Noções de Hidrologia

I nstituto de Meio Ambiente de Mato Grosso do Sul Noções de Hidrologia Engª Civil CAMILA DOURADO MACHADO Gerência de Recursos Hídricos/ PROGESTÃO

Ementa: Hidrologia e sua Importância Ciclo Hidrológico Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Evaporação e Transpiração Precipitação Infiltração Escoamento Superficial Medições de Vazões Vazões Características

Hidrologia e sua Importância Hidrologia é a ciência que estuda a água sobre a Terra; sua quantidade, distribuição, circulação, características químicas e físicas, e sua relação com o meio ambiente e com os seres vivos.

Hidrologia e sua Importância É uma ciência da Terra. De forma bem simplificada pode-se dizer que a hidrologia tenta responder à pergunta: O que acontece com a água da chuva?

Hidrologia e sua Importância Engenharia Hidrológica - É uma ciência aplicada. Utiliza princípios hidrológicos na solução de problemas de Engenharia relacionados à exploração dos recursos hídricos. Subdivisões: Hidrogeologia, Hidrologia de Superfície, Hidrologia Estatística etc.

Hidrologia e sua Importância Relacionada aos usos da água Abastecimento Navegação Irrigação Diluição de poluentes Manutenção dos ecossistemas Pesca Turismo Recreação Geração de energia elétrica 6

Hidrologia e sua Importância Relacionada ao manejo da água Controle de cheias Proteção contra enchentes Drenagem urbana Proteção/restauração de recursos biológicos Erosão e assoreamento Tratamento de esgotos Gestão de águas 7

Ciclo Hidrológico Fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre. 8

Evaporação; Precipitação; Interceptação vegetal; Infiltração; Percolação; Escoamento superficial ou enxurrada; Transpiração

Ciclo Hidrológico - Componentes Evaporação: A energia solar que incide sobre a água que circula na superfície terrestre, provoca o seu aquecimento transferindo-a para a atmosfera na forma de vapor. Os oceanos são os maiores contribuintes, por cobrirem a maior parte da superfície da terra. Transpiração: é a parcela da água absorvida pelas plantas, através das raízes e a devolvem para a atmosfera na forma de vapor de água. Evapotranspiração: é a soma da evaporação e da transpiração. 10

Ciclo Hidrológico - Componentes Interceptação vegetal: é a parcela da chuva que fica retida nas plantas, quer dizer, não atinge o solo e evapora novamente. Infiltração: é a parte da chuva que penetra no solo e ocupa os espaços vazios. Percolação: é parte da infiltração que, quando os espaços vazios do solo foram todos ocupados, ou seja, em solos saturados a água desce pela ação da gravidade, atingindo zonas mais profundas e alimentando os lençóis subterrâneos. 11

Ciclo Hidrológico - Componentes Escoamento superficial ou enxurrada: Quando o solo está muito encharcado e a água da chuva não infiltra mais, passa a escorrer sobre a superfície buscando áreas mais baixas e alimentando rios, lagos e mares. Precipitação: quando a atmosfera fica saturada de vapor d água, ocorre a chuva, também conhecida como precipitação. O granizo, neblina, orvalho, geada e neve também são consideradas precipitações. 12

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Na fase terrestre do ciclo hidrológico, o elemento fundamental é a Bacia hidrográfica. 13

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Área de captação natural dos fluxos de água originados da precipitação; Converge os escoamentos para um único ponto de saída (exultório); Requer a definição de um curso d água, de um ponto ou seção de referência ao longo deste curso d água e de informações sobre o relevo da região. 14

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Uma bacia hidrográfica pode ser dividida em sub-bacias e cada uma das sub-bacias pode ser considerada uma bacia hidrográfica. A bacia hidrográfica pode ser considerada como um sistema físico sujeito a entradas de água (eventos de precipitação) que gera saídas de água (escoamento e evapotranspiração). A bacia hidrográfica transforma uma entrada concentrada no tempo (precipitação) em uma saída relativamente distribuída no tempo (escoamento). 15

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico 16

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Delimitação: Curso d água; Ponto ou seção de referência (exutório); Informações sobre o relevo da região. 17

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Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Balanço Hídrico: dv = P E Q - I no longo prazo dv pode ser considerado zero P = Q + E + I 19

Evaporação e Transpiração Evaporação é a transformação da água do estado líquido para o de vapor, a partir de uma superfície líquida, solo nu ou vegetação sobre solo. mm/dia mm/mês... 20

Evaporação e Transpiração Transpiração é a parte da evapotranspiração que vai para a atmosfera a partir do solo através das plantas. mm/dia mm/mês... 21

Evaporação e Transpiração Importância Perdas de água em reservatórios Cálculo de necessidades de irrigação Balanço hídrico em bacias (modelos chuva-vazão) Conhecimento dos diversos processos dos ecossistemas 22

Evaporação e Transpiração Como medir ou calcular a Evapotranspiração? Métodos Diretos (aparelhos de medida); Métodos Indiretos (balanço energético, fórmulas empíricas...). 23

Precipitação Importância da Precipitação A precipitação é a única forma de entrada de água em uma bacia hidrográfica; Ela fornece subsídios para a quantificação do abastecimento de água, irrigação, controle de inundações, erosão do solo, etc; É fundamental para o adequado dimensionamento de obras hidráulicas, entre outros. 24

Precipitação Características Principais das Precipitações Altura pluviométrica (r): corresponde à espessura média da lâmina da água que se formaria no solo como resultado de uma chuva, caso não houvesse escoamento, infiltração ou evaporação de água precipitada. Expressas em mm de chuva; Duração (t): é o período de tempo contado desde o início até o fim da chuva, expresso geralmente em horas ou minutos; Frequência de ocorrência ou probabilidade (p): é a quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento de chuva considerado; Intensidade de precipitação que é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da chuva. Expressa-se em (mm/h) ou (mm/min). 25

Precipitação Medição das Precipitações Principais medidores: Pluviômetro e Pluviógrafo; Medidores mais recentes: Radar e Imagens de Satélite; Apesar de no Brasil ser convencional a medição por Pluviômetros e Pluviógrafos, existem medidas efetuadas por Radar e Imagens de Satélite, mesmo estes dois últimos possuírem ainda erros associados relativamente grandes; 26

Infiltração Taxa de água à qual um solo pode absorver a precipitação numa certa condição. É a parte da chuva que penetra no solo e ocupa os espaços vazios. Parte da água percola, constituindo a Recarga ou Recursos Renováveis dos Aquíferos. Vazão de Base e Manutenção do Escoamento Superficial 27

Escoamento Superficial Fase que trata da ocorrência e transporte da água na superfície terrestre. (Aproveitamento Superficial) Ocorre após a água da precipitação ficar retida em depressões, em forma de película em torno das partículas sólidas, a capacidade de retenção da vegetação foi excedida, assim como a taxa de infiltração do solo; Processo gradativo e acumulativo, começa em filetes que escoam sobre a superfície do solo, e a soma de vazões vão formando os córregos, canais, corredeiras e rios; Ocorre de um ponto mais alto para um de menor cota, ou até os oceanos e mares; 28

Escoamento Superficial Representação do Escoamento Através do Hidrograma A vazão, ou volume escoado por unidade de tempo principal grandeza que caracteriza o escoamento (m³/s ou L/s); Hidrograma denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão no tempo; 29

Escoamento Superficial Representação do Escoamento Através do Hidrograma A forma do hidrograma depende de um grande número de fatores, os mais importantes são: Relevo; Cobertura da bacia; Modificações artificiais no rio; Distribuição, duração e intensidade da precipitação; Solo; 30

Estações hidrométricas Rede de monitoramento hidrométrica Estações pluviométricas Precipitação; Estações fluviométricas Nível d água; Estações meteorológicas Precipitação, temperatura, pressão atmosférica, radiação solar, evaporação, umidade do ar, ventos; Estações sedimentométricas Concentração de sedimentos. 31

Para que medir as variáveis? Conhecer e interpretar os fenômenos do ciclo hidrológico; Aplicar modelos matemáticos para previsão de chuva, vazão e eventos raros; Conhecer a disponibilidade hídrica; Construir e operar projetos de recursos hídricos. Onde há água??? Com quanta água se pode contar??? 32

Por que medir vazões??? Criar séries históricas Análise de mínimas Autodepuração de esgotos Calado para navegação Análise de vazões médias Cálculo do volume de reservatórios Dimensionamento de sistemas de abastecimento de água 33

Por que medir vazões??? Análise de vazões máximas Sistemas de drenagem Segurança de barragens Cálculo de vertedores Operação em tempo real Operação de comportas Controle de cheias Eficiência dos Projetos! 34

Medição de Vazões Medição Convencional com Molinete Hidrométrico; Curva-Chave ou Curva de Descarga; Medição através de Perfiladores Acústicos. 35

I nstituto de Meio Ambiente de Mato Grosso do Sul Vazões Características Engª Civil CAMILA DOURADO MACHADO Gerência de Recursos Hídricos/ PROGESTÃO

Vazões Máximas São aquelas vazões cujas magnitudes não são esperadas em um curto intervalo de tempo Estão associadas aos riscos contra a segurança da barragem Finalidades Dimensionamento do vertedouro Determinação da borda livre da barragem Verificação da capacidade de amortecimento do reservatório Para reservatórios com finalidade de controle de cheias, estabelecer volumes de espera Avaliar a área que o reservatório inundará em eventos de cheias e determinar a interferência direta do reservatório em outros usos de recursos hídricos (outorgados ou não)

Vazões Máximas As metodologias para a determinação das vazões máximas podem ser Empíricas Probabilísticas Hidrometeorológicas Método racional A metodologia mais utilizada em estudos hidrelétricos utiliza-se dos métodos probabilísticos Baseiam-se no ajuste da série de vazões máximas anuais a distribuições estatísticas de variáveis contínuas No Guia Para Cálculo de Cheia de Projeto de Vertedores, a Eletrobras sugere estudar as distribuições estatísticas de Gumbel e Exponencial de Dois Parâmetros

Vazões Máximas Método Probabilístico Distribuições estatísticas fórmulas finais Distribuição Gumbel Q TR = Q 0,45 σ 0,7797 σ ln ln 1 1 TR Distribuição Exponencial de 2 parâmetros Q TR = Q σ σ ln 1 TR A ELETROBRÁS, nas Diretrizes para Projetos de PCH, recomenda que a escolha da distribuição estatística seja feita com base na assimetria da amostra Coeficiente de assimetria a S < 1,5 Gumbel Coeficiente de assimetria a S > 1,5 Exponencial de dois parâmetros Outras distribuições podem ser testadas

Vazões Máximas Método Probabilístico Num posto fluviométrico, a análise estatística da série de vazões máximas anuais de 66 anos forneceu como média a vazão de 847,0 m³/s, desvio padrão de 496,7 m³/s e coeficiente de assimetria de 1,87. Determinar, pelos modelos de Gumbel e Exponencial de Dois Parâmetros, as vazões máximas com TR de 10, 50 e 100 anos. Gumbel Q TR = 847 0,45 496,7 0,7797 496,7 ln ln 1 1 TR Exponencial Q TR = 847 496,7 496,7 ln 1 TR Tempo de retorno (anos) Gumbel Vazões máximas (m³/s) Exponencial 10 1.495,34 1.493,99 50 2.135,20 2.293,40 100 2.405,70 2.637,69 Pelo critério ELETROBRÁS distribuição Exponencial (a S > 1,5)

Vazões Mínimas São aquelas vazões cujas magnitudes não são esperadas em um curto intervalo de tempo Esses eventos podem trazer prejuízos consideráveis às populações e ao ambiente Finalidades Caracterização das condições de estiagem do rio Auxiliar na determinação da vazão remanescente para jusante A vazão remanescente é estabelecida pelo órgão gestor, sempre respeitando os valores estabelecidos pelo órgão ambiental, com vistas: ao atendimento dos usos de jusante (vazões e níveis) à diluição de efluentes a jusante à manutenção de ecossistemas aquáticos vazão ecológica ou hidrograma ecológico

Vazões Mínimas A sua determinação pode ser feita por diversos métodos Mínima média mensal Q 7,10 ajustado por Distribuições Estatísticas Gumbel Weibull Log-Normal de 2 e de 3 parâmetros Pearson III Log-Pearson III etc. Valores obtidos da curva de permanência de vazões Frações da Q 90% ou da Q 95%, por exemplo Frações da QMLT Hidrograma ecológico

Vazões Mínimas Critérios de Outorga Vazões de referência, máximas outorgáveis e remanescentes definidas por órgãos ambientais de Estados Brasileiros: ESTADO Vazão de referência Vazão Máxima Outorgável Vazão Remanescente DF Q 7,10 / Q 90 80% Q 7,10 / Q 90 20% Q 7,10 / Q 90 GO Q 95 50% Q 95 50% Q 95 MG MS Q 7,10 Q 95 50%Q 7,10 50%Q 7,10 70%Q 95 30%Q 95

Determinação de Vazões Características Q 7,10 Q 90% Q 95 %

Método Q 7,10 Q 7,10 significa vazão de 7 dias consecutivas em 10 anos. A representação também pode ser 7Q10 muito usada nos Estados Unidos. Também em meados dos ano 70 apareceu nos Estados Unidos o método Q 7,10 que foi exigido em projetos para evitar o problema de poluição dos rios. No estado da Pennsylvania foi exigido para áreas maiores que 1,3km 2 e a vazão mínima usada foi de 1 L/s x Km 2 que era a vazão necessária na bacia para o fluxo natural da água. Se a vazão fosse menor que Q 7,10 haveria degradação do curso de água. O método Q 7,10 não possui nenhuma base ecológica.

Método Q 7,10 Portanto, na origem da criação do Q 7,10 tinha como função o recebimento de descargas de esgotos sanitários. Mais tarde houve mudança de significado do método Q 7,10 passando a refletir a situação do habitat aquático e do habitat na região ribeirinha. Segundo Sarmento, 2007 o método Q 7,10 segue duas etapas: 1. Calcula-se o Q 7 para todos os anos de registro histórico considerado; 2. Aplica-se uma distribuição estatística de vazão mínima denominada distribuição de Gumbel ou a de Weibull que são as mais comuns.

Método Q 7,10 Os estudos da WSC, 2004 mostraram que a vazão Q 7,10 corresponde a vazão Q 98,85 a Q 99,85. Os métodos mais usados no mundo são o Q 7,10 e o Q 95. Exemplo de Cálculo WATERSHED SCIENCE CENTRE, Hydrological low flow and their uses. WSC Repor 04-2004 de agosto de 2004, Ontario, www.trentu.ca/ws.

Curva de Permanência Curva que indica a percentagem do tempo em que um determinado valor de vazão foi igualado ou ultrapassado durante um período de observações É um tipo de análise de frequências Deve ser construída com dados de vazões considerando iguais intervalos de tempo Podem ser diários, semanais, mensais etc. É muito útil para a definição de critérios de outorga, para navegação, para análises de qualidade da água, para estudos hidrelétricos etc. Q 95% é a menor vazão que um rio garante em 95% do tempo Nos outros 5%, a vazão mantém-se abaixo desse valor Permite avaliar as características da bacia em relação ao regime de vazões do rio

Hidrograma mensal X Curva de Permanência mensal X

Vazão (m 3 /s) I n s t i t u t o d e M e i o A m b i e n t e d e M a t o G r o s s o d o S u l Curva de Permanência 91,00 81,00 71,00 61,00 51,00 41,00 31,00 21,00 11,00 1,00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Probabilidade de ocorrerem vazões iguais ou superiores Observa-se que a vazão de 30 m³/s é igualada ou superada em menos de 10% do tempo. Apesar de apresentar picos de cheias com 110 m³/s ou mais, na maior parte do tempo as vazões do rio Rio Grande neste local são bastante inferiores a 6 m³/s.

Vazão (m 3 /s) I n s t i t u t o d e M e i o A m b i e n t e d e M a t o G r o s s o d o S u l 100,00 Curva de Permanência 10,00 1,00 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Probabilidade de ocorrerem vazões iguais ou superiores Para destacar mais a faixa de vazões mais baixas, a Curva de Permanência pode ser apresentada com eixo vertical logarítmico.

Curva de Permanência Alguns pontos da curva de permanência recebem atenção especial: A vazão que é superada em 50% do tempo (mediana das vazões) é a chamada Q 50. A vazão que é superada em 90% do tempo é chamada de Q 90, e é utilizada como referência para legislação na área de Meio Ambiente e de Recursos Hídricos em muitos Estados do Brasil. A vazão que é superada em 95% do tempo é chamada de Q 95, e é utilizada para definir a Energia Assegurada de uma usina hidrelétrica.

Curva de Permanência A curva de permanência também é útil para diferenciar o comportamento de rios e para avaliar o efeito de modificações como desmatamento, reflorestamento, construção de reservatórios e extração de água para uso consuntivo.

Curva de Permanência Figura: Curvas de permanência dos rios Cuiabá, em Cuiabá (MT), e Taquari, em Coxim (MS), baseadas nos dados de vazão diária de 1980 a 1984. As duas bacias tem áreas de drenagem, relevo e precipitação média anual semelhantes. A vazão média do rio Cuiabá é de 438 m³/s neste período, enquanto a vazão média do rio Taquari é de 436 m³/2, ou seja, são praticamente idênticas. Entretanto, observa-se que as vazões mínimas são mais altas no rio Taquari do que no rio Cuiabá e as vazões máximas são maiores no rio Cuiabá.

Curva de Permanência

Curva de Permanência O rio Cuiabá apresenta maior variabilidade das vazões, que se alternam rapidamente entre situações de baixa e de alta vazão, enquanto o rio Taquari permanece mais tempo com vazões próximas da média. As duas bacias tem áreas de drenagem, relevo e precipitação média anual semelhantes. A geologia da bacia do rio Taquari favorece mais a infiltração da água no solo, e esta água chega ao rio apenas após um longo período em que fica armazenada no subsolo. A vazão do rio Taquari é naturalmente regularizada pelos aquíferos existentes na bacia, enquanto que na bacia do rio Cuiabá este efeito não é tão importante.

Curva de Permanência Reservatórios: Curva de permanência mais horizontal, com valores mais próximos da mediana durante a maior parte do tempo. Regularização de vazões: Retenção de parte das vazões altas que ocorrem durante o período chuvoso, aumentando a disponibilidade de água no período de estiagem.

Método Q 95 e Q 90 O método de análise da frequência é usado para achar o Q95% A sua aplicação é fácil e é feito da seguinte maneira: a) Primeiramente coloque em ordem decrescente todas as vazões dos rios em análise; b) De um número m para cada vazão indo de 1 até o número total de dados de vazões que conseguimos que é n ; c) A probabilidade P dada uma certa vazão que será igualada ou superada é definida por: P= 100 x m/ (n+1);

Método Q 95 e Q 90 Na Figura a seguir podemos ver que quando a vazão base é alta temos a linha a e quando a vazão base é baixa temos a linha b que geralmente são rios de baixa vazão. Facilmente podemos tirar o valor P=95% ou P=90%. Alguns países usam Q 90%, relação Q90/Q50 para indicar a contribuição da água de recarga subterrânea, mas não é adotado por todos.

Método Q 95 e Q 90 Curva da análise de frequência

Método Q 95 e Q 90 800 Q95% Curva da análise de frequência 700 600 Vazões Mínimas Q95 500 Vazões (m³/s) 400 300 200 100 0 20-jul-72 20-jul-73 20-jul-74 20-jul-75 19-jul-76 19-jul-77 19-jul-78 19-jul-79 18-jul-80 18-jul-81 18-jul-82 18-jul-83 17-jul-84 17-jul-85 17-jul-86 17-jul-87 16-jul-88 16-jul-89 16-jul-90 16-jul-91 15-jul-92 15-jul-93 15-jul-94 15-jul-95 14-jul-96 14-jul-97 14-jul-98 14-jul-99 13-jul-00 13-jul-01 13-jul-02 13-jul-03 12-jul-04 12-jul-05 data

Método Q 95 e Q 90 Exemplo de Cálculo

Regionalização de Vazões Medir vazões é um procedimento relativamente caro. Existem poucos postos fluviométricos com dados. Normalmente não existem dados de vazão exatamente no local necessário. Assim, muitas vezes é necessário estimar valores a partir de informações de postos fluviométricos próximos. A este procedimento, quando realizado de forma cuidadosa e detalhada dá se o nome de regionalização hidrológica. Q=?

Regionalização de Vazões Metodologias Vazão Específica e Proporcionalidade de Áreas; Regionalização pelo Coeficiente de Escoamento; Regressão Linear; Curva de Permanência; Geostatística.

Vazão Ecológica Sarmento, 2007 mostrou que existem 207 metodologias distribuídas por 44 países para a avaliação da vazão ecológica. Isto mostra que não há um consenso mundial sobre qual o melhor método a ser adotado. A vazão ecológica pode ser classificada conforme Collishchonn et al em: SARMENTO, ROBSON. Estado da arte da vazão ecológica no Brasil e no mundo. Produto 2. Unesco/Ana/CBHSF junho de 2007. COLLINSHONN. WALTER et al. Da vazão ecológica ao hidrograma ecológico. Instituto de Pesquisas Hidráulicos. UFRGS.

Vazão Ecológica Métodos Obtenção VAZÃO ECOLÓGICA Ainda não há consenso Métodos (Benetti, Lanna & Cobalchini, 2003): Hidrológicos (curva de permanência, Q7,10, Tennant) Classificação hidráulica (perímetro molhado) Classificação de habitats (para uma dada espécie) Métodos holísticos (para todos os componentes do ecossistema) Critérios de vazão ecológica mínima tem sido criticados, por focar em apenas um aspecto da variabilidade das vazões Vazão ecológica hidrograma ecológico No caso de Belo Monte, foi proposto um hidrograma ecológico

I nstituto de Meio Ambiente de Mato Grosso do Sul Obrigada!! Engª Civil CAMILA DOURADO MACHADO Gerência de Recursos Hídricos/ PROGESTÃO