Hidrograma_Unitrio

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<p>UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO</p><p>DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS - CARAÚBAS</p><p>HIDROLOGIA</p><p>HIDROGRAMA UNITÁRIO</p><p>CARAÚBAS</p><p>2024</p><p>EMANUELA IEDA CHAGAS</p><p>HIDROGRAMA UNITÁRIO</p><p>Trabalho apresentado ao Curso</p><p>de Engenharia Civil, do Departamento</p><p>de Engenharias da Universidade Federal</p><p>Rural do Semi-Árido, como requisito</p><p>parcial de avaliação e de presença da 3ª</p><p>unidade da disciplina de Hidrologia,</p><p>ministrado pela professora Julia Pliscia</p><p>Da Silva Melo.</p><p>CARAÚBAS</p><p>2024</p><p>3</p><p>HIDROGRAMA UNITÁRIO</p><p>O estudo dos processos hidrológicos em bacias hidrográficas desempenha um</p><p>papel crucial na gestão dos recursos hídricos, na prevenção de desastres naturais e no</p><p>planejamento urbano e rural. Compreender como a água se move dentro de uma bacia,</p><p>desde a precipitação até a vazão nos rios, é fundamental para tomar decisões informadas</p><p>sobre o uso sustentável da água e mitigar os impactos de eventos extremos, como</p><p>enchentes e secas.</p><p>Processos Hidrológicos em uma Bacia Hidrográfica</p><p>Uma bacia hidrográfica é uma área de terra delimitada por divisores topográficos,</p><p>na qual toda a água que cai é drenada para um único ponto, geralmente um rio ou lago.</p><p>Os processos hidrológicos nessa bacia envolvem a interação complexa entre a</p><p>precipitação, o solo, a vegetação e a topografia. A precipitação é a entrada primária de</p><p>água em uma bacia hidrográfica. Parte dessa precipitação é interceptada pela vegetação</p><p>ou evapora antes de atingir o solo. A parcela restante atinge o solo, onde pode ser dividida</p><p>em duas partes principais: infiltração e escoamento superficial. A infiltração ocorre</p><p>quando a água penetra no solo, movendo-se através dos poros e espaços vazios. Esse</p><p>processo é influenciado por características do solo, como permeabilidade e capacidade de</p><p>armazenamento de água, e pela intensidade e duração da precipitação. A água infiltrada</p><p>pode ser armazenada temporariamente no solo, recarregar aquíferos subterrâneos ou</p><p>contribuir para a vazão dos rios através do fluxo subsuperficial. Por outro lado, o</p><p>escoamento superficial ocorre quando a taxa de precipitação excede a capacidade de</p><p>infiltração do solo. Nesse caso, a água se acumula na superfície, formando enxurradas</p><p>que fluem em direção aos cursos d'água mais próximos. O escoamento superficial é</p><p>responsável pelo transporte de sedimentos, nutrientes e poluentes, influenciando a</p><p>qualidade da água nos rios e ecossistemas aquáticos (COLLISCHONN; DORNELLES,</p><p>2013).</p><p>Hidrogramas de Vazão e Hidrograma Unitário</p><p>Um hidrograma de vazão é uma representação gráfica da variação da vazão de um</p><p>rio ao longo do tempo, em resposta a um evento de precipitação. Ele mostra como a água</p><p>4</p><p>flui através do sistema hidrológico da bacia, desde o início da chuva até o retorno à</p><p>condição de base. Analisar e interpretar hidrogramas de vazão é essencial para entender</p><p>os padrões de escoamento em uma bacia e para prever o comportamento hidrológico</p><p>futuro. A teoria do hidrograma unitário é uma abordagem comumente utilizada para</p><p>prever hidrogramas de vazão a partir de dados de chuva. Essa teoria assume que a resposta</p><p>de uma bacia hidrográfica a uma chuva efetiva é proporcional à forma e à magnitude</p><p>dessa chuva. O hidrograma unitário representa o escoamento direto causado por uma</p><p>unidade de chuva efetiva e é usado para convoluir com o padrão de precipitação</p><p>observado e gerar um hidrograma de vazão simulado. O método do hidrograma unitário,</p><p>introduzido por Le Roy K. Sherman em 1932 e refinado posteriormente por Bernard e</p><p>outros, é baseado nas propriedades do hidrograma de escoamento superficial. Esse</p><p>método considera a formação do fluviograma de uma onda de cheia pela sobreposição de</p><p>dois tipos distintos de afluxo: o escoamento superficial e a contribuição do lençol</p><p>subterrâneo (PINTO et al., 1976).</p><p>A análise de fluviogramas de escoamento superficial, realizada em diversos</p><p>registros de cheias em diferentes cursos de água, permitiu a observação de regularidades</p><p>na sucessão das vazões de enchente. Sherman derivou três proposições básicas que</p><p>descrevem as variações do escoamento superficial em resposta a chuvas de distribuição</p><p>uniforme e intensidade constante:</p><p>1) O tempo de duração do escoamento superficial é constante para chuvas de igual</p><p>duração em uma dada bacia hidrográfica.</p><p>2) Duas chuvas de igual duração, mas com volumes diferentes de escoamento</p><p>superficial, resultam em fluviogramas onde as ordenadas, em tempos</p><p>correspondentes, são proporcionais aos volumes totais escoados.</p><p>3) A distribuição temporal do escoamento superficial de uma precipitação específica</p><p>é independente de precipitações anteriores.</p><p>Para permitir estudos em diferentes condições de precipitação, foi definido o</p><p>hidrograma unitário como o hidrograma resultante de um escoamento superficial de</p><p>volume unitário. Consequentemente, o hidrograma unitário é considerado uma constante</p><p>da bacia hidrográfica, refletindo suas características de escoamento na seção considerada.</p><p>A figura 1, mostra um modelo do hidrograma.</p><p>5</p><p>Figura 1 - Hidrograma</p><p>Fonte: PINTO et al., 1976.</p><p>O processo para obtenção do hidrograma unitário a partir de precipitações isoladas</p><p>segue uma sequência de etapas, conforme descrito a seguir:</p><p>Cálculo do volume de água precipitado sobre a bacia:</p><p>▪ A altura média de precipitação é determinada através da média ponderada das</p><p>alturas registradas em diferentes pluviômetros, considerando as respectivas áreas</p><p>de influência segundo o critério de Thiessen. Isso é realizado porque a disposição</p><p>dos pluviômetros não permite a simples adoção da média aritmética das alturas.</p><p>Separação do escoamento superficial:</p><p>▪ O método de Sherman baseia-se em leis referentes aos hidrogramas de</p><p>escoamento superficial, exigindo a distinção entre esse hidrograma e o resultante</p><p>da alimentação subterrânea.</p><p>▪ Quando cessa o efeito do escoamento superficial devido a uma precipitação, a</p><p>vazão do rio é mantida pela contribuição exclusiva do lençol freático, diminuindo</p><p>gradualmente conforme as características de escoamento através do subsolo.</p><p>6</p><p>▪ A curva normal de depleção, representativa da variação da descarga proveniente</p><p>do lençol subterrâneo, é obtida a partir da seleção de diversos períodos de seca e</p><p>pela justaposição dos resultados observados nos hidrogramas.</p><p>Cálculo do volume escoado superficialmente:</p><p>▪ Uma vez isolado o hidrograma de escoamento superficial, o volume</p><p>correspondente é obtido ao planimetrar a área compreendida por ele.</p><p>▪ Outro método conveniente é considerar as vazões instantâneas como médias dos</p><p>períodos unitários correspondentes. O volume é então calculado multiplicando-se</p><p>o tempo de um intervalo unitário pela soma das diversas ordenadas de vazão.</p><p>Interpretação dos fluviogramas complexos:</p><p>Quando há um período reduzido de observações, pode ser inviável selecionar</p><p>chuvas isoladas e hidrogramas simples para análise. Nesse caso, o estudo é realizado</p><p>sobre fluviogramas complexos resultantes de uma série de precipitações sucessivas.</p><p>Segundo o terceiro princípio fundamental do método de Sherman, é possível</p><p>interpretar um fluviograma complexo como a superposição de fluviogramas isolados</p><p>correspondentes aos respectivos períodos de precipitação, todos admitindo um mesmo</p><p>hidrograma unitário.</p><p>Método de obtenção do hidrograma unitário a partir de fluviogramas complexos:</p><p>Um método comum envolve uma resolução por aproximações sucessivas, onde</p><p>um hidrograma unitário é escolhido a priori e aplicado às diversas precipitações</p><p>verificadas, exceto a maior. Subtraindo o fluviograma resultante do hidrograma total em</p><p>estudo, obtêm-se as vazões presumivelmente originadas pela precipitação omitida. Essas</p><p>vazões são então reduzidas a</p><p>um volume unitário, obtendo-se um hidrograma unitário,</p><p>que é ajustado iterativamente para se aproximar dos resultados observados. O processo é</p><p>repetido por alguns ciclos até convergir para um hidrograma unitário que se ajuste às</p><p>características observadas do sistema hidrológico em estudo.</p><p>7</p><p>Gráfico de distribuição:</p><p>O gráfico de distribuição é um hidrograma desenhado na forma de um histograma,</p><p>onde as vazões médias dos intervalos são expressas em porcentagem do volume total do</p><p>escoamento superficial. Esse gráfico pode ser obtido a partir do hidrograma unitário,</p><p>transformando suas ordenadas em porcentagem do volume total escoado.</p><p>Hidrogramas unitários sintéticos:</p><p>Diversos métodos foram desenvolvidos para a obtenção de hidrogramas unitários</p><p>sintéticos, que são aplicáveis em bacias hidrográficas onde não há dados hidrológicos</p><p>disponíveis (a Figura 2, mostra as características do hidrograma). Esses métodos</p><p>consideram características físicas da bacia, como área, declividade, dimensões do canal,</p><p>densidade da rede de drenagem, forma da bacia, entre outros, para prever o hidrograma</p><p>resultante de uma dada precipitação. Exemplos de métodos incluem o de Snyder,</p><p>Commons e Getty e McHughs, cada um com suas abordagens específicas para a síntese</p><p>de hidrogramas unitários.</p><p>Figura 2 - Características importantes do hidrograma para a definição do HU</p><p>sintético</p><p>Fonte: COLLISCHONN; DORNELLES, 2013.</p><p>8</p><p>Exercício: Na seção exultório de uma bacia hidrográfica com 36,1 km² (36,1 x</p><p>106 m²) de área de drenagem foram feitos os registros horários da vazão decorrente de</p><p>uma chuva isolada de 3 horas de duração e 24 mm/h de intensidade. Os valores das vazões</p><p>horárias encontram-se representados na Tabela abaixo.</p><p>T (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11</p><p>Q (m³/s) 5 5 30 55 50 35 21 13 9 7 5</p><p>Construir o hidrograma e calcular o volume escoado superficialmente.</p><p>Fórmulas utilizadas:</p><p>𝑸𝒃 = 𝟓 +</p><p>𝟒</p><p>𝟑</p><p>∗ (𝒕 − 𝟐)</p><p>𝑽𝒐𝒍𝒔 = ∫ (𝑸 − 𝑸𝒃)</p><p>𝒕𝑰</p><p>𝒕𝑨</p><p>𝒅𝒕 = ∫ 𝑸𝒔</p><p>𝒕𝑰</p><p>𝒕𝑨</p><p>𝒅𝒕</p><p>Cálculos feitos no Excel, onde está no link a seguir:</p><p>https://docs.google.com/spreadsheets/d/19-</p><p>YVsRzOT8YtepGorcVEiTwNODUdb8CV/edit?usp=sharing&ouid=116477480876718</p><p>242399&rtpof=true&sd=true</p><p>Resultados finais:</p><p>Vols = 1576800 m³</p><p>5 5</p><p>30</p><p>55</p><p>50</p><p>35</p><p>21</p><p>13</p><p>9 7</p><p>5</p><p>0</p><p>10</p><p>20</p><p>30</p><p>40</p><p>50</p><p>60</p><p>0 2 4 6 8 10 12</p><p>V</p><p>a</p><p>zã</p><p>o</p><p>(</p><p>m</p><p>³/</p><p>s)</p><p>Tempo (h)</p><p>https://docs.google.com/spreadsheets/d/19-YVsRzOT8YtepGorcVEiTwNODUdb8CV/edit?usp=sharing&ouid=116477480876718242399&rtpof=true&sd=true</p><p>https://docs.google.com/spreadsheets/d/19-YVsRzOT8YtepGorcVEiTwNODUdb8CV/edit?usp=sharing&ouid=116477480876718242399&rtpof=true&sd=true</p><p>https://docs.google.com/spreadsheets/d/19-YVsRzOT8YtepGorcVEiTwNODUdb8CV/edit?usp=sharing&ouid=116477480876718242399&rtpof=true&sd=true</p><p>9</p><p>REFERÊNCIAS</p><p>COLLISCHONN, Walter; DORNELLES, Fernando. Hidrologia: para engenharia e</p><p>ciências ambientais. Porto Alegre: Associação Brasileira de Recursos Hídricos (Abrh),</p><p>2013.</p><p>CONSTRUINDO O HIDROGRAMA DE UMA BACIA NO EXCEL - Hidrologia e</p><p>Drenagem Urbana. 2022. P&B. Disponível em:</p><p>https://www.youtube.com/watch?v=Vgw99yghAtw&t=108s. Acesso em: 25 mar. 2024.</p><p>PINTO, Nelson L. de Sousa et al. Hidrologia Básica. São Paulo: Edgard Blücher Ltda,</p><p>1976.</p>