Síntese dos elementos da hidrologia - Engenharia Civil - UFAM

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CICLO HIDROGRÁFICO 
A hidrologia é a ciência que estuda a água na Terra, ou seja, é uma ciência que 
buscar representar os processos físicos que ocorrem na bacia hidrográfica, tendo como 
base os processos envolvidos. A água é um mineral presente em toda a natureza, a qual é 
essencial para a sobrevivência dos seres vivos, além de ser considerado um recurso 
peculiar, pois se renova pelos processos físicos do ciclo hidrológico. Todavia, devido as 
suas diversas possibilidades de uso, ela passou a ser um recurso escasso. A parti do século 
XX, as demandas de uso para as mais diversas finalidades passaram a ter um aumento 
significativo em relação à disponibilidade. 
O clima está diretamente relacionado com a hidrologia em função dos principais 
fatores que influenciam o clima. São eles: a temperatura, a umidade, a pressão 
atmosférica, o vento e as chuvas. Ainda existem três tipos de chuvas: as frontais, as 
orográficas, e as convectivas. 
As águas existentes em quase todo o planeta desenvolvem um processo 
denominado ciclo hidrológico. O processo desse ciclo se dá a partir da radiação solar e 
do metabolismo dos seres vivos (evapotranspiração), os quais fornecem energia para 
elevar a água da superfície terrestre para a atmosfera (a evaporação). Unindo este 
processo com a força da gravidade, a água condensada nas nuvens se precipita. Uma vez 
na superfície terrestre a água perpassa pelo solo e circula através de linhas de água que se 
reúnem em córregos e rios até atingir os oceanos (escoamento superficial) ou se infiltra 
nos solos e nas rochas entre os poros, através dos seus poros, fissuras e fraturas 
(escoamento subterrâneo). 
UNIDADE BACIA HIDROGRÁFICA 
Bacia hidrográfica é uma unidade fisiográfica, limitada por divisores topográficos, 
tal que recolhe a precipitação, age como reservatório de água e sedimentos, ela é drenada 
por um curso d’água ou um sistema conectado de cursos de água, e toda vazão efluente é 
descarregada em uma seção fluvial única, denominada seção exutória ou exutório. Os 
divisores topográficos são condicionados pela topografia e limitam de onde provém o 
deflúvio superficial (quantidade de água que chega aos leitos fluviais, depois de ter 
escoado superficialmente) da bacia. 
Os divisores topográficos necessariamente contornam a bacia hidrográfica e 
consistem na linha de separação que divide as precipitações que caem em bacias vizinhas 
e que encaminha o escoamento superficial para outro sistema fluvial. O divisor de águas 
freático é determinado pela estrutura geológica do terreno, estabelecendo os limites dos 
reservatórios de água subterrânea de onde se pode determinar o deflúvio básico da bacia. 
Vale destacar que quanto mais alto estiver o nível do lençol freático, mais próximos entre 
si estarão os divisores. O divisor topográfico segue uma linha rígida em torno da bacia, 
atravessando o curso d´água somente no ponto de saída. Esse divisor une os pontos de 
máxima cota entre bacias, o que não impede que o interior de uma bacia exista picos 
isolados com cota superior a qualquer ponto do divisor. 
As bacias de drenagem podem ser classificadas em: 
• Exorreicas: quando o escoamento da água se faz de modo contínuo até o 
mar, ou seja, desaguam diretamente no mar. 
• Endorreicas: quando as drenagens são internas e não possuem escoamento 
até o mar, desaguando em lagos ou dissipando-se nas areias do deserto ou 
se perdendo nas depressões cársicas. 
• Arreicas: quando não há qualquer estruturação em baciais, como nas áreas 
desérticas. 
• Criptorreicas: quando as bacias são subterrâneas, como nas áreas cársicas. 
As características morfológicas (topografia, geologia, solo, cobertura vegetal,...) 
predizem o comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica. Para entender as 
inter-relações existentes entre esses fatores de forma e os processos hidrológicos de uma 
bacia hidrográfica, torna-se necessário expressar as características da bacia em termos 
quantitativos. 
Um desses termos é a área de drenagem, que é considerada a característica mais 
importante da bacia. Ela consiste na área plana inclusa entre os divisores topográficos que 
a limitam. É o elemento básico para o cálculo das outras características físicas. Outro 
termo é o fator de forma que influencia no escoamento superficial. Existem diversos 
índices utilizados para relacionar a forma das bacias, procurando relacionar a forma das 
bacias, buscando relacioná-los com formas geométricas conhecidas: 
• Coeficiente de compacidade (Kc): é a relação entre o perímetro da bacia e a 
circunferência de um círculo de área igual à da bacia. Quanto mais irregular 
for à bacia, maior será o coeficiente de compacidade. 
• Fator forma (Kf): é a relação entre a largura média e o comprimento axial da 
bacia. Ou seja, fator de forma nos dá a ideia do quanto à bacia tem o formato 
alongado. Quanto menor for o Kf, menos alongada será a bacia. 
O sistema de drenagem indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa 
a bacia hidrográfica. Já a densidade de drenagem fornece uma indicação da eficiência da 
drenagem da bacia. Quanto maior for à relação, mais eficiência de drenagem tem a bacia. 
Em relação ao relevo da bacia, essas características são dadas a parti da curva 
hipsométrica, da declividade do álveo e do tempo de concentração 
TEMPO DE RECORRÊNCIA DAS CHUVAS (T) 
 Tempo de recorrência das chuvas também pode ser chamado de tempo de retorno 
e é dado em anos. Essa é uma variável da hidrologia que avalia o tempo em que uma 
chuva intensa é igualada ou superada em média. Ou seja, uma chuva com intensidade 
equivalente ao tempo de retorno de 10 anos é igualada ou superada somente uma vez a 
cada dez anos, em média. Esta última ressalva “em média” implica que podem, 
eventualmente, ocorrer duas chuvas de TR 10 anos em dois anos subsequentes. 
 O tempo de retorno pode, também, ser definido como o inverso da probabilidade 
de ocorrência de um determinado evento em um ano qualquer. Por exemplo, se a chuva 
de 130mm em um dia é igualada ou superada apenas 1 vez a cada 10 anos diz que seu 
Tempo de Retorno é de 10 anos, e que a probabilidade de acontecer um dia com chuva 
igual ou superior a 130 mm em um ano qualquer é de 10%, ou seja: TR = 1/Probabilidade. 
 A escolha do tempo de recorrência está associada ao nível de proteção contra 
cheias da região e ao custo das obras necessárias para proporcionar este efeito. 
DURAÇÃO DA CHUVA (d) 
A duração da chuva é o período de tempo durante o qual a chuva cai. 
Normalmente é medida em minutos ou horas. 
INTENSIDADE DAS PRECIPITAÇÕES (i) 
 A precipitação é o principal elo entre os demais fenômenos hidrológicos, assim 
como é a causadora do escoamento superficial. 
 A intensidade das precipitações é expressa em função da altura pluviométrica 
gerada pela precipitação e pela duração dela, ou seja, determinada lâmina d’água sobre 
uma área é alcançada em função do tempo. As unidades comumente utilizadas ao falar de 
intensidade de precipitações são mm.h-1 ou mm.min-1. 
 Por meio de aparelhos denominados pluviômetros, é determinada a intensidade 
das precipitações. 
 
VELOCIDADES MÁXIMAS E MÍNIMAS DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL 
 No que toca as velocidades do escoamento superficial, é necessário levar em conta 
a topografia do terreno, intensidade da chuva e em qual tipo de superfície as águas 
pluviais escoam. É dada em função do espaço percorrido e do tempo gasto até que a água 
chegue ao sem destino ou ponto de análise, a partir disto, pode-se obter as velocidades 
máxima e mínima. 
 A utilização destas, servirão como base para o cálculo das vazões que bueiros e 
outros aparelhos de esgotamento sanitário pertencentes a rede de drenagem, os quais 
suportarão estas vazões em meios urbanos e, em função delas, serão definidas as 
dimensões dos aparelhos. 
 
TEMPO DE CONCENTRAÇÃO DE BACIA (Tc) 
 O tempo de concentração é uma variável característica de cada bacia,sendo de 
grande importância para garantir segurança nos cálculos de obras hidráulicas e 
aproveitamento de recursos hídricos. É conceituado como o tempo necessário para que 
toda a área da bacia consiga contribuir com o escoamento superficial em determinado 
ponto de controle e tem como fatores influenciadores a forma da bacia, topografia, 
sinuosidade e declividade do curso principal. 
 A fórmula empírica mais utilizadas para o cálculo do Tc para bacias é o método 
de Kirpich, sendo este definido pela seguinte equação: 
𝑇𝑐 = 57 ∗ (
𝐿3
𝑖
)0,385 
 Sendo Tc dado em minutos, L em metros e i (declividade do curso d’agua) em 
m/m. 
 
CHUVA EFETIVA 
A chuva efetiva é a parte da precipitação líquida que efetivamente participa do 
escoamento superficial, ou seja, da precipitação total, descontam-se as perdas (infiltração, 
evaporação, evapotranspiração, interceptação vegetal ou retenção em depressões) e 
chega-se a precipitação, ou chuva efetiva. 
Para se fazer adequadamente esses descontos, deve-se calcular a infiltração por 
meio da equação de Horton, ela varia dependendo do tipo de solo e por isso devem ser 
feitos experimentos para que sejam conseguidos parâmetros que correspondam com a 
realidade local. Além da infiltração, os demais parâmetros também são variáveis e 
existem métodos para o viabilizar o cálculo da chuva efetiva, como o método racional e 
o método racional modificado. 
COEFICIENTE DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL (C) 
O coeficiente de escoamento superficial, coeficiente runoff ou coeficiente de 
deflúvio é uma das grandezas que caracterizam o escoamento superficial. Ele é definido 
como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água 
precipitado. Este coeficiente pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um 
intervalo de tempo em que várias chuvas ocorreram. 
𝑐 =
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑑𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜
 
 Conhecendo esse coeficiente para uma determinada chuva intensa de certa 
duração, pode determinar o escoamento superficial de outras precipitações de 
intensidades diferentes, desde que a duração seja a mesma. 
MÉTODO RACIONAL 
O método racional considera a chuva efetiva como um percentual da chuva total, 
por meio do Coeficiente de Runoff (C). Sendo a precipitação efetiva igual a precipitação 
vezes C. Existem tabelas com os valores do coeficiente de runoff variando segundo o tipo 
de cobertura da área, a partir desses valores pode ser encontrado um C para a área em 
estudo. 
Esse método é vantajoso principalmente em virtude da sua praticidade, mas foca 
apenas na quantificação da chuva efetiva distorcendo o fenômeno da precipitação. 
O método possui uma restrição de área, não existe consenso na literatura de qual 
deveria ser o limite de aplicação do método, seguem na tabela abaixo alguns valores 
encontrados na literatura. 
Autor Área máxima (km2) 
Porto, 2003 3,0 
Osman Akan, 1993 13,0 
PMSP 3,0 
Linsley et al 4,9 
Paulo Sampaio Wilken 5,0 
Linsley e Franzini 5,0 
Califórnia Highways 40,5 
Otto Pfasfstetter 200 
ASCE, 1992 0,8 
Debo e Reese, 1995 0,4 
Vem Te Chow 0,8 
 
A fórmula utilizada para o cálculo da vazão de pico é a seguinte: 
𝑄𝑝 =
𝐶. 𝑖. 𝐴
360
 
Na qual: 𝑄𝑝 é a vazão de pico (m
3/s) 
 𝐶 é o coeficiente de runoff 
 𝑖 é a intensidade média máxima da precipitação (mm/h) 
 𝐴 é a área da bacia (ha) 
Para áreas maiores pode ser utilizado o Método Racional Modificado. 
MÉTODO RACIONAL MODIFICADO 
Quando o limite superior da área é atingido, deve-se utilizar o método racional 
modificado, que consiste no método racional com uma correção relativa à distribuição 
espacial da chuva. Dessa forma, a formulação utilizada para a vazão de pico seria a 
seguinte: 
𝑄𝑝 =
𝐶. 𝑖. 𝐴
360
. 𝐷, 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐷 = 1 −
0,009𝐿
2
 
Na qual: 𝑄𝑝 é a vazão de pico (m
3/s) 
 𝐶 é o coeficiente de runoff 
 𝑖 é a intensidade média máxima da precipitação (mm/h) 
 𝐴 é a área da bacia (ha) 
 𝐿 é o comprimento axial da bacia (km) 
EQUAÇÕES DE CHUVA ADOTADAS PARA MANAUS 
As equações IDF das chuvas máximas de uma cidade ou região pode ser expressa 
pela seguinte formulação matemática: 
𝑖 =
(𝐾. 𝑇𝑅)
𝑚
(𝑡 + 𝑏)𝑛
 
Na qual: 𝑖 é a intensidade (mm/h) 
 𝑇𝑅 é o tempo de retorno (anos) 
 𝑡 é o intervalo de duração da chuva (min) 
 𝐾, m, n e b representam as constantes representativas de cada local. 
EQUAÇÕES: 
Plano Municipal de Saneamento básico (PMSB/2014) – Dados de 1927-2010 
𝑖 =
(1280,038. 𝑇𝑅)
0,18177
(𝑡 + 11)0,7703
 
Monteiro e Braga (2018) – Dados de 1996-2016 
𝑖 =
(1102,276. 𝑇𝑅)
0,115066
(𝑡 + 9,786324)0,724259
 
Software PLUVIO 2.0 (DEA-UFV/2019) 
𝑖 =
(1387,98. 𝑇𝑅)
0,1
(𝑡 + 12)0,78
 
Essas equações IDF são dinâmicas e os parâmetros se alteram com o passar dos 
anos, por isso necessitam de frequente calibração. É possível calculá-las possuindo a série 
histórica do posto pluviométrico que corresponde a área de influência, aplicando-se a 
distribuição normal para estabelecer os parâmetros da chuva a partir do teste de 
Kolmogorov-Sminorv. Utilizando essa metodologia e os dados referentes a estação 
00359005 – CPRM – SUREG/AM no período de 1997 – 2020 a equipe encontrou a 
seguinte equação: 
Cálculo próprio, com auxílio do software Excel 
𝑖 =
(1100,67. 𝑇𝑅)
0,110
(𝑡 + 9,496)0,717
 
COEFICIENTE DE RUGOSIDADE DE MANNING (n) 
O coeficiente de rugosidade de Manning (n) é um parâmetro fundamental para a 
descrição da vazão sobre uma superfície (Li & Zhang, 2001). O ajuste da rugosidade de 
cursos d’água a um modelo hidrodinâmico fornece informações relativas ao nível de água, 
vazão e a velocidade do escoamento em qualquer trecho (Martoni & Lessa, 1999a, Ab. 
Ghani et al., 2007). 
Esse coeficiente é influenciado por diversos aspectos, como pela rugosidade do 
fundo do canal, pela vegetação (densidade e altura), pela irregularidade do canal 
(depressões, elevações), pelo alinhamento do canal (sinuosidade) e pelas obstruções 
(pontes, pilares, troncos, etc.). 
Para escoamento livre permanente e uniforme, pode-se obtê-lo a partir das 
equações a seguir: 
𝑣 =
1
𝑛
𝑅ℎ
2
3⁄ 𝐼
1
2⁄ ou 𝑄 =
1
𝑛
𝐴 𝑅ℎ
2
3⁄ 𝐼
1
2⁄ 
 
Onde: 
𝑣 é a velocidade média na seção transversal, Q é a vazão no conduto livre, 𝑅ℎ é o 
raio hidráulico, I é a declividade do fundo do canal, n é coeficiente de rugosidade de 
Manning. 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
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precipitações pelo método Kimbal para o município de Manaus-AM. Monografia 
(Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária) – Juiz de Fora: UFJF. 
 
ARAÚJO, B. A. M, et al. ANÁLISE DO TEMPO DE CONCENTRAÇÃO EM 
FUNÇÃO DAS CARACTERISTICAS FISIOGRÁFICAS EM BACIAS 
URBANAS. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Disponível em: < 
https://abrh.s3.sa-east-
1.amazonaws.com/Sumarios/81/51b628c0f984da85b0201d42c0cdd10f_2ff3473dd68d0
7c62117d3505fadc85a.pdf>. Acesso em: 05 de out de 2021. 
 
CARVALHO, D. F, SILVA, L. D. B. Hidrologia, CAPÍTULO 7. ESCOAMENTO 
SUPERFICIAL. Rio de Janeiro, 2006. Disponível em: < 
http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/APOSTILA/HIDRO-Cap7-
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TRANSPORTES. Manual de Drenagem de Rodovias. 2. ed. Rio de Janeiro: DNIT, 
2006. 304 p. 
 
LI, Z.; Zhang, J. Calculation of field manning’s roughness coefficient. Agricutural 
Water Management, v.49, n.2, p.153-161, 2001. 
 
MARTONI, A. M.; Lessa, R. C. Modelagem hidrodinâmica do canal do rio Paraná, 
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MONTEIRO, M.; BRAGA, E. Análise da Equação IDF de Manaus. Anais do 
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALOGOAS, UNIVERSIDADE FEDERAL DE 
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Princípios de Hidrologia Ambiental.