apontamento hidrologia
TRANSCRIPT
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
1/14
0
Curso de Engenharia Civil- 6ªetapa
Apontamento das aulas
1/2014
FOTO: Dr. LIMA C. C. U de
HIDROLOGIA E RECURSOS
HÍDRICOS
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
2/14
1
SUMÁRIO
1 HIDROLOGIA ..................................................................................................... 2
1.1 Generalidades .................................................................................................... 2
1.2 Definição ............................................................................................................ 2
1.3 Importância ........................................................................................................ 2
1.4 Aplicação na Engenharia Civil ........................................................................... 2
1.5 Quantidade de água ........................................................................................... 3
2 CICLO HIDROLÓGICO ......................................................................................... 4
2.1 Definição ............................................................................................................ 5
2.2 Balanço hídrico................................................................................................... 5
3 BACIA HIDROGRÁFICA ....................................................................................... 6
3.1 Divisores ............................................................................................................. 6
3.2 Elementos característicos de uma bacia ........................................................... 7
3.3 Características das bacias hidrográficas ............................................................ 7
3.3.1 Área .................................................................................................................... 7
3.3.2 Forma da bacia ................................................................................................... 8
3.3.3 Sistema de drenagem ........................................................................................ 9
3.3.4 Características do relevo .................................................................................. 11
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
3/14
2
1 HIDROLOGIA
1.1 Generalidades
Os primeiros estudos hidrológicos surgiram há 3000 anos, nessa época às
margens do Rio Nilo eram instalados escalas de leituras de nível de água (nilômetros).
Por meio desse nível eram feitas cobranças da taxa de imposto ao ano. Na Índia a 350
aC. foi feita a primeira medição de chuva, o total precipitado ao ano, eram usados para
base de cálculo de impostos. Os grandes avanços de estudos hidrológicos aconteceram
por volta de 1930, o pesquisador Sherman 1932 com o Hidrograma Unitário, Horton
1933 com a Teoria da Infiltração, Gumbel em 1941 surgi com os primeiros estudos de
Análise de frequência de dados. No Brasil, as primeiras publicações ocorreram com
Garcez (1961) e Souza Pinto et al. (1973).
1.2 Definição
Segundo o Conselho Federal para Ciência e Tecnologia dos E.U.A. (1959)
hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e
distribuição, suas propriedades físico-químicas e sua relação com o meio ambiente,
incluindo sua relação com a vida. Em sentido amplo é uma ciência que se relaciona
com a água, é uma ciência natural. Não é considerada uma ciência inteiramente pura,
visto que tem relações às aplicações práticas, por isso o termo hidrologia aplicada ser
usado. Hidrologia vem do grego Hidros (Água) + Logos (Estudo, Ciência).
1.3 Importância
Os estudos em hidrologia têm importância para dimensionamento de obras
hidráulicas, aproveitamento dos recursos hídricos, controle de inundações (vazão
máxima) controle e previsão de secas (vazão mínima) controle de poluição.
1.4 Aplicação na Engenharia Civil
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
4/14
3
APLICAÇÃO DE FORMA ESTRUTURAL
Em drenagens superficiais
• Drenagem urbana
• Controle das bacias hidrográficas
Em drenagem subterrânea
Rebaixamento do lençol freático e Bacias de infiltração (recarga das bacias).
APLICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Projetos e execução de sistemas de drenagens.
1.5 Quantidade de água
O conhecimento das quantidades de água é de suma importância, uma vez que
muitas obras requerem o aproveitamento dos recursos hídricos visando o controle do
uso da água, sua utilização e quantificação, principalmente por envolver aspectos
sociais, econômicos e técnicos.
Em uma visão global o volume de água da Terra é estimado em 1,42 milhões de
metros cúbicos e abrangem oceanos, mares, geleiras, águas do subsolo, lagos, água daatmosfera e rios. Os oceanos e mares ocupam 97% da área do globo. As águas
continentais possuem um volume total de 38 milhões de km cúbicos, cerca de 3% da
água do planeta. A água doce congelada (geleiras e calotas polares) corresponde a
2,4% das águas continentais; a água doce armazenada no subsolo (lençóis freáticos e
poços) 0,5%; a água dos pântanos e lagos, da atmosfera e dos rios 0,1%.
A distribuição da água doce superficial no continente americano representa
32,2%, 8,6% e 81,3% na América do Norte, América Central e América do sul
respectivamente, desse último valor 34,8% está representado no Brasil.
Da água disponível no Brasil, a região Nordeste possui 3% da água, Norte 68% e
Sudeste 6%. Os usos em nosso país podem ser observados na figura abaixo:
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
5/14
4
De acordo com o que foi referido acima, quando se trata de projetos em que se
pretende controlar enchentes o plano de controle refere-se a valores de pico do
escoamento, entretanto, quando se visa à utilização da água o importante é a
determinação do volume escoado em longos períodos de tempo. Assim, com a
aplicação da Hidrologia é possível o estudo da ocorrência e distribuição das águas
naturais da Terra.
2 CICLO HIDROLÓGICO
A água na Terra ocorre em diferentes fases, a transformação de uma fase em
outra e seu movimento de um local a outro constitui o ciclo hidrológico. O grande
motor deste ciclo é o calor irradiado pelo sol. Na forma de chuva, granizo, neve ouorvalho, a umidade da atmosfera volta à superfície da terra, sendo que parte será
retida em árvores, arbustos e plantas chamada perda por interceptação. Da água que
chega ao solo parte evapora e outra se infiltra no solo.
A água da chuva que não se infiltra, escorre sobre a superfície em direção às
áreas mais baixas, indo alimentar diretamente os riachos, rios, mares, oceanos e lagos.
O caminho subterrâneo das águas é o mais lento de todos podendo levar dias para
percorrer poucos metros. Havendo oportunidade esta água poderá voltar à superfície,
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
6/14
5
através das fontes, indo se somar às águas superficiais, ou então, voltar a se infiltrar
novamente. A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água
que cai é absorvida pelas raízes e acaba voltando à atmosfera pela transpiração ou
pela simples e direta evaporação (evapotranspiração).Dessa forma, o ciclo hidrológico pode ser constituído de fatores no sentido
superfície-atmosfera (transpiração das vegetações, evaporação da água da superfície
do solo, lagos, rios e oceanos) e no sentido atmosfera-superfície (precipitação,
infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo). Sendo então um ciclo
fechado sem começo e fim.
2.1 Definição
Ciclo hidrológico pode ser definido como fenômeno global de circulação
fechada entre a superfície terrestre e atmosfera impulsionada pela radiação solar
associada à gravidade e rotação da terra.
2.2 Balanço hídrico
Para avaliar a quantidade de água que entra e sai em um sistema (ciclohidrológico) utiliza-se a equação do balanço hídrico representada abaixo:
P – EVT – Q = ∆A
Onde: P - total anual precipitado expressa em (mm);
EVT – perda anual de água por evapotranspiração expressa em (mm);
Q – altura média anual da lâmina de água representa o volume total escoado
superficialmente na bacia, expressa em m
3
s
-1
ou L s
-1
;
∆R – variação de todos os armazenamentos, superficiais e subterrâneos.
Expresso em m3 ou em mm.
Quando o período de observação é de longa duração (um ano ou mais), pode-se
desprezar ∆R face aos valores P e Q. passando a equação ser rescrita como:
P – EVT = Q , essa equação estima a vazão média anual de um curso d’água a partir da
altura de precipitações caídas em uma bacia e da evapotranspiração anual da região.
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
7/14
6
3 BACIA HIDROGRÁFICA
Bacia hidrográfica é a área definida topograficamente, drenada por um curso
d’água ou um sistema conectado de cursos d’água, de modo que toda a vazão efluente
seja descarregada na parte mais baixa do seu entorno, uma saída simples, área
coletora denominada exutório, denominada também de foz ou desembocadura.
3.1 Divisores
O limite superior de uma bacia hidrográfica é o divisor de águas (divisor
topográfico, cota máxima entre bacia), e a delimitação inferior é à saída da bacia(confluência). O divisor subterrâneo é mais difícil de ser localizado e varia com o
tempo. À medida que o lençol freático (LF) sobe, ele tende ao divisor superficial. O
subterrâneo estabelece os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é
derivado o deflúvio básico da bacia. Na prática, assume-se por facilidade que o
superficial também é o subterrâneo. As Figuras abaixo mostram os principais divisores,
topográfico e freático (determinado pela estrutura geológica).
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
8/14
7
3.2 Elementos característicos de uma bacia
Nascente (6), afluente (2), meandro (4), foz em delta (1), margem esquerda (5)
e margem direita (3) ver figura abaixo.
3.3 Características das bacias hidrográficas
3.3.1 Área
Área plana inclusa entre divisores topográficos em (Km2). A área capta água de
uma bacia, ou seja, o volume de água recebido. É estimada delimitando os divisores
em planta topográfica, de altimetria adequada, traça-se linha divisória que passa pelos
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
9/14
8
pontos de maior cota entre bacias vizinhas. Também pode ser determinada utilizando
um planímetro ou com aplicativos de Sistemas de Informação Geográfica (SIG).
3.3.2 Forma da bacia
As bacias de grandes rios têm, normalmente, a forma de uma pera ou leque,
enquanto as pequenas bacias assumem formas variadas em função da estrutura
geológica dos terrenos. Dentre as bacias de mesma área, aquelas arredondadas são
mais susceptíveis a inundações nas suas partes baixas que as alongadas. A importância
da forma da bacia, particularmente para fins de inundação, está associada ao conceito
de tempo de concentração, tc, que é o tempo contado a partir do início da
precipitação, necessário para que toda a bacia contribua para a vazão na seção de
saída.
Os índices utilizados para caracterizar a forma da bacia são calculados por:
índice de compacidade ou coeficiente de compacidade e fator de forma.
- O coeficiente de compacidade
O coeficiente de compacidade de uma bacia hidrográfica, kc, é um índice queinforma sobre a susceptibilidade da ocorrência de inundações nas partes baixas da
bacia. É definido pela relação entre o perímetro da bacia e o perímetro do círculo de
igual área. O coeficiente de compacidade das bacias hidrográficas é sempre um
número superior à unidade, uma vez que o círculo é a figura geométrica de menor
perímetro para uma dada área “A”. Bacias que apresentam este coeficiente próximo
de 1 são mais compactas, concentram o escoamento e são mais susceptíveis a
inundações. Quanto menor o kc maior a tendência de haver picos de enchente.
É definido como a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de uma
bacia com círculo de área igual.
Onde: P = perímetro da bacia em Km
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
10/14
9
A= área da bacia em Km2
- O fator de forma
O fator de forma de uma bacia hidrográfica, kf, é definido pela relação entre a
área da bacia e o quadrado do comprimento do eixo medido ao longo do curso d´água
(da foz até ponto mais longínquo da área). O comprimento axial é medido da saída da
bacia até o ponto mais distante, seguindo-se as curvas do rio principal. A largura média
é obtida dividindo-se a área da bacia pelo seu comprimento axial. Bacias alongadas
apresentam pequenos valores do fator de forma e são menos susceptíveis às
inundações, ou seja, quanto menor esse fator maior o comprimento (L) e menor pico
de enchentes, uma vez que se torna menos provável que uma chuva intensa cubratoda a sua extensão.
Onde: A= área da bacia e L comprimento axial.
3.3.3 Sistema de drenagem
Esses sistemas são formados pelo rio principal e seus afluentes descritos por:
ordens dos cursos de água; densidade de drenagem. O sistema inclui todos os cursos
d’água, sejam eles perenes, intermitentes ou efêmeros. O estudo das ramificações e
do desenvolvimento do sistema de drenagem de uma bacia hidrográfica fornece um
indicativo da maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia.
- Ordem dos cursos d´água
A ordem do curso d’água principal de uma bacia hidrográfica reflete o grau de
ramificação do sistema de drenagem desta bacia. A ordem de um curso d’água é um
número inteiro estabelecido segundo diferentes critérios. A ordem do curso d’água
principal de uma bacia hidrográfica é obtida como segue: a) os pequenos canais que
não têm tributários, têm ordem 1; b) quando dois canais de mesma ordem se
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
11/14
10
encontram, é formado um de ordem imediatamente superior; c) a junção de dois
canais de ordens diferentes forma um outro com a ordem maior dos dois.
Exemplo da letra “b” Exemplo da letra “c”
- Densidade de drenagem (Dd)
Expressa a relação entre o comprimento total (∑L) dos cursos d’água (sejam
eles efêmeros, intermitentes ou perenes) de uma bacia e a sua área total. A densidade
de drenagem de uma bacia dá uma boa indicação do grau de desenvolvimento do
sistema. É um índice importante, pois reflete a influência da geologia, topografia, do
solo e da vegetação da bacia hidrográfica, e está relacionado com o tempo gasto para
a saída do escoamento superficial da bacia. É dado por:
Onde: Dd= densidade de drenagem em Km Km -2; L=
comprimento total dos cursos d’água em (Km) e A= área de drenagem da bacia (Km2).
Os valores deste índice para as bacias naturais encontram-se, geralmente,
compreendidos na faixa de 0,5 km Km-2 a 3,5 km Km-2. Para avaliar Dd, deve-se marcar
em fotografias aéreas, toda a rede de drenagem, inclusive os cursos efêmeros, e
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
12/14
11
depois medi-los com o curvímetro. A classificação das bacias quanto à densidade de
drenagem pode ser:
Drenagem pobre: Dd < 0,5 Km km-2
Drenagem regular: 0,5 ≤ Dd < 1,5 Km Km-2
Drenagem boa: 1,5 ≤ Dd < 2,5 Km km2
Drenagem muito boa: 2,5 ≤ Dd < 3,5 Km km2
Excepcionalmente bem drenadas: Dd ≥ 3,5 Km km2
Exemplo: calcular a densidade de drenagem da bacia abaixo:
Area= 700 Km2
L= 15
L= 30 +9 + 7 + 9 + 12= 67 Km
3.3.4 Características do relevo
As características de relevo influência sobre a velocidade do escoamento
superficial. A velocidade é determinada pela declividade do terreno.
L= 4
L=4
L=7L=5
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
13/14
12
-Declividade da bacia
A declividade da bacia é um parâmetro importante uma vez que está
diretamente associada ao tempo de duração do escoamento superficial e de
concentração da precipitação nos leitos dos cursos d’água. Esse parâmetro tem
relação importante com vários processos hidrológicos, tais como a infiltração, o
escoamento superficial, a umidade do solo, etc.
Assim, pode-se dizer que quanto maior a declividade da bacia, maior a
velocidade de escoamento superficial, menor o tempo de concentração que leva a
água da chuva para concentrar-se nos leitos fluviais que constituem a rede de
drenagem das bacias e maior perspectiva de picos de enchente. A magnitude dos picosde enchente e a maior ou a menor oportunidade de infiltração e susceptibilidade para
erosão dos solos dependem da rapidez com que ocorre o escoamento sobre os
terrenos da bacia.
A declividade do rio principal de uma bacia é uma medida representativa do
seu relevo e é muito utilizada em estudos hidrológicos. Essa declividade pode ser
obtida de diferentes modos como: método do quociente entre a diferença de cotas e
extensão horizontal, método compensação de área e método da média harmônica.
Aqui veremos esse último método por ser o mais utilizado.
Método da média harmônica
A declividade equivalente ou média é determinada pela seguinte fórmula:
Onde: L é a extensão horizontal do perfil, que é dividido em n trechos,
Sendo Li a extensão horizontal em cada um dos “n” trechos;
Sendo Ii a declividade média em cada um dos “n” trechos.
-
8/19/2019 APONTAMENTO HIDROLOGIA
14/14
13
Esse método leva em consideração o tempo de percurso da água ao longo da
extensão do perfil longitudinal, considerando que o perfil tem declividade constante
igual a uma declividade equivalente.
Obs.: o exemplo desse método foi aplicado em sala de aula.
-Tempo de concentração
É definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário
para que toda água precipitada na bacia contribua com a vazão na seção de controle.
Como mostra a figura abaixo. Sua determinação é feita por fórmulas empíricas, a
escolha da fórmula é feita em função das características das bacias hidrográficas em
que foram determinadas as equações.