NOTAS DE AULA – HIDROLOGIA E RECURSOS HÍDRICOS – REV.02 (2013) Plano de Ensino Unidade 1 – Introdução 1.1. O Ciclo hidrológico; 1.2. Usos Múltiplos, Potencialidades, Conflitos e Prioridades; 1.3. Balanço Hídrico / Equação Fundamental 1.4. Aplicações da hidrologia Unidade 2 – Bacia Hidrográfica 2.1. Determinação dos limites de bacias hidrográficas 2.2. Caracterização topográfica, geológica e fluvial. Unidade 3 – Precipitação 3.1. Tipos de chuva 3.2. Análise de dados pluviométricos 3.3. Freqüência, variações e tempos de recorrência das precipitações. 3.4. Precipitação média em uma bacia. Métodos de cálculo. Unidade 4 – Evaporação e Transpiração 4.1. Fatores que influenciam nos processos de evaporação e de transpiração. 4.2. Medição da evaporação. 4.3. Medição da transpiração. Unidade 5 – Infiltração 5.1. Componentes do processo de infiltração. Granulometria do solo, porosidade, permeabilidade. 5.2. Fatores que influenciam no processo de infiltração. Unidade 6 – Escoamento Superficial 6.1. Introdução; 6.2. Metodologia; 6.3. Métodos de análise; 6.4. Conceitos e componentes do Hidrograma; 6.5. Separação do escoamento; 6.6. Precipitação excedente ou efetiva; 6.7. Determinação da vazão – Método racional; 6.8. Determinação da vazão – Método racional modificado por Ulisses. Unidade 7 – Fluviometria 7.1. Medição de nível; 7.2. Medição de vazão; 7.3. Determinação da Curva-chave; Unidade 8 – Hidrograma Unitário 8.1. Modelos do Escoamento Unitário; 8.2. Determinação do Hidrograma Unitário; 1 8.2.1. Em bacias com dados históricos; 8.2.2. Em bacias sem dados históricos – Hidrograma unitário sintético. EXERCíCIOS Bibliografia Básica TUCCI, C.E.M.. Hidrologia: Ciência e Aplicação. Porto Alegre: UFRGS / ABRH, 3ª Ed, 2004. LINSLEY, R. K.; FRANZINI., J.B.. Engenharia de Recursos Hídricos. São Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil, 1978. PINTO, N.L. de Souza et al.. Hidrologia Básica. São Paulo: Editora Edgard Blücher, 1976. Bibliografia Complementar WISLER, C. O., BRATER, E.F.. Hidrologia. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, 1964. BRANCO, Samuel Murgel et al.. Hidrologia Ambiental. São Paulo: ABRH/ EDUSP, 1991. J.B. Dias de Paiva e E.M.C. Dias de Paiva (Org.). Hidrologia Aplicada à Gestão de Pequenas Bacias Hidrográficas. Porto Alegre: ABRH , 2001. 2 UNIDADE 1 – Introdução Como conceito, pode-se estabelecer que a água é um elemento natural descomprometido com qualquer uso ou utilização, já os recursos hídricos é a água como bem econômico passível de utilização com tal fim. Sendo assim, a água é um recurso natural, isto é, um insumo que os organismos, populações e ecossistema necessitam para sua manutenção. Os recursos naturais podem ser classificados em dois grandes grupos: os renováveis e os não renováveis. Os recursos renováveis são aqueles que, depois de serem utilizados, ficam disponíveis novamente graças aos ciclos naturais. A água, em seu ciclo hidrológico, é um exemplo de recurso renovável. Além da água, podemos citar como recursos renováveis a biomassa, o ar e energia eólica. Os recursos não renováveis, são aqueles, como o próprio nome diz, que uma vez utilizado não podem ser reaproveitados. Um exemplo característico, é o combustível fóssil que, depois de ser utilizado para mover um automóvel, está perdido para sempre. Pode-se identificar ainda, duas classes: a dos minerais não-energéticos (fósforo, cálcio, etc.) e a dos minerais energéticos (combustíveis fósseis e urânio). Os minerais energéticos são, efetivamente, não-renováveis, enquanto os não-energéticos podem se renovar, mas após um período de tempo tal que não serão relevantes para a existência humana. A Figura 1.1 apresenta os principais tipos de recursos naturais. Recursos Não - renováveis Minerais não - energéticos Fósforo, cálcio, etc. Minerais energéticos Combustíveis fósseis e Urânio Renováveis Água Ar Biomassa Vento Figura 1.1 – Classificação dos Recursos Naturais – Fonte: Braga et al, 2002 Existem situações que um recurso renovável passa a ser não-renovável. Esta condição ocorre quando a taxa de utilização supera a máxima capacidade de sustentação do sistema. A Água A água pura (H2O) é um líquido formado por moléculas de hidrogênio e oxigênio. Na natureza, ela é composta por gases como oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio, dissolvidos entre as moléculas de água. Também fazem parte desta solução líquida sais, como nitratos, cloretos e carbonatos; elementos sólidos, poeira e areia podem ser carregados em suspensão. Outras 3 a evaporação excede a precipitação.5 ‰. 0. Ions podem causar uma reação quimicamente alcalina ou ácida. A renovação natural da água é representada pelo ciclo hidrológico. Nos oceanos.000 mg/l ou com salinidade (teor de cloreto de sódio na água) menor que 0.01% nos rios. Uma importante exceção é a Bacia Amazônica. Água salobra – com STD entre 1.000 e 10.35% nos lagos e pântanos.3% nos oceanos. 2. Água salgada – com STD acima de 10. A presença da água é fundamental para a existência de vida no planeta. Figura 1. 97. As temperaturas apresentam variação de acordo com a profundidade e com o local onde a água é encontrada. 4 . É encontrada na natureza em três estados físicos: sólido (gelo). Concluí-se que boa parte da água de chuva nos continentes provém da evaporação da água dos oceanos. uma vez que ela atua como regulador térmico do ambiente. no qual os fenômenos básicos são a evaporação e a precipitação. fazendo com que as diferenças de temperatura entre a noite e o dia sejam minimizadas graças ao seu elevado calor específico (1 g Cal/g). gasoso (vapor) e líquido e são classificadas em: • • • Água doce – com apresentação de teor de sólidos totais dissolvidos (STD) inferior a 1.000 mg/l ou com salinidade entre 0. assim distribuída: • • • • 0. onde cerca de 50% da precipitação provém da própria bacia.000 mg/l ou com salinidade maior que 30‰. constituindo-se em fatores que influenciam no comportamento químico.5 e 30‰. e nos continentes ocorre o oposto. geleiras e icebergs.substâncias químicas dão cor e gosto à água. O planeta Terra é formado por ¾ de água (doce e salgada) e apenas ¼ de terra (continentes e terras).2.34% nos pólos. O vapor d’água que tem origem na evaporação das águas dos mares é transportado para os continentes pelo movimento das massas de ar. precipitam-se. vindo a constituir as nuvens. e da transpiração dos seres vivos. O restante retorna aos mares por vias superficiais. subsuperficiais e subterrâneas.1. que tem como fonte de energia o Sol. A água que compõe o escoamento superficial pode também sofrer infiltração para as camadas superiores do solo. continentes e oceanos. 2002 1. Parte da precipitação que atinge a superfície do solo é devolvida para a atmosfera por evaporação. até atingir um corpo d’água como um rio. sob a ação da gravidade. interligando atmosfera. contendo muitos subciclos. lago ou oceano. conforme indicações da Figura 1.2. À medida que as chuvas caem. a partir das superfícies líquidas. depressões do terreno e construções. Essa massa de água retorna à atmosfera pela ação da evaporação ou penetra no solo pela infiltração. Trata-se de um processo complexo. parte delas é interceptada pela vegetação e evaporada. ficar retida ou sofrer evaporação. ele se condensa na forma de pequenas gotas visíveis. Se o vapor for resfriado até o seu ponto de orvalho. sob condições meteorológicas favoráveis.2 – Ciclo Hidrológico – Fonte: Braga et al. 5 . as quais. do solo e da vegetação. fluindo para locais de altitudes inferiores. avolumam-se e. Escoamento superficial – constituído pela água que escoa sobre o solo.O CICLO HIDROLÒGICO O ciclo hidrológico é o processo cíclico e contínuo de transporte das águas da Terra. Pode-se então resumir o ciclo hidrológico por meio dos seguintes processos: • • Detenção – parte da precipitação fica retida na vegetação. Como praticamente todo o abastecimento de água doce é resultante da precipitação proveniente da evaporação das águas marítimas.Figura 1. o ciclo hidrológico pode ser entendido basicamente como o processo de transferência da água dos mares para os continentes e seu retorno aos mares. seja porque a qualidade da água local está prejudicada devido à poluição. Tal degradação pode afetar a oferta de água e também gerar graves problemas de desequilíbrio ambiental. É fundamental para a existência e manutenção da vida e. Em algumas regiões do planeta com intensa demanda de água. CONFLITOS E A água é um dos recursos naturais mais intensamente utilizados.• • • • • Infiltração – a água infiltrada pode sofrer evaporação. mas também para outros fins. Evaporação – em qualquer das fases descritas anteriormente. deve estar presente no ambiente em quantidade e qualidade apropriadas. pode superar a oferta de água. sendo bem mais lento que o escoamento superficial. ser utilizada pela vegetação. 6 . PRIORIDADES POTENCIALIDADES. A Figura 3. tais como grandes centros urbanos. Precipitação – água que cai sobre o solo ou sobre um corpo d’água. reiniciando o ciclo hidrológico. pólos industriais e zonas de irrigação. para isso. 1.1 mostra os diversos usos das águas. Parte desse escoamento alimenta os rios e os lagos. Evapotranspiração – parte da água existente no solo que é utilizada pela vegetação e eliminada pelas folhas na forma de vapor.USOS MÚLTIPLOS. Escoamento subterrâneo – constituído por parte da água infiltrada na camada superior do solo. além de ser responsável pela manutenção desses corpos durante épocas de estiagem. escoar ao longo da camada superior do solo u alimentar o lençol de água subterrâneo. seja em termos quantitativos. O homem tem usado a água não só para suprir suas necessidades metabólicas. a água pode voltar à atmosfera na forma de vapor.2. Uso Estético . “ 7 .uso da água para irrigação de culturas e dessedentação e criação de animais. Usos benéficos da água são os que promovem benefícios econômicos e o bem estar à saúde da população.uso da água que contribui de modo agradável e harmonioso para compor as paisagens naturais ou resultantes da criação humana.3 – Uso múltiplo da água – Fonte: Braga et al. Os usos permitidos para um determinado corpo d’água são chamados usos legítimos de corpos d’água. Abastecimento Industrial . inclusive geração de energia. como diversão. 15 ligações domiciliares ou a. Os usos benéficos são: - - - Abastecimento Público – usos da água para um sistema que sirva a. Recreação . pelo menos.uso da água que representa uma atividade física exercida pelo homem na água. indica: “Usos das águas são os múltiplos fins a que a água serve. em condições regulares. pelo menos.uso da água para fins industriais. 2002. A Diretriz da FEEMA (Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente) DZ 302 – Usos benéficos das águas – Definições e Conceitos Gerais. Preservação da Flora e Fauna . Atividades Agropastoris .Figura 1.uso da água destinado a manter a biota natural nos ecossistemas aquáticos. 25 pessoas. • Abastecimento Humano Dentre os vários usos da água, este é considerado o mais nobre e prioritário, uma vez que o homem depende de uma oferta adequada de água para sua sobrevivência. A qualidade de vida dos seres humanos está diretamente ligada à água, pois ela é de utilizada para o funcionamento adequado de seu organismo, preparo de alimentos, higiene pessoal e de utensílios. Usamos a água também para a irrigação de jardins, lavagem de veículos e piso, usos esses com exigências menores em relação a qualidade. A água usada para abastecimento doméstico deve apresentar características sanitárias e toxicológicas adequadas, tais como estar isenta de organismos patogênicos e substâncias tóxicas, para prevenir danos à saúde e ao bem-estar do homem. Organismos patogênicos são aqueles que transmitem doenças pela ingestão ou contato com a água contaminada, como bactérias, vírus, parasitas, protozoários, que podem causar doenças pela ingestão ou contato com a água contaminada, como bactérias, vírus, parasitas, protozoários , que podem causar doenças como disenteria, febre tifóide, cólera, hepatite e outras. A água potável é aquela que não causa danos à saúde nem prejuízo aos sentidos. • Abastecimento Industrial A água é usada na indústria em seu processo produtivo, por exemplo como solvente em lavagens e em processos de resfriamento. Não existe um requisito de qualidade da água genérico para todas as indústrias, pois cada uso específico apresenta requisitos particulares. Indústrias que processam produtos farmacêuticos, alimentícios e de bebidas estão entre aquelas que precisam de qualidade elevada. Indústrias que utilizam a água para resfriamento devem usar água isenta de substâncias que causem o aparecimento de incrustações e corrosão nos condutos. Indústrias envolvidas com processos de tingimento de tecidos e louças devem ter à disposição água isenta de produtos propiciem o aparecimento de manchas no produto final. • Irrigação A qualidade da água utilizada na irrigação depende do tipo de cultura a ser irrigada. Por exemplo, para o cultivo de vegetais que são consumidos crus, a água deve estar isenta de organismos patogênicos que poderão atingir o consumidor desse produto. Essa água também deve estar isenta de substâncias que sejam tóxicas aos vegetais ou aos seus consumidores. Outro aspecto de importância fundamental diz respeito ao teor de sais dissolvidos na água empregada para a irrigação. Excesso de sais dissolvidos pode afetar atividade osmótica das plantas, bem como prejudicar o aproveitamento de nutrientes do solo, influir diretamente no metabolismo das plantas e ainda reduzir a permeabilidade do solo, dificultando a drenagem e a aeração. Esquemas de irrigação mal-operados podem afetar grandes áreas de solo originalmente férteis devido ao efeito da salinização e encharcamento dos solos. É importante observar também que a irrigação representa o uso mais intenso dos recursos hídricos, sendo responsável por aproximadamente 70% 8 do consumo de água doce no mundo. Além disso, ela pode carrear para os corpos d’água superficiais e subterrâneos as substâncias empregadas para o aumento de produtividade da agricultura. Entre tais substâncias destacam-se os fertilizantes sintéticos e os defensivos agrícolas. • Geração de Energia Elétrica A água utilizada para fins energéticos por meio da geração de vapor de água nas usinas termoelétricas ou pelo aproveitamento de energia potencial ou cinética da água nas usinas hidrelétricas. Em ambos os casos os requisitos de qualidade da água são pouco restritivos, a não ser pelo controle de substâncias que possam afetar a durabilidade e manutenção dos equipamentos utilizados. O aproveitamento dos recursos hídricos para fins energéticos pode introduzir uma série de impactos ambientais no meio aquático. As usinas termoelétricas podem despejar calor nos corpos de água, afetando o ecossistema de várias maneiras. As usinas hidrelétricas dependem em geral da existência de uma barragem que crie um desnível entre as superfícies livres de água localizadas nos lados a montante e a jusante. Como conseqüência, o rio a montante da barragem transforma-se num lago, o que altera o ecossistema aquático, pois ele passa de um ambiente de altas velocidades e alta turbulência (rio) para um ambiente de baixas velocidades e baixa turbulência (lago). • Navegação O transporte de carga e passageiros por via fluvial, lacustre e marítima é frequentemente uma alternativa bastante interessante sob o ponto de vista econômico. Para isso, a água existente no meio deve estar isenta de substâncias que sejam agressivas ao casco e condutos de refrigeração das embarcações e/ou propiciem a proliferação excessiva de vegetação, causando inconvenientes à navegação. A navegação pode perturbar o meio ambiente ao despejar substâncias poluidoras das embarcações no meio aquático, seja de modo deliberado ou acidental. Os portos também são um potencial poluidor pela mesma razão. Tem-se o caso dos terminais petrolíferos, nos quais podem ocorrer os vazamentos de petróleo. A navegação fluvial requer um leito adequado em termos de profundidade e curvas para o deslocamento das embarcações. A velocidade do curso de água é outro fator importante para a viabilização desse tipo de navegação. Assim, para a implantação da navegação fluvial podem ser necessárias alterações no canal, como, por exemplo, a implantação de barragens com obras de transposição de nível. • Preservação da Flora e Fauna O equilíbrio ecológico do meio aquático deve ser mantido, independentemente dos usos que se façam dos corpos de água. Para isso deve-se garantir a existência de concentrações mínimas de oxigênio dissolvido e de sais nutrientes na água. Ela não deve conter substâncias tóxicas acima de concentrações críticas para os organismos aquáticos. 9 • Aqüicultura A criação de organismos aquáticos de interesse para o homem requer padrões de qualidade da água praticamente idênticos aos necessários para a preservação da flora e da fauna, havendo possivelmente algumas considerações específicas para o favorecimento da proliferação de certas espécies. • Recreação Os corpos de água oferecem várias alternativas de recreação para o homem, seja por meio de atividades como a natação e esportes aquáticos ou outras atividades como a pesca e a navegação esportiva. O contato com a água pode ser primário, como o que ocorre quando há um contato físico proposital com a água, como a natação. É evidente que a água não deve apresentar organismos patogênicos e substâncias tóxicas em concentrações que possam causar danos à saúde pelo contato com a pele ou por ingestão. O contato secundário ocorre de forma acidental em atividades como a navegação esportiva. Do ponto de vista estético, os corpos poluídos são inconvenientes ao homem devido à liberação de odores desagradáveis, presença de sustâncias flutuantes e turbidez excessiva. Freqüentemente tais corpos estão próximos de centros urbanos, não sendo utilizados para fins recreativos. Existe um valor econômico bastante expressivo associado ao aspecto estético da água. Por exemplo, são bastante valorizadas as propriedades próximas a corpos de água. Problemas com a água desvalorizam essas propriedades, prejudicando o uso dos rios e lagos como recursos paisagísticos. • Diluição de despejos Os corpos podem ser utilizados para transportar e diluir os despejos neles lançados. A jusante do lançamento as concentrações do poluente dependerão em parte da razão de diluição, isto é, da relação entre a vazão do rio a vazão do despejo. Se a razão de diluição for alta, as concentrações podem ser baixas o suficiente para não causar impactos sobre outros usos de água. A diluição, no entanto, não deve ser recomendada em substituição ao tratamento dos despejos, devendo somente ser utilizada para a carga residual das estações de tratamento. O comportamento dos corpos de água como receptores de despejos varia em função de suas características físicas, químicas e biológicas e da natureza das substâncias lançadas. A Tabela 1.1, apresenta, resumidamente, a classificação sistemática dos usos das águas. Nesta tabela, os usos consutivos referem-se ao grande consumo da água, sendo o seu retorno para o manancial muito pequeno. Os usos não consutivos são aqueles em que o consumo de água é muito pequeno, havendo, portanto, retorno de água ao manancial. 10 Não há. atendendo a várias necessidades simultaneamente. de 90%. Baixo. Acionamento de turbinas hidráulicas. substâncias tóxicas. variando com o tipo de uso. como por exemplo: A diluição de despejos de origem humana.Tabela 1. Alto. Natação e outros esportes com contato direto e secundário. Essa é uma exigência importante não só do ponto de vista econômico. refrigeração e geração de vapor. comercial e público. de processo. Sanitário. FORMA FINALIDADE TIPO DE USO USO CONSUTIVO Com derivação de águas Abastecimento Urbano Abastecimento Industrial Irrigação Aqüicultura Sem derivação de águas Geração Energia Elétrica de Navegação Preservação da Flora e Fauna Recreação Diluição despejos de Abastecimento doméstico. industrial. Não há. Manutenção de calados mínimos e eclusagem. de 10%. EFEITOS NAS ÁGUAS Poluição orgânica e bacteriológica. Médio. Estações de psiculturas e outras. química e bacteriológica Fonte: Adaptado Observamos que os recursos hídricos podem ser utilizados de diversas maneiras. Carreamento de agrotóxicos e fertilizantes. Médio. Autodepuração e transporte de esgotos urbanos e industriais.1 – Classificação sistemática dos usos da água. Não há. Baixo. Alteração no regime e na qualidade das águas Lançamento de óleo e combustível. Altos. Assegurar o equilíbrio ecológico. variando como o tipo de uso da indústria. Melhoria qualidade água. industrial e agrícola pode degradar a qualidade das águas. mas também do ponto de vista do abastecimento. de REQUISITOS DE QUALIDADE Altos ou médios influindo no custo do tratamento. na da e Poluição orgânica. física. Não há. afetando outros usos tais como o abastecimento humano. Baixos. de 20%. em função da crescente escassez da oferta de recursos hídricos diante da demanda sempre crescente. industria. dependendo do tipo de cultura. Baixos. Médio. Altos. 10%. elevação da temperatura. Não há. sem contar com as perdas nas redes. Carreamento de matéria orgânica. podem surgir conflitos quanto à utilização dos recursos hídricos. Não há. Poluição lixo. Irrigação artificial de culturas agrícolas. incorporação ao produto. 11 . Poluição orgânica. Assim. a irrigação. Perdas por evaporação do reservatório. especialmente recreações de contato primário. a preservação do meio ambiente e a recreação. 3- BALANÇO HÍDRICO / EQUAÇÃO FUNDAMENTAL As transformações do ciclo hidrológico ocorridas dentro de regiões de interesse pré-estabelecidas podem ser contabilizadas através da equação do balanço hídrico. Todavia. A manutenção de um espaço vazio no reservatório conflita com a necessidade de armazenamento de água adequado para satisfazer os usos acima discriminados. tem. conforme Tabela 1. Considerando-se o balanço hídrico das águas superficiais e subterrâneas. A necessidade de ajustar a variação temporal da oferta natural de água à sua demanda pode levar à necessidade da criação de um reservatório. uma das funções do reservatório pode ser o controle de cheias pela criação de um espaço vazio adequado disponível para receber e armazenar água durante o período de vazões altas. da mesma forma que as grandezas representativas de tais componentes devem ser empregadas em unidades compatíveis. 1. Determinados usos dos recursos hídricos fazem com que parte da água que é utilizada não retorne ao corpo de água do qual foi retirada. ou equação fundamental. Usos consutivos em geral conflitam com quaisquer outros usos em função da retirada da água que provocam no sistema aquático.2) onde: ∆V = Variação de armazenamento hídrico P = precipitação E = evaporação T = evapotranspiração G= fluxo subterrâneo da bacia Q= escoamento superficial 12 . que pode ser expressa na forma: ∆V = Qe − Qs (1.1) onde: ∆V = Variação de armazenamento hídrico Qe = Afluência hídrica Qs = Efluência hídrica As componentes do ciclo hidrológico a serem representadas na equação de balanço hídrico dependem dos limites estabelecidos. reservatórios podem provocar impactos ambientais significativos. ou lâminas. Tais usos são denominados consutivos. de descarga.se: ∆V = P − ( E + T + G + Q ) (1. sejam elas volumétricas. também denominada balanço de massa. Além disso. Essa água ficará retida no reservatório para impedir a ocorrência de inundações nas áreas situadas a jusante da barragem.1. ainda que uma sucessão histórica de eventos (vazão ou precipitação). sendo que o primeiro inclui: climatologia. os projetos de obras futuras são elaborados com base em elementos do passado. De um modo geral os estudos hidrológicos baseiam-se na quase repetição dos regimes de precipitação e de escoamento dos rios. definindo a variabilidade espaço-temporal da água. não se repita exatamente para o futuro. meteorologia. para fins de beneficiamento. a engenharia hidrológica visa estabelecer relações. uma vez que se utiliza dos princípios hidrológicos na solução de problemas de engenharia.4) constitui a base de muitos métodos práticos de avaliação do escoamento superficial. considerando-se ou não a probabilidade de se verificarem alterações com relação ao passado.3) onde: I = infiltração.3) reduz-se a: Q = P -L (1. Isto é. Assumindo-se ainda ∆V = 0. geologia. essencialmente. sedimentologia.4) onde: L = perdas (E+T+I) A equação (1. Divide-se em dois grandes grupos: a hidrologia das águas superficiais e a hidrologia subterrânea. bem como as suas propriedades físicas e químicas e suas relações com os seres vivos. suas grandes linhas mantêm-se aproximadamente as mesmas. transformação e utilização. A Engenharia Hidrológica e de Recursos Hídricos. o que mostra a importância da fase correspondente à coleta de dados. circulação e distribuição das águas. é ciência da Terra aplicada.4- APLICAÇÔES DA HIDROLOGIA A hidrologia é a ciência da Terra que estuda a ocorrência. em elementos observados e medidos no campo. ao longo do tempo. geomorfologia. decorrentes da necessidade de explotação1 dos recursos hídricos terrestres. com vistas à avaliação dos riscos envolvidos nas atividades de dimensionamento e operação de sistemas de aproveitamento e controle das águas naturais.Levando-se em conta somente as águas superficiais: ∆V = P − ( E + T + I + Q ) (1. a equação (1. geografia e oceanografia. contatada no passado. 13 . Em suma. por sua vez. 1. A hidrologia baseia-se. Em outras palavras. As principais aplicações são: 1 A explotação é a retirada do recurso com máquinas adequadas. proporcionando teor de umidade no solo suficiente para o crescimento de plantas.. mínimas e médias dos cursos d'água para o estudo econômico e dimensionamento das instalações. e. c.1) Estudo das características do Lençol Freático. bacia de contribuição e nível d'água dos cursos. determinação do coeficiente de escoamento superficial.1) Estudo das variações de vazão. volumes armazenáveis.1) Previsão das vazões máximas. g) Controle da erosão g.1) Análise de intensidade e frequência das precipitações máximas. precipitação. lagoas. capacidade de reaeração e velocidade de escoamento.2) Verificação da necessidade de reservatório de acumulação. j) Operação de sistemas hidráulicos complexos 14 . i) Aproveitamento hidrelétrico: i.1) Escolha do manancial. d. tais como: pontes. b.2) Estudo das condições de alimentação e escoamento natural do lençol.2) Projeto de barragens. e) Regularização dos cursos d'água e controle de inundações e. d) Irrigação – Visa suprir as deficiências pluviais. de fundação e do extravasor. dimensionamento. determinação dos elementos necessários ao projeto e construção do mesmo: bacias hidrográficas. h) Navegação Obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais navegáveis.1) Fixação das dimensões hidráulicas de obras de arte. previsão de vazões máximas.2) Estudo da ação erosiva das águas e proteção por meio da vegetação e outros recursos. g.) dos efluentes de sistemas de esgotos sanitários e industriais: vazões mínimas de cursos d'água.a) Escolha de fontes de abastecimento de água para uso doméstico ou industrial b) Projeto e construção de obras hidráulicas b. bueiros. escolha do tipo de barragem. c) Drenagem c.2) Estudo de evaporação e infiltração. etc. d. perdas por evaporação e infiltração. f) Controle da poluição e preservação ambiental Análise da capacidade de autodepuração dos corpos receptores (rios. etc.2) Exame das oscilações de nível e das áreas de inundação. i. localização. n) Estudos integrados de bacias hidrográficas para múltiplos propósitos 15 . com a manutenção de ambientes propícios às atividades humanas e à preservação da harmonia paisagística. pescas recreativas e lazer contemplativo.l) Recreação – Atividades recreativas. navegação. Disponibilidade hídrica espaçotemporal: quantidade e qualidade de água. esportes náuticos. m) Preservação e desenvolvimento da vida aquática – Manutenção de padrões adequados de qualidade das águas para conservação da fauna e da flora. que aumenta o desmatamento das bacias hidrográficas. O baixo nível tecnológico-organizacional está nas condições primárias de uso. sócio-culturais. ao tratarem de área de drenagem de pequenos córregos ou grandes rios. 16 . projeção horizontal inclusa entre seus divisores e determinada em uma planta plani-altimétrica com o auxílio de um planímetro. somente em três: Amazonas. Importante para obtenção de dados para dimensionamento de pontes. São Francisco e Paraná estão concentrados cerca de 80% da produção hídrica do país. A Tabela 2. O conhecimento das variações de tempo. recebendo a contribuição da ocupação rural. A área da bacia é a área plana. pois sobre tais áreas é possível um maior controle sobre as componentes do ciclo hidrológico. O termo bacia hidrográfica é usado indistintamente para pequenas e grandes áreas de drenagem. etc. As bacias hidrográficas constituem contornos territoriais adequados aos estudos hidrológicos. assim produzindo a queda da produtividade natural. respectivamente. barragens. muito embora o escoamento subterrâneo possa promover transferências hídricas entre bacias vizinhas. de fatores ambientais. No Brasil.8% do deflúvio médio mundial. em particular de balanço hídrico. galerias de águas pluviais.UNIDADE 2 – Bacia Hidrográfica Bacia hidrográfica ou bacia de drenagem de uma seção de um curso d’água é a área geográfica coletora de água de chuva que escoa pela superfície do solo e atinge a seção considerada. bueiros. dando-se destaque à Bacia Amazônica. evitar ou atenuar os efeitos do excesso ou da falta de água. O Brasil possui a maior disponibilidade hídrica do planeta. há um grave problema de abastecimento no País. O grande desenvolvimento dos processos erosivos do solo faz com que haja um empobrecimento de pastagens nativas e redução das reservas de águas do solo. 13. espaço das chuvas. que é devido ao crescimento das localidades e à degradação da qualidade da água. ou seja. descargas dos rios. condições de uso e conservação dos seus recursos naturais permitem planejar.1 apresenta informações básicas sobre os recursos hídricos nas principais bacias hidrográficas brasileiras. como o escoamento superficial. em um total de 09(nove) grandes bacias hidrográfica. Embora tamanha quantidade de água doce. que possui cerca de 57% da superfície do País. Normalmente expressa em Km2 ou hectares. Estas bacias cobrem cerca de 72% do território brasileiro. 950 34.340 6.734.2 Características fluvio-morfológicas a) Forma da bacia A forma da bacia hidrográfica é importante devido ao tempo de concentração.940 106.820.1 – Informações básicas sobre as Bacias Hidrográficas Brasileiras População1 Bacia Hidrográfica Hab.9 100 18.8 1.4 7. kf = L A A .0 9.5 Disponibilidade Per-capita (m3/hab.850 4.070.8 4. 17 . ou em outras palavras.377 BRASIL 157. há menos possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda sua extensão.4 100 7.7 4.068 Nordeste São Francisco 11. mas L = . com fator de forma baixo.687.5 22.924.Dados: IBGE (1996) Fonte: apud Setti (2001.5 65.540 Uruguai 3.290 11.0 2.Tabela 2.503.9 56.5 18.2 31. a1) Fator de forma: kf ou coeficiente de conformação É a relação entre a área da bacia e o quadrado de seu comprimento axial. definido como o tempo. p. o tempo que leva uma partícula de água para atingir a seção em estudo partindo dos limites da bacia.837.660 3.170 90 137 41 347 131 136 5745 1.580 % 4.380 11.253. Uma bacia com fator de forma baixo é menos sujeita a enchentes que outra de mesmo tamanho porém com maior fator de forma.7 6.427.966 Atlântico Leste 35.130 7.100 10.6 55. então kf = 2 L L L Onde: A em Km².9 21. Em uma bacia circular.000 4.880.6 133.5 2.ano) 628.050 285 5.6 2. Mede-se o comprimento axial da bacia (L) quando se segue o curso d’água mais longo desde a foz até a cabeceira mais distante.163 1.2 372 6.800 19. L em Km. A largura média L é obtida dividindo-se a área da bacia pelo seu comprimento axial.910 36. Amazônica 6.350 1. toda a água escoada tende a alcançar a saída da bacia ao mesmo tempo.8 2. para que toda a bacia correspondente passe a contribuir com a vazão na seção em estudo.365 Atlântico Norte / 31.4 9. Isso se deve ao fato de que em uma bacia estreita e longa.413 Paraguai 1. a partir do início da precipitação.300 182.4 0.3 2.569 Paraná 49.9 30.220 Densidade (hab/km3) Vazão (m3/s) 1.77) Disponibilidade Hídrica Km3/a % 4206 73.3 2.150 4.972 Atlântico Sudeste 12.893 Tocantins 3.820 22. sendo a área igual a da bacia circular. As bacias do tipo radial ou ramificada são formadas por conjuntos de sub-bacias alongadas que convergem para um mesmo curso principal. uma chuva uniforme em toda a bacia. no curso principal. uma enchente menor. o escoamento será mais distribuído no tempo. então r = kc = P = 2 *π * r A π P 2 *π * A π = P 2 *π * A π = 0. Neste caso. ou diminuirá a medida que forem se fazendo sentir as contribuições das diferentes sub-bacias. estacionará. origina cheias nas sub-bacias. 18 . tendo a saída da bacia na ponta do maior eixo e. Portanto. a2) Coeficiente de compacidade (kc) É a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual a da bacia. portanto. mas não simultaneamente. A = π * r 2 . que vão se somar.28 P A Onde: P é o perímetro da bacia em Km. produzindo.Uma bacia elíptica. a cheia crescerá. 5 Km/Km2 b3) Extensão média do escoamento superficial Este índice é definido como sendo a distância média em que a água da chuva teria de escoar sobre os terrenos de uma bacia. sem levar em conta se ele deságua no rio principal ou não.A é a área da bacia em Km2. tanto maior será o coeficiente de compacidade. a tendência para maiores enchentes é tanto mais acentuada quanto mais próximo da unidade for o valor desse coeficiente. A é a área da bacia Km2. desde onde a chuva caiu até o ponto mais próximo no leito 19 . II) Indicação da natureza do solo e das condições superficiais que existem na bacia. b2) Densidade de drenagem Uma indicação razoável de grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem é fornecida pelo índice chamado densidade de drenagem. caso o escoamento se desse em linha reta. A disposição em planta dos cursos d’água é uma característica muito importante. Se os outros fatores forem iguais. Dd = L A Onde: L é o comprimento total em Km. Em geral 0. Um coeficiente mínimo igual a unidade corresponderia a uma bacia circular. intermitentes e perenes) de uma bacia hidrográfica e a área total da bacia. Quanto mais irregular for a bacia. Dois rios de ordem n dão lugar a um rio de ordem n+1. Quando dois rios de primeira ordem se juntam é formado um rio de segunda ordem.5 ≤ Dd ≤ 3. argiloso – rede bem ramificada). É a relação entre o comprimento total dos cursos d’água (efêmeros. (Arenoso – infiltração elevada. b1) Ordem dos cursos d’água A ordem dos rios é uma classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Normalmente designa-se o afluente que não se ramifica como de primeira ordem. só caudal principal. Tal importância se deve: I) Eficiência da drenagem – quanto mais eficiente for a drenagem maior e mais rápido se formará a enchente. b) Rede de drenagem É constituída pelo rio principal e seus afluentes. tendo um curso d’água de extensão L passando pelo seu centro. Declividade da bacia A declividade dos terrenos de uma bacia controla em boa parte a velocidade com que se dá escoamento superficial. 20 . a precipitação. são funções da altitude da bacia. a evaporação. A magnitude dos picos de enchente e a maior ou menor oportunidade de infiltração e susceptibilidade para erosão dos solos dependendo da rapidez com que ocorre o escoamento o escoamento sobre os terrenos da bacia. pois a velocidade do escoamento superficial é determinada pela declividade do terreno. ele constitui uma indicação da distância média do escoamento superficial.de um curso d’água qualquer da bacia. etc. Características do relevo de uma bacia O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos. Considerando que uma bacia de área a possa ser representada por uma área de drenagem retangular. a extensão l do escoamento superficial é dada por: l= A 4* L Embora a extensão do escoamento superficial que efetivamente ocorre sobre os terrenos possa ser bastante diferente dos valores determinados por este índice. enquanto que a temperatura. afetando portanto o tempo que leva a água da chuva para concentra-se nos leitos fluviais que constituem a rede drenagem das bacias. Declividade do álveo (calha) A água de precipitação concentra-se nos leitos dos rios depois de se escoar superficial e subterraneamente pelos terrenos da bacia. de forma que a área entre ela e a abscissa seja igual à compreendida entre a curva do perfil e a abscissa. as águas são conduzidas em direção à desembocadura. S3 : linha obtida a partir da consideração do tempo de percurso. Tendo os leitos como caminho. é a média harmônica ponderada da raiz quadrada das declividades dos diversos trechos retilíneos. S2 : linha com declividade obtida por compensação de áreas. 21 . cada uma com diferente grau de representatividade. maior será a velocidade de escoamento e tanto mais pronunciados e estritos serão os hidrogramas das enchentes. tomando-se como peso a extensão de cada trecho. S1 : linha com declividade obtida tomando a diferença total de elevação do leito pela extensão horizontal do curso d’ água. A declividade do álveo pode ser obtido de três maneiras. Assim quanto maior a declividade. A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais fluviais. 1 ∑ Li S3 2 = L ∑ i Si Si = Di . ∑ Li S3 = L ∑ i Di 2 22 .S3-Declividade equivalente constante. onde Di = declividade de cada trecho. Curva hipsométrica É a representação gráfica do relevo médio de uma bacia. Essa variação pode ser indicada por meio de um gráfico que mostra a percentagem da área de drenagem que existe acima ou abaixo das várias elevações. A curva hipisométrica pode ser determinada planimetrando-se as áreas entre pares sucessivos de curvas de nível. 23 . Representa o estuda da variação da elevação dos vários terrenos da bacia com referência ao nível média do mar. Altitude média – é a altura de um retângulo de área equivalente a área abaixo da curva hipsométrica. Altitude mediana – correspondente a abscissa média da curva hipsométrica. A troposfera é a sua camada mais próxima da superfície que. na forma de minúsculas gotas que permanecem em suspensão. telhados. A formação das precipitações está ligada à ascensão das massas de ar que promove o seu resfriamento. formando pedras de gelo de tamanhos diversos e alcançando a superfície da Terra em forma de granizo. geralmente refere-se a precipitação como sinônimo de chuva pelo fato de que outras formas ou representam uma parcela pouco significativa o ciclo hidrológico ou são incomuns em algumas regiões. é o principal meio de transporte de massa (água. Tem como limite inferior a tropopausa e superior a estratopausa. Pode acontecer que as gotas em queda encontrem camadas da atmosfera de baixíssimas temperaturas. nas noites claras. deposita-se sobre a superfície da Terra. Quando tais gotículas se encontram com as superfícies de obstáculos tais como folhas das árvores. importante por conter elementos especiais e camadas ionizadas. partículas sólidas. O presente capítulo trata. condensando-se. há deposição de gotículas da neblina em forma de geada. ser responsável pelas reações fotoquímicas e atuar como meio de comunicação via satélite. poluentes. que coalescem para formar flocos suficientemente pesados para vencer a gravidade e precipitar. depositam-se sobre elas na forma de orvalho. como nuvens ou nevoeiros. neblina. 24 . Na engenharia. promovendo a condensação e formação de gotículas. A neblina acontece quando. Face à distribuição apresentada.08%) e oxigênio (20. A atmosfera terrestre é uma camada gasosa que se mantém envolvendo a Terra graças à ação do campo gravitacional. proveniente da atmosfera. como é o caso da neve no Brasil. etc. podendo fazer com que atinja o seu ponto de saturação. é de maior interesse como fonte de umidade. que pode ser a turbulência.. uma vez que contém 80% da massa total da atmosfera. em especial a troposfera.Unidade 3 – Precipitação PRECIPITAÇÃO é o nome que se atribui a toda forma de umidade que.. neve. A neve resulta do crescimento de cristais de gelo nas camadas frias em torno de núcleos tais como particulados. etc.). as temperaturas próximas à superfície do terreno baixam rapidamente. etc. Acima dessa camada está a estratosfera. pode-se concluir que a baixa atmosfera. Para que a precipitação ocorra é necessária a coalescência de gotículas através de algum agente aglutinador. sendo o ar atmosférico uma mistura de gases constituída de ar seco acrescido de vapor d’água (variável no espaço e no tempo. sal. que abriga a camada de ozônio que protege a Terra da infiltração dos perigosos raios ultravioleta. Quando as temperaturas nas camadas de ar próximas à superfície do terreno atingem valores abaixo do ponto de congelamento. elemento básico para a formação das precipitações. energia térmica recebida pelo sol e quantidade de movimento (movimento das massas de ar). portanto. a vibração promovida pelas descargas elétricas. dentro da faixa de 0 a 1%). de composição aproximadamente constante [nitrogênio (78. Ela é subdividida em regiões distintas.95%)]. Ocorre na forma de chuva. de espessura até 16 km a partir do Equador e até 8 km a partir dos polos. etc. orvalho e geada. granizo. congelando-se e juntando-se a outras gotículas congeladas ou não. Acima da estratosfera está a alta atmosfera. da precipitação na forma de chuva. São chuvas concentradas. de média e longa duração e que abrangem grandes áreas. caracterizadas por fenômenos elétricos e fortes 25 . O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aquecimento de camadas de ar com densidades diferentes. São eles: a) Frontais ou ciclônicas: associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão. Essas precipitações são de grande intensidade e pequena duração. Esquema de formação da precipitação orográfica c) Convectivas: típicas das regiões tropicais. capaz de atingir grandes altitudes. Tipos de chuva Diversos tipos de precipitação podem ocorrer. normalmente de pequena intensidade e grande duração. do acordo com o fator responsável pela ascensão da massa de ar que lhes deu origem. vier a ser quebrado. Ocorrem ao longo da linha de descontinuidade que separa duas massas de ar de características diferentes e caracterizam-se como chuvas de intensidade baixa a moderada. b) Orográficas: resultam da ascensão mecânica de correntes horizontais de ar úmido sobre barreiras naturais impostas pelo relevo. o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável. provoca uma ascensão brusca e violenta do ar menos denso. Se esse equilíbrio por qualquer motivo. com formação de nuvens tipo cumulus.3. tais como montanhas.1. Ambos têm o princípio. caso esse volume fosse distribuído uniformemente Os registros dos pluviômetros são anotados a intervalos regulares (em geral. que representa a altura equivalente à cobertura de uma área com o volume precipitado. como dimensionamento de bueiros e galerias de águas pluviais. Do ponto de vista de engenharia.2. Exemplos: Belém do Pará e chuvas de verão. sendo este em geral. os dois principais tipos são importantes em projetos de grandes bacias (obras hidrelétricas. 24 horas). a medição do volume de água precipitado em uma área unitária. navegação e controle de cheias) enquanto o último tipo interessa às obras em pequenas bacias.rajadas de ventos. representado pôr uma unidade de comprimento (altura). abrangendo pequenas áreas. Análise de dados pluviométricos As chuvas podem ser medidas pôr pluviômetros ou pôr pluviógrafos. 26 . 3. prédios ou outros obstáculos.Os pluviógrafos registram o volume precipitado continuamente no tempo.50 m do solo. de onde se pode caracterizar a intensidade da chuva. Devem ser instalados de tal forma que não sofram influências de árvores. 27 . onde uma pena acompanha a variação da altura precipitada e o papel se movimenta com uma velocidade conhecida. Tanto os pluviômetros quanto os pluviógrafos. representada pela relação entre a altura precipitada em um intervalo de tempo e o próprio intervalo. com recuperação imediata (real-time) ou posterior ( através de coletores de dados ou data-loggers). definindo a escala do tempo. onde os valores são acumulados em uma memória. ou do tipo digital. costumam ter superfície receptora circular com área entre 200 e 500 cm2 e são geralmente instalados a 1. Os registros dos pluviógrafos podem ser do tipo gráfico. A relação entre a intensidade do sinal enviado e recebido. A chuva também pode ser estimada utilizando radares meteorológicos. e na medição do da intensidade do sinal refletido. Dependendo da forma desta rede teremos condições de termos em mão dados mais confiáveis ou não para avaliação das chuvas. 28 . é correlacionada à intensidade de chuva que está caindo em uma região. A medição de chuva por radar está baseada na emissão de pulsos de radiação eletromagnética que são refletidos pelas partículas de chuva na atmosfera. denominada refletividade. A principal vantagem do radar é a possibilidade de fazer estimativas de taxas de precipitação em uma grande região no entorno da antena emissora e receptora. embora existam erros consideráveis quando as estimativas são comparadas com dados de pluviógrafos.Estes pluviômetros e pluviógrafos estão distribuídos pôr diversos pontos do Estado e o conjunto de aparelhos forma a rede de pluviógrafos. Os devidos cuidados devem ser tomados com a ordem de grandeza das unidades. Geralmente é medida em mm/h ou mm/min. Abocal. Altura pluviométrica A altura pluviométrica é expressa em milímetros (unidade linear) que representa um decímetro cúbico (dm³) por metro quadrado (l/m²). A intensidade é a grandeza que visa caracterizar a variabilidade temporal. Por exemplo: Considerar uma bacia hidrográfica com 2 km² ou 200 ha em que determinado mês recebeu uma precipitação média mensal de 200 mm. quando uma precipitação é medida. esta é relacionada a um período de tempo (ex. Logo. hch. esse valor não tem significado se não estiver relacionado a uma duração. Logo.3.a partir das alturas da proveta graduada. duração e intensidade. e da proveta.2 – Grandezas características A precipitação é caracterizada por meio de três grandezas: altura. hprov é feita considerando-se as áreas do bocal coletor em forma de funil. 100 mm/mês ou 10 mm/hora).2. expressa em geral em mm/h ou mm/min ou l/s*ha. 29 . A intensidade é muito importante para estudos de erosão do solo e inundação.1 – Determinação da altura de chuva A determinação da altura de chuva. A altura pluviométrica é o volume da chuva precipitado medido em milímetros (mm). multiplica-se a sua área (km² ou hectare) pela altura pluviométrica. de acordo com: A A hchv = prov → hchv = hprov * prov hprov Abocal Abocal 3.2. Aprov. Logo o volume precipitado foi: V (m3 ) = H ( mm ) × A( km 2 ) × 103 V (m3 ) = H ( mm ) × 10 − 3 × A( km 2 ) × 10 6 V = 200 × 2 × 103 = 4 × 105 m3 ou V (m3 ) = H ( mm ) × A( ha ) × 10 V (m3 ) = H ( mm ) × 10 − 3 × A( ha ) × 10 4 V = 200 × 200 × 10 = 4 × 105 m3 Intensidade da precipitação É a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação. No entanto. para se calcular o volume de água precipitada em determinado local (geralmente bacia hidrográfica). função da variação espacial e temporal das precipitações. em anos. Caso haja disponibilidade de dados. ao menos. existe um risco associado dessa tormenta ser superada. consequentemente. para uma tormenta de período de retorno de dez anos.Duração Período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação. Freqüência. N= vida útil da obra. Dessa forma. Deve-se levar em conta os riscos envolvidos quanto à segurança da população e as perdas materiais. precipitações.1. A probabilidade de ocorrer. Essas relações associam. Dessa forma. uma tormenta de período de retorno de dez anos durante um período de N anos é obtida pôr uma distribuição binomial e expressa pôr: R = 1 − (1 − F ) N Onde: R= risco de ocorrência de . é dada como o inverso do período de retorno. F= freqüência da tormenta. procura-se determinar um padrão típico para a região em estudo. As relações intensidade-duração-frequência são muito utilizadas na obtenção dos hidrogramas de projeto para o dimensionamento de pequenas obras de drenagem urbana. pelo menos. a freqüência correspondente é igual a 0. Tr. nem sempre a escolha de um período de retorno maior ocasionaria uma elevação muito grande no custo da obra.3. à tormenta de projeto. a escolha da tormenta de projeto depende da probabilidade de ocorrência da mesma. o gradiente das vazões de projeto diminui. uma probabilidade de ocorrência. Chuva Orográfica Frontal Convectiva 3. isso significa que há uma chance em dez de ocorrer uma tormenta igual ou superior num dado ano. A vazão cresce de forma não linear com o período de retorno. F= 1 Tr Pôr exemplo. F. ou seja. à medida que o período de retorno cresce. Duração Grande Media e Longa Curta variações e tempos Intensidade Pequena Baixa-Moderada Alta de recorrência das A escolha de tormenta de projeto para os projetos de obras de drenagem urbana deve ser considerada de acordo com a natureza das obras a projetar. A freqüência média da tormenta de projeto. uma tormenta igual ou superior à de projeto na vida útil da obra. 30 . com totais de uma estação do ano. ou ainda com base em totais anuais. Precipitação média em uma bacia.Risco de Ocorrer Enchente Maior Risco – R (%) Duração da chuva crítica Em geral.4. Essa hipótese é válida quando se admite que a contribuição do escoamento superficial à seção de saída da bacia atinja um regime permanente. Métodos de cálculo. notadamente na determinação do balanço hídrico de uma bacia hidrográfica. A definição da duração da chuva de projeto deve sempre considerar as implicações das variações das vazões e volumes obtidos. 3. nos hidrogramas de projeto. uma duração igual ao tempo de concentração da bacia. adota-se. 31 . para a chuva crítica de uma pequena bacia hidrográfica. A altura média de precipitação em uma área específica é necessária em muitos de problemas hidrológicos. sobre as dimensões das obras de drenagem a serem construídas. após a duração da chuva ter superado o tempo de concentração da bacia. cujo estudo pode ser feito com base em um temporal isolado. ano). para essa determinação: o método aritmético. muito embora se saiba que a chuva real obedece a distribuições espaciais e temporais variáveis. associada a um período de tempo dado (como uma hora. dia. Método Aritmético Esse método é o mais simples: consiste em determinar-se a média aritmética entre as alturas de chuvas medidas na área. h= 1 n ∑ Pi n i =1 32 . o método de Thiessen e o método das isoietas. é necessário utilizar as observações dentro dessa superfície e nas suas vizinhanças. mês. Aceita-se a precipitação média como sendo uma lâmina de água de altura uniforme sobre toda a área considerada. O risco de utilização dos dados de precipitação média espacial reside na aplicação dos mesmos para projetos de irrigação Conceito de precipitação média Existem três métodos. Este método só apresenta uma boa estimativa se os aparelhos forem distribuídos uniformemente e a área for plana ou de relevo suave.Para calcular a precipitação média numa superfície qualquer. os mais usuais. unindo-se os postos adjacentes por linhas retas e. possibilitando que a área de influência de cada qual seja considerada na avaliação da média. h= ∑P A i i AT h = a precipitação média sobre a bacia AT = a área total da bacia. traçando-se as mediatrizes destas retas. A precipitação média é calculada pela média ponderada entre a precipitação Pi de cada estação e o peso a ela atribuído Ai que é a área de influência de Pi. em seguida. Consiste em atribuir um peso aos totais precipitados observados em cada aparelho.sendo: h -altura média de precipitação (mm) Pi -a lâmina de precipitação do posto i (mm) n -número de posto considerados Método de Thiessen Esse método. cujos lados constituem os limites das áreas de influência de cada estação. que pode ser utilizado mesmo para uma distribuição não uniforme dos aparelhos. Essas áreas de influência (pesos) são determinadas através de mapas da bacia com os postos. Método de Thiessen 33 . formando polígonos. totalizando-se esses produtos e dividindo-se pela área total da bacia.Método das Isoietas De acordo com o método das isoietas. cujo traçado é simples e semelhante ao das curvas de nível. A precipitação média sobre uma área é calculada ponderando-se a precipitação média entre isoietas sucessivas (normalmente fazendo a média dos valores de duas isoietas) pela área entre as isoietas. onde a altura da chuva substitui a cota do terreno. em vez de pontos isolados de precipitação determinados pelos aparelhos de medida. utilizam-se curvas de igual precipitação. h= hi + hi + 1 Ai 2 A ∑ 34 . 35 . por isso merecem destaque especial em hidrologia. é lógico que no dimensionamento de obras de drenagem (pontes.4. Com base nesta série de tamanho N (número de anos) é ajustada uma distribuição de freqüências que melhor represente a distribuição dos valores observados. A curva IDF é obtida a partir da análise estatística de séries longas de dados de um pluviógrafo (mais de 15 anos. inundação de residências. Dentro do conceito de chuva intensa. escolas. etc. deve ser lembrado que quanto mais curta a duração de uma precipitação. que apresenta falhas. Esse processo é possível através da utilização das chamadas curvas IDF. cuja média Mx das precipitações é conhecida. Pb. Assim. Supõe-se que o coeficiente de proporcionalidade seja relação entre a média Mx e as médias Ma. Precipitações Intensas As precipitações intensas são as principais causas de cheias e prejuízos. de forma a dimensionar estruturas que tragam segurança à população. A metodologia de desenvolvimento da curva IDF baseia-se na seleção das maiores chuvas de uma duração escolhida (por exemplo 15 minutos) em cada ano da série de dados. Mb e Mc. na análise de um chuva intensa. Adota-se como valor Px a média ponderada entre os três valores calculados a partir de A. 1 Mx M M * Pa + x * Pb + x * Pc 3 Ma Mb Mc 3. entre outros é um processo decorrente de uma chuva intensa. Entretanto. bueiros. Seja uma estação x. no mesmo intervalo de anos. 36 . B e C num mesmo período. deve ser considerada a inter-relação entre essas variáveis: Intensidade – Duração – Freqüência. problemas de drenagem. Em geral adotase o procedimento dado a seguir: a) b) c) Px = Supõe-se que a precipitação na estação x seja proporcional as precipitações nas estações vizinhas A. Normalmente o transbordamento de rios. em determinado período de anos. pelo menos). essas falhas devem ser preenchidas. maior a chance de que ela tenha sido muito intensa. B e C. Um método bastante utilizado para se fazer esta estimativa tem como base em pelo menos dez anos de registros pluviométricos de pelo menos três estações localizadas o mais próximo possível da estação que apresenta falha nos dados de precipitação. alagamento de ruas. vertedores. Assim. e que quanto mais freqüente uma chuva maior é a probabilidade de sua ocorrência.Preenchimento de falhas Muitas estações pluviométricas apresentam falhas em seus registros devido a problemas operacionais (observador ou aparelho). Pc. que serão representadas por Pa. como há necessidade de se trabalhar com séries contínuas.) deve-se analisar o comportamento das chuvas intensas em uma região. É usual o emprego de equações intensas do tipo: i= C (t + t0 ) n onde: i . to.é a intensidade média (mm/mim) para a duração t.15 (31 anos) (t + 20) 0. Certos autores procuram relacionar C com o período de retorno T por meio de uma equação do tipo C =kTm e expressar a equação anterior na forma mais geral. kT m i= (t + t0 ) n Algumas equações intensidade – duração – freqüência para cidades brasileiras e os respectivos períodos de observação em anos. 74 5950T 0. i (mm/h).87T 0. Sendo. 217 (31 anos) (t + 26)1. C e n são parâmetros a determinar. T (anos) e t (min) Rio de Janeiro: i = Curitiba: i = 1239T 0.10 Belo Horizonte: i = (31 anos) (t + 20) 0.84 37 .15 1447. Cohidro (1992) Campo Grande 891. Entretanto.Cohidro (1992) Mendanha 843. Equações intensidade – duração – freqüência para as estações pluviométricas do Rio de Janeiro: Pluviômetro K m t0 n Fonte Santa Cruz 711. a necessidade de considerarem-se custos e benefícios de difícil quantificação ou impossíveis de serem traduzidos em unidades monetárias.177 12.00 0. o período de retorno pode ser estabelecido com base em estudos econômicos.157 29.Cohidro (1992) Jardim Botânico 1.740 Ulysses Alcântara (1960) Capela Mayrink 921.796 Rio-Águas (2005) Sabóia Lima 1.000 anos.698 PCRJ.46 0.177 14.58 0.841 Rio-Águas (2009) Observações sobre os Períodos de Retorno Utilizados para Projetos Hidráulicos Quanto maior o período de retorno.30 0. alguns valores aceitos na prática: Barragens: 1.148 6. mais seguras e mais caras serão as obras.96 0. maiores serão os picos de vazão. e que dificilmente permitirão ampliações futuras: 25 anos.239.27 0.423. Canais em terra: 10 anos.150 29. Pontes e bueiros em córregos mais importantes.00 0.156 14.788 PCRJ.187 14.Cohidro (1992) Bangu 1.60 0.769 Rio-Águas (2006) Irajá 5.70 1.96 0.196 14.00 0. Otto Pfafstetter – Publicação do extinto D.Para outras cidades ver “Chuvas Intensas no Brasil”.O.04 0. Assim.050 Rio-Águas (2007) Eletrobrás -Taquara (Eletrobrás) 1.150 20.N.34 0.164.689 PCRJ.841 Rio-Águas (2006) Benfica 7.687 PCRJ.00 0.S.39 0.032.00 0. a seguir. Apresentam-se.162 15.660.67 0. Galerias de águas pluviais: 5 a 10 anos.186 7.79 0.208.00 0.141 Rio-Águas (2006) Realengo 1.07 0. Eng. limitam tal análise.986.20 0.782. T.68 1. 38 .78 0.000 a 10.178 16.78 0. Obras em geral em pequenas bacias urbanas: 5 a 50 anos.673 Rio-Águas (2003) Via11 (Jacarepaguá) 1. Mais especificamente em relação aos projetos de drenagem. os períodos de retorno aceitos na literatura técnica e de consenso internacional. são apresentados a seguir: Tabela Tucci et al (1995) Tipo da Obra Microdrenagem Macrodrenagam Ocupação do Solo Residencial Comercial Áreas com edifícios de serviço público Aeroportos Áreas comerciais e artérias de tráfego T (anos) 2 5 5 2-5 5-10 Áreas comerciais e residenciais Área de importância específica 50-100 500 39 . Salinidade da água: Os sais dissolvidos na água reduzem a pressão de vapor de uma superfície de água. Informações quantitativas desses processos. O aumento da temperatura do ar influi favoravelmente na intensidade de evaporação. a temperatura do ar. A turbulência provocada pelo vento e por convecção térmica afasta o vapor das camadas em contato com a superfície das águas e possibilita a continuidade da evaporação. porque permite que uma maior quantidade de vapor de água esteja presente no mesmo volume de ar acima da superfície evaporante. A temperatura do ar está associada à radiação solar e. estimativas baseadas em princípios físicos e principalmente equações empíricas são utilizadas como alternativas para suprir esta carência. a diferença da pressão de vapor rapidamente diminui e o processo de evaporação fica limitado pela difusão do vapor na atmosfera proveniente da superfície líquida. As variáveis meteorológicas que interferem na evaporação de superfícies livres de água particularmente são: a radiação solar. que constituem fase importante do ciclo hidrológico. proveniente do sol. são utilizadas na resolução de numerosos problemas que envolvem o manejo d’água. 40 . A transpiração é o processo pelo qual as plantas retiram a umidade do solo e a libertam no ar sob a forma de vapor. No ar parado. vento e pressão de vapor. requerem dados confiáveis de evaporação e/ou evapotranspiração. a evapotranspiração. Fatores que Afetam a Evaporação A quantidade evaporada a partir de uma superfície de água é proporcional à diferença entre a pressão de vapor na superfície e a pressão de vapor no ar das camadas adjacentes. maior a energia cinética das moléculas e maior o número de moléculas que escapam da superfície. Assim. essas informações obtidas de medidas diretas para diferentes locais e condições meteorológicas distintas não existem em quantidade suficiente. a previsão de cheias ou a construção e operação de reservatórios. ou de ambos Mais da metade da precipitação que cai sobre os continentes volta à atmosfera através da ação conjunta desses dois processos. Entretanto. desta forma. • • Temperatura da superfície: Quanto maior a temperatura da superfície. Transpiração e Evapotranspiração Introdução A evaporação é o processo físico no qual um líquido ou sólido passa para o estado gasoso (vapor). Tanto o planejamento de áreas agrícolas de sequeiro ou irrigada. Os processos só ocorrem se houver introdução de energia no sistema. fornecendo alguns procedimentos de cálculo usuais. correlaciona-se positivamente com a evaporação. Por isto a evaporação é mais lenta em águas salgadas. da atmosfera.Unidade 4 – Evaporação. Discutem-se a seguir os processos de evaporação e evapotranspiração. • Grau de umidade relativa do ar Umidade relativa = quantidade de vapor d' água presente no ar quantidade de água no volume de ar, se saturado de umidade Quanto maior a quantidade de água no ar atmosférico, maior o grau de umidade e maior a intensidade de evaporação da superfície d’água. • Pressão barométrica: Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade da evaporação (a influência da pressão é pequena). Mensuração da Evaporação Os métodos normalmente usados para determinar a evaporação são: transferência de massa, balanço de energia, equações empíricas, balanço hídrico e evaporímetros(direto). • Os métodos que aplicam os princípios da transferência de massa apresentam a dificuldade de obtenção das variáveis envolvidas. Baseiam-se na primeira Lei de Dalton, que estabelece a relação entre evaporação e pressão de vapor, expressa por: Eo = b(es − ea ) Onde: Eo= evaporação; b= coeficiente empírico; es= pressão de vapor de saturação na temperatura da superfície; ea= pressão de vapor numa altura acima da superfície. • Balanço Hídrico: aplica a equação da continuidade a um reservatório. Exige, portanto, conhecimento preciso e completo a respeito dos volumes aduzidos, dos caudais afluentes e do volume armazenado. A não ser que a evaporação seja da mesma ordem de grandeza dos outros fenômenos, e que não haja novas contribuições ou perdas não registradas, provenientes de escoamentos subsuperficiais, em geral, é muito impreciso por expressar os erros de cálculo das outras parcelas. A evaporação pode ser obtida pela seguinte equação: Eo = ( I − Q) / A + P − (dV / dt ) / A Onde: V= Volume de água contido no reservatório; t= tempo; I= vazão total de entrada no reservatório; Q= vazão de saída do reservatório; Eo= evaporação; 41 P= precipitação sobre o reservatório; A= área do reservatório. • Empíricas: em princípio, medindo-se umidade, temperatura e vento em dois níveis acima de uma superfície de água, deve ser possível calcular o transporte de vapor ascendente, utilizando a teoria de turbulência. Muitas equações complexas já foram propostas para expressar essa relação. A equação abaixo, por exemplo, foi ajustada empiricamente para o Lago Hefner, nos EUA: Eo = 0,03594V8 (es − e8 ) Eo=quantidade evaporada em mm/dia, es= é a pressão de vapor(mm hg) à superfície da água, e e8 e V8 são respectivamente, a pressão do vapor e a velocidade do vento (km/h) a 8 metros da superfície. • Balanço Energético: Esta metodologia tem como um dos fatores principais o entendimento de alguns aspectos do comportamento climático sobre a superfície terrestre e a atmosfera. A radiação solar é um destes fatores, que sucintamente é descrito como um comprimento de onda curto onde parte da energia é absorvida pela atmosfera (11%), parte é dispersa em direção ao espaço (9%) e outra em direção a Terra (5%). Uma parcela desta energia (33%) é refletida e o restante chega na superfície da Terra (42%), atravessando nuvens ou diretamente. Da parcela que atinge a superfície da Terra, parte é refletida e parte é absorvida. A parcela absorvida produz aquecimento na superfície, tendo com resultado a evaporação e a radiação térmica em direção à atmosfera. A figura seguinte retrata as componentes de energia. Figura - Componentes do balanço de energia 42 Pode ser expresso por: E= H i + H 0 − ∆H ρ [λ (1 + R )] onde Hi é o calor total recebido pelo lago, incluindo a radiação solar e o calor introduzido no lago pela água efluente; H0 é o calor que sai do lago como radiação refletida e devolvida, bem como retirado pelas águas do reservatório; ρ é a densidade da água evaporada; λ o calor latente de vaporização e R a relação entre o calor utilizado pela evaporação e o transferido ao ar como calor sensível. O valor de R, conhecido como Razão de Bowen é dado por: E= 0,61 patm(Ts 0 − TA ) 1000(es − ea ) Onde Ts e Ta são, respectivamente, a temperatura na superfície e no ar. • Evaporímetros: o método mais antigo para calcular evaporação de um lago é por meio dos evaporímetros ou cubas de evaporação. A mais usada é a cuba classe A do Weather Service, cujo diâmetro é de 1,22 m com profundidade 25,4 cm. A quantidade de água evaporada é medida diariamente por meio de uma ponta limnimétrica com extremidade em gancho. É evidente que a evaporação a partir de um recipiente difere substancialmente da que ocorre na superfície de um reservatório, principalmente devido à diferença de temperatura da água nos dois casos. O pequeno volume de água na cuba e o metal exposto ao sol contribuem para substanciais variações de temperatura da água, à medida que se altera a temperatura do ar e a radiação solar. Já nos lago, a grande massa de água e o efeito estabilizador das correntes de convecção e do solo, em volta do reservatório, trazem como conseqüência uma amplitude muito menor na variação das temperaturas. Assim, é necessário corrigir o valor da evaporação (Ep) encontrado através das cubas. Estudos mostraram que a correlação entre a evaporação anual em um lago Er e a evaporação em uma cuba desse tipo Ep apresenta valores na faixa 0.67 a 0,81(média=0,7), o que significa que Er /Ep ~0,7. 43 aproximadamente as mesmas da evaporação a partir de uma superfície. ser tomada como indicativo da evapotranspiração potencial referente a uma superfície de solo com cobertura vegetal. Nessas condições as gramíneas de raízes curtas murcham e morrem quando a superfície do solo fica seca. Evapotranspiração A evapotranspiração. A prática demonstra que a transpiração não será reduzida em quantidade. inclui toda a água retirada de uma região. Evapotranspiração potencial (ETP): quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração. transportam-na através de sua estrutura e eventualmente liberam-na através dos estômatos nas suas folhas. As quantidades de transpiração são. para o balanço hídrico agrícola. A transpiração é essencialmente a evaporação da água liberada pelas folhas dos vegetais. 1956). portanto. de uma superfície extensa completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água (Pennan. na unidade de tempo. A evaporação calculada.Transpiração As plantas retiram água do solo por meio de suas raízes. relativa a uma superfície livre. às vezes chamada de uso consuntivo ou evaporação total. A vegetação de raízes longas transpira maior quantidade de água durante o ano. A quantidade total de transpiração das plantas durante um longo período de tempo é limitada principalmente pela disponibilidade de água. pode. Em regiões de elevada precipitação bem distribuída ao longo do ano. A evapotranspiração é importante para o balanço hídrico de uma bacia como um todo e. que poderá envolver o cálculo da necessidade de irrigação. desde que o abastecimento hídrico à planta não seja limitado. todas as plantas transpirarão na mesma proporção e as diferenças no total serão devidas à diversidade do período de crescimento de cada espécie. tanto do solo e da neve. por diminuição do teor de umidade do solo antes de ser atingido o ponto de murchamento do solo. Onde o abastecimento de água for restrito e sazonal. principalmente. livre de água. ao passo que os vegetais de raízes longas continuarão a retirar água das camadas profundas do solo. 44 . a profundidade de raízes adquire grande importância. portanto. por transpiração das plantas e por evaporação. como de superfícies de água. descreve-se a seguir o lisímetro de drenagem ou percolação. entretanto. Várias teorias relacionam ETR e ETP em função da disponibilidade de água no solo. O tanque deve ser pintado interna e externamente para evitara problemas de corrosão. Do fundo do tanque sai um cano que conduzirá a água drenada até um recipiente. dentro dos quais medimos a taxa de infiltração e a evapotranspiração. Por questões de simplicidade. com dimensões mínimas de 1. Informações confiáveis sobre evapotranspiração real são escassas e de difícil obtenção. • Medidas Diretas: Lisímetros Os lisímetros são tanques enterrados no solo. Os lisímetros de drenagem ou percolação pertencem à categoria dos não pesáveis. Mensuração da Evapotranspiração Dentre os procedimentos usualmente empregados para medir ou estimar a evapotranspiração. Já a evapotranspiração potencial pode ser obtida a partir de modelos baseados em leis físicas e relações empíricas de forma rápida e suficientemente precisa. Esta camada de brita tem finalidade de facilitar a drenagem de água que percola através do tanque. planta-se grama no tanque e na sua área externa.5 m de diâmetro por 1. Existem diversos tipos de lisímetros que podem ser subdivididos em não pesáveis e pesáveis. O tanque tem que ser cheio com o solo do local onde será instalado o lisímetro. nas condições reais (existentes) de fatores atmosféricos e umidade do solo. método combinado e o balanço hídrico. 1968).0 m de altura. Não existe. métodos baseados na radiação.Evapotranspiração real (ETR): quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração. Lisímetro de drenagem ou percolação: consiste de um tanque enterrado no solo. desde que sejam bem instalados. flutuante e hidráulico. e os lisímetros pesáveis subdividem-se em lisímetro de pesagem mecânica. métodos baseados na temperatura. É o método mais preciso para a determinação direta da Evapotranspiração. com uma borda superior de 5 cm acima da superfície do solo. citam-se: medidas diretas. A evapotranspiração real é igual ou menor que a evapotranspiração potencial (ETR<ETP) (Gangopadhyaya et al. Após instalado. coloca-se uma camada de mais ou menos 10 cm de brita coberta com uma camada de areia grossa. mantendo a mesma ordem dos horizontes. A Figura a seguir ilustra esse tipo de lisímetro. No fundo do tanque. 45 . pois demandam um longo tempo de observação e custam muito caro. uma teoria que aceita universalmente. correspondente à soma dos 12 índices mensais. I=irrigação do tanque (litros). I=índice de calor anual. em unidades de 12 horas (Tabela 1).01791 * I + 0.71 * 10 −6 * I 2 + 0. a = 67. e S=área do tanque (m2) Como o movimento da água no solo é um processo relativamente lento.5 * 10 −8 * I 3 − 7.514 i =1 5 46 . correlacionados com informações de temperatura é: T ETP = 16 D(10 − ) a I Onde: ETP=evapotranspiração potencial para meses de 30 dias e comprimento de 12 horas (mm/mês). D=água drenada do tanque (litros). P=precipitação pluviométrica no tanque (litros). os lisímetros de percolação têm precisão para períodos mais ou menos longos. t=temperatura média mensal do ar (ºC). • Métodos Baseados na Temperatura: Thornthwaite: a equação do método baseada em dados de precipitação e escoamento para diversas bacias hidrográficas dos EUA.492 12 t I = ∑ ( i )1. D=comprimento médio dos dias do mês.Esquema ilustrativo de um lisímetro de percolação A evapotranspiração potencial para um período qualquer é dada pela equação: ETP = I +P−D S Onde: ETP=evapotranspiração potencial (mm). 47 . D . Tabela 1. do que pela sua precisão. afluxo superficial e pelo subsolo. bem como água importada). As alterações no armazenamento superficial e subterrâneo devem ser consideradas. quando não forem desprezíveis. mais pelo fato de necessitar somente de dados de temperatura do ar.1993).onde ti=temperaturas do mês analisado em ºC. informação disponível em grande número de estações e mesmo em postos meteorológicos. A equação de Thornthwaite ganhou popularidade mundial. • Balanço Hídrico: A determinação da evapotranspiração real de uma região é feita medindo a vazão efluente dessa região (superficial e pelo solo) e subtraindo esse valor da vazão total de entrada na região (precipitação.Comprimento dos dias do mês em unidades de 12 horas(Tucci. mas sua influência no fenômeno da infiltração só é significativa quando se situa a pouca profundidade. conformando um perfil típico onde o teor de umidade decresce com a profundidade. Quando o aporte de água à superfície cessa. A medida que a água infiltra pela superfície. inicialmente presentes no seu interior. a umidade no interior do solo se redistribui. do estado de sua superfície e das quantidades de água e ar. retringindo-se a saturar. já que parte é transferida para a atmosfera por evapotranspiração. Cobertura vegetal: A vegetação. aumenta a capacidade de infiltração. na natureza do solo. é um processo que depende fundamentalmente da água disponível para infiltrar. Fatores que influem na infiltração • • Tipo de solo: Quanto maior a porosidade. Figura 5.Unidade 5 – Infiltração Infiltração é a passagem de água da superfície para o interior do solo. quando consegue. Normalmente. tamanho das partículas granulares ou estado de fissuração. apenas as camadas próximas à superfície. maior a capacidade de infiltração. Portanto. alterando gradativamente o perfil de umidade. devido ao esforço causado pelas raízes. Nas camadas inferiores do solo geralmente é encontrada uma zona de saturação. a infiltração decorrente de precipitações naturais não é capaz de saturar todo o solo. Nem toda umidade é drenada para as camadas mais profundas do solo. 48 . com menores teores de umidade próximo à superfície e maiores nas camadas mais profundas. Na figura a seguir pode-se ver a evolução do perfil de umidade em um solo natural sujeito à infiltração.1 – Evolução do perfil de umidade em um solo. evoluindo para um perfil de umidade inverso. as camadas superiores do solo vão-se umedecendo de cima para baixo. h-1. Uma curva de taxas reais de infiltração no tempo somente coincide com a curva das capacidades de infiltração de um solo. tendendo a 49 . Capacidade de infiltração e taxa de infiltração A capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que pode infiltrar no solo. Esse processo faz com que o solo vá recuperando sua capacidade de infiltração. da taxa real de infiltração. sendo expresso geralmente em mm. Ação do homem escavando a terra: Produção de falhas no solo. Figura 5. provocando o aumento de capacidade de infiltração. diminuição de vazios. Precipitação pluviométrica: Choques das gotas na superfície do solo causam compactação. É aplicada no estudo da infiltração para diferenciar o potencial que o solo tem de absorver água pela sua superfície. quando o aporte superficial de água (proveniente de precipitações e mesmo de escoamentos superficiais de outras áreas) tem intensidade superior ou igual à capacidade de infiltração. diminuindo a capacidade de infiltração. que acontece quando há disponibilidade de água para penetrar no solo. em um dado intervalo de tempo. em termos de lâmina por tempo.2 – Velocidade de Infiltração e infiltração acumulada em função do tempo para solo inicialmente seco e úmido. Em um solo em que cessou a infiltração. parte da água no seu interior propaga-se para camadas mais profundas e parte é transferida para a atmosfera por evaporação direta ou transpiração dos vegetais.• • • Umidade do solo: Solo úmido tem menor capacidade de infiltração que o solo seco. isto é. Excesso de precipitação: Diferença entre a precipitação e a capacidade de infiltração. O movimento da água em um solo não saturado também pode ser descrito pela equação de Darcy. mantendo-se a precipitação. Resumo: • • • Capacidade de infiltração (f): É a máxima taxa com que um solo. a infiltração real se processa nas mesmas taxas da curva da capacidade de infiltração. zona de umidade do solo solo zona intermediária nível do lençol zona capilar camada impermeável Equacionamento geral da infiltração O equacionamento geral da infiltração é feito a partir da representação matemática do movimento da água em solos não saturados.um limite superior à medida que as camadas superiores do solo vão-se tornando mais secas. Se a precipitação continuar. é capaz de absorver água. já que o solo está se umedecendo. em uma dada condição. podendo infiltrar novamente. provocando uma progressiva diminuição da própria capacidade de infiltração. dependendo da sua intensidade. um momento em que a capacidade de infiltração diminui tanto que sua intensidade se iguala à da precipitação. porque o solo continua a perder umidade para as camadas mais profundas (além das perdas por evapotranpiração). A partir deste momento. Taxa de infiltração: Taxa de água que infiltra no solo. solos com teor de umidade abaixo da saturação. Quando termina a precipitação e não há mais aporte de água à superfície do solo a taxa de infiltração real anula-se rapidamente e a capacidade de infiltração volta a crescer. se houver condições. Se uma precipitação atinge o solo com uma intensidade menor que a capacidade de infiltração toda água penetra no solo. que passa a decrescer exponencialmente no tempo tendendo a um valor mínimo de infiltração. quando a chuva for de intensidade superior ou igual a esta capacidade. pode ocorrer. originalmente deduzida para solos saturados: 50 . A parcela não infiltrada da precipitação forma filetes que escoam superficialmente para área mais baixas. A taxa de infiltração só é igual à capacidade de infiltração. depois de certo tempo ‘t’. q = K * ∆h e Q = K * A * ∆h Onde: q= velocidade de Darcy (m/s). quando o solo está próximo da saturação. tendo como limite superior a condutividade hidráulica saturada Ksat. A carga piezométrica. Assim.06 cm. A partir deste limite. Esta capacidade é dada pela condutividade hidráulica. A condutividade hidráulica K. enquanto o solo apresenta muitos poros vazios (com ar). e a infiltração e a percolação da água no solo são mais intensas e rápidas nos solos arenosos do que nos solos argilosos.3 cm. À medida que os poros vão sendo preenchidos. • Diretos – Infiltrômetros São aparelhos para determinação direta da capacidade de infiltração local dos solos. varia com o teor de umidade do solo. a capacidade de infiltração permanece constante e aproximadamente igual à condutividade hidráulica. Existem dois tipos: . a partir de experimentos de campo.hora-1 e em solos argilosos este valor cai ainda mais para 0. uma relação empírica para representar o decaimento da infiltração com o tempo.Com aplicação de água por inundação. Para solos siltosos este valor cai para 1. o valor de K para solos arenosos é próximo de 20 cm. estando limitada pela capacidade do solo de transferir a água para as camadas mais profundas (percolação). através de aparelhos ou empíricos. tem duas componentes principais num solo não saturado.Com aplicação de água por aspersão ou simuladores de chuva. Portanto os solos arenosos conduzem mais facilmente a água do que os solos argilosos. o potencial mátrico ou de capilaridade e o potencial gravitacional (profundidade).hora-1. Determinação da Capacidade de Infiltração Os métodos para determinação da capacidade de infiltração podem ser diretos. Q= fluxo de água (m³/s). Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida quase totalmente pelo solo. A= Área (m²). ∆h = carga piezométrica (m/m). K= condutividade hidráulica do solo (m/s).hora-1. para o caso de um solo submetido a uma precipitação com intensidade sempre superior à capacidade de infiltração. que pode ser apresentado da seguinte forma: 51 . através de equações desenvolvidas através de experimentos. Estabeleceu. • Empíricos: o Equação de Horton – Para cálculo da infiltração pontual. .. a infiltração tende a diminuir. f0= capacidade de infiltração em solo seco (mm/h). conforme apresentado na Figura. Outros exemplos empíricos são: o Algoritmo de Berthelot. β = parâmetro determinado a partir de medições em campo (h-1). fc= capacidade de infiltração em condições de saturação (mm/h). o Equação de Green e Ampt. t = tempo (h). o Equação de Phillip 52 .f= fc+(f0-fc)e-βt Onde: f= capacidade de infiltração num instante qualquer (mm/h). Esta equação é uma função exponencial assintótica ao valor fc. o volume e a forma do hidrograma. tem o seguinte procedimento. 6.2 – Metodologia A metodologia dos estudos hidrológicos para projetos de drenagem.3.Unidade 6 – Escoamento Superficial 6. Passo 5 – Hidráulica – define – Estruturas Hidráulicas. que inclui a determinação da vazão de pico. bem como o período de retorno associado a esses valores. Em ambos. principalmente no que se refere às taxas de impermeabilização e a outras intervenções que possam reduzir o tempo de concentração da bacia. 6. Um hidrograma típico de uma bacia hidrográfica. apresenta o seguinte comportamento: 53 .Métodos de Análise Duas abordagens são de uso consagrado em Hidrologia Urbana: O Método Racional. a vazão de projeto e/ou o hidrograma de cheia são determinados a partir de uma tormenta de projeto. Passo 3 – Hidrologia / Pedologia / Uso do Solo – define: Escoamento Superficial. • • • • • Passo 1 – Aspectos Sociais e Econômicos – define: Período de Retono. Passo 2 – Meteorologia – define: Tormenta de Projeto (Precipitação).4. Para esta análise é interessante que se estude a hidrologia de toda a bacia hidrográfica. procurando verificar com atenção principalmente dois aspectos: • A ocupação futura da bacia. da qual são descontadas as diversas perdas que ocorrem na bacia. mesmo que o projeto se refira a um trecho limitado da mesma. na maioria dos casos. aplicável a bacias urbanas com área de drenagem inferior a 3 km² e os Métodos baseados na Teoria do Hidrograma Unitário. após a ocorrência de precipitações. • Efeitos causados pelas obras em estudos a montante e a jusante do trecho de intervenção.1 – Introdução Um dos mais importantes fatores de sucesso de um projeto de drenagem é a análise criteriosa do escoamento superficial. cuja utilização recomenda-se para bacias de maior porte que a primeira. Passo 4 – Hidrologia – define: Vazões de Projeto. sendo importante destacar que a distribuição das vazões no tempo resulta da interação dos componentes do ciclo hidrológico. Conceitos e Componentes do Hidrograma O hidrograma consiste na representação gráfica das vazões escoadas ao longo do tempo em um curso d´água. 6. em uma bacia hidrográfica. Após atingir o pico do hidrograma (vazão máxima) inicia-se um período de recessão.• • • • Após o início da chuva há um intervalo de tempo (retardo da resposta) até que as vazões comecem a se elevar. no qual é possível observar um ponto de inflexão que caracteriza o fim do escoamento superficial e a conseqüente predominância do escoamento subterrâneo. quando há aporte hídrico subterrâneo. nas alterações das vazões.1 – Hidrograma e suas Características Principais Paralelamente. A Figura abaixo apresenta um hidrograma típico. sendo predominante neste período o escoamento superficial. que o escoamento subterrâneo. Passado o período de pico do hidrograma e. elevam-se rapidamente (gradiente maior que na fase de recessão) até atingir o pico do hidrograma. o rápido processo de elevação das vazões faz com que o nível d´água se eleve. onde podem ser observados os diversos elementos integrantes do comportamento das vazões. o ponto de inflexão. ao longo do tempo. ocorre o rebaixamento do nível d´água no rio voltando à situação normal. Cabe destacar que o escoamento superficial apresenta resposta mais rápida. 54 . causando um represamento do fluxo do aqüífero em direção ao rio. Inicialmente. então. devido às perdas iniciais (interceptação vegetal e depressões do solo) e ao tempo de deslocamento da água na própria bacia. Figura 6. As vazões. ocorrem variações no funcionamento do aqüífero da bacia junto ao curso d´água. e Após o ponto de inflexão. as vazões decorrem basicamente do escoamento subterrâneo. posteriormente. O hidrograma e. por exemplo). Em bacias onde há regularização (reservatório. Os principais fatores que influenciam a forma do hidrograma são: • • • • • Relevo: densidade de drenagem. declividade do rio ou da bacia. no lugar de um ponto de pico. entre bacias similares em termos de área de drenagem e declividade. Solo: condições iniciais de umidade. 55 . capacidade de armazenamento e forma da bacia. o hidrograma apresenta menor pico. enquanto em bacias maiores as chuvas frontais resultam em maiores vazões. Em bacias com formato radial o pico do hidrograma tende a ser mais pronunciado (maior vazão em menor tempo) que em bacias alongadas. Modificações artificiais no rio: regularização e canalização. duração e intensidade da precipitação: em bacias pequenas. Distribuição. precipitações convectivas podem provocar maiores enchentes. Cobertura da bacia: vegetação e áreas impermeabilizadas.2 – Variação do nível do aqüífero. Assim.1): • Tempo de retardo (tl) – intervalo entre os centros de gravidade da precipitação e do hidrograma.Figura 6. Quando ocorrem chuvas de maior duração. ocorrem as seguintes diferenças. conseqüentemente. o hidrograma tende a apresentar um patamar. sendo o seu formato mais suavizado (resultado do amortecimento). o comportamento da bacia são caracterizados pelos seguintes tempos (plotados na abscissa do gráfico do hidrograma e visualizados na Figura 6. quanto aos hidrogramas: • • • • Em bacias urbanas o pico é mais acentuado e ocorre mais rapidamente que em bacias rurais. também é definido como o intervalo entre o fim da precipitação e o ponto de inflexão do hidrograma (final do escoamento superficial). Os mais significativos. O hidrograma apresenta. pode ser representada pela seguinte equação exponencial: Qt = Qo . onde predomina o escoamento subterrâneo. visto que representa a declividade da reta formada pelas vazões. o hidrograma está inicialmente sujeito ao escoamento superficial (cujo comportamento pode ser definido por modelos) e. Tempo de recessão (te) – tempo necessário até atingir o ponto de inflexão. região do pico. o subsuperficial (junto à camada das raízes) e o subterrâneo (contribuição ao aqüífero). em papel log-log. 56 . O escoamento superficial é. junto aos valores máximos de vazão e atingindo o ponto de inflexão (ponto C). Estes dois assuntos são abordados a seguir. α= o coeficiente de recessão. Tempo de ascensão (tm) – intervalo entre o início da chuva e o pico do hidrograma. Tempo de base (tb) – intervalo entre o início da precipitação e o momento em que o rio volta à situação original. então. quando somente o escoamento subterrâneo contribui para a vazão no rio. Também pode ser determinado como sendo o inverso do tempo médio do reservatório subterrâneo (K). três partes principais: ascensão. durante a parte terrestre do seu ciclo: o superficial (acima da superfície do solo). Tempo de concentração (tc) – intervalo para que a precipitação no ponto mais distante atinja a seção principal. ao escoamento subterrâneo. caracterizada pelo forte gradiente e diretamente relacionada com a intensidade da precipitação. Separação de Escoamentos O hidrograma integra os três tipos de escoamentos responsáveis pelo movimento da água. em termos quantitativos são os escoamentos superficial e subterrâneo.• • • • • Tempo de pico (tp) – intervalo entre o centro de gravidade da precipitação e o pico do hidrograma. em sua fase final. Desta forma. portanto. Q0= vazão no tempo de referência 0.5. O coeficiente de recessão (α) pode ser determinado através da plotagem dos valores das vazões. A recessão. 6. determinante na definição do hidrograma e pode ser descrito por modelos Para simular o escoamento superficial é necessário separá-lo do escoamento subterrâneo e conhecer a precipitação efetiva que origina esta parcela superficial do escoamento. recessão. e – α(t-to) Onde: Qt= a vazão após t intervalos de tempo. Método 2: basta unir o ponto A ao ponto C. utilizando-se métodos gráficos. antes do ponto A. o ponto C. a partir do ponto C. até encontrar o ponto D na intersecção com a vertical sob o pico. A seguir. até encontrar o ponto B na intersecção com a vertical sob o pico. unir com o ponto C (inflexão) e obter a linha ADC que divide o escoamento superficial do subterrâneo. Método Alternativo: conforme a Figura Nº 6.3. Vários critérios podem ser utilizados para a sua determinação: 57 . visto a forte inflexão que ocorre durante o período de ascensão do hidrograma. Figura 6. unir com o ponto A (início da ascensão) e obter a linha ABC que divide o escoamento superficial do subterrâneo. em todos os casos é de fácil determinação. determinar o ponto D e desenhar uma curva unindo os pontos C e D. referidos à Figura 6. é de determinação mais complexa. No entanto. que caracteriza o término do escoamento superficial e o início da recessão.. O objetivo destes métodos é determinar uma linha que represente a divisão entre as parcelas superficial e subterrânea do escoamento. A partir do ponto C. apresentam-se quatro métodos gráficos. prolongar a tendência do hidrograma antes do ponto A até a intersecção com a vertical sob o pico (ponto B). acima da linha tem-se a parcela correspondente ao escoamento superficial e abaixo a correspondente ao subterrâneo. pela tendência.3: • • • • Método 1: extrapolar a curva de recessão.3 – Métodos de Separação Gráfica dos Escoamentos O ponto A. através de uma reta. Assim. Método 3: extrapolar a tendência curva de ascensão.Pode-se separar estes dois escoamentos (para fins de análise individual) através do hidrograma. divididos em intervalos iguais ao período de observação pluviométrica. multiplicada pela área de drenagem. fornece o escoamento superficial direto: Vef= Pef*Ad A apresentação dos dados pluviométricos registrados é em forma de tabela e/ou banco de dados. através da plotagem das vazões observadas em papel mono-log. o subterrâneo. também. pode-se utilizá-lo para determinar o ponto C. A média móvel serve para filtrar as maiores vazões e as pequenas variações de vazões. Precipitação Excedente ou Efetiva O escoamento superficial direto ou precipitação excedente é a parcela da precipitação total que escoa inicialmente pela superfície do solo. A0. concentrandose em pequenos cursos e posteriormente em cursos de água de maior porte. que se apresenta a seguir: a) b) Hietograma: Relaciona intensidade média de precipitação com o tempo. ou precipitação efetiva. c) Através da inspeção visual. b) Considerando que o tempo de concentração define o intervalo entre o final da precipitação e o término do escoamento superficial. 6. Recorre-se mais frequentemente a dois tipos de diagrama. A curva de precipitação acumulada se definirá por: 58 . estando o ponto C associado ao momento em que ocorre mudança na declividade da reta. para tanto basta calcular o tempo de concentração por alguma das fórmulas existentes. utilizando-se o procedimento proposto pelo Institute of Hydrology (1980): calcular a média móvel de cinco dias consecutivos das vazões observadas e unir os pontos de mudança de tendência da curva resultante. representando em abscissa os tempos.6. (1975) indicam a equação: N = 0. A separação dos escoamentos pode ser obtida. para hidrogramas observados. pode-se determinar o ponto de início da recessão. A porção acima desta linha representa o escoamento superficial e a abaixo.2 onde N representa o intervalo de tempo entre o pico do hidrograma e o ponto C (em dias) e A a área da bacia (em Km2). sendo i= dh/dt – i (t) a função correspondente ao hietograma (designando por i a intensidade e h a altura precipitada).827 . A chuva excedente é a maior responsável pelas cheias. principalmente em bacias pequenas e urbanizadas. A lâmina da chuva excedente. Este procedimento aplica-se bem a séries longas de vazões.a) Linsley et al. Curva de Precipitação Acumulada: Corresponde a curva integral o hietograma. 9. quando não existem dados de vazões. descontando-as dos primeiros intervalos da precipitação. Calcula-se utilizando a seguinte formulação: W = [ P – Q – S ] / t. c) Determinar a precipitação efetiva para os intervalos seguintes através da equação Pf = P – It. Estes procedimentos são descritos a seguir. resultando na precipitação efetiva.8 e 0. representa a infiltração média durante o tempo em que a precipitação é superior à taxa de infiltração. Infiltração – A precipitação efetiva é obtida da seguinte forma: a) Utilizar a equação de Horton (ou Green Ampt) e estimar os parâmetros. A determinação da precipitação efetiva pode ser obtida através das equações de infiltração. de índices ou de relações funcionais. com o objetivo de determinar a precipitação efetiva.h = ∫ i (t )dt Para cada valor de tempo. b) Determinar as perdas iniciais. retidos ou infiltrados. Quando existem dados de vazões observadas pode-se determinar o escoamento superficial. são descritos três a seguir.corresponde a uma infiltração constante. Índice φ . obtendo-se então os valores das perdas iniciais e da infiltração. Índices – Consiste em adotar um valor constante para o desconto da precipitação total. que é igual à precipitação efetiva sobre a bacia. devendo ser subtraído de cada precipitação para obter-se a precipitação efetiva e a soma destas deve ser igual ao escoamento superficial total. (1976) o valor deste fator varia entre 0. Índice W – semelhante ao anterior.corresponde ao coeficiente de escoamento. deve distribuir a diferença entre os demais intervalos. que pressupõem a determinação do escoamento superficial com base em outros eventos na bacia ou em bacias próximas com características semelhantes. No entanto. deve-se subtrair da total as parcelas relativas aos volumes evaporados. definido pela relação entre o total escoado e o total precipitado na bacia. S o volume armazenado e t o tempo em que a precipitação é maior que a taxa de infiltração. a altura de precipitação saída desde a origem dos tempos até este momento. Quando o valor de φ for maior que P. Para se obter a precipitação efetiva. Índice α . Dentre os métodos existentes. O valor de 59 . Q o escoamento superficial no período t. Segundo Sokolov et al. Sendo: It : Infiltração calculada pelo método escolhido. há problemas para estimar-se os parâmetros das perdas iniciais e da infiltração. sendo P a precipitação no período t. ajustado pela seguinte equação empírica: n = 2 + 0. n é um coeficiente empírico. Kohler & Richards (1962) – Durante uma cheia.Representação Gráfica das Relações Funcionais Soil Conservation Service (1957) – Utiliza uma formulação semelhante.4a. A equação de Kohler & Richards é apresentada graficamente na Figura 6. Figura 6.d (d em polegadas). A seguir. que significa que a relação entre o volume infiltrado e a capacidade máxima de armazenamento é igual á relação entre a precipitação efetiva e a total: d / S* = Q / P 60 .S é normalmente desconhecido e agregado como perdas iniciais e conhecidos P e Q. Relações Funcionais – Consistem em funções que estabelecem relações entre precipitação total e precipitação efetiva. d = P – Q.4 . P= a precipitação total. a relação entre precipitação total e efetiva aproxima-se da equação: Q = (Pn + dn) – d Sendo: Q= a precipitação efetiva.5. apresentam-se as relações funcionais de Kohler & Richards e do Soil Conservation Service (SCS). calcula-se W para t onde Pi > W. 2. pois para P < Ia tem-se Q = 0.1 – Valores de CN para Bacias Urbanas 61 .2.2 a seguir. em termos de permeabilidade.S)2 / (P+0. Verificou-se que as perdas iniciais (Ia) representavam em média 20% da capacidade máxima de armazenamento (S). A capacidade máxima de armazenamento na camada superior do solo (S).2. Substituindo esta relação na equação anterior resulta: Q = (P-0. sendo seus valores estabelecidos conforme as Tabelas 6. pode ser determinada com base no fator CN (curva número) pela seguinte expressão: S = (25400 / CN) – 254 O CN retrata as condições do solo e de sua cobertura. Tabela 6.S.4b apresenta graficamente esta equação.1 e 6. Para P < 0.S tem-se Q=0.S) Sendo que esta equação é válida para a situação P > 0.Substituindo d por P – Q e introduzindo as perdas iniciais (Ia) tem-se: Q = (P – Ia)2 / (P+S-Ia) Válido para P >= Ia.8. A Figura 6. 62 . 2 – Valores de CN para Bacias Rurais Os tipos de solos indicados nas Tabelas anteriores referem-se: Solo tipo A: alta infiltração e baixo potencial de escoamento superficial (arenosos profundos com pouco silte e argila). mas menos permeáveis que o tipo A (arenosos menos profundos). Solo tipo D: baixa capacidade de infiltração e maior potencial de geração de escoamento superficial (argilas com pouca profundidade).Tabela 6. Os valores tabelados do fator CN correspondem a situações em que as umidades antecedentes ao evento encontram-se em condições médias. Solo tipo B: permeabilidade superior à média. Solo tipo C: capacidade de infiltração abaixo da média e potencial de geração de escoamento superficial acima da média (pouco profundo e com percentual considerável de argila). 63 . Tabela 6.3. conforme apresenta-se na Tabela Nº 10. mediante fatores de correção. onde AMC I corresponde a situações antecedentes mais secas que a média e AMC III a situações antecedentes mais úmidas (precipitações consideráveis nos cinco dias anteriores.3 – Correção dos Fatores CN para Diferentes Condições de Umidade 64 .Correções para situações diversas podem ser obtidas. com solo saturado). que nada mais é que uma chuva intensa que perdura justamente o tempo suficiente. estimado com base nas características da bacia. conforme os princípios básicos desta metodologia. num dado instante. Será adotado a chuva crítica. A duração.Determinação da vazão . denominado C. Intensidade Para estimar-se a intensidade da precipitação deve-se definir a equação que relaciona intensidade x duração x freqüência para a área de projeto. toda a bacia a montante da seção em estudo esteja contribuindo para a vazão de dimensionamento da seção. A= área em Km2. Os princípios básicos dessa metodologia são: - A intensidade da chuva é constante durante todo o seu tempo de duração. Tempo de concentração O tempo de concentração em bacias urbanas é determinado pela soma dos tempos de concentração dos diferentes trechos.7 . pois a duração é inversamente proporcional à intensidade. C= Coeficiente de escoamento superficial ou de deflúvio. para que. O tempo de concentração de uma determinada seção é composto por duas parcelas: 65 . Considera-se que estas condições permanecem constante durante a ocorrência da chuva. i= intensidade em mm/h.278 * C * i * A Onde: Q= Vazão em m3/s. - Duração da precipitação máxima de projeto é igual ao tempo de concentração da bacia. No Rio de Janeiro adota-se para cálculo de galerias de Águas Pluviais um período de retorno de 10 anos. - Adota um coeficiente de perdas. Admitese que a bacia é pequena para que essa condição aconteça. será igual ao tempo de concentração da bacia.6. A intensidade de uma precipitação vai depender ainda da freqüência do evento considerado.Método racional O método racional é largamente utilizado na determinação da vazão máxima de projeto para bacias pequenas ( < 3 Km2 ). A equação modelo é a seguinte: Q = 0. L1= Extensão do talvegue em Km. o tempo de percurso é a soma do trecho anterior + o trecho atual. H= máximo desnível na bacia medido ao longo de L . em m/m. Quando vários trechos de rede. p= porcentagem. Os trechos em condutos são calculados pela equação de movimento uniforme. em metros. utiliza-se o maior tc das bacias afluentes de montante.t c = t entrada + t percurso t percurso = L V O tempo de concentração inicial nos trechos de cabeceira de rede. - Cobertura. Nas diversos trechos de rede. em decimal.2 p ) * (100 * s ) 0. com tempos de concentração diferentes. Coeficiente de Escoamento O coeficiente de escoamento depende das seguintes características: - Solo. Outras expressões para o cálculo do tempo de concentração são: a) Fórmula de George Ribeiro: tc = 16 * L1 (1. ou seja. que corresponde ao tempo de escoamento superficial é muitas vezes adotado sendo mais usual o valor entre 5 e 10 min. 385 ) H Onde: tc= Tempo de concentração em min. afluem a um determinado trecho. s= declividade média do caminho L1.05 − 0. 66 . b) Fórmula de California Higways and Publics Roads ou de Kirpich: t c = 57 * ( L3 0.04 Onde: tc= Tempo de concentração em min. várias bacias. L= Extensão do talvegue em Km. da área da bacia coberta de vegetação. 20 – 0. - Intensidade Pode ser considerado também como a relação entre o volume escoado e o volume precipitado na bacia: C = Vescoado / Vprecipitado Alguns valores são apresentados na literatura para esse coeficiente: 1.70 Área Industrial - indústrias leves 0.10 – 0.50 – 0.30 – 0.90 - parques.60 – 0.45 - áreas com apartamentos 0.35 – 0.60 – 0.25 - playgrounds 0.40 - áreas sem melhoramentos 0.- Tipo de ocupação.70 Área Residencial - residências isoladas 0. cemitérios 0.40 – 0.50 – 0. - Tempo de retorno.35 - pátios ferroviários 0.10 – 0.75 - lotes com >2000 m2 0.50 - unidades múltiplas(separadas) 0.70 – 0.90 - Bairros 0.20 – 0.50 – 0.Valores de C por tipo de ocupação Descrição da Área C Área Comercial - Central 0.30 67 .80 - indústrias pesadas 0.60 - unidades múltiplas(conjugadas) 0. 70 – 0. superfícies arborizadas.85 0.85 De 360 a 600 0. Comercial Menor que 225 0. 0.95 Edificação não muito densa: Partes adjacente ao centro.60 0.85 0.70 Edificações com poucas superfícies livres: Partes residenciais com macadamizadas ou pavimentadas ruas 0.85 De 1000 a 10000 0.60 0.20 3. 0.70 a 0.85 De 225 a 360 0.10 – 0.70 0. densamente contruídas.60 – 0.85 De 600 a 1000 0. de menor densidade de habitações.Valores para “run-off” – Especificação para projetos de Drenagem Áreas dos lotes (m2) Uso Residencial/Unif.80 0.Valores C adotados pela Prefeitura de São Paulo (Wilken.25 Matas.80 0. de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas.2.80 68 .50 Subúrbios com alguma edificação: Partes de arrabaldes e subúrbios com pequena densidade de construção 0. campos de esporte se pavimentação 0.80 0.50 – 0. parques ajardinados.60 Edificações com muitas superfícies livres: Partes residenciais com macadamizadas ou pavimentadas ruas 0.40 a 0. parques e campos de esporte: Partes rurais.05 – 0. Residencial Multif. mas com ruas de calçadas pavimentadas. áreas verdes.85 0.25 – 0.70 a 0.1978) Zonas C Edificações muito densa: Partes centrais. m = 0. f= coeficiente de deflúvio. t= tempo de concentração (min) m= coeficiente de impermeabilização relacionado ao coeficiente de escoamento.0725 * C C m 0.). Este coeficiente tem a seguinte expressão: n = A− K 69 .25 0.80 0. recomenda-se considerar-se a homogeneização da precipitação em toda a área através de um coeficiente de dispersão de chuva.ha. n= coeficiente de distribuição.043 0. i= intensidade em mm/h.6.60 0.40 0.78 – coeficiente de transformação de unidade mm/h para l/s.029 0. da impermeabilidade do terreno.78 * n * i * A * f Onde: Q= Vazão em l/s.Método Racional Modificado por Ulisses Q = 2. 2. A= área em ha. De forma expedida ele é calculado através de fórmulas empíricas.8 . do tempo de concentração e inclusive da umidade do solo quando do início da precipitação.058 0. Entre elas citamos a de Fantolli: f = m (i * t ) 1 3 Onde: i= intensidade em mm/h. Coeficiente de Deflúvio O coeficiente de deflúvio depende do tipo de recobrimento existente na bacia.018 Coeficiente de Distribuição Para bacias de mais de 1ha (Rio de Janeiro) e mais de 50 ha (S.P. 15. No Rio de Janeiro. 70 . isto é. O coeficiente procura traduzir a suposição que o centro da chuva coincide com o centro da área da bacia contribuinte. No Rio de Janeiro adota-se 0. isto é. Isto nos dá um aumento do ”tempo de percurso” e consequentemente do “tempo de concentração”. pois durante o tempo gasto para encher os condutos até a seção plena para encher os condutos até a seção plena a velocidade fica menor do que aquela que deveria acontecer.Sendo: A= Área da bacia. K– coeficiente que depende da bacia.P.0. durante um certo tempo podem acumular uma determinada quantidade de águas de chuva.18 e 0. adota-se n=1. Em S.10. OBS: Método Racional x Método Racional modificado O método racional leva em conta somente a “capacidade de transporte” das galerias. o que comumente está compreendido entre 0. elas possuem uma “capacidade armazenamento”. n=1 vale até 50 ha. no caso da área ser menor ou igual a 1 ha. Não obstante. Isto nos permite racionar que podemos diminuir o “pico da cheia”. o volume que conduzem por unidade de tempo. O coeficiente também é chamado de distribuição. Sem obstrução à jusante ou seja. mesmo entre locais próximos entre si. depois de muitos anos e que mudanças freqüentes de local. que não sofra alterações). Na escolha do local de instalação das estações fluviométricas deve-se procurar um local do rio onde a calha obedece a alguns requisitos básicos: • • • • • • • • Boas condições de acesso à estação. Trata-se de uma escala graduada que pode ser de madeira. de metal (esmaltada ou não) ou. velocidades e vazões nos rios.1.7. a seguir será descritas a instalação de um posto fluviométrico. Portanto. a medição dos níveis. as velocidades e as vazões que por ela transitam. consequentemente. Presença de observador em potencial. os registros só produzirão resultados através de estudos e análises hidrológicas. Ao instalar uma estação fluviométrica. ambas margens bem definidas. Trecho reto. pintada sobre uma superfície vertical de concreto. sempre se deve levar em conta que. à uma bacia de contribuição. na maioria dos casos. 71 . por este motivo opta-se pelo registro dos níveis do rio e determina-se uma relação entre a vazão e o nível denominada curva-chave. Denomina-se “controle” a seção do rio que determina o nível de água no local para cada vazão Na maioria das vezes os fatores preponderantes na escolha da seção de controle são a facilidade de acesso e a existência de observador nas proximidades. e de fácil acesso durante as cheias. protegidas contra a ação de objetos carregados pelas cheias. levam à necessidade de se repetir muitos trabalhos. altas e estáveis. Os postos nos quais são medidos apenas níveis d´água tomam o nome de postos linimétricos. Os métodos fluviométricos sempre se referem a uma seção do rio e. Relação unívoca cota x vazão. Local de águas tranqüilas. Leito regular e estável (preferencialmente. a medição de vazão e a determinação da curva-chave 7. A avaliação diária da vazão por um processo direto (medição e integração do campo de velocidades na seção transversal) seria excessivamente oneroso e complicado. sem controle de jusante.Medição de Nível Régua Linimétrica Um dos instrumentos utilizados para se obter o nível de água é o linímetro ou. até mesmo. Nos postos ou estações fluviométricas são medidos os níveis d´água. de réguas linimétrica e linígrafos. Ela permite quantificar o regime dos rios caracterizando suas grandezas básicas.Fluviometria Fluviometria é o setor da hidrologia que trata das técnicas de medição de níveis d´água. como é comumente chamado. além de sempre gerarem um componente de incerteza nos estudos hidrológicos correspondentes. geralmente. já que é perfeitamente possível que um máximo ou o mínimo no intervalo entre as leituras. a invenção pura e simples do registro. atualmente. passível de cometer enganos na leitura. que deve. dentre outros. pessoa de pouca instrução e. resultantes de imperícia ou negligência do observador. que pode não ser representativas da situação média diária. sempre que possível. dentre outros. réguas linimétricas apresentam a desvantagens de fornecer apenas uma ou duas observações (em geral. com variações rápidas de nível. de mesmo valor. às 07h00min e às 17h00mim). a régua sofreu. para a leitura das réguas. Erros grosseiros. em virtude da oscilação. Os erros ditos sistemáticos são diferenças entre o nível de água correto e aquele registrado na régua. um deslocamento vertical. problemas causados pelos impactos da água em alta velocidade contra o suporte da régua. são decorrentes dos enganos do observador com relação ao lance de régua. fazendo com que sua origem não se situe mais na cota original. sempre. aparelhos registradores contínuos do nível de água. além de dificuldades naturais na leitura durante as cheias. quando o observador não realizou a leitura no dia em questão. costuma-se instalar. por um motivo qualquer. o linígrafo não dispensa a instalação da régua. portanto. Além destes problemas. isto é. é definido pela facilidade propiciada ao observador. Este tipo de erro nasce na instalação defeituosa da régua e independem do observador e são. 72 . já que o mesmo é. Uma causa frequente dos erros sistemáticos nas réguas linimétricas baseia-se no chamado deslocamento do zero.O tipo de régua a ser utilizado. Posto Linimétrico Régua Linimétrica Evidentemente que as leituras de uma régua linimétrica estão sujeitas a uma série de erros. em estações fluviométricas. a régua esmaltada. Para solucionar este problema. Linígrafos Tal como os pluviógrafos que sempre se instala um pluviômetro ao lado. denominados de linígrafos. uma vez por dia. um defeito mecânico do linígrafo. dentre outros. Existem dois tipos de linígrafos. eliminando as transcrições de dados que constitui uma importante fonte de erros nos equipamentos tradicionais. essa escavação é muito cara e trabalhosa. a um eixo que desloca um estilete munido de pena sobre um gráfico de papel. denominados de linígrafos de bóia e linígrafo de pressão. diretamente para o computador.ser lida normalmente às 07h00min e 17h00min ou. a escavação do poço e da construção dos condutos de ligação. em tempo real. exigindo. que exigem a implantação de redes telemétricas. detectar. normalmente. caso apresente avaria do aparelho. dentre outros. com o intuito. pelo menos. Este é um dos motivos que tem-se dado preferência ao linígrafo de pressão. substituir o registro do linígrafo. os valores dos níveis de água em um arquivo magnético (datalogger). já que o mesmo dispensa a construção do poço. Esquema de instalação de um linígrafo de bóia A grande desvantagem do linígrafo de bóia consiste na sua instalação ser dispendiosa. prontamente. cujo desenvolvimento recente resulta em um equipamento compacto e robusto de custo reduzido. Entre os linígrafos de pressão existe o linígrafo de bolhas. sendo que em locais onde há afloramento de rocha ou cobertura de solo muito pequena. até mesmo. existem situações. como na necessidade da previsão de vazões e precipitações com monitoramento. onde podem ser transferidos. o emprego de explosivos. também na medida dos níveis de água. Ao mesmo tempo um mecanismo de relógio faz o gráfico avançar na direção perpendicular ao movimento da pena e a uma velocidade constante. Os linígrafos de bóia possuem um flutuador preso a um cabo ou a uma fita de aço que transmite o seu movimento. Este tipo de linígrafo grava. decorrente de uma variação do nível de água. bem como do comportamento das bacias hidrográficas. 73 . de concepção mais antiga e atualmente pouco usado e o linígrafo com transdutor eletrônico de pressão. Assim como no caso das observações pluviométricas. O molinete com eixo vertical é. o comando de um contato elétrico que. Molinete Hidrométrico Este tipo de medição de vazão é utilizada para determinar a vazão em cursos de água natural e consiste em determinar a área da seção e a velocidade média do fluxo que passa nesta seção. Há uma preferência pelo molinete horizontal. nas partes 74 . O molinete com eixo horizontal. Como já foi mencionado anteriormente. por sua vez. em profundidades variadas. Os equipamentos mais utilizados para medir a velocidade da água são os molinetes e os ADCPs. aciona uma campainha ou um contador de revoluções. Amsler e Neyrpic. assim. a fim de determinar a vazão do curso de água. no qual consiste numa hélice calibrada ligada ao eixo de rotação que aciona. a velocidade média na vertical. Nestas verticais é realizada a medição da velocidade com molinetes hidrométricos. chamadas de verticais. também.Linígrafo com datalogger 7. Os molinetes podem ser classificados em dois tipos. A vazão ou descarga de um rio é o volume de água que passa através de uma seção transversal na unidade de tempo (em geral um segundo). por meio de uma rosca sem fim. através de uma engrenagem. chamado de diferencial. pois é movimentado pela diferença de pressão exercida pelo fluxo. originando. as mais comuns. em um número significativos de pontos. sendo que área é determinada por meio da medição da largura do rio e da profundidade em um número significativo de pontos ao longo da seção. OTT. sendo de eixo vertical e de eixo horizontal. essa vazão é associada a uma cota linimétrica determinada como mencionado no item anterior.2 – Medidas de Vazão Medição de vazão em hidrometria é todo processo empírico utilizado para determinar a vazão de um curso de água. sendo as marcas A. A seguir será descrito a determinação da velocidade do fluxo através da seção de controle. deve-se demarcar a seção do rio a ser medida com um cabo de aço graduado ou uma trena esticada de margem a margem. comumente. em virtude da dificuldade de manobra da embarcação. Para medir vazões dos pequenos cursos de água. é necessário um pouco mais de equipamento. com o molinete fixado numa haste graduada. necessita-se. botas ou macacão impermeáveis. o contador de rotações é um equipamento indispensável nas medições de vazão. assim. buscando permitir o posicionamento correto do molinete na seção. as medições podem ser realizadas “a vau”. além do molinete. Quando a medição é feita “a vau”. a realização do trabalho de batimetria da seção. a medição é realizada. Para rios muito pequenos. ou seja. já que é muito fácil distrair-se ao longo de quase um minuto de medição e. sendo o mesmo em função do tipo e tamanho do rio e da tradição da equipe de hidrometria. profundidades acima de 1m e/ou largura maior que 10m. como o molinete. trabalha-se. por isso. desde de que a profundidade não exceda a profundidade de 1m.côncava e convexa do conjunto de conchas. aos quais variam conforme o método empregado para a realização da medição. além de trena ou cabo de aço graduado e. haste graduada de fixação e contador de rotações. profundidade menor que 1m. Molinetes Molinete preso à haste (medição a vau) O método empregado para a medição. Nestes casos. a partir de embarcação e trabalhando-se com o molinete suspenso em um cabo de aço. uma série de outros equipamentos. haver um engano no número de toques. permitindo. Este molinete é mais sensível a baixas velocidades. Além do molinete. a medição utilizando barcos não é recomendada. por fim. no final. Este equipamento exige muita atenção na contagem dos toques. 75 . então. Quando os rios são maiores. sendo que estas mudanças é percebida através de alterações na constante “b”. No Brasil. atualmente.5145n + 0. de tempos em tempos.473 tem as equações: V= 0.OTT nº 9. em canais próprios. • Cálculo da velocidade média de cada perfil. para a CPRM.O molinete. visando detectar uma eventual mudança em suas características.007 para n>= 0. considerando o número de rotações por segundo.4853n + 0. deve-se evitar alterações na equação do molinete. em geral. • Levantamento do perfil de velocidades. dada por: V = n*a+b. ao ser adquirido vem acompanhado de um certificado de calibragem contendo a equação a ser utilizada no cálculo da velocidade. Exemplo: O molinete A.41 É muito importante que. onde n . o IPH possui um canal de aferição de molinetes e presta serviços. Molinete com o contador de giros Preparação da seção de medição A aferição dos molinetes é realizada. quando a calibragem detectar afastamentos pequenos nas constantes (<1%). O método para determinação da vazão consiste nos seguintes passos: • Divisão da seção do rio em um certo número de posições para levantamento do perfil de velocidades. que considera o efeito do atrito do molinete. sendo “a” o passo da hélice e “b” a velocidade de atrito. onde o aparelho fica preso a uma ponte que se move a velocidade constante e conhecida sobre o canal. a e b – constantes.número de rotações por segundo. • Determinação da vazão pelo somatório do produto de cada velocidade média por sua área de influência 76 .019 para n< 0.41 V= 0. se reafira o molinete. Porém. 0. 0.4.2. já que as medições são muito mais rápidas. como a impossibilidade de determinar a direção da velocidade e a avaliação mais precisa da profundidade.8. mas aí. ainda.8.00 2.20 a 2.10m. Profundidade (m) 0.P. é feita a batimetria.6.2.P e 0. o 77 . insubstituível. corrigir. dispensa a instalação de cabos de aço na seção e a utilização de lastros. os riscos pessoais.00 Posição 0. utilizada em Oceonagrafia.P e F. A posição S (superfície) corresponde à profundidade de 0.20 1. e a posição F (fundo) corresponde àquela determinada pelo comprimento da haste de sustentação do lastro.P. 0.15 a 0.6. a medição acústica de vazões vem corrigir algumas deficiências dos molinetes tradicionais.6. O método acústico baseia-se na medição e integração de áreas e velocidades como na medição com molinetes. Equipamentos acústicos . 0. o equipamento de embarcado é mais leve. em hidrometria. em que o método tradicional é.2. surge a Medição Acústica de Vazões.60 0. Em virtude das grandes dificuldades de se obter a medição de velocidades e direção de correntes com molinetes.ADCP Além das dificuldades de se obter medições de vazões. 0. 0. originou-se uma técnica.00 a 4. durante a travessia do canal com uma embarcação na qual o instrumento é afixado.P S.P.8.P e 0.P.6. As informações são obtidas pela análise do eco de pulsos de ultra-som (ondas acústicas de alta freqüência) refletidas pelas partículas sólidas em suspensão na massa líquida e pela superfície sólida do fundo. para os hidrometristas.2. em grandes profundidades. nem sempre. é paralela ao eixo e sua intensidade pode oscilar.00 Acima de 4. já que não depende do uso do lastro. Porém. Outra vantagem da medição acústica de vazões consiste em relação à segurança.P.P 0. Ao mesmo tempo. a Tabela a seguir fornece a posição na qual o molinete deve estar em relação a profundidade.P.P e 0.8. 0.Medida de vazão com molinete O número de pontos que devem ser posicionados os molinetes dependem da profundidade do curso de água em estudo.4. em rios muito rasos. são reduzidos. 0.P S. as imprecisões dos molinetes em avaliar as velocidades médias reais em escoamentos turbulentos e instáveis onde a direção da velocidade. já citadas.P 0.60 a 1. também. de calibragem. rotineira e fácil. Procura-se então estabelecer uma relação entre as duas grandezas. transmitindo pulsos sonoros de frequência fixa e escutando o eco que retorna das partículas em suspensão na água (sedimentos e plâncton). 7. e . normalmente uma parábola. Q). as componentes da velocidade. corrigindo estas informações com base nos dados dos seus sensores de temperatura e inclinação. feitas por algum dos métodos de medição. para medições a intervalos em reduzidos de tempo. Estes materiais. tabelados e plotados em eixos ortogonais. h= o nível d´ água em m (leitura na régua). sendo o par de valores (h. apresentando dificuldades operacionais e custos elevados. no que se refere a níveis d´água. A essa nuvem de pontos procura-se ajustar uma curva que pode ser arbitrária. fazendo uma média ou composição válida para cada conjunto de vertical de células. em campo. níveis d´água e vazões.levantamento da trajetória de travessia e dos perfis e direções de velocidades. movem-se com a mesma velocidade da massa da água em que se encontram. na escala ou no linígrafo. segundo a direção em que são emitidos os pulsos acústicos. Os equipamentos acústicos de medição de vazão (ADCP) utilizam o efeito doppler . Na realidade. O exemplo a seguir.3 – Determinação da Curva Chave As técnicas de medição ajudam a definir facilmente o regime do rio. K. informações que integradas fornecem a vazão que atravessa a seção. Desta maneira. Para obtenção da curva chave é preciso dispor da seção do posto fluviométrico e de algumas dezenas de medições diretas de vazões (Q). A equação da curva pode ser a de uma parábola de grau “m” expressa por: Q= K (h-e)m Onde: Q= vazão (m³/h). de descargas”. de hora ou minutos. na média. cotasdescargas. m são constantes para o Posto. com a instalação e observação diária. A essas medições corresponderão. Estabelecida a curva chave de um posto é fácil obter-se a hidrógrafa diária ou até a intervalos menores. diretamente. ou pelo registro contínuo do linígrafo. corresponder a uma equação matemática bem definida. tem a expressão da seguinte forma: 78 . O ADCP mede. a partir da transformação em vazões das leituras da escala linimétrica ou do registro do linígrafo. ou preferencialmente. relação que toma o nome de “curva chave. reduz-se o erro inerente à medidas isoladas. e – corresponde ao valor de h quando Q=0. o ADCP emite vários pulsos acústicos para medir a velocidade da água e vários para medir a profundidade e a velocidade da embarcação. do Rio Sitiá em Pedras Brancas. leituras de nível d´água ou cotas fluviométricas. de uma escala linimétrica. Com referência às vazões o problema toma outro aspecto. traçada a sentimento. 26 Figura 8.55)2.77 (h – 1.1 – Determinação da curva chave do Rio Sitiá em Pedras Brancas 79 .Q= 19. Os modelos usualmente utilizados para representar o escoamento superficial têm sido classificados em lineares e não lineares e. • • Modelos lineares e não lineares: Um modelo é matematicamente linear quando a equação diferencial do mesmo é linear. Vamos utilizar os modelos lineares. sendo os modelos empíricos aqueles que utilizam funções empíricas que não estão relacionadas com os fenômenos físicas. Este é um caso onde não vale o simples conceito de superposição. do tempo que ela está se desenvolvendo e até da sua distribuição sobre a área da bacia. mas permitem retratar a saída do sistema em função da entrada. 8. Por exemplo: o tempo de chegada de uma precipitação ao exutório depende da sua própria intensidade. A vazão após um intervalo de tempo ∆t fica: Q(1) = P1 * h1 A vazão após 2 intervalos de tempo fica: Q(2) = P1 * h2 + P2 * h1 Então: Q(t ) = ∑ Pi * ht − j +1 ( Equação de Convolução) t i= j 80 . Em uma modelagem como esta seria necessário usar parâmetros que calibrassem o modelo dependentes da própria variável dependente.1.Modelos do Escoamento Superficial Na natureza o escoamento se desenvolve de forma não linear.2 Determinação do Hidrograma Unitário Define-se o Hidrograma Unitário (HU) como a resposta da bacia a uma precipitação de volume unitário de duração ∆t.Hidrograma Unitário 8. ou seja. O HU é utilizado. Modelos empíricos e conceituais: Um modelo é dito conceitual quando as funções utilizadas na sua elaboração levam em consideração os processos físicos. normalmente com intervalo de tempo igual aos das precipitações.8. existe uma auto dependência dos fatores que o geram. em empíricos e conceituais. entre outros fatores. Para que a precipitação tenha um volume unitário e ocorra no intervalo de tempo ∆t. com ênfase no hidrograma unitário. que utiliza um método empírico de estimativa das ordenadas. a sua intensidade deve ser 1/∆t. seria um modelo dito não-linear. isto porque sua velocidade de transporte sobre o solo (escoamento superficial) depende da lâmina d’água formada sobre ele. ou seja. Esse intervalo não deve ser muito pequeno párea evitar o processamento de uma quantidade exagerada de informações. Intervalo de tempo: (∆t) A escolha do intervalo de tempo ou duração ∆t da precipitação. Hidrograma Unitário (HU) e Hidrograma Q(t) para as precipitações P1. depende do tempo de resposta da bacia. j=1 e para t>n. Distribuição temporal uniforme: A intensidade da precipitação é constante no intervalo de tempo.SCS (1957) Isto indica que os autores procuram ter entre 3 e 5 pontos para representar a ascensão do hidrograma de escoamento superficial. ou seja.Snyder (1938) ∆t= tp/3.Para t<=n.5 . Sherman (1949) sugeriu o seguinte: 81 . j=t-n+1. Distribuição espacial uniforme: A precipitação é a mesma em toda a bacia no intervalo de tempo de cálculo. admite a superposição dos efeitos e HU constante no tempo.. O tempo de pico tp tem sido utilizado como indicador para obtenção do valor do intervalo de tempo ∆t. onde ocorrem os maiores gradientes. ∆t= tp/5. Deve-se procurar escolher o intervalo de tempo mais conveniente entre os valores mencionados. P2 e P3 As simplificações do HU que o tornam um sistema linear têm como premissas: • • • • Linearidade: O modelo admite que a transformação de precipitação efetiva em vazão é linear invariante. O intervalo de tempo deve ser suficientemente pequeno para que a distribuição do volume e dos valores máximos instantâneos não sejam distorcidos. onde n é o número de ordenadas do HU. 6 e tm = tc + 0. adotar critérios anteriores. como: O tempo de concentração (tc) da bacia pode ser calculado segundo o método de Kirpich: L3 tc = 57 * H 0 . S : declividade. Sendo o HU uma função do tempo de duração da chuva (t) e sua respectiva altura (h). tempo de retardo e o tempo de concentração se relacionam segundo as seguintes equações: tc = tp 0. 385 onde: L : comprimento do rio principal em km. H : diferença de elevação entre o ponto mais remoto da bacia e a seção principal. tc : tempo de concentração em minutos. t). ∆t entre 6 e 12 h. Existem expressões para cada uma destas variáveis e/ou relações entre si.6tc O tempo de pico tem sido expresso por uma função do tipo: L * Lcg tp = C * S n onde: L : comprimento do rio principal: Lcg: comprimento pelo rio principal da foz até o ponto mais próximo ao centro de gravidade da bacia. C e n :parâmetros estimados para cada local de interesse. A determinação do HU característico de uma bacia vai depender do tipo de informação que se tem sobre ela. A escolha dos valores de t e h deve ser em função das características da bacia. ∆t entre 12 e 24h. O tempo de pico e o tempo de concentração podem ser estimados por equações empíricas estabelecidas para diferentes regiões. c) para bacias com área menor que 250 km². sua representação costuma ser HU (h. b) bacias com área entre 250 e 2500 km². 82 .a) bacias com área > 2500 km². O tempo de pico. e é complexo quando mais de um intervalo de precipitação gera escoamento. todos os eventos deveriam produzir o mesmo HU. 83 . d) Repete-se o procedimento para diversos eventos isolados da bacia. em alguns casos. Neste caso procede-se da seguinte forma: a) Separe os escoamentos através dos medos apresentados. c) Subdivide-se o hidrograma de escoamento superficial em intervalos iguais de tempo.8. sendo Qi as ordenadas do hidrograma observado (superficial). e) Faz-se a seguinte verificação final: o volume do HU deve ser igual à área da bacia multiplicada pela chuva unitária.2. precipitações extremas com duração menor ou igual ao intervalo de tempo ∆t escolhido e com distribuição temporal espacial uniforme é possível estimar o HU sem grande dificuldade. as ordenadas do HU serão: hi (HU) = Qi /he Observação: na prática costuma-se utilizar como precipitação unitária uma chuva de 1mm ou também. chuvas de 10mm. então. b) O volume precipitado em mm é obtido do valor de Pef ou se for desconhecido para o evento. determinando-se as ordenadas do hidrograma de escoamento superficial e a precipitação efetiva. mas as aproximações envolvidas fazem com que se observem diferenças nos diversos HU definidos. definir um HU médio (média aritmética simples. nos registros. ordenada por ordenada). devendo-se. Determinação do HU para um Evento Simples (considerando-se uma chuva uniforme unitária em um intervalo Dt) Quando existem. a partir do somatório das vazões e convertidos em mm por: he = ∑ Q Nd i A(áreabacia ) * 10 3 (mm) Onde Nd= número de segundos do intervalo de tempo: A (km²) e Qi= vazão do intervalo i.1-Em bacias com dados históricos Quando existem dados históricos é possível determinar o HU com base em eventos em que foram registradas precipitações e vazões no intervalo desejado. já que ele é uma característica particular da bacia. O evento é simples quando apenas um intervalo de precipitação gera escoamento superficial. então. Os dados são selecionados segundo eventos. Q2.....9882 84 .3035 Σ 0.......Determinação do HU para um Evento Complexo (no caso de haver uma precipitação discretizada em mais de um intervalo de tempo) Quando são conhecidas as vazões e precipitações e desconhecidas as ordenadas do hidrograma unitário........ Exemplo: Dt 1 2 3 4 P (mm) 10 20 K=4–2+1=3 Q (m3/s) 3 9 12 6 h1... onde n é o n..... portanto é um problema com infinitas soluções..º de ordenadas da precipitação. P1... no caso de eventos compostos tem-se o sistema: Q1 = P1*h1 Q2 = P1*h2+ P2*h1 Q3 = P1*h3+ P2*h2 + P3*h1 ... Sejam os registros de precipitação com intervalo de tempo ∆t....... o problema possui mais equações do que incógnitas......2435 h2 = 0..... todos em um mesmo intervalo de tempo.. As vazões resultantes desses registros de precipitação para o mesmo intervalo de tempo são Q1. Assim como no caso de eventos simples onde o hidrograma era formado por Q = P*h... h3 O sistema a ser resolvido é: 10h1 =3 20h1 + 10h2 =9 20h2 + 10h3 = 12 20h3 = 6 Tendo-se como resultado (resolvendo-se por calculadora) : h1 = 0........º de ordenadas da vazão e m o n.. h2..Qn. O número de ordenadas do HU (K) será dado por K = n – m + 1..... Para a resolução desta matriz procede-se da seguinte forma: P*h = Q PT P*h = PT*Q X*h = PT*Q h = X-1* PT*Q onde: PT é a matriz transposta dos dados das precipitações... P2.... num evento complexo.Pm......4412 h3 = 0.. o tempo de ascenção) que sintetiza os efeitos das características físicas da bacia sobre o hietograma de chuva excedente. pode-se distribuir o erro proporcionalmente aos valores. sendo a base do triângulo o tempo de duração deste escoamento (tb) e a altura representa a vazão de pico (Qp). representam o hidrograma em forma de um triângulo.2464 h2 = 0.2. A área do triângulo representa o volume de escoamento superficial (Vesd). então: h1 = 0. neste caso. O parâmetro mais importante.3071 Σ 1 8. geralmente. é o tempo de retardamento (ou seu assemelhado.bacias sem dados de Chuva X Vazão Neste caso é necessário o cálculo de forma indireta através dos hidrogramas unitários ditos sintéticos. Sendo assim tem-se: Vesd = Q p * tb 2 É usual exprimir-se o valor de tb em função do tempo de pico (tb) ou tempo de ascenção.Como o somatório não atingiu o valor 1. Hidrograma Triangular A representação do hidrograma por meio de um triângulo permite a obtenção de uma série de relações. obtendo-se. que constituem a base da maioria dos métodos de hidrogramas sintéticos.4465 h3 = 0. como o Método do Soil Conservation Service (SCS) Os hidrogramas sintéticos determinam a forma do hidrograma e. portanto a vazão de pico a partir de parâmetros relacionados com as características físicas da bacia e. tem-se: Vesd = A * hexc Para uma unidade de chuva excedente (hexc=1) : Qp = 2* A (1 + X ) * t p 85 .2 Hidrograma Unitário Sintético . da seguinte forma: t b = t p + X * t p = (1 + X ) * t p Lembrando que o volume de escoamento superficial é o produto da área da bacia (A) pela chuva excedente hexc. segundo Wanielista. o parâmetro X (fator de decaimento) é fixado em 1.78 * C p * tp tp Para hexc=1 cm. ou seja: Q p = 2. Estes parâmetros são variados segundo os autores. área da bacia em km². resultando portando em um fator de redução de pico (Cp) de 0. a área é igual ao volume precipitado . portanto com a relação entre tb e tp pois tp/tp=1+X. maior será o armazenamento da bacia. ou seja.08 * A tp O tempo de pico (tp) contado do início da precipitação e é igual a: onde: tp = ∆t/2 + 0. A tabela a seguir apresenta alguns valores para estes parâmetros de hidrogramas triangulares. O Método do Soil Conservation Service (SCS) O hidrograma sintético do SCS é um hidrograma adimensional desenvolvido a partir de bacias agrícolas dos Estados Unidos.75. Quanto maior o valor de X.Determinando que: Cp = 2 (1 + X ) Tem-se: Qp = C p * A A ou Q p = 2. tp em horas e Qp em m³/h O valor de Cp está relacionado com o valor de X e .67.78 * C p * A tp Para o SCS. fator de atenuação do pico. Como apresentado nos hidrogramas triangulares.6*tc 86 . Então: q p = 2. maior será a duração do escoamento superficial tb e mais abatido será o pico. O parâmetro X foi denominado de fator decaimento e Cp. 133 * t c . em horas. em horas. o hidrograma triangular do SCS é um hidrograma unitário de duração ∆t = 0.∆t = intervalo de tempo da precipitação.133 * t c Sendo assim. 87 . tc = tempo de concentração. O hidrograma em questão corresponde a uma duração de chuva unitária: ∆t = tp 5 ou seja ∆t = 0. 7 litros de água precipitada em uma área de captação de 300 cm².5 2- Qual a probabilidade de uma cheia maior ou igual à cheia de 25 anos ocorrer nos próximos 2 anos? 3- Para se calcular a precipitação média em uma bacia é necessário utilizar as observações das estações pluviométricas que têm influência sobre esta. será: (a) 5- 107. D= 40 mm. em mm.EXERCÍCIOS 1- Após 75 minutos de chuva. para a mesma precipitação.8 (b) 81 e 108 (c) 90 e 72 (d) 90 e 120 (e) 90 e 67.5 (b) 110 (c) 112 (d) 115 (e) 117. o seguinte: M= 80 mm. N= 90 mm. Sabe-se ainda que a média das precipitações da série histórica nessas quatro estações é: M= 100 mm. obteve-se o volume de 2. B= 55 mm. A tabela apresenta as velocidades e comprimentos dos trechos do curso d´água. a precipitação média sobre a bacia hipotética da figura. preenchidas falhas e verificada a consistência dos dados. R= 150 mm. Sendo assim.5 Você foi encarregado de calcular a vazão para dimensionamento de um vão de ponte a ser construído na foz da bacia hidrográfica da figura abaixo pelo método racional. S= 105 mm. definida topograficamente pelas linhas em negrito. por este método. sabendo que as outras estações dentro da mesma região hidrometeorológica registraram. sabendo que as precipitações dos postos são: A=30 mm. Determine. Pelo Método de Thiessen. R= perdido. Um dos métodos de preenchimento de falhas é o método da ponderação regional. o registro da precipitação na estação R. por: (a) 81 e 64. é: (a) 4- 42 (b) 43 (c) 45 (d) 48 (e) 50 Antes de usar uma série de dados de precipitação de um posto pluviométrico devem ser detectados erros grosseiros. S= 140 mm. o curso d´água. E= 25 mm. F= 48 mm. Na figura. A quantidade (mm) e a intensidade média de chuva (mm/h) serão dadas. C= 60 mm. respectivamente. o registro perdido de uma precipitação na estação R. a linha fina representa os divisores topográficos e as linha grossas. N= 120 mm. 88 . em mm. 13 800 a 900 m 45.25 1100 a 1200 m 89.15 (t + 20)1. planimetrando-se as áreas compreendidas entre curvas de nível. no Rio de Janeiro. c) A altitude média. b) Curva hipsométrica.62 900 a 1000 m 215 1000 a 1100 m 281.1 por ano.Qual o tempo de concentração na seção de projeto. desprezando-se o tempo de equilíbrio? 6- (a) 36 (b) 40 (c) 56 (d) 60 (e) 76 Considerando a equação da intensidade-duração-frequência indicada para o posto do Jardim Botânico. sabendo-se que a chuva crítica tem duração de 15 min e ocorre com uma freqüência de 0. em minutos. Dado: 7- i= 1239T 0.38 1200 a 1300 m 20. em um mapa na escala 1:50. considerando que este seja dado apenas pelo tempo de viagem na calha. de 100 em 100 m de uma bacia hidrográfica de área igual a 658 Km2 e perímetro igual a 142. 074 Suponha que.000. obteve-se os seguintes Dados: Curvas de nível 700 a 800 m Superfície (Km2) 6. isto é. calcule a intensidade da chuva. 89 .62 Determine: a) Coeficiente de compacidade.50 Km. Considerando que as áreas previstas para cada coletor serão iguais. tem como projeto.8- Considera-se para o dimensionamento de estruturas de abastecimento de água que um habitante de uma cidade consome cerca de 200 litros de água por dia. sendo fornecidos os dados da tabela 1: 10.Uma cobertura. ligado a um grande reservatório.Delimite a bacia hidrográfica definida pelo ponto A na figura abaixo: 90 . Um telhado de uma residência com 100 m2. isto é. 9- Calcular a declividade média do curso d’água principal da bacia abaixo. é suficiente para abastecer de água uma pessoa que mora sozinha? Suponha que o telhado é perfeitamente impermeável e que a precipitação média no local seja de 1200 mm por ano. a previsão de 06 (seis) coletores de captação de águas pluviais. 6 m³/mês. Dado: i= 1239T 0. para uma chuva de intensidade máxima com duração de 5 min e Tempo de Recorrência de 01 ano. de área retangular 100 x 300m.Qual seria a vazão de saída de uma bacia completamente impermeável.15 (t + 20)1. pede-se a vazão de cada descida. 074 11. com área de 17 km². sob uma chuva constante à taxa de 5 mm/h? 12. 0 hm³.Transforme uma vazão média de 10m³/s em mm para uma bacia de área de 500 km². usando. em hm³. Se ocorrer nessa bacia uma precipitação de 20 mm.2 mm. b) 83.1 mm.Quais são os tipos de precipitações? Qual o tipo que interessa às obras em pequenas bacias hidrográficas. 117. ambas com duração de 1 hora.Em uma bacia hidrográfica estão instalados cinco postos pluviométricos cujas áreas de influência estão indicadas na tabela abaixo. seguida de uma precipitação de 30 mm.0 hm³ 118.Qual a bacia hidrográfica que está sujeita a ter mais enchente? Por quê? Dados: .3 mm.2 mm.4 mm. como construções de bueiros? 19. 138.8 hm³. 124.6 mm. 18.13. qual o valor da vazão de pico e em que tempo ocorrerá esta vazão. 148. os métodos da média aritmética e dos polígonos de Thiessen. 138900. 138. a altura de chuva média e o deflúvio pluvial correspondente. 153600. 14. Posto Área de Influência (km²) Altura de Chuva (mm) A 327 83 B 251 114 C 104 60 D 447 136 E 371 70 Conhecidas as alturas de uma chuva intensa ocorrida.3 mm.A tabela abaixo apresenta a resposta de uma bacia hidrográfica à ação de uma chuva com altura de 10 mm e duração de 1h.9 hm³ 99. 17. e) 92. respectivamente? Tempo (h) 0 1 2 3 4 5 6 Vazão (m³/s) 0 5 15 12 8 5 0 91 . .0 hm³ 99.6 hm³. onde à medida que a água cai no recipiente coletor a pena da caneta do pluviógrafo registra a altura relativa ao peso da água do recipiente. pergunta-se: (a) Qual foi a intensidade média da precipitação entre 6 e 16 horas do dia 10 de agosto? (b) Qual a precipitação total do dia 10? (c) E o dia 11? (d) Determine a maior intensidade de 60 min. 20.9 hm³ 99. são: a) 92.Bacia A tem área de drenagem = 212 km² e perímetro = 75km. 89.2 mm. d) 92. Sabendo-se que o 0 no eixo do tempo corresponde a 0 hora do dia 10 de agosto de 1971.Bacia B tem área de drenagem = 42 km² e perímetro = 23 km. c) 102.O seguinte gráfico representa uma parte do registro de precipitação em dada estação.Cite e explique os principais processos que ocorrem em um ciclo hidrológico. 16.Qual foi a altura de chuva registrado por um pluviômetro que tem área coletora de 500 cm² e captou um volume de 4600 ml? 15.6 mm.6 mm. 124.0 hm³. 177450.8 hm³. respectivamente.7 hm³ 78. 2 0.8 1 Coeficiente de deflúvio (%) 35 40 25 91 Chuva de Campo Grande: i= 891. A bacia tem as seguintes características: solo tipo C. Determine o HU para uma precipitação isolada de 1h. 689 22. cobertura de com plantio convencional. com cobertura vegetal de 20%. 92 . é? Dados: Tipo de Uso do Solo Área ( km²) Mata Prado Cultivo Zona Urbana Pavimentada 0. em m³/s.As precipitações máximas de uma bacia são apresentadas na tabela abaixo. A vazão de dimensionamento no vão da ponte pelo Método Racional. i. das precipitações máximas apresentadas na tabela.6 1. ii. tempo de concentração de 4 horas. foi indicado que se avaliasse a vazão para um tempo de recorrência de 50 anos.67 * T 0.O escoamento superficial de uma bacia com área de 36 km² é apresentado na tabela abaixo.187 (t + 14) 0. Determine o escoamento superficial máximo para as precipitações de 15 mm e 20 mm Tempo 1h 1 2 3 4 5 Vazão superficial 3 M /s 5 45 37 19 4 24. Determine a precipitações efetiva e o hidrograma resultante até o pico.21. considerando uma bacia com área de drenagem A= 8km². área de drenagem 2 de 35 km .03 m/m e CN=85. comprimento do talvegue = 3km. pelo método SCS. Considere que para a região a equação de chuva utilizada é a de Campo Grande e que o tempo de concentração estimado para a bacia foi de 25 min. declividade média = 0. Tempo H 1 2 3 4 Precipitação mm 10 15 45 18 23.Calcule a precipitação efetiva.Ao construir uma ponte na foz da bacia hidrográfica. 18 (B) 0.: TR em anos.72 27. e espera-se que.32 m².0 m 2. A2= 6.55m/s 1. o bueiro tenha um risco permissível de falha de 25%. A bacia encontra-se em área rural. também pelo método SCS. durante essa vida útil.0 m V3=0. (A) 0.1 m 2. sabendo que as curvas I-D-F para um posto pluviográfico localizado nesta bacia são dadas por: i má x = ( TR ) 0.2 m V2=0. tempo base de seis horas e tempo de pico de duas horas.36 (D) 0.40m/s 1. td em minutos e imáx em mm/h. em sua foz.35m/s 1.5 m NA 1.24 (C) 0.A medição de descarga em uma seção transversal de um curso d’água conduziu às velocidades médias nas verticais apresentadas na Figura 1. o hidrograma unitário sintético. um hidrograma de cheia triangular com vazão de pico de 10 m³/s. A estrada está sendo projetada para uma vida útil de 20 anos.0 m 1.0m² A3= 2.Sabendo-se que o coeficiente de Runoff ou de escoamento relaciona o volume precipitado com o efetivamente escoado determine-o para uma bacia hidrográfica de 100 km² que. após uma precipitação de 30 min de duração com uma intensidade de 30 mm/h produziu.67.72 510 Obs. V1=0.Calcule e trace.48 (E) 0. determine a vazão de projeto para o dimensionamento deste bueiro. para a bacia da questão anterior. Calcule a vazão de escoamento da seção considerando as seguintes áreas de influência A1=1. 26. 28. utilizando o fator de decaimento de 1. tendo seu curso d’água principal um comprimento de 2500m e um desnível de 3m/km.196 ( t d + 10) 0.Um bueiro de uma estrada deverá drenar uma bacia de área de 150ha.8 m 93 .Tempo H 1 2 3 4 Precipitação mm 10 15 45 18 25. apresenta terreno arenoso e tem 80% de sua área cultivada e 20% com cobertura de mata nativa.7m².
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