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Hidráulica e Hidrologia Geral

Prof. Flaryston Pimentel

Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia

Engenharia Civil

Campus: Goiânia - Flamboyant

SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS

Sistemas de abastecimento podem ser:

• Por gravidade:

• Por bombeamento:

Partes componentes do sistema elevatório:

• Altura geométrica (HG) = Sucção (HS) + Recalque (HR);• Perdas de cargas (h) = Sucção (hs) + Recalque (hR);• Altura manométrica (HM) = (HG) + (h).

Classificação de Bombas Hidráulicas:

1. Quanto à trajetória do fluído:

a) Bombas radiais ou centrífugas

b) Bombas axiais

c) Bombas diagonais ou de fluxo misto

Pequenas vazões;Grandes alturas.

Grandes vazões;Pequenas alturas.

Recalque de:Médias vazões;Médias alturas.

2. Quanto ao posicionamento do eixo:

a) Bomba de eixo vertical

b) Bomba de eixo horizontal

Poços subterrâneosprofundos.

Demais utilizações

3. Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao N.A.:

a) Bomba de sucção positiva

b) Bomba de sucção negativa (afogada)

Eixo da bomba acimado nível do reservatório

Eixo da bomba abaixodo nível do reservatório

EXEMPLO 01

Em relação ao sistema elevatório (figura), e suas respectivascotas topográficas, determine:

a) Altura geométrica de recalque;HGR = 487 – 461 = 26 m

b) Altura geométrica de sucção;HGS = 461 – 457 = 4 m

c) Altura geométrica do sistema;HG = 487 – 457 = 30 m

d) Altura manométrica de recalque;HMR = 26 + 6 = 32 m

e) Altura manométrica de sucção;HMS = 4 + 2 = 6 m

f) Altura manométrica do sistema;HM = 30 + 2 + 6 = 38 m

Considere as seguintes perdas de carga:• Na sução: hS = 2 mca• No recalque: hR = 6 mca

EXEMPLO 02

Em relação ao sistema elevatório (figura), e suas respectivascotas topográficas, determine:

a) Altura geométrica de recalque;HGR = 487 – 457 = 30 m

b) Altura geométrica de sucção;HGS = 457 – 461 = – 4 m

c) Altura geométrica do sistema;HG = 487 – 461 = 26 m

d) Altura manométrica de recalque;HMR = 30 + 6 = 36 m

e) Altura manométrica de sucção;HMS = – 4 + 2 = – 2 m

f) Altura manométrica do sistema;HM = 26 + 2 + 6 = 34 m

Considere as seguintes perdas de carga:• Na sução: hS = 2 mca• No recalque: hR = 6 mca

Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas

A potência (POT) que corresponde ao trabalho realizado para elevar o fluídocom a altura manométrica (HM) é:

Conversões importantes: 1 CV = 735,5 W1 HP = 745,7 W

A potência (Pot) a ser calculada, geralmente, se dá pela seguinte expressãogeral:

Onde,ƴ = peso específico do fluído (Kgf/m3);Q = vazão (m3/s);HM = altura manométrica (m);ᶯ = rendimento do conjunto motor-bomba.

Peso específico da água: ƴ = 1000 Kgf/m3

• 1 kgf = 9,806 N

O rendimento (η) aumenta com o tamanho da bomba (grandes vazões) ecom a pressão.

Na prática, admite-se uma certa folga para os motores elétricos resultandonos seguintes acréscimos:

Potência de motores elétricos comerciais fabricados no Brasil (HP):

1/4 – 1/3 – 1/2 – 3/4 – 1 – 1 ½ – 2 – 3 – 5 – 6 – 7 ½ – 10 – 12 – 15 –20 – 25 – 30 – 35 – 40 – 45 –50 – 60 – 80 – 100 – 125 – 150 – 200 – 250.

Curvas características de Bombas Hidráulicas

• São representações gráficas que traduzem o funcionamento dabomba, obtidas através de experiências do fabricante;

• O levantamento das curvas características das bombas são realizadaspelo fabricante do equipamento, em bancos de prova equipados para talserviço;

• De uma maneira simplificada, as curvas são traçadas da seguinteforma, conforme esquema abaixo.

Curvas características de Bombas Hidráulicas

Ponto de Trabalho (Operação) da Bomba:

Seleção de Bombas:

Cavitação de Bombas:

Fenômeno semelhante à ebulição, que pode ocorrer na águadurante um processo de bombeamento, provocando estragos,principalmente no rotor e palhetas e é identificado por ruídose vibrações;

Para evitar tal fenômeno, devem-se:

a) Analisar o NPSH requerido e o NPSH disponível;

b) Verificar que a pressão absoluta do líquido naentrada da bomba seja superior à pressão devapor, à temperatura de escoamento do líquido.

CAVITAÇÃO

1. NPSH disponível:

Refere-se à "carga energética líquida e disponível na instalação"para permitir a sucção do fluído, ou seja, diz respeito às grandezas físicasassociadas à instalação e ao fluído.

Esse NPSH deve ser estudado pelo projetista da instalação,através da seguinte expressão:

NPSH (Net Positive Succion Head)

De acordo com os dados fornecidos, calcule o que se pede:

Dados: PATM/ƴ = 9,26 mca; Pv/ƴ = 0,43 mcaHGS = 4 m; hS = 1 mcaNPSH requerido = 6 mca;

a) NPSH disponível ;

b) Ocorrerá cavitação?

c) Caso ocorra cavitação, determine a altura máxima de sucção para evitartal fenômeno.

EXEMPLO 03

Diâmetros econômicos

No Brasil 0,9 < K < 1,4

De modo geral 0,7 < K < 1,5

2. Diâmetro de sucção (DS):

• Geralmente adota-se o diâmetro comercial imediatamentesuperior ao diâmetro de recalque calculado pelas equaçõesanteriores.

Balanço econômico: Custo da tubulação X Custo de manutenção

• Se o diâmetro comercial (Dc) for diferente do calculado (DCALC.) porBresse ou pela ABNT, deve-se adotar:

a) Diâmetro comercial de sucção: DcS > DCALC.

b) Diâmetro comercial de recalque: DcR < DCALC.

Velocidades econômicas

Considere os seguintes dados de um sistema de bombeamentoe dimensione-o:

Dados: Q = 140,4 m3/h (8 h/dia de bombeamento);Cota do nível de água na captação = 97 m;Cota do nível de água no reservatório = 154 m;Altitude da casa de bombas = 400 m;Cota no eixo da bomba = 100 m;Comprimento da tubulação de sucção = 6 m;Comprimento da tubulação de recalque = 210 m;Material: PVC (C = 145);

Peças hidráulicas:• Sucção: 1 válvula de pé com crivo; 1 curva de 900; 1 redução gradual.• Recalque: 1 válvula de retenção; 1 válvula de gaveta; 6 curvas de 900; 1 ampliação gradual.

OBS:• As perdas localizadas podem ser determinadas pelo método dos diâmetros equivalentes;• Diâmetros comerciais (mm) = 50; 63; 75; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 350.

EXEMPLO 04

Passo a passo do dimensionamento:

1) Verificar os diâmetros de sucção e recalque (comerciais), considerando oslimites de velocidades de fluxo para cada trecho;

2) Calcular as perdas de carga na sucção e no recalque;

3) Calcular altura manométrica;

4) Escolher a bomba (catálogo do fabricante) e verificar o ponto defuncionamento da mesma

5) Calcular a potência da bomba e verificar a potência comercial a ser instalada;

6) Calcular NPSHDISPONÍVEL e comparar com NPSHREQUERIDO (catálogo do fabricante)para verificação de provável ocorrência de cavitação na bomba

EXEMPLO 04

Curva característica do sistema em função do envelhecimento datubulação

Com o envelhecimento da tubulação, as perdas de carga aumentame consequentemente aumentam as alturas manométricas e reduz-sea vazão.

Curva característica do sistema em função dos níveis mínimo emáximo da altura geométrica

A altura geométrica de elevação altera-se com a variação dos níveisde aspiração e de compressão, e com ela, desloca-se paralelamente aela mesma, a curva do sistema.

ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS:

Algumas razões que levam à necessidade de associar bombas:

• Quando a vazão é grande e não há no mercado, bombas capazesde atender a altas demandas;

• Ampliações;• Inexistência de bombas comerciais para grandes alturas

manométricas.

Bombas em série

Bombas em paralelo

Determine o rendimento e a potência resultantes da associaçãoem paralelo das bombas A e B:

Dados: Bomba A Bomba BQ = 400 m3/h Q = 95 m3/hHm = 65 mca Hm = 65 mcaᶯ = 82% ᶯ = 75%

EXEMPLO 05

Determine o rendimento e a potência resultantes da associaçãoem série das bombas A e B:

Dados: Bomba A Bomba BQ = 120 m3/h Q = 120 m3/hHm = 70 mca Hm = 40 mcaᶯ = 77,5% ᶯ = 73%

EXEMPLO 06

Hidrologia

Ciclo Hidrológico

Bacias Hidrográficas

Precipitações

Escoamento Superficial

INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

• Estuda todos os processos de transporte de água dentro dociclo hidrológico;

• Procura dar ferramentas para quantificar estes transportes;

• Depende da compreensão científica de todos os fenômenos(físicos e químicos) envolvidos;

• Infelizmente são fenômenos complexos e poucas são asequações baseadas apenas em fenômenos físicos;

• A maior parte das equações vieram de dados observados nanatureza e tratados estatisticamente;

1. Hidrologia Científica:

• Hidrometeorologia;• Geomorfologia;• Escoamento Superficial;• Interceptação Vegetal;• Infiltração e Escoamento em Meio Não-Saturado;• Escoamento em Rios, Canais e Reservatórios;• Evaporação e Evapotranspiração;• Produção e Transporte de Sedimentos;• Qualidade da Água e Meio Ambiente.

2. Hidrologia Aplicada:

Áreas de atuação da Hidrologia:

• Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica;• Abastecimento de Água;• Drenagem Urbana;• Aproveitamento Hidrelétrico;• Uso do Solo Rural;• Controle de Erosão;• Controle da Poluição e Qualidade da Água;• Irrigação;• Navegação;• Recreação e Preservação do Meio Ambiente;• Preservação dos Ecossistemas Aquáticos.

Usos múltiplos da água:

Em função da qualidade e da quantidade, a águapropicia vários tipos de usos, isto é, múltiplos usos. Nessecontexto, os recursos hídricos podem ser classificados em:

a) Uso Consuntivo: Água utilizada para consumo de formadireta ou indireta e parte dela é devolvida ao meio. Ex:abastecimento, irrigação, aquicultura, etc.

b) Uso Não-Consuntivo: Água utilizada para utilização emmesma quantidade e qualidade e é devolvida ao meio emsua totalidade (Não serve para consumo humano ouanimal). Ex: navegação fluvial, geração de energia, lazer,pesca, paisagismo, etc.

CICLO HIDROLÓGICO

Fenômeno global de circulação fechada da água entre asuperfície terrestre e a atmosfera, impulsionado pela energiasolar associada à gravidade e à rotação terrestre.

CICLO HIDROLÓGICO

FASES DO CICLO HIDROLÓGICO:

• Evaporação;

• Transpiração;

• Condensação;

• Precipitação;

• Escoamento superficial;

• Infiltração;

• Percolação;

• Escoamento subterrâneo;

CICLO HIDROLÓGICO

BALANÇO HÍDRICO

• Ciclo hidrológico (circulação da água na hidrosfera) – desempenha umpapel de grande aplicação em Engenharia de Recursos Hídricos aavaliação do ciclo na unidade hidrológica básica representada pelabacia hidrográfica;

• Deve-se ater, aos fenômenos hidrológicos, à sua importância nas áreasde irrigação; drenagem; controles de poluição, de cheias e erosão;aproveitamento hidroelétrico; obras hidráulicas; fontes de captação paraabastecimento de água, etc.;

• O balanço de volumes de água, conhecido como Balanço Hídricoescreve, para um dado intervalo de tempo, a equação que relacionaas entradas e saídas da bacia hidrográfica. Se a equação for escritapara uma seção representada pela superfície do solo em uma bacia(Ramos, 1989),

CICLO HIDROLÓGICO

BALANÇO HÍDRICO

zona de aeração

zona não saturada

rocha de origem

lençol freático

infiltraçãoescoamento

superficial

precipitação

evaporação (interceptação)transpiração

evaporação

percolaçãofluxo

ascendente

escoamento

sub-superficialzona saturada

BACIA HIDROGRÁFICA

• Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer

ponto drena para a mesma seção transversal do curso-

d’água;

• Área de captação natural das precipitações, que faz

convergir os escoamentos para um único ponto de

saída: o exutório;

• Para definir uma bacia:

• Curso d’água

• Seção transversal de referência (exutório)

• Informações de topografia.

BACIA HIDROGRÁFICA

Delimitação de áreas que contribuem para um ponto

Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.

Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

• A água escoa na direção da maior declividade

• Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de nível.

Sub - bacia

BACIA HIDROGRÁFICA

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS

BACIA HIDROGRÁFICA

a) Área da bacia: corresponde a sua área de drenagem, cujovalor corresponde à área plana entre os divisores topográficosprojetada verticalmente. Permite estimar qual o volumeprecipitado de água, para uma certa lâmina de precipitação:

V = P.A

BACIA HIDROGRÁFICA

b) Forma da bacia: é função da delimitação da área da bacia etem influência no tempo transcorrido entre a ocorrência daprecipitação e o escoamento no exutório. Em bacias de formatomais arredondado esse tempo tende a ser menor do que embacias mais compridas.

Bacias hipotéticas de mesma área, onde o tempo entre a precipitação e a vazão no exutório tende a

ser na seguinte ordem: t2<t1<t3, devido à forma da bacia.

BACIA HIDROGRÁFICA

Dois coeficientes são comumente empregados comoindicativos da forma da bacia: fator de forma e coeficiente decompacidade.

b.1. Fator de forma (Kf): esse coeficiente é definido pelarelação entre a largura média da bacia e o comprimento axialdo curso d’água principal (LC). A largura média (L) é calculadapela expressão:

e, portanto, o fator de forma (Kf) é determinado por:

BACIA HIDROGRÁFICA

b.1. Fator de forma (Kf):

b.2. Coeficiente de compacidade (Kc): esse coeficiente édefinido como a relação entre o perímetro da bacia e acircunferência de um círculo de mesma área da bacia.Assim, considerando uma bacia de área A e um círculo tambémde área A, tem-se que:

Pela sua definição, se Kc = 1, a forma da bacia é um círculo,sendo mais “irregular” quanto maior o valor desse coeficiente,o que implica em uma menor tendência a cheias.

BACIA HIDROGRÁFICA

c) Densidade de drenagem (Dd): indica o desenvolvimento dosistema de drenagem de uma bacia hidrográfica. Este índice éexpresso pela relação entre o comprimento total dos cursos deágua e a área da bacia:

onde: Dd = densidade de drenagem (km/km2);L = comprimento total dos cursos de água da bacia (km);A = área de drenagem (km2).

BACIA HIDROGRÁFICA

d) Ordem dos cursos d’água: reflete o grau de ramificação darede de drenagem de uma bacia.

Como fazer a ordenação?

• Linhas de drenagem que não possuem nenhum tributáriosão designadas como linhas de 1ª ordem;

• A ordem ou magnitude das demais linhas de drenagemdepende do método utilizado Horton e Strahler.

BACIA HIDROGRÁFICA

d.1. STRAHLER:

• linhas de 2ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de1ª ordem;

• as linhas de 3ª ordem são formadas pela junção de 2 linhasde 2ª ordem e assim sucessivamente;

• as linhas de 3ª ordem, por exemplo, podem também receberum canal de 1ª ordem.

BACIA HIDROGRÁFICA

d.1. STRAHLER:

Rio principal (não mantêm onúmero de ordem na totalidadede suas extensões, comoacontece no sistema Horton)

BACIA HIDROGRÁFICA

d.2. HORTON:

• canais de 2ª ordem têm apenas afluentes de 1ª ordem;

• canais de 3ª ordem têm afluência de canais de 2ª ordem,podendo também receber diretamente canais de 1ª ordem;

• canais de ordem u pode ter tributários de ordem u-1 até 1.

BACIA HIDROGRÁFICA

d.2. HORTON:

Como decidir qual é o rio principalnuma confluência?

Partindo da jusante da confluência,estender a linha do curso d’água paramontante, para além da bifurcação,seguindo a mesma direção. O canalconfluente que apresentar maiorângulo é o de ordem menor.

Ambos com mesmo ângulo rio de menor extensão é o de ordem mais baixa.

BACIA HIDROGRÁFICA

d.2. HORTON:

Rio principal (segue a ordem demaior grau)

BACIA HIDROGRÁFICA

CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA

São três os tipos de rios (cursos d’água) existentes:

• Perenes: contém água durante todo o tempo;

• Intermitentes: em geral, escoam durante as estações dechuvas e secam nas de estiagem;

• Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente apósos períodos de precipitação e só transportam escoamentosuperficial.

PRECIPITAÇÕES

Água proveniente do vapor d’água da atmosferadepositada na superfície terrestre sob qualquer forma:chuva, granizo, neblina, neve, orvalho ou geada.

A precipitação é uma parte importante do ciclohidrológico, sendo responsável por retornar a maior parteda água doce ao planeta.

Chuvas frontais:

• Grandes quantidades de massas de ar que se deslocam ocupandograndes extensões;

• Na interface entre massas de ar com diferentes temperaturasproduzem a condensação da umidade presente no ar acarretandoas precipitações;

• É de fácil previsão (é só acompanhar o avanço da frente);

• É de longa duração, intensidade baixa ou moderada, podendocausar abaixamento da temperatura;

• Interessam em projetos de obras hidrelétricas, controle de cheiasregionais e navegação.

• Formam chuvas de fraca a moderada intensidade;

• O volume resultante geralmente é expressivo devido sua escala.

PRECIPITAÇÕES

Chuvas frontais:

PRECIPITAÇÕES

Chuvas orográficas:

• Decorrem da presença de barreiras naturais que fazem com quemassas de ar úmidas se desloquem verticalmente;

• Ao atingir elevações maiores, onde as temperaturas são inferiores,o vapor presente nessas massas de ar se condensa produzindoprecipitação local;

• Estas barreiras por vezes impedem que massas de ar penetremmais ao interior, reduzindo a quantidade de precipitações destasáreas internas;

• As chuvas são localizadas e intermitentes e possuem intensidadebastante elevada;

• Geralmente são acompanhadas de neblina.

PRECIPITAÇÕES

Chuvas orográficas:

PRECIPITAÇÕES

Chuvas convectivas:

• Conhecidas também como chuvas de verão, tem sua origem naevaporação da água superficial, nos períodos mais quentes e de maior insolação;

• A água evaporada sobe a grandes altitudes e quando atingem um nível de saturação, ou quando outros fatores produzam a suacondensação, precipitam;

• Ocorrem em dias quentes, geralmente no fim da tarde ou começo da noite;

• Podem iniciar com granizo;

• Podem ser acompanhada de descargas elétricas e de rajadas de vento;

PRECIPITAÇÕES

Chuvas convectivas:

• Essas formações são bastante localizadas geográficamente (em

geral, em áreas inferiores a ordem de 2 km2);

• As precipitações tem curta duração inferiores a 24 hs;

• As chuvas são de grande intensidade;

• Interessam às obras em pequenas bacias, como para cálculo de

bueiros, galerias de águas pluviais, etc.

PRECIPITAÇÕES

Chuvas convectivas:

• Resultantes de convecções térmicas, que é um fenômeno

provocado pelo forte aquecimento de camadas próximas à

superfície terrestre, resultando numa rápida subida do ar

aquecido. A brusca ascensão promove um forte resfriamento das

massas de ar que se condensam quase que instantaneamente.

PRECIPITAÇÕES

Conceitos:

-Altura pluviométrica (h):-Medida que realmente identifica a quantidade que precipitou e

que ficou armazenada no aparelho pluviômetro

Normalmente dada em milímetros

-Duração (t): Tempo decorrido do início ao final da precipitação

Normalmente dada em horas ou minutos

-Intensidade (i): Relação entre a altura precipitada e sua duração

Normalmente dada em mm/h

-Frequência (f): Número de vezes que determinada chuva acontece

Adimensional

PRECIPITAÇÕES

-Período de retorno (TR) ou Período de recorrência:Tempo, em anos, em que determinada chuva supera ou se

iguala a anterior, ou seja, volta a acontecer

É sempre dado em anos

-Probabilidade de ocorrência de uma chuva:>>É a possibilidade que uma dada chuva possa vir a ocorrer.

>>É o intervalo médio de ocorrência (em anos) entreeventos que igualam ou superam uma dada magnitude

Tipo de Obra Tipo de Ocupação da Área T (anos)

Microdrenagem Residencial 2

Comercial 5

Áreas com edifícios de serviços ao público 5

Aeroportos 2-5

Áreas comerciais e artérias de tráfego 5-10

Macrodrenagem Áreas residenciais e comerciais 50-100

Áreas de importância específica 500

PRECIPITAÇÕES

Cubo ilustrando um tanque hipotético de 1m² de área de base. Se jogarmos

1l de água dentro desse cubo, teríamos uma lâmina de 1mm.

Medições:

• Pluviômetro: equipamento que mede a quantidade de água

precipitada (altura pluviométrica) durante as 24 horas do dia.

PRECIPITAÇÕES

Medições:

• Pluviógrafo: equipamento que mede a intensidade das chuvas.

PRECIPITAÇÕES

Pluviograma:

PRECIPITAÇÕES

Variação da intensidade de precipitação:

A máxima intensidade média observada dentro de uma mesma

precipitação pluvial varia inversamente com a amplitude de tempo

em que ocorreu . As precipitações mais intensas são mais raras e

levam um certo período de tempo para surgirem. Essas conclusões

estão presentes nas fórmulas empíricas do tipo:

PRECIPITAÇÕES

Variação da intensidade de precipitação:

Equações de chuva para algumas cidades brasileiras. Nas três

equações abaixo, i é a intensidade da chuva em mm/h, T é o período

de retorno em anos, e t é a duração da chuva em minutos:

PRECIPITAÇÕES

Análise de dados mensais de uma estação pluviométrica:

•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo da média aritmética

-média aritmética de todos os postos

hm = S hi/n

48.837.1

44.4 49.5

I - Média Aritmética (entre os postos)

Somar as contribuições de todos os postos e dividir pelo número de postos

PRECIPITAÇÕES

•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo das Isoietas

-semelhante à curvas de nível (para precipitação)

hm = S Ai [(hr + hr+1)/2]/ S Ai

48.837.1

44.4 49.5

II - Isoietas

Semelhante à curvas de nível para chuvas, ou seja, a partir dos

valores registrados em cada posto, traçar as curvas de igual precipitação

PRECIPITAÇÕES

•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo dos polígonos de Thiessen

-Traçar as áreas de influência com o ponto de encontro das

mediatrizes dos segmentos de reta que unem os postos

em polígonos triangulares.

-Os lados do novo polígono são as áreas de influência.

hm = S hi Ai / S Ai

48.837.1

44.4 49.5

III - Polígonos de Thiessen

1) unem-se os postos adjacentes por retas

2) traçam-se as mediatrizes (perpendiculares pelo

ponto médio entre os postos)

3) pega-se somente as áreas internas à bacia

Calcular a intensidade da chuva para as seguintes condições:

• Cidade de São Paulo;• Período de retorno de 50 anos;• Duração de chuvas em 80 minutos.

EXEMPLO 07

Dado o pluviograma registrado em um posto pluviométricolocalizado no município de São Paulo, deseja-se saber aintensidade média de chuva que ocorreu das 9 às 15 horas e operíodo de retorno dessa chuva:

EXEMPLO 08

• Precipitação que atinge áreas impermeáveis;

• Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade

de infiltração limitada;

• Precipitação que atinge áreas saturadas.

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Fonte: Rampelloto et al. 2001

Telhados

Passeios

• Geração de escoamento superficial é quase imediata

• Infiltração é quase nula

Áreas ImpermeáveisESCOAMENTO SUPERFICIAL

• Capacidade de infiltração é baixa

Gramados

Solos Compactados

Solos muito argilosos

Áreas de capacidade de infiltração limitadas

Infiltração

Escoamento

Precipitação

Infiltração

Intensidade da chuva x capacidade de infiltração

• Considere chuva com intensidade constante

• Infiltra completamente no início

• Gera escoamento no fim

Infiltra

início do escoamento

intensidade da chuva

capacidade de infiltração

Infiltra

volume infiltrado

Infiltra

volume infiltrado

volume escoado

Precipitação

Infiltração

Escoamento em áreas de solo saturado

Precipitação

Solo saturado

Precipitação

Solo saturado

Escoamento

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)

Representação gráfica da vazão

ao longo do tempo

HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

• O hidrograma é o gráfico que relaciona a vazão ao

tempo e é o resultado da interação de todos os

componentes do ciclo hidrológico.

Heterogeneidade da bacia

Caminhos que a água percorre

15 minutos

Chuva de curta duração

ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

Superficial

Escoamento subterrâneo

Sub-superficial

Formação do Hidrograma

1 – Início do escoamento superficial

2 – Ascensão do hidrograma

3 – Pico do hidrograma

4 – Recessão do hidrograma

5 – Fim do escoamento superficial

6 – Recessão do escoamento subterrâneo

Hidrograma - exemploESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

Superficial

e recessão

Escoamento subterrâneo

Sub-superficial

Formação do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

• Fórmulas empíricas para tempo de concentração:

• Kirpich

• Dooge

385,03

A88,21tc

Desenvolvida com dados de

7 bacias < 0,5 km2

Desenvolvida com dados de

10 bacias entre 140 e 930 km2

Tempo de ConcentraçãoESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

Bacia montanhosa

Bacia plana

Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

QBacia urbana

Bacia rural

Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido

Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA

Forma da bacia x hidrograma

QBacia circular

Bacia alongada

Forma da bacia X Forma do hidrograma

• 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

Estimativas de escoamento superficial com base na chuva

Precipitação

Infiltração Escoamento

infiltração decresce

durante o evento

de chuva

parcela que não

infiltra é responsável

pelo aumento da

vazão no rio

Tempo de concentração (tc)

• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto maisdistante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir omesmo. O tempo de concentração é fundamental nosestudos de enchentes.

Equação de Kirpich:

• Para chuvas intensas (curta duração);• Bacias de declividades entre 3 e 10%.

onde:L – comprimento do talvegue (km);

Δh – diferença de nível do talvegue (m).

385,03

Tempo de concentração (tc)

• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto maisdistante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir omesmo. O tempo de concentração é fundamental nosestudos de enchentes.

Equação de Picking:

• Para chuvas críticas (longa duração);• Bacias sem limites de declividades.

onde:L – comprimento do talvegue (km);

Seq – declividade equivalente (m/m).

Método Racional (vazões máximas)

A vazão de pico (máxima) de escoamento pode ser determinada a partir dedados de chuvas para pequenas bacias que apresentam área variável entre50 e 500 ha, sendo a máxima vazão expressa por expressa:

Considerações:

• Pequenas bacias;• Chuvas intensas;• Intensidade da chuva depende da duração e da frequência (tempo de retorno);• Duração da chuva é escolhida de forma a ser suficiente para que toda a área da bacia esteja

contribuindo para a vazão que sai no exutório (duração = tempo de concentração).

Qp = vazão de pico (m3/s);

C = coeficiente de deflúvio (adimensional);

i = intensidade da chuva (mm/h);

A = área da bacia (km2).

Valores de C para diferentes superfícies

Valores do coeficiente de escoamento propostos pelo Colorado Highway Department

Características da Bacia C

Superfícies impermeáveis 0,90 – 0,95

Terreno estéril montanhoso 0,80 – 0,90

Terreno estéril ondulado 0,60 – 0,80

Terreno estéril plano 0,50 – 0,70

Prados, campinas, terreno ondulado 0,40 – 0,65

Matas decíduas, folhagem caduca 0,35 – 0,60

Matas coníferas folhagem permanente 0,25 – 0,50

Pomares 0,15 – 0,40

Terrenos cultivados em zonas altas 0,15 – 0,40

Terrenos cultivados em vales 0,10 – 0,30

Valores do coeficiente de escoamento recomendados pelo Soil Conservation Service - USDA

Tipo de cobertura do solo

Declividade (%) Textura do solo

Arenosa Franca Argilosa

Florestas

0 – 5 0,10 0,30 0,40

5 – 10 0,25 0,35 0,50

10 – 30 0,30 0,50 0,60

Pastagens

0 – 5 0,10 0,30 0,40

5 – 10 0,15 0,35 0,55

10 – 30 0,20 0,40 0,60

Terras cultivadas

0 – 5 0,30 0,50 0,60

5 – 10 0,40 0,60 0,70

10 – 30 0,50 0,70 0,80

Valores de C segundo adaptação do critério de Fruhling, adotados pela Prefeitura de São Paulo (Wilken, 1978)

Zonas C

Edificações muito densas: áreas centrais, densamente construídasde uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas

0,70 – 0,95

Edificações não muito densas: área adjacente ao centro, de menordensidade de habitantes, porém com ruas e calçadas pavimentadas

0,60 – 0,70

Edificações com poucas superfícies livres: áreas residenciais comconstruções cerradas e ruas pavimentadas

0,50 – 0,60

Edificações com muitas superfícies livres: áreas residenciais comruas macadamizadas ou pavimentadas

0,25 – 0,50

Subúrbios com alguma edificação: áreas de arrabaldes e subúrbioscom pequena densidade de construção

0,10 – 0,25

Mata, parques e campo de esportes: áreas rurais, verdes, superfíciesarborizadas, parques ajardinados e campos de esporte sempavimentação

0,05 – 0,20

EXEMPLO 09

Uma área de loteamento na cidade de Curitiba/PR de 1,5 Km2,tem suas vertentes para um talvegue de 3,5 Km de extensão e adiferença de cota entre o ponto mais alto e a seção dedrenagem é de 60 m. Determinar a vazão máxima na seção dedrenagem para a recorrência de 10 anos. Considerar ocoeficiente de escoamento superficial (deflúvio) igual a 0,50.

Equação de intensidade de chuvas:

Resp.: 15,7 m3/s

EXEMPLO 10

A bacia hidrográfica, representada abaixo, possui algumascaracterísticas físicas e hidrológicas (Tabela ao lado). Nessascondições, determine a vazão escoada até o talvegue, sendoque a intensidade média de chuvas para toda a bacia equivale a450 mm/h.

Resp.: 3,8 m3/s

Sub bacias Área (ha) Coef. de deflúvio

I 1,60 0,7

II 1,45 0,6

III 1,75 0,6

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