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CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES
PRODUÇÃO DE ÁGUA: GERAÇÃO DO DEFLÚVIO EM MICROBACIAS FLORESTAIS
1.INTRODUÇÃO
Deflúvio: “ volume total de água que passa, em determinado período, pela secção transversal de um curso d’água” (DNAEE, 1970). Ex. deflúvio anual, Mensal, semanal, diário, etc. O deflúvio é expresso em mm de altura de água sobre a bacia correspondente. O deflúvio anual define, desta forma, a expressão “produção de água” ou “rendimento de água” de uma bacia hidrográfica. Milímetros de altura de água (mm) : ganho ou perda de água de uma bacia, ou de uma área qualquer, expresso em termos de altura uniformemente distribuída sobre a área. Unidade já familiar no caso da medição da chuva. É uma unidade linear. Só pode ser transformada em volume quando a área for especificada: 1 mm = 1 litro/m^2 Descarga ou vazão : é o deflúvio na unidade de tempo. Unidade: m 3 /s, litros/segundo.
- descarga diária: média das descargas ocorridas durante o dia;
- descarga média anual: média aritmética das descargas ocorridas em cada dia do ano;
- descarga unitária, vazão unitária, escoamento unitário: é o quociente descarga/área da bacia hidrográfica em km 2. Modo de expressar vazões de sorte que elas possam ser comparadas, pois independem da área da bacia contribuinte. Cota (nível) : altura da lâmina d’água referida a um plano pré-estabelecido. Curva-chave, curva de descarga: relação entre cota e descarga. Estação fluviométrica : instalação onde se mede os vários parâmetros de um curso d.água (cota, descarga , velocidade, etc.). 2. CONCEITUAÇÃO A expressão “produção de água” refere-se à descarga total da bacia durante um determinado período. Em termos da equação simplificada do balanço hídrico de uma bacia, representa, portanto, a fração da precipitação que não é perdida por evapotranspiração. Ou seja: Q = P - ET Desta maneira a produção de água de uma microbacia inclui o deflúvio (volume de água que passa pela secção transversal de um canal durante um determinado tempo) e também a variação do armazenamento na bacia, inclusive a recarga da água subterrânea. O deflúvio reflete a integração de todos os fatores hidrológicos em uma bacia hidrográfica, incluindo características topográficas, clima, solo, geologia e uso do solo. Uma representação esquemática deste conceito dinâmico da geração do deflúvio em uma microbacia pode ser vista na Figura 5.1. O deflúvio é geralmente classificado em escoamento direto (Qd) e escoamento base (Qb).O escoamento direto é a parte do deflúvio que é liberada pela bacia durante e imediatamente após a ocorrência de uma chuva. O escoamento base é a parte do deflúvio que deriva da água subterrânea.Em cursos perenes, Qb flui continuamente, enquanto que Qd é de caráter intermitente, ocorrendo apenas como resposta da microbacia aos eventos chuvosos.Portanto, pode-se escrever que Q = Qd + Qb mas a separação destes dois componentes é processo meramente artificial. O estudo do escoamento direto (Qd) é de fundamental importância em hidrologia de microbacias, uma vez que representa a reação destas à ocorrência das chuvas. E em microbacias um dos fatores que influem sobre esta reação é justamente o fator uso do solo. Esta resposta hidrológica da microbacia pode ser escrita de acordo com a relação (HEWLETT & HIBBERT, 1967) Rp = Qd/P que é uma medida da quantidade de chuva que aparece rapidamente como deflúvio, ou de acordo com a relação Rp = Qd/Q que exprime a proporção da descarga total que ocorre como escoamento direto.
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES FIGURA 5.1. Representação esquemática de uma microbacia, mostrando os fatores (clima, solos, geologia, características físicas da bacia e uso do solo) que afetam a produção de água. (Adaptado de GREGORY & WALLING, 1973). Durante um evento chuvoso, no qual esteja havendo a formação de deflúvio, a precipitação total é, normalmente, classificada em: a) “abstrações”, compreendendo a parte da chuva que não contribui para o escoamento (armazenamento nas depressões do terreno, interceptação, etc.); b) “excesso de chuva”, compreendendo a fração da chuva que contribui diretamente para o escoamento.
2. COMPONENTES DO DEFLÚVIO Conforme afirmado, nem toda a precipitação que cai numa microbacia é transformada imediatamente em deflúvio. Parte escoa rapidamente (Qd). Parte permanece armazenada na bacia por algum tempo, podendo percolar em direção ao aquífero. Parte, ainda, nunca chega a escoar, voltando à atmosfera por evaporação. Os componentes do deflúvio incluem os seguintes processos hidrológicos: a) Precipitação nos canais (Pc) : constitui a primeira fração da chuva a deixar a bacia, compreendendo as gotas que caem diretamente na superfície líquida dos cursos d’água. Proporcionalmente, trata-se de um componente que contribui muito pouco para a descarga da microbacia, pois a proporção de área líquida em relação à superfície total da bacia é pequena. Entretanto, uma estimativa desta contribuição deve levar em conta a geometria dos canais e a densidade de drenagem da bacia, o que mostra resultados de Pc variando de 0,1 a 0,8 % da chuva (LEE, 1980). Embora constituindo fração desprezível da chuva, este componente (Pc) pode, às vezes, adquirir maior importância como fração do escoamento direto (Qd) de uma chuva, devido ao fenômeno de expansão da rede de drenagem que normalmente ocorre durante períodos chuvosos prolongados. b) Escoamento Superficial (Rs) : constitui a fração da chuva que não se infiltra no solo, escoando laminarmente pelas porções mais impermeáveis do terreno até o canal mais próximo. c) Escoamento Sub-superficial (Rss) : também chamado interfluxo, constitui a fração da chuva que, após infiltração no solo, escoa lateralmente através dos horizontes superficiais na direção da declividade. Em microbacias florestadas a maior parte do escoamento direto de uma chuva é proveniente deste componente. O escoamento direto (Qd) de uma chuva, portanto, é formado normalmente por: Qd = Pc + Rs + Rss Dependendo das condições físicas e de cobertura vegetal da microbacia, o componente Rss pode estar associado tanto ao escoamento direto (Qd), quanto ao fluxo base (Qb). d) Escoamento base (Qb) : constitui o escoamento da zona de saturação (água subterrânea). Após uma chuva, e depois que todo o escoamento direto já tenha deixado a bacia, o escoamento base é o único componente do deflúvio.
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES FIGURA 5.3. Representação esquemática do hidrograma de uma chuva isolada. Referindo-se à Figura 5.3., define-se: bc = braço ascendente ce = braço de recessão b’ = início do escoamento direto c’ = pico (vazão instantânea máxima) d’ = fim do escoamento direto b’c’ = tempo de retardamento b’d’ = duração do escoamento direto bd = linha arbitrária de separação entre o escoamento direto e o escoamento base. A separação entre o escoamento direto e o escoamento base de uma hidrógrafa é um processo inteiramente arbitrário. LINSLEY et al. (1975), por exemplo, sugerem a seguinte relação entre a recessão e a área da bacia hidrográfica, para fins da determinação da hidrógrafa unitária: c’d’ = 0,8.A0, onde: c’d’ = intervalo entre o pico e o fim do escoamento direto A = área da bacia hidrográfica em km^2 HEWLETT & HIBBERT (1967), no trabalho básico da teorização do processo de geração do deflúvio em microbacias, utilizam o critério de separação segundo o qual a linha “bd” é traçada com uma aceleração constante correspondente a bd = 2.Q.h-1.A onde: Q = vazão (m^3 /s) h = tempo do escoamento direto em horas A= área da bacia hidrográfica (km^2 ) Para entender um pouco melhor este processo de geração do escoamento direto produzido por uma chuva isolada, vamos imaginar a seguinte condição hipotética: uma microbacia totalmente impermeável recebendo uma chuva de intensidade uniforme e de duração longa. Nestas condições, o hidrograma teoricamente esperado seria de acordo com a Figura 5.4.
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES FIGURA 5.4. Hidrograma teórico para uma chuva de intensidade uniforme ocorrendo sobre uma microbacia hipoteticamente impermeável. Referindo-se à Figura 5.4., a taxa de vazão aumenta a partir do início da chuva de acordo com a linha ab até que se torne igual à intensidade (uniforme) da chuva. Neste instante torna-se constante e igual à intensidade da chuva bc. A partir do final da chuva, o volume de água em trânsito durante o intervalo b’c’ é drenado exponencialmente de acordo com a linha cd. O tempo a’b’ é chamado de “tempo de equilíbrio”. O pico de vazão (ponto “b”) demorará a ocorrer tanto tempo quanto for o chamado “tempo de concentração da bacia”. O tempo de concentração da bacia pode ser entendido como o tempo gasto para a água fluir desde o ponto mais remoto até a saída da bacia hidrográfica. Ou seja, uma vez atingido este tempo de concentração, teoricamente toda a bacia hidrográfica estaria contribuindo para o deflúvio. A estimativa do tempo de concentração (Tc) é empírica. Por exemplo, uma fórmula que leva em conta a declividade da bacia é a seguinte: Tc = a’b’ = (0,02).(d1,2/z0,4) onde: Tc = min d = distância horizontal (m) z = distância vertical (m) O tempo c’d’ da Figura 5.4. é o chamado “tempo de recessão”.
3. FATORES QUE AFETAM O DEFLÚVIO O deflúvio de uma bacia hidrográfica, conforme já esclarecido, pode ser considerado como o produto residual do ciclo hidrológico, o qual é influenciado por três grandes grupos de fatores: clima, fisiografia e uso do solo. Clima: os fatores climáticos são importantes na determinação do deflúvio pois influenciam tanto a precipitação quanto a evapotranspiração (Q = P - ET). Com relação à precipitação, não apenas a quantidade de chuva, mas também aspectos relacionados com o padrão da chuva, a intensidade, a duração, a distribuição temporal e a distribuição espacial em relação à bacia, etc. são importantes na determinação do hidrograma. Com relação à evapotranspiração, são importantes fatores tais como a temperatura do ar, ventos, pressão barométrica, radiação solar, umidade relativa, etc. Além destes parâmetros, é claro que a evapotranspiração vai também estar muito relacionada com a cobertura vegetal da bacia hidrográfica. Fisiografia: as características físicas da bacia hidrográfica influenciam a formação do deflúvio de várias maneiras. A declividade, por exemplo, influencia os processos de infiltração, escoamento superficial, fluxo de água no solo, etc. A altitude, por sua vez, é outra característica importante a considerar. Em geral, em maiores altitudes a precipitação média anual é maior, assim como são menores a temperatura e a evapotranspiração. Outras características fisiográficas incluem: área, forma, orientação, densidade de drenagem, geologia, solos e características geométricas da bacia hidrográfica. Uso do solo: a cobertura vegetal, pela sua influência sobre processos hidrológicos tais como interceptação, transpiração, infiltração, percolação, etc., constitui-se num dos fatores mais importantes que afetam a produção de água em microbacias. Outro fator de uso do solo diz respeito, por exemplo, ao grau de urbanização da bacia, o qual resulta, em geral, em aumento da impermeabilização da superfície, aumentando o escoamento superficial, o pico de cheia, a edimentação dos cursos d.água, a poluição da água, etc. stes três grupos
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES FIGURA 5.6. Ilustração do conceito de “área variável de afluência” no processo de geração do escoamento direto de uma chuva em microbacia. O componente escoamento superficial (Rs) do escoamento direto produzido por uma chuva em uma microbacia é frequentemente considerado como sendo do tipo descrito por Horton (intensidade da chuva maior do que a capacidade de infiltração). Em microbacias de clima úmido, este tipo hortoniano de escoamento superficial raramente ocorre, a não ser em partes isoladas da microbacia, onde as condições de infiltração do solo não se encontram adequadas. De acordo com as ilustrações das Figuras 5.5. e 5.6., por outro lado, o componente escoamento superficial em microbacias ocorre ao longo da área variável de afluência, devido ao fato de que elas se encontram, normalmente, sempre em condições de saturação. São as chamadas áreas saturadas da microbacia. Nas demais partes da microbacia, a água da chuva tende antes a se infiltrar, alimentando o escoamento sub-superficial, que por ser rápido participa também do escoamento direto da chuva. Em resumo, o escoamento direto (Qd) de uma chuva em microbacias florestadas de clima úmido é basicamente o resultado dos seguintes processos: a) precipitação direta nos canais; b) escoamento superficial hortoniano; c) escoamento superficial de áreas saturadas; d) escoamento sub-superficial; e) expansão da área variável de afluência. O escoamento superficial hortoniano normalmente se restringe a locais de uso mais intensivo, tais como estradas e carreadores, áreas de maior compactação do solo, manchas desprovidas de vegetação, etc., ao longo da microbacia. Nas áreas saturadas da microbacia, tanto ao longo das margens da rede de drenagem, como nas cabeceiras e mesmo em manchas de áreas saturadas que às vezes podem ser encontradas até em algum ponto mais elevado ao longo da encosta, o que prevalece é o escoamento superficial de áreas saturadas. Por esta razão, é muito importante que estas áreas críticas estejam sempre adequadamente protegidas com cobertura vegetal (mata ciliar, reservas naturais, etc). Para se implementar um esquema de manejo florestal sistêmico, portanto, ou seja, um manejo baseado na perpetuação dos valores da microbacia hidrográfica, o primeiro passo do planejamento seria a identificação e o mapeamento destas áreas críticas da microbacia (área variável de afluência, áreas
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES saturadas, cabeceiras, áreas de possível formação de escoamento hortoniano, áreas de solo hidrologicamente mais vulnerável, etc.). Nunca é demais relembrar o aspecto dinâmico do conceito de área variável de afluência neste sentido. Ou seja, se as condições de umidade antecedente da microbacia são tais que já houve a expansão desta área de afluência, a ocorrência de uma nova chuva vai encontrar uma área de geração de escoamento direto já expandida. Vale dizer que uma maior porção da superfície da microbacia estará participando da geração do escoamento direto nestas condições. Isto pode ser importante, por exemplo, no planejamento de atividades florestais que podem, de alguma forma, influir sobre os recursos hídricos ou a qualidade da água, tais como a aplicação de herbicidas, defensivos agrícolas, fertilizantes, etc. A análise comparativa do hidrograma pode revelar que tipo de processo é predominante na geração do deflúvio nas microbacias hidrográficas, como ilustrado nos hidrogramas da Figura 5.7., obtidos em duas microbacias experimentais na Austrália. No exemplo da Figura 5.7., a microbacia Urriara é predominada por substrato de baixa permeabilidade geral, mostrando um hidrograma rápido e de pico maior, o que denota a existência de áreas passíveis de erosão e de formação de voçorocas. Nesta microbacia, portanto, as atividades florestais que causam normalmente muita perturbação da superfície, bem como drásticas diminuições da evapotranspiração, podem acelerar o processo erosivo, culminando, em médio e longo prazos, com a degradação da microbacia. Figura 5.7. Hidrograma comparativo de duas microbacias hidrográficas na Austrália (Adaptado de O’LOUGHLIN, 1981).
5. MEDIÇÃO DO DEFLÚVIO Há vários métodos que podem ser utilizados para a medição da vazão, citando-se entre eles: a) utilização de vertedores e/ou calhas; b) relação entre a área da seção transversal do canal e a velocidade do escoamento; c) método da diluição; d) medição volumétrica direta. Em Hidrologia Florestal, os estudos conduzidos em microbacias experimentais geralmente medem o deflúvio total da microbacia, ou seja, a integral de todos os possíveis componentes do deflúvio. Por ser microbacia e por ter caráter experimental, geralmente a medição é feita através da colocação de uma secção artificial de controle incrustada na rocha, perpendicularmente ao canal principal, de sorte a fazer com que todo o escoamento (de origem superficial e sub-superficial) passe pela secção artificial de medição. Alguns estudos necessitam medir apenas um dos componentes do deflúvio, como o escoamento superficial, em estudos de controle da erosão, por exemplo.
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES O coeficiente “C” inclui os efeitos devidos à velocidade de aproximação da água ao vertedor, ao problema de contração da lâmina d’água quando da passagem pela soleira do vertedor, e a possíveis variações na geometria básica do vertedor. Para um vertedor triangular de 90º bem construído, a fórmula usual é a seguinte: Q = 1,34.h2, onde: Q = vazão em m^3 /s h = cota em m As fórmulas para vertedores de outros tipos, assim como das chamadas calhas medidoras, podem ser encontrados em textos de hidráulica, como o de BOS (1976). A vazão (ou descarga) é um parâmetro dos mais importantes no estudo de microbacias. Para a medição da vazão, leva-se em conta não apenas a cota, mas também a velocidade do fluxo e a área da secção transversal do canal, conforme a equação de continuidade já mencionada. A unidade de descarga ou vazão é m 3 /s, ou, para o caso de microbacias,litros/segundo. O método da relação área-velocidade consiste na determinação da velocidade média do escoamento numa dada secção transversal do curso d’água. Conhecendo-se, então, a área da secção transversal e a velocidade média com a qual a água passa nesta secção, a descarga é calculada pela equação da continuidade: Q = A.V Onde: Q= Vazão A= Área V= Velocidade média Um problema sério na utilização desta metodologia é a determinação da “velocidade média” da água. A velocidade do fluxo varia horizontal e verticalmente em um trecho qualquer do canal. O valor médio a ser utilizado na equação acima, portanto, tem que levar em conta todas estas variações, de acordo com o seguinte procedimento: a) determina-se a área da secção transversal medindo-se a largura da superfície da água; b) esta largura total é, a seguir, subdividida em secções menores; c) em cada uma destas sub-seções determina-se a profundidade; d) o número de sub-seções vai depender da precisão exigida. Em geral inicia-se com cerca de 20 sub-seções, de sorte a permitir que não mais que 10% da vazão total ocorra em qualquer das sub- seções estabelecidas. Nas partes mais profundas do canal as sub-seções podem ser novamente sub- divididas, a fim de fazer valer a regra prática dos 10%; e) a área da secção transversal de cada sub-seção é obtida pelo produto da largura da sub-seção pela sua profundidade; f) integrando-se as áreas das sub-seções, obtém-se a área total do canal; g) o valor da velocidade média para cada sub-seção, agora, tem que levar em conta também a variação vertical da velocidade de fluxo da água. O aparelho utilizado para medir a velocidade é chamado molinete, o qual consta basicamente de um giroscópio que é imerso na água, girando com a corrente. A velocidade é computada em função do número de rotações por unidade de tempo, de acordo com a equação de calibragem de cada aparelho; h) se a profundidade da sub-seção for menor do que 1 metro, o molinete é submerso à profundidade de 60% da profundidade total da sub-seção, a partir da superfície. A velocidade obtida nesta profundidade é a velocidade média da sub-seção; i) para sub-seções com profundidades maiores, deve-se fazer medições em algumas profundidades, obtendo-se um valor médio de acordo com a seguinte tabela: TABELA 5.1. Profundidade de medição de velocidade em cada sub-seção.
CURSO TECNÓLOGO EM AQÜICULTURA DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA - PROF. CÉSAR ADEMAR HERMES O cálculo da vazão total do riacho pode, então, ser obtido de acordo com o esquema apresentado na Figura 5.9. FIGURA 5.9. Esquema para o cálculo da Vazão Total (Q). No caso de microbacias, com riachos e ribeirões, e quando não se dispõe de molinete, a determinação da velocidade média de escoamento da água pode ser feita por procedimentos mais simples. Por exemplo, pode-se escolher um trecho retilíneo e uniforme do canal e proceder à medição do tempo gasto por um flutuador qualquer para percorrer uma dada distância. Levando em conta a variação horizontal e vertical da velocidade de fluxo ao longo da secção transversal do canal, conforme já esclarecido, é preciso lembrar que este valor de velocidade obtido por flutuador representa apenas uma aproximação da velocidade máxima de escoamento. Portanto, o resultado a ser utilizado na equação de continuidade deve ser ajustado, multiplicando-se por um coeficiente empírico que se situa ao redor de 0,75, a fim de se obter a velocidade média para o riacho. Quando se dispõe de uma estação fluviométrica dotada de vertedor, por outro lado, é claro que a medição da vazão fica bem mais simples, bastando conhecer a altura da lâmina d.água que passa pela soleira do vertedor, a qual permite calcular diretamente a vazão pela fórmula apropriada para o tipo de vertedor. Se esta estação fluviométrica dispõe, além disto, de um linígrafo, a variação contínua da altura da lâmina d.água no vertedor é registrada no hidrograma. Dispondo-se do hidrograma, o procedimento prático para a integração acima consiste na separação dos segmentos uniformes da curva, semelhantemente ao explicado para o gráfico do pluviógrafo, e na tabulação da vazão média de cada segmento, conforme ilustrado na Figura 5.10. FIGURA 5.10. Ilustração do procedimento de tabulação do deflúvio a partir do hidrograma. Desta forma, conforme ilustrado na Figura 5.10., no intervalo Dt 1 , o fluxo ocorreu à taxa Q 1 , no intervalo Dt 2 , à taxa Q 2 , e assim sucessivamente. Para o período considerado, portanto, o escoamento total mostrado no hidrograma seria calculado por: Q 1 .Dt 1 + Q 2 .Dt 2 + ... + Qn .Dtn = m^3 Para facilitar a tabulação do hidrograma e o cálculo do escoamento total, o procedimento pode incluir o preenchimento de uma tabela como a ilustrada baixo:
