Download - Geração de Escoamento Adaptado de Walter Collischonn, IPH - UFRGS Hidrologia Física Benedito C Silva
Geração de Escoamento
Adaptado de Walter Collischonn, IPH - UFRGS
Hidrologia Física
Benedito C Silva
Escoamento superficial
Escoamento sub-superficial
Escoamento subterrâneo
Tipos de Escoamento na bacia
Percolação
Processos da parte terrestre
do ciclo hidrológico
Interceptação
Depressões
chuva
Escoamentosuperficial
InfiltraçãoArmazenamento
no solo
Armazenamentono subsolo
EscoamentoSub-superficial
Vazão no rio
evap
EscoamentoSubterrâneo
• Sub-superficial ??
• Superficial
• Subterrâneo
Tipos de escoamento bacia
• Chuva, infiltração, escoamento superficial
• Chuva, infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Escoamento sub-superficial
Camada saturada
• Depois da chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento subterrâneo
• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem muito longa = rio secoRios intermitentes
Camada saturada
Escoamento superficial
• Geração de escoamento na bacia• Escoamento até a rede de drenagem• Escoamento em rios e canais• Escoamento em reservatórios
Precipitação que atinge áreas
impermeáveis
Precipitação intensa que atinge áreas
de capacidade de infiltração limitada
Precipitação que atinge áreas saturadas
Formação do Escoamento Superficial
Fonte: Rampelloto et al. 2001
Telhados Ruas Passeios
• Geração de escoamento superficial é quase imediata • Infiltração é quase nula
Áreas Impermeáveis
• Capacidade de infiltração é baixa
Gramados Solos Compactados Solos muito argilosos
Áreas de capacidade de infiltração limitadas
Infiltração
Escoamento
Precipitação
tempo
Infiltração
Intensidade da chuva x capacidade de infiltração
Geração de escoamento
Considere chuva com intensidade constante Infiltra completamente no início Gera escoamento no fim
tempo
Infil
traç
ão
Pre
cipi
taçã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
Infiltração ao longo do tempoConsidere chuva com
intensidade constanteInfiltra completamente
no inícioGera escoamento no fim
tempo
Infil
traç
ão
Pre
cipi
taçã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
Escoamento ao longo do tempo
Considere chuva com intensidade constante
Infiltra completamente no início
Gera escoamento no fim
tempo
Infil
traç
ão
Pre
cipi
taçã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
volume escoado
Precipitação
Infiltração
Escoamento em áreas de solo saturado
Precipitação
Solo saturado
Escoamento em áreas de solo saturado
Precipitação
Solo saturado
Escoamento
Escoamento em áreas de solo saturado
I (mm/h)
F (mm/h)
Q (mm/h)
Q = I – F
Geração de Escoamento
• Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo
• Processo hortoniano (Horton, 1934)
Q (mm/h)
Geração de Escoamento
• Precipitação atinge áreas saturadas• Processo duniano (Dunne)
ResumindoExistem 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 HortonianoSe 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 DunneanoO 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 saturadasnormalmenteficam próximasda rede dedrenagem
Matas ciliares em regiões secas
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
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
Cálculos de Separação de Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Precipitação
Separação de Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
Separação de Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
infiltração decresce durante o evento
de chuva
Separação de Escoamento
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
parcela que não infiltra é responsável
pelo aumento da vazão no rio
Parte laranja, que escoa superficialmente, é chamada de chuva efetiva
Separação de Escoamento
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
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
Infiltração constante
Como calcular?Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
Infiltração proporcional
Como calcular?
Como calcular?
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
Método SCS:
Perdas iniciais +Infiltração diminuindo
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 SCSUS Soil Conservation Service
(atual Natural Resources Conservation Service)
Surgido na década de 1950Preocupação com erosãoEstimativa expedita de volumes
escoados para determinadas chuvas
Método SCS
SIaP
IaPQ
2
254CN
25400S
IaP
0Q IaP
5S
Ia
quando
quando
Q = escoamento superficial em mmP = chuva acumulada em mmIa = Perdas iniciaisS = parâmetro de armazenamento
Valores de CN:
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 do Soil Conservation Service
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:
ExemploQual 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?
mm 2,149254CN
25400S
A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia= 29,8. Como P > Ia, o escoamento superficial é dado por:
mm 5,8)SIaP(
)IaP(Q
2
Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm.
Perdas iniciais = 0,2 . S
254CN
25400S
0 < CN < 100
Método do SCS
CN tabelado de acordo com tipo de solo e características da superfície
254CN
25400S
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
Perdas iniciais = 0,2 . S
Exemplo de tabela:
Tipos de solos do SCS:A – arenosos e profundosB – menos arenosos ou profundosC – argilososD – muito argilosos e rasos
Método do SCS
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 77 83 87
regulares terraceado em nível 64 76 84 88
Em fileiras retas 64 76 84 88
Plantações de Em curvas de nível 62 74 82 85
cereais terraceado em nível 60 71 79 82
Em fileiras retas 62 75 83 87
Plantações de Em curvas de nível 60 72 81 84
legumes ou Terraceado em nível 57 70 78 89
cultivados Pobres 68 79 86 89
Normais 49 69 79 94
Boas 39 61 74 80
Pastagens Pobres, em curvas de nível 47 67 81 88
Normais, em curvas de nível 25 59 75 83
Boas, em curvas de nível 6 35 70 79
Campos Normais 30 58 71 78
permanentes Esparsas, de baixa transpiração 45 66 77 83
Normais 36 60 73 79
Densas, de alta transpiração 25 55 70 77
Chácaras Normais 56 75 86 91
Estradas de Más 72 82 87 89
terra de superfície dura 74 84 90 92
Florestas muito esparsas, baixa transpiração 56 75 86 91
esparsas 46 68 78 84
densas, alta transpiração 26 52 62 69
normais 36 60 70 76
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
Chuva (mm)
0123456789
10
10 20 30 40 50 60
Chuva (mm)
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.
S8,0PS2,0P
Q2
Tempo(min)
Chuva(mm)
Chuva acumulad
a (mm)
Escoamento acumulado
(mm)
Infiltração acumulada
(mm)
Escoamento (mm)
Infiltração (mm)
10 5.0 5.0 0.0 5.0 0.0 5.0
20 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 2.3 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
Q = escoamento acumulado (mm)P = precipitação acumulada (mm)Equação válida para P > 0,2 SQuando P < 0,2 S ; Q = 0
Exemplo Método do SCS
Chuva
0
5
10
15
20
25
30
10 20 30 40 50 60
Chuva acumulada
0
10
20
30
40
50
10 20 30 40 50 60
Chuva, escoamento e infiltração acumulada
0
10
20
30
40
50
10 20 30 40 50 60
Chuva, escoamento e infiltração
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60
Exemplo SCS
Exercício SCS
Tempo(min)
Chuva(mm)
10 8.0
20 17.0
30 11.0
40 15.0
50 4.0
60 2.0
Qual é o escoamento superficial gerado pelo evento de chuva dado na tabela abaixo numa bacia com campos e solos arenosos?
Passo 0: estimar CN
Com CN estimar S
Com S estimar Ia
Passo 1: Chuva acumulada
Tempo(min)
Chuva(mm)
Chuva acumulada(mm)
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?
S8,0PS2,0P
Q2
Sim, use:
Não, então Q = 0
para calcular escoamento acumulado, ondeP é a precipitação acumulada
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
Chuva, escoamento e infiltração
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60
Chuva, escoamento e infiltração
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60
CN = 80 CN = 90
Efeito do CN
Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)
ruralurbanomedio CN70,0CN30,0CN
1,83CNmedio
CN composto
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
Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)
Chuva, escoamento e infiltração
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60
Chuva acumulada = 35 mmChuva efetiva = 8 mmInfiltração = 27 mm
Exemplo SCS
Bacia com 100 % de área urbana densa (CN = 95) e 0 % de área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)
Chuva, escoamento e infiltração
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60
Chuva acumulada = 35 mmChuva efetiva = 22,9 mmInfiltração = 12,1 mm
Quase 3 vezes mais escoamento!
Exemplo SCS cenário futuro
Q
Dt
DQ
pós-urbanização
pré-urbanização
tAgra, 2002
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