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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DISCIPLINA DE HIDROLOGIA Prof. Dr. Klebber Formiga DELIMITAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS NA REGIÃO DO MUNICÍPIO DE MOZARLÂNDIA-GO CAROLINA SILVA GURIAN BARROS JOÃO PAULO GOMES CAIXETA LUCAS OLIVEIRA DINOAH LUCAS ROCHA SANTOS SILVA MURILLO MARTINS HANNUM GOIÂNIA 2016 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...........................................................................................................2 2 METODOLOGIA.......................................................................................................3 2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E DE RELEVO............................................7 2.1.1 Área da bacia........................................................................................................7 2.1.2 Comprimento da bacia........................................................................................8 2.1.3 Comprimento do rio principal............................................................................8 2.1.4 Desnível do rio principal.....................................................................................8 2.1.5 Declividade do rio principal................................................................................8 2.1.6 Perfil longitudinal do rio principal.....................................................................9 2.1.7 Perímetro..............................................................................................................9 2.1.8 Índice de compacidade........................................................................................9 2.1.9 Fator de forma ou índice de conformação.......................................................10 2.1.10 Índice de alongamento.......................................................................................10 2.1.11 Índice de circuncidade.......................................................................................10 2.1.12 Excentricidade....................................................................................................11 2.2 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE DRENAGEM.............................11 2.2.1 Ordem dos trechos dos cursos d’água..............................................................11 2.2.2 Razão média de bifurcação...............................................................................12 2.2.3 Razão média de comprimento..........................................................................13 2.2.4 Tempo de concentração.....................................................................................13 3 RESULTADOS.........................................................................................................15 4 CONCLUSÕES.........................................................................................................1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................1 1. INTRODUÇÃO “Hidrologia é a ciência que trata da água na terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação com as formas vivas” (United State Federal Council Science and Technology). Aplicada, essa ciência destina-se à resolução de problemas relacionados ao uso dos recursos hídricos pelo homem, como a exploração energética de um potencial hidrográfico, construção de sistemas de drenagens, utilização de cursos d’água como vias de transporte e de abastecimento etc., e ainda à preservação do meio ambiente. Para que todos esses meios de aplicação funcionem, contudo, é necessário conhecer o sistema hidrológico a ser trabalhado. As bacias hidrográficas, assim, são sistemas abertos de grande importância, visto a relativa facilidade que se tem em avaliar os diferentes componentes do ciclo da água e balanço hídrico dentro da mesma. Ainda, é válido dizer que as bacias são nada mais que áreas definidas de acordo com a topografia de uma região e drenadas por cursos d’água, nas quais toda precipitação captada é escoada para um único ponto de saída denominado exutório. Dentro dela, é possível existir sub-bacias, que por sua vez, pode-se dividir em outras microbacias e assim sucessivamente. Portanto, conhecer as características de uma bacia hidrográfica – sejam elas geométricas, de relevo, sobre o sistema de drenagem, geológicas ou até do clima e vegetação da área – é fundamental para entender o seu comportamento hidrológico e sua influência sobre outros sistemas. No presente trabalho, foram delimitadas três bacias, na região do município de Mozarlândia – Goiás, e analisadas de acordo com os dados levantados e comparados, definindo aspectos e tendências que qualificam as mesmas. 2. METODOLOGIA Para a execução deste trabalho, utilizou-se uma carta topográfica do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), do ano de 1980, do município de Mozarlândia – GO (incluindo partes de alguns municípios vizinhos). Nesse mapa, três bacias hidrográficas foram delimitadas e seus respectivos principais cursos d’água foram determinados. As Figuras 1, 2 e 3, a seguir, representam essas bacias na carta topográfica. Figura 1 – Bacia 1 delimitada na região do município de Mozarlândia – GO. Figura 2 – Bacia do Córrego Barreirinho (Bacia 2), delimitada na região do município de Mozarlândia – GO. Figura 3 – Bacia do Córrego Pouso Alto (Bacia 3), delimitada na região do município de Mozarlândia – GO. Em seguida, foram determinadas as características físicas e de relevo (tópicos 2.1.1 a 2.1.12, a seguir) e as características do sistema de drenagem (tópicos 2.2.1 a 2.2.4) para cada uma das três bacias. Também foi um dos objetivos desse trabalho, comparar os resultados calculados para área, comprimento e declividade das bacias através dos dados retirados da carta topográfica, com os resultados encontrados através da utilização do programa Google Earth. A seguir, estão representadas as bacias traçadas com a utilização programa. Figura 4 – Região de Mozarlândia, com bacias delimitadas pelo programa Google Earth. Figura 5 – Bacia 1 delimitada pelo programa Google Earth na região do município de Mozarlândia – GO. Figura 6 – Bacia do Córrego Barreirinho, delimitada pelo programa Google Earth na região do município de Mozarlândia – GO. Figura 7 – Bacia do Córrego Pouso Alto, delimitada pelo programa Google Earth na região do município de Mozarlândia – GO. 2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E DE RELEVO As seguintes características físicas foram calculadas para cada uma das bacias acima citadas: 2.1.1 Área da bacia (A) É a área em projeção horizontal inclusa entre seus divisores topográficos e o elemento básico para o cálculo das outras características físicas. É determinada por planimetria em cartas topográficas, onde os divisores da área são pontos de máxima altimetria na região, e é usualmente expressa em km2 ou ha. Para a delimitação das bacias propostas foi utilizada o método de carta topográfica e a representação digital da bacia no programa Google Earth. No primeiro método, o contorno da bacia foi projetado em papel milimetrado, através do qual foi possível contabilizar a área desejada. No segundo, uma vez desenhada a bacia, o próprio programa informa a área da região delimitada. 2.1.2 Comprimento da bacia (L) Mede-se o comprimento da bacia quando se segue o curso d’água mais longo desde a desembocadura até a cabeceira mais distante na bacia, em linha reta, por meio de uma régua, na representação da mesma, por exemplo. É normalmente expresso em km. O comprimento da bacia é importante para estimar o tempo que a água leva para percorrer a bacia. 2.1.3 Comprimento do rio principal (LRP) Corresponde ao comprimento do rio mais extenso da bacia, expresso em km. É determinado através de um curvímetro, da nascente até a foz, após sua identificação visual em uma carta topográfica. Assim como o comprimento da bacia, essa característica é importante para determinar o tempo de concentração da mesma. 2.1.4 Desnível do rio principal (∆h) O desnível do rio principal nada mais é diferença de altura entre a nascente e exutório desse curso d’água, expresso em m ou km. Para determinar essa diferença, estimou-se a altimetria dos dois pontos necessário observando as curvas de nível traçadas na carta topográfica utilizada. 2.1.5 Declividade do rio principal (S) É a relação entre a diferença de suas cotas e sua extensão horizontal, expressa em m/km ou m/m. � = ∆ℎ�(ℎ�� ��� �) Uma vez conhecida a declividade dos cursos d’água de uma bacia, é possível caracterizar a velocidade de escoamento e o tempo de concentração da mesma e saber se possui maior ou menor tendências de cheias, por exemplo. Existem diferentes meios para se calcular a declividade média de um rio, dentre os quais calculou-se: a) Declividade baseados nos extremos (S) Nesse método, a diferença altimétrica e distância horizontal entre os pontos foram consideradas em sua totalidade. b) Declividade 15-85 (S15-85) Obtida descartando-se 15% dos trechos inicial e final do rio, visto que grande parte dos cursos d’água tem alta declividade próxima da nascente e torna-se praticamente plano próximo de sua foz. c) Declividade 5-95 (S5-95) Tal como a declividade 15-85, porém descartando-se apenas 5% dos trechos inicial e final. 2.1.6 Perfil longitudinal do rio principal Esse perfil trata-se de uma representação gráfica dos desníveis existentes entre pontos do canal principal da bacia, ao longo do seu comprimento horizontal. Para construí-lo, deve-se marcar a altura (eixo Y) e a posição horizontal (eixo X) de dois pontos consecutivos determinados e ligá-los com uma reta. Para as bacias delimitadas, adotou-se uma distância horizontal, entre os pontos comparados, de 3km, 2km e 2,5km, para as Bacias 1, 2 e 3, respectivamente, para a construção do perfil longitudinal. 2.1.7 Perímetro (P) O perímetro de uma bacia é o comprimento do contorno da mesma, expresso em km. É importante para determinarmos índices posteriormente citados que determinam tendências de cheias, por exemplo. Para calculá-lo, utilizou-se o método de carta topográfica (a medição foi realizada assim como a do comprimento do rio principal) e a representação digital da bacia no programa Google Earth (assim como na área de drenagem). 2.1.8 Índice de compacidade (Kc) É a relação entre o perímetro da bacia (P) e o perímetro de um círculo de mesma área que a bacia, determinado de acordo com a fórmula a seguir: �� = 0,28 �√� Quanto menor o Kc (mais próximo de 1), mais circular é a bacia, menor o tempo de concentração e maior a tendência de haver picos de enchente. 2.1.9 Fator de forma ou índice de conformação (I) É resultado da relação entre a área da bacia (A) e de um quadrado de lado igual ao comprimento axial (L) da bacia, expressando a capacidade da bacia em gerar enchentes. � = ��² Quanto mais próximo de 1, maior a propensão a enchentes, pois a bacia fica cada vez mais próxima de um quadrado. Ou seja, uma bacia com valores altos de I, tem cheias mais rápidas; enquanto uma com baixos valores desse índice, terá cheias mais lentas. 2.1.10 Índice de alongamento (KL) Trata-se da razão entre os lados (Le o lado maior; le o lado menor) de um retângulo equivalente à bacia. Um retângulo equivalente é aquele que possui mesmo perímetro e mesma área da bacia, onde: �� = �4 + �� � 16 − �# $,% �� = �4 − [� � 16 − �]$,% Assim, esse índice pode ser determinado pela seguinte fórmula: �( = ���� O índice de alongamento e a tendência às cheias são dados inversamente proporcionais. 2.1.11 Índice de circuncidade (Re) É a relação entre o diâmetro da bacia se ela fosse um círculo (DCIRC) e o seu comprimento (L). )* = +,-.,� E ainda: +,-., = /4�0 Valores maiores implicam em maior tendência a cheias. 2.1.12 Excentricidade (τ) Esse coeficiente relaciona o exutório da bacia e o seu centro de massa e é determinado pela seguinte fórmula: 1 = 2�² − 3²3 Onde l é a distância entre os dois pontos relacionados e W é a largura do centro de massa perpendicular a l. Quanto menor o valor da excentricidade da bacia, maior a possibilidade de enchente na mesma. 2.2 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE DRENAGEM “O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários; o estudo das ramificações e do desenvolvimento do sistema é importante, pois ele indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia hidrográfica. O padrão de drenagem de uma bacia depende da estrutura geológica do local, tipo de solo, topografia e clima. Esse padrão também influencia no comportamento hidrológico da bacia.” (CARVALHO; SILVA, 2006). 2.2.1 Ordem dos trechos dos cursos d’água Classificar uma bacia conforme a ordem dos seus cursos d’água representa determinar o grau de ramificação ou bifurcação do rio principal. Os cursos d´água maiores possuem seus afluentes que por sua vez possuem outros até que chegue aos minúsculos cursos d´água da extremidade. Geralmente, quanto maior o número de bifurcações maior serão os cursos d´água; dessa forma, pode-se classificar os cursos d´água de acordo com o número de bifurcações. Essa classificação pode ser baseada em diferentes métodos, dentre os quais se utilizou neste trabalho, o de Strhaler e o de Gravelius (Hack). De acordo com Strhaler, os cursos primários são aqueles de ordem 1 e a união de 2 cursos de mesma ordem dá origem a um curso de ordem imediatamente superior (se os 2 cursos não possuírem a mesma ordem, prevalecerá a maior ordem na união dos mesmos). Já para Gravelius (Hack), o rio principal possui ordem 1, enquanto seus afluentes possuem ordem 2 e assim sucessivamente. A Figura 8 esquematiza essas classificações. Figura 8 – Esquema de classificações das ordens dos cursos d’água por Strahler e por Gravelius (Hack). 2.2.2 Razão Média de Bifurcação (Rb) É definida como a relação entre o número de canais de uma dada ordem (n) e o número de canais de ordem imediatamente superior (n+1). E assim uma dada bacia de ordem n, (n-1) valores de Rb podem ser determinados. O valor médio dos Rb individuais da bacia representa a razão de bifurcação média para a bacia. Para cada razão individual, é válida a fórmula: )4 = 5º75º789 Quanto maior Rb média, maior o grau de ramificação da rede de drenagem de uma bacia e maior a tendência para o pico de cheia. Dados os métodos de classificação de ordem das bacias delimitadas no trabalho, foi possível determinar os valores desse índice apenas baseando nas classificações de Strahler. 2.2.3 Razão Média de Comprimento (RL) Essa relação corresponde à razão entre a média dos comprimentos dos canais de determinada ordem (n) e pela média dos comprimentos dos canais de ordem imediatamente inferior (n-1). Um número elevado desse índice significa que o comprimento médio dos rios de dada ordem é bem superior ao dado da ordem inferior. Isso significa ainda que os canais normalmente apresentam grande extensão e são em pequeno número. Dados os métodos de classificação de ordem das bacias delimitadas no trabalho, também foi possível determinar os valores desse índice apenas baseando nas classificações de Strahler. Assim, mediu os comprimentos de cada curso d’água, tal como se mede o comprimento do rio principal, e calcularam-se as razões RL. 2.2.4 Tempo de Concentração (Tc) Pode ser definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle. Ou seja, é o tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante da bacia escoe até o exutório ou local de controle/medição. Esse dado relaciona-se com a declividade e comprimento dos rios da bacia. Já considerando uma análise das características das bacias, o tempo de concentração de cada uma foi calculado de acordo com as seguintes equações compatíveis com os tamanhos das mesmas, encontradas no Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem, do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT): a) Fórmula de KIRPICH - Modificada: :� = 1,42( �;∆<)$,;=% b) Fórmula de PASINI: :� = 0,107 √��?√� c) Fórmula de VENTURA: :� = 0,127/�� d) Fórmula de GIANDOTTI: :� = 4√� + 1,5�0,8√∆< Sendo, para todos os casos anteriores: Tc= tempo de concentração, em h; L= comprimento do curso d’água, em km; ∆H= desnível máximo, em m; A= área da bacia, em km²; S= declividade, em m/m. e) Fórmula de JOHN COLLINS: :� = 44 �+,-., /�²� B Onde: Tc= tempo de concentração, em min; L= comprimento do curso d’água, em km; A= área da bacia, em km²; S= declividade, em %, restrita aos limites de 1% a 3,5%; DCIRC= diâmetro de um círculo de área equivalente ao da bacia, em km. Calculados os tempos de concentração por meio de cada um desses métodos, o tempo de concentração adotado para cada uma das 3 bacias delimitadas foi a média entre os cinco valores obtidos. 3. RESULTADOS Os valores encontrados para as características físicas e de relevo das bacias analisadas, estão expressos na Tabela 1. Tabela 1 – Características físicas e de relevo das bacias com relação aos dados da carta topográfica. Característica Bacia 1 Bacia 2 Bacia 3 Área da bacia (km²) 78,20 29,50 41,50 Comprimento da bacia (km) 15,00 7,40 11,00 Comprimento do rio principal (km) 14,10 6,70 10,00 Comprimento do rio principal sinuoso (km) 18,90 7,40 12,90 Desnível do rio principal (m) 38,00 49,00 100,00 Declividade baseada nos extremos (m/m) 0,002695 0,006622 0,009091 Declividade 15-85 (m/m) 0,003445 0,005330 0,021290 Declividade 5-95 (m/m) 0,000158 0,004809 0,016670 Perímetro da bacia (km) 39,40 22,00 30,00 Índice de compacidade 1,25 1,13 1,30 Fator de forma 0,35 0,54 0,34 Índice de alongamento 2,57 1,37 3,10 Índice de circuncidade 0,67 0,83 0,66 Excentricidade 0,569 - 0,304 (Fonte: Dados obtidos segundo os procedimentos expressos na Metodologia). Além disso, as Figuras 9, 10 e 11, a seguir, representam os perfis longitudinais dos rios principais das bacias 1, 2 e 3, respectivamente. Figura 9 – Perfil longitudinal do rio principal da Bacia 1. Figura 10 – Perfil Longitudinal do rio principal da Bacia 2. Figura 11 – Perfil Longitudinal do rio principal da Bacia 3. Já a Tabela 2, a seguir, expõe algumas das características da bacia baseadas nos dados fornecidos pelo programa Google Earth. Tabela 2 – Características físicas e de relevo das bacias com relação aos dados do Google Earth. Característica Bacia 1 Bacia 2 Bacia 3 Área da bacia (km²) 77,90 30,77 41,16 Comprimento da bacia (km) 15,03 7,39 11,30 Comprimento do rio principal (km) 14,85 6,75 8,50 Comprimento do rio principal sinuoso (km) 19,12 7,71 10,38 Desnível do rio principal (m) 46,00 55,00 89,00 Declividade baseada nos extremos (m/m) 0,003098 0,008148 0,010471 Perímetro da bacia (km) 42,40 22,53 38,30 (Fonte: Dados obtidos no Google Earth). As ordens dos cursos d’água, de acordo com Strhaler e Gravelius (Hack), estão também representadas a seguir, nas Figuras 12 a 17. Figura 12 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 1, segundo Strahler. Figura 13 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 1, segundo Gravelius. Figura 14 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 2, segundo Strahler. Figura 15 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 2, segundo Gravelius. Figura 16 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 3, segundo Strahler. Figura 17 – Classificação das ordens dos canais da Bacia 3, segundo Gravelius. Com base nas classificações de ordem das figuras acima, os valores encontrados para a Razão Média de Bifurcação e Razão Média de Comprimento são mostrados na Tabela 4, enquanto os números de cursos d’água de determinada ordem e as somas dos seus comprimentos estão na Tabela 3. Tabela 3 – Números de canais de ordem “n” nas bacias e suas respectivas somas de comprimentos. Índice Bacia 1 Bacia 2 Bacia 3 Nº de cursos de ordem 1 10 12 4 Nº de cursos de ordem 2 5 9 3 Nº de cursos de ordem 3 4 1 - ƩL de cursos de ordem 1 21,2 12,7 10,1 ƩL de cursos de ordem 2 6,2 9,0 9,6 ƩL de cursos de ordem 3 12,4 2,1 - (Fonte: Dados obtidos segundo os procedimentos expressos na Metodologia). Tabela 4 – Valores das razões médias de bifurcação (Rb) e de comprimento (RL). Índice Bacia 1 Bacia 2 Bacia 3 Rb 1-2 2,00 1,33 1,33 Rb 2-3 1,25 9,00 - Rb Média 1,63 5,16 1,33 RL 2-1 0,29 0,71 0,95 RL 3-2 2,00 0,23 - RL Média 1,15 0,47 0,95 (Fonte: Dados obtidos segundo os procedimentos expressos na Metodologia). Os valores encontrados para os tempos de concentração, através das cinco fórmulas descritas no Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem, do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT), são expressos na Tabela 5. Tabela 5 – Valores dos Tempos de Concentração (Tc), em horas. Fórmula Bacia 1 Bacia 2 Bacia 3 Kirpich-modificada 9,69 3,06 4,84 Pasini 23,48 7,92 9,11 Ventura 21,63 8,48 8,58 Giandotti 11,74 5,53 5,98 John Collins 25,94 9,36 14,79 MÉDIA 18,17 6,53 9,41 Desvio padrão da média 7,73 2,93 3,20 (Fonte: Dados obtidos segundo os procedimentos expressos na Metodologia). 4. CONCLUSÕES Com os resultados obtidos foi possível realizar a análise de alguns parâmetros. O primeiro seria a indicação da bacia com maior tendência de cheia, sabe-se que quando mais próxima de um circulo for a forma da bacia maior vai ser a tendência de ocorrer enchentes. Com isso, quanto menor for o índice de compacidade e quanto maiores forem o fator de forma e índice de circuncidade maior será a chance de ocorrer enchentes. Portanto, a bacia 2 é a que apresenta maior tendência a cheias e a bacia 3 a que apresenta a menor probabilidade. O segundo parâmetro a ser analisado é a ordem dos rios, segundo Strahler a bacia 1 e 2 possuem a maior ordem que é 3, agora pelo método de Gravelius o a bacia de maior ordem será a 2 que é da quarta ordem. Analisando a bifurcação do rio, a bacia que apresenta a maior quantidade de ramos é a 2, esse fato aumenta a área de irrigação e facilita o processo de enchentes. A terceira análise é feita para o tempo de concentração, que depende muito de declividade do rio e também do seu comprimento, quanto maior for a declividade e menor o comprimento da bacia menor será o tempo de concentração. Com isso, ao analisar os tempos de concentração verificou-se que a bacia que apresenta o maior valor é a 1 por apresentar menor declividade e maior comprimento, já a bacia 3 é a que apresenta menor tempo de concentração por apresentar fatores opostos ao da bacia 1. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (DNIT). Manual de Hidrologia Básica para Estruturas de Drenagem. Rio de Janeiro, 2005. Disponível em: <http://ipr.dnit.gov.br/normas-e- manuais/manuais/documentos/715_manual_de_hidrologia_basica.pdf>. Acesso em: set. 2016. CARVALHO, D. F.; SILVA, L. D. B. Bacia Hidrográfica. Rio de Janeiro, 2006. Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/APOSTILA/HIDRO-Cap3- BH.pdf>. Acesso em: set. 2016. HIPOLITO, J.R.; VAZ, A.C. Hidrologia e Recursos Hídricos. 2ª edição. Lisboa – Portugal. IST Press. LIMA, W. P. Manejo de Bacias Hidrográficas. São Paulo, 2009. Disponível em: <http://www.leb.esalq.usp.br/disciplinas/Fernando/leb1440/Aula%201/Caracteristicas% 20fisicas%20da%20bacia_foto%20Piracicamirim.pdf>. Acesso em: set. 2016. RONDOV, A. J. V. Estudo da fisiografia das bacias hidrográficas urbanas no Município de Maringá, Estado do Paraná. Maringá, 2013. Disponível em: <http://pt.slideshare.net/ADELCIORONDOV/bacia-hidrografica>. Acesso em: set. 2016.
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