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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