Hidrologia aplicada capitulo 01 introd ciclo e bacia

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Hidrologia aplicada capitulo 01 introd ciclo e bacia

  1. 1. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 INTRODUÇÃO Estiagem afetando agricultura Estiagem afetando geração de energia Racionamento de energia Mortandade de peixes em rios e costas litorâneas Produção de eucalipto afeta nível de lençol freático Vazão diminuta em rios provoca morte de peixes Centenas de pessoas têm casas inundadas pelos rios O que estas questões tem a ver com Engenharia Civil? Por que são de interesse aos futuros engenheiros os eventos extremos? A crescente necessidade da humanidade de melhor utilizar, controlar e preservar os recursos naturais observar, estudar, classificar, formular equações e prever para planejar e executar modificações A hidrologia é a ciência básica (de base) imprescindível, principalmente no Brasil com abundantes fontes Mas muitas vezes mal distribuídas Exemplo da Região Norte e da Região Sudeste Mais de dois terços de toda a água brasileira estão na região Norte, onde vive quase 10% da população do país. O resultado dessa desigualdade regional é que, enquanto um carioca recebe, em média, 500 litros de água por dia, um cearense dispõe de apenas 130 litros. De acordo com o IBGE, a média nacional é de 260 litros por habitante. Sistema Cantareira é o maior dos sistemas administrados pela SABESP, destinado a captação e tratamento de água para a Grande São Paulo e um dos maiores do mundo, abastecendo aproximadamente 9 milhões de pessoas Mas ainda assim... 22/03/2012-A escassez hídrica na Região Metropolitana vai obrigar o governo do Estado de São Paulo a criar um sistema de R$ 1 bilhão para buscar água a mais de 74 km de distância da capital e bombeá-la à altura de 500 metros Engenharia é isso aí!!! Arte de aplicar conhecimentos científicos e empíricos e certas habilitações específicas à criação de estruturas, dispositivos e processos que se utilizam para converter recursos naturais em formas adequadas ao atendimento das necessidades humanas. Mas não havia outra opção, segundo a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (Sabesp), a não ser investir mais para trazer a água de mais longe. "Ou você tem água (GESTÃO DA CAPACIDADE OU DA OFERTA) ou pede para a 1
  2. 2. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 população não crescer mais, para as indústrias não virem mais para cá (GESTÃO DA DEMANDA)", Mas como viabilizar investimentos deste montante se a todo momento ouvimos que não temos capital disponível? Parcerias Público-Privadas (PPPs) pode ser uma saída legal!!! pesquisa 01 Pesquisar legislação federal 11.079/2004 que trata de parcerias publico- privadas. Basicamente a iniciativa privada faz o investimento inicial e explora a concessão para retorno do capital. Mas temos os desafios tecnológicos... O sistema vai tirar água da Represa Cachoeira do França, em Juquitiba, A distância e o fato de Juquitiba estar em nível mais baixo do que o destino da água podem elevar o custo de transporte. "A captação está abaixo da Região Metropolitana. Só em termos de consumo de energia para bombear a água, pode ter um valor superior ao custo de tratamento" A Sabesp quer investir na diminuição de perdas com vazamentos e ligações irregulares para ajudar a resolver parcialmente o problema. "Temos de começar a agir agora para evitar problemas no futuro", E aqui em Campo Grande-MS? As duas captações superficiais são: Guariroba e Lageado. Elas são responsáveis por 67% do abastecimento, sendo o Guariroba a principal delas (50%). As captações subterrâneas (poços) são responsáveis por 33% do total da água que abastece o município. Atualmente existem cerca de 105 poços em operação. pesquisa 02 Águas Guariroba é uma empresa em que regime legal? Hidrologia é a ciência que estuda a água sobre a Terra; sua quantidade, distribuição, circulação, características químicas e físicas, e sua relação com o meio ambiente e com os seres vivos. É a "ciência da Terra" De forma bem simplificada pode-se dizer que a hidrologia tenta responder à pergunta: O que acontece com a água no planeta? Engenharia Hidrológica É uma ciência aplicada. Utiliza princípios hidrológicos na solução de problemas de Engenharia relacionados à exploração dos recursos hídricos. Subdivisões: Hidrogeologia, Hidrologia de Superfície, Hidrologia Estatística etc. pesquisa 03 Relacionar as atividades e seus respectivos usos da água (usos consuntivos e não consuntivos) 2
  3. 3. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Abastecimento Navegação Irrigação (agricultura) Diluição de poluentes Manutenção dos ecossistemas (ciclos) Pesca e Psicultura Turismo Recreação Geração de energia elétrica" Relacionada ao manejo da água Controle de cheias (Diques de proteção) Proteção contra enchentes Drenagem urbana Proteção/restauração de recursos biológicos Erosão e assoreamento (sedimentos) Tratamento de esgotos Gestão de águas O volume de água doce na superfície da terra é relativamente fixo. De certa forma, à medida que a população cresce e as aspirações dos indivíduos aumentam, há uma maior possibilidade de escassez de água no mundo. No ano 2000 o mundo todo usou duas vezes mais água do que em 1960. Estima-se em 200 litros por habitante por dia o consumo de água no Brasil. Até chegar às residências, boa parte da água é perdida em vazamentos dos sistemas de distribuição. A água dos vazamentos infiltra e fica armazenada no solo ou no subsolo. Eventualmente retorna aos rios. Aproximadamente 80% da água que chega a uma residência retorna como esgoto cloacal. 3
  4. 4. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Irrigação: maior uso mundial melhor produtividade menos riscos climáticos algumas dificuldades: usar água em regiões secas transferir água: transporte de água em sistemas de canais - transposição conflitos com outros usos 4
  5. 5. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Um boi em média pesa 800kg então consume 12 milhões de litros!!! Uso industrial Refrigeração Vapor Processos Produto Limpeza 155 litros de água para 1 litro de cerveja Algumas perguntas típicas: pesquisa 04 1) Qual é a vazão máxima provável em um local proposto para uma barragem ? 2) Qual é a disponibilidade de água de um rio e como ela poderá variar entre estações e de um ano a outro ? 5
  6. 6. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 3) Qual é a relação entre a quantidade de água superficial e a água subterrânea ? 4) Qual é a vazão mínima de um rio que é igualada ou superada 90 % do tempo ? " 5) Qual é o volume de um reservatório necessário para garantir uma determinada vazão a jusante ? 6) Qual é o tamanho adequado de um reservatório de armazenamento para limitar as inundações a jusante a um nível pré-estabelecido ? 7) Qual deve ser a capacidade de um canal ou de um bueiro para evitar inundações em determinadas áreas ? 8) Quais são o “hardware” (sensor de chuva, p. ex.) e o “software” (modelo computacional) necessários para a previsão de cheias em tempo real ? 9) Qual é vazão necessária para manter uma determinada espécie ou um ecossistema em um rio? 10) Como as mudanças de regime hidrológico decorrentes das atividades humanas podem afetar as variáveis físicas de que dependem os ecossistemas? 11) Qual será a disponibilidade de água para geração de energia durante o próximo período de estiagem? 12) Considerando que não haverá água suficiente para gerar energia durante o próximo ano, quando devem ser ligadas as usinas termoelétricas? 13) Qual deve ser a potência do gerador e da turbina que deverão ser instalados em uma nova usina hidrelétrica? 14) Considerando que a quantidade de água em uma bacia é muito reduzida, quais devem ser os usos prioritários? 15) Como as mudanças climáticas poderão afetar a hidrologia? Uso consuntivo Abastecimento urbano Abastecimento industrial Irrigação Dessedentação animal Uso não consuntivo Geração de energia elétrica Navegação Recreação 6
  7. 7. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Manejo ambiental Coleta, remoção e transformação de poluentes Manejo de qualidade ambiental Proteção/restauração de recursos biológicos Geração de energia elétrica por usinas hidrelétricas é muito mais barato do que geração de energia por usinas térmicas porque o combustível é mais caro (e poluidor), embora o custo de implantação de uma usina hidrelétrica seja maior e o custo do transporte (distribuição) da energia seja maior. Observar que o Brasil é o quarto país do mundo em capacidade instalada, mas o terceiro em produção. Observar que o Brasil e a Noruega são os países com maior dependência da energia hidrelétrica no total de energia elétrica produzida. Causas: pouco carvão; falta de desenvolvimento da energia nuclear; disponibilidade de água; rios grandes e variações topográficas grandes (quedas). CICLO HIDROLÓGICO Fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre. 7
  8. 8. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Fases do ciclo hidrológico Evaporação Transpiração Condensação Precipitação Escoamento superficial Infiltração Percolação Escoamento subterrâneo 8
  9. 9. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 9
  10. 10. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Qualquer transformação dentro do ciclo hidrológico pode ser escrito: Hidrograma: Representação gráfica da vazão ao longo do tempo 10
  11. 11. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 11
  12. 12. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 pesquisa 05 "Exercícios 1) (Questão 19 Prova de Hidrologia Concurso CPRM 2002 - Certo ou Errado) a) (item 2) o ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada de água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionada exclusivamente pela energia solar. b) (item 5) Os principais componentes associados ao ciclo hidrológico são a precipitação (P), a infiltração (I), a evapotranspiração (ET) e o escoamento superficial (ES). A equação do balanço hídrico para uma bacia hidrológica qualquer pode ser expressa por P + I = ET + ES. 2) Como se pode explicar o fato de que uma região que não houve aumento populacional, os recursos hídricos se tornaram escassos; mesmo havendo a renovação de água por meio do Ciclo Hidrológico. 3) Qual a função da Engenharia com relação aos extremos do Ciclo Hidrológico. 4) Explique o Ciclo Hidrológico, enfatizando cada um de seus componentes. 5) Discuta a renovação da água pelo Ciclo Hidrológico e a velocidade de degradação ambiental." BACIA HIDROGRÁFICA Bacia Hidrográfia ou Bacia de Drenagem 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: 1) Informações de topografia 2) Seção transversal de referência (exutório) 3) Curso d’água" Utiliza-se este método de definição de região hidrológica por causa da simplicidade que oferece na aplicação do balanço de água. Deste modo, muitos modelos de estudos (descritivos, matemáticos e computacionais) têm sido conduzidos em Bacias hidrográficas. 12
  13. 13. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 13
  14. 14. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 14
  15. 15. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Bacias hidrográficas são compostas por sub-bacias hidrográficas. Cada sub-bacia é uma bacia hidrográfica que pode ser subdividida em sub-bacias, etc. Importante: divisor topográfico ou superficial x divisor freático ou subterrâneo Divisor topográfico determina a área da qual provém o deflúvio superficial da bacia Divisor subterrâneo é determinado pela estrutura geológica dos terrenos e maciços. Define os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio (vazão) básico da bacia. 15
  16. 16. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 pesquisa 06 Pode haver fuga de água precipitada em uma determinada bacia por conta da estrutura subterrânea do terreno? Qual a influência do tamanho de uma bacia hidrológica em relação às fugas? Faça o exercício de delimitação da bacia hidrográfica nos pontos de interesse A, B, C, D, E e F. Delimitar a bacia do ribeirão Água do Tucunduva, tomando como controle a seção “S”. 16
  17. 17. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 17
  18. 18. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Características da Bacia Hidrográfica: Estreita correspondência entre o regime hidrológico e estas características. Tem grande utilidade prática pois ao se estabelecer relações entre estas e os dados hidrológicos conhecidos, pode-se determinar indiretamente os valores hidrológicos em locais de interesse nos quais faltem informações ou onde não se possa monitorar ou instalar estações hidrométricas. pesquisa 07 Qual os principais dados que podem ser coletados em uma estação hidrométrica? Área de drenagem Classificação dos cursos d'água Comprimento da bacia Declividade da bacia Curva hipsométrica Forma (índice de conformação ou fator de forma) Cobertura vegetal e uso do solo" Área de drenagem: característica mais importante da bacia Reflete o volume total de água que pode ser gerado potencialmente na bacia Bacia impermeável e chuva constante: Q = I x A Se A = 60 km2 (60 milhões de m2) e I = 10 mm/hora (2,7 . 10-6 m/s) Q = 166 m3/s pesquisa 08 E se esta bacia fosse altamente permeável (floresta) com taxa de permeabilidade de 95%? Qual seria a vazão Q superficial total gerada, desprezando-se as principais perdas? Quais são as principais perdas? Estas podem de fato ser desprezadas? Classificação dos cursos d'água Perenes: sempre contém água Intermitentes: secam durante as estiagens Êfemeros: durante ou imediatamente após as precipitações 18
  19. 19. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Comprimento da bacia Declividade da bacia 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. 19
  20. 20. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Perfil Longitudinal Valores típicos: Baixa declividade: alguns cm por km Alta declividade: alguns m por km 20
  21. 21. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Curva Hipsométrica Descrição da relação entre área de contribuição e altitude. pesquisa 09 Montar uma curva hipsométrica em excel (gráfico), utilizando-se os dados abaixo. O gráfico deve ter cotas no eixo y (vertical) e percentual no eixo horizontal. 21
  22. 22. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Tempo de escoamento 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. 22
  23. 23. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Tempo que uma gota de chuva que caiu na porção mais distante da bacia leva para percorrer o caminho até o exutório, ou seção considerada. Como estimar? Relação com: Comprimento da bacia (área da bacia) Forma da bacia Declividade da bacia Alterações antrópicas Vazão (para simplificar não se considera)" Fórmulas empíricas para tempo de concentração pesquisa 10 Considerando que a cota da nascente do rio é de 1000m e a cota da exutória da bacia é de 425m, qual é o tempo de concentração sendo que o comprimento do talvegue (leito principal do rio) é de 22km? Este perfil longitudinal apresenta alta ou baixa declividade (m / km)? Índice de conformação ou fator de forma: 23
  24. 24. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 O fator de forma constitui um indicativo da maior ou menor tendência para enchentes de uma bacia. Uma bacia estreita e longa, com fator de forma baixo, há menos possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo toda a sua extensão. Além disso, em tal bacia, a contribuição dos tributários atinge o curso d'água principal em vários pontos ao longo do talvegue. Deste modo, afasta-se da condição ideal de uma bacia circular, na qual a concentração de todo o deflúvio (vazão ou descarga) da bacia se dá em um só ponto. pesquisa 11 No exemplo da curva hipsométrica, a bacia tem área de 177,25km2. Qual é o seu fator de forma, sabendo-se que o comprimento da bacia é de 20,1km? Índice de compacidade É um índice adimensional que varia com a forma da bacia. Quanto mais irregular for a bacia, tanto maior será o coeficiente de compacidade. Um coeficiente mínimo igual a unidade corresponde a uma bacia circular. pesquisa 12 Você seria capaz de demonstrar a origem da equação deste índice? 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. 24
  25. 25. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 pesquisa 13 Uma plantação para agricultura próximo a um pequeno curso d'água, sem respeitar inclusive a faixa marginal de vegetação (antiga mata ciliar), pode afetar outros usos consuntivos da região? Explique. pesquisa 14 Em que legislação federal se pode encontrar a faixa marginal de vegetação (antiga mata ciliar) que deve ser preservada? Indique quais são estas faixas. 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) 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 solo Solos arenosos = menos escoamento superficial Solos argilosos = mais escoamento superficial Solos rasos = mais escoamento superficial Solos profundos = menos escoamento superficial Geologia Rochas do subsolo 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. pesquisa 15 De que consiste a formação geológica do Aquífero Guarani? Quais são principais benefícios e riscos na utilização desta reserva natural de água? Dada a sua extensão continental e cruzando fronteiras de alguns países, pode haver conflitos na exploração deste reservatório? Explique. 25
  26. 26. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Partes da Bacia Vertentes (regiões próximas as nascentes e aos divisores de água) Escoamento superficial difuso Não há canais definidos Escoamento sub-superficial e subterrâneo Rede de drenagem (ou sistema de drenagem) Escoamento superficial Canais bem definidos Densidade da Rede de Drenagem: Controlada pela Geologia e pelo Clima Forma da Rede de Drenagem: Controlada pela Geologia pesquisa 16 Pesquise sobre a região do leque aluvial do Rio Taquari e compare seu formato com os exemplos acima. Você consegue imaginar porque ocorreu este tipo de sistema de drenagem? 26 Configurações de drenagem
  27. 27. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Forma de rede de drenagem Ordem dos cursos d'água A ordem dos rios é uma classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro da bacia. Este critério foi desenvolvido por Horton (modificado por Strahler) e consiste em: 27
  28. 28. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Primeira Ordem - canais que não tenham tributários Quando dois canais de Primeira Ordem se unem, é formado um segmento de Segunda Ordem. Quando dois canais de Segunda Ordem se unem, é formado um trecho de Terceira Ordem. E assim segue sucessivamente até a exutória (ou saída) da bacia em estudo. Exercício 17 – Utilizando a bacia do ribeirão Água do Tucunduva (exercício 06), e tomando como controle a seção “S”, classifique a ordem dos cursos d’água conforme critério de Horton. Balanço Hídrico O balanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica é denominado balanço hídrico. A principal entrada de água de uma bacia é a precipitação. A saída de água da bacia pode ocorrer por evapotranspiração e por escoamento. Estas variáveis podem ser medidas com diferentes graus de precisão. O balanço hídrico de uma bacia exige que seja satisfeita a equação: 28
  29. 29. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Em intervalos de tempo longos, como um ano ou mais, a variação de armazenamento pode ser desprezada na maior parte das bacias, e a equação pode ser reescrita em unidades de mm.ano-1 , o que é feito dividindo os volumes pela área da bacia. Onde: P é a precipitação em mm.ano-1 ; E é a evapotranspiração em mm.ano-1 ; e Q é o escoamento em mm.ano-1 . As unidades de mm são mais usuais para a precipitação e para a evapotranspiração. Uma lâmina 1 mm de chuva corresponde a um litro de água distribuído sobre uma área de 1 m2 . pesquisa 18 Demonstre que 1mm de água sobre uma área de 1m2 corresponde a um litro de água nesta mesma área. Coeficiente de escoamento O percentual da chuva que se transforma em escoamento é chamado coeficiente de escoamento de longo prazo e é dado por: 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. 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 corresponde a um volume total de 60.000 m3 lançados sobre a bacia, o que significa que em uma hora são lançados 600.000 m3 de água sobre esta bacia. Como 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 recebe precipitações médias anuais de 1600 mm. 29
  30. 30. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 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? 30
  31. 31. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 Bacia Hidrográficas e SIG SIG são 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 (MDE) TIN = Triangular irregular network MDE ou MNT (modelagem numérica do terreno) Direção do escoamento 31
  32. 32. Hidrologia Aplicada – Capitulo 01 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 E outros Softwares disponíveis no mercado: ARC-GIS Idrisi GRASS Erdas 32

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