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ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Considerações
Escoamento superficial pode ser compreendido, como o movimento das
águas na superfície da terra em deslocamento, em função do efeito da
gravidade. Esse escoamento é diretamente ou indiretamente relacionado com
as precipitações que ocorrem na bacia hidrográfica.
A figura abaixo apresenta 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 1. Formas que um curso d´água recebe água
Fatores que mais influenciam no escoamento superficial
Tipo de solo: interfere na taxa de infiltração da água no solo e na capacidade
de retenção de água no solo superfície.
Ex: quanto maior a rugosidade da superfície do solo menor o escoamento,
quanto mais permeável for o solo, maior será a quantidade de água que
ele pode absorver, diminuindo assim a ocorrência de excesso de
precipitação.
Topografia: influencia na velocidade de escoamento da água, áreas com
maiores declives geralmente tem menor capacidade de armazenamento
superficial.
Ex: bacias íngremes produzem escoamento superficial mais rápido e mais
volumoso, por ser menor a chance de infiltração. Já a presença de
depressões acumuladoras de água retarda o escoamento superficial.
o traçado e a declividade dos cursos d’água definem a maior ou menor
velocidade com que deixa a bacia à água de chuva que, escoando
superficialmente, atinge as calhas naturais.
Rede de drenagem: rede de drenagem densa e ramificada permite a rápida
concentração do escoamento superficial, favorecendo a ocorrência de maiores
vazões.
Obras hidráulicas presentes na bacia: obras hidráulicas destinadas à
drenagem provocam um aumento na velocidade de escoamento. Enquanto
aquelas com finalidade de contenção do escoamento provocam redução na
vazão máxima.
Ex: uma barragem que, acumulando a água em um reservatório, reduz as
vazões máximas do escoamento superficial e retarda a sua propagação.
Em sentido contrário, pode-se retificar um rio aumentando a velocidade do
escoamento superficial.
Grandezas características de escoamento superficial
Área da Bacia Hidrográfica (A): 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, se expressa a vazão em m3/s ou L/s.
É a principal grandeza que caracteriza um escoamento. Como dados que
caracterizam uma bacia é comum ter-se as vazões máximas, médias e
mínimas, em intervalos de tempo tais como hora, dia, mês ou ano.
Vazão Específica (q): relação entre a vazão e a área de drenagem da bacia,
expressa em (L/s/km2), (m3/s/km2). É uma forma de expressar a capacidade de
uma bacia em produzir escoamento superficial e serve como elemento
comparativo entre bacias. q = Q/A
Velocidade (V): relação entre o espaço percorrido pela água e o tempo gasto.
É geralmente expressa em m/s.
Altura Linimétrica (h): leitura do nível d’água do rio, em determinado
momento, em um posto fluviométrico. É uma das medidas mais fáceis de
serem realizadas em um curso d’água é expressa em metros (m) e se refere à
altura atingida pelo nível d’água em relação a um nível de referência (RN). Em
seções especiais de cursos d’água, o nível d’água, normalmente medido por
uma régua, pode ser relacionado à própria vazão do escoamento – estas
seções são ditas “seções de controle” e a curva que graficamente relaciona a
leitura da régua com a vazão é conhecida como “curva-chave”.
É comum relacionar a palavra cheia e inundação ao nível d’água (NA) atingido.
Entretanto, cheia é considerado uma elevação normal do curso d’água dentro
do seu leito e, inundação à elevação não usual do nível, provocando
transbordamento e possíveis prejuízos.
Figura 2. Demonstração das posições do NA de um rio para os conceitos de cheia e
inundação.
Coeficiente de escoamento superficial (C): relação entre o volume de água
que atinge uma seção do curso d’água (Vols) e o volume de água precipitado
(VolT). Tal coeficiente pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um
intervalo de tempo onde várias chuvas ocorreram.
Medição de níveis de água e vazão em rios
O conhecimento do regime hidrológico requer informações a respeito da
variação da vazão ao longo do tempo. A obtenção de uma relação entre nível
de água e vazão é fundamental, pois, facilita o processo de medição direta
dessas variáveis.
Os métodos de estimativa do escoamento superficial podem ser
divididos em quatro grupos: Medição do Nível de Água (mais preciso; requer
vários postos fluviométricos); Modelo Chuva-Vazão; Fórmulas Empíricas (baixa
precisão). Aqui vamos nos referir aos métodos de Medição do Nível de Água
(mais preciso) e ao Modelo Chuva-Vazão.
Determinação dos níveis de água
Os níveis de água são medidos por meio de linímetros, que são réguas
linimétricas (posto fluviométrico ou fluviômetro), ou linígrafos (posto
fluviográfico). A régua linimétrica consiste em uma escala graduada de
madeira, de metal ou mesmo pintada sobre uma superfície vertical de concreto
Figura 3.
O posto fluviométrico ou fluviômetro, consiste em vários lances de réguas (escalas) instaladas em uma seção de um curso d’água (Figura 3), que permite a leitura dos seus níveis d’água. Para a instalação das réguas (Figura 3), deve-se fixar um ponto de referência (RN), em um ponto estável e de fácil acesso, para uma possível reinstalação ou inclinação das réguas em função de tombamentos provocados por fatores diversos, por exemplo, grandes enchentes.
Geralmente realiza-se duas leituras diárias nas réguas linimétricas, em geral às (7:00 e 17:00 h) e os valores são anotados em cadernetas (Figura 4). Porém, essa leitura pode não ser representativa da situação média diária, pois, é possível ocorrer um máximo (ou mínimo) no intervalo de tempo entre as leituras efetuadas pelo operador.
Figura 3. Régua linimétrica e posto fluviométrico - vários lances de réguas (escalas) instaladas em uma seção de um curso d’água.
Figura 4. Valores anotados em cadernetas das leituras diárias nas réguas linimétricas. Fonte: Apontamento, Prof. Daniel F. de Carvalho e Prof. Leonardo D.B. da Silva.
Os linígrafos ou fluviógrafo são aparelhos que registra o nível de água
(NA) em posto fluviográfico (Figura 5 e 5.1), que registra continuamente a variação do nível d’água. O gráfico resultante chama-se limnigrama ou fluviograma
Figura 5. Linígrafo em posto fluviográfico. Fonte: Apontamento, Prof. Daniel F. de Carvalho e Prof. Leonardo D.B. da Silva
Figura 5.1. Estação Fluviométrica com réguas linimétricas e linígrafo.
De posse das alturas (NA) pode-se estimar a vazão em uma
determinada seção do curso d’água por meio de uma curva-chave. A esta curva relaciona uma altura do nível do curso d’água, a uma vazão, conforme Figura 6.
Figura 6. Curva-chave
Fonte: Apontamento, Prof. Daniel F. de Carvalho e Prof. Leonardo D.B. da Silva.
Estimativa do escoamento superficial por Modelo chuva-vazão
Em geral, o escoamento superficial que se deseja conhecer é aquele
que resulta de uma chuva que possa produzir enchente num curso d’água. São várias as maneiras de se obter a mencionada transformação com base em modelação matemática dentre eles cita-se: o método racional, o método do hidrograma unitário e o método do hidrograma unitário sintético. Método Racional
Veremos então, a estimativa de vazão de escoamento produzido pela chuva apenas pelo método racional. Uma vez que, a estimativa da vazão do escoamento produzido pelas chuvas em determinada área é fundamental para o dimensionamento dos canais coletores, interceptores ou drenos. Sendo também o mais simples dentre todos os modelos hidrológicos de transformação de uma chuva em escoamento superficial.
A equação racional estima a vazão máxima de escoamento de uma determinada área sujeita a uma intensidade máxima de precipitação com um determinado tempo de concentração. Esse método é muito aplicado no Brasil, Estados Unidos e outros países.
A aplicação do método deve ser restrita a pequenas bacias hidrográficas, ou, pequenas superfícies de drenagem. Recomenda-se limitar a aplicação às áreas inferiores a 2,5km2.
A equação racional é representada por uma equação simples
(representada abaixo) que exprime o estado permanente da transformação da chuva em vazão, que ocorre quando a chuva tem intensidade constante e toda
a área passa a contribuir com a vazão na seção do curso d’água, o que se dá quando a duração da chuva é superior ao tempo de concentração, tc.
Qs = C⋅i A (1.0) Sendo: Qs = escoamento superficial em m3/s;
i = intensidade da chuva, em m/s; A = área de drenagem, em m2; C = o coeficiente de escoamento ou deflúvio superficial (run off);
Para considerar diferentes possibilidades de emprego de unidades emprega-se:
Qs = cc. C. i. A (1.1) Onde cc = é um coeficiente de correção para as unidades. Normalmente em projetos as unidades são expressas por meio da equação abaixo. O coeficiente é usado para correção das unidades expressas.
(1.2)
Nas aplicações práticas, a intensidade da precipitação é obtida das curvas ou equações de intensidade-duração-frequência, válidas para a região em estudo. Normalmente, estas equações se expressam através de modelos da forma:
(1.3) Onde: Tr = o período de retorno; k, m, c e n = coeficientes que dependem do local;
td = duração da chuva, td deve ser a duração da chuva crítica de projeto que, deve ser feita igual a tc (tempo de concentração); tc- para tempo de concentração, existem várias formulações empíricas.
A determinação do coeficiente de escoamento da equação (1.2) é
normalmente obtido de tabelas elaboradas com base nas características da bacia hidrográfica (ou da área de drenagem). Abaixo são apresentadas três tabelas que representa tais características: a Tabela 1, contendo os valores recomendados pela ASCE (American Society of Civil Engineers), a Tabela 2 para áreas agrícolas e; a Tabela 3, com os valores adotados pela prefeitura do município de São Paulo.
Fonte: Hidrologia Aplicada – CIV 226
Considerando o comportamento natural da bacia, é de se esperar que o
coeficiente C varie com a magnitude da enchente. E esse coeficiente C deve aumentar. Como a intensidade da precipitação é função do período de retorno, a dependência de C pode ser posta em função desse período de retorno. Na
Tabela 4 apresentam-se os valores multiplicadores de C em função do período de retorno.
Fonte: Hidrologia Aplicada – CIV 226
Determinação da vazão
São várias as 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. Medidas por Vertedores
Os mais utilizados são 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: Q = 1,84 × L × H 1,5 (L e H em (m), Q em, m3/s).
- Vertedor triangular: Q = 1,42 × H 2,5 (H em (m), Q em, m3/s) – Equação
válida para θ= 90°.
Medidas por área-velocidade
Neste método a vazão é obtida aplicando-se a equação da continuidade: Q = V.A Onde a área pode ser determinada por batimetria, medindo-se várias
verticais e respectivas distâncias e profundidades.
Tomando uma subseção qualquer, localizada na seção de interesse, entre duas verticais como a figura abaixo, o cálculo da área é realizado de acordo com a Equação 1.4:
1.4 Onde: Si - é a área da subseção (m2);
hi - é a profundidade da vertical i (m); hi+1 - é a profundidade da vertical i+1; li (m) - é a distância entre as verticais i e i+1.
Para obtenção da velocidade da água na seção, o método mais utilizado é o de molinete.
O molinete é um aparelho que permite calcular a velocidade instantânea da água no ponto, por meio 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, do tipo:
V= a + b.n
Onde: a e b são constantes (calibração em laboratório para cada molinete); n= número de rotações/tempo (normalmente utiliza-se o tempo de 50 segundos).
Porém, de acordo com a profundidade da vertical, a velocidade é medida em: • 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 (Figura 6.11);
• 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.
A vazão na seção i é determinada multiplicando-se área pela velocidade média da seção.
A vazão total da seção do rio é obtida pelo somatório das vazões parciais (qi):
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