Hidrologia Aplicada: Conceitos, Cálculos e Controle de Enchentes

Evaporação

É o processo natural pelo qual há transformação em vapor da água presente na superfície do solo, de cursos d'água e mares.

Transpiração

É a perda de água para a atmosfera em forma de vapor, decorrente de ações físicas e fisiológicas dos vegetais. É a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais.

Evapotranspiração

Representa o conjunto das duas ações acima citadas: evaporação + transpiração.

Unidades de Medida

A evaporação, a transpiração e a evapotranspiração são medidas em altura de líquido transformado em vapor. Essa altura corresponde ao líquido suposto uniformemente distribuído pela área de estudo (lago, bacia, solo, etc.). A medida é dada em mm/mês.

Exemplo de Cálculo de Evapotranspiração

Em uma bacia hidrográfica, o total precipitado no mês de janeiro foi de 154 mm, enquanto a vazão média de saída no final do mês foi de 49 m³/s. Tendo em conta que o volume armazenado no início e no fim do mês era, respectivamente, de 288 x 10⁶ m³ e 244 x 10⁶ m³, e sabendo que a área do espelho d'água do reservatório é de 83,5 km², estime a evapotranspiração do reservatório.

Resolução

• i = 154 mm (Precipitação)
• Q_ent = 32 m³/s (Vazão de entrada - valor não mencionado no problema, mas presente na resolução original)
• Q_sai = 49 m³/s (Vazão de saída)
• A = 83,5 km² (Área do reservatório)
• ΔV = (244 - 288) x 10⁶ m³ (Variação do volume armazenado)

E = 154 + - x

E = 154 – 545 + 527

E = 136 mm/mês

Cálculo da População Abastecida

136 mm / 31 dias = 4,40 mm/dia (Evapotranspiração diária)

V = A . E

V = 83,5 x 10⁶ m² x 4,4 x 10^-3 m/dia = 367.400 m³/dia

V = 367.400.000 l/dia

Considerando um consumo médio de 250 litros/habitante/dia:

P = V / 250 = 367.400.000 l/dia / 250 l/hab/dia = 1.469.600 habitantes

Balanço Hídrico

Para avaliar a quantidade de água que entra e sai de um sistema, como um reservatório ou uma bacia hidrográfica.

Exercício

Uma bacia hidrográfica de 25 km² de área recebe uma precipitação média anual de 1200 mm. Considerando que as perdas médias anuais por evapotranspiração valem 800 mm, qual a demanda máxima que esta bacia pode atender? Determine a vazão da bacia.

Resolução

• A = 25 x 10⁶ m² (Área da bacia)
• Precipitação = 1200 x 10^-3 m
• Evapotranspiração = 800 x 10^-3 m

Volume Precipitado = Precipitação x A = 1200 x 10^-3 m x 25 x 10⁶ m² = 30 x 10⁶ m³

Volume Perdido por Evapotranspiração = Evapotranspiração x A = 800 x 10^-3 m x 25 x 10⁶ m² = 20 x 10⁶ m³

Volume Escoado = Volume Precipitado – Volume Perdido = (30 - 20) x 10⁶ m³ = 10 x 10⁶ m³

Considerando uma demanda de 0,15 m³/habitante/dia (aproximadamente 150 litros/dia):

Demanda Atendida = 10 x 10⁶ m³ / (365 dias x 0,15 m³/hab/dia) = 182.649 habitantes

Cálculo da Vazão

Q = Volume Escoado / (365 dias x 24 horas/dia x 3600 segundos/hora)

Q = 10 x 10⁶ m³ / (365 x 24 x 3600) s = 0,31 m³/s

Cálculo da Demanda

Se for solicitada a demanda da cidade:

• V_DC = Habitantes da cidade x 150 x 10^-3 m³/hab/dia x 365 dias = m³

Demanda de Área Irrigada

• V_DI = Área irrigada (ha) x Demanda da área irrigada (m³/ha) = m³

Demanda Total

• V_DT = (V_DC + V_DI) = m³

Condição de Atendimento:

• V_E > V_DT: Atende à demanda

Escoamento Superficial

Deslocamento de água na superfície terrestre.

O escoamento superficial é a parte da precipitação que não é interceptada pela vegetação, não se infiltra no solo e não é retida em depressões, escoando sobre a superfície.

• Escoamento Superficial: Cresce com o percurso.
• Escoamento Subsuperficial: Ocorre nas camadas mais superiores do solo.
• Escoamento Subterrâneo: Alimenta cursos d'água após a estiagem.

Vazão: Molinete Fluviométrico de Newton

A vazão (Q) pode ser calculada pela fórmula:

Q = V . A

• Q: Vazão (m³/s)
• V: Velocidade do fluxo d'água (m/s)
• A: Área da seção transversal do rio (m²)

A velocidade (V) pode ser determinada pela fórmula:

V = a . n + b

Onde:

• Para n ≤ 0,6822: (Fórmula para n não fornecida no original, mantendo a estrutura)
• Para n > 0,6822: V = 0,28762568 . n – 0,01281336

Método do Flutuador

Exemplo

Seção Superior

• Largura entre as margens = 244 cm = 2,44 m
• Profundidade nos pontos:
  • Ponto A = 0 cm
  • Ponto B = 30,5 cm
  • Ponto C = 24,4 cm
  • Ponto D = 15,25 cm
  • Ponto E = 0 cm

Assumindo a média de profundidade calculada no original: 0,1403 m

A₁ = Profundidade Média x Largura = 0,1403 m x 2,44 m = 0,3423 m²

Seção Inferior

• Largura entre as margens = 305 cm = 3,05 m
• Profundidade nos pontos:
  • Ponto A = 0 cm
  • Ponto B = 33,5 cm
  • Ponto C = 30,5 cm
  • Ponto D = 12,2 cm
  • Ponto E = 0 cm

Assumindo a média de profundidade calculada no original: 0,1524 m

A₂ = Profundidade Média x Largura = 0,1524 m x 3,05 m = 0,4648 m²

Dados do Flutuador

• Comprimento do trecho (L) = 6 m
• Tempos de percurso:

Flutuador 1:

• 14 s
• 15 s
• 16 s

Flutuador 2:

• 13 s
• 11 s
• 12 s

Fórmula da Vazão pelo Método do Flutuador

Q = (A . L . C) / T

• L: Comprimento do trecho (m)
• A: Média das duas áreas de seção transversal (A₁ + A₂) / 2
• C: Coeficiente de correção (0,8 para leito pedregoso e 0,9 para leito barrento)
• T: Tempo de percurso (s)

Área Média (A) = (0,3423 + 0,4648) / 2 = 0,4035 m²

Assumindo C = 0,8 (leito pedregoso)

Cálculo para Flutuador 1

• Q₁ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 14 = 0,1383 m³/s
• Q₂ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 15 = 0,12912 m³/s
• Q₃ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 16 = 0,12105 m³/s

Vazão Média (Q_m) = (0,1383 + 0,12912 + 0,12105) / 3 = 0,1295 m³/s

Cálculo para Flutuador 2

• Q₁ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 13 = 0,149 m³/s
• Q₂ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 11 = 0,176 m³/s
• Q₃ = (0,4035 x 6 x 0,8) / 12 = 0,161 m³/s

Vazão Média (Q_m) = (0,149 + 0,176 + 0,161) / 3 = 0,162 m³/s

Importância da Determinação da Vazão

A determinação da vazão em cursos d'água é fundamental para o estudo de inúmeras aplicações. Em algumas situações, é necessário conhecer a vazão máxima, enquanto em outras, a vazão mínima.

Aplicações da Vazão Máxima

Destacamos as seguintes aplicações onde se deve conhecer a vazão máxima:

• Projetos de vãos de pontes;
• Projetos de obras de drenagem;
• Retificação de cursos d'água;
• Dimensionamento de vertedores de barragens;
• Controle de enchentes; etc.

Aplicações da Vazão Mínima

Destacamos as seguintes aplicações onde se deve conhecer a vazão mínima:

• Navegação interior;
• Abastecimento d'água urbano;
• Abastecimento d'água industrial;
• Controle da poluição;
• Geração de energia elétrica; etc.

A drenagem urbana tem sido desenvolvida dentro de premissas estruturais onde os impactos são transferidos de montante para jusante sem nenhum controle de suas fontes. No escoamento, esse processo tem provocado aumento da frequência das enchentes, entupimento dos condutos e canais por sedimentos e a degradação da qualidade da água.

Medidas de Controle de Enchentes

As medidas de correção e prevenção que visam minimizar os danos das inundações são classificadas, de acordo com sua natureza, em medidas estruturais e medidas não estruturais.

As medidas estruturais correspondem às obras que visam a correção e prevenção de problemas de enchente.

As medidas não estruturais são aquelas em que se procura reduzir os danos das inundações, não por meio de obras, mas por meio de normas, regulamentos e propaganda educacional.

6.1 Medidas Estruturais

As medidas estruturais correspondem às obras de engenharia, que podem ser intensivas e extensivas.

As medidas intensivas podem ser de quatro tipos: aceleração do escoamento; canalização da obra; retardamento de fluxo; restauração da calha natural.

As medidas extensivas são os pequenos armazenamentos efetuados na bacia, a recomposição da cobertura vegetal e o controle da erosão do solo ao longo da bacia.

6.2 Medidas Não Estruturais

Em oposição às medidas estruturais, que podem criar uma sensação de falsa segurança e até induzir à ocupação das áreas inundáveis, as ações não estruturais podem ser eficazes a um custo mais baixo e com horizontes mais longos de atuação. Essas ações procuram disciplinar a população em geral quanto ao consumo, atividades econômicas e ocupação territorial, todas elas já relacionadas com um apoio de fundamental importância do governo federal e da população.

Controle da Cobertura Vegetal

A cobertura vegetal interfere no processo da precipitação e da vazão, reduzindo as vazões máximas devido ao amortecimento da precipitação. Além disso, reduz o risco de erosão do solo.

Controle da Erosão do Solo

O aumento da erosão implica na redução da área de escoamento dos rios e consequente aumento de níveis. O controle da erosão pode ser feito realizando reflorestamento, pequenos reservatórios e práticas agrícolas corretas.

Diques ou Polders

São muros laterais de terra ou concreto, inclinados ou construídos com uma certa distância das margens, que protegem as áreas contra o extravasamento. Os efeitos são o aumento do nível da água na seção, aumento da velocidade e erosão das margens. O maior risco existente na construção de um dique é o dimensionamento correto da enchente máxima provável, pois existirá sempre um risco de colapso, quando os danos seriam piores se o mesmo não existisse.

Medidas Extensivas

• Cobertura Vegetal: Redução do pico de cheia; impraticável para grandes áreas, utilizada para pequenas bacias.
• Controle de Perdas: Reduz o assoreamento; impraticável para grandes áreas, utilizado para pequenas bacias.

Medidas Intensivas

• Diques e Polders: Alto grau de proteção de uma área; se por acaso falhar, causaria danos significativos; muito utilizado em grandes rios.
• Melhoria do Canal: Redução da rugosidade por desobstrução; aumento da vazão com pouco investimento; utilizado em pequenos rios.
• Corte de Meandros: Amplia a área protegida e acelera o escoamento; impacto negativo em rio com fundo aluvionar; área de inundação estreita.

Reservatórios

• Todos os Reservatórios: Controle a jusante; localização difícil; bacias intermediárias.
• Reservatórios com Comportas: Mais eficiente com o mesmo volume; vulnerável a erros humanos; projetos de usos múltiplos.
• Reservatórios para Cheias: Operação com mínimo de perdas; custo não partilhado; restrito ao controle de enchentes.

Mudança de Canal

• Caminho da Cheia: Amortecimento de volume; depende da topografia; grandes bacias.
• Desvios: Reduz a vazão do canal principal; depende da topografia; bacias médias e grandes.

Modificações do Rio

As modificações na morfologia do rio visam aumentar a vazão para um mesmo nível, reduzindo a sua frequência de ocorrência, dragando, aumentando a declividade pelo corte de meandros ou aprofundando o rio. Essas medidas, em geral, apresentam custos elevados.

Reservatórios (Resumo)

O reservatório retém parte do volume de enchente, reduzindo a vazão natural e procurando manter no rio uma vazão inferior àquela que provoca extravasamento do leito. O reservatório pode ser utilizado quando existe relevo conveniente a montante da área atingida, mas exige altos custos de construção e desapropriações.