HIDROLOGIA AULA semestre - Engenharia Civil. ESCOAMENTO SUPERFICIAL 2 Profª. Priscila Pini

Transcrição

1 HIDROLOGIA AULA 11 5 semestre - Engenharia Civil ESCOAMENTO SUPERFICIAL 2 Profª. Priscila Pini prof.priscila@feitep.edu.br

2 INTRODUÇÃO Bacia hidrográfica transforma chuva em vazão Chuva que escoa superficialmente: CHUVA EFETIVA Estimada pelo método SCS Nem toda chuva efetiva gerada chega imediatamente ao curso d água escoamento percorre caminho com velocidades variáveis de acordo com a declividade, comprimento dos trechos. Hidrograma: Gráfico Vazão x Tempo Medições de vazão realizadas em uma seção da bacia imediatamente após o início da chuva. Geralmente na saída da bacia (exutório)

3 HIDROGRAMA Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início chuva A t 0 t A t 0 -t A Precipitação inicial: água retida em interceptações e depressões

4 HIDROGRAMA Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início chuva B A t 0 t A t B AB Ascensão do hidrograma - escoamento superficial Duração da precipitação (t B t 0 )

5 HIDROGRAMA Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início chuva B Após o máximo, se inicia um período de recessão. A C t 0 t A t B BC Curva de depleção do escoamento superficial Não há mais precipitação

6 HIDROGRAMA Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início chuva B A t 0 t A t B C A recessão caracteriza o fim do escoamento superficial e a recarga apenas pelo escoamento subterrâneo. D CD Curva de depleção ou recessão da água do solo

7 HIDROGRAMA Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início chuva B V = Q. t A t 0 t A t B C D Obs. A área abaixo do hidrograma representa o volume de água escoado no período analisado.

8 O HIDROGRAMA UNITÁRIO (HU) Hipótese da relação linear entre a chuva efetiva e o hidrograma gerado. HU é o hidrograma de escoamento direto causado por uma chuva efetiva unitária, por exemplo, uma chuva efetiva de 1 mm ou 1 cm. Considera-se que a chuva efetiva e unitária tem intensidade constante ao longo de sua duração e distribui-se uniformemente sobre toda a área de drenagem. Bacia hidrográfica tem comportamento linear Calcular a resposta da BH a eventos de chuva diferentes, considerando que a resposta é uma soma das respostas individuais

9 O HIDROGRAMA UNITÁRIO (HU) 1 mm de chuva efetiva em toda a bacia com duração D Gera uma resposta no exutório da bacia que é um HU 2 mm de chuva efetiva em toda a bacia com duração D Gera uma resposta no exutório onde cada valor de vazão é o dobro do HU

10 O HIDROGRAMA UNITÁRIO (HU) As vazões de um hidrograma de escoamento superficial, produzidas por chuvas efetivas sucessivas, podem ser encontradas somando as vazões dos hidrogramas de escoamento superficial correspondente às chuvas efetivas individuais: PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO

11 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO A situação mais frequente, na prática, é a inexistência de dados de vazão medidos Utilizar HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Estabelecido com dados de bacias experimentais as quais se dispunha de dados de vazão e chuva observados para vários eventos de chuva Foram relacionados alguns parâmetros de forma do HU com características da bacia hidrográfica relativamente fáceis de se obter: área de drenagem, tempo de concentração

12 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO

13 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO Tempo de concentração: intervalo de tempo entre o final da ocorrência de chuva efetiva e o final do escoamento superficial. Tempo entre picos: intervalo entre o pico da chuva efetiva e o pico da vazão superficial. Tempo de retardo: intervalo de tempo entre os centros de gravidade do hietograma (chuva efetiva) e do hidrograma superficial. Tempo de pico: intervalo de tempo entre o centro de gravidade do hietograma (chuva efetiva) e o pico do hidrograma.

14 HU SINTÉTICO TRIANGULAR DO SCS HU pode ser aproximado por relações de tempo e vazão estimados pelo tempo de concentração e na área das bacias HU aproximado por um triângulo, definido por: Vazão de pico Tempo de pico Tempo de base HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR (HUT)

15 Vazão (Q/Qp) HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR (HUT) d/2 Tempo de pico (t p ) Chuva (1 cm ou 1 mm) t p t p = 0,6 t c t c : Tempo de concentração (calculado pelas equações já conhecidas) Tempo de subida (T p ) T p = t p + d 2 d: duração da chuva T p 1,67. T p Tempo t b

16 Vazão (Q/Qp) HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR (HUT) d/2 Tempo de base (t b ) Chuva (1 cm ou 1 mm) t b = T p + 1,67 T p t p Vazão de pico (q p ) q p = 0,208 A T p q p : vazão de pico (m 3. s 1 ) por mm de chuva efetiva A: área da bacia (km²) T p : tempo de pico (horas) T p 1,67. T p Tempo t b

17 EXERCÍCIO 1. Construa uma hidrograma unitário para a chuva de duração de 10 minutos em uma bacia de 3,0 km² de área de drenagem, comprimento do talvegue de 3.100m, ao longo do qual existe uma diferença de altitude de 93m. Utilize a equação de Watt e Chow para o tempo de concentração. Qual o volume de chuva escoado no período representado no hidrograma? Watt e Chow t c = 7,68 L S 0,5 0,79 2. Considerando a bacia do exercício anterior, qual a vazão de pico para uma chuva efetiva de 5mm com 10 minutos de duração?

18 Transformação chuva-vazão Os métodos mais comuns para calcular as vazões máximas a partir da transformação de chuva em vazão são: Modelos baseados no hidrograma unitário Método Racional Método Racional x Modelos baseados HU Pequenas Bacias Hidrográficas: área até 3 km² aproximadamente Chuvas de curta duração A duração da chuva é considerada igual ao tempo de concentração da bacia. Bacias Hidrográficas maiores: área acima de 3 km² Chuvas de duração maior Quando se deseja encontrar também o volume das cheias.

19 MÉTODO RACIONAL Método para estimar as vazões máximas de bacias a partir de dados de chuva. Aplicável para bacias de até, aproximadamente, 3 km² de área A duração da chuva é considerada igual ao tempo de concentração da bacia, ou seja, a vazão máxima ocorre quando toda a bacia está contribuindo para o exutório. Q = C i A 3,6 Q: vazão máxima (m 3. s 1 ) C: coeficiente de escoamento superficial do método racional (depende das condições do solo) i: intensidade da chuva de projeto (mm. h 1 ) (obtida de curvas IDF) A: área da bacia hidrográfica (km²)

20 MÉTODO RACIONAL Tabela 1: Valores do coeficiente de escoamento do método racional (C) para diferentes tipos de cobertura da bacia. Superfície Intervalo Valor esperado Asfalto 0,70 a 0,95 0,83 Concreto 0,80 a 0,95 0,88 Calçadas 0,75 a 0,85 0,80 Telhado 0,75 a 0,95 0,85 Grama em solo arenoso plano 0,05 a 0,10 0,08 Grama em solo arenoso inclinado 0,15 a 0,20 0,18 Grama em solo argiloso plano 0,13 a 0,17 0,15 Grama em solo argiloso inclinado 0,25 a 0,35 0,3 Áreas rurais 0,0 a 0,30 -

21 MÉTODO RACIONAL Tabela 2: Valores do coeficiente de escoamento do método racional (C) de acordo com o tipo de ocupação da bacia. Zonas C Centro da cidade densamente construído 0,70 a 0,95 Partes adjacentes ao centro com menor densidade 0,60 a 0,70 Áreas residenciais com poucas superfícies livres 0,50 a 0,60 Áreas residenciais com muitas superfícies livres 0,25 a 0,50 Subúrbios com alguma edificação 0,10 a 0,25 Matas, parques e campos de esportes 0,05 a 0,20

22 MÉTODO RACIONAL EXERCÍCIO: Qual a máxima vazão de uma bacia com 0,6 km² em Curitiba, numa área residencial, para uma chuva com tempo de retorno igual a 5 anos. Utilize a equação de Watt e Chow para o tempo de concentração sabendo-se que o comprimento do talvegue principal é de 700m, ao longo do qual existe uma diferença de altitude de 7m. Watt e Chow t c = 7,68 L S 0,5 0,79 Equação curva IDF Curitiba: i = 5726,64 TR0,159 (t d + 41) 1,041 Método Racional Q = C i A 3,6 C = 0,50 Q = 6,73 m³/s