Capítulo 1 Pequenas bacias hidrológicas conceitos básicos In PAIVA, J B D de ; PAIVA, E M C de . Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas . 2003

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CAPÍTULO 1. PEQUENAS BACIAS HIDROLÒGICAS:
CONCEITOS BÁSICOS
Joel Avruch Goldenfum
1.1. Conceito de pequena bacia
A definição das dimensões máximas de uma pequena bacia sempre
apresenta algum grau de subjetividade. A variabilidade natural das
características f ísicas das bacias, no que se refere a solos, vegetação e
topografia, faz com que não exista um valor único aplicável a todas
situações. Conforme Ponce (1989), o limite superior de uma pequena bacia
é normalmente definido em função de sua área ou de seu tempo de
concentração, mas invariavelmente estes limites são de alguma forma
arbitrários.
Torna-se necessário definir o que é uma pequena bacia tomando
como base os processos envolvidos. Assim, uma bacia hidrológica é
considerada pequena se apresenta algumas ou todas das seguintes
propriedades (Ponce, 1989):
a precipitação pode ser considerada como uniformemente
distribuída no espaço, sobre toda bacia;
a precipitação pode ser considerada como uniformemente
distribuída no tempo;
a duração das tormentas geralmente excede o tempo de
concentração da bacia;
a geração de água e sedimentos se dá principalmente pelo
escoamento nas vertentes;
os processos de armazenamento e de fluxo concentrado na
calha dos cursos d’água são pouco importantes.
Estas características fazem com que os fenômenos de
transformação chuva-vazão em pequenas bacias hidrográficas possam ser
descritos utilizando métodos relativamente simples. Muitas vezes, todos
processos relevantes são reunidos em alguns poucos elementos, tais como
intensidade da chuva e área da bacia. Assim, aplicações rotineiras de
projetos de engenharia normalmente utilizam enfoques simplificados,
concentrando a variabilidade de parâmetros e variáveis apenas no tempo e
desconsiderando sua variação espacial (modelos concentrados de
representação dos processos hidrossedimentológicos). Porém, uma
representação mais precisa dos reais processos físicos, químicos e
biológicos envolvidos exige a utilização de métodos detalhados do
!
Hidroloqia aplicada à qestao de pequenas bacias hidroarúficn».
descrição da interação entre cada um dos elementos em estudo, levando
em conta a variabilidade espaço-temporal do sistema e dos processos
analisados.
1.2.1. Regiões hidrologicamente homogéneas (províncias
hidrológicas)
Lanna (1983) conceitua províncias hidrológicas como sendo regiões
hidrologicamente homogéneas, ou seja, aquelas regiões que apresentariam
similaridade nos fenômenos integrantes do processo hidrológico. A
similaridade hidrológica inclui fatores físicos (tamanho, forma, declividade,
padrão de drenagem, seção transversal de canal) , fatores climáticos
(temperatura, precipitação, vento, insolação), fatores biológicos (vegetação),
fatores geológicos (solo, formação geológica, aquíferos) e efeitos antrópicos
(uso da terra, estruturas de desvio e controle fluvial). Como esta
conceituação apresenta dificuldades de operacionalização devido à
complexidade dos fenômenos envolvidos, Lanna (1983) apresenta a
alternativa de definir província hidrológica como uma região na qual diversas
características climáticas e fisiográficas teriam variabilidade mínima. A
similaridade, neste caso, seria observada com respeito aos fenômenos de
maior interesse do processo hidrológico. Esta conceituação alternativa é
geralmente vinculada aos métodos de regionalização hidrológica, que
procuram minimizar o erro de estimativas de parâmetros estatísticos de
variáveis hidrológicas. Assim, uma região hidrologicamente homogénea é
definida com o propósito de minimizar a variância da estimativa de
determinado(s) parâmetro(s) estatístico(s) de uma variável hidrológica com
base em informações regionais.
A delimitação de regiões hidrologicamente homogéneas permite a
identificação de áreas com comportamento similar, de forma que
possibilitem a transferência de informações de um local para outro. Assim, a
escassez de dados hidrológicos é combatida com a otimização das
informações disponíveis, através de um conjunto de ferramentas que
buscam explorar ao máximo estas informações, visando à estimativa de
variáveis hidrológicas em locais sem dados (Tucci, 1993).
A definição de uma região homogénea está relacionada com um
determinado tipo de comportamento do sistema hídrico. Segundo Tucci
(1993), a homogeneidade pode ser entendida como a semelhança na
resposta das funções regionais obtidas na regionalização hidrológica. Estas
funções são a curva adimensional de probabilidade e a equação de
regressão.
1.2. Regiões homogéneas, bacias representativas, bacias
experimentais e bacias elementares
As características de homogeneidade das pequenas bacias fazem
com que elas sejam muitas vezes utilizadas em pesquisas visando a
obtenção de um melhor entendimento dos processos f ísicos, químicos e
biológicos que intervêm no ciclo hidrológico. Desta forma, o conceito de
pequena bacia está, também, associado ao tipo de estudo que é efetuado e
à aplicação e interpretação efetuada a partir dos dados nelas coletados.
Assim
representativas, bacias experimentais ou bacias elementares, conforme o
caso em estudo.
Conforme Toebes e Ouryvaev (1970), todos estudos em bacias
hidrográficas devem ser planejados para obter uma melhor compreensão
das relações físicas e matemáticas entre os diversos componentes do ciclo
hidrológico, objetivando uma melhor previsão e quantificação destes
elementos. O objetivo da pesquisa hidrológica não é apenas a coleta de
dados, mas principalmente a interpretação destes dados para uso no
planejamento do aproveitamento dos recursos de água e solo. O uso de
métodos clássicos da estatística traz resultados muitas vezes de limitado
valor prático, uma vez que não são sempre aplicáveis aos dados
hidrossedimentológicos. Torna-se necessário organizar experimentos
especiais e conduzir pesquisas hidrológicas complexas em aspectos
individuais do ciclo hidrológico, sempre tendo em vista necessidades e
aplicações práticas e levando em consideração condições climáticas e
fisiográficas de uma determinada região.
A análise de dados naturais e experimentais está sempre associada
a um determinado grau de incerteza. A natural variabilidade temporal e
espacial dos processos hidrossedimentológicos aumenta esta incerteza e
torna ainda mais complexa a interpretação e generalização de conclusões
obtidas a partir de observações hidrológicas. A necessidade de
padronização na obtenção e processamento dos dados hidrológicos é
quase uma imposição para permitir a redução da incerteza envolvida.
Nas próximas seções são definidos alguns conceitos envolvendo
bacias hidrológicas, cuja compreensão e adoção é de fundamental
importância para a padronização na obtenção de dados hidrossedimen-
tológicos.
pequenas bacias podem ser caracterizadas como bacias
A curva regional de probabilidade é obtida a partir da identificação
de postos fluviométricos que apresentam curvas adimensionais de mesma
tendência. A curva adimensional de probabilidade de um determinado local
(posto fluviométrico) pode ser expressa por:
P [Qj/Qm < Q/Qm] = F(Q/Qm) (1.1)
onde:
Q = vazão em estudo (vazão máxima, média ou mínima);
= valor escolhido de vazão;Qi
Goldonlum, J.A1. Pequenas Bacias Hidrológicas: Conceitos Básicos I lidrologia aplicada ã gestão do pequenas bacias hidrográficas
0
hidrológico, sob condições naturais e relalivamente estáveis (Toebes e
Ouryvaev, 1970).
Conforme Lanna (1983), o objetivo da instrumentação de bacias
representativas é a obtenção de dados típicos da região homogénea a que
pertencem, permitindo a fundamentação de estudos que resultam em um
melhor conhecimento dos processos hidrológicos atuantes.
As observações em bacias representativas devem ser efetuadas
durante períodos longos de tempo e em combinação com estudos
climáticos, pedológicos, geológicos e hidrogeológicos. Elas devem ser
implantadas visando:
= valor médio de Q;
Q/Qm = vazão adimensionalizada;
P[ ] = probabilidade;
F(Q/Qm) = função de distribuição de probabilidades de Q/Qm.
A equação de regressão é estabelecida entre a vazão média de
adimensionalizaçãoe as características físicas e climáticas das bacias com
dados. As características mais utilizadas são a área de drenagem (A), a
precipitação média anual (P), a declividade (S) e o comprimento (L) do
curso d’água principal, a densidade de drenagem (DD), de forma que:
Qm
(1.2)Qm = f (A, P, S, DD, L)
onde a função f( ) normalmente utilizada é uma equação de potência do tipo
Qm = a.Ab.Pc.Sd.DDe.Lf
onde a, b, c, d, e, f são coeficientes obtidos pelo método de mínimos
quadrados.
pesquisas básicas - estudos detalhados de processos físicos,
químicos e/ou biológicos dentro do ciclo hidrológico;
determinação dos efeitos de mudanças naturais (ou
eventualmente, mudanças nas práticas de cultivo e uso do solo)
no regime hidrológico - mudanças no clima, na vegetação ou no
solo;
predição hidrológica - desenvolvimento e adaptação de
modelos para estimativa da disponibilidade de recursos hídricos
em uma região;
formação de uma rede básica de estações hidrológicas - em
muitos locais, devido à carência de dados hidrológicos, as
bacias representativas podem cumprir o papel de uma rede
básica de estações hidrológicas;
extensão de séries históricas - as séries de dados observados
em bacias representativas, por serem de longa duração e boa
qualidade, permitem sua utilização para complementar séries
existentes na mesma região homogénea.
Para atender estas necessidades, as bacias representativas devem
apresentar mudanças naturais ou culturais mínimas durante o período de
estudo. Se houver mudanças, elas devem ser registradas em detalhe, para
permitir uma correta avaliação de sua influência.
(1.3)
De uma forma geral, admite-se continuidade geográfica das regiões
homogéneas, mas os critérios para identificação de seus limites são
distintos em função da existência ou não de informações hidrológicas.
Quando estas informações não são disponíveis ou são escassas, a
delimitação de regiões homogéneas se dá exclusivamente em função das
características climáticas e fisiográficas mais relevantes, tais como: clima,
relevo, solo, subsolo, vegetação, tamanho das bacias. Quando os dados
hidrológicos estão disponíveis em extensão espacial e temporal adequadas,
a delimitação das regiões homogéneas é geralmente efetuada a partir de
estudos de regionalização. As variáveis hidrológicas regionalizadas podem
ser: vazão média de longo período, vazão máxima instantânea, vazão
mínima com duração t, curva de permanência de vazões e curva de
regularização de vazões. É importante destacar que as regiões
homogéneas podem ter limites distintos para cada uma das variáveis
hidrológicas regionalizadas.
Torna-se cada vez mais evidente que a delimitação de regiões
homogéneas e a classificação de bacias segundo a região a que pertencem
insere-se, necessariamente, no planejamento racional (em escala regional
e/ou nacional) da coleta de informações hidrológicas (Lanna, 1983).
1.2.3. Bacias experimentais
Bacias experimentais são bacias relativamente homogéneas no que
se refere a solo e vegetação e que possuem características físicas
uniformes, onde são efetuados estudos detalhados do ciclo hidrológico.
Nestas bacias, muitas vezes algumas características naturais são
deliberadamente alteradas para estudar o efeito destas modificações no
comportamento hidrológico do sistema (Toebes e Ouryvaev, 1970).
1.2.2. Bacias representativas
Bacias representativas são bacias instrumentadas com aparelhos
de observação e registro de fenômenos hidrológicos e climatológicos e que
representam bacias situadas em uma mesma região homogénea. Elas são
utilizadas para pesquisas intensivas de detalhes específicos do ciclo
1. Pequenas Bacias Hidrológicas: Conceitos Básicos Goldenlum, J.A. Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas.
A necessidade de autorização para manipular e modificar a terra íaz
com que, muitas vezes, seja preciso adquirir ou arrendar a área em estudo.
Este fato, aliado à ocorrência de estudos detalhados, faz com que as bacias
experimentais sejam de pequenas dimensões. Conforme Toebes e
Ouryvaev (1970), a dimensão máxima das bacias experimentais é da ordem
de 4 km2.
se identifique rapidamente qualquer alleração na camada
superficial do solo das sub-bacias;
se tenha a convicção de que a produção de água e sedimentos
a partir do fluxo concentrado na calha dos cursos d'água é
insignificante se comparada com a produção nas vertentes.
Estas características permitem uma avaliação numérica bastante
precisa dos parâmetros representativos da bacia, possibilitando uma boa
compreensão dos processos envolvidos no ciclo hidrossedimentológico e de
sua importância relativa.
A pesquisa em bacias experimentais é normalmente efetuada a
partir de estudos comparativos, o que implica em sua operação em grupos
de duas ou mais unidades. Elas são normalmente estabelecidas com
objetivos de:
estudar os efeitos de mudanças culturais, tais como
desmatamento e/ou modificação no uso do solo;
previsão hidrológica - as bacias experimentais configuram um
excelente laboratório para validar, testar e calibrar modelos
hidrológicos;
extensão de séries hidrológicas - da mesma forma que nas
bacias representativas, as séries de dados observados em
bacias experimentais permitem sua utilização para
complementar séries existentes na mesma região homogénea;
treinamento de técnicos e estudantes - a instrumentação
detalhada das bacias experimentais constitui uma excelente
oportunidade para familiarização e treinamento para operação
de equipamentos de monitoração hidrológica e climatológica;
pesquisa básica - estudos detalhados de processos físicos,
químicos e/ou biológicos dentro do ciclo hidrológico.
1.3. Principais características físicas
Tendo em vista as dimensões das pequenas bacias, elas
apresentam um grau de homogeneidade maior que as demais. Porém, a
heterogeneidade natural das principais características físicas não pode ser
desprezada. Em pequenas bacias, qualquer variabilidade passa a ter uma
importância relativa maior do que em médias e grandes bacias, onde
pequenas variações no valor de uma propriedade são “filtradas” pelo
comportamento médio da mesma. E, portanto, fundamental um
levantamento detalhado das características fisiográficas em pequenas
bacias hidrológicas.
Para a perfeita caracterização da bacia é fundamental um
levantamento detalhado das seguintes características topográficas (Gregory
e Walling, 1973):
área e forma: praticamente todas características da bacia estão
correlacionadas com a área. A forma da bacia também pode ser
decisiva quanto à tendência de respostas mais rápidas ou mais
lentas do sistema (bacias “circulares” terão a tendência de
respostas mais rápidas do que bacias “alongadas”). A
delimitação da bacia deve ser efetuada da forma mais precisa
possível, pois, em pequenas bacias, qualquer erro na área pode
ser de grande importância relativa;
densidade da rede de drenagem: a densidade da rede de
drenagem é um parâmetro de grande sensibilidade, uma vez
que provê a ligação entre os atributos de forma da bacia e os
processos que agem sobre o curso d’água. Como o fluxo
concentrado em canais é muito mais rápido que nas vertentes
ou no subsolo, a extensão da rede tem influência direta nas
vazões efluentes. A extensão e densidade da rede de drenagem
refletem controles topográficos, litológicos, pedológicos e de
vegetação, além da influência antrópica. É importante ressaltar
que a escala das cartas topográficas existentes pode exercer
grande influência na determinação da densidade de drenagem,
1.2.4. Bacias elementares
Bacias elementares, ou bacias de pequena ordem, constituem a
menor unidade geomorfológica onde podem ocorrer todos os processos
elementares do ciclo hidrológico (Goldenfum, 1991).
As bacias elementares apresentam, como ordem de grandeza, o
tamanho de até 5 km2, o que, segundo Silveira (1982), permite que:
possa ser considerada a ocorrência de eventos pluviosos
uniformes em toda bacia;
as características físicas sejam semelhantes em toda sua
extensão;
se tenha um maior controle sobre a entrada de sedimentos de
outrasáreas;
I. Pequenas Bacias Hidrológicas: Conceitos Básicos Goldenfum, J.A. Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas.
Iu I I
sendo, portanto, recomendável à adoção de uma mesma escala
para estudos comparativos em diferentes bacias;
comprimento da bacia e do canal principal: o caminho que a
água percorre dentro da bacia, até atingir seu exutório
determina o tempo de resposta da bacia. O comprimento total
deste caminho pode ser representado pelo comprimento do
canal principal, que pode ser relacionado com a área da bacia e
com o comprimento total da rede de drenagem. Porém, o
comprimento do canal principal introduz duas outras
considerações: i) dependência da forma da bacia; ii) falta de
correspondência exata entre comprimento do vale e
comprimento do canal;
declividade: a declividade da bacia tem influência direta na
velocidade do fluxo. Ela é muitas vezes representada pela
declividade média do seu curso d5água principal. Como
geralmente há uma alternância entre baixios e trechos mais
profundos, um levantamento detalhado do perfil longitudinal do
canal é de fundamental importância para a correta
determinação das diferentes declividades observadas em cada
trecho do rio.
Além das características topográficas, Gregory e Walling (1973)
também destacam a necessidade de levantamento das características de
rochas, solos e sedimentos (porosidade, permeabilidade, existência de
fraturas, coesividade, distribuição granulométrica, erodibilidade) e também
da cobertura vegetal (vegetação natural, práticas culturais e de uso do solo,
desmatamento: características espaciais e sazonais).
Todos estes elementos são de vital importância para a correta
interpretação do funcionamento dos processos hidrológicos na bacia. Seu
levantamento detalhado e acompanhamento constante são fundamentais
para a detecção de causas de alterações permanentes ou transitórias no
comportamento do sistema.
podem ser delineados, tendo em vista as características inerentes a
pequenas bacias hidrológicas.
No Brasil, há grande carência de dados hidrológicos de pequenas
bacias. A instalação e coleta de dados tiveram como seu principal agente o
setor de geração de energia elétrica. Desta forma, há poucos postos em
bacias com menos de 500 km2. O monitoramento das pequenas bacias
reveste-se, portanto, de fundamental importância para a complementação
da rede de informações hidrológicas, além de sua natural vocação para o
estudo do funcionamento dos processos físicos, químicos e biológicos
atuantes no ciclo hidrológico.
Em função destas características, as pequenas bacias hidrológicas
têm sido utilizadas com maior frequência em estudos de regionalização ou
como bacias experimentais ou representativas. Os princípios gerais
apresentados a seguir se baseiam em Toebes e Ouryvaev (1970) e se
referem a estes estudos. Na parte 5 deste livro (Capítulos 17 a 21) o tema
de Monitoramento dos processos e variáveis da bacia é tratado com maior
detalhe.
Em geral, estudos hidrológicos em bacias representativas e
experimentais conduzem a dois tipos de resultados: a estimativa de
parâmetros característicos ou comparações através de testes estatísticos.
Consequentemente, a precisão e representatividade dos resultados
dependem, em primeiro lugar, da extensão do período de observação.
Bacias representativas e experimentais normalmente apresentam
períodos distintos. As observações em bacias representativas são de longo
período, incluindo vários anos com valores máximos e mínimos, para
estabelecer o padrão típico de escoamento da região. Em bacias
experimentais, o período de observação pode ser bastante extenso ou bem
pequeno, em função do tipo de estudo: efeitos de diferentes práticas de
cultivo podem ser estudados em um período curto, mas efeitos de
desmatamento exigem alguns anos de observações.
Outro fator a ser definido logo no início dos estudos é o conjunto do
parâmetros a ser monitorado e o conjunto de variáveis que serão
controladas e, eventualmente, alteradas, para verificar sua influência. Cada
estudo poderá abranger um conjunto diferente de variáveis e processos
monitorados, mas de uma forma geral, os seguintes elementos devem sor
considerados:
1.4.Monitoramento das pequenas bacias
O planejamento das observações a serem efetuadas em uma bacia
hidrológica depende dos objetivos da pesquisa e das condições naturais da
região. Os programas de monitoramento de bacias similares, localizadas em
regiões hidrológicas semelhantes, podem diferir enormemente, não apenas
em função dos objetivos dos estudos, mas também em função da
disponibilidade de recursos físicos, financeiros e de pessoal especializado.
É impossível, portanto, definir um programa de observações que serviria
para toda e qualquer bacia hidrológica. Porém, alguns princípios gerais
precipitação: determinação dos valores precipitados com n
caracterização de seu tipo (chuva, orvalho, etc.) o sua
distribuição espacial e temporal;
interceotacão: apresenta grande importância om pequenas
bacias, podendo afetar de forma significativa no total oscondo;
1. Pequenas Bacias Hidrológicas: Conceitos Básicos Goldeníum, J.A. Hidrolociia aplicada à ciGStão do poquenns bacios hldrográlloos
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Hidrologia. Ciência e aplicação. Porto Alegre: Ed. Da Universidade:
ABRH: EDUSP, 1993. p.573-619.
evaporacao e evapotranspiracão: pode ser determinada por
balanço hídrico ou por experimentos detalhados;
águas superficiais: inclui a medição de escoamento nas
vertentes e cursos d’água, além dos volumes retidos em lagos e
reservatórios;
águas subsuperficiais: inclui a zona saturada e a não-saturada,
além de escoamento preferencial (“piping”, por exemplo);
infiltração: apesar de ser um dos processos mais importantes do
ciclo hidrológico, é um dos menos satisfatórios no que se refere
à precisão das medições. Isto se dá, principalmente pela grande
variabilidade espacial do processo, que é medido de forma
pontual;
erosão e sedimentação: devem ser avaliados valores totais
produzidos nas vertentes e carreados nos canais;
qualidade de água: envolve a medição de parâmetros químicos,
físicos e bacteriológicos;
dados climatolóqicos: além da precipitação, devem ser
quantificadas temperatura e umidade do ar, temperatura do
solo, radiação solar, direção e velocidade do vento.
Estudos detalhados envolvem a necessidade de densificação da
distribuição espacial da instrumentação. Em muitos casos, pode-se prever
uma etapa inicial com grande concentração de equipamentos e uma
segunda etapa onde, após a obtenção de um conhecimento dos processos,
pode-se reduzir a instrumentação.
Os estudos devem apresentar programas e métodos de
monitoramento padronizados, para permitir comparações entre os
resultados. É evidente que ajustes serão necessários conforme
características específicas de cada bacia.
É importante destacar que o programa de monitoramento deve ser
claramente definido e detalhado antes do estabelecimento de uma bacia
representativa ou experimental. Eventuais adaptações e mudanças podem
ocorrer ao longo dos estudos, conforme se mostrar necessário.
Engineering Hydrology: principies and practice.
1.5. Referências bibliográficas
GOLDENFUM, J.A. Simulação hidrossedimentológicaem pequenas
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(Mestrado) - Curso de Pós-graduação em Recursos Hídricos e
Saneamento, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
1. Pequenas Bacias Hidrolóaicas: Conceitos Básicos Goldenfum. J. A . Hidrnlonia anlinaria à nastão da nenuenas bacias hidroui . iln r .
	Captítulo 1. Pequenas bacias hidrológicas: conceitos básicos
	1.1. Conceito de pequena bacia
	1.2. Regiões homogéneas, bacias representativas, bacias experimentais e bacias elementares
	1.2.1. Regiões hidrologicamente homogéneas (províncias hidrológicas)
	1.2.2. Bacias representativas
	1.2.3. Bacias experimentais
	1.2.4. Bacias elementares
	1.3. Principais características físicas
	1.4. Monitoramento das pequenas bacias
	1.5. Referências bibliográficas