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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ANDRÉ CARLOS DA SILVA – 34084 ALEXANDRE MAGALHÃES – 33620 GILBERTO CALDERRUCI GONTIJO COSTA – 33936 MICHAEL MAXIMIANO DE CASTRO DA SILVA – 34520 VICTORIEN GERARDO NAGO -34622 HIDROLOGIA I PRÁTICA Trabalho prático 4 – Determinação das características físicas de uma bacia. Itajubá 2017 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ANDRÉ CARLOS DA SILVA ALEXANDRE MAGALHÃES GILBERTO CALDERRUCI GONTIJO COSTA MICHAEL MAXIMIANO DE CASTRO DA SILVA VICTORIEN GERARDO NAGO HIDROLOGIA I PRÁTICA – EHD517.2: Trabalho prático 4 – Determinação das características físicas de uma bacia. Trabalho sobre a determinação das características físicas de uma bacia apresentado ao professor da disciplina de Hidrologia I, EHD515.2, para obtenção de nota N1. Professor: Arthur Benedicto Ottoni. Itajubá 2017 RESUMO No presente trabalho foram levantadas as características da bacia hidrográfica do Ribeirão vermelho na cidade de Delfim Moreira – MG, utilizando de softwares como AutoCAD calculou-se a área da bacia, o comprimento do canal de drenagem entre outras variáveis, ao fim do levantamento foi possível obter conclusões sobre a suscetibilidade a enchentes e o comportamento do regime fluvial na bacia. Sumário 1- Introdução ...................................................................................................................................... 5 2. Revisão Bibliográfica ....................................................................................................................... 7 2.1 Área de drenagem ................................................................................................................ 8 2.2 Forma da bacia .......................................................................................................................... 8 2.3 Fator de forma (Kf) ................................................................................................................... 10 2.4 Coeficiente de Compacidade ................................................................................................. 11 2.5 Sistema de drenagem ............................................................................................................. 13 2.6 Densidade de drenagem ........................................................................................................ 14 2.7 Índice de sinuosidade ............................................................................................................. 15 2.8 Características da bacia ......................................................................................................... 16 2.9 Declividade ............................................................................................................................... 16 2.10 Curva Hipsométrica ............................................................................................................... 18 2.11 Método do retângulo equivalente ........................................................................................ 19 2.12 Perfil longitudinal do rio ........................................................................................................ 23 2.13 Fórmulas Empíricas para determinação do tempo de concentração ............................ 26 3. Metodologia de cálculo ................................................................................................................. 29 4. Conclusão ....................................................................................................................................... 45 5. Referências ..................................................................................................................................... 45 5 1- Introdução O Ciclo Hidrológico pode ser visto de maneira geral como um sistema hidrológico fechado, já que a quantidade de água presente no nosso planeta não é infinita. Apesar disso, os subsistemas abertos à atmosfera são abundantes, e estes, normalmente, são os tipos analisados para projetos ambientais, capacitações e redistribuições de recursos naturais. Dentre esses subsistemas, analisando-se acerca dos objetivos citados, destaca-se as áreas de relevo das Bacias Hidrográficas, principalmente em detrimento da simplicidade que oferecem na aplicação do balanço hídrico, os quais podem ser usados para desenvolver a avaliação dos componentes do ciclo hidrológico para uma região pré-determinada; e consequentemente os possíveis danos provenientes de um desequilíbrio ambiental na área, provocado principalmente por ações humanas. Portanto, retiramos os dados para análise de uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água específico ou por um sistema conectado mais complexo, tal que toda a vazão efluente seja descarregada pela mesma saída, o rio principal, no qual o tamanho de sua calha varia com o relevo e influência da constante passagem de água nessa área. Figura 1 : Bacia Hidrográfica e a variação da calha do rio conforme o relevo Em busca do caminho que apresente mais facilidade de passagem, a água escoa por toda a bacia até encontrar sua saída, levando um tempo relativo ao relevo e suas características, tais como vegetação, comprimento 6 total, presença ou não de rochas superficiais e quaisquer outros elementos que aumentem o tempo do processo; todos esse período de passagem de uma partícula d'agua de um ponto mais distante da bacia hidrográfica até um ponto específico de medição de vasão é chamado de Tempo de Concentração; no qual tem importância no diagnóstico geral da bacia hidrográfica, podendo apresentar problemas presentes na área estudada, tendo como principal a baixa infiltração da agua no solo, a consequente saída precoce de água da bacia. Tão importantes quanto, são as características físicas da bacia hidrográfica, pois com elas, pode-se transferir dados de uma bacia monitorada para uma outra com alguns pontos em comum, onde faltam dados ou simplesmente, por motivos de relevo ou obstáculos vigentes, não é possível a instalação de postos coletores de dados, conhecidos como postos hidrométricos, no qual abrange as características de análise fluviométrica e pluviométrica, sendo a base para a comparação de dados entre bacias. A determinação das características físicas é um estudo particularmente importante nas ciências ambientais em diversos aspectos, mas principalmente pelo fato do Brasil ter uma densidade de postos fluviométricos baixa e em sua maioria, encontram-se nos grandes cursos d’água, devido, claramente, a prioridade do governo em construção de hidroelétricas para a geração de energia elétrica em massa. O Brasil tem uma densidade de 1 posto para cada 4000 Km2, um número muito baixo, comparado, por exemplo, aos Estados Unidos ou Israel, que possuem 1 posto a cada 1000 Km2 e 1 posto a cada 200 Km2, respectivamente. Figura 2 – Bacia do Rio Paraíba do sul e seus respectivos Postos Fluviométricos 7 As principais características físicas, necessários para se fazer uma comparação entre as bacias hidrográficas de características parecidas, transferência de dados para bacias vizinhas e projeção do comportamento da bacia no futuro são, de modo geral, a forma da bacia, o tipo de uso empregado naquele solo e a densidade de drenagem. 2. Revisão Bibliográfica De acordo com a Agência Nacional das Águas, cerca de 2.176 dos 12.963 milrios brasileiros estão cadastrados em seu Sistema de Informações Hidrológica, e neles operam cerca de 4.543 estações de monitoramento das 14.822 existentes em todo o país. No Brasil, de acordo com os Prof. Daniel Fonseca de Carvalho e Prof. Leonardo Duarte Batista da Silva, professores da Universidade Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ), há um déficit de postos observadores, chegando a 1 posto instalado a cada 4000Km2, estando estes mais concentrados nas regiões de interesses financeiros, onde a prioridade das empresas e do governo está na produção de energia elétrica. Deste modo, a determinação dos aspectos físicos de uma bacia hidrográfica tem por intuito garantir a transferência de dados obtidos de uma bacia monitorada para outra sem aspectos pré-determinados, devido a falta de possibilidade de instalação de postos hidrométricos (fluviométricos e pluviométricos) em locais com relevo inapropriado. Para se inicializar os estudos físicos referentes a determinada bacia, deve-se, em primeira análise, buscar uma delimitação correta da mesma de forma que fique em um modelo representativo muito próximo ao real em uma dada escala. De acordo com o Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal da Bahia, esta delimitação atende apenas a fatores de ordem topográfica “define uma linha de cumeada a que poderíamos chamar linha de divisão das águas” pois ela é que divide as precipitações que caem e, que, por escoamento superficial, seguindo as linhas de maior declive, contribuem para a vazão que passa na seção em estudo. 8 Geralmente, para tais projetos, utiliza-se de cartas topográficas produzidas pela DSG (Diretoria de Serviços Geográfico do Exército), mosaicos de fotografias aéreas (AMBTEC/Aeroconsult), mapas hidrográficos e geomorfológicos. (Sistema de Informação e Documentação – INPE) Figura 3: Bacia delimitada e a linha de cumeada Com isso, é possível a realização do estudo das características geomorfológicas da bacia hidrográfica. Dentre elas estão: 2.1 Área de drenagem Define-se como a área de drenagem a área projetada em plano horizontal inclusa entre os seus divisores topográficos representada por todo o sistema fluvial drenado. O estudo dessa área é a base para os cálculos de outras características físicas. Pode ser obtida por planimetria ou por pesagem do papel em balança de precisão. (Prof. Luiz Fabiano Palaretti - FCAV/UNESP) 2.2 Forma da bacia A forma da bacia é uma característica complexa de ser expressa em termos quantitativos, tendo efeito direto sobre o comportamento hidrológico da mesma, onde o tempo de concentração (tempo necessário para que toda a 9 bacia contribua com a vazão na seção de controle) varia conforme se modifica sua forma. (Bureau of Reclamation of U.S.A) Em uma bacia circular, por exemplo, toda a água escoada tende a alcançar a saída da bacia ao mesmo tempo. Figura 4: Vazão de uma bacia circular Uma bacia alongada, tendo a saída da bacia na ponta do maior eixo e tendo como área igual da bacia circular, o escoamento será mais distribuído no tempo. Figura 5: Vazão de uma bacia alongada As bacias do tipo ramificada são formadas por conjuntos de sub-bacias que convergem para um mesmo curso principal. Neste caso, uma chuva uniforme na bacia é capaz de originar cheias nas sub-bacias, que vão se somar, mas não simultaneamente, no curso principal. 10 Figura 6: Vazão de uma bacia ramificada Deste modo, procura-se relacioná-la a formas geométricas conhecidas para facilitar os estudos utilizando-se índices de relações métricas da bacia. 2.3 Fator de forma (Kf) O Fator de forma é uma relação geométrica entre a largura média e comprimento. Para o estudo das bacias, o comprimento (L) é determinado pelo seguimento do curso do rio principal até a cabeceira mais distante da bacia. Enquanto a largura média (𝐿) é obtida dividindo-se a área pelo comprimento da bacia. Figura 7: Imagem demonstrativa do fator de forma Então: 11 (1) 𝐾𝑓 = 𝐿 𝐿 Como: (2) 𝐿 = 𝐴 𝐿 Logo: (3) 𝐾𝑓 = 𝐴 𝐿² O fator de forma é um índice de enchentes para uma bacia. Pois um fator de forma baixo representa uma menor sujeição da bacia a enchentes que outra de mesmo tamanho, porém com maior fator de forma. (PAIVA, J.B.D.; CHAUDHRY, F.H.; REIS, L.F.R., 2004) 2.4 Coeficiente de Compacidade O coeficiente de compacidade, ou índice de Gravelius, informa sobre a susceptibilidade da ocorrência de inundações nas partes baixas da bacia. É dado pela relação entre o perímetro da bacia e o perímetro do círculo de igual área. 12 Figura 8: Imagem demonstrativa do coeficiente de compacidade Sendo: (4) 𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑅2 Temos que: (5) 𝑅 = √ 𝐴 𝜋 Então: (6) 𝐾𝑐 = 𝑃 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑅 Substituindo (5) em (6), tem-se por fim: 13 (7) 𝐾𝑐 = 0,28 ∗ 𝑃 √𝐴 Deste modo, pode-se concluir que quanto mais a forma de uma bacia se assemelhar a um círculo, maior será a sua capacidade de ocorrer grandes cheias. Isto ocorre porque há conversão do escoamento superficial, ao mesmo tempo, para um pequeno trecho do rio principal, havendo acúmulo do fluxo. (PAIVA, J.B.D.; CHAUDHRY, F.H.; REIS, L.F.R., 2004) Realizando-se a análise matemática, pode-se interpretar da seguinte maneira: 1,00 – 1,25 = bacia com alta propensão a grandes enchentes 1,25 – 1,50 = bacia com tendência mediana a grandes enchentes > 1,50 = bacia com menor propensão a grandes enchentes 2.5 Sistema de drenagem De acordo com Tucci, um sistema ou rede de drenagem é constituído pelo rio principal e seus afluentes. O estudo da rede é importante pois ela, como um sistema completo, indicará a velocidade com que a água sai da bacia, ou seja, está associada à eficiência de drenagem da área da bacia e o potencial de se formar picos elevados de vazão. Deste modo, classifica-se os rios como: Perenes: Presencia-se o escoamento da água até nos invernos mais severos e secos, devido ao alto nível do freático, sendo superior ao fundo do leito do rio, o que faz com que em épocas de seca, o aquífero alimenta-o impedindo-o de secar. 14 Intermitentes: Os rios secam em épocas de seca devido ao baixo nível de influência do aquífero. Efêmeros: Presencia-se escoamento de água apenas durante e logo depois da ocorrência da precipitação. 2.6 Densidade de drenagem A densidade de drenagem reflete as condições topográficas, pedológicas, hidrológicas e de vegetação da bacia. É dada pela razão entre o comprimento total dos cursos d’água em uma bacia e a área desta bacia hidrográfica. Segundo Villela e Mattos (1975), esse índice pode variar de 0,5 km/km2 em bacias com drenagem pobre a 3,5 ou mais nas bacias excepcionalmente bem drenadas. Quando os valores são baixos, eles podem ser associados a regiões de solos permeáveis ou semi-permeáveis e com baixa intensidade de precipitação. (8) 𝐷 = 𝐿𝑇 𝐴 Sendo LT = ∑Li, ou seja, a extensão total dos cursos d’água da bacia de acordo com a imagem a seguir. 15 Figura 9: Imagem demonstrativada extensão total dos cursos d’água Podem ser classificadas como: Bacias com drenagem pobre Dd 0,5 km/km2 Bacias com drenagem regular 0,5 Dd 1,5 km/km2 Bacias com drenagem boa 1,5 Dd 2,5 km/km2 Bacias com drenagem muito boa 2,5 Dd 3,5 km/km2 Bacias excepcionalmente bem drenadas Dd 3,5 km/km2 2.7 Índice de sinuosidade O índice de sinuosidade é dado pela relação entre a distância da desembocadura do rio e a nascente mais distante e o comprimento do canal principal (talvegue – Lt). (9) 𝑆 = 𝐿 𝐿𝑇 16 Quanto maior S, maior a sinuosidade do curso d’água, menor será a declividade do terreno (bacia), maior o tempo de consideração. Classificação do terreno em relação a sinuosidade: Classe Descrição Limites (%) 1 Muito reto <20 2 Reto 20 a 29 3 Divagante 30 a 39,9 4 Sinuoso 40 a 49,95 5 Muito sinuoso >50 Tabela 1 - Índices de sinuosidade divididos por classes 2.8 Características da bacia Em uma bacia hidrográfica, a velocidade de escoamento superficial e seu tempo de concentração (Tc) dependem, em boa parte, pela declividade do terreno. Enquanto as características hidrometeorológicas, como precipitação e a evaporação são responsáveis pelo deflúvio médio da bacia. 2.9 Declividade A obtenção da declividade de uma bacia é feita por análises de amostragens estatísticas das declividades normais às curvas de nível em pontos localizados aleatoriamente no mapa. O método mais utilizado é o das “quadrículas associadas a um vetor” (VILLELA & MATTOS, 1975). Este método 17 consiste em traçar perpendicularmente à esta curva, um vetor (segmento de reta) com comprimento equivalente à distância entre duas curvas de nível consecutivas. Para obter a declividade associada a cada vértice, di , mede-se, em planta, a menor distância entre curvas de nível sucessivas, xi , e calcula- se: (10) 𝑑𝑖 = ∆𝑍 ∆𝑋𝑖 Sendo z a diferença de elevação entre as curvas de nível. Após a determinação das declividades pontuais, podemos construir o gráfico das declividades em função da frequência acumulada. Para isso, faz-se: I. Classificar as declividades em ordem decrescente II. Definir o tamanho do intervalo de classe. O intervalo está em função do número de pontos plotados III. Enumere as observações dentro de cada intervalo e converta para frequência relativa. IV. Realiza-se a contagem das frequências acumuladas. O gráfico é construído lançando-se os pares de valores das frequências acumuladas em função do limite inferior do intervalo de classe correspondente. 18 2.10 Curva Hipsométrica A curva hipsométrica fornece a variação do terreno em estudo em relação ao nível do mar. É uma maneira de representar graficamente, em função da porcentagem da área de drenagem, o relevo médio da bacia. Para sua construção, executa-se os seguintes métodos: I. Por planimetria, determina-se as áreas entre as curvas de nível consecutivas. II. Determina-se a área total e calculam-se os valores relativos das áreas entre as curvas de nível; III. Obtém-se as áreas relativas; IV. Constrói-se o gráfico das cotas das curvas de nível versus as áreas relativas acumuladas correspondentes Construído o gráfico, obtém-se as cotas de 5%, cota mediana (50%), modal (75%) e média, que posteriormente serão utilizadas para a construção do zoneamento hidrogenético da bacia. As cotas de 5%, mediana e modal são obtidas pegando o ponto em comum entre a abcissas e o gráfico como mostra a figura abaixo. Gráfico 1 – Cotas de 5%, mediana e modal. 19 A cota média, para Antenor Rodrigues Barbosa Júnior, professor da Universidade de Ouro Preto – UFOP, pode ser determinada pelo método de retângulos equivalentes, uma representação simplificada da bacia que tem por objetivo analisar a influência do relevo sobre o escoamento. O retângulo é construído de forma que 1. Sua área seja igual a área de drenagem da bacia; 2. Seu perímetro seja igual ao da bacia; e 3. Os coeficientes de compacidade (Kc) sejam iguais. 2.11 Método do retângulo equivalente Dado um retângulo com dimensões desconhecidas b X h, onde as cotas são representas por zi, temos: Figura 10: Método do retângulo equivalente Como os lados podem ser determinados pela área de drenagem e pelo coeficiente de compacidade, podemos dizer que: (11) 20 𝐴 = 𝑏 ∗ ℎ (12) 𝑃𝑒𝑟 = 2(𝑏 + ℎ) Da equação (7), temos 𝐾𝑐 = 0,28 ∗ 𝑃𝑒𝑟 √𝐴 Assim (13) 2 ∗ (𝑏 + ℎ) = 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 0,28 Das equações (11) e (13), temos: 𝑏2 − 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 0,56 ∗ 𝑏 + 𝐴 = 0 => 𝑏 = 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ± √( 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ) 2 − 𝐴 Ou (14) 𝑏 = 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ∗ [1 + √( 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ) 2 − 𝐴] E h é dado por: 21 (15) ℎ = 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ∗ [1 − √( 𝐾𝑐 ∗ √𝐴 1,12 ) 2 − 𝐴] Como as áreas devem ser iguais, graficamente, pela curva hipsométrica, temos: Figura 11: curva hipsométrica Para OTTONI, em sua obra “PLANEJAMENTO DOS SISTEMAS DE RECURSOS HÍDRICOS”, o resultado do estudo e análise do relevo da bacia é capaz de determinar o seu zoneamento hidrogenético, que tem por objetivo definir as áreas de escoamentos da mesma. Tais áreas podem ser definidas como: 22 COTA ZONA 95% - 75% Contribuição inicial 75% - 5% Hidrodinâmica <5% Recarga de umidade Tabela 2 – Zonas de escoamento de um zoneamento hidrogenético Figura 12: Estudo do Relevo de uma Bacia: Zoneamento Hidrogenético..(Fonte: OTTONI 2007, “Planejamento dos Sistemas de Recursos Hídricos”, Apostila do Curso de Especialização em Recursos Hídricos e Meio Ambiente, UNIFEI, Itajubá – MG) 23 2.12 Perfil longitudinal do rio Como a velocidade de escoamento do rio depende da declividade dos canais fluviais, é de suma importância determinar o parâmetro declividade média também do curso d’água. Para Luiz Fabiano Palaretti, professor da Universidade Estadual de São Paulo – UNESP, há quatro diferentes métodos de se calcular este parâmetro: I. Método Direto - Declividade baseada nos extremos (S1) Obtida dividindo-se a diferença total de elevação do leito pela extensão horizontal do curso d’água entre esses dois pontos. Lembrando que este valor é superestimado em relação ao pico de cheia. (16) 𝑆1 = ∆𝐻 𝐿 = 𝐶𝑜𝑡𝑎𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 − 𝐶𝑜𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝐿 Onde: L = comprimento do talvegue principal [m] ΔH = diferença das cotas [m] II. Área equivalente (compensação de área) - Declividade ponderada (S2) 24 Consiste em traçar no gráfico uma linha, tal que a área, compreendida entre ela e a abcissa, seja igual à compreendida entre a curva do perfil e a abcissa. (17) 𝐴∆ = 𝐴𝑠𝑜𝑏𝑎𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎 = 𝐿 ∗ ∆𝐻 2 Assim, tem-se que: (18) 𝐼𝑒𝑞 = 2 ∗ 𝐴𝑇𝑅 𝐿² III. Declividade equivalente ou média harmônica (S3). A declividade equivalente é a mais indicada pelos técnicos, pois Leva em consideração o tempo de percurso da água ao longo da extensão do perfil longitudinal, admitindo que a declividade é constante em todo seu trajeto. (19) 𝐼𝑒𝑞 = ( ∑𝐿 ∑( 𝐿𝑖 √𝐼𝑖 )) 2 Onde: 𝐼𝑖 = ∆𝐻 𝐿𝑖 25 Em que: L: comprimento total do talvegue (horizontal); Ii: declividade de cada trecho; H: desnível entre as extremidades do trecho i; Li: comprimento horizontal de cada trecho i. Figura 13: exemplo de um perfil longitudinal de um rio com seus afluentes 26 Assim, através do perfil longitudinal do rio, pode-se estudar com exatidão e fazer a análise econômica de instalações de hidrelétricas (devido ao estudo da altura de queda d’água) e outros sistemas de recursos hídricos. 2.13 Fórmulas Empíricas para determinação do tempo de concentração Diversos estudos foram realizados com o intuito de determinar matematicamente, por fórmulas empíricas, o tempo de concentração de uma bacia hidrográfica. De acordo com o engenheiro Plínio Tomaz, o tempo de concentração possui duas definições básicas: a) Tempo de concentração é o tempo em que leva para que toda a bacia considerada contribua para o escoamento superficial na seção estudada b) O tempo de concentração é o tempo que leva uma gota de água mais distante até o trecho considerado na bacia. Para o Centro Tecnológico de Hidráulica de São Paulo (CTH), os estudos realizados por Taylor Schwarz afirmam que o tempo de concentração depende de: Área da bacia Comprimento e declividade do canal mais longo Comprimento ao longo do curso principal, desde o centro da bacia até a seção de saída considerada. Para McCuen,1993, o verdadeiro valor de Tc nunca será determinado, devido as diversas variáveis que introduzem incertezas no dimensionamento da vazão de pico, devendo-se calcular por vários métodos e conferir sempre. Os métodos mais utilizados são: 27 I. Picking 𝑇𝑐 = 5,3 ( 𝐿2 𝐼 ) 1/3 Onde: Tc [min] L: distancia horizontal média do leito (talvegue) [Km] 𝐼: declividade média da linha de fundo [m/m] II. California Culverts Practice 𝑇𝑐 = 57 ( 𝐿3 𝐻 ) 0,385 Onde: Tc [min] L: extensão do talvegue H: diferença do nível entre o ponto mais afastado da bacia e a seção considera [m] III. Ven te Chow 𝑇𝑐 = 25,20 ( 𝐿 𝐼 ) 28 Onde: Tc [min] L: comprimento do talvegue [m] 𝐼: declividade média do talvegue [m/m] IV. Giandotti 𝑇𝑐 = 4 ∗ √𝐴 ∗ 1,5 ∗ 𝐿 0,8 ∗ √𝐻 Onde: Tc [horas] A: área [Km²] L: comprimento do rio principal até a seção [Km] 𝐻: altura média da bacia em relação a seção considerada [m] V. Temes 𝑇𝑐 = 0,3 ( 𝐿 𝐼 2) 0,78 Onde: Tc [horas] L: comprimento do rio principal 𝐼: declividade média do rio principal 29 VI. Venture 𝑇𝑐 = 240 ∗ √ 𝐴 ∗ 𝐿 ∆𝐻 Onde: para Tc > 5 min Tc = 5 min A: área de drenagem [Km²] ΔH: diferença de cotas das extremidades do rio principal em relação a seção [m] 3. Metodologia de cálculo Questão 1 Primeiramente foi exportada a carta de Delfim Moreira para o AutoCad 2015, em seguida a carta foi georreferenciada e colocada em escala. A partir das coordenadas da seção solicitada no enunciado do trabalho foi traçada a bacia, o rio principal e todos os seus afluentes. 30 Figura 14 – Delimitação da bacia hidrográfica e seus afluentes. Questão 2 Com a delimitação da bacia foi possível calcular a área de drenagem com o comando “area” e tomando como referência a seção solicitada no trabalho. Figura 15 – Área de Drenagem. 31 Área de Drenagem = 22655441.0929 m2 = 22.65 km2 Questão 3: determinar Curva hipsométrica da bacia. Para determinar a curva hipsométrica da bacia, no software AutoCad foram levantados todas as curvas de nível da bacia hidrográfica em estudo, conforme mostra a Figura a seguir. Figura 16: Bacia hidrográfica conforme as curvas de nível da região. Dessa forma foi possível se calcular a área em km² entre as curvas de nível como representado na tabela a seguir. Cota (m) Área da parcela(km²) Área acumulada (Km²) Ocorrência (%) área decrescente (%) 1600-1620 0,376 0,376 1,66% 100,00% 1620-1640 0,457 0,833 2,02% 96,32% 1640-1660 0,494 1,327 2,18% 94,14% 1660-1680 0,461 1,788 2,04% 92,11% 1680-1700 0,692 2,48 3,06% 89,05% 1700-1720 1,092 3,572 4,82% 84,23% 32 1720-1740 1,438 5,01 6,35% 77,88% 1740-1760 1,691 6,701 7,47% 70,42% 1760-1780 2,354 9,055 10,39% 60,02% 1780-1800 2,251 11,306 9,94% 50,08% 1800-1820 2,303 13,609 10,17% 39,92% 1820-1840 2,292 15,901 10,12% 29,80% 1840-1860 1,747 17,648 7,71% 22,08% 1860-1880 1,34 18,988 5,92% 16,17% 1880-1900 1,066 20,054 4,71% 11,46% 1900-1920 0,532 20,586 2,35% 9,11% 1920-1940 0,741 21,327 3,27% 5,84% 1940-1960 0,532 21,859 2,35% 3,49% 1960-1980 0,408 22,267 1,80% 1,69% 1980-2000 0,383 22,65 1,69% 0,00% TOTAL 22,65 Tabela 3: Área em km² entre as curvas de nível, bem como área acumulada, decrescente e ocorrência. Da Tabela 3 observa-se que a maior porção da área da bacia se encontra na cota geométrica de 1760 a 1780m. A partir destes dados é possível se construir a curva hipsométrica, que representa a cota geométrica das porções de área da bacia, como é possível se observar no gráfico a seguir. Gráfico 2: Curva hipsométrivca. Questão 4: Fazer Curva de Frequência Acumulada das Declividades da Encosta(Decrescente) e a de Frequência Simples. 1600 1620 1640 1660 1680 1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% C o ta ( m ) Porcentagem de ocorrência da área compreendida entre as cotas (%) Curva Hipsométrica da bacia 33 Nesta etapa primeiramente se dividiu a área da bacia hidrográfica em quadrículas, a cada 1 km, e 26 das quadrículas foram utilizadas para o estudo de declividades, pois melhor representaram a área estudada, conforme a Figura 2. Figura 17: Divisão das quadrículas sobre a área de estudo. Nestas quadrículas foram observados 3 pontos de maior declive, traçou-se uma linha sobre os pontos, dentre os 3 foi selecionado o ponto de maior declividade, e indicado o seu sentido. A tabela a seguir representa os pontos selecionados. Quadrícula 1 Quadrícula 14 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 100 138,49 72,21% SE L1 40 87,88 45,52% SE L2 120 190,69 62,93% L2 40 102,66 38,96% L3 120 352,17 34,07% L3 40 137,23 29,15% Quadrícula 2 Quadrícula 15 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 100 340,33 29,38% L1 40 66,61 60,05% L 34 L2 80 243,27 32,89% NO L2 40 107,52 37,20% L3 60 207,19 28,96% L3 40 83,3 48,02% Quadrícula 3 Quadrícula 16 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 80 222,46 35,96% L1 60 110,1 54,50% L2 40 167,22 23,92% L2 40 54,55 73,33% NO L3 60 146,34 41,00% NO L3 40 82,35 48,57% Quadrícula 4 Quadrícula 17 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível(m) Comprimento(m) declividade (%) L1 80 383,23 20,88% L1 80 100,46 79,63% L2 60 162,93 36,83% SE L2 60 66,35 90,43% NE L3 60 246,07 24,38% L3 60 80,77 74,29% Quadrícula 5 Quadrícula 18 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 60 156,99 38,22% L1 100 161,84 61,79% L2 60 89,4 67,11% SE L2 120 277,69 43,21% L3 40 122,89 32,55% L3 80 83,39 95,93% N Quadrícula 6 Quadrícula 19 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 40 74,45 53,73% SO L1 60 93,02 64,50% L2 100 197,49 50,64% L2 40 66,76 59,92% L3 80 189,81 42,15% L3 40 49,82 80,29% SE Quadrícula 7 Quadrícula 20 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 100 138,49 72,21% SE L1 60 60,67 98,90% SE L2 120 190,69 62,93% L2 60 69,42 86,43% L3 120 352,17 34,07% L3 60 74,99 80,01% Quadrícula 8 Quadrícula 21 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 20 28,73 69,61% SE L1 100 118,14 84,65% NE L2 40 63,17 63,32% L2 80 151,14 52,93% 35 L3 40 69,37 57,66% L3 60 87,34 68,70% Quadrícula 9 Quadrícula 22 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 40 38,62 103,57% SE L1 60 95,89 62,57% L2 60 96,94 61,89% L2 80 111,74 71,59% L3 60 90,55 66,26% L3 60 66,71 89,94% S Quadrícula 10 Quadrícula 23 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 60 103,47 57,99% L1 60 105,14 57,07% L2 40 23,84 167,79% NW L2 40 57,14 70,00% L3 40 62,17 64,34% L3 60 83,4 71,94% S Quadrícula 11 Quadrícula 24 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 80 85,52 93,55% L1 40 70,73 56,55% L2 60 51,03 117,58% SW L2 40 104,96 38,11% L3 60 89,39 67,12% L3 60 77,62 77,30% NW Quadrícula 12 Quadrícula 25 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 40 50,67 78,94% SW L1 40 97,89 40,86% L2 60 86,1 69,69% L2 40 52,21 76,61% SE L3 40 53,45 74,84% L3 60 110,42 54,34% Quadrícula 13 Quadrícula 26 Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) Linha Desnível (m) Comprimento(m) declividade (%) L1 60 100,49 59,71% E L1 60 71,07 84,42% S L2 40 74,88 53,42% L2 60 103,17 58,16% L3 40 103,67 38,58% L3 40 66,12 60,50% Tabela 4: Pontos de maior declividade da bacia. A partir destes pontos é possível organizar uma tabela que representa as maiores declividades bem como suas inclinações e sentido, conforme a tabela a seguir. Maiores declividades 36 Quadrícula Inclinação (%) Direção Quadrícula Inclinação (%) Direção 1 72,21% SE 14 45,52% SE 2 32,89% NO 15 60,05% L 3 41,00% NO 16 73,33% NO 4 36,83% SE 17 90,43% NE 5 67,11% SE 18 95,93% N 6 53,73% SO 19 80,29% SE 7 72,21% SE 20 98,90% SE 8 69,61% SE 21 84,65% NE 9 103,57% SE 22 89,94% S 10 167,79% NO 23 71,94% S 11 117,58% SO 24 77,30% NO 12 78,94% SO 25 76,61% SE 13 59,71% L 26 84,42% S Tabela 5: Maiores declividades da bacias selecionadas a partir da tabela 1. Conforme se levantou os dados de maiores declividades é possível se conhecer o comportamento do relevo da região, este estudo pode ser feito observando a ocorrência das declividades da bacia, que é representado a seguir. Ocorrência de declividades de 30% a 170% Faixa de maior declividade Ocorrência Frequência Simples (%) Frequência acumulada decrescente (%) Frequência acumulada Crescente (%) 25-35 1 3,846% 100% 3,846% 36-45 3 11,538% 84,615% 15,385% 46-55 1 3,846% 80,769% 19,231% 56-65 2 7,692% 73,077% 26,923% 66-75 6 23,077% 50,000% 50,000% 76-85 5 19,231% 30,769% 69,231% 86-95 4 15,385% 15,385% 84,615% 95-105 2 7,692% 7,692% 92,308% acima de 105 2 7,692% 0,000% 100,000% Tabela 6: Ocorrência das declividades, em frequências simples, acumulada crescente e decrescente. Para melhor visualização dos dados é possível construir o gráfico a seguir, no qual verifica-se que as maiores declividades da bacia se encontra na faixa de 66-75%. 37 Gráfico 3: ocorrência das declividades da bacia hidrográfica. Os valores de frequência acumulado crescente e decrescente podem ser analisados no gráfico a seguir. Gráfico 4: Frequência acumulada crescente e decrescente. Questão 5: Fazer o Diagrama Polar das Declividades das Encostas. A partir da tabela foi possível se conhecer a orientação das maiores declividades da região, sendo assim possível construir o gráfico conhecido como diagrama polar das declividades de encosta, verificando-se um padrão, donde as maiores declividades estão voltadas para orientação sudeste da bacia hidrográfica. 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 25-35 36-45 46-55 56-65 66-75 76-85 86-95 95-105 acima de 105 Ocorrência (%) D e cl iv id ad e s (% ) Ocorrência de declividaes de 30% a 170% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% D e cl iv id ad e ( % ) Ocorrência das declividades acumuladas (%) Frequências acumuladas Frequência acumulada decrescente (%) Frequência acumulada Crescente (%) 38 Gráfico 5: diagrama polar das declividades de encosta. Questão 6 Para traçar o perfil longitudinal do rio principal seguiu-se a seguinte metodologia: a) Criar um gráfico onde o eixo y é a altura em metros com escala 25:1 e o eixo x é a distância em metros com escala 1:1. b) Medir a distância entre as curvas de nível que cortam o rio principal, e criar conjuntos de pontos (x,y) onde x é a distância entre as duas curvas analisadas e y é a cota da curva. c) Plotar esses pontos no gráfico. d) Ligar os pontos. A declividade média foi estabelecida traçando uma linha inclinada no perfil longitudinal de modo que o somatório das áreas acima e abaixo da linha fosse igual a zero. 0,000% 10,000% 20,000% 30,000% 40,000% N NE L SE S SO O NO Sentido das declividades da bacia 39 Figura 18 – Perfil Longitudinal do rio principal. O perfil longitudinal com a linha da declividade média se encontra no anexo 1. Questão 7 no anexo I Questões 8 e 9. para um melhor entendimento da dinâmica da bacia em estudo; determinou-se o perímetro, a área de drenagem, o comprimento do talvegue, o comprimento total dos cursos d’água e o comprimento do rio principal através da ferramenta Autocad afim de determinar as suas características físicas como a forma da bacia e o sistema de drenagem. Essas informações obtidas pelo software seguem na tabela abaixo. Área da bacia (km²) Perímetro (Km) Comprimento rio principal (km) Comprimento talvegue (km) Comprimentos total dos rios(km) 22,66 25 7,02 8,92 93,32 Tabela 6 - Características obtidas através da ferramenta AutoCad. 40 Depois da obtenção desses dados, calculou-se os parâmetros adimensionais relacionados à forma da bacia e poder concluir sobre suas características de perenidade. Esses parâmetros que são o coeficiente de compacidade e o fator de forma foram determinados com base das equações a seguir: *Coeficiente de compacidade: 𝐾𝑐 = 0,28 × 𝑃 √𝐴 (1) Onde: Kc o coeficiente de compacidade, P o perímetro (km) e A é a área de drenagem (km²) *Fator de forma: 𝐾𝑓 = 𝐴 𝐿² (2) Onde: Kf o fator de forma, L o comprimento do rio principal (km) e A é a área de drenagem (km²) Os valores do coeficiente de compacidade e do fator de forma obtidos depois dos cálculos seguem na tabela abaixo. Coeficiente de compacidade (Kc) Fator de forma Kf 1,47 0,46 Tabela 7-Parâmetros para determinação da forma da bacia O valor do coeficiente de compacidade superior a 1 indica que a bacia apresenta tendência à forma alongada. Já que a forma de contorno da bacia indica suscetibilidade ás enchentes e perenidade do regime fluvial da bacia, pode-se concluir com base desses valores dos parâmetros adimensionais que a bacia está menos sujeita a enchente e com maior perenidade. Para aprofundar essa análise da bacia, foram determinadas as variáveis referentes ao sistema de drenagem da bacia tais como a densidade de drenagem, a extensão media do escoamento superficial e o índice de sinuosidade. Para determinar essas variáveis citadas logo acima foram utilizadas as seguintes equações: 41 *Densidade de drenagem: 𝐷𝑑 = 𝐿 𝐴 (3) Onde: Dd a densidade de drenagem (Km/Km²), L o comprimento total dos canais (Km) e A é a área de drenagem da bacia (Km²). *Índice de sinuosidade: 𝑆𝑖𝑛 = 𝐿 𝐿𝑡 (4) Onde: Sin a Sinuosidade, L o comprimento do rio principal (km) e Lt o comprimento do talvegue (km). *Extensão média do escoamento superficial: 𝑒 = 𝐴 4𝐿 (5) Onde: e a extensão média do escoamento superficial, L o comprimento total dos canais (km), A a área de drenagem (km²). O resultado dos cálculos das variaveis segue abaixo na tabela 8. 42 Densidade de drenagem (km/km²) Extensão média do escoamento médio Indice de sinuosidade 4,1 0,06 0,8 Tabela 8-Características do sistema de drenagem do curso d'água Constata-se que a bacia apresenta uma densidade de drenagem excepcionalmente boa (>3,5 km/km²) e pode estar relacionada a baixas taxas de infiltração na bacia. Esses valores das variáveis relacionadas ao sistema de drenagem obtidas após cálculo vêm complementar o que foi dito sobre as características de perenidade da bacia. Ao final, com o auxílio do software Autocad, foi feita a classificação da ordem do curso d’água segundo Horton que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro da bacia hidrográfica atribuindo-se um número de ordem a cada curso de água sendo classificadas como cursos de água de 1ª ordem aqueles que não apresentem afluentes. A linha de água formada pela junção de duas linhas de água com a mesma ordem origina uma ordem maior em um. A ordem do rio principal mostra a extensão da ramificação na bacia. Depois da classificação, deduziu-se que é uma rede de drenagem de ordem 4. Segue abaixo uma imagem ilustrativa da classificação feita. Figura 19 - Ordem da rede de drenagem da bacia. 43 Questão 10 Método de Picking: 𝑇𝐶 = 5,3 . ( 𝐿2 𝐼 )1/3 Onde: L é a Distância Horizontal do leito (km) I é a declividade média da linha de fundo (m/m) L=9km I=0,203(m/m) TC=39 min Método de Califórnia Culverts: 𝑇𝐶 = 57 . ( 𝐿3 𝐻 )0,385 Onde: L é a Distância Horizontal do leito (km) H é a diferença de nível entre o posto mais afastado da bacia e a seção considerada (m) L=9km H=280 m TC=82 min Método de Giandotti: 𝑇𝐶 = 4 . √𝐴 + 1,5. 𝐿 0,8 . √𝐻 Onde: A é a Área de drenagem (km2) L é a Distância Horizontal do leito (km) H é a altura média da bacia (m) A=22,65km2 L=9km H=1825 m TC=57 min 44 Método de Vem te Chow: 𝑇𝐶 = 8,425−3 . ( 𝐿 𝐼0,5 )0,64 Onde: L é a Distância Horizontal do leito (m) I é a declividade média da linha de fundo (m/m) L=9000m I=0,203(m/m) TC=285 min Método de Temes: 𝑇𝐶 = 0,3 . ( 𝐿 𝐼0,25 )0,78 Onde: L é a Distância Horizontal do leito (km) I é a declividade média da linha de fundo (m/m) L=9km I=0,203(m/m) TC= 136 min Método de Venture: 𝑇𝐶 = 240. √𝐴. 𝐿 √𝐻 Onde: A é a Área de drenagem (km2) L é a Distância Horizontal do leito (km) H é a altura média da bacia (m) A=22,65km2 L=9km H=1825 m TC=80 min 45 4. Conclusão Conclui-se que a bacia hidrográfica do Ribeirão vermelho apresenta índices físicos muito bons sendo assim não está suscetível a enchentes, muito disso se deve ao seu uso e ocupação do solo, esta bacia se encontra em uma situação rural-urbana, não é uma bacia nativa mas ainda sim a ação antrópica não a levou a situação de grande degradação hidrológica. Quanto aos tempos de recorrências calculados os valores se diferem muito, mas esta situação é normal pois cada autor define uma equação diferente para se calcular o tempo de recorrência sendo assim para validar um dos valores de TR calculados se deve estudar as condições de aplicação das equações ( relacionadas ao tipo de bacia hidrográfica ) e escolher a que melhor representa o local de estudo. 5. Referências DANIEL F.; LEONARDO DUARTE B. Apostila de Hidrologia, Capítulo 3, junho de 2006 < http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/APOSTILA/HIDRO- Cap3-BH.pdf > .Acesso em 10 de junho de 2017 < http://www.portalsaofrancisco.com.br/geografia/bacia-hidrografica >. Acesso em 10 de junho de 2017 Figura 1; Figura 2; Disponíveis em : < http://www.portalsaofrancisco.com.br/geografia/bacia-hidrografica >. Acesso em 10 de junho de 2017 TUCCI, C.E.M., org. (1993). Hidrologia. Ciência e Aplicação. Ed. da Universidade - UFRGS / Ed. da Universidade de São Paulo – EDUSP / Associação Brasileira de Recursos Hídricos – ABRH. VILLELA, S.M. & MATTOS, A. (1975). Hidrologia Aplicada. Ed. McGraw-Hill. ARAÚJO, E. P. de; TELES, M. G. L.; LAGO, W. J. S..(2009) Delimitação das bacias hidrográficas da Ilha do Maranhão a partir de dados SRTM. Anais XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, Brasil, 25 – 30 abril 2009, INPE, v. 1, pp. 4631 – 4638. 46 CARDOSO, M. R. D.: MARCUZZO, F. F. N.; Cálculo da área de drenagem e perímetro de subbacias do rio Araguaia delimitadas por MDE utilizando imagens ASTER. Anais II Simpósio Internacional Caminhos da Cartografia na Geografia: O Mapa como forma de expressão das geografias, São Paulo, Brasil, 01-04 Dezembro, USP, v.1, n. 1, 2010. Disponível em: <http://www2.ana.gov.br/Paginas/servicos/informacoeshidrologicas/redehidro.aspx >.acesso em 01/07/2017 BORDAS, M.P.; SEMMELMANN, F.R.; Elementos de Engenharia de Sedimentos. In: TUCCI, C.M.R. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre: ABRH, 2001. p.915 – 943. TUCCI, C.E.M.; BRAGA, B. Clima e Recursos Hídricos no Brasil. Porto Alegre: ABRH, 2003. 348p.
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