Hidrologia

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1. INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA 1.1. Introdução Hidrologia: é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o meio ambiente, incluindo sua relação com a vida. (United State Federal Council Science and Technology).

O início dos estudos de medições de precipitação e vazão ocorreu no século 19, porém, após 1950 com o advento do computador, as técnicas usadas em estudos hidrológicos apresentaram um grande avanço.

1.2. Hidrologia Científica

• Hidrometeorologia: é a parte da hidrologia que trata da água na atmosfera. • Geomorfologia: trata da análise quantitativa das características do relevo de

bacias hidrográficas e sua associação com o escoamento. • Escoamento Superficial: trata do escoamento sobre a superfície da bacia. • Interceptação Vegetal: avalia a interceptação pela cobertura vegetal da bacia

hidrográfica. • Infiltração e Escoamento em Meio Não-Saturado: observação e previsão da

infiltração e escoamento da água no solo. • Escoamento em Rios, Canais e Reservatórios: observação da vazão dos canais e

cursos de água, e do nível dos reservatórios. • Evaporação e Evapotranspiração: perda de água pelas superfícies livres de rios,

lagos e reservatórios, e da evapotranspiração das culturas. • Produção e Transporte de Sedimentos: quantificação da erosão do solo. • Qualidade da Água e Meio Ambiente: trata da quantificação de parâmetros

físicos, químicos e biológicos da água e sua interação com os seus usos na avaliação do meio ambiente aquático.

1.3. Hidrologia Aplicada

Está voltada para os diferentes problemas que envolvem a utilização dos recursos hídricos, preservação do meio ambiente e ocupação da bacia hidrográfica. Áreas de atuação da Hidrologia:

• Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica: planejamento e controle

do uso dos recursos naturais. • Abastecimento de Água: limitação nas regiões áridas e semi-áridas do país. • Drenagem Urbana: cerca de 75% da população vive em área urbana.

Enchentes, produção de sedimentos e problemas de qualidade da água.

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• Aproveitamento Hidrelétrico: a energia hidrelétrica constitui 92% de toda energia produzida no país. Depende da disponibilidade de água, da sua regularização por obras hidráulicas e o impacto das mesmas sobre o meio ambiente.

• Uso do Solo Rural: produção de sedimentos e nutrientes, resultando em perda do solo fértil e assoreamento dos rios.

• Controle de Erosão: medidas de combate à erosão do solo. • Controle da Poluição e Qualidade da Água: tratamento dos despejos domésticos

e industriais e de cargas de pesticidas de uso agrícola. • Irrigação: a produção agrícola em algumas áreas depende essencialmente da

disponibilidade de água. • Navegação. • Recreação e Preservação do Meio Ambiente. • Preservação dos Ecossistemas Aquáticos.

1.4. Estudos Hidrológicos

• Baseiam-se em elementos observados e medidos no campo. • Estabelecimento de postos pluviométricos ou fluviométricos e sua

manutenção ininterrupta são condições necessárias ao estudo hidrológico. • Projetos de obras futuras são elaboradas com base em elementos do

passado.

1.5. Importância da Água A água é um recurso natural indispensável para a sobrevivência do homem e demais seres vivos no Planeta. É uma substância fundamental para os ecossistemas da natureza. É importante para as formações hídricas atmosféricas, influenciando o clima das regiões. No caso do homem, é responsável por aproximadamente ¾ de sua constituição. Infelizmente, este recurso natural encontra-se cada vez mais limitado e está sendo exaurido pelas ações impactantes nas bacias hidrográficas (ações do homem), degradando a sua qualidade e prejudicando os ecossistemas.

A carência de água pode ser para muitos países um dos fatores limitantes para o desenvolvimento. Alguns países como Israel, Territórios Palestinos, Jordânia, Líbia, Malta e Tunísia a escassez de água já atingiu níveis muito perigosos: existem apenas

500 m3.habitante

-1.ano

-1, enquanto estima-se que a necessidade mínima de uma pessoa

seja 2000 m3.habitante

-1.ano

-1.

Atualmente a falta de água atinge severamente 26 países, além dos já citados

estão nesta situação: Arábia Saudita, Iraque, Kuwait, Egito, Argélia, Burundi, Cabo Verde, Etiópia, Cingapura, Tailândia, Barbados, Hungria, Bélgica, México, Estados Unidos, França, Espanha e outros. No Brasil, a ocorrência mais freqüente de seca é no Nordeste e problemas sérios de abastecimento em outras regiões já são identificados e

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conhecidos. Alertas de organismos internacionais mencionam que nos próximos 25 anos, cerca de 3 bilhões de pessoas poderão viver em regiões com extrema falta de água, inclusive para o próprio consumo.

A idéia que a grande maioria das pessoas possui com relação à água é que esta é infinitamente abundante e sua renovação é natural. No entanto, ocupando 71% da

superfície do planeta, sabe-se que 97,30% deste total constituem-se de águas salgadas1,

2,70% são águas doces. Do total de água doce, 2,07% estão congeladas em geleiras e calotas polares (água em estado sólido) e, apenas 0,63% resta de água doce não totalmente aproveitada por questões de inviabilidade técnica, econômica, financeira e de sustentabilidade ambiental (Figura 1.1).

Figura 1.1: Distribuição da água

Em escala global, estima-se que 1,386 bilhões de km3

de água estejam disponíveis, porém, a parte de água doce econômica de fácil aproveitamento para

satisfazer as necessidades humanas, é de aproximadamente 14 mil km3.ano

-1 (0,001%).

Desde o início da história da humanidade, a demanda de água é cada vez maior e as tendências das últimas décadas são de excepcional incremento devido ao aumento populacional e elevação do nível de vida. A estimativa atual da população mundial é de 6 bilhões. Um número três vezes maior do que em 1950, porém enquanto a população mundial triplicou o consumo de água aumentou em seis vezes. A população do país aumentou em 26 anos 137%, passando de 52 milhões de pessoas em 1970 para 123 milhões em 1996, e para 166,7 milhões em 2000. Já a disponibilidade hídrica, de 105

mil m-3

.habitante-1

.ano-1

, em 1950, caiu para 28,2 mil m-3

.habitante-1

.ano-1

, em 2000.

A Organização das Nações Unidas, ONU, prevê que, se o descaso com os recursos hídricos continuar, metade da população mundial não terá acesso à água limpa a partir de 2025. Hoje, este problema já afeta cerca de 20% da população do planeta – mais de 1 bilhão de pessoas. Mantendo-se as taxas de consumo e considerando um crescimento populacional à razão geométrica de 1,6% a.a., o esgotamento da potencialidade de recursos hídricos pode ser referenciado por volta do ano 2053. Portanto, as disponibilidades hídricas precisam ser ampliadas e, para tanto, são necessários investimentos em pesquisa e desenvolvimento tecnológico para exploração viável e racional da água.

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O continente da América do Sul conta com abundantes recursos hídricos, porém existem consideráveis diferenças entre as distintas regiões nas quais os problemas de água se devem, sobretudo, ao baixo rendimento de utilização, gerenciamento, contaminação e degradação ambiental. Segundo a FAO a Argentina, o Peru e o Chile já enfrentam sérios problemas de disponibilidade e contaminação da água por efluentes agro-industriais. A situação brasileira não é de tranqüilidade, embora seja considerado um país privilegiado em recursos hídricos. Contudo, conflitos de qualidade, quantidade e déficit de oferta já são realidade. Outra questão refere-se ao desperdício de água estimado em 40% por uso predatório e irracional. Por exemplo, em Cuiabá o desperdício chega a 53% de toda água encanada e na cidade de São Paulo a população convive com um desperdício de 45% nos 22000 km de encanamentos, causados por vazamentos e ligações clandestinas. Enquanto a escassez de água é cada vez mais grave, na região nordeste a sobrevivência, a permanência da população e o desenvolvimento agrícola dependem essencialmente da oferta de água. O Brasil é o país mais rico em água doce, com 12% das reservas mundiais. Do potencial de água de superfície do planeta, concentram-se 18%, escoando pelos rios

aproximadamente 257.790 m3.s

-1. Apesar de apresentar uma situação aparentemente

favorável, observa-se no Brasil uma enorme desigualdade regional na distribuição dos recursos hídricos. Quando comparamos estas situações com a abundância de água na Bacia Amazônica, que corresponde às regiões Norte e Centro-Oeste, contrapondo-se a problemas de escassez no Nordeste e conflitos de uso nas regiões Sul e Sudeste, a situação agrava-se. Ao se considerar em lugar de disponibilidade absoluta de recursos hídricos renováveis, àquela relativa à população deles dependentes, o Brasil deixa de ser o primeiro e passa ao vigésimo terceiro no mundo. Mesmo considerando-se a disponibilidade relativa, existe ainda em nosso país o problema do acesso da população à água tratada, por exemplo, podemos citar a cidade de Manaus, que está localizada na Bacia Amazônica e grande parte das moradias não recebe água potável. No Brasil, cerca de 36% das moradias, ou seja, aproximadamente 20 milhões de residências, não têm acesso a água de boa qualidade, segundo dados do IBGE.

As águas subterrâneas no Brasil oferecem um potencial em boa parte ainda não explorado. Ao contrário de outros países que possuem informações e bancos de dados do potencial subterrâneo de água, no Brasil a matéria é tratada com meros palpites e avaliações grosseiras. Segundo a ABAS (Associação Brasileira de Águas Subterrâneas), o Brasil tem o impressionante volume de 111 trilhões e 661 milhões de metros cúbicos de água em suas reservas subterrâneas, inclusive detendo o maior aqüífero do mundo, o aqüífero Guarany. Muitas cidades já são abastecidas em grande parte por águas de poços profundos, por exemplo, a cidade de Ribeirão Preto.

A questão crucial do uso da água subterrânea reside no elevado custo de

exploração além de exigir tecnologia avançada para investigação hidro-geológica. No caso específico da região Nordeste, caracterizada por reduzidas precipitações, elevada evaporação e escassez de águas superficiais, as reservas hídricas subterrâneas constituem uma alternativa para abastecimento e produção agrícola irrigada. As disponibilidades hídricas subterrâneas da região indicam que os recursos subterrâneos, dentro da margem de segurança adotada para a sua exploração, contribuem apenas

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como complemento dos recursos hídricos superficiais para atendimento da demanda hídrica. Exceções podem ser dadas aos estados de Maranhão e Piauí, cujas reservas atenderiam a demanda total e à Bahia com atendimento quase total, caso a distribuição dos aqüíferos fosse homogênea, pois estes não ocorrem em mais do que 40% da área do estado.

O setor agrícola é o maior consumidor de água. Ao nível mundial a agricultura consome cerca de 70% de toda a água derivada das fontes (rios, lagos e aqüíferos subterrâneos), e os outros 30% pelas indústrias e uso doméstico. Sendo este o elemento essencial ao desenvolvimento agrícola, sem o controle e a administração adequados e confiáveis não será possível uma agricultura sustentável. No Brasil 70% da água consumida ocorre na agricultura irrigada, 20% é utilizada para uso doméstico e 10% pelo setor industrial.

Apesar do grande consumo de água, a irrigação representa a maneira mais

eficiente de aumento da produção de alimentos. Estima-se que ao nível mundial, no ano de 2020, os índices de consumo de água para a produção agrícola sejam mais elevados na América do Sul, África e Austrália. Pode-se prever um maior incremento da produção agrícola no hemisfério sul, especialmente pela possibilidade de elevação da intensidade de uso do solo, que sob irrigação, produz até três cultivos por ano.

A expansão da agricultura irrigada se tornará uma questão preocupante devido ao elevado consumo e as restrições de disponibilidade de água. Avaliando a necessidade de água dos cultivos, em termos médios, é possível verificar que para produzir uma tonelada de grão são utilizadas mil toneladas de água, sem considerar a ineficiência dos métodos e sistemas de irrigação e o manejo inadequado desta. Avaliações de projetos de irrigação no mundo inteiro indicam que mais da metade da água derivada para irrigação perde-se antes de alcançar a zona radicular dos cultivos.

Um outro fato preocupante é velocidade de degradação dos recursos hídricos, com o despejo de resíduos domésticos e industriais nos rios e lagos. O país lança sem nenhum tratamento aos rios e lagoas cerca de 85% dos esgotos que produz, segundo dados do IBGE. Somente a Ásia despeja 850 bilhões de litros de esgoto nos rios por ano. As conseqüências da baixa qualidade dos recursos hídricos remetem à humanidade perdas irreparáveis de vidas e também grandes prejuízos financeiros.

No mundo 10 milhões de pessoas morrem anualmente de doenças transmitidas por meio de águas poluídas: tifo, malária, cólera, infecções diarreicas e esquistossomose. Segundo a ONU, a cada 25 minutos morre no Brasil, uma criança vítima de diarréia, doença proveniente do consumo de água de baixa qualidade. Com o aumento de 50% ao acesso à água limpa e potável nos países em desenvolvimento, faria com que aproximadamente 2 milhões de crianças deixassem de morrer anualmente por causa de diarréia. A qualidade da água pode ser alterada com medidas básicas de educação e a implementação de uma legislação adequada. O saneamento básico é de fundamental importância para a preservação dos recursos hídricos, pois cada 1 litro de esgoto inutiliza 10 litros de água limpa. Essas medidas além de salvar vidas humanas ainda

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iriam proporcionar economia dos recursos públicos, pois a cada R$ 1,00 investido em saneamento básico estima-se uma economia de R$ 10,00 em saúde. A UNESCO, por meio do Conselho Mundial da Água, divulgou em dezembro de 2002 um ranking de saúde hídrica e o Brasil ocupa 50°lugar. A pontuação dos países é a soma de notas em cinco quesitos (melhor de 20 em cada):

• quantidade de água doce por habitante; • parcela da população com água limpa e esgoto tratado; • renda, saúde, educação e desigualdade social; • desperdício de água doméstico, industrial e agrícola; e • poluição da água e preservação ambiental.

1.5. Usos Múltiplos da Água

Em função de suas qualidades e quantidades, a água propicia vários tipos de uso, isto é, múltiplos usos. O uso dos recursos hídricos por cada setor pode ser classificado como consuntivo e não consuntivo.

Uso Consuntivo. É quando, durante o uso, é retirada uma determinada

quantidade de água dos manaciais e depois de utilizada, uma quantidade menor e/ou com qualidade inferior é devolvida, ou seja, parte da água retirada é consumida durante seu uso. Exemplos: abastecimento, irrigação, etc.

Uso Não Consuntivo. É aquele uso em que é retirada uma parte de água dos

mananciais e depois de utilizada, é devolvida a esses mananciais a mesma quantidade e com a mesma qualidade, ou ainda nos usos em que a água serve apenas como veículo para uma certa atividade, ou seja, a água não é consumida durante seu uso. Exemplos: pesca, navegação, etc.

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2. CICLO HIDROLÓGICO 2.1. O Ciclo da Água É o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre.

O conceito de ciclo hidrológico (Figura 2.1) está ligado ao movimento e à troca de água nos seus diferentes estados físicos, que ocorre na Hidrosfera, entre os oceanos, as calotes de gelo, as águas superficiais, as águas subterrâneas e a atmosfera. Este movimento permanente deve-se ao Sol, que fornece a energia para elevar a água da superfície terrestre para a atmosfera (evaporação), e à gravidade, que faz com que a água condensada caia (precipitação) vez na superfície, circule através de linhas de água, reunindo-se em rios até atingir os oceanos (escoamento superficial) ou infiltrem nos solos e nas rochas, através dos seus poros, fissuras e fraturas (escoamento subterrâneo). Nem toda a água precipitada alcança a superfície terrestre, já que uma parte, na sua queda, pode ser interceptada pela vegetação e volta a evaporar-se.

Figura 2.1: Componentes do ciclo hidrológico.

A água que se infiltra no solo é sujeita a evaporação direta para a atmosfera e é

absorvida pela vegetação, que através da transpiração, a devolve à atmosfera. Este processo chamado evapotranspiração ocorre no topo da zona não saturada, ou seja, na zona onde os espaços entre as partículas de solo contêm tanto ar como água.

A água que continua a infiltrar-se e atinge a zona saturada, entra na circulação

subterrânea e contribui para um aumento da água armazenada (recarga dos aquíferos). Na Figura 2.2 observa-se que, na zona saturada (aquífero), os poros ou fraturas das formações rochosas estão completamente preenchidos por água (saturados). O topo da zona saturada corresponde ao nível freático. No entanto, a água subterrânea pode ressurgir à superfície (nascentes) e alimentar as linhas de água ou ser descarregada diretamente no oceano.

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A quantidade de água e a velocidade com que ela circula nas diferentes fases do ciclo hidrológico são influenciadas por diversos fatores como, por exemplo, a cobertura vegetal, altitude, topografia, temperatura, tipo de solo e geologia.

Figura 2.2: Movimentação de água no perfil do solo.

2.2. Equação Hidrológica I - O = ΔS

I = (entradas) incluindo todo o escoamento superficial por meio de canais e sobre a superfície do solo, o escoamento subterrâneo, ou seja, a entrada de água através dos limites subterrâneos do volume de controle, devido ao movimento lateral da água do subsolo, e a precipitação sobre a superfície do solo;

O = saídas de água do volume de controle, devido ao escoamento superficial, ao

escoamento subterrâneo, à evaporação e à transpiração das plantas; e

ΔS = variação no armazenamento nas várias formas de retenção, no volume de controle.

Apesar dessa simplificação, o ciclo hidrológico é um meio conveniente de apresentar os

fenômenos hidrológicos, servindo também para dar ênfase às quatro fases básicas de interesse do engenheiro, que são: precipitação; evaporação e transpiração; escoamento superficial; escoamento subterrâneo.

Embora possa parecer um mecanismo contínuo, com a água se movendo de uma forma

permanente e com uma taxa constante, é na realidade bastante diferente, pois o movimento da água em cada uma das fases do ciclo é feito de um modo bastante aleatório, variando tanto no espaço como no tempo.

Em determinadas ocasiões, a natureza parece trabalhar em excesso, quando provoca chuvas torrenciais que ultrapassam a capacidade dos cursos d’água provocando inundações. Em outras ocasiões parece que todo o mecanismo do ciclo parou completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial. E são precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessam aos engenheiros, pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são realizados com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos.

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3. BACIA HIDROGRÁFICA. 3.1. Introdução O Ciclo Hidrológico, como descrito anteriormente, tem um aspecto geral e pode ser visto como um sistema hidrológico fechado, já que a quantidade de água disponível para a terra é finita e indestrutível. Entretanto, os subsistemas abertos são abundantes, e estes são normalmente os tipos analisados pelos hidrologistas. Dentre as regiões de importância prática para os hidrologistas destacam-se as Bacias Hidrográficas (BH) ou Bacias de Drenagem, por causa da simplicidade que oferecem na aplicação do balanço de água, os quais podem ser desenvolvidos para avaliar as componentes do ciclo hidrológico para uma região hidrologicamente determinada, conforme Figura 6.

Bacia Hidrográfica é, portanto, uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou por um sistema conectado de cursos d’água, tal que toda a vazão efluente seja descarregada por uma simples saída.

CRUCIANI, 1976 define microbacia hidrográfica como sendo a área de formação

natural, drenada por um curso d’água e seus afluentes, a montante de uma seção transversal considerada, para onde converge toda a água da área considerada. A área da microbacia depende do objetivo do trabalho que se pretende realizar (não existe consenso sobre qual o tamanho ideal).

PEREIRA (1981) sugere: para verificação do efeito de diferentes práticas agrícolas nas perdas de solo, água e

nutrientes→ área não deve exceder a 50 ha. estudo do balanço hídrico e o efeito do uso do solo na vazão → áreas de até 10.000

ha. estudos que requerem apenas a medição de volume e distribuição da vazão →

bacias representativas com áreas de 10 a 50 mil ha.

Figura 3.1: Esquema de bacias hidrográficas.

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A resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica é transformar uma entrada de

volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo (Figura 3.2).

Figura 3.2: Resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica.

3.2. Divisores Divisores de água: divisor superficial (topográfico) e o divisor freático (subterrâneo).

Conforme a Figura 8, 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 só é utilizado em estudos mais complexos de hidrologia subterrânea e estabelece, portanto, 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.

Figura 3.4: Corte transversal de bacias hidrográficas.

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A Figura 9 apresenta um exemplo de delimitação de uma bacia hidrográfica utilizando o divisor topográfico. Nesta Figura está individualizada a bacia do córrego da Serrinha. Note que o divisor de águas (linha tracejada) acompanha os pontos com maior altitude (curvas de nível de maior valor).

Figura 3.5 Delimitação de uma bacia hidrográfica (linha tracejada).

3.3. Classificação dos cursos d’água De grande importância no estudo das BH é o conhecimento do sistema de drenagem, ou seja, que tipo de curso d’água está drenando a região. Uma maneira utilizada para classificar os cursos d’água é a de tomar como base a constância do escoamento com o que se determinam três tipos: • Perenes: contém água durante todo o tempo. O lençol freático mantém uma

alimentação contínua e não desce nunca abaixo do leito do curso d’água, mesmo durante as secas mais severas.

• Intermitentes: em geral, escoam durante as estações de chuvas e secam nas de

estiagem. Durante as estações chuvosas, transportam todos os tipos de deflúvio, pois o lençol d’água subterrâneo conserva-se acima do leito fluvial e alimentando o curso d’água, o que não ocorre na época de estiagem, quando o lençol freático se encontra em um nível inferior ao do leito.

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• Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente após os períodos de precipitação e só transportam escoamento superficial. A superfície freática se encontra sempre a um nível inferior ao do leito fluvial, não havendo a possibilidade de escoamento de deflúvio subterrâneo.

3.4. Características físicas de uma bacia hidrográfica Estas características são importantes para se transferir dados de uma bacia monitorada para uma outra qualitativamente semelhante onde faltam dados ou não é possível a instalação de postos hidrométricos (fluviométricos e pluviométricos). É um estudo particularmente importante nas ciências ambientais, pois no Brasil, a densidade de postos fluviométricos é baixa e a maioria deles encontram-se nos grandes cursos d’água, devido a prioridade do governo para a geração de energia hidroelétrica.

Brasil: 1 posto/ 4000 km2; USA: 1 posto/ 1000 km

2; Israel: 1 posto/ 200 km

2.

3.4.1. Área de drenagem

É a área plana (projeção horizontal) inclusa entre os seus divisores topográficos. A área de uma bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características físicas. É normalmente obtida por planimetria ou por pesagem do papel em balança de precisão. São muito usados os mapas do IBGE (escala 1:50.000). A área da bacia do Rio

Paraíba do Sul é de 55.500 km2.

3.4.2. Forma da bacia

É uma das características da bacia mais difíceis de serem expressas em termos quantitativos. Ela tem efeito sobre o comportamento hidrológico da bacia, como por exemplo, no tempo de concentração (Tc). Tc é definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle. Existem vários índices utilizados para se determinar a forma das bacias, procurando relacioná-las com formas geométricas conhecidas: • coeficiente de compacidade (Kc): é a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de

um círculo de mesma área que a bacia.

C

BHC P

PK =

APKC 028=

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O Kc é sempre um valor > 1 (se fosse 1 a bacia seria um círculo perfeito). Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia, menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente. • fator de forma (Kf): é a razão entre a largura média da bacia (L) e o comprimento do

eixo da bacia (L) (da foz ao ponto mais longínquo da área)

LLK f =

LAL = 2L

AK f =

Quanto menor o Kf, mais comprida é a bacia e portanto, menos sujeita a picos de enchente, pois o Tc é maior e, além disso, fica difícil uma mesma chuva intensa abranger toda a bacia. 3.4.3. Sistema de drenagem O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários; o estudo das ramificações e do desenvolvimento do sistema é importante, pois ele indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia hidrográfica. O padrão de drenagem de uma bacia depende da estrutura geológica do local, tipo de solo, topografia e clima. Esse padrão também influencia no comportamento hidrológico da bacia.

• Ordem dos cursos d’água e razão de bifurcação (Rb): De acordo com a Figura 3.6, adota-se o seguinte procedimento: 1) os cursos primários recebem o numero 1; 2) a união de 2 de mesma ordem dá origem a um curso de ordem superior; e 3) a união de 2 de ordem diferente faz com que prevaleça a ordem do maior.

Quanto maior Rb média, maior o grau de ramificação da rede de drenagem de uma bacia e maior a tendência para o pico de cheia.

Figura 3.6: Ordem dos cursos d’água.

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• densidade de drenagem (Dd): é uma boa indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem. Expressa a relação entre o comprimento total dos cursos d’água (sejam eles efêmeros, intermitentes ou perenes) de uma bacia e a sua área total.

A

LDd ∑=

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4. PRECIPITAÇÃO 4.1. Definição Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor de água da atmosfera depositada na superfície terrestre sob qualquer forma: chuva, granizo, neblina, neve, orvalho ou geada. Representa o elo de ligação entre os demais fenômenos hidrológicos e fenômeno do escoamento superficial, sendo este último o que mais interessa ao engenheiro. 4.2. Formação das Precipitações Elementos necessários a formação:

umidade atmosférica : (devido à evapotranspiração); mecanismo de resfriamento do ar : (ascensão do ar úmido); presença de núcleos higroscópios; mecanismo de crescimento das gotas:

4.3. Tipos de Precipitação 4.3.1. Precipitações ciclônicas Estão associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão. Essas diferenças de pressões são causadas por aquecimento desigual da superfície terrestre. As precipitações ciclônicas são de longa duração e apresentam intensidades de baixa a moderada, espalhando-se por grandes áreas. Por isso são importantes, principalmente no desenvolvimento e manejo de projetos em grandes bacias hidrográficas.

Figura 4.1: Seção vertical de uma superfície frontal. 4.3.2. Precipitações Convectivas São típicas das regiões tropicais. O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aparecimento de camadas de ar com densidades diferentes, o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável.

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As precipitações convectivas são de grande intensidade e curta duração, concentradas em pequenas áreas (chuvas de verão). São importantes para projetos em pequenas bacias. 4.3.3 Precipitações Orográficas Resultam da ascensão mecânica de correntes de ar úmido horizontal sobre barreiras naturais, tais como montanhas (Figura 4.2). As precipitações da Serra do Mar são exemplos típicos.

Figura 4.2: Chuvas Orográficas. 4.4. Medições das Precipitações Altura pluviométrica de chuva (P), precipitação: Expressa-se a quantidade de chuva (h) pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável sem se evaporar. No Brasil a altura de chuva é expressa em milímetros. A altura da chuva pode ser referir a uma chuva determinada ou a todas as precipitações ocorridas em um certo intervalo de tempo como exemplo as alturas pluviométricas diárias, mensais, anuais. Duração (t): Intervalo de tempo decorrido entre o instante que ocorreu a chuva e seu término. É medida, em geral, em minutos ou horas. Intensidade (i): É a velocidade de precipitação medida em geral em mm/mim ou mm/h.

tPi = na qual:

=i intensidade; =P altura pluviométrica; =t duração.

4.4.1. Aparelhos de medição . Ela é avaliada por meio de medidas executadas em pontos previamente escolhidos, utilizando-se aparelhos denominados pluviômetros (Figura 4.3) ou pluviógrafos (Figura 4.4), conforme sejam simples receptáculos da água precipitada ou registrem essas alturas no decorrer do tempo. As medidas realizadas nos pluviômetros são periódicas, geralmente em intervalos de 24 horas, sempre às 7 da manhã.

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Figura 4.3: Pluviômetro

Figura 4.4: Pluviógrafo As grandezas características são:

Altura pluviométrica: lâmina d’água precipitada sobre uma área. As medidas realizadas nos pluviômetros são expressas em mm;

Intensidade de precipitação: é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação expressa, geralmente em mm.h-1 ou mm.min-1;

Duração: período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação (h ou min).

Os pluviógrafos, cujos registros permitem o estudo da relação intensidade-duração-frequência tão importantes para projetos de galerias pluviais e de enchentes em pequenas bacias hidrográficas, possuem uma superfície receptora de 200 cm2. O modelo mais usado no Brasil é o de sifão de fabricação Fuess. Um exemplo de pluviograma é mostrado na Figura 4.5.

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Figura 4.5: Pluviograma

4.5. Análise de Consistência 4.5.1. Preenchimento de falhas Muitas observações pluviométricas apresentam falhas em seus registros devido à ausência do observador ou por defeitos no aparelho. Entretanto, como há necessidade de se trabalhar com dados contínuos, essas falhas devem ser preenchidas. Existem vários métodos para se processar o preenchimento:

• Regressão Linear: explica o comportamento de uma variável em função de outra.

AB PbaP ⋅+= A estima a precipitação no posto B a partir do valor de precipitação no posto A. Os coeficientes da equação linear (a e b) podem ser estimados plotando-se os valores de precipitação de dois postos em um papel milimetrado ou com a utilização do método dos mínimos quadrados.

• Média Aritmética dos postos vizinhos (Métodos das Médias Aritméticas).

)(1CBAX PPP

nP ++=

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Esses dois métodos só devem ser utilizados em regiões hidrologicamente homogêneas, isto é, quando as precipitações normais anuais dos postos não diferirem entre si em mais de 10%. Para isso devem ser consideradas séries históricas de no mínimo 30 anos.

• Método das razões dos valores normais (Métodos das Médias Ponderadas). Um método bastante utilizado para se fazer esta estimativa tem como base os registros pluviométricos de três estações localizadas o mais próximo possível da estação que apresenta falha nos dados de precipitação. Designando por X a estação que apresenta falha e por A, B e C as estações vizinhas, pode-se determinar Px da estação X pela média ponderada do registro das três estações vizinhas, onde os pesos são as razões entre as precipitações normais anuais:

)(1C

C

XB

B

XA

A

XX P

NNP

NNP

NN

nP ++= em que:

N é a precipitação normal anual e n é o número de estações pluviométricas. 4.6. Precipitação Média Sobre uma Bacia A altura média de precipitação em uma área específica é necessária em muitos tipos de problemas hidrológicos, notadamente na determinação do balanço hídrico de uma bacia hidrográfica, cujo estudo pode ser feito com base em um temporal isolado, com base em totais anuais, etc. Existem três métodos para essa determinação: o método aritmético, o método de Thiessem e o método das Isoietas. 4.6.1. Método Aritmético É o método mais simples e consiste em se determinar a média aritmética entre as quantidades medidas na área. Esse método só apresenta boa estimativa se os aparelhos forem distribuídos uniformemente e a área for plana ou de relevo muito suave. É necessário também que a média efetuada em

cada aparelho individualmente varie pouco em relação à média. A seguir (Figura 4.6), é mostrado um exemplo.

3321 PPP

Pm++

=

Hidrologia

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Figura 4.6: Método aritmético 4.6.2. Método de Thiessem Esse método subdivide a área da bacia em áreas delimitadas por retas unindo os pontos das

estações, dando origem a vários triângulos. Traçando perpendiculares aos lados de cada triângulo, obtêm-se vários polígonos que encerram, cada um, apenas um posto de observação. Admite-se que cada posto seja representativo daquela área onde a altura precipitada é tida como constante.

Figura 4.7: Método de Thiessem 4.6.3 Método das Isoietas No mapa da área (Figura 4.8) são traçadas as isoietas ou curvas que unem pontos de igual precipitação. Na construção das isoietas, o analista deve considerar os efeitos orográficos e a morfologia do temporal, de modo que o mapa final represente um modelo de precipitação mais real do que o que poderia ser obtido de medidas isoladas.

Figura 4.8: Método das isoietas Exercício 4.1: Determine a precipitação média da bacia hidrográfica pelo método das isoietas.

Cada estação recebe um peso pela área que representa em relação à área total da bacia. Se os polígonos abrangem áreas externas à bacia, essas porções devem ser eliminadas no cálculo. Se a área total é A e as áreas parciais A1, A2, A3, etc., com respectivamente as alturas precipitadas P1, P2, P3, etc., a precipitação média é:

A

PAPAPAPm

332211 ++=

Em seguida calculam-se as áreas parciais contidas entre duas isoietas sucessivas e a precipitação média em cada área parcial, que é determinada fazendo-se a média dos valores de duas isoietas. Usualmente se adota a média dos índices de suas isoietas sucessivas. A precipitação média da bacia é dada pela equação:

A

PAPAPAPAP nn

m...332211 +++

=

Hidrologia

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Isoietas Área entre as

isoietas (km2)

Precipitação (mm) (2) x (3)

25 - 30 - 30 - 35 1,9 35 - 40 10,6 40 - 45 10,2 45 - 50 6,0 50 - 55 15,0 55 - 60 8,4 60 - 65 4,7

Exercício 4.2: As Figuras abaixo representam os polígonos do método de Thiessem. Na tabela os dados que representam um exemplo de cálculo com as precipitações observadas e as áreas de influência de cada posto de observação:

Hidrologia

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Precipitações Observadas

Área do Polígono (km2)

Percentagem da área total

Precipitação ponderada

(1) x (3)

68,0 0,7 50,4 12,0 83,2 10,9 115,6 12,0 99,5 2,0 150,0 9,2 180,3 8,2 208,1 7,6

TOTAL Exercício 4.3: Em uma bacia hidrográfica estão instalados cinco postos pluviométricos cujas áreas de influência estão indicadas na tabela abaixo.

Posto A B C D E Área de influência (km2) 327 251 104 447 371

Altura de chuva (mm) 83 114 60 136 70

Conhecidas as alturas de uma chuva intensa ocorrida no dia 02/05/1997, deseja-se saber a altura de chuva média, usando os métodos da média aritmética e dos polígonos de Thiessen. 4.7. Análise das Chuvas Intensas Para projetos de obras hidráulicas, tais como vertedores de barragens, sistemas de drenagem, galerias pluviais, dimensionamento de bueiros, conservação de solos, etc., é de fundamental importância se conhecer as grandezas que caracterizam as precipitações máximas: intensidade, duração e freqüência. Com relação à conservação do solo, além das precipitações máximas com vistas ao dimensionamento de estruturas de contenção do escoamento superficial, a erosividade das chuvas tem grande importância, pois está diretamente relacionada com a erosão do solo. A precipitação máxima é entendida como a ocorrência extrema, com determinada duração, distribuição temporal e espacial crítica para uma área ou bacia hidrográfica. A precipitação tem efeito direto sobre a erosão do solo, em inundações em áreas urbanas e rurais, obras hidráulicas, entre outras. O estudo das precipitações máximas é um dos caminhos para conhecer-se a vazão de enchente de uma bacia.

Hidrologia

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As equações de chuva intensa podem ser expressas matematicamente por equações da seguinte forma:

CbtXi

)( += em que:

i é a intensidade máxima média para a duração t, b; e, X e c são parâmetros a determinar. Alguns autores procuram relacionar X com o período de retorno T, por meio de uma equação do tipo aKTC = , que substituída na equação anterior:

C

a

btKTi

)( +=

Equações de chuva para algumas cidades brasileiras. Nas três equações abaixo, i é a intensidade da chuva em mm/h, T é o período de retorno em anos e t é a duração da chuva em minutos.

Para São Paulo (eng. Paulo Sampaio Wilken): ( ) 025,1

172,0

22.7,3462

+=

tTi

Para Rio de Janeiro (eng. Ulysses Alcântara): 74,0

15,0

)20(.1239

+=

tTi

Para Curitiba (eng. Parigot de Souza) 15,1

217,0

)26(.5950

+=

tTi

Para Campinas 0056,0087,1

1726,0

)20(154,99

TtTi

+=

Exercício 4.3: Verifique se as questões estão certas ou erradas. (Questão 18 Prova de Hidrologia Concurso CPRM 2002 - Certo ou Errado) a) Se um pluviograma registrar a ocorrência de 78,6 mm de precipitação no intervalo das 15 h 35 min às 17 h 55 min, a intensidade dessa precipitação estará no intervalo entre 33 mm/h e 35 mm/h e o volume precipitado sobre uma bacia com 36,4 km2 estará entre 2,5 x 106 m3 e 3,0 x 106 m3 . b) Uma estação pluviométrica X deixou de operar durante alguns dias de um mês, quando houve forte chuva. As alturas pluviométricas nesse mês, em três estações vizinhas – A, B e C – foram de 106 mm, 88 mm, e 122mm, respectivamente. Nesse caso, sabendo que as alturas pluviométricas normais anuais nas estações A, B, C e X são de 978 mm, 1.120 mm, 934 mm e

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1199 mm, respectivamente, é correto afirmar que a altura pluviométrica mensal no mês com falha, na estação X, estará no intervalo entre 125 mm e 130 mm. Exercício 4.4: Calcular a intensidade da chuva para seguintes condições: cidade de São Paulo, período de retorno de 50 anos e duração de 80 minutos.

Equação da chuva intensa para cidade de São Paulo: ( ) 025,1

172,0

22.7,3462

+=

tTi

Exercício 4.5: Em 01/03/99, quando houve a inundação no Vale do Anhangabaú, choveu cerca de 100 mm em 2 horas. Determinar o período de retorno dessa chuva.

Exercício 4.6: Dado o pluviograma registrado em um posto pluviométrico localizado no município de Santo André, determine a intensidade média e o período de retorno dessa chuva.

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5. INFILTRAÇÃO 5.1. Generalidades A infiltração é o nome dado ao processo pelo qual a água atravessa a superfície do solo. É um processo de grande importância prática, pois afeta diretamente o escoamento superficial, que é o componente do ciclo hidrológico responsável pelos processos de erosão e inundações. Após a passagem da água pela superfície do solo, ou seja, cessada a infiltração, a camada superior atinge um “alto” teor de umidade, enquanto que as camadas inferiores apresentam-se ainda com “baixos” teores de umidade. Há então, uma tendência de um movimento descendente da água provocando um molhamento das camadas inferiores, dando origem ao fenômeno que recebe o nome de redistribuição. Solo: O solo é constítuido de grãos, água, ar e vapor d’água.

A grosso modo, o terreno pode ser dividido em 3 zonas de umidade principais:

O movimento da água no solo é governado por 3 tipos de força : - molecular: os grãos são recobertos por uma finíssima camada d’água (higroscópica) mantida por forças moleculares. Não pode ser considerada ativa do ponto de vista hidrológico. - capilar : resultado da tensão superficial, a água é mantida no solo contra a ação da gravidade. Depende do diâmetro dos poros e portanto das características do tipo de solo. - gravitacional: movimento da água nos canalículos de maior diâmetro devido a ação da gravidade.

Zona de Aeração : a infiltração se dá nesta região. Uma parte dos interstícios é ocupada pela água e o resto por ar. Esta proporção varia com a recarga através da precipitação. Franja Capilar : os poros capilares estão preenchidos com água e os poros maiores encontram-se em sua maioria vazios. A pressão é próxima da pressão atmosférica. Zona Saturada : aquífero subterrâneo propriamente dito. Todos os poros estão preenchidos com água. A superfície de um aquífero livre apresentaria pressão igual à atmosférica nessa região.

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5.1. Algumas Definições Capacidade de Infiltração ( f ): É a quantidade máxima de água que um solo, sob uma dada condição, pode absorver na unidade de tempo por unidade de área horizontal. Só se verifica quando a intensidade da precipitação excede a capacidade do solo em absorver água. Teor de Umidade do Solo: É a quantidade de água presente no solo por ação da capilaridade. Se o solo, no início da precipitação, já apresenta uma certa umidade, ele terá uma capacidade de infiltração menor do que se estivesse seco. Os agrônomos referem-se à máxima quantidade de água retida por capilaridade como capacidade de campo.

Obs 1 - No início da chuva, a capacidade de infiltração é fo, diminuindo até um valor constante fc, a medida que o solo vai se tornando saturado. Este valor limite é definido pela permeabilidade do sub-solo. Obs 2 - Só se pode falar em capacidade de infiltração, se a intensidade da chuva for maior que a infiltração num instante qualquer. 5.2. Cálculo da Capacidade de Infiltração Puntual

Método de Horton ( 1930 )

fo depende do grau de umidade do solo (mm/h). fc valor aproximadamente constante para o qual tende a capacidade de infiltração, dependente das características de permeabilidade do solo (mm/h) k é uma constante empírica (h-1)

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6. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO 6.1. Introdução O conhecimento da perda d’água de uma superfície natural é de suma importância nos diferentes campos do conhecimento científico, especialmente nas aplicações da meteorologia e da hidrologia às diversas atividades humanas. Na hidrologia, o conhecimento da perda de água em correntes, canais, reservatórios, bem como, a transpiração dos vegetais, têm muita importância no balanço hídrico de uma bacia hidrográfica. 6.2. Definições e Fatores Físicos Evaporação: é o processo natural pelo qual a água, de uma superfície livre (líquida) ou de uma superfície úmida, passa para a atmosfera na forma de vapor, a uma temperatura inferior a de ebulição. Transpiração: é a evaporação devida a ação fisiológica dos vegetais, ocorrida, principalmente, através dos estômatos. Evapotranspiração: evaporação + transpiração. A transferência natural de água no estado de vapor da superfície do globo para a atmosfera interpreta-se facilmente pela teoria cinética da matéria. Nos sólidos e líquidos predominam as forças de atração entre as partículas do corpo. Nos sólidos, cada partícula tem oscilações de muito pequena amplitude em volta de uma posição média quase permanente. Nos líquidos, a energia cinética média das partículas é maior do que nos sólidos, mas uma partícula que se liberta da atração daquelas que a rodeiam é logo captada por um grupo de partículas vizinhas. Nos gases, a energia cinética média das partículas é ainda maior e suficiente para libertá-las umas das outras. A mudança do estado sólido ou líquido para o estado gasoso corresponde a um aumento da energia cinética das partículas da substância, exigindo por isso, com temperatura constante, o consumo de uma quantidade de energia que, por unidade de massa da substância, é o calor de vaporização. Simultaneamente com o escape das partículas de água para a atmosfera dá-se o fenômeno inverso: partículas de água na fase gasosa, que existem na atmosfera, chocam à superfície de separação e são captadas pelo corpo evaporante. A evaporação mantém-se até atingir o estado de equilíbrio, que corresponde à saturação do ar em vapor d’água: o número de partículas de água que escapam do corpo evaporante é então igual ao número de partículas de água na fase gasosa que são capturadas pelo corpo no mesmo intervalo de tempo. Portanto, se tivermos uma superfície exposta às condições ambientais, que contém um certo conteúdo de vapor d’água, vamos notar a

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troca de moléculas entre as fases de vapor e líquida, a qual envolve os fenômenos de condensação e evaporação: As condições básicas para a ocorrência do mecanismo são:

existência de uma fonte de energia que pode ser a radiação solar, calor sensível da atmosfera ou da superfície evaporante. Em geral, a radiação solar é a principal fonte para a evaporação. A mudança da fase líquida para a fase de

vapor consome 540 cal.g-1

a 100 oC e 586 cal.g

-1 a 20

oC; e

existência de um gradiente de concentração de vapor, isto é, uma diferença

entre a pressão de saturação do vapor na atmosfera (es) à temperatura da superfície e a pressão parcial de vapor d´água na atmosfera (ea).

A literatura antiga dava mais enfoque à evaporação. A mais moderna dá

maior enfoque à evapotranspiração pois numa bacia hidrográfica a superfície do solo vegetada costuma ser maior que a superfície livre de água.

6.3. Fatores Intervenientes no Processo de Evaporação e Transpiração

• Radiação Solar: A radiação solar é fonte energética necessária ao processo evaporativo, sendo que a incidência direta fornece mais energia quando comparado com a difusa.

• Temperatura de Superfície: A variação da intensidade da radiação solar recebida

na superfície produz uma variação na temperatura da superfície, modificando a energia cinética das moléculas. À altas temperaturas, mais moléculas se escapam da superfície, devido à sua maior energia cinética.

• Temperatura e Umidade do Ar: O aumento da temperatura torna maior a

quantidade de vapor d´água que pode estar presente no mesmo volume de ar. Assim aumentando a temperatura do ar, es aumenta, diminuindo a umidade relativa (efeito indireto).

100⋅=s

a

ee

UR

Exemplo: UR = 60% significa que a atmosfera contém 60% da umidade máxima que ela seria capaz de conter àquela temperatura. Portanto, quanto maior temperatura, maior es (maior a capacidade do ar conter água) e menor UR.

- A UR é baixa próximo ao meio dia e alta durante a noite, não por causa da umidade do ar em si (ea) (que provavelmente é até maior durante o dia) e sim porque a temperatura é alta durante o dia e baixa durante a noite.

- A uma dada temperatura, quanto mais seco o ar maior será a sua capacidade de absorver água.

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• Vento: O vento modifica a camada de ar vizinha à superfície, substituindo uma camada muitas vezes saturada por uma com menor conteúdo de vapor d’água. Na camada em contato com a superfície (aproximadamente 1 mm), o movimento de vapor é por moléculas individuais (difusão molecular), mas acima dessa camada limite superficial, o responsável é o movimento turbulento do ar (difusão turbulenta).

• Aspectos Fisiológicos: Nos vegetais diversos aspectos estão associados a

transpiração, sendo que o mecanismo de fechamento dos estômatos, quando a umidade do solo está abaixo do teor para o qual a demanda atmosférica é necessária, provoca redução da transferência de vapor para a atmosfera. Esse comportamento é mais comum durante as horas mais quentes do dia.

6.4. Definições Básicas 6.4.1. Evaporação: perda d’água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais. 6.4.2. Transpiração: perda d’água para a atmosfera na forma de vapor, decorrente das ações físicas e fisiológicas dos vegetais (através dos estômatos). A taxa de transpiração é função dos estômatos, da profundidade efetiva das raízes, do tipo de vegetação, além dos fatores anteriormente citados. 6.4.3. Evapotranspiração (ET): conjunto evaporação do solo mais transpiração das plantas. O termo evapotranspiração foi utilizada, por Thornthwaite, no início da década de 40, para expressar essa ocorrência simultânea. Existem conceitos distintos de evapotranspiração que devem ser observados:

Evapotranspiração Potencial (ETp): perda de água por evaporação e transpiração de uma superfície natural tal que esta esteja totalmente coberta e o conteúdo de água no solo esteja próximo à capacidade de campo;

Evapotranspiração de Referência (ETo): perda de água de uma extensa superfície cultivada com grama, com altura de 0,08 a 0,15 m, em crescimento ativo, cobrindo totalmente o solo e sem deficiência de água.

Evapotranspiração Real ou Atual (ETr): perda de água por evaporação e transpiração nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo).

Conclui-se que ETr é menor ou no máximo igual a ETp. 6.5. Fórmula Geral da Evaporação A primeira equação para o cálculo da evaporação de uma superfície foi proposta por Dalton (1928): )( as eeCE −⋅= em que:

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C é um coeficiente empírico, relativo a elementos meteorológicos; es é a pressão de saturação à temperatura da superfície; e ea é a pressão de vapor do ar.

Várias equações foram propostas para a estimativa da evaporação, todas elas baseadas na equação de Dalton ou mesmo sendo a própria equação de Dalton, com o estudo da função C para cada localidade. Das várias equações encontradas em livros sobre evaporação, podem-se citar: )(131,0 22 eeUE s −⋅⋅= USA )()72,01(13,0 22 eeUE s −⋅⋅+⋅= Rússia em que:

U2 é a velocidade do vento obtida a 2 m acima da superfície evaporante (m.s-1

); e

e2 é a pressão de vapor do ar a 2 m de altura acima da superfície (mb).

Quanto ao efeito da lei de Dalton, quanto menor UR, para uma dada temperatura, menor ea e, consequentemente, maior a Evaporação. A evaporação pode ser medida através de 2 tipos de aparelhos : os atmômetros e os tanques evaporimétricos. Unidade : mm. Tanques Evaporimétricos: são recipientes achatados, em forma de bandeja, de seção quadrada ou circular, enterrados ou não, com água no seu interior e instalados próximos à massa d’água cuja intensidade de evaporação se quer medir ( ou flutuando sobre a própria massa d’água ). No local, deve-se medir também a temperatura, a velocidade e direção do vento, a umidade relativa e a precipitação. O tanque mais usado é o classe A do U.S. Weather Bureau.

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Obs: para cálculo da evaporação em reservatórios, em função de sua maior inércia, deve-se corrigir a evaporação medida no tanque por um fator inferior a 1. No tanque classe A : k = 0,7 a 0,8.

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7. ESCOAMENTO SUPERFICIAL 7.1. Introdução Das fases básicas do ciclo hidrológico, talvez a mais importante para o engenheiro seja a do escoamento superficial, que é a fase que trata da ocorrência e transporte da água na superfície terrestre, pois a maioria dos estudos hidrológicos está ligada ao aproveitamento da água superficial e à proteção contra os fenômenos provocados pelo seu deslocamento. Foi discutido que a existência da água nos continentes é devida à precipitação. Assim, da precipitação que atinge o solo, parte fica retida quer seja em depressões quer seja como película em torno de partículas sólidas. Do excedente da água retida, parte se infiltra e parte escoa superficialmente. Pode ocorrer que a água infiltrada venha, posteriormente, aflorar na superfície como fonte para novo escoamento superficial. O escoamento superficial abrange desde o excesso de precipitação que ocorre logo após uma chuva intensa e se desloca livremente pela superfície do terreno, até o escoamento de um rio, que pode ser alimentado tanto pelo excesso de precipitação como pelas águas subterrâneas. 7.2. Fatores que Influenciam no Escoamento Superficial Os fatores podem ser de natureza climática, relacionados à precipitação ou de natureza fisiográfica ligados às características físicas da bacia. Dentre os fatores climáticos destacam-se a intensidade e a duração da precipitação, pois quanto maior a intensidade, mais rápido o solo atinge a sua capacidade de infiltração provocando um excesso de precipitação que escoará superficialmente. A duração também é diretamente proporcional ao escoamento, pois para chuvas de intensidade constante, haverá maior oportunidade de escoamento quanto maior for a duração. Outro fator climático importante é o da precipitação antecedente, pois uma precipitação que ocorre quando o solo está úmido devido a uma chuva anterior, terá maior facilidade de escoamento. Dentre os fatores fisiográficos os mais importantes são a área, a forma, a permeabilidade e a capacidade de infiltração, e a topografia da bacia. A influência da área é clara, pois sua extensão está relacionada à maior ou menor quantidade de água que ela pode captar. A permeabilidade do solo influi diretamente na capacidade de infiltração, ou seja, quanto mais permeável for o solo, maior será a quantidade de água que ele pode absorver, diminuindo assim a ocorrência de excesso de precipitação. Outros fatores importantes são as obras hidráulicas construídas nas bacias, tal como uma barragem que, acumulando a água em um reservatório, reduz as vazões máximas do escoamento

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superficial e retarda a sua propagação. Em sentido contrário, pode-se retificar um rio aumentando a velocidade do escoamento superficial. 7.3. Grandezas que Caracterizam o Escoamento Superficial 7.3.1. Vazão (Q): A vazão, ou volume escoado por unidade de tempo, é a principal grandeza que caracteriza um escoamento. Normalmente é expressa em metros cúbicos por segundo (m3.s-1) ou em litros por segundo (L. s-1). • vazão média diária: É a média aritmética das vazões ocorridas durante o dia

(quando se dispõe de aparelho registrador – linígrafo, Figura 7.1); o mais comum é a média das vazões das 7 e 17 horas (horas de leitura do nível da água – linímetro, Figura 7.1).

Figura 7.1: Estação Fluviométrica com réguas linimétricas e linígrafo.

• vazão específica: Vazão por unidade de área da bacia hidrográfica; m3. s-1.km-2, L s-

1..km-2, L. s-1.ha-1. É uma forma bem potente de expressar a capacidade de uma bacia em produzir escoamento superficial e serve como elemento comparativo entre bacias. É comum ter-se como dados que caracterizam uma bacia, as vazões máximas, médias, mínimas, Q7-10, Q95%, em intervalos de tempo tais como hora, dia mês e ano. 7.3.2. Coeficiente de Escoamento Superficial (C) Coeficiente de escoamento superficial, ou coeficiente runoff, ou coeficiente de deflúvio é definido como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado. Este coeficiente pode ser relativo a uma chuva isolada ou relativo a um intervalo de tempo onde várias chuvas ocorreram.

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Conhecendo-se o coeficiente de deflúvio para uma determinada chuva intensa de uma certa duração, pode-se determinar o escoamento superficial de outras precipitações de intensidades diferentes, desde que a duração seja a mesma. A Tabela 7.1 apresenta valores do coeficiente de escoamento (C), em função do tipo de solo, declividade e cobertura vegetal. Tabela 7.1: Coeficiente de escoamento superficial

Declividade (%) Solos Arenosos Textura Média Solos Argilosos Matas

0-2,5% 0,15 0,13 0,12 2,5-5% 0,18 0,15 0,14 5-10% 0,20 0,18 0,16 10-20% 0,22 0,20 0,18 20-40% 0,25 0,22 0,20

Pastagens 0-2,5% 0,31 0,27 0,25 2,5-5% 0,38 0,32 0,30 5-10% 0,43 0,37 0,34 10-20% 0,48 0,41 0,38 20-40% 0,53 0,45 0,42

Culturas Perenes 0-2,5% 0,40 0,34 0,31 2,5-5% 0,48 0,41 0,38 5-10% 0,54 0,46 0,43 10-20% 0,61 0,52 0,48 20-40% 0,67 0,56 0,53

7.3.3. Tempo de Concentração (tc) Como definido anteriormente, o tc mede o tempo gasto para que toda a bacia contribua para o escoamento superficial na seção considerada. O tempo de concentração pode ser estimado por vários métodos, os quais resultam em valores bem distintos. Dentre eles, destacam-se:

Método Gráfico Consiste em traçar trajetórias perpendiculares as curvas de nível de diferentes pontos dos divisores até a seção de controle. ∑= maxtptc

Hidrologia

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em que: tc = tempo de concentração, em s; e tp = tempo de percurso, em s.

vLtp = em que:

L = comprimento do trajetória do escoamento, em m; e v = velocidade de escoamento, em m.s-1. Ifv ⋅= em que: f = fator de escoamento em função do tipo de superfície (anexo 3); e I = declividade das trajetórias, em %.

Equação de Kirpich

385,0

87,0 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

HLtc em que:

tc = tempo de concentração, em h; L = comprimento do talvegue principal, em km; e H = desnível entre a parte mais elevada e a seção de controle, em m.

Equação de Ventura

IAtc 127,0= em que:

A = área da bacia, em km2; e I = declividade média do curso d’água principal, em m/m.

Equação de Pasini

3107,0I

ALtc ⋅=

Equação de Giandoti

oHHm

LAtc−

+=

8,05,14 em que:

Hm = elevação média , em m; e Ho = elevação na seção de controle, em m. Os valores de tc obtidos por estas equações diferem entre si. A equação mais utilizada tem sido a de Kirpich e o motivo se evidencia pelo fato de que normalmente

Hidrologia

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ela fornece valores menores para tc, o que resulta numa intensidade de chuva maior, por conseqüência, uma maior vazão de cheia. 7.3.4. Tempo de Recorrência (Tr) É o período de tempo médio em que um determinado evento (neste caso, vazão) é igualado ou superado pelo menos uma vez. A recomendação do número de anos a ser considerado é bastante variada: alguns autores recomendam período de retorno de 10 anos, para projetos de conservação de solos. Outros recomendam o período de retorno de 10 anos somente para o dimensionamento de projetos de saneamento agrícola, em que as enchentes não trazem prejuízos muito expressivos. E ainda, para projetos em áreas urbanas ou de maior importância econômica, recomenda-se utilizar o período de retorno de 50 ou 100 anos. 7.3.5. Nível de Água (h) Uma das medidas mais fáceis de serem realizadas em um curso d’água é expressa em metros e se refere à altura atingida pelo nível d’água em relação a um nível de referência. Normalmente as palavras cheia e inundação estão relacionadas ao nível d’água atingido. Denominar-se-á cheia a uma elevação normal do curso d’água dentro do seu leito, e inundação à elevação não usual do nível, provocando transbordamento e possivelmente prejuízos. 7.4. Métodos de Estimativa do Escoamento Superficial Os métodos de estimativa do escoamento superficial podem ser divididos em quatro grupos conforme a seguir:

• Medição do Nível de Água A estimativa do escoamento superficial por meio de medição do nível de água é realizada em postos fluviométricos, onde a altura do nível de água é obtida com auxílio das réguas linimétricas (Figura 7.1) ou por meio dos linígrafos (Figura 7.1). De posse das alturas pode-se estimar a vazão em uma determinada seção do curso d’água por meio de uma curva-chave. A esta curva relaciona uma altura do nível do curso d’água, a uma vazão, conforme Figura 7.1.

- É o mais preciso; - Requer vários postos fluviométricos

Hidrologia

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• Modelo Chuva-Vazão Calibrados

Hidrógrafa, Hidrograma, ou Fluviograma é a representação gráfica da variação da vazão em relação ao tempo. Um hidrograma mostrando as vazões médias diárias para um ano é mostrado na Figura 7.2

Figura 7.2: Registros de descargas diárias (Usina Barra Bonita – rio Tietê). Isolando-se picos do hidrograma podem-se analisar alguns fenômenos de interesse em Hidrologia. Na Figura seguinte é apresentado o ietograma (hidrógrafa de uma chuva isolada) de uma precipitação ocorrida na bacia e a curva de vazão correspondente registrada em uma seção de um curso d’água. A contribuição total para o escoamento na seção considerada é devido:

à precipitação recolhida diretamente pela superfície livre das águas; ao escoamento superficial direto (incluindo o escoamento subsuperficial); ao escoamento básico (contribuição do lençol de água subterrânea).

Analisando-se a Figura 7.3 (hidrógrafa), é possível distinguir quatro trechos distintos. O primeiro, até o ponto A, em que o escoamento é devido unicamente à contribuição do lençol freático (escoamento subterrâneo ou de base) e por causa disto, a vazão está decrescendo. O segundo trecho é devido à contribuição da parcela de precipitação que excede à capacidade de infiltração. Há a formação do escoamento superficial direto o qual promove aumento da vazão à medida que aumenta a área de contribuição para o escoamento.

Hidrologia

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Boa precisão Métodos baseados na hidrógrafa ( Hidrograma Unitário)

• Modelo Chuva-Vazão Não Calibrado A estimativa da vazão do escoamento produzido pelas chuvas em determinada área é fundamental para o dimensionamento dos canais coletores, interceptores ou drenos. Existem várias equações para estimar esta vazão, sendo muito conhecido o uso da equação racional. Método desenvolvido pelo irlandês Thomas Mulvaney, 1851. Seu uso é limitado a pequenas áreas (até 80 ha). Este método é utilizado quando se tem muitos dados de chuva e poucos dados de vazão. A equação racional estima a vazão máxima de escoamento de uma determinada área sujeita a uma intensidade máxima de precipitação, com um determinado tempo de concentração, a qual é assim representada:

360CIAQ = em que :

Q = vazão máxima de escoamento, em m3/s; C = coeficiente de Runoff; I = intensidade média máxima de precipitação, em mm/h A = área de contribuição da bacia, em ha.

• Método Racional Modificado

Este método deve ser utilizado para áreas maiores que 80 ha até 200 ha.

DCIAQ360

= e 2

009,01 LD −= em que:

L = comprimento axial da bacia, km.

• Método de I - Pai – Wu Método desenvolvido em 1963 sendo aplicado a áreas maiores que 200 ha até 20.000 ha.

KIACQ360

90,0*

= ,

F

CF

C

+

×+

=

241

2* e

Π

=A

LF em que :

F = fator de ajuste relacionado com a forma da bacia;

Hidrologia

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L = comprimento axial da bacia, em km; A = área da bacia, em ha; e K = coeficiente de distribuição espacial da chuva (anexo 4). espacial da chuva (anexo 4).

Média precisão Métodos baseados no método racional

Exercício 7.1: Uma área rural localizada no município de Campinas, ocupada por pastagem, grama, etc., com 2,0 Km2; comprimento igual a 900 metros e declividade de 1,5%; plano de escoamento da área é, em média, de 130 metros com declividade de 2%, será urbanizada com residências, onde 70% serão superfícies pavimentadas (asfalto, concreto, telhados) e o restante por áreas verdes (jardins, gramados e etc.). Determine o aumento percentual relativo da vazão de projeto de 5 anos de tempo de retorno com a urbanização residencial. Considere que o condutor do talvegue, na condição de área urbanizada, será um canal retangular de concreto (n= 0,014). Quadro 1: Valores do coeficiente de deflúvio, C

Tipos de ocupação C Áreas com edificações; grau de adensamento

• Muito grande • Grande • Médio • Pequeno

0,70 a 0,95 0,60 a 0,70 0,40 a 0,60 0,20 a 0,40

Áreas livres: matas, parques, campos Solos com vegetação:

• Arenoso • Argiloso

0,05 a 0,15 0,15 a 0,35

Superfícies de telhados 0,70 a 0,95 Pavimentos 0,40 a 0,90 Vias macadamizadas 0,25 a 0,60 Superfícies não pavimentadas, quintais e lotes vazios 0,10 a 0,30 Parques, Jardins, gramados, dependendo da declividade e do subsolo 0,00 a 0,25 Fonte: Wilken, 1978. Quadro 2: Valores do coeficiente k Uso da terra e o regime de escoamento k Floresta com muita folhagem no solo 0,076 Área com pouco cultivo 0,152 Pasto ou grama baixa 0,213 Áreas cultivadas 0,274 Solo quase nu sem cultivo 0,305 Caminhos de escoamento em grama, pasto 0,457 Superfícies pavimentadas; pequenas vossorocas de nascentes 0,610 Fonte: Tucci e outros, 1995.