Apostila Hidraulica e Hidrologia - Cap 1 - Hidrologia Ciência e aplicação

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∙Hidrologia – Ciência e aplicação 
- Introdução : 
Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas 
propriedades físicas e químicas, e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação com 
as formas vivas, (US Federal Council for Science and Techninology) Chow 1959 apud Tucci 2004. 
É uma disciplina consideravelmente ampla, abrangendo uma grande parte do conhecimento 
humano. 
Alguma das áreas em que a Hidrologia foi subdividida são as seguintes: 
Hidrometeorologia – trata da água na atmosfera; 
Limnologia – estudo dos lagos e reservatórios; 
Potamologia – estudo dos arroios e rios; 
Glaciologia – a neve e o gelo na natureza; 
Hidrogeologia – trata das águas subterrâneas. 
A Hidrologia é uma ciência interdisciplinar que tem tido evolução significativa em face aos 
problemas crescentes resultantes da ocupação acelerada das bacias urbanas, e do incremento 
significativo da utilização da água e do resultante impacto sobre o meio ambiente; 
Profissionais de diferentes áreas como engenheiros, agrônomos, geólogos, matemáticos, 
estatísticos, geógrafos, biólogos, dentre outros atuam em diferentes subáreas dessa ciência. 
(Tucci, 2004). 
De início a ocupação das bacias hidrográficas era feita de forma não planejada, sem a devida 
preocupação com o meio ambiente, priorizando-se os custos mínimos e os benefícios máximos. 
Atualmente houve um avanço no planejamento do uso e ocupação dos solos, buscando alcançar 
o desenvolvimento sustentável da bacia com aproveitamento racional dos recursos sem causar 
danos ao meio ambiente. 
Nos primórdios da civilização o homem já fazia uso dos recursos hídricos para evoluírem, com 
projetos de irrigação, como no Egito e Mesopotâmia, e obras grandiosas de aquedutos feitos 
pelos romanos e o controle das inundações pelos Chineses. 
No século XIV foram conhecidas as medições sistemáticas de precipitação e das vazões dos 
cursos ‘d’água. 
A maior compreensão do ciclo hidrológico veio com Leonardo da Vinci no século XV, 
Nos EUA o início da coleta de dados pluviométricos se deu a partir de 1819 e a medição das 
vazões em 1888. De lá vieram os principais estudos das chuvas e as experimentações praticas 
que levaram ao desenvolvimento de teorias e fórmulas matemática para definir o escoamento 
superficial de uma bacia hidrográfica. 
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No Brasil os pontos de medição mais antigos eram do final do século passado e a coleta de dados 
iniciou no começo deste século. 
A partir da década de 30 se deu o início do uso de fórmulas empíricas para descrever o 
funcionamento dos fenômenos naturais. As equações de Chesy para escoamento em canais, o 
Método Racional, para o cálculo de vazões máximas de pequenas bacias. 
Nesta década foi dado início a fase da hidrologia quantitativa, Sherman em 1932 com o 
Hidrograma Unitário; Horton 1933, com as equações empíricas para cálculo das infiltrações; etc. 
Com o advento dos computadores foi possível dar início a fase dos modelos de transformação 
chuva – vazão. A hidrologia estatística deu início ao estudo da frequência das cheias e 
desenvolveu-se a quantificação das séries temporais para dimensionamento de reservatórios 
(TUCCI,2004) 
 
- Ciência Hidrologia 
Segundo Dooge (1988), apud Tucci 2004, a Hidrologia Científica está dentro do contexto do 
desenvolvimento clássico do conhecimento científico, enquanto a Hidrologia Aplicada estuda os 
diferentes fatores relevantes do provimento de água para saúde e produção de comida para o 
mundo. 
A subdivisão apresentada se expandiu surgindo subáreas mais especializadas como resultado da 
necessidade da utilização e preservação da bacia hidrográfica. 
Hidrometeorologia – trata da água na atmosfera; 
Geomorfologia - trata da análise quantitativa das características das bacias hidrográficas e do 
escoamento; 
Escoamento superficial – objetivo do dimensionamento das vazões; 
Interceptação vegetal – cobertura vegetal da bacia; 
Infiltração e escoamento não saturados - previsão de infiltração no solo e do escoamento em 
solo não saturado; 
Escoamento em solo saturado – comportamento do fluxo em aquíferos e subsolo saturado. 
 
- Hidrologia Aplicada 
No Brasil, algumas das principais áreas da Hidrologia Aplicada são partes nos seguintes aspectos: 
Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica; 
Drenagem Urbana – 75% da população ocupa áreas urbanas; 
Energia – 92% da energia produzida no país é hidroelétrica; 
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Solo rural - Fronteira agrícola e uso do solo na agricultura favorecem a perda de solo fértil e 
assoreamento dos cursos d’água; 
Irrigação – necessidade de grandes volumes de água. 
 
- Ciclo Hidrológico e a Bacia Hidrográfica 
O ciclo hidrológico é um fenômeno Global de circulação fechada da água entre a superfície da 
Terra e a atmosfera, sob ação do Sol, da gravidade e da rotação terrestre. 
A bacia hidrográfica é o objeto principal do estudo do Ciclo Hidrológico. A captação das chuvas 
dentro dos seus limites conduz a determinação do ESD no exultório, e aos demais componentes 
da interação dela dependendo dos diversos tipos de solo, ou seja, a infiltração, ao 
armazenamento em depósitos e a evapotranspiração. 
 
- A Bacia como um Sistema 
A bacia hidrográfica pode ser considerada como um “sistema” onde a entrada é o volume de 
água precipitado e a saída é o volume de água escoada pelo exultório. 
Os volumes infiltrados e os evapo-transpirados são considerados perdas do sistema; 
Nas representações isoladas os itens anteriores podem ser desconsiderados e a transformação 
de chuva em vazão pode ser feita com o emprego do Hidrograma Unitário (a saída) e o 
Hietograma a entrada. 
Como o Hidrograma de saída de uma bacia hidrográfica atinge um determinado formato (figura 
a seguir) é uma questão científica ainda não resolvida, mas que tem sido tratada por métodos 
práticos, baseados na análise do histórico de eventos (volume precipitado e escoado) e as 
características físicas da bacia. (TUCCI 2004). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Uma maneira consistente de explicar a dispersão do 
Hidrograma no tempo é considerar o efeito de translação. Uma 
gota de chuva que cai perto da saída (exultório) chega a ele 
mais rápido que uma gota que cai mais distante a montante. 
Esta hipótese representa em parte o efeito de espalhamento 
das vazões no tempo. 
As isócronas representam o tempo em que uma gota chega ao 
exultório. 
 
 
Outro fenômeno que contribui para a formação do Hidrograma 
de saída é o fenômeno hidráulico do armazenamento; 
Em uma bacia hidrográfica quanto maior o volume escoado, 
tanto maior é a carga hidráulica necessária para ocorrer o 
escoamento. Portanto maior será o volume armazenado 
temporariamente na bacia; 
Tanto a translação quanto ao armazenamento depende profundamente da topologia da bacia 
hidrográfica; 
Para o cálculo do Hidrograma os métodos clássicos da Hidrologia consideram a bacia comi um 
sistema: as “Vertentes e a rede de drenagem”. 
Os métodos clássicos da hidrologia não explicitam no Hidrograma Unitário, os papeis das 
vertentes e do armazenamento, tratando a bacia como um sistema baseado na translação e/ou 
armazenamento; 
Beven e Kirby (1979) apud (TUCCI, 2004) , em outra abordagem, atribuem diferentes 
capacidades de infiltração e teores de umidade ás diferentes partes da bacia, portanto 
diferentes volumes de escoamento, relacionando estes fatos as diferentes declividades; 
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Outra maneira de obter-se o Hidrograma é a simulação matemática com “modelos” que 
discretizem as bacias de forma “distribuídas” considerando as sub bacias e calculando o 
escoamento por trecho das redes de canais; 
- Fisiografiada Bacia Hidrográfica 
São considerados dados fisiográficos da Bacia Hidrográfica as informações extraídas dos mapas, 
das fotos aéreas, das imagens dos satélites, etc. Delas obtemos as áreas, distancias, declividades, 
tipos de cobertura dos solos, etc. 
Área da Bacia – Este dado é fundamental para definir a potencialidade hídrica da bacia, porque 
área x lamina de agua precipitada define o volume de água recebido pela bacia. O cálculo da 
área pode ser obtido por diversas maneiras como planímetro, quadriculado, etc. 
Índice de drenagem – Horton (1945) demonstrou a validade das relações empíricas que tendem 
ser constantes em uma bacia. 
Os índices o de bifurcação ( Rb = Nu ÷ Nu+1) e o de comprimentos (RL= Lu ÷ Lu-1 ) onde Nu é o 
número total de cursos d'água de ordem u, e Lu a média de seus comprimentos em planta. 
Schumm (1956) propôs uma Lei análoga á de Horton (RA = Au ÷ Au-1 ) onde Au é a média das 
áreas contribuintes dos canais de ordem u. 
-Índices de Declividade 
Para levar-se em conta todo o perfil podemos usar o conceito de declividade equivalente 
constante, ou seja, aquela cujo tempo de translação, para o mesmo comprimento do curso 
d'água em planta seria igual ao do perfil acidentado natural. 
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Partindo da equação de Chezy que apresenta o tempo como uma função do inverso da raiz 
quadrada da declividade, chega-se a expressão para cálculo da declividade equivalente 
constante. 
 
 
 
Fórmula 
 
Podemos obter a declividade do curso principal da bacia apresentando em separado as diversas 
medidas de comprimento L e do desnível H. 
A declividade média das vertentes da bacia pode ser encontrada pela relação apresentada 
anterior, onde ΔI é a diferença de altitude entre 2 curvas e Wi a largura entre duas curvas de 
nível e ai a área entre duas curvas. A é área da bacia e n número de intervalos de curva de nível. 
 
 
 
 
 
Fórmula 
-Planejamento do Sistema de Drenagem Urbana 
O Sistema de drenagem urbana faz parte de um dos componentes dos melhoramentos urbanos 
como sistema de esgotos, rede elétrica, rede de água potável, iluminação pública, pavimentação 
das ruas, áreas de lazer, etc. 
É um fator importante que a rede de drenagem urbana seja adequadamente planejada desde a 
fase inicial do planejamento urbanístico das cidades. 
Caso a expansão urbana de montante seja feita de forma isolada, o crescimento dessa expansão 
irá comprometer o sistema de drenagem a jusante nas áreas mais baixas. 
Outro aspecto a considerar é que os novos empreendimentos, a montante, devem ser 
projetados de forma a manter as vazões nas condições naturais anteriores a expansão, e os 
volumes excedentes sejam armazenados e gradualmente liberados sem causarem sobrecarga a 
macrodrenagem. 
O sistema de drenagem deve ser composto de duas fases: micro drenagem e macrodrenagem. 
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O sistema de drenagem inicial é o da micro drenagem, constituído de bocas de captação da 
água, sarjetas, tubos coletores e galerias das águas pluviais; 
Na faze da micro drenagem o dimensionamento ocorre com períodos de retorno entre 2 e 10 
anos; 
Na fase da macrodrenagem o sistema é em geral constituído de canais de maiores dimensões 
projetados para período de retorno de até 100 anos. 
 
-Fundamentos do Sistema de Drenagem 
O Sistema de Drenagem Urbana basicamente não é apenas um sistema de controle das 
inundações, mas contempla um conjunto de medidas e legislações como 
Um Código de regulamentação das edificações, zoneamento, parcelamento do solo, como 
loteamentos, e controle sanitário; 
Promover a fiscalização das posturas municipais no tocante as áreas urbanizadas, áreas 
degradadas e os novos planos de urbanização.; 
Desapropriação e decretação de utilidade pública de áreas ociosas ou suscetíveis de inundação; 
Zoneamento e delimitação das áreas inundáveis com especificação das cotas de inundação e 
restrição de acesso ás áreas inundáveis; 
Isenção de impostos e taxas as pessoas e áreas suscetíveis á inundações; 
Atribuir a autoridades técnicas implantação de um sistema de drenagem urbana. 
Participação na elaboração de planos regionais que possam interferir com o sistema de 
drenagem do município. 
 
- Plano Diretor de Macrodrenagem 
A elaboração de um plano de macrodrenagem é essencial para um plano de desenvolvimento 
urbano; 
Nas áreas já urbanizadas o mau funcionamento da macrodrenagem pode causar alagamentos e 
inundações, colocando em risco as propriedades e vidas humanas; 
As interações entre áreas urbanas e os canais da macrodrenagem acarretam a insuficiência deles 
por obstruções e assoreamentos modificando os volumes escoados e o tempo de concentração;