que influenciam hidrograma Modificações artificiais no rio O homem produz modificações no rio para o uso mais racional da água Um reservatório para regularização da vazão tende a reduzir o pico e distribuir o volume enquanto a canalização tende a aumentar o pico como mostra a bacia urbana Fatores que influenciam hidrograma Distribuição duração e intensidade da precipitação a distribuição da precipitação e sua duração são fatores fundamentais no comportamento do hidrograma Quando a precipitação se concentra na parte inferior da bacia deslocandose posteriormente para montante o hidrograma pode ter ate dois picos Fatores que influenciam hidrograma Solo as condições iniciais de umidade do solo são fatores que podem influenciar significativamente o escoamento resultante de precipitações Quando o estado de umidade da cobertura vegetal das depressões da camada superior do solo e do aquífero forem baixos parcela ponderável da precipitação é retida e o hidrograma é reduzido Fatores que influenciam hidrograma Distribuição duração e intensidade da precipitação a distribuição da precipitação e sua duração são fatores fundamentais no comportamento do hidrograma Quando a precipitação se concentra na parte inferior da bacia deslocandose posteriormente para montante o hidrograma pode ter ate dois picos Tabela 4 Valores de C recomendados pela ASCE 1969 superfície intervalo C valor esperado pavimento asfalto 070 095 083 concreto 080 095 088 calçadas 075 085 080 telhado 075 095 085 cobertura grama solo arenoso pequena declividade 2 005 010 008 declividade média 2 a 7 010 015 013 forte declividade 7 015 020 018 cobertura grama solo pesado pequena declividade 2 013 017 015 declividade média 2 a 7 018 022 020 forte declividade 7 025 035 030 Tabela 6 Valores de C adotados pela Prefeitura de S Paulo DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADES EM CURSO DÁGUA DISTRIBUIÇÃO DE VELOCIDADES EM CURSO DÁGUA Perfis horizontais e verticais da seção de um rio Perfis horizontais e verticais da seção de um rio FATORES INTERVENIENTES Fatores que presidem a quantidade de agua precipitada Quantidade de vapor de agua presente na atmosfera Condições meteorológicas e topográficas temperatura ventos pressão acidentes topográficos Fatores que presidem o afluxo da agua a seção em estudo Área da bacia de contribuição Topografia da bacia declividades depressões retentoras de agua Condições da superfície do solo e constituição geológica vegetação capacidade de infiltração do solo camadas geológicas tipos de rochas presentes entre outros Obras de controle canalizações drenagens barragens Porquê se medir vazões Criar séries históricas Análise de vazões mínimas autodepuração de esgotos calado para navegação etc Análise de vazões médias dimensionamento de reservatórios etc Análise de vazões máximas dimensionamento de vertedores bacias de detenção etc Operação em tempo real comportas controle de cheias etc Cálculo de vazões de referência para outorga MEDIÇÕES DE VAZÃO EM CURSOS DÁGUA Escoamento superficial Tabela 5 Valores de C para cálculo de C para áreas rurais Williams 1949 Escoamento superficial Escoamento superficial