HIDRÁULICA APLICADA II

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1 HIDRÁULIC PLICD II PRTE I 1 SUMÁRIO 1. GENERLIDDES 2. CICLO HIDROLÓGICO 4. PRECIPITÇÃO 5. INTERCEPÇÃO, EVPORÇÃO E EVPOTRNSPIRÇÃO 6. ESCOMENTO DE SUPERFÍCIE 2 1

2 1. GENERLIDDES Hidrologia - ciência que estuda o ciclo da água na natureza, bem como a evolução da mesma sobre a Terra, debaixo do solo e na atmosfera, nos seus três estados: sólido, líquido e gasoso. Hidrologia está ligada com várias ciências: - a Meteorologia, a Climatologia, a Física, a Geologia e a Oceanografia; -Sectores que interessam ao engenheiro (hidráulico, agrónomo, etc.): todos os relacionados com o controlo e uso da água GENERLIDDES PLICÇÕES EM ENGENHRI - Captação de água - proveitamentos hidroeléctricos - Drenagem - Controlo e previsão de cheias - Qualidade da água - Navegação fluvial O ciclo de água modela o terreno, influência o tipo de fauna e de flora e condiciona o clima, 4 2

3 SUMÁRIO 1. GENERLIDDES 2. CICLO HIDROLÓGICO 4. PRECIPITÇÃO 5. INTERCEPÇÃO, EVPORÇÃO E EVPOTRNSPIRÇÃO 6. ESCOMENTO DE SUPERFÍCIE 5 2. CICLO HIDROLÓGICO 6 3

4 2. CICLO HIDROLÓGICO 7 2. CICLO HIDROLÓGICO 8 4

5 2. CICLO HIDROLÓGICO Regime hidrológico - conjunto de características hidrológicas de uma região. - Regime Glaciar alt. > 2000 m - Regime Nival 1000 < alt. < 2000 m - Regime Fluvial alt. < 1000 m no hidrológico - período de 365 dias (ou 366) (os fenómenos meteorológicos apresentam uma frequência anual) com início nas primeiras precipita ções e fim no período seco TMOSFER - Reservatório de vapor de água - Sistema de transporte e repartição - Regulador térmico 9 2. CICLO HIDROLÓGICO Balanço hidrológico fluências Efluências = Variação no rmazenamento em que: t + t t t + t q ( t) dt q ( t) dt = S( t + t) S( t) a q a (t) - afluências q e (t) - efluências S (t) - armazenamento de água t e 10 5

6 2. CICLO HIDROLÓGICO Balanço hidrológico CICLO HIDROLÓGICO Balanço hidrológico total Balanço hidrológico à superfície Balanço hidrológico abaixo da superfície Balanço hidrológico no solo Balanço hidrológico no subsolo Balanço hidrológico P-(R+G+E+T) = S P+Rg-(R+Es+Ts+I) = Ss I-(G+Rg+Eg+Tg) = Sg I-(Pl+Gso+Rso+Rso+Tg) = Sso Pl-(Gsso+Rsso+Esso) = Ssso P precipitação que atinge o solo; E evaporação; Es evaporação de águas superficiais; Eg evaporação de águas subterrâneas (Eso do solo; Essodo subsolo); T transpiração; Ts transpiração alimentada por águas superficiais; Tg transpiração alimentada por águas subterrâneas; I infiltração; R escoamento superficial = R2-R1 (R1 entra; R2 sai); G escoamento subterrâneo = G2-G1 (G1 entra; G2 sai; Gso no solo; Gsso no subsolo); Rg escoamento subterrâneo que volta à superfície (Rso do solo; Rsso do subsolo); S Volume armazenado (Ss armazenamento à superfície; Sg armazenamento abaixo da superfície; Sso no solo; Ssso no subsolo; DS respectiva variação); Pl percolação profunda. 12 6

7 2. CICLO HIDROLÓGICO Utilizações das equações do balanço hidrológico - Caracterização climática de uma região; - Determinação das necessidades de rega de um sistema de culturas agrícolas; - Cálculo da recarga natural de um aquífero; - Volume de albufeiras; - Caudais de máxima cheia e de estiagem, num rio; - ferição conjunta dos valores das parcelas que intervêm no balanço CICLO HIDROLÓGICO Distribuição da água na terra 14 7

8 SUMÁRIO 1. GENERLIDDES 2. CICLO HIDROLÓGICO 4. PRECIPITÇÃO 5. INTERCEPÇÃO, EVPORÇÃO E EVPOTRNSPIRÇÃO 6. ESCOMENTO DE SUPERFÍCIE 15 Bacia hidrográfica - é a área que num determinado curso de água contribui, através da precipitação aí caída, para a alimentação do referido curso de água. sua caracterização é fundamental para avaliar os caudais e outras grandezas hidrológicas desse mesmo curso de água. 16 8

9 Delimitação da bacia hidrográfica - Carta topográfica - Cristas das elevações circundantes - Natureza dos terrenos 17 Delimitação da bacia hidrográfica 18 9

10 Delimitação da bacia hidrográfica Software Hydrological Engineering Center - Hydrological Modeling System HEC-HMS Version Preparação de dados Geospatial Hydrological Modeling Extension HEC-GeoHMS Version Topografia: origem diversificada Delimitação da bacia hidrográfica 20 10

11 Topografia: origem SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) Delimitação da bacia hidrográfica 21 Topografia: processamento de dados Delimitação da bacia hidrográfica Leitura dos ficheiros originais hgt plicação: 3dem Selecção da área de interesse Conversão de coordenadas Gravação em formato Matriz SCII Leitura da informação com aplicação DemTools Gravação em formato DXF Criação do tema do tipo GRID em rcview a partir da informação DXF 22 11

12 Delimitação da bacia hidrográfica Leitura dos ficheiros originais hgt plicação: 3dem 23 Delimitação da bacia hidrográfica Selecção da área de interesse Conversão de coordenadas Gravação em formato Matriz SCII 24 12

13 Delimitação da bacia hidrográfica Leitura da informação com aplicação DemTools Gravação em formato DXF 25 Delimitação da bacia hidrográfica Leitura da informação com aplicação DemTools Gravação em formato DXF 26 13

14 Delimitação da bacia hidrográfica Criação do tema do tipo GRID em rcview a partir da informação DXF 27 plicação HEC-GeoHMS Delimitação da bacia hidrográfica 28 14

15 Delimitação da bacia hidrográfica 29 Geometria Sistema de drenagem Relevo Geologia Solos Vegetação 30 15

16 Geometria - Área Área de drenagem - é a área plana - Planímetro - Figuras geométricas simples - Ferramentas de CD 31 Geometria - Forma - Bacia alongada ou longitudinal - Bacia arredondada - Bacia radial ou ramificada Q Q Q tempo tempo tempo 32 16

17 Geometria - Forma Q Q tempo tempo 33 Geometria - Forma Parâmetros de descrição quantitativa: - Coeficiente de compacidade, ou índice de Gravellius, IG, é a relação entre o perímetro P b da bacia e o perímetro P c de um círculo de igual área, isto é, b IG = = P π b Em igualdade dos restantes factores, a tendência para grandes cheias será tanto maior quanto mais próximo da unidade for o valor deste coeficiente. Pb b IG = 34 17

18 Geometria - Forma - Índice de forma,, é a relação entre a largura média da bacia, B b, e o comprimento axial da bacia, L b ; ou seja, B L I F = b = b L Uma bacia com um índice de forma baixo encontra-se menos sujeita a cheias que outra do mesmo tamanho, mas com um índice de forma mais elevado. b 2 b Lb Lb b Bb b 35 Sistema de drenagem constância do escoamento Os cursos de água são classificados em: - perenes - escoam água durante todo o ano; - intermitentes - escoam durante as estações húmidas e secam nas de estiagem; - efémeros - existem apenas durante ou imediatamente após períodos de precipitação e só transportam escoamento superficial. Perenes Intermitentes Efémeros 36 18

19 Sistema de drenagem ordem dos cursos de água Os cursos de água são ordenados de acordo com uma classificação que reflecte o grau de ramificação ou bifurcação existente dentro de uma bacia hidrográfica. Critério introduzido por Horton e modificado por Strahler: ordem do rio principal mostra a extensão da ramificação na bacia. relação de bifurcação, R b, representa a relação entre o número de cursos de água de uma determinada ordem e o número de cursos da ordem seguinte O N Rb Sistema de drenagem densidade de drenagem densidade de drenagem, D d, exprime a relação entre o comprimento total dos cursos de água da bacia (sejam eles efémeros, intermitentes ou perenes) e a área total da bacia, isto é, i D C d = b Este parâmetro fornece uma indicação da eficiência da drenagem natural de uma bacia. Varia entre cerca de 0.5 km/km 2, para uma bacia mal drenada, a 3.5 km/km 2, ou mais, para uma bacia muito bem drenada. Em igualdade dos restantes factores, as bacias com maior densidade de drenagem tenderão a estar mais sujeitas a cheias do que as bacias com menor densidade de drenagem

20 Sistema de drenagem - percurso médio de escoamento superficial É a distância média que a água da chuva teria de percorrer, caso o escoamento se desse em linha recta, desde o ponto de queda na bacia até ao curso de água mais próximo Ps = 4 C i Embora o percurso médio do escoamento superficial, que efectivamente, ocorre sobre os terrenos possa ser bastante diferente dos valores determinados pela equação anterior, devido a diversos factores de influência, mesmo assim, este índice dá uma ordem de grandeza da distância média do escoamento superficial. 39 Relevo O relevo tem influência: - nas características cinemáticas dos cursos de água; - no coeficiente de escoamento; - nas possibilidades energéticas de uma bacia hidrográfica. - ltitude - influência na temperatura, precipitação, evaporação, etc.. - Inclinação da bacia - influência nas características cinemáticas dos cursos de água e na velocidade do escoamento superficial. - Distribuição do relevo - determinante das possibilidades energéticas de uma bacia hidrográfica

21 Relevo curva hipsométrica representa a área da bacia que fica acima de cada cota Z, relativamente ao nível médio do mar; é expressa em unidades de área ou em percentagem da área total: = f(z). Definem-se: a altura média da bacia, H h = em que H representa valores das cotas acima da secção de estudo e i a área entre duas curvas de nível consecutivas; a altitude média da bacia, b b i Z i z = i i 41 Relevo 42 21

22 Relevo 1800 Área ltitudes 1180 [km 2] [m] Relevo ltitudes (m) ltitudes (m) Curva Curva Hipsométrica Hipsométrica Superfície da bacia (km2) Superfície da bacia (km2) Curva Curva das das frequências frequências altimétricas altimétricas ltitudes (m) ltitudes (m) % da superfície da bacia % da superfície da bacia Curva hipsométrica é uma curva integral da curva de frequências altimétricas

23 Relevo Perfil longitudinal Perfil longitudinal ltitude (m) ,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2, ,0 Desenvolvimento (km) - Velocidade do escoamento - proveitamento de quedas 45 Relevo - o coeficiente de massividade, h C mass = b ( m) ( km 2 ) - o coeficiente orográfico, h C 0 = 2 b 2 ( m ) 2 ( km ) (produto da altura média da bacia pelo coeficiente de massividade). Um valor deste coeficiente igual ou inferior a 6 indica relevo pouco acentuado

24 Relevo inclinação média n+d n n-d Inclinação média - Método de lvord i n = I = D d n DLn Ln in = = D d L n in = D n n n L n n = n DL 47 Relevo inclinação média 0.2 km 0.2 km D=100 m 1.6 km km 0.2 km DL I == 1.0 km 48 24

25 Relevo Curva hidrodinâmica Curva Hidrodinâmica Curva Hidrodinâmica - Semelhante à curva hipsométrica - Estudo das possibilidades energéticas Energia produtível: h ds Cotas (m) Cotas (m) Áreas das bacias (km2) Áreas das bacias (km2) - Quanto maior for a área da curva hidrodinâmica, maiores são as possibilidades energéticas do respectivo rio, isto para precipita ções úteis idênticas. - cada m km 2 de valor hidrodinâmico correspondem 2 kwh por cada mm de chuva útil (rendimento 0.73) 49 Solos e Vegetação CRCTERÍSTICS GEOLÓGICSGICS Q Imperm. Perm. - Permeabilidade dos solos - Natureza do solo - Falhas - Toalhas de água subterrâneas t - Cursos de água subterrâneos - Caudal sólido COBERTUR VEGETL - Velocidade do escoamento superficial - Taxa de evaporação - Protecção contra erosão dos solos 50 25

26 Orientação e características térmicas ORIENTÇÃO - Distribuição das chuvas - Ventos e exposição solar - Determinante para semelhança entre bacias CRCTERÍSTICS TÉRMICS - Evaporação - Queda de neve - Dependem da localização: latitude, proximidade do mar, altitude, vegetação. 51 Fases de um estudo geral numa bacia hidrográfica 1 Introdução 2 Geomorfologia - Planimetria e altimetria da bacia. Superfície da bacia. Largura média. Comprimento do corpo de água principal. Forma da bacia. ltitudes. Curva hipsométrica e altura média. Inclina ção das vertentes. 3 Geologia - Natureza geológica dos terrenos. Relações entre a natureza das rochas e o transporte sólido. Carta geológica. 4 Solos e cobertura vegetal 5 Clima - Precipitações, Temperaturas e Ventos 6 Hidrografia e Hidrologia Geral - Descrição da rede hidrográfica. Divisões da bacia. Perfis longitudinais dos cursos de água. Obtenção da Curva Hipsométrica e da Curva Hidrodinâmica. plica ção dos Métodos de Thissen ou Horton e das isoietas, etc. 7 Possíveis Utilizações das Águas - Utilizações urbanas e agrícolas (Rega). Utilizações industriais. proveitamentos hidroeléctricos (Curva Hidrodinâmica). Utilizações das águas com fins recreativos, etc. 8 - Problemas de Defesa - Defesa contra Cheias. Correcção Torrencial. Enxugo. Defesa contra a Poluição. spectos ecológicos. 9 Estudos Hidrológicos - Modelos de Precipita ção-escoamentos, etc

27 plicações Os factores que determinam a ocorrência de cheias em duas bacias hidrográficas são semelhantes. s características geométricas das bacias são apresentadas no quadro que se segue: ÁRE PERÍMETRO COMPRIMENTO XIL LTUR MÉDI [km 2 ] [km] [km] [m] BCI BCI a) Compare as duas bacias hidrográficas quanto à tendência para a ocorrência de cheias, recorrendo aos índices que entender convenientes. b)indique, justificando convenientemente, a bacia que apresenta um relevo mais acentuado. 53 SUMÁRIO 1. GENERLIDDES 2. CICLO HIDROLÓGICO 4. PRECIPITÇÃO 5. INTERCEPÇÃO, EVPORÇÃO E EVPOTRNSPIRÇÃO 6. ESCOMENTO DE SUPERFÍCIE 54 27