Apostila Bacias Hidrograficas - UFB

  • Published on
    19-Jul-2015

  • View
    81

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

CAPTULO 2 BACIA HIDROGRFICA 2.1 - Introduo A bacia hidrogrfica pode ser entendida como uma rea onde a precipitao coletada e conduzida para seu sistema de drenagem natural isto , uma rea composta de um sistema de drenagem natural onde o movimento de gua superficial inclui todos os usos da gua e do solo existentes na localidade (Magalhes, 1989). Os limites da rea que compreende a bacia hidrogrfica so definidos topograficamente como os pontos que limitam as vertentes que convergem para uma mesma bacia ou exutrio. As bacias hidrogrficas caracterizam-se pelas suas caractersticas fisiogrficas, clima, tipo de solo, geologia, geomorfologia, cobertura vegetal, tipo de ocupao, regime pluviomtrico e fluviomtrico, e disponibilidade hdrica. 2.2 - Delimitao da bacia A delimitao de cada bacia hidrogrfica feita numa carta topogrfica, seguindo as linhas das cristas das elevaes circundantes da seo do curso dgua em estudo. Cada bacia assim, sob o ponto de vista topogrfico, separada das restantes bacias vizinhas. Esta delimitao que atende apenas a fatores de ordem topogrfica define uma linha de cumeada a que poderamos chamar linha de diviso das guas pois ela que divide as precipitaes que caem e, que, por escoamento superficial, seguindo as linhas de maior declive, contribuem para a vazo que passa na seo em estudo (Fig. 2.1). Figura. 2.1 - rea de contribuio de uma bacia. No entanto, as guas que atingem a seo do curso dgua em estudo podero provir no s do escoamento superficial como tambm do escoamento subterrneo, que poder ter origem em bacias vizinhas. E, inversamente, parte do escoamento superficial poder concentrar-se em lagos ou lenis subterrneos que no tem comunicao com o curso de gua em estudo, no contribuindo para a sua vazo.

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 8

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

Concluiu-se que, alm da delimitao topogrfica, deve-se observar a delimitao da bacia sob o ponto de vista geolgico e em formaes caractersticas, calcrias ou de geologia especial. Raramente as duas delimitaes coincidem (Fig. 2.2). Figura 2.2 - Linhas divisrias fretica e topogrfica 2.3 - Caractersticas Fisiogrficas As caractersticas fisiogrficas de uma bacia so obtidas dos dados que podem ser extrados de mapas, fotografias areas e imagens de satlite. So: rea, comprimento, declividade e cobertura do solo, que podem ser expressos diretamente ou, por ndices que relacionam os dados obtidos. 2.3.1 - Forma da Bacia A forma da bacia no , normalmente, usada de forma direta em hidrologia. No entanto, parmetros que refletem a forma da bacia so usados ocasionalmente e tm base conceitual. As bacias hidrogrficas tm uma variedade infinita de formas, que supostamente refletem o comportamento hidrolgico da bacia. Em uma bacia circular, toda a gua escoada tende a alcanar a sada da bacia ao mesmo tempo (Fig. 2.3).

Figura. 2.3 - Bacia Arredondada e as caractersticas do escoamento nela originado por uma precipitao uniforme Uma bacia elptica, tendo a sada da bacia na ponta do maior eixo e, sendo a rea igual a da bacia circular, o escoamento ser mais distribudo no tempo, produzindo portanto uma enchente menor (Fig. 2.4).

Figura 2.4 - Bacia elptica e as caractersticas do escoamento nela originado por uma precipitao uniforme

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 9

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

As bacias do tipo radial ou ramificada so formadas por conjuntos de sub-bacias alongadas que convergem para um mesmo curso principal. Neste caso, uma chuva uniforme em toda a bacia, origina cheias nas sub-bacias, que vo se somar, mas no simultaneamente, no curso principal. Portanto, a cheia crescer, estacionar, ou diminuir a medida em que forem se fazendo sentir as contribuies das diferentes sub-bacias (Fig. 2.5).

Figura 2.5 - Bacia ramificada e as caractersticas do escoamento nela originado por uma precipitao uniforme a) Fator de Forma: fator de forma - Kf - a relao entre a largura mdia e o comprimento axial da bacia. Mede-se o comprimento da bacia (L) quando se segue o curso dgua mais longo desde a desembocadura at a cabeceira mais distante da bacia. A largura mdia (L) obtida quando se divide a rea pelo comprimento da bacia.

Kf =

mas

L L, (2.1) A L= L (2.2)

logo

Kf =

A L2

(2.3)

O fator de forma um ndice indicativo da tendncia para enchentes de uma bacia. Uma bacia com um fator de forma baixo menos sujeita a enchentes que outra de mesmo tamanho porm com maior fator de forma. Isso se deve ao fato de que numa bacia estreita e longa, com fator de forma baixo, h menos possibilidade de ocorrncia de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda sua extenso; e tambm numa tal bacia, a contribuio dos tributrios atinge o curso dgua principal em vrios pontos ao longo do mesmo, afastando-se portanto, da condio ideal da bacia circular discutida no item seguinte, na qual a concentrao de todo o deflvio da bacia se d num s ponto.

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 10

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

b) Coeficiente de Compacidade: coeficiente de compacidade ou ndice de Gravelius - Kc - a relao entre o permetro da bacia e o permetro de um crculo de rea igual da bacia.

A = .R 2 R =Kc = P 2R

A

(2.4) e (2.5) (2.6)

Substituindo (2.5) em (2.6), tem-se: (2.7) onde P e A so respectivamente permetro em km e rea da bacia em km2. Este coeficiente um nmero admensional que varia com a forma da bacia, independentemente do seu tamanho; quanto mais irregular for a bacia, tanto maior ser o coeficiente de compacidade. Um coeficiente mnimo igual unidade, corresponderia a uma bacia circular. Se os outros fatores forem iguais, a tendncia para maiores enchentes tanto mais acentuada quanto mais prximo da unidade for o valor desse coeficiente. 2.3.2 - Relevo Diversos parmetros foram desenvolvidos para refletir as variaes do relevo em uma bacia. Os mais comuns so: a) Declividade da bacia. Apesar de haver diversos mtodos para estimar a declividade da bacia, o mais comum simular o da Equao 2.8, sendo que a diferena de cota (H) deve se referir a toda bacia e no apenas ao canal. H ainda o mtodo das quadrculas associadas a um vetor. Esse mtodo mais completo que o anterior e consiste em determinar a distribuio percentual das declividades do terreno por meio de uma amostragem estatstica das declividades normais s curvas de nvel em um grande nmero de pontos na bacia. Esses pontos devem ser locados num mapa topogrfico da bacia por meio de um quadriculado que se traa sobre o mesmo. b) Curva Hipsomtrica. a representao grfica do relevo mdio de uma bacia. Representa o estudo da variao da elevao dos vrios terrenos da bacia com referncia ao nvel mdio do mar. Essa variao pode ser indicada por meio de um grfico que mostra a porcentagem da rea de drenagem que existe acima ou abaixo das vrias elevaes. A curva hipsomtrica pod e ser determinada pelo mtodo das quadrculas descrito no item anterior ou planimetrandose as reas entre as curvas de nvel.

Kc =

0,28 P A

Percentagem da rea de drenagem

Figura. 2.6 Curva HipsomtricaGrupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 11

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

A Tabela 2.1 apresenta os passos utilizados para o clculo de uma curva hipsomtrica, a qual mostrada na (Fig. 2.6). 1 Cota (mm) 940-920 920-900 900-880 880-860 860-840 840-820 820-800 800-780 780-760 760-740 740-720 720-700 700-680 Total 2 3 Ponto rea (km2) Mdio(m) 930 1,92 910 2,90 890 3,68 870 4,07 850 4,60 830 2,92 810 19,85 790 23,75 770 30,27 750 32,09 730 27,86 710 15,45 690 7,89 177,25 4 rea Acumulada (km2) 1,92 4,82 8,50 12,57 17,17 20,09 39,94 63,69 93,96 126,05 153,91 169,36 177,25 5 % 1.08 1,64 2,08 2,29 2,59 1,65 11,20 13,40 17,08 18,10 15,72 8,72 4,45 6 Acumul ada 1,08 2,72 4,80 7,09 9,68 11,33 22,53 35,93 53,01 71,11 86,83 95,55 100

Tabela 2.1 - Curva Hipsomtrica c) Elevao mdia da bacia. A variao da altitude e a elevao mdia de uma bacia so, tambm, importantes pela influncia que exercem sobre a precipitao, sobre as perdas de gua por evaporao e transpirao e, consequentemente, sobre o deflvio mdio. Grandes variaes da altitude numa bacia acarretam diferenas significativas na temperatura mdia a qual, por sua vez, causa variaes na evapotranspirao. Mais significativas, porm, so as possveis variaes de precipitao anual com a elevao. A elevao mdia determinada por meio de um retngulo de rea equivalente limitada pela curva hipsomtrica e os eixos coordenados; a altura do retngulo a elevao mdia. Outro mtodo o de utilizar a equao E=e.a A onde E= elevao mdia e= elevao mdia entre duas curvas de nvel consecutivas a= rea entre as curvas de nvel A= rea total (2.8)

Outro fator importante no estudo das elevaes da bacia a Altura Mdia da Seo de Controle (Desembocadura), a qual representa uma carga potencial hipottica a que esto sujeitos os volumes de excesso de chuva e constitui um fator que afeta o tempo que levariam as guas para atingir a seo de controle. Essa altura determinada pela diferena entre a elevao mediana e a elevao do leito na desembocadura.

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 12

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

d) Declividade de lveo. A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais fluviais. Assim, quanto maior a declividade, maior ser a velocidade de escoamento e bem mais pronunciados e estreitos sero os grficos vazo x tempo das enchentes. Obtm-se a declividade de um curso dgua, entre dois pontos, dividindo-se a diferena total de elevao do leito pela extenso horizontal do curso dgua entre esses dois pontos. A declividade do canal pode ser descrita como:

S=

(2.9) onde S a declividade (m/m), H diferena de cota (m) entre os pontos que definem o incio e o fim do canal, L o comprimento do canal entre estes pontos. Na Figura 2.7 apresentado um perfil longitudinal de uma bacia, onde a declividade entre a foz e a nascente est representada pela linha S1. Traa-se S2, tal que, a rea compreendida entre ela e a abscissa seja igual compreendida entre a curva do perfil e a abscissa. Traando-se S3, que representa a declividade equivalente constante, tem-se uma idia sobre o tempo de percurso da gua ao longo da extenso do perfil longitudinal Fig. 2.7 - Perfil longitudinal do Ribeiro do Lobo Uma outra forma de determinar a declividade utilizada para terrenos com declividade constante, podendo-se at determinar atravs desta declividade o tempo de percurso da precipitao. Caso o curso dgua tivesse uma declividade constante igual a declividade equivalente, o tempo de percurso seria determinado da seguinte maneira: Considerando-se que o tempo de percurso varia em toda a extenso do curso dgua com o recproco da raiz quadrada da declividade, dividindo-se o perfil de lveo em um grande nmero de trechos retilneos, tem-se que a raiz quadrada da declividade equivalente constante a mdia harmnica ponderada da raiz quadrada das declividades dos diversos trechos retilneos, tomando-se como peso a extenso de cada trecho. Logo,

H L

S 31 / 2 =

L

i

Li Si

(2.10) (2.11)

onde

S i = Di

sendo, Di= declividade de cada trecho, logo:

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 13

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

L i S3 = Li Dionde Li = distncia real medida em linha inclinada 2.3.3 Padres de drenagem

2

(2.12)

A velocidade do escoamento em canal usualmente maior que a velocidade de escoamento superficial. Portanto, o tempo de deslocamento do escoamento em uma bacia na qual o comprimento de escoamento superficial pequeno em relao ao comprimento do canal seria menor do que em uma bacia com trechos longos de escoamento superficial. O tempo de deslocamento do escoamento em uma bacia um dado de extreme importncia para diversos estudos hidrolgicos, como ser mostrado a seguir. O padro de drenagem um indicador das caractersticas do escoamento de uma precipitao. Alguns parmetros foram desenvolvidos para representar os padres de drenagem. a) Ordem dos Cursos Dgua - Leis de Horton - A ordem do curso dgua uma medida da ramificao dentro de uma bacia. Um curso dgua de primeira ordem um tributrio sem ramificaes; um curso dgua de 2a ordem um tributrio formado por dois ou mais cursos dgua de 1a ordem; um de 3a ordem formado por dois ou mais cursos de 2a ordem; e, genericamente, um curso dgua de ordem n um tributrio formado por dois ou mais cursos dgua de ordem (n - 1) e outros de ordens inferiores.

Figura 2.8 - Ordem dos cursos d'gua segundo Horton Para uma bacia hidrogrfica, a ordem principal definida como a ordem principal do respectivo canal. A Figura 2.8 mostra a ordenao dos cursos dgua de uma bacia hipottica. Neste caso, a ordem principal da bacia 4.

Grupo de Recursos Hdricos Apostila de Hidrologia 14

Universidade Federal da Bahia Departamento de Hidrulica e Saneamento

Captulo 2

Densidade de Drenagem A densidade de drenagem (D) a razo entre o comprimento total dos cursos dgua em uma bacia e a rea desta bacia hidrogrfica. Um valor alto para D indicaria uma densidade de drenagem relativamente alta e uma resposta rpida da bacia a uma precipitao.

D=

LT A

(2.13)

onde LT a extenso total dos cursos dgua e A a rea da bacia hidrogrfica. Exemplo: A rea da bacia 115Km2, a extenso total dos cursos dgua 29,0Km. A densidade de drenagem , portanto:

D=

Segundo SWAMI (1975), ndices em torno de 0,5km/km2 indicaria uma drenagem pobre, ndices maiores que 3,5km/km2 indicariam bacias excepcionalmente bem drenadas. 2.3.4. Cobertura vegetal da bacia A cobertura vegetal, e em particular as florestas e as culturas da bacia hidrogrfica, vm juntar a sua influncia de natureza geolgica dos terrenos, condicionando a maior ou menor rapidez do escoamento superficial. Para alm disso, a sua influncia exerce-se, tambm, na taxa de evaporao da bacia, com uma ao regularizadora de caudais, sobretudo nos climas secos. No caso de grandes cheias com elevados caudais a sua ao , no entanto, praticamente nula. Alm da influncia que exerce na velocidade dos escoamentos e na taxa de evaporao, a cobertura vegetal desempenha papel importante e eficaz na luta contra a eroso dos solos. 2.4 Caractersticas Geolgicas O estudo geolgico dos solos e subsolos tem por objetivo principal a sua classificao segundo a maior ou menor permeabilidade, dada a influncia que tal caracterstica tem na rapidez de crescimento das cheias. A existncia de terrenos quase, ou totalmente, impermeveis, impede a infiltrao facilitando o escoamento superficial e originando cheias de crescimento repentino. J os permeveis ocasionam o retardamento do escoamento devi...