Aula 4 Escoamento, infiltração, evaporação e água subterrânea

Apresentação em tema: "Aula 4 Escoamento, infiltração, evaporação e água subterrânea"— Transcrição da apresentação:

1 Aula 4 Escoamento, infiltração, evaporação e água subterrânea
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos Aula 4 Escoamento, infiltração, evaporação e água subterrânea

2 Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos Evaporação

3 Evaporação Em uma escala continental, 75% da precipitação anual total retorna à atmosfera por evaporação e transpiração. Evaporação potencial: perda d’água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais. Pode ser medida através de atmômetros ou por tanques evaporimétricos.

4 Atmômetro e Tanques Evaporimétricos
Atmômetro: mede o potencial de vaporização d’água da atmosfera, ao integrar as condições de temperatura, umidade radiação solar e vento na quantidade de água evaporada. A simulação do processo de transpiração é obtida ao se cobrir a superfície cerâmica de evaporação com uma lona verde adequada, que oferece uma resistência a passagem de vapor d’água equivalente a resistência dos estômatos das folhas e promove a absorção da mesma banda de radiação solar.

5 Fatores Intervenientes
Temperatura do ar e da água; Vento; Radiação solar; Pressão atmosférica; Umidade relativa do ar: grau de umidade relativa do ar atmosférico – relação entre a quantidade de vapor d’água presente no ar e a quantidade de vapor se este ar estivesse completamente saturado de umidade – unidade: pressão de vapor (mm de Hg ou mb)

6 Medida – umidade relativa do ar
O psicrômetro é um aparelho constituído por dois termômetros idênticos colocados um ao lado do outro, que serve para avaliar a quantidade de vapor de água contido no ar. A diferença entre os dois termômetros é que um deles trabalha com o bulbo seco e o outro com o bulbo úmido. Esse dispositivo é muito utilizado para a determinação do ponto de orvalho e da umidade relativa do ar. A evaporação da água contida na malha envolvente retira calor do bulbo, fazendo com que o termômetro de bulbo úmido indique uma temperatura mais baixa do que a do outro termômetro, que indica a temperatura ambiente.

7 Precipitação

8 Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos Evapotranspiração

9 Evapotranspiração Quantidade de água exigida pelas culturas para levá-las ao crescimento. Esta quantidade de água fica armazenada nos tecidos das plantas ou é convertida em vapor, retornando à atmosfera onde ela se reintegra ao ciclo hidrológico. ETP potencial: perda d’água da bacia, entendendo-se que, a todo instante, o solo pode fornecer a água necessária às plantas. Sob condições máximas do teor de umidade do solo a ETP potencial pode ser igual à evaporação de superfícies líquidas. ETP real: perda d’água observadas nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo). Diferenças significativas podem existir entre a ETP potencial e a ETP real particularmente durante os períodos secos ou em regiões áridas.

10 Fatores intervenientes
Radiação solar, vento, umidade relativa, pressão atmosférica, características do solo e diversos fatores vegetativos. Fatores vegetativos: o tipo, a coloração, a densidade e o período de crescimento da planta afetam a exposição, a distribuição e a refletividade da radiação solar, bem como a turbulência do ar. Inversamente, estes elementos afetam a abertura dos estômatos das diversas plantas de formas diferentes, alterando a transmissão da água de seus sistemas radiculares até as folhas. Além disso, as plantas possuem períodos de crescimento diferentes, variando suas exigências sazonais de água.

11 Estômatos

12 Fatores intervenientes
Características do solo (Evaporação do solo) Quando a camada superficial do solo está úmida, a evaporação é regida pelas condições atmosféricas. Quando ela se torna seca, a evaporação diminui rapidamente e começa a ser governada pelas propriedades do solo como: a umidade relativa do ar no solo, a composição, a textura, a granulometria, a umidade presente neste solo e sua condutividade hidráulica (drenabilidade natural dos solos).

13 Métodos para avaliação da ETP
Evapotranspirômetros (ETP potencial) e Lisímetros (ETP real); Balanço hídrico a nível de bacia (ETP real); Correção dos dados de tanques evaporimétricos (ETP potencial); Métodos teóricos (ETP potencial), devido à deficiência de dados e a impossibilidade de medições de campo, a partir de dados climatológicos e meteorológicos disponíveis: Equação de Penman

14 Lisímetro e Tanques Evaporimétricos

15 Equação de Penman Combinação das equações de transferência de energia e de massa para o cálculo da evaporação de um corpo d’água

16 Cálculo de Qn Rt = radiação de ondas curtas no topo da atmosfera terrestre, valor tabelado em função da latitude e da época do ano; α e β = parâmetros corretivos, introduzidos para considerar o conteúdo de vapor d’água na atmosfera, a altitude e a espessura das nuvens, variáveis de local para local. n = insolação efetiva, isto é, número efetivo de horas diária de brilho solar (obtido com aparelhos denominados heliógrafos); N = duração máxima da insolação diária, medida em horas. É função da latitude e do período do ano; a = albedo, isto é, razão entre as parcelas da radiação de onda curta refletida e incidente. T = Temperatura absoluta - ok

17 Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos Infiltração

18 Infiltração - Conceitos
Infiltração é o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo e desce em direção ao lençol d’água Movimento da água no solo: Molecular – os grãos são recobertos por uma finíssima camada de água (higroscópica) mantida por forças moleculares. Não pode ser considerada ativa do ponto de vista hidrológico; Capilar – resultado da tensão superficial, a água é mantida no solo contra a ação da gravidade. Depende do diâmetro dos poros e, portanto, das características do tipo de solo

19 Infiltração - Conceitos
Movimento da água no solo: Gravitacional: movimento da água nos canalículos de maior diâmetro devido a ação da gravidade.

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21 Infiltração Quando chove, a água tem um movimento descendente através dos canalículos maiores, enquanto os poros menores absorvem água por capilaridade. Esta absorção acontece mesmo com a água em movimento descendente, portanto diminuindo a quantidade de água gravitacional que passa para as camadas inferiores do solo.

22 Infiltração e Percolação

23 Capacidade de Infiltração (f)
É a quantidade máxima de água que um solo, sob dada condição, pode absorver na unidade de tempo por unidade de área horizontal. Só se verifica quando a intensidade da precipitação excede a capacidade do solo em absorver água. O aumento da resistência ao escoamento gravitacional provoca a diminuição da capacidade de infiltração, na medida em que a chuva continua. Pela mesma razão, a capacidade de infiltração no início de uma chuva é menor se os poros capilares já estiverem sido preenchidos numa chuva ocorrida poucas horas antes. A determinação direta de f pode ser feita através de infiltrômetros.

24 Infiltrômetro

25 Teor de umidade do solo É a quantidade de água presente no solo por ação da capilaridade. Se o solo, no início da precipitação, já apresenta uma certa umidade, ele terá uma capacidade de infiltração menor do que se estivesse seco. Os agrônomos referem-se a máxima quantidade de água retida por capilaridade como Capacidade de Campo. Com a constante remoção da água do solo através da evapotranspiração, mais poros ficam vazios. Com a continuidade deste processo, somente a água mais próxima das partículas do solo permanece. Existe um ponto onde a tensão da água nas partículas do solo torna-se tão apertada que a água não pode mais ser absorvida pelas raízes das plantas. Isto é chamado de "ponto de murchamento".

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27 Índice de Inflitração 
Os dados necessários para se obter uma curva de capacidade de infiltração válida em uma região ou bacia são de difícil obtenção. Nessas circunstâncias, o Índice de Inflitração , embora muito simplista, se mostra como alternativa para estimar a infiltração a partir da análise dos hidrogramas de enchentes e precipitações que as causaram. Esse índice é definido como o valor constante a ser subtraído das intensidades variáveis de chuva de forma a obter o volume de escoamento superficial observado. De posse da distribuição temporal da precipitação e do volume observado (ou altura equivalente) de escoamento superficial, calcula-se o  através de um processo de tentativa e erro.

28 Cálculo do Índice de Inflitração 
Conhecendo-se a precipitação e o escoamento superficial, em uma bacia pode-se calcular por diferença, a capacidade de infiltração da mesma, embora o valor encontrado englobe, além da infiltração, toda interceptarão é armazenagem nas depressões. Este por menor, entretanto, não afeta a solução dos problemas de um projeto, vez que normalmente a meta é o conhecimento do escoamento superficial resultante de uma certa precipitação, conhecida a capacidade de infiltração (VILLELA, 1975). O método é apresentado, a seguir, em forma de algoritmo: 1. Computar, para cada intervalo de tempo, a precipitação ocorrida. 2. Deduzir da precipitação total (P) , a quantidade de água escoada. 3. Dividir o valor obtido pelo tempo de duração total da chuva. Obtém-se desta forma o  hipotético. 4. Comparar o h com as precipitações observadas em cada intervalo de tempo. Caso, algum intervalo, a precipitação tenha sido inferior ao h, exclui-lo do calculo e repetir o processo.

29 Cálculo do Índice de Inflitração 
Exercício 03

30 ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos ESCOAMENTO SUPERFICIAL

31 Escoamento Superficial
Definição de escoamento superficial Porção das águas que se desloca na superfície da terra por efeito da gravidade Constituição da rede de drenagem superficial Águas livres Porção da água após a precipitação que encontra o caminho de maior declive sem, no entanto, estarem num caminho definido Águas sujeitas Porção da água após a precipitação que já se encontra num caminho bem definido (calhas, riachos, ou rios), formando a chamada rede de drenagem superficial

32 Escoamento Superficial
Fatores que determinam o fluxo de água no rio Área e forma da bacia Topografia Declividades Represamentos naturais em depressões acumuladoras Constituição da superfície Vegetação Geologia Obras de utilização Represamentos artificiais Retirada de água para abastecimento doméstico e industrial Climáticos – intensidade e duração da precipitação: maior intensidade e duração – maior escoamento

33 Componentes do Escoamento da Água

34 Escoamento Superficial
Conceitos associados Coeficiente de deflúvio ou coeficiente de run-off É a relação entre a quantidade total escoada pela seção e a quantidade total de água precipitada na bacia contribuinte Instantâneas ou anuais Nível de água (mm) É a altura atingida pela água na seção em relação a uma certa referência Velocidade (m/s) É a relação entre o espaço percorrido (DS) pela partícula líquida e o intervalo de tempo de percurso (Dt) Média Superficial Pontual v = DS / Dt

35 Escoamento Superficial
Conceitos associados Vazão (m3/s) É a relação entre o volume escoado (V) e o intervalo de tempo (t) É o produto da velocidade média (v) pela área da seção (AS) Módulo de deflúvio anual (m3) É o volume total escoado (Vanual) em um ano Vazão específica ou contribuição unitária (l/s. m2) É a relação entre a vazão (Q) e a área da bacia contribuinte (A) Altura média É a relação entre o volume total escoado em um intervalo de tempo e a área da bacia Q = V / Dt = v AS QU = Q / A hMéd = V / (Dt A)

36 Medidas Características – Nível d’água

37 Medidas Características – seção transversal rio Batimetria
O processo à Vau é aplicável em rios pequenos, não muito largos e, principalmente, com profundidades inferiores a 1 m e velocidades abaixo de 1 m/s. O levantamento consiste do caminhamento na seção com uma mira ou régua graduada. O guincho hidrométrico é o processo mais utilizado no Brasil, necessitando de embarcação adequada, sendo o posicionamento nas verticais feito com cabo de aço graduado ou por métodos indiretos (distânciômetro, triangulação, etc.). A ecobatimetria é o método para medir a profundidade da água pela medida do intervalo de tempo necessário para que ondas sonoras emitidas pelo aparelho viagem, a uma velocidade conhecida, desde um ponto determinado (alguns centímetros abaixo do NA).

38 Medidas Características – velocidade
NA máximo TR=10anos NA mínimo TR=10anos NA máximo TR=1.000anos

39 Escoamento Superficial
Hidrograma ou hidrógrafa Representação gráfica que estabelece a relação entre a vazão e o tempo Vazão Q (m³/s) Tempo t (meses)

40 Escoamento Superficial
Hidrograma ou hidrógrafa Relação com a precipitação Representação gráfica que estabelece a relação entre a vazão e o tempo Vazão Q (m³/s) Tempo t (meses) Precipitação h (mm) Note que o escoamento é um reflexo da precipitação

41 Escoamento Superficial

42 Escoamento Superficial
Hidrograma ou hidrógrafa Relação com a precipitação Representação gráfica que estabelece a relação entre a vazão e o tempo Vazão Q (m³/s) Tempo t (meses) Precipitação h (mm) Recarga do lençol freático Direto para o rio Vem do escoamento superficial Vem do escoamento subterrâneo t0 tA tB tC Note que o escoamento é um reflexo da precipitação

43 Escoamento Superficial
Hidrograma ou hidrógrafa Relação com a infiltração Escoamento clássico para dentro da calha principal Retorno do canal principal para o lençol freático NA máximo TR=10anos NA mínimo TR=10anos NA máximo TR=1.000anos Note que o escoamento é um reflexo da infiltração Q7,10 Vazão registrada no rio durante sete dias consecutivos que tenha um período de retorno de dez anos

44 Escoamento Superficial
Regime dos cursos d’água

45 Razões para se estimar o Escoamento:
Falta de dados observados na bacia hidrográfica Inconsistências nos dados observados que levam a séries não homogêneas Falha na série histórica Extensão da série histórica Desenvolvimento de pesquisas

46 O QUE SE ESTIMA? A vazão máxima ou de pico: utilizada nos projetos de obras hidráulicas tais como: Bueiros; Galerias pluviais; Sarjetas de rodovias; Vertedores de barragens. A distribuição do escoamento (hidrograma): permite determinar o volume do escoamento superficial, que é de interesse para a engenharia para resolver os problemas de armazenamento da água para diversos fins: Abastecimento; Irrigação; geração de energia; projeto de bacias de detenção; bacia de detenção para atenuação de enchente.

47 Métodos para estimativa do escoamento
Um dos métodos mais usados é: Método Racional (Vazão superficial Máxima - Qsmax)

48 Método Racional O método racional é bastante utilizado e foi apresentado por Mulvaney. O método racional baseia-se nas seguintes hipóteses: Precipitação uniforme sobre toda a bacia; Precipitação uniforme na duração da chuva; A intensidade da chuva é constante; O coeficiente de escoamento superficial é constante; A vazão máxima ocorre quando toda a bacia está contribuindo.

49 Aplicações É para determinação de vazões de projetos em bacias com área de até 50 hectares – ,00 m² ou 50 km². Vale também para aplicação em cálculos de vazão em áreas residenciais, industriais e loteamentos. Trata-se de uma forma mais simples e rápida para determinação de vazões por sua simplicidade e os parâmetros aplicativos. Este método, considera chuva de igual intensidade abrangendo por toda a bacia hidrográfica.

50 Fórmula Geral Fórmula : Q = C . i . A . D
onde :   Q = vazão; C = coeficiente de deflúvio “ Run–Off ”; i = intensidade da chuva; A = área da bacia; D = coeficiente de distribuição da chuva. D=1 ( pressupõe chuvas de igual intensidade em toda a bacia hidrográfica )

51 Método Racional O método se baseia na equação do coeficiente de escoamento superficial C. Onde: Vescoado é o volume do escoamento superficial da bacia; Vprecipitado é o volume da precipitação na bacia, que é definido como sendo: onde: P é a lâmina precipitada e A é a área da bacia.

52 Método Racional Vescoado = a área do hidrograma
Ao compararmos a área do hidrograma com a área de dois triângulos retângulos, temos que: Qsmax Qs t A D tb tb -tc B tc Para pequenas bacias, tb = 2tc, então, substituindo na equação acima, temos que:

53 Método Racional Substituindo as equações do volume escoado e do volume precipitado na equação do coeficiente de escoamento superficial C e exprimindo QsMax tem-se: A relação P/tc é a intensidade da chuva referida ao tempo de concentração da bacia, i.e., quando toda a bacia está contribuindo para o escoamento superficial. Como i = P/t é a intensidade da chuva, pode-se exprimir a equação como:

54 Método Racional Se consideramos as unidades da intensidade em mm/h e da área em km2, a equação pode ser reescrita como: onde: C é o coeficiente de deflúvio (admensional); QsMax é a vazão superficial máxima(m3/s); i é a intensidade de chuva (mm/h) referente ao tempo tc A é a área da bacia (km2). Deve-se lembrar que: tc é o tempo de concentração, que ocorre quando a intensidade é máxima e a vazão é máxima, já que neste tempo toda a bacia está contribuindo;

55 Coeficiente de Escoamento superficial “C” :
Método Racional Coeficiente de Escoamento superficial “C” : Valores de C tabelados: usados quando se conhece a natureza da superfície; É a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado C = Vs / V = (A . Pe) / (A . P) C = Pe / P

56 Coeficiente de “Run-Off”

57 Coeficiente de “Run-Off”

58 Método Racional A determinação do tempo de concentração é realizada pela equação adaptada de Kirpich (1940): onde: tc é em minutos; L é tamanho do curso d’água (km); D é a diferença de declividade – cota nascente menos cota exutório (m)

59 Método Racional A estimação da intensidade máxima é feita pela equação: Onde: i = intensidade (mm/h) Tr é o tempo de retorno (anos); t é o tempo de concentração da chuva (min); a, b, n, m são fatores locais Por exemplo, para a cidade de Belo Horizonte:

60 Curva IDF Um gráfico entre as intensidades (mm/h) e as durações (minutos ou horas) de precipitações intensas revela que quanto mais intensa é a chuva, menor é a sua duração. Quanto maior é a intensidade da chuva, maior é o período de retorno a ela associado.

61 Cálculo da Vazão Superficial Máxima
Exercício 04

62 Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos
Capítulo 06b Gestão de Bacias Hidrográficas e Recursos Hídricos Águas Subterrâneas

63 O solo como meio de movimento e retenção de água
Águas Subterrâneas O solo como meio de movimento e retenção de água Um solo pode ser definido como um conjunto heterogêneo de fragmentos de matéria inorgânica de várias dimensões e diferente composição mineralógica, bem como de matéria orgânica, ar e água. Entre as partículas maiores, existem grãos como argilas, compostos de ferro e produtos de decomposição orgânica, Este arranjo chama-se ESTRUTURA DO SOLO e cada elemento constituinte é o AGREGADO ESTRUTURAL. A textura do solo está relacionada com a distribuição das dimensões das partículas (CURVA GRANULOMÉTRICA)

64 Águas Subterrâneas A porosidade representa a quantidade máxima de água que um solo saturado pode conter. Entretanto, somente parte desta água está disponível para abastecer um poço subterrâneo.

65 Características do solo e porosidade

66 Características do solo e porosidade

67 Características do solo e porosidade

68 Estrutura do solo e permeabilidade

69 Porosidade - Cálculo

70 Distribuição vertical da Água Subterrânea

71 Distribuição vertical da Água Subsuperficial
Zona do solo – Profundidade = Função (solo, raízes, vegetação) Zona Intermediária – Profundidade de 0 a centenas de metros – Região de conexão entre a água do solo e a zona saturada. Água retida é a quantidade de água presa ao solo depois que a água gravitacional tenha sido drenada. Zona Capilar – Profundidade varia com a textura do solo. O teor de umidade varia de 75 a 100% da saturação completa

72 Distribuição vertical da Água Subsuperficial
Zona Saturada – A água preenche todos os poros

73 Aqüíferos Formação geológica que contém água e que a transmite de um ponto a outro em quantidades suficientes para permitir a sua utilização econômica (formações com porosidade efetiva alta, como por exemplo, a areia – n = 0,30 e ne = 0,26) Aquífugo – Formação geológica que não contém nem transmite água (por exemplo, um maciço granítico) Aquícludo – Formação geológica que contém água, mas não a transmite por possuir alta retenção específica, não possibilitando sua extração (por exemplo, formações com alto teor de argila – n = 0,50 e ne = 0,02

74 Recarga de Aquífero

75 Extração da água subterrânea

76 Consequências da superextração

77 Relação entre água subterrânea e água superficial - CHEIAS

78 Relação entre água subterrânea e água superficial - ESTIAGENS

79 Análises de Chuvas Intensas
A análise de chuvas intensas refere-se ao estudo da variação conjunta da intensidade, da duração e da frequência (ou tempo de retorno) de eventos chuvosos intensos de duração igual ou inferior a 24 horas, relacionados a precipitações convectivas de grande intensidade. A relação conjunta intensidade-duração-frequência é conhecida como Curva IDF e é estimada com base nos dados pluviométricos existentes no local de interesse ou em locais próximos. As curvas IDF são requisitos básicos para projetos de pequenas obras hidráulicas, como: Sistemas de drenagem; Galerias pluviais; Bueiros, etc..

80 Convecção Térmica – Chuva convectiva –
São provocadas pela ascensão do ar devido às diferenças de temperatura na camada vizinha da atmosfera. São chuvas de curta duração, grande intensidade e ocorre em pequenas extensões

81 Curva IDF Um gráfico entre as intensidades (mm/h) e as durações (minutos ou horas) de precipitações intensas revela que quanto mais intensa é a chuva, menor é a sua duração. Quanto maior é a intensidade da chuva, maior é o período de retorno a ela associado.

82 Obrigado! “Pensar sem aprender nos torna ineficientes e aprender sem pensar é um desastre”. Confúcio (551 – 479 A. C.)