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Hidrologia Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Carlos Ruberto Fragoso Jr. CTEC - UFAL.

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1 Hidrologia Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Carlos Ruberto Fragoso Jr. CTEC - UFAL

2 Programa da aula Parte 1 (Bacia Hidrográfica) O que é uma Bacia Hidrográfica? Características de uma Bacia Hidrográfica Parte 2 (Balanço Hídrico) O que é o balanço hídrico? Exemplos práticos

3 zona de aeração ou zona não saturada rocha de origem lençol freático Ciclo Hidrológico infiltração escoamento superficial precipitação evaporação (interceptação)transpiração evaporação percolação fluxo ascendente escoamento sub-superficial zona saturada

4 Processos do ciclo hidrológico Precipitação e evaporação no espaço e no tempo Precipitação sobre áreas impermeáveis Interceptação vegetal Precipitação direta em lagos, rios e reservatórios Interceptação por diferentes superfícies Infiltração de superfícies permeáveis Balanço no meio não-saturado Escoamento superficial Escoamento no meio não-saturado Percolação Escoamento subterrâneo Vazão superficial Evaporação e evapotranspiração Evaporação e evapotranspiração

5 Bacia Hidrográfica Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer ponto drena para a mesma seção transversal do curso- dágua. Área de captação natural das precipitações, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída: o exutório. Para definir uma bacia: Curso dágua Seção transversal de referência (exutório) Informações de topografia.

6 Diferenciar áreas que contribuem para um ponto Definição de Bacia Hidrográfica Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. A água escoa na dire ç ão da maior declividade Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de n í vel. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

7 Seção de referência, ou exutório Fontes de dados de topografia

8 Seção de referência, ou exutório Divisor não corta drenagem exceto no exutório. Divisor passa pela região mais elevada da bacia, mas não necessariamente pelos pontos mais altos.

9 Bacia Hidrográfica

10

11 A bacias do riacho Pau D´Arco, riacho do Sapo e riacho Gulandim são sub-bacias da bacia do rio Reginaldo bacias urbanas. Bacias hidrográficas são compostas por sub-bacias hidrográficas, sendo também estas bacias hidrográficas que podem ser subdividida em sub- bacias, etc. Bacia Hidrográfica A bacias dos rios Caçamba, Porangaba, Bálsamo, Seco, Paraibinha,.... são sub-bacias da bacia do rio Paraíba bacias rurais com pequenas aglomerações urbanas.

12 Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do rio Reginaldo: 26,5 km 2

13 Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do riacho Pau DArco: 2,74 km 2

14 Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do riacho do Sapo : 1,85 km 2

15 A bacia hidrográfica do rio Paraíba: 3.127,83 km 2 Fonte: Plano diretor do rios Sumaúma, Remédios e Paraíba

16 Sub - bacia

17 Sub4 Sub3Sub2Sub1 represa saída Discretização em Sub-bacias vários níveis de subdivisão da bacia saída

18 divisor superficial x divisor subterrâneo Divisor: Características da Bacia Hidrográfica: Área de drenagem Comprimento Declividade Curva hipsométrica Forma Cobertura vegetal e uso do solo …… Bacia Hidrográfica

19 Característica mais importante da bacia Reflete o volume total de água que pode ser gerado potencialmente na bacia Bacia impermeável e chuva constante: Q = C. P. A Se A = 60 km 2 (60 milhões de m 2 ), C = 1 e P = 10 mm/hora (2, m/s) Q = 166 m 3 /s Área da Bacia Hidrográfica

20 Uma vez definidos os contornos (divisor), a área pode ser calculada por uma integral numérica (SIG) ou por métodos manuais (planímetro, contagem, pesagem). Área da Bacia Hidrográfica

21 Comprimento da bacia Comprimento do rio principal Comprimento da Bacia Hidrográfica Os comprimentos da bacia e do rio principal são importantes para a estimativa do tempo que a água leva para percorrer a bacia.

22 Ordenamento dos canais Trata-se de uma hierarquização dos canais fluviais Cada linha de drenagem pode ser categorizada de acordo com sua posição (ordem ou magnitude) dentro da bacia A ordenação pode ser utilizada para descrever a linha de drenagem e dividir a rede de drenagem em partes que podem ser quantificadas e comparadas

23 Ordenamento dos canais Strahler linhas de 2ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de 1ª ordem, as linhas de 3ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de 2ª ordem e assim sucessivamente as linhas de 3ª ordem, por exemplo, podem também receber um canal de 1ª ordem como fazer a ordenação? linhas de drenagem que não possuem nenhum tributário são designadas como linhas de 1ª ordem A ordem ou magnitude das demais linhas de drenagem depende do método utilizado Horton, Strahler e Shreve

24 Strahler (1945) Ordenamento dos canais

25 Shreve magnitudes somadas todas as vezes que há a junção de duas linhas de drenagem exemplo quando 2 linhas de 2ª ordem se unem, o trecho a jusante recebe a designação de 4ª ordem Algumas ordens podem não existir. Ordenamento dos canais Horton canais de 2ª ordem têm apenas afluentes de 1ª ordem. Canais de 3ª ordem têm afluência de canais de 2ª ordem, podendo também receber diretamente canais de 1ª ordem canais de ordem u pode ter tributários de ordem u-1 até 1. Isto implica atribuir a maior ordem ao rio principal, valendo esta designação em todo o seu comprimento, do exutório à nascente

26 Shreve Ordenamento dos canais

27 Horton Ordenamento dos canais 1 1 como decidir qual é o rio principal numa confluência? Partindo da jusante da confluência, estender a linha do curso dágua para montante, para além da bifurcação, seguindo a mesma direção. O canal confluente que apresentar maior ângulo é o de ordem menor Ambos com mesmo ângulo rio de menor extensão é o de ordem mais baixa

28 Horton Ordenamento dos canais

29 Tem relação com a velocidade com a qual ocorre o escoamento. Diferença de altitude entre o início e o fim da drenagem dividida pelo comprimento da drenagem. Equação de Manning: V proporcional a S 0.5 Declividade da Bacia Hidrográfica

30 Ponto mais alto: 300 m Ponto mais baixo: 20 m Comprimento drenagem = 7 km Declividade = 0,04 m/m ou 40 m por km

31 Declividade no rio Comprimento do rio principal (L): para cada bacia existe um rio principal. Define-se o rio principal de uma bacia hidrográfica como aquele que drena a maior área no interior da bacia. A medição do comprimento do rio pode ser realizada por curvímetro ou por geoprocessamento; Declividade média do rio (S m ) : Declividade equivalente do rio (S e ) :

32 Declividade no rio Exemplo: Bacia hidrográfica do rio Paraíba Foram utilizados o índice de declividade de Roche e o índice global I G Fração em porcentagem da superfície A, compreendida entre duas curvas de nível vizinhas Intervalo entre duas curvas de nível. Altitude para a qual há 5% da área de bacia acima dessa altitude Altitude para a qual há 95% da área de bacia acima dessa altitude

33 Declividade no rio Exemplo: Bacia hidrográfica do rio Paraíba

34 Perfil típico: altomédiobaixo Distância ao longo do rio principal Altitude do leito Valores típicos: Baixa declividade: alguns cm por km Alta declividade: alguns m por km Perfil Longitudinal

35 Descrição da relação entre área de contribuição e altitude. Altitude (m) Fração da área 01,00,250,750,5 Curva Hipsométrica

36

37 H5H5 H 95

38 Tempo de viagem = 2 min Tempo de viagem = 15 min Tempo de escoamento

39 15 minutos Q P tempo Chuva de curta duração

40 Tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante da bacia escoe até o ponto de controle, exutório ou local de medição. Relação com: Comprimento da bacia (área da bacia) Forma da bacia Declividade da bacia Alterações antrópicas Vazão (para simplificar não se considera) Tempo de concentração Como estimar? Relação com comprimento do rio Relação com a declividade

41 Fórmulas empíricas para tempo de concentração tc em minutos L em km h em m Kirpich Tempo de concentração Ventura para regiões planas A em km 2 Ventura para regiões em declives A em km 2 I em m/km Passini para regiões planas

42 Fator de forma I alto: cheias mais rápidas I baixo: cheias mais lentas Índice de conformação ou fator de forma e índice de compacidade: índice de compacidade Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro que a bacia teria se fosse circular. K = 0,28 P / A 0.5 mede mais ou menos a mesma coisa que o fator de forma

43 São Francisco Outras: Tietê; Paranapanema; Tocantins. Exemplos: Alongadas

44 Paraíba PE e AL Exemplos: Alongadas

45 Taquari Antas - RS Rio Itajaí - SC Exemplos: Circular

46 Maior profundidade de raízes = água consumida pela evapotranspiração pode ser retirada de maiores profundidades do solo. Florestas: maior interceptação; maior profundidade de raízes. Maior interceptação = escoamento demora mais a ocorrer. Cobertura Vegetal

47 Substituição de florestas por lavoura/pastagens Urbanização: telhados, ruas, passeios, estacionamentos e até pátios de casas Modificação dos caminhos da água Aumento da velocidade do escoamento (leito natural rugoso x leito artificial com revestimento liso) Encurtamento das distâncias até a rede de drenagem (exemplo: telhado com calha) Uso do solo

48 Agricultura = compactação do solo Redução da quantidade de matéria orgânica no solo Porosidade diminui Capacidade de infiltração diminui Raízes mais superficiais: Consumo de água das plantas diminui Uso do solo

49 Solos arenosos = menos escoamento superficial Solos argilosos = mais escoamento superficial Solos rasos = mais escoamento superficial Solos profundos = menos escoamento superficial Tipos de solos

50 Rochas do sub-solo afetam o comportamento da bacia hidrográfica. Rochas porosas tem a propriedade de armazenar grandes quantidades de água (rochas sedimentares – arenito). Rochas magmáticas tem pouca porosidade e armazenam pouca água, exceto quando são muito fraturadas. Bacias com depósitos calcáreos tem grandes cavidades no sub-solo onde a água é armazenada. Geologia

51 Vertentes: Rede de drenagem: Escoamento superficial difuso Não há canais definidos Escoamento sub-superficial e subterrâneo Escoamento superficial Canais bem definidos Partes da Bacia

52 Densidade da Rede de Drenagem: Forma da Rede de Drenagem: Controlada pela Geologia e pelo Clima Controlada pela Geologia Rede de Drenagem

53 Forma da rede de Drenagem Extraído do livro Para Conhecer a Terra (Press et al. XXXX)

54 Forma da rede de Drenagem Extraído do livro Para Conhecer a Terra (Press et al. XXXX)

55 Forma da rede de Drenagem Extraído do livro Para Conhecer a Terra (Press et al. XXXX)

56 Forma da rede de Drenagem Extraído do livro Para Conhecer a Terra (Press et al. XXXX)

57 A equação abaixo tem que ser satisfeita: Onde V variação do volume de água armazenado na bacia (m 3 ) t intervalo de tempo considerado (s) P precipitação (m 3. s -1 ) E evapotranspiração (m 3. s -1 ) Q escoamento (m 3. s -1 ) Balanço Hídrico B alanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica Principal entrada precipitação Saídas evapotranspiração e escoamento.

58 Balanço Hídrico

59 Intervalos de tempo longos (como um ano ou mais) variação de armazenamento pode ser desprezada na maior parte das bacias As unidades de mm são mais usuais para a precipitação e para a evapotransipiração Balanço Hídrico Reescrita em unidades de mm. ano -1, o que é feito dividindo os volumes pela área da bacia Uma lâmina 1 mm de chuva corresponde a um litro de água distribuído sobre uma área de 1 m 2.

60 Percentual da chuva que se transforma em escoamento O coeficiente de escoamento tem, teoricamente, valores entre 0 e 1. Na prática os valores vão de 0,05 a 0,5 para a maioria das bacias. Coeficiente de escoamento

61 Balanço hídrico de algumas regiões hidrográficas do Brasil

62 Cada mm de chuva sobre a bacia de 60km 2 volume total de m 3 lançados sobre a bacia em uma hora são lançados m 3 de água sobre esta bacia. A bacia é impermeável toda a água deve sair pelo exutório a uma vazão constante de 167 m 3.s -1. Qual seria a vazão de saída de uma bacia completamente impermeável, com área de 60km 2, sob uma chuva constante à taxa de 10 mm. hora -1 ? Exemplo:

63 A região da bacia hidrográfica do rio Taquari recebe precipitações médias anuais de 1600 mm. Em Muçum (RS) há um local em que são medidas as vazões deste rio e uma análise de uma série de dados diários ao longo de 30 anos revela que a vazão média do rio é de 340 m 3. s -1. Considerando que a área da bacia neste local é de Km 2, qual é a evapotranspiração média anual nesta bacia? Qual é o coeficiente de escoamento de longo prazo? Exemplo:

64 O balanço hídrico de longo prazo de uma é dado por onde P é a chuva média anual; E é a evapotranspiração média anual e Q é o escoamento médio anual. A vazão média de 340 m 3.s -1 em uma bacia de km 2 corresponde ao escoamento anual de uma lâmina dada por: Exemplo:

65 e a evapotranspiração é dada por O coeficiente de escoamento de longo prazo é dado por ou Exemplo:

66 SIG Sistemas de Informação Geográfica Equivalem a sistemas CAD para a hidrologia Além de CAD são bancos de dados e permitem análises dos dados Bacia Hidrográficas e SIG

67 Isolinhas = curvas de nível Matriciais = modelos digitais de elevação TIN = Triangular irregular network Representações do relevo no computador

68 Representação do relevo na forma de uma matriz MDE ou MNT

69 Representação do relevo na forma de uma matriz MDE ou MNT

70 Identificação da direção de escoamento para cada elemento (célula) da matriz:

71 Codificação da Direção

72 Direção de fluxo é aquela que tiver a maior declividade. Cálculo declividade para cada uma das 8 direções possíveis. Se todas as células tem a mesma altura estou numa depressão, ou região plana. Se todas as células do entorno tem altitude maior do que a célula central estou numa depressão. Equação declividade.... Direção de escoamento

73 Rios principais (rede de drenagem) Comprimento do rio principal, etc.. Definição de Bacia e Sub-bacias Áreas das bacias Declividade das bacias O que pode ser obtido do MDE

74 Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. Definição de Bacia Hidrográfica A á gua escoa na dire ç ão da maior declividade. Assim, as linhas de escoamento são ortogonais à s curvas de n í vel. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

75 Definição automática de bacia Se, em vez de um mapa, temos um DEM Exemplo com 30-meter DEMs do USGS adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering observe a grade sobreposta

76 Direção de fluxo DEM Códigos de direção Rede de drenagem (vetorial) Function:Flow direction Argument:DEM adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

77 Área da bacia Usando as direções de fluxo seria possível contar o número de células que drenam um ponto. Mas existe um método automático um pouco diferente...

78 Área acumulada

79 Área acumulada 2

80 Área acumulada 3

81 Área acumulada no Idrisi No IDRISI existe a função Runoff que calcula área de drenagem (área acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias – Remoção de depressões – Determinação de direção de fluxo – Área acumulada

82 Área acumulada no TAS No TAS também existe uma função que calcula área de drenagem (área acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias – Remoção de depressões – Determinação de direção de fluxo – Área acumulada

83 Área acumulada ArcGIS

84 Área acumulada

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86 Rede de drenagem e sub-bacias

87 Node Edge Face Triangulated Irregular Network

88 3D Structure of a TIN

89 Real TIN in 3D!

90 ARC-GIS Idrisi GRASS Erdas Softwares

91 Delimite a bacia hidrográfica definida pelo ponto D na figura abaixo: Exercício


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