Escoamento
Benedito C. Silva
IRN UNIFEI
Resposta da bacia para uma chuva
de curta duração
15 minutos
tempo
P
Q
tempo
Tipos de escoamento bacia
• Superficial
• Sub-superficial ??
• Subterrâneo
Início da chuva:
- Infiltração
- escoamento superficial (se a
intensidade for maior do que a
capacidade de infiltração)
Após algum tempo com
chuva...
- Infiltração
- escoamento superficial
- escoamento subterrâneo
Camada saturada
Em alguns casos...
-
Infiltração
escoamento superficial
escoamento subterrâneo
Escoamento sub-superficial
Depois da chuva...
- Escoamento sub-superficial
- Escoamento subterrâneo
Camada saturada
Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
• Estiagem muito longa = rio seco
Rios intermitentes
Camada saturada
Escoamento superficial
•
Geração de escoamento na bacia
•
Escoamento até a rede de drenagem
•
Escoamento em rios e canais
•
Escoamento em reservatórios
Formação do escoamento
superficial
Precipitação que atinge áreas
impermeáveis
 Precipitação intensa que atinge áreas de
capacidade de infiltração limitada
 Precipitação que atinge áreas saturadas

Fonte: Rampelloto et al. 2001
Áreas impermeáveis



Telhados
Ruas
Passeios
Geração de escoamento superficial é quase imediata
Infiltração é quase nula
Áreas de capacidade de infiltração
limitada
Gramados
Solos compactados
Solos muito argilosos
Capacidade de infiltração é baixa
Intensidade da chuva x capacidade
de infiltração
Precipitação
Escoamento
Infiltração
Infiltração
tempo
Escoamento em áreas de solo
saturado
Precipitação
Infiltração
Escoamento em áreas de solo
saturado
Precipitação
Solo saturado
Escoamento em áreas de solo
saturado
Precipitação
Escoamento
Solo saturado
Hidrograma

O hidrograma é o gráfico que relaciona a
vazão ao tempo e é resultado da interação
de todos os componentes do ciclo
hidrológico.
Heterogeneidade da bacia
Caminhos que a água percorre
Hidrograma 1
Hidrograma 2
Hidrograma 3
Hidrograma 4
Hidrograma 5
Hidrograma 6
Hidrograma 7
Hidrograma 8
Hidrograma 9
Hidrograma 10
Hidrograma 11
Hidrograma 12
Hidrograma 13
Hidrograma 14
Hidrograma 15
Hidrograma 16
Fases 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
3
2
4
Superficial
e
Sub-superficial
5
6
1
Escoamento subterrâneo
Fases do hidrograma
pico
Superficial
e
Sub-superficial
recessão
Escoamento subterrâneo
Forma do hidrograma
Bacia montanhosa
Q
Bacia plana
tempo
Forma do hidrograma
Bacia urbana
Q
Bacia rural
tempo
Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido
Forma da bacia X hidrograma
Bacia circular
Q
Bacia alongada
tempo
Tipo de solo x forma do hidrograma
Bacia com solo raso
Q
Bacia com solo profundo
tempo
Hidrograma - exemplo
3000
Rio São Francisco em Porto das Andorinhas
2500
Vazão (m3/s)
2000
1500
1000
500
0
9/1/91
12/1/91
3/1/92
6/1/92
9/1/92
6000
Rio São Francisco em Pirapora-Barreiro (jusante de Três Marias)
5000
Hidrograma alterado
pela operação do
reservatório de Três
Marias
3
Vazão (m /s)
4000
3000
2000
1000
0
9/1/91
3/1/92
9/1/92
Influência do tipo de solo
800
Rio Corrente
Rio Verde Grande
700
Solo profundo
600
500
3
Vazão (m /s)
Áreas: 30.000 km2
400
300
200
Solo raso
100
0
1/1/77
1/1/79
1/1/81
1/1/83
1/1/85
1/1/87
Separação dos escoamentos no
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
Separação do Escoamento



A separação do escoamento de base Qb do escoamento superficial
(Qs) é realizada a partir da ligação dos pontos A e C do hidrograma
por uma linha reta.
Qs encontra-se acima da reta AC
Qb encontra-se abaixo da reta AC
Q
Escoamento Superficial
C
A
Escoamento de Base
t
ti
tf
tb
Separação do Escoamento
Precipitação
Efetiva (Pe):
i, f
t
Parte da Chuva
que infiltra

A  O ponto A é
caracterizado pelo início
da
ascensão
do
hidrograma;

C  O ponto C é
caracterizado pelo término
do escoamento superficial
e pelo início da recessão,
ou pela mudança de
declividade
no
hidrograma.
Escoamento
Superficial
Q
C
A
Escoamento
de Base
t
ti
tf
tb
Separação do Escoamento
Q
B
(Qs) (t)
Q(t)
Qb (t)
A
C
t
t
Q(t)  Vazão total do escoamento para o tempo t;
(Qs) (t)  Vazão do escoamento superficial para o tempo t;
Qb(t)  Vazão do escoamento de base para o tempo t.
Separação do Escoamento

Obtém-se assim o hidrograma do escoamento superficial
(Qs)
A
ti
B
C
tf
t
Separação de Escoamento
Precipitação
tempo
P
Q
tempo
Separação de Escoamento
Escoamento
Infiltração
tempo
P
Q
tempo
Separação de Escoamento
Escoamento
Infiltração
tempo
P
infiltração decresce
durante o evento
de chuva
Q
tempo
Separação de Escoamento
Escoamento
Infiltração
tempo
P
parcela que não
infiltra é responsável
pelo aumento da
vazão no rio
Q
tempo
Parte azul, que escoa superficialmente, é chamada de chuva efetiva
Chuva Efetiva
A parcela da chuva que se transforma em
escoamento superficial é chamada chuva
efetiva.
Como calcular?

Usar métodos simplificados:
 capacidade
de infiltração constante
 infiltração proporcional à intensidade de
chuva
 método SCS
Como
Como calcular?
calcular?
Escoamento
Infiltração
tempo
P
Infiltração constante
Q
tempo
Como calcular?
Escoamento
Infiltração
tempo
Infiltração proporcional
P
Q
tempo
Como calcular?
Escoamento
Infiltração
tempo
Método SCS:
P
Q
Perdas iniciais
+
Infiltração diminuindo
tempo
Como estimar chuva “efetiva”

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).
O método SCS
Para uma dada chuva, obtém escoamento, considerando um parâmetro (CN)
Origem do método SCS




US Soil Conservation Service (atual
Natural Resources Conservation
Service)
Surgido na década de 1950
Preocupação com erosão
Estimativa expedita de volumes
escoados para determinadas chuvas
Método do Soil Conservation
Service
Escoamento
Infiltração
tempo
P
Q
Perdas iniciais
+
Infiltração diminuindo
tempo
Precipitação Efetiva(Pe)

Método SCS
Pe 
 P  Ia 
2
 P  Ia  S 
Pe  0
Ia 
quando
quando
P  Ia
Pe = Precipitação efetiva acumulada (mm)
P = chuva acumulada em mm
Ia = Perdas iniciais
S = parâmetro de armazenamento
P  Ia
S
5
25400
S
 254
CN
0 ≤ CN ≤ 100
Método do SCS
Exemplos de tabelas para o CN
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
Tipos de solos do SCS
A – arenosos e profundos
B – menos arenosos ou profundos
C – argilosos
D – muito argilosos e rasos
Superfície
Solo A
Solo B
Solo C
Solo D
Florestas
25
55
70
77
Zonas
industriais
81
88
91
93
Zonas
comerciais
89
92
94
95
Estaciona
mentos
98
98
98
98
Telhados
98
98
98
98
Plantações
67
77
83
87
Valores de CN
Grupos Hidrológicos de Solos
Grupo A
solos arenosos, com baixo teor de argila total (inferior a 8%), sem rochas,
sem camada argilosa e nem mesmo densificada até a profundidade de
1,5m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo 1%
Grupo B
solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de
argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas este
limite pode subir a 20% graças a maior porosidade. Os dois teores de
húmus podem subir, respectivamente, a 1,2% e 1,5%. Não pode haver
pedras e nem camadas argilosas até 1,5m, mas é quase sempre presente
uma camada mais densificada que a camada superficial
Grupo C
solos barrentos, com teor de argila de 20 a 30%, mas sem camadas
argilosas impermeáveis ou contendo pedras até a profundidade de 1,2m.
No caso de terras roxas, estes dois limites máximos podem ser de 40% e
1,5m. Nota-se, a cerca de 60cm de profundidade, camada mais
densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de
impermeabilidade
Grupo D
solos argilosos (30 a 40% de argila total) e com camada densificada a uns
50cm de profundidade ou solos arenosos como B, mas com camada
argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados
Exercício 1
Chuva com apenas 1 intervalo de tempo
Exemplo
Chuva com vários intervalos
Qual é o escoamento superficial gerado pelo
evento de chuva dado na tabela abaixo numa
bacia com CN = 80?
Tempo
(min)
Chuva
(mm)
10
5.0
20
7.0
30
9.0
40
8.0
50
4.0
60
2.0
Chuva (mm)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Chuva (mm)
10
20
30
40
50
60
Solução

O primeiro passo é estimar CN. No caso,
foi dado e é igual a 80
Com CN estimar S

25400
25400
S
 254 
 254  63, 5
CN
80
Com S estimar Ia

S 63,5
Ia  
 12, 7
5
5
Solução
Calcular a chuva acumulada
Tempo
(min)
Chuva
(mm)
Chuva
acumulad
a (mm)
10
5.0
5.0
20
7.0
12.0
30
9.0
21.0
40
8.0
29.0
50
4.0
33.0
60
2.0
35.0
Cálculo da parcela que irá escoar
superficialmente (Pe)
Chuva acumulada maior que Ia?
Sim, use:
 P  0, 2  S 
Pe 
2
para calcular escoamento acumulado, onde
P é a precipitação acumulada
P  0,8  S
Não, então Pe = 0
Tempo
(min)
Chuva
(mm)
Chuva
acumulada
(mm)
Pe
acumulada
(mm)
10
5.0
5.0
0.0
20
7.0
12.0
0.0
30
9.0
21.0
1.0
40
8.0
29.0
3.3
50
4.0
33.0
4.9
60
2.0
35.0
5.8
Calcular o valor de Pe de cada
intervalo
Pe por Intervalo é o valor de Pe acumulado até o fim do intervalo
k menos o valor de Pe acumulado até o fim do intervalo k-1
A infiltração em cada intervalo será a Chuva menos o Pe por
intervalo
Tempo
(min)
Chuva
(mm)
Chuva
acumulada
(mm)
Pe
acumulada
(mm)
Pe por
intervalo
(mm)
Infiltração
(mm)
10
5.0
5.0
0.0
0.0
5.0
20
7.0
12.0
0.0
0.0
7.0
30
9.0
21.0
1.0
1.0
8.0
40
8.0
29.0
3.3
2.3
5.6
50
4.0
33.0
4.9
1.6
2.4
60
2.0
35.0
5.8
0.9
1.1
Graficamente...
Chuva
10
20
30
Chuva acumulada
40
50
60
10
0
0
5
10
10
20
30
40
50
60
20
15
30
20
25
40
30
50
Chuva, escoamento e infiltração acumulada
10
0
10
20
30
40
50
20
30
40
50
Chuva, escoamento e infiltração
60
10
0
2
4
6
8
10
12
14
20
30
40
50
60
Efeito do CN
CN = 80
CN = 90
Chuva, escoamento e infiltração
Chuva, escoamento e infiltração
10
20
30
40
50
10
60
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
20
30
40
50
60
Exercício 2
Chuva com vários intervalos
CN composto

Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70
% de área rural, com pastagens, cultivos e florestas
(CN = 78)
CNmedio  0,30 CNurbano  0,70 CNrural
CNmedio  83,1
Analisando o efeito da
urbanização
O exemplo a seguir mostra como é
possível usar o cálculo do
escoamento pelo método SCS para
avaliar o efeito hidrológico da
urbanização de uma bacia.
 situação
original: 30% urbana; 70%
rural
 situação modificada: 100% urbana
Exemplo SCS
Bacia com 30 % de área urbana densa (CN = 95) e 70 % de
área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)

Chuva, escoamento e infiltração
10
Chuva acumulada = 35 mm
Chuva efetiva = 8 mm
Infiltração = 27 mm
0
2
4
6
8
10
12
14
20
30
40
50
60
Exemplo SCS cenário futuro
Bacia com 100 % de área urbana densa (CN = 95) e 0 % de
área rural, com pastagens, cultivos e florestas (CN = 78)

Chuva, escoamento e infiltração
10
Chuva acumulada = 35 mm
Chuva efetiva = 22,9 mm
Infiltração = 12,1 mm
20
30
40
0
2
4
6
8
10
12
14
Quase 3 vezes mais escoamento!
50
60
Comportamento da vazão antes e após a
urbanização
Q
pós-urbanização
pré-urbanização
DQ
Dt
t
Agra, 2002
Considerações finais
Modelo
SCS é simplificado
 Diferentes
usuários chegarão a resultados
diferentes dependendo do CN adotado
 Bacias
 Para
pequenas e urbanas
eventos simples