CAPÍTULO 2 BACIA HIDROGRÁFICA

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1 CPÍTUO 2 BCI HIDROGRÁFIC Introdução baca hdrográfca pode ser entendda como uma área onde a precptação é coletada e conduzda para seu sstema de drenagem natural sto é, uma área composta de um sstema de drenagem natural onde o movmento de água superfcal nclu todos os usos da água e do solo exstentes na localdade (Magalhães, 1989). Os lmtes da área que compreende a baca hdrográfca são defndos topografcamente como os pontos que lmtam as vertentes que convergem para uma mesma baca ou exutóro. s bacas hdrográfcas caracterzam-se pelas suas característcas fsográfcas, clma, tpo de solo, geologa, geomorfologa, cobertura vegetal, tpo de ocupação, regme pluvométrco e fluvométrco, e dsponbldade hídrca Delmtação da baca delmtação de cada baca hdrográfca é feta numa carta topográfca, segundo as lnhas das crstas das elevações crcundantes da seção do curso d água em estudo. Cada baca é assm, sob o ponto de vsta topográfco, separada das restantes bacas vznhas. Esta delmtação que atende apenas a fatores de ordem topográfca defne uma lnha de cumeada a que poderíamos chamar lnha de dvsão das águas pos ela é que dvde as precptações que caem e, que, por escoamento superfcal, segundo as lnhas de maor declve, contrbuem para a vazão que passa na seção em estudo (Fg. 2.1). Fgura Área de contrbução de uma baca. No entanto, as águas que atngem a seção do curso d água em estudo poderão provr não só do escoamento superfcal como também do escoamento subterrâneo, que poderá ter orgem em bacas vznhas. E, nversamente, parte do escoamento superfcal poderá concentrar-se em lagos ou lençós subterrâneos que não tem comuncação com o curso de água em estudo, não contrbundo para a sua vazão. 8

2 Fgura nhas dvsóras freátca e topográfca Característcas Fsográfcas Concluu-se que, além da delmtação topográfca, deve-se observar a delmtação da baca sob o ponto de vsta geológco e em formações característcas, calcáras ou de geologa especal. Raramente as duas delmtações concdem (Fg. 2.2). s característcas fsográfcas de uma baca são obtdas dos dados que podem ser extraídos de mapas, fotografas aéreas e magens de satélte. São: área, comprmento, declvdade e cobertura do solo, que podem ser expressos dretamente ou, por índces que relaconam os dados obtdos Forma da Baca forma da baca não é, normalmente, usada de forma dreta em hdrologa. No entanto, parâmetros que refletem a forma da baca são usados ocasonalmente e têm base concetual. s bacas hdrográfcas têm uma varedade nfnta de formas, que supostamente refletem o comportamento hdrológco da baca. Em uma baca crcular, toda a água escoada tende a alcançar a saída da baca ao mesmo tempo (Fg. 2.3). Fgura Baca rredondada e as característcas do escoamento nela orgnado por uma precptação unforme Uma baca elíptca, tendo a saída da baca na ponta do maor exo e, sendo a área gual a da baca crcular, o escoamento será mas dstrbuído no tempo, produzndo portanto uma enchente menor (Fg. 2.4). Fgura Baca elíptca e as característcas do escoamento nela orgnado por uma precptação unforme 9

3 s bacas do tpo radal ou ramfcada são formadas por conjuntos de sub-bacas alongadas que convergem para um mesmo curso prncpal. Neste caso, uma chuva unforme em toda a baca, orgna cheas nas sub-bacas, que vão se somar, mas não smultaneamente, no curso prncpal. Portanto, a chea crescerá, estaconará, ou dmnurá a medda em que forem se fazendo sentr as contrbuções das dferentes sub-bacas (Fg. 2.5). Fgura Baca ramfcada e as característcas do escoamento nela orgnado por uma precptação unforme a) Fator de Forma: fator de forma - Kf - é a relação entre a largura méda e o comprmento axal da baca. Mede-se o comprmento da baca () quando se segue o curso d água mas longo desde a desembocadura até a cabecera mas dstante da baca. largura méda () é obtda quando se dvde a área pelo comprmento da baca. mas K f, (2.1) (2.2) logo K f 2 (2.3) O fator de forma é um índce ndcatvo da tendênca para enchentes de uma baca. Uma baca com um fator de forma baxo é menos sujeta a enchentes que outra de mesmo tamanho porém com maor fator de forma. Isso se deve ao fato de que numa baca estreta e longa, com fator de forma baxo, há menos possbldade de ocorrênca de chuvas ntensas cobrndo smultaneamente toda sua extensão; e também numa tal baca, a contrbução dos trbutáros atnge o curso d água prncpal em város pontos ao longo do mesmo, afastando-se portanto, da condção deal da baca crcular dscutda no tem segunte, na qual a concentração de todo o deflúvo da baca se dá num só ponto. 10

4 b) Coefcente de Compacdade: coefcente de compacdade ou índce de Gravelus - Kc - é a relação entre o perímetro da baca e o perímetro de um círculo de área gual á da baca. 2 π. R R K c P 2π R π (2.4) e (2.5) (2.6) Substtundo (2.5) em (2.6), tem-se: 0, 28P K c (2.7) onde P e são respectvamente perímetro em km e área da baca em km2. Este coefcente é um número admensonal que vara com a forma da baca, ndependentemente do seu tamanho; quanto mas rregular for a baca, tanto maor será o coefcente de compacdade. Um coefcente mínmo gual à undade, correspondera a uma baca crcular. Se os outros fatores forem guas, a tendênca para maores enchentes é tanto mas acentuada quanto mas próxmo da undade for o valor desse coefcente Relevo Dversos parâmetros foram desenvolvdos para refletr as varações do relevo em uma baca. Os mas comuns são: a) Declvdade da baca. pesar de haver dversos métodos para estmar a declvdade da baca, o mas comum é smular o da Equação 2.8, sendo que a dferença de cota (H) deve se referr a toda baca e não apenas ao canal. Há anda o método das quadrículas assocadas a um vetor. Esse método é mas completo que o anteror e consste em determnar a dstrbução percentual das declvdades do terreno por meo de uma amostragem estatístca das declvdades normas às curvas de nível em um grande número de pontos na baca. Esses pontos devem ser locados num mapa topográfco da baca por meo de um quadrculado que se traça sobre o mesmo. b) Curva Hpsométrca. É a representação gráfca do relevo médo de uma baca. Representa o estudo da varação da elevação dos város terrenos da baca com referênca ao nível médo do mar. Essa varação pode ser ndcada por meo de um gráfco que mostra a porcentagem da área de drenagem que exste acma ou abaxo das váras elevações. curva hpsométrca pod e ser determnada pelo método das quadrículas descrto no tem anteror ou planmetrandose as áreas entre as curvas de nível. Percentagem da área de drenagem Fgura. 2.6 Curva Hpsométrca 11

5 Tabela 2.1 apresenta os passos utlzados para o cálculo de uma curva hpsométrca, a qual é mostrada na (Fg. 2.6) Cota (mm) Ponto Médo(m) Área (km2) Área cumulada (km2) % cumul ada ,92 1, , ,90 4,82 1,64 2, ,68 8,50 2,08 4, ,07 12,57 2,29 7, ,60 17,17 2,59 9, ,92 20,09 1,65 11, ,85 39,94 11,20 22, ,75 63,69 13,40 35, ,27 93,96 17,08 53, ,09 126,05 18,10 71, ,86 153,91 15,72 86, ,45 169,36 8,72 95, ,89 177,25 4, Total 177,25 Tabela Curva Hpsométrca c) Elevação méda da baca. varação da alttude e a elevação méda de uma baca são, também, mportantes pela nfluênca que exercem sobre a precptação, sobre as perdas de água por evaporação e transpração e, consequentemente, sobre o deflúvo médo. Grandes varações da alttude numa baca acarretam dferenças sgnfcatvas na temperatura méda a qual, por sua vez, causa varações na evapotranspração. Mas sgnfcatvas, porém, são as possíves varações de precptação anual com a elevação. elevação méda é determnada por meo de um retângulo de área equvalente à lmtada pela curva hpsométrca e os exos coordenados; a altura do retângulo é a elevação méda. Outro método é o de utlzar a equação onde EΣe.a (2.8) E elevação méda e elevação méda entre duas curvas de nível consecutvas a área entre as curvas de nível área total Outro fator mportante no estudo das elevações da baca é a ltura Méda da Seção de Controle (Desembocadura), a qual representa uma carga potencal hpotétca a que estão sujetos os volumes de excesso de chuva e consttu um fator que afeta o tempo que levaram as águas para atngr a seção de controle. Essa altura é determnada pela dferença entre a elevação medana e a elevação do leto na desembocadura. 12

6 d) Declvdade de álveo. velocdade de escoamento de um ro depende da declvdade dos canas fluvas. ssm, quanto maor a declvdade, maor será a velocdade de escoamento e bem mas pronuncados e estretos serão os gráfcos vazão x tempo das enchentes. Obtém-se a declvdade de um curso d água, entre dos pontos, dvdndo-se a dferença total de elevação do leto pela extensão horzontal do curso d água entre esses dos pontos. declvdade do canal pode ser descrta como: S H (2.9) onde S é a declvdade (m/m), H é dferença de cota (m) entre os pontos que defnem o níco e o fm do canal, é o comprmento do canal entre estes pontos. Na Fgura 2.7 é apresentado um perfl longtudnal de uma baca, onde a declvdade entre a foz e a nascente está representada pela lnha S1. Traça-se S2, tal que, a área compreendda entre ela e a abscssa seja gual á compreendda entre a curva do perfl e a abscssa. Traçando-se S3, que representa a declvdade equvalente constante, tem-se uma déa sobre o tempo de percurso da água ao longo da extensão do perfl longtudnal Fg Perfl longtudnal do Rberão do obo Uma outra forma de determnar a declvdade é utlzada para terrenos com declvdade constante, podendo-se até determnar através desta declvdade o tempo de percurso da precptação. Caso o curso d água tvesse uma declvdade constante gual a declvdade equvalente, o tempo de percurso sera determnado da segunte manera: Consderando-se que o tempo de percurso vara em toda a extensão do curso d água com o recíproco da raz quadrada da declvdade, dvdndo-se o perfl de álveo em um grande número de trechos retlíneos, tem-se que a raz quadrada da declvdade equvalente constante é a méda harmônca ponderada da raz quadrada das declvdades dos dversos trechos retlíneos, tomando-se como peso a extensão de cada trecho. ogo, onde S S 1 / 2 3 D S (2.10) (2.11) sendo, D declvdade de cada trecho, logo: 13

7 3 onde dstânca real medda em lnha nclnada S D 2 (2.12) Padrões de drenagem velocdade do escoamento em canal é usualmente maor que a velocdade de escoamento superfcal. Portanto, o tempo de deslocamento do escoamento em uma baca na qual o comprmento de escoamento superfcal é pequeno em relação ao comprmento do canal sera menor do que em uma baca com trechos longos de escoamento superfcal. O tempo de deslocamento do escoamento em uma baca é um dado de extreme mportânca para dversos estudos hdrológcos, como será mostrado a segur. O padrão de drenagem é um ndcador das característcas do escoamento de uma precptação. lguns parâmetros foram desenvolvdos para representar os padrões de drenagem. a) Ordem dos Cursos D Água - es de Horton - ordem do curso d água é uma medda da ramfcação dentro de uma baca. Um curso d água de prmera ordem é um trbutáro sem ramfcações; um curso d água de 2a ordem é um trbutáro formado por dos ou mas cursos d água de 1a ordem; um de 3a ordem é formado por dos ou mas cursos de 2a ordem; e, genercamente, um curso d água de ordem n é um trbutáro formado por dos ou mas cursos d água de ordem (n - 1) e outros de ordens nferores. Fgura Ordem dos cursos d'água segundo Horton Para uma baca hdrográfca, a ordem prncpal é defnda como a ordem prncpal do respectvo canal. Fgura 2.8 mostra a ordenação dos cursos d água de uma baca hpotétca. Neste caso, a ordem prncpal da baca é 4. 14

8 Densdade de Drenagem densdade de drenagem (D) é a razão entre o comprmento total dos cursos d água em uma baca e a área desta baca hdrográfca. Um valor alto para D ndcara uma densdade de drenagem relatvamente alta e uma resposta rápda da baca a uma precptação. D T onde T é a extensão total dos cursos d água e é a área da baca hdrográfca. (2.13) Exemplo: área da baca é 115Km2, a extensão total dos cursos d água é 29,0Km. densdade de drenagem é, portanto: D T ,25km / km Segundo SWMI (1975), índces em torno de 0,5km/km2 ndcara uma drenagem pobre, índces maores que 3,5km/km2 ndcaram bacas excepconalmente bem drenadas Cobertura vegetal da baca cobertura vegetal, e em partcular as florestas e as culturas da baca hdrográfca, vêm juntar a sua nfluênca à de natureza geológca dos terrenos, condconando a maor ou menor rapdez do escoamento superfcal. Para além dsso, a sua nfluênca exerce-se, também, na taxa de evaporação da baca, com uma ação regularzadora de caudas, sobretudo nos clmas secos. No caso de grandes cheas com elevados caudas a sua ação é, no entanto, pratcamente nula. lém da nfluênca que exerce na velocdade dos escoamentos e na taxa de evaporação, a cobertura vegetal desempenha papel mportante e efcaz na luta contra a erosão dos solos. 2.4 Característcas Geológcas O estudo geológco dos solos e subsolos tem por objetvo prncpal a sua classfcação segundo a maor ou menor permeabldade, dada a nfluênca que tal característca tem na rapdez de crescmento das cheas. exstênca de terrenos quase, ou totalmente, mpermeáves, mpede a nfltração facltando o escoamento superfcal e orgnando cheas de crescmento repentno. Já os permeáves ocasonam o retardamento do escoamento devdo à nfltração, amortecendo as cheas. Na Fgura 8 abaxo, lustra-se o que se acabou de falar: 2 Fgura 2.9- Característcas da vazão de um ro de acordo com a permeabldade do solo. Baca Impermeável - ao receber uma certa precptação, dá orgem a um escoamento superfcal com elevada ponta; Baca Permeável - dá orgem a um escoamento superfcal de forma achatada e cuja ponta máxma é bastante retardada em relação ao níco da precptação. 15

9 2.5. Transporte de Sedmentos exstênca de maor ou menor transporte de sedmento, depende da natureza geológca dos terrenos. O seu conhecmento é fundamental, vsto que a erosão e sedmentação das partículas altera a topografa do leto do ro, podendo essa transformação chegar ao ponto de anqular a obra projetada pela dmnução do potencal hídrco do curso de água e assoreamento da barragem, por vezes apenas recuperável, medante o dspêndo de somas ncomportáves Característcas Térmcas O estudo hdrológco de uma baca deverá pos, comportar a análse das suas característcas térmcas, análse esta em que deverá ntervr observações de trocas de calor entre solo e atmosfera, superfíce da água e atmosfera, etc. localzação geográfca da baca hdrográfca é determnante das suas característcas térmcas. ssm, a varação da temperatura faz-se sentr com: lattude - a ampltude térmca anual está também relaconada com a lattude, - é máxma nos pólos e mínma no equador; proxmdade do mar - as maores ampltudes térmcas verfcam-se nas zonas contnentas, árdas, enquanto que em regões submetdas à nfluênca marítma apresentam uma certa unformdade térmca; alttude - a temperatura dmnu com a alttude. De uma forma geral, poderemos dzer que as regões mas elevadas apresentam temperaturas mas baxas; vegetação - por ação da menor fração de energa solar que atnge o solo e do calor absorvdo pela evapotranspração das plantas, a temperatura méda anual de uma regão arborzada pode ser nferor em 10 C ou 20 C à uma regão desarborzada; tempo - a temperatura começa a elevar-se ao nascer do sol e atnge o máxmo 1 a 3 horas depos do sol ter atngdo a alttude máxma. varação da temperatura faz-se sentr também durante o ano segundo as estações, sendo maor ou menor conforme a localzação geográfca, como atrás fo referdo Ocupação e Uso do Solo Quando ocorre uma chuva rápda, as pessoas freqüentemente procuram abrgo sob alguma árvore que esteja próxma. dmte-se que a árvore será uma proteção temporára, já que ela ntercepta a chuva na fase ncal do evento. Podera-se conclur que uma baca coberta por uma floresta produzra menos escoamento superfcal do que uma baca sem árvores. O escoamento em telhados é outro exemplo do efeto do tpo de cobertura da baca sobre o escoamento. Durante uma precptação, o escoamento em calhas de telhados começa logo depos de ncada a chuva. Telhados são superfíces mpermeáves, nclnados e planos portanto, com pouca resstênca ao escoamento. O escoamento em uma vertente gramada com as mesmas dmensões do telhado terá níco bem depos do escoamento smlar no telhado. vertente gramada lbera água em taxas e volumes menores porque parte da água será nfltrada no solo e devdo a maor rugosdade da superfíce gramada, o escoamento será mas lento conclu-se então que o escoamento em superfíces mpermeáves resulta em maores volumes e tempos de deslocamento menores do que o escoamento em superfíces permeáves com as mesmas dmensões e declvdades. 16

10 Estes dos exemplos concetuas servem para lustrar como o tpo de ocupação do solo afeta as característcas do escoamento em uma baca. Quando as outras característcas da baca são mantdas constantes as característcas do escoamento tas como volume, tempo e taxas de vazões máxmas podem ser bastante alteradas. Portanto, o tpo de ocupação da baca e uso do solo devem ser defndos para a análse e projeto em hdrologa. O tpo de cobertura e uso do solo é especalmente mportante para a hdrologa. Mutas questões problemátcas em projetos hdrológcos resultam da expansão urbana. percentagem do solo mpermeablzado é comumente usada como ndcador do grau de desenvolvmento urbano. Áreas resdencas com alta densdade de ocupação têm taxas de mpermeablzação varando entre 40 e 70%. Áreas comercas e ndustras são caracterzadas por taxas de mpermeablzação de 70 a 90%. mpermeablzação de bacas urbanas não está restrta à superfíce: os canas de drenagem são normalmente revestdos com concreto, de modo a aumentar a capacdade de escoamento da seção transversal do canal e remover rapdamente as águas pluvas. O revestmento de canas é muto crtcado, já que este tpo de obra transfere os problemas de enchentes de áreas à montante do canal para áreas à jusante. QUESTIONÁRIO 1. O que sgnfca um fator de forma alto? 2. Como a declvdade nfluenca na resposta da baca a enchentes? 3. Como o fator de forma ( Kf) e o Coefcente de compacdade (Kc) podem traduzr o comportamento de uma baca hdrográfca? 17