Aula 02 - Bacia e Balanço Hidrico

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Bacia Hidrográfica

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  • HidrologiaBacia Hidrogrfica e Balano HdricoCarlos Ruberto Fragoso Jr.http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj/

    CTEC - UFAL

  • Programa da aula Parte 1 (Bacia Hidrogrfica) O que uma Bacia Hidrogrfica? Caractersticas de uma Bacia Hidrogrfica

    Parte 2 (Balano Hdrico) O que o balano hdrico? Exemplos prticos

  • lenol freticoCiclo Hidrolgico

  • Processos do ciclo hidrolgicoPrecipitao e evaporaono espao e no tempoPrecipitao sobrereas impermeveisInterceptaovegetal

    Precipitao direta emlagos, rios e reservatrios

    Interceptao pordiferentes superfcies Infiltrao desuperfcies permeveisBalano no meiono-saturado Escoamentosuperficial Escoamento no meiono-saturado PercolaoEscoamentosubterrneo Vazo superficialEvaporao eevapotranspiraoEvaporao eevapotranspirao

  • Bacia Hidrogrfica Uma regio em que a chuva ocorrida em qualquer ponto drena para a mesma seo transversal do curso-dgua.

    rea de captao natural das precipitaes, que faz convergir os escoamentos para um nico ponto de sada: o exutrio.

    Para definir uma bacia: Curso dgua Seo transversal de referncia (exutrio) Informaes de topografia.

  • Diferenciar reas que contribuem para um pontoDefinio de Bacia Hidrogrfica Identificar para onde escoa a gua sobre o relevo usando como base as curvas de nvel.A gua escoa na direo da maior declividadeAssim, as linhas de escoamento so ortogonais s curvas de nvel.

  • Fontes de dados de topografia

  • Divisor no corta drenagem exceto no exutrio.

    Divisor passa pela regio mais elevada da bacia, mas no necessariamente pelos pontos mais altos.

  • Bacia Hidrogrfica

  • Bacia Hidrogrfica

  • A bacias do riacho Pau DArco, riacho do Sapo e riacho Gulandim so sub-bacias da bacia do rio Reginaldo bacias urbanas. Bacias hidrogrficas so compostas por sub-bacias hidrogrficas, sendo tambm estas bacias hidrogrficas que podem ser subdividida em sub-bacias, etc.Bacia Hidrogrfica A bacias dos rios Caamba, Porangaba, Blsamo, Seco, Paraibinha, .... so sub-bacias da bacia do rio Paraba bacias rurais com pequenas aglomeraes urbanas.

  • Bacia Hidrogrfica A bacia hidrogrfica do rio Reginaldo: 26,5 km2

  • Bacia Hidrogrfica A bacia hidrogrfica do riacho Pau DArco: 2,74 km2

  • Bacia Hidrogrfica A bacia hidrogrfica do riacho do Sapo : 1,85 km2

  • A bacia hidrogrfica do rio Paraba: 3.127,83 km2Fonte: Plano diretor do rios Sumama, Remdios e Paraba

  • 3Sub4Discretizao em Sub-baciasvrios nveis de subdiviso da baciasada

  • divisor superficial x divisor subterrneoDivisor:Caractersticas da Bacia Hidrogrfica: rea de drenagem Comprimento Declividade Curva hipsomtrica Forma Cobertura vegetal e uso do solo Bacia Hidrogrfica

  • Caracterstica mais importante da bacia

    Reflete o volume total de gua que pode ser gerado potencialmente na baciaBacia impermevel e chuva constante:Q = C . P . A Se A = 60 km2 (60 milhes de m2), C = 1e P = 10 mm/hora (2,7 . 10-6 m/s)Q = 166 m3/s

    rea da Bacia Hidrogrfica

  • Uma vez definidos os contornos (divisor), a rea pode ser calculada por uma integral numrica (SIG) ou por mtodos manuais (planmetro, contagem, pesagem).rea da Bacia Hidrogrfica

  • Comprimento da bacia

    Comprimento do rio principalComprimento da Bacia HidrogrficaOs comprimentos da bacia e do rio principal so importantes para a estimativa do tempo que a gua leva para percorrer a bacia.

  • Ordenamento dos canais Trata-se de uma hierarquizao dos canais fluviais Cada linha de drenagem pode ser categorizada de acordo com sua posio (ordem ou magnitude) dentro da bacia A ordenao 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 Strahler linhas de 2 ordem so formadas pela juno de 2 linhas de 1 ordem, as linhas de 3 ordem so formadas pela juno de 2 linhas de 2 ordem e assim sucessivamente as linhas de 3 ordem, por exemplo, podem tambm receber um canal de 1 ordem como fazer a ordenao? linhas de drenagem que no possuem nenhum tributrio so designadas como linhas de 1 ordem A ordem ou magnitude das demais linhas de drenagem depende do mtodo utilizado Horton, Strahler e Shreve

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

  • Shreve magnitudes somadas todas as vezes que h a juno de duas linhas de drenagem exemplo quando 2 linhas de 2 ordem se unem, o trecho a jusante recebe a designao de 4 ordem Algumas ordens podem no existir. Ordenamento dos canais Horton canais de 2 ordem tm apenas afluentes de 1 ordem. Canais de 3 ordem tm afluncia de canais de 2 ordem, podendo tambm receber diretamente canais de 1 ordem canais de ordem u pode ter tributrios de ordem u-1 at 1. Isto implica atribuir a maior ordem ao rio principal, valendo esta designao em todo o seu comprimento, do exutrio nascente

  • Shrevehttp://www.dpi.inpe.br/cursos/tutoriais/modelagem/cap2_modelos_hidrologicos.pdfOrdenamento dos canais

  • HortonOrdenamento dos canais11 como decidir qual o rio principal numa confluncia?Partindo da jusante da confluncia, estender a linha do curso dgua para montante, para alm da bifurcao, seguindo a mesma direo. O canal confluente que apresentar maior ngulo o de ordem menorAmbos com mesmo ngulo rio de menor extenso o de ordem mais baixa2122211111111222223332223333444442224442

  • HortonOrdenamento dos canais1112211111111222233322444442224442

  • Tem relao com a velocidade com a qual ocorre o escoamento. Diferena de altitude entre o incio e o fim da drenagem dividida pelo comprimento da drenagem. Equao de Manning: V proporcional a S0.5Declividade da Bacia Hidrogrfica

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

  • Declividade no rioComprimento do rio principal (L): para cada bacia existe um rio principal. Define-se o rio principal de uma bacia hidrogrfica como aquele que drena a maior rea no interior da bacia. A medio do comprimento do rio pode ser realizada por curvmetro ou por geoprocessamento;

    Declividade mdia do rio (Sm) :

    Declividade equivalente do rio (Se) :

  • Declividade no rio Exemplo: Bacia hidrogrfica do rio ParabaForam utilizados o ndice de declividade de Roche e o ndice global IGFrao em porcentagem da superfcie A, compreendida entre duas curvas de nvel vizinhasIntervalo entre duas curvas de nvel.Altitude para a qual h 5% da rea de bacia acima dessa altitudeAltitude para a qual h 95% da rea de bacia acima dessa altitude

  • Declividade no rio Exemplo: Bacia hidrogrfica do rio Paraba

  • Perfil tpico:altomdiobaixoDistncia ao longo do rio principalAltitude do leitoValores tpicos:Baixa declividade: alguns cm por kmAlta declividade: alguns m por kmPerfil Longitudinal

  • Descrio da relao entre rea de contribuio e altitude. Altitude (m)350890Frao da rea01,00,250,750,5Curva Hipsomtrica

  • Curva Hipsomtrica

  • Curva HipsomtricaH5H95

  • Tempo de viagem = 2 minTempo de viagem = 15 minTempo de escoamento

  • 15 minutosQPtempoChuva de curta durao

  • Tempo necessrio para que a gua precipitada no ponto mais distante da bacia escoe at o ponto de controle, exutrio ou local de medio. Relao com: Comprimento da bacia (rea da bacia) Forma da bacia Declividade da bacia Alteraes antrpicas Vazo (para simplificar no se considera)Tempo de concentraoComo estimar?Relao com comprimento do rioRelao com a declividade

  • Frmulas empricas para tempo de concentraotc em minutosL em kmh em mKirpichTempo de concentraoVentura para regies planasA em km2Ventura para regies em declivesA em km2I em m/kmPassini para regies planas

  • Fator de forma I alto: cheias mais rpidas I baixo: cheias mais lentasndice de conformao ou fator de forma e ndice de compacidade:ndice de compacidade Relao entre o permetro da bacia e o permetro 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

  • So FranciscoOutras: Tiet; Paranapanema;Tocantins.Exemplos: Alongadas

  • Paraba PE e ALExemplos: Alongadas

  • Taquari Antas - RSRio Itaja - SCExemplos: Circular

  • Maior profundidade de razes = gua consumida pela evapotranspirao pode ser retirada de maiores profundidades do solo. Florestas: maior interceptao; maior profundidade de razes. Maior interceptao = escoamento demora mais a ocorrer.Cobertura Vegetal

  • Substituio de florestas por lavoura/pastagens Urbanizao: telhados, ruas, passeios, estacionamentos e at ptios de casas Modificao dos caminhos da guaAumento da velocidade do escoamento (leito natural rugoso x leito artificial com revestimento liso)Encurtamento das distncias at a rede de drenagem (exemplo: telhado com calha)Uso do solo

  • Agricultura = compactao do soloReduo da quantidade de matria orgnica no soloPorosidade diminuiCapacidade de infiltrao diminuiRazes mais superficiais: Consumo de gua das plantas diminuiUso do solo

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

  • Rochas do sub-solo afetam o comportamento da bacia hidrogrfica. Rochas porosas tem a propriedade de armazenar grandes quantidades de gua (rochas sedimentares arenito). Rochas magmticas tem pouca porosidade e armazenam pouca gua, exceto quando so muito fraturadas. Bacias com depsitos calcreos tem grandes cavidades no sub-solo onde a gua armazenada.Geologia

  • Vertentes: Rede de drenagem: Escoamento superficial difuso No h canais definidos Escoamento sub-superficial e subterrneo Escoamento superficial Canais bem definidosPartes da Bacia

  • Densidade da Rede de Drenagem: Forma da Rede de Drenagem:Controlada pela Geologia e pelo ClimaControlada pela GeologiaRede de Drenagem

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

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

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

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

  • A equao abaixo tem que ser satisfeita:OndeV variao do volume de gua armazenado na bacia (m3)t intervalo de tempo considerado (s)P precipitao (m3.s-1)E evapotranspirao (m3.s-1)Q escoamento (m3.s-1)Balano Hdrico Balano entre entradas e sadas de gua em uma bacia hidrogrfica Principal entrada precipitao Sadas evapotranspirao e escoamento.

  • Balano Hdrico

  • Intervalos de tempo longos (como um ano ou mais) variao de armazenamento pode ser desprezada na maior parte das baciasAs unidades de mm so mais usuais para a precipitao e para a evapotransipiraoBalano HdricoReescrita em unidades de mm.ano-1, o que feito dividindo os volumes pela rea da baciaUma lmina 1 mm de chuva corresponde a um litro de gua distribudo sobre uma rea de 1 m2.

  • Percentual da chuva que se transforma em escoamentoO coeficiente de escoamento tem, teoricamente, valores entre 0 e 1. Na prtica os valores vo de 0,05 a 0,5 para a maioria das bacias.Coeficiente de escoamento

  • Balano hdrico de algumas regies hidrogrficas do Brasil

    Plan1

    RegioreaChuvaVazoEvapoChuvaVazoEvapoVazo

    transp.transp.%

    km2m3/sm3/sm3/smmmmmmChuva

    Amazonas - Total611200049349120200029149125461042150441

    Amazonas- Brasil388419127700012890013964022491047113447

    Tocantins7570004238711300310871766471129527

    Atlntico Norte242000163886000103882136782135437

    Atlntico Nordeste78700027981313024851112112599611

    So Francisco6340001982930401678998615183515

    Atlntico Leste (1)242000778467071141014879279

    Atlntico Leste (2)3030001179137108081122738684131

    Paran8770003993511200287351436403103328

    Paraguai36800016326134014986139911512848

    Uruguai178000958940405549169971698342

    Atlntico - Sul2240001051945705949148164383843

    Brasil - Amazonas Total107240006960202510004450202047738130936

    Brasil - Amazonas Parcial84961914795291779002931691780660108837

    (1) Do Japaratuba (SE) ao Pardo (BA)

    (1) Do Jequitinhonha (MG/BA) ao Paraba do Sul ( SP/MG/RJ)

  • Cada mm de chuva sobre a bacia de 60km2 volume total de 60.000 m3 lanados sobre a bacia em uma hora so lanados 600.000 m3 de gua sobre esta bacia.

    A bacia impermevel toda a gua deve sair pelo exutrio a uma vazo constante de 167 m3.s-1. Qual seria a vazo de sada de uma bacia completamente impermevel, com rea de 60km2, sob uma chuva constante taxa de 10 mm.hora-1?Exemplo:

  • A regio da bacia hidrogrfica do rio Taquari recebe precipitaes mdias anuais de 1600 mm. Em Muum (RS) h um local em que so medidas as vazes deste rio e uma anlise de uma srie de dados dirios ao longo de 30 anos revela que a vazo mdia do rio de 340 m3.s-1.

    Considerando que a rea da bacia neste local de 15.000 Km2, qual a evapotranspirao mdia anual nesta bacia? Qual o coeficiente de escoamento de longo prazo? Exemplo:

  • O balano hdrico de longo prazo de uma dado poronde P a chuva mdia anual; E a evapotranspirao mdia anual e Q o escoamento mdio anual.A vazo mdia de 340 m3.s-1 em uma bacia de 15.000 km2 corresponde ao escoamento anual de uma lmina dada por:Exemplo:

  • e a evapotranspirao dada porO coeficiente de escoamento de longo prazo dado por ouExemplo:

  • SIG Sistemas de Informao Geogrfica Equivalem a sistemas CAD para a hidrologia Alm de CAD so bancos de dados e permitem anlises dos dadosBacia Hidrogrficas e SIG

  • Isolinhas = curvas de nvel Matriciais = modelos digitais de elevao TIN = Triangular irregular networkRepresentaes do relevo no computador

  • Representao do relevo na forma de uma matrizMDE ou MNT

  • Representao do relevo na forma de uma matrizMDE ou MNT

  • Identificao da direo de escoamento para cada elemento (clula) da matriz:

  • Codificao da Direo

  • Direo de fluxo aquela que tiver a maior declividade. Clculo declividade para cada uma das 8 direes possveis. Se todas as clulas tem a mesma altura estou numa depresso, ou regio plana. Se todas as clulas do entorno tem altitude maior do que a clula central estou numa depresso. Equao declividade ....Direo de escoamento

  • Direo de escoamento Rios principais (rede de drenagem) Comprimento do rio principal, etc.. Definio de Bacia e Sub-bacias reas das bacias Declividade das baciasO que pode ser obtido do MDE

  • Identificar para onde escoa a gua sobre o relevo usando como base as curvas de nvel.Definio de Bacia HidrogrficaA gua escoa na direo da maior declividade.

    Assim, as linhas de escoamento so ortogonais s curvas de nvel.

    adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

  • Definio automtica de baciaSe, em vez de um mapa, temos um DEM

    Exemplo com 30-meter DEMs do USGSadaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

    observe a grade sobreposta

  • Direo de fluxoDEMCdigos de direoRede de drenagem(vetorial)Function:Flow directionArgument:DEMadaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering

  • rea da baciaUsando as direes de fluxo seria possvel contar o nmero de clulas que drenam um ponto.

    Mas existe um mtodo automtico um pouco diferente...

  • rea acumulada 1

  • rea acumulada 2

  • rea acumulada 3

  • rea acumulada no IdrisiNo IDRISI existe a funo Runoff que calcula rea de drenagem (rea acumulada) onde so realizadas de forma automtica as operaes intermediriasRemoo de depressesDeterminao de direo de fluxorea acumulada

  • rea acumulada no TASNo TAS tambm existe uma funo que calcula rea de drenagem (rea acumulada) onde so realizadas de forma automtica as operaes intermediriasRemoo de depressesDeterminao de direo de fluxorea acumulada

  • rea acumulada ArcGIS

  • rea acumulada

  • rea acumulada

  • Rede de drenagem e sub-bacias

  • Triangulated Irregular Network

  • 3D Structure of a TIN

  • Real TIN in 3D!

  • ARC-GIS Idrisi GRASS ErdasSoftwares

  • Delimite a bacia hidrogrfica definida pelo ponto D na figura abaixo:Exerccio

    *Captulo 06bCaptulo 06b*