Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
HIDROLOGIA APLICADA TEXTO BÁSICO Disciplina Ministrada na Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, para o curso de graduação em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia na unidade de Caxias do Sul. Adriano Rolim da PazAdriano Rolim da PazAdriano Rolim da PazAdriano Rolim da Paz adrianorpaz@yahoo.com.br Setembro/2004 2 Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 1111 Introdução à hidrologiaIntrodução à hidrologiaIntrodução à hidrologiaIntrodução à hidrologia Aspectos gerais A Hidrologia pode ser entendida como a ciência que estuda a água, como a própria origem da palavra indica (do grego): hidrologia = hydor (“água”) + logos (“ciência” ou “estudo”). Entretanto, uma boa definição adotada por vários autores é a seguinte: “Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação com as formas vivas” (Definição do U.S. Federal Council of Service and Technology, citada por Chow, 1959, apud Tucci, 2000). Como se pode perceber pela definição acima, a hidrologia é uma ciência consideravelmente ampla, cujo escopo de trabalho abrange diversas sub-áreas mais específicas, como por exemplo: - Hidrometeorologia: trata da água na atmosfera; - Limnologia: estuda os lagos e reservatórios; - Potamologia: estuda os rios; - Oceanografia: estuda os oceanos; - Hidrogeologia: estudas as águas subterrâneas; - Glaciologia: trata da ocorrência de neve/gelo na natureza. 3 Entretanto, cabe salientar que a maioria dos estudos envolve mais de uma das sub-áreas, já que os fenômenos e processos envolvendo a água na natureza (ocorrência, distribuição, propriedades físico-químicas, etc.) estão interrelacionados de tal forma que a explicação e o entendimento dos mesmos só são alcançados mediante a reunião dos conhecimentos das diversas sub-áreas. Por exemplo, como estudar os processos de deposição de nutrientes e sedimentos em um reservatório (limnologia) sem a caracterização do aporte dessas substâncias oriundo do curso d’água (rio) barrado para formar o reservatório (potamologia)? Tornando a análise um pouco mais geral, face ao caráter de escassez atribuído à água atualmente, sendo reconhecida a importância em preservar e usar racionalmente esse recurso, uma vasta gama de profissionais tem se dedicado a estudar a hidrologia, entre eles os engenheiros, economistas, estatísticos, químicos, biólogos, químicos, matemáticos, geólogos, agrônomos, geógrafos, etc. Os problemas relacionados à água geralmente requerem um enfoque multidisciplinar, segundo o qual diversos especialistas contribuem em suas áreas para entender a situação e alcançar a melhor alternativa, sob determinados critérios. Um exemplo disso é um projeto que vise o barramento de um rio para formação de um reservatório, com o objetivo de captar água para abastecimento humano e irrigação. Simplificadamente, poder-se-ia dizer que o hidrólogo seria responsável pela caracterização da área contribuinte ao reservatório, estimando a vazão afluente e dimensionando a barragem; ao especialista em hidráulica caberia projetar o sistema de captação, bombeamento e distribuição da água; o biólogo analisaria o impacto do barramento do rio sobre o ecossistema, em particular sobre a biota aquática, bem como no levantamento das espécies que habitam a região a ser alagada; o sociólogo (e psicólogo) estaria envolvido com a remoção da população residente na área alagada pela barragem, a qual seria realocada; a vegetação que ficaria submersa com o enchimento do lago iria se degradar, merecendo o devido monitoramento da qualidade da água, que poderia ser realizado por um especialista na área de saneamento/química; o agrônomo iria definir as condições de irrigação das culturas agrícolas atendidas, e assim por diante. 4 Por outro lado, também cabe salientar que, a despeito dos vários profissionais envolvidos na problemática da água, os estudos hidrológicos, propriamente ditos, geralmente envolvem técnicas originárias ou desenvolvidas a partir de conceitos de outras áreas, mas que o profissional que lida com a hidrologia deve estar familiarizado e ser capaz de aplica-las e entender seus resultados. Entre tais técnicas pode-se citar: teoria estocástica, séries temporais, análise multicritério, teoria das decisões, análise econômica, programação dinâmica, inteligência artificial, otimização, interpretação de imagens de satélite, etc. Breve histórico da hidrologia A importância da água na história da humanidade é identificada quando se observa que os povos e civilizações se desenvolveram às margens de corpos d’água, como rios e lagos. A seguir serão listados alguns fatos marcantes da história da hidrologia, de maneira superficial, sendo maiores detalhes encontrados na bibliografia pesquisada, citada ao final deste documento. • Diversos autores citam registros de que no Egito Antigo, na época dos faraós, existiram obras de irrigação e drenagem. Também na Mesopotâmia, na região conhecida como Crescente Fértil, entre os rios Tigre e Eufrates, a água já era usada para irrigação. • Os filósofos gregos são considerados os primeiros a estudar a hidrologia como ciência. Por exemplo, Anaxágoras, que viveu entre 500 e 428 a. C, tinha conhecimento de que as chuvas eram importantes na manutenção do equilíbrio hídrico na Terra. • Mas apenas na época de Leonardo da Vinci é que o ciclo hidrológico veio a ser melhor compreendido. Um fato relevante foi o realizado por Perrault, no século 17, que analisou a relação precipitação-vazão, comparando a precipitação com dados de vazão. • No século 19 dá-se o início de medições sistemáticas de vazão e precipitação; • Até a década de 30, prevalece o empirismo, procurando descrever os fenômenos naturais, enquanto até a década de 50 é predominante o uso de indicadores estatísticos dos processos envolvidos; 5 • Com o advento do computador em conjunto com o aprimoramento de técnicas estatísticas e numéricas, deu-se um grande avanço na hidrologia. Foram desenvolvidos modelos precipitação-vazão e avanços na hidrologia estocástica. O escoamento subterrâneo, a limnologia e a modelação matemática de processos constituem outros desenvolvimentos importantes. A modelagem ajuda a entender e explicar padrões de ocorrência e possibilita simular cenários futuros, fornecendo subsídios importantes para responder a perguntas do tipo “o que aconteceria se...?”. Um exemplo de modelagem de processos é a simulação da circulação da água e do transporte de poluentes em um lago ou rio. Com um modelo computacional, é possível inferir sobre o que aconteceria se ocorresse um vazamento de óleo próximo a um lago, em termos de áreas atingidas, tempo de deslocamento da mancha de óleo, etc. Isso tudo sem o processo estar ocorrendo, apenas hipoteticamente, o que permite prever impactos e traçar alternativas de combate previamente. Ocorrência de água na Terra Considera-se, atualmente, que a quantidade total de água na Terra, estimada em cerca de 1.386 milhões de km3, tem permanecido de modo aproximadamente constante durante os últimos 500 milhões de anos. Entretanto, as quantidades de água estocadas na Terra sob as diferentes formas (ou nos diferentes “reservatórios”) variaram substancialmente nesse período. Na Figura 1.1 é apresentada a distribuição da água na Terra, conforme Shiklomanov (1997) apud Setti et al. (2001). Verifica-se que cerca de 97,5% do volume total de água na Terra estão nos oceanos (água salgada), sendoapenas 2,5% do total constituído por água doce. Por sua vez, a água doce é encontrada principalmente sob a forma de geleiras, que representam 68,7% do total de água doce. Considerando que as águas doces contidas em rios e lagos constituem as formas mais acessíveis ao uso humano e de ecossistemas, tem-se um percentual muito pequeno de água disponível – em torno de 0,27% da água doce o que corresponde a 0,007% do volume total de água. 6 Assim, embora a Terra apresente 1.386 milhões de km3 de água, considera-se que o que está disponível ao uso humano é apenas 0,007% dessa quantidade. Reservatório Volume (x 103 km3) % do volume total % do volume de água doce Oceanos 1.338.000,0 96,5379 - Subsolo: 23.400,0 1,6883 - Água doce 10.530,0 0,7597 30,0607 Água salgada 12.870,0 0,9286 - Umidade do solo 16,5 0,0012 0,0471 Áreas congeladas 24.064,0 1,7362 68,6971 Antártida 21.600,0 1,5585 61,6629 Groenlândia 2.340,0 0,1688 6,6802 Ártico 83,5 0,0060 0,2384 Montanhas 40,6 0,0029 0,1159 Solos congelados 300,0 0,0216 0,8564 Lagos 176,4 0,0127 - Água doce 91,0 0,0066 0,2598 Água salgada 85,4 0,0062 - Pântanos 11,5 0,0008 0,0328 Rios 2,1 0,0002 0,0061 Biomassa 1,1 0,0001 0,0032 Vapor d'água na atmosfera 12,9 0,0009 0,0368 Armazenamento total de água salgada 1.350.955,4 97,4726 - Armazenamento total de água doce 35.029,1 2,5274 100,0 Armazenamento total de água 1.385.984,5 100,0 - Figura 1.1 – Distribuição da água na Terra (adaptado de Shiklomanov, 1997, apud Setti et al. 2001). 2,5% 97,5% Água doce Água salgada 30% 69% 1% outros água doce no subsolo água congelada 7 Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 2222 Ciclo hidrológicoCiclo hidrológicoCiclo hidrológicoCiclo hidrológico Descrição geral Embora tenham sido estimados os volumes em cada um dos “reservatórios” na Terra (ver Figura 1.1), é importante lembrar que a água está em constante movimento, constituindo o que se denomina de ciclo hidrológico. Esse ciclo tem o Sol como principal fonte de energia, através de sua radiação, e o campo gravitacional terrestre como a principal força atuante. A Figura 2.1 apresenta um esquema do ciclo hidrológico, identificando as diversas etapas que o compõem. 8 Figura 2.1 – Ciclo hidrológico (fonte: adaptado de EPA, 1998). De maneira simplificada, o ciclo hidrológico pode ser descrito da seguinte forma: - ocorre evaporação da água dos oceanos e formação do vapor de água; - sob determinadas condições, o vapor precipita na forma de chuva, neve, granizo, etc (precipitação); - parte da precipitação não chega nem a atingir a superfície terrestre, sendo evaporada; - boa parte da precipitação atinge diretamente a superfície de lagos e oceanos, daí evaporando parcela; - da precipitação que atinge a superfície terrestre, uma parte é interceptada pela cobertura vegetal (interceptação), de onde parte evapora e parte acaba escorrendo até o solo; - da precipitação que chega ao solo, parcela infiltra sub-superficialmente (infiltração), e desta uma parte escoa até corpos d’água próximos, como rios e lagos (escoamento sub-superficial); - uma parte infiltrada percola atingindo os aqüíferos (percolação), que escoam lentamente até rios e lagos (escoamento subterrâneo); - ainda quanto à parte da precipitação que atinge o solo, esta vai escoar superficialmente (escoamento superficial), sendo retida em depressões do solo, sofrendo infiltração, evaporação ou sendo absorvida pela vegetação. O “restante” do escoamento superficial segue para rios, lagos e oceanos, governada pela gravidade; - a vegetação, que retém água das depressões do solo e infiltrações, elimina vapor d’água para a atmosfera (transpiração), através do processo de fotossíntese; - a água que alcança os rios, seja por escoamento superficial, sub-superficial ou subterrâneo, ou mesmo precipitação direta, segue para lagos e oceanos, governada pela gravidade. Cabe ressaltar que o ciclo hidrológico não apresenta um “começo” nem um “fim”, já que a água está em movimento contínuo, sendo o início da descrição do ciclo realizado a partir da evaporação dos oceanos apenas por questões didáticas. 9 Outro fato a ser ressaltado é que a evaporação está presente em quase todas as etapas do ciclo. Um termo normalmente usado para denotar a evaporação associada à transpiração da vegetação é a evapotranspiração. Apesar de haver algumas divergências quantos aos valores estimados de autor para autor, convém comentar que cerca de 383.000 km3 de água evaporam por ano dos oceanos (Wundt, 1953, apud Esteves, 1988). Isso equivaleria à retirada de uma camada de 106 cm de espessura dos oceanos por ano. Desse total evaporado, estima-se que 75% retornem diretamente aos oceanos sob a forma de precipitação, enquanto os 25% restantes precipitam sobre os continentes. Uma curiosidade evidenciada por Esteves (1988) é que a composição química da precipitação oceânica difere nitidamente da continental, particularmente no que diz respeito à concentração de íons como Na+, Mg2+ e Cl-, maior na precipitação oceânica. O ciclo hidrológico, como já colocado anteriormente, promove a movimentação de enormes quantidades de água ao redor do planeta. Entretanto, algumas das fases do ciclo são consideradas rápidas e outras muito lentas, se comparadas entre si. A Tabela 2.1 ilustra esse comentário, ao apresentar alguns períodos médios de renovação da água nos diferentes “reservatórios”. Tais valores dizem respeito ao tempo necessário para que toda a água contida em cada um dos reservatórios seja renovada – dentro de uma visão bastante simplificada, é claro, da “entrada”, “circulação” e “saída” de água neles. Tabela 2.1 – Período de renovação da água em diferentes reservatórios na Terra. Fonte: Shiklomanov (1997) apud Setti et al. (2001). Reservatórios Período médio de renovação Oceanos 2.500 anos Águas subterrâneas 1.400 anos Umidade do solo 1 ano Áreas permanentemente congeladas 9.700 anos Geleiras em montanhas 1.600 anos Solos congelados 10.000 anos Lagos 17 anos Pântanos 5 anos Rios 16 dias Biomassa algumas horas Vapor d'água na atmosfera 8 dias 10 A princípio, as etapas de precipitação e evaporação são consideradas as mais importantes dentro do ciclo hidrológico, pensando em termos de volume de água movimentado. Entretanto, à medida que se diminui a escala de análise, as demais fases do ciclo se tornam muito importantes. Por exemplo, analisando uma determinada área de dezenas de hectares, a interceptação, infiltração, percolação e escoamento superficial são bastante relevantes para entendimento dos processos hidrológicos. Impactos sobre o ciclo hidrológico Observando a descrição do ciclo hidrológico, é fácil perceber o quanto ele é condicionado pelas características locais, como clima, relevo, tipo de solo, uso e ocupação do solo, geologia, tipo de cobertura vegetal, rede hidrográfica (rios), etc. Por exemplo, a interceptação que ocorre em uma área com mata nativa é muito superior à de áreas agrícolas, como o cultivo de fumo e arroz. Em áreas com solo tipo argiloso, pouco permeável, a infiltração se dá em menor quantidade do que em áreas com solo arenoso, mais permeável, enquanto que em áreas pavimentadas essa fase já não ocorre praticamente. Como o escoamento se processa movido pela ação da gravidade, em terrenos mais íngremes a tendência é ocorrer menor retenção da água em depressões do solo, com escoamentos mais rápidos do que em terrenos mais planos, onde há maior propensão ao acúmulo de água, facilitando a infiltração. O homem vem modificando o meio em que vive,de modo à “adequá-lo” às suas necessidades, o que repercute em sensíveis alterações do ciclo hidrológico. Por exemplo, pode-se citar o barramento de rios, que modifica o regime de escoamento, aumenta a evaporação e eleva o nível das águas subterrâneas (lençol freático), além de outras conseqüências sobre a biota aquática. Outro exemplo é a impermeabilização do solo devido à urbanização, o que diminui a parcela infiltrada e aumenta o escoamento superficial, causando alagamentos. O desmatamento é outro exemplo, na medida em que diminui a interceptação, deixando os solos expostos à ação das gotas de chuva e do escoamento superficial, que erodem o solo e carreiam nutrientes e sedimentos para rios e lagos. Para ilustrar o efeito da substituição da cobertura natural do solo pela urbanização sobre o ciclo hidrológico, tem-se a Figura 2.2. Observa-se que, após uma impermeabilização entre 30% e 50% da superfície, o escoamento superficial passa a 11 corresponder a 55% do total precipitado, enquanto esse percentual era equivalente a apenas 10% da precipitação para a situação de cobertura natural do solo. Figura 2.2 – Ilustração do efeito da urbanização sobre o ciclo hidrológico (os percentuais se referem à parcela da precipitação que “segue” cada uma das fases do ciclo). Fonte: adaptado de EPA (1998). Além de alterar as fases do ciclo hidrológico, as atividades antrópicas1 têm uma série de repercussões sobre o meio ambiente, tais como: contaminação de corpos d’água, devido ao lançamento de efluentes de origem industrial, agrícola ou doméstico (esgoto das cidades); introdução de espécies exóticas (espécies que não eram encontradas na região na região e foram introduzidas pelo homem); ocupação de planícies de inundação; mudanças globais no clima; desmatamento; contaminação do ar, ocasionando chuvas ácidas, etc (Tabela 2.2). 1 atividade antrópica = aquela relativa à ação humana. 12 Tabela 2.2 – Atividade humana e seus impactos sobre a disponibilidade hídrica. (Fonte: adaptado de Tundisi, 2000). Atividade humana Impacto nos ecossistemas aquáticos Valores/serviços em risco Construção de represas Alteração do fluxo dos rios, transporte de nutrientes e sedimentos, intereferência na migração e reprodução de peixes Habitats, pesca comercial e esportiva, deltas e suas economias Construção de diques e canais Destruição da conexão do rio com as áreas inundáveis Fertilidade natural das várzeas e controles das enchentes Alteração do canal natural dos rios Danos ecológicos dos rios. Modificação dos fluxos dos rios Habitats, pesca comercial e esportiva. Produção de hidroeletricidade e transporte. Drenagem de áreas alagadas Eliminação de um componente fundamental dos ecossistemas aquáticos Biodiversidade. Funções naturais de filtragem e reciclagem de nutrientes. Habitats para peixes e aves aquáticas. Desmatamento/uso do solo Mudança de padrões de drenagem, inibição da recarga natural dos aquíferos, aumento da sedimentação Qualidade e quantidade da água, pesca comercial, biodiversidade e controle de enchentes. Poluição não controlada Prejuízo da qualidade da água Suprimento de água. Custos de tratamento. Pesca comercial. Biodiversidade. Saúde humana. Remoção excessiva de biomassa Diminuição dos recursos vivos e da biodiversidade Pesca comercial e esportiva. Ciclos naturais dos organismos. Introdução de espécies exóticas Supressão das espécies nativas. Alteração dos ciclos de nutrientes e ciclos biológicos Habitats, pesca comercial. Biodiversidade natural e estoques genéticos. Poluentes do ar (chuva ácida) Perturbação da composição química de rios e lagos Pesca comercial. Biota aquática. Recreação. Saúde humana. Agricultura Mudanças globais no clima Alteração drástica do volume dos recursos hídricos, dos padrões de distribuição da precipitação e evaporação, riscos de enchente Suprimento de água, transporte, produção de energia elétrica, produção agrícola, pesca. Crescimento da população e padrões gerais do consumo humano Aumento na pressão para construção de hidroelétricas, da poluição da água, da acidificação de lagos e rios. Modificação do ciclo hidrológico. Praticamente todas as atividades econômicas que dependem dos serviços dos ecossistemas aquáticos. Usos da água Os setores usuários das águas são diversos, utilizando-as para diferentes fins. Dependendo do uso, há a necessidade de derivação da água e ocorre um consumo (uso consuntivo), retornando determinada parcela da água aos corpos d’águas. Outros usos, 13 como a navegação, por exemplo, são considerados não consuntivos, pois não alteram a quantidade deste recurso na natureza. Na Tabela 2.3 são listados os principais usos da água, explicitando algumas características: existência ou não de derivação de águas do seu curso natural; a finalidade e os tipos de uso; as perdas por uso consuntivo da água; os requisitos de qualidade exigidos para cada uso e; os efeitos da utilização, especialmente de qualidade. Tabela 2.3 – Usos da água (Fonte: adaptado de Barth, 1987, apud Setti et al., 2001). Forma Finalidade Tipo de uso Uso consuntivo Requisitos de qualidade Efeitos nas águas abastecimento urbano abastecimento doméstico, industrial, comercial e público baixo, de 10%, sem contar as perdas nas redes altos ou médios, influindo no custo do tratamento Poluição orgânica e bacteriológica abastecimento industrial sanitário, de processo, incorporação ao produto, refrigeração e geração de vapor médio, de 20%, variando com o tipo de uso e de indústria médios, variando com o tipo de uso Poluição orgânica, substâncias tóxicas, elevação de temperatura irrigação irrigação artificial de culturas agrícolas segundo diversos métodos alto, de 90% Médios, dependendo do tipo de cultura Carreamento de agrotóxicos e fertilizantes abastecimento doméstico ou para dessedentação de animais baixo, de 10% Médios Alterações na qualidade com efeitos difusos Com derivação de águas aqüicultura estações de piscicultura e outras baixo, de 10% Altos Carreamento de matéria orgânica geração hidroelétrica acionamento de turbinas hidráulicas perdas por evaporação do reservatório baixos alterações no regime e na qualidade da água navegação fluvial manutenção de calados mínimos e eclusas não há baixos lançamento de óleo e combustíveis recreação, lazer e harmonia paisagística natação e outros esportes com contato direto, como iatismo e motonáutica lazer contemplativo altos, especialmente recreação de contato primário não há pesca com comerciais de espécies naturais ou introduzidas através de estações de piscicultura não há altos, nos corpos d'água, correntes, lagos, ou reservatórios artificiais alterações na qualidade após mortandade de peixes assimilação de esgotos diluição, autodepuração e transporte de esgotos urbanos e industriais não há não há poluição orgânica, física, química e bacteriológica sem derivação das águas usos de preservação vazões para assegurar o equilíbrio ecológico não há médios melhoria da qualidade da água 14 Escassez da água Há algum tempo atrás, predominava a idéia da abundância da água na natureza, o que não gerava preocupação quanto à quantidade de água consumida ou desperdiçada por determinado uso. Entretanto, atualmente tem-se tentado tornar cadavez mais consensual a noção de escassez de água, pelo menos em termos relativos, em virtude da crescente demanda por esse valioso recurso. São diferenciados dois tipos de escassez: (a) escassez quantitativa e (b) escassez qualitativa. A escassez quantitativa decorre da falta de água em quantidade suficiente para atender àqueles usos pretendidos, sendo comum a ocorrência no Nordeste brasileiro (região semi-árida, principalmente). Cabe salientar aqui a irregular distribuição temporal (precipitações concentradas em poucos meses do ano) e espacial (abundância de água na Amazônia e escassez no semi-árido nordestino). A escassez qualitativa é resultante da falta de qualidade suficiente da água para atender os usos pretendidos, ocasionada principalmente pelo lançamento de esgotos das várias origens. Assim, por ser um recurso escasso, a água é considerada dotada de valor econômico, como dispõe a Lei 9.433 de 19972, a chamada Lei das Águas. Por isso, além da gestão da oferta de água (busca de novos mananciais de abastecimento ou aumento da exploração dos existentes), praticada há mais tempo, tem-se ressaltado a necessidade da gestão da demanda pela água. Isso visa proporcionar um uso racional desse recurso e, para tanto, diversos instrumentos estão previstos na referida lei, entre eles alguns instrumentos econômicos, como a outorga e a cobrança pela água. A outorga se refere basicamente à concessão do direito de utilização da água, seja para captá-la, para usá-la como diluição de esgotos (efluentes) ou para geração de energia elétrica, a ser emitida pelo órgão responsável. A cobrança diz respeito ao pagamento de um valor pela retirada da água do corpo d’água ou pelo lançamento de efluentes no mesmo. 2 Lei Federal n. 9.433, de 8 de janeiro de 1997, que institui a Política Nacional de Recursos Hídricos, cria o Sistema Nacional de Recursos Hídricos e dá outras providências. 15 Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 3333 Bacia HidrográficaBacia HidrográficaBacia HidrográficaBacia Hidrográfica Conceito de bacia hidrográfica A expressão bacia hidrográfica é usada para denotar a área de captação natural da água de precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, que é chamado de exutório. A bacia é constituída por um conjunto de superfícies vertentes – terreno sobre o qual escoa a água precipitada – e de uma rede de drenagem formada por cursos d’água que confluem até resultar um leito único no exutório. Figura 3.1 – Superfícies vertentes e rede de drenagem que compõem uma bacia hidrográfica. Fonte: adaptado de EPA (1998) Fonte: adaptado de EPA (1998) Superficies vertentes Superficies vertentes Rede de drenagem Rede de drenagem Superfícies Vertentes Rede de drenagem 16 Relembrando os processos envolvidos no ciclo hidrológico (Capítulo 2), a bacia hidrográfica pode ser considerada como um sistema físico, cuja entrada é o volume de água precipitado e cuja saída é o volume de água escoado pelo exutório. Entretanto, esse é um sistema aberto, já que nem toda a precipitação (entrada de água) se torna escoamento no exutório (saída) ou fica armazenada na própria bacia. Há perdas intermediárias, relativas aos volumes evaporados, transpirados (pela vegetação) ou infiltrados profundamente (Figura 3.2). Tais volumes de água representam parcela da entrada no sistema que é “perdida” para a atmosfera ou para camadas profundas do subsolo. Figura 3.2 – Representação da bacia hidrográfica como um sistema aberto. Mesmo com esse aspecto de sistema aberto, o estudo hidrológico se dá a nível de bacia hidrográfica, cujo papel hidrológico é entendido como sendo o de transformar uma entrada de volume de água concentrada no tempo (que é a precipitação) em uma saída de água de forma mais distribuída no tempo (escoamento pelo exutório). Nesse meio termo, ou seja, entre a ocorrência da precipitação e a vazão de saída da bacia, decorrem todos os processos descritos no Capítulo 2, compondo o Ciclo Hidrológico. Há interceptação pela vegetação, erosão do solo, evaporação, transpiração, armazenamento da água em depressões do solo, infiltração sub-superficial e profunda, etc. Ocorrem também os diversos usos da água pela população residente na bacia, como captação de água para abastecimento doméstico, uso para lazer, banho, lançamento de esgotos e efluentes industriais, entre outros. Entretanto, como acontece cada processo do ciclo ou cada uso da água e em que intensidade vai variar conforme as características da Precipitação Vazão evaporação transpiração percolação profunda limite da bacia hidrográfica rede de drenagem 17 bacia, como relevo, topografia, cobertura vegetal, tipo de solo, geologia, presença de áreas urbanas, atividades agropecuárias ou industriais, etc. Na Figura 3.3 são apresentados dois gráficos, denominados de hietograma e hidrograma. O primeiro se refere à representação da precipitação ocorrida ao longo do tempo, enquanto o hidrograma retrata o comportamento da vazão ao longo do tempo. Tais gráficos são apenas exemplos típicos e serão discutidos em mais detalhes no Capítulo referente ao Escoamento Superficial, mas permitem visualizar o papel hidrológico da bacia, transformando a entrada de água concentrada no tempo em uma saída mais distribuída. Figura 3.3 – Exemplo de gráficos da precipitação ao longo do tempo (hietograma) e da vazão (hidrograma), ilustrando o papel hidrológico de uma bacia hidrográfica. Simplificadamente, pode-se descrever o processo de transformação da precipitação em vazão do seguinte modo: a precipitação que cai sobre as vertentes (superfícies que contribuem para os cursos d’água da rede de drenagem) infiltra-se totalmente no solo até saturá-lo. Nesse instante, decresce a taxa de infiltração, que passa a ser inferior à precipitação e aumenta o escoamento superficial (Figura 3.4), que segue até a rede de drenagem e daí até o exutório da bacia. Esse processo de formação do escoamento superficial é geralmente caracterizado como uma “produção de água” pelas vertentes. tempo pre cip itac ao tempo pre cip itac ao tempo vazao tempo vazao ((((HietogramaHietogramaHietogramaHietograma)))) ((((HidrogramaHidrogramaHidrogramaHidrograma)))) 18 À medida que se processa o escoamento superficial nas vertentes, ocorre também o transporte de partículas do solo (sedimentos), devido à força erosiva das gotas da chuva e à própria ação do escoamento. Isso é referido como “produção de sedimentos” pelas vertentes, de forma análoga à produção de água, e será melhor discutido no Capítulo referente ao Transporte de Sedimentos. Importante ressaltar que as superfícies vertentes e a rede de drenagem são indissociáveis, visto que estão em constante interação. Durante a precipitação, as vertentes contribuem para os arroios e rios com água e sedimentos carreados. Entretanto, quando ocorre cheia no rio, este extravasa da sua calha principal, alcançando a planície de inundação, ocorrendo fluxo inverso de água e sedimentos (agora no sentido calha do rio para planície de inundação). Figura 3.4 – “Produção” de escoamento superficial nas superfícies vertentes de uma bacia hidrográfica. Delimitação da bacia hidrográfica Como já mencionado, a bacia hidrográfica é vista como o conjunto de áreas que contribuem para um determinado ponto. Entretanto, como definir tal áreade contribuição, também conhecida como área de drenagem? Normalmente, os limites da bacia são estabelecidos analisando a topografia do terreno (relevo), através das curvas de nível (linhas indicativas da altitude do terreno – cotas – em relação a um referencial, como o nível do mar). Seja utilizando mapas impressos ou arquivos eletrônicos, a bacia hidrográfica é delimitada identificando as áreas de maior cota, que constituem os 19 chamados divisores topográficos da bacia. Como o escoamento se dá pela ação da gravidade, e a bacia é definida como o conjunto de áreas que contribuem para um ponto, é fácil perceber que as regiões de terreno mais elevado estabelecem uma divisão entre a parte do terreno cujo escoamento segue até o rio em questão e a parte cujo escoamento segue para outro rio de outra bacia. Também é importante ter em mente o conceito de “bacias dentro de bacias”, o qual é ilustrado pela Figura 3.5. Tendo o ponto A como base, a área contribuinte, ou seja, sua bacia hidrográfica é a indicada em tal figura. Entretanto, essa bacia está inserida na bacia do ponto B que, por sua vez, está contida na bacia do ponto C. Assim, conforme a escala em que se trabalhe e, principalmente, o interesse do estudo a ser realizado, serão tomadas as bacias “maiores” ou as sub-bacias e micro-bacias. Figura 3.5 – Delimitação da área contribuinte conforme o ponto considerado (A, B ou C, cuja localização é indicada pelas setas). Voltando à questão da delimitação de uma bacia, a rigor existem três tipos de divisores de bacias: divisor topográfico, baseado no relevo; divisor geológico, em função das características geológicas; e divisor freático, estabelecido de acordo com a posição do lençol freático (nível das águas subterrâneas no subsolo) (Figura 3.6). Mas, devido à falta de informações e à não praticidade no estabelecimento dos divisores geológicos e freáticos, geralmente são empregados apenas os divisores topográficas para identificar e delimitar uma bacia. A B C 20 Fonte: Villela (1975)Fonte: Villela (1975) Figura 3.6 – Indicação dos divisores topográficos e freáticos de uma bacia hidrográfica (Fonte: Villela, 1975). Bacia hidrográfica x gestão dos recursos hídricos Com base nas definições de bacia hidrográfica, percebe-se porque se adota a bacia hidrográfica como unidade para a gestão dos recursos hídricos. Como a bacia define todas as áreas contribuintes para um ponto, isso significa que os impactos, ações, intervenções, projetos em um ponto da bacia poderão repercutir em toda a área a jusante da área afetada inicialmente. Por exemplo, o lançamento de efluentes de uma indústria em um determinado ponto de um arroio irá influir na qualidade da água em todo o restante do arroio a jusante, bem como nos demais cursos d’água para o qual tal arroio conflui. Outro exemplo diz respeito ao desmatamento de uma parte da área da bacia, cujo efeito (maior geração de escoamento superficial) será sentido nos trechos a jusante da bacia. Assim, os problemas relativos à água são comumente tratados pensando na bacia hidrográfica onde estão inseridos, cuja delimitação prevalece sobre os limites municipais e estaduais, por exemplo. Por isso, a Lei 9.433 (1997) estabelece como um dos princípios a definição da bacia hidrográfica como unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos. 21 O território brasileiro foi dividido inicialmente em 8 regiões hidrográficas (R. H.), mas atualmente, segundo a Resolução 32 do Conselho Nacional de Recursos Hídricos (CNRH) de 15 de outubro de 2003, são estabelecidas 12 regiões hidrográficas (Figura 3.6): R. H. do Amazonas; R. H. do Tocantins; R. H. do Paraguai; R. H. do Paraná; R. H. do Atlântico Nordeste Ocidental; R. H. do Atlântico Nordeste Oriental; R. H. do Parnaíba; R. H. do São Francisco; R. H. do Atlântico Leste; R. H. do Atlântico Sudeste; R. H. do Atlântico Sul; R. H. do Uruguai. Figura 3.7 – Divisão hidrográfica nacional (Fonte: adaptado de ANA, 2004). O Estado do Rio Grande do Sul, portanto, está inserido nas Regiões Hidrográficas do Uruguai e do Atlântico Sul. Por outro lado, o próprio Estado foi dividido em três regiões hidrográficas menores, que são: a Região Hidrográfica do Uruguai, a Região Hidrográfica do Guaíba e a Região Hidrográfica do Litoral (Figura 3.8). Vale ressaltar aqui que o conceito de região hidrográfica difere um pouco de bacia hidrográfica. As regiões hidrográficas foram traçadas com base nas bacias hidrográficas mas respeitando alguns limites geopolíticos. Por exemplo, tem-se a Região Hidrográfica Amazônica. Parte da bacia contribuinte ao rio Amazonas está além R.H. Amazônica R.H. Atlântico Nordeste Ocidental R.H. Atlântico Nordeste Oriental R.H. do Parnaíba R.H. do Tocantins R.H. do São Francisco R.H. Atlântico Leste R.H. Atlântico Sudeste R.H. Atlântico Sul R.H. do Uruguai R.H. do Paraná R.H. do Paraguai 22 da fronteira do Brasil, de modo que o traçado da região correspondente seguiu a delimitação do país na parte norte. No caso do Rio Grande do Sul, a Região Hidrográfica do Uruguai constitui o conjunto de áreas que drenam para o Rio Uruguai, embora haja uma parcela de área contribuinte a esse corpo d’água situada na Argentina e no Uruguai. A Região Hidrográfica do Guaíba contempla todas as áreas cuja contribuição segue para o Lago Guaíba. Já a Região Hidrográfica do Litoral é composta pelas áreas que drenam diretamente para o oceano ou para o sistema de lagoas Mirim, Mangueira e Lagoa dos Patos. Figura 3.8 – Divisão hidrográfica do Estado do Rio Grande do Sul. 23 Fisiografia da bacia hidrográfica A caracterização física da bacia hidrográfica, em termos de relevo, rede de drenagem, forma e área de drenagem, constitui o que se denomina de fisiografia. Para essa caracterização são utilizados mapas, fotografias aéreas, imagens de satélite (sensoriamento remoto) e levantamentos topográficos. Até um tempo atrás utiliza-se instrumentos como o curvímetro e o planímetro, que permitiam calcular comprimentos e áreas sobre mapas impressos. Entretanto, hoje em dia são empregados programas computacionais específicos, facilitando e agilizando enormemente essa tarefa. A seguir serão apresentadas algumas características fisiográficas mais utilizadas. Área da bacia A área da bacia (A) corresponde a sua área de drenagem, cujo valor corresponde à área plana entre os divisores topográficos projetada verticalmente. O conhecimento da área da bacia permite estimar qual o volume precipitado de água, para uma certa lâmina de precipitação3, pela expressão: volume precipitado = lâmina precipitada x área da bacia Como exemplo, a bacia do rio Caí tem uma área estimada em 4.983 km2, enquanto a área da bacia dos rios Taquari-Antas é de cerca de 26.536 km2. Forma da bacia A forma da bacia, obviamente, é função da delimitação da área da bacia e tem influência no tempo transcorrido entre a ocorrência da precipitação e o escoamento no exutório. Em bacias de formato mais arredondado esse tempo tende a ser menor do que em bacias mais compridas, como ilustra a Figura 3.9 para três bacias hipotéticas. Dois coeficientes são comumente empregados como indicativos da forma da bacia: fator de forma e coeficiente de compacidade. - Fator de forma: esse coeficiente é definido pela relação entre a largura média da bacia e o comprimento axial do curso d’água principal ( )CL . A largura média L é calculada pela expressão: 3 O conceito de lâmina de precipitaçãoé definido no Capítulo 4 – Precipitação. 24 cL AL = , e, portanto, o fator de forma fK é determinado por: 2 cc f L A L LK == Esse coeficiente dá uma idéia da tendência da bacia a cheias e, a princípio, comparando-se duas bacias, aquela de maior fator de forma estaria mais propensa a cheias do que a outra. - Coeficiente de compacidade: esse coeficiente é definido como a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de mesma área da bacia. Assim, considerando uma bacia de área A e um círculo também de área A, tem- se que: r P P PK cículo bacia c pi2 == e 2rA pi= Logo: A PKc 28,0= Pela sua definição, se 1=cK a forma da bacia é um círculo, sendo mais “irregular” quanto maior o valor desse coeficiente, o que implica em uma menor tendência a cheias. Figura 3.9 – Bacias hipotéticas de mesma área, onde o tempo entre a precipitação e a vazão no exutório tende a ser na seguinte ordem: t2<t1<t3, devido à forma da bacia. b. 1b. 1b. 1b. 1 b. 2b. 2b. 2b. 2 b. 3b. 3b. 3b. 3 25 Rede de drenagem A rede de drenagem é constituída pelo rio principal e seus afluentes. O rio principal é identificado a partir do exutório da bacia, “subindo o rio”, ou seja, percorrendo o sentido inverso do fluxo da água, até percorrer a maior distância (em outras palavras, o rio principal é aquele maior curso d’água do exutório até a cabeceira da bacia). Quatro indicadores são utilizados, geralmente, para descrever a rede de drenagem de uma bacia: ordem dos cursos d’água, densidade de drenagem, extensão média do escoamento superficial e sinuosidade do curso d’água principal, os quais serão descritos a seguir. - Ordem dos cursos d’água: esse parâmetro dá uma idéia do grau de ramificação da rede de drenagem, sendo a regra mais usual de classificar cada curso d’água a que considera que todos os cursos d’água que não recebem afluência de outros são de ordem 1; dois de ordem n formam um curso d’água de ordem n+1; dois de ordens diferentes formam um de ordem igual àquele formador de maior ordem. A bacia hipotética da Figura 3.10 exemplifica esse processo. Figura 3.10 – Classificação dos cursos d’água de uma bacia quanto à ordem. - Densidade de drenagem: esse índice é definido pela relação entre o comprimento total dos cursos d’água da bacia )(∑ cl e sua área: A l D cd ∑ = Os valores mais usuais da densidade de drenagem são: 2/5,35,0 kmkm Dd ≤≤ . - Extensão média do escoamento superficial: representa a distância média que água teria que percorrer, em linha reta, do ponto onde atingiu o solo até a rede de drenagem. Para sua determinação, considera-se um retângulo de área igual à da 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 2222 2222 2222 2222 3333 3333 26 ∑= Clx ∑= Clx mlmlm l2 ml4 ml2 ml2 ml4 ml4 bacia e com o maior lado igual à soma do comprimento total dos cursos d’água, como exemplifica a Figura 3.11. Figura 3.11 – Retângulo auxiliar de área igual à da bacia, para determinação da extensão média do escoamento superficial. Interpretando o retângulo anterior como sendo a bacia, é fácil perceber que a distância média que a água precipitada percorre até alcançar a rede de drenagem é um quarto do seu lado menor. No caso do retângulo, a rede de drenagem se limita ao curso d’água central, cujo comprimento é equivalente ao comprimento total dos cursos d’água da bacia original. Como o retângulo da Figura 3.11 tem área igual à da bacia, tem-se que: ∑ =⇒⋅= c mm l Al lxA 4 4 - Sinuosidade do curso d’água principal: representa a relação entre o comprimento do rio principal )( cL e a distância entre a nascente (cabeceira) e a foz )( cd , medida em linha reta. Esse termo dá uma idéia da “quantidade” de curvatura do rio, sendo determinado pela expressão: c c c d LS = A Figura 3.12 ilustra a definição das variáveis cL e cd , enquanto a Figura 3.13 mostra um rio nos EUA que apresenta grande sinuosidade, evidenciada pela quantidade de meandros. 27 CLCL CdCd Fonte: EPA (1998)Fonte: EPA (1998) Figura 3.12 – Representação do comprimento do rio principal )( cL e a distância entre sua foz e nascente )( cd . Figura 3.13 – Foto de um rio nos EUA dando idéia da sinuosidade de um curso d’água natural. Relevo da bacia As características do relevo da bacia têm influência direta sobre o escoamento superficial, principalmente na velocidade do escoamento e na maior ou menor tendência ao armazenamento da água na superfície ou depressões do solo. Entretanto, o relevo também influencia a evaporação, a precipitação e a temperatura, por serem função da altitude, dentre outras variáveis. 28 38% 20% 40% 60% 80% 100% 50 100 150 Cota (m) 20% 40% 60% 80% 100% 50 100 150 20% 40% 60% 80% 100% 50 100 150 20% 40% 60% 80% 100%20% 40% 60% 80% 100% 50 100 150 50 100 150 Cota (m) - Declividade da bacia: bacia com maior declividade tende a ter maior velocidade do escoamento e ser mais susceptível à erosão do solo, caso este esteja descoberto; a declividade da bacia é geralmente estimada pelo método das quadrículas, analisando as curvas de nível do terreno. O referido método foge ao escopo desta disciplina e não é descrito neste texto. - Declividade do curso d’água principal: para dois pontos quaisquer do curso d’água, a declividade é determinada pela relação entre a diferença total de elevação do leito (cotas) e a distância horizontal entre eles: .. 1 horizdist CotaDC ∆ = - Curva hipsométrica: representação gráfica do relevo médio da bacia, indicando para cada cota do terreno a porcentagem da área da bacia situada acima ou abaixo dessa cota. A Figura 3.14 mostra um exemplo típico de uma curva hipsométrica, na qual 38% da área da bacia está situada acima da cota 50 m. Figura 3.14 – Exemplo de uma curva hipsométrica, segundo a qual, por exemplo, 38% da área da bacia está em cotas superiores à 50 m. 29 Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 4444 PrecipitaçãoPrecipitaçãoPrecipitaçãoPrecipitação Aspectos gerais A precipitação é entendida como qualquer forma de água proveniente da atmosfera que atinge a superfície terrestre, como, por exemplo, neve, granizo, chuva, orvalho, geada, etc. O que diferencia as várias formas de precipitação é o estado em que a água se encontra. Devido a sua capacidade de gerar escoamento, a chuva constitui a forma de precipitação de maior interesse para a hidrologia. Como visto nos Capítulos 2 e 3 anteriores, parcela da chuva que atinge o solo gera escoamento nas vertentes da bacia hidrográfica, alcançando a rede de drenagem e daí seguindo até o exutório da bacia. Como a precipitação constitui a “entrada” de água na bacia hidrográfica, tomando-a como um sistema físico, a estimativa da precipitação em uma bacia dá idéia da disponibilidade hídrica nela, servindo para avaliar a necessidade de irrigação, a previsão de enchentes nos rios, a operação de hidroelétricas, o atendimento às demandas para abastecimento público, etc. Mecanismo de formação da precipitação A precipitação ocorre a partir da presença de vapor d’água na atmosfera, que sob determinadas condições precipita na forma de neve, gelo, chuva, etc. Para a ocorrência de chuva, deve-se haver condições propícias para o crescimento das gotas de água, até que elas possuam peso superior às forças que as mantêm em suspensão naatmosfera. Esse crescimento se dá principalmente devido à presença dos chamados núcleos de condensação nas nuvens, que são partículas orgânicas, sais, cristais de gelo, produtos resultantes da combustão, entre outros. As gotas de chuva tendem a condensar sobre tais partículas e, mediante alguns processos 30 físicos, ocorre o crescimento das gotas, em parte devido ao choque das primeiras com outras gotas menores. Ao atingir peso suficiente, as gotas precipitam. Classificação da precipitação A ocorrência de precipitação está geralmente relacionada à ascensão de ar úmido, após o qual se dá o processo de condensação sobre os núcleos e de crescimento das gotas, descritos no item anterior. Mas há diferentes mecanismos agindo no sentido de causar a referida ascensão do ar úmido e, conforme o tipo de mecanismo, as precipitações são classificadas em: - Convectivas: a ascensão do ar úmido e quente decorrente de uma elevação excessiva de temperatura; como o ar quente é menos denso, ocorre uma brusca ascensão desse ar que, ao subir, sofre um resfriamento rápido, gerando precipitações intensas com pequena duração, cobrindo pequenas áreas; ocorrem com freqüência em regiões equatoriais; - Orográficas: a ascensão do ar quente e úmido, proveniente do oceano, ocorre devido a obstáculos orográficos, como montanhas e serras; ao subir, ocorre o resfriamento e em seguida a precipitação; são caracterizadas por serem de pequena intensidade, mas longa duração, cobrindo pequenas áreas; como as montanhas constituem um obstáculo à passagem do ar úmido (com “potencial” para formar precipitação), normalmente existem áreas no lado oposto caracterizadas por baixos índices de precipitação, sendo chamadas de “sombras pluviométricas”; - Frontais: neste tipo de precipitação, a ascensão do ar decorre do “encontro” entre massas de ar frias e quentes; como resultado, o ar mais quente e úmido sofre ascensão, resfria-se e ocorre a precipitação, caracterizada por longa duração e intensidade média, cobrindo grandes áreas. 31 Caracterização da precipitação Uma precipitação, no caso chuva, é caracterizada pelas seguintes grandezas: - altura pluviométrica (P): representa a espessura média da lâmina de água precipitada, sendo geralmente adotada como unidade o milímetro (mm); significa a espessura da lâmina de água que recobriria toda a região, supondo-se que não houvesse infiltração, evaporação nem escoamento para fora da região; - duração (t): representa o período de tempo durante o qual ocorreu a precipitação; geralmente se utilizam horas (h) ou minutos (min) como unidade; - intensidade (i): fazendo-se a relação da lâmina de água precipitada com o intervalo de tempo transcorrido, obtém-se a intensidade dessa precipitação, geralmente em mm/h ou mm/min; assim i = P/t; - tempo de recorrência (Tr): representa o número médio de anos durante o qual se espera que uma determinada precipitação seja igualada ou superada; por exemplo, ao se dizer que o tempo de recorrência de uma precipitação é de 10 anos, tem-se que, em média, deve-se esperar 10 anos para que tal precipitação seja igualada ou superada. Medição da precipitação Os instrumentos usuais de medição da precipitação são o pluviômetro e o pluviógrafo, descritos sucintamente a seguir. O pluviômetro é constituído por um recipiente metálico dotado de funil com anel receptor (Figura 4.1), geralmente com uma proveta graduada para leitura direta da lâmina de água precipitada. Esse instrumento armazena a água da chuva e, fazendo-se a leitura da proveta, tem-se a lâmina precipitada (P). Normalmente, a leitura é feita diariamente, às 7h da manhã, por uma pessoa encarregada (operador) – geralmente, um morador da região, cujo acesso diário ao equipamento seja fácil, e que recebe orientação do órgão/empresa responsável pelo monitoramento. 32 Fonte: Studart, 2003. Fonte: Studart, 2003. Assim, o pluviômetro indica a precipitação ocorrida nas últimas 24 horas, desde a última leitura, a qual é anotada pelo operador em uma caderneta diariamente. Figura 4.1 – Foto de um pluviômetro. (Fonte: Studart, 2003). O outro instrumento utilizado para registrar a precipitação, o pluviógrafo, difere do pluviômetro basicamente por possuir um mecanismo de registro automático da precipitação, gerando informações mais discretizadas no tempo, isto é, informações em intervalos de tempo menores. Os equipamentos mais antigos utilizam um braço mecânico para traçado de um gráfico em papel graduado com os valores precipitados (Figura 4.2). Os pluviógrafos mais modernos armazenam tais informações em meio magnético (Figura 4.3) ou enviam em tempo real por sistema de transmissão remoto de dados. Para acionamento do mecanismo de registro, seja em papel ou em meio magnético, há dois tipos principais de sensores: cubas basculantes, cujo enchimento e vertimento aciona o registro; reservatório equipado com sifão, sendo a variação do nível no reservatório a responsável pelo acionamento do registro. Dessa forma, o pluviógrafo permite ter informações mais detalhadas ao longo do tempo, além de uma maior precisão também. Outra grande vantagem é não necessitar da visita diária do operador, cuja visita fica restrita à troca de papel ou para descarregar os dados em um computador portátil, em períodos como 15 dias ou um mês. Em tais casos, 33 o operador já passa a ser alguém com conhecimento mais especializado, geralmente um técnico. Figura 4.2 – Foto de pluviógrafo com mecanismo de registro em papel graduado. (Fonte: Studart, 2003). Figura 4.3 – Foto de pluviógrafo com mecanismo de registro em meio magnético. (Fonte: Hobeco, 2003). 34 Análise de dados de precipitação Um posto de medição de chuva (posto pluviométrico) é instalado e mantido com o objetivo de obter uma série ininterrupta de dados de precipitação ao longo dos anos. Entretanto, é comum a ocorrência de problemas mecânicos ou com o operador, de modo que normalmente existem períodos sem registros das precipitações ou com falhas nas observações. Como falhas são designados dados cujos valores são incoerentes ou denotam erros grosseiros, os quais são detectados por análise visual no primeiro contato com a série histórica de dados ou mesmo só no momento do processamento das informações, durante os estudos hidrológicos. São comuns as falhas cuja origem é o preenchimento errado da caderneta pelo operador, constando valores absurdos de tão elevados ou com casas decimais acima da precisão do instrumento. Por exemplo, em dados diários, uma precipitação de 1000 mm com certeza representa uma falha de leitura, pois esse valor equivale ao precipitado anual em algumas regiões. Outro exemplo é um valor de 1,25 mm, sabendo que o pluviômetro usado tem graduação de 0,1 mm. Também pode ocorrer que o operador não pôde comparecer ao local e “estime” um valor para leitura, que, às vezes, é perceptível – o operador repete o último valor anotado ou coloca zero, por exemplo. Entretanto, as falhas também podem ter origem em problemas mecânicos no sensor ou no registrador do instrumento, causado por intempéries ou até por animais ou vandalismo. Enfim, é normal que as séries históricas de precipitação contenham falhas, as quais devem ser identificadas e excluídas, tornando as séries com “espaços” sem informação. Isso por que os estudos hidrológicos requerem séries contínuas de precipitação. Vale lembrar que, por exemplo, um dia com falha já incapacita o uso do valor da precipitação mensal naquele mês, dada pela soma das precipitações diárias. Preenchimentode falhas Para realizar o preenchimento de falhas em séries de dados de precipitação, tornando-as contínuas, são usualmente empregados os métodos da ponderação regional, regressão linear e uma combinação dos dois anteriores. A seguir tais métodos serão 35 brevemente apresentados, sendo a descrição detalhada encontrada na bibliografia indicada ao final deste documento. - Método da ponderação regional Este método consiste em estimar a precipitação ocorrida no posto com falha considerando-a proporcional às precipitações em postos vizinhos, sendo o fator de proporcionalidade função da precipitação média em tais postos, levando em consideração ainda a precipitação média no próprio posto com falha. Tal método é utilizado selecionando ao menos três postos vizinhos àquele com falha, os quais devem estar localizados em região climatologicamente semelhante ao posto com falha. Por exemplo, considerando que em uma série de dados de um posto X tenham sido encontradas falhas, e considerando que existem os postos Y, Z e W situados em regiões de clima semelhante e com dados disponíveis, as falhas citadas podem ser preenchidas pela seguinte equação, conforme o método da ponderação regional: Xm Wm W Ym Y Zm Z X PP P P P P P P ⋅ ++= 3 1 , onde PXm, PYm, PZm e PWm são as precipitações médias nos postos X, Y, Z e W, respectivamente; PX, é a precipitação no posto X a determinar; PY, PZ e PW são as precipitações nos postos Y, Z e W, respectivamente, no intervalo de tempo referente àquele da precipitação no posto X a determinar. Esse método é normalmente usado para séries mensais ou anuais, não sendo recomendado para séries diárias, devido à grande variabilidade temporal e espacial da precipitação. - Método da regressão linear Outro método de preenchimento de falhas de dados de precipitação consiste em utilizar a técnica da regressão linear simples ou múltipla, segundo a qual a precipitação no posto com falhas é correlacionada estatisticamente com a precipitação em um posto vizinho com dados disponíveis, no caso da regressão simples, ou vários postos vizinhos, no caso da regressão múltipla. Basicamente, o referido método consiste em ajustar uma equação do tipo (para regressão linear múltipla): 36 dPcPbPaP WZYX +⋅+⋅+⋅= , onde Px é a precipitação a ser determinada no posto X com falha; Py, Pz e Pw são as precipitações nos postos vizinhos Y, Z e W, respectivamente; a, b, c, d são coeficientes a ajustar com base nas séries de dados disponíveis dos quatro postos. O método mais comum de determinar os coeficientes a, b, c, d é o método dos mínimos quadrados, que procura ajustar tais valores de modo a minimizar o somatório do quadrado das distâncias de cada valor em relação à média e cuja descrição foge ao escopo deste texto, mas é facilmente encontrada em qualquer livro de Estatística, como por exemplo Spiegel (1972). - Método da ponderação regional com base em regressões lineares Sendo uma combinação dos dois métodos anteriores, este consiste em estabelecer regressões lineares entre o posto com falhas e cada um dos postos vizinhos selecionados. Para cada regressão linear, obtém-se um coeficiente de correlação (que estima o “grau de correlação” em cada regressão) e a partir desses coeficientes são determinados os pesos de cada posto na equação de determinação da precipitação no posto com falha. Assim, a precipitação no posto com falha é determinada por uma ponderação das precipitações nos postos vizinhos, sendo os pesos de cada posto estabelecidos em função do grau de correlação dos seus dados com os do posto com falhas, obtidos mediante regressão linear. Maiores informações sobre esse método podem ser encontradas em Tucci (2000). Análise de consistência Dispondo das séries de precipitação sem falhas, preenchidas por algum dos métodos descritos anteriormente, convém realizar uma análise de consistência, para avaliar a homogeneidade das informações entre os postos pluviométricos. Embora à primeira vista os dados possam estar com valores supostamente coerentes, é possível haver inconsistência nas informações dos totais precipitados, oriundos de problemas como troca de operador, troca de equipamento, mudança nas condições vizinhas ao local onde o equipamento está instalado, etc. 37 Caso sejam identificadas inconsistências, devem ser revistas as falhas preenchidas bem como tentar identificar outras falhas não apontadas inicialmente. Para detectar tais inconsistências, geralmente são empregados os métodos da Dupla Massa e do Vetor Regional. O primeiro método é descrito resumidamente a seguir, enquanto o segundo pode ser encontrado em detalhes em Tucci (2000). - Método da Dupla Massa Este é um método simples, desenvolvido pelo U.S. Geological Survey (Tucci, 2000), o qual consiste em traçar em um gráfico os totais acumulados de precipitação do posto a consistir (posto cuja consistência se quer analisar) versus os totais acumulados de um posto base de comparação. Se os pontos de tal gráfico se alinharem em uma reta aproximada, isso indica uma proporcionalidade entre os dados dos dois postos em questão, como ilustra a Figura 4.4-a. Figura 4.4 – Exemplos de resultados da análise de consistência do Posto Y tendo como base o posto X (totais precipitados acumulados). Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X Posto Y Posto X (a) (b) (c) (d) 38 Entretanto, pode ocorrer que os pontos se alinhem em uma reta até certo instante e em outra a partir daí, sendo duas retas de declividades diferentes (Figura 4.4-b). Isso indica uma mudança de tendência no posto a consistir (no caso, posto Y), que pode ser causada por erros sistemáticos (por exemplo, mudança do operador, que está fazendo a leitura do instrumento erroneamente), por alterações climáticas, como a construção de um lago artificial próximo ao local de medição, entre outras. Também pode ocorrer dos pontos se alinharem em duas ou mais retas de mesma declividade (paralelas) (Figura 4.4-c). A principal causa são erros de transcrição dos dados, causados pelo operador ou durante o processamento das informações. Quando o gráfico dos totais acumulados apresenta a forma da Figura 4.4-d, onde os pontos estão distribuídos de forma dispersa, sem haver nenhuma tendência clara, isso indica, geralmente, que os postos em questão apresentam regimes pluviométricos distintos, não devendo ser usados conjuntamente nos estudos hidrológicos. Análise de freqüência dos totais precipitados Uma análise simples e rápida de se fazer sobre os totais precipitados é verificar com qual freqüência eles ocorreram historicamente, com base nos dados observados disponíveis. Para tanto, os dados são dispostos em ordem decrescente de valores, sendo atribuído a cada um deles um número (m) correspondente a sua ordem – o primeiro (maior valor) recebe o valor m = 1, o segundo m = 2, e assim sucessivamente até o número de dados ou registros disponíveis, representado por n. O valor de m varia então de 1 até n. A freqüência (F) é determinada pelas equações abaixo, conforme se opte pelo método da Califórnia ou de Kimball: n mF = 1+ = n mF Convém ressaltar que o valor de F representa a freqüência com que o valor da precipitação de ordem m foi igualada ou superada, tendo como fonte de informações a série de dados disponíveis. Como já ressaltado, a precipitação é um fenômeno aleatório, (método da Califórnia) (método de Kimball) 39 de grande variabilidade temporal e espacial,e a estimativa da freqüência F apenas dá uma idéia da probabilidade de ocorrência de cada valor da precipitação na área em estudo, havendo técnicas estatísticas mais complexas para realizar previsões mais confiáveis. Precipitação média em uma bacia Os postos pluviométricos registram a precipitação pontual, naquele local onde estão instalados e, devido à variabilidade espacial e temporal da precipitação, as medições em postos geograficamente próximos são distintas. Para os estudos hidrológicos acerca de uma bacia hidrográfica, uma das informações mais imprescindíveis é o regime pluviométrico da região. Uma forma, então, de incorporar as medições pontuais dos postos e espacializar tais informações para a área da bacia é determinando a precipitação média. A precipitação média em uma bacia é entendida como sendo a lâmina de água de altura uniforme sobre toda a sua área, associada a um período de tempo (um dia, um mês, etc.). Obviamente, isso constitui uma simplificação, mas que permite inferir sobre o regime pluviométrico da região e servir de comparação entre bacias. Com base nos dados disponíveis de postos inseridos na área da bacia hidrográfica ou em regiões próximas, costuma-se estimar a precipitação média em uma bacia empregando o método aritmético, o método de Thiessen ou o método das isoietas, os quais serão descritos a seguir. Método artimético Esse método é o mais simples e consiste apenas em obter a precipitação média a partir da média aritmética das precipitações nos postos selecionados. Assim, supondo que estejam disponíveis dados dos postos X, Y, Z e W, a precipitação média na bacia da Figura 4.5 pode ser estimada como: 4 WZYX m PPPPP +++= , onde PX, PY, PZ, PW, são as precipitações nos postos X, Y, Z e W, respectivamente, e Pm é a precipitação média na bacia. 40 Figura 4.5 – Postos com dados disponíveis para estimativa da precipitação média da bacia do exemplo. Esse método não considera a localização geográfica dos postos, relativamente à bacia. Para o exemplo dado, a precipitação registrada no posto W tem a mesma “importância” daquela medida em Y, situada no interior da bacia, na estimativa da precipitação média via o método aritmético. Método de Thiessen Esse método determina a precipitação média em uma bacia a partir das precipitações observadas nos postos disponíveis, incorporando um peso a cada um deles, em função de suas “áreas de influência”. Com base na disposição espacial dos postos, são traçados os chamados polígonos de Thiessen, que definem a área de influência de cada posto em relação à bacia em questão. Dessa forma, a precipitação média é obtida pela ponderação dos valores registrados em cada posto e de suas áreas de influência. Considerando quatro postos com informação disponível (postos X, Y, Z e W), a precipitação média estimada por esse método é: A PAPAPAPAP WWZZYYXXm ⋅+⋅+⋅+⋅ = , onde: PX, PY, PZ, PW são as precipitações nos postos X, Y, Z e W, respectivamente; AX, AY, AZ, AW são as áreas de influência dos postos X, Y, Z e W; Pm é a precipitação média na bacia; A é a área da bacia que, no caso, corresponde à soma das áreas AX, AY, AZ, AW. 41 Para o traçado dos polígonos de Thiessen, inicialmente os postos são unidos por linhas retas formando um polígono fechado (Figura 4.6-b); em seguida, são traçadas retas perpendiculares aos segmentos que unem os postos, dividindo-os em duas partes iguais (Figura 4.6-c); essas retas perpendiculares são prolongadas até o cruzamento com as demais, definindo os polígonos de Thiessen e, portanto, as áreas de influência de cada posto na bacia (Figura 4.7). Figura 4.6 – Exemplo do traçado dos polígonos de Thiessen, para estimativa da precipitação média na bacia, com base nos dados dos postos X, Y, Z e W. Figura 4.7 – Definição dos polígonos de Thiessen e das áreas de influência dos postos X, Y, Z e W para estimativa da precipitação média na bacia do exemplo. Esse método incorpora, portanto, a questão da disposição espacial dos postos, relativamente à bacia, diferindo a “importância” de cada posto através da hipótese que (a) (b) (c) (a) (b) 42 cada um teria sua área de influência na bacia. Como essas áreas não variam, visto que os postos têm localização fixa, o cálculo pode ser automatizado, agilizando o processo. Entretanto, uma crítica a esse método é que ele não leva em conta as características do relevo, apresentando bons resultados parar terrenos levemente ondulados e também quando há uma boa densidade de postos de medição da precipitação. Método das isoietas O método das isoietas, como o próprio nome sugere, utiliza as isoietas para determinação da precipitação média em uma bacia. As isoietas são linhas de igual precipitação, traçadas para um evento específico ou para uma determinada duração. Por exemplo, pode-se ter um mapa com as isoietas referentes ao evento chuvoso ocorrido em tal data, ou as isoietas de precipitação mensal na bacia. Enquanto a primeira seria obtida a partir dos dados do evento especificado, a segunda seria com base nas séries de dados mensais disponíveis. As isoietas são determinadas por interpolação a partir dos dados disponíveis nos postos da área em estudo, podendo depois ser ajustadas conforme o relevo. Na Figura 4.8 é apresentado um exemplo fictício das isoietas em uma bacia hidrográfica, correspondendo a valores mensais. Figura 4.8 – Exemplo de isoietas mensais, com valores em mm. 43 A precipitação média na bacia pode ser obtida, portanto, a partir das isoietas traçadas, fazendo uma média ponderada em função das áreas entre duas isoietas consecutivas e o valor médio entre elas, como mostra a expressão a seguir: A PPA P ii ii m ∑ + ⋅ = + + 2 1 1, , onde Ai,i+1 é a área entre a isoieta i e a consecutiva i+1; Pi e Pi+1 são as precipitações referentes às isoietas i e i+1; Pm é a precipitação média na bacia; e A é a área da bacia que, no caso, é equivalente ao somatório das áreas entre as isoietas. O emprego das isoietas para determinação da precipitação média em uma bacia tem a vantagem de que leva em consideração a disposição espacial dos postos na bacia, quando realiza a interpolação para traçado das isoietas, e também o relevo da bacia, ao permitir ajustar o traçado por ele. Precipitações máximas A precipitação máxima é entendida como aquela ocorrência extrema, com duração, distribuição espacial e temporal críticas para uma área ou bacia hidrográfica. Em diversos estudos hidrológicos, o maior interesse é justamente conhecer ou estimar qual a precipitação máxima, ou seja, qual o total de precipitação, sua duração e distribuição espacial e temporal que sejam críticas para a área em estudo. Geralmente, para os estudos de drenagem urbana e de previsão de enchentes torna-se imprescindível a caracterização das precipitações máximas. Além disso, os dados de vazão estão menos disponíveis do que de precipitação e, com base nestes, pode-se determinar a precipitação máxima e então estimar a vazão de enchente na bacia. É importante perceber que uma precipitação máxima deve ser caracterizada pelas grandezas intensidade, duração e freqüência ou tempo de retorno. Dizer que a precipitação máxima em uma certa bacia é 120 mm não permite saber nada, sem informar a duração, pois esse total precipitado pode ocorrer em um dia ou em um mês, representando situações completamente distintas. E ao associar a intensidade e duração da precipitação com seu tempo de retorno, é possível ter uma idéia da freqüência de ocorrência da precipitação máxima especificada e, portanto, o quanto determinadoprojeto está “vulnerável” ou “seguro” ao considerar tal precipitação máxima. 44 Assim, para caracterizar a precipitação máxima em uma área, são normalmente empregadas as chamadas curvas i-d-f ou curvas intensidade-duração-freqüência. Tais curvas são obtidas a partir de dados de pluviógrafos, como apresentado por Tucci (2000). Para um determinado tempo de retorno (Tr), a curva i-d-f estabelece as máximas intensidades da precipitação (i) para cada duração (t), tendo geralmente a seguinte forma: 4 2 )( 3 1 c c r ct Tci + ⋅ = , onde c1, c2, c3, c4, são coeficientes ajustados para cada região; i é a intensidade da precipitação em mm/h; t é a duração em minutos e Tr é o tempo de retorno em anos. Por exemplo, as curvas i-d-f para a cidade de Curitiba (PR) e para a região do Parque da Redenção, em Porto Alegre (RS), são: 15,1 217,0 )26( 5950 + ⋅ = t Ti r (curva i-d-f de Curitiba – PR) 88,0 052,0 )12( 1265 + ⋅ = t Ti r (curva i-d-f da Redenção, Porto Alegre –RS) Assim, para um tempo de retorno de 10 anos, a precipitação máxima com duração de 2 horas, para a área próxima ao Parque da Redenção, em Porto Alegre, tem intensidade de 19 mm/h. Já para Curitiba, essa precipitação tem intensidade de 32 mm/h. Outra forma de apresentar a curva i-d-f é graficamente, como exemplifica a Figura 4.9, referente à cidade de Caxias do Sul, na qual são traçadas as curvas para os tempos de retorno de 2, 5 e 10 anos. Por exemplo, para um Tr = 10 anos e uma duração de 2 h, a intensidade da precipitação máxima em Caxias do Sul é em torno de 30 mm/h. 45 Figura 4.9 – Curva i-d-f de Caxias do Sul, para os tempos de retorno de 2, 5 e 10 anos (nas ordenadas, tem-se a intensidade da precipitação, em mm/h; nas abscissas, a duração da precipitação, em horas) (Fonte: IPH, 2001). 46 Capítulo Capítulo Capítulo Capítulo 5555 Escoamento SuperficialEscoamento SuperficialEscoamento SuperficialEscoamento Superficial Introdução Conforme visto no Capítulo 2, 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. 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 vazão4 do rio é proveniente do escoamento sub-superficial e subterrâneo, como descrito no Capítulo 2. Ou seja, parcela da água precipitada que infiltra vai escoar sub-superficialmente e outra 4 Vazão = volume por unidade de tempo, geralmente em m3/s ou l/s. 47 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. 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. Hidrograma 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 vazão5, 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. 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. Vendo a bacia hidrográfica como um sistema físico, cuja entrada é a precipitação e a saída é a vazão no seu exutório, como comentado no Capítulo 3, 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 5 Em capítulo posterior, será dado maior ênfase às características do fluxo de água em um rio propriamente dito (fluxo fluvial). 48 Vazão no Rio Uruguai (RS), seção em Garruchos 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 27/jul 06/ago 16/ago 26/ago 05/set 15/set 25/set data (ano de 1965) v a zã o (m 3/ s ) tempo), é reflexo direto das particularidades de cada bacia hidrográfica, estando envolvidos fatores como grau de urbanização, tipo de solo, área, etc. A título de curiosidade e ilustração, na Figura 5.1 é apresentado um hidrograma composto por dados observados (vazões diárias medidas no próprio rio)6 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. Figura 5.1 – Hidrograma na seção transversal do Rio Uruguai localizada em Garruchos, no período de 27/jul/1965 a 15/set/1965. 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
Compartilhar