Baixado 15 vezes
Carregado porRodrigo Barros
Escoamento superficial-parte
O documento discute os tipos de escoamento em bacias hidrográficas, a geração de escoamento superficial e o hidrograma. Apresenta os principais tipos de escoamento como superficial, sub-superficial e subterrâneo. Explica como a precipitação gera escoamento superficial através dos processos de infiltração e saturação do solo. Também descreve o método SCS para estimar o volume de escoamento superficial a partir de eventos de chuva.
Escoamento superficial-parte
- 1. Escoamento Carlos Ruberto FragosoJr. Marllus Gustavo F. P. das Neves CTEC - UFAL Hidrologia
- 2. Escoamento • Tipos deescoamento na bacia. • Geração de escoamento superficial. • Hidrograma. • Hidrograma unitário. • Escoamento subterrâneo.
- 3. • Escoamento superficial •Escoamento sub-superficial • Escoamento subterrâneo Tipos de Escoamento na bacia
- 4. Percolação Processos da parte terrestre dociclo hidrológico Interceptação Depressões chuva Escoamento superficial Infiltração Armazenamento no solo Armazenamento no subsolo Escoamento Sub-superficial Vazãonorio evap Escoamento Subterrâneo
- 5. • Sub-superficial ?? •Superficial • Subterrâneo Tipos de escoamento bacia
- 6. • Chuva, infiltração, escoamentosuperficial
- 7. • Chuva, infiltração, escoamentosuperficial, escoamento subterrâneo Camada saturada
- 8.
- 9. Camada saturada • Depoisda chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento subterrâneo
- 10. • Estiagem: apenasescoamento subterrâneo Camada saturada
- 11. • Estiagem: apenasescoamento subterrâneo Camada saturada
- 12. • Estiagem: apenasescoamento subterrâneo Camada saturada
- 13. • Estiagem muitolonga = rio seco Rios intermitentes Camada saturada
- 14. Geração de escoamentosuperficial • Escoamento até a rede de drenagem • Escoamento em rios e canais • Escoamento em reservatórios
- 15. • Precipitação queatinge áreas impermeáveis • Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade de infiltração limitada • Precipitação que atinge áreas saturadas Formação do Escoamento Superficial
- 16. Fonte: Rampelloto etal. 2001
- 17. Telhados Ruas Passeios • Geração de escoamento superficial é quase imediata • Infiltração é quase nula Áreas Impermeáveis
- 18. • Capacidade deinfiltração é baixa Gramados Solos Compactados Solos muito argilosos Áreas de capacidade de infiltração limitadas
- 19. Infiltração Escoamento Precipitação tempo Infiltração Intensidade da chuvax capacidade de infiltração
- 20. • Considere chuvacom intensidade constante • Infiltra completamente no início • Gera escoamento no fim tempo Infiltração Precipitação início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração
- 21. • Considere chuvacom intensidade constante • Infiltra completamente no início • Gera escoamento no fim tempo Infiltração Precipitação início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração volume infiltrado
- 22. • Considere chuvacom 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
- 23. Precipitação Infiltração Escoamento em áreas desolo saturado
- 24. Precipitação Solo saturado Escoamento emáreas de solo saturado
- 25. Precipitação Solo saturado Escoamento Escoamento emáreas de solo saturado
- 26. I (mm/h) F (mm/h) Q(mm/h) Q = I – F Geração de Escoamento • Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo • Processo hortoniano (Horton, 1934)
- 27. Q (mm/h) Geração deEscoamento • Precipitação atinge áreas saturadas • Processo duniano (Dunne)
- 28. Representação gráfica davazão ao longo do tempo Hidrograma
- 29. • O hidrogramaé o gráfico que relaciona a vazão ao tempo e é o resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico. Heterogeneidade da bacia Caminhos que a água percorre Hidrograma
- 30. 15 minutos Q P tempo Chuva decurta duração tempo
- 31.
- 32.
- 33.
- 34.
- 35.
- 36.
- 37.
- 38.
- 39.
- 40.
- 41.
- 42.
- 43.
- 44.
- 45.
- 46.
- 47. Superficial e Escoamento subterrâneo Sub-superficial Formação doHidrograma 1 – Início do escoamento superficial 2 – Ascensão do hidrograma 3 – Pico do hidrograma 4 – Recessão do hidrograma 5 – Fim do escoamento superficial 6 – Recessão do escoamento subterrâneo 1 2 5 3 4 6
- 48.
- 49.
- 50. • Fórmulas empíricaspara tempo de concentração: • Kirpich • Dooge 385,03 H L 57tc ⋅= 17,0 41,0 S A 88,21tc ⋅= Desenvolvida com dados de 7 bacias < 0,5 km2 Desenvolvida com dados de 10 bacias entre 140 e 930 km2 Tempo de Concentração
- 51. tempo Q Bacia montanhosa Bacia plana Formado Hidrograma
- 52. tempo Q Bacia urbana Bacia rural Obrasde drenagem tornam o escoamento mais rápido Forma do Hidrograma
- 53. Forma da baciax hidrograma tempo Q Bacia circular Bacia alongada
- 54. tempo Q Forma da baciaX Forma do hidrograma
- 55. • Estimativas deescoamento superficial com base na chuva Escoamento Superficial
- 56. • Para sabercomo a bacia vai responder à chuva é importante saber as parcelas de água que vão atingir os rios através de cada um dos tipos de escoamento. • Em muitas aplicações o escoamento superficial é o mais importante – Vazões máximas – Hidrogramas de projeto – Previsão de cheias • Métodos simplificados x modelos mais complexos Cálculos de Separação de Escoamento
- 57.
- 58.
- 59.
- 60. tempo Q P tempo Infiltração Escoamento parcela que não infiltraé responsável pelo aumento da vazão no rio
- 61. Como calcular? • Usarmétodos simplificados: – capacidade de infiltração constante – infiltração proporcional à intensidade de chuva – método SCS
- 62.
- 63.
- 64. Como calcular? tempo Q P tempo Infiltração Escoamento Método SCS: Perdasiniciais + Infiltração diminuindo
- 65. Como estimar? • Umdos métodos mais simples e mais utilizados para estimar o volume de escoamento superficial resultante de um evento de chuva é o método desenvolvido pelo National Resources Conservatoin Center dos EUA (antigo Soil Conservation Service – SCS). • SCS - Consiste em duas etapas: (a) separação do escoamento; (b) cálculo do hidrograma.
- 66. • Simples • Valoresde CN tabelados para diversos tipos de solos e usos do solo • Utilizado principalmente para projeto em locais sem dados de vazão • Usar com chuvas de projeto (eventos relativamente simples e de curta duração) Método do Soil Conservation Service
- 67. • Método SCS(Separação do escoamento) ( ) ( )SIaP IaP Q 2 +− − = 254 CN 25400 S −= IaP > 0Q = IaP ≤ 5 S Ia = quando quando Q = escoamento em mm (Pef) P = chuva acumulada em mm Ia = Perdas iniciais S = parâmetro de armazenamento Valores de CN: Método SCS
- 68. • A parcelada chuva que se transforma em escoamento superficial é chamada chuva efetiva.
- 69.
- 70. Perdas iniciais =0,2 . S 254 CN 25400 S −= 0 < CN < 100 Método do SCS CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície
- 71. A bacia temsolos do tipo B e está coberta por florestas. Conforme a tabela anterior o valor do parâmetro CN é 63 para esta combinação. A partir deste valor de CN obtém-se o valor de S: Exemplo Qual é a lâmina escoada superficialmente durante um evento de chuva de precipitação total P=70 mm numa bacia do tipo B e com cobertura de floretas? mm2,149254 CN 25400 S =−= A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia= 29,8. Como P > Ia, o escoamento superficial é dado por: mm5,8 )SIaP( )IaP( Q 2 = +− − = Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm.
- 72. 254 CN 25400 S −= Perdas iniciais= 0,2 . S Superfície Solo A Solo B Solo C Solo D Florestas 25 55 70 77 Zonas industriais 81 88 91 93 Zonas comerciais 89 92 94 95 Estacionam entos 98 98 98 98 Telhados 98 98 98 98 Plantações 67 77 83 87 Exemplo de tabela: Tipos de solos do SCS: A – arenosos e profundos B – menos arenosos ou profundos C – argilosos D – muito argilosos e rasos Método do SCS
- 73.
- 74. Grupos Hidrológicos deSolos Grupo A Grupo B Grupo C Grupo D solos arenosos, com baixo teor de argila total (inferior a 8%), sem rochas, sem camada argilosa e nem mesmo densificada até a profundidade de 1,5m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo 1% solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas este limite pode subir a 20% graças a maior porosidade. Os dois teores de húmus podem subir, respectivamente, a 1,2% e 1,5%. Não pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5m, mas é quase sempre presente uma camada mais densificada que a camada superficial solos barrentos, com teor de argila de 20 a 30%, mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras até a profundidade de 1,2m. No caso de terras roxas, estes dois limites máximos podem ser de 40% e 1,5m. Nota-se, a cerca de 60cm de profundidade, camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de impermeabilidade solos argilosos (30 a 40% de argila total) e com camada densificada a uns 50cm de profundidade ou solos arenosos como B, mas com camada argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados
- 75. Condições de Umidadedo Solo Condição I Condição II Condição III solos secos: as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassaram 15mm situação média na época das cheias: as chuvas nos últimos 5 dias totalizaram entre 15 e 40mm solo úmido (próximo da saturação): as chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40mm e as condições meteorológicas foram desfavoráveis a altas taxas de evaporação
- 76. Condições de Umidadedo Solo ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )IICN13,010 IICN23 IIICN IICN058,010 IICN2,4 ICN ⋅+ ⋅ = ⋅− ⋅ = Os valores de CN apresentados anteriormente referem-se sempre à condição II. Para converter o valor de CN para as condições I e III existem as seguintes expressões:
- 77. Método SCS paraeventos complexos (mais do que um intervalo de tempo com chuva) • Chuva acumulada x escoamento acumulado • Chuva incremental x escoamento incremental
- 78. ( ) S8,0P S2,0P Q 2 ⋅+ ⋅− = Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) Infiltração acumulada (mm) Escoamento (mm) Infiltração (mm) 10 5.05.0 0.0 5.0 0.0 5.0 20 7.0 12.0 0.0 12.0 0.0 7.0 30 9.0 21.0 1.0 20.0 1.0 8.0 40 8.0 29.0 3.3 25.7 2.4 5.6 50 4.0 33.0 4.9 28.1 1.6 2.4 60 2.0 35.0 5.8 29.2 0.9 1.1 CN = 80 S = 63,7 0,2 S = 12,7 Q = escoamento acumulado (mm) P = precipitação acumulada (mm) Equação válida para P > 0,2 S Quando P < 0,2 S ; Q = 0 Exemplo Método do SCS
- 79. Chuva acumulada 0 10 20 30 40 50 10 2030 40 50 60 Chuva, escoamento e infiltração acumulada 0 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60 Chuva, escoamento e infiltração 0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60 Chuva 0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 50 60 Exemplo SCS
- 80. Chuva, escoamento einfiltração 0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60 Chuva, escoamento e infiltração 0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60 CN = 80 CN = 90 Exemplo SCS
- 81. • Bacia com30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78) ruralurbanomedio CN70,0CN30,0CN ⋅+⋅= 1,83CNmedio = Exemplo SCS
- 82. Hidrograma triangular SCS (Cálculodo hidrograma) Tc tempo Q P tempo Tc tempo Q P tempo
- 83.
- 84. Hidrograma triangular SCS p p Tt A Q +∆ ⋅ = 2 208,0 cpTT ⋅= 6,0 Vazão de pico (m3 /s) por mm de chuva efetiva Tempo de pico em função do tempo de concentração pb TT ⋅= 67,2 Tempo de base do hidrograma
- 85. 0 50 100 150 200 250 0 1 23 4 5 6 7 8 9 Tempo (horas) Vazão(m3/s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Precipitação(mm) Pef (mm) P1 * HU P2 * HU P3 * HU Q final (m3/s) Convolução
- 86. • Calcular ohidrograma pelo método do SCS, considerando o evento de chuva e CN do exercício anterior para uma bacia com os seguintes dados: – Área da bacia = 7 km² – Comprimento do rio principal = 2,5 km – Declividade do rio = 8% Exercício
- 87. • Transformação dachuva efetiva em vazão • o histograma tempo área e o hidrograma unitário • Modelo SCS é simplificado – Diferentes usuários chegarão a resultados diferentes dependendo do CN adotado – Bacias pequenas – Se possível, verificar em locais com dados e para eventos simples Considerações finais
- 88. • Curvas derecessão de hidrogramas freqüentemente tem a forma de exponenciais decrescentes. Recessão: forma da curva ( ) t t eaQ − ⋅=
- 89. Recessão: forma dacurva Rios em regiões com chuvas sazonais: exemplo: rio dos Bois (GO)
- 90. Recessão: forma dacurva Destacando o período de estiagem de junho a setembro de 1991, é possível verificar o comportamento típico da recessão do hidrograma deste rio.
- 91. Recessão: forma dacurva Quando representado em escala logarítmica, o hidrograma durante a estiagem mostra um comportamento semelhante a uma linha reta.
- 92. Recessão: forma dacurva Isto sugere que o comportamento da vazão do rio dos Bois ao longo deste período pode ser representado por uma equação do tipo: ( ) k t t eQQ − ⋅= 0
- 93. Recessão: forma dacurva ( ) k t t eQQ − ⋅= 0
- 94. Recessão: forma dacurva ( ) k t t eQQ − ⋅= 0
- 95. • prever qualserá a vazão de um rio após alguns dias, conhecendo a vazão no tempo atual, considerando que não ocorra nenhuma chuva. Recessão – utilidade da equação ( ) k t t eQQ − ⋅= 0
- 96. • A maiordificuldade para resolver este tipo de problema é estimar o valor da constante k Recessão – utilidade da equação ( ) k t t eQQ − ⋅= 0 ( ) ( ) ∆− = ∆+ t tt Q Q t k ln
- 97. • O valorde k depende das características físicas da bacia, em especial as suas características geológicas. Recessão – utilidade da equação Cuidado: CB é dado em horas nesta figura!
- 98. • Durante umalonga estiagem de um rio foram feitas duas medições de vazão, com quatro dias de intervalo entre si, conforme a tabela abaixo. Qual seria a vazão esperada para o dia 31 de agosto do mesmo ano, considerando que não ocorre nenhum evento de chuva neste período? Recessão – exemplo Data Vazão 14/agosto 60.1 15/agosto - 16/agosto - 17/agosto - 18/agosto 57.6
- 99. • Durante umalonga estiagem de um rio foram feitas duas medições de vazão, com quatro dias de intervalo entre si, conforme a tabela abaixo. Qual seria a vazão esperada para o dia 31 de agosto do mesmo ano, considerando que não ocorre nenhum evento de chuva neste período? Recessão – exemplo Data Vazão 14/agosto 60.1 15/agosto - 16/agosto - 17/agosto - 18/agosto 57.6 ( ) ( ) ∆− = ∆+ t tt Q Q t k ln 94 1,60 6,57 ln 4 ≅ − =k ( ) 2,506,57 94 13 ≅⋅= − eQ t Portanto, a vazão esperada no dia 31 de agosto seria de 50,2 m3 .s-1 .
- 100. • No períodode recessão do hidrograma predomina o escoamento com origem subterrânea. • O comportamento da bacia neste período é semelhante ao de um reservatório linear simples, em que a vazão é linearmente dependente do armazenamento: V = k . Q Recessão – reservatório linear
- 101.
- 102. Aproximar a curvade recessão de um hidrograma durante uma longa estiagem por uma equação exponencial decrescente equivale a admitir a idéia que a relação entre armazenamento de água subterrânea e descarga do aqüífero para o rio é linear. Reservatório linear QEG t V −−= ∆ ∆ Q dt dV −= balanço de água subterrânea balanço simplificado em intervalo infinitesimal k V Q = admitindo relação linear, equivale a: kQV ⋅= Q dt dQ k = substituindo na equação de balanço e a solução desta eq. diferencial é: ( ) k t t eQQ − ⋅= 0
- 103. Reservatório linear Durante umaestiagem uma bacia se comporta de forma semelhante a um reservatório linear simples, em que a vazão descarregada é proporcional ao volume armazenado.
- 104. Considerando válida arepresentação da bacia pelo reservatório linear simples com k=190 dias, qual será a vazão do rio após 30 dias sem chuva, considerando que a vazão inicial é 100 m3 /s? Exercícios