geração de escoamento adaptado de walter collischonn, iph - ufrgs hidrologia física benedito c...

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