Escoamento Pluvial, Notas de estudo de Engenharia Civil

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TRABA

ENGENHARIA CIVIL

HIDROLOGIA APLICADA

ESCOAMENTO PLUVIAL

Belém

2009

• 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................. SUMÁRIO
• 2 ESCOAMENTO SUPERFICIAL............................................................................................
• 2.1 2.1. Intensidade e Duração da Precipitação....................................................................
• 2.2 2.2. Precipitação Antecedente........................................................................................
• 2.3 2.3. Fatores Fisiográficos.................................................................................................
• 2.4 2.4. Grandezas do Escoamento Superficial.....................................................................
• 2.4.1 2.4.1. Vazão (Q)...............................................................................................................
• 2.4.2 2.4.2. Tempo de Concentração (Tc).................................................................................
• 2.4.3 2.4.3. Tempo de recorrência ou de retorno (T)...............................................................
• 2.4.4 2.4.4. Nível de Água (h)...................................................................................................
• 2.4.5 2.4.5. Coeficiente do Escoamento (C).............................................................................
• 2.5 2.5. Hidrograma..............................................................................................................
• 2.5.1 2.5.1. Caracterís�cas do Hidrograma..............................................................................
• 3 INFILTRAÇÃO..................................................................................................................
• 3.1 3.1. Fatores que Influenciam na Infiltração.....................................................................
• 3.2 3.2. Fases da Infiltração..................................................................................................
• 3.3 3.3. Grandezas da Infiltração
• 3.4 3.4. Determinação da Quan�dade de Água Infiltrada.....................................................
• 3.4.1 3.4.1. Medição Direta da Capacidade de Infiltração.......................................................
• 3.4.2 3.4.1.1. Com Aplicação de Água Por Inundação.............................................................
• 3.4.3 3.4.1.2. Com Aplicação de Água Por Aspersão................................................................
• 3.5 3.4.2. Método de Horton................................................................................................
• 3.5.1 3.4.3. Método de Soil Conserva�on Service (SCS)..........................................................
• 4 ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO........................................................................................

Dependendo da quantidade de chuva o solo receberá uma grande quantidade de água e assim poder chegar rapidamente a seu ponto de saturação, onde ocorrerá somente o escoamento superficial, já que a água não consegue infiltra-se mais no solo devido não ter capacidade mais de absorção, ou seja, maior altura gera maior volume, intensidade e vazão de pico.

2.2. Precipitação Antecedente Esse fator tem que se levado em conta, pois se o solo ainda estiver muito úmido, ele fica mais próximo ao grau de saturação e a água não consegue infiltra-se mais, ocorrendo em pouco tempo somente o escoamento superficial.

2.3. Fatores Fisiográficos Esses fatores correspondem às formas, tamanho, relevo, pois maior declive gera maior velocidade, menor tempo de concentração e maior pico, levando a maior ou menor captação de água proveniente do escoamento ou mesmo da chuva e outro fator fisiográfico que é importante ser levado em conta é o tipo de solo e seu uso, pois quanto maior a capacidade de infiltração do solo, menor o risco de excesso de água superficial, assim diminuindo o risco de enchentes e a urbanização e o desmatamento reduzem a infiltração e aumentam o escoamento.

2.4. Grandezas do Escoamento Superficial Nos estudos que fazem sobre o escoamento superficial não é somente estudado os fatores que influenciam o escoamento, mas também as grandezas que são usadas como caracterizadoras do escoamento superficial tal como:

2.4.1. Vazão (Q) Define-se por vazão, o volume por unidade de tempo , que se escoa através de determinada seção transversal de um conduto livre (canal, rio ou tubulação com pressão atmosférica) ou de um conduto forçado (tubulação com pressão positiva ou negativa). Isto significa que a vazão é a rapidez com a qual um volume escoa.

2.4.2. Tempo de Concentração (Tc)

É o tempo necessário para que toda a área da bacia contribua para o escoamento superficial na seção de saída. Os fatores que influenciam este tempo numa bacia são: Forma, Declividade média da bacia, tipo de cobertura vegetal, Comprimento e declividade do curso principal e afluente, Distância horizontal entre o ponto mais afastado bacia e sua saída e as Condições do solo em que a bacia se encontra no inicio da chuva.

2.4.3. Tempo de recorrência ou de retorno (T) É o intervalo de tempo estimado de ocorrência de um determinado evento que é definido como o inverso da probabilidade de um evento ser igualado ou ultrapassado.

2.4.4. Nível de Água (h) Altura da superfície livre de uma massa de água em relação a um plano de referência, exemplifica-se quando ocorrem enchentes é que o nível de água já foi atingido provocando o transbordamento.

2.4.5. Coeficiente do Escoamento (C) O coeficiente de escoamento superficial ou coeficiente de deflúvio, ou ainda, coeficiente de Runoff, é definido como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado. Este coeficiente pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um intervalo de tempo onde várias chuvas ocorreram.

É claro que, conhecendo-se o coeficiente de Runoff para uma determinada chuva intensa de certa duração, pode-se determinar o escoamento superficial de outras precipitações de intensidades diferentes, desde que a duração seja a mesma. Este procedimento é muito usado para se prever a vazão de uma enchente provocada por uma chuva intensa.

2.5. Hidrograma O hidrograma pode ser entendido como a resposta da bacia hidrográfica a uma dada precipitação e a contribuição de um aqüífero.

Bacias mais íngremes tem tempo de concentração e tempo de base menores relativamente e maiores picos do escoamento;

Bacias mais vegetadas tem tempo de retardamento maiores relativamente, maior infiltração e menores picos;

Bacias com solos mais profundos (arenosos) apresentam tempo de ascensão e concentração maiores, relativamente, e baixo volume do escoamento superficial direto.

3. INFILTRAÇÃO Uma gota de chuva pode ser interceptada pela vegetação ou cair diretamente sobre o solo. A quantidade de água interceptada somente pode ser avaliada indiretamente e é normalmente pequena em relação a precipitação total. A água que atinge o solo poderá evaporar, penetrar no solo ou escoar superficialmente. A quantidade evaporada durante as chuvas intensas é desprezível em relação ao total precipitado.

A água infiltrada sofrerá a ação de capilaridade e será retida nas camadas superiores do solo se esta prevalecer sobre a força da gravidade. A medida que o solo se umedece a força da gravidade passa a prevalecer e a água percola em direção às camadas mais profundas. O conhecimento deste processo é essencial para o dimensionamento de projetos de irrigação.

3.1. Fatores que Influenciam na Infiltração Os principais fatores que influem no processo de infiltração no solo são:

• Umidade do solo - quanto mais saturado estiver o solo, menor será a infiltração;
• Geologia - a granulometria do solo condiciona a sua permeabilidade. Quanto mais fino for o solo menor será a infiltração;
• Ocupação do solo - os processos de urbanização e devastação da vegetação diminuem drasticamente a quantidade de água infiltrada ocorrendo o contrário com a aplicação de técnicas adequadas de terraceamento e manejo do solo;
• Topografia - declives acentuados favorecem o escoamento superficial direto diminuindo a oportunidade de infiltração;

• Depressões - a existência de depressões provoca a retenção da água diminuindo a quantidade de escoamento superficial direto. A água retida infiltra no solo ou evapora;
• Tipos e Condições dos Materiais Terrestres – a infiltração é favorecida pela presença dos materiais porosos e permeáveis, como solos e sedimentos arenosos. Por outro lado, materiais argilosos e rochas cristalinas pouco fraturadas são desfavoráveis a infiltração. Espessas coberturas de solo exercem um importante papel da infiltração retendo temporariamente parte da água de infiltração que posteriormente é liberada lentamente para a rocha subjacente. A quantidade de água transmitida pelo solo depende de uma característica chamada capacidade de campo, que corresponde ao volume de água absorvido pelo solo, antes de atingir a saturação, e que não sofre movimento para níveis inferiores. Este parâmetro influencia diretamente a infiltração, pois representa um volume de água que participa do solo mas que não contribui com a recarga de água subterrânea, sendo aproveitada somente pela vegetação;
• Cobertura Vegetal - em áreas vegetadas a infiltração é favorecida pelas raízes que abrem caminho para a água descente no solo. A cobertura florestal também exerce importante função no retardamento de parte da água que atinge o solo, através da interceptação, sendo o excesso letamente liberado para a superfície do solo por gotejamento. Por outro lado, nos ambientes densamente florestados, cerca de 1/3 da precipitação interceptada sofre evaporação antes de atingir o solo;
• Topografia – Em declives acentuados favorece o escoamento superficial direto, diminuindo a infiltração. Superfícies suavemente onduladas permitem o escoamento superficial menos veloz aumentando a possibilidade de infiltração;
• Ocupação do solo – o avanço da urbanização e a devastação da vegetação influenciam significativamente a quantidade de água infiltrada em adensamentos populacionais e zonas de intenso uso agropecuário. Nas áreas urbanas, as construções e a pavimentação impedem a infiltração aumentando o escoamento superficial e diminuindo a recarga subterrânea. Nas áreas rurais , a infiltração sofre diminuição pelo desmatamento principalmente, pois a exposição de vertentes através das plantações sem terraceamento e pela compactação do solo causado pelo pisoteamento de animais, como em extensas áreas de criação de gado,

3.2. Fases da Infiltração

Cobertura por vegetação – favorece a infiltração, já que dificulta o escoamento superficial da água.

3.4. Determinação da Quantidade de Água Infiltrada 3.4.1. Medição Direta da Capacidade de Infiltração

3.4.1.1. Com Aplicação de Água Por Inundação São constituídos de dois anéis concêntricos de chapa metálica, com diâmetros variando entre 16 e 40 cm, que são cravados verticalmente no solo de modo a restar uma pequena altura livre sobre este. Aplica-se água em ambos os cilindros mantendo uma lâmina líquida de 1 a 5 cm, sendo que no cilindro interno mede-se o volume aplicado a intervalos fixos de tempo. A finalidade do cilindro externo é manter verticalmente o fluxo de água do cilindro interno, onde é feita a medição da capacidade de campo.

3.4.1.2. Com Aplicação de Água Por Aspersão São aparelhos nos quais a água é aplicada por aspersão, com taxa uniforme, superior à capacidade de infiltração no solo, exceto para um curto período de tempo inicial. Delimitam- se áreas de aplicação de água, com forma retangular ou quadrada, de 0,10 a 40 m 2 de superfície; medem-se a quantidade de água adicionada e o escoamento superficial resultante, deduzindo-se a capacidade de infiltração do solo.

3.4.2. Método de Horton A capacidade de infiltração pode ser representada por:

f = fc + (f 0 - fc )e -kt

Onde : f 0 é a capacidade de infiltração inicial (t=0), em mm/h;

fc é a capacidade de infiltração final, em mm/h;

k é uma constante para cada curva em t -1^ ;

f é a capacidade de infiltração para o tempo t em mm/h.

Integrando-se a equação anterior, chega-se à equação que representa a infiltração acumulada, ou potencial de infiltração, dada por:

F = f c. t + ((f 0 - f c )/k).(1 - ek*t^ )

Onde: F é a quantidade infiltrada (ou a quantidade que iria infiltrar se houvesse água disponível), em mm.

3.4.3. Método de Soil Conservation Service (SCS) Fórmula proposta pelo SCS:

para P F 0B 3 0.2F 02 A S onde Pe - escoamento superficial direto em mm;

P - precipitação em mm; S - retenção potencial do solo em mm. S despende do tipo de solo 0.2F 02 A S é uma estimativa das perdas iniciais (interceptação e retenção).

Relação entre S e CN (“número de curva”):

ou rearranjando a equação anterior:

• Tipos de Solo e Condições e Ocupação. O SCS distingue em seu método 5 grupos hidrológicos de solos. Grupo A – Solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a 8 %. Grupo B – Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15 %. Grupo C – Solos barrentos com teor total de argila de 20 a 30 % mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras até profundidades de 1,2 m. Grupo D – Solos argilosos (30 – 40 % de argila total) e ainda com camada densificada a uns 50 cm de profundidade. Grupo E – Solos barrentos como C, mas com camada argilosa impermeável ou com pedras. 4. ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO É a fração de água que sofre infiltração, acompanhando seu caminho pelo subsolo, onde a força gravitacional e as características dos materiais presentes irão controlar o armazenamento e o movimento das águas. De maneira simplificada é água que continua a infiltrar-se e atinge a zona saturada, entra na circulação subterrânea e contribui para um aumento da água armazenada (recarga dos aquíferos). O topo da zona saturada corresponde ao nível freático. No entanto, a água subterrânea pode ressurgir à superfície (nascentes) e alimentar as linhas de água ou ser descarregada diretamente no oceano.

Um aquífero pode ser entendido como todo material geológico passível de armazenar e circular água, seja na zona saturada do solo ou nos poros, fraturas/fissuras das rochas. Pode ser livre, quando o nível piezométrico é igual ao nível da água, ou confinado quando está

limitado superior e inferiormente por formações impermeáveis ou praticamente impermeáveis e o nível piezométrico se encontra acima do nível da água. A recarga natural de um aquífero ocorre com a infiltração natural da água pluvial em áreas permeáveis, sendo posteriormente, armazenada no solo ou nas rochas.

Embora haja o consenso da importância dos recursos hídricos subterrâneos, principalmente, no que tange o abastecimento urbano, industrial e agrícola ainda existem atividades humanas que causam impactos negativos sobre eles. A falta de políticas de zoneamento, planejamento e ordenamento territorial causam a impermeabilização das áreas naturais de recarga e concentram o fluxo superficial da água gerando problemas como enchentes e inundações. Associado a falta de recarga, causada pela impermeabilização, encontramos a sobre-explotação da água subterrânea que pode causar o esgotamento do recurso inviabilizando-o para posterior utilização.

A recarga artificial pode ser tanto intencional quanto acidental. A recarga acidental ocorre com a incorreta disposição de efluentes em fossas sépticas não impermeabilizadas, infiltração em aterros sanitários e campos excessivamente irrigados, escoamento superficial de áreas urbanas, rupturas em sistemas de abastecimento de água e esgotos ou demais vazamentos.

A recarga intencional refere-se à introdução de água para o interior do aquífero, seja diretamente através de poços de injeção ou indiretamente através de bacias ou caixas de infiltração. Tem como objetivo aumentar a disponibilidade dos recursos hídricos subterrâneos, melhorar a qualidade da água, restabelecer o nível freático e novas condições de equilíbrio e diminuir o escoamento superficial. Pode-se utilizar água de rios e lagos, água residual resultantes de estações de tratamento, água dessalinizada e água da chuva e de escoamento superficial.

4.1. Caracterização

• Aquífero: é a formação geológica que contém água e permite que a mesma se movimente em condições naturais;
• Aquiclude: é uma formação geológica que contém água, mas não permite a sua movimentação;

4.3.2. Permeabilidade O principal fator que determina a disponibilidade de água subterrânea não é a quantidade de água que os materiais armazenam, mas a sua capacidade em permitir o fluxo de água através dos poros. Estas propriedades dos materiais conduzirem água é chamada de permeabilidade, que depende do tamanho dos poros e das conexões entre eles.

Um sedimento argiloso, apesar de possuir alta porosidade como vimos na tabela acima é praticamente impermeável, pois os poros são muito pequenos e a água fica presa por adsorção. Por outro lado, derrames basálticos, onde as rochas em si não tem porosidade alguma, mas possui abundante fraturas abertas e interconectadas, como disjunções colunares, (juntas de resfriamento) podem apresentar alta permeabilidade devido a esta porosidade primária.

Assim como a porosidade, a permeabilidade pode ser primária ou secundária.

4.3.3. Fluxo de Água no Subterrâneo Além da força gravitacional, o movimento da água subterrânea também é guiado pela diferença de pressão entre dois pontos, exercida pela coluna de água sobrejacente. Esta diferença de pressão é chamada de Potencial Hidráulico e promove o movimento da água subterrânea de pontos com alto potencial, como nas cristas do nível freático para zonas de baixo potencial como em fundo de vales. Esta pressão exercida pela coluna de água pode causar fluxo ascendente da água subterrânea, contrariando a gravidade, como no caso de porções profundas abaixo da crista, onde a água tende a subir para a zona de baixo potencial junto a leito de rios e lagos.

A união de pontos com o mesmo potencial hidráulico em sub superfícies define as linhas equipotenciais do nível freático, semelhante as curvas de nível topográfico. O fluxo de água partindo de um potencia maior para outro menor, define uma linha de fluxo, que segue o caminho mais curto entre dois potenciais diferentes, num traçado perpendicular às linhas equipotenciais.

4.3.4. Condutividade Hidráulica e a Lei de Darcy

A condutividade hidráulica é uma das propriedades físicas do solo mais importantes na determinação quantitativa e qualitativa do movimento da água no solo e no dimensionamento de sistemas de drenagem. A sua determinação pode ser realizada, utilizando-se métodos de laboratório e de campo. Os métodos de laboratório apresentam o inconveniente de usarem amostras de tamanho reduzido, e portanto, representativas de pequeno volume de solo. Os métodos de campo, apesar de laboriosos, são mais precisos, tendo em vista o maior volume de solo considerado sem alteração da sua estrutura.

A determinação da condutividade hidráulica experimentalmente é realizada via permeâmetro. O ensaio pode ser executado em regime permanente ou transiente. No regime permanente, o nível da água no reservatório é mantido constante através de uma reposição da água. Já no regime transiente, não há a reposição de água e o nível do reservatório varia ao longo do experimento.

Um inconveniente das determinações de condutividade hidráulica em laboratório é o pequeno tamanho da amostra que, possivelmente, não representa as condições médias do aqüífero. Em muitos casos é difícil conseguirem-se amostras indeformadas que representem as verdadeiras condições do aqüífero.

A Lei de Darcy rege o escoamento da água nos solos saturados e é representada pela seguinte equação:

Onde: V = velocidade da água através do meio poroso; K = condutividade hidráulica saturada dh = variação de Carga Piezométrica dx = variação de comprimento na direção do fluxo dh/dx = perda de carga Observação: Perda de carga é decréscimo na carga hidráulica pela dissipação de

Energia, devida ao atrito no meio poroso. O sinal negativo denota que a carga diminui à medida que “x” aumenta.

Além da exaustão do aqüífero, a superexplotação pode provocar: Indução de água contaminada causada pelo deslocamento da pluma de poluição para locais do aqüífero.

Subsidência de solos, definida como "movimento para baixo ou afundamento do solo causado pela perda de suporte subjacente", provocando uma compactação diferenciada do terreno que leva ao colapso das construções civis.

Avanço da cunha salina definida como o avanço da água do mar em subsuperfície sobre a água doce, salinizando o aqüífero, em áreas litorâneas. Sem dúvida, a maioria dos aqüíferos costeiros são suscetíveis à intrusão salina, que geralmente resulta da sobreexplotação em poços muito próximos do mar. Algumas das cidades que tiveram problemas de salinização de seus poços são, entre outras: Lima (Peru); Santa Marta (Colombia); Coro (Venezuela); Rio Grande e Natal (Brasil) e Mar deI Plata (Argentina). No caso de Buenos Aires-La Plata, o problema de salinização se deve ao conteúdo de sais de uma formação costeira. O crescimento desordenado do número de poços tem provocado significativos rebaixamentos do nível de água e problemas de intrusão salina em Boa Viagem, no Recife.

O desenvolvimento de poderosas bombas elétricas e a diesel permitiu a capacidade de extrair água dos aquíferos com maior rapidez do que é substituída pela chuva, sem considerar, ainda, que os aqüíferos têm diferentes taxas de recarga, alguns com recuperação mais lenta que outros.

Em quase todos os continentes, muitos dos principais aquíferos estão sendo exauridos com uma rapidez maior do que sua taxa natural de recarga. A mais severa exaustão de água subterrânea ocorre na Índia, China, Estados Unidos, Norte da África e Oriente Médio, causando um déficit hídrico mundial de cerca de 200 bilhões de metros cúbicos por ano.

Existem diversos exemplos no mundo de esgotamento de aqüíferos por superexplotação para uso em irrigação. O esgotamento das águas subterrâneas já provocou o afundamento dos solos situados sobre os aqüíferos na cidade do México e na Califórnia, Estados Unidos, assim como em outros países.

A utilização de poços, fontes e vertentes deve ter a orientação de um profissional habilitado nessa área, de modo que o seu uso não comprometa o uso futuro desses recursos (seja por uma possível contaminação ou a exploração de uma vazão superior à admissível), e

nem exponha a saúde da população abastecida a possíveis doenças de origem ou veiculação hídrica, devido à utilização de mananciais inadequados ou contaminados. Em suma, a compatibilização do uso dessa importante alternativa estratégica de abastecimento com as leis naturais que governam a sua ocorrência e reposição, além de proteger as áreas de recarga de possíveis contaminações poderá garantir a sua preservação e uso potencial pelas gerações futuras. Além disso, conhecer a disponibilidade dos sistemas aqüíferos e a qualidade de suas águas é primordial ao estabelecimento de política de gestão das águas subterrâneas.