AULA 7 11 11 14 Escoamento_Sup erficial 2 (2)

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ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Profª Ms. Eliana Saraiva
Hidrologia
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INFILTRAÇÃO....
A penetração da água no solo, na razão da sua capacidade de infiltração, verifica-se somente quando a intensidade da precipitação excede a capacidade do solo em absorver a água, isto é, quando a precipitação é excedente.
Hidrologia
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Escoamento
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 (erosão do solo, inundação, etc.). 
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Percolação
Processos da parte terrestre do ciclo hidrológico
Interceptação
Depressões
chuva
Escoamento
superficial
Infiltração
Armazenamento
no solo
Armazenamento
no subsolo
Escoamento
Sub-superficial
Vazão no rio
evap
Escoamento
Subterrâneo
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Escoamento
 Para descrever a ocorrência do escoamento superficial como fase do ciclo hidrológico é necessário levar em consideração os seguintes fatos:
-Quando uma chuva atinge determinada área ou bacia hidrográfica, parte de suas águas é interceptada pela vegetação (e/ou outros obstáculos), de onde se evapora posteriormente, e o restante atinge a superfície do solo. 
 Da água que atinge a superfície do solo, parte é retida nas depressões do terreno, parte se infiltra e o restante escoa pela superfície do terreno. 
 Pode-se considerar que, durante a chuva, as quantidades evaporadas ou evapotranspiradas são desprezíveis.
 O escoamento da água que atinge a superfície do terreno acontece, portanto, após a intensidade da precipitação superar a capacidade de infiltração do solo e depois de serem preenchidas as depressões armazenadoras da superfície. 
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 Sub-superficial 
 Superficial
 Subterrâneo
Tipos de escoamento bacia
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 Chuva, infiltração, escoamento superficial
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 Chuva, infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo
Camada saturada
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 Escoamento 
	sub-superficial
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Camada saturada
 Depois da chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento subterrâneo
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 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
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 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
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 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
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 Estiagem muito longa = rio seco
	Rios intermitentes
Camada saturada
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FATORES QUE INFLUENCIAM NO ESCOAMENTO SUPERFICIAL:
a)Natureza climática: relacionados à precipitação.
b)Fisiográficos: determinado pelo relevo da bacia.
 
c)Decorrentes da ação antrópica: uso do solo e obras hidráulicas realizadas no rio e no seu entorno.
 O escoamento superficial abrange desde o excesso de precipitação posterior a uma chuva suficientemente intensa, até o escoamento da água em um rio. 
No segundo caso, a água do escoamento no leito do rio provém do excesso da precipitação, bem como da alimentação proveniente das águas subterrâneas. 
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 a) Os fatores de natureza climática que influenciam o escoamento superficial resultam das características de intensidade e duração da precipitação:
 quanto maior a intensidade da precipitação, mais rápido o solo atingirá a sua capacidade de infiltração, situação em que o excesso da precipitação poderá, então, escoar superficialmente; 
a duração da precipitação tem influência direta no escoamento superficial: haverá tanto mais oportunidade de ocorrer escoamento superficial quanto maior for a duração da chuva; 
a precipitação que ocorre quando o solo já está úmido, devido a uma chuva anterior, terá maior chance de produzir escoamento superficial. 
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b)Os fatores fisiográficos mais importantes a influenciar o escoamento superficial são:
a área da bacia hidrográfica é óbvia, pois esta corresponde à superfície coletora da água de chuva: quanto maior a sua extensão, maior a quantidade de água que a bacia pode captar. 
a forma da bacia sobre o escoamento superficial gerado por uma dada chuva pode-se dizer que as bacias compactas tendem a concentrar o escoamento no canal principal que drena a bacia, aumentando os riscos de inundação.
*Para uma dada chuva, quanto maior a capacidade de infiltração do solo, menor o escoamento superficial 
* A permeabilidade do solo influi diretamente na capacidade de infiltração, isto é, 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. 
Assim, ao aumento da permeabilidade do solo corresponde a uma diminuição do volume do escoamento superficial.
 
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O efeito da topografia da bacia hidrográfica. sobre o escoamento superficial se faz sentir através da declividade da bacia, do traçado e da declividade dos cursos d’água que drenam a bacia, bem como da presença de depressões acumuladoras na superfície do solo
Bacias íngremes produzem escoamento superficial mais rápido e mais volumoso, por ser menor a chance de infiltração.
 A presença das depressões acumuladoras de água retarda o escoamento superficial, que passa a ocorrer somente após terem sido excedidas estas capacidades retentoras.
 O traçado e a declividade dos cursos d’água definem a maior ou menor velocidade com que a água de chuva, escoando superficialmente, atinge as calhas naturais e deixa a bacia. 
c) Obras hidráulicas construídas na bacia:
-uma barragem, por exemplo, acumulando a água em seu reservatório por ocasião de uma chuva intensa, reduz as vazões máximas do escoamento superficial e retarda a sua propagação para jusante. 
A presença da barragem propicia, ainda, a regularização das vazões: as águas reservadas nos períodos chuvosos podem permitir a manutenção de uma vazão aproximadamente constante a sua jusante, sobretudo nos períodos de estiagem. 
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*******Para uma mesma área da bacia de contribuição, as variações das vazões instantâneas no curso d’água serão tanto maiores e dependerão tanto mais das chuvas de alta intensidade quanto: 
maiores forem as declividades do terreno; 
 menores forem as depressões retentoras de água; 
 mais retilíneo for o traçado do curso d’água; 
 maior for a declividade do curso d’água; 
 menores forem as quantidades de água infiltrada; e 
 menores forem as áreas cobertas por vegetação. 
Já a retificação de um rio tem efeito inverso ao do retardamento produzido pela barragem: em um curso d’água retificado tem-se aumentada a velocidade do escoamento superficial. 
A derivação de água da bacia ou para a bacia (transposição), o uso da água para irrigação e abastecimento e a drenagem do terreno podem se constituir em importantes fatores a considerar. 
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A vazão ou descarga superficial, Q, representa o volume de água que atravessa a seção transversal ao escoamento, na unidade de tempo. 
Esse volume de água escoado na unidade de tempo é a principal grandeza a caracterizar o escoamento e suas unidades são normalmente expressas em m3/s (para rios) e l/s (para pequenos cursos d’água). 
É comum ter-se como dados que caracterizam uma bacia hidrográfica as vazões máximas, médias e mínimas do curso d’água principal.
 b) Coeficiente de escoamento superficial, ou coeficiente de deflúvio superficial, ou ainda coeficiente de runoff, C, é definido pela razão do volume de água escoado superficialmente por ocasião de uma chuva, Vols, pelo volume total da água precipitada, VolT: 
 C= Vols/VolT
GRANDEZAS QUE CARACTERIZAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL:
a)a vazão do curso d’água principal, o coeficiente de escoamento superficial (runoff) da bacia, a precipitação efetiva, o tempo de concentração, a frequência de ocorrência das vazões e o nível
de água que se correlaciona com a vazão. 
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GRANDEZAS QUE CARACTERIZAM O ESCOAMENTO SUPERFICIAL
c) Precipitação efetiva ou excedente - Aaprecipitação 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. 
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, A: 
 Pef = Vols/ A
Pode-se, ainda, referir à intensidade da chuva efetiva, ief, obtida da divisão de Pef pela duração da chuva. Da definição do coeficiente de runoff, tem-se também que: Pef= C x P e i ef= C x i
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d) O tempo de concentração relativo a uma seção transversal do curso d’água, tc, é o intervalo de tempo, contado a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia hidrográfica correspondente passe a contribuir com a vazão na seção considerada. Refere-se, pois, à soma do tempo de encharcamento da camada superficial do solo com o tempo que a partícula da água de chuva que cai no ponto mais distante da seção considerada leva para, escoando superficialmente, atingir esta seção. 
e) Frequência e período de retorno para um dado intervalo de tempo de observação das vazões em uma seção do curso d’água, a frequência da vazão Q0 representa o número de ocorrências da mesma neste intervalo. 
 Tr= 1/P
 
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Na figura a seguir, representam-se três diferentes níveis d’água de um curso d’água, correspondentes à elevação normal de estiagem (leito menor), à cheia (leito maior ou várzea) e à inundação provocada por uma chuva intensa. 
*** Uma condição atual de cheia pode-se se transformar em inundação, quando o leito maior ou várzea é ocupado por construções, como costuma acontecer especialmente em áreas urbanas. 
f) Nível de água, cheia e inundação 
É comum empregarem-se palavras como cheia (ou enchente) e inundação relacionadas ao nível de água(NA) atingido num período chuvoso ou por ocasião de uma chuva intensa isolada. 
Cheia, no caso, corresponde a uma elevação acentuada do nível d’água (elevação do NA de cheia) que, entretanto, mantém-se dentro do próprio leito normal do curso d’água natural.
 Por inundação entende-se uma elevação não usual do nível d’água (elevação do NA de inundação), de modo a provocar transbordamento e, em geral, prejuízos materiais e, mesmo, riscos de morte. 
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Geração de escoamento
Escoamento até a rede de drenagem
Escoamento em rios e canais
Escoamento em reservatórios
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Precipitação que atinge áreas impermeáveis
Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade de infiltração limitada
Precipitação que atinge áreas saturadas
Formação do Escoamento
 Superficial
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Fonte: Rampelloto et al. 2001
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Telhados
Ruas
Passeios
 Geração de escoamento superficial é quase imediata, 
 Infiltração é quase nula
Áreas Impermeáveis
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 Capacidade de infiltração é baixa
Gramados
Solos Compactados
Solos muito argilosos
Áreas de capacidade de 
infiltração limitadas
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Infiltração
Escoamento
Precipitação
Intensidade da chuva x 
capacidade de infiltração
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Considere chuva com intensidade constante,
infiltra completamente no início e
gera escoamento no fim.
tempo
Infiltração
Precipitação
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
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Considere chuva com intensidade constante,
infiltra completamente no início e
gera escoamento no fim.
tempo
Infiltração
Precipitação
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
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Considere chuva com intensidade constante,
infiltra completamente no início e
gera escoamento no fim.
tempo
Infiltração
Precipitação
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
volume escoado
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Escoamento em áreas 
de solo saturado
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Escoamento em áreas 
de solo saturado
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Escoamento em áreas 
de solo saturado
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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)
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Q (mm/h)
Geração de Escoament
Precipitação atinge áreas saturadas
Processo duniano (Dunne)
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Representação gráfica da vazão 
ao longo do tempo
Hidrograma
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O hidrograma é 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
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15 minutos
Q
P
tempo
Chuva de curta duração
tempo
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Hidrograma 1
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Hidrograma 2
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Hidrograma 3
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Hidrograma 4
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Hidrograma 5
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Hidrograma 6
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Hidrograma 7
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Hidrograma 8
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Hidrograma 9
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Hidrograma 10
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Hidrograma 11
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Hidrograma 12
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Hidrograma 13
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Hidrograma 14
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Hidrograma 15
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Hidrograma 16
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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
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Forma do Hidrograma
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Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido
Forma do Hidrograma
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Forma da bacia x hidrograma
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Estimativas de escoamento superficial com base na chuva
Escoamento Superficial
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Para saber como 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
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tempo
Q
P
tempo
Precipitação 
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
infiltração decresce durante o evento de chuva
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
parcela que não infiltra é responsável pelo aumento da vazão no rio
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Como calcular?
Usar métodos simplificados:
capacidade de infiltração constante
infiltração proporcional à intensidade de chuva
método SCS
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Infiltração constante
Como calcular?
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Infiltração proporcional
Como calcular?
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Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Método SCS:
Perdas iniciais 
+
Infiltração diminuindo
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Como estimar?
Um dos 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. 
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Simples
Valores de 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
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Método SCS (Separação do escoamento)
quando
quando
Q = escoamento em mm (Pef)
P = chuva acumulada em mm
Ia = Perdas iniciais
S = parâmetro de armazenamento
Valores de CN:
Método SCS
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A parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial é chamada chuva efetiva.
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Chuva efetiva
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Perdas iniciais = 0,2 . S
0 < CN < 100
Método do SCS
CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície
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	A bacia tem solos 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?
	A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia= 29,8. Como P > Ia, o escoamento superficial é dado por:
	Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm.
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Perdas iniciais = 0,2 . S
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
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Valores de CN
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Grupos Hidrológicos de
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
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Condições de Umidade do 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
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Condições de Umidade do
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:
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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
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Transformação da chuva 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
Atividade para entregar
Considerações finais
Capítulo 06b
*
Capítulo 06b
*
Capítulo 06b
*
Capítulo 06b
*
*
General audience
Planners
Detailed spatial planning should not disable implementation of broad spectrum of individual SUDS techniques
Provide space for links with downstream SUDS elements
Developers
Providing links with preventive measures 
Choosing or selecting the most appropriate solution for individual household
Assessing the links with downstream SUDS units
Preventing the adverse effects on environmentally sensitive areas
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General audience
Planners
Detailed spatial planning should not disable implementation of broad spectrum of individual SUDS techniques
Provide space for links with downstream SUDS elements
Developers
Providing links with preventive measures 
Choosing or selecting the most appropriate solution for individual household
Assessing the links with downstream SUDS units
Preventing the adverse effects on environmentally sensitive areas