Apostila de hidrologia

Apostila de hidrologia

(Parte 1 de 6)

CENTRO TECNOLÓGICO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

H I D R O L O G I A

Prof. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça

2009

ÍNDICE

PÁGINA

I. INTRODUÇÃO.......................................................................................... 04

I.1. Autor............................................................................................................ 04

I.2. A Água......................................................................................................... 04

I.3. Definição de Hidrologia.............................................................................. 04

I.4. Breve histórico da Hidrologia...................................................................... 04

I.5. Aplicações da hidrologia............................................................................. 05

I.6. O ciclo hidrológico...................................................................................... 06

I.7. O estudo da hidrologia............................................................................... 07

II. PRECIPITAÇÃO............................................................................................... 08

II.1. Definição................................................................................................. 08

II.2. Formação das precipitações.................................................................... 08

II.3. Tipos de precipitação................................................................................ 08

II.4. Medida das precipitações........................................................................ 10

II.5. Características Principais das Precipitações............................................ 11

II.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação........... 12

II.7. Verificação da homogeneidade de dados................................................ 12

II.8. Curva intensidade-duração-frequência.................................................... 12

III. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM........................ 16

III.1. Definição................................................................................................ 16

III.2. Índices que indicam a forma da bacia.................................................... 16

III.3. Sistema de drenagem de uma bacia....................................................... 17

III.4. Características do relevo........................................................................ 18

III.5. Classificação dos cursos d'água............................................................. 19

IV. INFILTRAÇÃO,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 20

IV.1. Definição................................................................................................ 20

IV.2. Fatores que influenciam na infiltração................................................... 20

IV.3. Curva de capacidade de infiltração........................................................ 20

IV.4. Medição da capacidade de infiltração.................................................... 22

V. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO..................................................... 23

V.1. Evaporação.............................................................................................. 23

V.2. Fatores que influem na evaporação......................................................... 23

V.3. Medição de evaporação........................................................................... 23

V.4. Medida da evaporação da superfície das águas...................................... 24

V.5. Medida da evaporação da superfície do solo.......................................... 25

V.6. Medida da transpiração........................................................................... 26

V.7. Fórmula geral da evaporação.................................................................. 26

V.8. Fórmulas empíricas................................................................................. 26

V.9. Evapotranspiração em bacia hidrográfica............................................... 27

VI. ESCOAMENTO SUPERFICIAL............................................................ 29

VI.1. Definição............................................................................................... 29

VI.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial........... 29

VI.3. Algumas definições................................................................................ 29

VI.4. Determinação da linha de separação da precipitação efetiva................. 30

VI.5. Curva-chave de uma seção de rio ou canal............................................ 31

VI.6. Previsão de vazões a partir de precipitações.......................................... 32

VI.7. Previsão de cheias e determinação de enchente de projeto................... 35

VI.7.1. Definições..................................................................................... 35

VI.7.2. Estimativa da cheia de projeto...................................................... 36

VI.7.3. Período de retorno de uma descarga............................................. 36

VI.7.4. Obtenção da relação entre o risco, vida útil e período de retorno 37

VI.7.5. Determinação do período de retorno de vazões........................... 38

VI.8. Manipulação de dados de vazão...................................................... 39

VII. RESERVATÓRIOS DE ESTIAGEM E BACIAS HIDRÁULICAS…... 40

VII.1. Conceitos............................................................................................ 40

VII.2. Finalidade das barragens.................................................................... 40

VII.3. Tipos construtivos de barragens......................................................... 41

VII.4. Dados básicos de projeto/Escolha do local de implantação............... 43

VII.5. Determinação do volume útil do reservatório de regularização........ 45

VIII. BIBLIOGRAFIA

INTRODUÇÃO

I.1. Autor

Eng. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça

M. Sc. em Engenharia Civil - COPPE/UFRJ - 1977

Ph. D. em Engenharia Civil - CSU - EUA – 1987

Pós-Doc no Dep. Eng. Civil e Ambiental da Cornell University (NY) – EUA - 1998

Membro do Conselho Estadual de Recursos Hídricos

Membro do Comitê da Bacia do Rio Doce

I.2. A Água

O planeta Terra é formado por ¾ de água (doce e salgada) e apenas ¼ de terra (continentes e terras), assim distribuída:

  • 0,01% nos rios;

  • 0,35% nos lagos e pântanos;

  • 2,34% nos pólos, geleiras e icebergs;

  • 97,3% nos oceanos.

O Brasil possui 13,7% da água doce do planeta e 80% das águas brasileiras estão nos rios da Amazônia.

A água é indispensável para a sobrevivência humana. Sua crescente utilização tem conduzido não só à redução de disponibilidade como também à degradação da qualidade. O aumento da demanda é conseqüência direta do crescimento populacional, do desenvolvimento industrial e do aumento de outras atividades humanas. Grande parte das formas de utilização da água resulta em resíduos, que por sua vez podem causar poluição.

I.3. Definição de Hidrologia

Ciência que trata da água na terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, suas relações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida.

I.4. Breve histórico da Hidrologia

A Hidrologia é uma ciência jovem, tendo seu maior desenvolvimento neste século, sob a pressão do grande impulso que foi dado às obras hidráulicas.

Os insucessos que vinham acontecendo anteriormente com as obras nos rios, resultantes principalmente de estimativas insuficientes de vazões de enchente, traziam conseqüências desastrosas que se agravavam com a ampliação do porte de obras, o progresso e desenvolvimento das populações ribeirinhas, bem como repercussões sobre a economia das nações pelo colapso operacional desses empreendimentos.

Devido à importância do controle da poluição e do planejamento das bacias hidrográficas, a partir da década de 1970, uma maior conscientização da população a respeito dos problemas ambientais deu novo impulso aos estudos e à aplicação da hidrologia.

I.5. Aplicações da hidrologia

Algumas aplicações são enumeradas a seguir:

a) Escolha de fontes de abastecimento de água para uso doméstico ou industrial

b) Projeto e construção de obras hidráulicas

b.1) Fixação das dimensões hidráulicas de obras de arte, tais como: pontes, bueiros, etc.;

b.2) Projeto de barragens; localização; escolha do tipo de barragem, de fundação e do extravasor; dimensionamento.

c) Drenagem

c.1) Estudo das características do Lençol Freático.

c.2) Estudo das condições de alimentação e escoamento natural do lençol, precipitação, bacia de contribuição e nível d'água dos cursos.

d) Irrigação – Visa suprir as deficiências pluviais, proporcionando teor de umidade no solo suficiente para o crescimento de plantas.

d.1) Escolha do manancial.

d.2) Estudo de evaporação e infiltração.

e) Regularização dos cursos d'água e controle de inundações

e.1) Estudo das variações de vazão; previsão de vazões máximas.

e.2) Exame das oscilações de nível e das áreas de inundação.

f) Controle da poluição e preservação ambiental

Análise da capacidade de autodepuração dos corpos receptores (rios, lagoas, etc.) dos efluentes de sistemas de esgotos sanitários e industriais: vazões mínimas de cursos d'água, capacidade de reaeração e velocidade de escoamento.

g) Controle da erosão

g.1) Análise de intensidade e frequência das precipitações máximas, determinação do coeficiente de escoamento superficial.

g.2) Estudo da ação erosiva das águas e proteção por meio da vegetação e outros recursos.

h) Navegação

Obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais navegáveis.

i) Aproveitamento hidrelétrico:

i.1) Previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos d'água para o estudo econômico e dimensionamento das instalações.

i.2) Verificação da necessidade de reservatório de acumulação, determinação dos elementos necessários ao projeto e construção do mesmo: bacias hidrográficas, volumes armazenáveis, perdas por evaporação e infiltração.

j) Operação de sistemas hidráulicos complexos

l) Recreação – Atividades recreativas, esportes náuticos, navegação, pescas recreativas e lazer contemplativo.

m) Preservação e desenvolvimento da vida aquática – Manutenção de padrões adequados de qualidade das águas para conservação da fauna e da flora, com a manutenção de ambientes propícios às atividades humanas e à preservação da harmonia paisagística. Disponibilidade hídrica espaço-temporal: quantidade e qualidade de água.

n) Estudos integrados de bacias hidrográficas para múltiplos propósitos

I.6. O ciclo hidrológico

O ciclo hidrológico é o movimento permanente da água, resultante dos fenômenos de evaporação, transpiração, precipitação, escoamento superficial, escoamento subterrâneo, infiltração, entre outros. O ciclo hidrológico é representado esquematicamente na figura abaixo:

A representação esquemática não deve levar a uma idéia simplista do fenômeno que é, na realidade, muito complexo.

O movimento de circulação do ciclo hidrológico se processa a custa da energia solar.

Energia Solar Quando o sol começa a esquentar a água, ocorre evaporação. É ela que vai formar as nuvens que irão resultar na chuva.Chuva Quando há uma grande concentração de gotas, as nuvens ficam pesadas e é formada a chuva. A água que cai sobre a terra servirá para animais, plantas e seres humanos.Vento O vento move as nuvens, fazendo com que as chuvas sejam distribuídas por toda a extensão terrestre.

Oceano A água do oceano evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens de chuva.

Transpiração A água retida nas plantas e na terra vai para a atmosfera e ajuda na formação das nuvens de chuva através da transpiração.Água Subterrânea A água subterrânea vai para a atmosfera e ajuda na formação das nuvens de chuva através da transpiração da terra e das árvores quando elas são aquecidas pela energia solar.Evaporação A água dos rios, lagos e oceanos evapora com a energia solar e forma as nuvens.

Neve e gelo A neve e o gelo escorrem pelo interior da terra e ajudam na formação das nuvens, seja pela transpiração das árvores e terra, seja pela evaporação de rios e oceanos.

Rios e Lagos A água dos rios e lagos evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens.

I.7. O estudo da hidrologia

Compreende a coleta de dados básicos como, por exemplo, a quantidade de água precipitada ou evaporada e a vazão dos rios; a análise desses dados para o estabelecimento de suas relações mútuas e o entendimento da influência de cada fator e, finalmente, a aplicação dos conhecimentos alcançados para a solução de inúmeros problemas práticos.

A hidrologia não é uma ciência puramente acadêmica, sendo uma ferramenta imprescindível ao engenheiro em todos os projetos relacionados com a utilização ou controle de recursos hídricos.

Os projetos de obras futuras são realizados com bases em dados do passado. Existem duas maneiras distintas de se encarar os estudos hidrológicos:

1) Dar maior ênfase à interdependência entre os diversos fenômenos, procurando-se estabelecer relações de causa e efeito;

2) Estudo com consideração da natureza probabilística da ocorrência dos fenômenos.

Recentemente, tem-se separado os métodos de estudos com as seguintes denominações:

1) Hidrologia paramétrica ou determinística;

2) Hidrologia estocástica.

  1. PRECIPITAÇÃO

II.1. Definição

Água proveniente do vapor d'água da atmosfera depositada na superfície terrestre de várias formas. Como, por exemplo, chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada.

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