Introducao e Bacia Hidrografica
-
Upload
ayslantorres -
Category
Documents
-
view
112 -
download
2
Transcript of Introducao e Bacia Hidrografica
HIDROLOGIA
Disciplina:
Raimundo Glauber L Cunha Eng. Civil Especialista em Gestão Recursos Hídricos MSc. Recursos Hídricos
Professor:
PROGRAMA DO CURSO
• Aspectos Introdutórios
• Ciclo Hidrológico
• Bacia Hidrográfica
• Precipitação
• Evaporação e evapotranspiração
• Infiltração
• Escoamento Superficial
• Hidrograma unitário
Bibliografia básica
• MATTOS, Arthur; VILLELA, Swami M. Hidrologia Aplicada. São Paulo: McGraw-Hill, 1975. PINTO, Holtz; MARTINS, A. C. T. Hidrologia básica. São Paulo: Edgard Blucher, 1976. LANCASTRE A. Hidrologia básica. São Paulo: Edgard Blucher, 1996.
• TUCCI, C.E.M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. Coleção ABRH Vol 4. São Paulo. 1999.
• Lucas Nogueira Garcez e Guillermo Acosta Alvarez - Hidrologia
“Hidrologia é a ciência que trata da água na terra, sua
ocorrência, circulação e distribuição, suas
propriedades físicas e químicas, e suas reações com o
meio ambiente, incluindo suas relações com a vida” (
citado por Ven TeChow, 1959)
Conceito de Hidrologia:
Algumas áreas de subdivisão da Hidrologia:
A) Hidrometereologia - estudo a água na atmosfera;
B) Limnologia - estudo dos Lagos e Reservatórios;
C) Potamologia - estudo dos Arroios e Rios;
D) Hidrogeologia - trata da água subterrânea;
E) Glaciologia - estudo da neve e gelo.
Aplicações na Engenharia: • Escolha de mananciais para abastecimento d´água. • Projeto e construção do obras hidráulicas: pontes, bueiros , barragens, etc. • Drenagem: - estudo das características do lençol freático: precipitação, bacia de contribuição, nível dos cursos d´água. • Irrigação: - escolha do manancial - estudo da evapotranspiração e infiltração •Regularização dos cursos d´água e controle de inundações. •Aproveitamento hidroelétrico – Previsão de vazões máximas, mínimas e médias. •Controle de poluição – Análise da capacidade de diluição do curso d´água. •Controle de erosão – Análise da intensidade e frequência das precipitações máximas, e determinação dos coeficientes de escoamento superficial.
Definição 1 - é o fenômeno global de circulação fechada
da água entre a superfície terrestre e atmosfera,
impulsionado fundamentalmente pela energia solar
associada à gravidade e a rotação terrestre.
Desenvolve-se ao longo das 3 camadas no planeta terra:
A) Superfície terrestre - engloba os continentes (solos e
rochas) e oceanos (reservatórios);
B) Troposfera - fina camada inferior da atmosfera com 8
(polos) a 16 Km (equador) de espessura e apresenta 90 %
da umidade atmosférica; principal meio de transporte de
massa e quantidade de movimento dando origem aos
principais fenômenos meteorológicos.
C) Estratosfera - acima da troposfera, tendo espessura de
40 a 70 Km, contém a sub-camada de Ozônio que regula a
radiação solar que atinge a superfície terrestre; apresenta
uma menor variação vertical da temperatura.
Ciclo Hidrológico
Ciclo Hidrológico
Definição 2 - Entende-se por ciclo hidrológico a caracterização do comportamento natural da água quanto as suas ocorrências, transformações e relações com a vida humana.
• Evaporação da água (oceanos, lagos e rios). • O vapor é transportado pelo movimento das massas de ar. Sob determinadas condições, o vapor é condensado, formando nuvens. • A precipitação que ocorre sobre a terra é dispersada de várias formas (retenção no solo, evaporação e transpiração das plantas, interceptação das plantas, infiltração e escoamento).
Reservas de água no planeta – ( Peixoto e Oort -1990)
Oceanos = 1350 x 1015 m3
Geleiras = 25 x 1015 m3
Águas Subterrânea= 8,4 x 1015 m3
Rios e Lagos = 0,2 x 1015 m3
Biosfera = 0,0006 x 1015 m3
Atmosfera = 0,013 x 1015 m3
= > 97,57 %
= > 1,81 %
= > 0,61% 98%
Águasubt
= > 0,0145%
= > 0,00004 %
= > 0,0009%
Esta quantificação estática só deixa transparecer a
importância relativa na dinâmica do ciclo da água na
reserva do oceanos.
6.2 milhões km2
40 % da América do Sul
> 10 milhões de pessoas
8 países
Bacia Hidrográfica
A bacia hidrográfica ou
bacia de drenagem é uma
área de captação natural
da água da precipitação
que faz convergir os
escoamentos para um
único ponto de saída, seu
exutório. Compõe-se de um
conjunto de superfícies
vertentes e de uma rede de
drenagem formada por
cursos de água que
confluem até resultar um
leito único no exutório.
• OUTRA DEFINIÇÃO DE BACIA HIDROGRÁFICA : (ou bacia de drenagem) é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou por um sistema de cursos d’água, tal que toda vazão efluente seja descarregada através de uma simples saída.
• Uma bacia é sempre contornada por um divisor, que é a linha fixa entre bacias vizinhas, dividindo as precipitações que ali caem, encaminhando o escoamento superficial resultante da precipitação para um ou outro sistema fluvial.
DIVISORES
A bacia hidrográfica é delimitada geograficamente pela topografia e por um
divisor subterrâneo.
Divisor Topográfico - linha de separação que divide as precipitações que
caem em bacias vizinhas fixando a área que provém o escoamento
superficial. O divisor une os pontos de máxima cota em torno da bacia, o
que não Impede de que no interior de uma bacia existam picos isolados
com cota superior a qualquer ponto do divisor.
Divisor Freático – é em geral , determinado pela estrutura geológica dos
terrenos e portanto, estabelece os limites dos reservatórios de água
subterrrânea. Os divisores dificilmente coincidem, quanto mais alto o nível
do lençol freático, mais próximos entre si estarão os divisores
Divisores
Topográfico • une pontos de maior cota em torno do sistema de drenagem; • fixa a área que provém o deflúvio superficial; • condicionado pela topografia.
Freático • fixa a área de onde provém o deflúvio subterrâneo; • condicionado pela estrutura geológica do Terreno.
Delimitação da Bacia Hidrográfica
1. Destacar na carta
planialtimétrica e hidrográfica a
seção de saída ou ponto de
controle desejado.
2. A linha do divisor de águas
deve ser perpendicular às
curvas de nível e deve contornar
a bacia ligando os pontos de
maior altitude.
3. Da maior para menor altitude
o divisor corta as curvas de nível
pela parte côncava
4. O divisor corta o rio principal
apenas na seção de referência.
Localização
Grosseira
do Divisor
Destaque da
Rede de
Drenagem
Localização de
Pontos Altos e
Cotados
Junção dos pontos altos
As figuras a seguir
representam as quatro
partes em sentido anti-
horário
Delimitação da bacia hidrográfica utilizando modelo numérico do terreno e imagem satélite
A bacia pode ser vista como o volume de controle
para a gestão de recursos hídricos
Balanço Hídrico
Segundo TUCCI (2003) - Bacia Hidrográfica - é
um sistema físico onde a entrada é o volume de
água precipitado e a saída é o volume de água
escoado pelo exutório, considerando-se como
perdas intermediárias os volumes evaporados, e
transpirados .
Balanço Hídrico: É o balanço feito entre a quantidade de água que entra no sistema (bacia hidrográfica) – quantidade de água que sai do sistema em determinado intervalo de tempo.
I – O = S => Equação do balanço hídrico (ou
Equação hidrológica)
Onde:
I = Input (entradas); O = Output (saídas);
S = Variação no armazenamento
Levando-se em consideração os processos do
ciclo hidrológico a equação acima pode ser
descrita da seguinte forma:
P – Q – ETP = S onde: P – Precipitação; Q–
Escoamento ETP– Evapotranspiração.
Balanço Hídrico
Exercício sobre balanço hídrico
1 – Qual será a vazão de saída de uma bacia completamente
impermeável, com área de 60 km2 sob uma chuva constante a
taxa de 10 mm/h. obs: desprezar perdas por evapotranspiração.
Resp: 167 m3/s
2 - A região da bacia hidrográfica do rio taquari recebe
precipitações médias anuais de 1600 mm. Em muçum (RS) há
um local onde são medidas as vazões deste rio e uma análise de
série de dados ao longo de 30 anos revela que a vazão média é
de 340m3/s. Considerando que a área da bacia neste local é de
15 000 km2 , qual a evapotranspiração média anual nesta bacia?
Qual o coeficiente de escoamento superficial?
Resp: 885 mm/ano
3 - Uma determinada bacia hidrográfica de 150 Km2 recebe
anualmente em média 1100mm de precipitação, apresentando
uma descarga total média anual no exutório de 900 l/s. Qual a
variação de armazenamento da bacia em m3/ano?
Resposta: 136,6 x 106 m3/ano
4 - Uma determinada bacia hidrográfica de 150 Km2 recebe
anualmente em média 1100 mm de precipitação, apresentando
uma vazão média anual de 900 litros por segundo. A
construção de um reservatório vai afetar o balanço hídrico ao
intensificar todas as perdas. (evaporação, infiltração profunda,
etc). A nova vazão resultante é de 3060 m3/h. Pergunta-se
qual a porcentagem de acréscimo das perdas nesse novo
cenário?
Resp = 1,16%
Exercício sobre balanço hídrico
5 - Em um dado ano, uma bacia hidrográfica com área de drenagem igual a 2.500 km² recebeu 130 cm de precipitação. A vazão média medida na sua exutória foi 30 m³/s. Estime a quantidade de água perdida pelos efeitos conjuntos da evaporação, transpiração e infiltração para o lençol subterrâneo. Qual o escoamento superficial que atinge a exutória, por ano, em centímetros? Qual é o coeficiente de
escoamento superficial? Resp: 921,6 mm/ano; 37,84 cm/ano; 29%
6 - Um lago com área de superfície de 210 hectares foi monitorado durante um certo período de tempo. Durante o período de um mês, a vazão de entrada foi de 0,85 m³/s e a saída de 0,69 m³/s tendo-se medido uma perda por infiltração de 3,8 cm. Durante o mesmo mês, a precipitação total foi de 10,8 cm. As perdas por evaporação foram estimados em 15 cm. Estime a variação do volume armazenado no lago durante esse período.Resp:11,7 cm/mês
Classificação dos Cursos d´Água
Perenes – Estes cursos d´água contém água durante todo o
tempo, alimentados continuadamente pelo lençol subterrâneo
que sempre permanece acima do leito do curso d’água,
mesmo nas secas mais severas
Intermitentes – Estes cursos d’água escoam durante a
estação chuvosa, transportando todos os tipos de deflúvio,
pois o lençol d’água subterrâneo conserva-se acima do leito
fluvial (alimentando o curso d’água). Na época da estiagem,
quando o lençol freático se encontra em um nível inferior ao
do leito, o escoamento cessa ou ocorre somente durante, ou
imediatamente após, as chuvas.
Efêmeros – São cursos d’água que existem apenas durante
ou imediatamente após o período de chuvas, transportando
apenas o escoamento superficial. A superfície freática está
sempre a um nível inferior do leito do curso d’água, não
havendo a possibilidade de escoamento de deflúvio
subterrâneo.
Características físicas da bacia hidrográfica
O escoamento num curso d´água pode ser dividido em dois
grupos de fatores condicionantes:
1 -fatores climáticos, ligados a precipitação
2 - fatores físicos da bacia
- Transferência de dados entre bacias vizinhas – falta de dados
de vazão em um bacia entretanto a bacia vizinha é provida de
uma série de dados e com o uso de fórmulas empiricas ou
análise estatística regional pode-se correlacionar os dados de
vazões com as caracteristicas físicas das bacias.
- Projeção do comportamento da bacia no futuro
Ex: planejamento de uma rede de drenagem de uma cidade
prevendo-se as futuras áreas impermeabilizadas.
- Comparação entre bacias hidrográficas
Finalidades básicas:
Principais características físicas da bacia hidrográfica
ÁREA DE DRENAGEM DA BACIA
FORMA DA BACIA
USO E TIPO DE SOLO
SISTEMA DE DRENAGEM ( ordem dos cursos d´água,
densidade de drenagem )
RELEVO DA BACIA ( declividade da bacia, declividade do
cursos d´água, curva hipsométrica)
Características físicas da bacia hidrográfica
A área de drenagem é a projeção horizontal (área plana) da área
delimitada pelos divisores de uma bacia hidrográfica. A área de uma
bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características
físicas.
Área de drenagem:
CONTAGEM DE QUADRÍCULAS
PLANIMETRIA
GEOPROCESSAMENTO
Como obter a área de drenagem ?
Em geral as bacias hidrográficas dos grandes rios apresentam
a forma de uma pera ou de um leque, mas as pequenas bacias
variam muito no formato, dependendo da estrutura geológica do
terreno.
A forma da bacia influencia no escoamento superficial e consequentemente
o hidrograma resultante de uma determinada chuva.
Hidrograma – gráfico que relaciona vazão com o tempo. A distribuição da
vazão no tempo é resultado da interação de todos os componentes do ciclo
hidrológico.
Para caracterizar a forma da bacia, utilizam-se índices que procuram
relacionar a forma da mesma com formas geométricas conhecidas. São eles:
Coeficiente de compacidade (kc);
Fator de forma (Ff );
Índice de conformação (ic)
Características físicas da bacia hidrográfica
Forma da bacia de drenagem:
• Coeficiente de compacidade ou índice de Gravelius
Forma da Bacia:
bacia da área=A e perímetro=P onde 28,0A
PKc
2rA
Ar r
PKc
.2
É a relação entre o perímetro da bacia (Km) e o comprimento de
circunferência de um círculo de área (Km2) igual a da bacia.
Bacias que se aproximam geometricamente de um círculo convergem o escoamento
superficial ao mesmo tempo para o exutório
Kc = 1 => bacia circular, Kc próx. 1 tendência a maiores enchentes Exercício – Calcular o coeficiente de compacidade de uma bacia com
100 km2 de área e perímetro de 54 km
solução:
512,1100
5428,0 Kc =
Forma da Bacia:
• Fator de forma
É a relação entre a largura média da bacia e o comprimento axial da mesma. Comprimento axial :é o comprimento do rio desconsiderando-se os meandros
L
B Ff
A largura média é obtida dividindo-se a bacia em faixas perpendiculares, onde o polígono formado pela união dos pontos extremos dessas perpendiculares se aproxime da forma da Bacia real. Ff pequeno, bacia alongada, hidrograma suave.
Exercício
Forma da Bacia:
• Índice de conformação (Ic)
Relaciona a área da bacia com a área de um quadrado de lado igual ao comprimento axial. Quanto mais próximo de 1 o valor de Ic, isto é, quanto mais próxima de um quadrado, de lado igual ao comprimento axial, for a forma da bacia, maior a potencialidade de produção de picos de cheia.
2A/L Ic
Diferentes formas da bacia e seus índices
FF KC FC
0.79 1.00 0.79
1.00 1.12 1.00
0.25 1.40 0.25
4.00 1.40 4.00
• Influência:
na velocidade de escoamento
infiltração
Área de florestas retardam o escoamento
Áreas urbanas = pouca infiltração → grande
velocidade de escoamento → grandes picos de
cheia
Uso e tipo de solo:
Características físicas da bacia hidrográfica
O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários.
Ordem dos cursos d’água: é uma classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Critério de HORTON: são considerados de primeira ordem os canais sem tributários, de segunda ordem os canais formados por dois de primeira ordem e de ordem n+1, os canais formados por dois de ordem n.
Sistema de Drenagem
Comprimento total dos canais – LT : é o somatório dos
comprimentos de todos os cursos d’água de uma bacia.
Comprimento do canal principal
Lc : é o comprimento desde a foz do rio, ou seja o exutório da
bacia, até o ponto mais distante na cabeceira da bacia.
Densidade de drenagem
Indica o grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem
(eficiência da drenagem na bacia) D = LT/A onde ; A = área de
drenagem .
0,5 km/km² - drenagem pobre
=3,5 km/km² - drenagem excepcional
Relevo de uma Bacia
O Relevo de uma bacia tem grande
influência sobre os fatores meteorológicos e
hidrológicos, pois a velocidade do
escoamento superficial é determinada pela
declividade do terreno, enquanto que a
precipitação, a temperatura e a evaporação
são funções da altitude da bacia. Diversos
parâmetros foram desenvolvidos para refletir
as variações do relevo em uma bacia. Os
mais comuns são: declividade do curso
d´água e curva hipsométrica.
Declividade do Álveo
• Obtém-se a declividade (S) de um curso d’água entre 2 pontos, dividindo-se a diferença de cotas entre os dois pontos pela extensão horizontal do curso d’água.Um valor mais racional obtém-se traçando uma linha tal que a área compreendida entre ela e a abscissa seja igual a área compreendida entre a curva do perfil e a abscissa.
S1 = H / L
Declividade dos Rios
S1 = H / L
H
L
H
Declividade dos Rios H
L
H
S2 = 2*A / L2
A
Elevação Média
b) Curva Hipsométrica
É a representação gráfica do relevo
médio de uma bacia. Representa o
estudo da variação da elevação dos
vários terrenos da bacia com
referência ao nível médio do mar.
Essa variação pode ser indicada por
meio de um gráfico que mostra a
porcentagem da área de drenagem
que existe acima ou abaixo das
várias elevações.
Características do Relevo de uma Bacia
1 2 3 4 5 6
Cota (m) PontoMédio
(m)
Área (km2) Área Acumulada (km2) % %
Acumulad
940-920 930 1,92 1,92 0,92 0,92
920-900 910 2,90 4,82 1,40 2,32
900-880 890 3,68 8,50 1,77 4,09
880-860 870 4,07 12,57 1,96 6,05
860-840 850 4,60 17,17 2,22 8,27
840-820 830 2,92 20,09 1,41 9,68
820-800 810 19,85 39,94 9,58 19,26
800-780 790 23,75 63,69 11,45 30,71
780-760 770 30,27 93,96 14,60 45,31
760-740 750 32,09 126,05 15,48 60,79
740-720 730 27,86 153,91 13,44 74,23
720-700 710 45,45 199,36 21,93 96,16
700-680 690 7,89 207,25 3,81 100
Total 207,25
Passos utilizados para elaboração da curva hipsométrica
Elevação média da bacia
•E=ei.ai = (2) . (3) =157.842,1= 761,6m
A A 207,25
ei – cota média entre duas curvas de nível
ai – área entre duas curvas de nível
A – Área total da bacia
Tempo de concentração
Existem duas definições aceitas comumente para o tempo de
concentração: (1) tc é definido como o tempo necessário para
uma partícula de água escoar hidraulicamente do ponto mais
distante da bacia hidrográfica até o seu exutório ou até a seção do
projeto; (2) tc é tempo entre o centro de massa do hietograma da
precipitação efetiva e o ponto de inflexão da recessão do
hidrograma resultante.
Uma fórmula famosa do tempo de concentração (fórmula de
Kirpich) relaciona a declividade do rio e o comprimento do mesmo.
A mesma é aplicável para bacias agrícolas pequenas bacias com
áreas de drenagem em torno de 80 Ha. No S.I unidades, a
fórmula de Kirpich é dada:
385,0
77,0.06628,0
S
Ltc
Onde:
tc = tempo de concentração (h);
L = comprimento do curso d'água principal
(Km);
S = declividade entre elevação máxima e
elevação mínima - S ( m/m.)
Tempo de concentração
Outra fórmula desenvolvida para bacias maiores é a
de Watt e Chow publicada em 1985. Esta equação
foi desenvolvida para bacias com áreas até 5840
km2 .
79,0
5,0).(68,7
S
Ltc
onde tc é o tempo de concentração em minutos, L é
o comprimento do curso d´água em Km e S a
declividade do curso d´água ( adimensional) ..
EXERCÍCIOS CAP 1
1. Faça um esboço e descreva o cilco hidrológico com todas
as suas fases
2. Porque hidrologia é uma ciência multidisciplinar? Qual é o
campo de estudo da hidrologia?
3.Quais são os fatores que contribuem para a falta de
segurança na previsão de eventos hidrológicos?
4. Como o ciclo hidrológico pode ser alterado em uma bacia
em estado natural ?
5. Quais as etapas do ciclo hidrológico que são afetadas pela
urbanização?
6. Defina o balanço hídrico. Descreva a sua equação.
EXERCÍCIOS CAP 2
1. Qual das seguintes características não é uma medida da forma da
bacia?
a) o comprimento até o centro da bacia.
b) índice de compacidade
c) a densidade de drenagem
d) fator de forma
2. Uma bacia de forma circular tem coeficiente de compacidade
próximo de :
a) 0
b) 1
c) raio da bacia
d) perímetro da bacia
3. A curva hiposométrica é uma descrição da:
(a) relação entre o número de ordem do curso d'água e a proporção
de área drenada associado a este número de ordem.
(b) relação acumulada entre diferença de cota e área entre isócronas.
(c) relação acumulada entre diferença de cota e área entre intervalos
de cota.
(d) relação entre diferença de cota e intensidade de precipitações
entre intervalos de cotas
4. O número de ordem de Horton é uma medida de:
a) densidade de drenagem
b) comprimento relativo de cursos d'água.
c) taxa de áreas de curso d'água
d) bifurcação de cursos d'água dentro de uma bacia
hidrográfica.
5. A taxa de bifurcação é a razão entre __________ de
cursos d'água de qualquer ordem e _________ de cursos
d'água da ordem imediatamente superior.
a) número; b) área; c) declividade; d) comprimento; e)
nenhuma das alternativas acima.
6. O que é bacia hidrográfica ?
7. Descreva os procedimentos que podem ser utilizados para
delimitar uma bacia hidrográfica.
8. Defina área de drenagem de uma bacia.
9. Quais procedimentos podem ser utilizados para encontrar
a área de drenagem de uma bacia?
10. Que importância a área de drenagem de uma bacia tem na
definição da vazão que chega à seção principal?
11. Defina perímetro de uma bacia e diga qual o método de maior
exatidão e qual o mais prático para se efetuar essa medida.
12. Descreva os métodos que podem ser utilizados para medir o
comprimento: do rio principal, e de todos os cursos d'água?
13. De que maneira as cotas da nascente e da foz de um rio
podem influenciar o regime pluviométrico de uma bacia?
14. O que representa o coeficiente de compacidade (Kc) e qual a
fórmula utilizada para o seu cálculo?
15. Diga qual o significado do fator de forma (Kf) e qual a fórmula
utilizada para o seu cálculo.
16. O que representa o coeficiente de drenagem de uma bacia e
como calculá-lo. Indique a fórmula.
17. Diga o que representa a declividade simples de uma bacia.
Dê a formula para o seu cálculo.