Resumo sobre Bacia Hidrográfica e Hidrologia

Aula 2 Bacia hidrográfica Hidrologia e obras de drenagem 20231 1 O que é uma Bacia Hidrográfica De maneira simplificada a bacia hidrográfica é uma área onde toda chuva que cai é drenada por riachos e rios para um mesmo rio principal localizado num ponto mais baixo da paisagem sendo separada das outras bacias por uma linha divisória denominada divisor de águas Bacia Hidrográfica é portanto uma área definida topograficamente drenada por um curso dágua ou por um sistema conectado de cursos dágua tal que toda a vazão efluente seja descarregada por uma simples saída 2 Bacia Hidrográfica 3 A formação da bacia hidrográfica dáse através dos desníveis dos terrenos que direcionam os cursos da água sempre das áreas mais altas para as mais baixas E uma área geográfica e como tal medese em km² Bacia Hidrográfica O RIO PRINCIPAL É O QUE APRESENTA A MAIOR BACIA HIDROGRÁFICA COM MAIOR ÁREA DE DRENAGEM Rios de domínio da União os cursos de água que se inserem em mais de um Estado façam limites com outros países ou se estendam a território estrangeiro ou dele provenham Rios de domínios dos Estados as águas superficiais ou subterrâneas fluentes emergentes e em deposito que não sejam de domínio da União 4 Regiões Hidrográficas de SC Região Hidrográfica do Paraná Bacia Hidrográfica do Rio do Peixe 26 municípios Área 5238 Km² Rio tem 299 km de comprimento ou 380 mil pessoas 79 urbana e 21 rural 8 Regiões Hidrográficas do Brasil Bacia Hidrográfica Temos que entender o que são Divisor de águas Área de drenagem Exutório 9 Divisores de Águas Os divisores de água separam as águas pluviais ou seja as águas provenientes de chuvas São indicados pela topografia do terreno Divisores de água divisor superficial topográfico e o divisor freático subterrâneo 10 Área de Drenagem A área de drenagem de uma bacia hidrográfica corresponde a toda área onde a chuva que cair alimentará em algum instante o exutório da bacia 11 O que é o exutório O exutório da bacia é o ponto de um curso dágua onde se dá todo o escoamento superficial gerado no interior da bacia hidrográfica 12 Determinação de uma bacia hidrográfica Linha do divisor de águas Traçado dos divisores de uma bacia hidrográfica HERAS 1976 1º A linha do divisor corta ortogonalmente as curvas de níveis 2º Quando o divisor segue um aumento de altitude corta as curvas de níveis por sua parte convexa 3º Quando o divisor segue um decréscimo de altitude corta as curvas de níveis por sua parte côncava 4º Ao se cortar o terreno por uma superfície plana e ortogonal ao divisor o ponto de intersecção ao divisor deverá ser o ponto de maior altitude do terreno 5º Como comprovação a linha do divisor nunca deve cortar um curso dágua exceto na seção correspondente à descarga de toda a área 13 Ao se traçar o divisor de água DA devese considerar O DA não corta nenhum curso dágua Os pontos mais altos pontos cotados geralmente fazem parte do DA O DA deve passar igualmente afastados quando estiver entre duas curvas de mesmo nível O DA deve cortar as curvas de nível o mais perpendicular possível 14 Vamos delimitar os divisores de água Temos que ter uma carta geográfica com os cursos de água da região e as curvas de nível 15 Vamos delimitar os divisores de água Marcase o exutório da bacia a ser delimitada ponto vermelho Posteriormente realçamse os cursos de água contribuintes linha azul 16 Vamos delimitar os divisores de água Após é necessária a identificação de todos os topos de morro ou seja as partes mais elevadas do relevo que contornam a bacia hidrográfica Estes topos de morro são chamados de divisores de água 17 Vamos delimitar os divisores de água Devemse ligar as partes mais elevadas do relevo a partir do exutório da bacia tendo por base as curvas de nível O traçado é sempre perpendicular às curvas de nível Após todos os pontos terem sido conectados temse a linha divisora linha negra que representa os divisores de água para esta bacia 18 Sistema de drenagem Ordem dos Cursos de Água 1 Os cursos primários recebem o número 1 2 A união de 2 de mesma ordem dá origem a um curso de ordem superior e 3 A união de 2 de ordem diferente faz com que prevaleça a ordem do maior 4 A ordem da bacia hidrográfica e designada como a ordem o rio que passa pelo exutório maior ordem 19 httpsciramepagriscgovbrmapoteca 20 Bem vindo Gislaine Luvezão Características físicas de uma bacia hidrográfica Estas características são importantes para se transferir dados de uma bacia monitorada para uma outra qualitativamente semelhante onde faltam dados ou não é possível a instalação de postos hidrométricos fluviométricos e pluviométricos As características físicas de uma bacia hidrográfica são elementos de grande importância em seu comportamento hidrológico 22 Área de Drenagem É a área plana projeção horizontal inclusa entre os seus divisores topográficos A área de uma bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características físicas A área é normalmente determinada por planimetria em mapas com escalas razoavelmente grandes 150000 e expressa em km² ou hectares 23 Relevo Tem grande importância e influencia sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos pois a velocidade do escoamento superficial é determinada pela declividade do terreno enquanto que a temperatura a precipitação e a evapotranspiração são determinadas em função da altitude da bacia 24 Declividade da Bacia A declividade dos terrenos de uma bacia controla em boa parte a velocidade com que se dá o escoamento superficial afetando portanto o tempo que leva a água da chuva para concentrarse nos leitos fluviais que constituem a rede de drenagem das bacias Quanto maior a declividade de um terreno maior a velocidade de escoamento menor Tc e maior as perspectivas de picos de enchentes 25 Declividade Média ou equivalente S ou Ieq mm e 26 Declividade Média ou equivalente S ou Ieq mm e Compensação de área 27 Declividade Média ou equivalente S ou Ieq mm e Média harmônica onde L é a extensão horizontal do perfil que é dividido em n trechos sendo Li e Ii respectivamente a extensão horizontal e a declividade média em cada trecho 28 Perfil longitudinal Forma da bacia É uma das características da bacia mais difíceis de serem expressas em termos quantitativos Ela tem efeito sobre o comportamento hidrológico da bacia como por exemplo no Tempo de Concentração Tc Tc é definido como sendo o tempo a partir do início da precipitação necessário para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle 30 Tempo de ConcentraçãoTc O Tempo de Concentração Tc e aquele necessário para que toda a água precipitada na bacia hidrográfica passe a contribuir na seção considerada Este tempo pode ser calculado através de diferentes métodos 31 Lista com fórmulas Coeficiente de Compacidade Kc Coeficiente de Compacidade Kc é a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área que a bacia O Kc é sempre um valor 1 se fosse 1 a bacia seria um círculo perfeito Quanto menor o Kc mais próximo da unidade mais circular é a bacia menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente Kc próximo de 1 bacia sujeita a maiores enchentes 32 Coeficiente de Compacidade Kc Fator de forma ou Índice de conformação Kf ou Ic É a razão entre a largura média da bacia L e o comprimento do eixo da bacia L da foz ao ponto mais longínquo da área Quanto menor o Kf mais comprida é a bacia e portanto menos sujeita a picos de enchente pois o Tc é maior e além disso fica difícil uma mesma chuva intensa abranger toda a bacia 34 Sistema de drenagem O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários O estudo das ramificações e do desenvolvimento do sistema é importante pois ele indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia hidrográfica O padrão de drenagem de uma bacia depende da estrutura geológica do local tipo de solo topografia e clima Esse padrão também influencia no comportamento hidrológico da bacia 35 Densidade de Drenagem Dd É uma boa indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem Expressa a relação entre o comprimento total dos cursos dágua sejam eles efêmeros intermitentes ou perenes de uma bacia e a sua área total RIOS PERENES Vazão fluente o ano todo INTERMITENTES Vazão fluente nos períodos chuvosos EFÊMEROS Vazão fluente durante e logo após as chuvas 36 Bacias com drenagem pobre Dd 05 kmkm² Bacias com drenagem regular 05 Dd 15 kmkm² Bacias com drenagem boa 15 Dd 25 kmkm² Bacias com drenagem muito boa 25 Dd 35 kmkm² Bacias excepcionalmente bem drenadas Dd 35 kmkm² 37 Outras características importantes da bacia Os tipos de solos a geologia a vegetação e o uso do solo são outras características importantes da bacia hidrográfica que não estão diretamente relacionadas ao relevo 38 Bacia do Rio do Peixe Densidade de drenagem 1442 Coeficiente de compacidade Kc 1645 Tempo de Concentração Tc69 horas 39 Exercícios 1 Em uma bacia com área de 12320 ha foram determinados as seguintes medidas Perímetro 52 Km Comprimento do Rio Principal 18320 m Declividade Média 01 01100 0001 mm Comprimento de todos os Rios 83231 m Determinar a Tempo de Concentração b Densidade de Drenagem c Coeficiente de Compacidade 40 Hidrograma Denominase hidrograma o gráfico que relaciona a vazão no tempo Em geral Q varia com o tempo i intensidade da chuva f capacidade de infiltração Gi centro de massa da chuva efetiva A início do escamento B momento do pico do escamento C final do escamento rápido Gh centro de massa do hidrograma tl tempo de retardo lag time tp tempo do pico tc tempo de concentração tm tempo de ascensão tb tempo de base tf ti tr tempo de descida recensão CurvaChave A curvachave relaciona o nível de um rio com sua vazão Para obtêla fazemos medições de vazão pelos métodos apresentados anteriormente para diversos níveis e obtemos 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 CurvaChave É a relação entre Cota e Vazão Várias medições com cotas diferentes mesma seção Vazões mínimas e máximas A Exponencial Onde h é o nível da régua corresponde à vazão Q ho é o nível da régua para o qual a vazão é nula e α e β são constantes representativos da seção fluviométrica de interesse B Polinomial Onde ai são as constantes da função polinomial e n é o grau do polinômio Coeficiente de escoamento É a relação entre a quantidade total de água escoada pela seção e a quantidade total de água precipitada na bacia hidrográfica pode referirse a uma dada precipitação ou a todas que ocorreram em um determinado intervalo de tempo Varia com a característica da bacia bacias impermeáveis geram maior escoamento superficial relativamente Áreas urbanas 07C09 Áreas rurais 01C03 ZONAS Edificação muito densa Partes centrais densamente construídas de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas 070 095 Edificação não muito densa Partes adjacente ao centro de menos densidade de habitações mas com ruas e calçadas pavimentadas 060 070 Edificações com poucas superfícies livres Partes residenciais com construções cerradas ruas pavimentadas 050 060 Edificações com muitas superfícies livres Partes residenciais com ruas macadamizadas ou pavimentadas 025 050 Subúrbios com alguma edificação Partes de arrabaldes e subúrbios com pequena densidade de construção 010 025 Matas parques e campos de esporte Partes rurais áreas verdes superfícies arborizadas parques ajardinados campos de esporte sem pavimentação 005 020 FREQUÊNCIA PROBAPILIDADE Frequência é o número de ocorrências de uma mesma vazão em um dado intervalo de tempo O período de retorno é o inverso da frequência No caso da análise de vazões máximas são úteis os conceitos de probabilidade de excedência e de tempo de retorno de uma dada vazão A probabilidade anual de excedência de uma determinada vazão é a probabilidade que esta vazão venha a ser igualada ou superada num ano qualquer O tempo de retorno desta vazão é o intervalo médio de tempo em anos que decorre entre duas ocorrências subsequentes de uma vazão maior ou igual O tempo de retorno é o inverso da probabilidade de excedência como expresso na seguinte equação Probabilidade e tempo de retorno onde TR é o tempo de retorno em anos e P é a probabilidade de ocorrer um evento igual ou superior em um ano qualquer No caso de vazões mínimas P referese à probabilidade de ocorrer um evento com vazão igual ou inferior A equação acima indica que a probabilidade de ocorrência de uma cheia de 10 anos de tempo de retorno ou mais num ano qualquer é de 01 ou 10 Estrutura TR anos Bueiros de estradas pouco movimentadas 5 a 10 Bueiros de estradas muito movimentadas 50 a 100 Pontes 50 a 100 Diques de proteção de cidades 50 a 200 Drenagem pluvial 2 a 10 Grandes barragens vertedor 10 mil Pequenas barragens 100 Ocupação da área TR anos Residencial 2 Comercial 5 Áreas com edifícios de serviço público 5 Artérias de tráfego 5 a 10 Estimativas de vazões máximas Usos Dimensionamento de estruturas de drenagem Dimensionamento de vertedores Dimensionamento de proteções contra cheias Análises de risco de inundação Dimensionamento de ensecadeiras Dimensionamento de pontes Vazões máximas Selecionando apenas as vazões máximas de cada ano em um determinado local é obtida a série de vazões máximas deste local e é possível realizar análises estatísticas relacionando vazão com probabilidade Analisando as vazões do rio Cuiabá no período de 1984 a 1992 por exemplo podemos selecionar de cada ano apenas o valor da maior vazão e analisar apenas as vazões máximas Série de vazões diárias Série de vazões máximas Série de vazões máximas Características das cheias Qpico 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Vazão m³s 29901 1200 30901 1200 11001 1200 21001 1200 31001 1200 41001 1200 51001 1200 volume Cheias em rios diferentes Rio Paraguai Amolar 1 pico anual Cotás cm jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez 1996 Rio Uruguai Uruguaiana Vários picos Cola cm jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez ano 1996 Vazões máximas Reorganizando as vazões máximas para uma ordem decrescente podemos atribuir uma probabilidade de excedência empírica a cada uma das vazões máximas da série utilizando a fórmula de Weibull Onde N é o tamanho da amostra numero de linhas e m é a ordem da vazão Vazões máximas Os métodos mais comuns e usuais para calcular vazões máximas a partir da transformação de chuva em vazão são o método racional e os baseados no hidrograma unitário MÉTODO ÁREA BACIA Método Racional Área 1 km² Pequena Método racional acrescido do coeficiente de retardo adimensional 1 km² Área 10 km² Intermediária Método do Hidrograma Sintético Triangular HST 10 km² Área 20 km² Método do Hidrograma Unitário Triangular HUT Área 20 km² Grande Método racional para vazões máximas Pequenas bacias Chuvas intensas Intensidade da chuva depende da duração e da frequência tempo de retorno Duração da chuva é escolhida de forma a ser suficiente para que toda a área da bacia esteja contribuindo para a vazão que sai no exutório duração tempo de concentração Vazão de projeto Método Racional Q pico de vazão m³s C coeficiente de escoamento superficial i intensidade máxima da precipitação com duração igual ao tempo de concentração da bacia e período de retorno estabelecido mmh A área da bacia contribuinte ha EX1 Determinar a vazão máxima com período de retorno de 10 anos e tempo de concentração de 30 minutos para uma bacia com área de 123 ha no município de Shroeder que apresenta os seguintes usos 15 ha de áreas densamente urbanizada C 065 25 ha de áreas com edificações livres C 030 83 ha de campos e florestas C 010 120 t 1440 min t 120 min 13593 6923 K 01854 01854 m 239 81 b 07956 06650 n TR em anos t em minutos EX2 Determine a vazão de um bueiro de concreto instalado em uma estrada assentado com declividade de 2 para escoamento de vazão máxima de uma bacia florestada A bacia esta localizada no município de Sombrio e apresenta as seguintes informações Área 63 ha Tempo de concentração 18 minutos Período de Retorno 25 anos 120 t 1440 min t 120 min 1170 7141 K 01641 01642 m 147 81 b 07694 06648 n Vazões mínimas A análise de vazões mínimas é semelhante à análise de vazões máximas exceto pelo fato que no caso das vazões mínimas o interesse é pela probabilidade de ocorrência de vazões iguais ou menores do que um determinado limite No caso da análise utilizando probabilidades empíricas esta diferença implica em que os valores de vazão devem ser organizados em ordem crescente ao contrário da ordem decrescente utilizada no caso das vazões máximas Mínima de cada ano Vazão m³s 0 500 1000 1500 2000 jan84 jan85 jan86 jan87 jan88 jan89 jan90 jan91 jan92 Série de vazões mínimas Estimativa de vazões mínimas Usos Disponibilidade hídrica em períodos críticos Legislação de qualidade de água Ajuste de distribuição de frequência Semelhante ao caso das vazões máximas Normalmente as vazões mínimas que interessam tem a duração de vários dias Q710 é a vazão mínima de 7 dias de duração com TR de 10 anos Curva de permanência Frequência com que uma vazão é encontrada em uma seção fluviométrica A curva de permanência indica a porcentagem de tempo que um determinado valor de vazão foi igualado ou ultrapassado durante o tempo de observação O somatório das frequências é expresso em termos de percentagem de tempo Curva de permanência de vazões Curva de permanência de vazões Curva permanência de vazões A vazão deste rio é superior a 40 m³s em 90 do tempo Curva permanência de vazões Importância da curva de permanência Algumas vazões da curva de permanência por exemplo a Q90 são utilizadas como referências na legislação ambiental e de recursos hídricos Q710 que é a vazão mínima de 7 dias de duração e 10 anos de tempo de recorrência com um risco de 10 ocorrer valores menores ou iguais a este em qualquer ano Q95 indica que as vazões são maiores ou iguais a ela durante 95 do tempo para a vazão de referência a classe do rio é atendida pelo menos 95 do tempo Importância para geração de energia P Potência W γ peso específico da água Nm³ Q vazão de Referencia m³s H queda líquida m e eficiência da conversão de energia hidráulica em elétrica e depende da turbina do gerador e do sistema de adução 076 e 087 Importância para geração de energia Energia assegurada Energia Assegurada é a energia que pode ser suprida por uma usina com um risco de 5 de não ser atendida isto é com uma garantia de 95 de atendimento Numa usina com reservatório pequeno a energia assegurada é definida pela Q95 A empresa de energia será remunerada pela Energia Assegurada Ex3 Uma usina hidrelétrica será construída em um rio com a curva de permanência apresentada abaixo O projeto da barragem prevê uma queda líquida de 27 metros A eficiência da conversão de energia será de 83 Qual é a energia assegurada desta usina 𝑃 𝛾 𝑄 𝐻 𝑒 Importância da curva de permanência Forma da curva de permanência permite conhecer melhor o regime do rio Características das bacias Regionalização de vazões Segundo Tucci 2002 o termo regionalização tem sido utilizado em hidrologia para denominar a transferência de informações de um local para o outro dentro de uma área com comportamento hidrológico semelhante Esta informação pode ocorrer na forma de uma variável função ou parâmetro O princípio da regionalização se baseia na similaridade espacial destas informações que permitem essa transferência Um benefício adicional da análise regional da informação é o de permitir o aprimoramento da rede de coleta de dados hidrológicos à medida que a metodologia explora melhor as informações disponíveis e identifica as lacunas Tucci 2002 REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES A regionalização consiste num conjunto de ferramentas que exploram ao máximo as informações existentes visando à estimativa das variáveis hidrológicas em locais sem dados ou insuficientes A regionalização pode ser usada para Melhor explorar as amostras pontuais e em consequência melhorar as estimativas das variáveis Verificar a consistência das séries hidrológicas Identificar a falta de postos de observação REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES Seleção dos dados Amostra representativa os postos devem ter pelo menos cinco anos de dados Valores independentes dois eventos são independentes quando a ocorrência de qualquer deles não afeta o resultado do outro Séries estacionárias uma série de vazões é estacionária quando não ocorrem modificações nas características estatísticas da sua população ao longo do tempo