HIDROLOGIA APLICADA Aula 5

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HIDROLOGIA APLICADA	
AULA 5
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
	Conforme visto nas aulas anteriores, uma das etapas do ciclo hidrológico compreende o escoamento superficial, cuja principal origem é a precipitação. Notadamente, dentre as várias formas de precipitação (granizo, neve, chuva, etc), ao se estudar o escoamento superficial o maior interesse e praticamente o único se resume à chuva, pela própria capacidade de gerar escoamento superficial.
	Relembrando o ciclo hidrológico, a precipitação que atinge o solo vai sendo armazenada nas depressões do solo e infiltrando até saturá-lo, quando então o escoamento superficial fica mais intenso. 
	Esse é o chamado escoamento superficial “livre”, que ocorre sobre as diversas superfícies que compõem a bacia hidrográfica. 
	Tal escoamento passa, então, a constituir a microrrede de drenagem, formando pequenos canaletes de água que procuram seguir caminhos preferenciais no solo, conforme a topografia (relevo), a presença de obstáculos, como rochas, raízes, plantas, etc, sob ação da gravidade. 
	Ocorre, então, a formação de pequenos cursos d’água, os córregos, que também vão confluindo uns aos outros até alcançarem os rios.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
	Nota-se, portanto, que há um longo caminho da água precipitada na bacia até o curso d’água principal, escoando inicialmente sobre o solo nas superfícies vertentes e daí seguindo o direcionamento da rede de drenagem, dos menores filetes de água até os maiores rios.
	Entretanto, a água que corre nos rios não tem como origem apenas o escoamento superficial sobre as superfícies vertentes da bacia. 
	Uma parte da vazão do rio é proveniente do escoamento sub-superficial e subterrâneo.
	Ou seja, parcela da água precipitada que infiltra vai escoar sub-superficialmente e outra parcela vai se juntar ao escoamento subterrâneo, alimentando os rios. 
	A rigor, há ainda a parcela da precipitação que cai diretamente sobre a superfície dos rios, mas que é geralmente desprezível, se for considerada relativamente às demais contribuições.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
	Resumindo, em um corpo d’água o escoamento tem como origem as seguintes componentes:
- precipitação direta sobre a superfície do corpo d’água;
- escoamento superficial nas vertentes da bacia;
- escoamento sub-superficial;
- escoamento subterrâneo.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
	Para estudar ou avaliar o escoamento superficial, é de grande utilidade o traçado do hidrograma, que consiste em um gráfico da evolução da vazão ao longo do tempo. 
	Para um rio, o hidrograma se refere a uma seção transversal específica, já que ao longo do seu curso o rio vai recebendo mais contribuições (volumes de água) e aumentando sua vazão, de jusante para montante. 
	Assim, tomando uma determinada seção de um rio, o hidrograma correspondente indica o volume de água escoado por unidade De tempo através daquela seção.
Hidrograma
	Como comentado anteriormente, há um longo percurso para a água precipitada percorrer até atingir uma determinada seção do rio principal na bacia, além de “intervirem” ao longo desse caminho outras etapas do ciclo hidrológico, como evaporação, transpiração, infiltração, etc. 
	Portanto, o comportamento da vazão ao longo do tempo é o resultado de todos os processos e etapas do ciclo hidrológico que ocorreram na bacia hidrográfica em questão, desde a ocorrência da precipitação até a composição dessa vazão.
Hidrograma
	Vendo a bacia hidrográfica como um sistema físico, cuja entrada é a precipitação e a saída é a vazão no seu exutório, entende-se que o hidrograma representa a “resposta” da bacia, naquele ponto ou seção considerada, à precipitação que ocorreu na sua área de contribuição. 
	E o modo como ocorre essa “resposta”, ou seja, o formato do hidrograma (como evoluiu a vazão ao longo do tempo), é reflexo direto das particularidades de cada bacia hidrográfica, estando envolvidos fatores como grau de urbanização, tipo de solo, área, etc.
Hidrograma
	A título de curiosidade e ilustração, na Figura é apresentado um hidrograma composto por dados observados (vazões diárias medidas no próprio rio) no Rio Uruguai, na seção localizada em Garruchos, a cerca de 300 km a montante de Uruguaiana. Esse hidrograma é referente ao período entre julho e setembro de 1965, com destaque para a cheia que ocorreu entre os dias 16 e 30 de agosto.
Hidrograma
	O hidrograma no Rio Uruguai apresentado ilustra bem a questão da resposta da bacia a um evento chuvoso. Observa-se que a vazão no rio oscilava em torno de 1.000 m³/s até 16 de agosto, quando começa a aumentar relativamente rápido, superando 30.000 m³/s por volta do dia 24 de agosto. 
	Claramente, essa ascensão do hidrograma foi devido à ocorrência de uma precipitação intensa na área de contribuição a montante. Antes da precipitação, praticamente apenas o escoamento subterrâneo estava contribuindo para a formação daquela vazão no rio, em torno de 1.000 m³/s.
	Então, dada à ocorrência de um evento chuvoso, a resposta da bacia ou o hidrograma resultante tem tipicamente o aspecto daquele mostrado na Figura a seguir, ao qual se aproxima bem o hidrograma observado no Rio Uruguai.
Hidrograma
Hidrograma
Hidrograma
	No hidrograma esquemático da Figura 5.2, convém destacar alguns pontos interessantes:
em resposta à precipitação ocorrida, apresentada no alto da figura, a vazão no rio começa a subir a partir do instante correspondente ao ponto A, alcançando o pico (ponto de máxima vazão) em B e depois decrescendo;
o trecho de subida do hidrograma, entre os pontos A e B, é a curva de ascensão do hidrograma, enquanto o trecho B-C é a curva de depleção;
Hidrograma
No hidrograma em questão, parte da vazão é devido ao escoamento superficial nas vertentes e parte é devido à alimentação do rio pelas águas subterrâneas (escoamento subterrâneo), sendo cada parcela correspondente indicada na figura – do eixo horizontal até a curva azul claro corresponde à vazão contribuinte do escoamento subterrâneo; de tal curva até a curva azul escuro (hidrograma propriamente dito) corresponde à contribuição do escoamento superficial na bacia;
o ponto C caracteriza o instante de tempo em que não há mais escoamento superficial devido àquela precipitação contribuindo para essa seção do rio; esse ponto C é conhecido como ponto de inflexão;
também é interessante a caracterização do tempo de pico (tpico), ou seja, o tempo transcorrido desde o centro de massa da precipitação até o hidrograma atingir seu máximo.
Hidrograma
	Convém ressaltar que, desde o início da precipitação (instante de tempo t0), transcorreu um certo tempo até que essa água precipitada atingisse o curso d’água na seção em questão, o que só ocorreu no instante de tempo tA, referente ao ponto A, que já foi indicado como o início da ascensão do hidrograma. Novamente, isso é decorrente de todos os processos que estão envolvidos de certa forma no caminho desde a ocorrência da precipitação até a vazão no rio.
Tempo de Concentração
	
	Uma característica importante do hidrograma de uma bacia é o tempo de concentração (tc), definido como sendo o tempo necessário para que toda a bacia hidrográfica contribua para o ponto (seção) analisado. Em outras palavras, o tempo de concentração também pode ser entendido como o tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante da bacia se desloque até a seção analisada.
	
Tempo de Concentração
	Na prática, há diversas equações empíricas que correlacionam aspectos físicos da bacia com o tempo de concentração, sendo uma forma usual de estimar esse parâmetro. A equação de Kirpich e a desenvolvida pelo California Culverts Practice são dois exemplos:
Fatores intervenientes no hidrograma
	Como já comentado, o hidrograma constitui a resposta da bacia à ocorrência de uma determinada precipitação, sendo resultado de todos os processos envolvidos que acontecem na bacia desde o instante em que a chuva cai até atingir o rio. 
	Então, ao imaginar esse caminho e os processos envolvidos, percebe-se que há diversos fatores que influenciamno modo como a bacia vai responder à precipitação, ou seja, em como é o comportamento da vazão ao longo do tempo – o hidrograma. 
	Os seguintes fatores podem ser listados como os principais: características fisiográficas da bacia; tipo de solo; uso e ocupação do solo; intervenções no rio; características da precipitação.
Fatores intervenientes no hidrograma
Características fisiográficas da bacia
	Aspectos como forma, área, relevo e rede de drenagem têm grande influência na forma do hidrograma. 
	Por exemplo, uma bacia com formato arredondado tende a apresentar o pico do hidrograma maior do que o de uma bacia de formato mais alongado, considerando semelhantes as demais condições. 
	Como o escoamento ocorre pela ação da gravidade, é intuitiva a percepção de que uma bacia com maiores declividades do terreno também está sujeita a maiores cheias (hidrogramas mais acentuados) do que aquelas mais planas. 
	No mesmo sentido, o fato de apresentar uma rede de drenagem melhor distribuída espacialmente (mais ramificada e com menor “espaço” entre os cursos d’água) também facilita o escoamento superficial e aumenta a vazão de pico no exutório da bacia.
Fatores intervenientes no hidrograma
Tipo de solo
	Conforme a bacia apresente solos mais ou menos permeáveis, haverá maior ou menor infiltração, respectivamente, ditando portanto a geração de escoamento superficial. 
	Solos argilosos, por exemplo, apresentam menor permeabilidade do que solos arenosos. Também influencia a questão da umidade inicial do solo, ou seja, a umidade do solo no instante em que ocorre a precipitação. 
	Obviamente, se o solo já está saturado ou com uma certa umidade, decorrente de uma precipitação anterior, ao ocorrer a nova precipitação sua capacidade de absorver essa água será nula ou bem inferior àquela se ele estivesse em condições normais, repercutindo na maior geração de escoamento superficial.
Fatores intervenientes no hidrograma
Uso e ocupação do solo
	Analogamente ao tipo de solo, o tipo de atividade ou de ocupação da bacia reflete diretamente no escoamento superficial, pois áreas urbanas, florestas e campos agrícolas, por exemplo, apresentam diferentes comportamentos quanto à capacidade de infiltração e de armazenamento da água precipitada. 
	Áreas urbanas apresentam praticamente toda a área coberta por superfícies impermeáveis, fazendo com que quase todo o total precipitado escoe superficialmente, ao passo que em áreas rurais uma parcela da precipitação infiltra no solo. 
	Assim, no primeiro caso, o hidrograma apresenta um pico mais acentuado e que ocorre mais rápido do que no segundo caso, como ilustra a Figura 5.3.
Fatores intervenientes no hidrograma
Fatores intervenientes no hidrograma
Intervenções no rio
	Procurando atender suas necessidades, o homem tem alterado substancialmente os rios e arroios, seja na forma de barramentos como através de desvios, retificação e canalização do rio. 
	A construção de barragens altera drasticamente a variação natural da vazão no rio a jusante da obra e, portanto, o hidrograma no trecho em questão é totalmente dependente do modo como é operada a barragem, do quanto de vazão ela “deixa passar” para jusante – a vazão no rio a jusante de uma barragem é normalmente referida como vazão regularizada (Figura 5.4). 
	As intervenções humanas no sentido de retificar e canalizar o curso d’água também repercutem na forma do hidrograma, já que a canalização geralmente possibilita um fluxo mais rápido, com maiores velocidades do escoamento.
Fatores intervenientes no hidrograma
Fatores intervenientes no hidrograma
Características da precipitação
	Além dos demais fatores mencionados, que são função da própria bacia, as características da precipitação também influenciam bastante o formato do hidrograma. 
	Chuvas rápidas mas com maior intensidade tendem a provocar hidrogramas com maiores picos do que chuvas de menor intensidade e maior duração, cujo hidrograma é “mais achatado”, ou seja, a vazão é mais uniforme ao longo tempo, relativamente ao primeiro caso – a Figura 5.5 traz um exemplo. 
	Mas a distribuição espacial da chuva também repercute significativamente no aspecto do hidrograma, pois a ocorrência da precipitação em uma área próxima à seção do rio em análise vai gerar maiores vazões do que se essa mesma precipitação ocorresse apenas na cabeceira da bacia.
Fatores intervenientes no hidrograma
Precipitação Efetiva
	Como já comentado, a principal origem do escoamento superficial é a precipitação. Entretanto, apenas uma parcela da precipitação que atinge o solo gera escoamento superficial, já que parte evapora, infiltra ou fica armazenada em depressões do solo (Figura 5.6).
Precipitação Efetiva
	À parcela da precipitação que produz escoamento superficial dá-se o nome de precipitação efetiva. Para sua determinação, os principais métodos são aqueles que utilizam equações de infiltração, índices e o método SCS.
	Na tentativa de representar o processo de infiltração da água no solo, foram desenvolvidas algumas equações, que serão descritas em capítulo posterior deste texto. 
	Tais equações não são normalmente empregadas para a determinação da precipitação efetiva por requererem uma caracterização do solo da região, para estimar os parâmetros da infiltração, o que nem sempre está disponível.
Precipitação Efetiva
Índices
	O uso de índices consiste em um método simplificado de determinar a precipitação efetiva, através do emprego de um fator constante, chamado índice. 
	Tal fator pode ser estimado a partir dos dados de vazão ou adotando-se um valor pré ajustado com base em eventos anteriores de chuva ou com base no valor estimado para outras bacias com características semelhantes.
	O índice α é um fator constante multiplicativo da precipitação total (P), cujo resultado é a precipitação efetiva (Pef), sendo seu valor geralmente entre 0,8 e 0,9 (Tucci, 2000):
Precipitação Efetiva
Índices
	Outro índice é o φ , cujo valor também constante deve ser subtraído do total precipitado para obter a precipitação efetiva: 
onde φ pode ser determinado dividindo-se a diferença entre o total precipitado e o total escoado pelo número de intervalos de tempo em que a precipitação foi discretizada:
onde Pt e Qt é a precipitação e a vazão no instante de tempo t, e nt é o número de intervalos de tempo.