TICIANA M. CARVALHO STUDART, Notas de aula de Hidrologia

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TICIANA M. CARVALHO STUDART

2006

CCaappííttululoo

HiHiddrroollooggiaia AAppliliccaaddaa

. INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Não é a toa que o Planeta Terra é chamado de “o Planeta Azul” - dois terços de sua superfície são cobertos pela água de mares e oceanos (Figura 1.1). Na realidade, existe água em praticamente todo lugar: sobre a superfície terrestre , na forma de rios, lagos, mares e oceanos; sob a superfície terrestre , na forma de água subterrânea e umidade do solo e na atmosfera , na forma de vapor d’água. A água, em certos locais, pode ocorrer de forma quase ilimitada, como nos oceanos, ou em quantidades praticamente nulas, como nos desertos.

Figura 1.1 – Planeta Terra

Apesar da maior parte da água do Planeta, em qualquer momento, estar contida nos oceanos, a mesma está em contínuo movimento, em um ciclo cuja fonte principal de energia é o sol e cuja principal força atuante é a gravidade. A esta transferência ininterrupta da água do oceano para o continente e do continente para o oceano (Figura 1.2), dá-se o nome de Ciclo Hidrológico.

Ticiana Studart e Nilson Campos

Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 3

A descrição acima simplifica sobremaneira o processo que realmente ocorre (Figura 1.3), uma vez que não estão computadas as eventuais interrupções que podem ocorrer em vários estágios (Ex. precipitação sobre o oceano) e a íntima dependência das intensidade e freqüência do ciclo hidrológico com a geografia e o clima local.

Figura 1.3 – Ciclo Hidrológico. (Fonte: Dnaee)

Alguns tópicos podem ser destacados:

1. O sol constitui-se na fonte de energia para a realização do ciclo. O calor por ele liberado atua sobre a superfície dos oceanos, rios e lagos estimulando a conversão da água do estado líquido para gasoso.
2. A ascensão do vapor d’ água conduz à formação de nuvens, que podem se deslocar, sob a ação do vento, para regiões continentais.
3. Sob condições favoráveis a água condensada nas nuvens precipita (sob forma de neve, granizo ou chuva)(1)^ podendo ser dispersada de várias formas:

(1) Quando a precipitação se dá sob forma de neve ou granizo, a retenção no solo é mais demorada, até que ali se processe a fusão.

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Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 4

ƒ Retenção temporária ao solo próximo de onde caiu; ƒ Escoamento sobre a superfície do solo ou através do solo para os rios; ƒ Penetração no solo profundo.

4. Atingindo os veios d’ água, a água prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo.
5. As depressões superficiais porventura existentes retém a água precipitada temporariamente. Essa água poderá retornar para compor fases seguintes do ciclo pela evaporação e transpiração da plantas.
6. Os escoamentos superficial e subterrâneo decorrem da ação da gravidade, podendo parte desta água ser evaporada ou infiltrada antes de atingir o curso d’ água.
7. Atingindo os veios d’água, a água prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo.
8. A evaporação acompanha o ciclo hidrológico em quase todas as suas fases, seja durante a precipitação, seja durante o escoamento superficial.

Dotado de certa aleatoriedade temporal e espacial, o ciclo hidrológico configura processos bem mais complexos que os acima descritos. Uma vez que as etapas precedentes à precipitação estão dentro do escopo da meteorologia, compete ao hidrólogo conhecer principalmente as fases do ciclo que se processam sobre a superfície terrestre, quais sejam, precipitação, evaporação e transpiração, escoamento superficial e escoamento subterrâneo.

3. UM POUCO DA HISTÓRIA DA HIDROLOGIA

Os mais antigos trabalhos de drenagem e irrigação em larga escala são atribuídos ao Faraó Menés, fundador da primeira dinastia egípcia, que barrou o rio Nilo próximo a Mênphis, com uma barragem de 15m e extensão de aproximadamente 500 metros, para alimentar o canal de irrigação.

Também no Egito encontram-se os primeiros registros sistemáticos de níveis de enchentes. Estes registros datam de 3.500 a.C. e indicavam aos agricultores a época oportuna de romper os diques para inundar e fertilizar as terras agricultáveis. Nota-se que, aos egípcios, pouco importava o estudo da Hidrologia como ciência e sim. A sua utilização.

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Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 6

Tabela 1.1 – Distribuição das disponibilidades hídricas no mundo

Fonte Superfície (10^6 Km^2 )

Volume (10^6 Km^2 )

% do Volume Total

Oceanos 360 1.370.323 93, Águas Subterrâneas - 64.000 4, Geleiras e Neve Perpétua 16 24.000 1, Lagos - 230 0, Umidade do Solo - 75 0, Água na Atmosfera 510 14 0, Rios 1,2 0, Total 1.458.643 100 Fonte: Raudikivi (1979)

Deste total, cerca de 94% é de água salgada e apenas 6%, de água doce. Desconsiderando a quantidade de água doce sob forma de geleiras, águas subterrâneas e umidade atmosférica, ínfimos 0,0161% do total da água do Planeta estão disponíveis em rios e lagos (Figura 1.4), os quais não se encontram eqüitativamente distribuídos sobre todo o Planeta.

Figura 1.4 – Água doce disponível em lagos e rios

Para se dar uma pequena idéia da má distribuição espacial da água, cita-se o exemplo do Brasil, que possui cerca de 12% das reservas hídricas superficiais do mundo, mas com aproximadamente 65% destes recursos concentrados na Amazônia.

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Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 7

Questões a se pensar:

1. Por que se preocupar com as várias fases do ciclo hidrológico?
2. Se o estudo da Hidrologia não era importante há 30-40 anos atrás, por que o deveria ser hoje?
3. Se essa quantidade de água doce nunca foi motivo de grandes preocupações, por que o seria agora?

5. A ÁGUA E O DESENVOLVIMENTO

A água sempre desempenhou um papel fundamental na história da humanidade. O surgimento das cidades sempre se deu ao longo os rios. Entretanto, não se tinha a percepção da importância da água como hoje, uma vez que sua qualidade e quantidade eram adequadas às necessidades da época – abastecimento, diluição de dejetos, pesca, geração de energia, entre outros. Como as fontes hídricas não eram desenvolvidas no limite de sua possibilidades, havia pouco interesse em se obter dados e conhecimento a respeito de suas capacidades máximas, e assim a Hidrologia, como ciência, pouco se desenvolveu.

Hoje, o cenário é outro. Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), o consumo mundial de água doce dobrou nos últimos 50 anos e corresponde, atualmente, à metade de todos os recursos hídricos acessíveis. Explorar tais recursos foi o motor do desenvolvimento econômico de muitos países, sobretudo na agricultura, abastecimento humano e animal, geração de energia, indústria e transporte. Porém a competição por água entre tais setores vem degradando as fontes naturais, das quais o mundo depende. O ciclo natural da água tem sido interrompido ou alterado em regiões muito artificializadas, como as megacidades.

É consenso geral que a gestão das águas é uma necessidade. E assim, a Hidrologia ressurge, hoje, como ferramenta indispensável para tal fim, uma vez é a ciência que trata do entendimento dos processos naturais que dão base aos projetos de suprimento de água. Só ela pode avaliar como e quanto o ciclo hidrológico pode ser modificado pelas atividades humanas.

No passado, já existiam estes sinais de desconhecimento da Hidrologia, mas os mesmos só afetavam pequenas parcelas da população e tinham pouca divulgação. Isto tem mudado significativamente nos últimos 30 anos. Hoje já se tem o entendimento que a prosperidade e a sobrevivência da humanidade é função da disponibilidade de água doce e potável e que, a cada ano nascem mais alguns milhões de consumidores e não é criada, sequer, uma gota d’água a mais no Planeta.

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Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 9

Exemplo concreto 2: Inundação em Fortaleza, Ce

A Figura 1.6 mostra um problema de drenagem urbana característicos das grandes cidades, no caso, Fortaleza, Ce.

Figura 1.6-- Enchente em Fortaleza, Ce em 1997

6. APLICAÇÕES DA HIDROLOGIA À ENGENHARIA

A Hidrologia não é uma ciência pura, uma vez que o objeto de estudo é usualmente dirigido para aplicações práticas, sendo assim, o termo “Hidrologia Aplicada” é freqüentemente utilizado. Eis algumas das aplicações da hidrologia:

ƒ Escolha de fontes de abastecimento de água ƒ Subterrânea - locação do poço e capacidade de bombeamento ƒ Superficial – locação da barragem, estimativa da vazão afluente e da vazão a ser regularizada, dimensionamento do reservatório e do sangradouro ƒ Drenagem urbana – dimensionamento de bueiros ƒ Drenagem de rodovias – dimensionamento de pontes e pontilhões ƒ Irrigação – fonte de abastecimento, estimativa da evapotranspiração da cultura

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Capítulo 1 Hidrologia Aplicada 10

ƒ Controle de enchentes – dragagem do leito do rio, construção de reservatórios de controle de cheias

Exemplo concreto 1: cheias e secas no rio Capibaribe

A Bacia do rio Capibaribe, Pernambuco, tem sua história intimamente ligada a episódios de cheias catastróficas, notadamente na Região Metropolitana de Recife. Entretanto, nos últimos anos, a cidade vem sendo atingida por uma grave crise no abastecimento d’água, sendo obrigatório o uso extensivo de carros-pipa. Os quatro maiores açudes da bacia – Jucazinho, Carpina, Goitá e Tapacurá, representam cerca de 91% do total acumulado nos açudes mais importantes da bacia e são utilizados tanto para controle de cheias como para o abastecimento. A operação de reservatórios com múltiplas finalidades é feita tradicionalmente com a divisão do volume total armazenável em zonas para o atendimento de seus diferentes objetivos. Na prática, a divisão consiste em se alocar volumes de reserva para as respectivas finalidades. Objetivos diametralmente conflitantes, como controle de cheias – que requer que a parte do volume destinada a este fim permaneça seca para que a cheia possa assim ser contida – e conservação – que precisa que a água seja efetivamente armazenada para usos futuros em irrigação e abastecimento municipal e industrial – não são fáceis de conciliar.

As figuras 1.7 e 1.8 mostram, respectivamente, um esquema da bacia hidrográfica do rio Capibaribe com seus barramentos construídos ao longo de seu leito, e Recife em um episódio de inundação.

Figura 1.7 -- Bacia hidrográfica do rio Capibaribe (Pe) e seus barramentos

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Bacia Hidrográfica

1. GENERALIDADES

O ciclo hidrológico, se considerado de maneira global, pode ser visto como um sistema hidrológico fechado, uma vez que a quantidade total da água existente em nosso planeta é constante. Entretanto, é comum o estudo, pelos hidrólogos, de subsistemas abertos. A bacia hidrográfica destaca-se como região de efetiva importância prática devido a simplicidade de que oferece na aplicação do balanço hídrico.

2. DEFINIÇÃO

Segundo Viessman, Harbaugh e Knapp (1972), bacia hidrográfica é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’ água ou um sistema conectado de cursos d’ água, dispondo de uma simples saída para que toda vazão efluente seja descarregada.

3. DIVISORES

O primeiro passo a ser seguido na caracterização de uma bacia é, exatamente, a delimitação de seu contorno, ou seja, a linha de separação que divide as precipitações em bacias vizinhas, encaminhando o escoamento superficial para um ou outro sistema fluvial. São 3 os divisores de uma bacia: „ Geológico „ Freático „ Topográfico Dadas as dificuldades de se efetivar o traçado limitante com base nas formações rochosas (os estratos não seguem um comportamento sistemático e a água precipitada pode escoar antes de infiltrar) e no nível freático (devido as alterações ao longo das estações do ano), o que se faz na prática é limitar a bacia a partir de curvas de nível, tomando pontos de cotas mais elevadas para comporem a linha da divisão topográfica.

Cap. 2 Bacia Hidrográfica 2

Figura 2.1 – Corte transversal de uma bacia (Fonte: VILLELA, 1975)

4. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA

As características físicas de uma bacia compõem importante grupo de fatores que influem no escoamento superficial. A seguir, faremos, de forma sucinta, uma abordagem de efeitos relacionados a cada um deles, tendo como exemplo os dados da Bacia do Riacho do Faustino, localizada no município do Crato, Ceará.

4.1. ÁREA DE DRENAGEM

A área de uma bacia é a área plana inclusa entre seus divisores topográficos. É obtida com a utilização de um planímetro. A bacia do Riacho do Faustino tem uma área de 26,4 Km^2.

Cap. 2 Bacia Hidrográfica 4

Figura 2.3 – O efeito da forma da bacia hidrográfica (Fonte: WILSON, 1969)

Exprimir satisfatoriamente a forma de uma bacia hidrográfica por meio de índice numérico não é tarefa fácil. Apesar disto Gravelius propôs dois índices:

4.2.1. COEFICIENTE DE COMPACIDADE (KC)

É a relação entre os perímetros da bacia e de um círculo de área igual a da bacia:

2 r

K P

c=^ π com

r^ A

r 2 A

Substituindo, temos:

2 A

K P

c A

K 0,28 P

c =

onde P e A são, respectivamente, o perímetro (medido com o curvímetro e expresso em Km) e a área da bacia (medida com o planímetro, expressa em Km^2 ). Um coeficiente mínimo igual a 1 corresponderia à bacia circular; portanto, inexistindo outros fatores, quanto maior o Kc menos propensa à enchente é a bacia.

4.2.2. FATOR DE FORMA (Kf)

É a relação entre a largura média da bacia (L ) e o comprimento axial do curso d’ água (L). O

comprimento “L” é medido seguindo-se o curso d’ água mais longo desde a cabeceira mais distante da

Cap. 2 Bacia Hidrográfica 5

bacia até a desembocadura. A largura média é obtida pela divisão da área da bacia pelo comprimento da bacia.

L

K L

f =^ mas^ L

L =A

então,

f L 2

K = A

Este índice também indica a maior ou menor tendência para enchentes de uma bacia. Uma bacia com Kf baixo, ou seja, com o L grande, terá menor propensão a enchentes que outra com mesma área, mas Kf maior. Isto se deve a fato de que, numa bacia estreita e longa (Kf baixo), haver menor possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda a sua extensão. A bacia do Riacho do Faustino apresenta os seguintes dados: A = 26,4 km^2 = 26.413.000 m^2 L = 10.500 m P = 25.900 m

Assim, 1 , 41 26.413.

A

K 0 , 28 P

c = = =

K (^) c = 1 , 41

K (^) f =LA 2 =^26 ( 10.^413. 500.^000 ) 2 = 0 , 24

K (^) f = 0 , 24

4.3. SISTEMA DE DRENAGEM

O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus efluentes; o padrão de seu sistema de drenagem tem um efeito marcante na taxa do “runoff”. Uma bacia bem drenada tem menor tempo de concentração, ou seja, o escoamento superficial concentra-se mais rapidamente e os picos de enchente são altos.

Cap. 2 Bacia Hidrográfica 7

Para a Bacia do Riacho do Faustino:

d^2

1

0 , 001511 m/m

D^39.^900

39. 900 m

∑ l =

4.3.3. EXTENSÃO MÉDIA DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL ( (^) l )

Este parâmetro indica a distância média que a água de chuva teria que escoar sobre os terrenos da bacia (EM LINHA RETA) do ponto onde ocorreu sua queda até o curso d’ água mais próximo. Ele dá uma idéia da distância média do escoamento superficial. A bacia em estudo é transformada em retângulo de mesma área, onde o lado maior é a soma dos

comprimentos dos rios da bacia (L = (^) ∑ l (^) i).

Figura 2.5 – Extensão média do escoamento superficial (Fonte: VILLELA, 1975)

4. l x L = A assim, l =

4 L

A

Para a Bacia do Riacho do Faustino:

m

x

l=^26.^413.^000 =

l = 0,165 km

4.3.4. SINUOSIDADE DO CURSO D’ ÁGUA (SIN)

É a relação entre o comprimento do rio principal (L) e o comprimento do talvegue (Lt)

Sin =

L t

L

Cap. 2 Bacia Hidrográfica 8

Figura 2.6 – Comprimento do rio principal (L) e comprimento do talveque (Lt)

Para a Bacia do Riacho do Faustino: L = 10.500 m Lt = 8.540 m

Sin = (^108) ..^540500 = 1 , 23

Sin = 1,

Obs.: Lt (comprimento do talvegue é a medida em LINHA RETA entre os pontos inicial e final do curso d’ água principal).

4.4. RELEVO DA BACIA

4.4.1. DECLIVIDADE MÉDIA DA BACIA

A declividade dos terrenos de uma bacia controla em boa parte a velocidade com que se dá o escoamento superficial (VILLELA, 1975). Quanto mais íngreme for o terreno, mais rápido será o escoamento superficial, o tempo de concentração será menor e os picos de enchentes maiores.

A declividade da bacia pode ser determinada através do Método das Quadrículas. Este método consiste em lançar sobre o mapa topográfico da bacia, um papel transparente sobre o qual está traçada