Hidrologia I - Apostilas - Engenharia Ambiental, Notas de estudo de Sociedade e Meio Ambiente
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Hidrologia I - Apostilas - Engenharia Ambiental, Notas de estudo de Sociedade e Meio Ambiente

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Apostilas de Engenharia Ambiental sobre o estudo da Hidrologia, Formação das precipitações, Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação, Sistema de drenagem de uma bacia, Fatores que influenciam na infi...
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INTRODUÇÃO

CENTRO TECNOLÓGICO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

H I D R O L O G I A

Prof. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça

2009

2

ÍNDICE

PÁGINA

I. INTRODUÇÃO.......................................................................................... 04 I.1. Autor............................................................................................................ 04

I.2. A Água......................................................................................................... 04

I.3. Definição de Hidrologia.............................................................................. 04

I.4. Breve histórico da Hidrologia...................................................................... 04

I.5. Aplicações da hidrologia............................................................................. 05

I.6. O ciclo hidrológico...................................................................................... 06

I.7. O estudo da hidrologia............................................................................... 07

II. PRECIPITAÇÃO............................................................................................... 08

II.1. Definição................................................................................................. 08

II.2. Formação das precipitações.................................................................... 08

II.3. Tipos de precipitação................................................................................ 08

II.4. Medida das precipitações........................................................................ 10

II.5. Características Principais das Precipitações............................................ 11

II.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação........... 12

II.7. Verificação da homogeneidade de dados................................................ 12

II.8. Curva intensidade-duração-frequência.................................................... 12

III. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM........................ 16 III.1. Definição................................................................................................ 16

III.2. Índices que indicam a forma da bacia.................................................... 16

III.3. Sistema de drenagem de uma bacia....................................................... 17

III.4. Características do relevo........................................................................ 18

III.5. Classificação dos cursos d'água............................................................. 19

IV. INFILTRAÇÃO,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 20 IV.1. Definição................................................................................................ 20

IV.2. Fatores que influenciam na infiltração................................................... 20

IV.3. Curva de capacidade de infiltração........................................................ 20

IV.4. Medição da capacidade de infiltração.................................................... 22

V. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO..................................................... 23

V.1. Evaporação.............................................................................................. 23

V.2. Fatores que influem na evaporação......................................................... 23 V.3. Medição de evaporação........................................................................... 23

V.4. Medida da evaporação da superfície das águas...................................... 24

V.5. Medida da evaporação da superfície do solo.......................................... 25

V.6. Medida da transpiração........................................................................... 26

V.7. Fórmula geral da evaporação.................................................................. 26

V.8. Fórmulas empíricas................................................................................. 26

V.9. Evapotranspiração em bacia hidrográfica............................................... 27

VI. ESCOAMENTO SUPERFICIAL............................................................ 29

VI.1. Definição............................................................................................... 29

VI.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial........... 29

3

VI.3. Algumas definições................................................................................ 29

VI.4. Determinação da linha de separação da precipitação efetiva................. 30

VI.5. Curva-chave de uma seção de rio ou canal............................................ 31

VI.6. Previsão de vazões a partir de precipitações.......................................... 32

VI.7. Previsão de cheias e determinação de enchente de projeto................... 35

VI.7.1. Definições..................................................................................... 35

VI.7.2. Estimativa da cheia de projeto...................................................... 36

VI.7.3. Período de retorno de uma descarga............................................. 36

VI.7.4. Obtenção da relação entre o risco, vida útil e período de retorno 37

VI.7.5. Determinação do período de retorno de vazões........................... 38

VI.8. Manipulação de dados de vazão...................................................... 39

VII. RESERVATÓRIOS DE ESTIAGEM E BACIAS HIDRÁULICAS…... 40

VII.1. Conceitos............................................................................................ 40

VII.2. Finalidade das barragens.................................................................... 40

VII.3. Tipos construtivos de barragens......................................................... 41

VII.4. Dados básicos de projeto/Escolha do local de implantação............... 43

VII.5. Determinação do volume útil do reservatório de regularização........ 45

VIII. BIBLIOGRAFIA

4

5

I. INTRODUÇÃO

I.1. Autor

Eng. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça

M. Sc. em Engenharia Civil - COPPE/UFRJ - 1977

Ph. D. em Engenharia Civil - CSU - EUA – 1987

Pós-Doc no Dep. Eng. Civil e Ambiental da Cornell University (NY) – EUA - 1998

Membro do Conselho Estadual de Recursos Hídricos

Membro do Comitê da Bacia do Rio Doce

I.2. A Água

O planeta Terra é formado por ¾ de água (doce e salgada) e apenas ¼ de terra

(continentes e terras), assim distribuída:

 0,01% nos rios;

 0,35% nos lagos e pântanos;

 2,34% nos pólos, geleiras e icebergs;

 97,3% nos oceanos.

O Brasil possui 13,7% da água doce do planeta e 80% das águas brasileiras estão nos

rios da Amazônia.

A água é indispensável para a sobrevivência humana. Sua crescente utilização tem

conduzido não só à redução de disponibilidade como também à degradação da qualidade. O

aumento da demanda é conseqüência direta do crescimento populacional, do desenvolvimento

industrial e do aumento de outras atividades humanas. Grande parte das formas de utilização

da água resulta em resíduos, que por sua vez podem causar poluição.

I.3. Definição de Hidrologia

Ciência que trata da água na terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas

propriedades físicas e químicas, suas relações com o meio ambiente, incluindo suas relações

com a vida.

I.4. Breve histórico da Hidrologia

Lagos e Pântanos

Rios

Pólos, Geleiras e Icebergs

Oceanos e Mares

6

A Hidrologia é uma ciência jovem, tendo seu maior desenvolvimento neste século, sob

a pressão do grande impulso que foi dado às obras hidráulicas.

Os insucessos que vinham acontecendo anteriormente com as obras nos rios,

resultantes principalmente de estimativas insuficientes de vazões de enchente, traziam

conseqüências desastrosas que se agravavam com a ampliação do porte de obras, o progresso

e desenvolvimento das populações ribeirinhas, bem como repercussões sobre a economia das

nações pelo colapso operacional desses empreendimentos.

Devido à importância do controle da poluição e do planejamento das bacias

hidrográficas, a partir da década de 1970, uma maior conscientização da população a respeito

dos problemas ambientais deu novo impulso aos estudos e à aplicação da hidrologia.

I.5. Aplicações da hidrologia

Algumas aplicações são enumeradas a seguir:

a) Escolha de fontes de abastecimento de água para uso doméstico ou industrial

b) Projeto e construção de obras hidráulicas

b.1) Fixação das dimensões hidráulicas de obras de arte, tais como: pontes,

bueiros, etc.;

b.2) Projeto de barragens; localização; escolha do tipo de barragem, de fundação e

do extravasor; dimensionamento.

c) Drenagem

c.1) Estudo das características do Lençol Freático.

c.2) Estudo das condições de alimentação e escoamento natural do lençol,

precipitação, bacia de contribuição e nível d'água dos cursos.

d) Irrigação – Visa suprir as deficiências pluviais, proporcionando teor de umidade

no solo suficiente para o crescimento de plantas.

d.1) Escolha do manancial.

d.2) Estudo de evaporação e infiltração.

e) Regularização dos cursos d'água e controle de inundações

e.1) Estudo das variações de vazão; previsão de vazões máximas.

e.2) Exame das oscilações de nível e das áreas de inundação.

f) Controle da poluição e preservação ambiental

Análise da capacidade de autodepuração dos corpos receptores (rios, lagoas, etc.)

dos efluentes de sistemas de esgotos sanitários e industriais: vazões mínimas de cursos d'água,

capacidade de reaeração e velocidade de escoamento.

g) Controle da erosão

g.1) Análise de intensidade e frequência das precipitações máximas, determinação

do coeficiente de escoamento superficial.

g.2) Estudo da ação erosiva das águas e proteção por meio da vegetação e outros

recursos.

h) Navegação

Obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais navegáveis.

7

i) Aproveitamento hidrelétrico:

i.1) Previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos d'água para o

estudo econômico e dimensionamento das instalações.

i.2) Verificação da necessidade de reservatório de acumulação, determinação dos

elementos necessários ao projeto e construção do mesmo: bacias hidrográficas, volumes

armazenáveis, perdas por evaporação e infiltração.

j) Operação de sistemas hidráulicos complexos

l) Recreação – Atividades recreativas, esportes náuticos, navegação, pescas

recreativas e lazer contemplativo.

m) Preservação e desenvolvimento da vida aquática – Manutenção de padrões

adequados de qualidade das águas para conservação da fauna e da flora, com a manutenção de

ambientes propícios às atividades humanas e à preservação da harmonia paisagística.

Disponibilidade hídrica espaço-temporal: quantidade e qualidade de água.

n) Estudos integrados de bacias hidrográficas para múltiplos propósitos

I.6. O ciclo hidrológico

O ciclo hidrológico é o movimento permanente da água, resultante dos fenômenos de

evaporação, transpiração, precipitação, escoamento superficial, escoamento subterrâneo,

infiltração, entre outros. O ciclo hidrológico é representado esquematicamente na figura

abaixo:

A representação esquemática não deve levar a uma idéia simplista do fenômeno que é,

na realidade, muito complexo.

O movimento de circulação do ciclo hidrológico se processa a custa da energia solar.

8

Energia Solar  Quando o sol começa a esquentar a água, ocorre evaporação. É ela que vai

formar as nuvens que irão resultar na chuva.

Chuva  Quando há uma grande concentração de gotas, as nuvens ficam pesadas e é

formada a chuva. A água que cai sobre a terra servirá para animais, plantas e seres humanos.

Vento  O vento move as nuvens, fazendo com que as chuvas sejam distribuídas por toda a

extensão terrestre.

Oceano  A água do oceano evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens de

chuva.

Transpiração  A água retida nas plantas e na terra vai para a atmosfera e ajuda na

formação das nuvens de chuva através da transpiração.

Água Subterrânea  A água subterrânea vai para a atmosfera e ajuda na formação das

nuvens de chuva através da transpiração da terra e das árvores quando elas são aquecidas pela

energia solar.

Evaporação  A água dos rios, lagos e oceanos evapora com a energia solar e forma as

nuvens.

Neve e gelo  A neve e o gelo escorrem pelo interior da terra e ajudam na formação das

nuvens, seja pela transpiração das árvores e terra, seja pela evaporação de rios e oceanos.

Rios e Lagos  A água dos rios e lagos evapora com a energia solar e ajuda a formar as

nuvens.

I.7. O estudo da hidrologia

Compreende a coleta de dados básicos como, por exemplo, a quantidade de água

precipitada ou evaporada e a vazão dos rios; a análise desses dados para o estabelecimento de

suas relações mútuas e o entendimento da influência de cada fator e, finalmente, a aplicação

dos conhecimentos alcançados para a solução de inúmeros problemas práticos.

A hidrologia não é uma ciência puramente acadêmica, sendo uma ferramenta

imprescindível ao engenheiro em todos os projetos relacionados com a utilização ou controle

de recursos hídricos.

Os projetos de obras futuras são realizados com bases em dados do passado. Existem

duas maneiras distintas de se encarar os estudos hidrológicos:

1) Dar maior ênfase à interdependência entre os diversos fenômenos, procurando-se

estabelecer relações de causa e efeito;

2) Estudo com consideração da natureza probabilística da ocorrência dos fenômenos.

Recentemente, tem-se separado os métodos de estudos com as seguintes

denominações:

1) Hidrologia paramétrica ou determinística;

2) Hidrologia estocástica.

9

II. PRECIPITAÇÃO

II.1. Definição

Água proveniente do vapor d'água da atmosfera depositada na superfície terrestre de

várias formas. Como, por exemplo, chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada.

Será estudada em nosso curso, principalmente, a precipitação em forma de chuva por

ser mais facilmente medida, por ser incomum a ocorrência de neve em nosso país e pelo fato

das outras formas de precipitação geralmente contribuírem pouco para a vazão de rios.

II.2. Formação das precipitações

A atmosfera pode ser considerada como um reservatório e um sistema de distribuição

e transporte do vapor d'água.

A formação das precipitações está ligada à ascensão de massas de ar, que pode ser

devida aos seguintes fatores:

 Convecção térmica;

 Relevo;

 Ação frontal de massas. A ascensão de ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de

saturação, ao que se seguirá a condensação de água em forma de minúsculas gotas que são

mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros.

Para que ocorra precipitação é preciso que as gotas cresçam a partir de núcleos, que

podem ser gelo, poeira ou outras partículas, até atingirem o peso suficiente para vencerem as

forças de sustentação e caírem.

II.3. Tipos de precipitação

a) Precipitações ciclônica:

Estão associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para

regiões de baixa pressão. Essas diferenças de pressão são causadas por aquecimento desigual

da superfície terrestre.

A precipitação ciclônica pode ser classificada como frontal ou não frontal. Qualquer

baixa de pressão pode produzir precipitação não frontal com o ar sendo elevado devido a uma

convergência horizontal em áreas de baixa pressão. A precipitação frontal resulta da ascensão

do ar quente sobre o ar frio na zona de contato entre duas massas de ar de características

diferentes. Se a massa de ar se move de tal forma que o ar frio é substituído por ar mais

quente, a frente é conhecida como frente quente, e se por outro lado, o ar quente é substituído

por ar frio, a frente é fria.

São de longa duração e apresentam intensidade de baixa a moderada, espalahdno-se

por grandes áreas. Este tipo de precipitação é importante, principalmente, no desenvolvimento

e manejo de projetos em grandes bacias hidrológicas.

10

b) Precipitações orográficas ou de relevo:

As precipitações orográficas resultam de ascensão mecânica de correntes de ar úmido

horizontal sobre barreiras naturais, tais como montanhas.

c) Precipitações convectivas ou de convecção:

São típicas das regiões tropicais. O aquecimento desigual da superfície terrestre

provoca o aparecimento de camadas de ar de densidades diferentes, o que gera uma

estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável. Se esse equilíbrio, por qualquer

motivo (vento, superaquecimento) for quebrado provoca uma ascensão brusca e violenta do ar

menos denso, capaz de atingir grandes altitudes. Esta chuva manifesta-se de forma intensa e é

de curta duração (podem durar apenas 10 minutos), geralmente concentradas em pequenas

áreas. São importantes para projetos de pequenas bacias.

11

II.4. Medida das precipitações

A quantidade de chuva costuma ser expressa em altura de chuva (volume de chuva

precipitado sobre uma superfície dividido pela área da superfície).

As medições podem ser feitas através de pluviômetros e de pluviógrafos.

a) Pluviômetros

São simplesmente receptáculos de água, cujas leituras são feitas geralmente em

intervalos de 24 horas (7 horas da manhã), em recipientes graduados. Como exemplo, temos o

pluviômetro tipo "Ville de Paris", muito utilizado no Brasil.

b) Pluviógrafos

São aparelhos que registram em gráfico o total de precipitação acumulada ao longo do

tempo, indispensáveis para estudos de precipitação de curta duração.

Tanto os pluviômetros quanto os pluviógrafos, costumam ter superfície receptora

circular com área entre 200 e 500 cm 2

e são geralmente instalados a 1,50 m do solo. Devem

ser instalados de tal forma que não sofram influências de árvores, prédios ou outros

obstáculos.

12

II.5. Características Principais das Precipitações

Altura pluviométrica

Geralmente fornecida em centímetros ou milímetros e a medida é realizada nos

pluviômetros.

Intensidade pluviométrica

Relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação. Geralmente

expressa em mm/h, cm/h, mm/min.

Duração

Período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação (h ou min).

Precipitação média sobre uma região

a) Método da média aritmética

13

Consiste em determinar a média aritmética das medidas dos aparelhos

localizados na região.

b) Método das isoietas

Neste método utilizam-se curvas de igual precipitação, sendo seu traçado

bastante simples, semelhante ao das curvas de nível, onde alturas de chuva substituem a cota

do terreno.

∑ (

)

c) Método dos polígonos de Tiessen

Neste método divide-se a região em áreas de influência dos postos, traçando,

com as mediatrizes dos segmentos de reta que unem os pontos, polígonos. Os lados dos

polígonos são os limites das áreas de influência. Da geometria plana, sabe-se que as

mediatrizes de um triângulo se encontram em um único ponto.

14

II.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação

Muitas estações apresentam falta de dados para determinados dias por ausência do

operador ou defeitos no aparelho. Como existe necessidade de trabalhar com séries contínuas,

as falhas devem ser preenchidas. Costuma-se utilizar dados de 3 estações próximas, da

seguinte forma:

Sendo N1, N2, N3 e Nx as médias de precipitações nas 3 estações e na que estamos

preenchendo falhas, e sendo P1, P2, P3 e Px as precipitações respectivas na data da falha:

(

)

II.7. Verificação da homogeneidade de dados

É feita pela análise de duplas massas e permite verificar se houve mudança de local,

das condições do aparelho ou modificação do método de observação. Consiste em construir

uma curva duplo acumulativa, na qual são relacionados os totais anuais acumulados de

determinado posto com a média acumulada dos totais acumulados de todos os postos da

região (qualquer mudança de declividade ou desvio na reta indica anormalidade).

II.8. Curva intensidade-duração-frequência

Chuva em uma região pode ser definida se intensidade, duração, e frequência das

várias chuvas intensas são conhecidas. Para uma estação, geralmente, são conhecidas as

intensidades das chuvas para diversas durações, tais como 5, 10, 15, 30, 60 e 120 min. Estes

dados podem ser usados para determinação da frequência de ocorrência das chuvas. Estes

dados de frequência podem ser representados pelas curvas de intensidade x duração.

Exemplo de uma curva intensidade x duração para Vitória:

15

Relação entre intensidade, duração e frequência:

( )

Onde,

i = intensidade máxima média para a duração; e,

t, t0 e n são parâmetros a determinar.

Onde,

T = período de recorrência ou de retorno da chuva.

C, K e m são constantes a determinar.

Tr = 5 anos i = -38,076Ln(td) + 50,627

R2 = 0,9988

Tr = 10 anso i = -41,443Ln(td) + 57,821

R2 = 0,9989

Tr = 25 anos i = -45,124Ln(td) + 68,334

R2 = 0,9989

Tr = 50 anos i = -47,766Ln(td) + 76,667

R2 = 0,9993

T r= 100 anos i = -50,132Ln(td) + 85,795

R2 = 0,9995

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

220,00

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

In te

n s

id a

d e

( m

m /h

)

Duração (h)

Vitória - Intensidade de Chuva

16

Período de retorno é o tempo médio, em anos, que uma chuva leva para ser igualada

ou superada (intensidade).

Metodologia

A partir de dados de chuvas intensas (i e t), traça-se um gráfico com os logaritmos (log

i x log t). Unindo-se os valores com o mesmo período de retorno obtém-se uma série de

curvas paralelas.

Por tentativas, verifica-se qual o valor de t0 que torna o gráfico log i x log (t+t0) uma

linha reta.

A partir da equação geral:

( )

Sendo esta uma equação de linha reta, os parâmetros log, C e n, podem ser obtidos do

gráfico ou dos mínimos quadrados.

A determinação dos coeficientes K e m pode ser feita utilizando o método gráfico ou

dos mínimos quadrados.

Para a fórmula obtida a partir da equação geral, temos:

Tendo em vista a importância da relação intensidade-duração-frequência para projetos

de drenagem de pequenas bacias, foram determinadas equações para diversas cidades

brasileiras.

Sendo,

i = intensidade em mm/h;

T em anos;

t em minutos.

São Paulo 

Curitiba 

( )

B. Horizonte 

( )

17

III. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM

III.1. Definição

É uma área drenada por um curso d'água ou por

uma série de cursos d'água tal que toda vazão efluente

seja descarregada através de uma só saída, na porção

mais baixa do seu contorno.

Outro conceito:

Bacia hidrográfica ou de drenagem de uma

seção de um curso d'água é a área geográfica sobre a

qual as águas precipitadas, que escoam

superficialmente, afluem à seção considerada.

Divisores de água: São linhas de separação entre bacias hidrográficas.

Divisor topográfico: Fixa a área da qual provêm o escoamento superficial.

Divisor freático: Limite dos reservatórios de água subterrânea, de onde provêm o escoamento subterrâneo da bacia.

Área de drenagem de uma bacia: É a área plana (projeção horizontal) situada no interior de seus divisores de água.

Tempo de concentração de uma bacia: Tempo, a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia esteja contribuindo para a seção em estudo.

III.2. Índices que indicam a forma da bacia

a) Coeficiente de compacidade (Kc)

Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de área igual a da

bacia.

18

Sendo:

P – perímetro da bacia em km;

A – área da bacia em km².

Quanto mais irregular a forma bacia, maior será o coeficiente de compacidade. O

coeficiente igual à unidade corresponde a uma bacia circular. O valor mais próximo à unidade

indica a tendência à maiores enchentes.

b) Fator de forma

É a relação entre largura média da bacia e o comprimento axial da mesma.

O comprimento (L) é obtido seguindo o curso d'água mais longo desde a

desembocadura até a cabeceira mais distante. A largura média é obtida pela divisão da área

(A) pelo comprimento.

Um fator de forma baixo sugere uma menor tendência às enchentes que outra bacia de

mesmo tamanho e fator de forma maior.

III.3. Sistema de drenagem de uma bacia

É constituído pelo rio principal e pelos seus afluentes. O estudo das ramificações é

importante, pois indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia.

Ordem dos cursos d'água (Horton modificado por Strahler):

1ª ordem

Canais pequenos, sem afluentes. Dois canais de ordem n dão lugar a um de ordem n +

1. A ordem do rio principal mostra o grau de ramificação da bacia.

1

11

1

1

1

1

1

2

1

2

3

2

Densidade de drenagem (Dd)

Relação entre a soma total dos comprimentos e a área de drenagem, oferecendo uma

indicação da eficiência da drenagem de uma bacia.

19

Dd < 0,5 Km / Km 2 - drenagem muito pobre.

Dd > 3,5 Km / Km 2 - bacia excepcionalmente bem drenada.

Sinuosidade de um curso d'água

Relação entre o comprimento do curso principal e o comprimento do talvegue, sendo

um fator controlador da velocidade do escoamento.

Lt

III.4. Características do relevo

São importantes, pois a velocidade de escoamento superficial depende da declividade

do terreno, o que determina o seu relevo.

a) Curva hipsométrica

Gráfico cota x área percentual da bacia situada acima da cota de referência. As áreas

são obtidas a partir das curvas de nível na bacia.

b) Elevação média da bacia

cotas

percentagem

da área

100 %0

20

Onde:

e = elevação média entre duas curvas de nível consecutivas;

a = área entre as duas curvas de nível;

A = área total.

c) Perfil longitudinal de um curso d'água

Gráfico de elevações x distância até um ponto considerado.

elevações

distância

d) Retângulo equivalente

Retângulo com área igual à da bacia, com lados l e L:

[ √ (

)

]

[ √ (

)

]

No retângulo equivalente são representadas as áreas entre as curvas de nível:

L

l

curvas de

nível

III.5. Classificação dos cursos d'água

Perenes: Contém água durante todo o tempo. O lençol subterrâneo mantém uma

alimentação contínua e não desce abaixo do leito do curso d'água.

Intermitentes: Escoam durante as estações das chuvas e secam nas de estiagem,

transportando tanto escoamento superficial quanto subterrâneo.

Efêmeros: Existem apenas durante ou imediatamente após o período de precipitação,

só transportando o escoamento superficial.

21

IV. INFILTRAÇÃO

IV.1. Definição

É o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo e se move para

baixo, em direção ao lençol d'água.

Capacidade de infiltração (f): É a máxima taxa com que um solo, em uma dada condição, é capaz de absorver água, depois de certo tempo ‘t’.

Taxa de infiltração: Taxa de água que infiltra no solo. A taxa de infiltração só é igual à capacidade de infiltração, quando a chuva for de intensidade superior ou igual a esta

capacidade.

Excesso de precipitação: Diferença entre a precipitação e a capacidade de infiltração.

solo

zona intermediária zona capilar

camada impermeável

nível do lençol

zona de

umidade

do solo

IV.2. Fatores que influem na infiltração

Tipo de solo: Quanto maior a porosidade, tamanho das partículas granulares ou

estado de fissuração, maior a capacidade de infiltração.

Cobertura vegetal: A vegetação, devido ao esforço causado pelas raízes, aumenta a

capacidade de infiltração.

Umidade do solo: Solo úmido tem menor capacidade de infiltração que o solo seco.

Precipitação pluviométrica: Choques das gotas na superfície do solo causam

compactação, diminuição de vazios, diminuindo a capacidade de infiltração.

Ação do homem escavando a terra: Produção de falhas no solo, provocando o

aumento de capacidade de infiltração.

IV.3. Curva de capacidade de infiltração

É a representação gráfica da variação da capacidade de infiltração antes e após a

chuva.

Curva padrão de capacidade de infiltração:

22

f (mm/h)

t (h)

f0

fc

f0 = capacidade de infiltração inicial.

fc = constante de infiltração.

Equação de Horton para a curva padrão:

( )

Onde:

f = capacidade de infiltração em qualquer instante.

Solução da equação  ( )

Tomando logaritmos:

( ) ( )

[

( ) ] ( ) [

( ) ] ( )

A equação acima é da forma: y = mx + C

Onde: y = t

m = -1 / (k log e)

x = log (f - fc)

C = [1 / (k log e)].log (f0 - fc)

Em gráfico log (f - fc) x t, m representa a inclinação da reta, onde m = tg .

t

log (f - fc)

23

IV.4. Medição da capacidade de infiltração

A forma mais comum de medir a capacidade de infiltração de um solo consiste de um

aparato de dois anéis metálicos concêntricos, como mostrado na figura. Nele, é colocada água

com mesmo nível nos dois compartimentos. A capacidade de infiltração é calculada a partir

da quantidade de água necessária a ser adicionada ao cilindro interior, com finalidade de

manter o nível d'água constante. O anel externo tem por finalidade evitar que o espraiamento

lateral afete os resultados do cilindro interno.

superfície

do solo

N.A

.

Também são utilizados simuladores de chuva, que são dispositivos que criam chuvas

artificiais com taxas de precipitação controladas sobre os infiltradores com objetivo de

reprodução das condições reais.

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V. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO

V.1. Evaporação

Transformação da água em vapor como conseqüência da incidência de raios solares.

V.2. Fatores que influenciam na evaporação

A quantidade evaporada a partir de uma superfície de água é proporcional à diferença

entre a pressão do vapor na superfície e a pressão do vapor no ar das camadas adjacentes (lei

de Dalton).

Em ar parado, a diferença de pressão do vapor diminui rapidamente e o processo de

evaporação fica limitado pelo vapor difundido na atmosfera proveniente da superfície da

água. A turbulência provocada por vento e por convecção térmica afasta o vapor das camadas

em contato com a superfície da água e possibilita a continuidade da evaporação.

Outros fatores:

Temperatura da superfície

Quanto maior a temperatura da superfície, maior a energia cinética das moléculas e

maior o número de moléculas que escapam da superfície.

Salinidade da água

Os sais dissolvidos na água reduzem a pressão de vapor de uma superfície de água.

Por isto a evaporação é mais lenta em águas salgadas.

Grau de umidade relativa do ar

umidade de saturado se ar, de volumeno água de quantidade

ar no presente águad' vapor de quantidade = relativa Umidade

Quanto maior a quantidade de água no ar atmosférico, maior o grau de umidade e

maior a intensidade de evaporação da superfície d’água.

Pressão barométrica

Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade da

evaporação (a influência da pressão é pequena).

V.3. Medição de evaporação

Algumas definições:

Evaporação potencial: Perda d'água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais.

Transpiração: Perda d'água para a atmosfera na forma de vapor, decorrente das ações fisiológicas e físicas dos vegetais.

Evapotranspiração: Conjunto de evaporação do solo mais transpiração das plantas.

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Evapotranspiração potencial: Perda d'água por evaporação e transpiração de uma superfície tal que:

- Esteja totalmente coberta;

- Teor de umidade esteja próximo da capacidade do campo.

Evapotranspiração real: Perda d’água observada nas condições reais.

V.4. Medida da evaporação da superfície das águas

Evaporímetro Ordinário

É um recipiente cilíndrico de eixo vertical (enterrado ou não), aberto para a atmosfera,

contendo água no estado líquido. O abaixamento do nível da água no evaporímetro mede o

quociente V/A, sendo V o volume de água que se evaporou durante um intervalo de tempo

considerado e A a área da secção reta do recipiente.

O mais usado é o tanque classe A do U.S. Wheater Service, que é um recipiente

cilíndrico com diâmetro 121,9 cm e altura 25,4 cm, sendo cheio com água até 5 cm da borda.

A medida da evaporação é obtida a partir do decréscimo de nível d’água no tanque. As

medidas são feitas através de um linímetro.

Evaporímetro Atmômetros

São evaporímetros em que a superfície é porosa (cerâmica, papel de filtro, e etc.) e

embebida em água.

Costuma-se usar o evaporímetro Piche, um tubo longo e reto, de seção circular com

uma extremidade fechada e outra aberta. A sua extremidade costuma ter uma presilha

metálica para permitir fechá-la por meio de um disco circular de papel absorvente. O tubo é

cheio de água e pendurado por um olhal para suspensão do aparelho. A água embebe o disco

de papel e evapora para o ambiente. A altura d’água evaporada, para um certo intervalo de

tempo, é obtida pela diferença de altura no início e no fim do intervalo.

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