hidrologia - bacias hidrográficas

13/03/2015

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Prof.ª REGIMEIRE FREITAS AQUINO

1ª semestre/2015

DIAMÊS

MARÇO

14 CICLO HIDROLÓGICO E BACIAS HIDROGRÁFICAS.

21 BALANÇO HÍDRICO.

28 PRECIPITAÇÃO: CONCEITOS E ATUALIDADES.

11 ESTATÍSTICA APLICADA .

18 CHUVAS INTENSAS E O MÉTODO DA DESAGREGAÇÃO DE CHUVAS.

25 1ª LISTA DE EXERCÍCIOS – 10,0 PONTOS (EM SALA)

9 1ª PROVA – 40,0 PONTOS (TODA MATÉRIA)

16 EVAPOTRANSPIRAÇÃO E INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO.

23 ESCOAMENTO SUPERFICIAL E ESCOAMENTO EM RIOS E RESERVATÓRIOS.

30 VAZÕES DE ENCHENTES, HIDROGRAMA DE PROJETO E RETARDAMENTO DA ONDA DE CHEIA.

13 DETERMINAÇÃO DE VAZÕES CARACTERÍSTICAS (Q7,10), (Q90%) E (Q95%).

20 REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES E REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES EM RESERVATÓRIOS.

27 RESERVATÓRIOS.

04 2ª LISTA DE EXERCÍCIOS – 10,0 PONTOS (EM SALA)

11 2ª AVALIAÇÃO – 40,0 PONTOS (TODA MATÉRIA DO CURSO)

BIBLIOGRAFIA

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“CIÊNCIA NATURAL QUE TRATA DOS FENÔMENOS RELATIVOS À ÁGUA EM TODOS

OS SEUS ESTADOS , DE SUA DISTRIBUIÇÃO E OCORRÊNCIA NA ATMOSFERA, NA SUPERFÍCIE

TERRESTRE E NO SOLO, E DA RELAÇÃO DESSES FENÔMENOS COM A VIDA E COM AS

ATIVIDADES DO HOMEM.”

1. INTRODUÇÃO

A HIDROLOGIA UTILIZA OS PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA HIDROLÓGICA PARA

SOLUCIONAR OS PROBLEMAS DE ENGENHARIA RESULTANTES DA EXPLORAÇÃO DOS

RECURSOS HÍDRICOS TERRESTRES PELO HOMEM, BUSCANDO ESTABELECER AS RELAÇÕES

QUE DETERMINAM AS VARIABILIDADES ESPACIAL, TEMPORAL E GEOGRÁFICAS DOS

RECURSOS HÍDRICOS.

1. INTRODUÇÃO

A HIDROLOGIA É UMA GEOCIÊNCIA QUE ESTÁ INTIMAMENTE

RELACIONADA COM A:

� METEOROLOGIA

� CLIMATOLOGIA

� GEOGRAFIA

� GEOLOGIA

� SOLOS

� HIDRÁULICA

1. INTRODUÇÃO

1.1) O CICLO HIDROLÓGICO

A circulação contínua e distribuída da água sobre a superfície terrestre, subsolo,

atmosfera e oceanos é conhecida como CICLO HIDROLÓGICO.

Existem 5 processos básicos no ciclo hidrológico:

1. Condensação

2. Precipitação

3. Infiltração

4. Escoamento Superficial

5. Evapotranspiração

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1. INTRODUÇÃO


http://almirparaca.com/blog/agua/index3.html

1. INTRODUÇÃO


O Ciclo Hidrológico pode ser considerado como composto de duas fases

principais: atmosférica e terrestre.

Cada uma delas incluem:

a) Armazenamento temporário de água.

b) Transporte.

c) Mudança de estado.

1. INTRODUÇÃO


http://www.sobiologia.com.br/conteudos/bio_ecologia/ecologia27.php

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1. INTRODUÇÃO


Tendo em vista as aplicações em hidráulica e em drenagem, apresenta-se o ciclo

hidrológico como compreendendo 4 etapas principais:

a) Precipitaçãos atmosférica: chuva, granizo, neve e orvalho.

b) Escoamentos subterrâneos: infiltração, águas subterrâneas.

c) Escoamentos superficiais: enxurradas, rios e lagos.

d) Evapotranspiração: evaporação nas superfície das águas e no solo e transpiração

dos vegetais.

1. INTRODUÇÃO


Quando universalmente considerado, o volume de água compreendido em cada

parte do ciclo hidrológico é relativamente constante.

Porém, quando se considera uma área limitada, as quantidades de água em cada

parte do ciclo variam continuamente, dentro de amplos limites.

A abundância e a escassez de chuva representam, numa determinada área, os

extremos dessa variação.

1. INTRODUÇÃO

http://meteoropole.com.br/2011/10/ciclo-hidrologico/

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1. INTRODUÇÃO

1. INTRODUÇÃO

Do ponto de vista da engenharia, a hidrologia apresenta-se como disciplina essencial

ao planejamento, projeto e operação de estruturas que visam utilizar a água como um

recurso ou atenuar (alterar) os efeitos de seu excesso ou escassez.

Utilização de recursos hídricos como:

�Abastecimento Urbano

�Geração de energia

�Navegação

Pressupõe a quantificação de diversas

variáveis do ciclo hidrológico, bem como de

suas respectivas variabilidades, para o projeto

e operação das estruturas hidráulicas

envolvidas.

Obras de alteração do regime hidrológico:

�Reservatórios

�Bueiros

�Vertedores

Estruturas de controle e drenagem de

enchentes são exemplos de medidas

necessárias para atenuação da escassez ou

excesso de água.

1. INTRODUÇÃO

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1. INTRODUÇÃO

EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DA HIDROLOGIA À ENGENHARIA

A. Estimativa dos recursos hídricos de uma região: análise capacidade de mananciais

superficiais e subterrâneos, previsão e interpretação de variações na quantidade e

qualidade das águas naturais; balanço hídrico.

B. Projeto e construção de obras hidráulicas e de drenagem: fixação de seções de vazões

em pontes, bueiros e galerias; dimensionamento de condutos e sistemas de recalque;

projeto e construção de barragens; dimensionamento de extravasores.

C. Aproveitamento hidrelétrico: previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos

de água para o estudo econômico-financeiro do aproveitamento; verificação da

necessidade de reservatório de acumulação. Determinação dos elementos necessários ao

projeto e construção do reservatório, dos volumes armazenados, perdas por evaporação

e infiltração.

1. INTRODUÇÃO

1.2) DADOS HIDROLÓGICOS

A quantificação das diversas fases do ciclo hidrológico, das respectivas

variabilidades e de suas relações, requer a coleta sistemática de dados básicos ao longo de

um período de tempo importante.

Dados de interesse para os estudos hidrológicos:

� Climatológicos ( temperatura, pressão atmosférica, radiação solar, umidade, ventos).

� Pluviométricos (quantidade, duração, intensidade e frequência de chuvas).

� Fluviométricos (vazões e cotas de rios).

� Evaporimétricos (quantidade e intensidade da evaporação da água da superfície

terrestre).

1. INTRODUÇÃO

ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS

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1. INTRODUÇÃO

1. INTRODUÇÃO


A coleta e a transmissão

de dados hidrometeorológicos

também pode ser feita através da

implantação de uma rede de coleta

(Estações Meteorológicas) operada

por pessoas encarregadas de

registrar e transmitir esses dados

aos centros de recepção e

informação, numa periodicidade e

velocidade compatíveis com as

necessidades locais e regionais.

1. INTRODUÇÃO


Dependendo do problema

em questão, o ciclo hidrológico ou

seus componentes podem ser

tratados em diferentes escalas

(unidades) de tempo e espaço.

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1. INTRODUÇÃO


As escalas de

tempo usadas em estudos

hidrológicos podem variar

desde uma fração da hora

até um ou vários anos.

As mais usuais são

a hora, o dia, o mês e o ano.

Variável Característica Unidades

Precipitação Altura mm, cm

Intensidade mm/h

Duração h

Evaporação Intensidade mm/dia, mm/mês

Total mm, cm

Infiltração Intensidade mm/h

Altura mm, cm

Escoamento superficial

Vazão l/s, m3/s

Volume m3, (m3/s).mês

Deflúvio mm, cm

Escoamento subterrâneo

Vazão l/min, l/h, m3/dia

volume m3

2. BACIAS HIDROGRÁFICAS

2.1) Definições

Uma bacia hidrográfica é uma unidade fisiográfica limitada por divisores

topográficos, que recolhe a precipitação, atuando como um reservatório de água e

sedimentos e escoando-os em uma seção fluvial única denominada seção de controle.

A B

C

2.1) Definições

Os divisores topográficos ou divisores de águas de uma bacia hidrográfica, são as

cristas das elevações do terreno que separam a drenagem da precipitação entre duas bacias

adjacentes.

A B


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2.1) Definições

Uma bacia hidrográfica é constituída por bacias menores, chamadas de tributárias

ou sub-bacias.

A bacia do rio Arrudas é uma bacia sub-bacia do rio da Velhas, que por sua vez é

uma sub-bacia do rio São Francisco.


BACIA DO RIO SÃO FRANCISCO COM DESTAQUE PARA A BACIA DO

RIO DAS VELHAS

BACIA DO RIO DAS VELHAS

BACIA DO RIBEIRÃO ARRUDAS


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2.2) Individualização da bacia hidrográfica

As delimitações de uma bacia podem ser obtidas através de informações

cartográfica em escalas de 1:50.000 e 1:20.000, fechando-se a área pelos divisores de águas,

representados nas cartas topográficas por curva de nível. Os divisores de água de uma bacia

são representados por uma linha fechada ortogonal às curvas de nível do mapa.



A rede de drenagem de uma bacia é formada pelo rio principal e pelo seus

tributários, constituindo-se em um sistema de transporte de água e sedimentos.

A arquitetura de uma rede de drenagem pode ser melhor entendida através das

diversas propostas de classificação ou ordenação dos cursos d’ água.

A pioneira entre elas é a classificação de Horton, segundo a qual todo afluente que

não possui tributários é considerado um rio de 1ª ordem.

Quando dois afluentes de 1ª ordem se encontram, eles formam um rio de 2ª ordem.

A confluência desses formam um rio de 3ª ordem e assim por diante.

Depois que todos os rios são ordenados, ao rio de maior comprimento atribui-se a

maior ordem.

CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS d’ ÁGUA SEGUNDO STRAHLER



A classificação mais usada

é a de Strahler. Ele modificou

ligeiramente a classificação de

Horton, omitindo a etapa final de

identificação do rio de maior

comprimento e a respectiva

atribuição da ordem mais alta.

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2.3) Escoamento superficial em uma bacia hidrográfica

� Uma bacia hidrográfica é um sistema que integra subsistemas de relevo e drenagem.

Uma parcela da chuva que se abate sobre a área da bacia (precipitação efetiva), escoa

superficialmente a partir das maiores elevações do terreno em direção aos vales.

� Esses vales concentram esse escoamento em córregos, riachos e ribeirões e formam o

rio principal da bacia.

� O volume de água que passa pela seção de controle na unidade de tempo é a vazão (Q)

da bacia.

� Gráfico de Q(t) com t, ao longo de uma ocorrência chuvosa isolada, é chamado

hidrograma.

HHIDROGRAMA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA

FORMAÇÃO DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL EM UMA BACIA HIDROGRÁFICA

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TODO O ESCOAMENTO QUE CHEGA A UM

CURSO d’ ÁGUA É CHAMADO DE:

�As origens do Escoamento Superficial podem ser:

a. Escoamento superficial direto (enxurrada)

b. Escoamento subsuperficial

c. Escoamento básico (lençol freático).



CARACTERÍSTICAS DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL DIRETO

a) Oriundo da superfície do solo da bacia.

b) Escoamento turbulento.

c) Contribui para um aumento rápido da vazão da

bacia, principalmente para eventos de chuva de

grande intensidade. As características da bacia

também influenciam na produção do escoamento

superficial direto (enxurrada).



CARACTERÍSTICAS DO ESCOAMENTO BÁSICO

a) Oriundo do armazenamento abaixo do lençol

freático.

b) Escoamento laminar(lento e uniforme).

c) Decai lentamente ao longo do tempo quando não

há recarga.

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CARACTERÍSTICAS DO ESCOAMENTO BÁSICO

a) Quando há recarga a vazão básica sobe

lentamente para depois decais

novamente quando a recarga cessa.



�AS VAZÕES DE UMA BACIA DEPENDEM DE FATORES COMO:

a) Intensidade, duração e distribuição espaço-temporal da precipitação e da

evapotranspiração em uma bacia. Fatores climáticos que estudaremos nas

próximas aulas.

b) Extensão, forma e declividade da bacia.

c) Distribuição do relevo.

d) Comprimento do rio principal.

e) Densidade de drenagem.

f) Cobertura vegetal.

g) Tipo e uso do solo.



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2.4) Caracterização física de uma bacia hidrográfica

O estudo e o conhecimento das características físicas de uma bacia

hidrográfica é importante, pois, possibilita uma melhor compreensão da função da

mesma na transformação de uma chuva em escoamento, além de permitir promover-

se inferências sobre o seu comportamento hidráulico e possibilitar a prática da

extrapolação de informações (dados hidrológicos) para bacias onde as mesmas não

existem.

� SERÃO ESTUDADAS 2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA HIDROGRÁFICA:

1) Área de drenagem.

2) Forma da bacia hidrográfica.



Corresponde à área plana (projeção horizontal) limitada pelos divisores de

água, conectando-se na seção de controle. É um dos elementos mais importantes da

B.H., pois é básico para a quantificação de quase todas as grandezas hidrológicas.

2.4.1) ÁREA DE DRENAGEM

Ao calcular a vazão em uma curso d’água resultante de um evento de chuva,

devemos, primeiro, determinar o tamanho da área sobre a qual a chuva incide. Para

todos os cursos d’água, uma área bem definida intercepta a chuva e a transporta até

o curso d’água. Essa área é chamada bacia hidrográfica, bacia de drenagem ou área

de captação.




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A área de drenagem pode ser obtida em

mapas topográficos através de planímetros ou

por meio da digitalização desses mapas

(AutoCad).

Outro método utilizado para obter a

área de drenagem é através de programas

automáticas (MaxiCAD e SPRING), utilizando

imagens de satélites obtidas no site na NASA ou

do INPE, muitas estão disponíveis gratuitamente.




2.4.2) FORMA DA BACIA HIDROGRÁFICA

A forma superficial da B.H. é importante pela influencia que exerce no tempo

de transformação de chuva em escoamento e sua constatação na seção de controle.



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Comparando-se B.H. de mesma

área e que geram a mesma quantidade de

escoamento (deflúvio), aquela cujo tempo

de escoamento é menor, deve ter

proporcionalmente um maior valor para a

vazão de pico no hidrograma.

Exatamente a forma superficial da

bacia é que determina este

comportamento diferenciado.




Existem alguns coeficientes que se prestam para quantificar a influencia da

forma no modo de resposta de uma bacia à ocorrência de uma precipitação.

Dentre eles destacam-se os seguintes:

1) Coeficiente de compacidade - Kc

2) Coeficiente de forma - Kf




1) Coeficiente de compacidade – Kc

Relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área

igual à da bacia.

� Sendo PBH e ABH o perímetro e a área

da Bacia Hidrográfica em km e km2,

respectivamente.

� Kc é adimensional.

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O Coeficiente de compacidade Kc varia desde a unidade para Bacias

Circulares (Kc = 1) a valores > 1, para bacias irregulares.

� Kc entre 1,00 e 1,25 - corresponde a bacia com alta propensão a grandes

enchentes.

� Kc entre 1,25 a 1,50 - corresponde a bacia com tendência mediana a grandes

enchentes.

� Kc maiores que 1,50 – corresponde a bacia não sujeita a grandes enchentes.


2.4) CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA


2) Fator de forma – Kf

É a relação entre a largura média da bacia e o comprimento axial da mesma.

� Sendo ABH e Lax2 a área da Bacia

Hidrográfica em km2 e o comprimento

axial, respectivamente.

� Kc é adimensional.ax


2.4) CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA


Da mesma forma, Kf varia desde a unidade a valores < 1. Assim:

� Kf entre 1,00 e 0,75 - corresponde a bacia com alta propensão a grandes

enchentes.

� Kf entre 0,75 e 0,50 - corresponde a bacia com tendência mediana a grandes

enchentes.

� Kf < 0,50 – corresponde a bacia não sujeita a grandes enchentes.

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2.5) SISTEMAS OU REDES DE DRENAGEM

� SERÃO ESTUDADAS 6 CARACTERÍSTICAS:

1) Constância de escoamento.

2) Ordem da rede de drenagem.

3) Densidade de drenagem.

4) Densidade da rede de drenagem.

5) Sinuosidade do curso d’ água.

6) Declividade do curso d’ água.

Constitui-se do curso d’água principal e seus tributários.

Sua importância está ligada à eficiência de drenagem da área e à

potencialidade para formar picos elevados de enchentes.


2.5.1) CONSTÂNCIA DE ESCOAMENTO

� CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS d’ÁGUA QUANTO À CONSTÂNCIA DE ESCOAMENTO:

a) Perenes: o escoamento se verifica durante todo o tempo, mesmo nas secas mais

severas, o que é garantido pela drenagem do lençol freático (escoamento

subsuperficial), cujo nível situar-se acima do fundo do leito do rio.

b) INTERMITENTE: o escoamento pode não ocorrer no período de secas severas.

c) EFÊMERO: o escoamento somente se verifica durante e imediatamente após a

ocorrência de uma chuva intensa.


CURSO d’ÁGUA PERENE

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NÍVEL FREÁTICO ABAIXO DO CANAL NATURAL DO CURSO d’ÀGUA


2.5.2) ORDEM DA REDE DE DRENAGEM

� CLASSIFICAÇÃO DA ORDEM DA REDE DE DRENAGEM

Método de Strahler (modificado de Horton):

1ª Ordem – curso d’água sem tributários.

2ª Ordem – união de 2 ou mais cursos d’água de 1ª ordem.

3ª Ordem – união de 2 ou mais cursos d’água de 2ª ordem e assim por diante.

A ordem da rede de drenagem dá uma noção do grau de ramificação e permite

inferir-se sobre o relevo da bacia. De um modo geral, quanto mais ramificada for a rede de

drenagem, mais acidentado deve ser o relevo.



2.5.3) DENSIDADE DE DRENAGEM

Reflete as condições topográficas, hidrológica e de vegetação da bacia. É a

relação entre o comprimento total dos canais (Lt) e a área da B.H. (A).

� O valor obtido é muito dependente

do material utilizado: fotografia

aérea, carta topográfica ou imagem

de satélites.


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Existem controvérsias quanto aos valores absolutos que indicam se a

densidade é elevada ou baixa. De toda forma, o que se conclui através da comparação

das densidades de duas bacias, é que, aquela de maior Dd é mais acidentada e

provavelmente possui cobertura vegetal de maior porte.

Uma classificação (mais utilizadas em fotografias aréas):

� Baixa densidade: 5 km/km2

� Média densidade: 5 – 13 km/km2

� Alta densidade: > 13 km/km2






2.5.4) DENSIDADE DA REDE DE DRENAGEM

Resulta da relação entre o número de cursos de água e a área da bacia.

� N – número total por cursos d’água.

� ABH – área da bacia hidrográfica

(km2).

BH


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2.5.5) SINUOSIDADE DO CURSO d’ÁGUA

Relação entre o comprimento do canal principal (L) e o comprimento de seu

talvegue Lt. O talvegue é a medida em linha reta entre os pontos inicial e final do

curso d’água principal.







Quanto maior for o valor da sinuosidade, maior a dificuldade encontrada pelo

rio em seu caminho até a seção de controle, portanto, menor será a velocidade de

escoamento e, provavelmente, mais plana é a bacia.

� Quanto mais próximo de 1 for o valor se Sin, menor será a sinuosidade e assim

favorecerá a velocidade de escoamento.

� Para canais com índice Sin até 1,50, são considerados do tipo meândricos, abaixo

deste valor passam a ser considerados canais retos.


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2.5.6) DECLIVIDADE DO CURSO D’ÁGUA


Tem influencia direta na velocidade de escoamento da água na calha. Existem

várias fórmulas para estimar a declividade:

1. Pelo quociente entre a diferença de suas cotas e sua extensão horizontal:

L

HI eq

∆=

Onde: ΔH = diferença entre a cota do ponto mais distante e da seção considerada (metros).L = comprimento do talvegue principal (metros).




2. Pelo método de “compensação de área”: traça-se no gráfico do perfil longitudinal,uma linha reta, tal que, a área compreendida entre ela e o eixo das abscissas(comprimento horizontal) seja igual à compreendida entre a curva do perfil e aabscissa.

A1 = A22

2

L

perfil do abaixo áreaI eq

×=

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3. Pela média harmônica (mais utilizada):

2

1

=

∑=

n

i i

i

eq

I

L

LI

L é o comprimento horizontal do perfil, que é dividido em n trechos, sendo Li e I i,respectivamente, o comprimento horizontal e a declividade média em cada trecho.


2.5.6) TEMPO DE CONCENTRAÇÃO (tc):


É o tempo necessário para que toda a água precipitada na bacia hidrográficapasse a contribuir na seção considerada.


2.6) CARACTERÍSTICAS DO RELEVO DA BACIA

O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influencia sobre os fatores

hidrológicos, pois, a velocidade do escoamento superficial é determinada pela

declividade do terreno, enquanto que a temperatura, a precipitação e evaporação são

funções da altitude da bacia.

2.6.1) DECLIVIDADE DA BACIA HIDROGRÁFICA:

Declividade influencia no tempo de duração do escoamento superficial e de

concentração da precipitação nos leitos do curso d’água.

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2.6.1) DECLIVIDADE DA BACIA HIDROGRÁFICA:

I = (D/A) * (ΣLi)I - declividade média da bacia (m/m)D – equidistância entre curvas de nível em metros.A – área da bacia (m2)Li – comprimento total das curvas de nível em metros.



2.6.2) ELEVAÇÃO MÉDIA DA BACIA:



2.6.2) CURVA HIPSOMÉTRICA:

Representa a variação da elevação da bacia hidrográfica. Esta curva se obtém

quando se acumula as áreas que estão acima ou abaixo de determinada altitude.

Uma análise mais completa das características de altitude de uma bacia pode

ser feita pela medição das subáreas compreendidas entre pares sucessivos de curvas

de nível.

Avalia-se, então, a porcentagem correspondente a cada uma destas subáreas,

em relação à área total da bacia.

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2.6.2) CURVA HIPSOMÉTRICA:


2.7) CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS

As características geológicas de uma bacia determina a maior ou menor

permeabilidade do material, influindo na rapidez das cheias, na quantidade de água

que infiltra-se e percola e no escoamento subterrâneo.

As características geológicas determinam também a formação de lençóis

mais ou menos profundos.



O tipo de cobertura vegetal das bacias, influi diretamente na retenção de

água, no escoamento superficial, a evapotranspiração, somando ou contrapondo seus

efeitos aos efeitos oriundos da geologia e do relevo da bacia.

A ação das florestas sobre o escoamento indica que têm função

regularizadora nas vazões (em clima seco podem ao contrário, diminuir em virtude do

aumento da evaporação).

As matas amortecem as pequenas enchentes não tendo influência contudo

nas enchentes catastróficas; são por outro lado, comprovadamente eficazes no

combate à erosão do solo.

2.7.1) COBERTURA VEGETAL:

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São muito importantes na caracterização e estudo das bacias, pois a

quantidade de radiação solar recebida, a troca de calor entre solo e atmosfera,

influenciam em muitos fenômenos hidrológicos como precipitações convectivas,

evaporação, transpiração vegetal.

Na realidade os dados disponíveis raramente permitem avaliar, mesmo com

aproximação grosseira, o balanço térmico, pois só se dispõe, geralmente, das medidas

das temperaturas efetuadas sob um abrigo nas vizinhanças do solo, nos postos

meteorológicos eventualmente na bacia.

2.7.2) CARACERÍSTICAS TÉRMICAS:

hidrologia - bacias hidrográficas

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