2- Precipitação, Perdas e Escoamento Superficial

Prévia do material em texto

(Hidrologia e Usos da Água) 2-Precipitação, Perdas e Escoamento Superficial
MÓDULO 1 - Precipitação.
O que é precipitação?
Precipitação é toda água que cai na superfície da Terra tanto na forma líquida quanto sólida (neve, ou granizo), ou mesmo em formas mais leves, como o caso da neblina. A queda acontece por mudanças de pressão e temperatura na atmosfera e constitui a única entrada principal de água na bacia hidrológica. O processo de formação é devido ao fenômeno de condensação do vapor de água atmosférico. Existem diferentes processos termodinâmicos para realizar a saturação e dar início à mudança de fase, são eles:
· Processo de saturação e condensação por pressão constante (isobárica).
· Processo de saturação e condensação por pressão adiabática (sem perdas de calor).
· Processo de saturação e condensação pela pressão de vapor de água.
· Processo de saturação por mistura e turbulência.
Formas e tipos de precipitação: O esquema evolutivo de uma precipitação na forma de cúmulo-nimbo em geral pode estar dividido em três etapas: acúmulo, maturidade e dissipação. A primeira etapa é desenvolvida mediante o deslocamento de uma massa de ar úmido na forma vertical devido ao aquecimento da superfície ou na presença de uma barreira orográfica. A maturidade desenvolve-se em um intervalo entre 10 e 15 minutos, período no qual o tamanho e o número de gotas de água aumentam nas nuvens e dão início à precipitação. A última etapa é a predominância de uma corrente vertical descendente sobre a ascendente até que ambas finalizem pelo aumento da temperatura e terminando a precipitação.
Existem três diferentes tipos de precipitação:
Projeto de chuvas: Os dados de precipitação são importantes para o balanço hídrico da bacia hidrográfica, uma vez que representa o único ponto de entrada de matéria, portanto, devem ser medidos em diferentes pontos do terreno. Os elementos meteorológicos são medidos em pontos próximos da superfície do solo. Somente em casos específicos a medição pode ser feita a diferentes alturas.
Existem normas regulamentadas pela Organização Mundial de Meteorologia (OMM) para orientar o tipo de equipamento e metodologia a ser utilizada na medição. Confira como são feitas as medições em diferentes elementos meteorológicos.
· Temperatura diária- É medida com termômetros de mercúrio ou termógrafos com obtenção de dados às 8 horas (temperatura ambiente) a fim de estimar máxima e mínima, além dos registros de temperatura ao longo do dia. A pressão atmosférica é medida por um barômetro aneroide.
· Umidade relativa- É medida por higrômetros (absorção, cabelo ou eletrônicos) ou psicrômetros compostos de dois termômetros de bulbo seco e outro úmido. Por outro lado, os parâmetros para medir o vento são direção e intensidade, para os quais são utilizados uma veleta e um anemômetro, respectivamente. A evaporação pode ser medida com tanques de fibra de vidro ou de lâmina galvanizada utilizando um vernier.
· Precipitação pluvial- Pode ser medida de maneira discreta ou contínua. No modo discreto, é utilizado o pluviômetro; no contínuo, o pluviógrafo. Atualmente, existem estações meteorológicas automatizadas que possuem sensores para medir os diferentes elementos meteorológicos de continuamente.
Vamos entender um pouco mais do funcionamento dos equipamentos para a medição da precipitação.
Pluviômetro- O pluviômetro deve seguir normas específicas para obter uma leitura adequada. Por exemplo, o diâmetro do orifício de captação não pode ser menor do que 30mm, deve ser colocado a 1 metro de altura da superfície do solo e em espaços abertos sem objetos dentro da seção cônica que se forma ao colocar o vértice no instrumento.
A informação de precipitação pluvial é gerada de maneira discreta e as leituras totais acumuladas devem ser realizadas em intervalor de 6, 12 ou 24 horas. Por outro lado, utilizando o pluviógrafo, pode-se obter o registro contínuo da precipitação analisando a variação temporal da chuva em intervalos de minutos. As informações coletadas das medições devem ser tratadas e analisadas para serem utilizadas, por exemplo, no balanço hídrico. Portanto, diferentes técnicas probabilísticas, estatísticas, empíricas e determinísticas são empregadas para apresentar os dados.
Análise de dados contínuos: Os dados do pluviógrafo são representados em uma curva de valores acumulada denominada curva de massa. A curva é construída para um intervalo de tempo em que a lâmina ou altura de chuva precipitada é calculada mediante a soma dos valores obtidos.
A partir dessa curva, podem ser geradas três representações úteis na análise pontual de chuvas: estimativa da intensidade de chuva, hietograma da altura da chuva e curvas IDF (intensidade – duração – frequência). Falaremos de cada uma delas a seguir.
Estimativa da intensidade de chuva: É dividido o valor da altura de chuva pelo intervalo considerado. No caso da intensidade máxima, são analisados diferentes intervalos de tempo registrados nas estações pluviométricas (5, 10, 15, 30 minutos etc.), obtendo assim um valor máximo para cada intervalo.
Hietograma da altura da chuva: É a representação em barras da variação da altura da chuva ou da intensidade no tempo. No caso de intervalos pequenos, por exemplo, de 5 minutos, a informação proporcionada será muito bem detalhada, ou seja, conforme aumenta o intervalo de tempo, a informação não é aproveitada em detalhe.
Curvas IDF (intensidade – duração – frequência)
São obtidas por métodos probabilísticos ou de regressão linear. A frequência é o período de retorno definido como o intervalo médio de tempo (2, 5, 10, 20, 50, 100 anos), no qual outro evento de igual magnitude pode ser igualado ou excedido uma vez. A expressão mais comum para estimar o período de retorno a partir de valores de dados foi desenvolvida por Weibull:
Onde Tr é o período de retorno em anos; n o número total de dados da amostra a analisar; e m o valor do intervalo. O valor de intervalo é obtido dos dados de altura da chuva ou da intensidade distribuídos de maior ao menor.
A seguir, veja o exemplo de Curvas I-D-F:
Para analisar o máximo de chuvas, são escolhidas as tempestades mais intensas de cada ano e suas respectivas curvas de massas, extraindo a máxima altura de chuva ou de intensidade para cada intervalo. Uma vez obtidos os valores máximos para cada duração por ano, todos são alocados do maior ao menor, assignando o valor maior como ponto 1 e o menor do intervalo como n. Por último, mediante Weibull, é estimado o período de retorno para cada valor assignado em cada evento.
Uma vez coletadas as informações, é possível realizar uma análise independente para cada duração da chuva mediante uma função que relacione a altura da precipitação e o período de retorno. O método de correlação linear múltipla de Chow pode ser aplicado utilizando a seguinte expressão matemática:
Onde hp é a altura da chuva; a e b são constantes; e Tr é o período de retorno. Para encontrar os valores das constantes, a e b regressões lineares ou exponenciais podem ser aplicadas.
O valor da intensidade máxima da chuva (i) em função da duração (d) e do período de retorno (Tr) é calculado mediante uma regressão linear múltipla ajustado mediante a função matemática:
Onde i é o valor da intensidade máxima de chuva dada em mm/h; Tr é o tempo de retorno em anos; d é a duração da chuva em minutos; e k, m e n são os parâmetros ajustados mediante a regressão linear.
Análise de dados discretos: Os dados discretos de precipitação são obtidos das leituras dos pluviômetros a cada 6, 12 ou, a mais comum, 24 horas. A análise é feita na seleção de um valor representativo para cada intervalo mediante um tratamento estatístico e/ou probabilístico. A média aritmética amostral é considerada com um estimador estatístico de tendência central para calcular esse valor representativo.
O estimador estatístico amostral é representado pela seguinte fórmula:
Onde xm é a média aritmética; n o número de valores considerados; e xi é o valor do i-esimo dado da amostra.
Uma vez obtidos os valores representativosem cada caso, faz-se uma análise espacial da chuva, ou seja, determina-se uma distribuição da precipitação em uma bacia para um intervalo de tempo definido. Portanto, três métodos básicos são utilizados: precipitação média, curva de massa média ajustada e a curva altura de precipitação – área – duração. O mais utilizado é o de precipitação média.
Precipitação média: Uma das formas de calcular a precipitação média é utilizando a média aritmética a seguir:
Outro método utilizado para calcular a precipitação média sobre a superfície de uma bacia hidrográfica é do Polígonos de Thiessen:
 
A área de influência de cada estação Ai se define mediante a construção de triângulos cujos vertices são as localizações das três estações mais próximas entre si. Posteriomente, linhas retas são traçadas divindo os lados dos triângulos. Por geometria elementar, as linhas correspondentes a cada triângulo convergem a um único ponto. Nesse processo, cada estação pluviométrica ficará rodeada por linhas retas, formando um polígono de forma irregular, e a área contida por essa figura será a superfície de influência da estação correspondente Ai.
O terceiro método, e o mais utilizado no cálculo de precipitação média, é o de Isoietas. O método consiste em traçar linhas com as informações disponíveis nas estações pluviométricas, unindo os pontos de igual altura de precipitação, chamada de Isoieta. Portanto, a precipitação média é calculada mediante a expressão:
Demonstração: Antes de finalizar este módulo, vamos determinar a altura de precipitação média de uma bacia hidrográfica com uma área total de 17350km2 utilizando o método aritmético. Vamos considerar que a bacia conta com 6 estações pluviométricas com as alturas de precipitação registradas no quadro abaixo.
Para calcular a altura de precipitação média, utilizamos a seguinte equação:
Nesse caso, n equivale a 6 valores obtidos de cada estação pluviométrica. Portanto:
 
Mão na massa
Questão 1- A tabela abaixo reporta os valores obtidos de área parcial e alturas de precipitação mediante o método de Isoieta. Qual é o valor da precipitação média calculada por esse mesmo método?
a) 18,11mm
b) 5,52mm
c) 38,83mm
d) 14,23mm
e) 23,10mm
A alternativa A está correta.
Utilizando a equação de método de Isoieta, temos:
Questão 2- Qual é valor da intensidade de precipitação para Belo Horizonte de uma chuva de duração de 30 minutos e com um período de retorno de 10 anos? A equação que representa a intensidade de precipitação (mm/hora) para BH é a seguinte:
a) 68,17mm/h
b) 116,85mm/h
c) 104,77mm/h
d) 54,23mm/h
e) 33,56mm/h
 A alternativa A está correta.
Substituindo os valores na equação ajustada da curva IDF para Belo Horizonte:
 
Questão 3- Qual é a altura de precipitação média de uma bacia hidrográfica com uma área total de 1000km2 utilizando o método aritmético? A bacia conta com 8 estações pluviométricas com as alturas de precipitação registradas a seguir:
a) 12,67
b) 14,38
c) 23,44
d) 10,33
e) 21,22
A alternativa B está correta.
Para calcular a altura de precipitação média, utilizamos a seguinte equação:
Nesse caso, n equivale a 8 valores obtidos de cada estação pluviométrica, portanto:
Questão 4- Qual é o período de retorno para uma chuva com tempo de duração de 40 minutos em uma região de João Pessoa se a sua intensidade for de 76,4mm/h? A equação que representa a intensidade de precipitação (mm/hora) para João Pessoa é a seguinte:
a) 10 anos
b) 20 anos
c) 50 anos
d) 100 anos
e) 120 anos
 A alternativa C está correta.
Questão 5- A tabela a seguir representa os valores de precipitação de uma chuva em função de tempo. Qual será o valor máximo de intensidade de chuva (mm/h) mediante o hietograma de chuva discretizado para um ∆t=1h?
a) 4
b) 2
c) 1
d) 10
e) 6
A alternativa E está correta.
Discretizando para o tempo de 1 hora, faz-se a diferença entre os valores de altura de precipitação, por exemplo da primeira hora será 2,5 – 0, e assim sucessivamente. O hietograma discretizado apresenta uma intensidade de precipitação máxima de 6.
Questão 6- Qual é valor da área de uma bacia hidrográfica que tem uma precipitação média de 25mm, considerando que o somatório do produto de áreas parciais de Thiessen vezes as alturas de precipitação de várias estações pluviométricas é de 752 300km2.mm?
a) 54876 km2
b) 30092 km2
c) 25988 km2
d) 45099 km2
e) 13987 km2
A alternativa B está correta.
Isolando o termo de Ac da equação de precipitação média do método de polígonos de Thiessen, obtemos a área da bacia.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1- Analise as seguintes afirmações sobre os tipos de precipitações:
I. A precipitação orográfica acontece em vales pelo aquecimento da superfície e aumento das gotículas de água.
II. A precipitação convectiva produz tempestades curtas, mas intensas.
III. A precipitação frontal é consequência do choque entre duas massas de ar de diferentes temperaturas.
É correto o que está descrito em:
a) Somente I
b) Somente II
c) I e II
d) I e III
e) II e III
A alternativa E está correta.
A presença de alguma barreira topográfica faz com que as nuvens em contato com a superfície criem um gradiente de temperatura, o que permite uma condensação da água que estava acumulada na forma de vapor.
Questão 2- Analise as seguintes afirmações sobre medidas e análise de dados de precipitações:
I. Para medir dados de precipitação na prática, são utilizados pluviômetros em que a resposta é dada em mm de altura da lâmina d’água.
II. O período de retorno é considerado o tempo em que uma chuva da mesma intensidade e duração pode acontecer novamente.
III. No cálculo da precipitação, a média aritmética da área da bacia deve ser dividida de acordo com o espaço delimitado das estações pluviométricas.
É correto o que está descrito em:
a) Somente I
b) Somente II
c) I e II
d) I e III
e) II e III
A alternativa C está correta.
A média aritmética somente precisa dos valores da altura de precipitação registrados em cada estação pluviométrica e do número total destas. A equação é a seguinte:
MÓDULO 2- Perdas.
Fenômenos de perda no cálculo do escoamento superficial: No módulo anterior, vimos que, no ciclo hidrológico, após uma precipitação sobre uma bacia hidrográfica, ocorrem fenômenos como infiltração, evaporação, evapotranspiração e percolação. Esses fenômenos dentro do balanço hídrico são considerados de perda no cálculo do escoamento superficial (volume de água restante sobre a superfície), portanto devem ser calculados. Agora, vamos estudar como cada um desses processos pode ser medido tanto experimentalmente ou por estimação ou aproximação.
Infiltração: A infiltração é o volume de água procedente das precipitações que atravessa a superfície do solo ocupando total ou parcialmente os poros das rochas ou do subsolo. Existem vários fatores que afetam a infiltração, tais como:
· Entrada superficial- A superfície do solo pode estar impermeabilizada por partículas que se acumulam e impedem ou retardam a entrada da água no solo.
· Transmissão através do solo- Quando a água não pode continuar entrando no solo com maior rapidez dependendo das distintas camadas no extrato.
· Acúmulo na capacidade de armazenamento- O armazenamento disponível depende da porosidade, espessura e quantidade de umidade existente.
· Características do meio permeável- A capacidade de infiltração está relacionada com o tamanho do poro e sua distribuição, tipo de solo, vegetação, estrutura e camadas de solo.
· Características do fluido- Contaminação da água infiltrada por partículas finas ou coloides, temperatura, viscosidade do fluido e salinidade.
Existem diversas maneiras de medir ou estimar a infiltração no solo, mas antes de estudá-las vamos conhecer um pouco sobre o perfil hídrico no meio poroso. Entre a superfície do solo e o plano que representa o nível freático, encontra-se a zona não saturada com valores de pressão menores da atmosférica. Essa zona pode mudar com o tempo devido, sendo preenchida pela infiltração alcançando a saturação. Portanto, para medir a infiltração e as mudançasna condição hidráulica no meio, são utilizadas técnicas de sucção matricial ou mátrica, conteúdo de umidade, condutividade hidráulica, difusividade hidráulica e equipamentos denominados de infiltrometro.
A obtenção dos valores de infiltração ou capacidade de infiltração depende das medições volumétricas e da área em determinado tempo considerando, considerando os pontos a seguir:
· Manter, em uma área reduzida, uma lâmina d’água fixa definida sobre a superfície do solo durante um intervalo de tempo utilizando um infiltrômetro de cilindro.
· Fazer uma medição da variação da sucção matricial e/ou conteúdo de umidade em uma área extensa quando se apresentam chuvas.
· Medir, em uma área reduzida, a variação no tempo de uma lâmina inicial utilizando um infiltrômetro de cilindro.
· Realizar, em uma área reduzida, um simulador de chuva para determinar a magnitude de infilitração.
· Estimar o nível de bacias de acordo com o valor representativo de infiltração, através de hidrogramas.
Em casos de coleta de dados in situ, utiliza-se um infiltrômetro de cilindro, enterrando parte dele na superfície para evitar que a água colocada no seu interior alcance a superfície do solo. A parte que fica por cima deve ter uma altura adequada para evitar algum derrame pela água contida no interior.
Em medições realizadas com uma lâmina d’água constante dentro do cilindro, deve-se dispor de um dispositivo de medição de volume, por exemplo, uma bureta ou proveta, para saber a quantidade de água que está sendo infiltrada por tempo.
Os instrumentos são colocados em diversos pontos de uma extensão do solo a diferentes profundidades antes de qualquer evento de chuva, registrando em intervalos de tempos definidos as variações nas medições. Portanto, acontecendo uma chuva, poderá se obter a variação espacial nos valores de infiltração.
Dados coletados ao longo do tempo podem ser ajustado mediante expressões matemáticas para prever o valor de infiltração. Por exemplo, a equação de Horton calcula a capacidade de infiltração no tempo mediante:
Evaporação: A evaporação é a mudança de fase do estado líquido para o gasoso. O aquecimento dos raios solares produz, sob a superfície líquida de oceanos, lagos, rios e de solos úmidos, a formação de gotículas gasosas que ascendem para atmosfera. Esse fenômeno faz parte do ciclo hidrológico e seu estudo não é tão conhecido.
O cálculo da evaporação pode ser realizado mediante equações baseadas na equação geral de Dalton ajustadas para cada localidade. A equação geral proposta por Dalton é a seguinte:
A medição da evaporação de uma forma experimental pode ser realizada mediante os chamados tanques de evaporação, tanque Classe A. O valor de evaporação é a espessura da lâmina d’água que foi evaporada em determinado intervalo de tempo mediante a leitura do nível com uma régua ou um micrômetro de gancho.
Evapotranspiração: A evapotranspiração é água total convertida em vapor pela cobertura vegetal, incluindo a evaporação do solo, da água interceptadas e a transpiração dos estomas das folhas. Nesse processo, são combinados dois tipos de fenômenos separados que originam a perda de água. Vamos conhecê-los a seguir.
Evaporação: É o processo no qual a água líquida é convertida em vapor de água mediante a energia da radiação solar direta e a temperatura ambiente do ar. Os parâmetros considerados na evaporação são:
· radiação solar;
· temperatura;
· umidade;
· pressão atmosférica: altitude e latitude;
· vento;
· tipo do solo;
· grau de umidade no solo.
Transpiração: É a vaporização da água líquida contida nas plantas, o vapor removido da atmosfera e a perda de água através dos estomas das plantas. A transpiração depende da energia radiante, gradiente de pressão de vapor e ar, radiação, temperatura do ar, umidade do ar e do vento. A relação da transpiração também é influenciada pela característica da vegetação, pelo ambiente e pelas práticas de cultivo, por exemplo, a irrigação de plantas. Portanto, a transpiração é função de:
· poder evaporante da atmosfera;
· grau de umidade do solo;
· tipo de vegetação;
· variações sazonais;
· variações interanuais.
A evaporação e a transpiração ocorrem simultaneamente, dificultando a identificação de qual delas está mais presente. Por exemplo, no caso de uma planta pequena, a água perdida é por evaporação da umidade do solo. À medida que aumenta o tamanho da planta, o fenômeno que predomina é a transpiração.
Por esse motivo, o cálculo da evapotranspiração (EVT) é um dos maiores problemas práticos. Sua quantificação é realizada por meio de métodos e modelos semiempíricos, e o maior número de variáveis mais real será o cálculo. Medições na prática são calculadas mediante lisímetros, instrumentos que consistem de um recipiente retangular enterrados no solo nu ou rodeados de vegetação. Existem diversos tipos de lisímetros, como drenagem, pesagem e de nível de lençol freático constante. A sua construção deve ser criada com o máximo cuidado para evitar erros. Além disso, deve-se contar com a ajuda de um pluviômetro para registrar o aporte da precipitação.
Os modelos empíricos mais utilizados para o cálculo da EVT são o de Hargreaves e Thornthwaite.
Interceptação:Parte da precipitação é interceptada por objetos superficiais, tais como cobertura vegetal, telhados de prédios e outras superfícies. Essa precipitação interceptada nunca alcança o solo porque se adere, umedece esses objetos e, por fim, evapora.
Exemplo: Em uma precipitação dentro de uma bacia predominantemente florestada, pode acontecer as seguintes situações: parte é interceptada, armazenada pela vegetação e, posteriormente, evaporada, enquanto uma fração escoa pelos troncos e outra atinge a superfície do solo.
A parte que não consegue chegar ao solo é chamada de perda por interceptação e é considerada importante para o balanço hídrico da bacia.
Nas florestas do Chile, a percentagem interceptada chega a ser de 36% do valor total precipitado e em mata atlântica seu valor é de 21%.
A medição das perdas por interceptação é realizada de maneira indireta, mediante a diferença da precipitação total e a parcela de chuva drenada através das folhas e troncos. Para tanto, utiliza-se a expressão:
Onde P é precipitação total; Pi é a precipitação interna; e Pt o escoamento pelo tronco. No caso da medição da precipitação interna, são utilizados pluviômetros e/ou calhas. Para o Pt, são utilizadas calhas vedadas em torno da árvore, levando o volume escoado até um pluviômetro.
Confira como é feito o escoamento pelo tronco:
No entanto, existem também algumas equações empíricas para estimar o valor da interceptação. Podemos citar, por exemplo, a Equação de Horton:
Onde I é a quantidade interceptada (mm); S é a capacidade de armazenamento da vegetação (mm); Av é a área da vegetação; A é a área total; E é a taxa de evaporação em mm/h; e tr é o tempo de precipitação em horas. Existem valores já tabelados para S dependendo do tipo de cobertura utilizando o índice de área foliar (IAF) e calculado por:
Onde Fi é o parâmetro de interceptação que varia de 0,1 a 0,7mm e depende da região.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1- Analise as seguintes afirmações sobre infiltração:
I. Experimentalmente, a infiltração pode ser medida utilizando infiltrômetros localizados em pontos estratégicos da bacia.
II. Somente pode ser estimado o valor de infiltração por leituras experimentalmente realizadas em campo.
III. Um fator que influencia a infiltração no solo é a sua característica do meio permeável, por exemplo, um solo pavimentado será uma barreira para que o processo aconteça.
É correto o que está descrito em:
a. Somente I
b. Somente II
c. I e II
d. I e III
e. II e III
A alternativa D está correta.
Os dados coletados experimentalmente permitem ser ajustados mediante equações empíricas, criando assim modelos matemáticos que possam estimar valores aproximados de infiltração. Por exemplo, a equação de Horton é a mais utilizada para calcular a capacidade de infiltração.
Questão 2- Analise as seguintes afirmações sobre evapotranspiração(EVT):
I. É a combinação dos dois fenômenos: de evaporação e transpiração.
II. É impossível estimar o valor experimentalmente de EVT em bacias enormes e florestais, permitindo somente seu calculado mediante modelos matemáticos.
III. O tipo de solo e de vegetação é fundamental na estimativa desse valor de perdas.
É correto o que está descrito em:
a. Somente I
b. Somente II
c. I e II
d. I e III
e. II e III
A alternativa D está correta.
O seu cálculo experimentalmente é um problema na prática, no entanto pode ser realizada uma estimativa utilizando lisímetros localizados em pontos estratégicos da bacia. Existem três tipos de lísimetros: drenagem, pesagem e nível de lençol freático.
MÓDULO 3- Escoamento superficial.
De acordo com o ciclo hidrológico, o escoamento superficial pode ser definido como a parcela da precipitação pluvial que ficou após a infiltração, a percolação e a evapotranspiração, e que circula pela superfície até chegar ao exutório.
Bacia hidrográfica: fatores que afetam o escoamento: O escoamento inicia sobre o solo, uma vez que a superfície alcança um valor de conteúdo de umidade próximo da condição de saturação. Posteriormente, inicia-se o fluxo sobre as ladeiras, assim como nas matrizes do solo, das fraturas das rochas ou em diferentes materiais encontrados na bacia. Nessa parte, o fluxo incorpora-se a algum sistema de drenagem dentro da bacia, enquanto parte de água subsuperficial percola nos sistemas mais profundos, armazenando-se temporalmente ou voltando para a superfície, onde eventualmente formará parte dos volumes dos efluentes que correm até as zonas de menor altitude.
As principais fontes para o escoamento em caudais estão classificadas em quatro tipos:
· Precipitação direta sobre o leito do rio: É um aporte modesto comparado aos volumes associados de outras fontes em decorrência da menor área que abarca os rios ou efluentes.
· Escoamento subsuperficial: Os volumes associados a esse tipo de escoamento variam no tempo e espaço. Em épocas de estiagem, podem descarregar a um ritmo constante formando correntes perenes. Em outros casos, somente aportam quantidade suficientes para manter por algumas semanas, mas depois de chuvas podem formar correntes intermitentes. Em contribuições reduzidas, em que somente se mantém o conteúdo de umidade em zonas adjacentes, o escoamento subsuperficial é praticamente nulo.
· Escoamento base ou subterrâneo: É o aporte de um sistema de aquíferos rasos a um leito determinado ou subterrâneo. Por exemplo, no caso de uma obra hidráulica, como uma represa ou irrigação, o escoamento base corresponderá aos volumes associados à operação dessas obras.
· Escoamento direto: É o volume associado à precipitação, ou seja, a vazão de água que fica após acontecerem as três primeiras fontes descritas anteriormente.
No cálculo do escoamento básico, devem ser consideradas as seguintes variáveis: intensidade de precipitação, capacidade de infiltração de uma superfície particular, condição e característica hidráulica do solo ou a rocha. A comparação entre essas variáveis permite obter informações em processos que influenciam o escoamento superficial, tais como:
· Processo A - Quando a intensidade de precipitação é menor que a capacidade de infiltração e o conteúdo de umidade do solo é menor a sua capacidade de campo. Nesse caso, o escoamento superficial será reduzido, pois a rocha será capaz de captar a maior parte de volume de água que entra como chuva. A vazão subsuperficial será reduzida, uma vez que a água captada será utilizada para aumentar o conteúdo da umidade inicial.
· Processo B - Quando a intensidade de precipitação é menor que a capacidade de infiltração e o conteúdo da umidade da rocha é maior ou igual sua capacidade de campo. Nesse caso, como a rocha encontra-se em uma condição próxima à capacidade de campo, parte da precipitação se converterá eventualmente em escoamento sobre o solo. No entanto, os volumes serão baixos.
· Processo C - Quando a intensidade de precipitação é maior que a capacidade de infiltração e o conteúdo de umidade do solo é menor a sua capacidade de campo. O solo ou a rocha apresenta uma deficiência de umidade de modo que a água que precipita, ainda que a capacidade de infiltração seja reduzida, abastecerá a umidade do solo, escoando uma porção relativamente pequena.
· Processo D - Quando a intensidade precipitação é maior que a capacidade de infiltração e o conteúdo de umidade do solo é maior ou igual à sua capacidade de campo. Nesse caso, ao encontrar o solo ou a rocha em uma condição próxima da saturação, não permitirá uma infiltração de modo que sua maior parte se transformará em escoamento superficial. A vazão subsuperficial também é importante e, quando a parte rasa de um solo não permite uma infiltração, forma-se um escoamento Hortoniano, ou seja, a saturação do solo tem lugar somente em uma porção próxima da superfície, favorecendo assim o escoamento sobre o solo.
Em bacias hidrográficas, a transformação de chuva em escoamento faz da variável de vazão um parâmetro importante para revisar ou desenhar as estruturas hidráulicas que levem o escoamento superficial até um ponto final. Na maioria de bacias, não há informações necessárias para estimar esse cálculo devido a mudanças no solo causadas por deflorestação ou permeabilização do solo, sendo necessários novos cálculos após as mudanças das condições iniciais. Por esse motivo, o cálculo da vazão do escoamento superficial é determinado por diferentes métodos a partir dos dados de precipitação, criando assim os modelos de chuva-vazão.
Os métodos mais utilizados para o cálculo da vazão de escoamento são:
Grandezas características e hidrogramas: O hidrograma é uma representação gráfica ou tabular da variação da vazão com o tempo escoando por uma bacia. A vazão (Q) é o volume escoado por unidade de tempo (m3/s), e a construção desse hidrograma é realizada por uma seção transversal de um rio ou canal após variações da altura da lâmina d’água devido a alguma precipitação.
Os elementos fundamentais do hidrograma são:
· Início do escoamento superficial: o valor que se inicia na curva ascendente, ou seja, quando a condição de saturação após um evento de chuva propiciará o escoamento direto.
· Ascensão do hidrograma: parte do hidrograma que apresenta uma forte inclinação positiva.
· Pico do hidrograma: valor máximo do escoamento, a partir do qual se inicia a recessão do hidrograma.
· Recessão do hidrograma: inclinação negativa que apresenta diminuição do escoamento com o tempo. Após parar a chuva, não se tem mais água escoando, chegando a um ponto máximo que, posteriormente, começa a diminuir porque água já abandonou a bacia pelo exutório.
· Fim do escoamento superficial: ponto em que não se tem mais volume escoado na bacia.
· Recessão do escoamento subterrâneo: é o valor quase constante que tende à curva de recessão. Geralmente, está associado ao aporte de águas subterrâneas; no entanto, se a bacia tem sido alterada por alguma obra hidráulica (represas ou irrigação), o valor de vazão base terá sua origem na operação dos sistemas hidráulicos existentes.
Analisar um hidrograma é fundamental para identificar a vazão de pico de escoamento e separar a vazão base do escoamento direto. Existem diferentes métodos de separação sendo o mais utilizado o método da linha reta. Uma vez definida a escala de tempo para a análise (diários, mensais etc), identificam-se o ponto de início e o de fim da vazão de escoamento, traçando-se, em seguida, uma linha reta unindo ambos. A área embaixo da linha será o escoamento base e, acima dela, o escoamento direto. Esse método proporciona resultados com um grau de aproximação adequada para chuvas de corta duração.
Estimativa de escoamento: método empírico: Os métodos empíricos foram construídos por meio de equações matemáticas, que consideram parâmetros da bacia, como área, tipo de solo, inclinação, longitude, intensidade ou altura de chuva total que produz a vazão de pico. Nesse tipo de método, o valor obtido será sempre o da vazão de pico oumáxima.
x
Estimativa de escoamento: método racional: A maioria dos métodos empíricos foram derivados do método racional. A equação é definida pela fórmula racional:
Onde Qp é a vazão de pico (m3/s); C é o coeficiente de escoamento superficial ou run-off; i é a intensidade de precipitação (mm/h); e A é área da bacia (km2).
Os valores do coeficiente de escoamento (C) dependem do tipo de área de drenagem, do uso do solo e podem ser obtidos a partir da tabelaa seguir. Os valores variam de 0 a 1. Quanto mais próximo do valor de 1, significa que são áreas mais impermeáveis. A intensidade de precipitação pode ser determinada mediante as curvas de IDF (intensidade-duração – período de retorno) ou por equações empíricas.
A hipótese fundamental desse método é que a chuva tem uma duração suficiente para permitir que qualquer gota d’água chegue à saída da bacia. A mínima duração para a intensidade de chuva selecionada será igual ao tempo de concentração 
 e seu valor pode ser calculado pela expressão:
 Onde tc é o tempo de concentração (h); L é comprimento do talvelgue do leito principal da bacia (m); e v é a velocidade média da água no leito principal (m/s).
No entanto, outra expressão desenvolvida por Kirpich permite calcular o tempo de concentração:
Onde tc é o tempo de concentração (h); L é o comprimento do talvegue principal (m); S é a declividade entre a parte mais elevada e a seção de controle (inclinação) dada em m/m.
Método do Hidrograma Unitário: O método do Hidrograma Unitário (HU) foi desenvolvido originalmente por Sherman em 1932. Para sua aplicação, é necessário ter disponíveis os registros simultâneos de chuvas e escoamentos. O HU de uma bacia é definido como o hidrograma de escoamento direto produzido por 1mm de chuva em excesso que cai com intensidade uniforme sobre toda a bacia durante um tempo conhecido como duração em excesso.
As três hipóteses fundamentais do método de HU são:
· Hipótese A: O tempo base é constante, ou seja, a duração total de escoamento direto ou tempo base será o mesmo para todas as chuvas com a mesma duração de chuva efetiva.
· Hipótese B: As ordenadas de todos os hidrogramas de escoamento direto com o mesmo tempo base são diretamente proporcionais ao volume total do escoamento direto, ou seja, ao volume total de chuva efetiva.
· Hipótese C: O hidrograma que resulta de um período de chuva dado pode superpor hidrogramas resultantes de períodos chuvosos precedentes.
O HU baseia-se na superposição de que chuvas com a mesma duração e distribuição espacial produzem hidrogramas unitários semelhantes. Portanto, as ordenadas do hidrograma são proporcionais ao volume de escoamento direto, ou seja, a área embaixo da curva do HU é o volume de escoamento direto e deve ser igual à área da bacia por 1mm de chuva efetiva. A partir do uso de HU, é possível fazer predições de escoamento direto em bacias semelhantes que não contam com informações simultâneas de vazão e precipitação.
Confira como é o procedimento para calcular o HU:
Agora, confira o resultado do exemplo após calcular o HU Triangular do reservatório:
Método hidrograma de curva S: O método de hidrograma de curva S (HS) permite obter um hidrograma unitário com tempo de duração d1 a partir de um HU conhecido com tempo de duração de, nesse caso, d1 ≠ de. A curva S é o hidrograma de escoamento direto, resultado de uma chuva efetiva de 1mm com duração infinita.
O procedimento para a construção do hidrograma de curva S segue estas etapas:
Etapa 1: Deslocamos várias vezes o HU conhecido em um tempo igual ao tempo de duração em excesso. Por exemplo, conhecido um HU para uma chuva unitária de 2 horas e precisarmos um de 4 h, admitimos um período posterior de 2 horas de chuva efetiva (excedente) imediatamente após o primeiro, realizando esse processo de deslocamento de 2 horas n vezes.
Etapa 2: Somamos as ordenadas dos hidrogramas deslocados. O resultado desse processo é o chamado hidrograma de curva S.
Etapa 3: O HS apresenta oscilações na sua ordenada e, para eliminar essas variações, é preciso calcular a vazão de equilíbrio utilizando a expressão:
Onde qeq é a vazão de equilíbrio da bacia (m3/s.mm); A é a área da bacia (km2); e de é o tempo de duração excedente (h).
Agora, veja o exemplo de como fica a curva S no gráfico a seguir:
Posteriormente, uma vez obtido o HS o procedimento para o encontrar o HU associado ao tempo de duração d1, realizamos estas etapas:
Etapa 1: Deslocamos o HS associado ao tempo de duração excedente d1.
Etapa 2: Subtraímos as ordenadas entre ambas as curvas S.
Etapa 3: Obtemos os valores do HU do tempo d1 multiplicando os valores do passo anterior pela relação de/d1, garantindo assim que a área embaixo do HU seja igual à área da bacia por 1mm de chuva efetiva.
Demonstração: Vamos agora determinar, mediante o método racional, a vazão de pico para o Rio de Janeiro em uma área de 4km2, período de retorno de 10 anos e uma chuva de duração de 20 minutos. O coeficiente de escoamento superficial é de 0,94.
A equação da intensidade de precipitação (mm/h) para o Rio de Janeiro é a seguinte:
O método racional é representado pela equação:
Primeiro, vamos calcular o valor da intensidade de precipitação:
Em seguida, calculamos a vazão de pico mediante a equação do método racional:
Uma bacia hidrográfica de 500km² tem uma topografia de terreno plano, solo com permeabilidade média e cobertura de áreas cultivadas. Uma precipitação total de 25mm em um tempo de 2 horas aconteceu na região reportando valores de escoamento segundo tabela abaixo. A vazão base é de 50m³/s nessa bacia.
Mão na massa
Questão 1- Qual é o valor do coeficiente de escoamento superficial ou run-off?
a) 0,6
b) 0,3
c) 0,4
d) 0,8
e) 0,9
A alternativa C está correta.
Segundo os valores tabelados de Williams para áreas rurais, temos que, para topografia em terreno plano, solo com permeabilidade média e cobertura de áreas cultivas, os valores são 0,3, 0,2 e 0,1, respectivamente. Portanto, o run-off é:
Questão 2- Qual é o valor da precipitação efetiva?
a) 20mm
b) 10mm
c) 5mm
d) 25mm
e) 1mm
A alternativa B está correta.
A precipitação efetiva é aquela que ficou sobre a superfície e é calculada multiplicando o coeficiente de escoamento vezes a precipitação total:
Questão 3- Qual é o valor da vazão de pico de escoamento superficial?
a) 270 m3/s
b) 320 m3/s
c) 250 m3/s
d) 180 m3/s
e) 150 m3/s
A alternativa A está correta.
A vazão de pico é o ponto máximo de vazão superficial calculada mediante a subtração da vazão base. Portanto, temos:
Questão 4- Qual é o valor da vazão de pico na ordenada do hidrograma unitário?
a) 15 m3/s.mm
b) 2 m3/s.mm
c) 19 m3/s.mm
d) 27 m3/s.mm
e) 30 m3/s.mm
A alternativa D está correta.
Questão 5- Qual é o tempo de concentração para uma bacia de 3km² e comprimento de talvegue de 3100m ao longo do qual existe uma diferença de altitude de 93m?
a) 15 min
b) 10 min
c) 25 min
d) 8 min
e) 18 min
Questão 6- Qual é a intensidade de precipitação de uma bacia de 10km², vazão de pico de 5m³/s e coeficiente de escoamento superficial de 0,7?
a) 1,5 mm/h
b) 2,6 mm/h
c) 0,6 mm/h
d) 1,0 mm/h
e) 3,2 mm/h
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1- Analise as seguintes afirmações sobre escoamento superficial:
I. O escoamento direto é definido como a quantidade de água que escoa sobre a superfície.
II. Intensidades de precipitação maiores do que a capacidade de infiltração com elevada zona de saturação favorecerão o escoamento superficial.
III. Escoamento base é o volume de água atribuído sobre o leito principal.
É correto o que está descrito em:
a. Somente I
b. Somente II
c. I e II
d. I e III
e. II e III
A alternativa C está correta.
O escoamento base é o aporte de sistemas de aquíferos ou subterrâneo, e o aporte sobre o leito de rios é a precipitação direta.
Questão 2- Analise as seguintes afirmações sobre grandezas características e hidrogramas:
I. O pico de um hidrograma representa a vazão máxima de escoamento alcançada após um evento de precipitação.
II. O coeficiente de escoamento superficialdepende somente da área da bacia.
III. O valor de escoamento subterrâneo ou base geralmente costuma ser constante em bacias que não são alteradas por alguma obra hidráulica.
É correto o que está está descrito em:
a. Somente I
b. Somente II
c. I e II
d. I e III
e. II e III
A alternativa D está correta.
O coeficiente de escoamento superficial depende das condições do solo, topográfica e permeabilidade.
13