Hidráulica e Hidrologia

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1 75 VII - BACIA HIDROGRÁFICA. O Cclo Hdrológco, como descrto anterormente, tem um aspecto geral e pode ser vsto como um sstema hdrológco fechado, já que a quantdade de água dsponível para a terra é fnta e ndestrutível. Entretanto, os subsstemas abertos são abundantes, e estes são normalmente os tpos analsados pelos hdrologstas. Dentre as regões de mportânca prátca para os hdrologstas destacam-se as Bacas Hdrográfcas (BH) ou Bacas de Drenagem, por causa da smplcdade que oferecem na aplcação do balanço de água, os quas podem ser desenvolvdos para avalar as componentes do cclo hdrológco para uma regão hdrologcamente determnada, conforme Fgura 7.1. Baca Hdrográfca é, portanto, uma área defnda topografcamente, drenada por um curso d água ou por um sstema conectado de cursos d água, tal que toda a vazão efluente seja descarregada por uma smples saída. CRUCIANI, 1976 defne mcro baca hdrográfca como sendo a área de formação natural, drenada por um curso d água e seus afluentes, a montante de uma seção transversal consderada, para onde converge toda a água da área consderada. A área da mcro baca depende do objetvo do trabalho que se pretende realzar (não exste consenso sobre qual o tamanho deal). PEREIRA (1981) sugere: Para verfcação do efeto de dferentes prátcas agrícolas nas perdas de solo, água e nutrentes área não deve exceder a 50 ha. Estudo do balanço hídrco e o efeto do uso do solo na vazão áreas de até ha. Estudos que requerem apenas a medção de volume e dstrbução da vazão bacas representatvas com áreas de 10 a 50 ml ha.

2 76 Fgura 7.1: Esquema de bacas hdrográfcas. Fonte: Agênca Naconal das Águas (ANA) 7.1. Dvsores Dvsores de água: dvsor superfcal (topográfco) e o dvsor freátco (subterrâneo). Conforme a Fgura 7.2, o dvsor subterrâneo é mas dfícl de ser localzado e vara com o tempo. À medda que o lençol freátco (LF) sobe, ele tende ao dvsor superfcal. O subterrâneo só é utlzado em estudos mas complexos de hdrologa subterrânea e estabelece, portanto, os lmtes dos reservatóros de água subterrânea de onde é dervado o deflúvo básco da baca. Na prátca, assume-se por facldade que o superfcal também é o subterrâneo. Fgura 7.2: Corte transversal de bacas hdrográfcas.

3 77 A Fgura 7.3 apresenta um exemplo de delmtação de uma baca hdrográfca utlzando o dvsor topográfco. Nesta Fgura está ndvdualzada a baca do córrego da Serrnha. Note que o dvsor de águas (lnha tracejada) acompanha os pontos com maor alttude (curvas de nível de maor valor). Fgura 7.3: Delmtação de uma baca hdrográfca (lnha tracejada) Classfcação dos cursos d água De grande mportânca no estudo das BH é o conhecmento do sstema de drenagem, ou seja, que tpo de curso d água está drenando a regão. Uma manera utlzada para classfcar os cursos d água é a de tomar como base a constânca do escoamento com o que se determnam três tpos: Perenes: contém água durante todo o tempo. O lençol freátco mantém uma almentação contínua e não desce nunca abaxo do leto do curso d água, mesmo durante as secas mas severas. Intermtentes: em geral, escoam durante as estações de chuvas e secam nas de estagem. Durante as estações chuvosas, transportam todos os tpos de deflúvo, pos o lençol d água subterrâneo conserva-se acma do leto fluval e almentando o curso d água, o que não ocorre na época de estagem, quando o lençol freátco se encontra em um nível nferor ao do leto.

4 78 Efêmeros: exstem apenas durante ou medatamente após os períodos de precptação e só transportam escoamento superfcal. A superfíce freátca se encontra sempre a um nível nferor ao do leto fluval, não havendo a possbldade de escoamento de deflúvo subterrâneo Característcas físcas de uma baca hdrográfca Estas característcas são mportantes para se transferr dados de uma baca montorada para uma outra qualtatvamente semelhante onde faltam dados ou não é possível a nstalação de postos hdrométrcos (fluvométrcos e pluvométrcos). É um estudo partcularmente mportante nas cêncas ambentas, pos no Brasl, a densdade de postos fluvométrcos é baxa e a maora deles encontram-se nos grandes cursos d água, devdo a prordade do governo para a geração de energa hdroelétrca. Brasl: 1 posto/ 4000 km 2 ; USA: 1 posto/ 1000 km 2 ; Israel: 1 posto/ 200 km 2. Área de drenagem É a área plana (projeção horzontal) nclusa entre os seus dvsores topográfcos. A área de uma baca é o elemento básco para o cálculo das outras característcas físcas. É normalmente obtda por planmetra ou por pesagem do papel em balança de precsão. São muto usados os mapas do IBGE (escala 1:50.000). A área da baca do Ro Paraíba do Sul é de km 2. Forma da baca É uma das característcas da baca mas dfíces de serem expressas em termos quanttatvos. Ela tem efeto sobre o comportamento hdrológco da baca, como por exemplo, no tempo de concentração (Tc). Tc é defndo como sendo o tempo, a partr do níco da precptação, necessáro para que toda a baca contrbua com a vazão na seção de controle. Sstema de drenagem O sstema de drenagem de uma baca é consttuído pelo ro prncpal e seus trbutáros; o estudo das ramfcações e do desenvolvmento do sstema é mportante, pos ele ndca a maor ou menor velocdade com que a água dexa a baca

5 79 hdrográfca. O padrão de drenagem de uma baca depende da estrutura geológca do local, tpo de solo, topografa e clma. Esse padrão também nfluenca no comportamento hdrológco da baca. Ordem dos cursos d água e razão de bfurcação (Rb): De acordo com a Fgura 6.4, adota-se o segunte procedmento: 1. Os cursos prmáros recebem o número 1; 2. A unão de 2 de mesma ordem dá orgem a um curso de ordem superor; e 3. a unão de 2 de ordem dferente faz com que prevaleça a ordem do maor. Quanto maor Rb méda, maor o grau de ramfcação da rede de drenagem de uma baca e maor a tendênca para o pco de chea. Fgura 7.4: Ordem dos cursos d água Precptação Entende-se por precptação a água provenente do vapor de água da atmosfera depostada na superfíce terrestre sob qualquer forma: chuva, granzo, neblna, neve, orvalho ou geada. Representa o elo de lgação entre os demas fenômenos hdrológcos e fenômeno do escoamento superfcal, sendo este últmo o que mas nteressa ao engenhero. Elementos necessáros a formação das precptações: 1. Umdade atmosférca: (devdo à evapotranspração); 2. Mecansmo de resframento do ar: (ascensão do ar úmdo); 3. Presença de núcleos hgroscópos e, 4. Mecansmo de crescmento das gotas: Tpos de Precptação

6 80 Precptações cclôncas Estão assocadas com o movmento de massas de ar de regões de alta pressão para regões de baxa pressão. Essas dferenças de pressões são causadas por aquecmento desgual da superfíce terrestre. As precptações cclôncas são de longa duração e apresentam ntensdades de baxa a moderada, espalhando-se por grandes áreas. Por sso são mportantes, prncpalmente no desenvolvmento e manejo de projetos em grandes bacas hdrográfcas. Fgura 7.5: Seção vertcal de uma superfíce frontal. Precptações Convectvas São típcas das regões tropcas. O aquecmento desgual da superfíce terrestre provoca o aparecmento de camadas de ar com densdades dferentes, o que gera uma estratfcação térmca da atmosfera em equlíbro nstável. As precptações convectvas são de grande ntensdade e curta duração, concentradas em pequenas áreas (chuvas de verão). São mportantes para projetos em pequenas bacas. Precptações Orográfcas Resultam da ascensão mecânca de correntes de ar úmdo horzontal sobre barreras naturas, tas como montanhas (Fgura 7.6). As precptações da Serra do Mar são exemplos típcos. Fgura 7.6: Chuvas Orográfcas.

7 Medções das Precptações Altura pluvométrca de chuva (P): Expressa a quantdade de chuva (h) pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfíce plana e mpermeável sem se evaporar. No Brasl a altura de chuva é expressa em mlímetros. A altura da chuva pode ser referr a uma chuva determnada ou a todas as precptações ocorrdas em um certo ntervalo de tempo como exemplo as alturas pluvométrcas dáras, mensas, anuas. Duração (t): Intervalo de tempo decorrdo entre o nstante que ocorreu a chuva e seu térmno. É medda, em geral, em mnutos ou horas. ou mm/h. Intensdade (): É a velocdade de precptação medda em geral em mm/mm ntensdade de chuva, (mm/h); P precptação, (mm) e, t tempo de duração da chuva, (h). P no qual, t Aparelhos de medção Ela é avalada por meo de meddas executadas em pontos prevamente escolhdos, utlzando-se aparelhos denomnados pluvômetros ou pluvógrafos, conforme sejam smples receptáculos da água precptada ou regstrem essas alturas no decorrer do tempo. As meddas realzadas nos pluvômetros são peródcas, geralmente em ntervalos de 24 horas, sempre às 7 da manhã. Fgura 7.7: Pluvômetro

8 82 As grandezas característcas são: Altura pluvométrca: lâmna d água precptada sobre uma área. As meddas realzadas nos pluvômetros são expressas em mm; Intensdade de precptação: é a relação entre a altura pluvométrca e a duração da precptação expressa, geralmente em mm.h -1 ou mm.mn -1 ; Duração: período de tempo contado desde o níco até o fm da precptação (h ou mn). Os pluvógrafos, (Fgura 7.8) cujos regstros permtem o estudo da relação ntensdade-duração-frequênca tão mportantes para projetos de galeras pluvas e de enchentes em pequenas bacas hdrográfcas, possuem uma superfíce receptora de 200 cm 2. O modelo mas usado no Brasl é o de sfão de fabrcação Fuess. Um exemplo de pluvograma é mostrado na Fgura 7.9. Fgura 7.8: Pluvógrafo Fgura 7.9: Pluvograma

9 83 Preenchmento de falhas Mutas observações pluvométrcas apresentam falhas em seus regstros devdo à ausênca do observador ou por defetos no aparelho. Entretanto, como há necessdade de se trabalhar com dados contínuos, essas falhas devem ser preenchdas. Exstem város métodos para se processar o preenchmento: Regressão Lnear: explca o comportamento de uma varável em função de outra. P B a+b P A A estma a precptação no posto B a partr do valor de precptação no posto A. Os coefcentes da equação lnear (a e b) podem ser estmados plotando-se os valores de precptação de dos postos em um papel mlmetrado ou com a utlzação do método dos mínmos quadrados. Méda Artmétca dos postos vznhos (Métodos das Médas Artmétcas) n ( P P P ) P x A B C Esses dos métodos só devem ser utlzados em regões hdrologcamente homogêneas, sto é, quando as precptações normas anuas dos postos não dferrem entre s em mas de 10%. Para sso devem ser consderadas séres hstórcas de no mínmo 30 anos.

10 84 Método das razões dos valores normas (Métodos das Médas Ponderadas). Um método bastante utlzado para se fazer esta estmatva tem como base os regstros pluvométrcos de três estações localzadas o mas próxmo possível da estação que apresenta falha nos dados de precptação. Desgnando por X a estação que apresenta falha e por A, B e C as estações vznhas, pode-se determnar Px da estação X pela méda ponderada do regstro das três estações vznhas, onde os pesos são as razões entre as precptações normas anuas: 1 Nx Nx N x Px PA + PB + PC n NA NB NC Onde, N é a precptação normal anual e n é o número de estações pluvométrcas Análse das Chuvas Intensas Para projetos de obras hdráulcas, tas como vertedores de barragens, sstemas de drenagem, galeras pluvas, dmensonamento de bueros, conservação de solos, etc., é de fundamental mportânca se conhecer as grandezas que caracterzam as precptações máxmas: ntensdade, duração e frequênca. Com relação à conservação do solo, além das precptações máxmas com vstas ao dmensonamento de estruturas de contenção do escoamento superfcal, a erosvdade das chuvas tem grande mportânca, pos está dretamente relaconada com a erosão do solo. A precptação máxma é entendda como a ocorrênca extrema, com determnada duração, dstrbução temporal e espacal crítca para uma área ou baca hdrográfca. A precptação tem efeto dreto sobre a erosão do solo, em nundações em áreas urbanas e ruras, obras hdráulcas, entre outras. O estudo das precptações máxmas é um dos camnhos para conhecer-se a vazão de enchente de uma baca. As equações de chuva ntensa podem ser expressas matematcamente por equações da segunte forma:

11 85 x ( t + b) c em que: é a ntensdade máxma méda para a duração t, b; e, X e c são parâmetros a determnar. Alguns autores procuram relaconar X com o período de retorno T, por meo a de uma equação do tpo, C K T,que substtuída na equação anteror: a K T ( t + b) c Equações de chuva para algumas cdades brasleras. Nas três equações abaxo, é a ntensdade da chuva em mm/h, T é o período de retorno em anos e t é a duração da chuva em mnutos. Para São Paulo (eng. Paulo Sampao Wlken): 3462,7 T ( t + 22) 0,172 1,025 Para Ro de Janero (eng. Ulysses Alcântara): 1239,0 T ( t + 20) 0,74 0,15 Para Curtba (eng. Pargot de Souza): 5950,0 T ( t + 26) 0,217 1,15 0, ,9 T Para Campnas (Prof. Dr. Drceu Vera): 0,007 0,948 T ( t + 20) Para Belo Horzonte: 1447,87 T ( t + 20) 0,84 0,10