Aula 08 - Escoamento Superficial

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Escoamento Superficial
Universidade Federal de Alagoas
Campus Sertão		
Prof. Thiago Pereira
thiago_alb@hotmail.com
		
Movimento das águas, que, por efeito da gravidade, se deslocam na superfície;
Está direta ou indiretamente relacionado com as precipitações.
Escoamento Superficial
Área e forma da bacia;
Topografia da bacia: declividade, depressão, relevo;
Condições de superfície do solo e constituição geológica do subsolo: vegetação, impermeabilização, capacidade de infiltração no solo, tipos de rochas;
Obras de controle e utilização da água: irrigação, canalização, derivação da água para outra bacia, retificação.
Fatores Intervenientes
1. Precipitação direta sobre o curso d’água (P);
2. Escoamento superficial (ES);
3. Escoamento sub-superficial ou hipodérmico (ESS);
4. Escoamento subterrâneo ou básico.
Tipos de Escoamento
 Sub-superficial ??
 Superficial
 Subterrâneo
Tipos de Escoamento
 Chuva, infiltração, escoamento superficial
Tipos de Escoamento
 Chuva, infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo
Camada saturada
Tipos de Escoamento
 Escoamento 
	sub-superficial
Tipos de Escoamento
Camada saturada
 Depois da chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento subterrâneo
Tipos de Escoamento
 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Tipos de Escoamento
 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Tipos de Escoamento
 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Tipos de Escoamento
 Estiagem muito longa = rio seco
	Rios intermitentes
Camada saturada
Tipos de Escoamento
Precipitação que atinge áreas impermeáveis;
Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade de infiltração limitada;
Precipitação que atinge áreas saturadas.
Formação do Escoamento
Telhados
Ruas
Passeios
Loteamentos
Prédios
 Geração de escoamento superficial é quase imediata 
 Infiltração é quase nula
Áreas Impermeáveis 
15
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
 Capacidade de infiltração é baixa
Gramados
Solos Compactados
Solos muito argilosos
Áreas de Capacidade de Infiltração Limitada
16
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
Infiltração
Escoamento
Precipitação
tempo
Infiltração
Precipitação x Capacidade de Infiltração
Considere chuva com intensidade constante
Infiltra completamente no início
Gera escoamento no fim
tempo
Infiltração
Precipitação
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
Precipitação x Capacidade de Infiltração
Considere chuva com intensidade constante
Infiltra completamente no início
Gera escoamento no fim
tempo
Infiltração
Precipitação
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
Precipitação x Capacidade de Infiltração
Considere chuva com 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
Precipitação x Capacidade de Infiltração
Precipitação
Infiltração
Escoamento em Solos Saturados
Precipitação
Solo saturado
Escoamento em Solos Saturados
Precipitação
Solo saturado
Escoamento
Escoamento em Solos Saturados
I (mm/h)
F (mm/h)
Q (mm/h)
Q = I – F 
Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo
Processo hortoniano 
	(Horton, 1934)
Geração de Escoamento
Q (mm/h)
Precipitação atinge áreas saturadas
Processo duniano (Dunne)
Geração de Escoamento
Hidrograma
Representação gráfica da vazão ao longo do tempo;
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
15 minutos
Q
P
tempo
tempo
Hidrograma
Hidrograma 1
Hidrograma 2
Hidrograma 3
Hidrograma 4
Hidrograma 5
Hidrograma 6
Hidrograma 7
Hidrograma 8
Hidrograma 9
Hidrograma 10
Hidrograma 11
Hidrograma 12
Hidrograma 13
Hidrograma 14
Hidrograma 15
Hidrograma 16
Superficial
e
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
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
Formação do Hidrograma
Superficial
e
ascenção
recessão
pico
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
Formação do Hidrograma
Ascensão: com grande gradiente e correlacionada com a intensidade da precipitação.
Região do pico: o hidrograma muda de inflexão, resultado do fim da chuva e amortecimento na bacia.
Recessão: cessa o escoamento superficial direto, após o ponto de inflexão apenas contribui o escoamento básico.
Trechos do Hidrograma
Tempo de ascensão: Intervalo entre o início da chuva e o pico do hidrograma.
Tempo de base: duração do escoamento superficial direto.
Tempo de recessão: intervalo entre a vazão de pico e o término do escoamento superficial direto.
Característica do Hidrograma
Característica do Hidrograma
Exemplo de Hidrograma
tempo
Q
Bacia montanhosa
Bacia plana
Forma do Hidrograma
tempo
Q
Bacia urbana
Bacia rural
Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido
Forma do Hidrograma
tempo
Q
Bacia circular
Bacia alongada
Forma do Hidrograma
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
Separação do Escoamento
Cálculo de Vazões de Projeto
A equação geral do método racional:
Qp: vazão de pico [m3/s]
C: coeficiente de escoamento
It,T: intensidade média da chuva para uma duração t e um tempo de retorno T [mm/h]
A: área da bacia hidrográfica [km2].
C: coeficiente de escoamento.
Método Racional
Aplica-se a pequenas bacias hidrográficas, ou seja, as que atendem aos seguintes critérios: 
pode-se assumir a distribuição uniforme da precipitação, no tempo e no espaço;
a duração da precipitação usualmente excede o tempo de concentração da bacia;
há predomínio de escoamento superficial, como é o caso em áreas urbanizadas;
efeitos de armazenamento superficial, durante o escoamento, são desprezíveis.
Método Racional
A intensidade da precipitação é obtida diretamente por meio de equações de chuvas intensas, do tipo IDF;
Para a duração do evento feita igual ao tempo de concentração da bacia e segundo o tempo de retorno adotado em projeto.
Método Racional
Coeficiente de Escoamento
Hidrograma do Método Racional
Calcular o hidrograma de projeto, pelo método racional de uma bacia com edificações muito densa.
Dados: Área= 2 ha;
	 tc = 10 min;
	 i = 25 mm/h. 	
Exercício
tempo
Q
P
tempo
Precipitação 
Separação do Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Separação do Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
infiltração decresce durante o evento de chuva
Separação do Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração
Escoamento
parcela que não infiltra é responsável pelo aumento da vazão no rio
Separação do Escoamento
Usar métodos simplificados:
capacidade de infiltração constante
infiltração proporcional à intensidade de chuva
método SCS
Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Infiltração constante
Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Infiltração proporcional
Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração 
Escoamento
Método SCS:
Perdas iniciais 
+
Infiltração diminuindo
Como calcular?
Mais simples e mais utilizados para estimar o volume de escoamento superficial resultante de um evento de chuva;
Consiste em duas etapas: (a) separação do escoamento; (b) cálculo do hidrograma. 
Método SCS
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 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
Método SCS
Método SCS
A parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial é chamada chuva efetiva.
Perdas iniciais = 0,2 . S
0 < CN < 100
CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície
Método SCS
	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?
Exercício
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
Estacionamentos
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
Valores de CN
Grupos Hidrológicos de Solos
Grupo A
Grupo B
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
Grupos Hidrológicos de Solos
Grupo C
Grupo D
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
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
Condições de Umidade do Solo
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:
Eventos complexos (mais do que um intervalo de tempo com chuva)
Chuva acumulada x escoamento acumulado
Chuva incremental x escoamento incremental
Método SCS
Tempo
(min)
Chuva
(mm)
Chuva acumulada (mm)
Escoamento acumulado (mm)
Infiltração acumulada (mm)
Escoamento(mm)
Infiltração(mm)
2,84
5.0
5.0
0.0
5.0
0.0
5.0
5,68
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 
Q = escoamento acumulado (mm)
P = precipitação acumulada (mm)
Equação válida para P > 0,2 S
Quando P < 0,2 S ; Q = 0
Método SCS
Hidrograma Triangular - SCS
Vazão de pico (m3/s) por mm de chuva efetiva,. Tempo de pico em horas, área em km²
Tempo de pico em função do tempo de concentração
Tempo de base do hidrograma
Hidrograma Triangular - SCS
Intervalo da simulação
Calcular o hidrograma 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
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
Considerações Finais
Curvas de recessão de hidrogramas frequentemente tem a forma de exponenciais decrescentes. 
Curva de Recessão de Vazão
Rios em regiões com chuvas sazonais:
exemplo: rio dos Bois (GO)
Curva de Recessão de Vazão
Destacando o período de estiagem de junho a setembro de 1991, é possível verificar o comportamento típico da recessão do hidrograma deste rio.
Curva de Recessão de Vazão
Recessão: forma da curva
Quando representado em escala logarítmica, o hidrograma durante a estiagem mostra um comportamento semelhante a uma linha reta. 
Curva de Recessão de Vazão
Recessão: forma da curva
Isto sugere que o comportamento da vazão do rio dos Bois ao longo deste período pode ser representado por uma equação do tipo: 
Curva de Recessão de Vazão
Curva de Recessão de Vazão
No período de recessão do hidrograma predomina o escoamento com origem subterrânea.
Durante uma estiagem uma bacia se comporta de forma semelhante a um reservatório linear simples, em que a vazão descarregada é proporcional ao volume armazenado.
V = k . Q
V
Q
V
Q
Reservatório Linear
Aproximar a curva de recessão de um hidrograma durante uma longa estiagem por uma equação exponencial decrescente equivale a admitir a ideia que a relação entre armazenamento de água subterrânea e descarga do aquífero para o rio é linear.
balanço de água subterrânea
balanço simplificado em intervalo infinitesimal
admitindo relação linear, equivale a:
substituindo na equação de balanço
e a solução desta eq. diferencial é:
Reservatório Linear
Curva de Recessão de Vazão
Recessão: forma da curva
Curva de Recessão de Vazão
Aplicação
Prever qual será a vazão de um rio após alguns dias, conhecendo a vazão no tempo atual, considerando que não ocorra nenhuma chuva. 
A maior dificuldade para resolver este tipo de problema é estimar o valor da constante k 
Aplicação
O valor de k depende das características físicas da bacia, em especial as suas características geológicas. 
Cuidado:
CB é dado em horas
nesta figura!
Aplicação
Durante uma longa 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? 
Data
Vazão
14/agosto
60.1
15/agosto
- 
16/agosto
- 
17/agosto
- 
18/agosto
57.6
Exercício
Considerando válida a representação 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?
Data
Vazão
14/agosto
60.1
15/agosto
- 
16/agosto
- 
17/agosto
- 
18/agosto
57.6
Exercício