Notas de Aula sobre Escoamento Superficial em Hidrologia

Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 41 5 ESCOAMENTO SUPERFICIAL O escoamento superficial é o segmento do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento das águas na superfície da terra Ele abrange desde o excesso de precipitação que se desloca livremente pela superfície do terreno até o escoamento em calhas de rios O Escoamento Superficial é influenciado por Fatores Climáticos intensidade e duração da precipitação e a precipitação antecedente e por Fatores Fisiográficos área forma vegetação topografia capacidade de infiltração e permeabilidade dos terrenos da bacia 51 Grandezas Características a Vazão Q é o volume de água escoada em uma determinada seção de referência na unidade de tempo m3s ls b Deflúvio D é a espessura da lâmina de água drenada de uma bacia hidrográfica e escoada em certo intervalo de tempo t mm c Frequência f é número de ocorrências de uma determinada vazão em um intervalo de tempo expresso normalmente em termos do Tempo de Retorno d Tempo de Retorno TR é o tempo médio em anos para que uma vazão seja igualada ou superada Normalmente expressa a frequência da vazão de certo curso de água e Nível dÁgua NA é a altura atingida pela superfície líquida na seção de escoamento em relação a um nível de referência m g Coeficiente de Escoamento Superficial C ou coeficiente de Run Off expressa a relação entre o volume de água escoada e o volume total precipitado Pr ecipitado Vol Vol Escoado C Notas de Aula Hidrologia e Drenagem Este coeficiente depende basicamente do tipo e do uso do solo e é normalmente tabelado conforme exemplo a seguir Pavimento Superficies Impermeaveis asfalto 083 Terreno Estéril Montanhoso concreto 088 Terreno Estéril Ondulado calcadas 08 Terreno Estéril Plano telhado 085 Prados Campinas 040 065 Grama solo arenoso terrenos ondulados plana 2 008 Matas deciduas 035 060 média 2 a 7 013 folhagem caduca alta 7 018 Matas coniferas 025 050 Grama solo pesado folhagem permanente plana 2 015 média 2 a 7 02 Terrenos Cultivados em zonas altas alta 7 03 Terrenos Cultivados em vales h Tempo de Concentragao tc o intervalo de tempo contado a partir do inicio de uma precipitagao para que toda a bacia hidrografica passe a contribuir para o escoamento superficial na segao de saida da mesma referéncia Calculada a partir de formulas empiricas min h Existem varias formulas e abacos que fornecem o valor do tempo de concentragao em fungao das caracteristicas fisicas da bacia Sao apresentadas a seguir algumas delas Seja uma bacia hidrografica qualquer onde L 0 comprimento do talvegue principal S a declividade desse talvegue e A é a area de drenagem temse Kirpch GBWilliams B Williams Cinematico SCS 939 4 eee 061 b L fe BINS A11 02 c 536 te h te h 2 te 7 h Lkm A km Lkm S L km vms S Bacias urbanas Bacias rurais Bacias sem A5km S10 A130 km talvegues definidos Fonte PINHEIRO 2011 Para a situagao em que a bacia nao possui talvegue definido aplica se o Método Cinematico SCS onde a velocidade média v para o escoamento difuso pode ser dada pelo abaco a seguir 42 Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 43 Fonte PINHEIRO 2011 Para a definição do Tempo de Concentração total devese levar em conta a soma dos tempos de concentração em bacias canais e difuso 52 Variação Temporal das Vazões Denominase Hidrógrafa ou Hidrograma a curva que representa o desenvolvimento das vazões em uma seção de um curso dágua ao longo do tempo A contribuição total que produz o escoamento da água na seção de rio considerada é devida à precipitação recolhida diretamente pela superfície livre das águas ao escoamento superficial propriamente dito ao escoamento subsuperficial à contribuição do lençol de água subterrâneo A figura seguinte representa a hidrógrafa vazão registrada em uma seção de rio devida a uma chuva ocorrida na bacia hidrográfica correspondente Iniciada a precipitação t0 parte das águas será interceptada pela vegetação e pelos obstáculos e retida nas depressões do terreno até que estes sejam preenchidos e a capacidade de infiltração do solo seja superada A partir daí tempo tA tem início o escoamento superficial propriamente dito chamado escoamento superficial direto Logo o intervalo de tempo tAto é o intervalo entre o início da chuva e o início do escoamento superficial direto O tempo tB é o momento a partir do qual toda a bacia está contribuindo ou já contribuiu com o escoamento superficial direto na seção de medição de vazão Logo o intervalo de tempo tBto é igual ao tempo de concentração da bacia hidrográfica É importante salientar que se a chuva for constante e com duração maior ao do tempo de concentração da bacia a vazão máxima ocorrerá no tempo tB e se Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 44 manterá por um tempo formando assim um patamar de vazão constante na hidrógrafa Considerando o exposto podese dizer que a duração crítica da chuva sobre uma bacia hidrográfica é igual ou superior ao tempo de concentração da bacia O escoamento superficial devido à contribuição do lençol subterrâneo tende a diminuir com o tempo e mantêm essa tendência mesmo após o início da chuva na bacia e somente após algum tempo depois do início do escoamento superficial direto é que ele volta a crescer Desta forma a curva tracejada é a linha que representa a variação do escoamento superficial básico e faz a separação entre os escoamentos superficiais direto e básico ou subterrâneo Para efeitos práticos a linha que representa a contribuição da água do lençol subterrâneo ao curso de água costuma ser separada pela reta AC A curva formada a partir do ponto C é chamada de curva de depleção da água do solo e corresponde a uma diminuição lenta da vazão do curso de água que é alimentado exclusivamente pela água subterrânea em razão do seu escoamento natural 53 Estação Fluviométrica É a seção de um curso dágua onde são obtidos dados de vazão de maneira sistemática Esta seção de rio deve ter morfologia constante ou pouco variável em que declividade do perfil da linha de água é aproximadamente a mesma nas enchentes e vazantes ou em que o controle é propiciado por um salto ou corredeira Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 45 bem definidos Desta forma obtémse uma relação unívoca entre a vazão Q e o nível de água NA Como rotina de operação de uma estação fluviométrica temse leituras diárias do NA na escala linimétrica às 7h e 17h registrandose na Caderneta de Observações Fluviométricas inspeção bimestral por equipes de hidrometria com medição de descarga líquida através de molinetes A localização de uma estação fluviométrica deve seguir a algumas regras básicas trecho mais ou menos retilíneo a jusante e sem regularidades seção transversal simétrica com margens e taludes bem definidos velocidades regularmente distribuídas com valores médios superiores a 03 ms existência de controle hidráulico a jusante possuir observador e acesso estar fora da curva de remanso de reservatórios ou confluências 54 Medição de Vazões A ocorrência de vazão ou de descarga líquida em um curso de água é um processo contínuo enquanto a medição e o registro dessa descarga pode ser um processo discreto ou também contínuo A medida de vazão em um curso de água pode ser feita das seguintes maneiras medição direta medição da área e da velocidade medição do nível de água a Medição Direta é feita através de tambores ou qualquer outro tipo de recipiente com volume conhecido registrandose o tempo gasto no enchimento Aplicado somente no caso de pequenas vazões geralmente menores que 15 ls b Método ÁreaVelocidade A vazão numa determinada seção de rio pode ser medida pelo produto da área da seção pela velocidade média da água que atravessa a mesma VAZÃO ÁREA x VELOCIDADE Os métodos de medição mais comumente utilizados procuram avaliar a vazão através de elementos faixas de área da seção transversal Ai A vazão final Q através de toda a seção será o somatório dos elementos de vazão qi avaliados em cada faixa Isto significa Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 46 i i i A v q Q onde iv é a velocidade média da água através da faixa de área Ai O levantamento do perfil de uma seção transversal do rio e consequentemente da área molhada da seção é chamado Batimetria A batimetria consiste em se medir as profundidades em alguns pontos da seção transversal pi e as distâncias horizontais entre esses pontos e o PI ponto inicial di Desta forma a área Ai de cada faixa é dada pela seguinte fórmula i i 1 1 i i p 2 d d A De um modo geral a velocidade da água num rio diminui da superfície para o fundo e do centro pra as margens Devido à velocidade variar ao longo da profundidade a Velocidade Média em cada vertical é calculada através da média aritmética simples das velocidades calculadas em várias posições diferentes ao longo da profundidade ou através do Método Simplificado Profundidade Posição Velocidade Média iv 015 m a 060 m 06 p v06p 060 m 02 p 08 p 2 v v 08p 02p A determinação da velocidade em cada profundidade em uma mesma vertical pode ser feita através de aparelhos apropriados e o mais utilizado é o Molinete Este aparelho mede a velocidade do fluido através da medida do número de rotações de uma hélice ou conchas através da fórmula v02 v v06 v08 h 08h 06h 02h Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 47 b a n v onde v é a velocidade em ms n é o número de revoluções por segundo rps a e b são constantes fornecidas pelo fabricante c Medição Através do Nível dÁgua baseiase na relação unívoca entre o nível dágua NA e a vazão escoada Q existentes em vertedouros e calhas Parshall ou determinados para seções de rios através da curvachave A CurvaChave é a curva que relaciona o nível de água e a vazão correspondente medidos nas estações fluviométricas Nessas seções de rio são efetuadas medições periódicas de descarga líquida e de níveis de água Cada medição de descarga líquida fornece um ponto NA Q que é lançado em um gráfico apropriado para em conjunto com outros pontos permitir o traçado da curva como mostrado na figura a seguir 55 Estimativa de Vazão Máxima Instantânea Na maior parte das estações fluviométricas estão disponíveis apenas dados de vazões médias diárias QMD ou seja média das vazões medidas às 7 h e às 17 h Porém para projetos de engenharia o interesse está na vazão máxima instantânea QP Para o caso de bacias hidrográficas com áreas de drenagem de grande magnitude isso não acarreta problema pois a vazão máxima costuma perdurar por muito tempo Entretanto para bacias hidrográficas com áreas de drenagem de pequena magnitude isso pode apresentar um problema pois a vazão instantânea pode assumir valores maiores que a vazão máxima média diária A maneira de se estimar a vazão máxima instantânea pode ser através das fórmulas de Fuller 1914 ou Tucci 1991 que consideram uma relação em função da área de drenagem da bacia A Fuller 03 MD P A 2 66 1 Q Q Tucci 059 MD P A 1503 1 Q Q Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 48 56 Estimativa do Escoamento Superficial A estimativa do escoamento superficial através de dados de chuva é o método utilizado em localidades onde não existem estações fluviométricas próximas Dois métodos para a transformação de chuva em vazão serão apresentados O primeiro Método Racional é indicado para o cálculo da vazão de pico do hidrograma enquanto o segundo Método do Hidrograma Unitário é indicada para o cálculo da hidrógrafa de projeto 561 Método Racional O método racional é o método utilizado no cálculo da Vazão de Pico da hidrógrafa em pequenas bacias A 10 km2 que não possuem estações fluviométricas sendo muito utilizado no dimensionamento de bueiros e galerias de drenagem pluvial O método racional para a estimativa do pico da cheia resumese fundamentalmente no emprego da chamada fórmula racional que apesar da denominação racional deve ser utilizada com extrema cautela pois envolve diversas simplificações e coeficientes cuja compreensão e avaliação são muito subjetivas 0 278 C i A Q onde Q é a vazão máxima com o período de retorno TR m3s A é a área de drenagem da bacia km2 i é a intensidade da precipitação para uma chuva com TR anos de retorno e duração crítica para a bacia mmh e C é o coeficiente de escoamento superficial tabelado Para o caso de bacias com área de drenagem entre 10 km2 e 10 km2 podese aplicar uma modificação na fórmula Racional DNER 1975 conforme a seguir n 1 1 0278 C i A Q onde n 4 se S 05 n 5 se 05 S 10 n 6 se S 10 562 Método do Hidrograma Unitário HU O método do hidrograma é o método utilizado para se determinar o hidrograma de escoamento superficial através das características do escoamento superficial direto e de uma chuva efetiva sobre a bacia hidrográfica O hidrograma de uma onda de cheia é formado pela superposição de dois tipos distintos de afluxos provenientes um do escoamento superficial direto e outro da contribuição do lençol subterrâneo escoamento superficial básico Esses dois componentes possuem propriedades distintas notandose que enquanto as águas superficiais pela sua maior velocidade de escoamento preponderam na formação das enchentes a contribuição subterrânea pouco se altera e isso muito lentamente em consequência de grandes precipitações Essa distinção de comportamento torna conveniente o estudo em separado do hidrograma de escoamento superficial que por suas características próprias melhor define o fenômeno das cheias Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 49 O hidrograma unitário é o hidrograma de escoamento superficial resultante de uma chuva efetiva unitária uniformemente distribuída sobre a bacia A princípio o HU somente pode ser determinado para uma bacia que tenha medições simultâneas de chuva estação pluviométrica e de vazão estação fluviométrica A seguir são enunciados os princípios básicos para desenvolvimento e aplicação do HU válidos para chuvas de intensidade constantes e distribuição uniforme sobre a bacia em uma dada bacia hidrográfica o tempo de duração do escoamento superficial tb é constante para chuvas de igual duração duas chuvas de igual duração produzindo volumes diferentes de escoamento superficial dão lugar a hidrogramas em que as ordenadas em tempos correspondentes são proporcionais aos volumes totais escoados a distribuição no tempo do escoamento superficial de determinada precipitação independe de precipitações anteriores Dos princípios anteriores podem ser derivados dois postulados a Postulado da Proporcionalidade os hidrogramas resultantes de chuvas com a mesma duração mas diferentes alturas terão o mesmo tempo de base e ordenadas proporcionais às alturas das precipitações Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 50 b Postulado da Sobreposição o hidrograma resultante de uma sequência de períodos de precipitação terá as respectivas ordenadas iguais à soma das ordenadas dos hidrogramas correspondentes a cada um dos períodos A aplicação do HU de uma bacia hidrográfica para um evento de chuva uniformemente distribuído juntamente como valor do escoamento subterrâneo pode ser efetuado através do seguinte procedimento 1 Calculase a chuva efetiva 2 Multiplicar as ordenadas do HU pela Pe 3 Aplicar os postulados de proporcionalidade e de sobreposição de acordo com a conveniência obtendo assim o hidrograma de escoamento superficial 4 Somar o escoamento superficial ao escoamento subterrâneo para obter o hidrograma total Notas de Aula Hidrologia e Drenagem 51 O HU é uma constante da bacia hidrográfica refletindo as suas propriedades com relação ao escoamento superficial Desta forma as diversas características físicas da área de drenagem devem influenciar as condições do escoamento e contribuir para a forma final do HU Esse fato associado à frequente necessidade de se estabelecer relações hidrológicas para rios desprovidos de estações fluviométricas fez surgir métodos para a determinação dos chamados Hidrogramas Unitários Sintéticos O número de métodos existentes é muito grande para que se possa incluir a sua totalidade nestas notas de aula Desta forma apresentaremos apenas o método do HU Triangular Sintético do SCS desenvolvido pelo Soil Conservation Service USA 5 horas t t c c p t 60 2 t t p d 167 t t m s mm t 0 208 A q 3 p p onde t é o intervalo de discretização da chuva unitária h tp é o tempo de pico do HU h td é o tempo de descida do HU h qp é a vazão de pico unitária do HU m3scm e A é área de drenagem da bacia hidrográfica km2 t tp td qp qu Pe t