O escoamento superficial

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Curso de Engenharia Agrícola, para obtenção do título de “Magister Scientiae”.

1. INTRODUÇÃO

Hidrologia

Relação hidrologia x bacias geográficas

Introdução ao escoamento

Problemas relacionados

Importância da estimativa

Objetivo do trabalho

Organização do trabalho

2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1. Escoamento Superficial

O escoamento superficial (ES) consiste no deslocamento das águas sobre a superfície do solo, sendo gerado fundamentalmente pela precipitação. Conforme Tucci (2001), “o escoamento é regido por leis físicas e representado quantitativamente por variáveis como vazão, profundidade e velocidade.” O escoamento superficial é parte integrante do ciclo hidrológico, pois, da água que chega ao solo, parte se infiltra e parte se acumula na superfície do solo, uma vez que sua capacidade de infiltração é limitada. O escoamento se inicia quando a taxa de infiltração do solo se torna menor que a intensidade da precipitação e a capacidade de acumulação da água nas depressões do solo se esgota (SILVA, 1999).

2.1.1. Ciclo Hidrológico

Segundo Tucci (2001), o ciclo hidrológico consiste no sistema de circulação da água entre a atmosfera e a superfície terrestre ( 1). A água tem seu movimento impulsionado pela energia solar, pela rotação terrestre e pela gravidade, e este movimento ocorre em dois sentidos. No sentido superfície-atmosfera, o fluxo da água ocorre em forma de vapor, no sentido atmosfera-superfície, o fluxo ocorre principalmente na forma de precipitação e neve.

O ciclo hidrológico pode ser explicado iniciando-se pela incidência da energia solar sobre a superfície da terra (1), fazendo com que a água dos cursos d‘água passe do estado líquido para o estado gasoso, processo chamado de evaporação (2). Além disso, os animais e a vegetação transpiram, fato que contribui no processo de evaporação. O conjunto destes dois processos é chamado de evapotranspiração. (SILVA, 2002)

Conforme Silva (1999), a água evaporada tem sua temperatura diminuida a medida que atinge a atmosfera, e este fator provoca a formação de pequenas gotas de água, a chamada condensação. Com a ação dos ventos e das correntes atmosféricas, as gotas de água vão se unindo e formando as nuvens (3), até se tornarem pesadas demais e retornarem a superfície terrestre em forma de precipitação, granizo ou neve (4). Ao retornar a superfície terrestre, a água atinge a vegetação, solo e cursos d'agua, escorrendo para os lençóis subterrâneos, lagos, rios, mares e oceanos (5). A partir deste momento, a água é exposta novamente a ação da radiação solar e, portanto, novamente ao processo de evaporação (1).

Dentro do ciclo hidrológico, o escoamento pode se apresentar de três formas (PINTO, 1976):

* Escoamento superficial: corresponde a água que, após atingir o solo, acumula-se, vence o atrito com o solo e movimenta-se para áreas mais baixas, sendo este o tipo de escoamento a ser estudado neste trabalho;

* Escoamento subsuperficial: escoamento que ocorre na camada superficial do solo, sendo difícil sua separação do escosamento superficial;

* Escoamento subterrâneo: representado pelo escoamento nos aquíferos, que, em épocas de estiagem, contribuem para a alimentação dos cursos d'água.

A apresentação do escoamento superficial é modificada, de uma forma para outra, através do seu processo de formação.

2.1.2. Processo de formação do escoamento superficial

No início, o escoamento superficial apresenta-se como um filete de água que, com a continuidade da precipitação, vai se tornando mais espesso, até se juntar em corredeiras e cursos d'água. Segundo Pinto (1976), a tragetória da água que escorre é determinada, principalmente, pelas linhas de maior declive do terreno e pelos obstáculos existentes.

A infiltração é o processo pelo qual a água atravessa a superfície do solo, sendo que suas taxas têm comportamentos inversos até se estabilizarem, ou seja, sob uma intensidade constante de chuva, à medida que a infiltração diminui, o escoamento aumenta, até que esse processo se estabilize (SPOHR, 2009).

O escoamento superficial possui diversas fases, que se encontram entre a ocorrência da precipitação e do escoamento. O ciclo do escoamento inicia-se com a ocorrência da precipitação Nesta fase, parte da água precipitada é interceptada pela vegetação, caso ela exista, parte cai diretamente sobre cursos d'água e parte cai sobre o solo, infiltrando-se (SILVA, 1999). Nesta etapa não há, portanto, contribuição para o escoamento superficial, pois a água que chega à vegetação é retida pela mesma e posteriormente evaporada e a água que chega ao solo se infiltra.

Na segunda fase, como a capacidade de retenção da água pela vegetação já está reduzida e a água que atinge a planta escoa-se pelo tronco até chegar ao solo, a velocidade de infiltração do solo também reduziu e a água que chega ao solo começa a se acumular nas depressões rasas do mesmo. Se a precipitação continuar, a água acumulada forma uma lâmina sobre o solo, que começa a se mover, iniciando o escoamento superficial. Nesta fase, a água infiltrada move-se para a camada mais profunda do solo, alimentando os aqüíferos subterrâneos enquanto que a parcela que contribui para o escoamento move-se em direção aos talvegues, alimentando os cursos d'água. Esse processo continua até que a precipitação cesse (SILVEIRA, 2001).

Por fim, na terceira fase, quando a precipitação para, os processos de infiltração e retirada de água pela vegetação continuam, estabilizando-se com passar do tempo, até que uma nova precipitação ocorra.

2.1.3. Fatores que influenciam o escoamento superficial

O escoamento superficial pode ser influenciado por fatores agroclimáticos. Quanto maior for a duração, a quantidade e a intensidade da precipitação, maior é a tendência de ocorrência de escoamento superficial. Dentre os fatores agroclimáticos que interferem na interceptação da água, podem ser citados a cobertura do solo e o tipo de uso do solo. A evapotranspiração também influencia este processo porque quanto maior se apresentar, menor será a umidade do solo no momento da precipitação. Este fato aumenta a capacidade de infiltração do solo e, conseqüentemente, diminui a porção de água que se acumulará na superfície do solo (PRUSKI, 2004).

Fatores fisiográficos também alteram o comportamento do escoamento superficial, pois quanto maior a área e a declividade da bacia, maiores serão o volume e a velocidade do escoamento superficial e menor será a infiltração de água no solo. Este fator contribui para o aumento da capacidade de transporte das partículas pelo escoamento superficial e do próprio desprendimento das partículas do solo, pela ação de cisalhameento (COGO et al., 2003).

A forma da bacia hidrográfica também é significativa. Quanto mais circular for uma bacia, maior a tendência de concentração de água para contribuição no escoamento superficial. Portanto, dentre os fatores fisiográficos destacam-se a área e a declividade da bacia hidrográfica e as características do solo, como taxa de infiltração, topografia, rede de drenagem e a existência de obras hidráulicas para contenção do escoamento superficial, no entanto, sua determinação é difícil (PRUSKI, 2004)

2.1.4. Consequências do escoamento superficial

No processo de escoamento superficial, a água escoada leva consigo partículas de solo e retira sua camada mais fértil, contendo matéria orgânica. A presença de matéria orgânica constitui-se fator importante para as características físicas, químicas e biológicas do solo, sendo um dos principais parâmetros de avaliação da qualidade e fertilidade do solo. (SOUZA et al, 2007) Portanto, é desejável a conservação da matéria orgânica no solo, o que não ocorre com o escoamento superficial. Conforme Montebeller (2009), a perda da camada superficial do solo poderá ocasionar, nas próximas décadas, a insuficiente produção de alimemtos para alimentar a população mundial.

Além da camada superficial do solo, o escoamento transporta também compostos químicos, sementes e defensivos agrícolas, trazendo prejuízos financeiros para a área agrícola, podendo causar a contaminação de cursos d'água e restringindo ou até mesmo impedindo a utilização de recursos hídricos. Segundo Oliveira et al (2005), o escoamento superficial é considerado, atualmente, a principal forma de contaminação dos mananciais de água superficial, devido, justamente, ao transporte de sedimentos e produtos químicos, podendo, estes últimos, serem responsáveis pela deteriorização imediata do curso d'água, ao passo que o transporte de sedimentos trazem impactos negativos, como a erosão hídrica.

“A erosão hídrica ocorre quando há ruptura do equilíbrio natural existente no solo, e as forças advindas de fatores climáticos, como a chuva e o vento, passam a ser suficientes para desequilibrar esse sistema.” (PEREIRA et al, 2003) A erosão hídrica consiste no desprendimento e transporte de partículas do solo, causados pela ação do escoamento superficial. Os sedimentos transportados pela água apresentam-se dispersos, em suspensão ou na forma de agregados de vários tamanhos. Estes agregados se movem por salpico, rolagem e arraste, enquanto que os sedimentos em suspensão estão distribuídos uniformemente na lâmina escoada. Conforme Reichert & Cabeda (1992), o processo de erosão hídrica é composto por três fases, desagregação, transporte e deposição, sendo a primeira causada pelo impacto das gotas de chuva sobre o solo, a segunda, pela ocorrência do escoamento superficial, e a terceira, pela diminuição da velocidade da água escoada.

O escoamento superficial atua, portanto, nas fases dois e três da erosão hídrica. Na segunda fase, a água escoada remove desde a camada superficial do solo, no início do escoamento, podendo chegar a causar a erosão em sulcos e voçorocas, quando a velocidade e concentração do escoamento aumentam. (REICHERT & CABEDA, 1992)

A ocorrência e intensidade da erosão hídrica depende de um conjunto de fatores, como a duração e intensidade da chuva, a capacidade do solo de reter água, a declividade do terreno, os métodos de cultivos existentes no solo e a densidade da cobertura vegetal. Estes fatores determinam a erodibilidade do solo. (OLIVEIRA et al, 2005).

Segundo Pereira (2000), “as perdas por erosão tendem a elevar os custos de produção, tendo em vista a necessidade de aumento do uso de corretivos e fertilizantes e a redução no rendimento operacional das máquinas agrícolas.” O processo de erosão hídrica acarreta prejuízos agrícolas, uma vez que o solo se deteriora, podendo ficar impróprio para o cultivo ou precisando de um intenso trabalho mecânico para permitir a sua utilização na agricultura. Conforme PEREIRA et al (2003)

No Brasil, localizado em grande parte na região tropical, a erosão hídrica apresenta maior interesse por ser de ocorrência mais freqüente, processar-se com maior rapidez e causar grandes prejuízos não só ao setor agrícola, como também a diversas outras atividades econômicas e ao próprio meio ambiente.

O escoamento superficial também pode promover o selamento superficial do solo, pois as pequenas partículas que se desprendem pelo movimento da água sofrem movimentos descendentes e se depositam novamente no solo, entupindo seus macroporos. Conforme Valentin & Bresson (1992 apud SOUZA, 2007), o selamento superficial cria uma fina crosta, cuja espessura pode variar de 0,1 mm até 50 mm ou mais, sendo este encrostamento responsável pela diminuição ou até impedimento da infiltração da água. Este fato proporciona o aumento do escoamento superficial e a potencialização de processos erosivos.

A partir das consequências do escoamento superficial descritas aqui, conclui-se que este fenômeno constitui um problema ambiental e, portanto, faz-se necessário o estudo de formas de contê-lo e direcioná-lo, visando meios de impedir e/ou amenizar suas consequências.

2.1.5. Contenção e direcionamento do escoamento superficial

Existem práticas que podem ser implementadas para que a água advinda do escoamento superficial seja contida e direcionada, amenizando, desta forma, as consequências do mesmo. Essas práticas perpassam pelo uso de vegetação e preparo do solo até a utilização de máquinas agrícolas. Algumas práticas edáficas, vegetativas e mecânicas são descritas nas seções a seguir.

2.1.5.1. Práticas edáficas

As práticas conhecidas como edáficas são aquelas em que se busca adequar o sistema de cultivo para manter ou melhorar a fertilidade do solo. Dentre elas, podem ser citadas, conforme Pruski (2008):

* Controle de queimadas: prática que consiste em colocar fogo, de forma controlada, em áreas delimitadas, tendo por objetivo a limpeza da área, dos resíduos de culturas passadas, e o controle de pragas e doenças que atacam as culturas. Apesar desta prática poder trazer prejuízos de fertilidade ao solo a longo prazo, após o seu uso, o desenvolvimento vegetativo é aumentado, pois é beneficiado pelo componentes nutritivos contidos nas cinzas resultantes do processo;

* Adubação química: reposição de nutrientes ao solo através da utilização de compostos químicos;

* Adubação orgânica: utilização de esterco sobre o solo, para reposição da matéria orgânica e nutrientes, propiciando um maior desenvolvimento das culturas;

* Calagem: aplicação de cálcio diretamente no solo, visando a redução da acidez do mesmo e, consequentemente, uma maior produção das culturas.

2.1.5.2. Práticas vegetativas

As práticas de caráter vegetativo referem-se a utilização de vegetação para aumentar a cobertura do solo, minimizando os impactos da precipitação e do escoamento superficial. Algumas práticas de caráter vegetativo são (PRUSKI, 2008):

* Florestamento e reflorestamento: consiste na manutenção de vegetação densa e permanente em solos de baixa fertilidade e suscetíveis à erosão, visando a recuperação de solos desgastados e a proteção de cursos d'água;

* Manutenção da superfície do solo coberta: cultivar plantas secundárias em áreas de cultivo, como leguminosas, gramíneas e plantas nativas, para que a área coberta do solo aumente. Além disso, estas plantas também ajudam na proteção da matéria orgânica no solo, mantendo-a protegida dos efeitos dos fatores meteorológicos. Existe, porém, a necessidade de cuidado com a proliferação de pragas e doenças, evitando prejuízos no cultivo principal;

* Ceifa das plantas daninhas: retirada da parte superior das plantas daninhas, dispondo-as sobre a superfície do solo e mantendo apenas um pequeno pedaço da vegetação plantada. Desta forma, preserva-se o sistema radicular e a cobertura do solo. Porém, o controle sobre o crescimento das plantas daninhas deve ser intenso para que a cultura principal não seja prejudicada;

* Rotação de culturas: visa o planejamento de uma sequência de plantio de determinadas culturas e a alternância das mesmas em uma área. Praticar a rotação de culturas traz benefícios, como a manutenção da produtividade, o controle da erosão e aumento do teor de matéria orgânica do solo.

2.1.5.3. Práticas mecânicas

Nas práticas mecânicas, o solo é utilizado para a construção de estruturas que proporcionem um retardamento do escoamento superficial e um condiciomento do mesmo para locais pré-determinados. Estas práticas são adotadas geralmente em locais de chuvas mais intensas, nos quais as práticas edáficas e/ou vegetativas não são suficientes para amenizarem as consequências do escoamento superficial. Então, deve ser adotada uma combinação de práticas edáficas, vegetativas e mecânicas para o aumento da eficiência do sistema de conservação do solo. São algumas práticas mecânicas (PRUSKI, 2008):

* Terraços: consistem em estruturas compostas por um dique e um canal dispostas no sentido transversal à declividade do terreno. Estas estruturas contêm fisicamente o escoamento superificial, podendo retê-lo e/ou direcioná-lo para fora dos locais que se deseja preservar. Os terrações podem se apresentar de diversas maneiras, havendo variações na forma de construção dependendo do objetivo e das características do terreno, cultura, clima, máquinas, disponibilidade financeira, entre outros. Além disso, a construção dos terraços exige um planejamento prévio e minucioso, pois a quantidade de variáveis envolvidas pode determinar o sucesso ou fracasso do projeto;

* Barraginhas: as barraginhas consistem em reservatórios do escoamento superficial, construídas em locais que já são degradados por águas advindas do escoamento superficial, o que pode ser identificado pela formação de sulcos. Vale ressaltar que esta técnica não previne o escoamento, mas sim o retém, diminuindo as consequências do mesmo em locais posteriores à construção da barragem.

2.1.6. Modelos para estimativa do ES

Existem várias razões para se estimar o escoamento superficial. Dentre elas podem ser citadas a falta ou a inconsistência de dados observados em bacias hidrográficas, como dados de vazão, e a importância de se conhecer esse fenômeno para um maior controle de suas conseqüências. Há diversos métodos para se estimar o escoamento superficial, porém, com o decorrer do tempo, alguns deles se popularizaram entre os projetistas, como o Método Racional e o Método do Número da Curva.

Segundo Tassi (2006)

Um dos parâmetros mais importantes (...) [no] processo [de dimensionamento de obras hidráulicas] diz respeito à caracterização do uso e cobertura do solo, que possui grande influência na determinação da precipitação efetiva. No caso de uso do Método Racional, o parâmetro relacionado com a caracterização do uso e ocupação do solo é o “Coeficiente de Escoamento”. No Método do Soil Conservation Service (SCS), o parâmetro que caracteriza o uso e ocupação do solo é o CN (Curva-Número).

2.1.6.1. Método Racional

A vazão máxima de uma bacia pode ser determinada com base na observação da vazão em períodos longos na bacia ou na transformação de precipitação em vazão (TUCCI, 2001). A estimativa da vazão máxima escoada em uma bacia hidrográfica pode ser realizada pelo método racional, que leva em consideração o coeficiente de escoamento superficial, a intensidade máxima média de precipitação e a área de drenagem da bacia. Este método é apropriado para estimativas em bacias urbanas, com proporção impermeável alta e que não excedam 500 ha, pois o método apresenta limitações para bacias maiores, por considerar, por exemplo, que a precipitação ocorre uniformemente em toda a área da bacia (SMEDEMA e RYCROFT, 1983 APUD SILVA, 1999). Se o método for utilizado para estimativas em áreas agrícolas, a recomendação é que a área da bacia não exceda 200 ha.

Conforme Pruski (2004), o método racional está fundamentado nos seguintes princípios:

a) as precipitações que gerarem o escoamento superficial a ser estimado devem ter duração curta e alta intensidade;

b) a vazão máxima de escoamento superficial ocorrerá quando a duração da chuva for igual ao tempo de concentração. Vale ressaltar que esta situação somente ocorre quando a bacia é pequena, pois desta forma, toda a área da bacia contribui para a formação do escoamento superficial na seção de desague;

c) pelo reduzido tamanho da bacia, considera-se que a precipitação ocorre uniformemente em toda a sua extensão;

d) considerando que a precipitação possi alta intensidade, a taxa de infiltração permanecerá constante durante a precipitação, pois nesta situação o solo encontra-se saturado;

e) deverá ser utilizado um único coeficiente de escoamento superficial, estimado com base nas características da bacia.

Por considerar tais princípios, o método racional ignora a complexidade do processo de escoamento superificial, pois não avalia o armazenamento de água no solo em relação as variações da intensidade da precipitação e do coeficiente de escoamento superficial. Também “não permite que sejam calculados o volume do escoamento superficial e a distribuição temporal das vazões”. (PRUSKI, 2004)

O método apresenta, portanto, problemas com relação aos seus resultados, se não forem observadas as características das bacias cujos escoamentos superficiais almeja-se estimar. Porém, pela simplicidade de utilização do método, o mesmo tornou-se amplamente utilizado para tal fim (BRAGA, 2000).

2.1.6.2. Método do Número da Curva

Outro parâmetro que pode ser estimado para avaliação do escoamento superficial é a lâmina escoada. A lâmina escoada consiste no volume escoado de água por unidade de área da bacia hidrográfica e pode ser obtida através do Método do Número da Curva, proposto pelo Serviço de Conservação de Solos do Departamento de Agricultura dos EUA - Soil Conservation Service. A equação do escoamento utilizada no método foi desenvolvida por Victor Mockus e outros por volta de 1947 (SCS, 2008).

O Método Número da Curva é um modelo que relaciona dados de precipitação e da bacia hidrográfica. Foi proposto a partir de estudos realizados em pequenas bacias experimentais com vários tipos e usos de solo e técnicas de plantio. Por ter sido testado com dados de chuvas diárias, o método apresenta melhores resultados para precipitações de curta duração, de 24h ou menos. (TASSI, 2006)

Este método apresenta como vantagem ter fácil aplicação, pois utiliza como entrada informações relativas às condições do solo, da vegetação e de registros diários de precipitação, dados frequentemente disponíveis para a maioria das bacias hidrográficas. Entretanto, conforme Braga (2000), o método número da curva apresenta limitações, pois o método não considera os efeitos da rugosidade superficial e não estabelece uma relação contínua entre as variações de umidade do solo e o número da curva, podendo resultar em valores irreais do escoamento superficial.

As estimativas da vazão máxima e da lâmina escoada permitem que seja avaliado o comportamento do escoamento superficial sobre uma determinada área, para que, então, sejam planejadas ações preventivas e para sua contenção.

2.1.7. Escopo do Sistema computacional

O sistema a ser desenvolvido consiste em um aplicativo destinado aos cálculos da vazão máxima e da lâmina escoada de dados pontuais de bacias hidrográficas, fornecidos por um usuário, utilizando, respectivamente, os métodos racional e número da curva. A partir do fornecimento dos dados, o sistema emitirá um relatório contendo as características da bacia hidrográfica, as informações do método escolhido e o valor estimado do escoamento superficial.

3. METODOLOGIA

Durante o desenvolvimento do trabalho utilizou-se um notebook com as seguintes conções de hardware: processador Intel(R) Core 2 Duo 2.0 GHz, com memória RAM de 2Gb e HD com capacidade para 250 Gb, utilizando-se a linguagem de programação Delphi® 2007.

Desenvolveu-se o diagrama de atividades do sistema computacional ( 2) para estimativa do escoamento superficial, utilizando-se o software Microsoft Visio 2003.

A implementação do sistema foi desenvolvida utilizando-se da linguagem de programação Delphi 2007®. Segundo Cantú (2000), esta linguagem consiste em uma boa escolha pela facilidade de programação, baseada em formulários, por trabalhar com o paradigma orientado a objetos, por possuir suporte a banco de dados e por permitir a utilização de componentes.

Durante e após a codificação, foram realizados testes de caixa preta e branca e, dentre estes, testes progressivos, regressivos, testes de sistema e de funcionalidade, para que a eficiência, desempenho e funcionalidades do sistema fossem assegurados.

O sistema desenvolvido estima a vazão máxima e a lâmina escoada utilizando-se dos métodos racional e número da curva, respectivamente.

3.1. Método Racional

O método racional é utilizado para estimar o escoamento superficial a partir de dados de precipitação em uma determinada bacia hidrográfica, com área entre 50 a 500 ha (PRUSKI, 2004), e baseia-se nas seguintes hipóteses:

* a precipitação ocorre uniformemente em toda a bacia hidrográfica;

* durante a ocorrência da chuva, a mesma se comporta de maneira uniforme;

* a intensidade da chuva e o escoamento superficial são constantes;

* a vazão máxima ocorre no tempo de concentração, ou seja, quando toda a bacia está contribuindo para o escoamento superficial.

O cálculo da vazão máxima de escoamento é dado pela equação 1.

Qmax=C im A360 (1)

em que,

Qmax – vazão máxima de escoamento superficial (m³ s-1)

C – coeficiente de escoamento superficial (adimensional)

im – intensidade máxima média de precipitação para uma duração igual ao tempo de concentração (tc) da bacia (mm h-1)

A – área de drenagem da bacia (ha)

A Vazão é o volume que atravessa uma seção transversal por unidade de tempo, geralmente sendo expressa em metros cúbicos por segundo (m3 s-1). A vazão máxima (Qmax) é utilizada no Método racional porque caracteriza a situação mais extrema em termos de volume d'água escoado por unidade de tempo.

A área drenada (A) consiste na área da bacia hidrográfica, medida em hectares (ha) e é um parâmetro que pode ser fornecido precisamente, com o auxílio de mapas ou fotografias aéreas.

A relação entre o volume escoado (ES) e o volume total precipitado (PT) caracteriza o coeficiente de escoamento superficial (C), conforme equação 2.

C=ESPT (2)

Conforme TUCCI (2000), o coeficiente de escoamento deve variar com a magnitude da precipitação, já que “a medida que aumenta a precipitação as perdas iniciais e a capacidade de infiltração é atendida, desta forma o escoamento superficial aumenta o que resulta num maior coeficiente de escoamento.” Portanto, os valores para C podem variar consideravelmente, conforme a duração e intensidade da precipitação, a quantidade de água interceptada, infiltrada e escoada. Uma das formas de quantificar o coeficiente de escoamento superficial de uma bacia hidrográfica é utilizando-se de quadros propostos por vários autores, sendo dois deles apresentados nos Quadros 1 e 2.

Quadro 1 – Valores de C recomendados por Willians (TUCCI, 2001)

Superfície

C

Intervalo

Valor Esperado

Pavimento

Asfalto

Concreto

Calçadas

Telhado

0,70 – 0,95

0,80 – 0,95

0,75 – 0,85

0,75 – 0,95

0,83

0,88

0,80

0,85

Grama em Solo Arenoso

Plano (2%)

Declividade média (2 a 7%)

Declividade Alta (7%)

0,05 – 0,10

0,10 – 0,15

0,15 – 0,20

0,08

0,13

0,18

Grama em Solo Argiloso

Plano (2%)

Declividade média (2 a 7%)

Declividade Alta (7%)

0,13 – 0,17

0,18 – 0,22

0,25 – 0,35

0,15

0,20

0,30

Quadro 2 – Valores de C, recomendados pelo Soil Conservation Service – USDA (SCS, 2008)

Tipo de cobertura do solo

Declividade (%)

Textura do Solo

Arenosa

Fraca

Argilosa

Florestas

0 – 5

5 – 10

10 – 30

0,10

0,25

0,30

0,30

0,35

0,50

0,40

0,50

0,60

Pastagens

0 – 5

5 – 10

10 – 30

0,10

0,15

0,20

0,30

0,35

0,40

0,40

0,55

0,60

Terras cultivadas

0 – 5

5 – 10

10 – 30

0,30

0,40

0,50

0,50

0,60

0,70

0,60

0,70

0,80

A intensidade máxima média da precipitação (im) é calculada pela equação 3, que relaciona intensidade, duração e freqüência de precipitação da região onde se situa a bacia hidrográfica.

im=kTat+bc (3)

em que,

im – intensidade máxima média de precipitação (mm h-1)

T – período de retorno (anos)

t – duração da precipitação (min)

k, a, b, c – parâmetros de ajuste à estação pluviométrica utilizada como base (mm minc h anosa, adimensional, min e adimensional, respectivamente)

O período de retorno (T) é adotado, no método racional admitindo-se que T associado a Qmax seja igual a precipitação que a provoca. Entretanto, os parâmetros utilizados para a escolha do período de retorno dependerão também da obra que será construída, pois algumas obras apresentam períodos de retorno triviais, que devem ser considerados pelo projetista em conjunto com o método adotado.

O tempo de concentração consiste no tempo necessário para que toda a área da bacia hidrográfica contribua para o escoamento superficial. Esse tempo será adotado, no método racional, como sendo o tempo de duração da precipitação. O tempo de duração da precipitação, por sua vez, sofre influência de diversos fatores, como “a área da bacia, comprimento e declividade do canal mais longo (principal), forma da bacia, declividade média do terreno, declividade e comprimento dos efluentes, rugosidade do canal, tipo de cobertura vegetal e características da precipitação” (PRUSKI, 2004). Portanto, o tempo de concentração é variável, pois depende de diversos fatores e o seu valor pode ser calculado a partir de equações experimentais e que serão utilizadas no cálculo do tempo de concentração.

3.1.1. Equação de Kirpich

A equação de Kirpich, conforme Porto et al (2000 apud PRUSKI, 2004), foi obtida a partir de estudos de sete pequenas bacias agrícolas do Tenessee, com áreas menores que 0,5 km² e declividade entre 3 e 10%. A equação é expressa por:

tc=57L3H0,385 (4)

em que,

tc – tempo de concentração (min)

L – comprimento do talvegue (km)

H – diferença de nível entre o ponto mais remoto da bacia e a seção de deságüe (m)

3.1.2. Equação SCS – método cinemático

A Equação SCS parte do princípio que o tempo de concentração de uma bacia pode ser calculado somando-se os tempos de deslocamento nos diversos trechos do talvegue e é apresentada na equação 5.

tc=100060i=1nLiVi (5)

em que,

tc – tempo de concentração (min)

Li – distância do trecho considerado (km)

Vi – velocidade média no trecho (m s-1)

Para os trechos situados na parte superior das bacias, em locais nos quais predominam o escoamento sobre o terreno e em canais mal definidos, a velocidade Vi pode ser definida por meio dos valores do Quadro 3 (PORTO et al, 2000).

Quadro 3 – Velocidades médias de escoamento superficial (m s-1)

Descrição do escoamento

Declividade (%)

0 – 3

4 – 7

8 – 11

> 12

Sobre a superfície do terreno

Florestas

Pastos

Áreas cultivadas

Pavimentos

0 – 0,5

0 – 0,8

0 – 0,9

0 – 2,6

0,5 – 0,8

0,8 – 1,1

0,9 – 1,4

2,6 – 4,0

0,8 – 1,0

1,1 – 1,3

1,4 – 1,7

4,0 – 5,2

> 1,0

> 1,3

> 1,7

> 5,2

Em canais

Mal definidos

0 – 0,6

0,6 – 1,2

1,2 – 2,1

> 2,1

Bem definidos

Usar equação de Manning

No caso de canais bem definidos, utiliza-se a equação de Mannig, que é dada por:

v=1n R2/3S1/2 (6)

em que,

v – velocidade média (m³/s)

n – coeficiente de rugosidade (adimencional)

R – raio hidráulico (m)

S – declividade do fundo do canal (m/km)

Para a definição do coeficiente de rugosidade utiliza-se o Quadro 4.

Quadro 4 – Coeficientes de rugosidade

Características do Canal

Coeficiente de Rugosidade (n)

Mínimo

Normal

Máximo

Canal de terra retilíneo e uniforme

Limpo, recentemente construído

0,016

0,018

0,020

Limpo, mas já tendo sofrido intemperismo

0,018

0,022

0,025

Escascalhado, seção uniforme, limpo

0,022

0,025

0,030

Com grama, poucas ervas daninhas

0,022

0,027

0,033

Canal de terra sinuoso

Sem vegetação

0,023

0,025

0,030

Grama, algumas ervas daninhas

0,025

0,030

0,033

Ervas daninhas densas, plantas aquáticas em canas profundos

0,030

0,035

0,040

Fundo em terra e lados escascalhados

0,028

0,030

0,035

Fundo em cascalho e taludes com ervas daninhas

0,025

0,035

0,040

Se forem considerados os diferentes tipos de cobertura vegetal e declividade do solo, Matos et al. (2002) propõem as equações ajustadas para o cálculo da velocidade de escoamento, conforme o Quadro 5.

Quadro 5 – Velocidades de escoamento superficial (m s-1) em função da declividade (I) e tipo de cobertura vegetal

Tipo de cobertura vegetal

Equações

Floresta com grande quantidade de resíduos sobre a superfície

V = 0,0729 I0,5051

Solo com mínimo cultivo ou em pousio

V = 0,1461 I0,4920

Pastagem de gramínea, gramados

V = 0,2193 I0,4942

Solo semidescoberto (com pouca cobertura)

V = 0,3073 I0,4985

Canais com vegetação

V = 0,4528 I0,5011

Áreas pavimentadas, escoamento e calhas rasas

V = 0,6078 I0,4976

3.2. Método do Número da Curva

O Método do Número da Curva foi desenvolvido pelo Serviço de Conservação de Solo dos EUA (SCS, 2008) e permite que seja estimada a lâmina de escoamento superficial a partir de dados da bacia e da precipitação da região. Os componentes associados ao método encontram-se na 3.

A 3 mostra que a precipitação varia no mesmo sentido do tempo. O ponto tIa marca o momento em que as abstrações iniciais (toda precipitação que é infiltrada, interceptada ou cai diretamente nos cursos d'água) não impedem mais a ocorrência do escoamento superficial.

A partir de estudos feitos pelo SCS-USDA (2008), chegaram-se as seguintes equações para a estimativa do escoamento superficial:

ES=PT-0,2S2PT+0,8S (7)

em que,

ES – escoamento superficial total (mm)

PT – precipitação total (mm)

S – infiltração potencial (mm)

S=25400CN-254 (8)

em que,

CN – número da curva

Para que este método seja utilizado, dados da precipitação da área estudada devem ser conhecidos, além do valor do número da curva, obtido pelos Quadros 6 e 7. O valor do número da curva (CN) deve variar entre 1 e 100 e será influenciado pelo uso e manejo do solo, pelo tipo de solo, pelas condições hidrológicas e pelas condições iniciais de umidade do solo.

Quadro 6 – Valores de CN para bacias com ocupação agrícola para condições de umidade antecedente AMC II (MOCKUS, 1972 apud PUSKI, 2004)

Uso do Solo

Tratamento

Condição Hidrológica

Tipo de Solo

A

B

C

D

Sem cultivo

Fileiras retas

77

86

91

94

Cultivo em fileiras

Fileiras retas


72

81

88

91

Boa

67

78

85

89

Com curvas de nível


70

79

84

88

Boa

65

75

82

86

Com curvas der nível e terraços


66

74

80

82

Boa

62

71

78

81

Cultivo em fileiras estreitas

Fileiras retas


65

76

84

88

Boa

63

75

83

87

Com curvas de nível


63

74

82

85

Boa

61

73

81

84

Com curvas der nível e terraços


61

72

79

82

Boa

59

70

78

81

Leguminosas em fileiras estreitas

Fileiras retas


66

77

85

89

Boa

58

72

81

85

Com curvas de nível


64

75

83

85

Boa

55

69

78

83

Com curvas der nível e terraços


63

73

80

83

Boa

51

67

76

80

Pastagens para pastoreio


68

79

86

89

Regular

49

69

79

84

Boa

39

61

74

80

Com curvas de nível


47

67

81

88

Regular

25

59

75

83

Boa

6

35

70

79

Floresta


45

66

77

83

Regular

36

60

73

79

Boa

25

55

70

77

Quadro 7 – Valores de CN para bacias com ocupação urbana para condições de umidade antecedente AMC II (TUCCI, 2001)

Utilização ou Cobertura

Tipo de Solo

A

B

C

D

Zonas Cultivadas

Sem conservação do solo

72

81

88

91

Com conservação do solo

62

71

78

81

Pastagens ou terrenos em más condições

68

79

86

89

Terrenos baldios em boas condições

39

61

74

80

Prado em boas condições

30

58

71

78

Bosques ou zonas com cobertura ruim

45

66

77

83

Florestas com cobertura boa

25

55

70

77

Espaços abertos, relvados, parques, campos de golfe e cemitérios, todos e, boas condições

Com relva em mais de 75% da área

39

61

74

80

Com relva em 50 a 75% da área

49

69

79

84

Zonas comerciais e de escritórios

89

92

94

95

Zonas industriais

81

88

91

93

Zonas residenciais

Lotes (m²)

% de área impermeável

< 500

65

77

85

90

92

1000

38

61

75

83

87

1300

30

57

72

81

86

2000

25

54

70

80

85

4000

20

51

68

79

84

Parques de estacionamento, telhados, viadutos, etc.

98

98

98

98

Arruamentos e estradas

Asfaltos e com drenagem de águas pluviais

98

98

98

98

Com paralelepípedo

76

85

89

91

De terra

72

82

87

89

Nos Quadros 6 e 7, os tipos de solo possuem as seguintes características (SCS, 2008):

* Solo A: geralmente arenoso, com alta taxa de infiltração quando completamente úmido, baixo potencial de escoamento e perfil profundo;

* Solo B: moderada profundidade e taxa de infiltração quando totalmente úmido;

* Solo C: solo argiloso, com uma camada de impedimento a infiltração e baixa taxa de infiltração quando completamente úmido;

* Solo D: perfil raso, com camada impermeável, baixa taxa de infiltração e elevado potencial de escoamento.

O valor de C selecionado nos Quadros 8 e 9 referem-se a solos Classe AMC II, ou seja, aqueles que receberam de 35 a 52,5 mm de chuva occorida nos últimos cinco dias. O quadro 8 apresenta as outras classes do solo.

Quadro 8 – Classes de umidade antecedente do solo conforme a chuva ocorrida nos cinco dias anteriores à chuva crítica, no período de crescimento da cultura (TUCCI, 2001)

Classes

Chuva ocorrida nos cinco dias anteriores à chuva crítica (mm)

AMC I

0 – 35

AMC II

35 – 52,5

AMC III

> 52,5

Quando o solo não se apresentar na classe AMCII, o valor de C deverá ser corrigido conforme mostra o Quadro 9.

Quadro 9 – Correção do CN para condições iniciais de umidade diferentes da média (AMC II) (TUCCI, 2001)

Valores médios correspondentes a AMC II

Valores corrigidos para AMC I

Valores corrigidos para AMC III

100

100

100

95

87

98

90

78

96

85

70

94

80

63

91

75

57

88

70

51

85

65

45

82

60

40

78

55

35

74

50

31

70

45

26

65

40

22

60

35

18

55

30

15

50

25

12

43

20

9

37

15

6

30

10

4

22

5

2

13

O cálculo do escoamento superficial utilizando-se dos métodos citados torna-se dispendioso, pois envolve muitas variáveis e requer uma atenção especial na escolha dos valores a serem adotados nas equações. A existência de um sistema computacional para realizar tais estimativas, baseadas em informações de usuários, agilizaria a obtenção das estimativas de escoamento superficial e tornaria este processo muito mais preciso.

3.3. Desenvolvimento do sistema computacional

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O sistema computacional desenvolvido neste trabalho tem por objetivo estimar a vazão máxima e a lâmina escoada através dos métodos racional e número da curva, respectivamente. Para melhor compreensão do sistema e do fluxo de informações no mesmo, desenvolveu-se o diagrama de atividades apresentado na 3.

O diagrama de atividades apresenta a sequência de ações que o usuário deverá desenvolver para que o valor do escoamento superficial seja estimado. Primeiramente, o usuário irá escolher qual estimativa deseja obter, entre a vazão máxima e a lâmina escoada (Tela 1).

TELA 1

A escolha do usuário habilitará os campos necessários para que o mesmo os preencha. Caso a escolha seja pelo cálculo da vazão máxima, o sistema adotará o método racional (Tela 2).

TELA 2

Então, o usuário irá selecionar, através de uma referência ao sistema Plúvio 2.1, qual estado, estação ou localidade do Brasil encontra-se a bacia hidrográfica da qual deseja obter informações quanto ao escoamento superficial (Tela 3).

Tela 3 – Tela do Plúvio 2.1 com a localidade Palmas selecionada.

Após a escolha, os dados de k, a, b, c, da equação 3 deste trabalho são fornecidos ao usuário, conforme mostra Tela 4 .

TELA 4

Na seqüência, o usuário deverá informar a área da bacia (A), em hectares, e o coeficiente de escoamento superficial (C), o qual poderá ser definido dentre os Quadros 1 e 2 disponíveis no sistema (Tela 5).

TELA 5

Se o usuário quiser definir o valo de C pelo Quadro 1, o usuário deverá selecionar o valor esperado para C na tabela mostrada na Tela 6, conforme o tipo de superfície do solo.

TELA 6

Se o usuário quiser definir o valo de C pelo Quadro 2, o mesmo deverá selecionar o valor de C mais adequado, dependendo do tipo de cobertura do solo, sua declvidade e textura, conforme mostra a Tela 7.

TELA 7

O usuário também tem a opção de digitar um valor para C na Tela 5, sem precisar selecioná-lo nos quadros 1 e 2, usando os mesmos apenas como parâmetros para o valor a ser digitado.

* Intensidade máxima média de precipitação (Im), a qual dependerá do período de retorno (T) e do tempo de concentração (tc), que será calculado dependendo da equação escolhida pelo usuário. Conforme a equação escolhida, o sistema solicitará as informações pertinentes:

o Equação de Kirpich: L – comprimento do talvegue (km) e H – diferença de nível entre o ponto mais remoto da bacia e a seção de deságüe (m)

o Equação SCS- método cinemático: Li – distância do trecho considerado (km) e Vi – velocidade média no trecho (m s-1). O valor de Vi poderá ser obtido através dos Quadros 3, 4 e 5 disponíveis no sistema.

Caso a escolha seja pelo cálculo da lâmina escoada, o sistema adotará o Método do Número da Curva e solicitará as seguintes informações:

* Número da curva, o qual poderá ser selecionado nos Quadros 6, 7 e 9 disponíveis no sistema;

* Precipitação total (PT).

Após o usuário selecionar e preencher as informações necessárias, o sistema irá aplicar o método para a grandeza escolhida e mostrará os valores obtidos.

5. RESUMO E CONCLUSÕES

6. REFERÊNCIAS

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CANTÚ, M. Dominando o Delphi 5: a bíblia. Tradução: João Eduardo Nóbrega Tortello. São Paulo: Makron, 2000. 860 p.

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MATOS, A. T.; SILVA, D. D.; PRUSKI, F. F. Barragens de terra de pequeno porte. Viçosa: UFV, 2000. 122 p. (Caderno didático, 73).

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http://www.tede.ufv.br/tedesimplificado/tde_busca/resultado-tdes-prog.php?ver=12&programa=12&ano_inicio=&mes_inicio=&mes_fim=&ano_fim=2010&grau=Todos

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