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Capítulo
10 Geração de escoamento
V
azão é o volume de água que passa por uma determinada seção de um rio dividido por um intervalo de tempo. Assim, se o volume é dado em litros, e o tempo é medido em segundos, a vazão pode ser expressa em unidades de litros por segundo (l.s-1 ). No caso de vazão vazão de rios, rios, entretanto entretanto,, é mai maiss usual 3 -1 expressar a vazão em metros cúbicos por segundo (m .s ), sendo sendo que 1 m3.s-1 corresponde a 1000 l.s-1 (litros por segundo).
A vazão vazão de um rio rio é o resulta resultado do da inter interação ação entr entree a precipi precipitaç tação ão e a bacia, bacia, e depen depende de das características da bacia que influenciam a infiltração, armazenamento e evapotranspiração. O escoamento em uma bacia é, normalmente, estudado em duas partes: geração de escoamento e propagação de escoamento. O escoamento tem origens diferentes dependendo se está ocorrendo um evento de chuva ou não. Durante as chuvas intensas, a maior parte da vazão que passa por um rio é a água da própria chuva que não consegue penetrar no solo e escoa Escoamento superficial imediatamente, atingindo os cursos d’água e aumentando a vazão. É ocorre durante e desta forma que são formados os picos de vazão e as cheias ou imediatamente após a chuva. enchentes. O escoamento rápido que ocorre em conseqüência direta Escoamento subterrâneo subterrâneo é o das chuvas é chamado de escoamento superficial (figura 10.1). que mantém a vazão dos rios durante as estiagens.
Nos períodos secos entre a ocorrência de eventos de chuva a vazão de um rio é mantida pelo esvaziamento lento da água armazenada na bacia, especialmente da água subterrânea. Assim, o escoamento lento que ocorre durante as estiagens pode ser chamado de escoamento subterrâneo, porque a maior parte da água está chegando ao rio via fluxo de água através do subsolo.
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Figura 10.1: Hidrograma de um rio como resposta a um evento de chuva: durante e imediatamente após a chuva predomina o escoamento superficial, enquanto durante a estiagem predomina o escoamento subterrâneo.
Geração de escoamento durante a chuva No capítulo 7 é analisado o processo de infiltração de água da chuva no solo. Dependendo da intensidade da chuva, parte da água não consegue infiltrar no solo e começa a se acumular na superfície. Em determinadas condições a água começa a escoar sobre a superfície, formando pequenos córregos temporários ou escoando na forma de uma lâmina em superfícies mais lisas. O escoamento gerado desta forma é denominado escoamento superficial, e é importante porque gera os picos de vazão nos rios, como resposta aos eventos de chuva. A geração do escoamento é um dos temas mais complexos da hidrologia porque a variabilidade das características da bacia é muito grande, e porque a água pode tomar vários caminhos desde o momento em que atinge a superfície, na forma de chuva, até o momento em que chega ao curso d’água. Existem dois principais processos reconhecidos na formação do escoamento superficial: precipitação de intensidade superior à capacidade de infiltração; e precipitação sobre solos saturados.
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Se 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). 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, onde o 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.
Volume de escoamento: método SCS 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). De acordo com este método, a lâmina escoada durante uma chuva é dada por: Q
=
S =
(P − Ia )2 (P − Ia + S ) 25400
CN
quando
P
> Ia
e Q = 0 quando
P
≤ Ia
− 254
onde Q é a lâmina escoada ou volume de escoamento dividido pela área da bacia (mm) também chamada “chuva efetiva”; P é a precipitação durante o evento (mm); S é um parâmetro que depende da capacidade de infiltração e armazenamento do solo (parâmetro adimensional CN – veja tabela 10.1); e Ia é uma estimativa das perdas iniciais de água, dado por Ia=S/5.
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Tabela 10.1: Valores aproximados do parâmetro CN para diferentes condições de cobertura vegetal, uso do solo e tipos de solos (A: solos arenosos e de alta capacidade de infiltração; B: solos de média capacidade de infiltração; C solos com baixa capacidade de infiltração; D solos com capacidade muito baixa de infiltração). Condição Florestas Campos Plantações Zonas comerciais Zonas industriais Zonas residenciais
A 41 65 62 89 81 77
B 63 75 74 92 88 85
C 74 83 82 94 91 90
D 80 85 87 95 93 92
(adaptado de Tucci et al., 1993)
EXEMPLO
1) Qual é a lâmina escoada superficialmente durante um evento de chuva de precipitação total P = 70 mm numa bacia com solos do tipo B e com cobertura de florestas? 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: S =
25400
CN
− 254
= 149,2 mm
A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia: Ia
=
S 5
=
29,8
Como P > Ia, o escoamento superficial é dado por: Q
=
(P − Ia )2 (P − Ia + S )
= 8,5 mm.
Portanto, a chuva de 70 mm provoca um escoamento de 8,5 mm.
O método do SCS também pode ser utilizado para calcular o escoamento superficial de uma bacia durante um evento de chuva complexo, em que existem informações de
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precipitação para vários intervalos de tempo. Esta alternativa é interessante quando se deseja saber, além do valor do escoamento total, como foi sua distribuição temporal. Para calcular o escoamento em diferentes intervalos de tempo, utilizando o método do SCS, deve-se, primeiramente, calcular valores acumulados de chuva. A partir dos valores acumulados de chuva são calculados os valores acumulados de escoamento superficial, usando a mesma metodologia do exemplo anterior. Finalmente, a partir dos valores acumulados de escoamento superficial são calculados os valores incrementais de escoamento superficial.
EXEMPLO
2) Qual é a lâmina escoada superficialmente durante o evento de chuva dado na tabela abaixo numa bacia com solos com média capacidade de infiltração e cobertura de pastagens?
Tempo (min) 10 20 30 40
Precipitação (mm) 5 6 14 11
A bacia tem solos de média capacidade de infiltração, o que corresponde ao tipo B. A cobertura vegetal é de pastagens. Conforme a tabela anterior o valor do parâmetro CN é 75 para esta combinação. A partir deste valor de CN obtém-se o valor de S: S =
25400
CN
− 254
= 84,7 mm
A partir do valor de S obtém-se o valor de Ia = 16,9. A chuva de cada intervalo de tempo é somada à chuva total até o final do intervalo de tempo anterior, resultando na chuva acumulada, como mostra a tabela a seguir. Tempo (min) Precipitação (mm) Precipitação acumulada (mm) 10 5 5 20 6 11 30 14 25 40 11 36 Para cada intervalo de tempo, pode se usar o método do SCS para calcular o escoamento total acumulado até o final do intervalo de tempo. Enquanto a precipitação acumulada é inferior a Ia, o
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escoamento acumulado é zero. A partir do intervalo de tempo em que a precipitação acumulada supera o valor de Ia, o escoamento acumulado é calculado por Q
=
(P − Ia )2 (P − Ia + S )
como mostra a tabela a seguir. Tempo (min) Precipitação (mm) Precipitação acumulada (mm) Escoamento acumulado (mm) 10 5 5 0,0 20 6 11 0,0 30 14 25 0,7 40 11 36 3,5 Observa-se que o momento de máximo escoamento superficial ocorre entre os 30 e 40 minutos da duração da chuva. Nestes 10 minutos o escoamento é de 3,5 mm. É interessante observar que este não é o momento de máxima intensidade de precipitação.
O método do SCS pode ser utilizado quando uma bacia não tem cobertura vegetal homogênea, ou quando existem dois ou mais tipos de solos na bacia. Neste caso, o valor do CN é calculado como uma média ponderada dos valores de CN.
EXEMPLO
3) Qual é o valor do coeficiente CN de uma bacia em que 30% da área é urbanizada e em que 70% é rural? Considere que os solos são extremamente argilosos e rasos. Solos rasos e muito argilosos normalmente tem capacidade de infiltração baixa ou muito baixa, por isso pode-se considerar que os solos são do tipo D, de acordo com a classificação do SCS. Na área rural não está especificado se são plantações (CN=87), campos (CN=85) ou florestas (CN=80). Considerando que a área rural é coberta por campos, adota-se o CN=85. Na área urbana não está especificado se são áreas industriais, comerciais ou residenciais, mas os valores de CN são sempre relativamente próximos de 93, por isso adotamos este valor. O CN médio da bacia pode ser obtido por CN = 0,3 . 93 + 0,7 . 85 = 87,4
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Exercícios 1) Como se origina o escoamento superficial em uma bacia durante as chuvas? 2) Em que parte de uma bacia hidrográfica ocorre preferencialmente a geração de escoamento superficial? 3) O que é a chuva efetiva? 4) Qual é a lâmina escoada superficialmente durante um evento de chuva de precipitação total P = 60 mm numa bacia com solos do tipo B e com cobertura de florestas? 5) O que ocorreria com o escoamento no problema anterior caso as florestas fossem substituídas por plantações? 6) Qual é a lâmina escoada superficialmente a cada intervalo de tempo durante o evento de chuva dado na tabela abaixo numa bacia rural com solos com alta capacidade de infiltração? Qual é o intervalo de tempo em que é gerado o máximo escoamento superficial? Tempo (min) 10 20 30 40 50
Precipitação (mm) 5 16 14 11 5
7) Qual o incremento de escoamento total que ocorre se a bacia do exercício anterior for urbanizada? E qual o incremento no escoamento máximo?
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