Métodos de Estudo do Escoamento Superficial em Hidrologia

ENG1216 ESCOAMENTO SUPERFICIAL PROFA MONIQUE DE FARIA MARINS MONIQUEMARINSPUCRIOBR HIDROLOGIA I 3 Etapas do Estudo Hidrológico Fatores que determinam a escolha da metodologia a ser utilizada Disponibilidade de dados fluviométricos e do número de anos de observação Tamanho da bacia Vazões Máximas Escoamento Superficial Método Racional Método do SCS Hidrograma Unitário Hidrograma Unitário Sintético 5 Escoamento Superficial Método Racional Método do SCS Hidrograma Unitário Hidrograma Unitário Sintetico 6 7 Uma vez que a precipitação de projeto associada a um determinado tempo de retorno já tenha sido definida e as perdas já tenham sido estimadas de tal maneira a determinar a precipitação efetiva o passo seguinte é transformar essa chuva efetiva em escoamento ou vazão Essa transformação pode ser realizada mediante diferentes métodos O método mais simples de aplicação é o Método Racional Escoamento Superficial 8 MÉTODO RACIONAL O método racional engloba todos os processos físicos envolvidos em apenas um coeficiente Apropriado apenas para obter a vazão máxima em bacias pequenas Princípios Considera a duração da chuva igual ao tempo de concentração Adota o coeficiente de runoff ou de escoamento superficial C no qual são computadas todas as perdas Escoamento Superficial Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 9 MÉTODO RACIONAL Escoamento Superficial Ausência de dados fluviométricos Modelos chuvavazão Método Racional INEARJ A 1 km² DERSP A 2 km² DNIT A 4km² Método Racional CorrigidoModificado INEARJ 1 km² A 2 km² DNIT 4 km² A 10 km² Método Hidrograma Unitário HUTSCS INEARJ A 2 km² DNIT A 10 km² Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 10 Escoamento Superficial MÉTODO RACIONAL Método Racional Método Racional CorrigidoModificado Q Vazão em m3s C Coeficiente de escoamento superficial runoff adimensional i Intensidade pluviométrica em mmh A Área de drenagem em Km² n Coeficiente de distribuição RIOÁGUAS Para A 1 km² n1 Para A 1km² nA015 DNIT Para projetos rodoviários nA010 Para obras urbanas Coeficiente definido por BurkliZiegler nA015 11 MÉTODO RACIONAL A intensidade da precipitação depende dos seguintes fatores Equação IDF característica da região Tempo de concentração para a estimativa da intensidade da precipitação é necessário conhecer o tempo de concentração da bacia já que o mesmo é considerado igual à duração da precipitação Tempo de retorno TR o TR utilizado para o dimensionamento de obras de microdrenagem varia de 2 a 10 anos Para dimensionamento de redes de macrodrenagem costumase utilizar tempos de retorno de 20 anos ou mais sendo atualmente muito utilizado o tempo de 25 anos recomendado pelo Ministério das Cidades Escoamento Superficial 12 O coeficiente de escoamento utilizado no método racional depende das seguintes características Tipo de solo Cobertura vegetal Tipo de ocupação Os coeficientes de escoamento recomendado para as superfícies urbanas estão apresentados em várias tabelas MÉTODO RACIONAL Escoamento Superficial Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 13 Escoamento Superficial Valores de Coeficiente de Runoff C C 1 escoamento total C 0 infiltração total coeficiente de escoamento superficial chamado de coeficiente de runoff que é o quociente entre a água que escoa superficialmente pelo total da água precipitada Usase a letra C para o coeficiente de runoff Tomaz 2009 Coeficiente de Escoamento Superficial Runoff VALOR MÉDIO Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 14 Escoamento Superficial Valores de Coeficiente de Runoff C Coeficiente de Escoamento Superficial Runoff 15 1 A microbacia hidrográfica do rio Piabas está localizada inteiramente na zona oeste do município do Rio de JaneiroRJ possuindo uma área de drenagem de 79 km² Considerando a Ocupação e os dados hidrológicos abaixo calcular a vazão de pico para os tempos de retorno TR de 25 e 50 anos Rio Piabas Dados Hidrológicos Bacia Hidrográfica Área Total km² Duração da chuva Igual ao tempo de concentração Chuva de Projeto TR 25 anos TR 50 anos Piabas Foz 79 110 horas 755 mm 878 mm Uso dos Solos Área km² Floresta 395 Pasto 237 Urbano Media Densidade 158 Uso dos Solos C Floresta 005 Pasto 015 Urbano Media Densidade 05 Uso dos Solos Floresta 50 Pasto 30 Urbano Media Densidade 20 Exercício Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 16 1 A microbacia hidrográfica do rio Piabas está localizada inteiramente na zona oeste do município do Rio de JaneiroRJ possuindo uma área de drenagem de 79 km² Considerando a Ocupação e os dados hidrológicos abaixo calcular a vazão de pico para os tempos de retorno TR de 25 e 50 anos Rio Piabas Dados Hidrológicos Bacia Hidrográfica Área Total km² Duração da chuva Igual ao tempo de concentração Chuva de Projeto TR 25 anos TR 50 anos Piabas Foz 79 110 horas 755 mm 878 mm Uso dos Solos Área km² Floresta 395 Pasto 237 Urbano Media Densidade 158 Uso dos Solos C Floresta 005 Pasto 015 Urbano Media Densidade 05 Uso dos Solos Floresta 50 Pasto 30 Urbano Media Densidade 20 Exercício Cmédio 017 Q 0278CiA TR25 Q 0278017686479 2563 m³s TR 50 Q 0278017798279 2980 m³s Escoamento Superficial Método Racional Método do SCS Hidrograma Unitário Hidrograma Unitário Sintetico 17 Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 18 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial Procedimento desenvolvido pelo SCS no qual a lâmina escoada isto é a altura de precipitação efetiva é uma função da altura total de chuva e de um parâmetro de abstração denominado CN Curva Número Determina a descarga de uma bacia hidrográfica através do hidrograma triangular composto resultado da somatória das ordenadas de histogramas unitários para cada intervalo temporal de discretização da chuva Para cada intervalo temporal obtémse o escoamento correspondente à chuva excedente neste período em função das curvas de deflúvio CN A partir dos escoamentos obtidos são definidos os hidrogramas para cada intervalo Da composição dos hidrogramas por convolução resulta o hidrograma final de cheia cujo pico corresponde ao valor da vazão de projeto Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 19 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial 20 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Este método é muito usado no Brasil e no exterior e tem a vantagem de dispor de grande quantidade de trabalhos relativos ao ajuste de seu principal parâmetro denominado Curve Number CN em função de quatro tipos diferentes de solo e de diversos padrões de ocupação do mesmo O método também permite a correção do CN de acordo com as condições de umidade do solo anteriores à ocorrência da chuva A desvantagem deste método também reside na falta de uma base física mais consistente para a representação da infiltração Escoamento Superficial Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 21 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 22 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial Curva Número CN parâmetro de abstração relacionado ao tipo de solo e cobertura vegetal da bacia Tabelado e varia de 1 a 100 Os tipos de solos foram classificados em quatro grupos hidrológicos A B C e D de acordo com sua taxa de infiltração conforme descritos a seguir Grupo A solos com alta infiltração e que produzem baixo escoamento superficial são solos arenosos profundos com pouco silte e argila Grupo B solos menos permeáveis que o anterior arenosos e menos profundos que o solo tipo A com permeabilidade superior à média Grupo C solos com capacidade de infiltração abaixo da média e que geram escoamento superficial acima da média contendo considerável percentagem de argila e são pouco profundos Grupo D solos contendo argilas expansivas e pouco profundos com baixa capacidade de infiltração gerando a maior proporção de escoamento superficial do grupo de solos Departamento de Engenharia Civil e Ambiental ENG1216 HIDROLOGIA 23 MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial Valores de CN Tucci 2004 24 Solo A solos que produzem baixo escoamento superficial e alta infiltração Solos arenosos profundos com poço silte e argila Solo B solos menos permeáveis do que o anterior solos arenosos menos profundos do que o tipo A e com permeabilidade superior à média Solo C solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da média contendo porcentagem considerável de argila e pouco profundo Solo D solos pouco profundos contendo argilas expansivas e com muito baixa capacidade de infiltração gerando a maior proporção de escoamento superficial MÉTODO DO SCS US Soil Conservation Service atual NRCS Escoamento Superficial 25 Exercício 2A bacia hidrográfica do Rio Teimoso apresentada na imagem de satélite da Figura 1 possui as características físicas Grandeza Valor Área de drenagem 4520 km² Diferença máxima de nível 287 metros Comprimento do maior talvegue 15900 metros Declividade média 001038 mm Solo D Área km² Pastagem em várzea 190 4 Pastagem 3362 74 Floresta 942 21 Vegetação secundária em estágio inicial 025 1 TOTAL 4519 100 Calcule a chuva efetiva mm para um evento pluviométrico com 50 anos de tempo de recorrência e duração igual ao Tempo de concentração Considere a IDF da cidade do Rio de Janeiro 26 HIDROGRAMA UNITÁRIO Introduzido por Leroy K Sherman em 1932 Considera a área da bacia hidrográfica e a intensidade da chuva assim como o Método Racional A declividade e características fisiográficas da bacia hidrográfica em estudo também são consideradas embora não seja explicitado É o hidrograma do escoamento direto causado por uma chuva efetiva unitária por exemplo uma chuva de 1mm ou 1 cm O método considera que a precipitação efetiva e unitária tem intensidade constante ao longo de sua duração e distribuise uniformemente sobre toda a área de drenagem Escoamento Superficial 27 HIDROGRAMA UNITÁRIO Princípio de linearidade Para uma chuva efetiva de uma dada duração o volume de chuva que é igual ao volume escoado superficialmente é proporcional à intensidade dessa chuva Como os hidrogramas de escoamento superficial correspondem a chuvas efetivas de mesma duração têm o mesmo tempo de base considerase que as ordenadas dos hidrogramas serão proporcionais à intensidade da chuva efetiva Escoamento Superficial 28 HIDROGRAMA UNITÁRIO Princípio de superposição As vazões de um hidrograma de escoamento superficial produzidas por chuvas efetivas sucessivas podem ser encontradas somando as vazões dos hidrogramas de escoamento superficial correspondentes às chuvas efetivas individuais Escoamento Superficial 29 HIDROGRAMA UNITÁRIO A aplicação dos princípios de linearidade e superposição levam à definição da chamada equação de convolução discreta Escoamento Superficial 30 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b A área total da bacia é de 4000m² dividida em quatro subáreas B1 B2 B3 e B4 cada uma com 1000m² As quatro linhas limítrofes das áreas Bi i1 a 4 são isócronas duração igual de 4 3 2 e 1 horas respectivamente sendo portanto o tempo de concentração da bacia igual a 4 horas Escoamento Superficial 31 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 32 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 33 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 34 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 35 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 36 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 37 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 38 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 39 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 40 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 41 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 42 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 43 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 44 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 45 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 46 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 47 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b Escoamento Superficial 48 HIDROGRAMA UNITÁRIO Exemplo e d d c c b a a B1 B2 B3 B4 b IB4 175 mmh IB3 125 mmh IB2 75 mmh e IB1 25 mmh Escoamento Superficial 49 HIDROGRAMA UNITÁRIO Limitações A chuva efetiva tem uma intensidade constante dentro da duração efetiva Essa condição exige que as chuvas sejam de curta duração já que a taxa de chuva efetiva seria maior e aproximadamente constante no tempo produzindo um hidrograma melhor definido com pico único e tempo de base curto A chuva efetiva está uniformemente distribuída através de toda a área de drenagem Em virtude dessa condição a área de drenagem não deverá ser muito grande Caso seja necessário trabalhar em bacias hidrográficas grandes a mesma deverá ser subdividida em subbacias de modo que se cumpra essa suposição Escoamento Superficial 50 HIDROGRAMA UNITÁRIO Limitações O tempo de base do hidrograma de escoamento superficial resultante de uma chuva efetiva de uma dada duração é constante Para que o comportamento da bacia hidrográfica seja considerado linear é necessário assumir que os hidrogramas de escoamento superficial gerados por chuvas efetivas de igual duração têm o mesmo tempo de base independentemente da intensidade das chuvas efetivas Esta consideração se estende também ao tempo de pico O HU de uma duração determinada é único para uma bacia hidrográfica e não varia no tempo As características do rio não devem ter mudanças e a bacia hidrográfica não deve possuir armazenamentos apreciáveis sem reservatórios Escoamento Superficial 51 HIDROGRAMA UNITÁRIO Para determinar o HU em uma bacia hidrográfica é necessário dispor de registros de vazão e precipitação simultâneos Recomendase procurar no histórico eventos causados por chuvas que tenham uma duração entre 13 a 15 do tempo de concentração Escoamento Superficial 52 HIDROGRAMA UNITÁRIO 1Calcular o volume de água precipitado sobre uma bacia hidrográfica que é dado por 2Fazer a separação do escoamento superficial onde para cada instante t a vazão que escoa superficialmente é a diferença entre a vazão observada e a vazão de base 3Determinar o volume escoado superficialmente calculando a área do hidrograma superficial que pode ser obtida conforme Escoamento Superficial 53 HIDROGRAMA UNITÁRIO 4Determinase o coeficiente de escoamento 5Determinar a chuva efetiva multiplicandose a chuva total pelo coeficiente de escoamento 6Determinar as ordenadas do HU Escoamento Superficial 54 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO A situação mais frequente na prática é o da inexistência de dados históricos Os hidrogramas unitários sintéticos foram estabelecidos com base em dados de algumas bacias e são utilizados quando não existem dados que permitam estabelecer o HU Os métodos de determinação do HUS baseiamse na utilização de características físicas da bacia e tem permitido estimar o HU para um local sem dados observados Escoamento Superficial 55 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Hidrograma Unitário Sintético do SCS ou Triangular O hidrograma formado com o uso deste método foi desenvolvido a partir de bacias agrícolas dos Estados Unidos e tem forma triangular Escoamento Superficial 56 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Hidrograma Unitário Sintético do SCS Para a determinação do hidrograma unitário devese inicialmente determinar alguns parâmetros conforme roteiro a seguir 1Determinar o tempo de concentração tc da bacia hidrográfica 2Determinar o parâmetro tp horas Escoamento Superficial 57 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Hidrograma Unitário Sintético do SCS 3Determinar o tempo de pico do hidrograma tR horas 4Determinar o tempo de recessão do hidrograma tr horas 5Determinar o tempo de base do hidrograma tb horas 6Determinar a vazão máxima válida para precipitação de 1mm Escoamento Superficial 58 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Aplicação do Hidrograma Unitário Sintético do SCS 1Tabelar o HUS Ex 06 Tc Tp Tr 1mm 0 0 T1 q1 T2 q2 T3 q3 T4 q4 T5 q5 Tb 0 Tempo min Vazão m³s por mm Escoamento Superficial 59 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Aplicação do Hidrograma Unitário Sintético do SCS 2Fazemos a convolução para cada Tabelar o HUS Ex 0 0 0 T1 q1xP1 0 Q1 T2 q2xP1 q1xP2 0 Q2 T3 q3xP1 q2xP2 q1xP2 Q3 T4 q4xP1 q3xP2 q2xP2 Q4 T5 q5xP1 q4xP2 q3xP2 Q5 T6 0 q5xP2 q4xP2 Q6 T7 0 q5xP2 Q7 T8 0 0 Tempo min Vazão m³s P1 P2 P3 Escoamento Superficial 60 1 Determinar a vazão de projeto pelo HUTSCS para o período de retorno de 50 anos numa bacia de 30 Km2 de área de drenagem comprimento do talvegue de 31 km ao longo do qual existe uma diferença de altitude de 93 m Para chuva de efetiva abaixo 10 10 20 30 40 50 60 70 Exemplo 63 Tempo min HUS 1mm P eft mm H final 88 87 11 72 62 54 49 0 0 00 00 10 015 13 00 13 20 03 26 13 00 39 30 045 40 26 17 00 82 40 06 53 39 33 11 00 136 50 075 66 52 50 22 09 00 199 60 066 58 65 66 32 19 08 00 248 70 057 50 57 83 43 28 16 07 285 80 048 42 50 73 54 37 24 15 295 90 039 34 42 63 48 47 32 22 287 100 03 26 34 53 41 41 41 29 265 110 021 18 26 43 35 35 36 37 230 120 012 11 18 33 28 30 31 32 183 130 003 03 10 23 22 24 26 28 136 140 03 13 15 19 21 24 94 150 03 09 13 16 19 60 160 02 07 11 15 36 170 02 06 10 19 180 02 06 08 190 01 01 Exemplo