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):