Hidrologia e Drenagem Urbana: Introdução e História

HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA PROFA MA LUZIA MARA MENDES FERRER AMORIM Reitor Prof Me Ricardo Benedito de Oliveira PróReitoria Acadêmica Maria Albertina Ferreira do Nascimento Diretoria EAD Profa Dra Gisele Caroline Novakowski PRODUÇÃO DE MATERIAIS Diagramação Alan Michel Bariani Thiago Bruno Peraro Revisão Textual Camila Adão barbosa Camila Cristiane Moreschi Fernando Sachetti Bomfim Patrícia Garcia Costa Produção Audiovisual Adriano Vieira Marques Márcio Alexandre Júnior Lara Osmar da Conceição Calisto Gestão de Produção Cristiane Alves Direitos reservados à UNINGÁ Reprodução Proibida Rodovia PR 317 Av Morangueira n 6114 Prezado a Acadêmico a bemvindo a à UNINGÁ Centro Universitário Ingá Primeiramente deixo uma frase de Só crates para reflexão a vida sem desafios não vale a pena ser vivida Cada um de nós tem uma grande res ponsabilidade sobre as escolhas que fazemos e essas nos guiarão por toda a vida acadêmica e profissional refletindo diretamente em nossa vida pessoal e em nossas relações com a socie dade Hoje em dia essa sociedade é exigente e busca por tecnologia informação e conheci mento advindos de profissionais que possuam novas habilidades para liderança e sobrevivên cia no mercado de trabalho De fato a tecnologia e a comunicação têm nos aproximado cada vez mais de pessoas diminuindo distâncias rompendo fronteiras e nos proporcionando momentos inesquecíveis Assim a UNINGÁ se dispõe através do Ensino a Distância a proporcionar um ensino de quali dade capaz de formar cidadãos integrantes de uma sociedade justa preparados para o mer cado de trabalho como planejadores e líderes atuantes Que esta nova caminhada lhes traga muita experiência conhecimento e sucesso Prof Me Ricardo Benedito de Oliveira REITOR 3 WWWUNINGABR UNIDADE 01 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 5 1 HISTÓRICO 6 11 O CICLO HIDROLÓGICO 7 12 BALANÇO HIDROLÓGICO SIMPLIFICADO 8 13 ELEMENTOS DA METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA APLICADOS EM HIDROLOGIA 10 2 BACIAS HIDROGRÁFICAS 11 21 GENERALIDADES 11 22 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA HIDROGRÁFICA 12 221 TIPO E USO DE SOLO 12 222 ÁREA DA BACIA HIDROGRÁFICA 13 3 PRECIPITAÇÃO 17 CONCEITOS DA HIDROLOGIA CICLO HIDROLÓGICO E CARACTERIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA PROFA MA LUZIA MARA MENDES FERRER AMORIM ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 4 WWWUNINGABR 31 CONCEITOS MECANISMOS DE FORMAÇÃO E TIPOS DE PRECIPITAÇÃO 17 32 MEDIDAS DAS PRECIPITAÇÕES 18 33 VARIAÇÃO TEMPORAL E ESPACIAL DAS PRECIPITAÇÕES 20 34 PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA HIDROGRÁFICA 21 35 CHUVAS INTENSAS 23 CONSIDERAÇÕES FINAIS 25 5 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Hidrologia é um conceito que compreende a ocorrência circulação e distribuição de água na Terra além de suas propriedades físicas e químicas e forma que a água interage com o meio WMO 1982 Apesar de este conceito ser abrangente e englobe toda a água disponível no planeta existem disciplinas específ cas que tratam sobre as águas oceânicas e atmosféricas recaindo sobre a hidrologia o enfoque nas águas continentais Dentro da engenharia as principais aplicações dos elementos da hidrologia são encontradas nas áreas de planejamento e projeto de obras que visam o controle e aproveitamento dos recursos hídricos nas atividades antrópicas Estão entre essas aplicações o dimensionamento de obras hidráulicas sistemas de previsão e aviso de cheias dimensionamento de sistemas de drenagem irrigação gestão de recursos hídricos e proteção ao meio ambiente Nesta unidade estudase o ciclo hidrológico e seus componentes Estes objetos caracterizamse por fenômenos naturais e aleatórios o que impõe ao engenheiro hidrólogo um baixo controle sobre esses processos necessitando de coleta de informações de campo e o auxílio de ferramentas de tratamento de dados como a estatística e os modelos de simulação hidrológica 6 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1 HISTÓRICO A linha cronológica de evolução dos estudos hidrológicos se inicia na antiguidade oriental com o desenvolvimento da sociedade egípcia às margens do Rio Nilo e avança até os tempos atuais com equipamentos de medições cada vez mais tecnológicos Nesta cronologia alguns pontos podem ser destacados como marcos históricos O início do desenvolvimento da hidrologia é marcado pelas grandes obras de irrigação no Egito datada de cerca de 2900 aC Enquanto isso na China davase muita importância não somente às obras de irrigação mas também de controle de cheias de forma que os governantes eram avaliados conforme o seu empenho em manutenção e realização destas obras Dentro dessas atividades o entendimento do impacto direto das obras os conhecimentos sobre a ocorrência e a distribuição da água tornamse de suma importância promovendo o desenvolvimento dessas áreas do conhecimento Dessa época destacase o equipamento do nilómetros que eram cisternas com escalas graduadas ligadas ao rio por condutos enterrados sua função era alertar sobre as cheias excepcionais O nilómetro de Roda próximo ao Cairo é o instrumento com a maior série hidrológica registrada de 641 dC até 1890 dC Com o desenvolvimento da sociedade buscouse não somente utilizar e controlar a água mas também explicar a sua origem e ocorrência nesse contexto aparecem os f lósofos gregos Desses Anaxágoras e Teofrasto foram os que apresentaram as primeiras ideias do ciclo hidrológico Outros pensadores foram desenvolvendo este conceito até que no século XVI Bernard Palissy formula a primeira versão completa e clara sobre o ciclo hidrológico Esta foi baseada em observações e apresenta ideias sobre o escoamento subterrâneo e superf cial evaporação precipitação e até recarga dos poços artesianos A hidrologia quantitativa iniciase durante o berço da ciência moderna o século XVII Algumas relações importantes são estabelecidas tal qual vazão seção transversal e velocidade balanço hídrico evaporação precipitação e escoamento Esses conceitos puderam ser investigados pela melhoria dos equipamentos de monitoramento São marcos fundamentais no século XVIII a medição de velocidades com o tubo de Pilot a explicação sobre o papel da pressão no escoamento a conservação da soma das energias a relação pressão velocidades e a fórmula de Chézy para cálculo vazão numa seção de escoamento No século XIX o avanço foi ainda mais rápido dentro dos equipamentos destacase a medição de precipitação de forma contínua pluviógrafos molinetes para medição de velocidade da água e o medidor de Venturi Dentro da conceituação teórica podese ressaltar o estudo dos perf s de velocidade a equação de Manning determinação de vazões de cheia teoria do escoamento em meios porosos princípios de determinação da evaporação o diagrama de Rippl para o cálculo dos reservatórios e a fórmula de HagenPoiseuille para o escoamento laminar O primeiro Manual de Hidrologia foi publicado em 1862 por Nathaniel Beardmore e era dividido em quatro partes I Tabelas hidráulicas e diversas II Rios escoamentos fontes poços e percolação III Marés e estuários IV Precipitação e Evaporação 7 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA No período do século XX podese caracterizar o desenvolvimento da Hidrologia de maneira resumida em três períodos CHOW 1964 Período do empirismo 19001930 grande evolução das formulações empíricas criação de método de coleta sistemática de dados e criação da Associação Internacional de Ciências Hidrológicas Período da racionalização 19301950 aparecimento das teorias fundamentais da hidrologia moderna transporte de sedimentos e análise estatística de fenômenos extremos Período de teorização 1950 em diante aplicação de métodos matemáticos avançados e dos conceitos de mecânica dos f uidos juntamente com a utilização em grande escala de computadores e dos sistemas de informação geográf ca A hidrologia na engenharia busca integrar de maneira ef ciente as teorias dos processos hidrológicos com as informações disponíveis dados de campo aplicando métodos de cálculo e ferramentas modernas para contribuir no desenvolvimento sustentável da sociedade 11 O Ciclo Hidrológico A forma com que a água circula e se transforma na natureza é descrita no Ciclo Hidrológico O ponto inicial deste sistema é arbitrário sendo adotado pelo prof ssional que está realizando a análise Nesta explicação adotouse o início como sendo o estado gasoso da água vapor dágua Este estado físico é resultante da evaporação das massas dágua continentais e oceânicas e o vapor evaporado acumulase na atmosfera e se transporta por meio das massas de ar em movimento No momento em que as condições de entorno favorecem as nuvens são formadas Essas por sua vez originam as precipitações Forma pela qual a água retorna à superfície seja como chuva ou como neve Uma vez atingindo a superfície terrestre o caminho percorrido pela água varia a saber A água pode evaporar durante a queda Ser interceptada pelas árvores vegetação edif cações e voltar a evaporar Atingir o solo e originar o escoamento superf cial Ficar acumulada em depressões do solo A parcela que f ca armazenada nas depressões pode evaporar ou inf ltrar no solo A inf ltração permite que a água percole a grandes profundidades um processo necessário para a recarga dos aquíferos subterrâneos além de contribuir para o desenvolvimento das vegetações As plantas e o solo devolvem a água à atmosfera pela evapotranspiração a qual é a combinação da evaporação da água do solo e a transpiração realizada pelas plantas Os aquíferos por sua vez contribuem para o escoamento dos rios mantendo os seus níveis mínimos de água mesmo em períodos de longas secas ou seja sem precipitação As linhas de água subterrâneas que não af oram no seu percurso desaguam diretamente no oceano Ambos os lagos os rios e os reservatórios artif ciais são alimentados pela precipitação que ocorre diretamente sobre eles como pelo escoamento superf cial A descarga da água no oceano encerra o ciclo hidrológico no qual não há perdas somente transformações uma vez que a quantidade de água no planeta Terra permanece constante há milhões de anos 8 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 1 Ciclo Hidrológico Fonte MMA 2011 É importante destacar que as atividades antropogênicas afetam o ciclo hidrológico em termos de distribuição espacial e de qualidade Os principais impactos resultam da presença de grandes reservatórios de acúmulo de água e da captação de volumes para uso da sociedade A acumulação de água tem o objetivo de garantir a disponibilidade do recurso aos seus usuários em 100 do tempo no entanto esta atividade altera os regimes de escoamento natural provocando alterações nas dinâmicas ecossistêmicas e aumento da evaporação A captação de água para uso da sociedade implica no transporte desta às vezes até entre bacias hidrográf cas diferentes O uso desse recurso também provoca a deterioração da sua qualidade uma vez que é retornada em forma de esgoto para os rios e córregos Outro fator de relevância é que os valores de precipitação evaporação escoamento assim como outras variáveis hidrológicas apresentam variações em sua distribuição espacial e temporal Sendo assim uma boa caracterização hidrológica precisa contar com uma longa base de dados observados 12 Balanço Hidrológico Simplificado Na aplicação da hidrologia necessitase conhecer as diferentes porções de água que ocupam uma determinada região geográf ca durante um determinado período Figura 2 Para isso aplicase o conceito do balanço hidrológico o qual está apoiado no princípio de conservação de massa 9 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 2 Balanço Hídrico dentro do Ciclo Hidrológico Fonte Fisrwg 1998 Sendo assim o volume de água que está entrando I por tempo t na região de estudo volume de controle menos o volume que sai do sistema O representam a variação de volume S ocorrida Eq 1 Figura 3 1 As formas de entrada de água no sistema são Precipitação P Escoamento superf cial af uente que entra Q1 Escoamento subterrâneo af uente que entra G1 As formas de saída de água no sistema são Escoamento subterrâneo ef uente que sai G2 Escoamento superf cial ef uente que sai Q2 Evaporação das águas superf ciais E Evapotranspiração ET Inf ltração I Recarga R 10 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 3 Esquema simp lif cado do balanço hídrico Fonte O autor Portanto a subtração entre todas as parcelas de entrada de água e as de saída resulta na variação total do volume armazenado em um intervalo de tempo conforme a Eq 2 2 A Eq 2 pode ser simplif cada quando a área considerada é a bacia hidrográf ca e um longo período Eq 3 Nessas condições a variação do volume de água p ode ser desprezado perante os volumes acumulados pelas demais variáveis e a precipitação é considerada a única entrada de água 3 Para os projetos que necessitam de estudos hidrológicos adotase a utilização dos totais acumulados an uais de precipitação e escoamento balanços hídricos anuais Para esses considera se o período de um ano hidrológico esse intervalo se inicia nos meses chuvosos e se encerra na época de estiagem Essa convenção previne a necessidade de ter que dividir a estação úmida ao meio além de permitir calcular os acumulados anuais e identif car se a variação de volume anual S é desprezível ou não Exemplos de aplicação do conceito do balanço hídrico são sistemas de irrigação desenvolvimento de modelos de simulação hidrológica dimensionamento e utilização de reservatórios transferências de água entre bacias 13 Elementos da Meteorologia e Climatologia Aplicados em Hidrologia Os elementos do clima inf uenciam diretamente os processos do ciclo hidrológico Desde as épocas do ano até as variáveis de análise meteorológica interagem com água na natureza Para cada época do ano existe um regime de chuvas associado e com ele uma dinâmica específ ca de crescimento da vegetação variando as intercepções feitas na precipitação De maneira geral as condições climáticas vão inf uir na taxa de evaporação Especif camente cada variável meteorológica tem a sua própria intervenção com o ciclo hidrológico A radiação solar é o motor deste ciclo transmitindo a energia para a transformação das moléculas tornandose a principal fonte de energia para o processo de evaporação 11 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A pressão de vapor ref ete a existência de uma diferença de concentração de vapor entre as camadas da atmosfera sendo a evaporação diretamente proporcional a ela A temperatura do ar por sua vez aumenta a capacidade do ar em armazenar vapor de água tornando a pressão de saturação do ar maior e aumentando o gradiente de concentração de vapor e assim aumentando a evaporação A umidade do ar é quem representa a quantidade de vapor de água presente no ar interferindo na pressão exercida por ele Uma alta umidade do ar implica em um ar próximo à condição de saturação Quanto maior a umidade do ar menor é a diferença em relação à condição de saturação então menor é a evaporação O vento atua no sentido de renovar o ar saturado permitindo sempre a ocorrência de um gradiente de concentração de vapor 2 BACIAS HIDROGRÁFICAS 21 Generalidades Toda elevação entre dois rios forma um divisor de águas ou seja elevação geológica a partir da qual toda a água precipitada escoa para um ou outro lado Uma bacia hidrográf ca é uma área do terreno limitada por divisores que vertem toda a sua água para a rede de rios que a drenam A bacia hidrográf ca pode ter uma área pequena como a de uma ravina ao redor de um pequeno riacho ou pode ser uma grande região drenada por um rio principal e seus tributários Figura 4 Exemplo de formações geológicas que são divisores de água para formação das bacias hidrográf cas Fon te Nowatzki 2020 Dessa forma podese induzir que as bacias hidrográf cas são porções da superfície terrestre que drenam águas superf ciais e subsuperf ciais delimitadas por divisores de águas Todas as bacias são compostas por nascentes af uentes e um rio principal que tem o seu f m ao desaguar em outro rio lago ou no próprio mar Figura 5 12 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 5 Componentes das bacias hidrográf cas Fonte Nowatzki 2020 22 Características Físicas da Bacia Hidrográfica O comportamento do ciclo hidrológico varia entre as bacias hidrográf cas de acordo com a peculiaridade de cada uma delas essas especialidades estão associadas principalmente às suas características físicas nomeadamente Tipo e uso do solo Área Forma Declividade da bacia e do curso dágua Elevação Tipo da rede de drenagem Densidade de drenagem 221 Tipo e uso de solo A inf ltração é o processo do ciclo hidrológico que contribui na determinação da quantidade de água disponível na superfície e na p orção que contribui para o lençol freático Este é amplamente inf uenciado pelo tipo de solo presente na área da bacia hidrográf ca Diferentes solos possuem diferentes tamanhos de grãos Por exemplo argilas apresentam um diâmetro do grão de aproximadamente 00002 mm enquanto uma areia grossa entre 05 e 2 mm Figura 6 tal condição inf uência na permeabilidade do solo portanto na quantidade de água inf ltrada na bacia TEIXEIRA DONAGEMMA FONTANA TEIXEIRA 2017 13 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Além do granulometria do solo outro conceito importante é a sua porosidade Esta depende da agregação forma variedade e arranjo das partículas afetando a sua capacidade de inf ltração e de armazenamento A porosidade pode variar substancialmente de um tipo de solo para o outro existem rochas com porosidade de 1 e solos orgânicos com 80 demonstrando a relação entre o tipo de solo e os escoamentos superf ciais e subterrâneos PORTO FILHO SILVA 1999 Figura 6 Granulometria do solo Fonte Teixeira et al 2017 No entanto não é apenas o tipo de solo que pode inf uenciar no escoamento e na inf ltração da água mas também com o que ele está coberto ou seja o uso deste solo Regiões de f oresta ou com presença de cobertura vegetal implicam em uma retenção da água da chuva no momento da precipitação uma vez que impõem obstáculos até que água alcance o curso dágua Essa retenção evita que toda a água da precipitação chegue no rio ao mesmo tempo e eleve o nível dágua rapidamente provocando uma enchente PORTO FILHO SILVA 1999 Enquanto isso regiões com altos índices de urbanização possuem uma cobertura imp ermeável no solo Esta situação conduz rapidamente a precipitação até o rio e dependendo da quantidade pode causar eventos de enchentes Isso porque a água que anteriormente seria inf ltrada no solo agora escoa superf cialmente até o rio PORTO FILHO SILVA 1999 222 Área da bacia hidrográfica A área de uma bacia hidrográf ca é o polígono formado pela linha divisória que inclui todos os pontos de maior cota da região terminando sempre em seu exutório Figura 7 Os métodos de determinação desta caraterística evoluíram com o passar dos anos inicialmente era uma tarefa realizada em plantas topográf cas que atualmente foram substituídas por rotinas de aplicativos de Sistemas de Informações Geográf cas 14 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 7 Delimitação da área de uma bacia hidrográf ca O conhecimento da área da bacia é determinante em estudos hidrológicos ela tem efeitos nas vazões escoadas variando a grandeza das enchentes e das vazões mínimas Para o caso das vazões máximas a inf uência é na velocidade com que o mesmo volume de água escoará para fora da bacia uma vez que bacias com maiores áreas demoram mais tempo para atravessar o exutório do que bacias pequenas As bacias hidrográf cas maiores em área também têm maior chance de ter cursos dágua principais com vazões mais estáveis com menores variações ao longo do ano do que as menores Isso porque com a variabilidade espacial das precipitações quanto maior a área maior a probabilidade de chover em alguma parte da bacia e contribuir na recarga do lençol freático responsável pela vazão f rme vazão f rme aquela que se mantém no rio mesmo após cessar o escoamento superf cial provocado por uma precipitação dos rios Essa relação pode ser observada a partir da comparação entre a Figura 8 e a Figura 9 locais com maiores índices de precipitação anual também locais com maior disponibilidade hídrica por exemplo a região amazônica Mais detalhes dessa relação serão estudados nas próximas unidades 15 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 8 Disponibilidade hídrica superf cial estimada para o Barsil Fonte Ana 2013 16 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 9 Precipitação anual no Brasil ano civil 2009 2010 2011 2012 e média anual de 1961 a 2007 Fonte Ana 2013 17 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 3 PRECIPITAÇÃO 31 Conceitos Mecanismos de Formação e Tipos de Precipitação A precipitação é muito escolhida como ponto de partida para o entendimento do ciclo da água na Terra no entanto este elemento tem a sua formação muito distante da superfície terrestre É na atmosfera camada gasosa que envolve o planeta que ocorrem os fenômenos de formação da precipitação Os processos ocorridos na baixa atmosfera têm grande inf uência na circulação da água na Terra afetando principalmente a sua precipitação e a evaporação A baixa atmosfera é dividida em duas camadas troposfera e e stratosfera sendo a primeira a porção mais dinâmica na qual se manifestam os fenômenos clima tológicos A água pode existir na atmosfera nas três fases sólida líquida e gasosa dependendo das condições de temperatura e pressão As nuvens são formadas por gotas de água e partículas de gelo advindas do vapor dágua da atmosfera É dentro delas que ocorrem as mudanças de fase que podem gerar as precipitações Quando as gotas formadas nas nuvens atingem um tamanho suf ciente entre 01 e 6 mm de diâmetro para que não evaporem antes de atingir o solo é necessário que neste momento ocorra a precipitação na superfície terrestre O gelo se forma a partir do congelamento das gotas líquidas assim como as gotas quando os cristais são grandes o suf ciente para descer à superfície originase a neve ou granizo dependendo das condições de temperatura durante o percurso As precipitações são classif cadas de acordo com as causas movimento ascensional do ar em precipitação convectiva orográf ca frontal e de convergência O primeiro tipo ocorre quando as massas de ar são superaquecidas diminuindo sua densidade e provocando um movimento de subida desta massa de ar na atmosfera Se a massa de ar quente contiver um alto índice de umidade e o movimento vertical provocado pelas diferenças de temperatura entre as massas de ar convecção térmica for intenso podese originar tempestades com forte índice pluviométrico e trovoadas A precipitação orográf ca ocorre quando as massas de ar carregadas em umidade têm que ultrapassar barreiras orográf cas elevadas como morros e montanhas Na fase inicial da subida acontece a expansão das partículas até atingir a saturação provocando a precipitação Depois de ultrapassada a barreira o ar volta a contrair e a descer Quando duas massas de ar originadas em regiões diferentes uma massa de ar polar fria e seca e outra tropical quente e úmida se encontram formase uma zona de atrito entre elas A frente fria deslocase por baixo do ar quente elevando o ar rapidamente enquanto na frente quente o ar é suavemente deslocado sobre o ar frio até que as duas massas de ar se unam Até que esse processo se conclua o sistema f ca sob alta turbulência produzindo precipitações intensas como os tornados A precipitação de convergência acontece quando o ar se desloca das regiões de altas pressões para as de baixas pressões como a zona de convergência intertropical Essa diferença de pressão provoca mudanças no estado físico da água possibilitando as precipitações Este tipo de fenômeno é o responsável pelas maiores tempestades do planeta os tufões os quais são gerados na zona de convergência sobre os oceanos quando têmse elevadas temperaturas na superfície e altas velocidades de vento 18 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 32 Medidas das Precipitações As medidas de precipitação podem ser locais ou remotas sendo que as primeiras se dão pela instalação de pluviômetros que registram as alturas de água precipitadas enquanto que os radares e os satélites realizam as medições remotas Os pluviômetros são formados por um funil com um recipiente interno acumulador de água Os mais tradicionais são somente acumuladores e necessitam de um técnico para realização das leituras de altura dágua Atualmente foi acoplado ao equipamento um mecanismo de registro entre o funil receptor e o recipiente de acumulação estes são chamados pluviógrafos Os principais erros nas medições realizados pelos pluviômetros estão associados à interferência do vento uma vez que a quantidade de chuva que entra no pluviômetro depende da exposição ao vento da altura do instrumento e da altura dos objetos vizinhos ao aparelho O efeito do vento também altera as trajetórias do ar no espaço circundante ao pluviômetro e causa turbulência nas bordas do instrumento Dessa forma existem instruções para o espaço mínimo a saber o instrumento deve ser instalado dos obstáculos circundantes Figura 10 Pluviômetro Fonte WMO 2018 Figura 11 Registro de leitura do pluviógrafo Fonte WMO 2018 19 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Os radares por sua vez são compostos de um transmissor uma antena um receptor e um indicador de vídeo O transmissor produz uma energia em determinada frequência que é irradiada pela antena Depois de este pulso ser ref etido ele é novamente interceptado pela antena amplif cado e transformado pelo receptor para que possa ser visualizado por meio do equipamento de vídeo A qualidade das medições realizadas com radar meteorológico pode ser afetada por diversos fenômenos e por isso esse equipamento necessita de um processo de calibração adequado cruzando em tempo real os registros do radar com as medidas dos pluviômetros No entanto a discretização espacial e temporal destes dados permite o ganho de precisão de estudos hidrológicos e hidráulicos por exemplo a determinação mais exata do escoamento superf cial produzido por uma precipitação na região da bacia hidrográf ca e o acompanhamento e previsão de deslocamento e evolução de tempestades Figura 12 Exemplo de imagem de radar Fonte Comando da Aeronáutica do Brasil 2021 Também é possível fazer estimativas da precipitação a partir de imagens obtidas por sensores instalados em satélites A partir da temperatura estimada do topo das nuvens e da sua correlação com a precipitação fazse essa estimativa com estes equipamentos Além disso existem experimentos de radares a bordo de satélites que permitem aprimorar a estimativa baseada em dados de temperatura de topo de nuvem 20 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 13 Exemplo de imagem de radar Fonte Cepetec 2021 33 Variação Temporal e Espacial das Precipitações A precipitação apresenta grande variabilidade em termos de tempo e espaço existem regiões com estações chuvosas e secas bem def nidas enquanto em outras esta diferença não pode ser percebida ao longo do ano regiões equatoriais Ocorre também situações de chuvas localizadas em certos pontos da bacia hidrográf ca enquanto outros locais estão secos neste mesmo instante Nesse cenário necessitase conhecer bem essas variações e suas características para executar os estudos Para se calcular a variabilidade mensal das precipitações em um dado ano utilizase o Coef ciente de Variação da Precipitação Mensal CVPM o qual é obtido pela equação Nesta equação Pi representa a precipitação no mês i e é a média das precipitações mensais neste ano 21 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 34 Precipitação Média em uma Bacia Hidrográfica Apesar de as medidas dos pluviômetros serem feitas pontualmente o conjunto delas pode ser utilizado para determinar a precipitação média em uma área Para isso é feita a hipótese de que a altura média de precipitação é uniforme na região avaliada sendo calculada conforme a expressão abaixo Nesta expressão Pxy representa a precipitação no ponto de coordenadas xy e A é a área da região de estudo A integral da precipitação nos pontos representa o volume precipitado sobre a área Considerando a medida de um posto de pluviômetro como A média aritmética da precipitação medida por vários postos N sendo o número de postos pode ser calculada por Outro método utilizado para calcular e representar a precipitação média em uma área é o método das isoietas Neste linhas de mesma precipitação são interpoladas entre os postos de medição de modo a def nir permitindo o traçado de linhas que ligam pontos de mesma precipitação e def nem o valor médio precipitado na área estre essas linhas A equação que representa tais linhas é Para a construção das linhas das isoietas utilizase uma rede de triângulos e interpolase linearmente ao longo dos lados de cada triângulo As isoietas são obtidas pela união dos pontos interpolados de mesma precipitação Figura 14 22 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 14 Construção do traçado de isoietas Fonte Hipólito e Vaz 2013 Com a crescente evolução dos sistemas de informação geográf ca outros métodos de interpolação podem ser aplicados para determinação da precipitação média na área como o método dos Polígonos de T iessen método da Média Ponderada de uma Potência de Distância IDW e Interpolação de Shepard Essas ferramentas auxiliam não só no cálculo como também na representação gráf ca resultando em imagens como as da Figura 15 Figura 15 Mapa das isoietas na bacia hidrográf ca do rio Pinheiros Fonte FCTH 2019 23 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 35 Chuvas Intensas A intensidade média da precipitação I é dada pela razão entre o volume precipitado e a duração da chuva De acordo com este parâmetro a chuva pode ser classif cada de chuvisco I 1 mmh até prec ipitação intensa I4 mmh Essa última é geralmente responsável pelas cheias e inundações e processos erosivos o que implica na necessidade de conhecimento e determinação no processo de projetos de estruturas hidráulicas Como comentado anteriormente as precipitações variam espacialmente e temporalmente de modo que cada local tem sua própria característica Para determinar a precipitação intensa de uma região específ ca fazse análises estatísticas de séries máximos anuais de precipitação associados às durações de cada precipitação Pt Nesta fazse o ajuste por uma função de distribuição adequada a valores extremos como a função de Gumbel Usase nas representações das chuvas intensas funções do seguinte tipo Esta expressão relaciona a precipitação e sua duração para um determinado período de retorno T Os parâmetros a e n são determinados pelo método dos mínimos quadrados sendo que o valor de a aumenta com o período de retorno e o de n ref ete condições locais No entanto a quantidade de precipitação deve aumentar com o aumento de sua duração assim verif case que n varia entre 0 e 1 A mesma tipologia de expressão pode ser utilizada para representar a relação entre a intensidade média da precipitação e a respectiva duração num determinado período de retorno As representações gráf cas dessa expressão são chamadas curvas IDF intensidade duração e frequência Figura 16 Figura 16 Exemplo de curvas IDF Fonte Lorenzoni et al 2014 24 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A Lei nº 9433 de 8 de janeiro de 1997 BRASIL 1997 instituiu a Política Nacional de Recursos Hídricos e também criou o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos Em seu art 1º são apresentados os fundamentos dessa política a água é um bem de domínio público a água é um recurso natural limitado dotado de valor econômico em situações de escassez o uso prioritário dos recursos hídricos é o consumo humano e a dessedentação de animais a gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas a bacia hidrográfi ca é a unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e atuação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos a gestão dos recursos hídricos deve ser descentralizada e contar com a participação do Poder Público dos usuários e das comunidades A Lei nº 9984 de 17 de julho de 2000 BRASIL 2000 dispõe sobre a criação da Agência Nacional de Águas ANA entidade federal de implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e de coordenação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos Nessa lei no art 4º a atuação da ANA obedecerá aos fundamentos objetivos diretrizes e instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos e será desenvolvida em articulação com órgãos e entidades públicas e privadas integrantes do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos Quer ver algumas coisas na prática assista aqui httpswwwyoutubecomwatchvvW5xrV3Bq4 httpswwwyoutubecomwatchvFdL2yQoroag httpswwwyoutubecomwatchvbH08pGb50k 25 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 1 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA CONSIDERAÇÕES FINAIS Nesta unidade vimos o conteúdo introdutório à hidrologia conceitos históricos e elementos básicos que a compõe O uso da hidrologia na engenharia é de extrema importância tornando este um conteúdo determinante para as áreas de planejamento e projeto de obras de controle e aproveitamento dos recursos hídricos da sociedade Destaques dessas aplicações são o dimensionamento de obras hidráulicas sistemas de previsão e aviso de cheias dimensionamento de sistemas de drenagem irrigação gestão de recursos hídricos e proteção ao meio ambiente A partir do conhecimento dos conceitos básicos noções de medições de variáveis intervenientes e manipulação destes dados podese iniciar um estudo hidrológico e qualif car as principais características hidrológicas de uma bacia Na próxima unidade aprenderemos outro componente do balanço hídrico o escoamento o que acontece com a água após ela atingir o solo Mais informações sobre este tema podem ser encontradas nestes materiais BRASIL Princípios de hidrologia ambiental curso de aperfeiçoamento em gestão de recursos hídricos Brasília DF Ministério da Ciência e Tecnologia 2003 PAZ A R Hidrologia aplicada Caxias do Sul Universidade Estadual do Rio Grande do Sul 2004 ROSA A H FRACETO L F MOSCHINICARLOS V Orgs Meio ambiente e sustentabilidade Porto Alegre Bookman 2012 26 26 WWWUNINGABR UNIDADE 02 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 28 1 EVAPOTRANSPIRAÇÃO 29 11 DEFINIÇÃO 29 12 GRANDEZAS E FATORES INTERVENIENTES 30 13 AVALIAÇÃO E MEDIDAS DE EVAPOTRANSPIRAÇÃO 30 14 VARIAÇÃO DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO 31 2 INFILTRAÇÃO 31 21 DEFINIÇÃO 31 22 GRANDEZAS E FATORES INTERVENIENTES 31 23 CAPACIDADE DE INFILTRAÇÃO 31 3 ESCOAMENTO SUPERFICIAL 33 ESCOAMENTO SUPERFICIAL ESCOAMENTO SUBTERRÂNEO INFILTRAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO PROFA MA LUZIA MARA MENDES FERRER AMORIM ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 27 WWWUNINGABR 31 GENERALIDADES 33 32 OCORRÊNCIA GRANDEZAS FATORES INTERVENIENTES 34 33 GERAÇÃO DO ESCOAMENTO 35 34 HIDROGRAMAS 38 341 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS 40 342 TIPOS DE SOLO 40 343 USO E OCUPAÇÃO DO SOLO 40 343 INTERVENÇÕES NO RIO 41 344 CARACTERÍSTICA DA PRECIPITAÇÃO 42 35 SEPARAÇÃO DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL E SUBTERRÂNEO 42 CONSIDERAÇÕES FINAIS 46 28 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO Nesta unidade trataremos dos fenômenos que ocorrem dentro do balanço hídrico respectivos ao momento em que a água atinge a superfície sua interação com o solo e a cobertura vegetal Sendo assim serão estudados os conceitos de escoamento inf ltração e evapotranspiração Esses conceitos possuem diversas aplicações práticas principalmente nas obras de irrigação e drenagem urbana Figura 1 Escoamento 29 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1 EVAPOTRANSPIRAÇÃO 11 Definição O termo evaporação na hidrologia é utilizado para representar a massa de vapor dágua que passa de uma região da superfície da Terra para a atmosfera num determinado instante Como a disponibilidade de água na superfície pode variar de acordo com o seu recobrimento costumase distinguir a evaporação de superfícies livres da evaporação da água do solo e da porção interceptada e transpirada pelas plantas A soma da evaporação da água do solo com a água que f cou retida nas plantas e resultante da transpiração das mesmas é chamada de Evapotranspiração Figura 2 Este conceito ainda pode ser dividido em evapotranspiração potencial e real A evapotranspiração potencial seria a ocorrida ao longo do tempo para as mesmas condições meteorológicas caso não faltasse água no solo Enquanto a evapotranspiração real é a que efetivamente se dá no ambiente Figura 2 Formação da Evapotranspiração 30 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 12 Grandezas e Fatores Intervenientes Existem fatores que inf uenciam no f uxo vertical de água para a atmosfera O primeiro deles é a própria disponibilidade de água na superfície evaporante também é necessária uma certa quantidade de energia para a mudança de estado termodinâmico da água assim como esses fatores afetam o movimento do ar e a sua capacidade em conter o vapor dágua No caso da evapotranspiração além desses supracitados existe a inf uência do tipo de solo da sua cobertura vegetal e do estado de desenvolvimento desta cobertura 13 Av aliação e Medidas de Evapotranspiração A avaliação das condições comportamento e quantidade de volume evaporados é indispensável nos estudos de dimensionamento e operação de reservatórios desde cisternas a grandes reservatórios de aproveitamentos hidrelétricos e também na def nição de periodicidade das regas das culturas agrícolas Para ter dados a serem utilizados nos estudos necessitase medir a evaporação e a evapotranspiração As medidas dessas grandezas são feitas localmente em estações meteorológicas com a utilização de evaporímetrosevapotranspirometros e aplicação do balanço hídrico Os principais equipamentos utilizados são o Tanque Classe A o Tanque Colorado e o Tanque GGI3000 O primeiro e mais conhecido é constituído de uma chapa de aço galvanizado em forma cilíndrica colocado sobre uma grade de madeira em uma região de solo com cobertura vegetal verde Os arredores desse equipamento devem sempre estar livres de obstáculos verticais Os Tanques Colorados são o GGI3000 e devem ser enterrados O primeiro tem forma de paralelepípedo enquanto o segundo é cilíndrico e os materiais são essencialmente aço Além desses as estações meteorológicas também podem contar com um evaporímetro de Piche Figura 3 o qual é constituído de um tubo de ensaio curvo com uma abertura coberta com um papel f ltro Para a aplicação na agricultura utilizase os lisímetros visando comparar resultados em eventuais mudanças de tipo de solo tipo de espécie cultural ou na dotação de rega Como a evapotranspiração é obtida por meio da aplicação da equação do balanço hídrico ou seja as demais variáveis intervenientes precisam ser medidas especialmente a precipitação a água armazenada no solo a água de percolação e o escoamento Figura 3 Exemplo de Tanque Classe A esquerda e Evaporímetro de Piche direita instalados 31 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 14 Variação da Evapotranspiração Como as demais variáveis hidrológicas a evapotranspiração varia espacial e temporalmente De fato esta é uma das grandezas mais difíceis de se determinar a distribuição espacial dentro da área de estudo Isso porque as superfícies evaporantes por si só já são muito diferentes Em macro escala temos zonas urbanas rurais com diferentes culturas f orestais declives morros todos inf uenciando a evapotranspiração Dessa forma a melhor de se estimar a evapotranspiração real em bacias hidrográf cas é a aplicação do balanço hídrico medindo as variáveis intervenientes Olhan do em escala global a evapotranspiração real se aproxima da evapotranspiração potencial em zonas úmidas assim como tornase limitada pela precipitação em zonas áridas 2 INFILTRAÇÃO 21 Definição O fenômeno de inf ltração consiste na entrada de água no solo pela sua superfície A vazão específ ca volume por unidade de área que atravessa a superfície de terra designase por intensidade de inf ltração O volume de água por unidade de área que atravessa a superfície do solo em um determinado intervalo de tempo é chamada de inf ltração acumulada 22 Grandezas e Fatores Intervenientes A inf ltração da água no solo é inf uenciada principalmente por três fatores a disponibilidade de água na superfície as características hidráulicas do solo e da quantidade de água no solo O processo de inf ltração aumenta quanto maior for a disponibilidade de água na superfície mas se o solo for impermeável não ocorre a inf ltração Essa situação também pode ocorrer caso o solo esteja saturado e incapaz de drenagem inferior 23 Capacidade de Infiltração A capacidade de inf ltração de um solo é o potencial que o solo tem de absorver água pela sua superfície Figura 4 A sua medida é feita em termos de uma altura de lâmina dágua por unidade de tempo que representa f sicamente o volume de água que o solo pode absorver por unidade de área na unidade de tempo 32 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 4 Fenômeno de inf ltração da água no solo No entanto a capacidade de inf ltração só representa necessariamente a taxa real de inf ltração quando o aporte de água superf cial tem intensidade igual ou superior à capacidade de inf ltração Para explicar o fenômeno da capacidade de inf ltração podese pensar no solo com um grande reservatório com uma tampa permeável Se o volume precipitado for menor do que a sua capacidade de inf ltração toda a água será inf ltrada Entretanto com a entrada de água no solo o reservatório vai se enchendo e reduzindo a sua capacidade Mas em uma situação de duração prolongada de precipitação dependendo de sua intensidade a taxa real de inf ltração pode alcançar os valores de capacidade de inf ltração do solo Quando o volume inf ltrado é tal capaz de saturar a capacidade de armazenamento do solo o excedente de água gera o escoamento superf cial A capacidade de inf ltração do solo pode ser afetada pelos seguintes fatores Tipo de solo cada solo tem um teor característico de porosidade tamanho das partículas e o estado de f ssuração das rochas Grau de umidade do solo solo úmidos tem baixa capacidade de inf ltração por já estarem com sua capacidade de armazenamento comprometida Compactação do solo solos compactados são mais impermeáveis pela aproximação das suas partículas Ação da chuva a água precipitada causa um efeito de compactação na camada superf cial do solo além de carrear os materiais mais f nos reduzindo a porosidade do solo Cobertura vegetal contribui para a capacidade de inf ltração dos solos uma vez que atenua a ação da chuva e retém a água precipitada Presença de ar o ar retido temporariamente nos poros pode retardar a inf ltração da água Para se conhecer a capacidade de inf ltração do solo em uma bacia aplicase mais uma vez o conceito do balanço hídrico Se os valores de precipitação e escoamento superf cial forem conhecidos a sua diferença resulta no valor da inf ltração para o caso de se considerar uma evapotranspiração desprezível 33 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 3 ESCOAMENTO SUPERFICIAL 31 Generalidades O escoamento superf cial ocorre sobre a superfície da bacia hidrográf ca Para descrever a ocorrência do escoamento superf cial como fase do ciclo hidrológico é necessário considerar alguns fatos Quando uma chuva atinge determinada área ou bacia hidrográf ca parte de suas águas é interceptada pela vegetação de onde evapora posteriormente e o restante atinge a superfície do solo A água que atinge a superfície do solo tem uma parte retida nas depressões do terreno outra que se inf ltra e o restante escoa pela superfície do terreno O escoamento superf cial abrange desde o excesso de precipitação posterior a uma chuva suf cientemente intensa até o escoamento da água em um rio No segundo caso a água do escoamento no leito do rio provém do excesso de precipitações bem como da alimentação proveniente das águas subterrâneas Figura 5 Este escoamento constitui uma micro rede de drenagem pela qual a água encontra os caminhos preferenciais no solo São esses acúmulos de água corrente que a depender do volume de água formam cursos dágua sejam eles perenes ou intermitentes A conf uência dos córregos ao logo das bacias hidrográf cas forma os rios Os componentes desse escoamento sua formação sua representação e as variáveis intervenientes no mesmo serão estudadas nesta unidade Figura 5 Representação da f ormação das tipologias de escoamento 34 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 32 Ocorrência Grandezas Fatores Intervenientes As grandezas que caracterizam o escoamento superf cial em uma bacia hidrográf ca são a vazão do curso dágua principal o coef ciente de escoamento superf cial da bacia a precipitação efetiva o tempo de concentração a frequência de ocorrência das vazões e o nível de água que se correlaciona à vazão A vazão ou descarga superf cial representada por Q é o volume de água que atravessa a seção transversal ao escoamento na unidade de tempo Esse volume de água escoado na unidade de tempo é a principal grandeza a caracterizar o escoamento e sua unidade é normalmente expressa em m³s O coef ciente de escoamento superf cial ou coef ciente de def úvio superf cial ou ainda coef ciente de runof representado por C é def nido pela razão do volume de água escoado superf cialmente por ocasião de uma chuva Vols e pelo volume total da água precipitada VolI É importante ressaltar que esse coef ciente pode se referir a uma chuva isolada ou a um intervalo de tempo no qual várias chuvas ocorreram Na prática conhecido o coef ciente de runof para uma determinada chuva intensa de dada duração podese determinar o escoamento superf cial de outra precipitação intensa de magnitude diferente da primeira mas de mesma duração A precipitação efetiva ou excedente Pef é a medida da altura da parcela da chuva caída que provoca o escoamento superf cial É normalmente referida a um determinado intervalo de tempo de duração da chuva ou à duração da chuva total em eventos complexos Para eventos simples a precipitação efetiva pode ser calculada em termos da altura def nida pela razão do volume de água escoado superf cialmente Vols e pela área da projeção horizontal da superfície coletora A2 O tempo de concentração relativo a uma seção transversal do curso dágua tc é o intervalo de tempo contado a partir do início da precipitação necessário para que toda a bacia hidrográf ca correspondente passe a contribuir com a vazão na seção considerada Referese à soma do tempo de encharcamento da camada superf cial do solo mais o tempo que a partícula da água de chuva que cai no ponto mais distante da seção considerada leva para a atingir através do escoamento superf cial A frequência de ocorrência das vazões para um determinado intervalo de tempo de observação das vazões em uma seção do curso dágua a frequência da vazão Q0 representa o número de suas ocorrências nesse intervalo Na análise do escoamento provocado por chuvas intensas a frequência representa o número de vezes em que a vazão de magnitude Q0 foi igualada ou superada no intervalo de tempo considerado O nível de água que se correlaciona à vazão referese aqui à altura atingida pela água na seção transversal do escoamento natural É estabelecido sempre em relação a uma determinada referência Pode ser um valor instantâneo ou corresponder à média tomada em determinado intervalo de tempo Em seções especiais de cursos dágua naturais o nível dágua normalmente medido por meio de uma régua é correlacionado à vazão do escoamento Essas seções são denominadas seções de controle e a curva que graf camente relaciona a leitura da régua nível dágua à vazão é conhecida como curvachave a qual será melhor explicada na próxima unidade 35 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 33 Geração do escoamento A geração do escoamento é um tema complexo devido à grande variabilidade das características da bacia hidrográf ca gerando múltiplas possibilidade de caminhos a serem tomados pela água na forma de chuva até o curso dágua Existem dois principais processos reconhecidos na formação do escoamento superf cial precipitação de intensidade superior à capacidade de inf ltração e precipitação sobre solos saturados Se uma chuva com intensidade de 30 mmh atinge um solo cuja capacidade de inf ltração é de 20 mmh uma parte da chuva 10 mmh se transforma em escoamento superf cial Este é o processo de geração de escoamento por excesso de chuva em relação à capacidade de inf ltração primeiramente reconhecido por Horton 1934 O processo Hortoniano é importante em bacias urbanas com altos índices de impermeabilização dos solos ou em chuvas muito intensas que não permitem a inf ltração da água precipitada Entretanto é raramente visto em bacias naturais durante chuvas menos intensas em que o escoamento superf cial é quase que totalmente originado pela parcela da precipitação que atinge zonas de solo saturado Um dos métodos mais simples e mais utilizados para estimar o volume de escoamento superf cial resultante de um evento de chuva é o método desenvolvido pelo National Resources Conservatoin Center dos EUA antigo Soil Conservation Service SCS De acordo com este método a lâmina escoada durante uma chuva é dada por Nessas expressões Q é a lâmina escoada ou volume de escoamento dividido pela área da bacia mm P é a precipitação durante o evento mm S é um parâmetro que depende da capacidade de inf ltração e armazenamento do solo parâmetro adimensional CN e Ia é uma estimativa das perdas iniciais de água dado por IaS5 A def nição do valor de CN é feita por consulta a valores tabelados Tabela 1 em função do tipo do solo Tabela 2 das condições de umidade do solo anteriormente à ocorrência da precipitação Tabela 3 e do tipo de atividadeocupação que é desenvolvida na bacia 36 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Tabela 1 Tipos de solos considerados na escolha do parâmetro CN Fonte Porto 1995 Tabela 2 Condições de umidade antecedente à precipitação consideradas para adotar o parâmetro CN Fonte Porto 1995 37 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Tabela 3 Valores aproximados do parâmetro CN para diferentes condições de solo Fonte Porto 1995 38 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 34 Hidrogramas O gráf co utilizado para representar a variação da vazão em uma seção do rio ao longo do tempo chamase Hidrograma O escoamento superf cial é de grande utilid ade nos estudos e avaliações pois demonstra a evolução da vazão ao longo do tempo Para um rio o hidrograma se refere a uma seção transversal específ ca uma vez que ao longo do seu curso existe a entrada de córregos af uentes que aumentam a vazão do curso principal no sentido do f uxo Assim tomando uma determinada seção de um rio o hidrograma correspondente indica o volume de água escoado por unidade de tempo por meio daquela seção O comportamento da vazão ao longo do tempo em uma seção de referência é o resultado de todos os processos e etapas do ciclo hidrológico que ocorreram na bacia hidrográf ca desde a ocorrência da precipitação até a composição dessa vazão Cada bacia hidrográf ca terá um hidrograma característico em função das suas peculiaridades e as demais etapas do ciclo hidrológico como evaporação transpiração inf ltração etc Analisando a bacia hidrográf ca som uma óptica de um sistema físico cuja entrada é a precipitação e a saída é a vazão no seu exutório o hidrograma é uma consequência das condições da bacia até a seção considerada e da precipitação que ocorreu na sua área de contribuição Assim o formato do hidrograma é ref exo direto das particularidades de cada bacia hidrográf ca tais como grau de urbanização tipo de solo área topograf a forma etc A Figura 6 mostra um exemplo do hidrograma do Rio Uruguai para a seção de Garrunchos no período de agosto a setembro de 1965 Este é um grande rio inserido em uma bacia hidrográf ca com uma área de drenagem de aproximadamente 365000 km² por isso nota se que durante um evento chuvoso a ascensão do hidrograma apresenta valores muito altos de vazão indicando o grande volume de água aportante na bacia hidrográf ca O pico do hidrograma é atingido num período de dez dias após o ponto inf exão do hidrograma A Este registro não indica que o evento chuvoso permaneceu durante dez dias mas sim que ainda após dez dias havia escoamento superf cial decorrente da precipitação que estava alcançando o rio na seção de Garrunchos Depois do pico iniciase o processo de recessão que caracteriza a descida do gráf co diminuição da vazão do rio Nessa região as vazões vão diminuindo até alcançarem valores mais próximos aos iniciais provenientes das parcelas subsuperf ciais e subterrâneas Como o solo e os aquíferos também tiveram seus níveis dágua elevados pela precipitação é comum que este novo patamar B seja mais elevado que o do início do hidrograma Figura 6 Hidrograma do Rio Uruguai na seção de Garrunchos Fonte Adaptado de Porto Filho e Silva 1999 39 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O hidrograma da Figura 7 mostra de forma generalista o comportamento típico de um hidrograma construído a partir de registros de vazão ao longo do tempo antes e após um evento de precipitação Figura 7 Hidrograma típico da passagem de uma onda de cheia Podese ainda destacar Em resposta à precipitação ocorrida ap resentada no alto da f gura a vazão no rio começa a subir a partir do instante correspondente ao ponto A alcançando o pico ponto de máxima vazão em B e depois decrescendo O trecho de subida do hidrograma entre os pontos A e B é a curva de ascensão do hidrograma enquanto o trecho BC é a curva de depleção O ponto C caracteriza o instante de tempo em que não há mais escoamento superf cial devido àquela precipitação contribuindo para essa seção do rio esse ponto C é conhecido como ponto de inf exão Também é interessante a caracterização do tempo de pico tpico ou seja o tempo transcorrido desde o centro de massa da precipitação até o hidrograma atingir seu máximo O traçado da curva indicativa da parcela do hidrograma referente à contribuição do escoamento subterrâneo curva azul claro compreende o que se chama de separação do escoamento superf cial Geralmente são adotados métodos gráf cos para o traçado dessa curva cuja descrição foge ao propósito deste texto podendo ser encontrados alguns exemplos em Tucci 2000 40 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Convém ressaltar que desde o início da precipitação instante de tempo t0 transcorreu um certo tempo até que essa água precipitada atingisse o curso dágua na seção em questão o que só ocorreu no instante de tempo tA referente ao ponto A que já foi indicado como o início da ascensão do hidrograma Novamente isso é decorrente de todos os processos que estão envolvidos de certa forma no caminho desde a ocorrência da precipitação até a vazão no rio Na Unidade I observamos as características das bacias hidrográf cas o hidrograma sendo uma demonstração da interação entre essas peculiaridades e as precipitações ocorridas na área também será afetado por essas características Sendo assim se torna importante ressaltar algumas correlações 341 Características físicas das bacias hidrográficas Aspectos como forma área relevo e rede de drenagem têm grande inf uência na forma do hidrograma Por exemplo uma bacia com formato arredondado tende a apresentar o pico do hidrograma maior do que o de uma bacia de formato mais alongado considerando semelhantes as demais condições Como o escoamento ocorre pela ação da gravidade é intuitiva a percepção de que uma bacia com maiores declividades do terreno também está sujeita a maiores cheias hidrogramas mais acentuados do que aquelas mais planas No mesmo sentido o fato de apresentar uma rede de drenagem melhor distribuída espacialmente também facilita o escoamento superf cial e aumenta a vazão de pico no exutório da bacia 342 Tipos de solo A permeabilidade dos solos das bacias hidrográf cas afeta o fenômeno da inf ltração Em locais com solos mais ou menos permeáveis haverá maior ou menor inf ltração respectivamente afetando a geração de escoamento superf cial Solos argilosos por exemplo apresentam menor permeabilidade do que solos arenosos Como comentado anteriormente a umidade inicial do solo ou seja a umidade do solo no instante em que ocorre a precipitação também afeta a quantidade de escoamento superf cial produzida Se o solo já está saturado ou com uma certa umidade decorrente de uma precipitação anterior ao ocorrer a nova precipitação sua capacidade de absorver essa água será nula ou bem inferior àquela se ele estivesse em condições normais repercutindo na maior geração de escoamento superf cial 343 Uso e ocupação do solo O tipo de atividade exercida sobre o solo ou o seu padrão de ocupação ref ete diretamente no escoamento superf cial pois áreas urbanas f orestas e campos agrícolas por exemplo apresentam diferentes comportamentos quanto à capacidade de inf ltração e de armazenamento da água precipitada Como vistos na determinação do parâmetro CN Áreas urbanas apresentam praticamente toda a área coberta por superfícies impermeáveis fazendo com que quase todo o total precipitado escoe superf cialmente ao passo que em áreas rurais uma parcela da precipitação inf ltra no solo Assim no primeiro caso o hidrograma apresenta um pico mais acentuado e que ocorre mais rápido do que no segundo caso Figura 8 41 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 8 Hidrogramas típicos de passagem de onda de cheia em bacia hidrográf ca predominantemente rural e urbana Fonte Tucci 2000 343 Intervenções no rio Procurando atender suas necessidades o homem tem alterado substancialmente os rios e córregos seja na forma de barramentos como por meio de desvios retif cação e canalização do rio Como muitos casos nas grandes cidades especialmente o Rio Pinheiros na cidade de São Paulo A construção de barragens altera drasticamente a variação natural da vazão no rio a jusante da obra e portanto o hidrograma no trecho em questão é totalmente dependente do modo como é operada a barragem do quanto de vazão ela deixa passar para jusante a vazão no rio a jusante de uma barragem é normalmente referida como vazão regularizada Figura 9 As intervenções humanas no sentido de retif car e canalizar o curso dágua também repercutem na forma do hidrograma já que a canalização geralmente possibilita um f uxo mais rápido com maiores velocidades do escoamento Figura 9 Hidrogramas típicos de passagem de onda de cheia no rio com intervenções humana e com o leito natu ral Fonte Tucci 2000 42 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 344 Característica da precipitação Além dos demais fatores mencionados função da própria bacia as características da precipitação também inf uenciam bastante o formato do hidrograma A Figura 10 pode ajudar a representar essa inf uência chuvas rápidas mas com maior intensidade tendem a provocar hidrogramas com maiores picos do que chuvas de menor intensidade e maior duração cujo hidrograma é mais achatado ou seja a vazão é mais uniforme a longo tempo relativamente ao primeiro caso Mas a distribuição espacial da chuva também repercute signif cativamente no aspecto do hidrograma pois a ocorrência da precipitação em uma área próxima à seção do rio em análise vai gerar maiores vazões do que se essa mesma precipitação ocorresse apenas na cabeceira da bacia Figura 10 Hidrogramas típicos resultantes de uma precipitação concentrada no tempo P1 e uma uniformemente distribuída no tempo P2 Fonte Tucci 2000 35 Separação do Escoamento Superficial e Subterrâneo Entretanto a água que corre nos rios não tem como origem apenas o escoamento superf cial existe também as contribuições subsuperf ciais e subterrâneas advindas da água inf ltrada no solo A rigor há ainda a parcela da precipitação que cai diretamente sobre os rios mas que é geralmente desprezível relativamente às demais contribuições Dessa forma o escoamento tem origens diferentes para os momentos de ocorrência de precipitação ou não Durante as chuvas intensas a maior parte da vazão que passa por um rio é a água da própria chuva que não consegue penetrar no solo e escoa imediatamente O escoamento rápido que ocorre em consequência direta das chuvas é chamado de escoamento superf cial Nos períodos secos entre a ocorrência de eventos de chuva a vazão de um rio é mantida pelo esvaziamento lento da água armazenada na bacia especialmente da água subterrânea Assim o escoamento lento que ocorre durante as estiagens pode ser chamado de escoamento subterrâneo 43 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Ainda utilizando o hidrograma genérico podese realizar a separação das tipologias de escoamento a partir de um hidrograma avaliando os pontos de inf exão De forma que parte da vazão é devido ao escoamento superf cial nas vertentes e parte é devido à alimentação do rio pelas águas subterrâneas sendo cada parcela correspondente indicada na f gura sendo que traça se uma linha que une os pontos de inf exão A e C podendo estimar a contribuição subsuperf cial O resultado genérico da separação do escoamento a partir dos hidrograma é como o demonstrado na Figura 11 Figura 11 Hidrograma típico da passagem de uma onda de cheia com separação do escoamento subsuperf cial Fonte Tucci 2000 Figura 12 Hidrograma hipotético de separação do escoamento em superf cial subsuperf cial e subterrâneo Fonte Tucci 2000 44 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA É interessante destacar sobre o escoamento superfi cial que em dada seção transversal de um curso dágua as variações das vazões instantâneas decorrentes de chuvas intensas são tão maiores quanto menor for a área da bacia de contribuição a montante dessa seção Já para uma mesma área da bacia de contribuição as variações das vazões instantâneas no curso dágua são tão maiores e dependerão tanto mais das chuvas de alta intensidade quanto Maiores forem as declividades do terreno Maior for a declividade do curso dágua Menores forem as depressões retentoras de água Menores forem as quantidades de água infi ltrada Mais retilíneo for o traçado do curso dágua Menores forem as áreas cobertas por vegetação É comum empregaremse palavras como cheia enchente e inundação relacionando as ao nível de água atingido em um período chuvoso ou por ocasião de uma chuva intensa isolada Mas você sabe a diferença entre elas Cheia ou enchente corresponde a uma elevação acentuada do nível dágua que entretanto mantémse dentro do próprio leito normal do curso dágua natural Inundação ou extravasamento é uma elevação não usual do nível dágua de modo a provocar transbordamento e em geral prejuízos materiais e até mesmo riscos de vida Esclarecese que uma condição atual de cheia pode se transformar em inundação quando o leito maior ou várzea for ocupado por construções como costuma acontecer especialmente em áreas urbanas 45 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA BRASIL Princípios de hidrologia ambiental curso de aperfeiçoamento em gestão de recursos hídricos Brasília DF Ministério da Ciência e Tecnologia 2003 Disponível em httpcapacitacaoanagovbrListsEditaisAnexos Attachments2303 PHidrologiaAmbGRH220909pdf GROTZINGER J JORDAN T Para entender a Terra 6 ed Porto Alegre Bookman 2013 MARTINS J R S Gestão da drenagem urbana só tecnologia será sufi ciente Artigo Científi co São Paulo p 111 jul 2012 Disponível em httpwwwdaeespgovbr outorgatreinamento Obras HidrC3A1ulicgestaodrenagempdf ROSA A H FRACETO L F MOSCHINICARLOS V Org Meio ambiente e sustentabilidade Porto Alegre Bookman 2012 Veja o funcionamento na prática httpswwwyoutubecomwatchvAJ0wq6GCshk httpswwwyoutubecomwatchvv4fS1wzweaY httpswwwyoutubecomwatchvqaQSYOM2HM 46 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 2 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA CONSIDERAÇÕES FINAIS A água proveniente da precipitação encontra o solo primeiramente inf ltra é retida superf cialmente e evaporada até que essas capacidades são excedidas e iniciase o escoamento superf cial Este tipo de escoamento apresenta uma duração maior do que a precipitação que lhe originou tendo em conta o trânsito desta água até os exutórios das bacias e a contribuição subterrânea que segue drenando para os cursos dágua Conhecer essas parcelas do balanço são necessárias em obras de dimensionamento de canal drenagem urbana dimensionamento de reservatórios e vertedores dimensionamento de sistemas de abastecimento de água entre outros Na próxima unidade veremos como medir esse volume de água escoado e métodos de aplicação do hidrograma em dimensionamento de projetos 47 47 WWWUNINGABR UNIDADE 03 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 49 1 MEDIÇÃO DE VAZÃO 50 11 ESTAÇÕES HIDROMÉTRICAS 50 12 MEDIDAS DE VAZÃO 51 121 MÉTODO VOLUMÉTRICO 51 122 VERTEDORES 51 123 MÉTODO ACÚSTICO 54 124 MÉTODO DO MOLINETE 58 125 MÉTODO COLORIMÉTRICO 58 13 CURVACHAVE 59 2 VAZÕES DE ENCHENTES 63 HIDROGRAMA UNITÁRIO E MEDIÇÃO DE VAZÃO PROFA MA LUZIA MARA MENDES FERRER AMORIM ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 48 WWWUNINGABR 21 CONTEXTUALIZAÇÃO 63 22 FÓRMULAS EMPÍRICAS 64 221 MÉTODO DE FÜLLER 64 222 FÓRMULA DE AGUIAR 65 23 MÉTODO RACIONAL 65 24 HIDROGRAMA UNITÁRIO 66 25 HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO 71 26 MÉTODOS PROBABILÍSTICOS DE PREVISÃO DE CHEIAS 74 27 PROPAGAÇÃO DE CHEIAS 74 3 HIDROLOGIA ESTATÍSTICA 77 31 GENERALIDADES 77 32 PERÍODO DE RETORNO 77 33 ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DE DADOS HISTÓRICOS 78 331 CURVA DE PERMANÊNCIA 79 CONSIDERAÇÕES FINAIS 80 49 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO O escoamento superf cial das águas normalmente é medido ao longo dos cursos dágua criandose séries históricas que são extremamente úteis para diversos estudos e projetos de Engenharia basicamente para responder a perguntas típicas como onde há água quanto há água ao longo do tempo e quais são os riscos de falhas de abastecimento de uma determinada vazão em um ponto de um curso dágua No planejamento e gerenciamento do uso dos recursos hídricos o conhecimento das vazões é necessário para se fazer um balanço de disponibilidades e demandas ao longo do tempo Em projetos de obras hidráulicas as vazões mínimas são importantes para se avaliar por exemplo calado para navegação capacidade de recebimento de ef uentes urbanos e industriais e estimativas de necessidades de irrigação as vazões médias são aplicáveis a dimensionamentos de sistemas de abastecimento de águas e de usinas hidrelétricas as vazões máximas como base para dimensionamento de sistemas de drenagem e órgãos de segurança de barragens entre outras tantas aplicações Em operação de sistemas hidráulicos em que poderiam se destacar sistemas de navegação f uvial operação de reservatórios para abastecimento ou geração de energia e sistemas de controle ou alerta contra inundações Sem as informações básicas de vazões os projetos de aproveitamento de recursos hídricos tendem a ser menos precisos conduzindo a resultados duvidosos que ora tendem a ser extremamente conservadores e custosos ora a serem de risco superior ao admitido Figura 1 Escoamento 50 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1 MEDIÇÃO DE VAZÃO 11 Estações Hidrométricas Assim como as estações climatológicas existem também estações f xas para monitoramento e registro das variáveis hidrológicas chamadas estações hidrométricas Estas são equipadas de diversos sensores que buscam caracterizar as principais variáveis tais quais precipitação nível dágua vazão dados de sedimentos em suspensão e no fundo caracterizando a descarga sólida total e a qualidade da água Estas estações devem seguir o exigido pela Agência Nacional de Águas ANA em termos de sua operação conforme Resolução Conjunta ANA ANEEL nº 03 de 10 de agosto de 2010 Este documento indica que as estações f uviométricas convencionais são compostas por lances de réguas limnimétricas cujos dados podem ser regi strados por observadores em cadernetas específ cas em duas leituras diárias às 7h e 17h Figura 2 Exemplo de régua limnimétrica utilizada na leitura do nível dágua Por sua vez as estações automáticas Figura 3 são estações nas quais os dados são obtidos por sensores automáticos com o auxílio de uma Plataforma de Coleta de Dados e transmitidos remotamente para um banco de dados Essas estações são constituídas dos seguintes componentes Fonte de energia Registradores Sensores de precipitação Sensores de nível dágua Sistemas de transmissão O bom funcionamento das estações telemétricas também depende da integração adequada de seus componentes muitas vezes de fabricantes diferentes 51 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 3 Exemplo de estação hidrométrica automática Outros equipamentos podem ser acoplados nestas estações a depender dos recursos e necessidade de informação dos operadore s da rede de monitoramento A seguir mais detalhes sobre os métodos de medição de vazão 12 Medidas de Vazão Para se determinar a expressão da curvachave precisamos medir a vazão para diversos níveis Tais pares de pontos podem ser interpolados def nindo a expressão matemática da curva chave A NBR 13403 de 1995 dispõe sobre esses diferentes métodos suas vantagens e restrições Aqui vamos destacar os métodos volumétrico colorimétrico estruturas hidráulicas calhas e vertedores velocimétrico acústico A escolha do método dependerá das condições disponíveis em cada caso Cada um desses métodos será descrito a seguir para se poder analisar a oportunidade de aplicação de cada um deles 121 Método volumétrico O método volumétrico é baseado no conceito volumétrico de vazão isto é vazão é o volume que passa por uma determinada seção de controle por unidade de tempo Utilizase um dispositivo para concentrar todo o f uxo em um recipiente de volume conhecido Medese o tempo de preenchimento total do recipiente Este processo é limitado a pequenas vazões em geral pequenas fontes dágua minas e canais de irrigação 122 Vertedores Um dos métodos mais aplicados são os vertedores aberturas na parte superior de uma parede pela qual o líquido escoa dentro de uma seção controlada e de relação conhecida com a vazão O método calha ou vertedor se aplica a escoamentos sob regime f uvial e de acordo com as velocidades do escoamento e a profundidade da água no canal este pode ser classif cado em regime Fluvial Torrencial ou Crítico Regime f uvial apresenta menores velocidades torrenciais maiores velocidade e o crítico tem a profundidade da água igual a profundidade crítica do canal Utilizase o adimensional Número de Froude para esta classif cação Fr1 escoamento f uvial Fr 1 escoamento torrencial Fr 1 escoamento crítico A escolha de qual opção utilizar depende da vazão que se quer medir 52 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O princípio consiste em forçar a mudança de comportamento do regime f uvial para o torrencial medindose a profundidade crítica A profundidade hidráulica é a razão entre a área molhada e a largura do canal por sua vez é chamada de profundidade crítica a altura dágua que corresponde à ocorrência de um escoamento com energia mínima Os vertedores são geralmente construídos com forma geométrica def nida sendo as mais utilizadas retangulares triangulares trapezoidais e circulares Figura 4 Os vertedores triangulares mais comuns são do tipo T ompson Figura 5 com ângulo reto e podem ser expressos pela equação Na qual Q é a vazão em m³s e H é o nível dágua m Figura 4 Exemplos de vertedores instalados em campo Fonte Costa Bacellar e Silva 2007 53 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 5 Figura esquemática de corte transversal em uma seção com vertedor triangular Em relação a este método de medição a norma traz que os vertedores triangulares são indicados para vazões menores que 30 Ls por oferecerem maior precisão nesta faixa enquanto para vazões estimadas ent re 30 Ls e 300 Ls os vertedores triangulares e os retangulares oferecem a mesma precisão Para vazões acima de 300 Ls os vertedores retangulares são mais indicados por possuírem coef cientes de vazão mais bem def nidos Utilizando o exemplo do vertedor tipo Francis temse que o cálculo da vazão é feito por meio da expressão abaixo na qual L indica a largura da base do vertedor Figura 6 Desenho esquemático de corte transversal em vertedor retangular As calhas Parshall são estruturas análogas aos vertedores a determinação de vazão é realizada a partir do nível dágua diretamente na seção em que está instalada Entretanto se não há ondas de cheia propagando pelo canal a vazão que passa pela calha é a mesma que passa por qualquer outra seção do rio Podese então determinar a curvachave para outras seções de interesse medindo o nível da água em tais seções e relacionandoos com a vazão medida pela calha ou vertedor 54 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA No caso da calha tal mudança é condicionada por um estreitamento da seção Portanto com o conhecimento do nível da água na região da profundidade crítica determinase a vazão do canal uma vez que a forma da seção da calha e a cota de fundo são conhecidas Se a saída de jusante se dá de forma livre sem afogamento a vazão pode ser assim determinada Nesta expressão QL é a vazão do canal k e n são parâmetros que dependem das características da calha e H é a profundidade crítica do canal Caso a saída da água do canal se dá sob afogamento formase um ressalto hidráulico e a vazão calculada pela expressão acima precisa ser corrigida pela multiplicação de um coef ciente C As calhas Parshall não interferem no escoamento mas apresentam um forte limitante sua viabilidade está restrita a pequenos canais Figura 7 Esquema de uma Calha Parshall convencional 123 Método acústico A vazão também pode ser medida por meio da utilização de equipamentos acústicos Os aparelhos utilizados para fazer essa modalidade de medição são os Acustic Dopples Current Prof ler ADCP Figura 8 A utilização deste equipamento teve início nos Estados Unidos na década de 1980 e chegou ao Brasil no período de 1990 ANA 2011 Esse método é chamado de acústico pois realiza medições dos perf s verticais de velocidade da água utilizando a energia acústica Um pulso de energia ping é transmitido à água por cada face do transdutor as partículas ref etem este pulso e por meio do efeito Doppler são realizadas medições 55 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O equipamento mede justamente as variações de frequência entre o feixe de energia emitido e o ref etido pelas partículas Essa variação representa a diferença entre o tempo de resposta expressada pelo efeito Doppler sendo assim possível determinar a velocidade das partículas em relação ao ADCP Figura 8 Esquema de um ADCP com quatro faces voltadas para baixo emitindo feixes de energia a massa dágua Fonte Marinha do Brasil 2021 No âmbito prático este aparelho é acoplado ao navio e ligado por meio de um cabo a um computador Figura 9 Utilizandose de um sof ware instado no computador o operador pode enviar comandos para o ADCP indicando quando começar a medir e quando f nalizar Figura 9 Exemplo de medição de vazão se ndo executada pelo ADCP acoplado ao barco portátil 56 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O ADCP gera vários dados diretamente ao seu usuário o mais importante deles para este trabalho é a velocidade Essa variável é apresentada nas direções horizontal magnitude e direção e vertical magnitude os erros associados a esse parâmetro ocorrem em uma dimensão menor do que ¼ do valor medido quando as camadas são homogêneas porém quando há a presença de grandes ref etores como peixes de grande porte esse erro pode ser aumentado Com a avaliação do parâmetro de intensidade de ecos recebidos pelos transdutores é possível determinar a presença dos ref etores e garantir a qualidade do dado O método acústico apresenta algumas vantagens quando comparado a métodos convencionais como o do molinete Dentre elas é possível destacar a capacidade de medição em profundidades de até 200m maior precisão na determinação das velocidades e profundidade medições mais rápidas com menos equipamentos embarcados e obtenção da vazão imediatamente ao f nal das travessias Também apresenta limitações como necessidade de capacitação técnica dos operadores alto custo de aquisição do equipamento vazões estimadas para as margens e inadequação para medição em águas demasiadamente cristalinas A medição de vazão é realizada por diferentes transdutores para isso é preciso movê los de uma margem à outra do curso dágua A Figura 10 demonstra o caminho que o aparelho deve percorrer para realizar as medições de uma margem à outra do rio para que os dados sejam adquiridos no f m da travessia o sof ware indica a vazão total medida É recomendado que sejam realizadas no mínimo quatro travessias de coleta de dados ou até que esses sejam similares Figura 10 Caminho dos transdutores através do curso dágua para a medição de vazão Fonte Teledyne RD Intru ments 2014 Esse método de medição de vazão por meio da movimentação do barco tem como equação geral que integra os valores da área da secção a média da velocidade na área juntamente com o vetor da força normal no caminho percorrido pelo barco Na qual Vf vetor da média da velocidade da área ds Área diferencial n unidade do vetor normal do caminho percorrido pelo barco 57 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Nesse caso a área é a região abaixo do ADCP e porque o equipamento mede tanto a velocidade da água quanto a velocidade do barco podese reescrever a equação conforme descrição abaixo Os dados medidos pelo ADCP não alcançam toda a secção do rio existem áreas que os feixes de energia não alcançam Dessa forma um sof ware acoplado irá estimar os valores dessas áreas de acordo com os dados de entrada do usuário A Figura 11 demonstra essas áreas onde a medição é estimada A primeira é a região de imersão ou seja a profundidade que o transdutor precisa para estar submerso sendo normalmente uma região de 20 cm Essa profundidade serve para garantir que o barco tenha certa velocidade antes que o ar seja puxado por debaixo do transdutor o que bloqueia a emissão da energia acústica através da água Em águas com alta velocidade de escoamento é necessário se colocar o transdutor mais abaixo do que em águas com baixa velocidade Sabendo que o funcionamento do equipamento consiste em emitir e receber o pulso também é necessário que haja uma distância mínima que garanta um espaço entre a emissão e a recepção do pulso Neste modelo de equipamento esta distância é de 25 cm Pela mesma condição de profundidade mínima é que o ADCP não mede as regiões de margens da secção Também nas regiões de fundo existe uma camada de água de onde os dados medidos não são utilizados essa região corresponde a 6 da distância que o transdutor está do fundo Os dados desta região não são considerados pelo erro associado aos pulsos emitidos a 20 da posição do transdutor a ref exão destes pulsos pode causar interferências com os ecos das águas e comprometer o resultado f nal da medição Figura 11 Área em que o ADCP não consegue realizar medições Fonte Teledyne RD Intruments 2014 58 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 124 Método do molinete Outro exemplo de equipamento que auxilia nas medições de vazão é o molinete Estes são aparelhos dotados basicamente de uma hélice e um contagiros medindo a velocidade do f uxo dágua que passa por ele Assim quando posicionado em diversos pontos da seção do rio eles determinam o perf l de velocidades desta seção Com tal perf l e a geometria da seção determina se a vazão pela expressão Na qual Q é a vazão do rio V é a velocidade medida pelo molinete S é a área da seção O princípio de funcionamen to é o seguinte medese o tempo necessário para que a hélice do aparelho dê um certo número de rotações O contagiros envia um sinal ao operador a cada 5 10 ou qualquer outro número de voltas realizadas Marcase o tempo entre alguns sinais e determinase o número de rotações por segundo n O equipamento possui uma curva calibrada do tipo V a n b onde a e b são características do aparelho que fornece a velocidade V a partir da frequência n da hélice As velocidades limites que podem ser medidas com molinete são de cerca de 25 ms com haste e de 5 ms com lastro Acima destes valores os riscos para o operador e o equipamento passam a ser altos Em boas condições a precisão relativa para uma vazão assim medida é de cerca de 5 125 Método colorimétrico Ainda assim existem situações em que nenhum dos métodos anteriores são aplicáveis geralmente locais com escoamento em altas velocidades muita turbulência inacessibilidade condições perigosas etc Para estas situações podese utilizar o método colorimétrico Essa técnica consiste na diluição de um corante de concentração conhecida aplicado continuamente numa determinada seção do rio Numa seção a jusante medese a concentração deste produto A medição é feita depois de estabelecido o regime permanente ou seja têmse ao mesmo tempo aplicação do corante na seção 1 e medição desta solução diluída na seção 2 a jusante Assim a vazão pode ser determinada por Na qual q é a vazão do corante Q é a vazão do rio C1 e C2 são as concentrações iniciais e f nal do corante respectivamente O requisito para aplicação deste método é que o escoamento deve ser suf cientemente turbulento para provocar a total diluição do corante este não pode reagir com elementos presentes na água e não pode ser prejudicial ao meio ambiente 59 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 13 CurvaChave As medições de vazão são feitas periodicamente em determinadas seções dos cursos dágua as estações ou postos f uviométricos Diariamente ou de forma contínua medemse os níveis dágua nos rios e esses valores são transformados em vazão por meio de uma equação chamada de curvachave Curvachave é uma relação nívelvazão numa determinada seção do rio Dado o nível do rio na s eção para a qual a expressão foi desenvolvida obtémse a vazão Não é apenas o nível da água que inf uencia a vazão a declividade do rio a forma da seção mais estreita ou mais larga também alteram a vazão ainda que o nível seja o mesmo Entretanto tais variáveis são razoavelmente constantes ao longo do tempo para uma determinada seção A única variável temporal é o nível Dessa forma uma vez calibrada tal expressão a monitoração da vazão do rio no tempo f ca muito mais simples e com um custo muito menor Para obtenção da curvachave fazse medições de vazão pelos métodos apresentados anteriormente para vários níveis dágua e obtémse pares cotadescarga A relação é obtida a partir da interpolação destes pontos e como esta operação não contempla todos os níveis possíveis utilizase ainda a extrapolação A relação biunívoca cotavazão de um rio se mantém ao longo do tempo desde que as características geométricas do mesmo não sofram variação Assim ao se escolher uma seção para controle esta deve seguir alguns princípios Lugar de fácil acesso Seção com forma regular uma vez que a regularidade da seção facilita a operação de levantamento dos pares cotavazão diminuindo assim a possibilidade de erros na determinação da curvachave Trecho retilíneo e com declividade constante isto para garantir que o escoamento possua um comportamento relativamente uniforme nas suas imediações Margem e leito não erodíveis para garantir as condições geométricas da seção Velocidades na faixa de 02 a 2 ms Região em regime uniforme condições de nível velocidade declividade e área da seção constantes Trecho estar em Regime permanente durante a realização das medições No regime f uvial mais comumente encontrado a vazão Q se relaciona com o coef ciente de atrito K a área molhada da seção A o raio hidráulico Rh e a declividade do curso dágua i segundo a expressão a seguir No caso do regime crítico necessitase apoiar na teoria da hidráulica de energia específ ca para ajustar a expressão anterior No entanto em ambos os casos as características geométricas da seção área raio hidráulico e perímetro são função da profundidade do rio fato que garante a vazão como sendo uma função indireta do nível dágua 60 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA A partir dessa premissa podese aproximar esta relação pela seguinte expressão Nesta a b e H0 são parâmetros de ajuste e H é o nível do rio Como as cotas são tomadas com relação a um referencial arbitrário H0 constitui um parâmetro desconhecido que poderia ser entendido como sendo a leitura do nível dágua na régua para o qual a vazão é nula Assim H0 pode assumir valores positivos ou negativos dependendo da posição do zero da escala com relação ao fundo do rio Em suma H0 é o valor para o qual a vazão calculada pela expressão é nula Então para determinar os parâmetros de ajuste a partir dos pares QH a expressão geral é linearizada determinandose a e b por regressão linear e H0 por tentativa e erro Dessa forma a e b podem ser obtidos por regressão linear e H0 por tentativa e erro A forma mais ef ciente de se encontrar esses valores é por meio da aplicação de ferramentas iterativas por exemplo o Solver do Excel Microsof Vamos observar um exemplo de obtenção deste tipo de curva para o rio Paraíba A Tabela 1 demonstra os pares de dados coletados em campo de vazão e nível a partir dos quais é montada uma planilha conforme a Tabela 2 Tabela 1 Tabela de dados coletados para o rio Paraíba Fonte Porto Filho e Silva 1999 61 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Tabela 2 Planilha de cálculo da curva chave dados de exemplo do rio Paraíba Fonte Porto Filho e Silva 1999 Na planilha de cálculo Qcalc é obtido a partir dos valores de a b e H0 segundo a expressão Dessa forma os três parâmetros serão obtidos por iteração O objetivo das iterações é conseguir as constantes de forma que a soma dos quadrados dos desvios seja mínima destacado em vermelho na Figura 12 aproximando ao máximo os valores de vazão calculados com os valores reais medidos Para isto primeiramente def nese valores quaisquer para a e b podendo o valor de H0 ser estimado a partir da extrapolação da linha de tendência dos dados de vazão Def nindo qual seria o valor de H quando a vazão é zero 62 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 12 Exemplo de def nição do H0 inicial para o começo dos cálculos iterativos Utilizando a ferramenta do Solver no menu Ferramentas do Excel def nese as seguintes condições que conduzirão os cálculos Minimizar o valor da soma dos desvios célula destino Valores de a b e H0 como células variáveis Impor limite superior para o valor de H0 menor que o nível mínimo observado As conf gurações da ferramenta também devem estar ajustadas para Tempo 100s Iterações 100 Precisão 0000001 Tolerância 5 Convergência 00001 Depois da execução da ferramenta o Solver ajustará os valores das constantes a b e H0 atendendo às condições impostas Caso uma solução não seja encontrada refaça as estimativas iniciais e verif que as condições impostas A Figura 13 demonstra a efetividade do método de cálculo uma vez que a linha que representa os valores calculados Qcalc tem um ótimo ajuste em relação aos dados medidos Qobs A expressão que descreve a curva chave do rio Paraíba então f ca 63 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Com a aplicação desta expressão dados de nível dágua podem ser transformados em vazões e viceversa Figura 13 Exemplo de pontos observados em campo e os resultados obtidos por meio da curva chave calcul ada 2 VAZÕES DE ENCHENTES 21 Contextualização Como introduzido na Unidade II a ocorrência de precipitações intensas pode produzir como consequência as enchentes Uma vez que o volume precipitado corresponde a um volume de água maior do que aquele que o rio tem capacidade de transportar na sua calha principal Dessa forma ocorre o extravasamento do rio extrapolando sua calha principal e se espalhando sobre a planície de inundação e áreas ribeirinhas caracterizando a ocorrência de inundações Ainda retomando conceitos de precipitações vale lembrar que dependendo das características da chuva intensidade duração e frequência as consequências dessa podem ser diferentes Para um mesmo volume precipitado o rio pode ser capaz de transportar as vazões geradas ou não a depender se a duração da chuva provoca uma situação em que a chuva não ultrapasse a capacidade do escoamento no rio Caso a intensidade da precipitação seja tão grande que a capacidade de escoamento seja comprometida ocorrerão as inundações É fácil perceber que quanto maior a intensidade da chuva maior é a tendência de causar inundações mantidas as demais características constantes A problemática da ocorrência de enchentes está associada principalmente à ocupação das áreas ribeirinhas hidrologicamente chamadas de planícies de inundação A frequência de ocorrência das enchentes está vinculada à aleatoriedade do regime de precipitação na bacia contribuinte fazendo com que o rio extravase e inunde suas planícies de inundação com uma certa frequência determinada nos estudos hidrológicos empregando técnicas estatísticas 64 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Os prejuízos proporcionados pelas inundações são decorrentes principalmente da ocupação das planícies de inundação pela população seja para habitação recreação uso agrícola comercial industrial etc Tal ocupação é associada muitas vezes ao próprio desenvolvimento histórico da região na medida que a proximidade com os corpos dágua facilita o consumo de água proporciona opção de lazer banho pesca além do uso dos rios como via de transporte O crescimento desordenado e acelerado atual das cidades causa uma pressão para ocupação das áreas ribeirinhas na busca de áreas para expansão da cidade seja irregularmente ou não Paralelo a isto a urbanização da bacia contribuinte aliada à impermeabilização do solo proporciona um aumento no escoamento superf cial Dessa forma para um mesmo volume precipitado durante o mesmo tempo ocorre um aporte maior e mais rápido de água ao rio Esse aporte maior e mais concentrado no tempo faz com que as inundações sejam mais intensas e mais frequentes causando danos mais severos A ocupação das planícies de inundação também afeta a frequência de ocorrência das cheias Cada região tem um regime pluviométrico específ co que condiciona a ocorrência periódica de precipitações mais intensas e consequentemente de inundações Mais discussões sobre as aspecto serão trazidas no item 23 desta unidade Período de Retorno Tendo em vista a sensibilidade do ambiente às enchentes a sua função ambiental e a sua capacidade de provocar danos socioeconômicos tornase de suma importância ser capaz de dimensionar essas cheias e incluílas no planejamento dos projetos Existem algumas formas de estimar esses eventos como as fórmulas empíricas métodos estatísticos método racional métodos chuva x vazão Alguns deles serão explanados nos itens subsequentes 22 Fórmulas Empíricas Tais fórmulas relacionam a vazão com características físicas ou climáticas da bacia Os parâmetros e coef cientes estabelecidos são de caráter experimental normalmente baseados em dados de observação locais não podendo ser extrapolados para demais localidades distintas daquela de onde foram gerados 221 Método de Füller O método de Füller consiste em um método de extrapolação de dados históricos de vazão Ele foi idealizado a partir das cheias do rio Tohickson EUA resultando em uma equação geral do tipo Nesta equação Q é a vazão média diária mais provável para determinado período de retorno Tr é a médias das vazões de enchente consideradas a e b são constantes determinadas a partir dos dados históricos de vazão por regressão linear 65 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 222 Fórmula de Aguiar O Brasil também tem um exemplo de formulação empírica proposta pelo Engenheiro Aguiar Nesta os parâmetros correspondentes às características locais do Nordeste Brasileiro já se encontram embutidas sua expressão é Nesta fórmula A é a área da bacia km² L é a linha do talvegue km e K e C são coef cientes que dependem do tipo da bacia de acordo com a Figura 14 Figura 14 Coef cientes hidrométricos K e C Fonte Vieira e Gouveia Neto 1979 23 Método Racional O Método Racional a despeito da denominação envolve simplif cações e coef cientes de aceitação discutível não se levando em conta por exemplo a natureza real e complexa como se processa a vazão Em vista disso s eu emprego deve vir acompanhado de cautela para bacia de grande extensão o método se mostra improvavelmente adequado Sua expressão geral é a seguinte Seu mérito está na simplicidade da aplicação e facilidade de obtenção dos elementos envolvidos resulta aí sua larga utilização no estudo de enchentes de bacias de pequena área abaixo de 500ha Em bacias de até 50ha podese usar a fórmula como apresentada No entanto para áreas compreendidas entre 50 e 500ha recomendase a introdução de um coef ciente de correção D D AK K variando de 010 a 018 A precipitação a ser aplicada à expressão anterior de intensidade corresponde à máxima média associada ao período de retorno adotado Normalmente sua duração é tomada igual ao tempo de concentração da bacia esta pode ser obtida conforme a expressão a seguir na qual L é a largura do rio e H é o desnível entre o ponto mais alto nas cabeceiras e a seção de drenagem 66 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O coef ciente de escoamento C corresponde à relação entre o volume precipitado sobre a bacia e aquele que inf ltrou ou foi interceptado Seu valor não é necessariamente constante em geral ele varia com a intensidade e duração da precipitação Muitas fórmulas empíricas são disponíveis para sua estimativa como as da Figura 15 produzidas pelo Colorado Highway Departament que o apresenta em função das características da bacia Figura 15 Valores do Coef ciente de Escoamento C Fonte Villela 1975 24 Hidrograma Unitário O Hidrograma Unitário HU é um hidrograma de escoamento superf cial direto no qual a área sob esta curva corresponde a um volume unitário de escoamento superf cial direto resultante de uma chuva efetiva com intensidade e duração unitárias A def nição de chuva unitária é arbitrária entretanto para efeit o de comparação entre os hidrogramas costumase manter um padrão Por exemplo uma chuva com 1 mm e duração de 1h pode ser adotada como chuva unitária É importante salientar que utilizase a premissa de que essa chuva seja uniformemente distribuída sobre a bacia O Hidrograma Unitário é um dos métodos mais práticos disponíveis para determinar a relação entre a precipitação e o hidrograma resultante As informações tiradas do emprego do método podem ser empregadas na determinação de um hidrograma de projeto para def nição de capacidades de obras tais como galerias de águas pluviais bueiros rodoferroviários vertedores de barragens e estruturas de proteção contra enchentes A obtenção do Hidrograma Unitário é fundada em três princípios básicos que são 67 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1 Princípio Para chuvas efetivas de intensidade constante e de mesma duração os tempos de escoamento superf cial direto são iguais conhecido como Princípio da Constância do Tempo de Base Figura 16 Figura 16 Princípio da Constância do Tempo de Base Fonte Porto Filho e Silva 1999 2 Princípio Chuvas efetivas de mesma duração porém com volumes de escoamento superf cial diferentes irão produzir em tempos correspondentes volumes de ESD proporcionais às ordenadas do hidrograma e às chuvas excedentes conhecido como Proporcionalidade das Descargas ou Princípio da Af nidade Figura 17 Figura 17 Proporcionalidade das Descargas Fonte Porto Filho e Silva 1999 68 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 3 Princípio A duração do escoamento superf cial de uma determinada chuva efetiva independe de precipitações anteriores O hidrograma total referente a duas ou mais chuvas efetivas é obtido adicionandose as ordenadas de cada um dos hidrogramas em tempos correspondentes conhecido como Princípio da Aditividade Figura 18 Figura 18 Princípio da Aditividade Fonte Porto Filho e Silva 1999 Quan do se tem dados medidos que componham uma série histórica o hidrograma unitário pode ser determinado a partir do seguinte procedimento Considerandose um hidrograma resultante de uma chuva efetiva de intensidade e duração unitária Figura 19 Figura 19 Hidrograma Unitário Para uma chuva de mesma duração mas de intensidade maior ou menor que a unitária através do 2 princípio se obtém as ordenadas Q1 Q2 Qn proporcionais à q1 q2 qn como demonstrado na Figura 20 69 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 20 Hidrograma resultante da primeira chuva Fonte Caso no próximo intervalo tu haja uma nova precipitação P2 a partir do 2 princípio o hidrograma def nido por essa chuva está demonstrado na Figura 21 E com a aplicação do terceiro princípi o o hidrograma resultante é o da Figura 22 Figura 21 Hidrograma resultante da segunda chuva Figura 22 Hidrograma resultante da soma dos dois hidrogramas parciais 70 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Podese generalizar a equação que descreve o processo anterior de forma que os dados históricos forneçam os valores de QR Partindo desses valores podese estimar os valores de q ordenadas do HU Destacase que o número de ordenadas do hidrograma resultante é igual à soma do número de ordenadas do hidrograma unitário com o número de intervalos de precipitações subtraído de um Existem alguns problemas inerentes ao processo de determinação do HU co m base em dados históricos os quais são relacionados a seguir erros de observação nos dados de vazão os quais podem ser gerados pela manipulação errada do instrumento de medição Curvaschave com problemas Outros erros podem ser gerados pela leitura errada nos limnígrafos Erros na obtenção da precipitação A natureza não segue perfeitamente o modelo do hidrograma unitário HU E ainda é importante observar que os erros gerados na primeira equação são propagados para a Segunda equação e assim por diante este processo pode resultar em q0 Em uma aplicação prática que se necessite converter o hidrograma unitário para outro com durações diferentes caso em que Δt1 seja múltiplo de Δt Podese determinar o hidrograma resultante da seguinte forma Admitese um período posterior de 2 horas de chuva efetiva excedente imediatamente após o primeiro o qual vai gerar um HU idêntico ao primeiro deslocado de 2 horas no tempo para a direita Se somarmos ambos HUs obteremos um hidrograma que representa o escoamento de 4 horas porém com 2 unidades de chuva excedente Como o HU de 2 horas possui intensidade de 12 unidadeh por ser HU deve conter 1 unidade de chuva em todo o seu período o hidrograma total é o resultado de uma chuva com intensidade 2 vezes maior à exigida bastando dividir as ordenadas por 2 para assim se obter o HU de 4 horas linha tracejada da Figura 23 Notar que o tempo de base é 2 horas maior que o HU de 2 horas pois a chuva ocorre durante um tempo maior 71 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 23 Representação da conversão do hidrograma unitário para outro com durações diferentes 25 Hidrograma Unitário Sintético O hidrograma unitário para regiões onde não há dados históricos é estimado pelo chamado hidrograma unitário sintético Este possui algumas variáveis características que permitem a sua determinação como o tempo de pico tempo de base e a vazão de pico Por meio da regionalização destas variáveis e com base em características físicas que se estima o hidrograma sintético Existem alguns métodos que são baseados em medições existentes de vazão em bacias de uma regi ão estudada A partir destes hidrogramas regionais estimamse quais são os principais fatores inf uentes e como estes inf uenciam o hidrograma por exemplo a área da bacia Aqui será apresentado o Método de Snyder Segundo o método de Snyder def nese o hidrograma unitário estabelecendo as equações que fornecem o tempo de retardamento a vazão de pico e a duração total do escoamento ou seja a base do hidrograma O tempo de retardamento tp é def nido como o tempo entre o centro de massa da precipitação efetiva escoamento superf cial direto e o pico do hidrograma conforme Figura 24 72 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 24 Hidrograma Unitário de Snyder Essa premissa é diferente da noção apresentada no estudo do HU em que se considerava o centro de massa do hidrograma em vez do ponto de máxima vazão Snyder obteve a seguinte expressão na qual L é o comprimento do rio principal km Lcg é a distância do centro de gravidade da bacia em km medido ao longo do curso principal desde a seção considerada até a projeção do centro de gravidade sobre o rio Ct coef ciente numérico variável entre 18 e 22 sendo os menores valores para bacias com grandes inclinações No Brasil algumas pesquisas foram feitas pelo professor Kokei Uehara para a Baciado Ribeirão das Motas para este caso obtevese Ct 082 O tempo de duração da precipitação é calculado pela equação Quando a precipitação da chuva é corrigida para tr corrigese também o tp Dessa forma a vazão máxima Qp para uma precipitação de duração tr e volume 1 cm é dada pela expressão 73 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Nessa A consiste na área de drenagem em km² e Cp é um coef ciente numérico variável entre 056 e 069 O coef ciente Ct tem inf uência sobre o tempo de pico e depende de outras características físicas que não foram consideradas na equação anterior O coef ciente Cp está relacionado com a vazão máxima de uma determinada bacia e depende das referidas características físicas Para bacias próximas com características físicas semelhantes podese usar dados de bacias vizinhas para a estimativa desses coef cientes O tempo de base do hidrograma unitário é estimado por em que tb é expresso em horas tp em horas A em km2 qp m³s w50 e w75 em horas Obtidos os valores tp Qp e tb o hidrograma unitário pode ser desenhado com o cuidado de se manter o volume unitário sob a curva Para facilitar o trabalho da construção do HU existem curvas para as larguras de 75 e 50 do pico obtidas com base em dados de várias bacias dos Estados Unidos SOKOLOV et al 1975 Estas relações na forma de equações são Essas duas relações devem ser usadas com cuidado pois retratam condições médias de um grande número de bacias americanas o que não atende necessariamente a uma bacia em específ co As larguras W75 e W50 são muito úteis já que sem elas o hidrograma plotado se baseia em apenas três pontos o que causaria grande imprecisão Porém devese tomar certa cautela já que o hidrograma não é simétrico assim um procedimento adequado seria a obtenção da proporcionalidade entre os lados divididos pela perpendicular ao eixo horizontal e que passa por tp para a introdução também proporcional destas larguras É importante ressaltar que essas larguras podem ser utilizadas para bacias grandes Para bacias pequenas utilizase a forma triangularizada que é baseada apenas nos 3 pontos Com base nessas larguras quando o tempo de base é menor que 3 dias devese procurar prolongar as larguras obtidas mantendo o volume unitário Como o trabalho de esboçar a curva é tedioso e sujeito a variadas interpretações podese usar as larguras já obtidas para estabelecer trechos retilíneos que apresente um volume unitário Partindose deste raciocínio obtémse a seguinte equação 74 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 26 Métodos Probabilísticos de Previsão de Cheias Como levantado na introdução desta unidade o contexto da ocorrência de enchentes pode trazer prejuízos econômicos e perdas de vidas dependendo de sua intensidade e do local Por isso muitos estudos têm se aprofundado para melhorar a capacidade de previsão de cheias esta pode ser classif cada em previsão de curto prazo e de previsão de longo prazo A previsão de longo prazo é caracterizada pela quantif cação das chances de ocorrência de uma determinada inundação estatisticamente sem precisar quando ocorrerá Este assunto será retomado no item 18 Hidrologia Estatística A previsão de curto prazo também conhecida como previsão em tempo atual ou em tempo real é utilizada para alertar a população ribeirinha e os operadores de obras hidráulicas durante a ocorrência de um evento com uma antecedência de horas ou dias função do tempo de deslocamento da água na bacia até a seção do rio em questão A previsão em tempo real exige a produção de dados a partir de um sistema de coleta e transmissão minimamente precisase monitorar precipitação e nível de água no rio Em uma ótica de planejamento urbano essa rede de monitoramento está associada geralmente ao Plano de Defesa Civil visando combater prevenir ou minimizar os danos das enchentes Esse tipo de previsão pode ser realizado com base na previsão da precipitação com os dados da precipitação ocorrida com as informações da vazão no rio em uma seção a montante ou ainda a partir dos dados de precipitação e vazão ocorridas no rio em uma seção de montante Quando utilizase a previsão da precipitação como base é feita a previsão da precipitação com radar e sensoriamento remoto estimando em seguida a subida do nível da água no rio por meio da representação do processo de transformação chuvavazão na bacia contribuinte Se for o caso de terse os dados da precipitação ocorrida realizase a medição da precipitação ocorrida cujo registro é transmitido para uma central onde é feita a estimativa da cheia no rio pela transformação chuva vazão este caso difere do anterior apenas pelo fato de a precipitação ser medida e não estimada Caso os dados disponíveis forem de vazão no rio em uma seção a montante realiza se a medição do nível do rio em uma seção a montante a partir da qual se estima a vazão correspondente com o uso da curvachave A partir desta informação estimase a vazão e nível da água no rio da seção de interesse a jusante Nessa situação fazse necessário algum sistema de transmissão das informações recém registradas como rede telemétrica rádio ou telefone Essa forma proporciona um menor tempo de previsão o qual é função do tempo de deslocamento da cheia da seção de montante onde se mediu a vazão até a seção de interesse Dependendo do trecho e do rio esse intervalo de tempo de propagação da onda pode ser de apenas algumas horas Quando se tem os dados tanto de vazão como de precipitação em uma seção a montante fazse a estimativa da transformação chuvavazão com base no valor medido de precipitação e em seguida estimado o deslocamento da onda de cheia até a seção de interesse usando a vazão na seção a montante 27 Propagação de Cheias Tendo em vista a necessidade de se prevenir dos danos potenciais das enchentes desenvolveramse métodos de modelar a propagação das ondas de cheia em canais e reservatórios Esses podem ser utilizados para entender a forma de desenvolvimento temporal de vazão em seção para a qual não se dispõe de dados suf cientes de precipitação e vazão para o traçado de hidrograma Nessas circunstâncias lançase mão de princípios de propagação de enchentes 75 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O desenvolvimento da onda de enchente seja em reservatório seja em canais é embasado na lei de continuidade Esta quando aplicada ao escoamento fornece a expressão do armazenamento a partir da qual por interações sucessivas obtêmse pontos para o traçado do hidrograma propagado isto é do hidrograma de saída A equação da continuidade diz que a diferença entre a vazão de entrada e a de saída equivale à taxa instantânea de acumulação Entra Sai Fica acumulado em função do tempo Considerandose o intervalo de tempo suf cientemente pequeno mas não inf nitesimal é possível sua solução por elementos f nitos Nos métodos que seguem desprezamse os acréscimos provenientes de águas subterrâneas as perdas por inf ltração ou por evaporação além disso admitese a não ocorrência de chuva na passagem da cheia O armazenamento ao longo de rios e canais não é função apenas da descarga visto que o mesmo se dá não somente na forma de prisma dágua sobre este se manifesta uma formação em cunha O efeito dessa acumulação deve ser levado em conta Inexistindo uma relação biunívoca a descarga na extremidade de jusante e o volume retido no vale do rio há de se introduzir a vazão af uente como parâmetro adicional na def nição do volume de acumulação Notese que o regime não é permanente a superfície livre das águas pode assumir formas distintas para idênticas condiçõeslimites na seção de jusante em função da posição em que se encontre a onda de cheia no trecho considerado Um dos métodos que pode ser utilizado é o Método de Muskingum o qual foi desenvolvido por Mac Carthy embasado em estudos no rio Muskingum USA Este adota conceitos da equação da continuidade e de armazenamento ponderando o efeito da vazão na entrada e na saída do trecho conforme as expressões Nas quais Q é a vazão no rio V é o volume de água armazenada na calha do rio y é a profundidade do escoamento e a b n e m são coef cientes de ajuste O volume de água armazenada na calha se dá pela acumulação dos volumes prismáticos Vp e em forma de cunha Vc A profundidade e a vazão são valores médios no trecho Figura 25 Figura 25 Esquema de propagação da cheia em um trecho de canal 76 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Combinandose as duas equações anteriores temse sendo que Qa e Qe são as vazões de entrada e saída do trecho respetivamente e X é o fator de ponderação entre as vazões Este modelo de cálculo adota que mn 1 O primeiro termo da equação pode ser substituído por K de modo que a expressão f que Substituindo essa expressão na equação da continuidade obtémse a expressão geral do modelo de descrição do sistema Vale salientar que para a determinação dos coef cientes K e X necessitase realizar medições de vazão diretas no rio e determinar os volumes de acumulação obtidos pela equação da continuidade A partir desses dados são aplicados métodos numéricos e gráf cos que possibilitam a determinações dos coef cientes CEPETEC Dados de Satélite Fonte Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos Disponível em httpsatelitecptecinpebrhomeindexjsp Acesso em 8 jan2021 COMANDO DA AERONÁUTICA DO BRASIL REDEMET Disponível em https wwwredemetaermilbriprodutospradaresmeteorologicos Acesso em 8 jan2021 COSTA F M BACELLAR L d SILVA E F Vertedores portáteis em microbacias de drenagem Rem Revista Escola de Minas jun 2007 FCTH Estudo Hidrológico para Reconstituição da Série de Defl úvios e Análises de Vazões Mínimas do Rio Pinheiros 2019 HIPÓLITO J R VAZ Á C Hidrologia e Recursos Hídricos 2013 LORENZONI M Z et al Curvas intensidadeduraçãofrequência de chuvas intensas de cidade gaúcha e Guaporema PR XLIII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola p 14 27 jun a 1 de julho de 2014 NOWATZKI A Bacias Hidrográfi cas Disponível em httpsprofalexeinowatzki wordpresscombaciashidrografi cas Acesso em 3 set 2020 77 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 3 Hidrologia Estatística 31 Generalidades As grandezas hidrológicas têm alta variabilidade no tempo e no espaço demonstrando também uma grande f utuação em torno dos valores médios sendo caracterizadas por uma combinação de processos determinísticos Isso ocorre porque nesses casos o valor de uma variável resulta do conhecimento dos valores de outras variáveis e de processos aleatórios Para realizar a determinação da componente aleatória dessas grandezas hidrológicas usa se uma base estatística A caracterização estatística de uma variável melhora com a quantidade de valores conhecidos destacando a necessidade das estações e campanhas de monitoramento para a produção das séries hidrológicas Para efeito de conhecimento série hidrológica é o conjunto de valores observados de uma dada variável ao longo do tempo 32 Período de Retorno A despeito da aleatoriedade do regime de chuvas e de vazões no rio estatisticamente há uma tendência de que as enchentes ocorram com uma certa frequência caracterizando o tempo de retorno ou seja o tempo estimado para que um determinado evento seja igualado ou superado pelo menos uma vez No caso de enchentes associadas a tempos de retorno relativamente altos como 10 ou 20 anos por exemplo o que ocorre muitas vezes é que a população ganha conf ança de que a área é segura e ignora avisos e esforços das autoridades competentes para removêlos As pessoas têm a percepção errada das enchentes supondo que por habitarem o local há vários anos e nunca terem presenciado alguma enchente duvidam que ocorram inundações ali Utilizase o período ou tempo de retorno para caracterizar os eventos hidrológicos Este é o inverso da probabilidade de ocorrência do evento conforme Portanto se a grandeza tem a probabilidade de ser igualada ou excedida de 5 seu período de retorno será 1005 20 anos PORTO R L FILHO K Z SILVA R M Bacias Hidrográfi cas USP São Paulo 1999 TEIXEIRA P C et al Manual de Métodos de Análise de Solo 3 ed EMBRAPA Ministério da Agricultura Brasília 2017 TUCCI C E Propagação de cheias In A B André Da Silveira Hidrologia Ciência e Aplicação 4 ed v 4 Rio Grande do Sul UFRGS ABRH 2007 WMO World Meteorological Organization 2018 Guide to Instruments and Methods of Observation 2018 78 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 33 Análise de Frequência de Dados Históricos A análise de frequência tanto local como regional pode ser realizada a partir das chamadas séries de duração anual ou de duração parcial As séries de duração anual ou séries anuais são formadas por um único valor para cada ano de observações As séries de duração parcial consistem das observações independentes de magnitude superior ou inferior a certo valor limiar de referência Por exemplo em uma determinada estação f uviométrica as vazões de pico extraídas de hidrogramas de cheia convenientemente isolados e independentes entre si que superaram um valor limiar especif cado irão formar uma série de duração parcial Existem relações importantes entre a distribuição de probabilidade para máximos anuais e a frequência de eventos em uma série de duração parcial Vale salientar que as séries constituídas para a análise de frequência devem ser representativas da variável em questão não apresentando erros de observação ocasionais e ou sistemáticos além de possuir um número suf ciente de elementos que permita realizar extrapolações conf áveis Além disso na análise de frequência é necessário que os dados sejam homogêneos e independentes A primeira assegura que todas as observações tenham sido extraídas de uma única população Para o caso de análise de vazões por exemplo pretendese assegurar que o uso e a ocupação da bacia não tenham sido modif cados ou que não tenham sido implantadas estruturas hidráulicas que tenham modif cado o escoamento natural nos cursos dágua A condição de independência procura assegurar que não exista dependência serial entre os elementos que constituem a série A análise de frequência pode ser realizada de modo analítico caso se admita que uma função paramétrica descreva o comportamento probabilístico da variável hidrológica ou de modo empírico Nesse último caso o analista grafa as observações ordenadas contra uma escala de probabilidades e utiliza seu melhor julgamento para determinar a associação entre as magnitudes de ocorrências passadas ou eventos hipotéticos e os respectivos tempos de retorno Na análise de frequência analítica de variáveis hidrológicas existe a questão de identif cação do modelo distributivo a ser empregado Em algumas aplicações da estatística nas quais é possível conhecer a priori a distribuição populacional da variável aleatória sob análise o problema se restringe à estimação dos parâmetros populacionais a partir dos dados amostrais Em casos que não se conhece a priori a distribuição populacional é necessário especif car um certo modelo distributivo capaz de descrever o comportamento probabilístico da variável analisada De fato várias distribuições têm sido propostas para a modelagem estatística das variáveis hidrológicas no entanto não existe uma capaz de abranger todos os comportamentos e variações Em uma análise de frequência típica o analista procura selecionar dentre as diversas distribuições candidatas aquela mais capaz de sintetizar as principais características estatísticas amostrais e de predizer quantis hipotéticos com conf abilidade razoável São as etapas para análise de frequência Optar pela utilização de séries anuais ou séries de duração parcial Avaliar os dados das séries quanto aos atributos de homogeneidade independência e representatividade Propor uma ou algumas distribuições teóricas de probabilidade com a estimativa de seus respectivos parâmetros quantis e intervalos de conf ança seguida da verif cação de aderência à distribuição empírica 79 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Realizar a identif cação e tratamento de eventuais pontos atípicos com possível repetição de algumas etapas precedentes Selecionar o modelo distributivo mais apropriado Para se selecionar a mais adequada distribuição de probabilidades são aplicados os Teste de Hipótese Estes são uma forma simples de se testar o ajuste de uma distribuição por meio do papel de probabilidades ajuste gráf co A função deste papel é transformar a Função Acumulada de Probabilidade em uma reta no entanto eles são úteis apenas para distribuições com no máximo dois parâmetros Se uma série de dados se ajustar a uma distribuição normal as frequências desses dados formarão uma reta no papel normal O mesmo acontece para as demais distribuições Log Normal Gumbel etc 331 Curva de permanência A aplicação do papel de probabilidades é baseada na análise de frequência dos dados a mais comumente utilizada na hidrologia é a curva de permanência Podese usar o caso das vazões de enchente para explanar o método Suponha que se deseja calcular a vazão máxima diária dentro de um ano para um dado período de retorno T Primeiramente obtémse a amostra de trabalho aqui sendo os dados de vazões máximas diárias de cada ano hidrológico no Hemisfério Sul é o período de outubro de uma ano a setembro do ano seguinte construindo a série anual de valores Tais dados são tabelados e ordenados de forma decrescente A cada um destes ainda é atribuído um valor de ordem o maior valor tem a ordem 1 até o menor valor com a ordem N no qual N é o tamanho da amostra A partir desta tabela podese estimar as frequências probabilidades de forma que cada valor da tabela terá uma probabilidade de ocorrência calculada a partir da expressão Os valores de vazão e as probabilidades correspondentes são grafados podendose ajustar uma reta a eles e realizar extrapolações para estimar vazões para outros períodos de retorno Observase que o inverso das probabilidades calculadas é igual ao período de retorno O gráf co formado pela combinação das vazões eixo y e das probabilidades eixo x pode ser chamado de curva de permanência Figura 26 Esta curva indica a porcentagem do tempo que determinada vazão foi igualada ou excedida 80 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 3 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 26 Exemplo de curvas de permanência das vazões específ cas dos af uentes do Rio Pinheiros SP Fonte A forma da curva de permanência ref ete as características do regime de vazões do rio Curvas abatidas indicam rios com cheias reduzidas e maior potencial hídrico subterrâneo resultando em vazões mínimas elevadas Ao contrário uma curva inclinada indica um maior potencial de cheias e vazões mínimas reduzidas CONSIDERAÇÕES FINAIS Em recursos hídricos designase o volume de água que atravessa determinada seção de controle de um curso dágua em determinado intervalo de tempo como vazão Essa grandeza é uma das mais importantes e aplicáveis em estudos hidrológicos e hidráulicos Podese também determinar a altura de água uniformemente distribuída na bacia hidrográf ca por meio da divisão deste volume de água medido pela área da bacia Esta conta permite que os valores de vazão possam ser comparados e relacionados com outras variáveis como a precipitação e a evaporação Dessa forma concluise que para caracterizar o f uxo de água dentro de uma bacia hidrográf ca e permitir o correto dimensionamento de projetos é imprescindível a medição das vazões conhecendo sua distribuição temporal espacial e valores mais frequentes Além do interesse estrutural das obras hidráulicas a vazão também é parâmetros de grande inf uência nos estudos de qualidade da água 8181 WWWUNINGABR UNIDADE 04 SUMÁRIO DA UNIDADE INTRODUÇÃO 83 1 PLANEJAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA 84 11 BASES METODOLÓGICAS E CONCEITOS 84 12 EFEITOS DA URBANIZAÇÃO 85 13 MICRODRENAGEM URBANA 85 14 MACRODRENAGEM URBANA 86 15 MEDIDAS DE CONTROLE 86 151 NA FONTE 87 152 NA MICRODRENAGEM 91 153 NA MACRODRENAGEM 91 154 DRENAGEM CONVENCIONAL CONCEITO HIGIENISTA 92 CONCEPÇÃO E PLANEJAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA PLANO DIRETOR DE DRENAGEM URBANA PROFA MA LUZIA MARA MENDES FERRER AMORIM ENSINO A DISTÂNCIA DISCIPLINA HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA 82 WWWUNINGABR 16 BACIAS DE RETENÇÃO E DETENÇÃO 92 17 MEDIDAS NÃO ESTRUTURAIS DE CONTROLE DE INUNDAÇÕES 93 171 MELHORES PRÁTICAS DE GESTÃO BMP 93 172 DESENVOLVIMENTO URBANO DE BAIXO IMPACTO LID 94 18 PLANO DIRETOR DE DRENAGEM URBANA E ESTUDOS DE CASO 96 181 PRINCÍPIOS 96 182 A ESTRUTURA 97 183 FUNDAMENTOS DO PDDRU 99 184 DESENVOLVIMENTO DO PDDRU 100 185 PRODUTOS DO PDDRU 101 186 PROGRAMAS 101 CONSIDERAÇÕES FINAIS 103 83 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA INTRODUÇÃO O Brasil a partir da segunda metade do século XX principalmente depois da década de 1960 apresentou um processo acelerado de urbanização Este crescimento da população urbana ocorreu de forma rápida e desenfreada gerando efeitos sobre o aparelhamento urbano relativo aos recursos hídricos por exemplo com relação ao tratamento de água tratamento de esgotos e drenagem urbana Um agravante para estes sistemas são as ocupações irregulares estas são uma demonstração de como tais sistemas de infraestruturas básicas não acompanham o crescimento das cidades Junto à urbanização surge a preocupação de como resolver a questão da drenagem urbana de modo a se evitar inundações e seus consequentes efeitos na infraestrutura urbana e na qualidade de vida da população local As técnicas atualmente conhecidas para projetos de estruturas de drenagem permitem as mais diversas soluções Tucci e Genz 1995 citam que o controle das enchentes urbanas deve ser compreendido como uma atividade na qual a sociedade deve agir de forma contínua visando à redução do custo social e econômico dos danos das inundações Assim tornamse importantes os métodos de controle de enchentes urbanas que se utilizam de uma visão em que as causas são combatidas nas suas origens e não somente nas suas consequências Figura 1 Sistemas de drenagem urbana 84 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 1 PLANEJAMENTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA O método tradicional de planejamento dos sistemas de drenagem de águas pluviais em áreas urbanas seguindo a política de saneamento do início do século XX consiste em captar e afastar a água da maneira mais rápida possível da fonte geradora de escoamento com sistemas de drenagem ef cientes que visam minimizar a proliferação de doenças Contudo estudos atuais têm elencado os impactos ambientais da rápida evacuação das águas para jusante alterando as condições hidrodinâmicas e hidrológicas dos cursos dágua Dessa forma se faz essencial estudar técnicas de drenagem urbana que minimizem esses impactos e que sejam ef cientes quanto ao controle de escoamento superf cial Um destaque destes estudos é a associação de função do solo e da vegetação no controle qualiquantitativo de águas pluviais Esta correlação mudou o foco dos projetos de drenagem incentivando a inf ltração a evapotranspiração e o contato da água com bactérias e plantas Dentro dessa ideia surgiram técnicas conhecidas como LID Low Impact Development e BMP Best Management Practices que visam o controle do escoamento superf cial junto à fonte geradora de escoamento diminuindo volumes e vazões a valores próximos daqueles antes da urbanização do local ou se necessário a valores próximos a zero 11 Bases Metodológicas e Conceitos Antes de iniciarse discussões sobre o planejamento e de dimensionamento de sistemas de drenagem vale retomar alguns conceitos A bacia hidrográf ca se caracteriza por um conjunto de desníveis geológicos do solo no qual drenam a água que escoa na superfície de toda sua extensão convergindo para um único ponto denominado exutório Dentro da bacia estão incluídos nascentes cursos de água af uentes e subaf uentes cachoeiras e lagos SEMA 2013 As cidades estão dentro deste meio portanto expostas à incidência de chuvas necessitando assim de sistemas de coleta e direcionamento desta água esses sistemas compreendem a rede de drenagem urbana Os impactos de um sistema de drenagem ausente ou inef ciente são inúmeros e trazem consigo prejuízos à saúde da população sendo assim a implantação destes sistemas favorecem o desenvolvimento urbano Os sistemas de drenagem podem ser classif cados de acordo com a sua fonte em microdrenagem e macrodrenagem A drenagem na fonte é def nida pelo escoamento que ocorre no lote condomínio ou empreendimento individualizado estacionamentos área comercial parques e passeios Esta classif cação é feita do sistema de drenagem na fonte para a determinação da vazão de projeto O Método Racional é utilizado para a estimativa das vazões na microdrenagem enquanto os modelos hidrológicos que determinam o hidrograma do escoamento são utilizados para as obras de macrodrenagem Justamente por ser uma metodologia com simplif cações e limitações o Método Racional pode ser utilizado somente para bacias com áreas de até 2km² Para o bom funcionamento dos sistemas de drenagem os projetos devem ser realizados de forma integrada com os interesses regionais estaduais e federais juntamente com outros projetos de infraestrutura e a boa utilização da comunidade e a manutenção adequada Outros conceitos importantes são o período de retorno e os elementos básicos de um hidrograma apresentados nas Unidades anteriores 2 e 3 85 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 12 Efeitos da Urbanização O desenvolvimento e crescimento das cidades faz com que ocorra a impermeabilização do solo tendo grande inf uência sobre a velocidade de escoamento da água superf cial Esta impermeabilização é ocasionada pela pavimentação asfáltica e concretagem de áreas não permitindo que ocorra uma recarga ef ciente do lençol freático e portanto reduzindo o nível do lençol e de base do rio POFF et al 2006 Além disso a malha urbana serve como corredor da água da chuva o que antes era def nido pela topograf a do local passa a ser determinado pelo traçado das ruas e acaba se comportando tanto quantitativa como qualitativamente de maneira bem diferente de seu comportamento original NETO 2013 A massa de água é transportada o mais rápido possível do local onde ela caiu até o rio seguindo o Conceito Higienista que determina que o ef uente de drenagem pluvial e sanitário deve ser encaminhado para as áreas de descarte em um curto espaço de tempo Estas condições proporcionam consequências como o aumento da velocidade e o volume deste ef uente de forma brusca causando forte impacto no canal aumentando o pico da vazão e a degradação deste em relação ao canal original do rio SILVEIRA 1998 Outro fator que inf uencia a velocidade de escoamento da água é a falta de cobertura vegetal Isso ocorre devido ao crescimento urbano que contribui para o desmatamento de grandes áreas resultando na retirada de mata ciliar dos rios que atravessam as áreas urbanas dos municípios e portanto aumentando a velocidade do escoamento pluvial POMPÊO 2000 Há também como fator de interferência o tempo de recorrência de eventos pluviométricos que diminuem em relação ao tempo ou seja o evento ocorre com maior frequência e com a urbanização este evento torna a se agravar MENDES MENDIONDO 2007 De acordo com Neto 2013 em busca da resolução destas adversidades existem muitos fatores decisórios que inf uenciam de maneira determinante na ef ciência da drenagem urbana e entre eles destacamse os meios legais e institucionais na elaboração de uma política factível de drenagem urbana a política de ocupação das várzeas de inundação consistente recursos f nanceiros e meios técnicos que possam tornar viável a aplicação das políticas empresas que dominem ef cientemente as tecnologias necessárias e que possam se encarregar da implantação das obras entidades capazes de desenvolver as atividades de comunicação social e promover a participação coletiva organismos que possam estabelecer critérios e aplicar leis e normas com relação ao setor 13 Microdrenagem Urbana A microdrenagem é def nida pelo sistema de condutos pluviais ou canais em um loteamento ou de rede primária urbana Este tipo de sistema de drenagem é projetado para atender à drenagem de precipitações com risco moderado No Brasil a infraestrutura de microdrenagem normalmente é da competência dos governos municipais De modo geral nas cidades brasileiras a infraestrutura pública de drenagem como outros serviços básicos apresentase insuf ciente TUCCI 2002 Essa situação pode ser observada durante os anos em épocas de maior ocorrência de chuvas tanto em áreas urbanas ou rurais apresentamse locais com incidência de enchentes e alagamentos ocasionando danos à população Além disso o avanço da água nas edif cações traz transtornos à população por atingir seus bens e causar danos à saúde POMPÊO 2000 Os elementos principais da microdrenagem são o meiof o as sarjetas as bocasdelobo os poços de visita as galerias os condutos forçados as estações de bombeamento e os sarjetões 86 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O meiof o é constituído de blocos de concreto ou de pedra situados entre a via pública e o passeio com sua face superior nivelada com o passeio formando uma faixa paralela ao eixo da via pública As sarjetas são as faixas formadas pelo limite da via pública com o meiof o formando uma calha que coleta as águas pluviais oriundas da rua Já as bocasdelobo são dispositivos de captação das águas das sarjetas Os sarjetões são formados pela própria pavimentação nos cruzamentos das vias públicas formando calhas que servem para orientar o f uxo das águas que escoam pelas sarjetas Os poços de visita são dispositivos colocados em pontos convenientes do sistema para permitir sua manutenção As galerias por sua vez são as canalizações públicas destinadas a escoar as águas pluviais oriundas das ligações privadas e das bocasdelobo Os condutos forçados e estações de bombeamentos são utilizados quando não há condições de escoamento por gravidade para a retirada da água de um canal de drenagem para um outro 14 Macrodrenagem Urbana A macrodrenagem envolve os sistemas coletores de diferentes sistemas de microdrenagem e a área de fundo do vale para onde se encaminha o ef uente para o descarte no curso dágua Quando é mencionado o sistema de macrodrenagem as áreas envolvidas são iguais ou maiores a 2 km² Estes valores não devem ser tomados como absolutos porque a malha urbana pode possuir as mais diferentes conf gurações O sistema de macrodrenagem deve ser projetado com capacidade superior ao de microdrenagem com riscos de acordo com os prejuízos humanos e materiais potenciais Nesses sistemas são conhecidas as situações críticas ocasionadas por cheias urbanas agravadas pelo crescimento desordenado das cidades em especial a ocupação de várzeas e fundos de vales 15 Medidas de Controle As medidas de controle de inundações se dividem em medidas estruturais que inserem estruturas físicas no sistema e não estruturais normas incentivos f scais conforme elas atuem modif cando o sistema existente ou visando reduzir os danos das enchentes Estas medidas podem ocorrer em três diferentes escalas na fonte na microdrenagem ou na macrodrenagem Ao órgão público responsável pelo controle de drenagem cabe a ponderação quanto à seleção de capacitar e aplicar medidas difusas na fonte melhor opção numa ótica global de médio e longo prazo quando há disponibilidade de tempo ou de empregar medidas estruturais na micro e na macrodrenagem quando há urgência de remediação de problemas 87 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 151 Na fonte Medidas de controle na fonte envolvem o emprego de dispositivos que regulam a drenagem o mais próximo possível da fonte de alteração de processos hidrológicos como a aplicação de controles logo à jusante de áreas impermeáveis minimizando os efeitos desta Em estudos com métodos compensatórios a aplicação de estruturas físicas era realizada apenas à saída de lotes para minimizar o ônus da construção e manutenção de estruturas físicas que objetivavam apenas o controle da drenagem Como as técnicas de controle evoluíram para estruturas em escalas menores e integradas aos processos préexistentes na localidade bem como seu custo e esforço para instalação e manutenção diminuíram o emprego de várias medidas distribuídas passou a ser possível e recomendado Dessa forma um único lote pode ter vários dispositivos operando concomitantemente na fonte sendo o controle na fonte realizado em escala menor que o controle no lote o qual normalmente se realizava apenas à saída deste A grande vantagem do controle na fonte está na concentração e tratamento nas estruturas ao invés do tratamento por diluição que apenas mascara o destino real de maior parte dos poluentes A concentração e tratamento de forma a isolar o escoamento possibilita o seu aproveitamento e o fechamento de ciclos hidrológicos e de nutrientes As estruturas físicas que merecem maior estímulo em virtude do desempenho que apresentam são Preparo do solo A incorporação de matéria orgânica derivada de compostagem ou húmus quando adequadamente implementada e mantida providenciam funções hidrológicas e ambientais Tais como redução de 50 de escoamento redução de erosão aumento de f ltragem de sedimentos adsorção e biof ltragem de poluentes aumento da taxa de crescimento de plantas resistência a doenças e estética paisagística melhoria da retenção de umidade do solo e redução de demanda por manutenção irrigação fertilizantes e pesticidas Bioretenções consiste em uma depressão rasa com solo preparado para o plantio de diversas espécies sendo dimensionada para receber uma baixa vazão de escoamento Figura 2 O emprego de uma faixa de vegetação no entorno deste dispositivo é aconselhado para a retenção de sedimentos Devese ter atenção com eventuais infraestruturas no contorno que podem ter impactos negativos com a passagem da água ou apresentar potencial poluidor 88 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 2 Exemplo de estrutura de uma célula de bio retenção Telhados verdes Dentre as vantagens apresentadas por estes dispositivos destacam se a melhoria de ef ciência energética da qualidade do ar e da estética redução de temperatura e barulho controle de águas pluviais e aumento da vida útil do telhado Figura 3 A grande diversidade de opções de conf guração de telhados verdes facilita a sua implantação Estes telhados são classif cados em duas categorias leves e pesados Telhados pesados são dimensionados com perf l de solo profundo 15 cm sendo plantados com arbustos e árvores e servindo ao público para caminhadas Telhados leves são mais comumente empregados contendo perf s de solo rasos 25 a 125 cm e plantas adaptadas às condições de telhados 89 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 3 Exemplo de telhado verde Pavimentos permeáveis Este dispositivo consiste da utilização de concretopavimento poroso ou blocos vazados em sua camada superior uma camada de brita de base e uma manta geotêxtil para impedir a migração de material entre camadas Figura 4 e Figura 5 Áreas de tráfego de pedestres ciclistas e veíc ulos leves são preferencialmente escolhidas para implantação de pavimentos permeáveis Além do controle quantitativo e qualitativo de águas pluviais pavimentos permeáveis apresentam a vantagem de aumentar a segurança e conforto em vias pela diminuição de derrapagens e ruídos Figura 4 Exemplo de pavimento permeável 90 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 5 Comparação entre pavimento permeável esquerda e pavimento tradicional direita Coletores de água de chuva O aproveitamento de água de chuva providencia oportunidade para aumentar a ef ciência hídrica no empreendimento exonerando o poder público ou a concessionária pelo serviço de abastecimento do volume captado Dentre as alternativas para coleta e armazenamento de água de chuva encontramse cisternas barris de chuva e adaptações de pavimentos permeáveis telhados verdes e bioretenções Figura 6 Figura 6 Exemplo de coletores de água da chuva 91 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O controle efetivo na fonte e o planejamento de empreendimentos com minimização de práticas artif ciais de manejo de águas pluviais e incentivo à manutenção de processos hidrológicos naturais devem ser estimulados por meio da elaboração de normas que conduzam à aplicação de práticas integradas e o desenvolvimento de incentivos f sc ais para abatimento do efeito da urbanização na drenagem urbana Para a realização do controle na fonte necessitase realizar o planejamento do empreendimento e seleção de estruturas físicas adequadas para cada situação respeitando restrições como nível do lençol freáticoleito rochoso espaço físico e características de permeabilidade do solo Normalmente essa modalidade de medida de controle não é aplicável em situações de urgência de remediação do sistema de drenagem em virtude do alto risco de novas ameaças à população como inundações 152 Na microdrenagem Medidas de controle na microdrenagem consistem no manejo de águas pluviais provenientes de loteamentos ou conjunto de lotes Práticas mais comumente empregadas visam restaurar aspectos hidrológicos como a utilização de bacias de detenção e banhados artif ciais para controle dos picos de cheia ou viabilizar o escoamento mais rápido para jusante pela ampliaçãoreparo de dutos pluviais O controle na microdrenagem é indicado quando o controle na fonte não for suf ciente para recuperar ou manter processos hidrológicos naturais com predileção por banhados artif ciais a detenções em razão de ganhos ambientais e térmicos A instalação de estruturas físicas como detenções exige manutenção apropriada Caso esta manutenção não aconteça riscos à saúde da população passam a existir devido à sujeição da população à proximidadecontato com ef uentes contaminados por resíduo sólido urbano ou esgoto doméstico 153 Na macrodrenagem Normalmente referese à aplicação de medidas em cursos dágua urbanos como sendo a escala de macrodrenagem Cabe ressaltar no entanto que a drenagem pode ser realizada por meio alternativo ao controle via alterações físicas de riachos para minimizar inundações como a utilização de técnicas de convivência com eventos extremos Algumas das medidas nesta escala podem ser o planejamento de uso e ocupação do solo com def nição de áreas de preservação e de desenvolvimento residencial comercial ou industrial embasado em características de solo vegetação topograf a e hidrograf a da região a implantação de políticas em nível municipal ou de bacia com vistas à aquisição pelo poder público de áreas pertencentes às várzeas de inundação para implantação de áreas de lazerrecreação diminuindo prejuízos à população e ao ecossistema ribeirinho após cada evento Costumeiramente canalização e aprofundamento de riachos urbanos com a f nalidade de escoar mais rapidamente a água para jusante são medidas mais aplicadas em continuidade ao emprego de técnicas higienistas 92 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Aconselhase empregar estruturas físicas como detenções canalização ou estações de tratamento de água em último caso quando o controle na fonte e na microdrenagem não for suf ciente para recuperar ou manter processos hidrológicos naturais devendo privilegiar a recuperação da mata ciliar vegetação ripária e aquática e várzeas de inundação Cidades construídas em área de várzea de inundação dif cultam a aplicação de dispositivos desejáveis para minimização de impactos à saúde da população e do meio ambiente 154 Drenagem convencional conceito higienista Devido ao processo de urbanização ocorrido a partir do século XIX e ao avanço do conhecimento na área da saúde f cou claro o papel sanitário das águas pluviais como transmissor de doenças Assim criouse o conceito higienista que previa a rápida evacuação das águas pluviais por meio de áreas impermeabilizadas e sistemas de condutos artif ciais Ainda quando se observou a contaminação dos corpos receptores dessas águas criaramse técnicas para dar manutenção à sua qualidade com o uso de estações de tratamento SOUZA CRUZ TUCCI 2012 Allasia Tassi e Gonçalves 2011 descrevem o engenheiro Saturnino de Brito como um revolucionário no campo do saneamento dentro do conceito higienista por apresentar argumentos sólidos a favor do sistema separador absoluto no f nal do século XIX até então os mesmos condutos transportavam esgotos pluviais e sanitários em um sistema combinado Ele adaptou técnicas importadas de drenagem ao regime pluviométrico tropical e inovou ao apresentar um projeto para a cidade de Belo Horizonte com a conf guração da cidade respeitando o sistema natural de drenagem Gorski 2010 p 57 descreve a visão abrangente e integrada dos recursos hídricos do engenheiro Saturnino de Brito ao fazer o plano de saneamento para a cidade de Santos no início do século XX cuja meta era sanar embelezar e prever a expansão da cidade em um único plano Conforme Tucci 1995 existe uma tendência em tentar reduzir os impactos das cheias devido à urbanização canalizandose os trechos críticos Contudo essa é uma solução pontual que segue o conceito higienista e penaliza localidades a jusante com aumento da magnitude e frequência das inundações nesses locais 16 Bacias de Retenção e Detenção As bacias de retenção e detenção são dispositivos utilizados no controle da drenagem diretamente na fonte O princípio de funcionamento destas estruturas é de que a retenção das águas próximas à fonte possibilita a redução da velocidade do escoamento consequentemente os picos de vazão e possíveis inundações O reservatório urbano pode ser construído na escala de lote microdrenagem e macrodrenagem Os reservatórios de lotes são usados quando não é possível controlar na escala de micro ou macrodrenagem já que as áreas já estão loteadas Os reservatórios de micro e macrodrenagem podem ser de detenção quando são mantidos a seco e controlam apenas o volume Os reservatórios de detenção contribuem para a redução da qualidade da água se parte do volume for mantida pelo menos 24 horas na detenção Figura 7 O reservatório é de retenção quando é mantido com lâmina de água e controla também a qualidade da água no entanto este exige maior volume 93 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 7 Exemplo de bacia de detenção Para estudar a conf guração da drenagem é necessário realizar um processo interativo com o projetista do arranjo urbanístico da área principalmente para que se obtenha um melhor aproveitamento das áreas de detenção ou retenção de acordo com a f losof a de projeto da área O sistema de galerias deve ser planejado de forma integrada proporcionando a todas as áreas condições adequadas de drenagem É fundamental que a conf guração do sistema de drenagem leve em consideração a possibilidade de implantação das obras em etapas de modo a atender prioritariamente as áreas já def nidas ou de maneira preventiva áreas a serem edif cadas 17 Medidas não Estruturais de Controle de Inundações 171 Melhores práticas de gestão BMP Nas últimas décadas notouse uma crescente preocupação ambiental e o surgimento de questionamentos quanto ao impacto nos corpos receptores do contínuo transporte a jusante das águas pluviais seguindo o conceito higienista Em resposta a essas preocupações segundo Urbonas e Stahre 1993 algumas comunidades optaram por incentivar o controle da drenagem pluvial na fonte geradora de escoamento pelos métodos compensatório de manejo de águas pluviais conhecido como Best Management Practices BMP ou Melhores Práticas de Gestão que visam compensar os efeitos da impermeabilização das superfícies Esses métodos utilizam dispositivos que têm a f nalidade de armazenamento e inf ltração e consideram a bacia hidrográf ca como unidade de planejamento Allasia Tassi e Gonçalves 2011 enfatizam que dentro da abordagem de métodos compensatórios aplicamse dispositivos com objetivos múltiplos como a utilização de bacias de detenção que permitam lazer e recreação e pavimentos permeáveis que além de promoverem inf ltração e tratamento de escoamento superf cial desempenham a sua função de veiculação de automóveis Esses autores descrevem ainda que é necessário observar alguns pontos das BMPs no que se refere à ausência de controle adequado de resíduos sólidos urbanos esgotos sanitários e cargas poluidoras presentes no escoamento pluvial A retenção de água com qualidade degradada pelos pontos supracitados pode gerar inconvenientes tais como doenças de veiculação hídrica e odor desagradável à população SOUZA CRUZ TUCCI 2012 94 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA As medidas estruturais de controle de inundações podem ser classif cadas de acordo com a sua ação na bacia hidrográf ca em na fonte quando o controle é realizado no lote na microdrenagem quando o controle é realizado sobre o hidrograma resultante de um ou mais loteamentos e na macrodrenagem quando o controle é feito sobre hidrogramas nos principais riachos urbanos galerias tubos entre outros O controle na fonte pode utilizar diferentes dispositivos que constituem métodos compensatórios e que de acordo com o princípio de funcionamento PMPAIPH 2005 Aumentam a área de inf ltração a exemplo de valos poços e bacias de inf ltração pavimentos impermeáveis entre outros Armazenam temporariamente a água a exemplo de bacias de detenção captação e aproveitamento de água de chuva entre outros 172 Desenvolvimento urbano de baixo impacto LID Como consequência do estabelecimento de novas aglomerações urbanas nota se que a magnitude das mudanças hidrológicas é amplif cada conforme o armazenamento natural de água é perdido a quantidade de superfícies impermeabilizadas aumenta o tempo de concentração diminui e o grau de canalizações aumenta Visando reduzir os impactos da excessiva impermeabilização do solo surgiram as técnicas conhecidas como Low Impact Development LID Sustainable Drainage Systems SUDS ou Desenvolvimento Urbano de Baixo Impacto Essas técnicas procuram alcançar o controle das águas pluviais pela criação de paisagens hidrologicamente funcionais que imitam o regime hidrológico natural Esse objetivo é alcançado através de PRINCE GEORGES COUNTY 1999 Redução dos impactos da água da chuva tanto quanto possível As técnicas apresentadas incluem a redução da impermeabilização a conservação dos recursos naturais a manutenção dos cursos naturais de drenagem e a redução do uso de canalizações Fornecimento de medidas de armazenamento de água pluvial dispersas uniformemente ao longo de toda a paisagem Isso é feito com o uso de uma variedade de práticas de detenção retenção e escoamento Manutenção do tempo de concentração de prédesenvolvimento Isso é promovido através de estratégias de encaminhamento de f uxo que mantenham o tempo de viagem e controlem a descarga de água Implementação de programas de educação efetivos que encorajem os donos das propriedades a utilizarem medidas preventivas para a não poluição e para a manutenção de práticas de gerenciamento na fonte com funções hidrológicas e paisagísticas Assim a principal diferença entre LID e BMP é que enquanto as técnicas BMP buscam compensar os efeitos da impermeabilização das superfícies com o uso de dispositivos de inf ltração e armazenamento as técnicas LID se utilizam de dispositivos similares com acréscimo de vegetação diversif cada de modo a se proporcionar maior potencial paisagístico e apelo ambiental Assim possibilitase que os processos químicos físicos e biológicos que ocorrem nos ambientes onde os dispositivos LID estejam inseridos sejam similares àqueles de préocupação 95 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Controladores LID específ cos chamados Integrated Management Practices IMP ou Práticas de Gerenciamento Integradas podem reduzir o escoamento integrando controladores de escoamento ao longo da paisagem em pequenas e discretas unidades IMPs são distribuídas em pequenas porções em cada lote próximo à fonte dos impactos praticamente eliminando a necessidade de BMPs centralizadas por exemplo uma bacia de detenção PRINCE GEORGES COUNTY 1999 Por este processo podese projetar um local integrado ao meio ambiente e que mantém as características hidrológicas de prédesenvolvimento Alguns poucos conceitos que def nem a essência das tecnologias de desenvolvimento de baixo impacto devem ser integrados ao processo de planejamento para que se produza um projeto bemsucedido e viável Estes conceitos são tão simples que tendem a ser menosprezados mas sua importância não pode ser negligenciada Esses conceitos fundamentais incluem VILLANUEVA et al 2011 Utilizar a hidrologia como um acessório de integração sendo a bacia hidrográf ca uma unidade de planejamento Pensar em forma de microgestão agindo de modo preventivo Controlar a água da chuva na fonte com transferência zero de impactos a jusante Utilizar métodos simples estruturais e não estruturais de forma integrada Promover a participação pública Criar uma paisagem multifuncional Desse modo buscase a redução do impacto gerado pela urbanização de modo a manter as condições hidrológicas como sendo aquelas de préocupação dos locais urbanizados promovendo o correto uso do solo Prince Georges County 1999 apresenta passos a serem seguidos no processo de planejamento de locais com LID Os passos são I Identif car o zoneamento aplicável o uso do solo subdivisões e outros reguladores locais II Def nir os locais a serem protegidos III Utilizar a hidrologia e a drenagem natural como elementos de projeto IV Reduzir ou minimizar o total de áreas impermeáveis V Integrar os projetos preliminares do local VI Minimizar as conexões diretas entre áreas impermeáveis VII Modif car ou aumentar os trajetos de escoamento devido à drenagem VIII Comparar hidrologicamente os cenários de pré e pós desenvolvimento IX Finalizar o projeto com técnicas de baixo impacto 96 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA O uso de LID diferenciase dos demais métodos devido à antecipação do planejamento da drenagem pluvial ao projeto arquitetônicoestrutural de empreendimentos apresentando máxima ef ciência na manutenção dos processos hidrológicos respeitando caminhos naturais de drenagem e privilegiando a preservação de solos mais permeáveis ALLASIA TASSI GONÇALVES 2011 p 59 Contudo ainda segundo esses autores restrições locais como altura do lençol freático altura do leito rochoso espaço físico e características do solo por exemplo podem limitar o uso de LID exigindo que sejam utilizadas concomitantemente práticas compensatórias ou higienistas como detenções e condutos respectivamente 18 Plano Diretor de Drenagem Urbana e Estudos de Caso O Plano Diretor de Drenagem Urbana PDDrU é um instrumento de planejamento que tem como objetivo criar os mecanismos de gestão da infraestrutura urbana relacionados com o escoamento das águas pluviais e dos cursos dágua na área urbana Com isso visa evitar perdas econômicas e melhorar as condições de saúde e meio ambiente da cidade 181 Princípios Os princípios essenciais para o bom desenvolvimento de um programa consistente de drenagem urbana são 1 O PDDrU faz parte do Plano de Desenvolvimento Urbano e Ambiental PDDUA da cidade A drenagem faz parte da infraestrutura urbana portanto deve ser planejada em conjunto com os outros sistemas principalmente o plano de controle ambiental esgotamento sanitário disposição de resíduos sólidos e tráfego 2 O escoamento durante os eventos chuvosos não pode ser ampliado pela ocupação da bacia tanto num simples loteamento como nas obras de macrodrenagem existentes no ambiente urbano Isto se aplica tanto a um simples aterro urbano como também se aplica à construção de pontes rodovias e impermeabilização dos espaços urbanos O princípio é de que cada usuário urbano não deve ampliar a cheio natural 3 O plano de controle da drenagem urbana deve contemplar as bacias hidrográf cas sobre as quais a urbanização se desenvolve As medidas não podem reduzir o impacto de uma área em detrimento de outra ou seja os impactos de quaisquer medidas não devem ser transferidos Caso isso ocorra devese prever medidas mitigadoras 4 O plano deve prever a minimização do impacto ambiental devido ao escoamento pluvial através da compatibilização com o planejamento do saneamento ambiental controle de materiais sólidos e a redução da carga poluente das águas pluviais que escoam para o sistema f uvial externo à cidade 5 A regulamentação do PDDrU deve contemplar o planejamento das áreas a serem desenvolvidas e a densif cação das áreas atualmente loteadas Depois que a bacia ou parte dela estiver ocupada dif cilmente o poder público terá condições de responsabilizar aqueles que estiverem ampliando a cheia portanto se a ação pública não for realizada preventivamente através do gerenciamento as consequências econômicas e sociais futuras serão muito maiores para o município 97 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 6 O controle de enchentes é realizado por meio de medidas estruturais e não estruturais que dif cilmente estão dissociadas As medidas estruturais envolvem grande quantidade de recursos e resolvem somente problemas específ cos e localizados o que não signif ca que este tipo de medida seja totalmente descartada A política de controle de enchentes certamente poderá chegar a soluções estruturais para alguns locais mas dentro da visão de conjunto de toda a bacia onde estas estão racionalmente integradas com outras medidas preventivas não estruturais e compatibilizadas com o esperado desenvolvimento urbano O controle deve ser realizado considerando a bacia como um todo e não trechos isolados 7 Valorização dos mecanismos naturais de escoamento na bacia hidrográf ca preservando quando possível os canais naturais 8 Integrar o planejamento setorial de drenagem urbana esgotamento sanitário e resíduo sólido A palavrachave é a integração da drenagem com outros aspectos dos recursos hídricos urbanos 9 Os meios de implantação do controle de enchentes são o Plano Diretor Urbano as Legislações MunicipalEstadual e o Manual de Drenagem O primeiro estabelece as linhas principais as legislações controlam e o Manual orienta 10 Controle permanente o controle de enchentes é um processo permanente não basta que se estabeleçam regulamentos e que se construam obras de proteção é necessário estar atento às potenciais violações da legislação na expansão da ocupação do solo das áreas de risco nenhum espaço de risco seja desapropriado se não houver uma imediata ocupação pública que evite a sua invasão a comunidade deve ter uma participação nos anseios nos planos na sua execução e na contínua obediência das medidas de controle de enchentes 11 A educação de engenheiros arquitetos agrônomos e geólogos entre outros prof ssionais da população e de administradores públicos é vista como essencial para que as decisões públicas sejam tomadas conscientemente por todos 12 O custo da implantação das medidas estruturais e da operação e manutenção da drenagem urbana deve ser transferido aos proprietários dos lotes proporcionalmente a sua área impermeável que é a geradora de volume adicional com relação as condições naturais 13 O conjunto destes princípios prioriza o controle do escoamento urbano na fonte distribuindo as medidas para aqueles que produzem o aumento do escoamento e a contaminação das águas pluviais 182 A estrutura A estrutura do Plano Diretor de Drenagem Urbana Figura 8 Os grandes grupos são dados de entrada fundamentos desenvolvimento produtos e programas 98 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Figura 8 Estrutura do Plano de Drenagem Urbana Os grandes grupos da estrutura do PDDrU têm as seguintes características Dados de entrada informações necessárias são as informações básicas necessárias para a elaboração do Plano Diretor Estas informações abrangem os Planos de Gerenciamento e aspectos institucionais cadastros físicos e dados hidroló gicos Planos de Gerenciamento Plano de Desenvolvimento urbano da cidade Plano de Saneamento ou esgotamento sanitário Plano de Controle dos Resíduos Sólidos e Plano Viário São Planos que apresentam interface importante com a Drenagem Urbana Quando os planos de Água e Saneamento e Resíduos sólidos são desenvolvidos de forma integradas as interfaces entre estes elementos devem ser destacadas Aspectos Institucionais Legislação municipal relacionada com o Plano Diretor Urbano e meio ambiente Legislação estadual de recursos hídricos e Legislação federal Gestão da drenagem dentro do município Cadastro Físico Cadastro da rede pluvial bacias hidrográf cas uso e tipo de solo das bacias entre outros dados físicos Dados hidrológicos precipitação vazão sedimentos e qualidade da água do sistema de drenagem O ideal é que este conjunto de informações esteja informatizado através de um SIG Sistema Geográf co de Informações e banco de dados georreferenciados 99 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 183 Fundamentos do PDDrU São os elementos def nidores do Plano englobam os princípios objetivos estratégias e cenários subdivisão da cidade em subbacias e sua compatibilização com o sistema de administração da mesma para a gestão da drenagem e um diagnóstico do conjunto da drenagem urbana da cidade e suas interfaces Estes elementos são Princípios visam minimizar os impactos decorrentes da urbanização Objetivos um PDDrU deve buscar planejar a distribuição da água no tempo e no espaço com base na tendência de ocupação urbana compatibilizando esse desenvolvimento e a infraestrutura para evitar prejuízos econômicos e ambientais controlar a ocupação de área de risco de inundação por meio de restrições em áreas de alto risco e convivência com as enchentes nas áreas de baixo risco Estratégias podem ser estabelecidas considerando o desenvolvimento do Plano Diretor de Desenvolvimento Urbano e outros planos e a infraestrutura existente na cidade Assim o PDDru pode adotar estratégias quanto ao desenvolvimento do Plano quanto ao controle ambiental ou outros aspectos O PDDrU precisa apresentar medidas para remediar os problemas já existentes em decorrência da urbanização como também deve apresentar medidas para prevenção da ocorrência de enchentes e inundações em áreas que futuramente venham a ser urbanizadas Nesse sentido um Plano Diretor de Drenagem Urbana pode ser desenvolvido segundo duas estratégias básicas Para áreas não ocupadas desenvolvimento de medidas não estruturais relacionadas com a regulamentação da drenagem urbana e ocupação dos espaços de risco visando conter os impactos de futuros desenvolvimentos Estas medidas buscam transferir o ônus do controle das alterações hidrológicas decorrentes da urbanização para quem efetivamente produz tais alterações Para as áreas que estão ocupadas def nição de medidas estruturais visando o controle dos impactos dentro destas bacias por exemplo a implantação de armazenamentos temporários através de detenções Quanto ao controle ambiental a estratégia deve observar os seguintes aspectos Para as áreas onde não existe rede de esgoto cloacal ou existe grande quantidade de ligações de ef uentes cloacais na rede pluvial as medidas de controle devem priorizar o controle quantitativo mas apenas o volume excedente da capacidade de drenagem atual Assim evitase que o escoamento em estiagem e o volume da primeira parte do hidrograma contamine as detenções Estas áreas de armazenamento são mantidas a seco durante o ano e somente nos eventos com tempo de retorno acima de 2 anos são utilizadas Após implementação adequada da rede cloacal é possível modif car a distribuição da vazão junto às detenções retendo o início do escoamento superf cial que transporta a maior carga poluente Dessa forma a detenção passa a contribuir também para a redução da carga para jusante do sistema de drenagem 100 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Para o controle da contaminação dos aquíferos e o controle de material sólido deverão ser criados programas de médio prazo visando a redução desta contaminação através de medidas distribuídas pela cidade Cenários Devemse considerar dois aspectos nos cenários de desenvolvimento do plano a cenário de desenvolvimento urbano b medidas de controle adotadas nos cenários Os principais cenários identif cados quanto ao desenvolvimento urbano neste estudo são os seguintes Atual Condições de urbanização atual obtida de acordo com estimativas demográf cas e imagens de satélite Cenário atual PDDUA Este cenário envolve a ocupação atual para as partes da bacia onde o Plano foi superado na sua previsão enquanto que utilizase a previsão do Plano para as áreas em que este não foi superado Cenário de ocupação máxima Este cenário envolve a ocupação máxima de acordo com o que vem sendo observado em diferentes partes da cidade que se encontram neste estágio Este cenário representa a situação que ocorrerá se o disciplinamento do uso do solo não for obedecido O primeiro cenário representa o estágio próximo do atual o segundo é o cenário previsto pelo PDUA da cidade O terceiro cenário representa a situação mais realista pois aceita o desenvolvimento realizado fora do Plano Diretor e para o restante das áreas ainda em desenvolvimento o Plano previsto 184 Desenvolvimento do PDDrU Inclui medidas estruturais e não estruturais As principais medidas não estruturais envolvem legislação e regulamentação sobre o aumento da vazão devido à urbanização e à ocupação de áreas de risco em regiões ribeirinhas além da gestão dos serviços urbanos relacionados com as águas pluviais O próprio Plano de Drenagem conf gura uma medida não estrutural de controle das enchentes urbanas pois pela nova legislação ou da regulamentação da legislação existente buscase introduzir os seus princípios As medidas estruturais envolvem a determinação dos locais em que a drenagem não tem capacidade de escoamento e produz inundações para o cenário e risco escolhido O Plano deve apresentar solução para evitar que eventos deste tipo ocorram As etapas usuais são as seguintes a Avaliação da capacidade de drenagem existente b Identif cação dos locais críticos onde ocorrem inundações para o cenário e riscos def nidos c Estudo de alternativas para controle destas inundações d Avaliação econômica e Avaliação ambiental 101 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA 185 Produtos do PDDrU São os elementos gerados pelo PDDrU Os principais produtos são legislação eou regulamentação que compõem as medidas não estruturais proposta de gestão da drenagem urbana dentro da estrutura municipal de administração mecanismo f nanceiro e econômico para viabilizar as diferentes medidas plano de controle das bacias hidrográf cas urbanas Plano de Ações e o Manual de Drenagem o qual deve dar as bases do Plano e os elementos necessários ao preparo dos projetos na cidade A experiência internacional de países como Austrália Estados Unidos e Canadá mostra que é possível a utilização de um manual nacional com o objetivo de fornecer diretrizes para elaboração de manuais locais para cada município bacia ou condado Estes manuais servem apenas de apoio ao projeto dos dispositivos para controle do escoamento pois na realidade são as normas estabelecidas em legislações locais que prescrevem quais elementos devem ser observados no dimensionamento dos dispositivos 186 Programas São os estudos complementares de médio e longo prazo recomendados dentro do PDDrU visando a melhoria do planejamento da drenagem urbana de cada cidade Dentro desse contexto podem ser previstos programas relacionados com o monitoramento de dados necessários ao planejamento e estudos complementares manutenção e educação A f scalização deve ser incorporada na gestão Alguns dos programas geralmente desenvolvidos são Programa de monitoramento Monitoramento de bacias representativas da cidade Monitoramento de áreas impermeáveis Monitoramento de resíduos sólidos na drenagem Revisão do Cadastro do sistema de drenagem Estudos complementares necessários ao aprimoramento do Plano Avaliação econômica dos riscos Revisão dos parâmetros hidrológicos Metodologia para estimativa da qualidade da água pluvial Dispositivos para retenção do material sólido nas detenções Verif cação das condições de projeto dos dispositivos de controle da fonte Programa de Manutenção devido ao uso de dispositivos de controle distribuídos pela cidade o programa de manutenção deverá ser ef ciente para manter as condições de controle ao longo do tempo Programa de Fiscalização Programa de Educação 102 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Atualização dos engenheiros de drenagem urbana Atualização dos arquitetos e engenheiros que projetam obras na cidade Atualização dos Gestores urbanos Educação à população O caso de Curitiba em 1994 foi iniciado na cidade de Curitiba no Estado do Paraná um programa para controle de enchente para toda a sua região metropolitana Esse plano está sendo desenvolvido em três etapas A primeira fase foi emergencial e constou da limpeza de canais e reforma de pontes A segunda fase foi de controle das áreas ribeirinhas do rio Iguaçu Nessa fase foi feito um estudo de alternativas por meio de modelagem em que a solução adotada foi a construção de um canal lateral para bloquear a pressão pública de invasão e a criação de um parque interno na região com 20 km2 Este parque foi criado internamente para ser uma área de amortecimento e de lazer da população O parque está na fase fi nal de implementação A terceira fase foi a elaboração do Plano Diretor da Região Metropolitana de Curitiba concluído recentemente A fi losofi a básica para a parte fi nal do plano foi de se reservar nas áreas de desenvolvimento áreas de inundação e amortecimento para o cenário futuro parques quadras etc Estas áreas podem ser contabilizadas como áreas públicas dentro da parcela dos 35 de área necessários para aprovação dos empreendimentos É condicionado que na área limítrofe tenha que ser implementado um parque já planejado pela Prefeitura Automaticamente cada loteamento que se desenvolve já implementa essa área linear de parque Esta é uma forma de não transferir o custo dessa implementação para o setor público Esta medida também acaba com o incentivo à ocupação de áreas de fundo de vale por parte dos proprietários Quer ver algumas coisas na prática assista aqui httpswwwyoutubecomwatchvtdE4fQ1m1cY httpswwwyoutubecomwatchvDYuBq8jbKCM 103 WWWUNINGABR HIDROLOGIA E DRENAGEM URBANA UNIDADE 4 EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Mais informações sobre este tema podem ser encontradas nestes materiais ASCE Stormwater Detention Outlet Control Structures Task Comitee on the Design of Outlet Structures American Society of Civil Engineers New York 1985 ASCE Design and construction of stormwater management systems The urban water resources research council of the American Society of Civil Engineers ASCE and the Water Environmental Federation New York NY 1992 SILVEIRA Hidrologia urbana no Brasil In Avaliação e controle da drenagem urbana Porto Alegre Ed Da Universidade 2000 p 511525 CONSIDERAÇÕES FINAIS O planejamento dos sistemas de drenagem de águas pluviais em áreas urbanas data do início do século XX Sua ideia original partia do princípio de captar e afastar a água da maneira mais rápida possível da fonte geradora No entanto as experiências e as pesquisas mostraram que esta forma traz sérios impactos aos cursos dágua e áreas urbanas Nesse contexto desenvolveramse técnicas de drenagem urbana que minimizam os impactos e que são ef cientes quanto ao controle de escoamento superf cial Nesta unidade foram mostradas que medidas de controle abrangem tanto as metodologias convencionais e as mais inovadoras e sustentáveis sempre indicando as vantagens e desvantagens de cada método Além deste conteúdo foi destacado todos elementos que integram um Plano Diretor de Drenagem Urbana seus princípios e objetivos além das etapas para elaborálo 104 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA REFERÊNCIAS CEPETEC Dados de Satélite Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos Disponível em httpsatelitecptecinpebrhomeindexjsp Acesso em 8 jan 2021 COMANDO DA AERONÁUTICA DO BRASIL Redemet Disponível em httpswwwredemetaer milbriprodutospradaresmeteorologicos Acesso em 8 jan 2021 COSTA F M BACELLAR L d SILVA E F Vertedores portáteis em microbacias de drenagem Rem Revista Escola de Minas DAEECETESB Drenagem Urbana 2 ed São Paulo 1980 FCTH Estudo Hidrológico para Reconstituição da Série de Def úvios e Análises de Vazões Mínimas do Rio Pinheiros 2019 HALL M J Urban Hydrology Essex Elsevier 1984 HIPÓLITO J R VAZ Á C 2013 Hidrologia e Recursos Hídricos IPH UFRS PMPOA Prefeitura Municipal de Porto Alegre Plano Diretor de Drenagem Urbana Porto Alegre 2005 KIBLER D F Urban Stormwater Hydrology American Geophisical Union Washington DC EEUU 1982 LINSLEY R K FRANZINI J B WaterResources Engineering McGrawHill Inc Nova Iorque EEUU 1972 LORENZONI M Z et al Curvas intensidadeduraçãofrequência de chuvas intensas de cidade gaúcha e Guaporema PR XLIII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola p 14 2731 de julho de 2014 McCUEN R H A Guide to Hydrologic Analysis Using SCS Methods Englewood Clif s PrenticeHall 1982 NOWATZKI A Bacias Hidrográf cas Disponível em httpsprofalexeinowatzkiwordpress combaciashidrograf cas Acesso em 8 jan 2021 PONCE V M Engineering Hydrology Principles and Practice Englewood Clif s Prentice Hall 1989 PORTO R L FILHO K Z SILVA R M Bacias Hidrográf cas USP São Paulo 1999 TEIXEIRA P C et al Manual de Métodos de Análise de Solo 3 ed EMBRAPA Ministério da Agricultura Brasília 2017 105 WWWUNINGABR ENSINO A DISTÂNCIA REFERÊNCIAS TUCCI C E Propagação de cheias In A B André Da Silveira Hidrologia Ciência e Aplicação 4 ed v 4 Editora da UFRGS ABRH 2007 UEHARA K Necessidade de Estudos de Novos Critérios de Planejamento de Drenagem de Várzea de Regiões Metropolitanas In Simpósio Brasileiro de Hidrologia e Recursos Hídricos 6 ed São Paulo SP ABRH v3 p 111119 1985 WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION WMO Guide to Instruments and Methods of Observation 2018 Seu Futuro é aqui PÓS GRADUAÇÃO MODALIDADE A DISTÂNCIA MATRICULESE AGORA EADUNINGAEDUBRPOSGRADUACAOEAD O MELHOR CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PARANÁ 0 40 PAÍS REGISTRO NO MEC IGC 4 ÍNDICE GERAL DE CURSOS IGUAL AO DO PRESENCIAL 100 PROFESSORES MESTRES E DOUTORES EAD UNINGA