Hidrologia - Ciência e Aplicação 4ª ed - Tucci

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M. TUCCI
CARLOS E... îZADOR
ORGANI-
A EDIÇÃO
SEGUNDA/
r
Universidade 
Federal 
do Rio Grande 
do Sul
Reitora
Wrana Panizzi
Vice-Reitor
Nilton Rodrigues Paim
Pró-Reitor de Extensão 
Luiz Fernando Coelho de Souza
Vice-Pró-Reitor de Extensão 
José Augusto Avancini
EDITORA DA UNIVERSIDADE
Diretor
Geraldo F. Huff
CONSELHO EDITORIAL 
Anna Carolina K. P. Regner 
Christa Berger 
Eloir Paulo Schenkel 
Georgina Bond-Buckup 
Jose Antonio Costa 
Livio Amaral 
Maria da Graça Krieger 
Maria Heloísa Lenz 
Odone Sanguiné 
Paulo G. Fagundes Vizentini
Editora da Universidade/UFRGS • Av. Joào Pessoa, 415 - 90040-000 Porto Alegre, RS - Fone (051) 224- 
8821 - Fax (051) 316-3977 • Direção: Geraldo Francisco HutF • Editoração: Paulo Antonio da Silveira (coor­
denador), Carla M. Luzzatto, Cláudia Bittencourt, Maria da Glória Almeida dos Santos, Rubens Renato Abreu • 
Administração: Julio Cesar de Souza Dias (coordenador), Laerte Balbinot Dias • Apoio: Iara Lombardo, Idalina 
Louzada, Laércio Fontoura.
Geraldo F. Huff, presidente
© dos autores 
Ia edição: 1993
Direitos reservados desta edição:
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Capa; Carla M. Luzzatto
Ilustração da capa: Rio Araguaia. Imagem SPOT. de 15/7/1986 
Revisão: Maria da Graça Storti Féres 
Anajara Caibonell CIoss 
Maria da Glória Almeida dos Santos 
Cláudia Bittencourt
1’ínstitut 
;ai5
de recherche 
scientifique 
pour le
développem ent
en coopération
Hidrologia: ciência e aplicação / organizado por Carlos E. M. Tucci. - 2.ed.: 
2.reimpr. - Porto Alegre : Ed. Umversidade/UFRGS : ABRH. 2001.
(Coleção ABRH de Recursos Hídricos: v.4)
1, Hidrologia. 2. recursos hídricos. I. Tucci, Carlos E. M.
CDU 556.01/.56
Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto - CRB 10/1023
AGRADECIMENTOS
Este livro contou com a contribuição de um grupo numeroso de pessoas, 
além dos autores. Estas contribuições foram na revisão do texto, 
identificação de erros, digitação, desenho, edição, ou seja nas diferentes 
tarefas que envolvem a produção de um texto desta magnitude. Sem estas 
pessoas certamente o livro não seria concluído e muito menos em três anos. 
Portanto, os autores desejam agradecer nominalmente a todas as pessoas abaixo 
relacionadas que permitiram a conclusão deste livro.
Agradecemos pela revisão e sugestões aos seguintes profissionais: 
ÀntonioRighetto, Marcos Leão, Mario Wregue,FranzSemmelman,NelsonCaicedo, 
David Marques, Robin T. Clarke, Mario Simões Lopes, Juan C. Bertoni, Olavo 
Pedrollo, Adolfo Villanueva, Fernando Genz, Eduardo Sávio, Luis. Brasa e Elisa 
Chaves.
A contribuição de Andréa Germano, Fernando Genz e Fernando Steffon e das 
bibliotecárias Jusaxa Silva e Jussara Barbieri foram inestimáveis na produção 
dos originais enviados à editora. Os desenhos foram elaborados pelo setor de 
Desenho do IPH/UFRGS com a dedicação dos desenhistas Mareia Feijó, Olasio 
Mendes, Dagobeito Weimar e dos funcionários Geraldo Godoy e Mareia Nelci 
Feijó.
PREFÁCIO
A água é um bem essencial à vida e ao desenvolvimento econômico-social 
das nações. Trata-se de um recurso natural renovável que pode tomar-se 
escasso com o crescimento das populações, das indústrias e da agricultura.
Os pesados investimentos exigidos no setor dos recursos hídricos para 
ter esse recurso natural com os requisitos apropriados, em termos de 
quantidade e qualidade, representam uma parcela significativa dos orçamentos 
nacionais e regionais.
Pela sua importância estratégica, este setor ressente-se ainda da 
necessidade de desenvolvimento e aprimoramento de métodos e técnicas próprias 
que possibilitem a sua utilização racional na promoção do crescimento 
econômico e do bem estar social do país.
A ABRH, atenta para essa demanda, vem dedicando um considerável esforço 
na publicação de periódicos e livros técnicos que possam contribuir para o 
aprimoramento e qualificação profissional do pessoal envolvido com a ciência 
dos Recursos Hídricos.
O iivro que agora apresentamos,"Volume IV da Coleção ABRH", é o mais 
novo esforço da Associação nesse contexto da construção de maior capacidade 
técnica de nossos profissionais, recomendada de forma prioritária na 
Conferência Internacional das Nações Unidas realizada no Rio de Janeiro em 
1992. Trata-se de um livro que todo profissional da área deve conhecer para 
melhor desempenhar sua contribuição na solução dos problemas dos Recursos 
Hídricos. É um livro extenso, de 24 capítulos, que organiza de uma forma 
teórica e aplicativa os conhecimentos hidrológicos, oferecendo aos leitores 
uma útil fonte de consulta e aprimoramento.
Uma vez que a ABRH dedica o biênio 92/93 ao ensino da ciência dos 
wRecursos Hídricos, esse esforço editorial não podería deixar de contemplar 
nossa preocupação com os cursos de graduação e pós-graduação de nossas 
Universidades. Dessa forma, os autores convidados a escrever os diversos 
capítulos procuraram também deixar em seus textos uma seqüência lógica que 
deverá permitir que o livro venha a atingir esse público.
A cada um dos autores e a todos que contribuiram para a publicação desse 
livro, a diretoria nacional da ABRH deixa, em nome de seus associados, os 
mais fortes agradecimentos.
Paulo Canedo de Magalhães
Presidente da ABRH
APRESENTAÇÃO
Inicialmente pretendíamos organizar um texto de apoio ao ensino de pós- 
graduação de Hidrologia, mas a grande diversidade de formação dos alunos que 
concorrem a esse programa exige que o curso de Hidrologia Básica contenha os 
elementos do graduação e a introdução para um programa mais avançado. Dessa 
forma o texto pode ser utilizado tanto no graduação como num curso inicial do 
pós-graduação, diferenciando-se pela profundidade utilizada em cada capítulo 
ou pela escolha de capítulos que atendam ao programa desejado.
Os resultados foram promissores, em apenas quatro meses foram preparados 
doze capítulos utilizados num curso introdutório de Hidrologia do pós- 
graduação de Recursos Hídricos e Saneamento do IPH/UFRGS. Esta primeira 
versão serviu de base para um projeto maior, o de preparar um livro que 
contivesse tópicos básicos e aplicados de Hidrologia e fosse utilizado também 
nos cursos de graduação. Com essa ampliação e no aprimoramento dos capítulos 
anteriormente elaborados, este livro foi concluído através da participação de 
dezesseis qualificados professores. O desenvolvimento do texto, revisões e 
edição da minuta entregue à editora da UFRGS levou cerca de dois anos e meio.
Quando um curso ou texto sobre um assunto é organizado, existem duas 
formas básicas de desenvolvê-lo, segundo a teoria ou com base nas aplicações. 
Os conceitos que formam a teoria, em geral, são mais áridos dificultando o 
ensino e o aprendizado, enquanto a aplicação é sempre mais fácil de 
interessar o leitor. No ensino de graduação de Hidrologia c interesse do 
aluno tem sido reduzido, principalmente devido à seqüência de conceitos que 
envolve o ciclo hidrológico. Quando este assunto é visto dentro,,de uma ótica 
de aplicação passa a ter maiores atrativos. O dilema, no entanto, decorre que 
sem os conceitos fundamentais não é possível que os profissionais tenham uma 
formação aplicada coerente. Este livro foi dividido em duas partes, a 
primeira, que envolve os treze primeiros capítulos, procura ensinar os 
principais elementos do ciclo hidrológico, utilizando-sé de exemplos' 
práticos. Na segunda parte são apresentados capítulos organizados segundo 
aplicações, que utilizam técnicas descritas nos primeiros capítulos. O 
primeiro conjunto de capítulos pode ser utilizado em uma disciplina básica do 
graduação ou pós-graduação, de acordo com a profundidade utilizada do texto. 
O segundo grupo de capítulos pode ser utilizado para disciplinas aplicadas 
opcionais destes níveis de formação ou como a segunda parte do curso básico. 
Evidentemente que os temas, dentro de cada capítulo, não foram esgotados. A 
orientação do texto não foi a de explorar totalmente cada tema, mas a de 
introduzir o leitor no conhecimento de uma literatura específica.
A Hidrologia não se resume na descrição e quantificação dos processos 
envolvidos em parte do ciclo hidrológico, mas qualquer profissional que atue 
nesta área deve conhecer qualitativamente e quantitativamente os processos 
físicos envolvidos, para que possa melhor utilizar ferramentas sofisticadas
Apresentação
na avaliação e Planejamento dos Recursos Hídricos. Em Hidrologia atuam 
profissionais de diferentes formações, combinando técnicas matemáticas, 
estatísticas, processos químicos, físicos e biológicos. Para que todas essas 
informações sejam utilizadas corretamente toma-se necessário um bom 
conhecimento dos fundamentos envolvidos,
No primeiro capítulo é apresentada uma visão de conjunto da Hidrologia 
como ciência e aplicação, procurando identificar as diferentes áreas de 
desenvolvimento e os desafios. O segundo capítulo reune a visão macro do 
ciclo hidrológíco, quantificando o balanço do globo terrestre, com os 
elementos físicos da bacia hidrográfica. O relevo e a sua influência no 
comportamento sobre o escoamento resultante da bacia são elementos que a 
ciência procura melhor explicar e alguns destes aspectos são introduzidos 
nesse capítulo. O capítulo seguinte trata dos elementos de hidrometeorologia 
e busca introduzir o leitor nas principais variáveis e processos necessários 
à compreensão de algumas condições climáticas e à descrição de metodologias 
utilizadas em outros capítulos.
O quarto capítulo trata de Hidrologia Estatística e devido a sua grande 
importância dentro de qualquer curso de hidrologia foi mais detalhado e 
ocupou um espaço maior neste livro. As estatísticas básicas, os elementos de 
probabilidades, regressão e correlação foram introduzidos para o leitor 
leigo. Esses xnceitos foram exemplificados com problemas de hidrologia, mas 
são utilizados em outros capítulos. No capítulo 17 alguns dos elementos 
desses capítulos são aprofundados visando o leitor interessado em aprimorar 
seus conhecimentos.
O quinto capítulo inicia a seqüência dos processos do ciclo hidrológíco 
com a Precipitação. O mecanismo da precipitação, suas medidas e análise dos 
dados básicos são tratados inícialmente. Os aspectos de coleta de dados são 
tratados no capítulo 13 que engloba toda a aquisição de dados de bacias 
hidrográficas. A seguir neste capítulo são apresentados os principais 
elementos sobre a precipitação média e máxima, A interceptação é tratada no 
capítulo 6 onde tanto os aspectos da interceptação vegetal como das 
depressões do solo são descritos. A evaporação e a evapotranspiração, 
descritas no capítulo 7, são apresentadas através dos principais métodos, 
dando-se ênfase ao método de Penman, baseado no balanço de energia.
A parte do ciclo hidrológíco em que a água escoa dentro do solo foi 
separada em duas partes fundamentais. No capítulo 8 são apresentadas as 
principais características do escoamento subterrâneo em meio saturado, 
enquanto que no capítulo 9 é apresentada a infiltração, que permite avaliar a 
quantidade de água que penetra no solo, e o armazenamento na camada superior 
do solo onde, em geral, ocorre o escoamento em meio não-saturado. O 
armazenamento no solo é fator importante para a irrigação e drenagem.
O escoamento superficial na bacia hidrográfica pode ser separado em duas 
partes principais, o escoamento de pequena profundidade, que escoa na
Hidrologia
superfície, e o escoamento em rios e canais com grande profundidade e largura 
definida. No capítulo 10 são apresentados os fundamentos do escoamento não- 
permanente, no qual são baseados os métodos utilizados para representar este 
escoamento tanto na superfície como nos rios. No capítulo 11 são descritas as 
metodologias de análise do escoamento superficial, desde a separação desse 
escoamento a partir do hidrograma, cálculo da precipitação efetiva, que gerou 
o escoamento superficial até a utilização do hidrograma unitário. No capítulo 
12 é descrita inicialmente a metodologia de cálculo de linha de água em 
regime permanente em rios, que em geral não é abordada nos cursos ou livros 
de mecânica de fluidos. A seguir são descritas as metodologias de simulação 
do escoamento em reservatórios e rios.
O capítulo 13, que trata da Aquisição de Dados Hidrológicos, podería 
aparecer no início ou no final do grupo de capítulos que retratam o ciclo 
hidrológico. A inclusão do capítulo nesta seqüêncía permite que o leitor, 
após conhecer os processos, tenha melhores condições de entender como 
realizar a aquisição de informações. O capítulo busca dar a visão de uma 
bacia e analisar principalmente a coleta das duas variáveis principais, a 
precipitação e a vazão. Evidentemente que outras variáveis poderíam ser 
incluídas, mas os objetivos deste livro e o espaço disponível não permitiram.
Como mencionado anteriormente, os treze primeiros capítula compõem a 
base conceituai de Hidrologia para o nível introdutório. Os capítulos que 
seguem não possuem necessariamente seqüêncía e podem ser utilizados como 
compartimentos estanques, apesar de existirem algurnas referências entre si 
(por exemplo, capítulo 14 e 16, 14 e 21). Esses capítulos representam a 
utilização da hidrologia em problemas de engenharia.
No capítulo 14 é tratado um problema tradicional de recursos hídricos, a 
vazão ou seqüêncía de vazões (hidrograma) para dimensionamento de uma obra 
hidráulica. O capítulo separa a determinação da vazão máxima, quando somente 
esta é desejada, e o hidrograma de projeto, quando tanto a máxima como a 
evolução das vazões são necessárias. O capítulo 15 trata da regionalização de 
vazões que é um conjunto de técnicas utilizadas para estimar as vazões em 
locais com deficiências de dados. Essas técnicas são importantes na realidade 
brasileira em função do custo da obtenção dos dados e do tamanho do país. 
Como se observa, estes dois capítulos são básicos para conhecimentos de 
variáveis de projetos de engenharia.
A enchente é um dos problemas freqüentes da cidades que se expandem. No 
capítulo 16 são apresentados os principais aspectos necessários ao controle 
de enchentes, através de metodologias descritas nos capítulos anteriores e 
complementadas nesse capítulo.
O capítulo 17 está integrado com o capítulo 4 e representa um passo mais 
aprofundado dentro da Hidrologia Estatística e é recomendado ao leitor que 
necessita de aprimorar seus conhecimentos no assunto e explorar mais as 
técnicas estatísticas.
Apresentação
O capítulo 18 trata de outro problema tradicional de engenharia de 
recursos hídricos, que é o dimensionamento do volume de um reservatório. O 
capítulo é conceituai e mostra passo a passo a determinação da relação entre 
demanda e armazenamento. Esse capítulo evita o uso dos tradicionais métodos 
gráficos, já que com as disponibilidades computacionais hoje disponíveis não 
mais se justificam.
A gestão dos recursos hídricos é hoje uma necessidade para uma sociedade 
que explora esse recurso limitado. O capítulo 19 inicia tratando de 
identificar os principais usos dos recursos hídricos, caracteriza seus 
múltiplos usos e apresenta os principais elementos da gestão dos recursos 
hídricos.
A Drenagem de águas subterrâneas, tratada no capítulo 20, complementa os 
elementos apresentados no capítulo 8, descrevendo os principais aspectos de 
drenagem superficial e da exploração de poços.
No capítulo 21 a drenagem urbana é apresentada iniciando com os 
princípios do plano diretor de drenagem, que enfatiza a necessidade de evitar 
a ampliação das vazões para jusante. O capítulo separa o assunto em macro e 
microdrenagens e descreve as principais metodologias utilizadas na prática, 
concluindo com o uso integrado dos métodos representado pelo modelo 
hidrológico.
O capítulo 22 'tem um título ambicioso para ser tratado em tão poucas 
páginas, no entanto, o objetivo foi o de introduzir o leitor nos principais 
tópicos onde os usos dos Recursos Hídricos interferem no meio ambiente 
aquático. O capítulo menciona novamente os principais usos da água e a sua 
intereferência com o meio
ambiente, concluindo com um roteiro do RIMA, 
Relatório de impacto ambiental de um projeto de irrigação.
O capítulo 23 trata do Uso de Radar, técnica que tem cada vez mais 
utilização em hidrologia, com aplicação em diferentes áreas. No Brasil o seu 
uso ainda é limitado devido ao alto custo de implementação e operação desse 
sistema, no entanto, certamente haverá a tendência de sua ampliação de 
instalação. O conteúdo do capítulo busca informar os princípios básicos, 
vantagens e limitações, concluindo com a ilustração de diferentes aplicações.
O capítulo 24 encerra este livro tratando da Engenharia de Sedimentos, 
que tem um efeito importante sobre algumas variáveis do ciclo hidrológico e 
relação direta com a ocupação do espaço pelo homem. Os principais conceitos e 
metodologias de estimativa dos sedimentos em bacias hidrográficas são 
introduzidos no capítulo
Sugestões para uso do texto no curso de graduação
As sugestões a seguir apresentadas referem-se principalmente à 
disciplina de Hidrologia dentro do curso de Engenharia Civil, mas poderão ser 
utilizadas em outras formações. Na Resolução n. 48/76 do Ministério da
Hidrologia
Educação de 27/4/76, que define o currículo mínimo de várias carreiras, 
inclusive da Engenharia Civil, a Hidrologia é citada explicitamente. O 
conteúdo previsto nessa resolução 6 o seguinte:
"Ciclo hidrológico, precipitação, recursos hídricos superficiais e 
subterrâneos e evaporação.”
Esta descrição é resumida e limitada. O programa, aplicado em parte 
significativa dos importantes cursos das universidades brasileiras, contém, 
em síntese, o seguinte:
Ciclo hidrológico, bacia hidrográfica, precipitação, evaporação e
evapotranspiração, água subterrânea, infiltração, escoamentos,
hidrometria, regularização de vazão e vazão de projeto.
Este programa é, em geral, apresentado num semestre com 60 horas de 
aula, correspondendo a 4 créditos. Algumas Universidades possuem disciplinas 
complementares optativas que se inserem dentro da concentração de Recursos 
Hídricos e apresentam conteúdo complementar mais aplicado sobre Hidrologia.
O conteúdo deste livro pode ser utilizado numa seqüência de disciplinas 
dentro desta opção, atendendo primeiramente à disciplina obrigatória e depois 
àquelas optativas que utilizem combinações dos capítulos apresentados. Na
tabela 1 abaixo, sugerimos um programa para a disciplina com os itens do
livro que poderiam ser utilizados
Este programa é ambicioso devido à quantidade de conteúdos e o tempo 
previsto. Adaptações a cada realidade devem ser realizadas. O quadro 
apresentado é somente uma das muitas alternativas existentes.
Carlos E.M. Tucci
Apresentação
Tabela 1. Sugestão de programa para um curso de Hidrologia na Engenharia
Civil
Capítulos do programa recomendado Sugestão quanto ao conteúdo 
do livro
Horas
aula
[-Introdução 
2-Ciclo hidrológico
capítulo 1 2
e Bacia hidrográfica capítulo 2 2
3'Elementos de hidrometeorologia capítulo 3 até 3.2 2
4’EIementos de Estatística capítulo 4; 4.1 a 4.3,4.4.2 
(selecione algumas distribuições),
4.5.1. 6
5-Precipitaçao capítulo 5 sem os itens: 
vetor regional, PMP e
Método de Chicago 6
ó-Interceptação capítulo 6 2
7-Evaporação e Evapotranspiração capítulo 7 4
8-Agua Subterrânea capítulo 8 (8.1 e 8.2) e
capítulo 20 (20.1 a 20.3) 4
9-Infiltração capítulo 9 (9.1) 4
10-Fundamentos do Escoamento capítulo 10 (sem deduções) 2
1J -Escoamento superficial capítulo 11 (sem HUI) 6
12-Escoamcnto em rios e canais capítulo 12 (sem deduções
Muskingun-Cunge) 6
13-Aquisíção de Dados hidrológicos capítulo 13 até 13.4.2 6
14-Vazão máxima capítulo 14, 14.1 a 14.2.2 4
15-Regularização de vazão capítulo 18 4
AUTORES
CARLOS E. M. TUCCI, PhD
Professor Titular do Departamento de Hidromecânica e Hidrologia do Instituto de 
Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
ANDRE L. L. DA SILVEIRA, Dr.
Professor Assistente do Departamento de Hidromecânica e Hidrologia do Ins­
tituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande 
do Sul.
ANTONIO BENETTI, MSc
Professor Assistente do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pes­
quisas Hidrátíftâs (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
ANTONIO E. L. LANNA, PhD
Professor Adjunto do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pes­
quisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
FRANCISCO BIDONE, Dr.
Professor Assistente do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pes­
quisas Hidráulicas' (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
FRANZ SEMMELMAN, Dr.
Professor Adjunto do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pes­
quisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
JOSÉ A. LOUZADA, MSc
Professor Assistente do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pes­
quisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federai do Rio Grande do Sul.
JUAN C. BERTONI, MSc
Professor Assistente do Departamento de Hidromecânica e Hidrologia do Ins­
tituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande 
do Sul.
KAMEL ZAHED FILHO, Dr.
Professor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - USP e enge 
nheiro da Companhia Estadual de Saneamento Básico do Estado de São Paulo.
LAWSON F. S. BELTRAME, MSc
Professor Adjunto do Departamento de Obras Hidráulicas e Diretor do Institu o 
de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Su .
MARC P. BORDAS, Dr.
Professor Titular do Departamento de Obras Hidráulicas do Instituto de Pesqui­
sas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
MARCOS L. PESSOA, PhD
Engenheiro da Companhia Paranaense de Energia Elétrica - COPEL; professor 
visitante do programa de pós-graduação de Engenharia Hidráulica e Sanitária 
da USP
NELSON L. CAICEDO, PhD
Professor Titular do Departamento de Hidromecânica e Hidrologia do Instituto de 
Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
PIERRE CHEVALLIER, Dr.
Diretor de pesquisa da ORSTOM Instituto Francês de Pesquisa Científica para o 
Desenvolvimento em Cooperação e pesquisador visitante no Instituto de Pes­
quisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul
RUBEM L. PORTO, Dr
Professor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - USP e enge­
nheiro do Centro Tecnológico de Hidráulica do Departamento de Águas e Ener­
gia Elétrica do Estado de São Paulo, CTH
ROBIN T. CLARKE, DSc
Professor Visitante do Departamento de Hidromecânica e Hidrologia do Instituto 
de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federai do Rio Grande do Sul.
SUMARIO
1 - HIDROLOGIA: CIÊNCIA E APLICAÇÃO
Carlos E.M. Tucci
1.1 Introdução 25
1.2 Histórico 27
1.3 Ciência hidrológica 29
1.4 Hidrologia aplicada 31
2 r CICLO HIDROLÓGICO E BACIA HIDROGRÁFICA
André L. L. da Silveira
2.1 Introdução 35
2.2 Descrição geral do ciclo hidrológico 36
2.3 Quantificação geral dos fluxos e reservas de água 38
2.4 Bacia hidrográfica 40
3 - ELEMENTOS DE HIDROMETEOROLOGIA
Juan Carios Bertoni
3.1 A atmosfera terrestre 53
3.2 Umidade atmosférica 54
3.2.1 Relação entre o vapor de água e a temperatura do ar 56
3.2.2 índices da umidade do ar 58
3.2.3 Relações entre os diferentes índices de umidade 60
3.2.4 Determinação da pressão de vapor de água 61
3.3 Processos de transporte 62
3.4 Transformações adiabáticas 65
3.5 Estabilidade atmosférica 67
3.6 Temperaturas associadas a processos convectivos 71
3.7 Altura de águaprecipitável ou condensável 71
4 - ELEMENTOS DE ESTATÍSTICA E PROBABILIDADES
Antonio Eduardo Lanna
4.1 Introdução 79
4.2 Tratamento estatístico de variáveis hidrológicas 80
4.2.1 Representação gráfica 82
4.2.2 Representação numérica 91
4.3 Modelos probabilísticos em hidrologia 106
4.3.1 Conceitos básicos de probabilidades 109
4.3.2 Funções densidade e cumulativa de probabilidade 113
4.3.3 Estimativa dos parâmetros das distribuições teóricas 115
4.4 Principais modelos probabilísticos 120
4.4.1 Modelos probabilísticos discretos 120
4.4.2 Distribuições contínuas
128
4.5 Avaliação do ajuste de modelos probabilísticos 161
4.5.1 Posições de locação de amostras 162
4.5.2 Papéis probabilísticos de algumas distribuições
teóricas 164
5 - PRECIPITAÇÃO
Juan C. Bertoni e Carlos E.M.Tuccí
5.1 Introdução 1^7
5.2 Mecanismos de formação das precipitações 177
5.3 Classificação das precipitações 180
5.4 Pluviometria 181
5.5 Análise dos dados de precipitação 182
5.5.1 Preenchimento de falhas 183
5.5.2 Análise de consistência de séries pluviométricas 186
5.6 Precipitação média numa área 193
5.7 Análise de freqüência de séries mensais c anuais 198
5.8 Precipitações máximas 200
5.8.1 Determinação de curvas de intensidade-duração-
freqüência 201
5.8.2 Precipitação máxima provável 209
5.8.3 Distribuição temporal 220
5.8.4 Distribuição espacial 231
6 - INTERCEPTAÇÃO 
Carlos E.M. Tucci
6.1 Introdução 243
6.2 Interceptação vegetal 243
6.3 Armazenamento nas depressões 249
7 - EVAPORAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO 
Carlos E. M. Tucci e Lawson F. S. Beltrame
7.1 Introdução
7.2 Evaporação
253
253
7.2.1 Métodos de transferência de massa 254
7.2.2 Balanço de energia 255
7.2.3 Equações empíricas 264
7.2.4 Evaporímetros 265
7.2.5 Balanço hídrico 267
7.3 Evapotranspiração 269
7.3.1 Medidas diretas 271
7.3.2 Métodos baseados na temperatura 273
7.3.3 Métodos baseados na radiação 275
7.3.4 Método Combinado 276
7.3.5 Balanço hídrico 277
» - ÁGUA SUBTERRÂNEA 
Nelson Luna Caicedo
8.1 Conceitos básicos de hidrogeologia 289
8.2 Lei empírica de Darcy 300
8.3 Equações fundamentais do fluxo subterrâneo 306
8.4 Interação de águas superficiais e subterrâneas 316
9 - INFILTRAÇÃO E ARMAZENAMENTO NO SOLO
André L. da Silveira, José A. Louzada e Lawson Beltrame
9.1 Infiltração 335
9.1.1 Capacidade de Infiltração e taxa de infiltração 336
9.1.2 Equacionamento geral da infiltração 337
9.1.3 Equações para cálculo da infiltração pontual 341
9Ol Armazenamento de água no solo 356
9.2.1 Redistribuição interna ^ 356
9.2.2 Umidade do solo: conceitos e métodos 358
9.2.3 Curva de retenção da água no solo 360
9.2.4 Perfis de umidade 365
10 - FUNDAMENTOS DO ESCOAMENTO NÃO-PERMANENTE
Carlos E. M. Tucci
10.1 Introdução 373
10.2 Equações do escoamento 374
10.3 Simplificações das equações do escoamento 379
10.4 Classificação dos modelos de escoamento 380
11 - ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Carlos E. M. Tucci
11.1 Componentes do hidrograma 391
11.2 Separação do escoamento superficial 395
11.3 Determinação da precipitação efetiva 399
11.4 Modelos do escoamento superficial 409
11.5 Modelo Linear 411
11.5.1 Hidrograma unitário instantâneo 412
11.5.2 Hidrograma unitário 414
11.5.3 Hidrograma unitário sintético 428
11.5.4 Transposição de hidrograma unitário 437
12 - ESCOAMENTO EM RIOS E RESERVATÓRIOS
Carlos E.M. Tucci
12.1 Escoamento em regime permanente: remanso 443
12.2 Escoamento não-permanente:contribuição lateral 449
12.3 Escoamento não-permanente em reservatórios 451
12.4 Escoamento em rios 459
12.4.1 Modelo Muskingun 459
12.4.2 Modelo Muskingun-Cunge 465
13 - AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE DADOS
Pierre Chevallier
13.1 Introdução 485
13.1.1 Os parâmetros da hidrologia 485
13.1.2 As dimensões temporal e espacial 486
13.1.3 Representação espacial: informação geográfica 488
13.2 Aquisição de dados de precipitações 490
13.2.1 Generalidades 490
13.2.2 Instalação do aparelho 491
13.2.3 Pluviômetro 491
13.2.4 Pluviógrafo 492
13.3 Aquisição de dados de escoamento 496
13.3.1 Medição de cotas \ 496
13.3.2 Medição de vazão/ 500
13.4 Curva-chave 508
13.4.1 O conhecimento do campo, algumas definições 508
13.4.2 Traçado da curva-chave 513
13.4.3 Calibragem de estações não-unívocas 518
13.5 Redes hidrológicas 519
13.5.1 Objetivos 519
13.5.2 Exemplo de uma rede nacional: o DNAEE/CGRH 520
13.5.3 Exemplo de uma rede de proteção da saúde humana 520
13.5.4 Exemplo de uma rede de prevenção contra cheias
catastróficas 521
13.6 Bancos de Dados 522
13.6.1 Princípios 522
13.6.2 Exemplos: Hydrom e Pluviom 523
14 - VAZÃO MÁXIMA E HIDROGRAMA DE PROJETO
Carlos E. M. Tucci
14.1 Conceitos 527
14.2 Vazões máximas 529
14.2.1 Vazões máximas com base em série histórica 529
14.2.2 Vazão máxima com base na precipitação: Método
Racional 539
14.3 Hidrograma de projeto 545
14.3.1 Hidrograma de projeto com base na vazão 545
14.3.2 Hidrograma de projeto com base na precipitação 548
15 - REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES
Carlos E. M. Tucci
15.1 Introdução à regionalização 573
15.2 Análise dos Dados básicos 576
15.3 Regionalização da vazão máxima, média e mínima 577
15.3.1 Definição das variáveis 577
15.3.2 Fases do desenvolvimento da regionalização 579
15.3.3 Seleção dos Dados 580
15.3.4 Curva de Probabilidade adimensional das vazões 581
15.3.5 Equação de regressão 586
15.3.6 Regiões homogêneas 589
15.3.7 Estimativa da vazão e sua variância 593
15.3.8 Vazão máxima instàntanea 598
15.3.9 Mapeamento da vazão específica 600
15.4 Regionalização da curva permanência 603
15.4.1 Curva de Permanência 603
15.4.2 Regionalização 607
15.5 Regionalização de curvas de regularização 609
15.5.1 Regularização de vazões 609
15.5.2 Regionalização 611
16 - CONTROLE DE ENCHENTES
Carlos E.M. Tucci
16.1 Enchentes 621
16.2 Avaliação das enchentes 623
16.3 Medidas para controle da inundação 624
16.3.1 Medidas estruturais 627
16.3.2 Medidas não-estruturais 629
16.4 Controle de inundação com obras hidráulicas 630
16.5 Zoneamento de áreas de inundação 637
16.5.1 Mapa de inundação de cidade 637
16.5.2 Zoneamento 642
16.6 Avaliação dos prejuízos das enchentes 650
16.6.1 Curva nível-prejuízo 650
16.6.2 Método da curva de prejuízo histórico 651
16.6.3 Equação do prejuízo agregado 652
17 - HIDROLOGIA ESTATÍSTICA
Robin T. Clarke
17.1 Conceitos de Hidrologia Estatística 659
j.7.1.1 Variabilidade hidrológica 659
17.1.2 Modelos Estatísticos 664
17.1.3 Modelos Estatísticos usando variáveis explicativas 665
17.1.4 O componente aleatório et 666
17.1.5 Parcimônia na construção de um modelo estatístico 667
17.1.6 Alguns usos hidrológicos de modelos estatísticos 668
17.1.7 Programas computacionais para ajustes rápidos de
modelos estatísticos 671
17.2 Ajuste de distribuições estatísticas 671
17.2.1 Modelo nulo 671
17.2.2 A função de verossimilhança 672
17.2.3 Método dos Momentos 678
17.2.4 As distribuições Gamma de dois e três parâmetros 679
17.2.5 Escolha entre distribuições log-normal e gamma 680
17.2.6 Distribuição Gumbel 681
17.2.7 Distribuição Weibull 683
17.2.8 Precisão das estimativas de máxima verossimilhança 686
17.2.9 Intervalos de confiança para cada cheia de T anos 688
17.3 Relações lineares com variáveis explicativas 690
17.3.1 Princípios de análise de regressão 690
17.3.2 Aplicações hidrológicas de regressão linear 692
17.3.3 Os fundamentos da regressão linear 694
173.4 Caso especial: regressão linear simples 698
18 - REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES EM RESERVATÓRIOS 
Antonio Eduardo Lanna
18.1 Introdução 703
18.2 Problema simplificado de dimensionamento de
reservatório 704
18.3 Problema real de dimensionamento de reservatório:
método da simulação 707
18.4 Relação demanda suprida versus capacidade útil 713
18.5 Garantia de atendimento à demanda 715
18.6 Método baseado nas diferenças em relação à seqüência
de deflúvios mínimos 718
18.7 Extensão à consideração de risco de desatendimento 720
19 - GESTÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS 
Antonio Eduardo Lanna
19.1 Introdução
19.2 O processo de formação de capital
19.3 Elementos de análise de projetos dos pontos de vista 
social e privado
19.4 Engenharia dos Recursos Hídricos
19.4.1 Tipos de uso
19.4.2 Usos múltiplos
19.5 Definições
19.5.1 Interdisciplinaridade da gestão dos recursos 
hídricos
19.5.2 Princípios orientadores da gestão dos recursos 
hídricos
19.5.3 Organização da atividade de planejamento
19.5.4 Jurisdições de planejamento
19.5.5 Planejamento quanto aos setores
19.5.6 Estágios de planejamento
19.5.7 Composição das categorias de planejamento
19.5.8 Vantagens do planejamento
19.6 Gerenciamento dos recursos hídricos
19.6.1 Funções do gerenciamento dos recursos hídricos
19.6.2 Dificuldades de implementação de um
sistema de 
gerenciamento dos recursos hídricos
727
728
729
733
734 
739 
744
746
747
751
753
754
755 
759 
759
761
762
764
20 - DRENAGEM DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 
Nelson Luna Caicedo
20.1 Conceitos básicos
20.2 Soluções analíticas no regime permanente
20.3 Escoamento radial transitório
769
772
778
20.4 Determinação de características hidrogeológicas 781
20.5 Escoamento superficial 792
21 - DRENAGEM URBANA
Rubem L. Porto, Kamel Zahed Filho, Carlos E. M. Tucci 
e Francisco Bidone
21.1 Conceitos 805
21.1.1 Impactos da urbanização 806
21.1.2 Planos diretores de drenagem urbana 810
21.2 Hidrologia Urbana 811
21.2.1 Bacias pequenas e médias 812
21.2.2 Escolha do período de retomo 813
21.2.3 Cálculo do tempo de concentração 815
21.2.4 Efeitos da urbanização 820
21.3 Características da drenagem urbana 822
21.4 Microdrenagem urbana 823
21.4.1 Terminologia dos elementos básicos 823
21.4.2 Elementos físicos do projeto 824
21.4.3 Definição do esquema geral do projetQ 824
21.4.4 Vazões de projeto 828
21.4.5 Dimensionamento hidráulico 829
21.4.6 Galerias 836
21.5 Macrodrenagem 836
21.6 Reservatórios de detenção 838
21.7 Modelos matemáticos de drenagem urbana 842
22 - O MEIO AMBIENTE E OS RECURSOS HÍDRICOS
Antonio Benetti e Francisco Bidone
22.1 Introdução 849
22.2 Caracterização do ambiente aquático 849
22.3 Os usos múltiplos dos recursos hídricos 850
22.3.1 Abastecimento público (doméstico) 851
22.3.2 Consumo industrial/matéria prima para indústrias 852
22.3.3 Irrigação/dessedentação de animais 852
22.3.4 Recreação 852
22.3.5 Geração de energia elétrica 853
22.3.6 Transporte g53
22.3.7 Preservação da flora e fauna (fonte protéica) 853
22.4 Aspectos da qualidade da água associados aos usos 854
22.5 Poluição das águas 855
22.5.1 Fontes de poluição 855
22.5.2 Aspectos físicos, químicos e biológicos da poluição 859
22.6 Monitoramento da qualidade da água 862
22.7 Planejamento ambiental 866
22.7.1 Tratamento de águas residuárias 866
22.7.2 Medidas preventivas de preservação dos recursos hídricos 868
22.7.3 Aspectos político-administrativos do controle
da poluição das águas 869
22.8 Sístematização para avaliação de impactos ambientais 870
23 - HIDROMETEOROLOGIA COM RADAR
Marcos de Lacerda Pessoa
23.1 Introdução 877
23.2 Princípios do radares 878
23.3 Mapas indicadores de posição no plano à altitude constante 884
23.4 Fatores que afetam a precisão das medidas realizadas através
de radares meteorológicos 889
23.5 Algumas aplicações hidrometeoroiógicas dos radares 896
24 - ELEMENTOS DE ENGENHARIA DE SEDIMENTOS
Marc P. Bordas e Franz R, Semmelman
24.1 Ciclo hidrossedimentológico 915
24.2 Processos e componentes do ciclo hidrossedimentológico 916
24.3 Às alterações do ciclo hidrossedimentológico 918
24.4 Erosão ou depósito 922
24.4.1 Capacidade de transporte 923
24.4.2 Descarga sólida de abastecimento 925
24.5 Medição da descarga sólida 931
24.5.1 Medição do transporte de sedimentos em arraste 933
24.5.2 Medição do transporte de sedimentos em suspensão 936
24.5.3 Simplificação de programas de amostragem
da descarga sólida em suspensão 938
24.5.4 Outras medições 939
24.6 Morfologia fluvial e engenharia costeira 939
Capítulo 1
HIDROLOGIA: CIÊNCIA E APLICAÇÃO
Carlos E. M. Thcci
1.1 Introdução
Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circula­
ção e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e sua reação com o 
meio ambiente, incluindo sua relação com as formas vivas (U.S. Federal Coun- 
cií for Science and Technology, citado por Chow,1959).
E uma disciplina consideravelmente ampla, abrangendo uma grande parte 
do conhecimento humano. Algumas das áreas em que a Hidrologia, foi subdivi­
dida são as seguintes:
Kidrometeorologia - é a parte da ciência que trata da água na atmosfera; 
Limnologia - refcrc-se ao estudo dos lagos e reservatórios.
Potamologia - trata do estudo dos arroios e rios.
Glacioiogia - é a área da ciência relacionada com a neve e o gelo na natureza
Hidrogeologia - é o campo científico que trata das águas subterrâneas.
A Hidrologia é uma ciência interdisciplinar que tem tido evolução signifi­
cativa em face aos problemas crescentes, resultados da ocupação das bacias, do 
incremento significativo da utilização da água e do resultante impacto sobre o 
meio ambiente do globo. Profissionais de diferentes áreas como engenheiros, 
agrônomos, geólogos, matemáticos, estatísticos, geógrafos, biólogos, entre ou­
tros atuam nas diferentes subáreas dessa ciência.
A Hidrologia evoluiu de uma ciência preponderantemente descritiva e qua­
litativa, para uma área de conhecimento onde os métodos quantitativos têm sido 
explorados através de metodologias matemáticas e estatísticas, melhorando de 
um lado os resultados e de outro explorando melhor as informações existentes.
No âmbito da utilização de Hidrologia em Recursos Hídricos ou como 
é às vezes chamada de Engenharia Hidrológica (figura 1.1), a mesma é en­
tendida como a área que estuda o comportamento físico da ocorrência e o
26 Hidrologia
aproveitamento da água na bacia hidrográfica, quantificando os recursos 
hídricos no tempo e no espaço e avaliando o impacto da modificação da bacia 
hidrográfica sobre o comportamento dos processos hidrológicos. / A 
quantificação da disponibilidade hídrica serve de base para o projeto e 
planejamento dos recursos hídricos. Alguns exemplos são: produção de energia 
hidrelétrica, abastecimento de água, navegação, controle de enchentes e 
impacto ambiental. /
P 1 a nej amento 
d o s
R ec ursos 
Hí d r ico s 
(Tomada de 
Dec i s ão)
A g r ic u 1 tura 
Economia 
F 1 ore s ta 
Legi s 1 ação 
C i ênc i a Pol ítica
Engenh ar i a 
Hidro lógica 
(previsão)
Mecânica dos 
Fluido s 
Engenhar ia 
H i drául i ca 
Me teoro ! ogi a 
E s tat ís t ica
C i ência 
Hid ro lóg ica 
( e n tendimento)
C i ê n c i a 
Atmos f ér ica 
Geo 1 og i a 
Geoquímíca 
C i ê n c i a do Solo
Figura 1.1 - Planejamento, previsão e entendimento (NRC, 1991)
No passado, a ocupação do homem na bacia foi realizada com pouco 
planejamento, tendo como objetivos o mínimo custo e o máximo benefício de 
seus usuários, sem maior preocupação com a preservação do meio ambiente. Com 
o crescimento demográfico e da exploração da água, os recursos naturais têm- 
se deteriorado. Na população, criou-se uma preocupação maior com a 
quantificação do impacto que a exploração humana provoca na bacia, para que 
sejam estabelecidas medidas preventivas que minimizem os danos à natureza. Os 
resultados da ação da população, sobre o meio ambiente, tinham uma visão na
Hidrologia: Aplicação e Ciência 27
escala da bacia hidrográfica nos anos 70, enquanto que atualmente o problema 
está na escala do globo terrestre, em decorrência dos potenciais efeitos 
globais da modificação do clima. A complexidade dos sistemas hídricos cresceu 
devido à diminuição da disponibilidade dos recursos hídricos e deterioração 
da qualidade das águas. Como conseqüência, projetos com múltiplas finalidades 
tenderam a ser desenvolvidos, além do aumento do interesse público pelo 
impacto dos aproveitamentos hídricos sobre o meio ambiente. O planejamento da 
ocupação da bacia hidrográfica é uma necessidade numa sociedade com usos 
crescentes da água, e que tende a ocupar espaços com riscos de inundação, 
além de danificar o seu meio. A tendência atual envolve desenvolvimento 
sustentado da bacia hidrográfica, que implica o aproveitamento racional dos 
recursos com o mínimo dano ao ambiente.
A Ciência Hidrológica trata processos que ocorrem em sistemas moldados 
pela natureza. Os processos físicos ocorrem num meio que o homem não 
projetou, mas ao qual deve-se adaptar, procurando conviver com o 
comportamento deste meio ambiente. Para o entendimento desses processos é 
necessário interagir com diferentes áreas do conhecimento que influenciam o 
ciclo hidrológico (figura 1.1)
NRC(1991) concluiu que o desenvolvimento da ciência hidrológica tem sido 
influenciado por aspectos específicos do uso da água, como atendimento
da 
demanda de água e controle de desastres. A comissão menciona a necessidade 
de instruir-se profissionais com formação mais ampla, que englobe 
conhecimentos de matemática, física, química, biologia e geociência, para 
desenvolver uma ciência dentro de um contexto mais amplo.
1.2 Histórico
A Hidrologia é uma ciência que se baseia na observação dos processos 
envolvidos no meio físico natural. Para analisar a sazonalidade da ocorrência 
de precipitações, num determinado local, utilizam-se observações realizadas 
no passado, uma vez que os fenômenos provocadores dos processos hidrológicos 
na bacia hidrográfica são os eventos meteorológicos, cuja previsão a médio e 
longo prazos, o conhecimento atual ainda não dispõe de explicações 
determinísticas suficientes.
O homem, desde a sua origem, convive com as condições naturais do 
planeta, tanto no seu uso como na sua sobrevivência. Filósofos gregos 
tentaram erroneamente explicar o ciclo hidrológico, apenas Marcus Vitruvius 
Pollio 100 a.C. apresentou conceitos próximos do entendimento atual do ciclo 
hidrológico. Admitia-se que o mar alimentava os rios através do subsolo. Até 
no início deste século ainda existiam pessoas que questionavam o conceito 
moderno do ciclo hidrológico.
Mesmo não conhecendo a origem da água e o funcionamento dos fenômenos 
naturais, as civilizações antigas puderam explorar os recursos hídricos
através de projetos de irrigação como os do Egito e Mesopotâmia, aquedutos 
para abastecimento de água romanos e irrigação e controle de inundação pelos 
chineses.
Somente a partir do século 15, com Leonardo da Vinci e Bemard Palissy o 
ciclo hidrológico passou a ser melhor compreendido. A dificuldade era aceitar 
que a precipitação tinha um volume maior que a vazão e que os rios são 
mantidos perenes pelo retardamento do escoamento do subsolo. Pierre Perrault, 
no século 17 (1608-1680), analisou os componentes da relação precipitação- 
vazão, ou seja a precipitação, evaporação e capilaridade da bacia do rio Sena 
e comparou estas grandezas com medições de vazão realizadas por Edmé 
Mariotte, constatando que a vazão era apenas cerca de 16% da precipitação.
No século 19 inicia-se de um lado as medições sistemáticas de 
precipitação e vazão e de outro o desenvolvimento teórico e experimental da 
hidráulica. Nos Estados Unidos a coleta sistemática de precipitação iniciou 
em 1819, enquanto que a de vazões iniciou em 1888. No Brasil os postos mais 
antigos de precipitação são do final do século passado, enquanto que a coleta 
de dados de níveis e vazão iniciou no começo deste século.
Até a década de 30 a Hidrologia tinha como base elementos descritivos do 
funcionamento dos fenômenos naturais e fórmulas empíricas de processos 
específicos, tais como as equações de Chezy, para movimento uniforme em 
canais, e o método racional para cálculo de vazão máxima em pequenas bacias. 
Essa década marcou o início da nidrologia quantitativa com os trabalhos de 
Sherman em 1932, que apresentou os conceitos do hidrograma unitário utilizado 
para o escoamento superficial; Horton em 1933 apresentou uma equação empírica 
para o cálculo da infiltração, permitindo a determinação da precipitação 
efetiva; e Theiss em 1935 desenvolveu uma teoria para a hidráulica de poços. 
Outros métodos quantitativos foram apresentados a partir desta época, 
permitindo a ampliação considerável dos conhecimentos nessa ciência.
Apesar da grande quantidade de dados coletados diariamente, os métodos 
utilizados na Hidrologia até a década de 50, praticamente limitavam-se à 
indicadores estatísticos dos processos envolvidos. Com o advento do 
computadcr, aprimoramento e experimentação das técnicas numéricas e 
estatísticas, houve desenvolvimento acelerado de algumas subáreas da 
Hidrologia. Os modelos semiconceituais de transformação precipitação-vazão 
agregaram o conhecimento de diferentes processos na bacia hidrográfica para, 
numa macroanálise, simular matematicamente essa parte do ciclo hidrológico. 
Os primeiros modelos foram apresentados por Mero (citado por Clarke, 1973) e 
SSARR (Rockwood, 1958) aplicados no rio Columbia. A Hidrologia Estatística, 
que teve impulso no começo do século com o estudo da freqüência de cheias, 
desenvolveu-se depois com a quantificação de séries temporais (Hidrologia 
Estocástica) para dimensionamento de reservatórios.
Outros aspectos da Hidrologia tais como: o escoamento subterrâneo, fluxo 
em rios, lagos e estuários desenvolveram-se com a observação e quantificação
28 Hidrologia
Hidrologia: Aplicação e Ciência 29
das variáveis envolvidas, aprimoramento de técnicas matemáticas e o aumento 
da capacidade do computador.
Quanto à Hidrologia Experimental, foram criados em diferentes países, 
bacias representativas e experimentais visando ao entendimento e 
quantificação de processos físicos que ocorrem na bacia, tais como 
reflorestamento e desmatamento, erosão do solo e escoamento superficial. Os 
estudos visam a um melhor entendimento desses processos e a embasar o 
planejamento do uso da bacia hidrográfica.
O desenvolvimento na hidrologia moderna está ligado ao uso da água, ao 
controle da ação da mesma sobre a população e ao impacto sobre a bacia e o 
globo terrestre.
13 Ciência hidrológica
Dooge (1988) caracteriza que a Hidrologia Científica está dentro do 
contexto do desenvolvimento clássico do conhecimento científico, enquanto que 
a Hidrologia Aplicada estuda os diferentes fatores relevantes ao provimento 
de água para a saude e para a produção de comida no mundo.
A Hidrologia 6 uma ciência que se consolidou apenas na segunda parte do 
século 20, através do desenvolvimento de programas de observação e 
quantificação sistemática dos diferentes processas que ocorrem no ciclo 
hidrológico. A subdivisão apresentada na introdução se expandiu, surgindo 
subáreas mais especializadas, como resultado da necessidade crescente da 
utilização e preservação da bacia hidrográfica.
Algumas das subáreas que tratam da análise dos processos físicos que 
ocorrem na bacia são:
Hidrometeorologia: já definido anteriormente na introdução;
Geomorfologia: trata da análise quantitativa das características do relevo de 
bacias hidrográficas e sua associação com o escoamento;
Escoamento superficial: trata do escoamento sobre a superfície da bacia;
Interceptação vegetai: é a subárea do conhecimento que avalia a interceptação 
de precipitação pela cobertura vegetal na bacia hidrográfica;
Infiltração e escoamento em meio não-saturado; trata da observação e previsão 
da infiltração no solo e do escoamento no solo não-saturado;
Escoamento em meio saturado: envolve o estudo do comportamento do fluxo em 
aqüíferos, camada do subsolo saturada;
30 Hidrologia
Escoamento em rios e canais: trata da análise do escoamento em rios, canais e 
reservatórios;
Evaporação e evapotranspiração: trata da avaliação da perda de água por 
evaporação de superfícies livres como reservatórios e lagos, 
evapotranspiração de culturas e da vegetação natural;
Fluxo dinâmico em reservatórios, lagos e estuários; trata do escoamento 
turbulento em meios multidimensionais;
Produção e transporte de sedimentos; trata da quantificação da erosão de solo 
e do transporte de sedimento, na superfície da bacia e nos rios, devido às 
condições naturais e do uso do solo .
Qualidade da água e meio ambiente: trata da quantificação de parâmetros 
físicos, químicos e biológicos da água e sua interação com os seus usos na 
avaliação do meio ambiente aquático.
A Hidrologia como ciência está voltada para a representação dos 
processos físicos que ocorrem na bacia hidrográfica. Em diferentes partes do 
mundo foram equipadas bacias representativas e experimentais que permitem 
observar em detalhe o comportamento dos diferentes processos. Com base no 
registro das variáveis hidrológicas envolvidas é possível entender melhor os 
fenômenos e procurar representá-los matematicamente.
Dooge (1988) ressalta que a caracterização dos processos hidrológicos
tem sido desenvolvida para a
microescala ( 10'8 a 10"2m), enquanto que para a
mesoescala (102 a lC^m) e macroescala (105 a 107m ) existem muitas 
dificuldades, principalmente na transferência da teoria usada de uma escala 
para outra.
A representação matemática dos processos evoluiu dentro de dois aspectos 
principais: o determinístico para os fenômenos físicos que podem ser 
descritos por equações diferenciais que retratam o comportamento do processo; 
e o estocástico onde estão envolvidos os aspectos probabilísticos das 
variáveis.
O National Research Council (Estados Unidos) apresentou um relatório 
sobre a ciência hidrológica (Eagleson, 1990), onde ressalta o seguinte:
"Para estabelecer a identidade para a Hidrologia como uma ciência 
separada da Geociência o comitê definiu que a ciência hidrológica 
inclui: 1) Processos físicos e químicos do ciclo continental da água em 
todas as escalas, assim como os processos biológicos que interagem 
signifi-cativamente com o ciclo hidrológico; 2) As características
31Hidrologia: Aplicação e Ciência
temporais e espaciais do balanço global da água e suas partes no sistema 
terrestre."
NRC(1991) ressaltou as seguintes prioridades científicas em Hidrologia, 
sem ordem hierárquica: a) componentes químicos e biológicos do ciclo 
hidrológico: envolve o melhor conhecimento dos processos geoquímicos; b) a 
escala dos processos dinâmicos: a dificuldade de transferência entre 
processos que ocorrem em diferentes escalas; c) interação entre superfície e 
atmosfera: a interação entre as variáveis climáticas e as superfícies; d) 
conhecimento ao nível global do armazenamento e fluxos de água e energia; e) 
efeitos hidrológicos devido a atividades humanas.
1.4 Hidrologia Aplicada
A Hidrologia Aplicada está voltada para os diferentes problemas que 
envolvem a utilização dos recursos hídricos, preservação do meio ambiente e 
ocupação da bacia.
No primeiro caso estão envolvidos os aspectos de disponibilidade 
hídrica, regularização de vazão, planejamento, operação e gerenciamento dos 
recursos hídricos.
Dentro dessa visão os principais projetos que normalmente são 
desenvolvidos com a participação significativa do hidrólogo são: apro­
veitamentos hidrelétricos, abastecimento d’água, irrigação e regularização 
para navegação.
Quanto à preservação do meio ambiente, modificações do uso do solo, 
regularização para controle de qualidade da água, impacto das obras 
hidráulicas sobre o meio ambiente aquático e terreste, são exemplos de 
problemas que envolvem aspectos multidisciplinares em que a hidrologia tem 
uma parcela importante.
A ocupação da bacia pela população gera duas preocupações distintas: a) 
o impacto do meio sobre a população através das enchentes; e b) o impacto do 
homem sobre a bacia, mencionado na preservação do meio ambiente.
A ação do homem no planejamento e desenvolvimento da ocupação do espaço 
na Terra, requer cada vez mais uma visão ampla sobre as necessidades da 
população, os recursos terrestres e aquáticos disponíveis e o conhecimento 
sobre o comportamento dos processos naturais na bacia, para racionalmente 
compatibilizar necessidades crescentes com recursos limitados.
No Brasil algumas das principais áreas do desenvolvimento da Hidrologia 
Aplicada encontram-se nos seguintes aspectos:
Planejamento e gerenciamento da bacia hidrográfica: o desenvolvimento das 
principais bacias quanto ao planejamento e controle do uso dos recursos 
naturais requer uma ação pública e privada coordenada;
32 Hidrologia
Drenagem urbana: atualmente 75% dapopulação do Brasil ocupa o espaço urbano. 
Enchentes, produção de sedimentos e qualidade da água são problemas sérios 
encontrados em grande parte das cidades brasileiras;
Energia: a produção de energia hidrelétrica representa 92% de toda a energia 
produzida no país. O potencial hidrelétrico ainda existente é significativo. 
Esta energia depende da disponibilidade de água, da sua regularização por 
obras hidráulicas e o impacto das mesmas sobre o meio ambiente;
O uso do solo rural: a expansão das fronteiras agrícolas e o intenso uso 
agrícola têm gerado impacto significativos na produção de sedimentos e 
nutrientes nas bacias rurais, resultando em perda de solo fértil e 
assoreamento dos rios;
Qualidade da água: o meio ambiente aquático (oceanos, rios, lagos, 
reservatórios e aqüíferos) sofre com a falta de tratamento dos despejos 
domésticos e industriais e de cargas de pesticidas de uso agrícola;
Abastecimento de água: a disponibilidade de água, que apesar de farta em 
grande parte do país, apresenta limitações nas regiões áridas e semi-áridas 
do nordeste brasileiro. A redução da qualidade da água dos rios e as grandes 
concentrações urbanas têm apresentado limitações quanto à disponibilidade de 
água para o abastecimento;
Irrigação: a produção agrícola nas regiões áridas e semi-áridas depende 
essencialmente da disponibilidade de água. No sul, culturas como o arroz 
utilizam quantidade significativa de água. O aumento da produtividade passa 
pelo aumento da irrigação em grande parte do país;
Navegação: a navegação interior é ainda pequena, mas com grande potencial de 
transporte, principalmente nos rios Jacuí, Tietê/Paraná, São Francisco e na 
Amazônia. A navegação pode ter um peso significativo no desenvolvimento 
nacional. Os principais aspectos hidrológicos são: disponibilidade hídrica 
para calado, previsão de níveis e planejamento e operação de obras 
hidráulicas para navegação.
REFERÊNCIAS
1- CLARKE, R.T., 1973. Mathematical models inhydrology. Rome: FAO. 282p.
(Irrigation and Drainage Paper, 19).
2- CHOW, V.T., 1959. Handbookof applied hydrology. New York: McGraw-Hill.
Paginação irregular.
Hidrologia: Aplicação e Ciência 33
3- DOOGE, J.C., 1988. Hydrology in perspective. Hydrological Sciences Journal,
Oxford, v.33, n.l, p.61-85, Feb.
4- EAGLESON, P., 1990. Opportunities in hydrological Sciences. Newsletters.
IAHS, n.40, Set.
5- NRC, 1991. Opportunities in the hydrologic Sciences. Washington: National
Academy Press. 348p.
6- ROCKWOOD, D.M., 1958. Columbia Basin streamflow routing by Computer.
Journal of the Waterways and Harbors Division. American Society of 
Civil Engineers, New York, v.84, n.5, Dec.
Capítulo 2
CICLO HIDROLÓGICO E BACIA HIDROGRÁFICA
André L.L. da Silveira
2.1 Introdução
O ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada da água 
entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente 
pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre.
A superfície terrestre abrange os continentes e os oceanos, participando 
do ciclo hidrológico a camada porosa que recobre os continentes (solos, 
rochas) e o reservatório formado pelos oceanos. Parte do ciclo hidrológico é 
constituída pela circulação da água na própria superfície terrestre, isto é: 
a circulação de água no interior e na superfície dos solos e rochas, nos 
oceanos e nos seres vivos.
A atmosfera também possui uma diversidade de condições físicas 
importante. Entretanto, a maioria dos fenômenos meteorológicos acontece na 
fina camada inferior da atmosfera com 8 a lókm de espessura, chamada de 
troposfera, onde está contida a quase totalidade da umidade atmosférica, 
cerca de 90%, Logo acima da troposfera está situada a estratosfera, com 
espessura entre 40 e 70km, cuja importância reside no fato de conter a carnada 
de ozônio que é reguladora da radiação solar que atinge a superfície 
terrestre, principal fonte de energia do ciclo hidrológico. A água que 
circula no interior da atmosfera constitui-se numa fase do ciclo hidrológico. 
Este processo é devido às correntes aéreas, deslocando-se tanto no estado de 
vapor como também nos estados líquido e sólido. A umidade no estado de vapor 
é invisível, sendo as nuvens um conjunto de aerossóis visíveis de
microgotícolas de água, mais umidade, e, dependendo da região e estação do 
ano, partículas de gelo.
O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da
atmosfera, fechando o ciclo hidrológico, ocorre em dois sentidos: a)
no
sentido superfície-atmosfera, onde o fluxo de água ocoiTe fundamentalmente na 
forma de vapor, como decorrência dos fenômenos de evaporação e de
transpiração, este último um fenômeno biológico; b) no sentido atmosfera- 
superfície, onde a transferência de água ocorre em qualquer estado físico, 
sendo mais significativas, em termos mundiais, as precipitações de chuva e 
neve.
O ciclo hidrológico só é fechado em nível global. Os volumes evaporados
36 Hidrologia
em um determinado local do planeta não precipitam necessariamente no mesmo 
local, porque há movimentos contínuos, com dinâmicas diferentes, na 
atmosfera, e também na superfície terrestre. Da precipitação que ocorre nos 
continentes, por exemplo, somente parte é aí evaporada, com o restante 
escoando para os oceanos. A medida que se considere áreas menores de 
drenagem, fica mais caracterizado o ciclo hidrológico como um ciclo aberto ao 
nível local.
Entre os fatores que contribuem para que haja uma grande variabilidade 
nas manifestações do ciclo hidrológico, nos diferentes pontos do globo 
terrestre, pode-se enumerar: a desuniformidade com que a energia solar atinge 
os diversos locais, o diferente comportamento térmico dos continentes em 
relação aos oceanos, a quantidade de vapor de água, C 02 e ozônio na
atmosfera, a variabilidade espacial de solos e coberturas vegetais, e a 
influência da rotação e inclinação do eixo terrestre na circulação 
atmosférica, sendo esta última a razão da existência das estações do ano.
2.2 Descrição geral do ciclo hidrológico
Pode-se começar a descrever o ciclo hidrológico a partir do vapor de 
água presente na atmosfera que, sob determinadas condições meteorológicas, 
condensa-se, formando microgotícolas de água que se mantêm suspensas no ar 
devido à turbulência natural. O agrupamento das microgotícolas, que são 
visíveis com o vapor de água, que é invisível, mais eventuais partículas de 
poeira e gelo, formam um aerossol que é chamado de nuvem ou de nevoeiro, 
quando o aerossol forma-se junto ao solo. Através da dinâmica das massas de 
ar, acontece a principal transferência de água da atmosfera para a superfície 
terrestre que é a precipitação.
A precipitação, na sua forma mais comum que é a chuva, ocorre quando 
complexos fenômenos de aglutinação e crescimento das microgotícolas, em 
nuvens com presença significativa de umidade (vapor de água) e núcleos de 
condensação (poeira ou gelo), formam uma grande quantidade de gotas com 
tamanho e peso suficientes para que a força da gravidade supere a turbulência 
normal ou movimentos ascendentes do meio atmosférico. Quando o vapor de água 
transforma-se diretamente em cristais de gelo e estes atingem tamanho e peso 
suficientes, a precipitação pode ocorrer na forma de neve ou granizo,
No trajeto em direção à superfície terrestre a precipitação já sofre 
evaporação. Em algumas regiões esta evaporação pode ser significativa, 
existindo casos em que a precipitação é totalmente vaporizada.
Caindo sobre um solo com cobertura vegetal, parte do volume precipitado 
sofre interceptação em folhas e caules, de onde evapora. Excedendo a 
capacidade de armazenar água na superfície dos vegetais, ou por ação dos 
ventos, a água interceptada pode-se reprecipitar para o solo. A interceptação
Ciclo Hidrológico e Bacia Hidrográfica 37
é um fenômeno que ocorre tanto com a chuva como com a neve.
A água que atinge o solo segue diversos caminhos. Como o solo é um meio 
poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao solo, enquanto a 
superfície do solo não se satura. A partir do momento da saturação 
superficial, à medida que o solo vai sendo saturado a maiores profundidades, 
a infiltração decresce até uma taxa residual, com o excesso não infiltrado da 
precipitação gerando escoamento superficial. A infiltração e a percolação no 
interior do solo são comandadas pelas tensões capilares nos poros e pela 
gravidade. A umidade do solo realimentada pela infiltração é aproveitada em 
parte pelos vegetais, que a absorvem pelas raízes e a devolvem, quase toda, à 
atmosfera por transpiração, na forma de vapor de água. O que os vegetais não 
aproveitam, percola para o lençol freático que normalmente contribui para o 
escoamento de base dos rios.
O escoamento superficial 6 impulsionado pela gravidade para as cotas 
mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície do solo. O 
escoamento superficial manifesta-se inicialmente na forma de pequenos íiletes 
de água que se moldam ao microrrelevo do solo. A erosão de partículas de solo 
pelos filetes em seus trajetos, aliada à topografia preexistente, molda, por 
sua vez, uma microrrede de drenagem efêrnera que converge para a rede de 
cursos de água mais estável, formada por arroios e rios. A presença de 
vegetação na superfície do solo contribui para obstaculizar o escoamento 
superficial, favorecendo a infiltração em percurso. A vegetação também reduz 
a energia cinética de impacto das gotas de chuva no solo, minimizando a 
erosão,
Com raras exceções, a água escoada pela rede de drenagem mais estável 
destina-se ao oceano. Nos oceanos a circulação das águas é regida por uma 
complexa combinação de fenômenos físicos e meteorológicos, destacando-se a 
rotação terrestre, os ventos de superfície, variação espacial e temporal da 
energia solar absorvida e as marés.
Em qualquer tempo e local por onde circula a água na superfície 
terrestre, seja nos continentes ou nos oceanos, há evaporação para a 
atmosfera, fenômeno que fecha o ciclo hidrológico ora descrito. Naturalmente, 
por cobrir a maior parte da superfície terrestre, cerca de 70%, a 
contribuição maior é a dos oceanos. Entretanto o interesse maior, por estar 
intimamente ligada a maioria das atividades humanas, reside na água doce dos 
continentes, onde é importante o conhecimento da evaporação dos mananciais 
superficiais líquidos e dos solos, assim como da transpiração vegetal. A 
evapotranspiração, que é a soma da evaporação e da transpiração, depende da 
radiação solar, das tensões de vapor do ar e dos ventos. Na figura 2.1 pode- 
se visualizar um corte esquemático do continente com as diversas fases do 
ciclo hidrológico.
Em certas regiões da Terra o ciclo hidrológico manifesta-se de forma 
bastante peculiar. Por exemplo, nas calotas polares ocorre pouca precip itação
38 Hidrologia
e a evaporação é direta das geleiras. Nos grandes desertos também são raras 
as precipitações, havendo água permanentemente disponível somente a grande 
profundidade, sem trocas significativas com a atmosfera, tendo sido estocada 
provavelmente em tempos remotos.
A energia calorífica do Sol, fundamental ao ciclo hidrológico, somente é
aproveitada devido ao efeito estufa natural causado pelo vapor de água e CO ,
2
que impede a perda total do calor emitido pela Terra originado pela radiação
solar (ondas curtas) recebida. Assim a atmosfera mantém-se aquecida,
possibilitando a evaporação e transpiração naturais. Como cerca da metade do
CO natural é absorvido no processo de fotossíntese das algas nos oceanos, 
2
verifica-se que é bastante importante a interação entre oceanos e atmosfera 
para a estabilidade do clima e do ciclo hidrológico.
2.3 Quantificação geral dos fluxos e reservas de água
A quantificação dos fluxos e reservas de água do ciclo hidrológico 
global foi realizada por diversos pesquisadores e os trabalhos recentes não
\ ' /
O C IA N O
Figura 2.1. Componentes do ciclo hidrológico
39Ciclo Hidrológico e Bacia Hidrográfica
apresentam entre si discrepâncias marcantes. Um exemplo destes trabalhos é o 
apresentado por Peixoto e Oort (1990) cujos valores são comentados a seguir. 
Para as reservas de água os valores apresentados são os seguintes:
Oceanos 1.350 x 1015
Geleiras 25 x 1015
Aguas subterrâneas 8,4 x 1015
Rios e Lagos 0,2 x 1015
Biosfera 0,0006 x 1015
Atmosfera 0,0130 x 1015
3m
3m
3m
3m
3m
3m
Essa quantificação estática não deixa transparecer a importância 
relativa de cada reserva na dinâmica do ciclo da água. Por exemplo,
a 
atmosfera armazena uma quantidade ínfima da água disponível no planeta, mas 
dá origem à precipitação que é uma fase fundamental na dinâmica do ciclo 
hidrológico. Outro exemplo de desproporção entre a importância dinâmica e a 
quantidade armazenada é a que se observa nas camadas superiores dos solos,
15 3normalmente não-saturadas: apenas 0,066 x 10 'm (0,08% das águas
subterrâneas) estão presentes nestes locais, em contraposição à sua
importância no ciclo hidrológico, no fenômeno da infiltração. No que diz
respeito aos oceanos a quantidade de água armazenada (97%) é tão
significativa quanto o seu papel no ciclo hidrológico.
O equilíbrio médio anual, em volume, entre a precipitação e a 
evapotranspiração, que são os dois fluxos principais entre a superfície 
terrestre e a atmosfera, em nível global apresenta o seguinte valor:
P = E = 423 x 1012 * m3/ano (2.1)
A evaporação direta dos oceanos para a atmosfera corresponde a 361 x 
12 3
10 m , cerca de 85% do total evaporado, sendo os 15% complementares, 62 x 
12 310 m , devidos à evapotranspiração dos continentes. No balanço da 
precipitação os percentuais diferem um pouco, com a atmosfera devolvendo
12 3aos oceanos 324 x 10 m por ano, cerca de 77% do total precipitado, cabendo
12 3aos continentes receberem os restantes 23% ou 99 x 10 m . A diferença entre
' 12 3o que é precipitado anualmente nos continentes (99 x 10 m ) e o que é
12 3evapotranspirado pelos continentes (62 x 10 m ) corresponde ao escoamento
40 Hidrologia
12 3para os oceanos (37 x 10 m ). Na figura 2.2 é apresentado um gráfico com os 
valores das reservas e fluxos de água:
2.4 Bacia hidrográfica
O ciclo hidrológico é normalmente estudado com maior interesse na fase 
terrestre, onde o elemento fundamental de análise é a bacia hidrográfica. A 
bacia hidrográfica é uma área de captação natural da água da precipitação que 
faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório. A 
bacia hidrográfica compÕe*se basicamente de um conjunto de superfícies 
vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de água que confluem 
até resultar um leito único no exutório (figura 2.3).
A
T
M
0 ,013 . 1015 m3
6 2 9 9 .1 0 12 m3/ano 3 2 4 3 61
c
0
N
GEL. 25
SUB. 8,4
1
N
SUP. 0 ,2
810. 0 ,0 0 0 6
Figura 22. Fluxos e reservas de água globais (Peixoto e Cort, 1990)
A precipitação que cai sobre as vertentes infiltra-se totalmente nos 
solos até haver saturação superficial destes, momento em que começam a 
decrescer as taxas de infiltração e a surgir crescentes escoamentos 
superficiais, se a precipitação persistir. O escoamento superficial gerado 
nas vertentes, no contexto da bacia hidrográfica, pode ser interpretado como 
uma "produção" de água para escoamento rápido e, portanto, as vertentes 
seriam vistas como as fontes produtoras. Seguindo com este enfoque, a água 
produzida pelas vertentes tem como destino imediato a rede de drenagem, que 
se encarrega de transportá-la à seção de saída da bacia. Na zona de inundação 
dos cursos de água (leito maior) há um comportamento ambíguo, ora de 
produção, quando os rios estão inicialmente com níveis de água baixos, 
funcionando esta zona como vertente, ora de transporte, quando os rios estão 
em cheia, com a zona de inundação usada para escoamento.
Ciclo Hidrológico e Bacia Hidrográfica 41
A mesma caracterização da vertente como fonte produtora e a rede de 
drenagem como transportadora pode ser usada com respeito aos sedimentos. As 
vertentes "produzem" os sedimentos por fenômenos de erosão e estes são 
tranportados com a água pela rede de drenagem, junto com a carga 
significativa de sedimentos produzida nos próprios leitos dos rios. Na 
realidade, não é possível considerar as vertentes e os rios como _ entidades 
totalmente separadas, uma vez que estão continuamente em interação para 
adaptação da bacia hidrográfica' às solicitações da natureza.
Figura 2.3. Bacia hidrográfica do arroio Taboão/RS
Bacia como sistema
A bacia hidrográfica pode ser considerada um sistema físico onde a 
entrada é o volume de água precipitado e a saída é o volume de água escoado 
pelo exutório, considerando-se como perdas intermediárias os volumes 
evaporados e transpirados e também os infiltrados profundamente. Em um evento 
isolado pode-se desconsiderar estas perdas e analisar a transformação de 
chuva em vazão feita pela bacia com a ajuda da figura 2.4, onde sao 
representados o hidrograma (saída) e o hietograma (entrada).
A figura 2.4 espelha bem o papel hidrológico da bacia hidrográfica que é 
o de transformar uma entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em 
uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo. Na mesma 
figura é feita uma diferenciação entre um escoamento mais lento e outro mais
42 Hidrologia
rápido, este facilmente identificável pela forte elevação das vazões em curto 
espaço de tempo, que, apòs atingir um pico, decresce também rapidamente, mas 
geralmente em tempo maior que o da elevação. A este escoamento rápido 
normalmente é atribuído o nome de escoamento superficial, embora esta 
designação seja cientificamente inexata, dada as inúmeras oportunidades de 
infiltração e afloramentos de água sucessivas nos diferentes caminhos que a 
água pode percorrer até fazer parte do escoamento que passa no exutório. Em 
termos práticos a separação entre escoamento rápido, ou superficial e 
escoamento lento, ou subterrâneo, é conveniente, porque permite quantificar e 
analisar separadamente o escoamento geralmente de maior magnitude numa cheia, 
o escoamento superficial, que é explicado mais facilmente numa relação de 
causa e efeito com a precipitação. Isto é válido em bacias de regime pluvial. 
As técnicas de separação de escoamentos em um hidrograma são apresentadas no 
capítulo 11. A parcela da chuva total com mesmo volume de escoamento 
superficial é denominada de chuva efetiva. A chuva efetiva e o correspondente 
escoamento superficial estão representados na figura 2.4 como áreas 
hachuradas.
Gênese do hidrograma de saída
Como o hidrograma de saída de uma bacia hidrográfica atinge determinado 
formato, tal como o da figura 2.4, é uma questão científica ainda não 
resolvida, mas que tem sido tratada por métodos práticos baseados na análise 
do histórico de eventos (volumes precipitados e escoados) e características 
físicas das bacias.
Figura 2.4. Resposta hidrológica da bacia hidrográfica
43Ciclo Hidrológico e Bacia Hidrográfica
Uma maneira consistente de explicar a dispersão do hidrograma no tempo é 
considerar o efeito de translação. Analisando-se uma lâmina L precipitada 
sobre uma bacia de área A em um pequeno intervalo de tempo, é razoável supor 
que a precipitação ocorrida perto do exutório gerará um escoamento que 
chegará mais cedo a este ponto, enquanto que o escoamento gerado em locais 
mais distantes passará mais tarde pelo mesmo exutório. Desta maneira, há um 
escalonamento de chegada dos volumes à seção de saída, que reproduz, em 
parte, o efeito de "espalhamento” das vazões no tempo. Para ilustrar, 
considere a situação da figura 2.5 onde a, representa uma faixa de área de
onde o volume de água leva um tempo entre t. e t para chegar ao exutório.
Os tempos t identificam linhas de mesmo período de deslocamento até a saída, i
ou, simplesmente, linhas isócronas. Se o intervalo de tempo entre as 
isócronas é constante, quando as gotas de água que estavam na posição t
atingem o exutório, as gotas que estavam na posição t atingem a posição t ,
as que estavam em t chegam a t ,̂ e assim por diante.
Em termos de volume, o que passa inicialmente pelo exutório na figura
2.5 é La^ , o que corresponde a uma vazão média de La /dt, sendo dt o
intervalo de tempo entre duas isócronas sucessivas. No dt seguinte o volume 
que passa pelo exutório é La^ , pois no dt anterior este volume avançou uma
faixa. Sucessivamente a situação se repete com os volumes La ̂ , La^ e La^
chegando à faixa a e escoando pelo exutório.O hidrograma assim resultante
pode ser visto
na figura 2.6, onde claramente se verifica o efeito de 
distribuição das vazões no tempo causado pela translação O volume escoado na 
figura 2,6 tem o mesmo valor do volume precipitado LA. Portanto é uma 
análise que se aplica ao escoamento superficial e à precipitação efetiva que 
o causou.
Outro fenômeno que contribui para a confoimação do hidrograma de saída 
da bacia é o fenômeno hidráulico do armazenamento. Nas condições naturais, 
com atrito, quanto maior o volume a escoar na bacia tanto maior é a carga 
hidráulica necessária para haver este escoamento, e portanto, tanto maior é o 
volume armazenado temporariamente na bacia. Uma analogia pode ser feita com 
um vertedor que, para verter maiores vazões, necessita de maiores lâminas de 
água sobre a soleira, isto é, necessita de maiores volumes armazenados sobre 
a soleira. Numa bacia hidrográfica o efeito de armazenamento é mais 
significativo na rede de drenagem, que promove um abatimento na onda de cheia 
por armazenamento nos seus canais, fazendo chegar ao exutório um hidrograma 
mais distribuído no tempo. O abatimento do hidrograma é mais intenso se o 
escoamento atinge as zonas de inundação (leitos maiores) dos cursos de água.
HidrologiaÀ4
0 efeito de armazenamento é um fator que impede a existência de isócronas 
estáveis na bacia.
Figura 2.5. Linhas isócronas
Figura 2.6. Hidrograma causado por translação
Tanto a translação como o armazenamento dependem profundamente da 
topologia da bacia hidrográfica, isto é, de como estão dispostos no espaço as 
vertentes e a rede de drenagem. Entretanto, os métodos clássicos da 
hidrologia para cálculo do hidrograma de saída não explicitam os papéis das 
vertentes e da rede de drenagem, preferindo tratar a bacia como um sistema
Ciclo Hidrològico e Bacia Hidrográfica 45
vertentes e a rede de drenagem. Entretanto, os métodos clássicos da 
hidrologia para cálculo do hidrograma de saída não explicitam os papéis das 
vertentes e da rede de drenagem, preferindo tratar a bacia como um sistema 
que funciona à base da translação e/ou armazenamento. Baseado na translação 
existe o método do "histograma tempo-área” de Ross (1921); no armazenamento 
tem-se o método de Clark (1945), e, com ambos fenômenos implícitos, o método 
do hidrograma unitário de Sherman (1932).
Mais recentemente Rodriguéz-Iturbe e Valdés (1979) desenvolveram uma 
metodologia que introduz quantitativamente o efeito da geomorfologia da rede 
de drenagem na teoria do hidrograma unitário instantâneo. O hidrograma 
unitário instantâneo geomorfológico, HUIG, como passou a ser chamado, foi 
interpretado como uma função densidade de probabilidade do tempo gasto por 
uma gota de chuva até atingir o exutório da bacia, função esta que, por sua 
vez, depende da geomorfologia. A geomorfologia é introduzida no HUIG 
geralmente através de índices da rede de drenagem como os de Horton (1945) e 
Strahler (1957). índices deste tipo são obtidos da rede de drenagem desenhada 
em planta nos mapas topo-hidrográficos. Como o HUIG é fundamentalmente um 
operador de translação, normalmente é simulado o efeito de armazenamento nos 
canais da rede de drenagem através de reservatórios lineares. Para levar em 
conta também o funcionamento das vertentes, já eix o HUIG contempla só a rede 
de drenagem, é possível agregar à estrutura do HüíG uma função representativa 
baseada nos mecanismos físicos de geração de escoamentos nas vertentes (Mesa 
e Mifflin,1986).
Outra abordagem sobre a contribuição das vertentes na geração do 
hidrograma de saída da bacia é dada por Beven e Kirkby (1979). A partir da 
constatação de que diferentes partes da bacia têm normalmente diferentes 
capacidades de infiltração e teores de umidade, fazendo com que as vertentes 
gerem escoamentos de diferentes magnitudes, os referidos pesquisadores 
relacionaram este fato com um índice topográfico de declividade. Este índice 
topográfico é correlacionado com a umidade subsuperficial do solo e, quando 
é obtido para diversas partes da bacia, conduz a um diagrama que identifica a 
porcentagem da área da bacia que está efetivamente gerando escoamento 
superficial.
A simulação matemática com modelos que discretizam a bacia de forma 
distribuída, isto é, que calculam o escoamento na rede de canais, trecho a 
trecho, e o aporte a estes trechos, considerando diversas sub-bacias, é outra 
maneira de obter o hidrograma, levando em conta os efeitos de translação e 
armazenamento e os papéis das vertentes e dos canais.
Fisiografia da bacia hidrográfica
Consideram-se dados fisiográficos de uma bacia hidrográfica todos 
aqueles dados que podem ser extraídos de mapas, fotografias aéreas e imagens
46 Hidrologia
de satélite. Basicamente são áreas, comprimentos, declividades e coberturas 
do solo medidos diretamente ou expressos por índices. A seguir são comentadas 
algumas destas medidas e índices mais utilizados.
Área da bacia - representada normalmente por A, a área é um dado fundamental 
para definir a potencialidade hídrica da bacia hidrográfica, porque seu valor 
multiplicado pela lâmina da chuva precipitada define o volume de água 
recebido pela bacia. Por isso considera-se como a área da bacia hidrográfica 
a sua área projetada verticalmente. Uma vez definidos os contornos da bacia, 
a sua área pode ser obtida por planimetragem direta de mapas que já 
incorporam a projeção vertical. Também é possível determinar a área de uma 
bacia por cálculos matemáticos de mapas arquivados eletronicamente através do 
SIG (Sistemas de Informação Geográfica).
índices de drenagem - à rede de drenagem podem ser atribuídos diversos 
índices. O mais simples trata apenas da medição em planta do comprimento L do 
curso de água principal. Outros procuram representar a totalidade da rede de 
drenagem como os resultantes do trabalho de Horton (1945) que demonstrou a 
validade das seguintes relações empíricas, que tendem a ser constantes em uma 
bacia:
N
R = 'jq---- relação de bifurcação (2.2)
u + l
L
Rl - £— relação dos comprimentos (2.3)
u - l
sendo o numero total de cursos de água da rede de drenagem com ordem u, e
, a média dos seus comprimentos em planta. Os subíndices u+l e u-l
representam, respectivamente, uma ordem imediatamente superior e uma ordem 
imediatamente inferior a u. O ordenamento é feito com números inteiros, 
começando com 1. Schumm (1956) propôs uma lei análoga às de Horton para 
relacionar áreas de contribuição correspondentes às ordens sucessivas dos 
canais:
A
= × relação de áreas (2.4)
u - l
onde A ̂ é a média das áreas contribuintes dos canais de ordem u e A , dos
u-l
canais de ordem u-l.
Como critérios de ordenamento dos canais da rede de drenagem de uma
Giclo Hidrológico e Bacia Hidrográfica 47
bacia hidrográfica, destacam-se os de Horton (1945) e Strahler (1957). No 
sistema de Horton os canais de primeira ordem são aqueles que não possuem 
tributários; os canais de segunda ordem têm apenas afluentes de primeira 
ordem; os canais de terceira ordem recebem afluência de canais de segunda 
ordem, podendo também receber diretamente canais de primeira ordem; 
sucessivamente, um canal de ordem u pode ter tributários de ordem u-1 até 1. 
Isto implica atribuir a maior ordem ao rio principal, valendo esta designação 
em todo o seu comprimento, desde o exutório da bacia até sua nascente. No 
sistema de Strahler é evitada a subjetividade de classificação das nascentes. 
Para Strahler, todos os canais sem tributários1 são dê primeira ordem, mesmo 
que sejam nascentes dos rios principais e afluentes; os canais de segunda 
ordem são os que se originam da confluência de dois canais de primeira ordem, 
podendo ter afluentes também de primeira ordem; ds canais de terceira ordem 
originam-se da confluência de dois canais de segunda ordem, podendo receber 
afluentes de segunda e primeira ordens; sucessivamente, um canal de ordem u é 
formado pela união de dois canais de ordem u-1, podendo receber afluência de 
canais com qualquer ordem inferior. Portanto, no sistema de Strahler,