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apostila bacias hidrograficas, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 23/02/2008

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lourdes-cavalcanti-10 🇧🇷

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Baixe apostila bacias hidrograficas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! Escola Politécnica da USP Depto de Engenharia Hidráulica e Sanitária Prof. Dr. Rubem La Laina Porto Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Ricardo Martins da Silva 1999 Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Resumo Esta apostila procura definir e caracterizar uma bacia hidrográfica, que é o sistema no qual será analisado o ciclo hidrológico com vistas a aplicações de engenharia. São definidas algumas características fisiográficas e comentadas suas relações com o comportamento dos escoamentos na bacia. Através do estudo das características fisiográficas das bacias, pode-se entender fenômenos passados, avaliar impactos de alterações antrópicas na fase de escoamento superficial da água e elaborar correlações entre vazões e características fisiográficas para estudos de regionalização e sintetização de fórmulas empíricas. Objetivo Você deverá, após o estudo deste texto, ser capaz de: > Definir o divisor topográfico de uma bacia hidrográfica > Calcular parâmetros de caracterização da bacia ( área, forma, declividades...) > Avaliar qualitativamente a influência das características fisiográficas sobre o regime de vazões de uma bacia. Prof. Dr. Rubem La Laina Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada e Criação de fórmulas empíricas para generalizações regionais dessas correlações, em geral, efetuadas, de forma independente à uma necessidade de estudo específico, mas de cunho mais científico. O escoamento num curso d'água é condicionado a diversos fatores, podendo ser divididos em dois grupos: a) fatores climáticos, mais ligados à precipitação; b) fatores físicos; Estudaremos aqui apenas as características físicas das bacias hidrográficas. Os fatores climáticos serão estudados a parte. 2 Características Físicas de Bacias Hidrográficas Os seguintes fatores físicos são aqueles mais importantes para caracterizar uma bacia hidrográfica : EN Uso do solo Tipo do solo Área PO MN Forma Do q Elevação Declividade do Curso D'água Tipo da Rede de Drenagem Densidade de drenagem o 4 ) ) ) ) ) Declividade da bacia ) ) ) ) 9 Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 2 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 2.1 Uso do solo Um dos fatores fisiográficos mais importantes que afetam o escoamento é o uso do solo ou controle da terra. Suponhamos que uma área seja constituída por floresta cujo solo é coberto por folhas e galhos, que durante as maiores precipitações evitam que o escoamento superficial atinja o curso d'água num curto intervalo de tempo, evitando assim uma enchente. Se esta área for deflorestada e seu solo compactado ou impermeabilizado, aquela chuva que antes se infiltrava no solo, pode provocar enchentes nunca vistas. Entretanto, esse fator não tem influência sensível nas maiores enchentes catastróficas. As florestas têm ação regularizadora nas vazões dos cursos d'água, mas não aumentam o valor médio das vazões. Em climas secos, a vegetação pode até mesmo diminuí-lo em virtude do aumento da evaporação. Será visto na análise da infiltração da água no solo, como os diversos métodos de cálculo utilizam numericamente essa propriedade da bacia para avaliar a potencialide de infiltração da água no solo ( ex., valor de Cn do método do SCS). Voltar 2.2 Tipo do solo Em qualquer bacia, as características do escoamento superficial são largamente influenciadas pelo tipo predominante de solo, devido à capacidade de infiltração dos diferentes solos, que por sua vez é resultado do tamanho dos grãos do solo, sua agregação, forma e arranjo das partículas. Solos que contém material coloidal contraem-se e incham-se com as mudanças de umidade, afetando a capacidade de infiltração. Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 3 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada A porosidade afeta tanto a infiltração quanto a capacidade de armazenamento e varia bastante para solos diferentes. Algumas rochas têm 1% de porosidade, enquanto solos orgânicos chegam a ter de 80 a 90%. A porosidade não depende do tamanho das partículas do solo, mas sim do arranjo, variedade, forma e grau de compactação. Outras propriedades dos diferentes tipos de solo, como o coeficiente de permeabilidade, o de armazenamento e o de transmissibilidade serão estudados no capítulo de águas subterrâneas, onde se verá a importância do tipo de solo na capacidade de produção de um poço. Em certos terrenos, entretanto, o estudo tem de ser aprofundado por um geólogo ou hidrólogo para investigar a localização de lençóis aquíferos, o escoamento subterrâneo e a origem das fontes. Voltar 2.3 Área É a área plana definida pela projeção horizontal do divisor de águas, pois seu valor multiplicado pela lâmina da chuva precipitada define o volume de água recebido pela bacia. A determinação da área de drenagem de uma bacia é feita com o auxílio de uma planta topográfica ( e algumas vezes, complementada com um mapa geológico), de altimetria adequada traçando-se a linha divisória que passa pelos pontos de maior cota entre duas bacias vizinhas. A área pode ser determinada com boa precisão utilizando-se um planímetro, com métodos geométricos de determinação de área de figura irregular ou com recurso intrínsecos aos aplicativos de Sistemas de Informação Geográfica (SIG), quando se trabalha com a planta digitalizada. Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 4 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada utilizados para comparar bacias e para comporem parâmetros das equações empíricas de correlações entre vazões e características físicas das bacias. 2.4.1 Fator de Forma O Fator de Forma ou índice de Gravelius é expresso como sendo a razão entre a largura média da bacia e o comprimento axial da mesma. O comprimento axial é medido da saída da bacia até seu ponto mais remoto, seguindo-se as grandes curvas do rio principal ( não se consideram as curvas dos meandros ). A largura média é obtida dividindo-se a área da bacia em faixas perpendiculares, onde o polígono formado pela união dos pontos extremos dessas perpendiculares se aproxime da forma da bacia real (Figura 2.1). L : comprimento da bacia 1e B : largura média = —e5 Bi g : L Figura 2.1 — Influência da forma da bacia na captação da água da chuva Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 7 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 2.4.2 Índice de Compacidade kc É definido como sendo a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência do círculo de área igual à da bacia. K.=0,28. si» onde: P = perímetro da bacia em km A = área da bacia em km? Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 8 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Como o círculo é a figura geométrica plana que comporta uma dada área com o menor perímetro, este índice nunca será menor que 1 (um). Bacias que se aproximam geometricamente de um círculo convergem o escoamento superficial ao mesmo tempo para um trecho relativamente pequeno do rio principal. Caso não exista outros fatores que interfiram, os menores valores de kc indicam maior potencialidade de produção de picos de enchentes elevados (Figura 2.2). ES Figura 2.2 — Forma circular e esbelta de bacia Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 9 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Comparando tipos diferentes de bacias pelos seus índices de forma: diferentes com relação ao rio principal ( Figura 2.4) . Figura 2.4 — Diferentes formas e seus índices Voltar 2.5 Declividade da bacia A declividade da bacia ou dos terrenos da bacia tem uma relação importante e também complexa com a infiltração, o escoamento superficial, a umidade do solo e a contribuição de água subterrânea ao escoamento do curso d'água. É um dos fatores mais importantes que controla o tempo do escoamento superficial e da concentração da chuva e tem uma importância direta em relação à magnitude da enchente. Quanto maior a declividade, maior a variação das vazões instantâneas. Uma das maneiras de se medir a declividade média dos terrenos da bacia, consiste em aplicar uma malha quadrada ( ou eventualmente uma malha triangular irregular — TIN) sobre a planta planialtimétrica da bacia ( Figura 2.5). São definidas as declividades dos pontos de intersecção da malha, desenhando- Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 12 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada se a um segmento de reta (linha de maior declive que passa pelo ponto ) perpendicular às duas curvas de nível anterior e posterior à cota do ponto e que passe pelo ponto; a declividade do ponto será a diferença de cotas das curvas de nível dividida pelo comprimento desse segmento de reta. A média das declividades desses pontos será considerada a média das declividades dos terrenos da bacia. Figura 2.5 — Malha retangular para cálculo das declividades dos terrenos da bacia Uma outra forma consiste em definir para a malha quadrada, as cotas médias de cada quadrícula. A declividade de cada quadrícula será definida pela maior diferença de cotas entre duas quadrículas vizinhas, dividida pela dimensão linear da quadrícula. Esse procedimento é bastante trabalhoso, quando feito manualmente. Entretanto, isso se torna muito simples, quando se utilizam recursos de Sistemas de Informação Geográfica (SIG). O primeiro método é mais aplicável, quando se utiliza a forma vetorizada de representação da bacia. A segunda é mais apropriada quando a bacia é representada pela forma “raster” ( quadrículas). Voltar Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 13 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 2.6 Elevação A variação da elevação e também a elevação média de uma bacia são fatores importantes com relação à temperatura e à precipitação. Da mesma forma que no cálculo das declividades dos terrenos da bacia, pode-se utilizar as cotas dos pontos de intersecção de uma malha aplicada sobre a planta planialtimétrica da bacia ou as cotas das quadrículas. Ambos os processos são muito simples quando se utilizam ferramentas SIG. Voltar 2.7 Declividade do Curso D'água A velocidade de escoamento da água de um rio depende da declividade dos canais fluviais. Quanto maior a declividade, maior será a velocidade de escoamento. Assim, os hidrogramas de enchente serão tanto mais pronunciados e estreitos, indicando maiores variações de vazões instantâneas. Um primeiro valor aproximado da declividade de um curso d'água entre dois pontos pode ser obtido pelo quociente entre a diferença de suas cotas extremas e sua extensão horizontal ( Figura 2.6). onde: AH: variação da cota entre os dois pontos extremos L: comprimento em planta do rio Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 14 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Figura 2.8 — Cálculo da declividade pelo princípio cinemático A linha Sí ( Figura 2.9) não representa o desenvolvimento real do curso d'água , pelo fato de considerar apenas os pontos extremos. É fácil imaginar qualquer outro desenvolvimento do curso d'água, cujos pontos extremos sejam os mesmos. Um rio que possui um grande declive no início de seu percurso e logo depois percorre uma planície, apresenta considerável discrepância entre os valores de declividade calculados pelos diferentes métodos. Assim, o valor que melhor simula o comportamento do rio a uma declividade constante é o Sa. Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 17 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Exemplo: > Figura 2.9 — O valor de S2 é bem próximo de Sa, que são bem diferentes de S1. Voltar 2.8 Tipo da Rede de Drenagem 2.8.1 Ordem dos cursos d'água A classificação dos rios quanto à ordem reflete no grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Os cursos d'água maiores possuem seus tributários, que por sua vez possuem outros até que se chegue aos minúsculos cursos d'água da extremidade. As correntes formadoras, isto é, os canais que não possuem tributários são considerados de primeira ordem. Quando dois canais de primeira ordem se unem é formado um segmento de segunda ordem. A união de dois rios de mesma Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 18 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada ordem resulta em um rio de ordem imediatamente superior; quando dois rios de ordem diferentes se unem formam um rio com a ordem maior dos dois ( Figura 2.10). Figura 2.10 — Classificação dos rios quanto à ordem Para se determinar corretamente a ordem, situa-se num mapa todos os cursos d'água, perenes ou intermitentes, mas não deve-se incluir ravinas de água que não possuem curso definido. Geralmente, quanto maior a ordem de um curso d'água maior é a sua extensão. 2.8.2 Densidade de cursos d'água A densidade de cursos d'água é a relação entre o número de cursos d'água e a área total da bacia ( Figura 2.11) . São incluídos apenas os rios perenes e os =D intermitentes. Ds termitent A onde: Ns: número de cursos d'água A: área da bacia Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 19 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 3. Bibliografia Bras, R. L. — Hydrology : An Introduction to Hydrologic Sciences — Addison- Wesley Publishing Company, 1990. Crisolia, J. F. A. — Projeto de Manejo da Bacia Hidrográfica do Ribeirão das Antas — Serviço do vale do Paraíba — Boletim Técnico Nº 4 — DAEE, 1970. Garcez, L. N. — Hidrologia — Ed. Edgard Blúcher, 1967. Mosley, M. P. e Kerchar, A. |. Cap. 8.-Streamflow em Maidment,David R.. Handbook of Hydrology, Mc Graw Hill, 1993. Pinto, N.L.sS. et al. — Hidrologia Básica - Ed. Edgard Blúcher, 1976. Tucci, C. E. M. — Hidrologia : Ciência e Aplicação — Editora da Universidade / UFRGS / ABRH, 1997. Uehara, K. et al. — Características Físicas da Bacia Hidrográfica — apostila — Escola politécnica da USP, 1980. Villela, S. M. e Mattos, A. — Hidrologia Aplicada- Editora Mc Graw Hill do Brasil, 1977. Wanielista et al. — Hydrology — Water Quantity and Quality Control - 2º. edição, John Wiley & Sons, 1997. Wilken, P. S. — Engenharia de Drenagem Superficial - CETESB, 1978. Wisley, C.O. e Brater, F. E. — Hydrology — Topan Printing Company Ltd., ara edition, Japan, 1959. Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 22 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Apêndice 1A Delimitação de Bacia Uma bacia hidrográfica é necessariamente definida por um divisor de águas que a separa das bacias adjacentes. O divisor de águas segue a linha dos cumes das formações topográficas em torno da bacia, e cruza o curso d'água somente na seção de saída (Figura 1A.5). Já foi visto que o volume total de água transportado nos cursos d'água é constituído de escoamento superficial e água subterrânea. Raramente estas duas porções provém da mesma área. Ou seja, há um divisor topográfico que divide a porção do escoamento superficial (bacia hidrográfica) e há um divisor freático, determinado pela estrutura geológica e algumas vezes influenciado pela topografia, que divide a porção de água subterrânea (bacia hidrogeológica). Quando estes dois divisores não coincidem, diz-se que há fuga de água de uma bacia para outra. Como o divisor freático não possui uma posição fixa e as várias posições assumidas são em geral desconhecidas, limita-se a bacia hidrográfica pelo divisor topográfico. Quanto mais alto o nível do lençol freático, mais coincidentes se tornam os divisores freático e topográfico. Quanto mais o nível abaixa, mais eles se tornam separados. Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 23 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Em geral, se duas bacias adjacentes são mais ou menos paralelas, há fuga de água da mais alta para a mais baixa. A hipótese da coincidência dos dois divisores pode ser bastante incorreta em pequenas bacias com solo impermeável. Para definir o divisor topográfico, Inicialmente ,deve-se localizar em uma carta planialtimétrica, a seção de saída da bacia hidrográfica (na figura 11, corresponde ao círculo, em vermelho). A seguir, visualmente, procura-se definir os limites do divisor, sem nenhuma preocupação de exatidão ( aproximação grosseira do divisor), como está indicado na figura 1A.1. Salienta-se a rede fluvial para auxiliar na localização do divisor ( figura 1A.2). Destacam-se os pontos altos cotados ( com sinal de x na figura 1A.2). A linha divisória é o divisor de águas e deve contornar a bacia. Assim, deve-se começar a traçar a linha a partir da foz do rio principal, seguindo pela linha de maior declive até ponto de maior cota mais próximo. A linha de maior declive cruza perpendicularmente as curvas de nível. Partindo-se da seção de saída da bacia, traçam-se as duas linhas de maior declive que passam por ela ( linha perpendicular às curvas de nível) até atingir o ponto alto mais próximo ( figuras 1A.3 e1A.4). Dá-se continuidade ao traçado do divisor, partindo-se do ponto alto das linhas de maior declive e unindo-o com o ponto alto mais próximo, seguindo o contorno do relevo do terreno ( não se deve unir os pontos altos por segmentos de reta que não respeitem o perfil do terreno) até completar o circuito. ( figura 14.5). Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 24 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada Figura 14.5- Traçando a linha divisória Voltar Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 27 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 2A Comprimento axial É o comprimento do rio desconsiderando-se os meandros, isto é, o comprimento que o rio assume durante uma enchente ( Figura 24.1) Figura 24.1 — Comprimento axial de um rio Voltar 3A Comprimento em planta de um rio É a extensão do rio projetado na planta topográfica, ou seja, pode ser medido diretamente na planta com um barbante, por exemplo. Voltar para “S1 Voltar para “S2” Voltar para “S3” Voltar para “extensão horizontal do rio Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 28 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho Bacias Hidrográficas- PHD 307Hidrologia Aplicada 4A Comprimento total dos cursos d'água Soma total do comprimento dos rios da bacia ( Figura 44.1). Figura 44.1 — Composição da malha fluvial para calcular seu comprimento total Voltar 5A Hidrograma Hidrograma é a denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão no tempo. A distribuição da vazão no tempo é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico entre a precipitação e a vazão na bacia hidrográfica. Voltar Prof. Dr. Rubem La Laina Porto 29 Prof. Dr. Kamel Zahed Filho
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