Introducao hidrologia

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<ul><li> 1. Introduo Hidrologia 1-11 INTRODUO HIDROLOGIAHidrologia a cincia que trata da terra, sua ocorrncia, circulao e distribuio, suaspropriedades fsicas e qumicas, e suas reaes com o meio ambiente, incluindo suasrelaes com a vida.Engenharia hidrolgica uma cincia aplicada. Ela usa princpios hidrolgicos nasoluo de problemas de engenharia provenientes da explorao dos recursos hdricos.1.1 Importncia da HidrologiaFundamental para: Dimensionamento de obras hidrulicas Aproveitamento de recursos hdricos- aproveitamentos hidroeltricos 92% da energia produzida no pas;- abastecimento urbano 75% da populao do Brasil esto em reas urbanas;- irrigao problema de escolha do manancial;estudo de evaporao e infiltrao,- navegao obteno de dados e estudos sobre construo e manuteno de canaisnavegveis.- drenagem estudo de precipitaes, bacias de contribuio e nvel dgua noscursos dgua.- regularizao de cursos dgua estudo das variaes de vazo. Controle de inundaes previso de vazes mximas Controle e previso de secas- estudo das vazes mnimas Controle de poluio- vazes mnimas de cursos dgua, capacidade de reacrao e velocidade1.2 Disponibilidade HdricaTotal de gua no planeta....................................................1400 x 1015m3(100%)Oceanos............................................................................. 1350x1015(96,4%)Geleiras.............................................................................. 25 x 1015(1,8%)guas subterrneas............................................................ 8.4 x 1015(0,6%)Rios e lagos........................................................................ 0.2 x 1015(0,01%)Atmosfera........................................................................... 0.01 x 1015(0,0007%)</li></ul><p> 2. Introduo Hidrologia 1-21.3 Importncia da gua Elemento essencial vidaseres vivos: maior parte em peso gua (homem 67%)portanto: disponibilidade de gua condiciona a biomassa. Regulador trmicocondiciona o clima Produo de alimentossuprimento: natural e/ou irrigaoanimais e vegetais aquticos Essencial sade- abastecimento domstico- molstias de veiculao hdrica Produo de energia- no Brasil: 50 x 106KW instalados (90% hidro)150 x 106KW potenciais (a desenvolver) Insumo industrial- resfriamento- lavagem- processo produtivo- incorporao ao produto Meio de transporte- navegaes, minerodutos- afastamento de dejetos (autodepurao) Recreao, paisagismo 3. Introduo Hidrologia 2-32 CICLO HIDROLGICO- De uma maneira ou de outra, a gua existe em toda parte.- Pode ser considerada ilimitada nos oceanos (relativo ao homem) e de magnitude quasenula nas regies desrticas.- Na atmosfera, a gua est presente em forma de vapor, nuvens e precipitao.- Sob a superfcie da Terra ocorre em forma de cursos dgua e lagos.- Maior poro de gua do planeta est contida nos oceanos mesmo assim, hpermanente circulao de gua em todo o corpo da natureza- A evaporao na superfcie dos oceanos permanente- A gua evaporada dos oceanos:a) condensa-se e precipita-se sobre os mesmos;b) levada pelos ventos para reas continentais e precipita-se sob forma de chuva,granizo, neve ou condensa-se sob a forma de orvalho ou geada nas reas de vegetao.- Umidade sob forma de orvalho ou geada diretamente evaporada ou absorvida pelavegetao.- gua precipitada sob a forma de chuva:a) uma parte transforma-se em vapor;b) outra parte interceptada pela vegetao, pelas construes e objetos e parcialmentereevaporada;c) outra parte escoa superficialmente at alcanar os cursos dgua, retornando aosoceanos.d) outra parte infiltra-se pelo solo, onde:I- parte retida por capilaridade nas proximidades da superfcie e dali evaporada;II-outra parte utilizada pela vegetao retornando atmosfera pelo processo detranspirao;III- outra parte infiltra-se mais profundamente (subsolo) dando origem ao escoamentosubterrneo;IV- uma pequena parte infiltra-se at grandes profundidades e, aps longos perodos detempo, surge sob a forma de nascentes ou giseres.- gua que alcana os cursos dgua somente uma parte escoa diretamente para o rio.- O restante:a) evaporado diretamente da superfcie lquida;b) absorvido pela vegetao ribeirinha;c) penetra nos solos marginais quando o nvel fretico inferior ao nvel do curso dgua;esta parcela pode retornar ao curso dgua em pontos mais a jusante; ou podeencontrar sadas em nascentes distantes em outras bacias, lagos ou mesmo no mar;pode ainda ser alcanada por vegetais de razes profundas ou ento agregar-se s guassubterrneas. 4. Introduo Hidrologia 2-4Essa seqncia de fatos denominada ciclo hidrolgico e est representada de maneirabastante ilustrativa nas figuras 2.1 e 2.2.Figura 2.1 Ciclo hidrolgico.Figura 2.2 Representao esquemtica do ciclo hidrolgico.O ciclo hidrolgico pode ser representado pela chamada Equao do Balano Hdrico,que em geral est associada a uma bacia hidrogrfica. Essa equao dada por:P EVT Q = DR (2.1) 5. Introduo Hidrologia 2-5onde:P total precipitado sobre a bacia em forma de chuva, neve, etc., expressa em mm;EVT peradas por evapotranspirao, expressa em mm;Q escoamento superficial que sai da bacia. normalmente dado em vazo mdia aolongo do intervalo (por exemplo m3/s ao longo do ano);DR variao de todos os armazenamentos, superficiais e subterrneas. expressoem m3ou em mm.Este assunto ser visto mais adiante, com detalhes, aps ter conhecido os conceitos deprecipitao, evapotranspirao e escoamento superficial. 6. Introduo Hidrologia 3-63 BACIA HIDROGRFICA (B.H.)- a rea geogrfica na qual toda gua de chuva precipitada escoa pela superfcie dosolo e atinge a seo considerada.Sinnimo: bacia de contribuio, bacia de drenagem.Figura 3.1 Esquema de uma bacia hidrogrfica.Figura 3.2 Bacia hidrogrfica do Rio do Jacar.- Uma B.H. necessariamente definida por um divisor de guas que a separa das baciasadjacentes.Figura 3.3 Corte transversal de uma bacia hidrogrfica. 7. Introduo Hidrologia 3-7- Todos os problemas prticos de hidrologia se referem a uma determinada baciahidrogrfica.- comum tambm se estudar apenas uma parte de um curso dgua. Nestes casos, aB.H. a ser considerada a que se situa montante (para cima) do ponto considerado.Figura 3.4 B.H. do Rio Parate a montante da seco L.3.1 Delimitao de uma B.H. necessrio dispor de uma planta plani-altimtrica para se delimitar corretamente umabacia hidrogrfica. Procura-se traar uma linha divisora de guas que separa a baciahidrogrfica considerada das vizinhas.Ao se traar o divisor de gua (D.A) deve-se considerar:- O D.A. no corta nenhum curso dgua;- Os pontos mais altos (pontos cotados) geralmente fazem parte do D.A;- O D.A deve passar igualmente afastados quando estiver entre duas curvas de mesmonvel;- O D.A deve cortar as curvas de nvel o mais perpendicular possvel.Figura 3.5A figura da pgina seguinte mostra uma planta com o divisor de uma bacia hidrogrfica. 8. Introduo Hidrologia 3-8Figura 3.63.2 Caractersticas de uma Bacia Hidogrficarea de drenagem a rea plana (projeo horizontal) inclusa entre seus divisores topogrficos. A rea oelemento bsico para o clculo das outras caractersticas fsicas. A rea de uma B.H. geralmente expressa em km2. Na prtica, determina-se a rea de drenagem com o uso deum aparelho denominado planmetro, porm pode-se obter a rea com uma boa preciso,utilizando-se o mtodo dos quadradinhos.Cabe relembrar aqui a utilizao de escalas. Por exemplo, se estivesse trabalhando comum mapa na escala 1: 100.000:1 cm no mapa equivale a 100.000 cm ou 1.000 m ou 1,0 km, na medida real.1 cm2equivale a 1,0 x 1,0 =1,0 km2.Supondo que a escala do mapa fosse 1:50.000:1 cm no mapa equivale a 50.000 cm = 500 m = 0,5 km real.1 cm2= 0,5 x 0,5 = 0,25 km2.Forma da BaciaA forma da bacia influencia o escoamento superficial e, conseqentemente, o hidrogramaresultante de uma determinada chuva.Dois ndices so mais usados para caracterizar a bacia: ndices de compacidade econformao. 9. Introduo Hidrologia 3-91. ndice de Compacidade (kc) a relao entre o permetro da bacia e acircunferncia de um crculo de rea igual da bacia.APKC 28,0= (3.1)onde: P permetro da bacia;A rea da bacia.Caso no existam fatores que interfiram, os menores valores de kc indicam maiorpotencialidade de produo de picos de enchentes elevados.2. ndice de Conformao (Fator de forma) a relao entre a rea da bacia e oquadrado de seu comprimento axial medido ao longo do curso dgua desde adesembocadura at a cabeceira mais distante do divisor de gua.2LAIc = (3.2)onde: A rea da bacia;L comprimento axial.Rede de drenagem (Rd) o conjunto de todos os cursos dgua de uma bacia hidrogrfica, sendo expressa emkm.==niid lR1(3.3)onde: li comprimento dos cursos dgua.Densidade de drenagem (Dd)A densidade de drenagem indica eficincia da drenagem na bacia. Ela definida como arelao entre o comprimento total dos cursos dgua e a rea de drenagem e expressaem km/ km2. A bacia tem a maior eficincia de drenagem quanto maior for essa relaoALDd = (3.4)Nmero de ordemA classificao dos rios quanto ordem reflete o grau de ramificao ou bifurcaodentro de uma bacia.Os cursos dgua maiores possuem seus tributrios que por sua vez possuem outros atque chegue aos minsculos cursos dgua da extremidade.Geralmente, quanto maior o nmero de bifurcao maior sero os cursos dgua; dessaforma, pode-se classificar os cursos dgua de acordo com o nmero de bifurcaes.Numa bacia hidrogrfica, calcula-se o nmero de ordem da seguinte forma: comea-se anumerar todos os cursos dgua, a partir da nascente, de montante para jusante,colocando ordem 1 nos trechos antes de qualquer confluncia. Adota-se a seguintesistemtica: quando ocorrer uma unio de dois afluentes de ordens iguais, soma-se 1 ao 10. Introduo Hidrologia 3-10rio resultante e caso os cursos forem de nmeros diferentes, d-se o nmero maior aotrecho seguinte.Figura 3.6Declividade do lveoA velocidade de um rio depende da declividade dos canais fluviais. Quanto maior adeclividade, maior ser a velocidade de escoamento; neste caso, os hidrogramas deenchente tero ascenso mais rpida e picos mais elevados.Determinao da declividade equivalente (ou mdia):1. Pelo quociente entre a diferena de suas cotas e sua extenso horizontal:LHIeqD= (3.5)onde: DH diferena entre as cotas do ponto mais distante e da seo considerada;L comprimento do talvegue principal.2. Pelo mtodo de compensao de rea: traa-se no grfico do perfil longitudinal,uma linha reta, tal que, a rea compreendida entre ela e o eixo das abcissas (extensohorizontal) seja igual compreendida entre a curva do perfil e a abcissa.A1 = A2LA2HLHA TRTR=DD=2LHIeqD= LLAI TReq=2 22LAI TReq= 11. Introduo Hidrologia 3-11Como a rea do tringulo retngulo igual rea abaixo do perfil longitudinal dotalvegue, pode-se escrever a equao de Ieq da seguinte forma:22LperfildoabaixoreaIeq= (3.6)3. Pela mdia harmnica (mais utilizada)A declividade equivalente determinada pela seguinte frmula:21 ==ni iieqILLI (3.7)onde L a extenso horizontal do perfil, que dividido em n trechos, sendo Li e Ii,respectivamente, a extenso horizontal e a declividade mdia em cada trecho.Tempo de concentrao (tc) o tempo necessrio para que toda a gua precipitada na bacia hidrogrfica passe acontribuir na seo considerada.Frmula para o clculo de tc:1. Frmula de Kirpich385,0257=eqcILt (3.8)onde: Ieq declividade equivalente em m/km;L comprimento do curso dgua em km.2. Frmula de Picking3123,5=eqcILt (3.9)onde: L comprimento do talvegue em km;Ieq declividade equivalente em m/m. 12. Introduo Hidrologia 3-12Exerccio-exemplo 3.1:Desenhar o perfil longitudinal do talvegue principal da bacia abaixo e determinar adeclividade equivalente, utilizando o mtodo de compensao de rea e da mdiaharmnica. Determinar tambm o tempo de concentrao para duas declividades.Com auxlio de um curvmetro (aparelho que mede o comprimento de linhas), mediu-se,a partir do exutrio (ponto L), para montante, as distncias dele at os pontos onde ocurso dgua corta as curvas de nvel. Com os dados obtidos, construiu-se a seguintetabela:Ponto Dist. de L (m) Cota (m)LABCDEF0,012.40030.20041.00063.70074.00083.200372 (*)400450500550600621 (*)(*) estimadoa) Perfil longitudinal3504004505005506006500 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000Comprimento (m)Cota(m)d) Clculo da declividade equivalente pelo mtodo de compensao de rea 13. Introduo Hidrologia 3-13e)2mA 400.943800.17228782 =+=2mA 400.112.1800.102781283 =+=2mA 100.473.3700.2221281784 =+=2mA 900.090.2300.1021782285 =+=2mA 200.194.2200.922282496 =+=Atot = 173.600 + 943.400 + 1.112.400 + 3.473.100 + 2.090.900 + 2.194.200 = 9.987.600m2m/m0029,0200.83600.987.92222===LAI toteq ou 2,9 m/kmf) Clculo da declividade equivalente pelo mtodo da mdia harmnica. 14. Introduo Hidrologia 3-14m/m0023,0400.12280400.123724001 ==--=Im/m0028,0800.1750400.12200.304004502 ==--=Im/m0046,0800.1050200.30000.414505003 ==--=Im/m0022,0700.2250000.41700.635005504 ==--=Im/m0049,0300.1050700.63000.745506005 ==--=Im/m0023,0200.921000.74200.836006216 ==--=Im/m0028,00023,0200.90049,0300.100022,0700.220046,0800.100028,0800.170023,0400.12200.83221=+++++===ni iieqILLI 15. Introduo Hidrologia 3-153504004505005506006500 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000Comprimento (m)Cota(m)Perfil longitudinalCompens. reaMdia harm6onicaEXERCCIOS PROPOSTOSA partir de um mapa plani-altimtrico, foram levantadas as cotas em alguns pontos docurso principal de um crrego e as respectivas distncias. Os valores obtidos estoapresentados na tabela abaixo. Com base nestes dados, determinar:a) declividade equivalente, utilizando os mtodos da compensao de rea e da mdiaharmnica;b) tempo de concentrao (tc) da bacia.Seo Cota (m) Distnciaacumulada (m)12345700705715735780030070011001400 16. Introduo Hidrologia 4-164 PRECIPITAO4.1 ConceitoPrecipitao a gua proveniente do vapor dgua da atmosfera, que chega a superfcieterrestre, sob a forma de: chuva, granizo, neve, orvalho, etc.Para as condies climticas do Brasil, a chuva a mais significativa em termos devolume.4.2 Formao das chuvasA umidade atmosfrica o elemento bsico para a formao das precipitaes.A formao da precipitao segue o seguinte processo: o ar mido das camadas baixas daatmosfera aquecido por conduo, torna-se mais leve que o ar das vizinhanas e sofreuma ascenso adiabtica. Essa ascenso do ar provoca um resfriamento que pode faz-loatingir o seu ponto de saturao.A partir desse nvel, h condensao do vapor dgua em forma de minsculas gotas queso mantidas em suspenso, como nuvens ou nevoeiros. Essas gotas no possuem aindamassa suficiente para vencer a resistncia do ar, sendo, portanto, mantidas em suspenso,at que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar.4.3 Tipos de chuvaAs chuvas so classificadas de acordo com as condies em que ocorre a ascenso damassa de ar.4.3.1 Chuvas frontais- Provocadas por frentes; no Brasil predominam as frentes frias provindas do sul;- de fcil previso ( s acompanhar o avano da frente);- de longa durao, intensidade baixa ou moderada, podendo causar abaixamento datemperatura;- Interessam em projetos de obras hidreltricas, controle de cheias regionais enavegao.Fig...</p>