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2 BACIAS HIDROGRÁFICAS
2.1 Conceitos Básicos
Bacias hidrográficas são definidas como áreas nas quais a água escoa para
um único ponto de saída, conhecido como seção de controle. Todos os corpos d’água
que nascem nas cabeceiras de uma bacia fluem para a seção de controle, também
conhecida como exutório da bacia. Portanto, consiste de uma área na qual ocorre uma
captação da água proveniente da atmosfera e que é convertida em escoamento, a
partir de limites geográficos, conhecidos como divisores de água, e direcionamento do
fluxo para a seção de controle.
Bacias hidrográficas normalmente fazem parte de outras bacias de maior porte
e assim sucessivamente, até as grandes bacias como do Rio Paraná, São Francisco e
Amazonas. Sendo assim, a adoção do termo sub-bacia hidrográfica pode ser mais
apropriado, haja vista que os critérios de definição quanto ao tamanho, são
imprecisos. Assim, tem-se, por exemplo: a bacia hidrográfica, da qual o Campus da
UFLA faz parte, é integrante de uma bacia maior, que engloba o município de Lavras;
esta por sua vez, integra a bacia do Alto Rio Grande. A bacia do Alto Rio Grande é
uma sub-bacia da bacia do Rio Grande, a qual possui sua seção de controle junto à
sua afluência junto ao Rio Paranaíba, formando assim, o Rio Paraná, sendo, portanto,
uma sub-bacia da Bacia do Rio Paraná. Observa-se que todos os pequenos corpos
d’água que nascem na bacia da UFLA atingirão o oceano Atlântico, na seção de
controle da Bacia do Rio Paraná, na Argentina.
Destacam-se os seguintes elementos fisiográficos numa bacia hidrográfica:
- Divisores de Água: linha que representa os limites da bacia, determinando
o sentido de fluxo da rede de drenagem e a própria área de captação da
bacia hidrográfica;
- Seção de Controle: local por onde toda a água captada na bacia (enxurrada
e corpos d’água) é drenada;
- Rede de Drenagem: constitui-se de todos os corpos d’água da bacia e
canais de escoamento, estes não necessariamente perenes. São canais
perenes aqueles em regime permanente de fluxo. São considerados
intermitentes os corpos d’água que fluem somente na época das chuvas,
ou seja, quando as nascentes (aqüíferos) estão abastecidas. Com a
estação de déficit hídrico, tais canais podem vir a secar; e são efêmeros os
canais pelos quais fluem água somente quando ocorre escoamento
originado de precipitação, ou seja, a enxurrada. Quando a precipitação
termina, o fluxo cessa em pouco tempo.
A rede de drenagem é extremamente importante para caracterização e manejo
das bacias hidrográficas, determinando suas características de escoamento
superficial1 e o potencial de produção e transporte de sedimentos. Observa-se que
estas propriedades hidrológicas são de grande importância para o manejo da bacia,
especialmente no contexto ambiental e são diretamente influenciadas pelas
características da rede de drenagem.
Cobertura vegetal e classe de solos são ambas fundamentais para
caracterização do ambiente e controlam a dinâmica da água dentro da bacia
hidrográfica. Cada cobertura vegetal exerce uma influência diferente no tocante às
características de evapotranspiração e de retenção da precipitação. Da mesma forma,
os tipos de solo, que além do aspecto evaporativo, interferem decisivamente nos
processos de infiltração de água e por conseqüência direta, nas características do
escoamento superficial e transporte de sedimentos.
Igualmente importante, é o formato da bacia hidrográfica. Bacias hidrográficas
geralmente apresentam 2 formatos básicos, com tendência a serem circulares ou
elípticas (alongadas). As formas têm importância especial no comportamento das
cheias. As primeiras têm tendência de promover maior concentração da enxurrada
num trecho menor do canal principal da bacia, promovendo vazões maiores e
adiantadas, relativamente às bacias alongadas, que produzem maior distribuição da
enxurrada ao longo do canal principal, amenizando, portanto, as vazões e retardando
as vazões máximas.
2.2 Parâmetros fisiográficos importantes no contexto hidrológico
2.2.1 Classificação de Bacias Hidrográficas
a) Pequenas Bacias
O conceito de pequenas bacias é controverso. Não está somente associado ao
tamanho (área) das mesmas, mas ao objetivo dos estudos que serão desenvolvidos.
Algumas propriedades são importantes para se definir uma bacia hidrográfica como
pequena:
- uniformidade da distribuição da precipitação em toda a área da bacia;
- uniformidade da distribuição da precipitação no tempo;
1 Neste contexto, escoamento superficial refere-se a todos os componentes deste, inclusive o subterrâneo.
- o tempo de duração da chuva geralmente excede o tempo de concentração
da bacia;
- a geração de escoamento e produção de sedimentos ocorrem em grande
parte nas vertentes da bacia e, o armazenamento e o fluxo concentrados nos
cursos d’água não são significativos.
Estas propriedades são estabelecidas com o objetivo de facilitar a modelagem
do processo de transformação chuva-vazão. Contudo, há um problema que não pode
ser desconsiderado, que é a questão da variabilidade, principalmente espacial, dos
eventos de precipitação e da capacidade de infiltração de água no solo, que
combinados, produzirão grande variação na geração do escoamento superficial.
Portanto, o conceito de homogeneidade também deve ser considerado, especialmente
em função dos objetivos a serem alcançados. Estes devem ser norteados em função
de uma melhor compreensão das relações físicas e matemáticas que envolvem os
vários componentes do ciclo hidrológico.
b) Bacias Representativas
Tais bacias são definidas de forma que possam representar uma região
homogênea. São instrumentadas com aparelhos para monitoramento e registro dos
eventos hidrológicos e climáticos. Estas bacias são utilizadas para estudos
hidrológicos sem que haja alteração de suas características fisiográficas, em especial
solo e cobertura vegetal, que são mantidas estáveis. Assim sendo, há necessidade de
grandes séries históricas de dados hidrológicos, em especial de vazão e precipitação.
O principal objetivo de bacias representativas instrumentadas é produzir
informações hidrológicas e meteorológicas para toda uma região homogênea a que
pertencem. Além de longos períodos de análise são feitos estudos climáticos,
hidrogeológicos e pedológicos. Enfim, bacias representativas instrumentadas têm
como objetivos científicos:
- avaliação detalhada dos processos físicos, químicos e biológicos do ciclo
hidrológico, necessitando-se de longas séries históricas e mínima alteração
do meio;
- calibração de modelos hidrológicos para simulação do comportamento da
bacia, associado ao escoamento superficial, água no solo e
evapotranspiração da região homogênea, que a bacia representa;
- simular os efeitos de mudanças naturais de aspectos fisiográficos no ciclo
hidrológico.
c) Bacias Experimentais
São bacias hidrográficas que visam basicamente a estudos científicos dos
componentes do ciclo hidrológico e eventuais influências nos componentes deste.
Assim, pode-se produzir alterações intencionais nas características de uso do solo e
vegetação na bacia. Normalmente, por constituírem-se em áreas destinadas
estritamente a pesquisa, o tamanho destas bacias não ultrapassa 4 km2, sendo,
portanto, de pequenas dimensões. Os principais objetivos das bacias experimentais
são:
- avaliar a influência de manejos como desmatamento e influência de
diferentes usos do solo na produção de erosão e no ciclo hidrológico;
- testar, validar e calibrar modelos de previsão hidrológica;
- treinamento de técnicos e estudantes com os aparelhos de medição
hidrológica (medidores de vazão, linígrafos, molinetes, etc) e climática;
- como em bacias representativas, estudos detalhados de processos físicos,
químicos e biológicos do regime hídrico das bacias;
Normalmente, busca-se um estudo comparativo dos efeitos de manejos,
portanto, é necessário que haja mais de uma bacia monitorada.
d) Bacias Elementares
São bacias de pequena ordem, constituindo-se na menor unidade
geomorfológica onde ocorre, de maneira completa, o ciclo hidrológico. Apresentam
áreas inferiores a 5 km2, permitindo as seguintes considerações:
- uniformidade em toda área dos eventos pluviométricos;
- características de vegetação e pedologia semelhantes em toda a bacia;
- controle sobre a entrada de sedimentos provenientes de outras áreas;
- identificação rápida e precisa de mudanças no horizonte superficial dos solos
que constituem as bacias;
- não haja efeitos significativos da concentração de água e sedimentos nas
calhas dos cursos d’água, quando comparada à produção destes nas
vertentes.
Se houver condições de comprovação de tais premissas, podem-se conduzir
estudos numéricos precisos do ciclo hidrológico, que ajudarão no entendimento dos
processos envolvidos com o mesmo. Em bacias experimentais e elementares podem-
se fazer estudos cuja necessidade de informações varie de um período extenso de
análise (grandes séries históricas) ou períodos bastante curtos, tudo dependendo dos
objetivos. Por exemplo: na avaliação dos efeitos de diferentes práticas agrícolas pode-
se trabalhar com períodos curtos de análise; já na avaliação dos efeitos de
desmatamento ou função hidrológica de diferentes coberturas vegetais, há
necessidade de uma série maior de dados para se chegar a resultados conclusivos.
2.2.2 Caracterização Fisiográfica de Bacias Hidrográficas
a) Divisores de Água
O divisor de águas delimita a área de captação da Bacia Hidrográfica. Existem
dois tipos de divisores: o topográfico e o geológico ou freático. O primeiro diz respeito
à linha que une os pontos mais elevados do relevo e o segundo, os pontos mais
elevados do aqüífero. O divisor geológico varia ao longo do ano em função das
estações. Normalmente, não há coincidência entre os dois divisores, prevalecendo,
quase sempre, o topográfico, por ser fixo e de mais fácil identificação. Na Figura 2.1a
é mostrada uma carta topográfica com a delimitação de uma pequena bacia
hidrográfica, com seus principais elementos fisiográficos. Na Figura 2.1b, o mesmo
trabalho, porém, utilizando ferramentas de geoprocessamento e sensoriamento
remoto, notadamente, o modelo digital de elevação.
Figura 2.1 Formas de obtenção de uma bacia hidrográfica: carta topográfica (a) e
modelo digital de elevação e ferramentas de geoprocessamento (b).
b) Área da Bacia Hidrográfica
Corresponde à área limitada pelos divisores de água, conectando-se na seção
de controle. É um dos elementos mais importantes da Bacia Hidrográfica, pois é
básico para quantificação de todos os parâmetros e grandezas hidrológicas.
c) Solos da Bacia Hidrográfica
O Levantamento Pedológico é uma das primeiras etapas do estudo fisiográfico
e geomorfológico de uma bacia hidrográfica, sendo base para estudos hidrológicos. A
clara distinção entre classes de solo permite estabelecer como os manejos deverão
ser implantados visando ao uso adequado de cada solo, ou seja, visando à aplicação
do manejo conservacionista, que objetiva adequar o uso do solo dentro de sua
capacidade física e química e sugerir as melhores formas de correção de deficiências.
Desta forma, pode-se trabalhar e corrigir problemas associados à erosão e cultivo de
culturas enquadradas nos limites de cada solo, caracterizados pela Classe de
Capacidade de Uso ou Aptidão Agrícola.
O Levantamento Pedológico é de suma importância para experimentos que
visam ao estudo de variabilidade espacial e temporal de alguns atributos do solo e
estabelecer uma base de informações que será útil para justificar eventuais
comportamentos hidrológicos na bacia hidrográfica.
O mapa da Figura 2.2 contém as classes de solo de uma bacia hidrográfica
representativa dos Latossolos da região Alto Rio Grande. Observa-se predomínio de
Latossolos em relação às demais classes de solo existentes na mesma.
Figura 2.2 Mapa de solos de uma bacia hidrográfica representativa dos Latossolos da
região Alto Rio Grande, MG.
Na Figura 2.3 consta o mapa de solos de uma sub-bacia hidrográfica de
cabeceira, ou seja, uma sub-bacia localizada junto a um importante divisor de águas
topográfico de uma bacia de drenagem de grandes dimensões. Estas sub-bacias
apresentam elevada declividade, refletindo em solos pouco profundos e mais
susceptíveis à erosão. No caso específico, tem-se a sub-bacia hidrográfica do Ribeirão
Lavrinha, na Serra da Mantiqueira, importante divisor de águas da bacia do Rio
Grande.
Figura 2.3 Mapa de solos de uma sub-bacia hidrográfica de cabeceira da região Alto
Rio Grande, MG (Fonte: Menezes, 2007).
d) Forma da Bacia
O formato superficial da bacia hidrográfica é importante pela influência que
exerce no tempo de transformação da chuva em escoamento e sua constatação na
seção de controle.
Comparando-se bacias de mesma área e que geram a mesma quantidade de
escoamento (deflúvio), aquela cujo tempo de deflúvio é menor deve possuir,
proporcionalmente, maior vazão máxima. Exatamente a forma superficial da bacia é
quem determina este comportamento diferenciado.
Existem alguns coeficientes que são utilizados para quantificar a influência da
forma no modo de resposta de uma bacia à ocorrência de uma precipitação.
Especialmente, podem-se destacar os seguintes:
Coeficiente de Compacidade – kc
É a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência (perímetro) de um
círculo de área igual à da bacia, sendo, portanto, adimensional. Assim, por meio de
manipulação matemática, pode-se chegar à seguinte expressão:
π⋅=�
⋅π= Ac4D
4D
Ac2
(1)
DPc ⋅π=
(2)
Substituindo 1 em 2 tem-se:
π
⋅⋅π= c
cA2
P
(3)
Pela definição de kc, tem-se:
PcP
kc BH=
(4)
Substituindo 3 em 4, obtém-se:
BH
BH
BH
BHAP
28,0A
2P
kc ⋅=⋅
ππ⋅
=
(5)
Em que, Ac é a área do círculo e igual à área da bacia (ABH), Pc é o perímetro
do círculo, PBH é o perímetro da bacia hidrográfica e D é o diâmetro da circunferência
de área igual à área da bacia. Normalmente, PBH e ABH são trabalhados em km e km2,
respectivamente.
Observa-se que quanto mais próximo de um círculo uma bacia se assemelhar,
maior será a sua capacidade de proporcionar grandes cheias. Isto ocorre porque há
conversão do escoamento superficial, ao mesmo tempo, para um pequeno trecho do
rio principal, havendo acúmulo do fluxo. Na Figura 2.4 pode-se observar o
comportamento teórico do escoamento em uma bacia circular e em uma elipsoidal.
Nesta última, o fluxo é mais distribuído ao longo de todo o canal principal, produzindo
cheias de menor vulto.
Figura 2.4 Representação da distribuição do fluxo superficial em duas bacias, uma
circular e outra, elipsoidal.
Quanto mais próximo da unidade for este coeficiente, mais a bacia se
assemelha a um círculo. Assim, pode-se interpretá-lo da seguinte forma:
1,00 – 1,25 = bacia com alta propensão a grandes enchentes
1,25 – 1,50 = bacia com tendência mediana a grandes enchentes
> 1,50 = bacia com menor propensão a grandes enchentes
Fator de forma – kf (ou Índice de Gravelius)
Expressa a relação entre a largura média da bacia e o seu comprimento axial.
Assim, tem-se:
ax
_
LL
kf =
(6)
Em que, L é largura média e Lax, o comprimento axial da bacia. A forma de
obtenção deste índice está representada na Figura 2.5. Um polígono é construído
contornando a bacia e a partir das dimensões das larguras ao longo do polígono, é
calculada uma média dos valores.
Figura 2.5 Representação gráfica do cálculo do fator de forma.
n
LL
n
1ii�
= =−
(7)
O fator de forma pode assumir os seguintes valores:
1,00 – 0,75.: sujeito a enchentes
0,75 – 0,50.: tendência mediana
< 0,50.: menor tendência a enchentes
Índice de conformação - Ic
Representa a relação entre a área da bacia e um quadrado de lado igual ao
comprimento axial da bacia. Este índice pode ser matematicamente expresso por:
ax2BH
L
AIc =
(8)
Este índice também expressa a capacidade da bacia em gerar enchentes.
Quanto mais próximo de 1, maior a propensão à enchentes, pois a bacia fica cada vez
mais próxima de um quadrado e com maior concentração do fluxo. No entanto, pode
assumir valores acima e abaixo de 1. Se a bacia possuir a forma de um retângulo, por
exemplo, e o comprimento axial for correspondente ao menor lado deste retângulo, o
índice poderá ser menor que 1. Se esta mesma bacia apresentar comprimento axial no
sentido do maior lado, o índice poderá ser acima de 1.
Observa-se que quanto maior o número de larguras e quanto mais próximo o
polígono que envolve a bacia se aproximar do formato desta, mais próximos serão o
fator de forma e o índice de conformação.
Exemplo de Aplicação 2.1
Calcular os fatores de forma para uma bacia cujo perímetro é 11,3 km, área de 800 ha
e comprimento axial de 4,5 km. Foram determinados 7 valores de largura ao longo da
bacia, iguais a 1,5 km, 2,6 km, 3,5 km, 4,5 km, 4,3 km, 2,8 km e 1,1 km.
a) Coeficiente de Compacidade
Aplicando-se diretamente a equação 1, obtém-se:
12,183,11
28,0 =⋅=kc .: Bacia com grande tendência a grandes enchentes.
b) Fator de forma e Índice de Conformação
( )
40,05,48
644,05,49,2
9,27
1,1...5,1
2
_
==
==
=++=
Ic
kf
kmL
.: Bacia com tendência mediana a enchentes
Conclusão: observa-se que, com base no fator de forma, a bacia terá tendência
mediana a enchentes. Com base no coeficiente de compacidade, a bacia apresentará
alta tendência a grandes enchentes. Como o primeiro expressa uma tendência a
enchentes (não diz respeito à grandeza desta enchente) e o segundo expressa a
dimensão da cheia, os índices são complementares. Assim, esta bacia apresentará
tendência mediana a enchentes e se estas ocorrerem, poderão ser de grande vulto.
e) Sistema ou rede de drenagem
Constituída por um curso d’água principal e seus tributários a rede de
drenagem, está associada à eficiência de drenagem da área da bacia e à
potencialidade para formar picos elevados de vazão. Podem ser classificados em:
- Perenes: são aqueles nos quais se verifica, durante todo o tempo, mesmo
nas secas mais severas, escoamento da água. Isto é garantido pela
drenagem do aqüífero, cujo nível deve situar-se acima do fundo do leito do
rio, para garantir energia ao escoamento.
- Intermitentes: são aqueles cujo escoamento não ocorre no período das
secas mais severas.
- Efêmeros: são aqueles onde se verifica escoamento apenas durante e
imediatamente após ocorrência de uma chuva.
Classificação dos Cursos d’água
Método de Horton
Esta metodologia pode ser resumida da seguinte forma:
- Cursos d’água de 1a Ordem: são aqueles que não possuem tributários;
- Cursos d’água de 2a Ordem: formados pela união de 2 ou mais cursos de 1a
ordem;
- Cursos d’água de 3a Ordem: formados pela união de 2 ou mais cursos de 2a
ordem, podendo receber cursos d’água de 1a ordem.
Assim, um canal de ordem u pode possuir tributários de ordem u-1 até 1. Isto
significa designar a maior ordem ao rio principal, desde a seção de controle até sua
nascente. O mesmo raciocínio é valido para cursos d’água de 2a ordem, ou seja,
desde a junção com um de 3a ordem até sua nascente. Portanto, tem-se uma
subjetividade associada com a localização desta nascente. Existe um método para
separar a nascente do tributário de ordem 1, que consiste em passar uma
perpendicular pela junção dos canais e adotar o canal determinado pelo menor ângulo.
Exemplificando:
Como o ângulo y é menor que x, tem-se que o canal principal (ordem 2) passa
a ser o de cor azul.
Método de Strahler
- Cursos d’água de 1a Ordem: são todos os canais sem tributários, mesmo que
corresponda à nascente dos cursos d’água principais;
- Cursos d’água de 2a Ordem: são formados pela união de 2 ou mais cursos
de 1a ordem, podendo ter afluentes de 1a;
- Cursos d’água de 3a Ordem: são formados pela união de 2 ou mais cursos
de 2a ordem, podendo receber cursos d’água de 2a e 1a ordens.
Da mesma forma, resume-se este método da seguinte maneira: um canal de
ordem u é formado por 2 canais de ordem u-1, podendo receber afluência de qualquer
ordem inferior. Observa-se que a subjetividade a respeito de nascentes deixa de existir
neste método. Pode-se analisar também que, o método de Horton apresentará um
menor número de canais. No exemplo anterior, a classificação seria dada da seguinte
forma:
O canal de 2a ordem começa na junção dos de 1a ordem, ou seja, não há
designação de nascentes.
A ordem da rede de drenagem fornece informação sobre o grau de ramificação
e permite inferir sobre o relevo da bacia. De modo geral, quanto mais ramificada for a
rede de drenagem, mais acidentado deve ser o relevo.
Densidade de Drenagem (Dd)
Reflete as condições topográficas, pedológicas, hidrológicas e de vegetação da
bacia. É a relação entre o comprimento total dos canais (�L ) e a área da Bacia
Hidrográfica (ABH).
BHAL
Dd �=
(9)
O valor obtido é muito dependente do material utilizado, ou seja, fotografia
aérea ou carta topográfica. Podem variar de 0,93 km/km2 a 2,09 km/km2, quando se
utiliza cartas topográficas, e 5 a 13 quando se utiliza fotografias aéreas. Pode-se
classificar uma bacia, com base neste índice, da seguinte forma:
- baixa densidade: 5 km km-2
- média densidade: 5-13 km km-2
- alta densidade: > 13 km km-2
Existem controvérsias quanto aos valores absolutos que indicam se a
densidade é elevada ou baixa. De toda forma, o que se conclui através da
comparação das densidades de duas bacias, é que, aquela de maior Dd é mais
acidentada.
Densidade da Rede de Drenagem (DR)
Representa a relação entre o número de cursos d’água e a área da bacia.
BHAN
DR =
(10)
Em que N é o número total de cursos d’água.
Pode-se observar que, conforme o método de classificação da ordem da rede
de drenagem será obtido um valor diferente para este coeficiente. O método de Horton
fornece um número menor de cursos d’água e, portanto, uma menor DR.
Extensão média do escoamento superficial (Cm)
Este parâmetro relaciona a densidade de drenagem da bacia hidrográfica (ou a
área desta) com um comprimento médio lateral da rede de drenagem. A importância
deste parâmetro está no cálculo do tempo de concentração da bacia hidrográfica.
Existem várias metodologias para o cálculo do tempo de concentração da bacia, entre
eles, pode-se destacar o método do SCS-USDA, que é baseado na velocidade do
escoamento. Assim, dispondo-se da trajetória e da velocidade do fluxo, determina-se o
tempo de concentração com base na definição física de velocidade. A Figura 2.6
exemplifica a forma de obtenção deste parâmetro.
Figura 2.6 Representação do comprimento médio lateral do escoamento superficial.
A área da bacia hidrográfica pode ser aproximadamente calculada pela
seguinte expressão:
( ) Cm4LABH ⋅⋅�=
(11)
Combinando-se a equação 9 (densidade de drenagem) com a 11, resulta em:
dD41
Cm⋅
=
(12)
Em que Cm é obtido em km se a densidade de drenagem estiver expressa em
km/km2.
Sinuosidade do Curso d’água principal (S)
Representa a relação entre o comprimento do canal principal e o comprimento
de seu talvegue (Lt), medido em linha reta. Observa-se que este fator é adimensional
e quanto maior seu valor maior a sinuosidade do curso d’ água, sendo que esta tende
a aumentar da cabeceira para a foz do rio. A Figura 2.7 representa um curso d’água
principal e seu talvegue.
tLL
S =
(13)
Figura 2.7 Representação do curso d’água e seu talvegue.
Declividade do Curso d’água principal (Álveo)
Este parâmetro é de suma importância para o manejo de bacias hidrográficas
haja visto que influencia diretamente na velocidade do escoamento da água na calha
da bacia e consequentemente no tempo de concentração2 da mesma. Existem 3
métodos para sua determinação:
Cálculo direto com base na diferença entre as cotas da nascente e da seção de
controle (h1):
( ) 100L1h
%S1 ⋅=
(14)
Cálculo com base na altura de um triângulo de área igual à área sob o perfil do
curso d’água principal.
( ) 100L2h
%S2 ⋅=
(15)
2 Este conceito será apresentado no Capítulo Escoamento Superficial.
Tanto S1 quanto S2 são dados em percentagem se h1, h2 e L estiverem na
mesma unidade, normalmente em metros.
A Figura 2.8 exemplifica os cálculos acima: Área sob O, A e L (perfil) é igual à
área O, B e L. A primeira pode ser facilmente obtida (planímetro, AutoCad, etc), após
plotagem do perfil do curso d’água, normalmente numa escala vertical 10 vezes maior
que a horizontal. Desta forma, h2 é calculado por:
( )L
OAL Área22h
⋅=
(16)
Figura 2.8 Representação gráfica dos cálculos de declividade pelos métodos S1 e S2.
O terceiro método baseia-se na média harmônica ponderada da raiz quadrada
das declividades dos diversos trechos retilíneos, tomando-se como peso a extensão
de cada trecho.
� ���
����
�
�=
i
i
i21
3
SL
LS
(17)
2
i
i3
D
L
LiS
�
������
�
���
�
�
��
�
�
�=
(18)
DS i =
(19)
i
ii L
dnD =
(20)
Em que, dni é diferença de cotas entre um trecho e outro; Li é o comprimento
do respectivo trecho; Di é a declividade do respectivo trecho. A Figura 2.9 exemplifica
este método.
Figura 2.9 Representação gráfica do método de ponderação pela raiz quadrada das
declividades dos diversos trechos do álveo.
Obs: Vários autores ressaltam que o cálculo mais adequado é fornecido pelo método
de ponderação pela raiz quadrada da declividade de cada trecho. Este método é o que
mais se aproxima do perfil do curso d’água principal, detectando-se a influência
topográfica dos diversos trechos do canal principal.
Exemplo de Aplicação 2.2
Fazer um estudo da rede de drenagem de uma bacia hidrográfica cujas características
fisiográficas (rede de drenagem e curvas de nível) estão esquematizadas abaixo. A
área da bacia é de 8,5 km2.
a) Classificação da Ordem da Rede de Drenagem
b) Densidade de Drenagem
�L =14,98 km
76,15,898,14 ==dD km km-2
c) Densidade da Rede de Drenagem
Por Strahler:
29,15,8
11 ==DR canais km-2
Por Horton:
82,05,8
7 ==DR canais km-2
d) Extensão média do escoamento superficial
142,076,14
1 =⋅
=Cm km
e) Sinuosidade do Curso d’água Principal
f) Declividade do Curso d’água Principal
f.1) ( ) 1001
%1 ⋅=Lh
S
h1 = 870-730 = 140 m
L = 6,28 km = 6280 m
S1 (%) = 2,23 %
f.2) Perfil do Curso d’água principal e triângulo de área igual à área sob o perfil.
Área sob o perfil = 460000 m2
Triângulo de área igual à do perfil:
m 49,146
4600002
6280
4600002
2
2
2
=
=⋅
=⋅
h
h
hB
( ) % 33,21006280
49,146%2 =⋅=S
f.3) Na Tabela abaixo constam os dados a respeito do comprimento de cada trecho e a
respectiva diferença de nível.
Trecho Li (m) dni (m) Di ( DiL / )
1 500 20 0,0400 2500,00
2 1200 20 0,0167 9295,16
3 1480 20 0,0135 12731,44
4 800 20 0,0250 5059,64
5 1300 20 0,0154 10480,94
6 600 20 0,0333 3286,34
7 400 20 0,0500 1788,85
� 6280 45142,37
%95,137,45142
6280
D
L
LiS
2
2
i
i3 =�
�
���
�=
�
������
�
���
�
�
��
�
�
�=
f) Características do Relevo da Bacia Hidrográfica
Declividade da Bacia
A declividade da bacia é um parâmetro importante uma vez que está
diretamente associada ao tempo de duração do escoamento superficial e de
concentração da precipitação nos leitos dos cursos d’água. Isto afeta a forma e os
valores máximos do hidrograma de escoamento na bacia3.
Pode-se definí-la matematicamente da seguinte forma:
3 Detalhes deste parâmetro serão apresentados no Capítulo “Escoamento Superficial”.
( ) ( ) 100CNA
D%I i
BH⋅�⋅=
(21)
Em que, I é a declividade média da bacia (%), D é a equidistância entre as
curvas de nível (m) e � iCN é o comprimento total das curvas de nível (m). A área da
bacia deve estar em m2.
Elevação Média da Bacia Hidrográfica
( )
BH
n
1iii
A
aeE
� ⋅= =
(22)
Em que, E é a elevação média da bacia (m), ei a elevação média entre duas curvas de
nível consecutivas (m), ai área entre as curvas de nível e ABH é a área da bacia, ambas
na mesma unidade.
Curva Hipsométrica
A curva hipsométrica representa a variação da elevação da área de uma bacia
hidrográfica. Esta curva é obtida quando se acumulam as áreas que estão acima ou
abaixo de determinada altitude. A Figura 2.10 representa o formato de uma curva
hipsométrica.
Figura 2.10 Representação esquemática de uma curva hipsométrica.
Exemplo de Aplicação 2.3
Faça um estudo das características do relevo (declividade, elevação e curva
hipsométrica) da bacia do exemplo 2.2.
a) Declividade média da bacia: Soma dos comprimentos de cada curva de nível.
CN Comprimento (km)
730 0,0
750 3,5
770 4,3
790 6,5
810 8,9
830 8,4
850 7,2
870
890
3,1
0,0
� 41,9
( ) ( ) %86,9100419008500000
20100CN
AD
%I iBH
=⋅⋅=⋅�⋅=
b) Elevação média da bacia
Curvas ei (m) ai (km2) ei x ai
730-750 740 0,25 185,0
750-770 760 0,82 623,2
770-790 780 1,20 936,0
790-810 800 1,30 1040,0
810-830 820 1,60 1312,0
830-850 840 1,83 1537,2
850-870 860 1,10 946,0
870-890 880 0,40 352,0
� 8,50 6931,4
( )
BH
n
1iii
A
aeE
� ⋅= = = m 5,815
5,84,6931 =
c) Curva Hipsométrica
Curvas ai (km2) Área acima
(km2) % área acima
Área abaixo
(km2) % área abaixo
730-750 0,25 8,50 100 0 0
750-770 0,82 8,25 97,1 0,25 2,9
770-790 1,20 7,43 87,4 1,07 12,6
790-810 1,30 6,23 73,3 2,27 26,7
810-830 1,60 4,93 58,0 3,57 42,0
830-850 1,83 3,33 39,2 5,17 60,8
850-870 1,10 1,50 17,6 7,00 82,4
870-890 0,40 0,40 4,7 8,10 95,3
890 0 0,00 0,0 8,50 100,0
Graficamente:
2.3 Manejo de Bacias Hidrográficas
No contexto do planejamento do meio físico, as bacias hidrográficas são
unidades de trabalho fundamentais devido aos diferentes aspectos que as
caracterizam, especialmente no tocante aos recursos naturais solo e água. Manejar
adequadamente a bacia hidrográfica consiste de uma série de ações que visam
conciliar o uso dos recursos naturais existentes na mesma com o mínimo de impactos
sobre a natureza.
A hidrologia desempenha papel central no que diz respeito ao manejo das
bacias, uma vez que o entendimento da dinâmica da água é de fundamental
importância em todos os aspectos. No entanto, é pouco provável que haja sucesso no
manejo ambiental das bacias hidrográficas se o comportamento físico dos solos,
associado à cobertura vegetal, não for devidamente estudado e compreendido. Isto
ocorre porque a participação do solo e seu uso no ciclo hidrológico da bacia
hidrográfica define a dinâmica da água em seus compartimentos, destacando-se a
recarga de aqüíferos, com conseqüente geração do escoamento subterrâneo,
produção e gênese das enxurradas e seus efeitos, especialmente na figura do
transporte de sedimentos e inundações, e o comportamento evapotranspirativo das
bacias hidrográficas, o qual está intimamente associado à umidade do solo, com
conseqüências diretas na produção agropecuária.
No entanto, os estudos que norteiam o manejo das bacias hidrográficas
necessitam de ferramentas que estão diretamente ligadas à evolução tecnológica,
como geoprocessamento e sensoriamento remoto, os quais determinam, com precisão
e em tempo real, o comportamento espacial do uso atual do solo, confrontando-o à
sua capacidade de uso ou aptidão agrícola. Além disto, a aplicação de ferramentas,
como a geoestatística e os Sistemas de Informação Geográfica (SIGs), para geração
de mapas do comportamento espacial de atributos físicos do solo, permite que sejam
feitas análises com alto nível de precisão. Associando estes atributos ao uso atual, é
possível desenvolver inferências fundamentais para o diagnóstico ambiental da bacia
hidrográfica. Além disto, auxilia na calibração de modelos hidrossedimentológicos, os
quais também se constituem de uma ferramenta poderosa no auxílio ao manejo do
solo e da água em escala de bacias, permitindo simulação de diferentes cenários e
seus efeitos na dinâmica da água e sedimentos.
Neste contexto, a seguir será apresentado um estudo de caso, o qual consiste
de um levantamento básico de informações fisiográficas e estudo da distribuição
espacial dos atributos hidrológicos do solo mais influenciados pelo manejo e sua
relação com o uso do solo.
2.3.1 Estudo de caso: caracterização fisiográfica e manejo da bacia hidrográfica
do ribeirão Marcela, Alto Rio Grande, MG
a) Caracterização Fisiográfica
Características fisiográficas básicas da bacia hidrográfica do ribeirão Marcela.
Dados: área = 477,6 ha; perímetro = 8,94km; comprimento axial = 2,47km; largura
média da bacia = 1,91km; comprimento do talvegue = 3,51km. Na tabela abaixo,
constam valores de área entre cotas bem como comprimento das respectivas curvas
de nível.
Cota Ai (km2) Li (km)
950-960 0,06 0,418
960-980 0,63 1,920
980-1000 1,23 1,021
1000-1020 1,23 0,330
1020-1040 1,07 0,142
1040-1060 0,55 0,000
� 4,78 3,831
A localização geográfica da bacia hidrográfica encontra-se na Figura 2.11, bem
como o mapa básico das características fisiográficas (rede de drenagem, curvas de
nível e divisores de água). É interessante destacar também a localização das
nascentes da bacia, as quais são responsáveis pela manutenção do escoamento,
sendo importantes indicadores da qualidade ambiental da mesma.
Figura 2.11 Localização geográfica e mapa básico da bacia hidrográfica do ribeirão
Marcela, constando curvas de nível e rede de drenagem.
Levantamento das características fisiográficas associadas à forma da bacia
a) Coeficiente de Compacidade
Aplicando-se diretamente a equação 1, obtém-se:
14,178,4
94,828,0 =⋅=kc .: Bacia com alta propensão a grandes enchentes.
b) Fator de forma e Índice de Conformação
783,047,278,4
773,047,291,1 91,1
2
_
==
==
=
Ic
kf
kmL
.: Bacia com tendência mediana a enchentes
Baseado no fator de forma da bacia hidrográfica pode-se afirmar que a mesma
possui tendência mediana a enchentes. O coeficiente de compacidade indica uma alta
tendência a grandes enchentes. Assim, conclui-se que a bacia apresenta tendência
mediana a enchentes e se estas ocorrerem, poderão ser de grande vulto.
Levantamento das características fisiográficas associadas à rede de drenagem da
bacia
a) Classificação da ordem da rede de drenagem
b) Densidade de drenagem
Dispondo-se todos os canais da rede de drenagem determinou-se o comprimento total
dos mesmos.
� L= 8,59Km.
80,178,459,8
==Dd km km-2
Como pode-se observar o valor de 1,80 km km-2 é um resultado típico de cálculo
baseado em cartas topográficas.
c) Densidade da rede de drenagem
Por Strahler:
72,278,4
13 ==DR canais km-2
Por Horton:
67,178,48 ==DR canais km-2
d) Extensão média do escoamento superficial
139,080,1*4
1 ==Cm km
e) Sinuosidade do curso d´água principal
09,151,3
831,3 ==S
f) Declividade do curso d´água principal
h1) ( ) 1001
%1 ⋅=Lh
S
h1 = 1040-950 = 90 m
L = 3,831 km = 3831 m
%35,2100383190
(%)1 ==S
h2) Método da declividade equivalente constante
Cota Li (m) dni (m) Di ( DiL / )
950-960 418 10 0,0239 2702,49
960-980 1920 20 0,0104 18812,08
980-1000 1021 20 0,0196 7294,97
1000-1020 330 20 0,0606 1340,47
1020-1040 142 20 0,1408 378,37
� 3831 30528,38
%57,138,30528
38312
2
3 =��
���
�=
�����
�
�
�����
�
�
���
����
�=
�
�
Di
Li
LiS
Levantamento das características fisiográficas associadas ao relevo da bacia
a) Declividade média da bacia
Comprimento total das curvas de nível =32,59km
( ) ( ) 100% ⋅⋅= � iBH
CNAD
I = % 64,13100325904778000
20 =⋅⋅
b) Elevação média da bacia
Curvas ei (m) ai (km2) ei x ai
950-960 955 0,06 53,48
960-980 970 0,63 611,1
980-1000 990 1,23 1219,68
1000-1020 1010 1,23 1242,3
1020-1040 1030 1,07 1106,22
1040-1060 1050 0,55 581,7
� 4,78 4814,48
( )
BH
n
iii
A
aeE�
=
⋅= 1 = m 21,1007
78,448,4814 =
c) Curva Hipsométrica
Curvas ai (km2) Área acima
(km2) % área acima
Área abaixo
(km2) % área abaixo
950-960 0,06 4,78 100,00 0,06 1,16
960-980 0,63 4,72 98,84 0,69 14,36
980-1000 1,23 4,09 85,64 1,92 40,15
1000-1020 1,23 2,86 59,85 3,15 65,92
1020-1040 1,07 1,63 34,08 4,22 88,40
1040-1060 0,55 0,55 11,60 4,78 100,00
� 4,78
Curva Hipsométrica
b) Diagnóstico do uso atual do solo na bacia hidrográfica do Ribeirão Marcela
A distribuição do uso do solo na bacia hidrográfica está apresentada na Tabela
2.1 e o mapa da bacia com a distribuição dos usos, na Figura 2.12. Há forte
predominância de pastagens, principalmente a natural, de baixa capacidade de
suporte, apresentando variação da qualidade do pasto ao longo do ano. A razão pela
qual se destaca a pastagem é a vocação leiteira da região, sendo esta a sua principal
atividade econômica. Entretanto, são observados outros usos, mas de menor
expressão, quando comparados à atividade pecuária leiteira. Este fato permite inferir
que as terras estão subutilizadas, pois grande parte da área da bacia apresenta
aptidão para lavoura em pelo menos um dos três níveis de manejo, conforme mapa da
Figura 2.13, e atualmente apenas 17,37% estão sendo utilizadas com esta atividade
(Tabela 2.1).
Tabela 2.1 Distribuição percentual das unidades de mapeamento (uso do solo) na
sub-bacia hidrográfica do Ribeirão Marcela.
Unidade de mapeamento Área (ha) Percentual (%)
Pastagem natural e plantada 362,36 75,87
Cultura de milho 79,73 16,69
Fragmentos de mata natural 19,83 4,15
Eucaliptal 9,13 1,91
Lago 3,27 0,68
Cultura de maracujá 1,73 0,36
Canavial 1,53 0,32
Total 477,58 100
Figura 2.12 Mapa de uso atual do solo na bacia hidrográfica do Ribeirão da Marcela.
Figura 2.13 Mapa de aptidão agrícola da sub-bacia hidrográfica do ribeirão Marcela4.
Analisando os mapas de aptidão agrícola das terras e de uso atual do solo, a
primeira informação que se obtém é que o uso das terras na bacia hidrográfica não se
estão em conformidade com as classes de aptidão, evidenciando a falta de
planejamento ou desconhecimento da aptidão agrícola das terras.
Do ponto de vista econômico, o uso atual do solo pode não estar sendo viável
aos agricultores, pois estes poderiam estar trabalhando com culturas mais rentáveis,
melhorando até mesmo a qualidade das pastagens, o que se traduziria em maior
capacidade de suporte, aumentando assim, a produção de leite.
As condições de manejo do solo na bacia hidrográfica foram monitoradas “in
loco” por Gomes (2005), tendo sido possível perceber a inexistência de práticas de
manejo conservacionista, como plantio em nível, terraços, cordões de contorno,
rotação do pastejo, controle de erosão nas estradas, dentre outras. Pôde-se verificar
ainda, a adoção de queimadas como técnica de limpeza, permitindo inferir que, além
4 Elaborado por Giarola et al. (1997).
da subutilização em que as terras se encontram, os agricultores que nelas trabalham,
contribuem paulatinamente para a degradação do solo.
Outro fato que chama a atenção é a inexistência de mata ciliar ao longo da rede
de drenagem e a pouca cobertura vegetal nas proximidades das nascentes,
restringindo-se à presença de pequenos fragmentos. Visualiza-se na área de recarga
de duas nascentes, a presença de lavoura de milho, na qual não foi constatada
adoção de práticas de manejo conservacionista, o que pode ser um indício de que
estas nascentes estão sendo assoreadas, não descartando-se sua contaminação
diretamente por agro-químicos carreados pelas enxurradas ou mesmo por
contaminação subterrânea. Com relação às nascentes que se encontram inseridas em
meio à pastagem, detecta-se que elas sofrem diretamente as conseqüências do
pastejo em seu entorno, detectando-se pisoteio do gado e sua utilização como
bebedouros, o que seria facilmente corrigido com o cercamento do seu entorno e
estruturação de locais mais apropriados para consumo de água pelos animais
(Gomes, 2005). Há de se ressaltar que o gado pode estar compactando o solo da área
de recarga das nascentes, o que dificultará o processo de infiltração, e por
conseqüência, reabastecimento de aqüíferos, propiciando o rebaixamento do mesmo,
além de favorecer as condições para escoamento superficial, o que consiste em perda
da capacidade de produção hídrica da bacia ao longo do ano, além de contribuir
diretamente com o assoreamento das mesmas. É de se esperar que a dinâmica de
uso do solo afete a variabilidade de alguns atributos hidrológicos do solo,
principalmente daqueles que herdam influência do manejo, caso da densidade do solo,
matéria orgânica e condutividade hidráulica saturada (Gomes, 2005).
c) Comportamento espacial de atributos hidrológicos do solo susceptíveis ao
manejo
Os mapas apresentados neste item foram elaborados por Gomes (2005). As
condições de manejo do solo podem ser observas em função da distribuição espacial
dos atributos densidade do solo (DS) e matéria orgânica (MO) (Figura 2.14), volume
total de poros (VTP) e condutividade hidráulica saturada (ko) (Figura 2.15), porosidade
drenável (µ) e capacidade de retenção de água na camada de 0-20 cm (CTA) (Figura
2.16). Os mapas foram obtidos por meio de krigagem geoestatística.
Pela gradação de cores, observa-se que há grande variabilidade para os
atributos estudados ao longo da sub-bacia. Confrontando as Figuras 2.11 (uso atual) e
2.14 (distribuição espacial da densidade do solo), observam-se menores valores da
densidade do solo nas áreas cultivadas com lavouras e sob eucalipto (1,05 g cm-3),
sendo o contrário constatado nas áreas ocupadas com pastagens (1,15 g cm-3). O
valor característico para este atributo nos Latossolos desta bacia, encontra-se próximo
de 0,95 g cm-3, sendo indício de compactação dos solos, principalmente nas áreas sob
pastejo.
Figura 2.14 Distribuição espacial dos atributos Densidade do Solo (DS) e Matéria
Orgânica (MO) na bacia hidrográfica do Ribeirão Marcela.
A região situada na parte superior esquerda da bacia (cultivada com milho),
apresenta menores valores de DS, uma vez que o preparo do solo na bacia, para
culturas anuais, vem sendo realizado com base no método convencional, com aração
seguida de 2 ou 3 gradagens, o que propicia, na superfície, redução da densidade do
solo pelo desprendimento da estrutura do solo e considerável pulverização.
Constata-se a presença de manchas claras (maior DS), nas regiões de recarga
de algumas nascentes, o que é indicativo de perturbação das condições de infiltração
e restrição ao fluxo de água em direção ao aqüífero, favorecendo o escoamento
superficial, araste de partículas, assoreamento, aumento da resistência mecânica à
penetração radicular e redução da aeração e disponibilidade de água às plantas.
Com relação à matéria orgânica, percebe-se ligeira uniformidade, com
manchas indicativas de maiores percentuais isolados ao sul no sentido leste-oeste. Na
região sudeste, tem-se a gleba ocupada com eucalipto, e a sudoeste um cerrado
denso e pouco pastejado. Em ambas as situações, há condições favoráveis ao
acumulo de matrial orgânico, culminando com maior percentual de MO. O fato de a
bacia estar ocupada, na sua maior parte, por pastagem, explica a uniformidade dos
percentuais de matéria orgânica encontrados (1,5 a 2,5 dag kg-1).
Estes fatos corroboram com a hipótese de que a densidade do solo e o teor de
matéria orgânica herdam influência do manejo empregado no uso das terras. Por isto,
tais atributos podem ser considerados bons indicadores das condições de uso,
ocupação e equilíbrio dos recursos presentes nas bacias hidrográficas, sendo
importantes para diagnóstico das condições de manejo nas mesmas.
Figura 2.15 Variabilidade espacial dos atributos hidrológicos Volume Total de Poros
(VTP) e condutividade hidráulica saturada (k0) na bacia hidrográfica do Ribeirão
Marcela.
Figura 2.16 Variabilidade espacial dos atributos hidrológicos porosidade drenável (µ) e
Capacidade de Armazenamento (CTA) na bacia hidrográfica do Ribeirão Marcela.
A variabilidade observada nas Figuras 2.15 e 2.16 para os atributos
hidrológicos porosidade total, condutividade hidráulica saturada, porosidade drenável e
capacidade total de retenção de água, é função da interação da variabilidade
intrínseca e extrínseca, não sendo possível quantificar a contribuição isolada de uma
ou de outra. A variabilidade intrínseca é condicionada pela mudança, ainda que
pequena, de atributos do solo, em função das diferentes unidades pedológicas
presentes e a variações, dentro das próprias unidades, tais como relevo, cujas cotas
mais baixas na parte sul da bacia (caso particular da bacia em estudo) ou ao longo
das várzeas, condiciona o acúmulo de matéria orgânica, favorece a presença de maior
umidade, tornando os solos mais susceptíveis à compactação, o que por sua vez
reduziria o volume total de poros, afetando assim o fluxo de água.
A distribuição espacial da densidade do solo e da VTP evidencia a
predominância da variabilidade extrínseca existente entre estes dois atributos.
Visualizam-se maiores valores para a VTP, em regiões de menor densidade do solo,
sendo o contrário também verdadeiro. Segundo Gomes (2005), esta gleba estava sob
vegetação natural até o ano 2000 e esporadicamente era pastejada. A partir de então,
passou a ser ocupada com culturas anuais. Em função do pouco tempo de uso com
atividades agrícolas, a densidade do solo, até o ano de 2005, ainda não foi alterada
pelas operações motomecanizadas que ali ocorrem.
A variabilidade espacial da condutividade hidráulica saturada pode ser
visualizada na Figura 2.15. A gradação de cores é fortemente pronunciada,
destacando-se valores na faixa de 0,55; 0,60; 0,65 e 0,70 m dia-1 respectivamente.
Predomina o valor de 0,55 m dia-1 no sentido sudoeste – centro e o valor de 0,7 m dia-1
ao sul. Alguns trabalhos têm classificado solos com valores de k0 superiores a 0,72 m
dia-1 como solos de muito alta condutividade hidráulica; valores entre 0,36 e 0,72 m
dia-1, solos de alta condutividade; valores entre 0,12 e 0,36 m dia-1 média e menores
que 0,12 m dia-1 baixa condutividade. Quando os valores de condutividade
encontrados são comparados às classes propostas, verifica-se que os solos da bacia
hidrográfica possuem alta condutividade hidráulica, sendo uma sub-bacia com alta
propensão à infiltração e com elevado potencial para recarga de aqüíferos e
manutenção do escoamento base.
Confrontando-se o mapa de solos com o de k0, constata-se que os maiores
valores de k0 encontram-se na área de Latossolo Vermelho Distrófico típico, o que
também pode estar relacionado com fatores pedogenéticos e de formação desta
classe de solo. É sabido que a orientação do material de origem deste solo (granito-
gnaisse) na bacia hidrográfica influenciou neste processo. No caso deste Latossolo, o
material está orientado verticalmente, favorecendo uma maior drenagem natural e a
formação de hematita, que confere cor mais avermelhada ao solo. Para a outra classe
de Latossolo da bacia (Latossolo Amarelo), o material de origem, apesar de ser o
mesmo, está orientado de forma horizontalizada, dificultando o processo de drenagem
interna e produzindo um ambiente diferenciado, privilegiando a formação de goethita,
caracterizando cores mais amareladas. Em termos de manejo, dentro da hidrologia,
espera-se, por exemplo, que em nascentes sob o Latossolo Vermelho, haja maior
condição para recarga de aqüífero, favorecendo a produção de água nestas áreas, as
quais devem, portanto, ser manejadas com maior critério.
A porosidade drenável (µ) apresenta comportamento bem característico,
crescendo no sentido leste-oeste da bacia hidrográfica, com predomínio do Latossolo
mais avermelhado nesta região. Este atributo é fundamental para o entendimento das
condições hidrológicas da bacia, pois está intimamente ligado à recarga de aqüíferos e
geração do escoamento subterrâneo.
A capacidade total de armazenamento (CTA) é um dos atributos físico-hídricos
do solo de maior importância, pois além de garantir suprimento hídrico às plantas, diz
o quanto de água o solo pode armazenar a uma certa profundidade, por um
determinado período, o que interfere na freqüência das irrigações. Pode-se dizer que a
CTA é função da interação de todos os outros atributos discutidos anteriormente.
Especialistas relatam que a disponibilidade total de água de um solo de textura
fina, deve estar entre 1,2 a 2,4 mm de água por cm de solo, o que equivale a uma
capacidade total de armazenamento (CTA) entre 18 a 36 mm para uma camada de 15
cm de solo. Pela Figura 2.16, constata-se que a CTA da bacia hidrográfica, para a
camada de 15 cm de solo, encontra-se entre 22 a 28 mm, destacando-se a região
nordeste da bacia. Na parte sul, no sentido sudeste-sudoeste, percebe-se também
uma faixa de maior CTA. Neste sentido, tem-se terras cultivadas com eucalipto e
cerrado mais denso, propiciando maiores percentuais de matéria orgânica, o que
confere ao solo maior capacidade total de armazenamento.
Este estudo de caso tem por objetivo direcionar os levantamentos pedológico e
hidrológico dentro da sub-bacia para indicar áreas com potencial para sofrer
degradação ambiental, fruto das ações antrópicas de uso agrícola do solo.
Evidentemente, as observações desenvolvidas não esgotam a análise e sim, fornecem
subsídios para engenheiros e técnicos conduzirem suas ações, propiciando uso
sustentado da bacia hidrográfica.
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3 CICLOS HIDROLÓGICO E HIDROSSEDIMENTOLÓGICO
3.1 Ciclo Hidrológico
3.1.1 Definição
O ciclo hidrológico corresponde à dinâmica da água no meio físico,
compreendendo seus diferentes estados físicos (líquido, vapor e sólido), ocupando
diferentes ambientes terrestres, tais como solo, atmosfera, leitos naturais de corpos
d´água, montanhas e outros. A fonte básica de energia que torna o ciclo possível
provém do sol, na forma de radiação solar.
Esta dinâmica pode ser analisada em escala global, continental, grandes
bacias hidrográficas que drenam áreas em diferentes países, como a Bacia
Amazônica, Bacia do Rio Nilo, Bacia do Rio Paraná e outras bacias hidrográficas que
drenam áreas em diferentes estados da federação, como os Rios Grande, São
Francisco e Tietê, e bacias hidrográficas com áreas de drenagem de centenas de
hectares, como a do Ribeirão Marcela, mencionada no capítulo anterior, ou
microbacias com algumas dezenas de hectares, as quais constituem-se em
laboratórios para estudos da hidrologia de campo, bem como estudos mais avançados
na área de modelagem hidrossedimentológica. Enfim, o ciclo hidrológico pode ser
concebido em diversas áreas de drenagem, variando de acordo com os objetivos
técnicos, científicos e disponibilidade de recursos e equipamentos para
monitoramento.
O ciclo hidrológico pode ser mais bem entendido e estudado quando se tem
como referência uma bacia hidrográfica de menor magnitude, onde os componentes
possam ser devidamente estabelecidos por meio de monitoramento. Na Figura 3.1
está esquematizado o ciclo da água com seus componentes principais, tendo-se uma
bacia hidrográfica como referência.
O principal componente de entrada do ciclo hidrológico é a precipitação, seja
na forma de chuva seja na forma de neve. A partir da precipitação, parte da água pode
ser interceptada pela cobertura vegetal, cuja quantidade depende das características
da mesma (especificamente, o Índice de Área Foliar), retida pelas folhagens, escorrer
pelos troncos das árvores e atingir o solo ou sofrer evaporação direta. Existem muitas
controvérsias a respeito da importância da interceptação no ciclo hidrológico, havendo
ainda poucas respostas científicas para a questão.
A parte da precipitação que passa pela cobertura vegetal, ao atingir a
superfície do solo, é dividida em duas parcelas: uma que infiltra no solo e outra que
gera escoamento superficial direto (enxurrada). A parcela que infiltra tem uma função
ambiental e agronômica extremamente importante, porque fornece água para as
plantas através da fração retida pela matriz do solo e a outra fração, não retida,
possibilita a recarga de aqüíferos e abastecimento de nascentes, sendo responsável
direta pela manutenção do escoamento base (ou subterrâneo) na bacia durante os
períodos de déficit hídrico, parcela fundamental para o desenvolvimento de atividades
produtivas, de abastecimento e gestão ambiental.
A parcela que escoa pela superfície, impulsionada pela gravidade, é a principal
responsável pelo transporte de sedimentos, e corresponde a uma fração da
precipitação que pode provocar danos ao ambiente da bacia hidrográfica,
representando perda de água bem como solo agricultável e insumos agrícolas, o que
invariavelmente, contamina corpos d’água na bacia, reduz o potencial agrícola das
terras e aumenta a propensão da bacia a cheias devido ao assoreamento dos corpos
d’água. O escoamento superficial direto também possui algumas outras
nomenclaturas, como deflúvio superficial ou enxurrada, termos estes bastante comuns
na hidrologia.
Figura 3.1 Representação do ciclo hidrológico e seus principais componentes.
Para fechar o ciclo, a água absorvida pelas plantas e aquela presente no solo,
sofrem um processo conjunto conhecido como evapotranspiração (evaporação da
água direta do solo e transpiração das plantas, a partir de seus mecanismos
fisiológicos), que é a transferência da água, na forma de vapor, para a atmosfera,
mediante consumo de energia solar. A parcela do ciclo hidrológico associada à
evapotranspiração é substancial, podendo representar até 60% do ciclo. Infelizmente,
são poucos os estudos “in situ” sobre a evapotranspiração em bacias hidrográficas,
dificultando um melhor entendimento da dinâmica da água na mesma.
Ao se analisar os componentes do ciclo hidrológico na Figura 3.1, constata-se
que o papel do homem como usuário dos recursos naturais em uma bacia hidrográfica
(solo, água e vegetação natural), pode desencadear alterações em um ou mais dos
componentes, gerando mudanças no ciclo hidrológico, via de regra, culminando com
redução da capacidade de infiltração e aumento do escoamento superficial com
conseqüente aumento da erosão. Isto significa que, ao se utilizar práticas pouco
conservacionistas, haverá não somente perda de solo, mas também de água pelo
aumento da parcela que escoa. Isto implica, necessariamente, em menor recarga
subterrânea e menor disponibilidade de água.
3.1.2 Equacionamento do Balanço Hídrico
Com base na dinâmica da água apresentada na Figura 3.1, pode-se chegar a
uma equação para o balanço hídrico numa bacia hidrográfica, para um determinado
intervalo de tempo, a qual apresenta-se a seguir.
bsub ESETALpEESdSiLcP ++∆++++=+
(1)
Em que:
- P = precipitação;
- Lc = capilaridade;
- Si = Interceptação;
- ESd = escoamento superficial direto;
- Esub = escoamento sub-superficial;
- Lp = percolação;
- ∆A = variação de armazenamento de água no solo;
- ET = evapotranspiração;
- ESb = escoamento subterrâneo (ou base)
Normalmente, deseja-se estudar o comportamento da evapotranspiração na
bacia hidrográfica ou simular o escoamento superficial, o qual é composto pela soma
dos escoamentos (ESd + Esub +ESb). Um modelo de simulação hidrológica é passível
de ajuste de forma que cada membro da equação acima possa ser representado por
um modelo específico que melhor se ajusta aos objetivos da simulação.
Cada um dos componentes da equação 1 pode ser medido por uma
aparelhagem específica, como o escoamento superficial por linígrafos associados a
calhas, vertedores ou estações fluviométricas5, a umidade do solo, para determinação
do armazenamento de água no solo, por tensiômetros, as lâminas percolada e capilar,
por piezômetros, a precipitação por pluviômetros ou estações climatológicas, a
interceptação por diferença entre a precipitação total e pluviômetros distribuídos no
interior da vegetação e assim sucessivamente. No entanto, a evapotranspiração numa
bacia hidrográfica pode apenas ser estimada com base em modelos empíricos, como
os de Pennam-Monteith ou Priesly-Taylor6. Assim, observa-se a necessidade de se
estudar esta variável de forma mais precisa, haja vista sua íntima relação com as 5 Maiores detalhes sobre hidrometria no Capítulo “Escoamento Superficial”. 6 Detalhes destes modelos no Capítulo “Evapotranspiração”.
condições de umidade do solo, demanda atmosférica e características fisiológicas.
Tomando-se a evapotranspiração como variável dependente, a equação 1 pode ser
simplificada em:
( ) AEStLcLpSiPET ∆−−−−−=
(2)
A diferença Lp – Lc pode ser obtida por piezômetros ou poços de observação do
aqüífero ou se a camada de monitoramento estiver consideravelmente distante da
superfície do aqüífero, pode-se considerá-la desprezível. Os escoamentos podem se
resumir ao escoamento superficial total, uma vez que o monitoramento na seção de
controle da bacia compreenderá todos os contribuintes do mesmo, não sendo
necessário avaliá-los separadamente para análise do deflúvio médio associado a um
intervalo de tempo. A equação 2 pode, então, ser reescrita da seguinte forma:
AEStSiPET ∆−−−=
(3)
É importante destacar o intervalo de tempo para o qual se deseja estudar o
balanço hídrico. Assim, quando se busca a um estudo em escala menor que a anual, é
necessário estudar a variação do armazenamento de água no solo, ficando o mesmo
da seguinte forma:
1tt AAA −−=∆
(4)
Em que At é o armazenamento no tempo t e At-1 no tempo anterior a t. Os
tempos t e t-1 podem ser dias, semanas ou meses. No entanto, quando se busca a um
estudo anual da evapotranspiração na bacia hidrográfica, é plausível admitir que a
variação de armazenamento é nula ao longo do ano hidrológico, uma vez que haverá
compensação entre os períodos em que esta for negativa (período de déficit hídrico) e
os períodos em que for positiva (período de chuvas). Na Figura 3.2 é possível
visualizar o comportamento médio esperado da variação do armazenamento de água
no solo ao longo do ano hidrológico.
Figura 3.2 Comportamento esperado da variação do armazenamento de água no solo
ao longo do ano hidrológico.
Com esta consideração, o balanço hídrico numa bacia hidrográfica pode ser
realizado, com algumas restrições, por:
EStSiPET −−=
(5)
A diferença P-Si é contabilizada por estações meteorológicas ou pluviômetros
acima e abaixo do dossel para o ano todo e ESt, em lâmina, obtido por:
cahidrográfi bacia da Área
tempo QES t
×=
−
(6)
A vazão a ser usada é o valor médio anual oriundo de monitoramento das
vazões e é conhecida como deflúvio médio anual. Com isto, torna-se
consideravelmente simples estudar o balanço hídrico em uma bacia hidrográfica se a
escala de tempo for anual e houver disponibilidade de dados hidrométricos e
pluviométricos.
Na Tabela 3.1 apresentada a seguir, consta o balanço hídrico médio anual das
principais bacias hidrográficas brasileiras, bem como a relação entre o deflúvio e o
total precipitado, o qual, nesta situação, diz respeito à capacidade de geração de
escoamento total na bacia. Observa-se que bacias geograficamente localizadas na
região Nordeste e próxima a esta, como Atlântico Nordeste e São Francisco,
apresentam os menores coeficientes, sendo que pouco mais de 10% da precipitação é
convertida em escoamento. Neste caso, a evapotranspiração proporcionalmente ao
total precipitado, corresponde a uma grande parcela do ciclo, com maior
representatividade do que em bacias consideradas úmidas, como as das regiões Norte
e Sul/Sudeste do Brasil.
Tabela 3.1 Balanço hídrico das principais bacias hidrográficas do Brasil.
Bacia Precipitação
(mm)
Deflúvio
(mm)
Evapotranspiração
(mm)
C
Amazônica 2544,18 1042,26 1501,92 0,409
Tocantins 1765,81 470,75 1295,06 0,267
Atlântico Norte 2135,60 781,88 1353,70 0,366
Atlântico Nordeste 1121,23 125,42 995,81 0,112
São Francisco 986,32 151,21 835,11 0,153
Paraná 1436,02 402,74 1033,28 0,280
Uruguai 1698,87 715,76 983,11 0,421
Atlântico Sul 1480,36 643,39 836,97 0,435
C = deflúvio/precipitação; Fonte: Tundisi (2003).
3.2 Ciclo Hidrossedimentológico
Este processo não é, na sua essência, um ciclo, uma vez que o solo perdido
por erosão não retorna ao seu local de origem. É, portanto, um “ciclo aberto”.
A erosão hídrica é a principal forma de erosão na maioria dos países,
especialmente os tropicais, sendo a água, associada às suas fases no ciclo
hidrológico, o mecanismo principal de geração e transporte do solo erodido. Assim,
conforme destacado, a chuva além de ser o principal componente de entrada do ciclo
da água, propicia o início do processo erosivo, provocando desprendimento de solo
pelo impacto de gotas, as quais exercem um trabalho transformando energia potencial
em cinética, com desprendimento de pequenas partículas de solo. Além disto, o
salpicamento, que consiste no deslocamento das partículas soltas pelo impacto das
gotas, é a primeira fase do ciclo hidrossedimentológico, onde tais partículas são
lançadas a distâncias de até 2,0 m do seu local de origem, apenas pelo salpicamento,
especialmente no sentido do declive.
A partir do excesso de chuva ou sua elevada intensidade, ocorre a formação de
uma pequena lâmina d`água na superfície do solo, a qual, impulsionada pela
gravidade, forma escoamento na forma de enxurrada. Esta enxurrada, à medida que
se concentra em alguns trechos da superfície, adquirem cada vez mais energia,
provocando, além de erosão propriamente dita, conhecida como erosão laminar, pela
ação de forças horizontais sobre as partículas de solo e turbulência do escoamento
pelo contínuo impacto de gotas de chuva sobre a enxurrada, exerce função de
transporte dos sedimentos, sendo esta a segunda fase do ciclo.
O escoamento proveniente das encostas, transportando sedimentos, encontra
sulcos constituintes da rede de drenagem das bacias hidrográficas, e inicia-se assim, o
processo de transporte de sedimentos e escoamento nos sulcos de drenagem, os
quais também produzem erosão pela ação de forças de cisalhamento sobre o canal. O
transporte de sedimentos nos sulcos ou corpos d`água existe quando a capacidade de
transporte de sedimentos, exercida pelo escoamento (energia hidráulica), supera a
carga de sedimentos carreados até os mesmos. Em caso contrário, ocorrerá um
processo de decantação dos sedimentos em suspensão pela ação da gravidade,
sendo esta a terceira fase do ciclo hidrossedimentológico. Neste caso, o transporte de
sedimentos em suspensão não mais existe e ocorre apenas o transporte por arraste
no fundo dos leitos.
A partir da decantação de sedimentos em suspensão ocorrerá um processo de
deposição de partículas. Nesta fase, já não ocorre mais translocação de material, com
o mesmo acumulando-se no fundo dos leitos, iniciando-se a fase de assoreamento, a
qual é concluída através de um processo conhecido como consolidação, sendo estes
dois últimos (deposição e consolidação), as etapas finais do ciclo
hidrossedimentológico.
Na Figura 3.3 está apresentado um esquema fluvial, tendo-se como referência
uma bacia hidrográfica. Desta Figura, observa-se que a trajetória do escoamento e a
distribuição dos sedimentos podem, em termos genéricos, apresentar-se em 3 etapas
no espaço: nas “vertentes” ou “bacias de cabeceiras”, com predomínio de material
mais grosseiro no leito e um processo de escavação vertical do leito, sendo este
profundo e pouco largo; na fase conhecida como “calha”, há maior acúmulo de água
no rio que na fase anterior, com velocidade do escoamento menor (menor
declividade), sendo uma fase de transição. Inicia-se o processo de sedimentação de
partículas, com ligeiro assoreamento do leito. Na última fase, conhecida como “várzea”
ou “planície aluvial”, verifica-se grande acúmulo de material no leito do rio, havendo
alargamento da seção e redução da profundidade. O fundo do rio, nesta etapa,
normalmente apresenta material de textura fina (argila e silte) e a velocidade do
escoamento é baixa, uma vez que este estará próximo ao seu ponto de deságüe.
Figura 3.3 Comportamento fluvial numa bacia hidrográfica (Adaptado de Bordas &
Semmelmann, 2001).
Referências Bibliográficas
BORDAS, M.P.; SEMMELMANN, F.R.; Elementos de Engenharia de Sedimentos. In:
TUCCI, C.M.R. Hidrologia: ciência e aplicação. Porto Alegre: ABRH, 2001. p.915 –
943.
PAIVA, J.B.D.; CHAUDHRY, F.H.; REIS, L.F.R. Monitoramento de bacias
hidrográficas e processamento de dados. São Carlos: RiMa, v.1, 2004. 326p.
TUCCI, C.E.M.; BRAGA, B. Clima e Recursos Hídricos no Brasil. Porto Alegre:
ABRH, 2003. 348p.
TUNDISI, J.G. Água no século XXI: enfrentando a escassez. São Carlos: RiMa,
2003. 248p.