aula hidrologia 1

Hidráulica e Hidrologia Aplicada - Hidrologia - Estudos hidrológicos

Prof. Flaryston Pimentel flarystonunip@yahoo.com

Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia

Engenharia Civil

Campus: Goiânia - Flamboyant

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

BALANÇO HÍDRICO • Ciclo hidrológico (circulação da água na hidrosfera) – desempenha um

papel de grande aplicação em Engenharia de Recursos Hídricos a avaliação do ciclo na unidade hidrológica básica representada pela bacia hidrográfica;

• Deve-se ater, aos fenômenos hidrológicos, à sua importância nas áreas de irrigação; drenagem; controles de poluição, de cheias e erosão; aproveitamento hidroelétrico; obras hidráulicas; fontes de captação para abastecimento de água, etc.;

• O balanço de volumes de água, conhecido como Balanço Hídrico escreve, para um dado intervalo de tempo, a equação que relaciona as entradas e saídas da bacia hidrográfica. Se a equação for escrita para uma seção representada pela superfície do solo em uma bacia (Ramos, 1989),

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

BALANÇO HÍDRICO

zona de aeração

ou

zona não saturada

rocha de origem

lençol freático

infiltração escoamento

superficial

precipitação

evaporação (interceptação) transpiração

evaporação

percolação fluxo

ascendente

escoamento

sub-superficial zona saturada

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS a) Área da bacia: corresponde a sua área de drenagem, cujo valor corresponde à área plana entre os divisores topográficos projetada verticalmente. Permite estimar qual o volume precipitado de água, para uma certa lâmina de precipitação: V = P.A

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS b) Forma da bacia: 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.

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.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS Dois coeficientes são comumente empregados como indicativos da forma da bacia: fator de forma e coeficiente de compacidade. b.1. Fator de forma (Kf): esse coeficiente é definido pela relação entre a largura média da bacia e o comprimento axial do curso d’água principal (LC). A largura média (L) é calculada pela expressão: e, portanto, o fator de forma (Kf) é determinado por:

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS b.1. Fator de forma (Kf):

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS b.2. Coeficiente de compacidade (Kc): 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: Logo: Pela sua definição, se Kc = 1, 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.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS c) Densidade de drenagem (Dd): indica o desenvolvimento do sistema de drenagem de uma bacia hidrográfica. Este índice é expresso pela relação entre o comprimento total dos cursos de água e a área da bacia: onde: Dd = densidade de drenagem (km/km2); L = comprimento total dos cursos de água da bacia (km); A = área de drenagem (km2).

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d) Ordem dos cursos d’água: reflete o grau de ramificação da rede de drenagem de uma bacia. Como fazer a ordenação? • Linhas de drenagem que não possuem nenhum tributário

são designadas como linhas de 1ª ordem;

• A ordem ou magnitude das demais linhas de drenagem depende do método utilizado Horton e Strahler.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d.1. STRAHLER:

• linhas de 2ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de 1ª ordem;

• as linhas de 3ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de 2ª ordem e assim sucessivamente;

• as linhas de 3ª ordem, por exemplo, podem também receber um canal de 1ª ordem.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d.1. STRAHLER:

Rio principal (não mantêm o número de ordem na totalidade de suas extensões, como acontece no sistema Horton)

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d.2. HORTON:

• canais de 2ª ordem têm apenas afluentes de 1ª ordem;

• canais de 3ª ordem têm afluência de canais de 2ª ordem, podendo também receber diretamente canais de 1ª ordem;

• canais de ordem u pode ter tributários de ordem u-1 até 1.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d.2. HORTON: 1

2

1 2

1

1

1

1

2

2

3

2 3

4

4 4 4

2 2

2

4

4

4

2

3

3

2

1 3 3

4

2 2

2 1 3 2

1

2

2

1

1

Como decidir qual é o rio principal numa confluência?

Partindo da jusante da confluência, estender a linha do curso d’água para montante, para além da bifurcação, seguindo a mesma direção. O canal confluente que apresentar maior ângulo é o de ordem menor.

Ambos com mesmo ângulo rio de menor extensão é o de ordem mais baixa.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS d.2. HORTON:

Rio principal (segue a ordem de maior grau)

1

1

1

2 2

1

1

1

1

1 1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

2

2 4

4

4 4

4

2 2

2

4

4

4

2

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS e) Declividade da bacia: • Diferença de altitude entre o início e o fim da drenagem dividida pelo

comprimento da drenagem;

• Tem relação com a velocidade com a qual ocorre o escoamento;

• A magnitude dos picos de enchente e a infiltração da água, trazendo como consequência, maior ou menor grau de erosão, dependem da declividade média da bacia (determina a maior ou menor velocidade do escoamento superficial), associada à cobertura vegetal, tipo de solo e tipo de uso da terra.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS f) Altitude da bacia: caracterizada pela Curva Hipsométrica. Esta curva é definida como sendo a representação gráfica do relevo médio da Bacia. Representa o estudo da variação da elevação dos vários terrenos da bacia com referência ao nível médio do mar.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS g) Declividade do curso d’água principal: pelo fato da velocidade de escoamento de um rio depender da declividade dos canais fluviais, conhecer a declividade de um curso d’água constitui um parâmetro de importância no estudo de escoamento (quanto maior a declividade maior será a velocidade).

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Tempo de concentração (tc)

• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto mais distante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir o mesmo. O tempo de concentração é fundamental nos estudos de enchentes.

Equação de Kirpich:

• Para chuvas intensas (curta duração); • Bacias de declividades entre 3 e 10%.

onde: L – comprimento do talvegue (km);

Δh – diferença de nível do talvegue (m).

385,03

h

L57tc

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Tempo de concentração (tc)

• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto mais distante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir o mesmo. O tempo de concentração é fundamental nos estudos de enchentes.

Equação de Picking:

• Para chuvas críticas (longa duração); • Bacias sem limites de declividades.

onde: L – comprimento do talvegue (km);

Seq – declividade equivalente (m/m).

3

1

eq

2

cS

L3,5t

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Método Racional (vazões máximas) A vazão de pico (máxima) de escoamento pode ser determinada a partir de dados de chuvas para pequenas bacias que apresentam área variável entre 50 e 500 ha, sendo a máxima vazão expressa por expressa: Considerações:

• Pequenas bacias; • Chuvas intensas; • Intensidade da chuva depende da duração e da frequência (tempo de retorno); • Duração da chuva é escolhida de forma a ser suficiente para que toda a área da bacia esteja

contribuindo para a vazão que sai no exutório (duração = tempo de concentração).

Qp = vazão de pico (m3/s);

C = coeficiente de deflúvio (adimensional);

i = intensidade da chuva (mm/h);

A = área da bacia (km2).

6,3

AiCQp

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

-Período de retorno (TR) ou Período de recorrência: Tempo, em anos, em que determinada chuva supera ou se

iguala a anterior, ou seja, volta a acontecer. É sempre dado em

anos.

-Probabilidade de ocorrência de uma chuva: >>É a possibilidade que uma dada chuva possa vir a ocorrer.

>>É o intervalo médio de ocorrência (em anos) entre eventos que igualam ou superam uma dada magnitude.

Tipo de Obra Tipo de Ocupação da Área T (anos)

Microdrenagem Residencial 2

Comercial 5

Áreas com edifícios de serviços ao público 5

Aeroportos 2-5

Áreas comerciais e artérias de tráfego 5-10

Macrodrenagem Áreas residenciais e comerciais 50-100

Áreas de importância específica 500

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Período de retorno (recorrência de máximas vazões)

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

EXEMPLO 01

Considerando a série de precipitações máximas e anuais (mm) representada a seguir: 1) Determine o período de retorno associado aos eventos de

87,5 mm; 108,6 mm e; 132,2 mm; 2) Determine a altura máxima precipitada em 24 horas

associada aos períodos de retorno de 10 e 25 anos.

ANO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

196_ 103,4 88,9 91,4 132,2 76,4 91,2

197_ 123,5 82,3 100,3 112,1 94,5 97,8 108,0 78,1 99,1 105,0

198_ 73,2 120,4 89,4 82,5 108,6 83,4 76,0 67,4 107,5 94,3

199_ 79,0 94,3 87,5 107,4

EXEMPLO 01 - resolução

1) Ordenar os dados em ordem decrescente:

Ordem (m) Dados Ordem (m) Dados Ordem (m) Dados

1 132,2 11 100,3 21 87,5

2 123,5 12 99,1 22 83,4

3 120,4 13 97,8 23 82,5

4 112,1 14 94,5 24 82,3

5 108,6 15 94,3 25 79,0

6 108,0 16 94,3 26 78,1

7 107,5 17 91,4 27 76,4

8 107,4 18 91,2 28 76,0

9 105,0 19 89,4 29 73,2

10 103,4 20 88,9 30 67,4

EXEMPLO 01 - resolução

EXEMPLO 01 - resolução

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Valores de C para diferentes superfícies

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Valores do coeficiente de escoamento propostos pelo Colorado Highway Department

Características da Bacia C

Superfícies impermeáveis 0,90 – 0,95

Terreno estéril montanhoso 0,80 – 0,90

Terreno estéril ondulado 0,60 – 0,80

Terreno estéril plano 0,50 – 0,70

Prados, campinas, terreno ondulado 0,40 – 0,65

Matas decíduas, folhagem caduca 0,35 – 0,60

Matas coníferas folhagem permanente 0,25 – 0,50

Pomares 0,15 – 0,40

Terrenos cultivados em zonas altas 0,15 – 0,40

Terrenos cultivados em vales 0,10 – 0,30

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Valores do coeficiente de escoamento recomendados pelo Soil Conservation Service - USDA

Tipo de cobertura do solo

Declividade (%) Textura do solo

Arenosa Franca Argilosa

Florestas

0 – 5 0,10 0,30 0,40

5 – 10 0,25 0,35 0,50

10 – 30 0,30 0,50 0,60

Pastagens

0 – 5 0,10 0,30 0,40

5 – 10 0,15 0,35 0,55

10 – 30 0,20 0,40 0,60

Terras cultivadas

0 – 5 0,30 0,50 0,60

5 – 10 0,40 0,60 0,70

10 – 30 0,50 0,70 0,80

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Valores de C segundo adaptação do critério de Fruhling, adotados pela Prefeitura de São Paulo (Wilken, 1978)

Zonas C

Edificações muito densas: áreas centrais, densamente construídas de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas

0,70 – 0,95

Edificações não muito densas: área adjacente ao centro, de menor densidade de habitantes, porém com ruas e calçadas pavimentadas

0,60 – 0,70

Edificações com poucas superfícies livres: áreas residenciais com construções cerradas e ruas pavimentadas

0,50 – 0,60

Edificações com muitas superfícies livres: áreas residenciais com ruas macadamizadas ou pavimentadas

0,25 – 0,50

Subúrbios com alguma edificação: áreas de arrabaldes e subúrbios com pequena densidade de construção

0,10 – 0,25

Mata, parques e campo de esportes: áreas rurais, verdes, superfícies arborizadas, parques ajardinados e campos de esporte sem pavimentação

0,05 – 0,20

EXEMPLO 02

Uma área de loteamento na cidade de Curitiba/PR de 1,5 Km2, tem suas vertentes para um talvegue de 3,5 Km de extensão e a diferença de cota entre o ponto mais alto e a seção de drenagem é de 60 m. Determinar a vazão máxima na seção de drenagem para a recorrência de 10 anos. Considerar o coeficiente de escoamento superficial (deflúvio) igual a 0,50.

Equação de intensidade de chuvas:

Resp.: 15,7 m3/s

EXEMPLO 03

A bacia hidrográfica, representada abaixo, possui algumas características físicas e hidrológicas (Tabela ao lado). Nessas condições, determine a vazão escoada até o talvegue, sendo que a intensidade média de chuvas para toda a bacia equivale a 450 mm/h.

Resp.: 3,8 m3/s

Sub bacias Área (ha) Coef. de deflúvio

I 1,60 0,7

II 1,45 0,6

III 1,75 0,6