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Processos Hidrológicos CST 318 Tema 06 – Hidrologia de Vertentes e Escoamento Superficial ANO 2013 Laura De Simone Borma Camilo Daleles Rennó http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/ Ciclo hidrológico Fonte: Adaptada de Brutsaert (2005) Hidrologia de vertentes (hill slope) Objetivos: • Definir o que é hidrologia de vertentes e suas finalidades • Definir escoamento superficial • (re) apresentar os mecanismos de geração de escoamento • Identificar os caminhos de fluxo – determinam o transporte de água e solutos através do solo KIRKBY, M.J. (Ed.), 1978. Hillslope Hydrology. John Wiley. 389 p. Hidrologia – Diferentes escalas • Micro escala A B Interações entre a matriz de solo e os macroporos – Processos unidimensionais C • Escala de vertente Mecanismos de geração de escoamento e implicações: • fluxo (escoamento) direto • fluxo (escoamento) de base Processos bidimensionais • Escala de bacia Variação espacial e temporal de processos – recarga Processos tridimensionais (10º a 103 m2) (10º a 106 km2) Escala de vertente Interessa de que maneira a chuva é subdividida nos diversos compartimentos da fase terrestre do ciclo hidrológico: água no solo (umidade do solo), escoamento superficial, escoamento subsuperficial e água subterrânea Ênfase maior é dada aos mecanismos de escoamento da água de chuva e às trajetórias de fluxo, que determinarão a velocidade de escoamento da água na vertente e potencial lixiviação/carreamento de partículas sólidas (erosão) e substâncias químicas (empobrecimento ou contaminação do solo) É na escala de vertente que são analisados processos tais como as erosões, os escorregamentos de encosta e a contaminação do solo e da água superficial e subterrânea Escoamento superficial ou runoff escoamento superficial ou surface runoff: porção de água de chuva, derretimento de neve e/ou água de irrigação que, ao invés de se infiltrar no solo, corre sobre a superfície do terreno em direção ao corpo hídrico mais próximo – fluxo rápido escoamento subsuperficial ou interflow: Parcela de água de chuva que, assim como o fluxo de superfície, chega relativamente rápido ao corpo hídrico escoamento superficial + subsuperficial: formam, juntos, o volume de água que os hidrólogos costumam chamar de runoff https://www.meted.ucar.edu/training_course.php?id=24 Processos envolvidos Entrada = infiltração ocorre na interface solo/ atmosfera Transmissão Percolação horizontal e vertical que ocorre através de toda a profundidade da camada Armazenamento Ocorre ao longo de todo o perfil de solo e se manifesta sob a forma de aumento da umidade do solo Termos e conceitos Infiltração Ocorre na superfície do solo Percolação Ocorre no interior do solo Escoamento superficial Sobre o solo Escoamento sub-superficial Sob a superfície do solo Fluxo de base Camadas profundas Escoamento (fluxo) sub-superficial fluxo relativamente rápido que ocorre abaixo da superfície, em direção ao canal (gradiente hidráulico) – menos de 72h mais rápido que o fluxo de base, porém mais lento que o fluxo de superfície pode ser tão importante quanto o fluxo de superfície, para efeito de previsão de cheias regiões com elevadas taxas de infiltração e terreno inclinado – processo dominante pelo qual os rios reagem rapidamente à chuva áreas úmidas com solos profundos ou solos finos com ocorrência de camada impermeável principal mecanismo de transporte de solutos (transporte de contaminantes, lixiviação de nutrientes) dentro do solo e do escorregamento de encostas Escoamento (fluxo) de base Suprimento de longo prazo da água, que mantém o nível de base dos rios durante longos períodos de seca. É proveniente da água que percola para as camadas mais profundas Taxa de infiltração e capacidade de infiltração Taxa de infiltração – quantidade de água que entra no solo em um determinado período de tempo – expressa em termos de altura de água por tempo (p.e. mm/hora) Capacidade de infiltração – limite superior da taxa de infiltração. Inclui a infiltração através da superfície e a percolação - expressa em termos de profundidade por tempo (p.e. mm/hora) vídeo Transmissividade Corresponde à capacidade do solo de transmitir a água infiltrada Quanto maior a transmissividade do solo, menor o runoff Função da existência de uma rede de canais interconectados transmite rapidamente a água de infiltração – caminhos preferenciais raízes mortas, buracos de insetos e animais solos profundos com elevado teor de matéria orgânica – climas úmidos Camada impermeável quanto mais profunda a camada de solo, menor o runoff Camadas de solo pouco espessas saturam-se rapidamente, contribuindo para o runoff A profundidade da camada impermeável (bedrock) pode variar amplamente em pequenas áreas: nos vales, a camada pode estar a vários metros de profundidade, ao posso que nas regiões montanhosas pode estar a poucos centímetros de profundidade Rocha de pouca permeabilidade Água preexistente Parte da água que flui por subsuperfície e que atinge o corpo hídrico não é necessariamente proveniente da chuva mais recente Existe uma considerável quantidade de água existente dentro do solo (pre event water) que é deslocada quando uma certa quantidade de água nova se infiltra Em regiões de climas úmidos, estudos têm mostrado que a água preexistente freqüentemente corresponde a uma parcela significativa na ascensão do nível dos rios vídeo Ascensão do lençol freático A profundidade do lençol freático interfere no runoff Terrenos inclinados - a água infiltrada atinge o lençol freático nas regiões mais baixas mais rapidamente do que nas regiões mais elevadas, criando um fluxo de subsuperfície que eventualmente aflora nas regiões próximas ao curso d´água, transformando-se em fluxo de superfície (mecanismo de Dunne) Vídeo Tipos de escoamento Fluxo por excesso de infiltração Mecanismo de Horton Fluxo por excesso de saturação Mecanismo de Dunne vídeo Fluxo por excesso de infiltração Mecanismo de Horton Taxa de precipitação excede a capacidade de infiltração, podendo ocorrer mesmo com o solo seco Eventos intensos de curta duração Áreas impermeáveis: solos com elevado teor de argila (ou declividade acentuada), solo compactado (ou pisoteado), áreas urbanas, solos sob ocorrência de fogo, cobertura vegetal rala Intimamente associado ao fenômeno de erosão e transporte de sedimentos Raramente ocorre em áreas de floresta Fluxo por excesso de saturação Mecanismo de Dunne Solo na condição saturada – importância da umidade do solo Chuva moderada e de longa duração ou após sucessivos eventos de chuva Clima úmido, áreas planas e taludes pouco inclinados (áreas de várzea) Entorno do curso d´água, onde o lençol freático está próximo à superfície e é rapidamente saturado Depressões das vertentes, onde o fluxo subsuperficial ou subterrâneo converge e retorna à superfície (fluxo de retorno) Solos rasos ou com queda acentuada da condutividade hidráulica no subsolo Pé das vertentes, regiões que acumulam água Principal mecanismo de escoamento em bacias de florestas tropicais Área de contribuição variável Realizou uma série de experimentos para entender a dinâmica do escoamento superficial por “excesso de saturação” Área variável de afluência Revisão Introduzido por Hewlett e Ribbert (1967) Bacias com boa estrutura florestal, o deflúvio não é produzido ao longo de toda a superfície da bacia Defluvio é proveniente de áreas de origem dinâmica, que sofrem contrações e expansões, e que normalmente representam uma pequena fração da área total da microbacia terrenos que margeiam a rede de drenagem, sendo que nas porções mais altas da encosta a água tende a infiltrar-se e escoar até o canal mais próximo devido ao fluxo subsuperficial Não são as zonas ripárias, mas podem eventualmente coincidir com elas Variação da área de contribuição durante o evento • As setas nos hidrogramas indicam como o escoamento aumenta na medida que as áreas saturadas se estendem sobre a várzea, nas áreas com solos rasos e nos córregos efêmeros. Este processo se reverte à medida que o escoamento diminui. (from Chow et al, 1988). ANDERSON, M.G. & T.P. BURT, 1978. Towards more detailed field monitoring of variable source area. Water Resource Research, 14 (6): 1123-1131. Caminhos do fluxo: mecanismos de geração de escoamento Precipitação Fluxo por infiltração em excesso Capacidade de infiltração Infiltração Regolito Percolação Aqüífero Saturação Fluxo por saturação Fluxo de retorno Fluxo sub-superficial no regolito Fluxo sub-superficial no aqüífero M. Kirkby Interdisciplinaridade Escoamento superficial x Estabilidade de encostas – Geotecnia Processos erosivos – Geomorfologia/Geografia Perda de produtividade (lixiviação) do solo - Agronomia Recarga de aqüíferos - Hidrogeologia Fluxo de contaminantes – Geotecnia ambiental Previsão de enchentes – Enga Civil/Hidrologia/Desastres Naturais Produção hídrica – Hidrologia de superfície Aspectos hidrológicos dos desastres naturais em encostas Precipitação Chuva > infiltração S Escoamento superficial N Escoamento sub-superficial Camada impermeável rasa Erosão superficial Inundação/ enxurrada Fluxo vertical saturado e não saturado S Fluxo preferencial Escoamento sub-superficial Deslizamento raso N Drenagem vertical Rocha impermeável N Drenagem profunda Fluxo vertical saturado e não saturado S Escoamento subterrâneo Deslizamento profundo Adaptado de Kobiyama, 2005 Escorregamento de encostas Fonte: Kobiyama, 2005 Fonte: Kobiyama, 2005 Deslizamento translacional (shallow) Fonte: Kobiyama, 2005 Deslizamento rotacional Fonte: Kobiyama, 2005 Enchentes Escoamento superficial: um dos principais componentes da predição de cheias As condições da bacia determinam a proporção de água de chuva que se transformará em escoamento superficial Escoamento superficial Na escala de bacia Vídeo Hidrograma Precipitação Vazão de pico Descarga Recessão Ascenção Escoamento direto Ascenção: correlacionada com a intensidade de precipitação Pico: ponto de inflexão como resultado da redução das chuvas e/ou amortecimento da bacia Recessão: o escoamento superficial acaba e o escoamento subterrâneo contribui para a vazão do rio Fluxo base Tempo (horas, dias, semanas, meses Após o início da chuva há um tempo de retardo até que as vazões comecem a se elevar, devido às perdas iniciais (interceptação, depressões no solo, deslocamento de água na bacia) No período de estiagem, o aqüífero regional domina o hidrograma através do fluxo de base Área da bacia O tamanho da bacia de drenagem exerce influência direta no escoamento superficial (volume de água que drena de uma bacia) vídeo Área de contribuição Um evento intenso (precipitação) geralmente só ocorre em uma parte da bacia vídeo Bacia hidrográfica e área de contribuição Bacia hidrográfica – área de captação natural da precipitação, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída (exutório). Divisão regional Bacia de drenagem ou área de contribuição: é uma área que, do ponto de vista topográfico, contribui com “toda” a água que passa através de uma dada seção transversal de um rio. Divisão local e varia com o interesse do analista (ponto de medição de descarga, ponto de lançamento de contaminantes, área de captação de um reservatório, etc.) Forma da bacia A forma da bacia também influencia no tempo de resposta da bacia A água proveniente de vários pontos de uma bacia pequena têm chance de atingir o exutório no mesmo tempo, aumentando a descarga nesse ponto vídeo Declividade da bacia Aumenta o runoff, diminui o tempo de resposta da bacia e diminui a infiltração Aumento da erosão e importância da cobertura vegetal vídeo Forma do curso hídrico Os meandros de um rio aumentam a distância que a água tem que percorrer até chegar ao exutório, atrasando o tempo de resposta da bacia Tendem a diminuir o runoff, na medida em que aumentam o tempo de permanencia da água na bacia, promovendo uma maior infiltração vídeo Densidade de canais Densidade de canais: comprimento de todos os canais dentro da bacia dividido pela área da bacia Uma das características mais importantes para avaliação do potencial de runoff Grande densidade de canais permite uma drenagem mais eficiente após um evento de chuva – picos de descarga ocorrem mais rápido e são mais intensos Baixa densidade de canais em geral indica solos profundos e bem desenvolvidos. Favorece a infiltração da água no solo, diminuindo o runoff vídeo Rugosidade do canal A rugosidade do canal aumenta com a presença de rocha, vegetação e debris Canais artificiais aumentam em muito a velocidade da água, fazendo com que a água de chuva deixe a bacia muito rapidamente: diminuição do fluxo de base e aumento do runoff Urbanização Fatores que influenciam o escoamento superficial A) fatores climáticos Intensidade da chuva Duração da chuva Chuva antecedente B) Fatores fisiográficos Área da bacia Forma da bacia Topografia (declividade da bacia) Permeabilidade do solo C) Uso da terra Superfícies vegetadas Superficies impermeáveis – solo compactado, estradas, estacionamentos, etc Comportamentos do hidrograma Quantificação do escoamento superficial Medidas “in situ” Medidas localizadas – semelhantes à da infiltração Separação da hidrógrafa Método Racional Modelos computacionais Método racional Q= 0,278 C * I * A Onde: •Q vazão, em m3/s •C coeficiente de deflúvio (adimensional) •I intensidade de chuva, usualmente em mm hr-1 •A área de drenagem, em km2 Usado para calcular o runoff de pico de pequenas áreas tais como estacionamentos, áreas agrícolas, parques e pequenas bacias (< 2 km2) Princípios básicos: Não considera a duração da precipitação intensa – ou seja, todo volume precipitado é imediatamente escoado (ideal para bacias pequenas e eventos de curta duração Adota um coeficiente único de perdas Não avalia o volume da cheia e a distribuição espacial das vazões Modelos complexos Precipitação Vazão de pico Descarga Recessão Ascenção Escoamento direto Fluxo base Tempo (horas, dias, semanas, meses Delimitação de bacia 700 700 700 695 695 700 690 690 695 685 680 690 680 700 675 685 680 675 680 685 670 680 665 685 Divisor de Águas 655 Exutório 660 665 670 Delimitação de bacia