Benedito C. Silva IRN UNIFEI Escoamento Benedito C. Silva IRN UNIFEI

Chuva de curta duração tempo 15 minutos P Q tempo

Tipos de escoamento Escoamento superficial Escoamento sub-superficial Escoamento subterrâneo

Processos da parte terrestre do ciclo hidrológico evap chuva Interceptação Depressões Infiltração Escoamento superficial Armazenamento no solo Escoamento Sub-superficial Percolação Vazão no rio Armazenamento no subsolo

Escoamentos na bacia hidrográfica Geração de escoamento na bacia Escoamento até a rede de drenagem Escoamento em rios e canais Escoamento em reservatórios

Formação do escoamento superficial Precipitação que atinge áreas impermeáveis Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade de infiltração limitada Precipitação que atinge áreas saturadas

Fonte: Rampelloto et al. 2001

Áreas impermeáveis Telhados Ruas Passeios 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 Geração de escoamento superficial é quase imediata Infiltração é quase nula

Áreas de capacidade de infiltração limitada Gramados Solos compactados Solos muito argilosos 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

Intensidade da chuva x capacidade de infiltração Precipitação Escoamento Infiltração Infiltração tempo

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Infiltração

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Solo saturado

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Escoamento Solo saturado

Hidrograma O hidrograma é o gráfico que relaciona a vazão ao tempo e é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico. Heterogeneidade da bacia Caminhos que a água percorre

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

Fases 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 3 2 4 Superficial e Sub-superficial 5 6 1 Escoamento subterrâneo

Fases do hidrograma pico ascenção recessão Superficial e Sub-superficial pico ascenção recessão Escoamento subterrâneo

Forma do hidrograma Bacia montanhosa Q Bacia plana tempo

Forma do hidrograma Q tempo Bacia urbana Q Bacia rural tempo Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido

Forma da bacia X hidrograma Bacia circular Q Bacia alongada tempo

Tipo de solo x forma do hidrograma Bacia com solo raso Q Bacia com solo profundo tempo

Hidrograma - exemplo

Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias

Influência do tipo de solo Solo profundo Áreas: 30.000 km2 Solo raso

Separação dos escoamentos no 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

Separação do Escoamento A separação do escoamento de base Qb do escoamento superficial (Qs) é realizada a partir da ligação dos pontos A e C do hidrograma por uma linha reta. Qs encontra-se acima da reta AC Qb encontra-se abaixo da reta AC Q Escoamento Superficial C A Escoamento de Base t ti tf tb

Separação do Escoamento Precipitação Efetiva (Pe): Parte da Chuva que infiltra i, f A  O ponto A é caracterizado pelo início da ascensão do hidrograma; C  O ponto C é caracterizado pelo término do escoamento superficial e pelo início da recessão, ou pela mudança de declividade no hidrograma. Escoamento Superficial A C ti tf Escoamento de Base tb t Q

Separação do Escoamento (Qs) (t) Qb (t) B Q t A C Q(t) Q(t)  Vazão total do escoamento para o tempo t; (Qs) (t)  Vazão do escoamento superficial para o tempo t; Qb(t)  Vazão do escoamento de base para o tempo t.

Separação do Escoamento Obtém-se assim o hidrograma do escoamento superficial (Qs) t ti tf B A C

Separação de Escoamento Precipitação tempo P Q tempo

Separação de Escoamento Infiltração tempo P Q tempo

Separação de Escoamento Infiltração tempo infiltração decresce durante o evento de chuva P Q tempo

Separação de Escoamento Infiltração tempo parcela que não infiltra é responsável pelo aumento da vazão no rio P Q tempo Parte azul, que escoa superficialmente, é chamada de chuva efetiva

A parcela da chuva que se transforma em escoamento superficial é chamada chuva efetiva.

Como calcular? Usar métodos simplificados: capacidade de infiltração constante infiltração proporcional à intensidade de chuva método SCS

Como calcular? Como calcular? Escoamento Infiltração tempo Infiltração constante P Q tempo

Como calcular? Escoamento Infiltração tempo Infiltração proporcional P Q tempo

Como calcular? Escoamento Infiltração tempo Método SCS: Perdas iniciais + Infiltração diminuindo P Q tempo

Como estimar chuva “efetiva” 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).

O método SCS Para uma dada chuva, obtém escoamento, considerando um parâmetro (CN)

Origem do método SCS US Soil Conservation Service (atual Natural Resources Conservation Service) Surgido na década de 1950 Preocupação com erosão Estimativa expedita de volumes escoados para determinadas chuvas

Precipitação Efetiva(Pe) Método SCS Q = Pe = escoamento acumulado (mm) P = chuva acumulada em mm Ia = Perdas iniciais S = parâmetro de armazenamento quando quando Valores de CN:

Exemplo

Método do Soil Conservation Service Escoamento Infiltração tempo P Q Perdas iniciais + Infiltração diminuindo tempo

Método do Soil Conservation Service 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 SCS Perdas iniciais = 0,2 . S CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície 0 ≤ CN ≤ 100

Método do SCS Exemplo de tabela 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 Telhados Plantações 67 83 87 Perdas iniciais = 0,2 . S Tipos de solos do SCS A – arenosos e profundos B – menos arenosos ou profundos C – argilosos D – muito argilosos e rasos

Valores de CN

Grupos Hidrológicos de Solos 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% Grupo A 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 Grupo B 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 Grupo C 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 Grupo D

Condições de Umidade do Solo solos secos: as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassaram 15mm Condição I situação média na época das cheias: as chuvas nos últimos 5 dias totalizaram entre 15 e 40mm Condição II 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 Condição III

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:

Método SCS Condição antecedente de umidade AMC I – solos secos AMC II – situação média AMC III – solos encharcados CN original AMC I AMC III 95 87 98 90 78 96 80 63 91 70 51 85 60 40

Exemplo Qual é o escoamento superficial gerado pelo evento de chuva dado na tabela abaixo numa bacia com CN = 80? Tempo (min) Chuva (mm) 10 5.0 20 7.0 30 9.0 40 8.0 50 4.0 60 2.0

Solução O primeiro passo é estimar CN. No caso, foi dado e é igual a 80 Com CN estimar S Com S estimar Ia

Calcular a chuva acumulada Solução Calcular a chuva acumulada Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) 10 5.0 20 7.0 12.0 30 9.0 21.0 40 8.0 29.0 50 4.0 33.0 60 2.0 35.0

Chuva acumulada maior que Ia? Cálculo da parcela que irá escoar superficialmente Chuva acumulada maior que Ia? Sim, use: para calcular escoamento acumulado, onde P é a precipitação acumulada Não, então Q = 0 Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) 10 5.0 0.0 20 7.0 12.0 30 9.0 21.0 1.0 40 8.0 29.0 3.3 50 4.0 33.0 4.9 60 2.0 35.0 5.8 Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) Infiltração acumulada (mm) Escoamento (mm) Infiltração (mm) 10 5.0 0.0 20 7.0 12.0 30 9.0 21.0 1.0 20.0 8.0 40 29.0 3.3 25.7 2.3 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

Calcular escoamento incremental Escoamento incremental é o escoamento acumulado até o fim do intervalo k menos o escoamento acumulado até o fim do intervalo k-1 A infiltração em cada intervalo será a Chuva menos o Escoamento Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) Escoamento (mm) Infiltração (mm) 10 5.0 0.0 20 7.0 12.0 30 9.0 21.0 1.0 8.0 40 29.0 3.3 2.3 5.6 50 4.0 33.0 4.9 1.6 2.4 60 2.0 35.0 5.8 0.9 1.1

Exemplo SCS

Exemplo

Efeito do CN CN = 80 CN = 90

CN composto Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)

Analisar o efeito da urbanização O exemplo a seguir mostra como é possível usar o cálculo do escoamento pelo método SCS para avaliar o efeito hidrológico da urbanização de uma bacia. situação original: 30% urbana; 70% rural situação modificada: 100% urbana

Exemplo SCS Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78) Chuva acumulada = 35 mm Chuva efetiva = 8 mm Infiltração = 27 mm

Exemplo SCS cenário futuro Bacia com 100 % de área urbana densa (CN = 95) e 0 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78) Chuva acumulada = 35 mm Chuva efetiva = 22,9 mm Infiltração = 12,1 mm Quase 3 vezes mais escoamento!

Q Dt DQ pós-urbanização pré-urbanização t Agra, 2002

Considerações finais 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