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Dimensionamento Hidrológico

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Dimensionamento Hidrológico
Capítulo 2
DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO
Dimensionamento hidrológico
2.1 – CONSIDERAÇÕES GERAIS
Por forma a assegurar a necessária fiabilidade, o dimensionamento hidrológico de
passagens hidráulicas, deve recorrer a estudos hidrológicos que conciliem os custos com o
risco de ocorrência de situações de cheia. Tais estudos consistem essencialmente no
cálculo dos parâmetros que definem os hidrogramas de cheia, que no caso particular de
passagens hidráulicas se limitam ao cálculo do caudal de ponta de cheia.
Na prática, verifica-se que é situação frequente a inexistência ou insuficiência de registos
de caudais, pelo que se recorre a dados pluvimétricos, geralmente mais abundantes, para se
calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas.
Com o objectivo de determinar os caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas,
apresenta-se um conjunto de técnicas e modelos de cálculo. Entre os modelos
apresentados, o método do Soil Conservation Service apresenta-se como uma metodologia
completa e consistente para o cálculo de caudais de ponta de cheia em pequenas bacias
hidrográficas que não possuam registos hidrométricos. O método racional e a fórmula de
Mockus são metodologias de simples aplicação e com resultados aceitáveis no
dimensionamento de passagens hidráulicas, pelo que são muito utilizadas, nomeadamente
em projectos da BRISA e da JAE.
11
Capítulo 2
Neste texto, apresenta-se também um conjunto de elementos e metodologias que permitem
a avaliação das precipitações, do coeficiente de escoamento e do tempo de concentração de
bacias hidrográficas, tendo em vista uma adequada quantificação do caudal de ponta de
cheia.
O estudo do regime de escoamentos de uma dada bacia, a partir da informação udométrica,
deverá basear-se na hipótese de que chuvadas com determinado período de retorno
originam cheias de igual período de retorno, o que poderá não ser necessariamente verdade
uma vez que a humidade inicial do solo e a variação da intensidade de precipitação ao
longo da chuvada também condicionam a magnitude da cheia. No entanto, a hipótese
considerada é aceitável, principalmente para chuvadas com elevados períodos de retorno.
Segundo Chow et al (1988), os factores condicionantes do escoamento podem ser
separados em dois grupos, os climáticos e os fisiográficos, cuja classificação se apresenta
no Quadro 2.1.
Quadro 2.1 – Factores condicionantes do escoamento (adaptado de Chow et al, 1988).
Grupo
Tipo
Factor
Modalidade (chuva, neve, granizo, orvalho, neblina ou
geada), distribuição no tempo e no espaço, frequência de
Precipitação
ocorrência, direcção dominante das tempestades,
precipitação precedente e humidade do solo.
Climáticos
Temperatura, vento, pressão atmosférica, natureza e
Evaporação
superfície de evaporação.
Temperatura, radiação solar, vento, humidade do ar e do
Transpiração
solo e tipo de vegetação.
Geométricas: - forma, tamanho, declive, orientação e
elevação.
Características da
Físicas: - cobertura e utilização do solo, tipo de solo,
bacia
infiltração, permeabilidade, topografia e capacidade de
formar toalhas subterrâneas.
Fisiográficos
Capacidade de escoamento: dimensão e forma da secção
Características dos transversal, declive, rugosidade, características da rede
hidrográfica e comprimento do curso de água.
cursos de água
Capacidade de armazenamento.
12
Dimensionamento hidrológico
Em termos práticos o escoamento total que aflui a uma determinada secção de uma bacia
hidrográfica pode ser sinteticamente caracterizado através de dois tipos fundamentais:
-
escoamento directo, originado pela precipitação útil ou pelo degelo, entrando
directamente para os cursos de água;
-
escoamento base, resultante do regresso à superfície de águas anteriormente
infiltradas, sendo portanto proveniente dos escoamentos subsuperficiais e
subterrâneos.
2.2 – TEMPO DE CONCENTRAÇÃO
2.2.1 – Considerações prévias
Tempo de concentração, tc, de uma bacia hidrográfica, numa dada secção de um curso de
água, é o tempo para que a totalidade da bacia contribua para o escoamento superficial na
secção considerada. Pode também ser definido como o tempo necessário para que uma
gota de água caída no ponto hidraulicamente mais afastado da bacia atinja a secção
considerada.
Segundo Lencastre e Franco (1992), o tempo de concentração é considerado uma
característica constante da bacia, sendo independente das características das chuvadas. O
tempo de concentração é aplicado na determinação do caudal de ponta de cheia quando se
utilizam expressões cinemáticas, que entram em linha de conta com as características do
movimento da água na bacia hidrográfica.
Para calcular os tempos de concentração em bacias hidrográficas urbanas e rurais,
apresentam-se de seguida as expressões propostas por Temez, Kirpich e SCS
frequentemente utilizadas nos projectos de drenagem transversal elaborados para a BRISA
e para a JAE.
Para não se sobreavaliar a intensidade média de precipitação de uma dada bacia
hidrográfica, Debo e Reese (1995) e U. S. Department of Transportation (1997) referem
13
Capítulo 2
que no cálculo do caudal de ponta de cheia não deve ser considerado um tempo de
concentração inferior a 5 min. Tal recomendação advém, essencialmente, do facto de as
curvas IDF serem deduzidas com base em chuvadas com duração mínima de 5 min,
correspondente ao intervalo para o qual é possível efectuar leituras nos udrogramas com
duração de 24 h.
2.2.2 – Velocidade de escoamento superficial
O tempo de concentração pode ser estimado a partir das velocidades de escoamento
superficial na rede hidrográfica da bacia. No Quadro 2.2 e na Figura 2.1 apresentam-se
velocidades médias de escoamento superficial em função do declive e da cobertura do solo.
Quadro 2.2 – Velocidades médias aproximadas de escoamento superficial (m/s) (adaptado
de Chow et al, 1988, p.165).
Declive do terreno (%)
Tipo de escoamento
0-3
4-7
8 – 11
12 - 15
Bosques e florestas
0 – 0,5
0,5 – 0,8
0,8 – 1,0
1,0 –
Pastos
0 – 0,8
0,8 – 1,0
1,0 – 1,3
1,3 –
Terrenos cultivados
0 – 0,9
0,9 – 1,4
1,4 – 1,7
1,7 –
Terrenos urbanizados
0 – 2,6
2,6 – 4,1
4,1 – 5,2
5,2 –
0 – 0,6
0,6 – 1,2
1,2 –2,1
2,1 –
Escoamento não canalizado:
Escoamento em canal:
Canal natural mal definido
Canal bem definido
Cálculo por uma fórmula de regime uniforme (e.g. Manning-Strickler)
A rede hidrográfica da bacia deve ser dividida em troços de características homogéneas.
Nas zonas onde não existem canais bem definidos pode recorrer-se à Figura 2.1. Nas
restantes zonas poder-se-ão aplicar as fórmulas de escoamento com superfície livre em
regime uniforme. O tempo de concentração em cada troço é dado por
tc =
L
U
(2.1)
sendo:
14
Dimensionamento hidrológico
tc
- tempo de concentração;
L
- comprimento da rede hidrográfica de características homogéneas;
U
- velocidade média de escoamento.
Figura 2.1 – Velocidades de escoamento superficial para diversos declives e coberturas de
solo, segundo o SCS (adaptado de Hammer e Mackichan, 1981, in
Lencastre e Franco, 1992, p.290).
2.2.3 – Soil Conservation Service
SCS (1973) calcula o tempo de concentração, tc, de uma bacia hidrográfica recorrendo ao
tempo de atraso, tl, pela seguinte expressão, aplicável para precipitações uniformes sobre a
bacia hidrográfica
tc = 1,67 tl
(2.2)
SCS (1973) define tempo de atraso como o tempo compreendido entre as ocorrências do
centro de gravidade do hietograma da precipitação útil e da ponta do hidrograma. Este
parâmetro pode ser calculado a partir de hietogramas e hidrogramas observados. No caso
de não existirem tais registos, o tempo de atraso é
15
Capítulo 2
tl =
L0b,8 (S mr + 1)0,7
(2.3)
0 ,5
734,43 imb
sendo:
tl
- tempo de atraso (h);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica (%);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (m);
Smr
- capacidade máxima de retenção, dada por Smr = (25400/CN)-254;
CN - número de escoamento da bacia hidrográfica (curve number).
A expressão anterior, para calcular o tempo de atraso, foi desenvolvida a partir de dados
referentes a bacias agrícolas. É indicada para ser utilizada em bacias rurais com área
inferior a 2000 acres (ou 8 km2). No caso de bacias mistas (parte urbana e parte natural), a
expressão tende a sobrestimar o tempo de atraso, pelo que o Correia (1984b) sugere que o
valor do tempo de atraso seja multiplicado por dois factores correctivos. Propôs para estes
factores os ábacos representados nas Figuras 2.2 e 2.3. O primeiro factor correctivo, a obter
a partir do ábaco da Figura 2.2, é relativo à percentagem do comprimento do curso de água
em que houve melhoria das condições de escoamento. O segundo, a obter a partir do ábaco
Área impermeável (%)
da Figura 2.3, é relativo à percentagem de área impermeável na bacia hidrográfica.
Factor de pico
Figura 2.2 – Factor correctivo do tempo de atraso relativo à melhoria das condições
hidráulicas do escoamento (extraído de Correia, 1984b).
16
Área impermeável (%)
Dimensionamento hidrológico
Factor de pico
Figura 2.3 – Factor correctivo do tempo de atraso relativo à percentagem de área
impermeável (extraído de Correia, 1984b).
2.2.4 – Giandotti
Giandotti (1953) propôs a seguinte expressão para determinar o tempo de concentração
tc =
4 Ab + 1,5 Lb
(2.4)
0,80 hm
sendo:
tc
- tempo de concentração (h);
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (km);
hm
- altura média da bacia (m).
A expressão (2.4) deverá ser aplicada a grandes bacias hidrográficas naturais, pois quando
aplicada a pequenas bacias o valor do tempo de concentração é sobrestimado.
2.2.5 – Temez
Temez (1978) analisou várias bacias espanholas e propôs a seguinte expressão
⎛ L ⎞
tc = 0,3 ⎜ 0,b25 ⎟
⎟
⎜i
⎝ m ⎠
0, 76
(2.5)
sendo:
tc
- tempo de concentração (h);
17
Capítulo 2
im
- declive médio do curso de água principal da bacia (m/m);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (km).
A expressão anterior poderá ser utilizada em bacias hidrográficas naturais com áreas até
3000 km2.
2.2.6 – Kirpich, Pickering e David
Kirpich (1940) propôs a seguinte expressão para calcular o tempo de concentração
tc = 0,0663
Lb 0,77
imb 0,385
= 0,0663
Lb1,155
( ∆h) 0,385
(2.6)
sendo:
tc
- tempo de concentração (h);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (km);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica;
∆h
- diferença de cotas entre as extremidades da linha de água principal (km).
Esta expressão aplica-se sobretudo a bacias rurais com canais bem definidos e declives
compreendidos entre 3% e 10%. O tempo de concentração deverá ser multiplicado por 0,4
em superfícies asfaltadas ou por 0,2 em canais de betão.
Brisa (1974) refere a fórmula de Pickering para calcular o tempo de concentração em
bacias de passagens hidráulicas
⎛ 0,871 Lb 3 ⎞
⎟
tc = ⎜
⎜
⎟
∆h
⎝
⎠
0,385
(2.7)
sendo:
tc
- tempo de concentração (h);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (km);
∆h
- diferença de cotas entre as extremidades da linha de água principal (m).
Verifica-se que a fórmula de Pickering é obtida a partir da fórmula de Kirpich alterando as
unidades da variável correspondente à diferença de cotas entre as extremidades da linha de
água principal. De referir que esta expressão tem sido utilizada na maioria dos projectos da
BRISA.
18
Dimensionamento hidrológico
David (1976) propôs também uma fórmula idêntica à de Kirpich
tc = 0,000324
L1b,15
(2.8)
(∆h)0,38
sendo:
tc
- tempo de concentração (h);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (m);
∆h
- diferença de cotas entre as extremidades da linha de água principal (m).
A expressão de David (1976) está incluída numa metodologia para o cálculo do caudal de
ponta de cheia em bacias hidrográficas com áreas até 25 km2.
2.2.7 – Ventura
Ventura sugere a seguinte expressão
1
⎛ Ab Lb ⎞ 2
⎟
tc = 240 ⎜
⎜ ∆h ⎟
⎝
⎠
sendo:
(2.9)
tc
- tempo de concentração (min), com tc ≥ 5 min;
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
∆h
- diferença de cotas entre as extremidades da linha de água principal (m);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (km).
Em Brisa (1988) é referido que se aplica a bacias naturais com tempos de concentração
superiores a 5 min.
2.2.8 – Schaake
Schaake et al. (1967) desenvolveram a seguinte expressão
tc =
0,503Lb 0, 24
(2.10)
imb 0,16α 0, 26
sendo:
tc
- tempo de concentração (min);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica;
19
Capítulo 2
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (ft);
α
- percentagem de áreas impermeáveis na bacia hidrográfica.
A expressão indicada poderá ser utilizada em bacias urbanas, incluindo ruas pavimentadas
com sarjetas ao longo de passeios.
2.2.9 – Kerby
Kerby (1959) apresenta a seguinte expressão
⎛ K K Lb ⎞
⎟
tc = 0,83 ⎜
⎜ i
⎟
⎝ mb ⎠
0, 467
(2.11)
sendo:
tc
- tempo de concentração (min);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica (%);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (ft);
KK
- coeficiente de rugosidade da fórmula de Kerby (Quadro 2.3).
Quadro 2.3 – Coeficiente de rugosidade da fórmula de Kerby (extraído de Matos, 1987).
Tipologia da superfície
Impermeável lisa
Solo compacto liso
Relvado disseminado; sup. rugosa
Pastagens; relva densa
Valores de KK
0,02
0,10
0,20
0,40
A expressão indicada poderá ser aplicada a bacias hidrográficas de características variadas.
2.2.10 – Morgali e Linsley
Morgali e Linsley (1965) sugerem a seguinte expressão para calcular o tempo de
concentração
tc = 0,94
(K
)
2
2 0,3
M Lb
0,3
I 0, 4 imb
(2.12)
sendo:
20
Dimensionamento hidrológico
tc
- tempo de concentração (min);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica;
I
- intensidade média de precipitação (in/h);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (ft);
KM
- coeficiente de rugosidade da fórmula de Morgali (Quadro 2.4).
A expressão anterior, também conhecida por expressão da teoria da onda cinemática, será
mais adequada a escoamentos turbulentos em superfícies homogéneas. De referir que esta
expressão é de resolução iterativa, uma vez que a intensidade média de precipitação e o
tempo de concentração são desconhecidos.
Quadro 2.4 – Coeficientes de rugosidade de Manning a utilizar na fórmula de Morgali e
Linsley (extraído de Matos, 1987).
Tipologia da superfície
Valores de KM
Pavimento asfáltico
Pavimento em betão
Solo bem compactado
Solo mal compactado
Relvado pobre e disperso
Pastagens; relva median/ densa
Relva densa
Arbustos médios e pequenos
Arvoredo
Tipo de ocupação
Comercial e pequeno industrial
Residencial (denso)
Residencial (Suburbano)
Parques
0,012
0,014
0,02
0,03
0,03
0,04
0,06
0,08
0,20
Valores de KM
0,015 - 0,035
0,025 - 0,040
0,030 - 0,055
0,040 - 0,080
2.2.11 – Izzard
Izzard (1946) propôs a seguinte expressão
1/ 3
K ⎞ ⎛ Lb ⎞⎟
⎛
tc = 41 ⎜ 0,0007 I 1 / 3 + 2 /I 3 ⎟ ⎜
2
I
⎝
⎠ ⎜⎝ CN imb ⎟⎠
sendo:
tc
- tempo de concentração (min);
imb
- declive médio da bacia hidrográfica;
21
(2.13)
Capítulo 2
CN - número de escoamento da bacia hidrográfica;
I
- intensidade de precipitação (in/h);
Lb
- comprimento do curso de água principal da bacia (ft);
KI
- coeficiente de rugosidade da fórmula de Izzard.
A expressão anterior foi desenvolvida experimentalmente, em laboratório, para o USBPR,
a fim de ser aplicada em estradas e superfícies revestidas com gravilha.
Quadro 2.5 – Coeficiente de rugosidade da fórmula de Izzard (adaptado de Chow et al,
1988).
Tipologia da superfície
Valores de KI
Pavimento asfáltico liso
Pavimento arenoso liso
Pavimento em betão
Pavimento de gravilha
0,0070
0,0075
0,012
0,06
2.3 – RELAÇÃO PRECIPITAÇÃO/ESCOAMENTO
2.3.1 – Considerações prévias
A avaliação do coeficiente de escoamento de uma bacia deve ser efectuada com rigor, pois
a inadequada capacidade de passagens hidráulicas e consequentes prejuízos na plataforma
da via e em propriedades adjacentes devem-se muitas vezes à sua deficiente quantificação
ou à alteração das condições de escoamento na bacia que impliquem o aumento do
coeficiente de escoamento.
Nos últimos anos têm-se verificado alguns cortes de estradas, devido à inadequada
capacidade das passagens hidráulicas, tendo em alguns casos implicado o isolamento de
alguns aglomerados. No caso de bacias rurais, a maioria das situações de ruptura deve-se à
redução da capacidade de retenção superficial, como resultado de fogos florestais nessas
zonas. Nas bacias urbanas, o aumento do coeficiente de escoamento, que poderá implicar
rupturas em passagens hidráulicas, deve-se ao incremento de áreas impermeáveis.
22
Dimensionamento hidrológico
Assim, quando se quantifica o coeficiente de escoamento de uma determinada bacia, para
além de se ter em conta o tipo de solo e a sua utilização ou cobertura, deve ser
convenientemente analisada a possibilidade de poderem ocorrer alterações nas condições
de escoamento da bacia e respectivas consequências.
Segundo Oliveira (1996), a transformação da precipitação em escoamento é um processo
complexo e difícil de quantificar de forma rigorosa. Os percursos que a água precipitada
pode tomar sobre a bacia até chegar à linha de água são vários, e os fenómenos físicos que
regem esses percursos envolvem inúmeros factores difíceis de medir ou estimar
continuamente no tempo e no espaço.
Na Figura 2.4 apresenta-se a decomposição de um hidrograma de cheia nos hidrogramas
dos escoamentos superficial, sub-superficial e subterrâneo. Como a maior parte do
escoamento de cheia é devido ao escoamento superficial, a maioria dos métodos para
calcular o caudal de ponta de cheia baseia-se no cálculo da precipitação útil ou efectiva, ou
seja, a que dá origem a escoamento superficial.
O coeficiente de escoamento, definido como sendo a relação entre a quantidade de água
total escoada numa determinada secção e a quantidade total de água precipitada na bacia
hidrográfica contribuinte, deve traduzir a influência dos diferentes factores de que depende
o escoamento.
Figura 2.4 – Hidrograma do escoamento superficial (directo), sub-superficial (intermédio) e
de base (extraído de Lencastre e Franco, 1992).
23
Capítulo 2
2.3.2 – Número de escoamento segundo o SCS
Para se quantificar o número de escoamento é habitual recorrer-se à classificação
hidrológica dos solos. De acordo com a classificação apresentada pelo Soil Conservation
Service, os solos podem ser classificados em quatro tipos (Quadro 2.6).
Quadro 2.6 – Classificação hidrológica de solos segundo o SCS (adaptado de Lencastre e
Franco, 1992).
Características dos solos
Tipo de solo
Solos dando origem a baixo escoamento directo, ou que apresentam
Tipo A
permeabilidade bastante elevada. Inclui areias com bastante espessura, e com
pouco limo ou argila, e arenitos com bastante espessura e muito permeáveis.
Solos menos permeáveis que os do tipo A mas com permeabilidade superior à
Tipo B
média. Inclui fundamentalmente solos arenosos menos espessos que os do tipo
A e arenitos menos espessos e menos agregados que os do tipo A.
Solos originando escoamentos directos superiores à média e superiores aos
Tipo C
originados pelos tipos anteriores. Inclui solos pouco espessos e solos com
quantidades apreciáveis de argilas, se bem que menos do que os do tipo D.
Tipo D
Solos com argilas expansivas e solos pouco espessos, com sub-horizontes
quase impermeáveis que originam elevado escoamento directo.
Na Figura A1 do Anexo A apresenta-se o mapa de solos de Portugal, evidenciando os
quatro tipos de solos. Porém, tal carta tem o inconveniente de ser muito genérica para
poder ser utilizada com rigor na caracterização de solos que correspondam a bacias
hidrográficas de reduzidas dimensões. Nestes casos, é preferível proceder à observação da
bacia, em função do tipo hidrológico do solo e da utilização ou cobertura deste, e utilizar as
indicações do Quadro 2.7, para regiões agrícolas, urbanas e suburbanas, e do Quadro 2.8,
para maior pormenor das regiões rurais.
24
Dimensionamento hidrológico
Quando o tipo hidrológico do solo e as condições de utilização ou cobertura do solo da
bacia hidrográfica forem heterogéneas, o número de escoamento a considerar será igual à
média ponderada dos números de escoamento correspondentes às várias zonas em que se
pode subdividir a bacia, de acordo com seguinte expressão:
CN =
∑ CN A
∑A
i
bi
(2.14)
bi
Quadro 2.7 – Número de escoamento para regiões urbanas, suburbanas e agrícolas
(extraído de Correia, 1984b).
TIPO DE SOLO
UTILIZAÇÃO OU COBERTURA DO SOLO
A
B
C
D
Zonas cultivadas: sem medidas de conservação do solo
com medidas de conservação do solo
Pastagens ou baldios: em más condições
em boas condições
72
62
68
39
81
71
79
61
88
78
86
74
91
81
89
80
Prado em boas condições
30
58
71
78
cobertura má, sem “Mulch”
boa cobertura
45
25
66
55
77
70
83
77
Espaços abertos, relvados, parques, cemitérios, etc.
Boas condições: relva cobrindo mais de 75% da área
Condições razoáveis: relva cobrindo de 50 a 75% da área
39
49
61
69
74
79
80
84
Zonas comerciais e de escritórios (85% de área impermeável)
89
92
94
95
Zonas industriais (72 % de área impermeável)
81
88
91
93
Zonas residenciais:
Áreas médias dos lotes
< 500 m2
1000 m2
1300 m2
2000 m2
4000 m2
77
61
57
54
51
85
75
72
70
68
90
83
81
80
79
92
87
86
85
84
Parques de estacionamento, telhados, viadutos, etc.
98
98
98
98
Arruamentos e estradas:
asfaltadas e com drenagem de águas pluviais
gravilha
terra
98
76
72
98
85
82
98
89
87
98
91
89
Bosques ou zonas florestais:
Percentagem média impermeável
65 %
38 %
30 %
25 %
20 %
25
Capítulo 2
Quadro 2.8 – Número de escoamento para regiões rurais (adaptado de SCS, 1973).
TIPO DE SOLO
UTILIZAÇÃO OU
COBERTURA DO SOLO
CONDIÇÕES DE SUPERFÍCIE
A
B
C
D
77
86
91
94
Segundo o maior declive
64
76
84
88
Segundo as curvas de nível
62
74
82
85
Segundo as curvas de nível e em terraço
60
71
79
82
Segundo o maior declive
62
75
83
87
Segundo as curvas de nível
60
72
81
84
Segundo as curvas de nível e em terraço
57
70
78
82
Pobre
68
79
86
89
Normal
49
69
79
84
Boa
39
61
74
80
Pobre, segundo as curvas de nível
47
67
81
88
Normal, segundo as curvas de nível
25
59
75
83
Boa, segundo as curvas de nível
6
35
70
79
Prado permanente
Normal
30
58
71
78
Zonas sociais rurais
Normal
59
74
82
86
Pavimento permeável
72
82
87
89
Pavimento impermeável
74
84
90
92
Muito abertas ou de baixa transpiração
56
75
86
91
Abertas ou de baixa transpiração
45
66
77
83
Normal
36
60
73
79
Densas ou de alta transpiração
25
55
70
77
Muito densas ou de alta transpiração
15
44
54
61
100
100
100
100
Solo lavrado
Culturas arvenses
Rotações de culturas
Pastagens
Estradas
Florestas
Superfície impermeável
Os números de escoamento, CN, apresentados nos Quadros 2.7 e 2.8, são relativos a uma
normal condição antecedente de humidade do solo, designada pelo SCS por situação
AMCII (antecedent moisture conditions). Desta forma, os valores dos referidos quadros
devem ser corrigidos quando se desejarem efectuar cálculos para situações particularmente
secas (AMCI) ou particularmente húmidas (AMCIII). O Quadro 2.9 apresenta a definição
dos referidos três tipos de condições antecedentes de humidade.
26
Dimensionamento hidrológico
Quadro 2.9 – Definição das condições antecedentes de humidade (adaptado de Correia,
1984b).
Condição antecedente
Definição
de humidade
Situação em que os solos estão secos, mas acima do ponto de
AMCI
emurchecimento.
A
consideração
deste
caso
é
pouco
recomendável para o estudo de caudais de cheia.
Situação média que, segundo Morel-Seytoux e Verdin (1980),
deve corresponder aproximadamente à capacidade do campo.
AMCII
Esta situação corresponde provavelmente às condições de
humidade antecedentes de cheias de pequena dimensão.
Situação em que ocorrem precipitações consideráveis nos cinco
dias anteriores e o solo se encontra quase saturado. É a situação
AMCIII
mais propícia à formação de maiores cheias, e portanto aquela
que se reveste de maior importância para o projecto.
No Quadro 2.10 apresenta-se o critério sugerido pelo SCS para se poder classificar a
condição antecedente de humidade, que deve ser considerada com base na precipitação
total ocorrida nos cinco dias antecedentes.
Quadro 2.10 – Condição antecedente de humidade em função da precipitação total nos
cinco dias antecedentes (adaptado de SCS, 1972).
Precipitação total nos cinco dias
antecedentes (mm)
Período dormente
Condição antecedente de humidade
Período de crescimento
< 13
< 36
AMCI
13 a 28
36 a 53
AMCII
> 28
> 53
AMCII
O Quadro 2.11 apresenta os valores corrigidos do número de escoamento, CN, para as
situações AMCI e AMCIII em função do valor médio da situação AMCII.
Para calcular os números de escoamento em situações particularmente secas (AMCI) e em
situações particularmente húmidas a partir da normal condição antecedente de humidade
do solo (AMCII), Chow et al (1988) propõem as seguintes expressões:
27
Capítulo 2
CN ( I ) =
4,2CN ( II )
10 − 0,058CN ( II )
(2.15)
23CN ( II )
10 + 0,13CN ( II )
(2.16)
CN ( III ) =
Quadro 2.11 – Correcção do número de escoamento em função da condição antecedente de
humidade (adaptado de SCS, 1973).
Valor de CN para a
situação AMCII
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Valor corrigido de CN para a situação:
AMCI
AMCIII
100
87
78
70
63
57
51
45
40
35
31
26
22
18
15
12
9
6
4
2
100
98
96
94
91
88
85
82
78
74
70
65
60
55
50
43
37
30
22
13
2.3.3 – Método racional. Coeficiente de escoamento
No caso de se utilizar a método racional, bastante divulgado devido à sua simplicidade,
para se determinar o caudal de ponta de cheia, aplicam-se os coeficiente de escoamento,
apresentados no Quadro 2.12. Estes coeficientes são baseados no tipo e características da
superfície do terreno, admitindo-se constantes para cada bacia hidrográfica.
28
Dimensionamento hidrológico
Quadro 2.12 – Valores médios do coeficiente de escoamento a utilizar no método racional
(adaptado de Chow, 1964).
Áreas urbanas
Ocupação do solo
C
Zonas verdes:
relvados em solos arenosos
relvados em solos pesados
parques e cemitérios
campos desportivos
Zonas comerciais:
centro da cidade
periferia
Zonas residenciais:
vivendas no centro da cidade
vivendas na periferia
prédios de apartamentos
Zonas industriais:
indústria dispersa
indústria concentrada
Vias férreas
Ruas e estradas:
asfaltadas
de betão
de tijolo
Passeios
Telhados
Baldios
0,05 – 0,20
0,15 – 0,35
0,10 – 0,25
0,20 – 0,35
0,70 – 0,95
0,50 – 0,70
0,30 – 0,50
0,25 – 0,40
0,50 – 0,70
0,50 – 0,80
0,60 – 0,90
0,20 – 0,40
0,70 – 0,90
0,80 – 0,95
0,70 – 0,85
0,75 – 0,85
0,75 – 0,95
0,10 – 0,30
Áreas agrícolas
C
Tipos de solos
Cobertura da bacia
Culturas Pastagens Bosques e florestas
Com capacidade de infiltração superior à
média; usualmente arenosos.
Com capacidade de infiltração média; sem
camadas de argila; solos francos ou similares.
Com capacidade de infiltração inferior à
média; solos argilosos pesados ou com uma
camada argilosa junto à superfície; solos
delgados sobre rocha impermeável.
29
0,20
0,15
0,10
0,40
0,35
0,30
0,50
0,45
0,40
Capítulo 2
Os valores do coeficiente de escoamento apresentados no quadro anterior correspondem a
um período de retorno compreendido entre 5 e 10 anos.
O coeficiente C não corresponde propriamente a um coeficiente de escoamento (relação
entre volumes do escoamento e da precipitação que o origina). Pretende traduzir os efeitos
no caudal de ponta de cheia da retenção superficial, da infiltração e do armazenamento nos
leitos. Depende, por isso, do tipo hidrológico do solo, da ocupação do solo e do período de
retorno.
Choupas (1995) considera que o coeficiente de escoamento pode ser calculado a partir da
fórmula de Schaak, Geyer e Knapp
C = 0,14 + 0,64Cimp + 5imb
Cimp =
(2.17)
Aimp
(2.17a)
Ab
sendo:
C
- coeficiente de escoamento;
Cimp - coeficiente de impermeabilização;
Aimp - superfície impermeável da bacia hidrográfica;
Ab
- área da bacia hidrográfica;
imb
- declive médio da bacia hidrográfica (m/m).
No Quadro 2.13 são apresentados valores do coeficiente de escoamento tendo em
consideração a inclinação média da bacia, a morfologia, a cobertura e o tipo de solo da
bacia.
Quadro 2.13 – Coeficiente de escoamento a utilizar no método racional (adaptado de
Choupas, 1995).
Cobertura
da bacia
Morfologia
Plana
Bosques Ondulada
Montanhosa
Plana
Pastagens Ondulada
Montanhosa
Plana
Cultivados Ondulada
Montanhosa
Declive
médio (%)
Arenosos
0-5
5 - 10
10 - 30
0-5
5 - 10
10 - 30
0-5
5 - 10
10 - 30
0,10
0,25
0,30
0,10
0,15
0,22
0,30
0,40
0,52
30
Tipo de terreno
Com argilas e
limo
0,30
0,35
0,50
0,30
0,36
0,42
0,50
0,60
0,72
Com argila
compacta
0,40
0,50
0,60
0,40
0,55
0,60
0,60
0,70
0,82
Dimensionamento hidrológico
Quando na mesma bacia hidrográfica existirem zonas diferentes, no que diz respeito ao
tipo de solo, morfologia, cobertura e inclinação, deverá ser utilizado um coeficiente de
escoamento ponderado.
Nesta formulação, não se considera o coeficiente C variável com a intensidade de
precipitação.
Choupas (1995) refere que na determinação do coeficiente de escoamento se deve ter em
atenção as seguintes considerações:
-
os coeficientes de escoamento anuais e mensais, por vezes utilizados, são inferiores
aos coeficientes de escoamento instantâneos, pelo que não devem ser utilizados
para calcular o caudal de ponta de cheia;
-
em regiões em que exista a possibilidade de os solos gelarem, o coeficiente de
escoamento deve ser considerado próximo de 1,0 no Inverno;
-
em zonas em que existe um armazenamento de água sob a forma de gelo ou neve, a
fórmula racional pode perder a sua validade, uma vez que o coeficiente de
escoamento pode ser superior à unidade em períodos de degelo.
2.3.4 – Fórmula de Temez. Coeficiente de escoamento
A partir de considerações do Soil Conservation Service, Temez (1978) deduziu a seguinte
expressão para calcular o coeficiente de escoamento em pequenas bacias hidrográficas
naturais
C=
(Pd − P0 ) (Pd + 23P0 )
(Pd + 11P0 ) 2
(2.18)
sendo:
C
- coeficiente de escoamento;
Pd
- precipitação máxima diária (mm);
P0
- parâmetro relativo às perdas iniciais da chuvada antes de se iniciar
escoamento superficial (mm).
31
Capítulo 2
O parâmetro P0 pode ser obtido em Temez (1978), ou calculado por
P0 =
5080
− 50,8
CN
(2.19)
em que CN é o número de escoamento definido pelo SCS. De referir que os valores mais
frequentes de P0 variam entre 24 mm e 35 mm.
2.4 – PRECIPITAÇÃO
2.4.1 – Considerações prévias
A determinação do caudal de ponta de cheia passa pela especificação de uma precipitação
de projecto, que consiste em definir a duração da precipitação, a quantidade de
precipitação associada a um período de retorno e a distribuição temporal da precipitação.
No que diz respeito à especificação da precipitação total considera-se um hietograma de
intensidade de precipitação constante, com duração igual ou superior ao tempo de
concentração, para garantir a contribuição da totalidade da bacia. Por outro lado, uma
duração menor que o tempo de concentração pode também justificar-se, por corresponder a
intensidades de precipitação maiores para o mesmo período de retorno, o que pode
conduzir a maiores caudais de ponta de cheia.
No cálculo do caudal de ponta da cheia em bacias de passagens hidráulicas considera-se
que:
-
as precipitações de certa duração ocorrem uniformemente sobre a bacia e com
intensidade constante;
-
a duração da precipitação útil, que constitui a parcela da precipitação total que dá
origem a escoamento directo, é igual à duração da precipitação total.
32
Dimensionamento hidrológico
2.4.2 – Precipitações intensas de curta duração. Curvas IDF
Os parâmetros característicos das precipitações intensas são:
-
duração correspondente ao tempo considerado para a chuvada, que no caso de
cheias de rios pode ser da ordem de grandeza de horas, ou mesmo dias, e no caso
de passagens hidráulicas pode ser horas ou mesmo minutos;
-
intensidade correspondente à relação entre a altura de precipitação caída e a sua
duração;
-
frequência traduzida, em geral, por uma ocorrência num determinado número de
anos.
As curvas de intensidade-duração-frequência estabelecem a relação entre a intensidade de
precipitação, a duração da precipitação e o período de retorno, de acordo com a expressão
I=
a Tn
(2.20)
(t p + b)m
sendo:
tp
- tempo de precipitação (min);
I
- intensidade de precipitação (mm/h);
T
- período de retorno (anos);
a,b,n,m - parâmetros a serem determinados a partir de registos de udógrafos.
Matos e Silva (1986) obtiveram curvas IDF a partir do tratamento estatístico das séries de
valores máximos da intensidade de precipitação para diferentes durações e para a mesma
frequência de ocorrência. Estas curvas resultaram do ajustamento, pelo método dos
mínimos quadrados, das intensidades de precipitação correspondentes a diversas durações,
para um dado período de retorno, de uma curva exponencial. A curva exponencial é
definida por
I = a t pb
(2.21)
Sendo:
I
- intensidade de precipitação (mm/h);
tp
- tempo de precipitação (min);
a,b
- constantes indicadas no mapa da Figura A2 do Anexo A e nos Quadro 2.14,
2.15 e A1 do Anexo A.
33
Capítulo 2
Matos e Silva (1986) analisaram 25 postos udográficos em funcionamento, localizados em
diferentes zonas do país, e determinaram catorze curvas IDF baseadas em séries de
precipitações de curtas durações, da ordem das dezenas de anos, cujos valores são
apresentados no Quadro 2.14. Depois de determinados os erros relativos, quando se utiliza
o valor da curva IDF de Lisboa em vez do valor correspondente ao posto udográfico em
estudo, concluíram que as curvas IDF de Lisboa podem ser utilizadas a nível nacional. No
entanto, os seus valores sofreram: i) um agravamento de 20 % nas regiões montanhosas do
Continente com altitude superior a 700 metros e nas regiões autónomas da Madeira e
Açores; e, ii) uma redução de 20 % nas regiões do Nordeste, como indicado na Figura A2
do Anexo A.
Quadro 2.14 – Parâmetros, a e b, das curvas IDF de diferentes regiões (Matos e Silva ,
1986).
POSTOS
T (anos)
2
5
10
20
50
100
LISBOA
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
a
b
202,72
- 0,577
165,01
- 0,586
176,38
- 0,576
209,89
- 0,606
134,52
- 0,456
377,31
- 0,756
180,84
- 0,601
198,68
- 0,553
204,89
- 0,584
169,22
- 0,603
250,33
- 0,639
193,12
- 0,517
268,17
- 0,643
192,95
- 0,500
259,26
- 0,562
199,94
- 0,575
284,23
- 0,619
268,60
- 0,613
170,81
- 0,415
460,01
- 0,756
222,90
- 0,579
198,71
- 0,444
245,27
- 0,555
227,44
- 0,598
309,25
- 0,630
228,83
- 0,512
328,67
- 0,589
220,04
- 0,477
290,68
- 0,549
228,16
- 0,573
353,25
- 0,634
303,74
- 0,617
205,95
- 0,422
500,67
- 0,754
251,87
- 0,577
277,24
- 0,491
280,32
- 0,556
266,64
- 0,600
350,56
- 0,631
248,70
- 0,508
359,72
- 0,560
235,20
- 0,465
317,74
- 0,538
253,14
- 0,571
416,59
- 0,644
334,95
- 0,619
239,52
- 0,429
532,12
- 0,750
278,64
- 0,575
374,00
- 0,538
311,58
- 0,557
301,99
- 0,601
388,44
- 0,633
265,72
- 0,505
385,91
- 0,536
248,19
- 0,456
349,54
- 0,524
283,10
- 0,568
495,54
- 0,653
372,82
- 0,622
282,55
- 0,437
565,65
- 0,745
310,56
- 0,572
531,55
- 0,595
349,29
- 0,558
345,00
- 0,601
434,89
- 0,636
285,72
- 0,502
417,06
- 0,511
263,43
- 0,446
365,62
- 0,508
304,23
- 0,566
553,04
- 0,658
399,66
- 0,624
314,54
- 0,442
586,47
- 0,745
332,88
- 0,570
670,22
-0,634
376,10
- 0,559
375,67
- 0,602
468,58
- 0,638
299,45
- 0,499
438,66
- 0,496
273,89
- 0,440
BRAGANÇA
VILA REAL
PORTO
PENHAS
DOURADAS
VISEU
FONTE BOA
ÉVORA
FARO
PRAIA DA
ROCHA
V. R. SANTO
ANTÓNIO
S. CATARINA
PORTO SANTO
A. HEROÍSMO
34
Dimensionamento hidrológico
Na Figura A2 do Anexo A são indicados os parâmetros das curvas IDF, para as diferentes
regiões pluviométricas do país, definidas por Matos e Silva (1986). No entanto, a
aplicação da curva IDF desenvolvida para uma zona em particular é mais aconselhável,
pois a definição de regiões pluviométricas indicadas na Figura A2 resultou de uma
agregação de dados de precipitação, não tendo em consideração regimes especiais de
precipitação a nível local ou regional.
No Quadro 2.15 apresentam-se as curvas IDF que Brandão (1995) propôs para quatro
postos udográficos localizados em Aveiro, Lisboa, Évora e Faro.
Quadro 2.15 - Parâmetros, a e b, das curvas IDF para Aveiro, Lisboa, Évora e Faro
(extraído de Brandão, 1995).
POSTOS
T (anos)
2
10
50
100
a
b
a
b
a
b
a
b
205
- 0,612
221
- 0,607
272
- 0,662
299
- 0,664
301
- 0,617
386
- 0,627
412
- 0,645
479
- 0,645
385
- 0,620
532
- 0,636
533
- 0,638
637
-0,638
421
- 0,621
594
- 0,638
584
- 0,636
704
- 0,636
AVEIRO
LISBOA
ÉVORA
FARO
Brandão e Hipólito (1998) apresentaram para Portugal Continental uma metodologia de
cálculo de precipitações intensas, possibilitando o cálculo da precipitação para qualquer
duração inferior a 24 horas.
Muito recentemente, Brandão e Rodrigues (2000), apresentaram curvas IDF obtidas com
base em extensa informação, para 17 postos udométricos. No Quadro A1 do Anexo A são
apresentados os valores dos parâmetros das curvas IDF referidas.
2.4.3 – Precipitação útil
Para obter o caudal de ponta de cheia é necessário quantificar a precipitação que dá origem
ao escoamento superficial. Esta precipitação, geralmente designada por útil ou efectiva,
corresponde à diferença entre a quantidade de água precipitada e as perdas para o
escoamento superficial por intercepção, retenção e infiltração.
35
Capítulo 2
Para calcular a precipitação útil, o SCS (1972 e 1973) baseia-se na definição de uma
grandeza designada por capacidade máxima de retenção da bacia hidrográfica, que
quantifica a capacidade da bacia para reter a água não utilizável na geração do escoamento
superficial. A capacidade máxima de retenção, Smr, é calculada pela seguinte expressão
S mr =
25400
− 254
CN
(2.22)
sendo:
Smr
- capacidade máxima de retenção segundo o SCS (mm);
CN - número de escoamento segundo o SCS.
As perdas iniciais para o escoamento superficial, Ia, devidas à intercepção, retenção e
infiltração, segundo o SCS, são calculadas pela seguinte expressão:
I a = 0,2S mr
(2.23)
A precipitação útil, é calculada por
Pu =
(P − I a )2
P − I a + S mr
Pu = 0
se P > Ia
(2.24a)
se P < Ia
(2.24b)
sendo:
Pu
- precipitação útil (mm);
P
- precipitação total (mm);
Smr
- capacidade máxima de retenção da bacia hidrográfica segundo o SCS;
Ia
- perdas iniciais para o escoamento superficial.
A expressão anterior pode ser utilizada para calcular o hietograma de precipitação útil a
partir do hietograma de precipitação total. Na Figura 2.5 apresenta-se a relação entre a
precipitação útil e a precipitação total estabelecida pelas expressões (2.24) para diversos
números de escoamento. Como se pode verificar, a parcela da precipitação total que
constitui a precipitação útil aumenta com o número de escoamento e com a precipitação
total. Para bacias totalmente impermeáveis (CN=100), a precipitação útil é igual à
precipitação total.
36
Dimensionamento hidrológico
Figura 2.5 – Relação entre a precipitação útil e a precipitação total, segundo o método do
SCS (extraído de Oliveira, 1996).
2.5 – PERÍODOS DE RETORNO
No cálculo de caudais de ponta de cheia para os quais se devem dimensionar estruturas de
drenagem, nomeadamente passagens hidráulicas, é fundamental a escolha do período de
retorno, T, associado à probabilidade de ocorrência daqueles caudais e, consequentemente,
à sua magnitude. Assim, considera-se que o período de retorno de um caudal é T quando o
seu valor é igualado ou excedido, em média, uma vez em cada intervalo de tempo T.
Segundo
JAE (1998), para obras de drenagem transversal, o período de retorno a
considerar deve ser variável, função da importância da rodovia, por um lado, e das
previsíveis consequências da insuficiência da passagem hidráulica, por outro.
Os parâmetros a considerar devem ser os seguintes:
1) importância da via (P1) – diz respeito à necessidade de garantia de circulação em
ocorrência chuvosa, quer pela densidade do tráfego afectado, quer pelas dificuldades
resultantes da escolha de alternativas viáveis. A sua avaliação tem por base a
classificação da via e tráfego médio diário anual (TMDA);
2) prejuízos/danos para a própria via (P2) – relaciona-se com o impacte da danificação
ou destruição de pavimentos e bermas, resultantes do excesso de quantidade de água ou
37
Capítulo 2
acção erosiva com a consequente interrupção da circulação. A avaliação deste
parâmetro é feita tendo por base o aumento do tempo de percurso imposto ao tráfego
por utilização de vias alternativas (∆Tp em % do tempo de percurso em condições
normais) e se a estrutura afectada for um aterro com altura h;
3) prejuízos/danos causados a terceiros (P3) resultantes da inundação de áreas
circundantes afectadas, devido a sobrelevações excessivas do nível de água, ou pelo
arrastamento de materiais resultantes da destruição da estrada. Se as zonas afectadas
têm ocupação urbana, industrial ou agrícola de valor económico relevante, será sempre
atribuído o nível elevado. Nos restantes casos, tratando-se normalmente de zonas
agrícolas, a classificação com nível de médio ou baixo dependerá do tipo de ocupação
e utilização do solo.
Os pesos a atribuir a cada um dos parâmetros anteriormente definidos são apresentados no
Quadro 2.16.
Quadro 2.16 – Período de retorno para dimensionamento passagens hidráulicas. Pesos dos
parâmetros P1, P2 e P3 (adaptado de JAE, 1998).
Importância da via
Estradas Regionais e
Municipais
Estrada Nacionais, Regionais e
Municipais com TMDA>250
IP(s), IC(s) ou outras estradas
com TMDA>2000
P1
0,5
1,0
1,5
Prejuízos/danos na
via
Baixos
(∆Tp< 25% e h < 2 m)
Médios
(∆Tp< 50% e h < 5 m)
Médios
(∆Tp ≥ 50% e h ≥ 5 m)
P2
Prejuízos/danos em
terceiros
P3
0,5
Baixos
0,5
1,0
Médios
1,0
1,5
Elevados
2,0
Segundo JAE (1998), o período de retorno mínimo a adoptar em passagens hidráulicas é
função do índice I (I = P1+P2+P3), cujos valores se apresentam no Quadro 2.17.
Quadro 2.17 – Período de retorno mínimo a adoptar em passagens hidráulicas (extraído de
JAE, 1998).
Período de retorno, T
(anos)
20 a 25
50
100
> 100 com análise económica e de risco
38
I (I = P1 + P2 + P3)
I = 1,5
I =2,0
2,0 < I ≤ 4,0
I>4
Dimensionamento hidrológico
Da análise de alguns projectos de drenagem transversal de empreitadas da BRISA e da
JAE (projecto da A9-C.R.E.E.L), verifica-se que muitas vezes são utilizados os seguintes
períodos de retorno:
-
bacias com áreas inferiores a 0,3 km2
T = 10 anos
2
2
bacias com área compreendida entre 0,3 km e 3,0 km
2
T = 20 anos
2
-
bacias com área compreendida entre 3,0 km e 50,0 km
T = 50 anos
-
bacias com área superior a 50 km2
T = 100 anos
No entanto, é frequente considerar-se um período de retorno de 50 anos no caso de linhas
de água cujas bacias hidrográficas tenham área inferior a 50 km2, e de 100 anos nas
restantes.
Da análise dos Quadros 2.16 e 2.17 verifica-se que, caso sejam adoptadas as especificações
de JAE (1998), períodos de retorno inferiores a 100 anos só poderão ser adoptados em
estradas regionais e municipais.
2.6 – CAUDAL DE PONTA DE CHEIA
2.6.1– Considerações prévias
As cheias são fenómenos naturais, decorrentes do carácter aleatório dos processos
hidrológicos, cujo conhecimento interessa aprofundar para se reduzirem os riscos delas
decorrentes.
Para a determinação dos caudais de ponta de cheia, existem três tipos de abordagens:
-
fórmulas empíricas, deduzidas a partir da experiência, tendo em consideração a
área da bacia hidrográfica, sem associarem os resultados a probabilidades de
ocorrência;
-
fórmulas cinemáticas, entram em linha de conta com as características do
movimento da água na bacia hidrográfica, expressas através das noções de tempo
39
Capítulo 2
de concentração e de chuvada crítica (chuvada que origina o maior caudal de ponta
para um dado período de retorno);
-
fórmulas de base estatísticas, que têm como finalidades: a análise de valores
referentes a uma dada secção; a extensão de uma amostra de valores por correlação
com a precipitação na bacia; a regionalização dos valores obtidos para algumas
secções por correlação com características físicas da bacia.
2.6.2 – Fórmulas empíricas
A utilização deste tipo de fórmulas, apesar de não ser muito aconselhável, por não
associarem aos resultados uma probabilidade estatística de ocorrência, pode ter interesse
para a determinação de cheias excepcionais, quando não se dispõe de informação
hidrométrica suficiente e quando tenham sido deduzidas para regiões climaticamente
equivalentes (Lencastre, 1992). São exemplos de fórmulas empíricas, as de Whistler,
Pagliaro, Forti e Iskowski.
a) Fórmula de Whistler
A fórmula de Whistler, aplicável em bacias hidrográficas com áreas compreendidas entre
1000 e 12000 km2, é definida por
⎛ 1538
⎞
+ 0,054 ⎟⎟
Q p = Ab ⎜⎜
⎝ 259 + Ab
⎠
(2.25)
sendo:
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
Qp
- caudal de ponta de cheia (m3/s).
Face ao respectivo campo de aplicação, só será utilizável no âmbito do presente estudo, em
que as bacias têm menor área, quando se pretendam efectuar análises comparativas das
diferentes fórmulas empíricas.
40
Dimensionamento hidrológico
b) Fórmula de Pagliaro
A fórmula de Plagliaro tem aplicação em bacias hidrográficas com áreas inferiores a 1000
km2, sendo definida por
⎛ 2900
Q p = Ab ⎜⎜
⎝ 90 + Ab
⎞
⎟
⎟
⎠
(2.26)
sendo:
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
Qp
- caudal de ponta de cheia (m3/s).
c) Fórmula de Forti
Esta fórmula tem aplicação em bacias com áreas inferiores a 1000 km2, sendo definida por
500
⎛
⎞
Q p = Ab ⎜ b
+ c⎟
⎝ A + 125
⎠
(2.27)
sendo:
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
b,c
- constantes que têm os valores de 2,35 e 0,5 respectivamente, para uma
precipitação máxima diária menor que 200 mm, e os valores de 3,25 e 1,00
para uma precipitação máxima diária compreendida entre 200 mm e 400 mm.
d) Fórmula de Iskowski
A fórmula de Iskowski foi uma das primeiras fórmulas empíricas a considerar a
precipitação na bacia hidrográfica. Trata-se de uma fórmula de validade regional,
fornecendo o valor do caudal de ponta de cheia em função da área da bacia hidrográfica e
de factores climáticos e fisiográficos. Entre as fórmulas empíricas, é das que mais se utiliza
por ter em consideração a precipitação sobre a bacia. Em Portugal, a sua aplicação conduz
a caudais inferiores aos reais, por ter sido deduzida a partir de dados de cheias máximas de
289 rios da Europa Central, com bacias hidrográficas muito variadas, com regimes de
chuvas regular e onde a uma mesma precipitação média anual corresponde menor número
de precipitações intensas de curta e média duração, que provocam menores caudais de
cheia.
41
Capítulo 2
A fórmula de Iskowski é definida por
Q p = K Is mI P Ab
(2.28)
sendo:
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
KIs
- coeficiente variável entre 0,80 e 0,017, dependente da categoria dos solos,
da cobertura vegetal e do relevo (Quadro2.18);
mI
- coeficiente variável com a área da bacia (Quadro 2.19);
P
- precipitação média anual (m).
Quadro 2.18 – Coeficiente KIs da fórmula de Iskowski (adaptado de Lencastre, 1992).
Valores do coeficiente KI
Orografia da bacia
Categoria I Categoria II Categoria III Categoria IV
Zona baixa e pantanosa
Zona levemente ondulada
Zona em parte plana e em parte com
colinas
Zona com colinas não muito íngremes
Zona de montes altos / pouco inclinados
Zona de montes altos / média inclinação
Zona de montes altos / muito inclinados
0,017
0,025
0,030
0,040
-
-
0,030
0,035
0,060
0,070
0,080
0,055
0,070
0,160
0,185
0,210
0,100
0,125
0,360
0,460
0,600
0,600
0,700
0,800
Categoria I – Terreno muito permeável com grande vegetação ou completamente
cultivado;
Categoria II – Terreno de colina ou montanha com vegetação normal, e os de
planície levemente ondulada, mas pouco permeável;
Categoria III – Terreno impermeável com vegetação normal em colina escarpada
ou montanhosa;
Categoria IV – Terreno impermeável com escassa ou nenhuma vegetação.
Quadro 2.19 – Coeficiente mI da fórmula de Iskowski (adaptado de Lencastre, 1992).
Ab (km2)
mI
1
10
40
70
100 200 300 400 500 600 700 800 900
1000
10,0 9,0 8,23 7,60 7,40 6,87 6,55 6,22 5,90 5,60 5,35 5,12 4,90
4,70
42
Dimensionamento hidrológico
2.6.3 – Fórmulas cinemáticas
Como referido na alínea 2.6.1, as fórmulas cinemáticas têm em consideração as
características do movimento da água na bacia hidrográfica, traduzidas normalmente
através das noções de tempo de concentração e de chuvada crítica. As mais divulgadas em
Portugal são a fórmula racional e as fórmulas de Giandotti, David, SCS, Temez e Mockus.
a) Fórmula racional
De entre as metodologias simplificadas para calcular o caudal de ponta de cheia em
pequenas bacias hidrográficas, a fórmula racional é reconhecidamente a de maior
utilização e divulgação à escala mundial. Desde que se tomem em consideração as suas
limitações, a adequação dos seus parâmetros de base e a correcta definição dos
procedimentos da sua aplicação, é seguramente muito útil.
As limitações da fórmula racional, resultantes da sua aplicação, prendem-se com as
simplificações de natureza hidrológica e hidráulica da sua formulação. As simplificações
hidrológicas residem em admitir a precipitação como invariável no espaço e no tempo e
em considerar a transformação precipitação-escoamento como sendo uma relação linear
traduzida por um coeficiente de escoamento constante. Do ponto de vista hidráulico, as
limitações da fórmula racional residem no facto de considerar que o caudal de ponta de
cheia só ocorre quando toda a bacia está a contribuir para o escoamento.
Apesar de não existir consenso, a nível mundial, relativamente à dimensão das bacias
hidrográficas que deve constituir o limite de aplicabilidade da fórmula racional, em
Portugal tem sido utilizada, com resultados satisfatórios, em bacias com áreas inferiores a
25 km2 (Lencastre, 1992).
A utilização da fórmula racional requer o conhecimento da área e tipo de ocupação do solo
da bacia hidrográfica, do tempo de concentração e da curva de possibilidade udométrica ou
curvas IDF para um dado período de retorno. A fórmula racional é definida por
Q p = C I Ab
(2.29)
sendo:
43
Capítulo 2
Ab
- área da bacia hidrográfica ;
C
- coeficiente da fórmula racional, que depende do tipo e da ocupação do solo
da bacia hidrográfica (Quadro 2.12);
I
- intensidade média de precipitação para determinada frequência de
ocorrência e com duração igual ao tempo de concentração da bacia
hidrográfica.
Como o coeficiente de escoamento analisado na secção 2.3.3 é aplicável a chuvadas com a
períodos de retorno de 5 a 10 anos, para chuvadas menos frequentes será necessário
corrigir o coeficiente de escoamento por intermédio de um coeficiente de ajustamento, Cf,
(Wright-McLaughlin, 1969). De referir que o produto do coeficiente de escoamento pelo
coeficiente de ajustamento não pode exceder o valor de 1,0. Deste modo, a fórmula
racional é definida por
Q p = C C f I Ab
(2.30)
em que Cf é o coeficiente de ajustamento definido no Quadro 2.20.
Quadro 2.20 – Coeficiente de ajustamento em função do período de retorno (in WrightMcLaughlin, 1969)
Período de retorno, T
(anos)
Coeficiente de
ajustamento, Cf
25
1,10
50
1,20
100
1,25
Choupas (1995) propõe também relações entre caudais de ponta de cheia com diferentes
períodos de retorno
Q p 25
Q p 10
= 1,25
Q p 50
Q p 10
Q p100
= 1,6
Q p 10
= 1,8 a 2,0
Q p1000
Q p 10
= 2,6
A racionalidade do método consiste em supor que a frequência de ocorrência do caudal de
ponta de cheia e da intensidade que lhe deu origem é a mesma, o coeficiente C é igual para
todas as intensidades de precipitação e não considerar o armazenamento na rede
hidrográfica.
44
Dimensionamento hidrológico
Lima (1984) refere que os resultados experimentais parecem abalar os fundamentos do
método, nos seguintes aspectos:
-
os instantes em que se verificam os caudais máximos em bacias experimentais nem
sempre coincidem com os tempos de concentração das bacias analisadas;
-
o coeficiente de escoamento varia, para a mesma bacia e para a mesma chuvada,
com o instante em que é medido;
-
chuvadas diferentes correspondem a diversos coeficientes de escoamento (uma vez
que C =
-
Q
AI
);
os valores do coeficiente de escoamento crescem com os aumentos da intensidade
pluviométrica e da duração da chuvada.
b) Fórmula de Giandotti
A fórmula de Giandotti é definida por
Qp =
λ Ab hmax
(2.31)
tc
sendo:
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
hmax - altura de precipitação para uma duração igual ao tempo de concentração e
um período de retorno (mm);
λ
- parâmetro em função da área (Quadro 2.21);
tc
- tempo de concentração (h).
No Quadro 2.21 vêm indicados os valores do parâmetro, λ, em função da área da bacia e os
coeficientes de escoamento equivalentes da fórmula racional. Quintela (1982) verificou
que para bacias hidrográficas com áreas inferiores a 300 km2 e entre 300 e 500 km2, o
valor do parâmetro λ equivale a um coeficiente de escoamento da fórmula racional maior
ou igual à unidade, o que é absurdo. Desta forma, Lencastre e Franco (1992) referem que
alguns autores sugerem a utilização de λ = 0,244, a que corresponde um valor de C = 0,81.
45
Capítulo 2
Quadro 2.21 – Valores do parâmetro λ da fórmula de Giandotti (adaptado de Lencastre e
Franco, 1992).
λ
Ab (km2)
300
300 – 500
500 – 1 000
1 000 – 8 000
8 000 – 20 000
20 000 – 70 000
Até
0,346
0,277
0,197
0,100
0,076
0,055
C (equivalente)
1,25
1,00
0,71
0,36
0,27
0,20
c) Fórmula do SCS para pequenas bacias naturais e urbanas
Se uma bacia for submetida a uma precipitação de intensidade constante uniformemente
distribuída sobre toda ela, uma situação de equilíbrio é atingida quando a duração da
precipitação útil ultrapassa o tempo de concentração (Correia, 1984). A partir desse
momento o caudal escoado na secção de saída da bacia é igual à intensidade da
precipitação útil, podendo ser calculado pela seguinte expressão
Qp =
I u Ab K
(2.32)
3,6
sendo:
Iu
- intensidade da precipitação útil (mm/h);
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
K
- factor de ponta da bacia hidrográfica.
O factor de ponta de uma bacia hidrográfica pode variar entre 1,0 e 0,5 para bacias muito
declivosas e muito planas, respectivamente. Habitualmente considera-se um valor de 0,75.
Uma vez que a intensidade de precipitação diminui com a duração da chuvada, a duração,
t, de uma chuvada para a situação mais gravosa pode ser calculada por
t = tc + to
(2.33)
sendo:
t
- duração da precipitação total para a situação mais gravosa (h);
tc
- tempo de concentração (h);
to
- tempo que decorre até choverem as perdas iniciais (h).
46
Dimensionamento hidrológico
Para calcular to é necessário recorrer ao seguinte procedimento iterativo:
i)
assumir que to = 0;
ii)
calcular t = to + tc;
iii)
calcular a intensidade de precipitação, I, correspondente a uma duração de
chuvada, t, recorrendo, por exemplo, a curvas IDF, referidas na secção
2.4.2;
iv)
calcular as perdas iniciais, Ia, pela expressão (2.23);
v)
estimar to = Ia / I;
vi)
efectuar o procedimento iterativo até existir igualdade entre os membros da
equação.
Obtido o valor de to, é possível calcular a intensidade de precipitação correspondente a
uma chuvada de duração t = tc + to, calculando a precipitação útil através da expressão
(2.24), e a intensidade de precipitação útil por
Iu =
Pu
tp
(2.34)
sendo:
Iu
- intensidade da precipitação útil (mm/h);
Pu
- precipitação útil (mm);
tp
- tempo de crescimento ou tempo para a ponta (h).
O tempo de crescimento, tp, pode ser calculado por
tp =
1
tr + 0,6 tc
2
(2.35)
tr = t − t0
(2.36)
sendo:
tr
- duração da chuvada útil (h);
tc
- tempo de concentração (h);
to
- tempo que decorre até choverem as perdas iniciais (h).
t
- duração da precipitação total para a situação mais gravosa (h).
É de realçar que a expressão (2.32) é muito sensível ao valor da precipitação, pelo que se
recomenda muito cuidado no cálculo das curvas IDF e na escolha do valor da duração da
chuvada (Oliveira, 1996).
47
Capítulo 2
Este método aplica-se a bacias hidrográficas com áreas inferiores a 2000 acres (8 km2) e
declives médios inferiores a 30%.
d) Fórmula de Mockus
Lencastre e Franco (1992) apresentam a metodologia de Mockus para calcular o caudal
de ponta de cheia. Mockus admite que o valor máximo do caudal de ponta de cheia, para
uma dada frequência, corresponde à chuvada útil com duração tr = 2 tc1/2, sendo obtido
pela expressão
Qp =
0,277 K Ab Pu
(2.37)
tc + 0,6tc
sendo:
Qp
- caudal de ponta de cheia (m3/s);
Pu
- precipitação útil (mm);
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
K
- factor de ponta da bacia hidrográfica;
tc
- tempo de concentração (h).
A fórmula de Mockus é aplicável a bacias cujo tempo de concentração seja inferior a
quatro horas.
e) Fórmula de David
O método proposto por David (1976), aplicável a bacias hidrográficas com áreas inferiores
a 25 km2, é preconizado por JAE (1978). De acordo com este método, a determinação do
caudal de ponta de cheia efectua-se da seguinte forma:
i)
determinar o tempo de concentração da bacia hidrográfica, expresso em
horas, de acordo com a expressão (2.8), podendo, no entanto, utilizar-se
qualquer uma das expressões referidas na secção 2.2;
ii)
determinar o número de escoamento, CN, de acordo com o tipo de utilização
do solo, recorrendo aos Quadros 2.7 e 2.8;
48
Dimensionamento hidrológico
iii)
arbitrar uma duração de precipitação, tp, menor ou igual ao tempo de
concentração da bacia calculado em i);
iv)
determinar a precipitação total, P, para a duração tp arbitrada em iii), e o
período de retorno considerado. Para o efeito podem utilizar-se as curvas IDF
referidas na secção 2.4.2.
v)
determinar a precipitação útil, Pu, utilizando a expressão (2.24);
vi)
calcular o caudal de ponta de cheia, Qp, utilizando a seguinte expressão
Qp =
Pu Ab
(2.38)
tp ⎞
⎛
480,5⎜⎜ 0,6tc + ⎟⎟
2⎠
⎝
sendo:
vii)
Ab
- área da bacia hidrográfica (ha);
tc
- tempo de concentração (h);
tp
- tempo de precipitação (h);
Pu
- precipitação útil (mm).
Calcular o caudal de ponta de cheia para outras durações, tp, de possíveis
chuvadas, repetindo-se os passos iii), iv), v) e vi). De referir que estas
durações tp deverão ser sempre inferiores ao tempo de concentração da bacia
hidrográfica determinado em i);
viii)
o valor do caudal de ponta de cheia a adoptar será o maior dos caudais
determinados.
f) Fórmula de Temez
Para calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas naturais com áreas
inferiores a 75 km2, Temez (1978) propôs a seguinte expressão
Qp =
C I Ab
(2.39)
3
sendo:
Qp
- caudal de ponta de cheia (m3/s);
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2);
C
- coeficiente de escoamento da fórmula de Temez (Eq. 2.18);
I
- intensidade média de precipitação (mm/h).
49
Capítulo 2
Para obter a expressão anterior, Temez (1978) considerou que a intensidade de
precipitação útil é constante e que o caudal máximo de uma bacia hidrográfica se verifica
quando toda a bacia está a contribuir, o que se verifica quando a duração da chuvada iguala
o tempo de concentração.
No entanto, a hipótese de considerar a precipitação útil constante não é real, uma vez que
varia ao longo do tempo. Para ultrapassar a referida limitação, Temez (1978) refere que,
no caso de pequenas bacias, a influência da variação da precipitação útil no seu tempo de
concentração é secundária, podendo desta forma ser reflectida globalmente no caudal de
ponta de cheia através de um coeficiente, K. Apesar deste coeficiente variar de acordo com
a forma dos hietogramas, Temez (1978) verificou que, na prática, se pode admitir
constante e igual a 1,20. O referido coeficiente (K = 1,20) quando aplicado à fórmula
racional obtém-se a expressão (2.39).
A fórmula de Temez também pode ser utilizada em bacias urbanas, desde que as zonas
urbanizadas estejam repartidas pela bacia e não concentradas em algumas partes. Uma vez
que o escoamento superficial é favorecido em zonas urbanas é necessário ajustar o tempo
de concentração destas bacias por
tc ' =
tc
(2.40)
1 + 3 µ (2 − µ )
sendo:
tc '
- tempo de concentração real de uma bacia hidrográfica urbana;
tc
- tempo de concentração de Temez numa bacia natural (Eq. 2.5);
µ
- parâmetro que relaciona a superfície impermeável com a superfície total da
bacia (Quadro 2.22).
Quadro 2.22 – Parâmetro µ em função do grau de urbanização (adaptado de Temez, 1978).
Grau de urbanização
Pequeno
Moderado
Importante
Muito desenvolvido
50
µ
µ < 0,05
0,05 < µ < 0,15
0,15 < µ < 0,30
µ > 0,30
Dimensionamento hidrológico
2.6.4 – Fórmulas de base estatística. Fórmula de Loureiro
As fórmulas de base estatística permitem avaliar o caudal de ponta de cheia numa
determinada secção de um curso de água em função de um período de retorno, com base
em registos de cheias anteriores.
Entre as leis de distribuição estatística mais utilizadas para representar a distribuição de
caudais de ponta, podem-se citar as leis de Galton, Gumbel, Pearson tipo III e logarítmica
de Pearson, entre outras. Uma vez que no dimensionamento hidrológico de passagens
hidráulicas raramente se dispõe de registo de cheias anteriores, no presente trabalho não se
irá fazer uma análise exaustiva aos diferentes métodos estatísticos aplicáveis à análise de
caudais de cheia, fazendo-se apenas referência à fórmula de Loureiro.
Loureiro e Costa (1980), Loureiro e Pinto (1980) e Loureiro (1984) delimitaram zonas
em que correlacionaram os caudais de ponta com a área da bacia, através de expressões do
tipo
Q p = C L × AbZ
(2.41)
sendo:
Qp
- caudal de ponta de cheia (m3/s);
CL, z - parâmetros regionais relacionados com o período de retorno;
Ab
- área da bacia hidrográfica (km2).
Dentro de cada região, o parâmetro CL é constante e o parâmetro z é função do período de
retorno. A determinação dos parâmetros baseou-se na aplicação da lei de Gumbel (1967)
aos caudais máximos anuais observados. No Quadro 2.23 indicam-se as zonas
consideradas e os respectivos valores dos parâmetros CL e z.
51
Capítulo 2
Quadro 2.23 – Parâmetros CL e z da fórmula de Loureiro (adaptado de Lencastre e
Franco, 1992).
Localização geral
A norte da bacia do
Tejo
Bacia do Tejo
A sul da bacia do
Tejo
Zona
Definição das zonas
N1 – Bacias superiores do Cávado, Tâmega e Tua;
N2 – Bacia do Lima, bacia intermédia do Cávado, bacia superior do Ave,
bacias inferiores do Tâmega e do Tua e bacia superior do Sabor;
N3 – Bacias inferiores do Cávado, Ave, Douro, Vouga e Mondego;
N4 – Bacia inferior do Sabor, margem esquerda da bacia do Douro a
montante da confluência do Paiva, bacias superiores do Vouga e
Mondego;
T1 – Bacias superiores do Zêzere e bacias do Ponsul, Ocreza, Aravil e Erges
(Válidos só para uma precipitação média anual inferior a 1400 mm);
T2 – Bacias inferiores do Zêzere e bacias do Nabão, Alviela, Maior,
Alenquer, Grande da Pipa, Trancão; bacias inferiores do Soraia e
Candeeiros, serra de Montejunto e o litoral e na bacia do rio Lis, os
valores deverão ser tomados com reserva;
T3 – Bacia superior do Soraia, bacias da ribeira de Nisa e dos rios Sever e
Caia;
S1 – Ribeiras do Algarve, Baixo Guadiana e Alto Mira (válidos onde a
precipitação média anual está compreendida entre 500mm 1000 mm);
S2 – Alto Sado, bacias superiores do Xarrama, Degebe e baixo Mira;
S3 – Baixo Sado;
S4 – Bacia do Guadiana, entre as zonas S1 e S 2;
Valores de CL
Valor
de z
Período de retorno (anos)
5
10
25
50
100
500
1000
N1
N2
N3
N4
0,807
0,694
0,510
0,489
2,85
5,44
24,93
11,7
3,72
6,97
30,5
16,8
4,53
8,58
39,1
19,2
5,27
9,67
43,5
22,3
6,10
11,0
49,5
26,2
7,6
13,9
57,1
33,1
8,57
15,6
64,8
38,5
T1
T2
T3
0,375
0,466
0,761
31,3
19,2
3,66
40,1
26,3
4,49
50,2
34,7
5,58
58,1
42,2
6,02
66,9
48,3
8,45
80,5
66,2
9,60
94,4
72,3
11,0
S1
S2
S3
S4
0,784
0,738
0,816
0,745
3,45
3,39
1,66
2,30
4,40
4,28
2,09
3,06
5,40
5,54
2,58
3,68
6,24
6,44
2,98
4,12
7,09
7,40
3,37
4,94
8,97
9,50
4,27
6,23
9,88
10,7
4,75
7,27
52
Fly UP