Aula 2008 11 - Geração de Escoamento

(1)

Geração de Escoamento

Walter Collischonn

IPH - UFRGS

IPH 01019

(2)

• Escoamento superficial

• Escoamento sub-superficial

• Escoamento subterrâneo

Tipos de Escoamento na bacia

IPH 01019 Escoamento

(3)

Pe rcol açã o

Processos da

parte terrestre

do ciclo

hidrológico

Interceptação Depressões chuva Escoamento superficial Infiltra ção Armazenamento no solo Armazenamento no subsolo Escoamento Sub-superficial V a zã o n o rio evap IPH 01019 Escoamento Escoamento Subterrâneo

(4)

• Sub-superficial ??

• Superficial

• Subterrâneo

(5)

• Chuva, infiltração,

escoamento superficial

(6)

• Chuva, infiltração,

escoamento superficial,

escoamento subterrâneo

(7)

• Escoamento

(8)

Camada saturada

• Depois

da

chuva:

Escoamento

sub-superficial

e

(9)

• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo

(10)

• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo

(11)

• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo

(12)

• Estiagem muito longa = rio seco

Rios intermitentes

(13)

Escoamento superficial

• Geração de escoamento na bacia • Escoamento até a rede de drenagem • Escoamento em rios e canais

(14)

Geração de escoamento superficial

• Geração de escoamento na bacia • Escoamento até a rede de drenagem • Escoamento em rios e canais

(15)

• Precipitação que atinge áreas impermeáveis

• Precipitação intensa que atinge áreas de

capacidade de infiltração limitada

• Precipitação que atinge áreas saturadas

Formação do Escoamento

Superficial

(16)

(17)

 Telhados

 Ruas

 Passeios

• Geração de escoamento superficial é quase imediata • Infiltração é quase nula

Áreas Impermeáveis

(18)

• Capacidade de infiltração é baixa

 Gramados

 Solos Compactados

 Solos muito argilosos

Áreas de capacidade de

infiltração limitadas

(19)

Infiltração Escoamento Precipitação tempo Infiltração

Intensidade da chuva x

capacidade de infiltração

(20)

Geração de escoamento

• Considere chuva com intensidade constante

• Infiltra completamente no início

• Gera escoamento no fim

tempo Inf ilt ração Prec ipit aç ão início do escoamento intensidade da chuva capacidade de infiltração

(21)

Infiltração ao longo do tempo

• Considere chuva com

intensidade constante

• Infiltra completamente no

início

• Gera escoamento no fim

volume infiltrado

(22)

Escoamento ao longo do tempo

• Considere chuva com

intensidade constante

• Infiltra completamente no

início

• Gera escoamento no fim

volume infiltrado

volume escoado

(23)

Precipitação Infiltração

Escoamento em áreas

de solo saturado

(24)

Precipitação Solo saturado

Escoamento em áreas

de solo saturado

(25)

Precipitação Solo saturado Escoamento

Escoamento em áreas

de solo saturado

(26)

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)

(27)

Q (mm/h)

Geração de Escoamento

• Precipitação atinge áreas saturadas

• Processo duniano (Dunne)

(28)

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).

(29)

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).

(30)

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.

(31)

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.

(32)

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.

(33)

Área de contribuição variável

(34)

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]

(35)

Região saturada de acordo

com a época do ano:

•preto: verão

•cinza claro: outono

•cinza escuro: inverno

[Dunne and Leopold, 1978]

(36)

Runoff generation processes

Infiltration excess overland flow

aka Horton overland flow

Partial area infiltration excess

overland flow

Saturation excess overland flow

P

q

_r

q

_s

q

_o

P

q

_o

f

P

q

_o

f

Geração de escoamento por ocorrência de chuva em região saturada

(37)

Saturation in zones of convergent topography

Áreas saturadas normalmente ficam próximas da rede de drenagem

(38)

Slope

Specific Catchment Area

Wetness Index ln(a/S)

from Raster Calculator.

Average,

l

= 6.91

(39)

Modelos simplificados

• 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

(40)

• Estimativas de escoamento superficial com

base na chuva

Escoamento Superficial

(41)

• 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

(42)

tempo Q

P

tempo Precipitação

(43)

tempo Q

P

tempo

(44)

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

(45)

tempo Q

P

tempo

Infiltração Escoamento

parcela que não infiltra é responsável

pelo aumento da vazão no rio

(46)

Como calcular?

• Usar métodos simplificados:

– capacidade de infiltração constante

– infiltração proporcional à intensidade de chuva

– método SCS

(47)

tempo Q P tempo Infiltração Escoamento Infiltração constante

Como calcular?

(48)

tempo Q P tempo Infiltração Escoamento Infiltração proporcional

Como calcular?

(49)

Como calcular?

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

(50)

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).

(51)

O método SCS

(52)

• A parcela da chuva que se transforma em

escoamento superficial é chamada chuva

efetiva.

(53)

• Método SCS







P

Ia

S



Ia

P

Q

2







254 CN

25400

S





Ia

P



0 Q



P



Ia

5 S

Ia



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

Método SCS

(54)

• 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

(55)

Efeito de CN

40 55

(56)

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:

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?

mm

2 ,

149

254 CN

25400

S







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 )

S

Ia

P

(

)

Ia

P

(

Q

2









Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm.

(57)

Perdas iniciais = 0,2 . S

254 CN

25400

S





0 < CN O 100

25 < CN O 100

Método do SCS

CN tabelado de acordo com tipo de solo e

características da superfície

(58)

254 CN

25400

S





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 Estacionam entos 98 98 98 98 Telhados 98 98 98 98 Plantações 67 77 83 87

Exemplo de tabela:

Tipos de solos do SCS:

A – arenosos e profundos

B – menos arenosos ou profundos C – argilosos

D – muito argilosos e rasos

(59)

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

(60)

Método SCS para eventos complexos (mais do

que um intervalo de tempo com chuva)

• Chuva acumulada x escoamento acumulado

• Chuva incremental x escoamento incremental

(61)

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) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 20 30 40 50 60 Chuva (mm)

(62)

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

(63)





S

8 ,

0 P

S

2 ,

0 P

Q

2











Tempo (min) Chuva (mm) Chuva acumulada (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 2.4 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 S

Quando P < 0,2 S ; Q = 0

(64)

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 Chuva 0 5 10 15 20 25 30 10 20 30 40 50 60

Exemplo SCS

(65)

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

(66)

Passo 0: estimar CN

• Com CN estimar S

• Com S estimar Ia

(67)

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

(68)

Passo 2: Chuva acumulada maior que

Ia?

  S 8 , 0 P S 2 , 0 P Q 2      Sim, use: Não, então Q = 0

para calcular escoamento acumulado, onde P é a precipitação acumulada

(69)

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.

(70)

Chuva, escoamento e infiltração 0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60

0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60

CN = 80

CN = 90

Efeito do CN

(71)

• Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70

% de área rural, com pastagens, cultivos e florestas

(CN = 78)

rural urbano medio

0 ,

30 CN

0 ,

70 CN

CN









1 ,

83 CN

_medio



CN composto

(72)

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

(73)

• Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de

área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)

0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60

Chuva acumulada = 35 mm

Chuva efetiva = 8 mm

Infiltração = 27 mm

Exemplo SCS

(74)

• 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

0 2 4 6 8 10 12 14 10 20 30 40 50 60

Quase 3 vezes mais escoamento!

Exemplo SCS cenário futuro

(75)

Q

D

t

D

Q

pós-urbanização pré-urbanização

t

Agra, 2002

(76)