Escoamento Superficial: Análise e Geração

HIDROLOGIA I ENG1216 ESCOAMENTO SUPERFICIAL PROFA MONIQUE DE FARIA MARINS MONIQUEMARINSPUCRIOBR Escoamento Superficial Introdução Análise do Hidrograma 2 Escoamento Superficial 3 Fase terrestre do ciclo hidrológico ESCOAMENTO SUPERFICIAL Fase do ciclo hidrológico que trata da ocorrência e transporte de água na superfície da terra É a fase do ciclo que é uma das mais importantes para o engenheiro aproveitamento da água superficial e proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento 4 Escoamento Superficial Tipos de Escoamento Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo ou escoamento de base 5 Escoamento Superficial Chuva infiltração escoamento superficial 6 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Chuva infiltração escoamento superficial escoamento subterrâneo Camada saturada 7 Escoamento Superficial Geração de Escoamento A água de chuva precipitada sobre terreno permeável é absorvida totalmente pelo solo até o instante em que este se satura iniciando a formação de um espelho dagua sobre a superfície e consequentemente a ocorrência de deflúvio superficial Escoamento Subsuperficial 8 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Camada saturada Depois da chuva Escoamento subsuperficial e escoamento subterrâneo 9 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada 10 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Camada saturada 11 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada 12 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Estiagem apenas escoamento subterrâneo Estiagem muito longa rio seco Rios intermitentes Camada saturada 13 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Existem dois principais processos reconhecidos na formação do escoamento superficial precipitação de intensidade superior à capacidade de infiltração processo Hortoniano e precipitação sobre solos saturados processo Dunneano 14 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Durante a Chuva Resumo 15 Processo Hortoniano Horton 1934 precipitação sobre áreas impermeáveis ou de baixa infiltração eou precipitação superior à capacidade de infiltração Processo Dunneano Dunne precipitação sobre solos saturados Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Existem dois principais processos reconhecidos na formação do escoamento superficial 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 Precipitação sobre áreas impermeáveis ou de baixa infiltração 16 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Durante a Chuva Processo Hortoniano 17 O Processo Hortoniano é baseado na ideia de que a infiltração no solo diminui à medida que o solo fica mais úmido Esse processo descreve o escoamento superficial como resultado da precipitação excedente que ocorre quando a taxa de chuva excede a taxa de infiltração do solo O escoamento hortoniano é mais predominante em solos compactados impermeáveis ou saturados onde a infiltração é limitada Esse tipo de escoamento é caracterizado por uma rápida resposta ao início da chuva atingindo um pico e diminuindo rapidamente à medida que a taxa de precipitação diminui ou quando o solo fica saturado Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Processo Hortoniano 18 PROCESSO HORTONIANO ÁREAS IMPERMEÁVEIS ÁREAS BAIXA INFILTRAÇÃO Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento 19 Infiltração Capacidade de Infiltração no Solo X Escoamento PROCESSO HORTONIANO Infiltra Completamento no Inicio Gera Escoamento no Fim 20 Escoamento Superficial Chuva Constante Escoamento X Capacidade de Infiltração no Solo Processo Hortoniano Chuva excedente CHUVA EFETIVA Chuva infiltrada 21 Escoamento Superficial Chuva Variável Escoamento X Capacidade de Infiltração no Solo Processo Hortoniano Q mmh Geração de Escoamento Precipitação Atinge Áreas Saturadas solos saturados Áreas próximas a rios 22 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Durante a Chuva Processo Dunneano 23 O Processo Dunneano por outro lado considera que o escoamento superficial ocorre principalmente como resultado do escoamento subsuperficial que emerge nos cursos de água Esse processo enfatiza a contribuição do escoamento interno também conhecido como escoamento de base que é o fluxo de água que se move através de camadas mais profundas do solo e emerge nos canais de drenagem O escoamento dunneano é mais relevante em solos com maior capacidade de infiltração e maior conectividade dos poros permitindo que a água se mova mais facilmente verticalmente e lateralmente dentro do solo Esse tipo de escoamento é caracterizado por uma resposta mais lenta ao início da chuva um tempo de pico mais longo e uma diminuição gradual à medida que a chuva continua ou quando o escoamento de base diminui Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Durante a Chuva Processo Dunneano 24 Escoamento Superficial Geração de Escoamento Superficial Durante a Chuva Processo Dunneano 25 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO Escoamento Superficial 26 Escoamento Superficial IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO Bacia relativamente seca Bacia relativamente úmida Áreas de Inundação Após Evento de Chuva 27 Escoamento Superficial Fatores de Natureza Climática Intensidade Maior Intensidade Maior oportunidade de ocorrer escoamento superficial Duração Maior Duração de chuva Maior oportunidade de ocorrer escoamento Fatores que Influenciam o Escoamento Superficial 28 Escoamento Superficial Fatores Associados a Fisiografia da Bacia Área da baciaSua extensão está relacionada à maior ou menor quantidade de água que ela pode captar Topografia da bacia Permeabilidade do soloAfeta a capacidade de infiltração no soloMaior permeabilidade Maior quantidade de água que o solo poderá absorver diminuindo assim a chuva efetiva escoamento 29 Escoamento Superficial Fatores que Influenciam o Escoamento Superficial Outros Fatores Obras Hidráulicas Reservatório de regularização Reduz vazões máximas do escoamento superficial Retificação de rio Aumenta a velocidade do escoamento superficial 30 Escoamento Superficial Fatores que Influenciam o Escoamento Superficial 1 Vazão Q Volume escoado numa seção transversal por unidade de tempo Velocidade X Área da seção transversal A m3s ou ls Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial Q Calha do Curso de Água A NA 31 Escoamento Superficial 2 Nível de Água Na Altura atingida pelo nível de água em relação a um datum nível de referência Nível de Referência 32 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 3 Velocidade na Seção Transversal FONTE httpsslideplayercombrslide10321520 Velocidade no perfil vertical 33 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 3 Velocidade na Seção Transversal Velocidade no perfil longitudinal 34 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 4 Coeficiente de Escoamento Superficial C ou Coeficiente de Runoff Razão entre o volume escoado superficialmente e o volume de água precipitado 35 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 5 Tempo de Concentração Tempo que leva para que toda bacia contribua para o escoamento superficial na seção transversal considerada Tempo em que chuva que cai no ponto mais distante da seção considerada de uma bacia leva para atingir a seção 36 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 5 Tempo de Concentração Tempo que uma gota de precipitação excedente leva para percorrer a distância do ponto mais afastado até a saída da bacia Tc 37 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 6 Tempo de Recorrência Período de tempo médio em que um determinado evento neste caso vazão é igualado ou superado pelo menos uma vez 38 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 7 Chuva Efetiva ou RUNOFF Parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial 39 Escoamento Superficial Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial Escoamento Superficial Introdução Análise do Hidrograma 40 É uma representação gráfica de variação de vazão em relação ao tempo O Hidrograma é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico entre a ocorrência da precipitação e a vazão na bacia hidrográfica 41 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Q vazão Chuva recolhida diretamente pela superfície livre das águas Ou escoamento subterrâneo mantido pela água subterrânea existente no aquífero da bacia 42 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma A1 Δt1 P t1 Bacia hidrográfica hidrograma Seção transversal do rio t0 t1 t3 Vazão m3s Tempo h t2 t2 t3 isócrina Q1 Q1 43 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Avaliação Simplificada A1 Δt1 Δt2 P t1 Bacia hidrográfica hidrograma Seção transversal do rio A2 t0 t1 t3 Vazão m3s Tempo h t2 t2 t3 Q2 isócrina Q1 Q1 Q2 44 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Avaliação Simplificada Q3 Q2 A1 Δt1 Δt2 Δt3 P t1 Bacia hidrográfica hidrograma Seção transversal do rio A2 t0 A3 t1 t3 Vazão m3s Tempo h t2 t2 t3 Q2 Q3 isócrina Q1 45 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Avaliação Simplificada 46 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 47 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 48 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 49 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 50 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 51 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 52 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 53 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 54 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 55 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 56 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 57 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 58 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 59 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 60 Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Nível de Água na Seção Transversal 61 Área da bacia hidrográfica Relevo densidade de drenagem declividade do riobacia hidrográfica e forma Condições de superfície do solo e constituição geológica do subsolo Modificações artificiais no rio Característica da precipitação Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 62 Área da bacia hidrográfica A área da bacia hidrográfica define a potencialidade hídrica da mesma Bacias hidrográficas maiores normalmente apresentam hidrogramas com vazões maiores que bacias hidrográficas menores para um mesmo evento de chuva Escoamento Superficial Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 63 Bacias hidrográfica íngremes e com boa drenagem têm hidrogramas mais rápidos geralmente com pouco escoamento de base Bacias hidrográficas muito planas com grandes áreas de extravasamento tendem a amortecer o escoamento e reduzindo o pico das vazões Quanto à forma podese dizer que bacias hidrográficas com forma aproximadamente circular antecipam o pico das cheias e normalmente as vazões de pico são maiores que em bacias de forma alongadas Escoamento Superficial Relevo densidade de drenagem declividade do riobacia hidrográfica e forma Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 64 Cobertura vegetal tende a retardar o escoamento e aumentar as perdas por interceptação e evapotranpiração Sua substituição por superfícies impermeáveis diminui consideravelmente a infiltração no solo podendo agravar os problemas com cheias Constituição geológica do subsolo em regiões em que o solo é pouco profundo existe uma baixa capacidade de armazenamento de água no solo e os hidrogramas apresentam picos rápidos e vazões mais elevadas que em regiões onde a constituição geológica permite armazenar grande quantidade de água no solo Escoamento Superficial Condições de superfície do solo e constituição geológica do subsolo Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 65 Quando são realizadas obras de canalização geralmente o pico das vazões e a velocidade de escoamento é aumentada No caso da construção de reservatórios para a regularização de vazões amortecimento de ondas de cheias entre outros fins o pico das vazões é amortecido e a velocidade do escoamento é reduzida Escoamento Superficial Modificações artificiais no rio Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 66 O processo de urbanização altera significativamente as parcelas do ciclo hidrológico tendendo a diminuir a retenção superficial diminuir a infiltração aumentar a evaporação e aumentar os escoamentos superficiais e agravar as cheias Antes da Urbanização Depois da Urbanização Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Evapo transpiração Evapo transpiração Interceptação Vegetal Antes da Urbanização Depois da Urbanização Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Escoamento superficial Escoamento subsuperficial Escoamento subterrâneo Evapo transpiração Evapo transpiração Interceptação Vegetal Escoamento Superficial Modificações artificiais no rio Urbanização Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 67 Escoamento Superficial Modificações artificiais no rio Urbanização Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 68 A retenção natural desempenha importante papel no resultado da relação chuva x volume superficial Atua facilitando a infiltração e promove o retardamento da elevação do nível das águas nas calhas dos rios e a redução dos volumes disponíveis para os escoamentos superficiais Escoamento Superficial Modificações artificiais no rio Urbanização Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 69 Essas alterações podem ser dramáticas verificandose numa bacia urbanizada para os casos extremos um aumento do pico da cheia que pode chegar a ser 6 vezes maior do que o pico desta mesma bacia em condições naturais Leopold 1968 Escoamento Superficial Modificações artificiais no rio Urbanização Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 70 Em geral chuvas que deslocamse de jusante para montante geram hidrogramas com picos menores e em alguns casos com dois picos As chuvas convectivas de grande intensidade e distribuídas numa pequena área podem provocar as grandes enchentes em pequenas bacias não sendo tão importantes no caso de grandes bacias hidrográficas No caso de grandes bacias as chuvas frontais são as mais importantes Quando a precipitação é constante e a capacidade de infiltração e retenção é superada após atingido o tempo de concentração da bacia há uma estabilização do valor da vazão de pico Quando cessa a precipitação o hidrograma entra em período de recessão Escoamento Superficial Característica da precipitação Análise do Hidrograma Fatores que Influenciam a Forma do Hidrograma 71 O hidrograma é o resultado do comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica Nele estão contidos todos os efeitos dos fatores geológicos geomorfológicos climatológicos da região bem como os efeitos da cobertura vegetal e da urbanização que se observa na bacia O hidrograma também é afetado por alguns fatores hidrometeorológicos tais como a intensidade duração distribuição espacial distribuição temporal e direção de deslocamento das chuvas O hidrograma é o resultado ao longo do eixo dos tempos de todo esse complexo comportamento hidrológico e hidrodinâmico da bacia hidrográfica que o forma Escoamento Superficial Análise do Hidrograma A Forma e os Componentes do Hidrograma 72 O hidrograma de uma chuva isolada apresenta 3 pontos notáveis determinando 4 partes distintas para análise 1º trecho Termina em t1 representa o escoamento de base antes do início da chuva A partir desse instante iniciase a chuva e dependendo da capacidade de infiltração do solo e da intensidade da chuva pode haver infiltração de toda a chuva sem que qualquer escoamento superficial ocorra 2º trecho Em t1 a capacidade de infiltração do solo igualase à intensidade de chuva e iniciase um excedente de água sobre a superfície escoamento superficial Esse escoamento cresce rapidamente de valor produzindo o ramo ascendente do hidrograma no intervalo t 1t2 num processo em que cada vez mais área da bacia contribui para seu exutório Ao final do ramo ascendente no instante t2 o hidrograma atinge seu pico Escoamento Superficial Análise do Hidrograma A Forma e os Componentes do Hidrograma 73 3º trecho O período de recessão do hidrograma no intervalo t2t3 representa o esvaziamento gradual da calha fluvial e nesse período os escoamentos subsuperficiais e a vazão de base assumem maior significado na composição do hidrograma total 4º trecho Último trecho após t3 caracterizado pelo trânsito do escoamento base novamente em geral com valor superior ao trecho inicial devido à elevação do nível do lençol produzido pela recarga do aquífero Escoamento Superficial O hidrograma de uma chuva isolada apresenta 3 pontos notáveis determinando 4 partes distintas para análise Análise do Hidrograma A Forma e os Componentes do Hidrograma Até a próxima