Benedito C. Silva IRN UNIFEI

Apresentação em tema: "Benedito C. Silva IRN UNIFEI"— Transcrição da apresentação:

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

2

3 Chuva de curta duração tempo 15 minutos P Q tempo

4 Tipos de escoamento Escoamento superficial Escoamento sub-superficial
Escoamento subterrâneo

5 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

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

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

8 Fonte: Rampelloto et al. 2001

9 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

10 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

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

12 Escoamento em áreas de solo saturado
Precipitação Infiltração

13 Escoamento em áreas de solo saturado
Precipitação Solo saturado

14 Escoamento em áreas de solo saturado
Precipitação Escoamento Solo saturado

15 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

16 Hidrograma 1

17 Hidrograma 2

18 Hidrograma 3

19 Hidrograma 4

20 Hidrograma 5

21 Hidrograma 6

22 Hidrograma 7

23 Hidrograma 8

24 Hidrograma 9

25 Hidrograma 10

26 Hidrograma 11

27 Hidrograma 12

28 Hidrograma 13

29 Hidrograma 14

30 Hidrograma 15

31 Hidrograma 16

32 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

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

34 Forma do hidrograma Bacia montanhosa Q Bacia plana tempo

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

36 Forma da bacia X hidrograma
Bacia circular Q Bacia alongada tempo

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

38 Hidrograma - exemplo

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40 Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias

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

44 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

45 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

46 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

47 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.

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

49 Separação de Escoamento
Precipitação tempo P Q tempo

50 Separação de Escoamento
Infiltração tempo P Q tempo

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

52 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

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

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

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

56 Como calcular? Escoamento Infiltração tempo Infiltração proporcional P
Q tempo

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

58 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).

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

60 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

61 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:

62 Exemplo

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

64 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)

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

66 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

67 Valores de CN

68 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

69 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

70 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:

71 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

72 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

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

74 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

75 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

76 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

77 Exemplo SCS

78 Exemplo

79

80

81

82 Efeito do CN CN = 80 CN = 90

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

84 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

85 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

86 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!

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

88 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