Hidrologia e Drenagem para Engenharia - Conteúdo Programático e Usos da Água

Preparar o aluno do curso de Engenharia para o mercado de trabalho quanto a temas relacionados a hidrologia e sistemas de drenagem São ministradas aulas teóricas e práticas com aplicação do conhecimento adquirido em exemplos práticos Objetivo da Disciplina 2 Bacias hidrográficas climatologia e precipitação Interceptação infiltração escoamento subterrâneo evaporação e evapotranspiração Hidrometria Modelagem ChuvaVazão Hidrologia Estatística e Regionalização de Vazões Vazões Máximas Regularização de Vazões Balanço Hídrico Microdrenagem Urbana Macrodrenagem Urbana Drenagem Sustentável Drenagem na Fonte Drenagem Rodoviária Alguns conteúdos 3 Bibliografia Básica 4 Walter Colischonn e Fernando Dorneles Hidrologia para Ciências Ambientais Editora ABRH 2013 GOOGLE abrhidro Bibliografia Básica 5 Walter Colischonn e Rutineia Tassi Introduzindo Hidrologia httpspdfcoffeecomqdownloadapostila hidrologiapdffreehtml Bibliografia Básica 6 Tucci CEM Hidrologia Ciência e Aplicação ABRH 2013 Água e seus usos múltiplos 7 Geração de Energia Elétrica Navegação Irrigação Abastecimento Urbano Água e seus usos múltiplos 8 Tanto a escassez de água Água e seus usos múltiplos 9 Tanto a escassez de água quanto o seu excesso trazem risco à população Água e seus usos múltiplos 10 Tanto a escassez de água quanto o seu excesso trazem risco à população Água no mundo 11 No ano 2000 o mundo todo usou duas vezes mais água do que em 1960 975 da água existente é salgada Dos 25 restantes 69 é de difícil acesso pois está concentrado em geleiras Outros 30 são águas subterrâneas 1 restante é referente a rios e lagos Ou seja 1 dos 25 Outra coisa interessante O volume de água doce na superfície da terra é relativamente fixo De certa forma à medida que a população cresce e as aspirações dos indivíduos aumentam há uma maior possibilidade de escassez de água disponível para consumo no mundo O Brasil é um dos países mais ricos em água embora existam problemas diversos Água no mundo 12 Atividades relacionadas aos usos dágua Abastecimento Navegação Irrigação Diluição de poluentes Manutenção dos ecossistemas Pesca Turismo Recreação Geração de energia elétrica Atividades relacionadas ao manejo da água Controle de cheias Proteção contra enchentes Drenagem urbana Proteçãorestauração de recursos biológicos Erosão e assoreamento Tratamento de esgotos Gestão de águas Água no mundo 13 Abastecimento httpswwwanagovbracessoa informacaoinstitucionalpublicacoeso ds6 Água no mundo 14 Navegação Uma nova Hidrovia vai ser implantada Os barcos precisarão de calado suficiente para navegar Com qual frequência o sedimento deve ser removido Hidrovias no Brasil Água no mundo 15 Irrigação Responsável pelo maior uso de água a nível mundial quase 70 A indústria é responsável por algo da ordem de 19 Algumas problemáticas usar água em regiões secas transferir água entre bacias conflitos com outros usos Qual a relação entre a demanda de água para irrigar uma cultura de arroz e a vazão de estiagem do rio que fornece água para a plantação Irrigação por Pivôs Centrais Água no mundo 16 Diluição de Poluentes O aporte de efluentes em cursos hídricos é regulado por diversas resoluções e Leis Antes de mais nada tem que ser determinada a vazão de estiagem do rio a fim de identificar a capacidade que o curso hídrico tem para receber um efluente com determinadas características Um Laudo Hidrológico deve ser elaborado Água no mundo 17 Manutenção de Ecossistemas Uma Usina Hidrelétrica que desvia parte de um rio para geração de energia é obrigada a manter uma vazão mínima no seu Trecho de Vazão Reduzida As vezes é necessária a manutenção da sazonalidade de vazões a fim de permitir com que a fauna e flora tenham condições mínimas de sobrevivência local A UHE Belo Monte é um exemplo de Usina de Derivação Impactos Ambientais Evolução e ocupação dos espaços naturais impacta o meio ambiente Vazões médias naturais Vazões médias após construção Nesse caso o que seria uma obra sustentável pergunta ainda sem resposta clara Água no mundo 18 Geração de Energia Água no mundo 19 Barragem Quatinah Síria 1319 AC Remy 2016 Geração de Energia Água no mundo 20 Geração de Energia Água no mundo 21 Alguns Números Interessantes 59 mil grandes barragens no mundo ICOLD 2018 800 mil barragens no mundo Seyedashraf et al 2017 22 E o Risco Alguns Números Interessantes 24 mil barragens em solo brasileiro ANA 2018 httpswwwyoutubecomwatchv68jO6QcuNrY Massas Dágua no Brasil e barragens ANA 2018 2019a httpsyoutubeWrTp3JDG9Fs Água no mundo Geração de Energia 23 Água no mundo Proteção contra Enchentes Em 1941 o RS registrou o maior evento de chuva de longa duração já visto Foi um desastre natural que resultou em substanciais danos e prejuízos Choveu em média 660 mm ao longo de 20 dias Em alguns locais chegouse a medir 900mm Para se ter uma ideia mensalmente na região metropolitana de POA é esperada um total acumulado de 100mm O nível do Guaíba atingiu a cota de 48 metros e grande parte da cidade ficou embaixo dágua Fonte Martinbiancho et al 2018 24 Água no mundo Proteção contra Enchentes Em 1941 o RS registrou o maior evento de chuva de longa duração já visto Foi um desastre natural que resultou em substanciais danos e prejuízos Choveu em média 660 mm ao longo de 20 dias Em alguns locais chegouse a medir 900mm Para se ter uma ideia mensalmente na região metropolitana de POA é esperada um total acumulado de 100mm O nível do Guaíba atingiu a cota de 48 metros e grande parte da cidade ficou embaixo dágua Fonte Martinbiancho et al 2018 25 Água no mundo Proteção contra Enchentes Dique de Proteção contra Enchentes 26 Água no mundo Cidades expandem tanto horizontal como verticalmente O adensamento e impermeabilização do solo geram a necessidade de gerenciamento a partir de dispositivos de drenagem de vazões resultantes de precipitações Para isso são utilizadas Sarjetas Bocas de Lobo Galerias Pluviais Canais de Macrodrenagem Drenagem Urbana 27 Água no mundo Drenagem Urbana Pergunta Estes dois problemas tem a mesma causa Um é um problema resultante totalmente da interferência do homem inundação urbana O outro é um processo totalmente natural inundação ribeirinha Pergunta 2 A figura da esquerda representa necessariamente uma falha de projeto 28 Água no mundo Erosão e assoreamento Processos naturais estudados no âmbito da hidrossedimentologia que visa o estudo da dinâmica entre água e sedimentos Ciclo Hidrossedimentológico Fonte Fan 2017 Notas de Aula 29 Água no mundo Erosão e assoreamento Fonte Fan 2017 Notas de Aula Erosão Remoção de material sedimentos da superfície do solo Assoreamento Deposição de material 30 Água no mundo Erosão e assoreamento Fonte Fan 2017 Notas de Aula Modificação do leito de cursos hídricos 31 Água no mundo Erosão e assoreamento Fonte Fan 2017 Notas de Aula Modificação do leito de cursos hídricos Modificação do leito de cursos hídricos 32 Ciclo Hidrológico Fonte httpswwwalevelgeographycompr ocessesandpathwaysofthewater cycle 33 Ciclo Hidrológico Tipicamente existe um volume de água que sobra e fica disponível para gerar escoamento Ou seja o volume de água que estava representado pela chuva em um dado momento passa a escoar pelo solo não apenas superficial transformando se em vazão Isso acontece no âmbito de uma Bacia Hidrográfica Chuva e Vazão Processos 34 Bacia Hidrográfica Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer ponto drena para a mesma seção transversal do cursodágua Área de captação natural das precipitações que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída o exutório Bacia Hidrográfica O que é 35 Bacia Hidrográfica Algum lugar na Chapada dos Guimaraes 36 Bacia Hidrográfica A chuva que cai nessa área Não vai gerar vazão neste local Bacia Hidrográfica O que é 37 Bacia Hidrográfica Bacia Hidrográfica O que é Esta é uma Bacia Hidrográfica Esta é uma Subbacia Hidrográfica 38 Ciclo Hidrológico a a Q P EVAPOTRANSPIRAÇÃO CHUVA a a E INFILTRAÇÃO V T EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO 39 Processo Hidrológicos Infiltração 40 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada 41 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada 42 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada 43 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada Solo Encharcado gera mais escoamento 44 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada 45 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada 46 Processo Hidrológicos Infiltração Camada saturada Se a estiagem for muito longa o rio pode secar Neste caso temos rios Intermitentes Já os que nunca secam são os perenes 47 Processo Hidrológicos Geração de Escoamento RESPOSTA DE UMA BACIA Visualização de um Hidrograma de 365 dias 48 Processo Hidrológicos Geração de Escoamento Visualização de um Hidrograma de 50 anos 49 Balanço Hídrico O balanço hídrico ocorre dentro de uma bacia hidrográfica Para intervalos de tempo pequenos tipicamente menores que 1 ano a equação do balanço hídrico é Q P E VT Mas para intervalos de tempo maiores que 1 ano pode se considerar nula a variação do volume de água armazenada ao londo do tempo e a equação fica da seguinte forma Q P E Em que Q é a vazão mmano P é a precipitação mmano E é a evapotranspiração mmano e VT é a variação de volume de água subterrânea ao longo do tempo mmano 50 Balanço Hídrico EXEMPLO HIPOTÉTICO Uma Bacia Hidrográfica é totalmente impermeável não apresenta perdas por infiltração e não apresenta perdas por evapotranspiração Essa bacia tem área igual a 60 km² e recebe uma chuva constante de 10 mmhora Qual é a vazão m³s gerada na bacia Q P A Se A 60 km² 60 milhões de m² e P 10 mmh 278x106 ms Q 1667 m³s As unidades típicas utilizadas na hidrologia são apresentadas a seguir Área da bacia km² ou ha Precipitação mm Intensidade de precipitação mmh Evapotranspiração mmdia Infiltração mmh Vazão m³s 51 Balanço Hídrico Convenções Em geral o fluxo de água vai naturalmente no sentido montante jusante E as margens são definidas como margem esquerda e margem direita Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 52 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Alguns conceitos iniciais A linha passa pelas elevações periféricas Sempre ortogonal às curvas de nível Cruza apenas uma vez o curso dágua no exutório Isola os cursos hídricos de montante como no mapa ao lado 53 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Na área ao lado vai ser construída uma indústria Essa indústria vai gerar efluentes os quais precisam ser tratados Depois de tratados os mesmos precisarão ser aportados em um curso hídrico 54 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Aqui tem um curso hídrico Pela lei Conama 357 Consema 355 eu preciso saber qual é a vazão do curso hídrico pra assim determinar as características físico químicas do efluente Q P E VT Preciso estimar a chuva que cai na bacia E posteriormente a evapotranspiraçãotalvez O fato é que é necessário delimitar a bacia hidrográfica A partir do ponto verde que é o local de descarte de efluentes 55 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Imagino que a bacia hidrográfica do ponto verde vai ser algo parecido com isso aqui Talvez seja mas precisamos delimitar de maneira correta Usando curvas de nível 56 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Imagino que a bacia hidrográfica do ponto verde vai ser algo parecido com isso aqui Talvez seja mas precisamos delimitar de maneira correta Usando curvas de nível 57 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 58 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 59 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 60 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 61 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 01 Identificação do Exutório Ou seção de Referência Fonte DABP2007 62 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 02 Identificação do Rio a montante do exutório Fonte DABP2007 63 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 03 Marcação dos pontos mais elevados encontrados em volta Fonte DABP2007 64 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 04 Unir estes pontos cruzando as curvas de nível em ângulo de 90º Fonte DABP2007 Isto é o Divisor de Águas Ou seja a linha que delimita os limites da bacia hidrográfica 65 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 04b Visualizando sem os pontos Fonte DABP2007 66 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo 04c Visualizando sem os cursos hídricos destacados Fonte DABP2007 67 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo Fonte DABP2007 68 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo A marcar os pontos destacados Fonte DABP2007 69 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo B ligar pela linha que representa o divisor de águas Fonte DABP2007 70 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo C o divisor de águas linha preta sempre intersecta as curvas de nível num ângulo de 90 Fonte DABP2007 71 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo C o divisor de águas linha preta sempre intersecta as curvas de nível num ângulo de 90 Fonte DABP2007 Errado Errado Errado Errado 72 Delimitação de uma Bacia Hidrográfica Passo a Passo Podemos ver outro exemplo C o divisor de águas linha preta sempre intersecta as curvas de nível num ângulo de 90 Fonte DABP2007 Certo 73 Modelo Digital de Elevação MDE Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 É a representação digital de uma variação contínua do relevo no espaço Ou seja uma representação matemática e matricial de uma superfície Como a superfície terrestre Fan 2012 91 88 87 82 85 83 81 78 92 74 Modelo Digital de Elevação MDE Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 É a representação digital de uma variação contínua do relevo no espaço Ou seja uma representação matemática e matricial de uma superfície Como a superfície terrestre Fan 2012 75 Modelo Digital de Elevação MDE Fonte Notas de Aula do Professor Walter Collischonn Disciplina Hidrologia 01 É a representação digital de uma variação contínua do relevo no espaço Ou seja uma representação matemática e matricial de uma superfície Como a superfície terrestre Fan 2012 76 Modelo Digital de Elevação MDE 45m 47m 46m 49m 41m 39m 45m 32m 77 Modelo Digital de Elevação MDE Então os dados da figura anterior podem ser organizados em forma de matriz 45m 45m 32m 78 Modelo Digital de Elevação MDE Sabendo a coordenada do primeiro pixel e sabendo o tamanho resolução espacial de cada pixel é possível espacializar a informação de forma georreferenciada Sistema de Coordenadas WGS84 Modelo Digital de Elevação 79 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Uma bacia hidrográfica e seus cursos hídricos pode ser caracterizada por diversos aspectos e não só pelo tamanho da área ou pelo perímetro Dentre as diversas formas de caracterização de uma bacia podem ser citados Área de drenagem Perímetro Comprimento do rio principal Curva hipsométrica Tempo de concentração Declividade média Forma Alongada circular etc Densidade de Drenagem Tipo de Solo Uso de Solo Geologia Fonte Collischonn W Dornelles F Hidrologia para Ciências Ambientais ABRH 2013 Km² ou ha Km Km 80 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Na realidade é o perfil longitudinal de um certo rio da bacia hidrográfica Por exemplo o perfil longitudinal do rio Gravataí é bem diferente do rio Caí Um curso hídrico pouco declivoso tem declividade da ordem de poucos cmkm por exemplo 50 cmkm Um rio muito declivoso tem declividade da ordem de vários mkm por exemplo 3 mkm Curva Hipsométrica 81 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Aspectos como a declividade dos cursos hídricos da bacia hidrográfica e também o comprimento dos seus cursos hídricos focandose aqui o curso hídrico principal são importantes para a estimativa do tempo de concentração da bacia O tempo que a gota que cai no local mais longínquo da bacia demora para chegar até o exutório se chama de Tempo de Concentração da bacia Tempo para chegar ao exutório 2 min Tempo para chegar ao exutório 15 min Tempo de Concentração 82 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Aspectos como a declividade dos cursos hídricos da bacia hidrográfica e também o comprimento dos seus cursos hídricos focandose aqui o curso hídrico principal são importantes para a estimativa do tempo de concentração da bacia O tempo que a gota que cai no local mais longínquo da bacia demora para chegar até o exutório se chama de Tempo de Concentração da bacia Tempo de Concentração 83 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Tempo de Concentração Para se calcular o tempo de concentração pode ser utilizada a equação de Kirpich Em que tc tempo de concentração min L comprimento do talvegue km Δh diferença de altitude ao longo do talvegue m Exercício Calcule o tempo de concentração de uma bacia hidrográfica cujo rio principal tem 10 km de extensão Considere que o ponto mais alto da bacia associado a esse rio principal está na cota de 230 metros e que o exutório está na cota de 209 metros 0385 3 h L 57 tc 84 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Exercício 02 Considere que duas bacias hidrográficas de mesma área estão sujeita a um mesmo pulso de precipitação de forma homogênea em toda área de contribuição Dos resultados abaixo qual bacia tem maior tempo de concentração Q P bacia com alto tempo de concentração bacia com baixo tempo de concentração Resposta 85 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Uso do Solo Bacias de mesma área podem responder de forma totalmente distinta que tem relação direta com diversos aspectos morfométricos e também de clima Por exemplo bacias de mesma área podem gerar vazões máximas de ordem de grandeza completamente distintas Bacia Local Área km2 Qmax m3s Qmax lskm2 Rio Souris Minot ND 26600 340 128 Rio Deschutes Moody OR 27185 1235 468 Rio Gila Coolige Dam AR 33370 3680 1108 Rio Cumberland Carthage Tenn 27700 5270 1909 Rio Susquehanna WilkesBarre Pa 25785 6570 2256 Rio Potomac Point of Rocks Md 24980 13595 5452 Rio Little Cameron Texas 18200 18320 10092 86 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Uso do Solo Supondo que 2 bacias de igual área forma e perímetro recebem uma mesma pancada de chuva homogênea em toda área A única diferença entre as duas é o uso do solo Uma é impermeabilizada cidade e outra não floresta Qual dos hidrogramas abaixo representa a bacia hidrográfica com a cidade 87 Bacias Hidrográficas Caracterização e Morfologia Tipo do Solo O tipo de solo e sua espacialização em uma bacia hidrográfica também ajuda a caracterizar a mesma uma vez que diferentes tipos de solo geram diferentes vazões para um mesmo evento de chuva Solo Arenoso mais infiltração menos escoamento superficial Solo Argiloso menos infiltração mais escoamento superficial Solo Raso Mais escoamento superficial pois encharca mais rápido Solo profundo Menos escoamento superficial pois infiltra durante mais tempo Aparentemente solos jovens tem menor capacidade de armazenar volume de água na camada subsuperficial Isso também depende da geologia que gera respostas distintas