Hidrologia

1. Hidrologia Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico Carlos Ruberto Fragoso Jr. http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/ Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves https://sites.google.com/site/professormarllusneves/ 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. precipitação evaporação (interceptação) escoamento superficial transpiração evaporação percolação fluxo ascendente zona de aeração ou zona não saturada infiltração escoamento sub-superficial zona saturada rocha de origem Ciclo Hidrológico lençol freático

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 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

5. 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: oexutório. • Para definir uma bacia: • Curso d’água • Seção transversal de referência (exutório) • Informações de topografia.

6. Definição de Bacia Hidrográfica • Diferenciar áreas que contribuem para um ponto • Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering • A águaescoanadireçãodamaiordeclividade • Assim, as linhas de escoamentosãoortogonaisàscurvas de nível.

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. Bacia Hidrográfica

11. 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.

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

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

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

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

16. Sub - bacia

17. 1 Sub1 Sub2 represa Sub3 saída Discretização em Sub-bacias vários níveis de subdivisão da bacia 3 2 4 Sub4 saída

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

19. 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

20. 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).

21. Comprimento da Bacia Hidrográfica • Comprimento da bacia • 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.

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 • 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

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

25. 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

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

27. 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 1 4 1 1 4 3 2 3 2 2 1 2 2 2 1 2 4 2 3 2 3 4 1 4 1 4 1 1 2 4 Ambos com mesmo ângulo  rio de menor extensão é o de ordem mais baixa 2 4

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

29. 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

30. Ponto mais baixo: 20 m Ponto mais alto: 300 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 (Sm) : • Declividade equivalentedo rio (Se) :

32. 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

33. Declividade no rio • Exemplo: Bacia hidrográfica do rio Paraíba

34. 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

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

36. Curva Hipsométrica

37. Curva Hipsométrica H5 H95

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

39. Chuva de curta duração tempo 15 minutos P Q

40. Tempo de concentração • 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

41. 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

42. Índice de conformação ou fator de forma e índice de compacidade: • Fator de forma • Ialto: 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

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

44. Exemplos: Alongadas Paraíba  PE e AL

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

46. 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.

47. 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)

48. 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

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

50. 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.