Hidrologia Física Geração de Escoamento Benedito C Silva Capítulo 06b Hidrologia Física Geração de Escoamento Benedito C Silva Adaptado de Walter Collischonn, IPH - UFRGS

Tipos de Escoamento na bacia 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 Escoamento Subterrâneo

Tipos de escoamento bacia Superficial Sub-superficial ?? Subterrâneo

Chuva, infiltração, escoamento superficial

Chuva, infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo Camada saturada

Escoamento sub-superficial

Depois da chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem muito longa = rio seco Rios intermitentes Camada saturada

Escoamento superficial 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

infiltração limitadas Áreas de capacidade de infiltração limitadas 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

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

Geração de escoamento Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim Precipitação Infiltração início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração tempo

Infiltração ao longo do tempo Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim Precipitação Infiltração início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração tempo volume infiltrado

Escoamento ao longo do tempo Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim Precipitação Infiltração início do escoamento volume escoado intensidade da chuva capacidade de infiltração tempo volume infiltrado

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Infiltração

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Solo saturado

Escoamento em áreas de solo saturado Precipitação Solo saturado Escoamento

Geração de Escoamento Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo Processo hortoniano (Horton, 1934) I (mm/h) Q (mm/h) F (mm/h) Q = I – F

Geração de Escoamento Precipitação atinge áreas saturadas Processo duniano (Dunne) Q (mm/h)

Resumindo Existem dois principais processos reconhecidos na formação do escoamento superficial: precipitação de intensidade superior à capacidade de infiltração (processo Hortoniano); e precipitação sobre solos saturados (processo Dunneano).

Geração de escoamento pelo processo Hortoniano Se uma chuva com intensidade de 30 mm.h-1 atinge um solo cuja capacidade de infiltração é de 20 mm.h-1, uma parte da chuva (10 mm.h-1) se transforma em escoamento superficial. Este é o processo de geração de escoamento por excesso de chuva em relação à capacidade de infiltração, também conhecido como processo Hortoniano, porque foi primeiramente reconhecido por Horton (1934).

Será que ocorre mesmo? O processo Hortoniano é importante em bacias urbanas, em áreas com solo modificado pela ação do homem, ou em chuvas muito intensas, mas é raramente visto em bacias naturais durante chuvas menos intensas.

Geração de escoamento pelo processo Dunneano O escoamento superficial é quase que totalmente originado pela parcela da precipitação que atinge zonas de solo saturado. Solos saturados são normalmente encontrados próximos à rede de drenagem, onde o nível do lençol freático está mais próximo da superfície.

Variable Source-Area concept Conceito de área de contribuição variável Numa dada bacia, a extensão das áreas saturadas varia fortemente com o tempo, refletindo a condição de umidade geral da bacia. Área em que pode ocorrer a formação de escoamento superficial varia ao longo do tempo.

Área de contribuição variável Bacia relativamente seca Bacia relativamente úmida

Mapa de áreas saturadas numa bacia mostrando a expansão da região saturada durante um evento de chuva. A região escura é a região saturada no início da chuva. A região cinza claro está saturada no final da chuva. Nesta região o lençol freático atingiu o nível da superfície do terreno. [Dunne and Leopold, 1978]

Região saturada de acordo com a época do ano: preto: verão cinza claro: outono cinza escuro: inverno [Dunne and Leopold, 1978]

Saturation in zones of convergent topography Áreas saturadas normalmente ficam próximas da rede de drenagem

Matas ciliares em regiões secas Capítulo 06b

Modelos simplificados de escoamento superficial A estimativa da geração de escoamento pode ser feita usando métodos simples ou complexos: Complexos: procura-se detalhar os diferentes processos Simples: procura-se sintetizar os processos, simplificando a representação matemática

Cálculos de Separação de Escoamento 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 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 laranja, 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

Método SCS Método SCS Q = escoamento superficial em mm P = chuva acumulada em mm Ia = Perdas iniciais S = parâmetro de armazenamento Método SCS quando quando Valores de CN:

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)

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 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: 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.

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 Tipos de solos 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 Tipos de solos do SCS: A – arenosos e profundos B – menos arenosos ou profundos C – argilosos D – muito argilosos e rasos

Uso do solo Superfície A B C D Solo lavrado com sulcos retilíneos 77 86 91 94 em fileiras retas 70 80 87 90 Plantações em curvas de nível 67 83 regulares terraceado em nível 64 76 84 88 Em fileiras retas Plantações de Em curvas de nível 62 74 82 85 cereais 60 71 79 75 72 81 legumes ou Terraceado em nível 57 78 89 cultivados Pobres 68 Normais 49 69 Boas 39 61 Pastagens Pobres, em curvas de nível 47 Normais, em curvas de nível 25 59 Boas, em curvas de nível 6 35 Campos 30 58 permanentes Esparsas, de baixa transpiração 45 66 36 73 Densas, de alta transpiração 55 Chácaras 56 Estradas de Más terra de superfície dura 92 Florestas muito esparsas, baixa transpiração esparsas 46 densas, alta transpiração 26 52 normais

Método SCS para eventos complexos (mais do que um intervalo de tempo com chuva) Chuva acumulada x escoamento acumulado Chuva incremental x escoamento incremental

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 A solução é obtida acumulando a chuva até o final de cada intervalo de tempo. Depois é calculado o escoamento acumulado. Depois são calculados os escoamentos incrementais.

Exemplo Método do SCS Q = escoamento acumulado (mm) P = precipitação acumulada (mm) Equação válida para P > 0,2 S Quando P < 0,2 S ; Q = 0 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 CN = 80 S = 63,7 0,2 S = 12,7

Exemplo SCS

Exercício SCS Qual é o escoamento superficial gerado pelo evento de chuva dado na tabela abaixo numa bacia com campos e solos arenosos? Tempo (min) Chuva (mm) 10 8.0 20 17.0 30 11.0 40 15.0 50 4.0 60 2.0

Passo 0: estimar CN Com CN estimar S Com S estimar Ia

Passo 1: Chuva acumulada Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada 10 8.0 20 17.0 30 11.0 40 15.0 50 4.0 60 2.0

Passo 2: Chuva acumulada maior que Ia? Sim, use: para calcular escoamento acumulado, onde P é a precipitação acumulada Não, então Q = 0

Passo 3: 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.

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