Apostila de Hidrologia

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Notas de Aula de Hidrologia

Profa Rutinéia Tassi

Fundação Universidade Federal do Rio Grande

Departamento de Física – Setor de Hidráulica e Saneamento

Av. Itália km 8/SN rutineia@gmail.com

Prof Walter Collischonn

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Isntituto de Pesquisas Hidráulicas

Av. Bento Gonçalves, 9500 collischonn@uol.com.br

1. Introdução à Hidrologia	1
1.1 Definição	1
1.2 O que é a água?	1
1.3 Domínio da hidrologia	1
1.4 A hidrologia na Engenharia	2
2. Ciclo Hidrológico	3
3. Bacia Hidrográfica	5
3.1 O que é uma bacia hidrográfica?	5
3.2 Características físicas de uma bacia hidrográfica	6
3.3 Balanço hídrico em uma bacia hidrográfica	13
4. Precipitação	15
4.1 Definição	15
4.2 Qual a importância da precipitação?	15
4.3 Formação da precipitação	15
4.4 Tipos de precipitação	16
4.5 Aquisição de dados de precipitação	17
4.5.1 Pluviôm etros	18
4.5.2 Pluviógrafos	19
4.5.3 Radar	19
4.5.4 Satélite	20
4.6 Características gerais da precipitação	20
4.6.1 Variação Espacial da Precipitação	2
4.6.2 Variabilidade Sazonal da Precipitação	2
4.6.3 Variabilidade da Precipitação com a Altitude	23
4.6.4 Variabilidade da Precipitação com a Área	24
4.7 Precipitação Média em uma Área	24
4.7.1 Método da média aritmética	25
4.7.2 Método dos Polígonos de Thiessen	25
4.7.3 Método das Isoietas	27
4.8 Tratamento dos Dados Pluviométricos	29
4.8.1 Identificação de erros grosseiros	29
4.8.2 Preenchimento de falhas	29
4.8.3 Análise de consistência das séries pluviométricas	31
4.9 Análise de Séries de Mensais e Anuais de Precipitação	35
4.10 Precipitações intensas	43
4.1 Distribuição temporal da precipitação	46
5. Interceptação	47
6. Evapotranspiração	48
6.1 Formação da evaporação	49
6.2 Fatores que afetam a evaporação	50
6.3 Medição de evaporação	52
6.4 Fatores que afetam a transpiração	53
6.5 Medição da evapotranspiração	53
6.6 Estimativa da evapotranspiração através de equações	54
6.6.1 Balanço hídrico	54
6.6.2 Método de Thorntwaith	5

Índice 6.6.3 Método de Blaney-Criddle....................................................................................56

7. Infiltração	61
7.1 Movimento da água no solo	61
7.2 Infiltração	63
7.2.1 Capacidade de infiltração e taxa de infiltração	64
7.3 Estimativa da Infiltração	65
7.3.1 Medição direta – Infiltrômetro	65
7.3.2 Equação de Horton	6
7.3.3 Equação de Phillip	68
7.3.4 Método do SCS	68
7.3.5 Método do Índice φ	71
8. Análise do hidrograma	73
8.1 O hidrograma	73
8.2 Fatores que influenciam a forma de um hidrograma	74
8.3 Analisando o hidrograma	7
8.4 Separação do escoamento	78
9. Escoam ento Superficial	80
9.1 Método Racional	80
9.2 O Hidrograma Unitário (HU)	82
9.2.1 Dedução do Hidrograma Unitário	85
9.3 Hidrograma Unitário Sintético (HUS)	86
9.3.1 Hidrograma Unitário Sintético do Snyder	86
9.3.2 Hidrograma Unitário Sintético do SCS	8
9.4 Aplicação dos métodos do HU e HUS	89
10. Propagação de Vazões	90
10.1 Propagação do escoamento em rios e canais - Muskingum	90
10.1.1 Ajuste dos parâmetros X e K	92

6.6.4 Equações de Penman-Monteith.............................................................................56 10.2 Propagação de escoamento em reservatórios................................................................93

Profa. Rutinéia Tassi & Prof. Walter Collischonn

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1.Introdução à Hidrologia

A Hidrologia é a ciência da água. Trata da quantificação dos volumes de água que, em diversas formas, encontram-se distribuídos pela superfície terrestre e são suscetíveis de aproveitamento pelo homem. Ocupa-se, também, da movimentação dessas massas de água que, num fluxo contínuo, deslocam-se de um lugar a outro facilitando seu uso, mas causando também, às vezes, grandes dificuldades e prejuízos à atividade humana. Diversas especialidades têm surgido dentro das ciências hídricas relacionadas com os diferentes usos da água, e por isso aspectos como a hidrologia de águas subterrâneas e a qualidade das águas não estão aqui incluídas, tendo-se abordado apenas de forma preliminar a ocorrência das águas subterrâneas, constituídas hoje numa ciência especializada que poderá ser melhor consultada em textos próprios.

A água é uma substância com características incomuns. É a substância mais presente na superfície do planeta Terra, cobrindo mais de 70% do globo. O corpo humano é composto por água mais ou menos na mesma proporção. Já um tomate é composto por mais de 90 % de água, assim como muitos outros alimentos. Todas as formas de vida necessitam da água para sobreviver. A água é a única substância na Terra naturalmente presente nas formas líquida, sólida e gasosa. A mesma quantidade de água está presente na Terra atualmente como no tempo em que os dinossauros habitavam o planeta, a milhões de anos atrás. A busca de vida em outros planetas está fortemente relacionada a busca de indícios da presença de água.

A estrutura molecular da água (H2O) é responsável por uma característica fundamental da água que é a sua grande inércia térmica, isto é, a temperatura da água varia de forma lenta. O sol aquece as superfícies de terra e de água do planeta com a mesma energia, entretanto as variações de temperatura são muito menores na água. Em função deste aquecimento diferenciado e do papel regularizador dos oceanos, o clima da Terra tem as características que conhecemos. Comparada com outros líquidos a água também apresenta uma tensão superficial relativamente alta. Esta tensão superficial é responsável pela organização da chuva na forma de gotas e pela ascensão capilar da água nos solos.

Os recursos de água têm determinado o destino de muitas civilizações ao longo da história. Povos entraram em conflito e guerras foram iniciadas em torno de problemas relacionados ao acesso à água. O crescimento da população mundial ao longo do último século tornou criticamente necessária a racionalização do uso da água.

No Brasil a geração de energia elétrica é apenas um dos usos da água, mas sua importância é muito grande, chegando a influenciar fortemente as estimativas do valor associado á água.

Tendo como objeto o estudo da água, podem-se dar várias sub-divisões dentro da Hidrologia.

Hidrometeorologia é o estudo dos problemas intermediários, ou que afetam os campos da hidrologia e meteorologia. Limnologia é o estudo dos lagos. Criologia o estudo dos assuntos relacionados com neve e gelo. Potamologia é o estudo das correntes superficiais e Geohidrologia o estudo das águas subterrâneas.

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A maioria dos problemas reais envolve várias dessas especialidades, porquanto muitos dos fenômenos são interdependentes. A Hidrologia, por seu caráter abrangente, utiliza como suporte outras ciências específicas como a geologia, geografia, hidromecânica, estatística, computação e outras, fora das básicas de física e matemática (Gray, 1973).

Linsley et Al. (1949) reconhecem três grandes temas a serem tratados na Hidrologia: a medição, registro e publicação de informações básicas, a análise dessa informação para desenvolver e expandir as teorias fundamentais, e a aplicação dessas teorias e dados na solução de problemas reais.

Visto que o recurso água nem sempre se encontra no local oportuno e no momento oportuno, é necessária muitas vezes, a construção de obras hidráulicas. Em caso de secas, ou locais onde a água seja escassa, o objetivo das obras hidráulicas é aproximar o recurso do usuário, no mesmo momento que seja necessário, criando barragens, canais, aquedutos, redes de distribuição de água, sistema de irrigação. Nos casos de locais que sofrem com inundações, as obras hidráulicas devem proteger o homem dos efeitos devastadores das ondas de cheia, através da delimitação da planície de inundação e criando obras de defesa e drenagem, tanto urbana, como rural.

De forma mais ampla, o engenheiro deve responder a questões como: Qual é a vazão máxima que se pode esperar num vertedor de barragem ou num bueiro de rodovia ou no sistema pluvial de uma cidade? Qual é o volume de água necessário para garantir o fornecimento para irrigação durante uma seca? Quais serão os efeitos dos reservatórios e diques de controle sobre as ondas de cheia de um rio? Qual a possibilidade de abastecer uma população com água subterrânea?

O engenheiro também é responsável pelo fornecimento de informações (níveis, velocidade, sedimentos, etc.) para obras de melhoramento das condições de navegabilidade de um rio, dragagem de trechos, fechamento de braços e projeto de espigões. Na construção de portos fluviais, diques de proteção e aterros, os estudos estatísticos de variação de níveis podem atribuir períodos de recorrência a esses valores, introduzindo o conceito de probabilidade e risco de ocorrência de eventos. A irrigação, a proteção contra erosão de solos agrícolas, a recuperação de terras, o estudo da poluição dos cursos d’água por defensivos agrícolas, tem na hidrologia o seu elemento básico.

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2.Ciclo Hidrológico

Ciclo hidrológico é o termo que se usa para descrever a circulação geral da água, desde o oceano até a atmosfera, até o sub-solo, e novamente até o oceano, conforme apresentado na Figura 2. 1.

Figura 2. 1- Representação esquemática do ciclo hidrológico

Pode-se dizer que o ciclo hidrológico não tem princípio e nem fim. A principal força motriz desse sistema é a energia solar, que provoca o aquecimento do ar, do solo e da água superficial. Como resultado desse aquecimento, temos a circulação de massas de ar e a evaporação. Esse vapor se condensa por meio de vários processos e è devolvida à terra em forma de precipitação, impulsionado pelas forças gravitacionais. Uma porção da água precipitada é retida temporariamente em depressões superficiais, vegetação e outros “objetos” (interceptação) e retorna à atmosfera por meio da evaporação e transpiração. O restante da água pode infiltrar no solo ou escoar sobre uma superfície até atingir um rio, lago ou mar, sendo que essa água também está igualmente sujeita à evaporação e transpiração durante todo o seu trajeto. A água infiltrada pode percolar até zonas mais profundas ao ser armazenada como água subterrânea, que pode mais tarde fluir como manancial ou incorporar-se a rios, lagos ou mar. Dessa maneira, o ciclo hidrológico sofre vários processos: precipitação, interceptação, transpiração, evaporação, infiltração, percolação, armazenamento e escoamento.

Essa é uma descrição do ciclo hidrológico sumamente simplificada. Na realidade, todas as fases do ciclo hidrológico ocorrem simultaneamente. À escala global, a quantidade de água contida em cada uma das fases do ciclo é constante, porém, visto em termos de uma área limitada, como, por exemplo, uma bacia hidrográfica, a quantidade de água contida em cada parte do ciclo varia muito. Por exemplo, a água precipitada que está escoando em um rio pode evaporar, condensar e novamente precipitar antes de retornar ao oceano. A água também sofre alterações de qualidade ao longo das diferentes fases do ciclo hidrológico. A água salgada do mar é transformada em água doce pelo processo de evaporação.

Estima-se que 1,4 km3 de água seja mundialmente disponível. Cerca de 97 % da água do mundo está nos oceanos, e dos 3% restantes, a metade (1,5% do total) está armazenada na forma de geleiras ou bancadas de gelo nas calotas polares (). A água doce de rios, lagos e aqüíferos (reservatórios de água no subsolo) corresponde a menos de 1% do total. Em valores totais, a

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Apostila de Hidrologia água doce existente na Terra e a água que atinge a superfície dos continentes na forma de chuva é suficiente para atender todas as necessidades humanas. Entretanto, grandes problemas surgem com a grande variabilidade temporal e espacial da disponibilidade de água. A América do Sul é, de longe, o continente com a maior disponibilidade de água, porém a precipitação que atinge nosso continente é altamente variável, apresentando na Amazônia altíssimas taxas de precipitação enquanto o deserto de Atacama é conhecido como o lugar mais seco do mundo.

Tabela 2. 1 – Água disponível na terra (Gleick, 2000)

Percentual água do planeta (%)

Percentual da água doce (%)

Oceanos/água salgada 97 Gelo permanente 1,7 69 Água subterrânea 0,76 30 Lagos 0,007 0,26 Umidade do solo 0,001 0,05 Água atmosférica 0,001 0,04 Banhados 0,0008 0,03 Rios 0,0002 0,006 Biota 0,0001 0,003

No Brasil a disponibilidade de água é grande, porém existem regiões em que há crescentes conflitos em função da quantidade de água, como na região semi-árida do Nordeste. Mesmo no Rio Grande do Sul ocorrem anos secos em que a disponibilidade de água de alguns rios não é suficiente para atender as demandas para abastecimento da população e para irrigação.

Algumas alterações produzidas pelo homem sobre o ecossistema podem alterar parte do ciclo hidrológico. Em nível global, a emissão de gases para a atmosfera produz aumento do efeito estufa, alterando as condições climáticas. A nível local, as obras hidráulicas que atuam sobre os rios, lagos e oceanos, além dos desmatamentos, atuam sobre o comportamento da bacia hidrográfica, e a urbanização também produz alterações localizadas nos processos do ciclo hidrológico terrestre.

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O ciclo hidrológico é normalmente estudado com maior interesse na fase terrestre, onde o elemento fundamental da análise é a bacia hidrográfica (Figura 3. 1). Por definição, a bacia hidrográfica é a área de captação natural dos fluxos de água, originados a partir da precipitação, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório.

Figura 3. 1 – Bacia hidrográfica

A bacia hidrográfica pode ser considerada como um sistema físico sujeito a entradas de água (eventos de precipitação) que gera saídas de água (escoamento e evapotranspiração). A bacia hidrográfica transforma uma entrada concentrada no tempo (precipitação) em uma saída relativamente distribuída na tempo (escoamento).

Para definir uma bacia hidrográfica, é necessário definir uma seção ou ponto de referência em um curso d’água selecionado, além de informações topográficas (relevo) do local. Uma bacia hidrográfica, por sua vez, pode ser dividida em sub-bacias e cada uma das sub-bacias pode ser considerada uma bacia hidrográfica.

Na são apresentadas as bacias hidrográficas brasileiras, com a rede de drenagem disponibilizada pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2005). No site da ANA (w.ana.gov.br) podem ser encontradas informações sobre as bacias hidrográficas brasileiras (Figura 3. 2), e para as sub-bacias também. Na Figura 3. 3 é apresentada a bacia do arroio Dilúvio, e a divisão em sub-bacias.

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Figura 3. 2 – Bacias hidrográficas brasileiras

Figura 3. 3 – Bacia hidrográfica do Arroio Dilúvio

As principais características físicas da bacia hidrográfica são a área, comprimento do rio principal, declividade do rio e bacia e cobertura do solo. A seguir são descritas algumas características físicas das bacias hidrográficas.

Área de drenagem

A área de drenagem (A) é a superfície em projeção horizontal, delimitada pelo divisor de águas. O divisor de águas é uma linha imaginária, que passa pelos pontos de maior nível topográfico, e separa a bacia hidrográfica em estudo de outras bacias hidrográficas vizinhas (Figura 3. 4). Deve-se considerar que essa linha não é, em geral, o contorno real da bacia

Bacia do rio Amazonas

Bacia Atlântico trecho Norte/Nordeste

Bacia do rio Tocantins

Bacia do rio São Francisco

Bacia Atlântico trecho Leste

Bacia do rio Paraná

Bacia do rio Uruguai Bacia Atlântico trecho Sudeste

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Apostila de Hidrologia hidrográfica, já que a influência da geologia pode fazer com que o contorno de aportes de águas subterrâneas e superficiais seja diferente. Em geral, a área de uma bacia hidrográfica é estimada a partir da delimitação dos divisores da bacia em um mapa topográfico. A área da bacia hidrográfica é um dado fundamental para definir a potencialidade hídrica de uma bacia, uma vez que é a região de captação da água da chuva. Assim, a área da bacia multiplicada pela lâmina precipitada ao longo de um intervalo de tempo define o volume de água recebido pela bacia hidrográfica.

Figura 3. 4 – Determinação da área de drenagem de uma bacia hidrográfica

Comprimento do rio principal

Define-se o rio principal de uma bacia hidrográfica como aquele que drena a maior área no interior da bacia. O comprimento da drenagem principal é uma característica fundamental da bacia hidrográfica porque está relacionado ao tempo de viagem da água ao longo de todo o sistema. O tempo de viagem da gota de água da chuva que atinge a região mais remota da bacia até o momento em que atinge o exutório é chamado de tempo de concentração da bacia, conforme será explicado a seguir.

Declividade da bacia hidrográfica e do rio

A declividade média da bacia hidrográfica e do curso d’água principal também são características que afetam diretamente o tempo de viagem da água ao longo do sistema, além de ter relação com os processos de infiltração. A declividade do curso d’água pode ser determinada, por exemplo, através do cálculo da declividade média ou média ponderada. A declividade média é a relação entre a diferença de cotas (cota máxima menos a cota mínima) e o comprimento do mesmo. Em geral, recomenda-se usar o método da média ponderada, dividindo o rio em vários sub-trechos (Figura 3. 5) e ponderar as declividades parciais com os comprimentos de cada trecho. Definir a declividade da bacia é mais complicado, já que se trata de uma superfície curva com várias inclinações. Um dos métodos mais usados sub-divide a bacia em faixas de altitude e pondera a declividade individual de cada faixa com a área da mesma, conforme se indica na Figura 3. 6.

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