ESCOAMENTO SUPERFICIAL 1 Conceitos gerais

Escoamento superficial é o movimento das águas, que, por efeito da gravidade, se deslocam na superfície da Terra.

Conforme já visto no item referente ao ciclo hidrológico, o escoamento superficial de um rio está direta ou indiretamente relacionado com as precipitações que ocorrem em sua bacia hidrográfica.

A figura abaixo mostra as quatro formas pelas quais os cursos d’água recebem água: 1. Precipitação direta sobre o curso d’água (P);

2. Escoamento superficial (ES);

3. Escoamento sub-superficial ou hipodérmico (ESS); 4. Escoamento subterrâneo ou básico.

Figura 7.1 – Formas pelas quais um curso d’água recebe água. Fatores que influenciam o escoamento superficial

A quantidade e a velocidade da água que atinge um curso d’água dependem de alguns fatores, tais como:

a) Área e forma da bacia;

b) Conformação topográfica da bacia: declividade, depressão, relevo;

c) Condições de superfície do solo e constituição geológica do sub-solo: vegetação, impermeabilização, capacidade de infiltração no solo, tipos de rochas presentes;

d) Obras de controle e utilização da água: irrigação, canalização, derivação da água para outra bacia, retificação.

Grandezas características

A seguir, são citadas algumas grandezas relacionadas com o escoamento superficial. Bacia hidrográfica: área geográfica coletora de água de chuva, que, escoando pela superfície, atinge a seção considerada.

Vazão (Q): volume de água escoado na unidade de tempo em uma determinada seção do rio. Normalmente, expressa-se a vazão em m3/s ou l/s.

Velocidade (V): relação entre o espaço percorrido pela água e o tempo gasto. É geralmente expressa em m/s.

Vazão específica (q): relação entre a vazão e a área de drenagem da bacia.

A Q

q = (expressa em l/s.km2)

Altura linimétrica (h) ou altura na régua: leitura do nível d’água do rio, em determinado momento, em um posto fluviométrico.

Coeficiente de escoamento superficial ou coeficiente de “run off” (C): relação entre o volume de água que atinge uma seção do curso d’água e o volume precipitado.

7.2 Postos fluviométricos e fluviográficos

Posto fluviométrico ou fluviômetro consiste em vários lances de réguas (escalas) instaladas em uma seção de um curso d´água, que permite a leitura dos seus níveis d´água. Normalmente, dá-se ao posto o nome do município ou cidade onde ele é instalado e identifica-se por um prefixo.

A leitura do nível d´água é feita duas vezes ao dia, às 7 h e 17 h (ou 18 h), e seus valores são anotados em uma caderneta. Completada a leitura de 1 mês, essa caderneta é enviada ao escritório central, onde os dados são analisados, processados e publicados em boletins fluviométricos. As figuras 7.2 e 7.4 mostram, respectivamente, um posto fluviométrico e a cópia das leituras realizadas no posto Ponte Joaquim Justino (prefixo 5B-001F).

Fig. 7.2 Chama-se de fluviográfico o posto que registra continuamente a variação do nível d´água. O aparelho utilizado para registrar o N.A. chama-se limnígrafo ou fluviógrafo e o gráfico resultante é denominado limnigrama ou fluviograma. O esquema de um posto fluviográfico pode visto na Figura 7.3 abaixo.

Fig. 7.4

A conversão da leitura do nível d´água em vazão é feita através de curva-chave. Os assuntos ´medições de vazão´ e ´traçado de curva-chave´ serão vistos nos próximos itens. 7.3 Medições de vazão

Existem várias maneiras para se medir a vazão em um curso d´água. As mais utilizadas são aquelas que determinam a vazão a partir do nível d´água:

- para pequenos córregos: calhas e vertedores;

- para rios de médio e grande porte: a partir do conhecimento de área e velocidade. 7.3.1 Vertedores

São mais utilizados os vertedores de parede delgada, de forma retangular com contração completa e forma triangular. As fórmulas que relacionam o nível e a vazão são as seguintes: - Vertedor retangular: 1,5 84 , 1 L H Q= ⋅ ⋅ (L e H em m, Q em m3/s) H L - Vertedor triangular: 2,5 42 , 1 H

Q= ⋅ (H em m, Q em m3/s) – Equação válida para θ = 90°

H θ

7.3.2 Método área-velocidade

A vazão é obtida aplicando-se a equação da continuidade: Q = V.A

A área é determinada por batimetria, medindo-se várias verticais e respectivas distâncias e profundidades.

Tomando uma sub-seção qualquer:

i i _i i l h h S ⋅      + = + 2 1

Para se medir a velocidade de água na seção, o método mais empregado é o do molinete. Molinete é um aparelho que permite calcular a velocidade instantânea da água no ponto, através da medida de rotações de uma hélice em determinado tempo. Cada molinete tem uma equação que transforma o número de rotações da hélice em velocidade. A equação é do tipo

V = a + b.n

onde: a e b são constantes (calibração em laboratório);

Fig. 7.5. Dependendo da profundidade da vertical, mede-se a velocidade em:

a) um ponto, quando a profundidade (h) é menor ou igual a 1,0 m. O molinete é colocado a 60% da profundidade e a velocidade neste ponto é adotada como a média da vertical considerada.

6 , 0

V V_vert =

b) dois pontos, quando h é maior que 1,0 m. Neste caso, o molinete é colocado a 20% e 80% de h e a velocidade média da vertical é a média aritmética das velocidades obtidas nos dois pontos. 2 8 , 0 2 , 0 V V V_vert = +

A velocidade média da seção compreendida entre as verticais i e i+1 é calcula fazendo-se a média aritmética das velocidades médias de duas verticais.

2 1 sec_ + + = i i i V V V

A vazão na seção i é determinada multiplicando-se área pela velocidade média da seção.

i i i A V

q = ⋅ _{sec_}

A vazão total da seção do rio é obtida pelo somatório das vazões parciais:

∑

7.4 Relação cota-vazão (curva-chave)

Curva-chave é a relação entre os níveis d´água com as respectivas vazões de um posto fluviométrico.

Para o traçado da curva-chave em um determinado posto fluviométrico, é necessário que disponha de uma série de medição de vazão no local, ou seja, a leitura da régua e a correspondente vazão (dados de h e Q).

Partindo-se desta série de valores (h e Q) a determinação da curva-chave pode ser feita de duas formas: gráfica ou analiticamente.

A experiência tem mostrado que o nível d´água (h) e a vazão (Q) ajustam-se bem à curva do tipo potencial, que é dada por:

b h h a Q= ⋅( − ₀) (7.1) onde: Q é vazão em m3/s;

h é o nível d´água em m (leitura na régua);

a, b e h0 são constantes para o posto, a serem determinados;

h0 corresponde ao valor de h para vazão Q = 0.

A equação acima pode ser linearizada aplicando-se o logaritmo em ambos os lados: log Q = log a + b.log (h-h0)

Fazendo Y = log Q, A = log a e X = log(h-h0), tem-se:

Y = A + b.X (7.2) que é a equação de uma reta.

A maneira mais prática de se obter os parâmetros a, b e h0 é o método gráfico, que

necessita de papel di-log. Entretanto, em face à dificuldade de encontrar este papel no mercado, introduziu-se também, neste curso, o método analítico para a definição das curvas-chaves.

A seguir, é apresentado, de forma sucinta, o procedimento de cálculo dos parâmetros a, b e h0, utilizando os dois métodos: