RECURSOS HIDRICOS. SUDERHSA- DASP UFPR / DHS Curitiba, 10 de outubro de 2005 MONITORAMENTO EM PEQUENAS BACIAS HIDROGRÁFICAS

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1 SUDERHSA- DASP UFPR / DHS Curitiba, 10 de outubro de 2005 MONITORAMENTO EM PEQUENAS BACIAS HIDROGRÁFICAS Autores: OSNERI ROQUE ANDREOLI, Engenheiro Civil, SUDERHSA MÍRIAM RITA MORO MINE, Profa. Dra. UFPR PALAVRAS-CHAVE: monitoramento, pequenas bacias DADOS DAS EMPRESAS SUDERHSA End. Rua: Santo Antonio, 239 Curitiba - PR Telefone: (41) Fax: (41) UFPR Departamento de Hidráulica e Saneamento Curitiba - PR Telefone osneri@pr.gov.br, mrmine.dhs@ufpr.br RESUMO O monitoramento das variáveis hidrológicas das pequenas bacias é fundamental para todos os estudos que estejam relacionados ao seu uso: abastecimento público, irrigação, preservação ambiental, drenagem urbana, controle e previsão de cheias. Entretanto, não existem muitos dados confiáveis nestas bacias, seja por falta de monitoramento ou por este ser realizado de forma não adequada. As normas e procedimentos propostos neste trabalho deverão propiciar condições para que a instalação, operação e manutenção de estações hidrométricas em pequenas bacias sejam realizadas com maior segurança, obtendo-se informações de melhor qualidade e fornecendo dados confiáveis para os estudos de usos da água. As recomendações indicadas baseiam-se na combinação de normas e procedimentos existentes com a experiência pessoal adquiridos. O resultado desta coletânea associada à experiência profissional do primeiro autor resultou na indicação de métodos para determinação dos locais para instalação de estação ou rede de estações; de equipamentos a serem utilizados; e de procedimentos na operação e manutenção das estações. INTRODUÇÃO A água é recurso natural fundamental para a vida do ser humano. O estudo da água, tanto a quantificação quanto a qualificação, é uma preocupação necessária para a sua sobrevivência. O aumento populacional, o crescimento da agricultura irrigada, o uso crescente para lazer e energia, as necessidades industriais, e outras utilidades, juntamente com os conflitos inerentes ao aumento do uso da água, fazem com que conhecer as variáveis e características hidrológicas seja essencial para a sobrevivência humana. A adequada caracterização qualiquantitativa dos recursos hídricos está diretamente ligada ao seu monitoramento. Porém o monitoramento hidrológico sempre foi realizado nas grandes bacias, desta forma há necessidade 1

2 de determinar critérios para monitoramento hidrométrico em pequenas bacias hidrográficas, principalmente quando se necessita de informações de campo para utilização de captações para abastecimento de água ou para solucionar problemas de cheias urbanas. Somente o monitoramento de longo prazo permite a existência de séries históricas abrangentes e regulares, possibilitando a realização de estudos de aproveitamento dos recursos hídricos de maneira segura, viabilizando o uso da água e seu aproveitamento pelo homem. DEFINIÇÃO E CONCEITOS DE PEQUENAS BACIAS Uma bacia hidrográfica compreende toda a área de captação natural da água da chuva que proporciona escoamento superficial para o canal principal e seus tributários. Os canais têm diferentes tamanhos e unem-se, em confluências sucessivas, até formar um rio principal, que coleta a água de toda a bacia. A área de drenagem da bacia, em um determinado ponto, é toda a superfície dentro da qual toda a água precipitada, descontada a parte evaporada, infiltrada e retida, escoa para aquele ponto. O limite superior de uma bacia hidrográfica é o divisor de águas (divisor topográfico), e a delimitação inferior é a saída da bacia (confluência). O comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica é função de suas características morfológicas, ou seja, área, forma, topografia, geologia, solo e cobertura vegetal. A fim de entender as inter-relações existentes entre esses fatores de forma e os processos hidrológicos de uma bacia hidrográfica, torna-se necessário expressar as características da bacia em termos quantitativos. A necessidade de determinar seu tamanho deve levar em consideração algumas características físicas, climatológicas e ambientais tais como: i) precipitação; ii) duração das grandes precipitações, superior ao seu tempo de concentração. Praticamente todas as características da bacia estão correlacionadas com a área. Para individualizar cada bacia, devem ser consideradas algumas características topográficas (Goldenfum (2001); i) forma - a forma da bacia determina a maior ou menor rapidez com que ela responde aos eventos ocorridos; ii) comprimento da bacia e do canal principal - o caminho que a água percorre dentro da bacia até atingir sua exutória determina o tempo de resposta da bacia; iii) declividade: a declividade da bacia tem influência direta na velocidade do fluxo. A URBANIZAÇÃO E SUAS CONSEQUENCIAS NA DRENAGEM DA BACIA As mudanças que ocorrem no uso e na ocupação do solo de uma bacia hidrográfica são decorrentes principalmente da atividade antrópica, tais como desmatamento, reflorestamento e urbanização, que têm impactos no comportamento hidrológico e causam alterações no escoamento superficial. Portanto, a quantidade e a qualidade dos recursos hídricos de uma bacia são o reflexo do uso e ocupação do seu solo. Praticamente todos os fatores ambientais são alterados pela urbanização. Obviamente, a magnitude da alteração está relacionada às condições de ocupação, influência da área habitada e densidade populacional, Drew (1983). Por um longo período foram realizadas ações visando a remoção das águas em excesso através de obras e projetos de drenagem urbana. Estas medidas estruturais são necessárias, porém o conhecimento do ambiente urbano e das condições hidrológicas é a única maneira de obtenção de uma solução definitiva e que seja capaz de minimizar os efeitos e conseqüências das inundações. Relacionam-se, a seguir, os principais conhecimentos necessários: i) Uso e ocupação do solo - a urbanização causa grandes alterações no uso e ocupação do solo, alterando as condições naturais e facilitando a erosão, impermeabilização e compactação do solo, reduzindo a infiltração e aumentando o escoamento superficial. ii) Relevo - o relevo tem importância fundamental na urbanização. Porém as condições do relevo são alteradas pela urbanização, com alterações no relevo natural, com a construção de moradias e aberturas de ruas, que causam problemas de assoreamento dos rios. iii) Vegetação - a cobertura vegetal atua como regulador do impacto das precipitações, amortecendo o impacto das gotas da chuva sobre o solo, reduzindo a erosão superficial, regulando o escoamento das águas superficiais e a infiltração, favorecendo a recarga dos aqüíferos. Com a sua retirada ou redução, ocorre o descobrimento do solo, aumentando a sua erosão e o assoreamento das margens e leito do rio. iv) Hidrologia - a urbanização acarreta 2

3 mudanças na freqüência e magnitude das cheias dos rios, na redução da recarga dos aqüíferos e no aumento das velocidades do escoamento. v) Clima - a urbanização causa variações climáticas consideráveis, desde o aumento na temperatura local, até uma possível influência na quantidade e duração das precipitações. A variação na precipitação anual é da ordem de + 5% e a variação no número de dias de chuva mínima é de + 10%, Drew (1983). Esta alteração é maximizada nas pequenas bacias, ocasionando grande variação na disponibilidade e qualidade das águas. E este aspecto apresenta graves reflexos na questão do abastecimento das cidades, pois a disponibilidade hídrica é fator limitante para o próprio desenvolvimento das cidades Andreoli et al. (2000). O aumento nas vazões, decorrentes dos processos mencionados acima, aumenta a velocidade da água, ampliando seus efeitos de erosão, alterando as margens e leito, para receber esta nova vazão, agravando as condições da qualidade da água e ameaçando a integridade dos projetos realizados para uso da água. Portanto, quanto mais intensos e freqüentes os eventos de cheias, mesmo os que não extrapolam a caixa dos rios, maior é a desestabilização e erosão. Como resultado desta acomodação, pode-se observar um processo de alargamento do canal e aumento da sua área transversal para permitir a passagem das águas do rio nos eventos de cheia. A erosão das margens causa a alteração na seção transversal do rio, pois o material é depositado no fundo o que torna bastante variável a relação cota-vazão. LEITOS MÓVEIS As pequenas bacias com leito arenoso ou aquelas situadas próximas a áreas urbanas ou, ainda, que transportem muito sedimento, têm uma característica singular que é a de possuir leito móvel. Isto ocorre, pois durante as épocas de cotas normais, a velocidade da água é reduzida, permitindo a deposição dos materiais hidrotransportados no fundo e causando assoreamento do leito. Quando ocorre um evento de cheia, a velocidade da água aumenta, dessasoreando o leito, e dificultando o estabelecimento de uma relação cota-vazão, fornecendo uma nuvem de pontos na curva de descarga, tornando imprecisa a sua determinação. Para minimizar este efeito, deve-se realizar o levantamento da seção transversal, conforme exemplo na figura 1, todas as vezes que se efetua a medição de vazão. Assim é possível estabelecer uma correlação entre o fundo do leito e a cota. A figura 1 exemplifica a seção transversal de um rio, onde estão instalados cinco lances de réguas (L1, L2, L3, L4 e L5). Observa-se a cota de transbordamento, que neste caso ocorre na margem esquerda, relacionada ao lance L5. Fig. 1 Exemplo de Seção Transversal A realização de levantamento de seção transversal deve ser feita, para leitos móveis sempre que se realiza a medição de vazão. Nos demais casos devem ser realizados anualmente, para a verificação de eventuais alterações no leito ou margens do rio, que possam ocasionar alteração na relação cota-vazão. O levantamento da seção transversal é feito em toda a seção do rio, inclusive na parte que eventualmente esteja sem água, até o limite da cota de transbordamento. As profundidades dentro da água são obtidas com o guincho fluviométrico, e as cotas secas com uso de nível e mira topográfica. Alguns exemplos de leito móvel podem ser vistos nas figuras 2 e 3, onde estão marcados os pontos relacionando cota x descarga dos principais afluentes do Reservatório de Abastecimento do Irai, na região metropolitana de Curitiba, que foram monitorados dentro do Projeto Interdisciplinar de Pesquisa em Eutrofização de Águas de Abastecimento Público, financiado pelo FINEP/CT-Hidro e CNPq, com a participação de técnicos da SANEPAR, SUDERHSA, IAP, UFPR, PUC/PR, MHNCI e FUNPAR, sendo que este projeto deu origem ao livro Gestão Integrada de Mananciais de Abastecimento Eutrofizados (Andreoli e Carneiro (2005)). Percebe-se que os rios Timbú e Curralinho apresentam pontos muito dispersos no gráfico. Isso ocorre durante o período de cotas baixas ou médias, onde a velocidade da 3

4 água é baixa, quando ocorre a deposição dos materiais hidrotransportados no leito. Quando ocorre uma precipitação intensa, a quantidade de água escoada é maior; com aumento na velocidade de escoamento, a ação da água retira estes materiais depositados, provocando a variação no leito. de concentração, a importância desta variabilidade é grande. A variabilidade da chuva é função de diferentes aspectos, como: clima, relevo, solo, umidade. Todas estas variáveis necessitam ser observadas para a utilização dos dados de precipitação. Para analisar o comportamento da precipitação têm-se utilizado várias técnicas. A precipitação apresenta variabilidade no espaço e no tempo sazonal e interanual. O seu estudo dentro de sistemas hídricos deve ser realizado com séries históricas de dados bastante longas. PONTOS DE MONITORAMENTO Fig. 2 Relação cota x vazão Rio Curralinho. Fig. 3 Relação cota x vazão Rio Timbú. VARIABILIDADE ESPACIAL E TEMPORAL DA CHUVA As variações temporal e espacial das precipitações são elementos importantes para o projeto de obras de drenagem e controle dos volumes escoados superficialmente. Como existem poucas séries de vazões para pequenas bacias hidrográficas e, como os dados de chuva são em maior número e possuem séries históricas mais abrangentes, as informações de precipitação são bastante utilizadas em modelos hidrológicos chuva-vazão causando, porém, algumas incertezas em função da sua variabilidade. Esta incerteza está diretamente relacionada a falhas de informações, às variáveis dos modelos e às dificuldades de estimativa dos parâmetros. Em todos os locais a variabilidade da precipitação é observada. Nas pequenas bacias, que possuem uma área de drenagem reduzida, este fenômeno é um pouco amortizado, porém como estas bacias possuem um reduzido tempo MÉTODOS Para definição dos locais mais adequados, quando o objetivo é a instalação de uma rede de monitoramento, com muitas estações, em termos de fornecer os dados mais significativos existem muitos métodos que facilitam e dão mais segurança na escolha do local onde serão instalados os equipamentos. Ou, quando da instalação de apenas uma estação, para um projeto específico, o local será determinado pela necessidade de monitorar este ponto determinado, que será aquele definido no projeto. SEGURANÇA A segurança dos equipamentos da estação deve ser considerada como excludente, pois o risco de furto ou dano do equipamento é muito grave. Normalmente os equipamentos não possuem itens de reserva, tampouco acessórios que possam substituí-los, sendo difícil sua reposição em curto prazo. Desta forma, quanto existe risco à segurança dos equipamentos, deve-se buscar local alternativo para a sua instalação. OBSERVADOR O observador é a pessoa que faz as leituras diariamente e registra em caderneta. A existência de um morador próximo ao local da estação, muitas vezes sem grande instrução, mas com condições de zelar pela segurança do equipamento e realizar as leituras para comparação com as leituras registradas no equipamento, é fundamental. O equipamento, mesmo preciso e capaz de realizar registros contínuos, não informa quando está registrando 4

5 erroneamente, seja por falha na bateria, no sensor, etc. Portanto, a necessidade de ter alguém que cuide do equipamento e forneça leituras diárias, a baixo custo, pois recebe uma pequena gratificação mensal, é um item eliminatório na localização da estação. VARIÁVEIS LOCAIS As variáveis locais determinam o local exato onde pode ser instalada a estação, e devem oferecer as seguintes condições: i) margens estáveis, altas e bem definidas; ii) leito regular e estável; iii) inexistência de obras ou retirada de areia nas proximidades; iv) facilidade de acesso à seção de medição e à seção de réguas; v) trecho retilíneo do rio; vi) seção de medição que permita a realização de medições em todas as cotas, ou que possua local próximo para medição normal e em cheia; vii) seção de réguas em local estável, não sujeito à erosão; viii) existência de controle a jusante. MODELO PARA DETERMINAÇÃO DA LOCALIZAÇÃO DAS ESTAÇÕES. Um método de macro localização de estações, foi criado por Sharp (1971), sendo desenvolvida por Sanders et al. (1983), que define a rede de monitoramento como sendo a localização espacial das estações, e o projeto da rede de monitoramento como sendo a definição dos locais de amostragem, com a freqüência e duração do monitoramento. Esta metodologia, de aplicação bastante simples e prática, faz uma classificação prévia dos rios ou canais, sendo considerados canais de primeira ordem os que não recebem nenhum afluente, canais de segunda ordem aqueles resultantes da junção de dois canais de primeira ordem e assim sucessivamente, sendo que a ordenação dos canais é resultado do somatório das ordens dos elementos que o formam. A localização das estações é definida por hierarquias. A estação inicial (chamada de estação de primeira hierarquia) deve ser instalada no centro de massa da bacia. A sua localização é determinada dividindo-se a ordem da exutória da bacia por dois, obtendo-se a ordem do trecho do rio onde é instalada a estação de 1 a. hierarquia, figura 4. A localização desta estação inicial divide a bacia em 2 partes, criando-se duas bacias, com nova ordenação. Divide-se a ordem da exutória de cada um dos novos trechos por dois, obtendo-se a ordem do trecho do rio onde são instaladas as estações de 2 a. hierarquia conforme demonstrado nas figuras 5 e 6, e assim sucessivamente, até chegar-se ao número de estações que sejam possíveis de instalar e operar com os recursos financeiros e humanos disponíveis. Fig 4 Exemplo de hierarquia de bacia para aplicação do método Sharp Na figura 4 foram definidas as hierarquias dos trechos de rio: as de 1 a. ordem são aquelas que não possuem afluentes, as de 2 a. ordem são aquelas que possuem dois afluentes de 1 a. ordem, as de 3 a. ordem aquelas que possuem um afluente de 1 a e um de 2 a. ordem, e assim sucessivamente, com a hierarquia de cada trecho do rio sendo a soma das hierarquias dos seus afluentes até aquele trecho. Neste exemplo, a hierarquia do trecho da exutória é 16, portanto o trecho da estação de 1 a. hierarquia é 8. Assim sendo a estação de 1 a. hierarquia será instalada no trecho 8. Após a determinação do trecho da estação de 1 a. hierarquia, divide-se a bacia em duas partes, uma a montante e outra a jusante da estação, como mostram as figuras 5 e 6. Fig. 5 Trecho da bacia a montante da estação de 1 a. ordem Como no caso anterior, obtém-se a nova ordem do trecho na exutória (8) e onde está o trecho de 2 a. ordem. Quando não houver número exato 5

6 (seria o trecho de ordem 4), pega-se o trecho mais próximo, 5 ou 3. Neste caso escolhe-se o trecho 5. Fig. 6 Trecho da bacia a jusante da estação de 1 a. ordem. Na parte jusante, a nova ordem do trecho na exutória é o 8, e o trecho de 2 a. ordem é o trecho 4, onde será instalada a 2 a. estação de 2 a. ordem. Para utilização deste método, é necessário que se conheçam todos os rios da bacia, o que exige bastante trabalho prévio de pesquisa em campo. Porém a aplicação é bastante direta, facilitando o trabalho do hidrólogo e apresentando bom resultado na determinação dos locais da estação. Este é um método bastante conveniente para ser aplicado em pequenas bacias, ficando bastante facilitada a sua implementação, pois a quantidade de rios normalmente não é muito grande. VAZÕES MÍNIMAS Vazões mínimas são usadas em estudos de disponibilidade hídrica e preservação ambiental ou vazão ecológica que é a vazão mínima necessária para garantir a sobrevivência dos ecossistemas e são provenientes das contribuições dos lençóis freáticos, minas e fontes. A vazão mínima é determinante para estudos de viabilidade em abastecimento público, irrigação, outorga, entre outros usos. O conhecimento das vazões mínimas pode ser adquirido por medidas fluviométricas, tanto a vazão como a cota, e mesmo sendo um evento com duração mais longa, apenas as leituras em réguas linimetricas não são capazes de observar as leituras mínimas, sendo o registro com sensores de nível a melhor solução. VAZÕES MÉDIAS Vazão média é a média dos valores de vazão no período considerado, podendo ser diária, semanal, mensal, anual, etc. A variação da vazão média ao longo do tempo é indicador da disponibilidade hídrica e de como se comportam as vazões de enchentes. Portanto, para obtenção de valores de vazões médias confiáveis, há necessidade de dados mais freqüentes do que apenas duas medidas diárias. A utilização de sensores de nível em pequenas bacias é fornece dados contínuos, sem perda de informações, principalmente durante as enchentes, quando as cotas sobem e descem rapidamente. VAZÕES MÁXIMAS OU DE CHEIA A vazão máxima é a maior vazão que ocorre numa seção de um rio em um determinado período definido. Esta vazão representa as condições de inundação do local, definido por dois leitos, o leito mais estreito, que delimita a seção do rio onde ocorre o escoamento na maior parte do tempo, e o leito de inundação, mais largo, que é ocupado pelas águas durante as inundações. O levantamento da seção transversal de um rio mostra claramente as áreas da seção do rio e de inundação. Existem muitos casos em que uma das margens é consideravelmente mais baixa que a outra, sendo que esta margem mais baixa tem na sua cota maior a chamada cota de transbordamento, onde o rio fica confinado por uma das margens e na outra avança pela área de inundação. As vazões máximas acarretam graves problemas, causando perdas econômicas e humanas. O conhecimento destas vazões permite reduzir seus impactos, através de medidas estruturais e não estruturais. Como a vazão que delimita o leito de inundação é evento razoavelmente raro, a população tende a ocupar esta faixa, durante muitos anos de pequenas inundações que não atingem este local. Quando ocorrem as grandes cheias, a área de inundação é ocupada pelas águas, atingindo a população que ocupou este espaço, causando grandes perdas e sofrimento. Também o dimensionamento de pontes, bueiros, barragens, entre outras obras civis, é realizado utilizando-se os dados das vazões de cheias. Nas pequenas bacias, onde este evento ocorre de maneira extremamente rápida, a 6

7 determinação da vazão máxima, com precisão, é bastante difícil, exigindo monitoramento com equipamentos adequados de medição e nível e presteza na atuação da equipe de campo. NORMAS PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO As medições de vazão devem ser realizadas, preferencialmente, na mesma seção de medição, admitindo-se em casos específicos e que melhorem a obtenção dos dados, a utilização de uma seção para medição em cotas normais e outra para medições em épocas de cheia. Entretanto em muitos casos, quando a equipe de campo não possui este equipamento, ou, ainda, quando estão sendo feitas medições em cotas normais, pode ser utilizado o molinete ou micromolinete hidrométrico, devendo-se seguir as normas do Manual para Serviços de Hidrometria, editado pelo antigo DNAEE, que indica o número de tomadas de velocidade em função da profundidade na vertical. A utilização do processo chamado de método de dois pontos, onde são realizadas medições de velocidade a 20% e 80% da profundidade é o mais comum. O método de dois pontos deve ser utilizado quando se necessita de rapidez na realização da medição, nos casos de medição em cheia, onde ocorrem grandes variações nas cotas, em tempo chuvoso, ou qualquer outra característica que necessite rapidez na execução dos serviços. Deve-se utilizar sempre molinetes de boa procedência e que tenham sido aferidos há, no máximo, dois anos. A necessidade de aferição anual ou bienal é para garantir que a equação deste molinete forneça a velocidade real, pois este equipamento está sujeito a quedas, batidas em pedras, e outros fatos próprios de trabalho de campo, que podem entortar ou riscar a hélice ou o eixo, ocasionado alteração na equação. Quando se quer maior precisão na determinação das velocidades, usa-se o processo detalhado, onde deve ser realizada maior número de medidas de velocidade na mesma vertical, e obedecendo ao seguinte critério: i) com profundidades até 0,60m faz-se uma tomada de velocidade, a 60% da profundidade; ii) profundidades entre 0,60 m e 1,20 m são feitas duas tomadas, a 20% e 80% da profundidade; iii) profundidades entre 1,20 m a 2,00m, três tomadas, a 20%, 60% e 80% da profundidade; iv) profundidades entre 2,00 m e 4,00 m, quatro tomadas, a 20%, 40%, 60% e 80% da profundidade; v) para profundidades maiores que 4,00 m são realizadas seis tomadas de tempo: no fundo, na superfície, a 20%, a 40%, a 60%, a 80% da profundidade. A tomada na superfície corresponde à profundidade de 0,10m, e a tomada no fundo será determinada pela altura da haste que liga o molinete ao lastro. O número de verticais a serem medidas normalmente fica entre 20 e 25, correspondendo a aproximadamente 5% da largura cada uma, que fornecem boa representatividade das velocidades da seção. Em alguns casos, utilizase um número maior de verticais, principalmente quando se conhecem as condições de fluxo do rio, e realizando maior número de tomadas nas verticais em que ocorrem maiores variações verticais da velocidade. Nas pequenas bacias, os cursos d água apresentam pequenas larguras, e, nestes casos, pode-se realizar medições de velocidade em menor número de verticais, pois não são observadas variações significativas de velocidade em distâncias inferiores a 25 cm. Em rios com pequena profundidade, a medição de vazão é realizada a vau, ou seja, com o hidrometrista dentro da água. Nestes casos as posições de tomada de velocidades deverão ser realizadas observando-se que a marcação da haste que suporta o molinete está invertida em relação à profundidade, pois inicia a contagem a partir do fundo, devendo-se tomar o cuidado de calcular a posição do molinete a partir da superfície. INSTALAÇÃO DE ESTAÇÃO-EQUIPAMENTOS Estação hidrométrica é o local escolhido para a instalação dos equipamentos de medição da precipitação e nível. Para determinação da precipitação é instalado pluviômetro (Ville de Paris ou automático) ou pluviógrafo. Para determinação do nível são instaladas uma Seção de Réguas e uma Seção de Medição. A Seção de Réguas deve ser constituída de três referências de nível e réguas linimétricas. As referências podem ser instaladas, inicialmente, com cotas arbitrárias ou, quando possível, georeferenciadas; sendo duas para o nivelamento normal da seção de réguas, e uma em local elevado e protegido, que servirá como reserva em caso de dúvida entre as referências de nível ou quando ocorre uma perda total da seção de réguas e esta precise ser reinstalada novamente. As réguas linimétricas que devem abranger toda a variação do nível do rio, desde a cota mínima até a 7

8 cota máxima que o rio atinge. Estas informações normalmente são obtidas com o observador, que pode avisar se a cota está baixa, alta ou média, e até qual cota o rio já chegou. A partir das informações do observador, pode-se instalar o número de réguas necessárias para realizar as observações em todas as cotas do rio, tomando-se a precaução de colocar, pelo menos, um lance de régua abaixo da cota mínima e um acima da cota máxima informada. Assim evita-se o risco de leituras negativas caso o rio chegue abaixo do esperado, ou que não sejam realizadas as leituras, no caso do rio ultrapassar a cota máxima informada. A Seção de Medição deve ser materializada com marcos de ponto inicial (PI) e ponto final (PF), devendo estar localizada em trecho retilíneo e com fluxo regular, com margens definidas e firmes e que permitam realização de medição em todas as cotas. A constante evolução tecnológica tem permitido que os equipamentos utilizados na hidrometria sejam cada vez mais precisos e com maior capacidade de armazenamento de informação. E, nas pequenas bacias, onde o tempo de permanência dos eventos é bastante crítico, esta melhoria proporciona enorme melhoria na obtenção dos dados. A medição de variáveis hidrológicas, precipitação, vazão e evaporação são fundamentais para perceber o comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica. PRECIPITAÇÃO Precipitação é a medição da altura de água acumulada em uma superfície durante um evento de chuva, que é a forma mais comum de precipitação, sendo raras, no Brasil, as ocorrências de granizo e mais raras ainda as de neve. Existem duas maneiras de armazenar esta precipitação e determinar a sua quantidade: com pluviômetro ou com pluviógrafo. O pluviômetro é um aparelho coletor de chuva, no Brasil o modelo mais comum é o Ville de Paris, que possui uma área de captação de 400 cm 2. A maior deficiência do pluviômetro é que ele não é adequado para medir chuvas de pequena duração. Para estas medições, ou quando se faz necessário o conhecimento da distribuição temporal e da variação da sua intensidade, utiliza-se o pluviógrafo, ou pluviômetro automático. O pluviógrafo é o aparelho que registra continuamente, de forma analógica ou digital a precipitação em um local NÍVEL A medida do nível de água pode ser realizada através da leitura de linímetro ou régua linimétrica, ou por registro em gráfico ou em data loggers. Régua linimétrica é uma escala graduada, de madeira, metal (ferro ou alumínio) alumínio ou material plástico, e são instaladas em uma seqüência, variando normalmente de zero (a menor cota que o rio pode atingir) até a maior cota de cheia observada, no que é chamada Seção de Réguas. Réguas de vários materiais podem ser usadas, dependendo do local onde estão instalados os lances: i) as de ferro esmaltadas, em locais onde se pretende fazer as observações por um longo período, pois são mais caras e mais duráveis; ii) as de madeira, plástico ou alumínio em locais onde as leituras são feitas por curto período de tempo ou em locais onde estão sujeitas a vandalismo ou grandes enchentes, com a perda constante das réguas, portanto sendo mais baratas a sua reposição. Para determinar as cotas, deve-se instalar uma seção de réguas e um equipamento capaz de registrar as variações de nível que sofrem variações bastante rápidas: i) os linígrafos, que são registradores que marcam a variação do nível, através das oscilações de um flutuador ou na variação da pressão da água. Atualmente estes equipamentos têm deixado de ser utilizados; ii) sensores de nível, que medem a pressão da coluna de água e transmitem para data loggers onde são armazenados. A precisão e a grande capacidade de armazenamento são as maiores virtudes destes novos equipamentos. Portanto, em pequenas bacias, para determinação da precipitação deve-se instalar pluviógrafos ou pluviômetros automáticos, que forneçam os índices pluviométricos e sua distribuição ao longo do tempo. E, para determinação do nível, em pequenas bacias, deve ser instalada uma estação hidrométrica e de um sensor de nível automático, com capacidade de medir eventos em tempo reduzido A instalação de sensor de nível automático não elimina a necessidade de instalação de seção de réguas, tampouco a presença de observador. 8

9 MEDIÇÃO DE VAZÃO- EQUIPAMENTOS Os métodos de medição de vazão podem ser classificados em três categorias, conforme a natureza da medida: de nível, não estrutural e estrutural. Os métodos de nível utilizam réguas linimétricas ou sensores. Os métodos estruturais utilizam estruturas de medição pré-calibradas, onde as vazões são obtidas pela leitura da cota e verificando-se o respectivo valor da vazão numa tabela. Enquadram-se neste caso os vertedores e as calhas. Os métodos não estruturais são os mais comuns, sendo os principais, conforme Santos et al. (2001): i) medição e integração da distribuição da velocidade; ii) método acústico; iii) método volumétrico; iv) método químico; v) medição com flutuadores. Método convencional O método convencional para obtenção da vazão é o mais comum e utiliza a velocidade medida pontualmente com o molinete hidrométrico e contador de pulsos; e a área da seção, obtida através de cabo de aço e guincho fluviométrico. Mesmo com a recente introdução do método acústico, com as facilidades que este proporciona para obtenção da vazão, o uso do molinete hidrométrico ainda é o mais difundido, pela facilidade de operação e custo mais baixo. Método acústico O uso da acústica para medições de velocidades teve sua origem na necessidade de medir a direção e velocidade das correntes marítimas. No mar as grandes profundidades e a definição da direção do deslocamento da água, obrigou a utilização de ondas sonoras, criando equipamentos mais leves, sem lastros ou cabos de aço, e com maior segurança na operação. Este método está baseado na medição e integração de áreas e velocidade, através da análise do eco de pulsos de ultra-som (ondas acústicas de alta freqüência) refletidos pelas partículas sólidas hidrotransportadas e pela superfície sólida do fundo (efeito Doppler). Efeito Doppler pode ser definido como a variação do comprimento de onda devido ao movimento da fonte emissora ou do movimento relativo entre a fonte e o observador. Esta mudança na freqüência é diretamente proporcional à velocidade de deslocamento do objeto reflexivo, e, sendo medida, fornece a sua velocidade. Assim, como as partículas presentes na água deslocam-se com a mesma velocidade desta, calculando-se a velocidade de deslocamento das partículas, obtém-se a velocidade de deslocamento da água em cada posição. Os equipamentos que usam este efeito Doppler (ADCP e ADP) calculam todas as velocidades e as profundidades, tendo como resultado a vazão. Método volumétrico O método volumétrico, que é pouco utilizado, determina a vazão medindo o tempo necessário para o enchimento de um reservatório com volume conhecido. O cálculo da vazão é feito dividindo-se o volume que foi abastecido, pelo tempo necessário para o seu enchimento. É uma opção para medição de vazão com valores muito baixos, onde se pode utilizar um recipiente como balde ou tambor, ou quando não é possível realizar a medição com equipamentos convencionais. A maior dificuldade encontrada é como direcionar o fluxo do escoamento para este recipiente. Na medição de vazão, a possibilidade de uso de ADCP ou ADP, em épocas de cheia, vai otimizar o tempo necessário para determinar a curva de descarga, pois a ocorrência de cheias em pequenas bacias é um evento bastante rápido. Este equipamento permite que sejam feitas muitas medições em curto espaço de tempo, permitindo que, desde que a equipe de campo esteja presente no início da variação das cotas, sejam realizadas medições de vazão em toda a amplitude da cheia, fornecendo muitos pontos para a determinação da curva de descarga. Em cotas normais, a medição pode ser feita com o molinete ou micromolinete fluviométrico, pois a variação da cota é reduzida, o que permite bom resultado na medição. Método químico O método químico utiliza a análise da concentração de salinidade do rio. Inicialmente é realizada análise da concentração de sal do rio nas condições naturais, fazendo a calibração do equipamento. Em seguida adiciona-se sal, a montante do local onde o aparelho vai realizar a análise da concentração. O equipamento, que é um traçador de salinidade, mede a variação da 9

10 concentração no tempo, e traça uma curva. A vazão é resultante do cálculo da curva. Este método é recomendado para rios turbulentos, com muitas corredeiras, ou que não apresentem condições para medição com molinete ou ADCP e para medição de pequenas vazões e surgências de minas. Medição com flutuador Na medição com flutuador determina-se a velocidade de deslocamento de um objeto flutuante, medindo o tempo necessário para que o mesmo se desloque num trecho de rio, Santos et al. (2001). Não é muito indicado, pois fornece apenas a velocidade superficial ou sub-superficial, sendo necessário utilizar coeficientes para ajustar a velocidade real na seção. MÉTODOS ESTRUTURAIS PARA MONITORAMENTO Em pequenas bacias hidrográficas, onde vazões são de pequeno a médio volume é possível fazer o monitoramento com estruturas fixas précalibradas, de geometria simples e bem definidas, conforme exemplos a seguir: Vertedores De maneira geral, todo obstáculo no fundo de qualquer canal que cause a aceleração do escoamento enquanto passa por cima deste obstáculo é considerado um vertedor, Martins e Paiva (2001). Calhas medidoras de vazão Calhas medidoras de vazão são medidores de regime crítico, construídas de forma a promover, em seu interior, a transição entre o regime fluvial e torrencial, assegurando dessa forma condições de controle que produzem relação direta entre a lâmina d água e a vazão de escoamento, Martins e Paiva (2001). Dentre os modelos de calhas, as calhas Parshall são as mais conhecidas e utilizadas, e são estruturas em que suas paredes laterais causam um estrangulamento de seção. Calhas Parshall apresentam uma relação bem definida entre níveis e vazões, permitindo que, com a observação do nível, obtenha-se a vazão correspondente. A utilização de calhas em pequenas bacias, onde a alteração das cotas do rio é bastante rápida, deve estar associada a sensores de nível, para que se obtenham registros contínuos, sem perda de dados com as variações de cotas. O tamanho das calhas Parshall a serem construídas, é determinado pelas vazões mínimas e máximas esperadas. Na tabela 1 estão relacionadas às dimensões com as vazões limites que podem ser determinadas. TABELA 1 LIMITES DE VAZÃO PARA CADA TAMANHO DO MEDIDOR PARSHALL Dimensão nominal Vazão mínima (m 3 /s) Vazão máxima (m 3 /s) 3 0,8 x , ,4 x , ,5 x , ,3 x , ,1 x , ,8 x , ,1 x , ,2 x , ,16 8, ,23 25, ,31 37, ,38 47, ,46 56, ,60 74,7 50 0,75 93,05 Fonte: PARSHALL, A opção pela escolha da estrutura a ser utilizada depende de alguns fatores, sendo as condições locais e o volume a ser medido, os itens mais significativos. Outros fatores, como o custo mais elevado e a exigência de maior conhecimento construtivo, no caso das calhas, é compensado pela sua característica de não produzir grandes alterações do rio, mantendo as condições naturais de escoamento de sedimentos, nutrientes e vida aquática e permitir a medição em ampla faixa de vazões. As equações de escoamento de vertedores e calhas são pré-determinadas, e por isso mesmo muitos hidrólogos acham suficiente o uso destas equações. Recomenda-se a aferição em campo, com a realização de medições em diversas cotas como a melhor maneira de ter confiabilidade para a realização dos estudos. RECOMENDAÇÕES PARA MONITORAMENTO EM PEQUENAS BACIAS Apresenta-se, neste item, uma compilação das principais recomendações que 10

11 devem ser consideradas para o monitoramento em pequenas bacias hidrográficas, de tal forma que este monitoramento possa atender de maneira adequada às fases de planejamento, projeto, operação e manutenção de estações hidrométricas. I. Inicialmente, se devem utilizar métodos que dêem segurança na escolha da localização das estações e otimização dos recursos; II. Os equipamentos devem ser instalados em local seguro, protegido da ação das cheias e da atuação de vândalos; III. Observador para fazer as leituras diárias e zelar pelos equipamentos; IV. O local escolhido deve atender a algumas condições locais: a) margens estáveis, altas e bem definidas; b) leito regular e estável; c) inexistência de obras ou retirada de areia nas proximidades; d) facilidade de acesso à seção de medição e à seção de réguas; e) trecho retilíneo do rio; f) seção de medição que permita a realização de medições em todas as cotas, ou que possua local próximo para medição normal e em cheia; g) seção de réguas em local estável, não sujeito à erosão; h) existência de controle a jusante. V. Equipamentos registradores de precipitação e nível: a) pluviógrafos ou pluviômetros automáticos, que forneçam os índices pluviométricos e sua distribuição ao longo do tempo; b) uma seção de réguas e equipamentos capazes de registrar as variações de nível que sofrem variações bastante rápidas, como sensores de nível e data loggers ou registradores gráficos, capazes de armazenar estas variações. VI. A medição de vazão deve ser realizada: a) com molinete ou micromolinete hidrométrico nos períodos de cotas normais; b) com ADCP em períodos de cheia, com a equipe de campo chegando ao local da medição antes do início das variações de cotas. VII. Monitoramento com calhas Parshall ou vertedores: a) opção mais barata; b) não fazem leituras de cotas altas; c) escolha da estrutura depende das condições locais e volume a ser medido d) as equações de escoamento são prédeterminadas, porém deve-se realizar medições em diversas cotas para aferi-las.. e) instalação de calhas e vertedores devem estar associada a sensores de nível. Juntamente com a utilização de equipamentos, deve-se considerar a necessidade de aperfeiçoamento dos técnicos que atuam em hidrometria, pois a evolução tecnológica faz com que seja imperativo o conhecimento computacional por parte dos hidrometristas, além da condição física indispensável para um trabalho que exige esforço braçal para a colocação dos equipamentos de medição na água. CONCLUSÕES Considerando que a metodologia para a obtenção de dados confiáveis nestas bacias não estava bem definida, pois o monitoramento hidrométrico, historicamente, sempre foi realizado nas grandes bacias, havia uma carência na indicação destes procedimentos, sendo necessário o estabelecimento de um processo padrão. Procurou-se, através deste estudo estabelecer critérios para sugerir os equipamentos necessários para o monitoramento, assim como os procedimentos para instalação, operação e manutenção das estações hidrométricas em pequenas bacias. Desta forma, a utilização de métodos para determinar a localização das estações, instalação dos equipamentos em local seguro, protegido da ação das cheias e da atuação de vândalos; observador para fazer as leituras diárias e zelar pelos equipamentos; o local escolhido atendendo condições de: i)margens e leito regulares e estáveis; ii) ausência de obras nas proximidades; iii) fácil acesso à seção de medição e à seção de réguas; iv) trecho retilíneo do rio; v) seção de medição permitindo a realização de medições em todas as cotas; vi) seção de réguas em local estável e vii) controle a jusante, instalação de equipamentos registradores de precipitação e nível, pluviógrafos ou pluviômetros automáticos, que forneçam os índices pluviométricos e sua distribuição ao longo do tempo; realização de medição de vazão com molinete ou micromolinete hidrométrico nos períodos de cotas normais e com ADCP em períodos de cheia, além da possibilidade de monitoramento com calhas Parshall ou vertedores, são indicações de procedimentos para 11

12 monitoramento em pequenas bacias hidrográficas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDREOLI, C. V.; CARNEIRO, C. Gestão Integrada de Mananciais de Abastecimento Eutrofizados. In: Bolmann, H. A; Andreoli, O. R. Água no Sistema Urbano. Curitiba: Companhia de Saneamento do Paraná. Finep p ANDREOLI, C. V.; DALARMI, O.; LARA, A.I.Os Mananciais de Abastecimento do Sistema Integrado da Região Metropolitana de Curitiba. Anais do IX Simpósio Luso-brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Porto Seguro, 9 a 14 abril, ABES DREW, D. Processos Interativos homem meio ambiente. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil S.A GOLDENFUM, J. A. Pequenas bacias hidrológicas: conceitos básicos. In: PAIVA, J.B.D; PAIVA, E.M.C.D. Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas. Porto Alegre: ABRH, p MARTINS, E. S. P. R.; PAIVA, J. B. D. Quantidade dos recursos hídricos. In: PAIVA, J.B.D; PAIVA, E.M.C.D. Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas. Porto Alegre: ABRH, p PARSHALL, R.L. Measuring water in irrigation channels with Parshall flumes and small weirs. U. S. Soil of Conservation Service, Circular 843, May, SANDERS, T. G.; WARD, R. C., LOFTIS, J. C., STEELE, T. D., ADRIAN, D. D., YEVJECH, V. Design of networks for monitoring water quality (location of water quality monitoring stations), Water Resources Publications, Littleton, Colorado 80161, U.S.A SANTOS, I.; FILL, H. D.; SUGAI, M. R. v. B.; BUBA, H.; KISHI, R. T.; MARONE, E.; LAUTERT, L. F. Hidrometria Aplicada. Curitiba: Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, SHARP, W. E. Sampling for effective evaluation of stream pollution: Sewage and industrial wastes, 22,