Curso de Hidrologia (1)

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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).
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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.
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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 CalifórniaCulverts Practice (com declividade pura e declividade equivalente).
O importante é o entendimento que, geralmente, o tc será encontrado por uma média dos resultados de várias fórmulas empíricas ou por meio de uma análise de sensibilidade. Em caso de necessidade, consulte um técnico da área, a Prefeitura Municipal e/ou o órgão estadual de recursos hídricos para verificar a metodologia aplicada em sua região. As pesquisas e trabalhos técnicos/científicos, muitos deles disponíveis na internet, podem contribuir para a resolução do problema.
Tempo de concentração para lagos ou reservatórios
Conforme Tomaz (2002), a AASHTO Highway Drainage Guidelines trás sugestões para o cálculo de tempo de trânsito da água dentro de um reservatório ou lago. A equação é a seguinte:
Vw = ( g * Dm )0,5, onde:
- Vw = velocidade de propagação da onda através do lago (m/s) e que varia entre 2,5 m/s a 9,0 m/s (TOMAZ, 2002);
- g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s²;
- Dm = profundidade média do lago ou reservatório, em m.
Exercício 14: Determine o trânsito de água dentro de um reservatório com 5,00 metros de profundidade. Utilize a equação mostrada acima e g = 9,81 m/s².
Resolução: A equação dada é Vw = ( g * Dm )0,5
Substituindo os dados na equação temos:
-> Vw = ( 9,81 * 5,00 )0,5
-> Vw = ( 49,05 )0,5
-> Vw = 7,00 m/s (metros por segundo).
Fórmula de Kirpich
Outra fórmula muito usada é de Kirpich, feita em 1940. Kirpich possui duas fórmulas, uma que vale para o Estado da Pennsylvania e outra para o Tennessee, ambas dos Estados Unidos. Valem para pequenas bacias até 50 hectares (ha) ou seja 0,5 km² (1 a 112 acres) e para terrenos com declividade de 3 a 10% (TOMAZ, 2002). A equação de Kirpich, conforme Chin (2000) é:
Tennessee – tc = 0,019 * L0,77 / S0,385, onde:
tc = tempo de concentração, em minutos;
L = comprimento do talvegue, em metros;
S = declividade do talvegue, em m/m.
Segundo Porto (1993) apud Tomaz (2002), quando o valor de L for superior a 10.000 m a fórmula de Kirpich subestima o valor de tc. Segundo Chin (2000) apud Tomaz (2002), a equação de Kirpich é usualmente aplicada em pequenas bacias na área rural em áreas de drenagem inferior a 80 ha.
Fórmula de Picking (citada por SILVEIRA et al., 2007)
A Fórmula de Picking estabelece que:
tc = 5,3 * ( L2 / I )1/3, onde:
tc = tempo de concentração, em minutos;
L = comprimento do talvegue, em km;
I = declividade, em m/m.
Fórmula Califórnia Culverts Practice
A grande vantagem desta fórmula é a fácil obtenção dos dados, isto é, o comprimento do talvegue e a diferença de nível H (PORTO, 1993). Geralmente é aplicada em bacias rurais para áreas maiores que 1 km² (TOMAZ, 2002).
O DAEE (Departamento de Águas e Energia Elétrica), do Estado de São Paulo, recomenda a utilização desta fórmula.
tc = 57 * ( L³ / ∆h )0,385, onde:
- tc = tempo de concentração, em minutos;
- L = comprimento do talvegue do curso d’água, em km;
- ∆h = desnível altimétrico entre a seção e o ponto mais distante da bacia, em metros.
Segundo São Paulo (2005), essa equação simplificada pode ser usada quando não há dados topográficos que permitam um melhor detalhamento do perfil do talvegue. Havendo informações topográficas, com a definição de pontos intermediários entre a seção de estudo e o ponto mais distante, é possível conhecer melhor o perfil longitudinal do talvegue, com as diferentes declividades de cada trecho. Nesses casos, calcula-se tc utilizando-se a declividade equivalente (Ieq) na equação, resultando a expressão abaixo que fornece valores mais representativos para tc (min):
tc = 57 * ( L² / Ieq )0,385 e Ieq = ( L / ( L1 / √j1 + L2 / √j2 + ... + Ln / √jn )), onde:
- Ieq = declividade equivalente, em m/km;
- L = L1 + L2 + ... +Ln = comprimento total do talvegue, em km;
- jn = ∆hn / Ln, declividade de cada trecho n, em m/km.
Exercício 15: Calcule o tempo de concentração (tc) da bacia hidrográfica do rio Jacareí, a montante do bairro Beira-Rio, na área urbana do município de Joanópolis/SP (mapa abaixo), utilizando as diversas equações demonstradas neste capítulo. Os dados para o cálculo são os seguintes:
- Comprimento do talvegue (L) = 6.260 m ou 6,26 km;
- Cota topográfica do ponto mais distante da bacia = 1.300 m;
- Cota topográfica da seção de controle considerada = 878 m.
Figura 15 – Mapa da bacia hidrográfica do rio Jacareí, a montante do bairro Beira-Rio, município de Joanópolis/SP (Imagem: GOOGLE EARTH, 2007).
Resolução: Vamos resolver por equações, para não haver confusão na aplicação de dados com unidades diferentes.
- Kirpich - tc = 0,019 * L0,77 / S0,385
Primeiro passo: cálculo da declividade do talvegue, em m/m.
-> S = ( 1.300 – 878 ) / 6.260
-> S = ( 422 ) / 6.260
-> S = 0,0674 m/m
Segundo passo: substitua os dados na equação fornecida.
-> tc = 0,019 * 6.2600,77 / 0,06740,385
-> tc = 0,019 * 838,23 / 0,354
-> tc = 44,99 minutos.
- Picking - tc = 5,3 * ( L2 / I )1/3
Primeiro passo: cálculo da declividade do talvegue, em m/m.
-> Portanto, I = S
-> I = 0,0674 m/m
Segundo passo: substitua os dados na equação fornecida.
-> tc = 5,3 * ( 6,262 / 0,0674 )1/3
-> tc = 5,3 * ( 39,19 / 0,0674 )1/3
-> tc = 5,3 * ( 581,45 )1/3
-> tc = 5,3 * 8,347
-> tc = 44,24 minutos
- Califórnia Culverts Practice - tc = 57 * ( L³ / ∆h )0,385
Primeiro passo: cálculo da declividade do talvegue, em m/km;
-> ∆h = ( 1.300 – 878 ) 
-> ∆h = 422 
Segundo passo: substitua os dados na equação fornecida.
-> tc = 57 * ( 6,26³ / 422 )0,385 
-> tc = 57 * ( 245,31 / 422 )0,385 
-> tc = 57 * ( 0,581 )0,385 
-> tc = 57 * 0,811 
-> tc = 46,23 minutos. 
Observem a diferença nos valores obtidos pelas equações. Caso utilizemos a equação da Califórnia Culverts Practice, com a declividade equivalente, encontraremos um tempo de concentração de 124,84 minutos, bem maior que os resultados encontrados com a declividade pura. Isso acontece pelo fato da declividade equivalente utilizar um perfil longitudinal do curso d’água mais realista, com levantamento topográfico mais detalhado. O problema é que muitas vezes não é possível utilizar a metodologia da declividade equivalente, por falta de dados topográficos do curso d’água em estudo.
Exercício 16: Utilizando a bacia hidrográfica do rio Jacareí, citada no exercício anterior (Figura 15), determine as características da bacia, numericamente, conforme os índices, coeficientes e fórmulas apresentadas neste capítulo (fator de forma, coeficiente de compacidade, índice de circularidade, densidade de drenagem e declividade (pura) do curso d’água). Estabeleça também a hierarquia fluvial da bacia, conforme a Lei de Horton.
Os dados relativos à bacia hidrográfica do rio Jacareí necessários à execução do exercício são:
- Área da bacia (A): 15,52 km²;
- Comprimento da bacia, medida ao longo do curso d’água principal (L): 6,26 km;
- Perímetro da bacia (P): 16,03 km;
- Comprimento total dos cursos d’água da bacia (LT): 28,61 km;
- Desnível altimétrico do canal (∆h) -> ( 1.300 m – 878 m ) = 422 m.
Resolução: Para facilitar os cálculos, resolveremos o exercício por equação.
- Fator de Forma - Kf = A / L2
-> Kf = 15,52 / 6,26²
-> Kf = 0,40
- Coeficiente de Compacidade - Kc = 0,28 * ( P / √ A )
-> Kc = 0,28 * ( 16,03 / √15,52 )
-> Kc = 1,14
- Índice de Circularidade - Ic = 12,57 * ( A / P2 )
-> Ic = 12,57 * ( 15,52 / 16,03² )
-> Ic = 0,76
- Densidade de Drenagem - Dd = LT / A
-> Dd = 28,61 / 15,52
-> Dd = 1,84 km/km²
- Declividade (pura) do curso d’água - S = ∆h / L
Como L = 6,26 km e a unidade a ser utilizada no exercício é em m, temos que multiplicar por 1.000, para obter o valor de L em m.
-> S = 422 / 6.260
-> S = 0,0674 m/m
Muitas vezes a declividade pode ser representada em porcentagem, o que torna uma comparação mais fácil e compreensível. Para esta finalidade, apenas multiplicar o resultado por 100, veja:
-> S =0,0674 * 100 
-> S = 6,74% (declividade pura do rio Jacareí na área analisada)
Hierarquia Fluvial (Lei de Horton)
Figura 16 – Ordenação dos canais, conforme a Lei de Horton
(Imagem: GOOGLE EARTH, 2007).
A bacia hidrográfica em estudo (área em amarelo) apresenta:
- Canais de 1ª ordem: 15 canais;
- Canais de 2ª ordem: 10 canais;
- Canais de 3ª ordem: 3 canais.
Observe a grande quantidade de canais de 1ª ordem na bacia, relativamente a outros canais, o que indica que é uma bacia hidrográfica de cabeceira. Realmente a bacia hidrográfica do rio Jacareí está localizada na Serra da Mantiqueira, numa das cabeceiras do rio Jaguari, afluente formador do rio Piracicaba, afluente do rio Tietê, no Estado de São Paulo.
MODELOS DE TRANSFORMAÇÃO CHUVA-VAZÃO
Bacias hidrográficas pequenas, como as existentes em áreas urbanas, raramente têm dados observados de vazão e nível de água. Assim, a estimativa de vazões extremas nestas bacias não pode ser feita usando os métodos estatísticos tradicionais. Para contornar este problema, costuma-se utilizar métodos de estimativa de vazões máximas a partir das características locais das chuvas intensas (COLLISCHONN, 2009).
Os métodos para estimativa das vazões máximas a partir da chuva dependem do tamanho da bacia. Em bacias muito pequenas pode ser utilizado um método conhecido como método racional. O método racional permite estimar a vazão de pico, mas não gera informações completas sobre o hidrograma. Em bacias maiores normalmente são utilizados modelos de transformação chuva-vazão, que estão baseados em métodos de cálculo de chuva efetiva (COLLISCHONN, 2009).
Ainda segundo Collischonn (2009), os métodos de estimativa de vazões máximas a partir da chuva são especialmente importantes em bacias urbanas e em processo de urbanização. É possível utilizar estes métodos para fazer previsões sobre as vazões máximas em cenários alternativos de desenvolvimento, com diferentes graus de urbanização.
Neste curso estudaremos 3 métodos: Método Racional, Método I-PAI-WU e Método SCS.
Método Racional
O método racional é um método indireto e foi apresentado pela primeira vez em 1851 por Mulvaney e usado por Emil Kuichling em 1889 e estabelece uma relação entre a chuva e o escoamento superficial (deflúvio). É usado para calcular a vazão de pico de uma determinada bacia, considerando uma seção de estudo (TOMAZ, 2002).
Aplicável para bacias hidrográficas com área de até 2 km² ou 200 ha.
A intensidade da chuva é obtida a partir da curva IDF mais adequada ao local da bacia. Para obter a intensidade i é preciso definir a duração da chuva e o tempo de retorno. A duração da chuva é considerada igual ao tempo de concentração. Esta hipótese é adotada para que o cálculo represente uma situação em que a vazão máxima ocorre quando toda a bacia está contribuindo para o exutório (COLLISCHONN, 2009).
A fórmula do método racional é a seguinte:
Q = 0,1667 * C * i * A, onde:
- Q = vazão de pico, em m³/s;
- C = coeficiente de escoamento superficial (runoff), tabelado;
- i = intensidade da chuva, em mm/min;
- A = área de drenagem da bacia, em hectares (ha).
No caso da equação de chuva intensa fornecer o resultado (i) em mm/h, a fórmula pode ser descrita em:
Q = ( C * i * A ) / 360, onde:
- i = intensidade da chuva, em mm/h.
Transformação de unidades: 1 ha = 10.000 m² = 0,01 km²
Tabela 1 – Valores para o coeficiente C (Fonte: SÃO PAULO, 1994).
	Uso do solo ou grau de urbanização
	Valores de C
	
	Mínimo
	Máximo
	Área totalmente urbanizada
	0,50
	1,00
	Área parcialmente urbanizada
	0,35
	0,50
	Área predominantemente de plantações, pastos, etc.
	0,20
	0,35
Tabela 2 – Coeficiente de escoamento superficial (C) (Fonte: WILKEN, 1978).
	Superfície
	Coeficiente C
	Telhados
	0,70 a 0,95
	Pavimentos
	0,40 a 0,90
	Via macadamizadas
	0,25 a 0,60
	Vias e passeios apedregulhados
	0,15 a 0,30
	Quintais e lotes vazios
	0,10 a 0,30
	Parques, jardins, gramados dependendo da declividade
	0,00 a 0,25
Tabela 3 – Coeficiente de escoamento superficial por zonas 
(Fonte: WILKEN, 1978).
	Zonas
	Valor de C
	Edificação muito densa:
Partes centrais, densamente construídas de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas.
	0,70 a 0,95
	Edificação não muito densa:
Partes residenciais com baixa densidade de habitações, mas com ruas e calçadas pavimentadas.
	0,60 a 0,70
	Edificações com poucas superfícies livres:
Partes residenciais com construções cerradas, ruas pavimentadas.
	0,50 a 0,60
	Edificações com muitas superfícies livres:
Partes residenciais com ruas macadamizadas ou pavimentadas.
	0,25 a 0,50
	Subúrbios com alguma habitação:
Partes de arrabaldes e suburbanos com pequena densidade de construção.
	0,10 a 0,25
	Matas, parques e campos de esporte:
Partes rurais, áreas verdes, superfícies arborizadas, parques ajardinados, campos de esporte sem pavimentação.
	0,05 a 0,20
Observação: 
Segundo Tomaz (2002), os coeficientes fornecidos na Tabela 3 são os valores adotados pela Prefeitura Municipal de São Paulo.
Observação: 
O coeficiente C, de escoamento superficial, também é conhecido como coeficiente de runoff.
ATENÇÃO – IMPORTANTE!
Quando se aplicar o método racional, isto é, fazendo-se a síntese, não devemos nos esquecer da análise do como o mesmo é baseado. As hipóteses do método racional são as seguintes:
- toda a bacia contribui com o escoamento superficial e é por isso que o tempo de duração da tormenta deve ser igual ao tempo de concentração da bacia;
- a chuva é distribuída uniformemente sobre toda a área da bacia;
- todas as perdas estão incorporadas ao coeficiente de escoamento superficial.
Fonte: TOMAZ, 2002.
Exercício 17: A microbacia hidrográfica do córrego dos Nogueiras (Figura 17) está localizada inteiramente na área urbana do município de Joanópolis/SP, possuindo uma área de drenagem de 0,37 km² ou 37 ha. O tempo de concentração do curso d’água, calculado por meio da Fórmula Califórnia Culverts Practice com declividade equivalente, é de 16,37 min. Determine a vazão de pico no exutório (foz) do córrego no rio Jacareí, para um tempo de retorno (TR) de 10 anos.
O uso e ocupação do solo na microbacia é o seguinte:
- Floresta: 2 ha;
- Pasto: 11 ha;
- Uso residencial: 24 ha.
Figura 17 – Delimitação da microbacia do córrego dos Nogueiras
(Imagem: GOOGLE EARTH, 2007).
Resolução: Primeiramente vamos determinar o coeficiente de escoamento superficial (C) da microbacia em estudo. Há duas formas de determinar, a primeira mais simples e a segunda um pouco mais complicada.
A primeira metodologia consiste em utilizar a Tabela 1 e classificarmos a bacia como “Parcialmente urbanizada”. Neste caso, como a área urbanizada é maior que as áreas de floresta e pasto, utilizaremos o coeficiente C mais crítico, ou seja, C = 0,50.
A segunda metodologia consiste em uma média ponderada para se obter o coeficiente C. Neste caso utilizaremos a Tabela 3, com os valores dos coeficientes C mais críticos para os diversos usos do solo.
- Florestas e pastos: 13 ha
- Classificação na Tabela 3: Matas, parques e campos de esporte
- Valor de C: 0,20
- Uso residencial: 24 ha
- Classificação na Tabela 3: Edificação não muito densa
- Valor de C: 0,70
A média ponderada do valor de C ficará assim:
-> C = (( Área * C ) + ( Área * C )) / Área Total
Ou seja;
-> C = (( 13 * 0,20 ) + ( 24 * 0,70 )) / 37
-> C = ( 2,6 + 16,8 ) / 37
-> C = 19,4 / 37
-> C = 0,52
Na resolução do exercício utilizaremos os dois valores de C, para que possam perceber a diferença no resultado final.
O segundo passo é determinar a intensidade da chuva crítica para o tc = 16,37 min e para o TR = 10 anos, conforme a equação da localidade. Como não há equação de chuva intensa para o município de Joanópolis, teremos que utilizar a equação do município de BragançaPaulista (mais próxima da localidade).
-> it,T = 33,7895 * ( t + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( t + 10 )-0,8442 * [ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( T / T – 1 )]
-> it,T = 33,7895 * ( 16,37 + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( 16,37 + 10 )-0,8442 * [ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( 10 / 10 – 1 )]
-> it,T = 33,7895 * ( 16,37 + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( 16,37 + 10 )-0,8442 * [ 1,680 ]
-> it,T = 33,7895 * ( 16,37 + 30 )-0,8832 + 0,344 * [ 1,680 ]
-> it,T = 33,7895 * ( 16,37 + 30 )-0,8832 + 0,578
-> it,T = 1,141 + 0,578
-> it,T = 1,719 mm/min
Com todos os dados necessários para o cálculo pelo método racional, apenas aplicar na fórmula:
(Coeficiente C = 0,50)
-> Q = 0,1667 * C * i * A
-> Q = 0,1667 * 0,50 * 1,719 * 37
-> Q = 5,301 m³/s
(Coeficiente C = 0,52)
-> Q = 0,1667 * 0,52 * 1,719 * 37
-> Q = 5,513 m³/s
Observação: Uma diferença de 4% de um valor para outro!
Os valores obtidos representam as vazões de pico no exutório da microbacia, ou seja, na seção de estudo escolhida, para um período de retorno de 10 anos, conforme o coeficiente C adotado.
Método de I-PAI-WU
Para os engenheiros que gostam do método Racional, o método de I-PAI-WU é o método Racional que sofre algumas modificações, permitindo cálculos de bacias hidrográficas de 2 km² até 200 km² (TOMAZ, 2010).
Trata-se de um aprimoramento do método racional, permitindo sua aplicação em bacias maiores!
A equação básica do Método I-PAI-WU é a seguinte:
Q = ( 0,278 * C * i * A0,9 ) * K, onde:
- Q = vazão de pico proveniente do deflúvio, em m³/s;
- C = coeficiente de escoamento superficial, adimensional;
- i = intensidade da chuva crítica, em mm/h;
- A = área de drenagem da bacia hidrográfica, em km²;
- K = coeficiente de distribuição espacial da chuva, adimensional.
Observação Importante!
Segundo Tomaz (2010), para achar o coeficiente K precisamos de um ábaco especial feito pelo DAEE no Estado de São Paulo.
- Coeficiente C de escoamento superficial
Conforme Tomaz (2010), o coeficiente C é calculado pela seguinte equação:
C = ( C2 / C1 ) * ( 2 / ( 1 + F )), onde:
- C = coeficiente de escoamento superficial, adimensional;
- C1 = coeficiente de forma, adimensional;
- C2 = coeficiente volumétrico de escoamento, adimensional;
- F = fator de forma da bacia, adimensional.
- Coeficiente de forma C1
Conforme Kather (2006) apud Tomaz (2010), em bacias alongadas, o tempo de concentração é superior ao tempo de pico, pois a chuva que cai no ponto mais distante da bacia chegará tarde o suficiente para não contribuir para a vazão máxima. O coeficiente de forma C1 pode ser calculado pela Fórmula Sintética:
C1 = 4 / ( 2 + F ), onde:
- C1 = coeficiente de forma;
- F = fator de forma da bacia.
O Fator de Forma F é calculado pela seguinte equação, segundo Tomaz (2010):
F = L / [ 2 * ( A / π )0,5 ], onde:
- F = fator de forma, adimensional;
- A = área de drenagem da bacia, em km²;
- π = letra grega “pi”, com valor de aproximadamente 3,14 (infinito).
- Coeficiente volumétrico de escoamento C2
Este coeficiente varia em função da impermeabilização da bacia hidrográfica em estudo. Para determinar o C2 consultar as duas tabelas abaixo.
Tabela 4 – Grau de impermeabilidade do solo em função do uso 
(Fonte: SÃO PAULO, 1994).
	Grau de impermeabilidade do solo
	Coeficiente volumétrico de escoamento C2
	Baixo
	0,30
	Médio
	0,50
	Alto
	0,80
Tabela 5 – Coeficiente C2 (Fonte: MORANO, 2006).
	Tipo de Zona
	Coeficiente C2
	Zona Rural
	0,25
	Zona Suburbana
	0,40
	Zona Urbana
	0,60
	Zona Urbana Central
	0,80
- Ábaco para determinar o coeficiente de distribuição espacial da chuva K
Figura 18 – Ábaco para determinação do coeficiente K (Fonte: TOMAZ, 2010).
- Instruções finais
Encontrado o resultado de Q, ou seja, a vazão de pico, a este valor deve ser somada a vazão de base Qb. Segundo Tomaz (2010), se não tiver informação do valor de Qb, adotar a seguinte equação:
Qb = 0,1 * Q
Assim obteremos o resultado final, ou seja, a vazão de pico:
Qpico = Qb + Q, ou 
Qpico = ( 0,1 * Q ) + Q
Exercício 18: O Bairro Beira-Rio, localizado na área urbana do município de Joanópolis/SP, está inserido na bacia hidrográfica do rio Jacareí, nas margens do curso d’água principal (Figura 15). Anualmente, o local é afetado por inundações e cheias, causando grandes transtornos à população residente na área. Num projeto de controle de cheias, o método aplicado para transformação de chuva-vazão foi o Método I-PAI-WU. Determine a vazão de pico para um período de retorno de 2 anos, utilizando os seguintes dados (já fornecidos e/ou calculados pelos exercícios anteriores):
- tc (tempo de concentração) = 124,84 min ou 2,08 h;
- A (Área) = 15,52 km²;
- P (Perímetro) = 16,03 km;
- L (comprimento do talvegue) = 6,26 km;
- TR (tempo de retorno) = 2 anos.
Resolução: Primeiramente vamos calcular a intensidade da chuva crítica (i) para o local de estudo, conforme a equação de chuva intensa para o município de Bragança Paulista/SP.
-> it,T = 33,7895 * ( t + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( t + 10 )-0,8442 * [ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( T / T – 1 )]
-> it,T = 33,7895 * ( 124,84 + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( 124,84 + 10 )-0,8442 * 
[ -0,4885 – 0,9635 ln ln ( 2 / 2 – 1 )]
-> it,T = 33,7895 * ( 124,84 + 30 )-0,8832 + 5,4415 * ( 124,84 + 10 )-0,8442 * 
[ -0,135 ]
-> it,T = 33,7895 * ( 124,84 + 30 )-0,8832 + 0,087 * [ -0,135 ]
-> it,T = 33,7895 * ( 124,84 + 30 )-0,8832 - 0,012
-> it,T = 0,393 – 0,012
-> it,T = 0,381 mm/min
Como a unidade da intensidade da chuva do Método I-PAI-WU é mm/h, temos que multiplicar o resultado obtido pela equação por 60, ou seja:
-> it,T = 0,381 * 60
-> it,T = 22,86 mm/h
O segundo passo é o cálculo dos coeficientes de escoamentos (C, C1 e C2).
-> F = L / [ 2 * ( A / π )0,5 ]
-> F = 6,26 / [ 2 * ( 15,52 / π )0,5 ]
-> F = 6,26 / [ 2 * ( 4,94 )0,5 ]
-> F = 6,26 / [ 2 * 2,22 ]
-> F = 6,26 / [ 4,44 ]
-> F = 1,41
-> C1 = 4 / ( 2 + F ) 
-> C1 = 4 / ( 2 + 1,41 )
-> C1 = 1,17
-> C2 - Tabela: vamos admitir um grau de impermeabilidade do solo médio, ou seja, C2 = 0,50.
-> C = ( C2 / C1 ) * ( 2 / ( 1 + F ))
-> C = ( 0,50 / 1,17 ) * ( 2 / ( 1 + 1,41 ))
-> C = ( 0,43 ) * ( 2 / ( 2,41 ))
-> C = ( 0,43 ) * ( 0,83 )
-> C = 0,36
O terceiro passo é a utilização do ábaco para determinar o coeficiente K. Neste caso, vamos admitir o valor de 95%, ou seja, K = 0,95.
O quarto passo é a aplicação da Fórmula de I-PAI-WU:
-> Q = ( 0,278 * C * i * A0,9 ) * K
-> Q = ( 0,278 * 0,36 * 22,86 * 15,520,9 ) * 0,95
-> Q = ( 26,99 ) * 0,95
-> Q = 25,64 m³/s
Finalmente devemos calcular a vazão de base (Qb) e a Qpico:
-> Qb = 0,1 * Q
-> Qb = 0,1 * 25,64
-> Qb = 2,56 m³/s
-> Qpico = Q + Qb
-> Qpico = 25,64 + 2,56
-> Qpico = 28,20 m³/s
Portanto, a vazão de pico na seção de controle (rio Jacareí no Bairro Beira-Rio), para um período de retorno de 2 anos, pelo Método I-PAI-WU, é de 28,20 m³/s ou mil litros por segundo.
Método SCS
Conforme Collischonn (2009), um dos métodos mais simples e mais utilizados para estimar o volume de escoamento superficial resultante de um evento de chuva é o método desenvolvido pelo National Resources Conservation Center dos EUA (antigo Soil Conservation Service – SCS). Aplicável para bacias com áreas até 280 km² (TOMAZ, 2002).
Este método é apresentado na literatura como método do número da curva, exigindo o conhecimento prévio da precipitação e do complexo hidrológico solo-vegetação (ROJAS, 1984). O método do número da curva foi desenvolvido com base em estudos empíricos realizados em diversas regiões dos Estados Unidos, considerando diferentes condições e tipos de cobertura do solo (RALLISON, 1980).
Segundo Tomaz (2002), há três maneiras para se achar o número da curva de runoff CN do SCS, também chamado coeficiente de escoamento superficial ou número de deflúvio CN:
- Características do solo;- Pesquisas feitas no país, nos estados ou em regiões ou cidades;
- Capacidade mínima de infiltração no solo.
Existe uma adaptação do método para os solos do Estado de São Paulo (PORTO & SETZER, 1979), suficientemente abrangente para ser aplicada a solos de outros Estados. Estas informações podem ser encontradas no Capítulo – Infiltração, onde constam os 4 Grupos de Solo (A, B, C e D) e o grau de umidade antecedente do solo.
- Tabelas do número CN da curva runoff e condição de umidade do solo
Segundo McCuen (1998), o número da curva de runoff, ou seja, do escoamento superficial, CN, também é um índice que representa a combinação empírica de três fatores: grupo do solo, cobertura do solo e condições de umidade antecedente do solo. A tabela abaixo fornece os valores de CN em função da cobertura e do tipo de solo, lembrando que estes são valores para Condição II de umidade, caso a condição de umidade seja diferente, o valor final deverá ser corrigido conforme tabela própria.
Figura 19 – Valores de CN em função da cobertura e do tipo de solo (Condição II de Umidade) (Fonte: FCTH, 2003).
Figura 20 – Conversão das Curvas CN para as diferentes condições de umidade do solo (Fonte: FCTH, 2003).
Dica ao aluno
Para aplicação do cálculo do CN, a bacia hidrográfica em estudo deverá ter sua área dividida pelos Grupos de Solo existentes e estes pelo uso e ocupação. Ao final, o CN médio será obtido por uma média ponderada. Vamos juntos praticar esta parte, por meio de um exercício aplicado.
Exercício 19: Uma microbacia hidrográfica possui uma área de drenagem de 1 km². A cabeceira da microbacia (área de 0,4 km²) possui um solo do Grupo C e o restante da área (0,6 km²) possui um solo do Grupo B. O uso e ocupação da área é o seguinte:
Solo do Grupo B (0,6 km²)
- 0,2 km² - Uso Residencial, lote até 500 m² (CN = 85)
- 0,4 km² - Florestas em condições boas (CN = 80)
Solo do Grupo C (0,4 km²)
- 0,2 km² – Florestas em condições médias (CN = 70)
- 0,2 km² - Pasto sem curva de nível, em condições ruins (CN = 86)
Determine o CN médio desta microbacia e corrija para a Condição de Umidade III.
Resolução: A média ponderada será calculada pela fórmula matemática:
-> CNmédio = (( A * CN ) + ( A * CN )) / Atotal, ou seja
-> CNmédio = (( 0,2 * 85 ) + ( 0,4 * 60 ) + ( 0,2 * 70 ) + ( 0,2 * 86 )) / 1
-> CNmédio = (( 17 ) + ( 24 ) + ( 14 ) + ( 17,2 )) / 1
-> CNmédio = ( 72,2 ) / 1
-> CNmédio = 72,2 (adimensional)
Encontrado o valor do CNmédio para a Condição de Umidade II, vamos utilizar a tabela contida na Figura 20, para correção para a Condição de Umidade III (mais crítica). O valor encontrado do CNmédio, corrigido, é um valor entre 87 e 91, adotando CNmédio = 89.
- Roteiro de Cálculo do Método SCS
A equação proposta pelo Método SCS é:
PE = ( P – ( 0,2 * S ))² / ( P + ( 0,8 * S )), válido quando P maior que (0,2 * S), onde:
- PE = precipitação efetiva ou chuva excedente, em mm;
- P = precipitação, em mm;
- S = retenção potencial do solo, em mm.
A retenção potencial do solo, S, é calculada pela equação: 
S = ( 25400 / CN ) – 254
Calculada a precipitação efetiva ou chuva excedente, vamos partir para a 3ª parte da aplicação do método, que consiste nos cálculos para determinação do Hidrograma Unitário Sintético Triangular do SCS.
Segundo Collischonn (2009), o hidrograma unitário pode ser aproximado por um triângulo, definido pela vazão de pico, pelo tempo de pico e pelo tempo de base. Siga o roteiro abaixo.
- Tempo de pico do hidrograma (tp)
Pode ser estimado como 60% do tempo de concentração (COLLISCHONN, 2009), ou seja:
tp = 0,6 * tc, onde:
- tp = tempo de pico, em horas;
- tc = tempo de concentração, em horas.
- Tempo de subida do hidrograma (Tp)
Pode ser estimado como o tempo de pico, tp, mais a metade da duração da chuva tr (COLLISCHONN, 2009). A equação é a seguinte:
Tp = tp + ( tr / 2 ), onde:
- Tp = tempo de subida do hidrograma, em horas;
- tr = duração da chuva, em horas.
- Tempo de base do hidrograma (tb)
Calculado pela equação:
tb = Tp + ( 1,67 * Tp ), onde:
- tb = tempo de base, em horas.
- Vazão de pico (Qp)
A vazão de pico será estimada pela equação:
Qp = (( 0,208 * A ) / Tp ) * PE, onde:
- Qp = vazão de pico, em m³/s;
- A = área de drenagem da bacia hidrográfica, em km²;
- Tp = tempo de subida do hidrograma, em horas;
- PE = precipitação efetiva ou chuva excedente, em mm.
Dica ao aluno
Parece ser complicada a aplicação deste método, mas partir de sua primeira aplicação e utilizando planilhas eletrônicas, o trabalho fica bastante facilitado e simples!
Exercício 20: O Bairro Beira-Rio, localizado na área urbana do município de Joanópolis/SP, está inserido na bacia hidrográfica do rio Jacareí, nas margens do curso d’água principal (Figura 15). Anualmente, o local é afetado por inundações e cheias, causando grandes transtornos à população residente na área. Num projeto de controle de cheias, o método aplicado para transformação de chuva-vazão foi o Método SCS e a duração da chuva crítica foi considerada igual ao tempo de concentração da bacia. Determine a vazão de pico para um período de retorno de 2 anos, utilizando os seguintes dados (já fornecidos e/ou calculados pelos exercícios anteriores):
- tc (tempo de concentração) = 124,84 min ou 2,08 h;
- A (Área) = 15,52 km²;
- TR (tempo de retorno) = 2 anos;
- it,T (chuva intensa para o tc de 124,84 min e TR de 2 anos) = 0,381 mm/min.
Resolução: 
1º Passo: Mapeada a bacia hidrográfica e determinado o CNmédio, bem como o valor corrigido para outras condições de umidade (I e III), foram encontrados os seguintes valores do CN:
	Condição (últimos 5 dias)
	I – chuva acumulada menor que 15 mm
	II – chuva acumulada entre 15 e 40 mm
	III – chuva acumulada maior que 40 mm
	
	CN = 69,48
	CN = 85,26
	CN = 96,13
 Observação: Na execução do cálculo para um projeto de controle de cheias, vamos considerar a condição mais crítica de umidade antecedente do solo, ou seja, o maior valor do CN. Neste caso: CN = 96,13.
2º Passo: Cálculo da precipitação efetiva e da retenção potencial do solo.
-> S = ( 25400 / CN ) – 254
-> S = ( 25400 / 96,13 ) – 254
-> S = ( 264,23 ) – 254
-> S = 10,23 mm
Como a duração da chuva crítica foi considerada igual ao tempo de concentração da bacia, tc, devemos calcular:
-> P = it,T * tc
-> P = 0,381 * 124,84
-> P = 47,56 mm
Cálculo da precipitação efetiva (Observação: notem que o valor de P é maior do que ( 0,2 * S )):
-> PE = ( P – ( 0,2 * S ))² / ( P + ( 0,8 * S ))
-> PE = ( 47,56 – ( 0,2 * 10,23 ))² / ( 47,56 + ( 0,8 * 10,23 ))
-> PE = ( 47,56 – ( 2,046 ))² / ( 47,56 + ( 8,184 ))
-> PE = ( 45,514 )² / ( 55,744 )
-> PE = 2071,524 / 55,744
-> PE = 37,16 mm
3º Passo: Aplicação da metodologia de cálculo para a construção do hidrograma e obtenção da vazão de pico (Qp) estimada.
Tempo de pico do hidrograma (tp): 
-> tp = 0,6 * tc
-> tp = 0,6 * 2,08
-> tp = 1,25 h
Tempo de subida do hidrograma (Tp):
Observação: lembre-se que o enunciado do exercício traz que a duração da chuva crítica é igual ao tc da bacia, ou seja, 2,08 h.
-> Tp = tp + ( tr / 2 )
-> Tp = 1,25 + ( 2,08 / 2 )
-> Tp = 1,25 + ( 1,04 )
-> Tp = 2,29 h
Tempo de base do hidrograma (tb):
-> tb = Tp + ( 1,67 * Tp )
-> tb = 2,29 + ( 1,67 * 2,29 )
-> tb = 2,29 + ( 3,82 )
-> tb = 6,11 h
Vazão de pico (Qp):
-> Qp = (( 0,208 * A ) / Tp ) * PE
-> Qp = (( 0,208 * 15,52 ) / 2,29 ) * 37,16
-> Qp = (( 3,228 ) / 2,29 ) * 37,16
-> Qp = ( 1,41 ) * 37,16
-> Qp = 52,40 m³/s
A vazão de pico na seção de controle (rio Jacareí no Bairro Beira-Rio), para um período de retorno de 2 anos, pelo Método SCS, e para uma chuva crítica de duração igual ao tc da bacia (2,08 h), é de 52,40 m³/s ou mil litros por segundo. 
EDUCAÇÃO AMBIENTAL E PARTICIPAÇÃO DA COMUNIDADE NO CONTEXTO DA HIDROLOGIA
Conforme a LeiFederal nº 9.795/99, entende-se por educação ambiental os processos por meio dos quais o indivíduo e a coletividade constroem valores sociais, conhecimentos, habilidades, atitudes e competências voltadas para a conservação do meio ambiente, bem de uso comum do povo, essencial à sadia qualidade de vida e sua sustentabilidade.
Ainda segundo esta norma, a educação ambiental é um componente essencial e permanente da educação nacional, devendo estar presente, de forma articulada, em todos os níveis e modalidades do processo educativo, em caráter formal e não-formal.
Educação ambiental formal: desenvolvida no âmbito dos currículos das instituições de ensino públicas e privadas (nas escolas).
Educação ambiental não-formal: as ações e práticas voltadas à sensibilização da coletividade sobre as questões ambientais e à sua organização e participação na defesa da qualidade do meio ambiente.
Fonte: Lei Federal nº 9.795/99 – Política Nacional de Educação Ambiental (PNEA).
Cotidianamente, pesquisadores e técnicos desenvolvem novos conceitos e possíveis mecanismos na busca do desenvolvimento sustentável, informações que na maioria das vezes não chega à população. Um projeto de educação ambiental irá funcionar como uma “ponte” entre a pesquisa e a população. Para alcançar os objetivos propostos, em todo o tempo o trabalho deve buscar o envolvimento da comunidade nas ações, de forma contínua, livre, democrática e dinâmica.
Como visto nos capítulos anteriores deste curso, a hidrologia engloba uma gama de assuntos e temas de relativa importância à sociedade, pois por meio dos estudos e projetos desenvolvidos no âmbito da hidrologia, torna-se possível o desenvolvimento econômico, o crescimento social, a melhoria da qualidade de vida e a sustentabilidade ambiental.
Desde projetos pequenos como uma galeria de água pluvial até grandes ações de controle de inundações, a hidrologia é a base para boa parte da elaboração dos projetos, execução e acompanhamento.
Numa região, num município ou na comunidade, torna-se necessário um amplo trabalho de informação, conscientização e educação ambiental, de cunho prático e técnico, integrando o público-alvo num conceito tão diversificado e importante.
Diversas são as metodologias de trabalho da educação ambiental no contexto da hidrologia. Deve-se ressaltar que não existe uma “fórmula mágica” ou uma “receita de bolo” para este tipo de ação, mas sim um escopo básico de “perguntas” para montagem do projeto e de orientação do trabalho prático.
Abaixo apresentamos algumas práticas comuns, que podem ser desenvolvidas em escolas, empresas, na comunidade, com produtores rurais, etc. Estes projetos “devem” variar de local para local, pois cada região tem sua particularidade, além da criatividade do responsável e dos envolvidos no trabalho. Sempre que possível o público-alvo deve ser envolvido e chamado para montagem do trabalho, afinal de contas eles serão os participantes diretos.
Hidrologia “teórica e prática” na escola, na empresa ou na comunidade
Este trabalho envolve um ramo mais básico e generalista, pois a Hidrologia será abordada desde os conceitos mais básicos do ciclo hidrológico até as atividades práticas dentro de um ambiente fechado ou em campo. 
O projeto deve ser adaptado conforme o local e o público-alvo (alunos, funcionários ou comunidade) e deve, sempre que possível, prever visitas técnicas e atividades em campo, para que os conceitos aprendidos em sala de aula possam ser vistos e aplicados no campo.
Hidrologia voltada a produtores rurais
Este ramo de trabalho deve ser mais específico, podendo abordar a educação ambiental em sala de forma mais simples, com a maior parte do trabalho de abordagem em campo, com ações pilotos e conjuntas. Portanto, o trabalho deve ser mais prático do que teórico.
Abordagens bastantes interessantes são: recuperação e importância das áreas de preservação permanente (APPs) para os recursos hídricos; a análise da qualidade da água das fontes de abastecimento rural (podendo utilizar equipamentos ou kits); a identificação e preservação de nascentes e olhos d’água; as práticas de manejo e conservação do solo, voltadas aos recursos hídricos; entre outros.
 
Hidrologia direcionada a moradores de áreas de risco de enchente/inundação
Este ramo envolve os moradores de áreas de risco hidrológico (enchente/inundação/alagamento/enxurrada) e deve abordar a problemática no contexto da bacia hidrográfica e do meio social. Além de desenvolver as causas dos problemas com o público-alvo, o trabalho deve abordar as possíveis soluções, como agir em situações de eventos extremos e a execução de ações práticas, visando minimizar a vulnerabilidade da população frente aos desastres naturais. Segundo Tucci & Bertoni (2003) é ingenuidade do homem imaginar que poderá controlar totalmente as inundações; as medidas sempre visam minimizar suas consequências.
Há certas situações em que são necessárias obras para controle de cheias, as chamadas ações estruturais. Aliado à ação estrutural devem ser realizadas ações não-estruturais, que buscam desenvolver a convivência com o risco e a prevenção como fatores de diminuição da vulnerabilidade humana. Muitas vezes apenas as ações não-estruturais são suficientes para o enfrentamento da questão.
Medidas estruturais: atuam sobre os efeitos, consistem em obras e serviços – medidas custosas.
Medidas não-estruturais: atuam sobre as causas, consistem em ações permanentes e preventivas – medidas menos custosas.
As ações devem desenvolver diversos trabalhos práticos em campo. O ideal é que o tempo da atividade prática seja superior à teórica.
Mutirões ambientais no contexto da Hidrologia
Os mutirões ambientais são ações pontuais de envolvimento da população numa ação prática, com o objetivo de sensibilizar e despertar a consciência ambiental no público envolvido. Apesar de ser uma ação pontual, o resultado é muito satisfatório. Podem ser ações simples, como:
- Limpeza de represas, rios e córregos, com recolhimento de resíduos sólidos (lixo) e ação de educação ambiental;
- Limpeza de galerias de águas pluviais, com retirada de terra, areia e resíduos sólidos, e ação de educação ambiental;
- Distribuição de cartilha de educação ambiental hidrológica e trabalho de “boca-a-boca” junto à comunidade de uma determinada área, visando a conservação e recuperação dos recursos hídricos.
Roteiro prático e dicas para a montagem do projeto
Para que possa ser elaborado um bom projeto de educação ambiental hidrológica, em sua montagem devem ser respondidas seis questões:
- Quem? (identifica a instituição, a pessoa ou a comunidade responsável pelo projeto)
- O quê? (define os objetivos e ações do projeto)
- Por quê? (justificativa do trabalho, demonstração dos problemas e inclusão do projeto dentro de um contexto social)
- Como? (metodologia de trabalho que será adotada)
- Quando? (define o tempo de duração do projeto – começo, meio e fim)
- Onde? (espaço geográfico onde será desenvolvido o projeto – escola, município, região, etc.)
- Quanto? (recursos necessários para a execução do projeto, busca estimar os custos financeiros, o pessoal e o material necessário) 
Algumas dicas são sempre valiosas quando vamos iniciar um trabalho. Para os projetos de educação ambiental hidrológica, a experiência demonstra algumas coisas.
- O projeto deve ser dinâmico, contínuo e sistemático. Deve-se olhar de forma abrangente; respeitar a dinâmica cultural, social, econômica e ambiental da comunidade. Isso quer dizer que hoje o projeto pode ter um foco principal, mas amanhã o foco principal pode e deve mudar, acompanhando os acontecimentos locais, bem como durante o ano o projeto deve eleger prioridades de abordagem para determinado período.
- A comunicação social deve ser parte integrante do escopo e execução do projeto. As formas de disseminação dos trabalhos desenvolvidos, resultados obtidos, materiais produzidos e dos conceitos hidrológicos podemser bastante diferentes. Alguns vão preferir blogs, outros e-mails, sites, rádios, redes de televisão, cartazes, publicações, participações em congressos, etc. O ideal é que a comunicação social do trabalho seja realizada por mais de um destes meios, integrando um ciclo de contatos. O resultado será muito satisfatório. Lembre-se: “Divulgar é preciso!”
PAGAMENTO POR SERVIÇOS AMBIENTAIS
O pagamento por serviços ambientais (PSA) tem surgido como um dos programas alternativos em diversas regiões brasileiras, conciliando a preservação ambiental com o desenvolvimento econômico e social, seja pela retribuição financeira aos produtores rurais, bem como pelo aumento da produtividade agrícola.
Os produtores rurais brasileiros, apesar de serem ambientalmente conscientes, têm pequena disposição em investir em manejos e práticas conservacionistas em função do baixo nível de renda da atividade e da falta de políticas públicas ajustadas que permitam compensar os produtores rurais provedores de externalidades positivas (BRASIL, 2009).
PSA são transferências financeiras de beneficiários de serviços ambientais para os que, por causa de práticas que conservam a natureza, fornecem esses serviços. Os PSA podem promover a conservação por meio de incentivos financeiros para os fornecedores de serviços ambientais (BRASIL, 2009).
Devido à insurgência de importantes projetos de PSA, sejam trabalhos pilotos ou mesmo políticas públicas municipais, há a necessidade de trabalhar os conceitos e tópicos do programa com produtores rurais, com a comunidade acadêmica, pesquisa, extensão e a sociedade em geral, principalmente os jovens.
Os programas de PSA buscam o desenvolvimento e aplicação de projetos regionais que incentivem a compensação financeira aos produtores que contribuem para a proteção e recuperação dos cursos d’água, mananciais de abastecimento público. Estes projetos devem primeiro trabalhar a percepção ambiental dos produtores, demonstrando que o adequado manejo do solo e a recuperação da vegetação nativa geram benefícios externos e internos à propriedade agrícola, com o assunto sendo tratado de maneira sistêmica e holística. 
Estas práticas conservacionistas também abrem uma gama de possibilidades ao proprietário e à comunidade rural, como o turismo ambiental, o turismo rural, a produção orgânica e de plantas medicinais, bem como o estreitamento entre a pesquisa e extensão rural com o proprietário.
O trabalho de extensão dos conceitos do programa e suas possibilidades é extremamente necessário para adaptar o público-alvo do projeto a uma nova realidade, onde o meio ambiente deixe de ser visto como uma área isolada e intocável, mas sim como um fornecedor de serviços ecossistêmicos e com possibilidade de exploração sustentável.
Para entendermos o funcionamento do programa e seus benefícios, primeiro é necessário entender o conceito de serviços ambientais e ecossistêmicos. Os serviços ambientais são àqueles oferecidos pelo ecossistema, sendo essenciais aos seres humanos. Dentro do ecossistema, as florestas têm uma função e participação fundamental, gerando diversos serviços ambientais, como a conservação e tratamento natural dos recursos hídricos, a preservação e conservação da biodiversidade, a proteção do solo contra a erosão (nas áreas de mata este processo é quase nulo), o sequestro de carbono na fase de crescimento das plantas e a regulação do clima local. 
Os sistemas de Pagamentos por Serviços Ambientais (PSA) ou Ecossistêmicos (PSE) têm princípio básico no reconhecimento de que o meio ambiente fornece gratuitamente uma gama de bens e serviços que são de interesse direto ou indireto do ser humano, permitindo sua sobrevivência e seu bem-estar (GELUDA & YOUNG, 2005).
A tarefa de conservação de água e solo nas bacias hidrográficas é uma atividade que depende grandemente da participação dos proprietários rurais. Como nem sempre há uma percepção de que os ganhos com esta prática extrapolam as fronteiras das propriedades gerando externalidades positivas (benefícios sociais), ela acaba por não ser realizada; de um lado, porque os pequenos e médios produtores rurais não têm, na maioria das vezes, renda suficiente para suportá-la sozinho e, de outro, porque, pela falta de percepção dos beneficiários, não existe disposição de pagar pelos benefícios pelos quais se apropriam (BRASIL, 2009).
Desta necessidade de preservação, conservação e incremento das áreas de vegetação nativa, além do adequado manejo do solo, surgiu os programas de pagamentos por serviços ambientais, criando mecanismos de incentivo para os produtores rurais.
Os serviços ambientais são como uma corda, onde numa ponta encontramos os recebedores dos serviços ambientais – que realizam o pagamento, do outro lado os provedores de serviços – que recebem a retribuição financeira, e no meio da corda os interlocutores – como um órgão governamental, comitê de bacias ou instituição do terceiro setor. Avaliando desta forma há a possibilidade de analisarmos o programa das três vertentes – recebedor, provedor e interlocutor.
Ademais, o modelo provedor-recebedor (baseado em incentivos) é reconhecidamente mais eficiente e eficaz no controle da erosão e da poluição difusa do que o tradicional usuário-pagador (BRASIL, 2009).
O princípio do usuário-pagador estabelece àquele que utiliza o recurso ambiental/natural deve suportar seus custos, no entanto, sem imposição da cobrança de taxas abusivas. Este princípio isenta o Poder Público ou a sociedade de suportar estes custos, passando para àqueles que se beneficiaram dos recursos ambientais/naturais.
No caso do provedor-recebedor, podemos entender como um princípio econômico no qual os custos de oportunidade e de manutenção dos serviços ambientais são percebidos, valorizados e valorados por beneficiários e usuários, dispondo-se a pagar incentivos para promover um fluxo contínuo dos serviços.
É uma evolução na atuação dos programas e projetos ambientais, que apresenta a tendência de ser um modelo de trabalho efetivo e permanente, devido à urgência do enfrentamento dos problemas ambientais da atualidade, como a escassez de água de qualidade e a erosão acelerada do solo, além da possibilidade de enquadramento como Mecanismos de Desenvolvimento Limpo (MDL) e no mercado de Créditos de Carbono.
Esta evolução tende a ser mais acentuada ainda, devido à descentralização da gestão ambiental em alguns estados e a forte atuação do terceiro setor, com trabalhos ambientais bastante relevantes. 
Impactos ambientais no meio rural
Quanto aos impactos ambientais no meio rural, devemos esclarecer que as discussões em torno da reformulação do Código Florestal (Lei Federal n° 4.771/65 e alterações posteriores), do meio rural e sua importância ambiental e da responsabilidade dos produtores, trazem à tona a divisão entre “ambientalistas” e “ruralistas”. Esta divisão não incrementa nada de produtivo para o país, impondo apenas mais barreiras entre o urbano e o rural.
Compreendendo a propriedade rural no contexto da bacia hidrográfica, 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.
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 exportadospara a população urbana através do abastecimento público de água, pela influência nas inundações 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.
Proveniente dos processos de erosão e sedimentação, a poluição difusa representa um dos principais impactos ambientais aos cursos d’água, pois a mesma é de difícil controle e relacionada ao uso e ocupação do solo. O manejo inadequado ou a lotação do solo acima de sua capacidade ocasionam a erosão acelerada, processo em que as partículas do solo são desagregadas pelas gotas de chuva e carreadas pelo escoamento superficial, encontrando-se, muitas vezes, impregnadas de agrotóxicos, ocasionando a contaminação das águas superficiais.
Dentre as fontes de poluição difusa, estão relacionados os processos de produção de sedimentos nas vertentes, pois os processos erosivos não incluem apenas o transporte de partículas de sedimentos, mas também transportam nutrientes e poluentes (PEREIRA, 2007). Associado às questões relacionadas à qualidade e disponibilidade de água, a degradação dos sistemas hídricos pode diminuir o tempo de vida útil dos reservatórios de abastecimento de água para consumo ou para produção de energia elétrica, acarretando em prejuízos para a sociedade (PEREIRA, 2007). 
O escoamento superficial também lava a superfície dos terrenos, carregando fertilizantes, sementes, lixo e resíduos. Estas águas ao alcançarem os cursos d’água da bacia, tendem a aumentar a quantidade de nutrientes no ambiente aquático, intensificando o processo de eutrofização, que é o enriquecimento destes ambientes por nutrientes, aumentando a produtividade primária e ocasionando seu envelhecimento.
O tratamento adequado do esgoto doméstico nas áreas rurais também é uma forma de controlar a poluição, pois a sua disposição nas tradicionais fossas negras tendem a contaminar as águas subterrâneas primeiramente, atingindo os cursos d’água secundariamente pelo escoamento de base, além da possibilidade de contaminação por microrganismos patogênicos da água de poços freáticos (rasos) utilizados na propriedade.
A ação humana (antrópica), portanto, pode acarretar o aceleramento de alguns destes processos erosivos, sejam relativos à encosta ou ao sistema fluvial (PEREIRA, 2007). A retirada da cobertura vegetal, a remoção do solo para o plantio e a construção de estradas são algumas das intervenções efetivas em relação ao aumento da produção de sedimentos (PEREIRA, 2007).
Soluções e práticas dentro dos programas de PSA
Conhecendo a gama dos problemas socioambientais da bacia hidrográfica local, realizado por um diagnóstico ambiental e pela execução de projetos anteriores, como educação ambiental, saneamento rural, recuperação de áreas de preservação permanente (APPs) e assistência técnica, o programa entra com as soluções e práticas adequadas, sendo que sua adoção é opcional e voluntária pelos proprietários e adaptadas a cada propriedade agrícola. Para a aplicação do projeto é necessário um número mínimo de produtores interessados e que a bacia seja um manancial de abastecimento público ou industrial.
As práticas adotadas nos programas em execução atualmente são:
- Reflorestamento com espécies nativas: cercas de isolamento, controle de espécies exóticas invasoras, recuperação de APPs, implantação da reserva legal, criação de corredores ecológicos, conservação e incremento de fragmentos florestais.
- Recuperação de áreas degradadas (RAD): recuperação e controle de voçorocas e ravinas erosivas profundas, recuperação de pastagens degradadas, descompactação do solo, entre outras.
- Práticas agrícolas conservacionistas: plantio em nível, terraceamento (em áreas possíveis), barraginhas, boas práticas agrícolas, adubação verde, mineral e orgânica, correção da acidez do solo, análise de solo, irrigação, consorciamento de culturas, divisão de pastagens em piquetes, pastejo rotacionado, entre outras.
- Saneamento rural: fossas sépticas biodigestoras, reservatórios de água, perfuração de poços artesianos, limpeza e desinfecção de caixas d’ água, coleta de resíduos sólidos (lixo). 
- Manutenção e recuperação de estradas rurais e carreadores.
Com a adoção destas práticas, conciliadas com a educação ambiental permanente, os produtores passam a ser provedores de serviços ambientais à população influenciada pela bacia hidrográfica, pelos benefícios gerados à conservação e preservação dos recursos hídricos. No programa são incluídos produtores rurais que já adotam e que irão adotar as práticas, podendo-se aplicar um percentual de pagamento diferente para ambos. O programa é aplicado principalmente aos pequenos produtores rurais, que são os que mais necessitam de projetos deste tipo.
Conforme Silva et al. (2010), os PSA surgem com a possibilidade de se garantir o fluxo contínuo de serviços ambientais através da articulação entre os provedores e beneficiários. Entretanto, para que possam funcionar e assegurar bons resultados em longo prazo torna-se necessário a existência de uma fonte financeira que assegure, de forma ininterrupta, a manutenção dos propósitos ambientais do Programa Conservacionista no horizonte temporal previsto em sua operacionalização.
Etapas do programa
Como etapas do programa, inicialmente são realizadas reuniões, palestras e eventos para divulgação do programa aos produtores, além de visitas nas propriedades. Aos produtores interessados é feito um projeto individual de propriedade (PIP), onde são locadas as áreas ambientais, exploração agropecuária, construções e outras informações. A partir do PIP, os técnicos das instituições interlocutoras do projeto apontam as práticas a serem executadas, como a área de APP a ser recuperada, terrenos com erosão acentuada que necessitam de recuperação, locação da reserva legal e as práticas agrícolas conservacionistas.
O projeto é avaliado pelo produtor rural, sendo aprovado ou alterado pelo mesmo. Com a finalização desta etapa são executadas as práticas em campo e finalizadas a documentação da propriedade e do proprietário para a elaboração do contrato de serviços ambientais.
A última etapa é o monitoramento das práticas adotadas, onde os técnicos do projeto avaliam o estágio do reflorestamento, a manutenção da área pelo proprietário, as práticas agrícolas adotadas e o cumprimento dos termos do PIP aprovado e do contrato, sendo emitido um parecer favorável ou desfavorável ao pagamento. O monitoramento é realizado sempre antes da data de pagamento que consta no contrato.
Incentivos do projeto
Os incentivos não ficam restritos apenas ao pagamento financeiro, mas também na doação e fornecimento de mudas de espécies nativas, sementes para adubação verde, material para a construção das cercas de isolamento das áreas, construção da fossa séptica biodigestora, assistência técnica gratuita, entre outros.
Estes incentivos serão dirigidos prioritariamente aos produtores rurais (individuais ou associação) responsáveis pelo uso e manejo do solo e pela manutenção de estradas e carreadores. Os recursos financeiros serão liberados somente após a implantação, parcial ou total, das ações e das práticas conservacionistas previamente contratadas em bacias hidrográficas previamente selecionadas (BRASIL, 2009).
Com todos estes incentivos e partindo de programas executados anteriormente, além de uma educação ambiental efetiva, a comunidade rural percorre os passos para alcançar o desenvolvimento rural sustentável, erguido nos pilares ambientais, sociais e econômicos. 
Monitoramento ambiental do projeto
Uma etapa importante no projeto é o monitoramento ambiental dos impactos nos recursos hídricos, de forma a avaliar as ações do projetoe a intervenção na bacia hidrográfica. O abatimento da erosão, a recuperação e conservação da vegetação nativa devem ser avaliados por meio de parâmetros ambientais simples e pré-determinados. Os parâmetros são variáveis em função da situação inicial da bacia, da região, das práticas adotadas e dos equipamentos disponíveis. Também devemos ter um valor de referência estipulado antes da implantação do projeto, podendo ser estabelecido através de um trabalho de monitoramento ambiental prévio, em conjunto com projetos anteriores ou trabalhos de educação ambiental.
O monitoramento ambiental é um trabalho contínuo e sistemático de coleta de dados, estudos e acompanhamento de parâmetros ambientais, com o objetivo de identificar as condições de um determinado recurso natural naquele instante, bem como a evolução do parâmetro durante o tempo.
O monitoramento da qualidade e quantidade da água permite identificar os pontos críticos de influência na qualidade da água, sendo um trabalho necessário para discutir e implantar ações e intervenções na bacia hidrográfica, visando a remediação, restauração e recuperação da qualidade ambiental. Este efetivo controle também nos permite que possamos monitorar a evolução da qualidade da água e os resultados positivos ou negativos da intervenção antrópica na bacia hidrográfica, bem como a relação qualidade-quantidade de água, tanto na época de cheia como na estiagem. 
De maneira geral são adotados alguns parâmetros padrões para os programas de PSA como: vazão do curso d’água, Turbidez, Sólidos Dissolvidos Totais (TDS), Oxigênio Dissolvido (OD), Fósforo (P) Total, Cor, Condutividade Elétrica e Potencial Hidrogeniônico (pH). 
 Considerações finais sobre os programas de PSA
O caráter preventivo, voluntário e não punitivo dentro dos programas de PSA é o que torna estes projetos um diferencial para políticas ambientais, sendo de extrema importância o desenvolvimento de programas anteriores e da educação ambiental nas bacias hidrográficas alvos para seu sucesso, além da observância dos quesitos mínimos operacionais para desenvolvimento do PSA.
Para a comprovação dos impactos do projeto na bacia hidrográfica alvo, há a necessidade do estabelecimento de um trabalho de monitoramento ambiental periódico, durante um determinado tempo, antes da implantação do programa de PSA. Este trabalho deve abordar os aspectos de qualidade e quantidade de água no curso d’água, possibilitando o estabelecimento de um valor de referência para os parâmetros conforme as diferentes épocas do ano.
No desenvolvimento do programa nas diversas regiões brasileiras, devem ser priorizados os mananciais de abastecimento público municipais, de forma a gerar benefícios externos para a população local, contribuindo também para toda a Região.
Conteúdo do capítulo baseado na publicação:
DA SILVA, D. T. L. Pagamento por serviços ambientais: alternativa para o desenvolvimento sustentável da região bragantina do Estado de São Paulo. In: Enciclopédia Biosfera, Centro Científico Conhecer, Goiânia/GO, vol. 6, N. 11; 2010. 8p. Disponível em: <www.conhecer.org.br/enciclop/2010c/pagamento.pdf>. Acessado em: 04 Agosto 2011.
Dica ao aluno
Conheça mais sobre os programas de pagamento por serviços ambientais, voltados aos recursos hídricos, no Portal da Agência Nacional de Águas (ANA) – Produtor de Água. O link de acesso é: www.ana.gov.br/produagua 
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