apontamento hidrologia

8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA

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Curso de Engenharia Civil- 6ªetapa

Apontamento das aulas

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FOTO: Dr. LIMA C. C. U de

HIDROLOGIA E RECURSOS

HÍDRICOS


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SUMÁRIO

1 HIDROLOGIA ..................................................................................................... 2

1.1 Generalidades .................................................................................................... 2

1.2 Definição ............................................................................................................ 2

1.3 Importância ........................................................................................................ 2

1.4 Aplicação na Engenharia Civil ........................................................................... 2

1.5 Quantidade de água ........................................................................................... 3

2 CICLO HIDROLÓGICO ......................................................................................... 4

2.1 Definição ............................................................................................................ 5

2.2 Balanço hídrico................................................................................................... 5

3 BACIA HIDROGRÁFICA ....................................................................................... 6

3.1 Divisores ............................................................................................................. 6

3.2 Elementos característicos de uma bacia ........................................................... 7

3.3 Características das bacias hidrográficas ............................................................ 7

3.3.1 Área .................................................................................................................... 7

3.3.2 Forma da bacia ................................................................................................... 8

3.3.3 Sistema de drenagem ........................................................................................ 9

3.3.4 Características do relevo .................................................................................. 11


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1 HIDROLOGIA

1.1 Generalidades

Os primeiros estudos hidrológicos surgiram há 3000 anos, nessa época às

margens do Rio Nilo eram instalados escalas de leituras de nível de água (nilômetros).

Por meio desse nível eram feitas cobranças da taxa de imposto ao ano. Na Índia a 350

aC. foi feita a primeira medição de chuva, o total precipitado ao ano, eram usados para

base de cálculo de impostos. Os grandes avanços de estudos hidrológicos aconteceram

por volta de 1930, o pesquisador Sherman 1932 com o Hidrograma Unitário, Horton

1933 com a Teoria da Infiltração, Gumbel em 1941 surgi com os primeiros estudos de

Análise de frequência de dados. No Brasil, as primeiras publicações ocorreram com

Garcez (1961) e Souza Pinto et al. (1973).

1.2 Definição

Segundo o Conselho Federal para Ciência e Tecnologia dos E.U.A. (1959)

hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e

distribuição, suas propriedades físico-químicas e sua relação com o meio ambiente,

incluindo sua relação com a vida. Em sentido amplo é uma ciência que se relaciona

com a água, é uma ciência natural. Não é considerada uma ciência inteiramente pura,

visto que tem relações às aplicações práticas, por isso o termo hidrologia aplicada ser

usado. Hidrologia vem do grego Hidros (Água) + Logos (Estudo, Ciência).

1.3 Importância

Os estudos em hidrologia têm importância para dimensionamento de obras

hidráulicas, aproveitamento dos recursos hídricos, controle de inundações (vazão

máxima) controle e previsão de secas (vazão mínima) controle de poluição.

1.4 Aplicação na Engenharia Civil


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APLICAÇÃO DE FORMA ESTRUTURAL

Em drenagens superficiais

• Drenagem urbana

• Controle das bacias hidrográficas

Em drenagem subterrânea

Rebaixamento do lençol freático e Bacias de infiltração (recarga das bacias).

APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL

Projetos e execução de sistemas de drenagens.

1.5 Quantidade de água

O conhecimento das quantidades de água é de suma importância, uma vez que

muitas obras requerem o aproveitamento dos recursos hídricos visando o controle do

uso da água, sua utilização e quantificação, principalmente por envolver aspectos

sociais, econômicos e técnicos.

Em uma visão global o volume de água da Terra é estimado em 1,42 milhões de

metros cúbicos e abrangem oceanos, mares, geleiras, águas do subsolo, lagos, água daatmosfera e rios. Os oceanos e mares ocupam 97% da área do globo. As águas

continentais possuem um volume total de 38 milhões de km cúbicos, cerca de 3% da

água do planeta. A água doce congelada (geleiras e calotas polares) corresponde a

2,4% das águas continentais; a água doce armazenada no subsolo (lençóis freáticos e

poços) 0,5%; a água dos pântanos e lagos, da atmosfera e dos rios 0,1%.

A distribuição da água doce superficial no continente americano representa

32,2%, 8,6% e 81,3% na América do Norte, América Central e América do sul

respectivamente, desse último valor 34,8% está representado no Brasil.

Da água disponível no Brasil, a região Nordeste possui 3% da água, Norte 68% e

Sudeste 6%. Os usos em nosso país podem ser observados na figura abaixo:


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De acordo com o que foi referido acima, quando se trata de projetos em que se

pretende controlar enchentes o plano de controle refere-se a valores de pico do

escoamento, entretanto, quando se visa à utilização da água o importante é a

determinação do volume escoado em longos períodos de tempo. Assim, com a

aplicação da Hidrologia é possível o estudo da ocorrência e distribuição das águas

naturais da Terra.

2 CICLO HIDROLÓGICO

A água na Terra ocorre em diferentes fases, a transformação de uma fase em

outra e seu movimento de um local a outro constitui o ciclo hidrológico. O grande

motor deste ciclo é o calor irradiado pelo sol. Na forma de chuva, granizo, neve ouorvalho, a umidade da atmosfera volta à superfície da terra, sendo que parte será

retida em árvores, arbustos e plantas chamada perda por interceptação. Da água que

chega ao solo parte evapora e outra se infiltra no solo.

A água da chuva que não se infiltra, escorre sobre a superfície em direção às

áreas mais baixas, indo alimentar diretamente os riachos, rios, mares, oceanos e lagos.

O caminho subterrâneo das águas é o mais lento de todos podendo levar dias para

percorrer poucos metros. Havendo oportunidade esta água poderá voltar à superfície,


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através das fontes, indo se somar às águas superficiais, ou então, voltar a se infiltrar

novamente. A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água

que cai é absorvida pelas raízes e acaba voltando à atmosfera pela transpiração ou

pela simples e direta evaporação (evapotranspiração).Dessa forma, o ciclo hidrológico pode ser constituído de fatores no sentido

superfície-atmosfera (transpiração das vegetações, evaporação da água da superfície

do solo, lagos, rios e oceanos) e no sentido atmosfera-superfície (precipitação,

infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo). Sendo então um ciclo

fechado sem começo e fim.

2.1 Definição

Ciclo hidrológico pode ser definido como fenômeno global de circulação

fechada entre a superfície terrestre e atmosfera impulsionada pela radiação solar

associada à gravidade e rotação da terra.

2.2 Balanço hídrico

Para avaliar a quantidade de água que entra e sai em um sistema (ciclohidrológico) utiliza-se a equação do balanço hídrico representada abaixo:

P – EVT – Q = ∆A

Onde: P - total anual precipitado expressa em (mm);

EVT – perda anual de água por evapotranspiração expressa em (mm);

Q – altura média anual da lâmina de água representa o volume total escoado

superficialmente na bacia, expressa em m

3

s

-1

ou L s

-1

;

∆R – variação de todos os armazenamentos, superficiais e subterrâneos.

Expresso em m3 ou em mm.

Quando o período de observação é de longa duração (um ano ou mais), pode-se

desprezar ∆R face aos valores P e Q. passando a equação ser rescrita como:

P – EVT = Q , essa equação estima a vazão média anual de um curso d’água a partir da

altura de precipitações caídas em uma bacia e da evapotranspiração anual da região.


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3 BACIA HIDROGRÁFICA

Bacia hidrográfica é a área definida topograficamente, drenada por um curso

d’água ou um sistema conectado de cursos d’água, de modo que toda a vazão efluente

seja descarregada na parte mais baixa do seu entorno, uma saída simples, área

coletora denominada exutório, denominada também de foz ou desembocadura.

3.1 Divisores

O limite superior de uma bacia hidrográfica é o divisor de águas (divisor

topográfico, cota máxima entre bacia), e a delimitação inferior é à saída da bacia(confluência). O divisor subterrâneo é mais difícil de ser localizado e varia com o

tempo. À medida que o lençol freático (LF) sobe, ele tende ao divisor superficial. O

subterrâneo estabelece os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é

derivado o deflúvio básico da bacia. Na prática, assume-se por facilidade que o

superficial também é o subterrâneo. As Figuras abaixo mostram os principais divisores,

topográfico e freático (determinado pela estrutura geológica).


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3.2 Elementos característicos de uma bacia

Nascente (6), afluente (2), meandro (4), foz em delta (1), margem esquerda (5)

e margem direita (3) ver figura abaixo.

3.3 Características das bacias hidrográficas

3.3.1 Área

Área plana inclusa entre divisores topográficos em (Km2). A área capta água de

uma bacia, ou seja, o volume de água recebido. É estimada delimitando os divisores

em planta topográfica, de altimetria adequada, traça-se linha divisória que passa pelos


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pontos de maior cota entre bacias vizinhas. Também pode ser determinada utilizando

um planímetro ou com aplicativos de Sistemas de Informação Geográfica (SIG).

3.3.2 Forma da bacia

As bacias de grandes rios têm, normalmente, a forma de uma pera ou leque,

enquanto as pequenas bacias assumem formas variadas em função da estrutura

geológica dos terrenos. Dentre as bacias de mesma área, aquelas arredondadas são

mais susceptíveis a inundações nas suas partes baixas que as alongadas. A importância

da forma da bacia, particularmente para fins de inundação, está associada ao conceito

de tempo de concentração, tc, que é o tempo contado a partir do início da

precipitação, necessário para que toda a bacia contribua para a vazão na seção de

saída.

Os índices utilizados para caracterizar a forma da bacia são calculados por:

índice de compacidade ou coeficiente de compacidade e fator de forma.

- O coeficiente de compacidade

O coeficiente de compacidade de uma bacia hidrográfica, kc, é um índice queinforma sobre a susceptibilidade da ocorrência de inundações nas partes baixas da

bacia. É definido pela relação entre o perímetro da bacia e o perímetro do círculo de

igual área. O coeficiente de compacidade das bacias hidrográficas é sempre um

número superior à unidade, uma vez que o círculo é a figura geométrica de menor

perímetro para uma dada área “A”. Bacias que apresentam este coeficiente próximo

de 1 são mais compactas, concentram o escoamento e são mais susceptíveis a

inundações. Quanto menor o kc maior a tendência de haver picos de enchente.

É definido como a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de uma

bacia com círculo de área igual.

Onde: P = perímetro da bacia em Km


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A= área da bacia em Km2

- O fator de forma

O fator de forma de uma bacia hidrográfica, kf, é definido pela relação entre a

área da bacia e o quadrado do comprimento do eixo medido ao longo do curso d´água

(da foz até ponto mais longínquo da área). O comprimento axial é medido da saída da

bacia até o ponto mais distante, seguindo-se as curvas do rio principal. A largura média

é obtida dividindo-se a área da bacia pelo seu comprimento axial. Bacias alongadas

apresentam pequenos valores do fator de forma e são menos susceptíveis às

inundações, ou seja, quanto menor esse fator maior o comprimento (L) e menor pico

de enchentes, uma vez que se torna menos provável que uma chuva intensa cubratoda a sua extensão.

Onde: A= área da bacia e L comprimento axial.

3.3.3 Sistema de drenagem

Esses sistemas são formados pelo rio principal e seus afluentes descritos por:

ordens dos cursos de água; densidade de drenagem. O sistema inclui todos os cursos

d’água, sejam eles perenes, intermitentes ou efêmeros. O estudo das ramificações e

do desenvolvimento do sistema de drenagem de uma bacia hidrográfica fornece um

indicativo da maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia.

- Ordem dos cursos d´água

A ordem do curso d’água principal de uma bacia hidrográfica reflete o grau de

ramificação do sistema de drenagem desta bacia. A ordem de um curso d’água é um

número inteiro estabelecido segundo diferentes critérios. A ordem do curso d’água

principal de uma bacia hidrográfica é obtida como segue: a) os pequenos canais que

não têm tributários, têm ordem 1; b) quando dois canais de mesma ordem se


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encontram, é formado um de ordem imediatamente superior; c) a junção de dois

canais de ordens diferentes forma um outro com a ordem maior dos dois.

Exemplo da letra “b” Exemplo da letra “c”

- Densidade de drenagem (Dd)

Expressa a relação entre o comprimento total (∑L) dos cursos d’água (sejam

eles efêmeros, intermitentes ou perenes) de uma bacia e a sua área total. A densidade

de drenagem de uma bacia dá uma boa indicação do grau de desenvolvimento do

sistema. É um índice importante, pois reflete a influência da geologia, topografia, do

solo e da vegetação da bacia hidrográfica, e está relacionado com o tempo gasto para

a saída do escoamento superficial da bacia. É dado por:

Onde: Dd= densidade de drenagem em Km Km -2; L=

comprimento total dos cursos d’água em (Km) e A= área de drenagem da bacia (Km2).

Os valores deste índice para as bacias naturais encontram-se, geralmente,

compreendidos na faixa de 0,5 km Km-2 a 3,5 km Km-2. Para avaliar Dd, deve-se marcar

em fotografias aéreas, toda a rede de drenagem, inclusive os cursos efêmeros, e


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depois medi-los com o curvímetro. A classificação das bacias quanto à densidade de

drenagem pode ser:

Drenagem pobre: Dd < 0,5 Km km-2

Drenagem regular: 0,5 ≤ Dd < 1,5 Km Km-2

Drenagem boa: 1,5 ≤ Dd < 2,5 Km km2

Drenagem muito boa: 2,5 ≤ Dd < 3,5 Km km2

Excepcionalmente bem drenadas: Dd ≥ 3,5 Km km2

Exemplo: calcular a densidade de drenagem da bacia abaixo:

Area= 700 Km2

L= 15

L= 30 +9 + 7 + 9 + 12= 67 Km

3.3.4 Características do relevo

As características de relevo influência sobre a velocidade do escoamento

superficial. A velocidade é determinada pela declividade do terreno.

L= 4

L=4

L=7L=5


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-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. Esse parâmetro tem

relação importante com vários processos hidrológicos, tais como a infiltração, o

escoamento superficial, a umidade do solo, etc.

Assim, pode-se dizer que quanto maior a declividade da bacia, maior a

velocidade de escoamento superficial, menor o tempo de concentração que leva a

água da chuva para concentrar-se nos leitos fluviais que constituem a rede de

drenagem das bacias e maior perspectiva de picos de enchente. A magnitude dos picosde enchente e a maior ou a menor oportunidade de infiltração e susceptibilidade para

erosão dos solos dependem da rapidez com que ocorre o escoamento sobre os

terrenos da bacia.

A declividade do rio principal de uma bacia é uma medida representativa do

seu relevo e é muito utilizada em estudos hidrológicos. Essa declividade pode ser

obtida de diferentes modos como: método do quociente entre a diferença de cotas e

extensão horizontal, método compensação de área e método da média harmônica.

Aqui veremos esse último método por ser o mais utilizado.

Método da média harmônica

A declividade equivalente ou média é determinada pela seguinte fórmula:

Onde: L é a extensão horizontal do perfil, que é dividido em n trechos,

Sendo Li a extensão horizontal em cada um dos “n” trechos;

Sendo Ii a declividade média em cada um dos “n” trechos.


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Esse método leva em consideração o tempo de percurso da água ao longo da

extensão do perfil longitudinal, considerando que o perfil tem declividade constante

igual a uma declividade equivalente.

Obs.: o exemplo desse método foi aplicado em sala de aula.

-Tempo de concentração

É definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário

para que toda água precipitada na bacia contribua com a vazão na seção de controle.

Como mostra a figura abaixo. Sua determinação é feita por fórmulas empíricas, a

escolha da fórmula é feita em função das características das bacias hidrográficas em

que foram determinadas as equações.

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