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ESCOAMENTO SUPERFICIAL Prof. Heloisa Pimpão Chaves Universidade Federal do Acre Engenharia Civil HIDROLOGIA APLICADA 1 Fonte: http://www.mma.gov.br/agua/recursos-hidricos/aguas-subterraneas/ciclo-hidrologico Escoamento superficial • O escoamento superficial é o segmento do ciclo hidrológico caracterizado pelo deslocamento da água na superfície da terra e nos cursos d’água naturais. • Tem origem, fundamentalmente, nas precipitações e constitui, para o engenheiro, a mais importante das fases do ciclo hidrológico, uma vez que a maioria dos estudos está ligada ao aproveitamento da água superficial e à proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento. Escoamento superficial – Drenagem Urbana Fonte: G1 Escoamento superficial - Erosão https://www.campograndenews.com.br/cidades/capital/erosao-avanca-sobre-rua-e- pode-desabrigar-150-familias-em-bairro http://preeepara.blogspot.com.br/ Escoamento superficial - Assoreamento http://professoralucianekawa.blogspot.com.br/2013/02/assoreamento-dos-rios- por-erosao-dos.html http://patos1.com.br/noticias/?n=Z2Q1iBEvLd http://www.aquafluxus.com.br Escoamento superficial - Deslizamentos http://meioambiente.culturamix.com/desastres-naturais/deslizamentos-de-encostas Fonte: http://geoconceicao.blogspot.com.br NASCENTE FUNDO DE VALE RIO PRINCIPAL AFLUENTE DIVISOR DE ÁGUAS FOZ Escoamento superficial – Rios Escoamento superficial – Rios Medição de vazão Molinete hidrométrico Flutuador https://www.youtube.com/watch?v=Kv26TRpgUpI Fatores que influenciam no escoamento superficial a) fatores climáticos b) fatores fisiográficos c) outros Fatores que influenciam no escoamento superficial a) fatores climáticos • a intensidade da precipitação: maior intensidade => atingir rápido a capacidade de infiltração => maior excesso; • a duração da precipitação: maior duração Intensidade constante => maior escoamento; • precipitação antecedente: solo úmido devido a chuva anterior. Fatores que influenciam no escoamento superficial b) fatores fisiográficos • Área: maior ou menor quantidade de água captada; • Forma: é importante devido ao tempo de concentração; Bacias compactas tendem a concentrar o escoamento no canal principal que drena a bacia, aumentando os riscos de inundação • Permeabilidade e a capacidade de infiltração: quanto mais permeável for o solo, maior será a velocidade do escoamento da água subterrânea e, em consequência, maior a quantidade de água que ele poderá absorver pela superfície por unidade de tempo. • Topografia da bacia: a velocidade do escoamento superficial é determinada pela declividade do terreno. Fatores que influenciam no escoamento superficial c) outros • obras hidráulicas: tal como uma barragem que reduz as vazões máximas do escoamento superficial e retarda a sua propagação => contenção de enchentes; • retificação de um rio: pode-se retificar um rio e aumentar a velocidade do escoamento superficial. Usina Hidrelétrica de Manso - MT http://wikimapia.org/14359051/pt/Usina-Hidrel%C3%A9trica-de- Manso Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Vazão (Q) Coeficiente de Escoamento Superficial (C) Tempo de concentração (tc) Período de retorno (T) Precipitação Efetiva (Pef) Nível d’água (h) Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Vazão, descarga volumétrica ou descarga superficial (Q) • Volume escoado por unidade de tempo • Expressa em metros cúbicos por segundo (m3/s) ou em litros por segundo (L/s). • É comum ter-se como dados que caracterizam uma bacia hidrográfica as vazões máximas, médias e mínimas do curso d’água principal. Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Vazão, descarga volumétrica ou descarga superficial (Q) Ainda, como elemento comparativo entre bacias é costume referir-se à vazão por unidade de área da bacia, chamada de vazão específica: 𝑞 = 𝑄 𝐴 Para esta grandeza, as unidades usuais são m³/(s.km²), m³/(s.ha), l/(s.km²) ou l/(s.ha). Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Coeficiente de Escoamento Superficial (C) O coeficiente de escoamento superficial ou coeficiente de deflúvio, ou ainda coeficiente de “run off”, é definido como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado. Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Coeficiente de Escoamento Superficial (C) • Coeficiente de deflúvio (determinada chuva intensa) de uma certa duração => pode-se determinar o escoamento superficial de outras precipitações intensas diferentes, desde que a duração seja a mesma. • Depende do grau de permeabilidade da área contribuinte e do tipo de superfície receptora. Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Coeficiente de Escoamento Superficial (C) Valores usuais de C, segundo Kuichling Natureza da bacia C Telhados 0,70 – 0,95 Superfícies asfaltadas 0,85 – 0,90 Superfícies pavimentadas e paralelepípedos 0,75 – 0,85 Estradas não pavimentadas 0,15 – 0,30 Terrenos descampados 0,10 – 0,30 Parques, jardins, campinas 0,05 – 0,20 Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Tempo de Concentração (tc) Tem relação com: ➢ Área da bacia (comprimento da bacia e rio principal) ➢ Forma da bacia ➢ Declividade da bacia ➢ Alterações antrópicas (Engenharia Civil) Cobertura vegetal ➢ Florestas: maior interceptação; maior profundidade de raízes. ➢ Maior interceptação: maior tempo de concentração (escoamento demora mais a ocorrer). ➢ Maior profundidade de raízes: água consumida pela evapotranspiração pode ser retirada de maiores profundidades do solo Tempo de concentração Uso do solo ➢ Substituição de floresta por pastagem/lavoura ➢ Urbanização: telhados, ruas, passeios, estacionamentos e até pátios de casas ➢ Modificação dos caminhos da água ➢ Aumento da velocidade do escoamento (leito natural rugoso x leito artificial com revestimento liso) ➢ Encurtamento das distâncias até a rede de drenagem (exemplo: telhado com calha) Tempo de concentração Uso do solo Agricultura: compactação do solo ➢Redução da quantidade de matéria orgânica no solo ➢Porosidade diminui ➢Capacidade de infiltração diminui ➢Raízes mais superficiais: Consumo de água das plantas diminui Tempo de concentração Tipos de solos ➢ Solos arenosos: menor escoamento superficial (fácil infiltração) ➢ Solos argilosos: maior escoamento superficial (dificuldade de infiltração) ➢ Solos rasos: maior escoamento superficial (rápida saturação) ➢ Solos profundos: menor escoamento superficial Tempo de concentração • Maneira mais adequada de determinação do tc: a partir de dados observados de precipitação e vazão. • São raras as bacias hidrográficas que dispõem desse tipo de informação. • Formulações empíricas para a determinação do tempo de concentração. • Desenvolvidas para bacias hidrográficas com determinadas características e em condições específicas. • Deve-se, portanto, observar as condições para as quais as formulações foram desenvolvidas, e identificar a mais adequada para a bacia hidrográfica em questão. Tempo de concentração Tempo de concentração • Fórmula de Picking • Fórmula de Califórnia Highways and Public Works (Culverts Pratice) 𝑡𝑐 = 5,3 𝐿2 𝐼 1/3 𝑡𝑐 = 57 𝐿3 𝐻 0,385 tc : em minutos L: extensão do talvegue em quilômetros I: declividade média do talvegue em m/m tc: : em minutos L: extensão do talvegue em quilômetros H: diferença de cotas entre as seções de drenagem e o ponto mais alto do talvegue A partir dos dadosa seguir, calcule o tempo de concentração utilizando as fórmulas de Picking e Califórnia Highways and Public Works: - Comprimento do talvegue: 15 km; - Altitude média: 1133 m; - Altitude da seção de controle: 809 m; - Declividade média da bacia: 0,022 m/m; - Elevação máxima: 1480 m. Exemplo de aplicação Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Período de Retorno / Recorrência (T) Tempo de recorrência ou período de retorno é o período de tempo médio em que um determinado evento (neste caso, vazão) é igualado ou superado pelo menos uma vez. Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Precipitação Efetiva A precipitação efetiva ou excedente, Pef, é a medida da altura da parcela da chuva caída que provoca o escoamento superficial. É normalmente referida a um determinado intervalo de tempo de duração da chuva (ou à duração da chuva total, em eventos complexos). Para eventos simples, a precipitação efetiva pode ser calculada em termos da altura definida pela razão do volume de água escoado superficialmente, Vols, pela área da projeção horizontal da superfície coletora: 𝑃𝑒𝑓 = 𝑉𝑜𝑙𝑠 𝐴 Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Nível d’água (h) • Refere-se à altura atingida pela água na seção transversal do escoamento natural. É estabelecido sempre em relação a uma determinada referência. Pode ser um valor instantâneo ou corresponder à média tomada em determinado intervalo de tempo. • Em seções especiais de cursos d’água naturais, o nível d’água, normalmente medido por meio de uma régua, é correlacionado à vazão do escoamento. • Essas seções são ditas “seções de controle” e a curva que graficamente relaciona a leitura da régua (nível d’água) com a vazão é conhecida como “curva-chave”. Grandezas características e alguns conceitos fundamentais Nível d’água (h) Fonte: Heller, 2010 Fonte: CPRM, 2015 Estações fluviométricas Fonte: http://mapio.net/pic/p-92587849/ Réguas linimétricas Linígrafos http://www.snirh.gov.br/hidroweb/ Sistema de Informações Hidrológicas Construção da curva-chave Fonte: CPRM, 2015 Curva-chave Fonte: http://aguaesolo.com/Servicos/Hidrometria Conceitos importantes • Cheia (ou enchente): é o aumento temporário do nível de água no canal de drenagem (rio) devido ao aumento da vazão, atingindo a cota máxima do canal (sem transbordamento) • Inundação: transbordamento das águas de um canal de drenagem, atingindo as áreas marginais (planície de inundação ou área de várzea) • Alagamento: acúmulo de água nas ruas e nos perímetros urbanos em função de problemas de drenagem ALAGAÇÃO: Inundação periódica dos rios e de suas terras marginais. Rio Acre Rio Madeira 2015 2014 Fonte: G1 2017 Rio Juruá Fonte: G1 • Subsuperficial • Superficial • Subterrâneo Tipos de escoamento bacia Tipos de escoamento em uma bacia Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Chuva • Infiltração • Escoamento superficial Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Chuva • Infiltração • Escoamento superficial • Escoamento subterrâneo Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Escoamento subsuperficial Camada saturada • Depois da chuva: Escoamento subsuperficial e escoamento subterrâneo Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo • Estiagem muito longa = rio seco Rios intermitentes Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrógrafa ou hidrograma • Denomina-se hidrógrafa, ou hidrograma, à representação gráfica da vazão observada numa seção de um curso d’água em relação ao tempo de passagem da água pela seção. • A hidrógrafa pode, ainda, se referir à representação das vazões médias diárias de um determinado ano hidrológico, situação em que é também conhecida como fluviograma. • Curva da vazão versus tempo observada durante o período de cheia, por ser esta forma do hidrograma de maior importância nos estudos de obras hidráulicas relacionadas com as enchentes e, em particular, no dimensionamento de canais, reservatórios, vertedores e bueiros. Hidrógrafa ou hidrograma Hidrógrafa ou hidrograma Hidrograma 1 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 2 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 3 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 4 Hidrograma 5 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 6 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 7 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 8 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 9 Hidrograma 10 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 11 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 12 Hidrograma 13 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 14 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 15 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Hidrograma 16 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Superficial e Escoamento subterrâneo Subsuperficial Formação do Hidrograma 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 Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Superficial e recessão pico Escoamento subterrâneo Subsuperficial Formação do Hidrograma Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 Análise de Hidrogramas 72 Análise de Hidrogramas • No ietograma ou hietograma (diagrama da precipitação) o volume correspondente à capacidade de infiltração descerá para o interior do solo. • O volume que não se infiltrou nem evaporou é a precipitação efetiva. 73 • Parte se infiltra no solo suprindo sua deficiência de umidade, esta parte corresponde ao intervalo de tempo to a tA Análise de Hidrogramas 74 • Uma vez excedida a capacidade de infiltração, inicia-se o escoamento superficial direto, ponto A no hidrograma. • A vazão, então, aumenta até atingir um máximo, ponto B, quando toda a bacia estiver contribuindo para o escoamento. • A duração da chuva é menor ou igual ao intervalo de tempo to a tB Análise de Hidrogramas 75 • Terminada a chuva, o escoamento superficial prossegue durante certo tempo e a curva de vazão diminui. • Ao trecho BC do diagrama denomina-se curva de depleção do escoamento superficial, tempo tB a tC . Análise de Hidrogramas 76 • Além do escoamento superficial direto, o curso de água recebe uma contribuição do lençol subterrâneo, o qual tem uma variação devida às partes da chuva que se infiltra. • A linha que representa a contribuição da água do lençol subterrâneo ao curso de água é a linha AEC. Análise de Hidrogramas 77 • A curva CD é chamada de curva de depleção da água do solo. • O ponto A é facilmente determinado, pois corresponde a uma mudança brusca na inclinação da curva de vazão, representando o inicio do escoamento superficial. • O ponto B é o pico do hidrograma. Análise de Hidrogramas 78 • O ponto C, de mais difícil determinação, normalmente é tomado no ponto de máxima curvatura, sendo que o período de tempo entre o ponto B (pico do hidrograma) e o ponto C, é sempre igual a um número inteiro de dias. • É quando cessa a contribuição do escoamento superficial e a calha do rio passa a ser alimentadaexclusivamente pela contribuição do escoamento subterrâneo. Análise de Hidrogramas Camada saturada Fonte: Fragoso Jr e Neves, 2011 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Fatores que influenciam a forma do hidrograma Relevo Cobertura da Bacia Hidrográfica Fatores que influenciam a forma do hidrograma Modificações Artificiais no Rio Distribuição, duração e intensidade da precipitação Medição do escoamento superficial Medição de vazão Hidrometria • Estimar o volume de água para o abastecimento de população, para irrigação, para reservatório de hidrelétrica etc; • Estimar a vazão mínima e máxima que pode ocorrer sem prejuízo ecológico; • Determinar o balanço hídrico de uma bacia; • Obter informações da disponibilidade hídrica de uma bacia. Importância de estudos hidrológicos e medição de vazão Planejamento de obras de engenharia; Previsão e acompanhamento de enchentes; Zoneamento de áreas inundáveis; Estudos de Impactos Ambientais /Relatórios de Impactos Ambientais - EIA/RIMA A seção de medição de vazão líquida deve ser instalada: • Num trecho retilíneo do rio; • Com margens firmes e bem definidas; • Águas mais tranquilas; • Fácil acesso; • Leito regular e estável; • A instalação das réguas linimétricas deve ser a uma distância de margem que permita boa visibilidade; • Local fixo; Escolha dos locais para instalação de seção de medição A escolha do método depende: • Do volume do fluxo de água; • Das condições locais; • Do custo (existem equipamentos caros e outros simples e baratos); • Da precisão desejada. Métodos de medição de vazão Volumétrico Métodos de medição de vazão • Este método é baseado no conceito volumétrico de vazão, isto é, vazão é o volume que passa por uma determinada seção de controle por unidade de tempo. • Utiliza-se um dispositivo para concentrar todo o fluxo em um recipiente de volume conhecido. Mede-se o tempo de preenchimento total do recipiente. • Este processo é limitado a pequenas vazões, em geral pequenas fontes d’água, minas e canais de irrigação. Químico Métodos de medição de vazão • Diluição de um produto químico (ex: corante) de concentração conhecida aplicado continuamente numa determinada seção do rio. • Numa seção a jusante (o escoamento deve ser suficientemente turbulento para provocar a total diluição), mede-se a concentração deste produto. • A vazão pode então ser assim determinada: Calha Parshall Métodos de medição de vazão • São estruturas que possuem sua própria “curva-chave”. • Mudança no regime de escoamento: fluvial para torrencial. • Com o conhecimento do nível da água na região da profundidade crítica determina-se a vazão do canal, uma vez que a forma da seção da calha e a cota de fundo são conhecidas: Vertedores Triangular Retangular Composto Métodos de medição de vazão Flutuadores cordas esticadas Métodos de medição de vazão A vau Com teleférico Com barco Tipos de medição de vazão utilizando o molinete Método convencional – molinete hidrométrico Sobre ponte • Consiste em determinar a área da seção e a velocidade média do fluxo que passa nesta seção. • A área é determinada através da medição da largura do rio com auxílio de um cabo de aço graduado em metro, instalado em ambas as margens e da profundidade em um número significativo de pontos ao longo da seção, denominados de verticais. Método Convencional Cabo de aço graduado ou trena • Molinetes: são aparelhos dotados basicamente de uma hélice e um “conta-giros”, medindo a velocidade do fluxo d’água que passa por ele. • Assim, quando posicionado em diversos pontos da seção do rio determinam o perfil de velocidades desta seção. Contador de rotações (pulsos) com cronômetro digital Molinete hidrométrico • A relação entre o número de rotação do por segundo e a velocidade de escoamento é calculada através de uma equação, que vem acompanhada do aparelho: • Onde: V = Velocidade da água em m/s; N = Número de rotação por segundo; A, B = Constantes que individualizam cada aparelho; BANV Molinete hidrométrico • A medição da velocidade é feita em pontos em diferentes profundidades para que seja efetuado o cálculo da velocidade média na vertical. –Método detalhado: –Método simplificado: ou método dos dois pontos, que utiliza um ponto a 0,6p para p <0,60m e dois pontos a 0,2p e 0,8p para p>0,60m. • A distância entre verticais depende da largura do rio e da regularidade do escoamento • Em posse das medidas de profundidade e velocidade será calculada a vazão. No método da seção média as vazões parciais são calculadas para cada subseção entre verticais, a partir da largura, da média das profundidades e da média das velocidades entre as verticais. Cálculo das velocidades médias nas verticais 2 21 1 vv va Cálculo das áreas dos segmentos 2 )( 12121 pp dda Cálculo das vazões nos segmentos 111 avq aa Cálculo da vazão Cálculo da vazão total Cálculo da área total Cálculo da largura do rio Cálculo da profundidade do rio Cálculo da velocidade média iqQ iaA A Q V 1ddL n L A P Exemplo de aplicação Rio Mutuca – Chapada dos Guimarães/MT Com a folha de medição fornecida, calcular a vazão do rio Mutuca sabendo que cada contagem de rotações do molinete foi feita em 30 segundos. A curva de calibração do aparelho segue abaixo: Exemplo de aplicação se N > 0,3637 V = 0,27987763 x N + 0,00464399 se N < 0,3637 V = 0,29309351 x N + 0,00016266 0046,02799,0 nV • Vazão: 1,27 m³/s • Área da seção transversal: 5,94 m² • Velocidade média: 0,21 m/s • Largura da seção transversal: 15 m • Profundidade média da seção transversal: 0,40 m Resultados Referências • AZEVEDO NETTO, J. M. Manual de hidráulica. 8ª. ed. São Paulo. Ed. Edgard Blucher, 2003. • BARBOSA JÚNIOR, A. R. Elementos de hidrologia aplicada. Capítulo 6: Escoamento superficial. Universidade Federal de Ouro Preto, 2016. • CARVALHO, D. F; MELLO, J. L.P e SILVA,L.D.B. Irrigação e Drenagem. IT 115-2007. • COLISCHON, W. & TASSI, R. Introduzindo a Hidrologia. IPH, UFRGS, 2008. • CPRM-Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais. Serviço Geológico do Brasil. Monitoramento da estiagem na bacia do Rio Doce. 2015, disponível em https://pt.slideshare.net/cbhdoce/apresentao-cprm-23- reunio-extraordinria-cbh-doce-estiagem-bacia-do-rio-doce • FRAGOSO JR, C. R., NEVES, M. G. F. P. Hidrologia – Aula Escoamento. Centro de Tecnologia (Ctec) – Universidade Federal de Alagoas, 2011 • FREIRE, C. C. & OMENA, S. P. F. Princípios de Hidrologia Ambiental. Curso de Especialização em Gestão de Recursos Hídricos. UFSC/UFAL, 2005. • PORTO, R. L. L. ET AL. Escoamento superficial. Apostila. Escola Politécnica da USP. Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária. São Paulo 1999. • SANTOS, I. Hidrometria Aplicada. Curitiba: Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, 2001. • VILLELA, S. M. & MATTOS, A. Hidrologia aplicada. São Paulo, Editora McGraw-Hill do Brasil, 1975.
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