HIDROLOGIA

Disciplina:

Raimundo Glauber L Cunha Eng. Civil Especialista em Gestão Recursos Hídricos MSc. Recursos Hídricos

Professor:

PROGRAMA DO CURSO

• Aspectos Introdutórios

• Ciclo Hidrológico

• Bacia Hidrográfica

• Precipitação

• Evaporação e evapotranspiração

• Infiltração

• Escoamento Superficial

• Hidrograma unitário

Bibliografia básica

• MATTOS, Arthur; VILLELA, Swami M. Hidrologia Aplicada. São Paulo: McGraw-Hill, 1975. PINTO, Holtz; MARTINS, A. C. T. Hidrologia básica. São Paulo: Edgard Blucher, 1976. LANCASTRE A. Hidrologia básica. São Paulo: Edgard Blucher, 1996.

• TUCCI, C.E.M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. Coleção ABRH Vol 4. São Paulo. 1999.

• Lucas Nogueira Garcez e Guillermo Acosta Alvarez - Hidrologia

“Hidrologia é a ciência que trata da água na terra, sua

ocorrência, circulação e distribuição, suas

propriedades físicas e químicas, e suas reações com o

meio ambiente, incluindo suas relações com a vida” (

citado por Ven TeChow, 1959)

Conceito de Hidrologia:

Algumas áreas de subdivisão da Hidrologia:

A) Hidrometereologia - estudo a água na atmosfera;

B) Limnologia - estudo dos Lagos e Reservatórios;

C) Potamologia - estudo dos Arroios e Rios;

D) Hidrogeologia - trata da água subterrânea;

E) Glaciologia - estudo da neve e gelo.

Aplicações na Engenharia: • Escolha de mananciais para abastecimento d´água. • Projeto e construção do obras hidráulicas: pontes, bueiros , barragens, etc. • Drenagem: - estudo das características do lençol freático: precipitação, bacia de contribuição, nível dos cursos d´água. • Irrigação: - escolha do manancial - estudo da evapotranspiração e infiltração •Regularização dos cursos d´água e controle de inundações. •Aproveitamento hidroelétrico – Previsão de vazões máximas, mínimas e médias. •Controle de poluição – Análise da capacidade de diluição do curso d´água. •Controle de erosão – Análise da intensidade e frequência das precipitações máximas, e determinação dos coeficientes de escoamento superficial.

Definição 1 - é o fenômeno global de circulação fechada

da água entre a superfície terrestre e atmosfera,

impulsionado fundamentalmente pela energia solar

associada à gravidade e a rotação terrestre.

Desenvolve-se ao longo das 3 camadas no planeta terra:

A) Superfície terrestre - engloba os continentes (solos e

rochas) e oceanos (reservatórios);

B) Troposfera - fina camada inferior da atmosfera com 8

(polos) a 16 Km (equador) de espessura e apresenta 90 %

da umidade atmosférica; principal meio de transporte de

massa e quantidade de movimento dando origem aos

principais fenômenos meteorológicos.

C) Estratosfera - acima da troposfera, tendo espessura de

40 a 70 Km, contém a sub-camada de Ozônio que regula a

radiação solar que atinge a superfície terrestre; apresenta

uma menor variação vertical da temperatura.

Ciclo Hidrológico

Ciclo Hidrológico

Definição 2 - Entende-se por ciclo hidrológico a caracterização do comportamento natural da água quanto as suas ocorrências, transformações e relações com a vida humana.

• Evaporação da água (oceanos, lagos e rios). • O vapor é transportado pelo movimento das massas de ar. Sob determinadas condições, o vapor é condensado, formando nuvens. • A precipitação que ocorre sobre a terra é dispersada de várias formas (retenção no solo, evaporação e transpiração das plantas, interceptação das plantas, infiltração e escoamento).

Reservas de água no planeta – ( Peixoto e Oort -1990)

Oceanos = 1350 x 1015 m3

Geleiras = 25 x 1015 m3

Águas Subterrânea= 8,4 x 1015 m3

Rios e Lagos = 0,2 x 1015 m3

Biosfera = 0,0006 x 1015 m3

Atmosfera = 0,013 x 1015 m3

= > 97,57 %

= > 1,81 %

= > 0,61% 98%

Águasubt

= > 0,0145%

= > 0,00004 %

= > 0,0009%

Esta quantificação estática só deixa transparecer a

importância relativa na dinâmica do ciclo da água na

reserva do oceanos.

6.2 milhões km2

40 % da América do Sul

> 10 milhões de pessoas

8 países

Bacia Hidrográfica

A bacia hidrográfica ou

bacia de drenagem é uma

área de captação natural

da água da precipitação

que faz convergir os

escoamentos para um

único ponto de saída, seu

exutório. Compõe-se de um

conjunto de superfícies

vertentes e de uma rede de

drenagem formada por

cursos de água que

confluem até resultar um

leito único no exutório.

• OUTRA DEFINIÇÃO DE BACIA HIDROGRÁFICA : (ou bacia de drenagem) é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou por um sistema de cursos d’água, tal que toda vazão efluente seja descarregada através de uma simples saída.

• Uma bacia é sempre contornada por um divisor, que é a linha fixa entre bacias vizinhas, dividindo as precipitações que ali caem, encaminhando o escoamento superficial resultante da precipitação para um ou outro sistema fluvial.

DIVISORES

A bacia hidrográfica é delimitada geograficamente pela topografia e por um

divisor subterrâneo.

Divisor Topográfico - linha de separação que divide as precipitações que

caem em bacias vizinhas fixando a área que provém o escoamento

superficial. O divisor une os pontos de máxima cota em torno da bacia, o

que não Impede de que no interior de uma bacia existam picos isolados

com cota superior a qualquer ponto do divisor.

Divisor Freático – é em geral , determinado pela estrutura geológica dos

terrenos e portanto, estabelece os limites dos reservatórios de água

subterrrânea. Os divisores dificilmente coincidem, quanto mais alto o nível

do lençol freático, mais próximos entre si estarão os divisores

Divisores

Topográfico • une pontos de maior cota em torno do sistema de drenagem; • fixa a área que provém o deflúvio superficial; • condicionado pela topografia.

Freático • fixa a área de onde provém o deflúvio subterrâneo; • condicionado pela estrutura geológica do Terreno.

Delimitação da Bacia Hidrográfica

1. Destacar na carta

planialtimétrica e hidrográfica a

seção de saída ou ponto de

controle desejado.

2. A linha do divisor de águas

deve ser perpendicular às

curvas de nível e deve contornar

a bacia ligando os pontos de

maior altitude.

3. Da maior para menor altitude

o divisor corta as curvas de nível

pela parte côncava

4. O divisor corta o rio principal

apenas na seção de referência.

Localização

Grosseira

do Divisor

Destaque da

Rede de

Drenagem

Localização de

Pontos Altos e

Cotados

Junção dos pontos altos

As figuras a seguir

representam as quatro

partes em sentido anti-

horário

Delimitação da bacia hidrográfica utilizando modelo numérico do terreno e imagem satélite

A bacia pode ser vista como o volume de controle

para a gestão de recursos hídricos

Balanço Hídrico

Segundo TUCCI (2003) - Bacia Hidrográfica - é

um sistema físico onde a entrada é o volume de

água precipitado e a saída é o volume de água

escoado pelo exutório, considerando-se como

perdas intermediárias os volumes evaporados, e

transpirados .

Balanço Hídrico: É o balanço feito entre a quantidade de água que entra no sistema (bacia hidrográfica) – quantidade de água que sai do sistema em determinado intervalo de tempo.

I – O = S => Equação do balanço hídrico (ou

Equação hidrológica)

Onde:

I = Input (entradas); O = Output (saídas);

S = Variação no armazenamento

Levando-se em consideração os processos do

ciclo hidrológico a equação acima pode ser

descrita da seguinte forma:

P – Q – ETP = S onde: P – Precipitação; Q–

Escoamento ETP– Evapotranspiração.

Balanço Hídrico

Exercício sobre balanço hídrico

1 – Qual será a vazão de saída de uma bacia completamente

impermeável, com área de 60 km2 sob uma chuva constante a

taxa de 10 mm/h. obs: desprezar perdas por evapotranspiração.

Resp: 167 m3/s

2 - A região da bacia hidrográfica do rio taquari recebe

precipitações médias anuais de 1600 mm. Em muçum (RS) há

um local onde são medidas as vazões deste rio e uma análise de

série de dados ao longo de 30 anos revela que a vazão média é

de 340m3/s. Considerando que a área da bacia neste local é de

15 000 km2 , qual a evapotranspiração média anual nesta bacia?

Qual o coeficiente de escoamento superficial?

Resp: 885 mm/ano

3 - Uma determinada bacia hidrográfica de 150 Km2 recebe

anualmente em média 1100mm de precipitação, apresentando

uma descarga total média anual no exutório de 900 l/s. Qual a

variação de armazenamento da bacia em m3/ano?

Resposta: 136,6 x 106 m3/ano

4 - Uma determinada bacia hidrográfica de 150 Km2 recebe

anualmente em média 1100 mm de precipitação, apresentando

uma vazão média anual de 900 litros por segundo. A

construção de um reservatório vai afetar o balanço hídrico ao

intensificar todas as perdas. (evaporação, infiltração profunda,

etc). A nova vazão resultante é de 3060 m3/h. Pergunta-se

qual a porcentagem de acréscimo das perdas nesse novo

cenário?

Resp = 1,16%

Exercício sobre balanço hídrico

5 - Em um dado ano, uma bacia hidrográfica com área de drenagem igual a 2.500 km² recebeu 130 cm de precipitação. A vazão média medida na sua exutória foi 30 m³/s. Estime a quantidade de água perdida pelos efeitos conjuntos da evaporação, transpiração e infiltração para o lençol subterrâneo. Qual o escoamento superficial que atinge a exutória, por ano, em centímetros? Qual é o coeficiente de

escoamento superficial? Resp: 921,6 mm/ano; 37,84 cm/ano; 29%

6 - Um lago com área de superfície de 210 hectares foi monitorado durante um certo período de tempo. Durante o período de um mês, a vazão de entrada foi de 0,85 m³/s e a saída de 0,69 m³/s tendo-se medido uma perda por infiltração de 3,8 cm. Durante o mesmo mês, a precipitação total foi de 10,8 cm. As perdas por evaporação foram estimados em 15 cm. Estime a variação do volume armazenado no lago durante esse período.Resp:11,7 cm/mês

Classificação dos Cursos d´Água

Perenes – Estes cursos d´água contém água durante todo o

tempo, alimentados continuadamente pelo lençol subterrâneo

que sempre permanece acima do leito do curso d’água,

mesmo nas secas mais severas

Intermitentes – Estes cursos d’água escoam durante a

estação chuvosa, transportando todos os tipos de deflúvio,

pois o lençol d’água subterrâneo conserva-se acima do leito

fluvial (alimentando o curso d’água). Na época da estiagem,

quando o lençol freático se encontra em um nível inferior ao

do leito, o escoamento cessa ou ocorre somente durante, ou

imediatamente após, as chuvas.

Efêmeros – São cursos d’água que existem apenas durante

ou imediatamente após o período de chuvas, transportando

apenas o escoamento superficial. A superfície freática está

sempre a um nível inferior do leito do curso d’água, não

havendo a possibilidade de escoamento de deflúvio

subterrâneo.

Características físicas da bacia hidrográfica

O escoamento num curso d´água pode ser dividido em dois

grupos de fatores condicionantes:

1 -fatores climáticos, ligados a precipitação

2 - fatores físicos da bacia

- Transferência de dados entre bacias vizinhas – falta de dados

de vazão em um bacia entretanto a bacia vizinha é provida de

uma série de dados e com o uso de fórmulas empiricas ou

análise estatística regional pode-se correlacionar os dados de

vazões com as caracteristicas físicas das bacias.

- Projeção do comportamento da bacia no futuro

Ex: planejamento de uma rede de drenagem de uma cidade

prevendo-se as futuras áreas impermeabilizadas.

- Comparação entre bacias hidrográficas

Finalidades básicas:

Principais características físicas da bacia hidrográfica

ÁREA DE DRENAGEM DA BACIA

FORMA DA BACIA

USO E TIPO DE SOLO

SISTEMA DE DRENAGEM ( ordem dos cursos d´água,

densidade de drenagem )

RELEVO DA BACIA ( declividade da bacia, declividade do

cursos d´água, curva hipsométrica)

Características físicas da bacia hidrográfica

A área de drenagem é a projeção horizontal (área plana) da área

delimitada pelos divisores de uma bacia hidrográfica. A área de uma

bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características

físicas.

Área de drenagem:

CONTAGEM DE QUADRÍCULAS

PLANIMETRIA

GEOPROCESSAMENTO

Como obter a área de drenagem ?

Em geral as bacias hidrográficas dos grandes rios apresentam

a forma de uma pera ou de um leque, mas as pequenas bacias

variam muito no formato, dependendo da estrutura geológica do

terreno.

A forma da bacia influencia no escoamento superficial e consequentemente

o hidrograma resultante de uma determinada chuva.

Hidrograma – gráfico que relaciona vazão com o tempo. A distribuição da

vazão no tempo é resultado da interação de todos os componentes do ciclo

hidrológico.

Para caracterizar a forma da bacia, utilizam-se índices que procuram

relacionar a forma da mesma com formas geométricas conhecidas. São eles:

Coeficiente de compacidade (kc);

Fator de forma (Ff );

Índice de conformação (ic)

Características físicas da bacia hidrográfica

Forma da bacia de drenagem:

• Coeficiente de compacidade ou índice de Gravelius

Forma da Bacia:

bacia da área=A e perímetro=P onde 28,0A

PKc

2rA

Ar r

PKc

.2

É a relação entre o perímetro da bacia (Km) e o comprimento de

circunferência de um círculo de área (Km2) igual a da bacia.

Bacias que se aproximam geometricamente de um círculo convergem o escoamento

superficial ao mesmo tempo para o exutório

Kc = 1 => bacia circular, Kc próx. 1 tendência a maiores enchentes Exercício – Calcular o coeficiente de compacidade de uma bacia com

100 km2 de área e perímetro de 54 km

solução:

512,1100

5428,0 Kc =

Forma da Bacia:

• Fator de forma

É a relação entre a largura média da bacia e o comprimento axial da mesma. Comprimento axial :é o comprimento do rio desconsiderando-se os meandros

L

B Ff

A largura média é obtida dividindo-se a bacia em faixas perpendiculares, onde o polígono formado pela união dos pontos extremos dessas perpendiculares se aproxime da forma da Bacia real. Ff pequeno, bacia alongada, hidrograma suave.

Exercício

Forma da Bacia:

• Índice de conformação (Ic)

Relaciona a área da bacia com a área de um quadrado de lado igual ao comprimento axial. Quanto mais próximo de 1 o valor de Ic, isto é, quanto mais próxima de um quadrado, de lado igual ao comprimento axial, for a forma da bacia, maior a potencialidade de produção de picos de cheia.

2A/L Ic

Diferentes formas da bacia e seus índices

FF KC FC

0.79 1.00 0.79

1.00 1.12 1.00

0.25 1.40 0.25

4.00 1.40 4.00

• Influência:

na velocidade de escoamento

infiltração

Área de florestas retardam o escoamento

Áreas urbanas = pouca infiltração → grande

velocidade de escoamento → grandes picos de

cheia

Uso e tipo de solo:

Características físicas da bacia hidrográfica

O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários.

Ordem dos cursos d’água: é uma classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Critério de HORTON: são considerados de primeira ordem os canais sem tributários, de segunda ordem os canais formados por dois de primeira ordem e de ordem n+1, os canais formados por dois de ordem n.

Sistema de Drenagem

Comprimento total dos canais – LT : é o somatório dos

comprimentos de todos os cursos d’água de uma bacia.

Comprimento do canal principal

Lc : é o comprimento desde a foz do rio, ou seja o exutório da

bacia, até o ponto mais distante na cabeceira da bacia.

Densidade de drenagem

Indica o grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem

(eficiência da drenagem na bacia) D = LT/A onde ; A = área de

drenagem .

0,5 km/km² - drenagem pobre

=3,5 km/km² - drenagem excepcional

Relevo de uma Bacia

O Relevo de uma bacia tem grande

influência sobre os fatores meteorológicos e

hidrológicos, pois a velocidade do

escoamento superficial é determinada pela

declividade do terreno, enquanto que a

precipitação, a temperatura e a evaporação

são funções da altitude da bacia. Diversos

parâmetros foram desenvolvidos para refletir

as variações do relevo em uma bacia. Os

mais comuns são: declividade do curso

d´água e curva hipsométrica.

Declividade do Álveo

• Obtém-se a declividade (S) de um curso d’água entre 2 pontos, dividindo-se a diferença de cotas entre os dois pontos pela extensão horizontal do curso d’água.Um valor mais racional obtém-se traçando uma linha tal que a área compreendida entre ela e a abscissa seja igual a área compreendida entre a curva do perfil e a abscissa.

S1 = H / L

Declividade dos Rios

S1 = H / L

H

L

H

Declividade dos Rios H

L

H

S2 = 2*A / L2

A

Elevação Média

b) Curva Hipsométrica

É a representação gráfica do relevo

médio de uma bacia. Representa o

estudo da variação da elevação dos

vários terrenos da bacia com

referência ao nível médio do mar.

Essa variação pode ser indicada por

meio de um gráfico que mostra a

porcentagem da área de drenagem

que existe acima ou abaixo das

várias elevações.

Características do Relevo de uma Bacia

1 2 3 4 5 6

Cota (m) PontoMédio

(m)

Área (km2) Área Acumulada (km2) % %

Acumulad

940-920 930 1,92 1,92 0,92 0,92

920-900 910 2,90 4,82 1,40 2,32

900-880 890 3,68 8,50 1,77 4,09

880-860 870 4,07 12,57 1,96 6,05

860-840 850 4,60 17,17 2,22 8,27

840-820 830 2,92 20,09 1,41 9,68

820-800 810 19,85 39,94 9,58 19,26

800-780 790 23,75 63,69 11,45 30,71

780-760 770 30,27 93,96 14,60 45,31

760-740 750 32,09 126,05 15,48 60,79

740-720 730 27,86 153,91 13,44 74,23

720-700 710 45,45 199,36 21,93 96,16

700-680 690 7,89 207,25 3,81 100

Total 207,25

Passos utilizados para elaboração da curva hipsométrica

Elevação média da bacia

•E=ei.ai = (2) . (3) =157.842,1= 761,6m

A A 207,25

ei – cota média entre duas curvas de nível

ai – área entre duas curvas de nível

A – Área total da bacia

Tempo de concentração

Existem duas definições aceitas comumente para o tempo de

concentração: (1) tc é definido como o tempo necessário para

uma partícula de água escoar hidraulicamente do ponto mais

distante da bacia hidrográfica até o seu exutório ou até a seção do

projeto; (2) tc é tempo entre o centro de massa do hietograma da

precipitação efetiva e o ponto de inflexão da recessão do

hidrograma resultante.

Uma fórmula famosa do tempo de concentração (fórmula de

Kirpich) relaciona a declividade do rio e o comprimento do mesmo.

A mesma é aplicável para bacias agrícolas pequenas bacias com

áreas de drenagem em torno de 80 Ha. No S.I unidades, a

fórmula de Kirpich é dada:

385,0

77,0.06628,0

S

Ltc

Onde:

tc = tempo de concentração (h);

L = comprimento do curso d'água principal

(Km);

S = declividade entre elevação máxima e

elevação mínima - S ( m/m.)

Tempo de concentração

Outra fórmula desenvolvida para bacias maiores é a

de Watt e Chow publicada em 1985. Esta equação

foi desenvolvida para bacias com áreas até 5840

km2 .

79,0

5,0).(68,7

S

Ltc

onde tc é o tempo de concentração em minutos, L é

o comprimento do curso d´água em Km e S a

declividade do curso d´água ( adimensional) ..

EXERCÍCIOS CAP 1

1. Faça um esboço e descreva o cilco hidrológico com todas

as suas fases

2. Porque hidrologia é uma ciência multidisciplinar? Qual é o

campo de estudo da hidrologia?

3.Quais são os fatores que contribuem para a falta de

segurança na previsão de eventos hidrológicos?

4. Como o ciclo hidrológico pode ser alterado em uma bacia

em estado natural ?

5. Quais as etapas do ciclo hidrológico que são afetadas pela

urbanização?

6. Defina o balanço hídrico. Descreva a sua equação.

EXERCÍCIOS CAP 2

1. Qual das seguintes características não é uma medida da forma da

bacia?

a) o comprimento até o centro da bacia.

b) índice de compacidade

c) a densidade de drenagem

d) fator de forma

2. Uma bacia de forma circular tem coeficiente de compacidade

próximo de :

a) 0

b) 1

c) raio da bacia

d) perímetro da bacia

3. A curva hiposométrica é uma descrição da:

(a) relação entre o número de ordem do curso d'água e a proporção

de área drenada associado a este número de ordem.

(b) relação acumulada entre diferença de cota e área entre isócronas.

(c) relação acumulada entre diferença de cota e área entre intervalos

de cota.

(d) relação entre diferença de cota e intensidade de precipitações

entre intervalos de cotas

4. O número de ordem de Horton é uma medida de:

a) densidade de drenagem

b) comprimento relativo de cursos d'água.

c) taxa de áreas de curso d'água

d) bifurcação de cursos d'água dentro de uma bacia

hidrográfica.

5. A taxa de bifurcação é a razão entre __________ de

cursos d'água de qualquer ordem e _________ de cursos

d'água da ordem imediatamente superior.

a) número; b) área; c) declividade; d) comprimento; e)

nenhuma das alternativas acima.

6. O que é bacia hidrográfica ?

7. Descreva os procedimentos que podem ser utilizados para

delimitar uma bacia hidrográfica.

8. Defina área de drenagem de uma bacia.

9. Quais procedimentos podem ser utilizados para encontrar

a área de drenagem de uma bacia?

10. Que importância a área de drenagem de uma bacia tem na

definição da vazão que chega à seção principal?

11. Defina perímetro de uma bacia e diga qual o método de maior

exatidão e qual o mais prático para se efetuar essa medida.

12. Descreva os métodos que podem ser utilizados para medir o

comprimento: do rio principal, e de todos os cursos d'água?

13. De que maneira as cotas da nascente e da foz de um rio

podem influenciar o regime pluviométrico de uma bacia?

14. O que representa o coeficiente de compacidade (Kc) e qual a

fórmula utilizada para o seu cálculo?

15. Diga qual o significado do fator de forma (Kf) e qual a fórmula

utilizada para o seu cálculo.

16. O que representa o coeficiente de drenagem de uma bacia e

como calculá-lo. Indique a fórmula.

17. Diga o que representa a declividade simples de uma bacia.

Dê a formula para o seu cálculo.