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www.conhecer.org.br CURSO DE HIDROLOGIA APLICADA, COM EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Diego de Toledo Lima da Silva (DA SILVA, D. T. L., 2011) Técnico Ambiental - Município: Joanópolis/SP GOIÂNIA/GO 2011 APRESENTAÇÃO DO CURSO Prezado aluno do Centro Científico Conhecer! O Curso de Hidrologia Aplicada, com exercícios resolvidos foi elaborado com o objetivo de proporcionar ao aluno o conhecimento teórico e prático desta ciência, presente no dia-a-dia da sociedade, e de grande importância no entendimento das causas e na resolução dos problemas socioambientais da atualidade. A metodologia de elaboração do curso seguiu as últimas publicações técnicas e didáticas da área ambiental, contendo exercícios resolvidos para auxiliar na aprendizagem e aplicação do conhecimento teórico. Espero que o curso seja tão produtivo, didático e desafiador ao aluno, quanto foi sua elaboração. Elogios, críticas e sugestões podem ser enviadas ao e-mail: conhecer@conhecer.org.br. Em anexo você encontrará as avaliações do curso a serem respondidas para verificarmos sua aprendizagem. Aproveite e utilize bastante esta apostila do curso na prática, em sua comunidade. Bons estudos! Um abraço, Diego de Toledo Lima da Silva Técnico Ambiental EMENTA Conceituação geral. Importância do ciclo hidrológico: fases e métodos de medição. Bacia hidrográfica: conceitos e planejamento territorial. Precipitações intensas: formas de determinação, aplicação e importância. Modelagem hidrológica e características de bacias hidrográficas. Educação ambiental e comunitária. Política pública: pagamento por serviços ambientais. CONTEÚDO -> PRIMEIRO MÓDULO - Conceitos de Hidrologia; - Ciclo hidrológico, importância e balanço hídrico; - Bacia hidrográfica como unidade de geoplanejamento; - Precipitação atmosférica e formas de medição; - Evapotranspiração; - Infiltração; - Escoamento Superficial; - Primeira Avaliação. -> SEGUNDO MÓDULO - Precipitações intensas e sua aplicação em projetos; - Estudo e características de bacias hidrográficas; - Modelos de transformação de chuva-vazão (Métodos: Racional, de I-PAI-WU e SCS); - Educação ambiental e participação da comunidade no contexto da hidrologia; - Pagamento por serviços ambientais (PSA); - Avaliação Final. PRIMEIRO MÓDULO CONCEITOS DE HIDROLOGIA A palavra HIDROLOGIA é originada das palavras gregas HYDOR, que significa “água” e LOGOS, que significa “ciência”. Hidrologia é, pois, a ciência que estuda a água (STUDART & CAMPOS, 2004). Durante a história, muitos conceitos errôneos e falhas de compreensão atravessaram o desenvolvimento da engenharia no seu sentido atual. Os gregos foram os primeiros filósofos que estudaram seriamente a Hidrologia, com Aristóteles sugerindo que os rios eram alimentados pelas chuvas (STUDART & CAMPOS, 2004). No Século XIX, muitas equações, fórmulas e instrumentos de medição foram criados no tocante às águas superficiais. O Século XX marcou a utilização dos computadores, que tornaram as análises mais rápidas e os modelos mais robustos. A Hidrologia está presente no nosso dia-a-dia, no rio ou córrego que atravessa a cidade, no volume de chuva precipitado numa região, no estudo e avaliação das enchentes e inundações, na drenagem urbana, nos sistemas de captação de água para abastecimento público ou industrial, na irrigação, nas rodovias, etc. Torna-se essencial o seu entendimento para possibilitar a compreensão de questões cotidianas, bem como melhorar e aperfeiçoar ações executadas nos municípios brasileiros, que tenham as águas superficiais como tema central. Segundo Studart & Campos (2004), o ciclo natural da água tem sido interrompido ou alterado em regiões muito artificializadas, como as megacidades. É consenso geral que a gestão das águas é uma necessidade. E assim, a Hidrologia ressurge, hoje, como ferramenta indispensável para tal fim, uma vez que é a ciência que trata do entendimento dos processos de suprimento de água. Só ela pode avaliar como e quanto o ciclo hidrológico pode ser modificado pelas atividades humanas (STUDART & CAMPOS, 2004). Definição 1 - Hidrologia: estuda as fases do ciclo hidrológico, descrevendo seu passado, tentando prever seu futuro. Fonte: STUDART & CAMPOS, 2004. Definição 2 – Hidrologia: é a ciência que estuda a dinâmica da água na Terra, sua circulação e distribuição, as suas propriedades físicas e químicas, e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação com as formas vivas. Fonte: LUGON JR & RODRIGUES, 2008. Hidrologia Aplicada: está voltada para os diferentes problemas que envolvem a utilização dos recursos hídricos, preservação do meio ambiente e ocupação da bacia hidrográfica. Fonte: CARVALHO & SILVA, 2006. O objeto central da Hidrologia é o estudo do Ciclo Hidrológico (CH) e dos diversos subciclos que o compõem (LUGON JR &RODRIGUES, 2008). No próximo tópico deste curso vamos estudar em detalhes o ciclo hidrológico para seu perfeito entendimento. CICLO HIDROLÓGICO, IMPORTÂNCIA E BALANÇO HÍDRICO A água (H2O) é um dos condicionantes da vida no planeta, sendo um recurso escasso e raro em diversas regiões do planeta. É utilizada em diversos processos industriais, sendo que a quantidade de água existente no planeta é constante, mas a poluição e contaminação deste recurso é que tem diminuído o volume de água disponível para consumo. Este mineral está presente em toda a natureza, nos estados sólido, líquido e gasoso. É um recurso natural peculiar, pois se renova pelos processos físicos do ciclo hidrológico em que a Terra se comporta como um gigantesco destilador, pela ação do calor do Sol e das forças da gravidade. É, ainda, parte integrante dos seres vivos, e essencial à vida (BARTH & BARBOSA, 1999). Apesar da maior parte da água do Planeta, em qualquer momento, estar contida nos oceanos, a mesma está em contínuo movimento, em um ciclo cuja fonte principal de energia é o sol e cuja principal força atuante é a gravidade. A esta transferência ininterrupta da água do oceano para o continente e do continente para o oceano, dá-se o nome de Ciclo Hidrológico (STUDART & CAMPOS, 2004). Todas as formas de vida existentes na Terra dependem da água. Cada ser humano necessita consumir diariamente vários litros de água doce para manter-se vivo. Contudo, a água doce é um prêmio. Mais de 97% da água do mundo é água do mar, indisponível para beber e para a maioria dos usos agrícolas. Três quartas partes da água doce estão presas em geleiras e nas calotas polares. Lagos e rios são as principais fontes de água potável, mesmo constituindo, em seu conjunto, menos de 0,01% do suprimento total de água. Recentemente, foi estimado que a humanidade consome, sobretudo para a agricultura, cerca de um quinto da água que escoa para os mares; e as previsões indicam que essa fração atingirá cerca de três quartas partes no ano de 2025 (BAIRD, 2007). O comportamento natural da água quanto à sua ocorrência, transformações de estado e relações com a vida humana é bem caracterizado por meio de conceito de ciclo hidrológico, que pode ser considerado como composto de duas fases principais: uma atmosférica e outra terrestre. Cada uma delas incluem o armazenamento temporário de água, o transporte e a mudança de estado. Com fins didáticos e tendo em vista a aplicação à Engenharia, apresenta-se o ciclo hidrológico como compreendendo quatro etapas principais: - precipitações atmosféricas (chuva, granizo, neve e orvalho); - escoamentos subterrâneos (infiltração, águas subterrâneas); - escoamentos superficiais (torrentes, rios, ribeirões, lagos, córregos); - evaporação (na superfície das águas e no solo) e transpiração dos vegetais e animais. Quando universalmente considerado, o volume de água compreendido em cada parte do ciclo é relativamente constante, porém, quando se considera uma área limitada, as quantidades de água em cada parte do ciclo variamcontinuamente, dentro de amplos limites. A superabundância e a escassez de chuva representam, numa determinada área, os extremos dessa variação. Os conflitos de utilização da água têm aspectos econômicos, sociais e ambientais que não podem ser resolvidos unicamente pelos técnicos de formação em ciências exatas. Novas categorias de profissionais, formados em ciências humanas precisam participar das soluções dos conflitos, nos processos de negociação entre o poder púbico e a sociedade (BARTH & BARBOSA, 1999). Com isto os engenheiros, geólogos, agrônomos, tecnólogos e economistas precisam conviver, interagir, e atuar em sinergia com sociólogos, cientistas sociais e comunicadores, formando equipes multidisciplinares de recursos hídricos. Essas equipes terão de ir a campo para interagir com os usuários das águas, com as comunidades urbanas e rurais, com os industriais, agricultores e ambientalistas a fim de encontrar, em processo de negociação complexo e difícil, as soluções de consenso para os conflitos de uso dos recursos hídricos (BARTH & BARBOSA, 1999). Figura 1 – Ciclo hidrológico e suas etapas (Fonte: DNAEE apud STUDART & CAMPOS, 2004). Resumo do Aluno Ciclo Hidrológico: é o comportamento natural da água, transformações de estado e relações com a vida humana. Suas etapas são: - Precipitação, escoamento superficial, escoamento subterrâneo, evaporação e transpiração. Balanço Hídrico O balanço hídrico nada mais é do que o computo das entradas e saídas de água de um sistema. Várias escalas espaciais podem ser consideradas para se contabilizar o balanço hídrico. Na escala macro, o “balanço hídrico” é o próprio “ciclo hidrológico”, cujo resultado nos fornecerá a água disponível no sistema (no solo, rios, lagos, vegetação úmida e oceanos), ou seja, na biosfera (SENTELHAS & ANGELOCCI, 2009). Em uma escala intermediária, representada por uma microbacia hidrográfica, o balanço hídrico resulta na vazão de água desse sistema. Para períodos em que a chuva é menor do que a demanda atmosférica por vapor d’água, a vazão (Q) diminui, ao passo que nos períodos em que a chuva supera a demanda, Q aumenta (SENTELHAS & ANGELOCCI, 2009). Na escala local, no caso de uma cultura, o balanço hídrico tem por objetivo estabelecer a variação de armazenamentos e, consequentemente, a disponibilidade de água no solo. Conhecendo-se qual a umidade do solo ou quanto de água este armazena é possível se determinar se a cultura está sofrendo deficiência hídrica, a qual está intimamente ligada aos níveis de rendimento dessa lavoura (SENTELHAS & ANGELOCCI, 2009). De forma didática e simples, o balanço hídrico de uma bacia hidrográfica (vamos estudar seu significado nos próximos tópicos) pode ser dado pela equação: P = Qd + Qb + T + E, sendo: - P = Precipitação (chuva); - Qd = Escoamento direto (água que deixa a bacia durante a chuva ou poucas horas após o seu encerramento); - Qb = Escoamento de base (água que infiltra no solo, alcançando camadas inferiores do solo, sendo temporariamente armazenada até contribuir para o rio na forma de escoamento de base, nas nascentes e áreas baixas); - T = Transpiração da vegetação; - E = Evaporação da água do solo e das superfícies líquidas. Exercício 1: Na bacia hidrográfica de um determinado rio, durante o ano de 2010, choveu (P) 1.400 mm (milímetros), tendo 50% como escoamento de base (Qb), 18% como escoamento direto (Qd), 15% como transpiração (T) e 17% como evaporação (E). Calcule o balanço hídrico em termos quantitativos desta área. Resolução: O exercício traz os componentes do balanço hídrico em porcentagem, temos que transformar em termos quantitativos. Esta etapa é bem simples e pode ser feita utilizando uma incógnita, veja: -> Se 1.400 mm de chuva (P) equivale a 100% e 50% de escoamento de base equivale a quanto? 1.400 – 100% x – 50% 100 * x = ( 1.400 * 50 ), sendo (*) o sinal de multiplicação 100 * x = 70.000, como o número 100 está multiplicando, ele passa dividindo x = 70.000 / 100, sendo (/) o sinal de divisão x = 700 mm de escoamento de base (Qb) Realizando a mesma conta com os outros componentes temos: - Escoamento direto (Qd) = 252 mm - Transpiração (T) = 210 mm - Evaporação (E) = 238 mm Veja como ficou o nosso balanço hídrico: P = Qd + Qb + T + E 1.400 mm = 252 mm + 700 mm + 210 mm + 238 mm 1.400 mm = 1.400 mm (Notem que o valor de precipitação é igual a soma dos componentes do balanço hídrico, caso o seu resultado não tenha sido este, refaça suas contas, pois estão incorretas). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Já para a agropecuária, o balanço hídrico para verificar a deficiência hídrica para uma determinada cultura ou para o manejo do solo pode ser resumido na equação abaixo: P = E + T, que são os termos que já conhecemos ou de forma mais resumida e prática em: P = ETP, sendo: - ETP: Evapotranspiração Potencial, a soma conjunta da evaporação e da transpiração de uma determinada área. No caso da ETP ser maior que P – há deficiência hídrica para a cultura; se a ETP for menor que P – não há deficiência hídrica para a cultura. Exercício 2: Um produtor rural solicitou um estudo para o município de Piracaia/SP, com o objetivo de verificar a possibilidade de implantação de uma determinada cultura agrícola permanente sem o uso de irrigação, sendo que esta cultura não suporta mais de 2 meses ao ano com deficiência hídrica. Resolução: Primeiro serão buscados os dados climatológicos de Piracaia/SP para realizarmos os devidos cálculos. No município existe uma Estação Meteorológica Automática desde março do ano de 2000, que disponibiliza os dados via internet. A compilação dos dados do município está contida na tabela abaixo: Mês P Média (mm) ETP Média (mm) Janeiro 317,4 126 Fevereiro 175,2 111 Março 147,0 99 Abril 74,3 79 Maio 60,1 58 Junho 35,6 48 Julho 69,8 51 Agosto 32,4 66 Setembro 84,3 82 Outubro 126,1 105 Novembro 188,4 112 Dezembro 256,1 124 Total 1.566,7 1.061 Observem que os meses de Abril, Junho e Agosto apresentam deficiência hídrica, pois a ETP Média é maior que a P Média. Ainda podemos completar com a análise da quantidade de meses que apresentam deficiência hídrica, de março de 2000 a maio de 2011. Dos 135 meses analisados, em 52 deles houve deficiência hídrica, o que representa 38,5%, que é um número significativo. Veja que mesmo com a ETP Média anual sendo menor que a P Média anual, a ocorrência de deficiência hídrica em 3 meses do ano impossibilita a implantação desta cultura, necessitando de irrigação para o sucesso desta lavoura específica. BACIA HIDROGRÁFICA COMO UNIDADE DE GEOPLANEJAMENTO Os desequilíbrios ambientais são originados muitas vezes, da visão setorizada dentro de um conjunto de elementos que compõe a paisagem. A bacia hidrográfica como unidade integradora desses setores (natural e social) deve ser administrada com essa função a fim de que os impactos ambientais sejam minimizados (CUNHA & GUERRA, 1996). Segundo Silveira (2003), a bacia hidrográfica é o elemento fundamental de análise do ciclo hidrológico. Christofoletti (1980) afirma que todos os acontecimentos que ocorrem numa bacia de drenagem repercutem, direta ou indiretamente, nos rios. Silva et al. (2001) salientam que dentre os recursos do meio físico que são degradados, os hídricos caracterizam-se como os mais facilmente afetados pelo processo de crescimento e ocupação desordenada. Conforme Cunha & Guerra (1996), sob o ponto de vista do auto-ajuste, pode-se deduzir que as bacias hidrográficas integram uma visão conjunta do comportamento das condições naturais e das atividades humanas nelas desenvolvidas, uma vez que, mudanças significativas em qualquer dessas unidades, podem gerar alterações, efeitos ou impactos a jusante e nos fluxos energéticosde saída (descarga, carga sólida e dissolvida). A bacia hidrográfica, segundo Garcez & Alvarez (1988), pode ser considerado uma área definida e fechada topograficamente num ponto do curso de água, de forma que toda a vazão afluente possa ser medida ou descarregada através desse ponto. Com este entendimento podemos visualizar que todos os impactos ambientais oriundos dos terrenos adjacentes, pelo mau uso do solo, ocupação inadequada, falta de saneamento ambiental e baixa cobertura vegetal nativa ocasionam impactos hidrológicos, influenciando os recursos hídricos. Figura 2 – Bacia hidrográfica e seus elementos Fonte: MACHADO, 2011. Disponível em: <www.prof2000.pt/users/elisabethm/geo8/rio1.htm>. Acessado em: 21 Julho 2011. A erosão e o consequente processo de sedimentação, quando ocorrem em níveis elevados, geram uma série de impactos econômicos, sociais e ambientais, cujos custos são divididos não apenas por um setor, mas por toda a sociedade (BRASIL, 2009). A produção de sedimentos está sempre relacionada a um sistema erosivo composto pelas fases de retirada, transporte e deposição de materiais enfraquecidos pelo intemperismo (PEREIRA, 2007). Seja de maneira natural, seja catalizada pela ação humana, este sistema erosivo pode estar associado à ação de vários agentes físicos, como é o caso do vento, do gelo, do mar ou da ação da água escoando em uma bacia hidrográfica (PEREIRA, 2007). Estes impactos são exportados para a população urbana através do abastecimento público de água, pela influência nas enchentes urbanas e prejuízos relacionados ao turismo. Para os proprietários rurais, os impactos refletem em baixa produtividade agrícola, aumento da pobreza rural, deterioração da qualidade de vida e impactos no custo da terra. Ambos refletem para toda a sociedade, como no aumento e oscilação no preço dos alimentos, aumento na taxa de fornecimento de água potável, desastres naturais, êxodo rural e aumento dos impostos. Figura 3 – Delimitação da bacia hidrográfica na paisagem (Foto: Diego de Toledo Lima da Silva, 2011). Garcez & Alvarez (1988) observam que a maioria dos problemas práticos de hidrologia tem como referência a bacia hidrográfica de um curso de água em uma seção determinada deste. Portanto, a compreensão que a bacia hidrográfica é a unidade básica de planejamento territorial (geoplanejamento) na realização de uma obra no curso d’água (como uma ponte, canalização, barragem, entre outros); no controle de inundações e enchentes; no desenvolvimento urbano e regional; no aproveitamento dos recursos hídricos para irrigação, abastecimento público e geração de energia; e na revitalização e recuperação ambiental de uma determinada área; é essencial para que a população seja cúmplice nas mudanças e/ou no sucesso do projeto. PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA E FORMAS DE MEDIÇÃO A precipitação é um fenômeno através do qual o vapor de água presente na atmosfera se condensa em microgotículas, que se aglutinando podem assumir peso suficiente para que a gravidade vença o transporte ascensional. Essa aglutinação pode ser induzida por partículas de poeira, gelo ou gotas maiores (PINTO et al., 1990 apud LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Entende-se por precipitações atmosféricas como o conjunto de águas originadas do vapor de água atmosférico que cai, em estado líquido ou sólido, sobre a superfície da terra. O conceito engloba, portanto, não somente a chuva, mas também a neve, o granizo, o nevoeiro, o sereno e a geada (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). De maneira prática para o curso, as chuvas serão o tipo de precipitação atmosférica que estudaremos. A chuva é o principal tipo de precipitação que ocorre no Brasil, uma vez que a precipitação de neve está restrita a áreas serranas da região sul em ocorrências ocasionais. Por isso é comum o termo precipitação ser utilizado para a chuva, o elemento climático que deflagra os principais desastres naturais no Brasil: as inundações e os escorregamentos. A precipitação pluviométrica, ou chuva, tem sido o elemento do clima que provoca as transformações mais rápidas na paisagem no meio tropical e subtropical, sobretudo durante o verão, em episódios de chuvas concentradas (chuvas intensas ou aguaceiros), que ocorrem anualmente (TAVARES, 2009). Há uma relativa facilidade para medir as precipitações. Dispõe-se muitas vezes de longas séries de observações (mais de 200 anos em algumas estações na Europa, e com frequência mais de cinquenta anos em certos postos brasileiros) que permitem uma análise estatística de grande utilidade (Adaptado de GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Ainda segundo Garcez & Alvarez (1988), as precipitações atmosféricas representam, no ciclo hidrológico, o importante papel de elo de ligação entre os fenômenos meteorológicos propriamente ditos e os do escoamento superficial. As características principais que devem ser observadas das chuvas são a distribuição espacial (área) e temporal (período). Tipos de chuva Conforme Tavares (2009), as chuvas são classificadas de acordo com sua formação, que é resultado do tipo de processo que controla os movimentos de elevação do ar geradores das nuvens das quais se precipitam. Segundo Mendonça & Danni-Oliveira (2007) apud Tavares (2009) são assim diferenciadas: - Chuva de origem térmica ou convectiva: a convecção resulta do forte aquecimento do ar que ocorre ao longo do dia e caracteriza-se por movimentos ascensionais turbilhonares e vigorosos, que elevam o ar úmido. Com a continuidade do aquecimento e atingindo a saturação, expressa pela temperatura do ponto de orvalho (TPO), ocorre a formação de pequenas nuvens cumulus, que tendem a se transformar em cumulo nimbos, gerando a precipitação, e não raras vezes os aguaceiros tropicais de final de tarde (“chuva de verão”). Figura 4 – Chuva convectiva ou térmica Fonte: Valente, 2009. Disponível em: <www.ecodebate.com.br/2009/03/25/como-chove-aquela-chuva-artigo-de-osvaldo-ferreira-valente>. Acessado em: 11 Julho 2011. - Chuva de origem orográfica ou de relevo: ocorrem por ação física do relevo que atua como uma barreira à advecção livre do ar, forçando-o ascender. O ar quente e úmido, ao ascender próximo às encostas, resfria-se adiabaticamente devido à descompressão promovida pela menor densidade do ar nos níveis mais elevados. O resfriamento conduz à saturação do vapor, possibilitando a formação de nuvens estratiformes e cumuliformes, que, com a continuidade do processo de ascensão, tendem a produzir chuvas. Figura 5 – Chuva orográfica ou de relevo Fonte: Valente, 2009. Disponível em: <www.ecodebate.com.br/2009/03/25/como-chove-aquela-chuva-artigo-de-osvaldo-ferreira-valente>. Acessado em: 11 Julho 2011. - Chuva de origem frontal: forma-se pela ascensão forçada do ar úmido ao longo das frentes. As frentes frias, por gerarem movimentos ascensionais mais vigorosos, tendem a formar nuvens cumuliformes mais desenvolvidas. A intensidade das chuvas nelas geradas, bem como sua duração, será influenciada pelo tempo de permanência da frente no local, pelo teor de umidade contido nas massas de ar que a formam, pelos contrastes de temperaturas entre as massas e pela velocidade de deslocamento da frente. Nas frentes quentes, a ascensão é mais lenta e gradual, gerando nuvens preferencialmente do tipo estratiforme. Figura 6 – Chuva frontal Fonte: Valente, 2009. Disponível em: <www.ecodebate.com.br/2009/03/25/como-chove-aquela-chuva-artigo-de-osvaldo-ferreira-valente>. Acessado em: 11 Julho 2011. Resumo do Aluno Tipos de chuva: - Convectivas: grande intensidade e curta duração, restritas a pequenas áreas. São responsáveis por boa parte das inundações; - Orográficas: ocorrem quando frentes do oceano encontram barreiras montanhosas. São normalmente de baixa intensidade e longa duração; - Frontais: provém da interação de massas de ar quente e frio. Possuem grande duração e média intensidade, podendo inundar até grandes bacias. Medindo as chuvas A medição do volume de chuvasde determinado local pode ser realizada por instrumentos meteorológicos, como o pluviômetro ou o pluviógrafo. A unidade de medida é o milímetro (mm), sendo que cada milímetro de chuva equivale a 1 litro por metro quadrado. Exemplo: quando ouvimos nos telejornais que choveu mais de 100 mm em determinado local, quer dizer que choveu mais de 100 litros de água por metro quadrado neste local! Algumas grandezas e unidades de medida são muito utilizadas, vejamos: - Altura pluviométrica ou altura de precipitação (P): quantidade de água precipitada por unidade de área horizontal. Geralmente é expressa em milímetros (em polegadas nos Estados Unidos e Inglaterra) (GARCEZ & ALVAREZ, 1988); - Duração (t): intervalo de tempo decorrido entre o instante em que se iniciou a precipitação e seu término. É medida em geral em minutos (ou em horas) (GARCEZ & ALVAREZ, 1988); - Intensidade (i): precipitação por unidade de tempo. Geralmente expressa em mm/h (milímetro por hora) ou mm/min (milímetro por minuto); - Período de Retorno (T): intervalo médio de tempo, em anos, onde uma determinada chuva pode ser igualada ou superada pelo menos uma vez, em um ano qualquer; - Frequência (F): número de ocorrências de uma determinada precipitação (definida por uma altura pluviométrica e uma duração) no decorrer de um intervalo de tempo fixo (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Pode ser expressa pela equação abaixo: F = 1 / T, onde (/) representa o sinal de divisão, e: - F = Frequência; - T = Período de Retorno. Tipos de aparelhos Dois são os tipos principais de aparelhos utilizados para a medida das precipitações: os simples receptores, que recolhem a água tombada e a armazenam convenientemente para posterior medição volumétrica (pluviômetros), e os aparelhos registradores, que registram continuamente a quantidade de chuva que recolhem (pluviógrafos) (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). O pluviômetro é o dispositivo que se destina a registrar a quantidade de precipitação ocorrida em um determinado espaço de tempo. Os pluviômetros são normalmente observados uma ou duas vezes por dia, todos os dias, em horas certas e determinadas (importante); não indicam, portanto, a intensidade das chuvas ocorridas, mas tão somente a altura pluviométrica diária (ou a intensidade média em 12 h) (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Figura 7 – Pluviômetro instalado próximo de uma residência (Foto: Diego de Toledo Lima da Silva, 2011). Figura 8 – O pluviômetro deve ser instalado em área aberta Fonte: FAEM/UFPEL, 2011. Disponível em: <www.ufpel.edu.br/faem/agrometeorologia/images/pluviometro86.jpg>. Acessado em: 21 Julho 2011. Figura 9 – Pluviômetro utilizado nas áreas de risco da cidade de Petrópolis/RJ Fonte: DEFESA CIVIL – PETRÓPOLIS, 2011. Disponível em: <www.petropolis.rj.gov.br/index.php?url=http%3A//defesacivil.petropolis.rj.gov.br/defesacivil/modules/mastop_publish/%3Ftac%3D33>. Acessado em: 21 Julho 2011. Pluviógrafo: instrumento que mede e registra automaticamente a quantidade de chuva precipitada em um determinado local e a duração da chuva, podendo ser de 3 tipos: flutuador (o mais utilizado no Brasil), balança e basculante. Os pluviógrafos geralmente registram os volumes de chuva de hora em hora, possibilitando conhecer a intensidade da chuva, importante, por exemplo, na elaboração de equações de chuva intensa, que estudaremos mais à frente, e no estudo de escoamento de águas pluviais e vazões de enchentes de pequenas bacias. Figura 10 – Pluviógrafo Fonte: DIRECCIÓN METEOROLÓGICA DE CHILE, 2011. Disponível em: <www.meteochile.cl/instrumentos/inst_convencional.html>. Acessado em: 21 Julho 2011. Instalação, operação e cuidados especiais com os pluviômetros Os aparelhos de medida de precipitação nunca medem exatamente a quantidade de água que cairia no local. Levando em conta que o valor medido deverá ser extrapolado para uma área muitas vezes superior à área de medição, há evidentemente um interesse grande em diminuir o mais possível essa discrepância, bem como em obter uma medida representativa de toda a região. Por isso devem ser tomados cuidados especiais na escolha do aparelho e em sua instalação, manutenção e operação (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Instalação: o pluviômetro deve ser instalado em local aberto, distante de qualquer obstáculo que possa causar interferência na coleta da chuva pelo recipiente. Na instalação, o pluviômetro deve ser colocado fixado a uma haste de madeira, a 1,5 de altura do solo. No caso de ser uma área densamente habitada, sem estas condições, o pluviômetro pode ser instalado no telhado da residência, fora de qualquer obstáculo. Operação: a medição do volume de chuvas deve ser realizada em horário fixo, de preferência toda manhã, às 07:00 hs ou 08:00 hs. O mesmo deve ocorrer com todos os pluviômetros da rede em uma determinada área. O operador deve tomar todo o cuidado na leitura, principalmente no tocante a erros grosseiros (golpe de vista). Manutenção: no geral, os pluviômetros não exigem manutenção constante. Apenas vistorias de acompanhamento. Distribuição: os pluviômetros devem ser distribuídos por bacia hidrográfica, de forma a se obter uma melhor cobertura de toda a área da bacia, uma melhor precisão nos resultados e evitar “zonas em branco” – sem qualquer tipo de medição. Vejam uma possível distribuição hipotética de pluviômetros em uma microbacia hidrográfica: Figura 11 – Distribuição hipotética de pluviômetros em uma microbacia hidrográfica para um estudo detalhado (Foto: Diego de Toledo Lima da Silva, 2011). Análise de dados de uma estação pluviométrica A rede de estações pluviométricas distribuídas no Brasil fornece dados de vários anos que necessitam ser analisados. Segundo Garcez & Alvarez (1988), os dados colhidos pelos aparelhos de medida devem ser submetidos inicialmente a uma depuração prévia e a um preparo que possibilite seu emprego posterior. Para o nosso curso, vamos trabalhar com a precipitação média como principal dado fornecido por um pluviômetro. A média aritmética simples pode ser definida como o quociente do resultado da divisão da soma dos números dados pela quantidade de números somados. Veja o exercício resolvido abaixo. Exercício 3: Calcule a precipitação média dos anos 90 no município de Joanópolis/SP, com os dados fornecidos pelo Posto Pluviométrico DAEE D3-054, instalado na altitude 955 metros (conforme tabela abaixo). Ano Precipitação (mm) 1990 1.431,4 1991 1.569,0 1992 1.457,3 1993 1.526,4 1994 1.373,7 1995 2.088,5 1996 1.819,4 1997 1.389,9 1998 1.635,1 1999 1.590,1 Resolução: A Precipitação média (Pm) será: -> Pm = ( 1.431,4 + 1.569,0 + 1.457,3 + 1.526,4 + 1.373,7 + 2.088,5 + 1.819,4 + 1.389,9 + 1.635,1 + 1.590,1 ) / 10 -> Pm = ( 15.888,08 ) / 10 -> Pm = 1.588,1 mm Como vemos a Precipitação média (Pm) anual da década de 90 no Posto Pluviométrico foi de 1.588,1 mm. A média também é utilizada para definir a “Normal Climatológica” ou Precipitação Média de uma determinada área. Por exemplo, quando escutamos nos telejornais que num determinado município choveu em um dia o equivalente ao mês inteiro, quer dizer que num dia choveu a precipitação média prevista para o referido mês. Exercício 4: O município de Vargem/SP possui um Posto Pluviométrico (DAEE D3-018 – Altitude 840 m), operando desde o ano de 1937, com dados disponíveis até o ano de 2004. A precipitação média do mês de novembro é de 152,3 mm. Num dia do mês de novembro do ano de 1940 choveu 186,1 mm. Qual a porcentagem do volume de chuvas deste dia comparado à média esperada para o mês de novembro? Resolução: Se 152,3 mm equivale a 100%, quanto equivale 186,1 mm (uma incógnita)? 152,3 – 100 186,1 – x 152,3 * x = ( 186,1 * 100 ) 152,3 * x = 18.610 x = 18.610 / 152,3 x = 122,2% Portanto, choveu um volume 22,2% superior ao esperado para o mês de novembro inteiro num único dia! Vários postos pluviométricos numa bacia hidrográficaEm alguns casos encontramos vários postos pluviométricos distribuídos dentro e fora da bacia hidrográfica, sendo que cada posto fornecerá um volume de chuvas. Isto é evidente, pois não chove de maneira uniforme em toda a bacia, um exemplo é que nas partes altas da bacia chove um determinado volume e nas áreas baixas outro. Para algumas análises existe a necessidade de apresentação de um único dado e existem basicamente 3 metodologias para o cálculo: Método da Média Aritmética Simples; Método Simplificado de Thiessen e Método das Isoietas. Método da Média Aritmética Simples A forma mais simples de determinar a lâmina média é admitir para toda a área considerada a média aritmética das alturas pluviométricas medidas nas diferentes estações nela compreendida ou em zonas vizinhas. A média assim determinada somente será representativa se a variação das precipitações entre as estações for muito reduzida e a distribuição das estações de medida for uniforme em toda a área (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Exercício 5: Numa determinada bacia hidrográfica de 4 km² (quilômetros quadrados) existem 3 Postos Pluviométricos em operação. No Posto 1, localizado num topo de morro na cabeceira (região de nascentes e formação da bacia) choveu 35 mm, no meio da bacia, numa área de condomínio residencial, o Posto 2 registrou 33 mm, e próximo do exutório (ponto do curso d’água onde se dá todo o escoamento superficial gerado no interior da bacia - o final da bacia em análise), no Posto 3, foram registrados 50 mm. Qual a média aritmética simples do volume de chuva desta bacia? Resolução: -> ( 35 + 33 + 50 ) / 3 -> 118 / 3 -> 39,3 mm – esta foi a média aritmética simples de chuva na bacia! Método Simplificado de Thiessen É uma espécie de média aritmética ponderada, onde cada posto pluviométrico assume um “peso”. Este método considera que os postos pluviométricos não estão uniformemente distribuídos. Procedimentos: - Ligue os postos por trechos retilíneos; - Trace linhas perpendiculares aos trechos retilíneos passando pelo meio da linha que liga os dois postos; - Prolongue as linhas perpendiculares até encontrar outra; - Formar um polígono pela intersecção das linhas, correspondente à área de influência de cada posto; - Calcular a precipitação média. Exercício 6: Na mesma bacia hidrográfica trabalhada no Exercício 5, foi executado a metodologia de Thiessen, obtendo as seguintes áreas correspondentes a cada posto pluviométrico: - Posto 1: 1,3 km²; - Posto 2: 1,2 km²; - Posto 3: 1,5 km². Calcule a precipitação média na bacia, levando em conta que os volumes de chuva foram os mesmos informados no exercício anterior (Posto 1 – 35 mm; Posto 2 – 33 mm; Posto 3 – 50 mm). Resolução: Como este caso é uma média aritmética ponderada, a área correspondente a cada posto deve ser multiplicada pelo seu respectivo volume de chuva. Somado o resultado obtido nos 3 postos, ao final deve ser dividido pela área total da bacia em estudo (no caso 4 km²).: -> (( 1,3 * 35 ) + ( 1,2 * 33 ) + ( 1,5 * 50 )) / 4 -> ( 45,5 + 39,6 + 75 ) / 4 -> 160,1 / 4 -> Aproximadamente 40,0 mm é a precipitação média na bacia pelo Método de Thiessen. Observem que o posto pluviométrico que abranger uma área maior vai exercer maior influência no resultado final. Esta é uma metodologia bastante utilizada em trabalhos técnicos e científicos, bem mais precisa que o primeiro método estudado. Método das Isoietas As isoietas são linhas de igual precipitação traçadas para um evento ou para uma duração específica. Neste curso não iremos abordar em detalhes este método, mas é bastante utilizado em trabalhos científicos e técnicos, e apresenta ótima precisão. EVAPOTRANSPIRAÇÃO Define-se por evaporação o processo físico, através do qual a água presente sobre a superfície terrestre ou nos poros do solo é transformada em vapor de água. Já a transpiração é um processo biológico, ativamente conduzido pelos vegetais no curso de suas atividades fisiológicas, resultando em liberação de água para a atmosfera, sob forma de vapor. Na maior parte das vezes, os dois fenômenos são tratados em conjunto, daí o termo evapotranspiração (PINTO et al., 1990 apud LUGON JR & RODRIGUES, 2008; TUCCI, 1993). Fatores que interferem no processo: - Relacionados à atmosfera: temperatura, insolação, umidade relativa do ar (URA), ventos, pressão atmosférica, etc. - Relacionados à superfície evaporante: superfície livre, solo nu ou cultivados, florestas, presença de óleos, etc. A unidade de medida normalmente utilizada é o mm. A intensidade da evapotranspiração pode ser expressa em mm/h ou mm/dia. A evaporação pode ser medida diretamente em águas não agitadas, através de evaporímetros. Esses se constituem em recipientes, cuja área de superfície voltada para a atmosfera é conhecida, e que são colocados próximos aos corpos de água dos quais se pretende determinar a taxa de evaporação. Determina-se a evolução do volume presente no recipiente ao longo de um intervalo de tempo, monitorando-se, simultaneamente, as variáveis mais relevantes para o processo: temperatura, umidade do ar e velocidade do vento. Os cálculos devem, evidentemente, considerar o aporte de água decorrente da precipitação (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Por outro lado, a evapotranspiração decorrente do solo pode ser determinada através de lisímetros, que são tanques enterrados no solo, com geometria determinada, sendo recobertos pelo solo local, obedecendo à ordem original dos horizontes. Ao fundo do tanque são instalados drenos, que possibilitam recolher e medir a água drenada. Conhecendo-se a precipitação e determinando-se a quantidade de água percolada pelo solo, tem-se, por diferença, o total evapotranspirado (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). A evapotranspiração também pode ser estimada por fórmulas matemáticas empíricas. Neste curso abordaremos a fórmula empírica para o cálculo da Taxa de Evaporação Mensal, conhecida como Fórmula de Vermuele (citada em Garcez & Alvarez, 1988): E = ( 1 + ( 0,75 * T )) * ( 3,94 + ( 0,0016 * P )), onde: - E = intensidade de evaporação (em mm/mês); - T = temperatura média anual (em °C); - P = altura pluviométrica anual (em mm). Exercício 7: No município de Extrema/MG, a temperatura média anual (T) de 2010 foi de 19,6 °C e o volume de chuva anual (P) foi de 1.500,5 mm. Qual a intensidade de evaporação, conforme a Fórmula de Vermuele? Resolução: Substitua os dados fornecidos pelo exercício na fórmula matemática E = ( 1 + ( 0,75 * T )) * ( 3,94 + ( 0,0016 * P )). -> E = (1 + ( 0,75 * 19,6 )) * ( 3,94 + ( 0,0016 * 1.500,5 ) -> E = ( 15,7 ) * ( 6,34 ) -> E = 99,54 mm/mês A intensidade de evaporação do município foi de 99,54 mm/mês, o que totaliza uma evaporação total de 1.194,5 mm no ano de 2010, conforme a Fórmula de Vermuele. Dica: Para os cálculos em hidrologia, a precisão de duas a três casas após a vírgula (Ex.: 99,54 ou 99,538) já é o suficiente! Observem que a Fórmula de Vermuele para o cálculo da evaporação só deve ser utilizada nos casos em que não houver nenhuma estação meteorológica local. Para o município de Extrema/MG, no ano de 2010, a Evapotranspiração Potencial (ETP) foi de 1.004 mm, valor este 16% inferior ao calculado pela Fórmula de Vermuele, apenas para Evaporação. Exemplos de dados de evaporação medidos em reservatórios Reservatório Billings (Grande SP) – 808,8 mm (Ano de 1930) – Fonte: Eletropaulo. Reservatório Guarapiranga (Grande SP) – 1.059,6 mm (Ano de 1941) – Fonte: Eletropaulo. Reservatório de Ilha Solteira (região noroeste do Estado de São Paulo) – 1.771,8 mm (média de 1967 a 2007) – Fonte: Hernandez, 2007. Represa Hidrelétrica de Sobradinho (Bahia) – 2.025,7 mm – Fonte: Pereira, 2004. Observação importante! Um dos impactos dos grandes reservatórios é a alteração do micro-clima local, devido ao alto volume de evaporação do barramento. Este processo é responsável pela retenção de umidade na região. A inundação de grandesáreas também altera a intensidade dos ventos, pois não existe mais a rugosidade do solo anterior, que funcionaria como uma barreira contra os ventos. Geralmente, os impactos deste processo são considerados para a agricultura, como por exemplo, a restrição de algumas culturas agrícolas, como o morango, devido à umidade, e o aumento de doenças fúngicas. Mas também é possível que os padrões de chuva convectiva na região sejam alterados, principalmente pelo aumento da umidade do ar, um dos condicionantes deste tipo de chuva. INFILTRAÇÃO Define-se por infiltração o processo de penetração da água no interior do solo. Há diversos fatores que controlam tanto a capacidade de infiltração quanto a velocidade com que o processo ocorre no interior do solo. O tipo, grau de umidade e de compactação do solo, bem como a cobertura vegetal e até mesmo a temperatura podem atenuar ou acelerar o processo de infiltração (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). As águas podem se infiltrar no solo sob ação da gravidade e capilaridade, formando assim a fase do escoamento subterrâneo do ciclo hidrológico. Intimamente ligado às características do solo e da cobertura vegetal! A infiltração pode ser medida diretamente no campo através de infiltômetros. Estes são tubos cilíndricos que, cravados verticalmente no solo, permitem um contato com a atmosfera, através dos quais um volume conhecido de água é adicionado, de maneira a manter-se constante uma lâmina de água sobrejacente a esse contato. Conhecendo-se a taxa de adição de água sobre essa superfície livre, é possível determinar-se a taxa de infiltração. Alternativamente, a exemplo da determinação da evapotranspiração, lisímetros podem ser utilizados para determinação da taxa de infiltração (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Tipo de solo e fatores que influenciam o processo de infiltração: - Quanto mais poroso um solo, maior a sua capacidade de infiltração; - A camada superficial do solo (os 20 cm superiores) influencia bastante no processo – quanto maior as partículas, maior a capacidade de infiltração; - Grau de umidade do solo antes do evento de chuva, pois quanto maior o grau de umidade, menor a capacidade de infiltração (solo saturado, em vias de saturação ou encharcado); - Substâncias coloidais presentes no solo, que podem obstruir os poros quando o solo estiver úmido. Tipos de solo aplicados à Hidrologia Com o objetivo de facilitar a aplicação e os estudos desenvolvidos neste curso, podemos agrupar os solos brasileiros em 4 Grupos (A, B, C e D). Grupo A – Solos arenosos com baixo teor de argila total, inferior a uns 8%, não há rocha nem camadas argilosas e nem mesmo densificadas até a profundidade de 1,5 m. O teor de húmus é muito baixo, não atingindo 1% (PORTO & SETZER, 1979; PORTO et al., 1995). Solos que produzem baixo escoamento superficial e alta infiltração. Solos arenosos profundos com pouco silte e argila (TUCCI et al., 1993). Capacidade mínima de infiltração – 7,62 a 11, 43 mm/h; média - 9,53 mm/h (MCCUEN, 1998). Grupo B – Solos arenosos menos profundos que os do Grupo A e com menor teor de argila total, porém ainda inferior a 15%. No caso de terras roxas, esse limite pode subir a 20% graças à maior porosidade. Os dois teores de húmus podem subir, respectivamente, a 1,2 a 1,5%. Não pode haver pedras e nem camadas argilosas até 1,5 m, mas é, quase sempre, presente camada mais densificada que a camada superficial (PORTO & SETZER, 1979; PORTO et al., 1995). Solos menos permeáveis do que o anterior, solos arenosos menos profundo do que o tipo A e com permeabilidade superior à média (TUCCI et al., 1993). Capacidade mínima de infiltração – 3,81 a 7,62 mm/h; média – 5,72 mm/h (MCCUEN, 1998). Grupo C – Solos barrentos com teor de argila de 20% a 30%, mas sem camadas argilosas impermeáveis ou contendo pedras até profundidade de 1,2 m. No caso de terras roxas, esses dois limites máximos podem ser de 40% e 1,5 m. Nota-se a cerca de 60 cm de profundidade, camada mais densificada que no Grupo B, mas ainda longe das condições de impermeabilidade (PORTO & SETZER, 1979; PORTO et al., 1995). Solos que geram escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da média, contendo percentagem considerável de argila e pouco profundo (TUCCI et al., 1993). Capacidade mínima de infiltração – 1,27 a 3,81 mm/h; média – 2,54 mm/h (MCCUEN, 1998). Grupo D – Solos argilosos (30% a 40% de argila total) e ainda com camada densificada a uns 50 cm de profundidade. Os solos arenosos como do grupo B, mas com camada argilosa quase impermeável ou horizonte de seixos rolados (PORTO & SETZER, 1979; PORTO et al., 1995). Solos contendo argilas expansivas e pouco profundos com muito baixa capacidade de infiltração, gerando a maior proporção de escoamento superficial (TUCCI et al., 1993). Capacidade mínima de infiltração – 0 a 1,27 mm/h; média – 0,64 mm/h (MCCUEN, 1998). Condições de umidade antecedente do solo Podemos distinguir 3 condições de umidade antecedente do solo, que influenciará o processo de infiltração e, consequentemente, da geração de escoamento superficial. - Condição I: solos secos – as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassam 15 mm. - Condição II: situação média na época de cheias – as chuvas nos últimos 5 dias totalizam entre 15 e 40 mm. - Condição III: solo úmido (próximo da saturação) – as chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40 mm e as condições meteorológicas foram desfavoráveis a altas taxas de evaporação. Lembrem-se: o tipo de solo, a condição de umidade antecedente e o uso e ocupação do solo serão utilizados nos modelos hidrológicos que trabalharemos mais à frente. Não é necessário decorar, apenas saber onde procurar estes dados quando necessitar! ESCOAMENTO SUPERFICIAL Define-se por escoamento superficial todo deslocamento de água que ocorra sobre a superfície terrestre. Para uma mesma precipitação, diversos fatores condicionam a intensidade e duração do escoamento superficial: área drenada, topografia, tipo de cobertura vegetal, tipo de solo e geologia da área drenada. Há ainda fatores decorrentes da atividade humana, tais como irrigação, canalização, captação e construção de barragens (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). De maneira simplificada, o escoamento superficial pode ser calculado pela fórmula abaixo (Equação da Continuidade): Escoamento Superficial (ES) = Precipitação (P) – Infiltração (Inf.) – Evaporação (Evap.) – Transpiração (Transp.) O escoamento em uma bacia é, normalmente, estudado em duas partes: geração de escoamento e propagação de escoamento. O escoamento tem origens diferentes dependendo se está ocorrendo um evento de chuva ou não (COLLISCHONN, 2009). Durante as chuvas intensas, a maior parte da vazão que passa por um rio é a água da própria chuva que não consegue penetrar no solo e escoa imediatamente, atingindo os cursos d’água e aumentando a vazão. É desta forma que são formados os picos de vazão e as cheias ou enchentes. O escoamento rápido que ocorre em consequência direta das chuvas é chamado de escoamento superficial (COLLISCHONN, 2009). - Escoamento superficial: ocorre durante e imediatamente após a chuva. - Escoamento subterrâneo: é o que mantém a vazão dos rios durante as estiagens. Fonte: COLLISCHONN, 2009. Hidrograma Hidrograma é a denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão no tempo. A distribuição da vazão no tempo é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico, que se dá entre a ocorrência da precipitação e a vazão na bacia hidrográfica (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Segundo Pinto et al. (1990), considerando-se chuvas de distribuição uniforme e intensidade constante sobre uma bacia, três proposições básicas podem ser enunciadas com respeito a um hidrograma: - em uma dada bacia hidrográfica, o tempo de duração do escoamento superficial é constante para chuvas de igual duração; - duas chuvas de igual duração, produzindo volumes diferentes de escoamento superficial,dão lugar a fluviogramas em que as ordenadas, em tempos correspondentes, são proporcionais aos volumes escoados; - a distribuição, no tempo, do escoamento superficial de determinada precipitação independe de precipitações anteriores. Segundo Collischonn (2009), a geração do escoamento é um dos temas mais complexos da hidrologia porque a variabilidade das características da bacia é muito grande, e porque a água pode tomar vários caminhos desde o momento em que atinge a superfície, na forma de chuva, até o momento em que chega ao curso d’água. Por último, deve ser destacado que a forma do hidrograma dá indicativos de algumas características da bacia hidrográfica à qual se relaciona. Assim, hidrogramas de bacias essencialmente rurais apresentam boa distribuição da vazão ao longo do tempo, enquanto que de bacias urbanas apresentam picos pronunciados. Por outro lado, bacias em forma radial (circular) apresentam hidrogramas com picos mais acentuados e prematuros, se comparadas com bacias em forma alongada (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Figura 12 – Exemplo do Hidrograma de uma bacia em resposta a uma chuva Fonte: COLLISCHONN, 2009. Observem no hidrograma que: - durante e imediatamente após a chuva predomina o escoamento superficial; - durante a estiagem predomina o escoamento subterrâneo. Vazão Vazão ou descarga de um rio é o volume de água que passa entre dois pontos por um dado período de tempo. Normalmente, é expressa em metros cúbicos por segundo (m³/s). A vazão é influenciada pelo clima, aumentando durante os períodos chuvosos e diminuindo durante os períodos secos. Também pode ser influenciada pelas estações do ano, sendo menor quando as taxas de evaporação são maiores (PALHARES et al., 2007). Vejam outros conceitos: - Vazão líquida, ou simplesmente vazão, é o volume de água por unidade de tempo que é transportada por uma seção transversal de um curso de água (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). .- Chama-se vazão ou descarga, numa determinada seção, o volume de líquido que atravessa essa seção na unidade de tempo (AZEVEDO NETTO et al., 1998). As determinações de vazões realizam-se para diversos fins. Entre eles, citam-se sistemas abastecimento de água, estudos de lançamento de esgotos, instalações hidrelétricas, obras de irrigação, defesa contra inundações, etc. (AZEVEDO NETTO et al., 1998). De modo geral, a vazão pode ser representada (e determinada) pela Equação da Continuidade: Q = A * v, onde: Q = vazão (m³/s – metro cúbico por segundo, L/s – litros por segundo; m³/h – metro cúbico por hora, sendo que 1 m³ equivale a mil litros); A = área da seção de escoamento (m² - metro quadrado); v = velocidade média na seção (m/s – metros por segundo). Segundo Azevedo Netto et al. (1998), essa equação é de grande importância em todos os problemas da Hidrodinâmica. Hidrodinâmica: tem por objeto o estudo do movimento dos fluídos (AZEVEDO NETTO et al., 1998). Exercício 8: Determinar a vazão do rio Jaguari, localizado no município de Bragança Paulista/SP, sendo que a velocidade média na seção é de 0,5 m/s, e a seção apresenta 4,5 m de largura por 1,36 m de profundidade. Resolução: observem que a Equação da Continuidade é Q = A * v, e a área é definida pela largura da lâmina d’água multiplicada pela profundidade da coluna d’água do rio, ou seja: -> A = 4,5 m (Largura) * 1,36 m (Profundidade Média) -> A = 6,12 m² Aplicando a Equação da Continuidade: -> Q = 6,12 m² (Área) * 0,5 m/s (Velocidade Média) -> Q = 3,06 m³/s (mil litros por segundo) Esta é a vazão do rio Jaguari, naquele instante e naquele local. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Existem diferentes processos de medições de vazões, sendo que neste curso abordaremos os seguintes métodos: - Processo direto ou volumétrico; - Flutuador; - Vertedores; - Químico; - Medidores de regime crítico (Calha Parshall); - Integração da velocidade (molinete); - Acústico (Doppler). Processo direto ou volumétrico Segundo Azevedo Netto et al. (1998), consiste na medição direta em recipiente de volume conhecido, (V); mede-se o tempo de enchimento do recipiente obtendo-se: Q = V / t, onde: Q = vazão (neste caso como estamos medindo pequenas descargas, geralmente expressa em l/s); V = Volume conhecido (em litros); t = tempo necessário para o enchimento do recipiente (em segundos). O método volumétrico baseia-se no tempo necessário para o enchimento de um volume conhecido. Embora seja o mais preciso de todos os métodos, é de difícil aplicação para a maioria das situações práticas (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Conforme Azevedo Netto et al. (1998), esse processo geralmente só é aplicável nos casos de pequenas descargas, como, por exemplo, de fontes, riachos, bicas e canalizações de pequeno diâmetro. Exercício 9: Utilizando um balde com capacidade total de 20 litros (V), um produtor rural decidiu medir a vazão proveniente de uma nascente existente em sua propriedade. Utilizando um cronômetro, ele realizou cinco medições seguidas para verificar em quanto tempo enchia o recipiente. Os tempos estão lançados na tabela abaixo: Medição Tempo (s) 1 11,2 2 11,7 3 10,9 4 12,1 5 11,3 Qual a vazão proveniente daquela nascente, naquele instante? Resolução: Observem que para se obter um resultado mais preciso foram realizadas 5 medições de tempo pelo produtor rural. Vamos utilizar apenas um valor resultante, para isso utilizaremos a média aritmética simples. -> t médio = ( 11,2 + 11,7 + 10,9 + 12,1 + 11,3 ) / 5 -> t médio = 11,44 s Agora é só aplicar a equação do método volumétrico: -> Q = 20 l / 11,44 s -> Q = 1,75 l/s A vazão proveniente da nascente naquele instante é de 1,75 litros por segundo. Se quiser obter o resultado em m³/s é só dividir por 1.000, ou seja, 0,00175 m³/s. Método do Flutuador A vazão medida por flutuadores consiste em determinar-se a velocidade de deslocamento de objetos que flutuem na lâmina de água. Conhecendo-se a área média das seções onde se conduz a medição, determina-se a vazão (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Os flutuadores, conforme Azevedo Netto et al. (1998), consistem em objetos flutuantes que adquirem a velocidade das águas que os circundam. Os flutuadores simples ou de superfície podem ser uma garrafa plástica com água do próprio rio pela metade; uma laranja ou qualquer outro objeto que flutue satisfatoriamente. A velocidade média pode ser calculada como 80 a 90% da velocidade obtida pelo método, em superfície. Atualmente, os flutuadores são pouco usados para medições precisas, devido a muitas causas de erros (como as ondas, os ventos, irregularidades do leito do curso de água, etc.). Apenas são empregados para determinações expeditas e na falta de outros recursos (AZEVEDO NETTO et al., 1998). Exercício 10: Utilizando o método do flutuador, um técnico mediu a vazão do córrego do Onofre, no município de Atibaia/SP. Para isto, foi escolhido um trecho reto de seção regular do curso d’água, em local de fácil acesso, estendendo duas cordas de lado a lado, distante entre si 20 metros. Transversalmente, o córrego foi dividido em 5 seções, sendo que em cada seção foi calculada a área (profundidade média multiplicada pela largura), com medições por meio de uma trena. Para medição da velocidade foi utilizado uma garrafa plástica com água do rio pela metade (mesma densidade), e soltada uma vez em cada seção para que atravessasse a distância de 20 metros, sendo o tempo medido por um cronômetro, com auxílio de um ajudante. Para se obter a velocidade média, podemos utilizar dois fatores de correção, dependendo do tipo de fundo do rio (barrento ou pedregoso), os quais são multiplicados pela velocidade medida em superfície (distância percorrida pelo flutuador, no caso 20 metros, dividido pelo tempo medido com o cronômetro). Para rios com fundo barrento, o fator decorreção é 0,9; e para rios com fundo pedregoso, o fator de correção é 0,8. No caso do córrego do Onofre, o fundo é pedregoso na seção de trabalho. Calcule a vazão do córrego do Onofre naquele instante, conforme os dados contidos na tabela abaixo. Resolução: Seção Profundidade Média (Pm), em m Largura (l), em m Área (A = Pm * l), em m² Velocidade medida (Vsup), em m/s Velocidade média (Vm = Vsup * 0,8), em m/s Vazão (Q = Vm * A), em m³/s 1 0,15 0,8 0,120 0,52 0,416 0,050 2 0,20 1,2 0,240 1,33 1,064 0,255 3 0,45 2,0 0,900 2,50 2,000 1,800 4 0,33 1,5 0,495 1,44 1,152 0,570 5 0,11 0,7 0,077 0,45 0,360 0,028 A vazão total do córrego do Onofre naquele instante vai ser a soma das vazões medidas em cada seção, no qual o curso d’água foi dividido, ou seja: -> Q = 0,050 + 0,255 + 1,80 + 0,57 + 0,028 -> Q = 2,703 m³/s ou 2.703 mil litros por segundo. Vertedores Os vertedores podem ser definidos como simples paredes, diques ou aberturas sobre as quais um líquido escoa. O termo aplica-se, também, a obstáculos à passagem da corrente e aos extravasores das represas (AZEVEDO NETTO et al., 1998). Lugon Jr & Rodrigues (2008) definem os vertedores como dispositivos de geometria regular, nos quais a relação entre velocidade de escoamento e altura de lâmina de água é conhecida. Determinando-se, portanto, a altura dessa lâmina, tem-se velocidade e, por conseguinte, a vazão do curso. Segundo Azevedo Netto et al. (1998), há muito que os vertedores têm sido utilizados, intensiva e satisfatoriamente, na medição de vazão de pequenos cursos de água e condutos livres, assim como no controle do escoamento em galerias e canais, razão por que o seu estudo é de grande importância. Para o cálculo da vazão pela metodologia dos vertedores e cumprindo o objetivo deste curso, podemos classificar os vertedores em retangular (sem e com contrações), triangular, trapezoidal e circular. - Retangular sem contração lateral Equação: Q = 1,838 * L * H3/2, onde: Q = vazão, em m³/s; L = largura, em m; H = altura da lâmina d’água, medida a montante (antes) do vertedor, em m. Observação: - H3/2, quer dizer: H elevado a (3 / 2). Por exemplo: a lâmina d’água é de 2 metros, portanto 23/2, que resulta aproximadamente 2,83 m. - Retangular com duas contrações laterais Equação: Q = 1,838 * ( L – ( 2 * H / 10 )) * H3/2 - Triangular Equação: Q = 1,4 * H5/2 - Trapezoidal (CIPOLLETTI – inclinação – 1:4 (Horizontal:Vertical)) Equação: Q = 1,86 * L * H3/2 - Circular Equação: Q = 1,518 * D0,693 * H1,807, onde: D = diâmetro, em m. Exercício 11: O vertedor retangular com duas contrações laterais (figura abaixo) está instalado no rio Jacareí, no emboque (entrada) do curso d’água no reservatório Jacareí, a maior barragem do Sistema Cantareira (sistema que abastece mais de 8 milhões de pessoas na Grande São Paulo). O vertedor apresenta 1,9 m de largura da parte inferior (L) e, com a utilização de uma trena, foi medida a altura da lâmina d’água a montante do vertedor, que era de 13 cm (0,13 m) naquele instante. Determine a vazão. Resolução: Aplicando a equação deste tipo de vertedor, -> Q = 1,838 * ( L – ( 2 * H / 10 )) * H3/2, substituindo os dados fornecidos pelo exercício na equação -> Q = 1,838 * (1,9 – ( 2 * 0,13 / 10)) * 0,133/2, primeiro se resolve o cálculo entre parênteses -> Q = 1,838 * 1,874 * 0,133/2 -> Q = 1,838 * 1,874 * 0, 047 -> Q = 0,162 m³/s ou 162 litros por segundo (l/s) A vazão naquele local e instante, medida utilizando a estrutura hidráulica, no caso o vertedor, é de 0,162 m³/s ou 162 l/s. Figura 13 – Vertedor retangular com duas contrações laterais, observe que devido à depressão da lâmina d’água junto ao vertedor, a carga (altura – H) deve ser medida a montante (antes do vertedor) a uma distância igual ou superior a 5 vezes a carga (H) do vertedor (Foto: Diego de Toledo Lima da Silva, 2011). Químico Uma alternativa bastante precisa, principalmente para cursos situados em montanhas, é o método químico, que consiste no lançamento contínuo e não transiente de substância conservativa no curso em que se deseja determinar a vazão. Se no período de tempo da medição for assumido que o escoamento do curso é invariante, determinando a concentração resultante em um ponto a jusante, obtém-se a vazão (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Medidores de regime crítico Os medidores de regime crítico podem consistir num simples estrangulamento adequado de seção, no rebaixo ou no alteamento do fundo, ou ainda numa combinação conveniente dessas singularidades, capaz de ocasionar o regime livre de escoamento (AZEVEDO NETTO et al., 1998). Os mais conhecidos são os medidores Parshall (Calha Parshall) e os vertedores. Conforme Azevedo Netto et al. (1998), os medidores Parshall são constituídos por uma seção convergente, uma seção estrangulada e uma seção divergente. Integração das velocidades (molinete) O método da integração das velocidades é, seguramente, o de mais ampla aplicação. Consiste em determinarem-se velocidades, usualmente por meio de molinetes fluviométricos, em distintos pontos na transversal do curso e a diferentes profundidades. A velocidade média da seção é, então, obtida através de uma média ponderada, na qual o fator de ponderação é a subárea, que seja representativa do(s) ponto(s) de determinação (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). Acústico Por último, tem-se o método acústico, oriundo de metodologia muito empregada em oceanografia. Em síntese, esse consiste em determinar-se o tempo de retorno de um pulso sonoro aplicado sobre uma coluna de água. Conhecendo-se fatores como frequência de emissão e velocidade de propagação, obtêm-se não só o campo de velocidade, como a própria batimetria do curso (LUGON JR & RODRIGUES, 2008). O modelo geralmente empregado no Brasil é o Medidor Acústico Doppler de Vazão, principalmente em grandes cursos d’água, como na Região Amazônica. SEGUNDO MÓDULO PRECIPITAÇÕES INTENSAS E SUA APLICAÇÃO EM PROJETOS Para o dimensionamento de galerias de águas pluviais, travessias de estradas de rodagens (bueiros), canais abertos ou fechados, são necessários modelos matemáticos usados em hidrologia. Não havendo um modelo matemático na cidade, adora-se o mais próximo. Sendo possível, faz-se uma equação das chuvas intensas para ser usado nos dimensionamentos hidrológicos (TOMAZ, 2002). As inúmeras equações de chuvas existentes por toda a parte são exemplos de sua importância e do interesse pelo seu conhecimento por engenheiros, tentando equacionar o fenômeno precipitação, sendo ferramenta indispensável para os projetos de obras hidráulicas de diversos fins, mas, principalmente, para a drenagem urbana. Porém, para sua determinação há a necessidade de séries de dados pluviográficos de boa qualidade e extensão (ZUFFO, 2004). No Brasil, os dados pluviográficos são mais raros que os pluviométricos e também mais difíceis de medir, pois a maioria dos registros ainda se encontra armazenada nas prateleiras dos órgãos responsáveis pela medição esperando alguém que faça a leitura dos pluviogramas. Aparelhos mais modernos com data loggers ainda são novidades no Brasil, e, em sua maioria, possuem séries curtas de leituras, inferiores a 15 anos de extensão. Este tipo de problema dificulta a elaboração de novas equações de chuvas e/ou atualização das já existentes (ZUFFO, 2004). Segundo Martinez Jr & Magni (1999), o conhecimento das características das precipitações intensas, de curta duração, é de grande importância para o dimensionamento de obras hidráulicas e, geral, tais como: galerias de águas pluviais, canalizações de córregos, calhas de escoamento, bueiros, canais de irrigação e drenagem, vertedores de barragens. Para uma certa intensidade de chuva, constante e igualmente distribuída sobre uma bacia hidrográfica, a máxima vazão a serverificada numa seção corresponde a uma duração de chuva igual ao “tempo de concentração da bacia”, a partir da qual a vazão é constante. Assim, o dimensionamento das obras hidráulicas exige o conhecimento da relação entre a intensidade, a duração e a frequência da precipitação (MARTINEZ JR & MAGNI, 1999). A necessidade de informações sobre as precipitações de determinadas durações e frequências é muito grande, como por exemplo em projetos hidráulicos diversos, como os relacionados a drenagem urbana e agrícola, tais como galerias de águas pluviais, bueiros, reservatórios de detenção (piscinões), vertedores, de proteção contra as erosões entre outros projetos que consideram a intensidade das precipitações associadas a períodos de retorno. Um dos mais importantes usos das chuvas intensas de certa freqüência é a estimativa de vazões máximas para rios com poucas ou nenhuma medição de vazões, geralmente cursos d’águas de pequenas bacias, urbanas ou rurais, e que constituem a macro-drenagem natural dessas bacias (GENOVEZ & ZUFFO, 2000). Para estimar essas precipitações para os locais onde não se dispõe de dados de pluviógrafo ou onde as séries observadas são muito pequenas, vários estudos têm sido desenvolvidos, de tal forma a permitir uma associação à freqüência, no sentido de se estabelecer as relações entre as chuvas de diferentes durações, equações de Intensidade – Duração – Frequência (IDF) ou ainda mapas de isoietas. As equações IDF são também chamadas equações de chuvas intensas (GENOVEZ & ZUFFO, 2000). As relações entre intensidade, duração e frequência das precipitações intensas, devem ser deduzidas a partir das observações de chuvas ocorridas durante um período de tempo longo, suficientemente grande para que seja possível considerar as frequências como probabilidades. Essas relações se traduzirão por uma família de curvas intensidade – duração, uma para cada frequência, ou período de retorno (MARTINEZ JR & MAGNI, 1999). Vejamos abaixo alguns exemplos de equações de chuvas intensas. Lembre-se que utilizaremos estas equações nos próximos capítulos e exercícios. Equação de MARTINEZ JR & MAGNI (1999) para o Estado de São Paulo. - Bragança Paulista/SP – Altitude 860 m it,T = 33,7895 * ( t + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( t + 10 )-0,8442 * [ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( T / T – 1 )] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. Onde: i = intensidade da chuva, correspondente à duração t e período de retorno T, em mm/min (milímetros por minuto); t = duração da chuva, em minutos; T = período de retorno, em anos. Dica: primeiro se resolve o cálculo contido entre colchetes –> [ ], depois o cálculo entre parênteses -> ( ), e por fim o restante. ln -> significa logaritmo neperiano. Prioridades na execução do cálculo: divisão e multiplicação primeiro, depois soma e subtração. - Campos do Jordão/SP – Altitude 1.600 m it,T = 19,1535 * ( t + 15 )-0,7928 + 2,0341 * ( t + 5 )-0,6590 * [ -0,4778 – 0,9046 ln ln ( T / T – 1 )] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - Piracicaba/SP – Altitude 500 m it,T = 47,8273 * ( t + 30 )-0,9110 + 19,2043 * ( t + 30 )-0,9256 * [ -0,4820 – 0,9273 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - São Paulo/SP – Altitude 780 m it,T = 39,3015 * ( t + 20 )-0,9228 + 10,1767 * ( t + 20 )-0,8764 * [ -0,4653 – 0,8407 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - Taubaté/SP – Altitude 610 m it,T = 54,5294 * ( t + 30 )-0,9637 + 11,0319 * ( t + 20 )-0,9116 * [ -0,4740 – 0,8839 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - Ubatuba/SP – Altitude 1 m it,T = 28,4495 * ( t + 40 )-0,7564 + 17,2878 * ( t + 70 )-0,8236 * [ -0,4700 – 0,8637 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. Equações citadas por FESTI (2007) para vários municípios brasileiros. - João Pessoa/PB imax = ( 369,40 * Tr0,15 ) / (( t + 5 )0,568 ), onde: Tr = Período de Retorno, em anos. - Fortaleza/CE imax = ( 506,99 * Tr0,181 ) / (( t + 8 )0,61 ) - Campo Grande/MS imax = ( 43,019 * Tr0,55 ) / (( t + 62 )1,405 * Tr ^ 0,053 ) - Florianópolis/SC imax = ( 145 * Tr0,25 ) / (( t – 1,18 )0,34 ), para t menor ou igual a 60 minutos imax = ( 597 * Tr0,32 ) / (( t + 3 )0,73 ), para t maior ou igual a 60 minutos - Rio de Janeiro/RJ imax = ( 3463 * Tr0,172 ) / (( t + 22 )0,761 ) - Belo Horizonte/MG imax = ( 1447,87 * Tr0,10 ) / (( t + 20 )0,84 ) - Curitiba/PR – Prado Velho imax = ( 5726,64 * Tr0,159 ) / (( t + 41 )1,041 ) - Campinas/SP imax = ( 2524,86 * Tr0,1359 ) / (( t + 20 )0,948 * Tr ^ -,007 ) - Goiânia/GO imax = ( 920,450 * Tr0,1422 ) / (( t + 12 )0,7599 ) - Salvador/BA imax = ( 1065,66 * Tr0,163 ) / (( t + 24 )0,743 ) - Vitória/ES imax = ( 4003,611 * Tr0,203 ) / (( t + 49,997 )0,931 ) Dica ao aluno Observem a diversidade de equações de chuvas intensas mostradas acima. Além destas existem muitas outras equações de chuvas intensas não citadas. No caso de necessidade, procure na internet, nos livros técnicos e nos órgãos municipais e estaduais ligados ao tema recursos hídricos. Exercício 12: Estimar a chuva intensa para uma microbacia hidrográfica localizada no município de Ubatuba/SP, onde está sendo elaborado um projeto para travessia de um córrego, através de bueiro (T = 100 anos), e a duração da chuva crítica é de 30 minutos. Utilizar a equação de chuva intensa citada acima. Resolução: Vamos utilizar a equação de chuva intensa do município de Ubatuba/SP, de autoria de Martinez Jr & Magni (1999): it,T = 28,4495 * ( t + 40 )-0,7564 + 17,2878 * ( t + 70 )-0,8236 * [ -0,4700 – 0,8637 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. Observem que o t = 30 minutos dado pelo exercício satisfaz a primeira condição para aplicação da equação. Caso o t fosse menor que 10 minutos, utilizaríamos o valor mínimo, ou seja, t = 10 minutos, para que a equação pudesse ser aplicada. Substituindo os valores dados: -> it,T = 28,4495 * ( 30 + 40 )-0,7564 + 17,2878 * ( 30 + 70 )-0,8236 * [ -0,4700 – 0,8637 ln ln ( 100 / 100 – 1)] -> it,T = 28,4495 * ( 30 + 40 )-0,7564 + 17,2878 * ( 30 + 70 )-0,8236 * [ 3,503 ] -> it,T = 28,4495 * ( 30 + 40 )-0,7564 + 0,390 * [ 3,503 ] -> it,T = 28,4495 * ( 30 + 40 )-0,7564 + 1,366 -> it,T = 1,144 + 1,366 -> it,T = 2,51 mm/min Observem que a intensidade da chuva crítica de projeto é de 2,51 mm/min. Como o tempo de duração da chuva crítica dado pelo exercício é de 30 minutos, portanto o volume total desta chuva crítica será 75,3 mm! Exercício 13: Utilizando os mesmos dados do exercício acima (T = 100 anos e t = 30 minutos), estabeleça a intensidade e o volume de chuva crítica de projeto para os municípios de Bragança Paulista, Campos do Jordão e Piracicaba, conforme as equações de chuvas críticas citadas acima. Resolução: Conforme Martinez Jr & Magni (1999), as 3 equações de chuvas intensas são: - Bragança Paulista/SP – Altitude 860 m it,T = 33,7895 * ( t + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( t + 10 )-0,8442 * [ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( T / T – 1 )] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - Campos do Jordão/SP – Altitude 1.600 m it,T = 19,1535 * ( t + 15 )-0,7928 + 2,0341 * ( t + 5 )-0,6590 * [ -0,4778 – 0,9046 ln ln ( T / T – 1 )] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. - Piracicaba/SP – Altitude 500 m it,T = 47,8273 * ( t + 30 )-0,9110 + 19,2043 * ( t + 30 )-0,9256 * [ -0,4820 – 0,9273 ln ln ( T / T – 1)] Para t maior ou igual a 10 minutos e menor ou igual a 1.440 minutos. Substituindo os dados nas equações teremos: - Bragança Paulista/SP it,T = 1,86 mm/min e Pt,T = 55,9 mm - Campos do Jordão/SP it,T = 1,66 mm/min e Pt,T = 49,7 mm - Piracicaba/SP it,T =2,79 mm/min e Pt,T = 75,3 mm Observem as diferenças de valores obtidos para os diversos municípios! ESTUDO E CARACTERÍSTICAS DE BACIAS HIDROGRÁFICAS A maioria dos problemas práticos de Hidrologia tem como referência a bacia hidrográfica de um curso de água em uma seção determinada deste (quase sempre um ponto medidor de vazão). As características topográficas, geológicas, geomorfológicas, pedológicas e térmicas, bem como o tipo de cobertura da bacia, desempenham papel essencial no seu comportamento hidrológico, sendo importante medir numericamente algumas dessas influências. O objetivo deste capítulo é fixar a terminologia e expor os diversos métodos empregados para individualizar as principais características de uma bacia (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). É necessário frisar o importante papel desempenhado pelo tipo de cobertura e uso da bacia hidrográfica em estudo e sua referência na avaliação do comportamento hidrológico desta. A tendência cada vez mais acentuada de ocupação de todas as partes do globo pelo homem, para aproveitar os materiais disponíveis, faz com que o tipo de cobertura do terreno de uma bacia se modifique, em alguns casos substancialmente, alterando as características da bacia no tempo (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Índice de Conformação ou Fator de Forma (Kf) A relação entre a área de uma bacia hidrográfica e o quadrado de seu comprimento axial, medido ao longo do curso de água, da desembocadura ou seção de referência à cabeceira mais distante, constitui o índice de conformação ou fator de forma (Adaptado de GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Como calcular? Kf = A / L2, onde: Kf = Índice de Conformação ou Fator de Forma, adimensional (sem unidade de medida); A = Área da bacia hidrográfica, em km²; L = Comprimento da bacia, medida ao longo do curso da água principal, em km. O fator de forma é um indicador da tendência para enchentes/inundações em uma determinada bacia hidrográfica. Os valores do fator de forma variam de 0 a 1. - Fator de forma baixo: bacia menos sujeita a enchentes/inundações que outra de mesmo tamanho, porém com maior fator de forma; - Fator de forma alto: bacia mais sujeita a enchentes/inundações que outra de mesmo tamanho, porém com menor fator de forma. Isso se deve ao fato de que uma bacia hidrográfica estreita e longa, com fator de forma baixo, há menor possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo ao mesmo tempo, toda sua extensão, bem como a contribuição dos afluentes (tributários) atinge o rio principal em vários pontos ao longo do mesmo, afastando-se da condição ideal de bacia circular, em que a concentração de todo o escoamento superficial (deflúvio) da bacia hidrográfica se dá num só ponto. Coeficiente de Compacidade (Kc) É a relação do perímetro de uma bacia hidrográfica e a circunferência de círculo de área igual à da bacia (Adaptado de GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Como calcular? Kc = 0,28 * ( P / √ A ), onde: Kc = Coeficiente de Compacidade, adminesional; P = Perímetro da bacia hidrográfica, em km; A = Área da bacia hidrográfica, em km²; Observação: √ - Raiz Quadrada. O coeficiente de compacidade é um número que varia conforme a forma da bacia hidrográfica, independentemente do seu tamanho. - Bacia mais irregular: maior coeficiente de compacidade; - Bacia menos irregular: menor coeficiente de compacidade, ou seja, mais próximo ou igual a 1. Se outros fatores forem iguais, a tendência para picos maiores de enchentes/inundações é mais acentuada quanto mais próximo de 1 for o coeficiente de compacidade. Índice de Circularidade (Ic) Definido como a razão entre a área da bacia e a área do círculo de igual perímetro. Apresentando significado semelhante ao fator de forma e coeficiente de compacidade. À medida que o valor do índice de circularidade se aproxima de 1, a bacia hidrográfica tende à forma circular e, portanto é mais sujeita a enchentes/inundações. Como calcular? Ic = 12,57 * ( A / P2 ), onde: Ic = Índice de Circularidade, adimensional; A = Área da bacia hidrográfica, em km²; P = Perímetro da bacia hidrográfica, em km. Densidade de Drenagem (Dd) A relação entre o comprimento total dos cursos de água efêmeros, intermitentes e perenes de uma bacia hidrográfica e a área total da mesma bacia é denominada densidade de drenagem (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Como calcular? Dd = LT / A, onde: Dd = Densidade de Drenagem, em km/km²; LT = Comprimento total dos cursos d’água da bacia hidrográfica, em km; A = Área da bacia hidrográfica, em km². Se existir um número bastante grande de cursos de água numa bacia (relativamente a sua área), o deflúvio atinge rapidamente os rios. E haverá provavelmente picos de enchentes altos e deflúvios de estiagem baixos (GARCEZ & ALVAREZ, 1988). Segundo Villela & Mattos (1975), índices em torno de 0,5 km/km² indicaria uma drenagem pobre, índices maiores que 3,5 km/km² indicariam bacias excepcionalmente bem drenadas. Declividade (pura) do curso d’água A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais da bacia hidrográfica. Quanto maior a declividade, maior a velocidade do escoamento, bem mais pronunciados e estreitos serão os gráficos vazão x tempo de pico das enchentes, num dado hidrograma. A declividade também reflete o potencial erosivo e de aeração do curso d’água, além da capacidade dos cursos d’água da bacia de escoarem as enchentes/inundações. Como calcular? S = ∆h / L, onde: S = Declividade do canal, em m/m; ∆h = Desnível altimétrico do canal, ou seja, diferença entre as cotas topográficas da nascente e da desembocadura ou seção de controle, em m; L = Extensão do canal, em m. Hierarquia Fluvial (Lei de Horton) É uma classificação das ordens dos cursos d’água de uma bacia, que funciona como uma medida de sua ramificação. Portanto, um curso d’água de 1ª ordem é um tributário sem ramificações; um curso d’água de 2ª ordem é um tributário formado por dois ou mais cursos d’água de 1ª ordem, e assim por diante. Vejam a figura abaixo e as dicas no quadro seguinte: Figura 14 – Ordens dos cursos d’água de uma bacia, conforme a Lei de Horton Fonte: EQUIPE DE BIOLOGIA – CDCC/USP, 2011. Disponível em: <www.cdcc.usp.br/bio/mat_bacias.htm>. Acessado em: 30 Julho 2011. Dicas ao aluno Para ordenação dos canais de uma bacia, deve-se iniciar pelos cursos d’água que não apresentam ramificação. A estes canais será atribuído o número 1, ou seja, é um canal de 1ª ordem. Quanto maior o número de canais de 1ª ordem de uma bacia hidrográfica, maior o número de nascentes existentes naquela área, indicando, por exemplo, que é uma área de cabeceira – onde se formam os cursos d’água. Quando há a junção (encontro) de dois canais de 1ª ordem, forma-se um canal de 2ª ordem. Quando há junção de dois canais de 2ª ordem, forma-se um canal de 3ª ordem, e assim por diante. Quando há junção de um canal de 2ª ordem e um canal de 1ª ordem, o canal de 2ª ordem continua sendo da mesma ordem, não alterando a hierarquia fluvial. O canal de maior ordem da bacia constitui o rio principal. Tempo de Concentração (tc) Segundo Tomaz (2002), há duas definições básicas de tempo de concentração: Tempo de concentração: é o tempo em que leva para que toda a bacia considerada contribua para o escoamento superficial. Tempo de concentração: é o tempo que leva uma gota de água mais distante até o trecho considerado na bacia. Existe uma diversidade de fórmulas matemáticas e métodos para determinação do valor do tempo de concentração, uma informação muito importante para o estudo de bacias hidrográficas e execução de projetos. Mas, conforme McCuen (1993) apud Tomaz (2002), o verdadeiro valor do tempo de concentração nunca será encontrado. Neste curso abordaremos as seguintes metodologias empíricas para o cálculo do tempo de concentração: - Tempo de concentração para lagos ou reservatórios; - Fórmula de Kirpich; - Fórmula de Picking; - Fórmula Califórnia
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