Slide - Bacia Hidrográfica - 2023-2

Hidrologia Bacia Hidrográfica Aula 4 1 Bacia Hidrográfica Lei nº 9.433, de 8 de janeiro de 1997 Define a bacia hidrográfica: “É a unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e atuação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos.” 2 Bacia Hidrográfica - Definições A bacia hidrográfica pode ser entendida como uma área onde a precipitação é coletada e conduzida para seu sistema de drenagem natural, isto é, uma área composta de um sistema de drenagem natural onde o movimento de água superficial inclui todos os usos da água e do solo existentes na localidade (Magalhães, 1989). A A - seção principal Delimitação da bacia Sistema fluvial 3 Bacia Hidrográfica - Definições • Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer ponto drena para a mesma seção transversal do curso-d’água; • Área de captação natural das precipitações, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída: o exutório; Exutório 4 Bacia Hidrográfica - Definições • Pode ser definida por uma seção de rio (exutório arbitrário); • Representa toda a área de contribuição superficial que a água escoa por gravidade até a seção do rio; • Os limites da área que compreende a bacia hidrográfica são definidos topograficamente; • Como os pontos que limitam as vertentes que convergem para uma mesma bacia ou exutório; • A bacia hidrográfica do escoamento subterrâneo pode ser diferente (se comparada aos limites topográficos). O erro pode diminuir com o aumento da bacia ou a escala da informação; 5 Bacia Hidrográfica - Definições • Delimitação pode ser realizada de forma gráfica ou através de geoprocessamento; • As bacias hidrográficas caracterizam-se pelas suas características fisiográficas, clima, tipo de solo, geologia, geomorfologia, cobertura vegetal, tipo de ocupação, regime pluviométrico e fluviométrico, e disponibilidade hídrica. 6 Bacia Hidrográfica - Delimitação A delimitação de cada bacia hidrográfica é feita numa carta topográfica, seguindo as linhas das cristas das elevações circundantes da seção do curso d’água em estudo. Cada bacia é assim, sob o ponto de vista topográfico, separada das restantes bacias vizinhas. Esta delimitação que atende apenas a fatores de ordem topográfica “define uma linha de cumeada a que poderíamos chamar linha de divisão das águas” pois ela é que divide as precipitações que caem e, que, por escoamento superficial, seguindo as linhas de maior declive, contribuem para a vazão que passa na seção em estudo. 7 Bacia Hidrográfica - Delimitação Portanto, para definir uma bacia, é necessário: • Escolher o curso d’água; • Fixar uma seção transversal de referência (exutório); • Obter informações de topografia (curvas de nível). Exutório ou foz 8 • Diferenciar as áreas que contribuem para um ponto; Bacia Hidrográfica - Delimitação 9 Seção de referência, ou exutório 11 488 490 492 494 496 498 496 498 Exemplo: Cem Fal Fab Fal Fab Cem Cen Morros Queimados Morro das Cobras 485 45J joaquinao Morro Quebra Morro da Pedreira Hella Pedras Sousa Morro das Cobras 45J 486 488 Rio Sapucain Due Funda Ponta GroVia Venta Seca 496 498 Rio Feuto Velho 488 490 492 494 496 498 496 498 Cem Fal Fab Fal Fab Cem Cen Morros Queimados Morro das Cobras 485 45J joaquinao Morro Quebra Morro da Pedreira Hella Pedras Sousa Morro das Cobras 45J 486 488 Rio Sapucain Due Funda Ponta GroVia Venta Seca 496 498 Rio Feuto Velho Lomba Grande, Cem, Centro, Ponta Comprida, Arroio Sapucaia, Pedreiras, Santo Tecla, Morro Quebra, Morro da Pedreira, Nova Sopperpole, Joaquim, Hamburgo Velho Lomba Grande, Cem, Centro, Ponta Comprida, Arroio Sapucaia, Pedreiras, Santo Tecla, Morro Quebra, Morro da Pedreira, Nova Sopperpole, Joaquim, Hamburgo Velho • Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível; • A água escoa na direção da maior declividade; • Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de nível. Bacia Hidrográfica - Delimitação 17 250 300 350 400 50 100 150 200 250 250 300 350 400 50 100 150 200 250 Identificação do Divisor de Águas 18 250 300 350 400 50 100 150 200 250 250 300 350 400 50 100 150 200 250 Identificação do Talvegue Talvegue é o local mais profundo do vale, onde correm as águas de chuva, dos rios e riachos. 19 Veja o exemplo a seguir utilizado na Lista de Exercício 7 20 413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 21 413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 22 413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 23 25 Bacia Hidrográfica - Delimitação Outra questão a se analisar, são as águas que atingem a seção do curso d’água em estudo poderão provir não só do escoamento superficial como também do escoamento subterrâneo, que poderá ter origem em bacias vizinhas. E, inversamente, parte do escoamento superficial poderá concentrar-se em lagos ou lençóis subterrâneos que não tem comunicação com o curso de água em estudo, não contribuindo para a sua vazão. 26 Bacia Hidrográfica - Delimitação Assim, pode-se concluir que, além da delimitação topográfica, deve-se observar a delimitação da bacia sob o ponto de vista geológico e em formações características, calcárias ou de geologia especial. 27 Bacia Hidrográfica - Delimitação Raramente as duas delimitações coincidem. Portanto, são 2 os divisores de uma bacia: • Freático; • Topográfico. 28 • A linha passa pelas elevações periféricas; • Sempre ortogonal às curvas de nível; • Cruza apenas uma vez o curso d’água (no exutório). Bacia Hidrográfica - Delimitação 29 As bacias hidrográficas são compostas por sub-bacias hidrográficas. Cada sub-bacia é uma bacia hidrográfica que pode ser subdividida em sub-bacias, etc. Sub - bacia 30 Ao delimitar uma bacia hidrográfica, as barreiras artificiais (ex: estradas, linhas férreas) devem ser levadas em consideração. O processo hidrológico acontece especialmente na superfície e pode ser modificado por fluxos artificiais (ex: transposição de bacias, rede de água potável, estradas, bombeamento, reservatórios...). Bacia Hidrográfica - Delimitação 31 As principais características físicas de uma bacia hidrográfica são: • Área de drenagem; • Comprimento; • Declividade; • Forma; • Cobertura vegetal e uso do solo. Essas características podem ser expressas diretamente ou, por índices que relacionam os dados obtidos. Bacia Hidrográfica – Características fisiográficas 32 Bacia Hidrográfica – Características fisiográficas As fontes de dados fisiográficos são: mapas, fotografias aéreas, imagens de satélite. 33 O principal interesse em estudar a bacia hidrográfica é porque suas características constituem um sistema natural de transformação de chuva em vazão. A bacia hidrográfica transforma uma entrada concentrada no tempo (precipitação) em uma saída relativamente distribuída no tempo (escoamento). ENTRADA (chuva) SISTEMA (bacia) SAÍDA (vazão na foz) Bacia Hidrográfica – Características fisiográficas 34 É considerada uma das característica mais importante da bacia. A área é um dado fundamental para definir a potencialidade hídrica de uma bacia, uma vez que a bacia é a região de captação da água da chuva. A área da bacia multiplicada pela lâmina precipitada ao longo de um intervalo de tempo define o volume de água recebido ao longo deste intervalo de tempo. Bacia Hidrográfica – Área 35 Assim, reflete o volume total de água que pode ser gerado potencialmente na bacia. Por exemplo: Se considerarmos uma bacia impermeável e chuva constante: Q = P . A Se A = 60 km2 = 60.106 m2 e P = 10 mm/hora = 2,78.10-6 m/s Q = 166,8 m3/s Bacia Hidrográfica – Área 36 A área de uma bacia hidrográfica pode ser estimada a partir da delimitação dos divisores da bacia em um mapa topográfico. Uma vez definidos os contornos (divisor), a área pode ser calculada por uma integral numérica (SIG ou CAD) ou por métodos manuais (planímetro e contagem). Bacia Hidrográfica – Área 37 Planímetro ao lado: contando cada quadrado inteiro e fazendo a soma dos “quebrados” por composição de 1 novo inteiro. Deve-se observar que bacias com mesma área podem responder de maneiras distintas. Bacia Local Área (km2) Qmax (m3/s) Qmax (ls/km2) Rio Souris Minot, ND 26.600 340 12,8 Rio Deschutes Moody, OR 27.185 1.235 46,8 Rio Gila Coolige Dam, AR 33.370 3.680 110,8 Rio Cumberland Carthage, Tenn 27.700 5.270 190,9 Rio Susquehanna Wilkes-Barre, Pa 25.785 6.570 225,6 Rio Potomac Point of Rocks, Md 24.980 13.595 545,2 Rio Little Cameron, Texas 18.200 18.320 1009,2 Como isso é possível? Bacia Hidrográfica – Área 38 A forma da bacia não é, normalmente, usada de forma direta em hidrologia. No entanto, parâmetros que refletem a forma da bacia são usados ocasionalmente e têm base conceitual. As bacias hidrográficas têm uma variedade infinita de formas, que supostamente refletem o comportamento hidrológico da bacia. Bacia Hidrográfica – Forma 39 A forma é uma das características físicas mais difíceis de ser expressas em termos quantitativos. A forma da bacia, bem como a forma do sistema de drenagem, pode ser influenciada por algumas outras características da bacia, principalmente pela geologia. A forma pode, também, atuar sobre alguns dos processos hidrológicos, ou sobre o comportamento hidrológico da bacia. Bacia Hidrográfica – Forma 40 São Francisco Outras: Tietê; Paranapanema; Tocantins. Exemplo: Bacias Alongadas 41 Taquari Antas - RS Rio Itajaí - SC Exemplo: Bacias Circulares 42 Efeito da forma da bacia • Mesma área, forma diferente: Q P tempo bacia alongada bacia circular 43 Ainda podemos ter: • Uma bacia elíptica, tendo a saída da bacia na ponta do maior eixo e, sendo a área igual a da bacia circular, o escoamento será mais distribuído no tempo, produzindo portanto uma enchente menor. Bacia Hidrográfica – Forma 44 • As bacias do tipo radial ou ramificada são formadas por conjuntos de sub-bacias alongadas que convergem para um mesmo curso principal. Neste caso, uma chuva uniforme em toda a bacia, origina cheias nas sub-bacias, que vão se somar, mas não simultaneamente, no curso principal. Portanto, a cheia crescerá, estacionará, ou diminuirá a medida em que forem se fazendo sentir as contribuições das diferentes sub- bacias. Bacia Hidrográfica – Forma 45 • Comprimento da bacia (L); • Comprimento do rio principal: para cada bacia existe um rio principal. Define-se o rio principal de uma bacia hidrográfica como aquele que drena a maior área no interior da bacia. A medição do comprimento do rio pode ser realizada por curvímetro ou por geoprocessamento; Comprimento da Bacia Hidrográfica e do Rio Principal • Os comprimentos da bacia e do rio principal são importantes para a estimativa do tempo que a água leva para percorrer a bacia. 46 • CAD; • SIG – Sistema de Informação Geográfica; • Curvímetro. Comprimento da Bacia Hidrográfica e do Rio Principal 47 O coeficiente é adimensional e quanto mais próximo de 1, maior a possibilidade de enchentes. • Kf alto: cheias mais rápidas • Kf baixo: cheias mais lentas 2L A Kf = L Índice de Conformação ou Fator de Forma (Kf) O fator de forma é um índice indicativo da tendência para enchentes de uma bacia. HORTON (1932) propôs a seguinte equação: 48 Índice de Conformação ou Fator de Forma (Kf) Isso se deve ao fato de que numa bacia estreita e longa, com fator de forma baixo, há menos possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda sua extensão; e também numa tal bacia, a contribuição dos tributários atinge o curso d’água principal em vários pontos ao longo do mesmo, afastando-se portanto, da condição ideal da bacia circular discutida no item seguinte, na qual a concentração de todo o deflúvio da bacia se dá num só ponto. Maior tendência a inundações. 49 Outro exemplo sobre a influência da forma: 3 bacias de formatos diferentes, porém de mesma área e sujeitas a uma precipitação de mesma intensidade. Dividindo-as em segmentos concêntricos, dentro dos quais todos os pontos se encontram a uma mesma distância do ponto de controle, a bacia de formato A levará 10 unidades de tempo (digamos horas) para que todos os pontos da bacia tenham contribuído para a descarga (tempo de concentração). A bacia de formato B precisará de 5 horas e a C, de 8,5 horas. Assim a água será fornecida ao rio principal mais rapidamente na bacia B, depois em C e A, nesta ordem. 50 Outro índice de forma é o chamado “Índice de Circularidade” proposto por Miller em 1953. 2 12,57. P A IC = sendo: IC = índice de circularidade < 1 A = área da bacia P = perímetro da bacia Quanto mais próximo de 1, mais próxima da forma circular será a bacia hidrográfica. 51 Exemplo: O Índice de Circularidade para uma bacia com área de 177 km² e perímetro igual a 70 km é 0,45. Portanto, não se aproxima tanto de uma área circular e, consequentemente, não está tão sujeita a inundações. 52 Coeficiente de Compacidade (Kc) O coeficiente de compacidade, ou índice de Gravelius, é a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de área igual a da bacia. Onde: P e A são respectivamente perímetro em km e área da bacia em km². Um coeficiente mínimo igual a 1 corresponderia à bacia circular; portanto, inexistindo outros fatores, quanto maior o Kc menos propensa à enchente é a bacia. A P Kc ,0 28 = 53 Coeficiente de Compacidade (Kc) Exemplo: Uma bacia com área de 177 km² e perímetro igual a 70 km, terá um coeficiente de compacidade de 1,47. Portanto, está bacia não é muito sujeita a enchentes. Assim, podemos dizer que ele mede mais ou menos a mesma coisa que o fator de forma. 54 Bacia Representativa e Experimental Define-se como Bacia Representativa com “tipo ecológico bem determinado e localizadas em regiões onde o ciclo hidrológico não esteja muito perturbado pelo homem (sendo tomadas precauções especiais para proibir qualquer intervenção humana que possa repercurtir no caráter hidrológico)”. 55 Bacia Representativa e Experimental Bacia Experimental é definida como “aquela na qual se podem modificar à vontade as condições naturais, como, por exemplo, a cobertura vegetal ou o solo, mediante procedimentos de combate à erosão e onde sejam estudados os efeitos dessas modificações sobre o ciclo hidrológico”. 56 Relevo O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos, pois a velocidade do escoamento superficial é determinada pela declividade do terreno, enquanto que a temperatura, a precipitação e a evaporação são funções da altitude da bacia. 57 Relevo Diversos parâmetros foram desenvolvidos para refletir as variações do relevo em uma bacia. Os mais comuns são: • Declividade da bacia; • Curva Hipsométrica; • Elevação média da bacia; • Declividade do álveo (leito do rio ou canal fluvial). 58 A declividade de uma bacia hidrográfica tem relação importante com vários processos hidrológicos, tais como a infiltração, o escoamento superficial, a umidade do solo, etc. A declividade dos terrenos de uma bacia controla em boa parte a velocidade com que se dá o escoamento superficial, afetando, portanto, o tempo que leva a água da chuva para concentrar-se nos leitos fluviais que constituem a rede de drenagem das bacias. Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 59 A magnitude dos picos de enchente e a maior ou menor oportunidade de infiltração e susceptibilidade para erosão dos solos dependem da rapidez com que ocorre o escoamento sobre os terrenos da bacia. Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 60 A diferença entre a elevação máxima e a elevação mínima define a chamada “amplitude altimétrica” (∆H) da bacia. Dividindo-se a amplitude altimétrica pelo comprimento da bacia (L) obtém-se uma medida do gradiente ou da declividade geral da bacia (Sgeral), que tem relação com o processos erosivos que envolvem essa bacia. Sgeral = ∆H/L Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 61 Dentre os métodos para a obtenção da Declividade Média da Bacia (S), pode-se utilizar o método das quadrículas associados a um vetor. Determina-se a distribuição percentual das declividades por meio de uma amostragem estatística das declividades normais às curvas de nível em um grande número de pontos na bacia. Esses pontos devem ser locados num mapa topográfico da bacia por meio de um quadriculado (aplicado sobre o mesmo). Avalia-se, então, a porcentagem correspondente a cada uma destas sub-áreas, em relação à área total da bacia. Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 62 Método das Quadrículas Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 63 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 64 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 65 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 66 67 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 68 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) 69 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) coluna 70 EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) Declividade média da bacia = 6,700/54 = 0,1241 m/m ou 12,41% 2 5 71 Frequência em relação a área total EXERCÍCIO: Declividade da Bacia Hidrográfica (S) onde: S declividade média da bacia [m/km] or [‰] D a distância entre duas curvas de nível consecutivas [m] L comprimento total das curvas de nível [km] A área da bacia hidrográfica [km2] Entre os métodos utilizados para os cálculos de Declividade Média da Bacia, o método proposto por Carlier e Leclerc (1964) consiste no cálculo da média ponderada de todas as superfícies elementares que existem entre duas curvas de nível. Declividade da Bacia Hidrográfica (S) A D L S . = 72 A orientação define a direção geral para a qual a declividade está exposta. Assim, bacia de orientação norte drena para o norte. O fator orientação afeta as perdas por evapotranspiração, devido a sua influência sobre a quantidade de radiação solar recebida pela bacia. O Fator Orientação 73 Declividade média do Corpo d’água Principal (álveo) Influencia as vazões máxima e mínimas (Ex.: uma maior declividade resulta em maior pico de vazão e uma menor vazão de estiagem). Valores típicos: • Baixa declividade: alguns cm por km • Alta declividade: alguns m por km 74 Ponto mais alto: 300 m Ponto mais baixo: 20 m Comprimento drenagem = 7 km (ou 7.000 m) ∆H = 300 – 20 = 280 m Declividade = 280 / 7.000 = 0,04 m/m ou 40 m por km ou 4% Pode ser obtido de uma forma simplificada. Divide-se a diferença entre o ponto mais alto e o ponto mais baixo pelo comprimento de drenagem. Perfil típico: alto médio baixo Distância ao longo do rio principal Altitude do leito Perfil Longitudinal De uma forma mais elaborada, pode-se obter a declividade do rio principal através do Perfil Longitudinal. O Perfil é obtido através da plotagem da Distância ao longo do Rio Principal x a Altitude do Leito (para os pontos selecionados). 76 Perfil Longitudinal • Diferentes bacias podem ser plotadas num mesmo gráfico para fins de comparação; • Curvas mais íngremas indicam um escoamento mais rápido. Exutório 70 0 70 0 70 0 70 0 69 5 69 5 69 5 69 0 69 0 69 0 68 5 68 5 68 0 68 0 67 5 67 5 68 0 68 0 67 0 67 0 66 5 66 5 66 0 65 5 68 5 68 0 68 5 Divisor de Águas 70 0 77 Perfil Longitudinal Declividade do Rio Principal – Definição 1 (forma simplificada já apresentada anteriormente) possui um erro alto devido a intermitência dos rios em suas nascentes. S1 = ∆H/L 78 Perfil Longitudinal Declividade do Rio Principal – Definição 2 S2 = 2.A / L² 79 L Perfil Longitudinal Declividade do Rio Principal – Definição 3 2 3             =  Si Li L S Traçando-se S3, que representa a declividade equivalente constante, tem-se uma idéia sobre o tempo de percurso da água ao longo da extensão do perfil longitudinal 80 Perfil Longitudinal Declividade do Rio Principal – Comparação entre os resultados 81 S3= 42 m/km Para se reduzir os erros gerados especialmente devido a qualidade dos mapas e a dificuldade em se identificar a altitude do início e final da rede de drenagem, recomenda-se, em alguns casos, se tomar 1 ponto pouco a jusante do início da rede de drenagem (85% da cota) e um pouco a montante do exutório (10% da cota), sendo L o comprimento total da drenagem principal. Declividade baseada em 85% e 10% do Perfil Longitudinal 82 L Z Z Z 75. ,0 10 85 10 85 − = − Z85 Z10 É a representação gráfica do relevo médio de uma bacia. É indicada graficamente mostando a porcentagem da área de drenagem que existe acima ou abaixo das várias elevações. Pode ser determinada pelo método das quadrículas ou por planimetria das áreas entre as curvas de nível. Curva Hipsométrica 83 • Descrição da relação entre área de contribuição e altitude. Altitude (m) 350 890 Fração da área 0 1,0 0,25 0,75 0,5 Curva Hipsométrica 84 Cotas (m) | Ponto Médio (m) | Área (Km²) | Área Acumulada (Km²) | % | % Acumulada | 2 x 3 680—640 | 660 | 0,0466 | 0,0466 | 0,17 | 0,17 | 30,76 640—600 | 620 | 0,1866 | 0,2332 | 0,71 | 0,88 | 115,69 600—560 | 580 | 0,3533 | 1,5865 | 5,12 | 6,00 | 784,91 560—520 | 540 | 2,6600 | 4,2465 | 10,07 | 16,07 | 1.436,40 520—480 | 500 | 5,3666 | 9,6131 | 20,32 | 36,39 | 2.683,30 480—440 | 460 | 6,5333 | 16,1464 | 24,74 | 61,13 | 3.005,32 440—400 | 420 | 7,0933 | 23,2397 | 26,86 | 87,99 | 2.979,19 400—360 | 380 | 2,8000 | 26,0397 | 10,60 | 98,59 | 1.064,00 360—320 | 340 | 0,3733 | 26,4130 | 1,41 | 100,00 | 126,92 26,4130 | | | 12.226,49 85 A Altitude média da bacia (H), ou Elevação média da bacia é calculada pela fórmula: H = ∑(A.h) / A ∑(A.h) A 86 A Altitude média da bacia (H), ou Elevação média da bacia é calculada pela fórmula: H = ∑(a.h) / A H = (12.226,49/1000)/26,4130 H = 0,463 ou H = 46,3% ∑(a.h) A 87 (Corrigir para km) Elevação correspondente = 463 m Pela curva hipsométrica, é possível determinar uma outra característica altitudinal da bacia - a altitude mediana (Hmediana) - que é o valor da escala de altitudes que corresponde a 50% da escala do eixo das abscissas. 88 Mapa Hipsométrico Legenda > 380 300 - 380 200 - 300 120 - 200 80 - 120 < 80 Consiste de um retângulo de mesma área e mesmo perímetro que a bacia, onde se dispõem curvas de nível paralelas ao menor lado, de tal forma que mantenha sua hipsometria natural. O retângulo equivalente permite inferências semelhantes às da curva hipsométrica. É como se estivéssemos transportando Si para ΔH (proporcionalmente). Seja: P = perímetro da bacia A = área da bacia L = lado maior do retângulo equivalente l = lado menor do retângulo equivalente Kc = coeficiente de compacidade da bacia A = L x l P = 2 (L + l) Retângulo Equivalente 90 A P Kc = ,0 28 Dado Kc, utiliza-se o ábaco ao lado e determina-se o valor de A L Exemplo: Kc = 1,41 = 2,02 Com uma área de 26,4 km² calcula-se o L= 10,4 km Tendo um Perímetro (P) da bacia de 25,9 km, podemos calcular através de: P = 2 (L + l) l = 2,5 km A L Kc A L 1,41 2,02 91 Retângulo Equivalente Para determinar a distância entre as curvas de nível no retângulo equivalente, usou-se os cálculos da Tabela a seguir (procedentes da Tabela Hipsométrica). 92 Retângulo Equivalente Para obter o comprimento (km), pegue uma cota “X”, pega a sua fração em % e multiplique pelo comprimento total (10,4 km). 93 0,018 km Fração do retângulo 0,074 km 0,532 km Relações entre variáveis Para o rio Paraguai: 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 100000 200000 300000 400000 Área, km2 L km Paraguai Afluentes do Paraguai 1 10 100 1000 10000 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Área da bacia, km2 L, km Para o rio Uruguai: 94 Área e comprimento: L = a Ab Relações entre variáveis Bacia a b R2 Brasil 1,64 0,538 - Rio Uruguai 1,61 0,574 0,86 Afluentes do rio Paraguai 0,49 0,668 0,82 Rio Paraguai 1,76 0,514 0,98 Área e comprimento: L = a Ab 95 Tempo de viagem = 2 minutos Tempo de viagem = 15 minutos Tempo de escoamento Lembrar do conceito de segmentação da bacia que está no slide 50. 96 15 minutos Q P tempo Chuva de curta duração 97 15 minutos Q P tempo Chuva de curta duração Influência mais rápidamente o escoamento Possui um efeito mais retardado. 98 O tempo de viagem da gota de água da chuva que atinge a região mais remota da bacia até o momento em que atinge o exutório é chamado de tempo de concentração da bacia. Dentro deste contexto, pode-se dizer que a característica fundamental é o comprimento da bacia, pois está relacionado ao tempo de viagem da água ao longo de todo o sistema. Tempo de concentração (tc) 99 Portanto, é o tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante da bacia escoe até o ponto de controle, exutório ou local de medição. O tempo de concentração tem relação com: • Comprimento da bacia (área da bacia); • Forma da bacia; • Declividade média da bacia e do curso d’água principal; • Alterações antrópicas; • Vazão (para simplificar não se considera). Tempo de concentração (tc) 100 Diferentes fórmulas empíricas para tempo de concentração foram sendo desenvolvidas, sendo que estas foram geradas sob diferentes condições que devem ser levadas em consideração como, por exemplo: • Tamanho da bacia; • Tipos de bacia; • Uso do solo; • Rugosidade. Tempo de concentração (tc) 101 Efeito do tc Uma mesma área pode ter diferentes tempos de concentração. Q P tempo bacia com alto tempo de concentração bacia com baixo tempo de concentração 102 tc = tempo de concentração em minutos L = comprimento do talvegue (km) h = diferença de altitude ao longo do talvegue (m) A equação de Kirpich pode ser utilizada para estimativa do tc de pequenas bacias: 0,385 3 57         = h L tc Tempo de concentração (tc) 103 Equação de Watt e Chow, publicada em 1985 (Dingman, 2002), estima do tempo de concentração para bacias maiores: tc é o tempo de concentração em minutos; L é o comprimento do curso d’água principal em Km; S é a declividade do curso d’água principal (adimensional). • Esta equação foi desenvolvida com base em dados de bacias de até 5.840 Km2. 79 ,0 5,0 ,7 68       = S L tc Tempo de concentração (tc) 104 Temos ainda as equações: • Fórmula de Kerby; • Fórmula de Picking; • Fórmula do U.S. Corps of Engineers; • Fórmula de Ven Te Chow; • Fórmula do DNOS; • Fórmula de Kirpich Modificada; Tempo de concentração (tc) 105 • Fórmula de George Ribeiro; • Fórmula de Pasini; • Fórmula de Ventura; • Fórmula de Rossi; • Fórmula de Giandotti; • Fórmula de John Collins. Tempo de concentração (tc) 106 Outras Características Os tipos de solos e a geologia vão determinar em grande parte a quantidade de água precipitada que vai infiltrar no solo e a quantidade que vai escoar superficialmente. A vegetação tem um grande efeito sobre a formação do escoamento superficial e sobre a evapotranspiração. Já o uso do solo pode alterar as características naturais, modificando, assim, as quantidades que infiltram, escoam e evaporam (alteração do comportamento hidrológico de uma bacia). 107 Tipo de solo Rocha Solos jovens Solo maduro camada rica em húmus rocha • Solos arenosos = menos escoamento superficial; • Solos argilosos = mais escoamento superficial; • Solos rasos = mais escoamento superficial; • Solos profundos = menos escoamento superficial; Tipos de solos 109 Tipo de solo Rochoso Solo residual (maduro) 110 • Rochas do sub-solo afetam o comportamento da bacia hidrográfica; • Rochas porosas tem a propriedade de armazenar grandes quantidades de água (rochas sedimentares – arenito); • Rochas magmáticas tem pouca porosidade e armazenam pouca água, exceto quando são muito fraturadas; • Bacias com depósitos calcáreos tem grandes cavidades no sub-solo onde a água é armazenada. Geologia 111 • Maior profundidade de raízes = água consumida pela evapotranspiração pode ser retirada de maiores profundidades do solo. • Florestas: maior interceptação e maior profundidade de raízes. • Maior interceptação = escoamento demora mais a ocorrer. Cobertura Vegetal 112 É a substituição de florestas por lavoura/pastagens. Uso da superfície pode ser dada por: • Extração seletiva de madeira: envolve a construção de estrada e a retirada de árvores ao longo da floresta natural ou reflorestada. O maior impacto sobre esse sistema envolve a construção de estradas, devido a área envolvida e a capacidade erosiva gerada na superfície desprotegida; • Plantio de subsistência: esse tipo de uso do solo, representa cerca de 35% de todo o desmatamento de floresta na América Latina. O desmatamento é realizado manualmente seguido por queimada antes do período chuvoso e depois, o plantio é feito sobre as cinzas. Após alguns anos, a produtividade diminui, a área é abandonada e o agricultor se desloca para outra área. Uso do solo: Desmatamentos 113 • Culturas permanentes: são plantações que não sofrem alterações frequentes na sua estrutura principal. Durante o processo de transformação da cobertura, o impacto sobre o escoamento pode ser importante. Após o seu desenvolvimento, o balanço hídrico depende do comportamento da cultura. • Culturas anuais: envolvem a mudança de cobertura anualmente ou sazonalmente com diferentes plantios. Esse processo envolve a preparação do solo (aragem), que em determinadas épocas do ano, a falta de proteção do solo em épocas chuvosas aumento o processo erosivo da bacia e o processo de assoreamento do corpo d’água. Uso do solo: Agricultura 114 Ainda pode-se ter 2 práticas de plantio: - Conservacionista: utiliza o terraceamento, que acompanha as curvas de nível, para direcionar o escoamento e evitar a erosão e o dano as culturas. Este tipo de plantio tende a criar melhores condições de infiltração, nas chuvas de baixa ou média intensidade, mas quando ocorre o rompimento dos terraços nas cheias maiores, a água pode provocar ravinamento na direção de maior declividade do escoamento. - Plantio direto: este tipo de plantio não revolve a terra e, é realizado diretamente sobre o que restou do plantio anterior. A tendência é de que praticamente toda a água se infiltre, reduza o escoamento superficial (redução do processo erosivo) e ocorra uma redução da evaporação do solo (camada protetora). Uso do solo: Agricultura 115 Compactação do solo pelo agricultura: • Redução da quantidade de matéria orgânica no solo; • Porosidade diminui; • Capacidade de infiltração diminui; • Raízes mais superficiais: Consumo de água das plantas diminui. Uso do solo: Agricultura 116 • Urbanização: cria-se áreas impermeáveis (telhados, ruas, passeios, estacionamentos, etc.); Impõe uma modificação nos caminhos da água: • Aumento da velocidade do escoamento; • Redução das distâncias até a rede de drenagem. Uso do solo: Urbanização 117 Segundo Tucci, à medida que a cidade se urbaniza ocorrem, em geral os seguintes impactos: • Aumento das vazões médias de cheia (em até 7 vezes), devido ao aumento da capacidade de escoamento através de condutos e canais e impermeabilização das superfícies; • Aumento da produção de sedimentos devido a desproteção das superfícies e a produção de resíduos sólidos; • Deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido à lavagem das ruas, ao transporte de resíduos sólidos e sedimentos, às ligações clandestinas de esgoto cloacal e pluvial, e a contaminação direta de aquíferos; Uso do solo: Urbanização 118 • Através da forma desorganizada como a infraestrutura urbana é implantada, como: a) pontes e taludes de estradas que obstruem o escoamento; b) redução de seção do escoamento com aterros; c) deposição e obstrução de rios, canais e condutos, com resíduos sólidos e sedimentos; d) projeto e execução inadequados de obras de drenagem. Uso do solo: Urbanização 119 Alguns dos principais impactos ambientais produzidos pela urbanização são: • Aumento da temperatura: as superfícies impermeáveis absorvem parte da energia solar aumentando a temperatura ambiente produzindo ilhas de calor na parte central dos centros urbanos, onde predomina concreto e o asfalto. O aumento da absorção de radiação solar por parte da superfície aumenta a emissão da radiação térmica de volta para o ambiente, gerando calor. O aumento de temperatura da água faz com que a concentração de oxigênio dissolvido seja reduzida; Urbanização: Impacto sobre o Sistema Hídrico 120 • Aumento de sedimentos e resíduos sólidos: durante o desenvolvimento urbano o aumento dos sedimentos produzidos pela bacia hidrográfica é significativa, devido as construções, limpeza de terrenos para novos loteamentos, construções de ruas, avenidas e rodovias, entre outras causas. As principais consequências ambientais da produção de sedimentos são: a) assoreamento das seções da drenagem, com redução da capacidade de escoamento de condutos, rios e lagos urbanos; b) transporte de poluente agregado ao sedimento, que contamina as águas pluviais. Urbanização: Impacto sobre o Sistema Hídrico 121 • Contaminação de aquíferos: as principais condições de contaminação dos aquíferos urbanos são: a) aterro sanitários contaminam as águas subterrâneas pelo processo natural de precipitação e infiltração. Deve-se evitar que sejam construídos aterros sanitários em áreas de recarga, e deve-se escolher solos com baixa permeabilidade. b) grande parte das cidades brasileiras utilizam fossas sépticas como destino final do esgoto. Esse conjunto tende a contaminar a parte superior do aquífero, podendo comprometer o abastecimento de água quando existe comunicação entre diferentes camadas dos aquíferos através de percolação e de perfuração inadequada dos poços artesianos; Urbanização: Impacto sobre o Sistema Hídrico 122 c) a rede de condutos pluviais pode contaminar o solo através de vazamentos ou por entupimento de trechos da rede, que ocasionam rompimento da canalização. Urbanização: Impacto sobre o Sistema Hídrico 123 ▪ Vertentes (é a superfície por onde escorrem as águas das chuvas): ▪ Rede de drenagem (é o traçado produzido pelo escoamento superficial): • Escoamento superficial difuso; • Não há canais definidos. • Escoamento superficial concentrado; • Canais bem definidos. Partes da Bacia 124 É de grande importância para os estudos do sistema conhecer que tipo de curso d’água está drenando a região. A forma mais comum de classificação é baseada na constância do escoamento e pode ser de 3 tipos: • Perenes: contém água durante todo o tempo, pois o lençol subterrâneo mantém uma alimentação contínua e não desce nunca abaixo do leito do curso d’água, mesmo durante períodos prolongados de seca; Classificação dos Cursos D’Água 125 • Intermitentes: de modo geral, escoam durante os períodos chuvosos e secam nos períodos de estiagem. O lençol subterrâneo alimenta o corpo d’água durante os períodos chuvosos e de curta estiagem, mas são rebaixados abaixo do nível do leito nos períodos de estiagem, portanto o curso d’água seca; • Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente após os períodos de precipitação e só transportam escoamento superficial. Assim, o lençol freático está sempre abaixo do nível inferior do leito fluvial. Classificação dos Cursos D’Água 126 Muitos rios possuem os 3 tipos de seções, anteriormente citadas, ao longo do seu percurso. Essas 3 características vão depender da variação geológica ao longo de seu curso, mas de uma forma geral, a maioria dos grandes rios são perenes, enquanto os efêmeros são normalmente bem pequenos. Classificação dos Cursos D’Água 127 Ordem dos Cursos de Água A ordem dos rios é uma classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Utilizando um mapa da bacia bem detalhado no qual sejam incluídos todos os canais (perenes, intermitentes ou efêmeros), os rios podem ser classificados em: • Ordem 1; • Ordem 2; • Ordem 3; • ……………… 128 Ordem dos Cursos de Água Horton propôs, e Strahler modificou um critério para hierarquizar os cursos d’água. Passou a ser conhecido como ordem do curso d’água (numerados conforme a Figura ao lado) 129 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 Ordem de Strahler Para o ordenamento, são considerados de primeira ordem as correntes formadoras, ou seja, os pequenos canais que não tenham tributários. Na sequeência, pode-se seguir a regra: • Um curso d’água a partir da nascente é de ordem 1; • Quando dois cursos de ordem 1 se encontram formam um curso de ordem 2; • Quando dois cursos de ordem 2 se encontram formam um curso de ordem 3; • E assim por diante… 130 Ordem de Strahler Portanto, a ordem do rio principal mostra a extensão da ramificação da bacia. 131 A Forma da Rede de Drenagem é controlada pela Geologia. Rede de Drenagem Dentrítica Paralela Retangular A Densidade da Rede de Drenagem é controlada pela Geologia e pelo Clima. Exemplos de forma da Rede de Drenagem: 132 Forma da rede de Drenagem A drenagem dendrítica é caracterizada pela ramificação similar aos galhos de uma árvore. Rio principal Tributário Forma da rede de Drenagem A drenagem retangular, desenvolvida num terreno rochoso e densamente fraturado, tende a seguir o padrão das fraturas. Forma da rede de Drenagem A drenagem em treliça desenvolve-se em terrenos de vales e cristais alternados, onde as rochas com diferentes resistências à erosão estão dobradas em anticlinais e sinclinais. Crista de rocha resistente Sinclinal Anticlinal Forma da rede de Drenagem O padrão de drenagem radial desenvolve-se num grande cume isolado, tal como um grande vulcão. Densidade de Drenagem (Dd) Segundo SWAMI (1975), pode-se afirmar que o índice varia de 0,5 km/km² para bacias com drenagem pobre, a 3,5 km/km² ou mais, para bacias excepcionalmente bem drenadas (maior escoamento e volume de escoamento). Um valor alto de Dd indica uma resposta rápida da bacia frente a uma precipitação. 138 Densidade de Segmentos (FS) É a quantidade de segmentos (ordem 1, 2, 3, ...) existentes em determinada bacia hidrográfica por unidade de área. A Ni FS  = Ni é o número de segmentos de determinada ordem: i= 1°, 2°...., enéseima ordem; A é a área da bacia. 139 Relação de Bifurcação (Rb) É a relação entre o número total de segmentos de uma certa ordem e o número total dos de ordem imediatamente superior (Horton, 1945). 1 + = u u b N N R Nu é o número de segmentos de determinada ordem Nu+1 é o número de segmentos da ordem imediatamente superior 140 Relação entre o comprimento médio dos canais de cada ordem (RLm) É a relação entre os comprimentos médios dos canais. 1 + = u u m Lm Lm RL Lmu é o comprimento médio dos canais de determinada ordem Lmu+1 é o comprimento médio dos canais da ordem imediatamente superior 141 Extensão Média do Escoamento Superficial (l) É definido como a distância média em que a água da chuva teria que escoar sobre os terrenos de uma bacia, caso o escoamento se desse em linha reta desde onde a chuva caiu até o ponto mais próximo do leito de um curso d’água qualquer da bacia. Portanto, ela dá uma idéia da distância média do escoamento superficial. 142 Extensão Média do Escoamento Superficial (l) Assim, a bacia em estudo é transformada em retângulo de mesma área, onde o lado maior é a soma dos comprimentos dos rios da bacia: L = Σli 4.l x L = A assim, l = ou l = L A .4 .4 Dd 1 143 Extensão Média do Escoamento Superficial (l) Quanto menor for o l, menor será o tc, logo maior será a tendência à enchentes. 144 Drenagem Indireta Por drenagem indireta, entende-se a parte da água de precipitação que se infiltra no solo e vai atingir o(s) cursos d’água subterrâneamente. A drenagem indireta é mais acentuada quanto maior for a permeabilidade do solo da bacia hidrográfica, sendo mais nítida em solos arenosos e áreas carbonáticas (devido a presença de canais e cavernas de dissolução). 145 Drenagem Indireta Se for um solo tipicamente arenoso a drenagem indireta será alta, isto é, grande parte da água da chuva irá infiltrar no solo. Logo, o tc da bacia será menor e a tendência à enchentes também será menor. 146 Drenagem Indireta Deve-se ter em mente que se o solo for argiloso, a drenagem indireta será pequena, isto é, a maior parte da água precipitada (chuva) vai caminhar para o(s) curso(s) d’água na forma de enchurrada (escoamento superficial). Consequentemente, o tc da bacia será menor e haverá uma maior tendência à enchentes. 147 Drenagem Artificial Quando são construídas estruturas drenantes na bacia, logicamente, as estruturas têm por finalidade recolher e conduzir rapidamente a água para o local desejado (em geral, para o curso d’água principal e/ou para o exutório da bacia). Portanto, a drenagem artificial vai influenciar diretamente no tc da bacia, mas essa influência será variável conforme a localização dessas estruturas dentro da bacia. 148 Drenagem Artificial De uma forma geral, quanto as estruturas temos: • Localizadas em toda a área da bacia: aumento das enchentes; • Apenas nas nascentes: menor risco de enchentes (efeito retardado); • Apenas junto ao exutório: aumento das enchentes. 149 Por convenção, em hidrologia, temos: Lembre-se: 150 Veja a Lista 7 de exercícios que está no Moodle.