ESCOAMENTO SUPERFICIAL

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1 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

2 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 m 3 /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/km 2 ), (m 3 /s/km 2 ). É uma forma de expressar a capacidade de uma bacia em produzir escoamento superficial e serve como elemento comparativo entre bacias. q = Q/A

3 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 (Vol s ) e o volume de água precipitado (Vol T ). 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.

4 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.

5 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

6 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.

7 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 2,5km 2. 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

8 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. Q s = C i A (1.0) Sendo: Q s = escoamento superficial em m 3 /s; i = intensidade da chuva, em m/s; A = área de drenagem, em m 2 ; C = o coeficiente de escoamento ou deflúvio superficial (run off); Para considerar diferentes possibilidades de emprego de unidades emprega-se: Q s = c c. C. i. A (1.1) Onde c c = 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.

9 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

10 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, m 3 /s). - Vertedor triangular: Q = 1,42 H 2,5 (H em (m), Q em, m 3 /s) Equação válida para θ= 90.

11 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: Onde: Si - é a área da subseção (m 2 ); 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

12 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 (q i ):