Hidrologia Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Capítulo 06b Hidrologia Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Carlos Ruberto Fragoso Jr. http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/ CTEC - UFAL

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

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

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 Evaporação e evapotranspiração Interceptação por diferentes superfícies Infiltração de superfícies permeáveis Balanço no meio não-saturado Evaporação e evapotranspiração Escoamento superficial Escoamento no meio não-saturado Percolação Escoamento subterrâneo Vazão superficial

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

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

Seção de referência, ou exutório Fontes de dados de topografia

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.

Bacia Hidrográfica

Bacia Hidrográfica

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

Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do rio Reginaldo: 26,5 km2

Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do riacho Pau D’Arco: 2,74 km2

Bacia Hidrográfica A bacia hidrográfica do riacho do Sapo : 1,85 km2

A bacia hidrográfica do rio Paraíba: 3.127,83 km2 Fonte: Plano diretor do rios Sumaúma, Remédios e Paraíba

Sub - bacia

Discretização em Sub-bacias vários níveis de subdivisão da bacia 1 Sub1 represa 3 Sub2 2 4 Sub3 Sub4 saída saída

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

Área da Bacia Hidrográfica 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 km2 (60 milhões de m2), C = 1 e P = 10 mm/hora (2,7 . 10-6 m/s) Q = 166 m3/s

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

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

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

Ordenamento dos canais 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 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

Ordenamento dos canais Strahler (1945) http://www.dpi.inpe.br/cursos/tutoriais/modelagem/cap2_modelos_hidrologicos.pdf

Ordenamento dos canais 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. 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

Ordenamento dos canais Shreve http://www.dpi.inpe.br/cursos/tutoriais/modelagem/cap2_modelos_hidrologicos.pdf

Ordenamento dos canais Horton como decidir qual é o rio principal numa confluência? 1 2 3 2 2 3 2 1 Partindo da jusante da confluência, estender a linha do curso d’água para montante, para além da bifurcação, seguindo a mesma direção. O canal confluente que apresentar maior ângulo é o de ordem menor 3 2 4 1 1 4 1 3 2 3 2 2 1 2 2 2 2 1 4 3 2 4 3 2 1 1 4 4 1 1 2 Ambos com mesmo ângulo  rio de menor extensão é o de ordem mais baixa 2 4 4

Ordenamento dos canais Horton 1 2 3 2 3 1 2 1 1 3 4 1 2 2 4 2 1 2 2 2 1 4 4 2 4 1 1 4 1 1 2 2 4 4

Declividade da Bacia Hidrográfica Diferença de altitude entre o início e o fim da drenagem dividida pelo comprimento da drenagem. Tem relação com a velocidade com a qual ocorre o escoamento. Equação de Manning: V proporcional a S0.5

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

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 (Sm) : Declividade equivalente do rio (Se) :

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

Declividade no rio Exemplo: Bacia hidrográfica do rio Paraíba

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

Curva Hipsométrica Descrição da relação entre área de contribuição e altitude. Altitude (m) 890 350 Fração da área 0,25 0,5 0,75 1,0

Curva Hipsométrica

Curva Hipsométrica H5 H95

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

Chuva de curta duração tempo 15 minutos P Q

Tempo de concentração Como estimar? Relação com comprimento do rio 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) Como estimar? Relação com comprimento do rio Relação com a declividade

Tempo de concentração Fórmulas empíricas para tempo de concentração Capítulo 06b Tempo de concentração Fórmulas empíricas para tempo de concentração Kirpich tc em minutos L em km h em m Ventura  para regiões planas A em km2 Ventura  para regiões em declives A em km2 I em m/km Passini  para regiões planas

ou fator de forma e índice de compacidade: Índice de conformação ou fator de forma e índice de compacidade: Fator de forma I alto: cheias mais rápidas I baixo: cheias mais lentas índice de compacidade Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro que a bacia teria se fosse circular. K = 0,28 P / A0.5 mede mais ou menos a mesma coisa que o fator de forma

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

Exemplos: Alongadas Paraíba  PE e AL

Exemplos: Circular Taquari Antas - RS Rio Itajaí - SC

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

Uso do solo 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 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

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

Geologia 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.

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

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

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

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

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

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

Balanço Hídrico Principal entrada  precipitação Balanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica Principal entrada  precipitação Saídas  evapotranspiração e escoamento. A equação abaixo tem que ser satisfeita: Onde V  variação do volume de água armazenado na bacia (m3) t  intervalo de tempo considerado (s) P  precipitação (m3.s-1) E  evapotranspiração (m3.s-1) Q  escoamento (m3.s-1)

Balanço Hídrico

Balanço Hídrico Intervalos de tempo longos (como um ano ou mais)  variação de armazenamento pode ser desprezada na maior parte das bacias Reescrita em unidades de mm.ano-1, o que é feito dividindo os volumes pela área da bacia As unidades de mm são mais usuais para a precipitação e para a evapotransipiração Uma lâmina 1 mm de chuva corresponde a um litro de água distribuído sobre uma área de 1 m2.

Coeficiente de escoamento 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.

Balanço hídrico de algumas regiões hidrográficas do Brasil

Exemplo: Qual seria a vazão de saída de uma bacia completamente impermeável, com área de 60km2, sob uma chuva constante à taxa de 10 mm.hora-1? Cada mm de chuva sobre a bacia de 60km2  volume total de 60.000 m3 lançados sobre a bacia  em uma hora são lançados 600.000 m3 de água sobre esta bacia. A bacia é impermeável  toda a água deve sair pelo exutório a uma vazão constante de 167 m3.s-1.

Exemplo: 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 m3.s-1. Considerando que a área da bacia neste local é de 15.000 Km2, qual é a evapotranspiração média anual nesta bacia? Qual é o coeficiente de escoamento de longo prazo?

Exemplo: 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 m3.s-1 em uma bacia de 15.000 km2 corresponde ao escoamento anual de uma lâmina dada por:

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

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

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

MDE ou MNT Representação do relevo na forma de uma matriz 92 91 88 87 82 85 83 81 78

MDE ou MNT Representação do relevo na forma de uma matriz

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

Codificação da Direção

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

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

Definição de Bacia Hidrográfica Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. A água escoa na direção da maior declividade. Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de nível. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

Definição automática de bacia observe a grade sobreposta 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

Direção de fluxo Function: Flow direction Argument: DEM DEM 71 56 44 53 69 74 78 72 47 68 58 55 21 31 67 49 46 37 38 64 22 61 16 2 4 1 8 128 DEM Códigos de direção Rede de drenagem (vetorial) adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

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...

Área acumulada 1 1 1 2

Área acumulada 2 1 3

Área acumulada 3 1 2 3 4

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

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

Área acumulada ArcGIS

Área acumulada

Área acumulada

Rede de drenagem e sub-bacias

Triangulated Irregular Network Node Edge Face

3D Structure of a TIN

Real TIN in 3D!

Softwares ARC-GIS Idrisi GRASS Erdas

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