Fundação Carmelitana Mário Palmério-FUCAMP Curso de Bacharelado em Engenharia Civil. Hidrologia Aplicada C A R O L I N A A.

Transcrição

1 Fundação Carmelitana Mário Palmério-FUCAMP Curso de Bacharelado em Engenharia Civil Hidrologia Aplicada CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO C A R O L I N A A. G H E L L I 1

2 Ciclo Hidrológico Fenômeno global de circulação da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar, associada à gravidade e à rotação da Terra. 2

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4 Ciclo Hidrológico 4

5 Planeta Água 75% da superfície do planeta é água, mas... 5

6 Fluxos e Reservas Globais de Água Oceanos 97,57% Rios e Lagos 0,014% Geleiras - 1,81% Atmosfera 0,00094% Águas Subterrâneas 0,61% Biosfera 0,000043% 6

7 Estimativa da Quantidade de Água no Mundo 7

8 Fluxo e Reserva de água globais A T M m x10 12 m 3 /ano 324x x10 12 C O N T I N GEL SUB SUP BIO 25 8,4 0,2 0,0006 O C E A N O S

9 Período de renovação da água em diferentes reservatórios na Terra 9

10 Produção hídrica mundial de superfície 10

11 Balanço Demanda x Disponibilidade Para se avaliar se uma região pode atender às diversas demandas (abastecimento, irrigação, uso industrial, etc.), é necessário comparar esses valores de demanda com a disponibilidade de fornecimento. Para isso, é necessário avaliar a quantidade de água de cada fase do Ciclo Hidrológico 11

12 Impactos sobre o ciclo hidrológico O Ciclo hidrológico é condicionado pelas características locais: Clima Relevo Tipo de solo Uso e ocupação do solo Geologia Tipo de cobertura vegetal Rede hidrográfica (rios) 12

13 Impactos sobre o ciclo hidrológico 13

14 Efeito da urbanização sobre o ciclo hidrológico 14

15 Atividade humana e seus impactos sobre a disponibilidade hídrica 15

16 Bacia Hidrográfica (Definição) Uma bacia hidrográfica é uma determinada área de terreno que drena água, partículas de solo e material dissolvido para um ponto de saída comum, o exutório, situado ao longo de um rio, riacho ou ribeirão (Dunne e Leopold,1978). 16

17 Bacia Hidrográfica Pode ser considerado um sistema físico sujeito a entradas de água que geram saídas de água. A bacia tem a capacidade de transformar uma entrada concentrada no tempo em uma saída relativamente distribuída no tempo. 17

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19 Pardo São Francisco Jequitinhonha Rio Paranaíba Doce Grande Paraíba do Sul 19

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21 Bacia Hidrográfica O ciclo hidrológico é normalmente estudado com maior interesse na fase terrestre, em que o elemento fundamental da análise é a bacia hidrográfica. É a área de captação natural da água da precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório. É composta por um conjunto de superfícies vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de água que confluem até resultar um leito único no exutório. 21

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23 Papel Hidrológico da Bacia 23

24 Delimitação de uma bacia hidrográfica O divisor de águas é uma linha imaginária sobre o relevo que divide o escoamento das águas da chuva. O divisor de águas sempre intercepta as curvas de nível em um ângulo reto. Divisor de águas superficiais - > TOPOGRÁFICO Divisor de águas subterrâneas -> FREÁTICO 24

25 Divisores de bacia 25

26 Delimitação da Bacia Hidrográfica Informações de topografia Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível A água escoa na direção da maior declividade, o escoamento é ortogonal às curvas de nível. Diferenciar as áreas que contribuem para um ponto no curso d água (seção transversal de referência ou exutório) divisor (cumeada, espigão, crista) o divisor não corta a drenagem exceto no exutório e passa pelas regiões mais elevadas da bacia, mas podem existir pontos internos mais altos. 26

27 Bacias Hidrográficas 27

28 Bacias dentro de bacias 28

29 Delimitação das bacias Utilizando plantas planialtimétricas 29

30 Delimitação das bacias 30

31 Delimitação das bacias Utilizando imagens de satélite 31

32 Delimitação das bacias Utilizando modelo digital de terreno (DEM digital elevation model) 32

33 Delimitação das bacias Utilizando modelo digital de terreno 33

34 A bacia hidrográfica é adotada como o espaço da Gestão dos Recursos Hídricos (superficiais e subterrâneos) no Brasil: Bacias Federais e Estaduais 34

35 Características Físicas Importância Comparação entre bacias hidrográficas Transferência de dados entre bacias vizinhas Projeção do comportamento da bacia no futuro Fórmulas empíricas (regionalização) 35

36 Fatores físicos para caracterizar uma bacia Uso do Solo Tipo do Solo Área da Bacia Forma da Bacia Declividade dos terrenos Declividade dos cursos d água Ordem dos cursos d água Densidade de drenagem 36

37 Área da Bacia A área da bacia(a) corresponde a sua área de drenagem É a área plana definida pela projeção horizontal do divisor de águas, pois seu valor multiplicado pela lâmina da chuva precipitada define o volume de água recebido pela bacia. volume precipitado = lâmina precipitada x área da bacia 37

38 Área da bacia Medida por planímetro (mecanicamente) Calculada pelas coordenadas do polígono (equação de Gauss) Aproximação por composição de figuras geométricas Calculada a partir de imagens digitalizadas em softwares como AutoCAD, ArcGIS, Spring, Idrisi, Grass, Erdas, Qgis, etc. 38

39 Planímetro 39

40 Softwares GIS 40

41 Área da Bacia Influência nas vazões Vazão específica: vazão de contribuição por unidade de área (l/s.km²) Vazões Mínimas: bacias maiores têm maior vazão específica pois há complementariedade hidrológica de sub-bacias Vazões Médias: pouco efeito sobre as vazões específicas Vazões Máximas: picos de enchente menos atenuados e tempos de base maiores nas bacias de maior área 41

42 Forma da Bacia As grandes bacias hidrográficas em geral apresentam forma de leque ou de pêra, ao passo que as pequenas bacias apresentam formas as mais variadas possíveis em função da estrutura geológica dos terrenos. A forma da bacia influencia no escoamento superficial e consequentemente o hidrograma resultante de uma determinada chuva. Entre os índices propostos para caracterizar a forma da bacia serão calculados o Fator de forma, os índices de compacidade e de conformação. Estes índices são utilizados para comparar bacias e para comprem parâmetros das equações empíricas de correlações entre vazões e características físicas das bacias. 42

43 Forma da Bacia Fator Forma Ff 43

44 Forma da Bacia Índice de Conformação Fc Onde: A- área da Bacia L- comprimento axial Quanto mais próxima de 1 o Fc, maior a potencialidade de produção de picos de cheias. 44

45 Forma da Bacia Índice de compacidade kc (ou índice de Gravelius) relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área Kc 1, quanto mais irregular a bacia, maior o Kc e menor a tendência a enchentes 45

46 Forma da Bacia e seus índices Influência no escoamento: Tempo de concentração Vazão máxima do hidrograma de cheia Tempo de base do escoamento superficial 46

47 Uso do Solo Influencia na infiltração e velocidade do escoamento Áreas de florestas: Maior interceptação, folhas e galhos retardam o escoamento, raízes profundas e maior consumo de água das plantas Agricultura Redução da quantidade de matéria orgânica no solo, porosidade diminui, infiltração diminui, raízes mais superficiais e menor consumo de água das plantas Áreas urbanas: Impermeabilização, pouca infiltração e grande velocidade do escoamento grandes picos de cheias 47

48 Tipo do Solo 48

49 Declividade da Bacia Infiltração Escoamento superficial Umidade do Solo Contribuição de água subterrânea Controla o tempo de escoamento superficial Quanto maior a declividade, maior a variação das vazões instantâneas. 49

50 Declividade dos terrenos 50

51 Declividade dos rios 51

52 Declividade dos rios Maior declividade: - Menor tempo de concentração - Maior vazão de pico de cheia Declividade equivalente constante 52

53 Rede de drenagem Rio Principal e seus afluentes; Indicadores: Ordem dos cursos d água Densidade de drenagem Extensão média do escoamento superficial e Sinuosidade do curso d água principal. 53

54 Ordem dos cursos d água Regras: Trecho de rio sem afluente: ordem1 Quando dois trechos de ordens iguais se juntam => trecho seguinte tem a ordem somada a 1 Quando dois trechos de ordens diferentes se juntam => trecho seguinte tem a maior ordem dos dois 54

55 Densidade de Drenagem Topografia Plana: Rios longos e escassos Acidentada: Rios pequenos e numerosos Influência no escoamento Índices Densidade de cursos d água: nº de cursos d água por unidade de área Densidade de drenagem: comprimento total de cursos d água por unidade de área 55

56 Densidade de Cursos de água Ns: Número de cursos de água A: Área da bacia Não indica a eficiência da drenagem, pois a extensão dos cursos d água não é levada em conta 56

57 Densidade de Drenagem Indica a eficiência da drenagem na bacia. Onde: L: comprimento total dos cursos de água A: área de drenagem das bacias 57

58 Forma da Rede de Drenagem 58

59 Precipitação Balanço Hídrico de uma Bacia Hidrográfica O Balanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica é denominado Balanço Hídrico. Evapotranspiração Escoamento 59

60 Balanço Hídrico de uma Bacia Hidrográfica 60

61 Balanço Hídrico de uma Bacia Hidrográfica V t = P ET Q Em que: V = Variação do volume de água armazenado na bacia (m3) t = Intervalo de tempo considerado (s) P = Precipitação (m3/s) Q = Vazão(m3/s) ET = Evapotranspiração (m3/s) 61

62 Balanço Hídrico de uma Bacia Hidrográfica Em intervalos de tempo longos Em que: P = Precipitação (mm/ano) Q = Vazão(mm/ano) ET = Evapotranspiração (mm/s) P = ET + Q As unidades de mm são mais usuais para precipitação e para evapotranspiração. Uma lâmina de 1mm de chuva corresponde a 1 litro de água distribuído sobre uma área de 1 m 2 62

63 Balanço Hídrico de uma Bacia Hidrográfica Coeficiente de escoamento médio, ou de longo prazo: C = Q P Onde: Q é o escoamento médio anual da bacia (mm/ano) P é a precipitação média anual sobre a bacia (mm/ano) C coeficiente de escoamento médio 63

64 Conversão de Unidades A altura de chuva equivale à altura da lâmina d água que seria obtida se o volume de água de uma chuva fosse distribuído por uma lâmina uniforme sobre uma bacia hidrográfica. Se, em um período de um ano, houve uma chuva acumula de P mm, sobre uma bacia hidrográfica com A km2 de área, então o volume precipitado em um ano foi de: P(mm) * 10 3 (m/mm) * A(km2) * 10 6 (m 2 / km 2 ) vazão equivalente a este volume seria dada por: Vazão = Volume / 1 ano 64

65 Dados da Bacia do Guarapiranga 65

66 Dados da Bacia do Guarapiranga Comportamento Vazão x Chuva 66

67 Dados da Bacia do Guarapiranga Comportamento Vazão x Chuva (Adimensional) 67

68 Dados da Bacia do Guarapiranga Correlação Vazão x Chuva 68

69 Dados da Bacia do Guarapiranga Correlação Vazão x Chuva 69

70 Exercício! 70