Sistemas Hidrológicos: Modelos, Balanço Hídrico e Bacias

Sistemas Hidrológicos e o Ciclo da Água

Os fenômenos hidrológicos são extremamente complexos, de modo que nunca serão conhecidos por completo. Mas, na ausência de um modelo perfeito, podem ser representados de forma simplificada utilizando o conceito de sistema, que é considerado um conjunto de partes que interagem como um todo. O ciclo hidrológico pode ser considerado um sistema com componentes que seriam: precipitação, evaporação, escoamento superficial e outros componentes do ciclo. Esses componentes podem, por sua vez, ser agrupados em subsistemas. Ao analisar o sistema como um todo, os subsistemas podem ser tratados separadamente e seus resultados combinados de acordo com as interações.

Modelos Hidrológicos

O objetivo da análise de sistemas hidrológicos é estudar o funcionamento do sistema e prever suas saídas. Um modelo do sistema hidrológico é uma aproximação do sistema real; suas entradas e saídas são variáveis hidrológicas mensuráveis, e sua estrutura é um conjunto de equações ou funções de transferência que transformam as variáveis de entrada em variáveis de saída. Uma das primeiras classificações agrupa os modelos hidrológicos em duas categorias: Modelos Físicos e Modelos Matemáticos. Os primeiros representam o sistema em uma escala reduzida, como os modelos hidráulicos, e os últimos representam o sistema matematicamente, através de uma série de equações que relacionam as variáveis de saída com as variáveis de entrada. A maioria dos processos hidrológicos são aleatórios e sua magnitude varia com o tempo e o espaço. Assim, o desenvolvimento de um modelo com estas características é uma tarefa muito difícil e requer uma simplificação, ignorando algumas fontes de variação.

Balanço Hídrico

Este sistema consiste em uma superfície inclinada, completamente impermeável, delimitada em quatro lados com uma saída no ponto A. Se uma entrada de chuva for aplicada ao sistema, uma saída, designada como escoamento superficial, irá se desenvolver em A. O balanço hídrico neste sistema pode ser representado pela seguinte equação hidrológica: I - O = dS / dt (1.1) onde I é a entrada por unidade de tempo, O é a saída (ou produção) por unidade de tempo, e dS/dt é a variação do armazenamento dentro do sistema por unidade de tempo. É necessário que uma altura mínima de água seja acumulada na superfície para que o escoamento superficial ocorra. No entanto, à medida que a intensidade da precipitação aumenta, a altura da água retida na superfície também aumenta. Uma vez que a chuva parou, a água retida na superfície continuará a fluir até deixar o sistema como o fluxo residual. Neste exemplo, toda a precipitação irá, eventualmente, ser transformada em fluxo, se as perdas por evaporação durante a entrada forem negligenciadas. Na realidade, o balanço hídrico em uma bacia hidrográfica não é tão simples quanto o modelo apresentado, pois diversas perdas ocorrem durante o processo. A evaporação ocorre a partir do momento em que a precipitação começa. Ao atingir o solo, a água precipitada começa a ser armazenada. Como a superfície do solo não é plana como no modelo, existem depressões onde a água se acumula e, eventualmente, evapora ou se infiltra no solo. Mesmo a água que atinge os córregos ou se torna escoamento continua a sofrer o processo de evaporação. Portanto, todos esses processos devem ser considerados. De um modo geral, o balanço hídrico em uma bacia hidrográfica pode ser visualizado na figura 1.7 e é representado pelas seguintes equações matemáticas:

a) Balanço de Água na Superfície

P - R_s + R_g - E_s - T_s - I_s = ΔS_s (1.2)

b) Balanço de Água Subsuperficial

I_g + G_1-2 - R_g - E_g - T_g = ΔS_g (1.3)

c) Balanço Hídrico da Bacia Hidrográfica (Soma das Equações 1.2 e 1.3)

P - R - (E_s + E_g) - (T_s + T_g) - (G₂ - G₁) = (ΔS_s + ΔS_g) (1.4)

Bacia Hidrográfica: Conceitos Gerais

Entre as regiões hidrológicas de importância prática para hidrólogos, destaca-se a bacia hidrográfica ou de drenagem, pela simplicidade que oferece na aplicação do balanço hídrico. Segundo Viessman, Harbaugh, Knapp (1977), a bacia hidrográfica é toda a área drenada por um curso d'água ou por um sistema de córregos, cujas águas convergem para um ponto de partida. Em outras palavras, pode-se dizer que a bacia é a área de drenagem que contribui para o escoamento e fornece toda ou parte do fluxo do canal principal e seus afluentes.

As características físicas e funcionais de uma bacia hidrográfica podem ser definidas como os vários fatores que determinam a natureza da descarga de um curso d'água. Entender essas características é muito importante pelas seguintes razões:

• a) Para fazer comparações entre bacias;
• b) Para interpretar eventos passados de forma clara;
• c) Para fazer previsões de vazão do rio.

Esses fatores, que determinam a natureza da descarga do rio, podem ser agrupados em: fatores que dependem das características físicas e da utilização da bacia hidrográfica (fatores fisiográficos) e fatores dependentes do clima (fatores climáticos).

Características Físicas da Bacia

Borda da Bacia (Divisor de Águas)

Toda bacia é delimitada por uma linha formada pelos pontos topográficos mais altos, chamada de contorno ou divisor de águas, que divide a precipitação que cai em outras bacias e direciona o escoamento superficial resultante para um ou outro sistema fluvial. A fronteira é uma linha rígida em torno da bacia, que passa pelo curso d'água apenas no ponto de partida e une os pontos de pico entre bacias. Isso não exclui a existência de picos isolados dentro da bacia com altitudes acima de alguns pontos da fronteira.

O fluxo de água na bacia é composto pela água que atinge os canais após o escoamento superficial, bem como pela água que chega aos canais após percorrer caminhos subsuperficiais e subterrâneos. A superfície de uma bacia é delimitada por dois tipos de divisores de águas: o divisor topográfico (ou superficial) e o divisor de águas subterrâneas (ou freático). O divisor topográfico é condicionado pela topografia e define a área a partir da qual as águas superficiais da bacia escoam. O divisor de águas subterrâneas é geralmente determinado pela estrutura geológica do terreno, que é muitas vezes influenciada pela topografia. O divisor de águas subterrâneas, portanto, define os limites dos aquíferos, dos quais provém o fluxo de base da bacia, e está longe de corresponder ao divisor topográfico. Devido à dificuldade de determinar o limite exato do divisor de águas subterrâneas, uma vez que não é fixo e se move com as flutuações do nível da água, costuma-se considerar que a área da bacia hidrográfica é determinada pelo divisor topográfico. Desta forma, a água da precipitação que atinge a superfície de uma bacia de drenagem, ao se infiltrar e escoar subterraneamente, pode passar através do divisor de águas topográfico, resultando em um vazamento de água para fora da bacia onde a precipitação ocorreu.

Área da Bacia

A área da bacia hidrográfica ou de drenagem é a área plana (projeção horizontal) delimitada pela fronteira ou divisor de águas da bacia hidrográfica. A área da bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características físicas e é determinada, geralmente com planímetro, e expressa em km² ou hectares. Vale ressaltar que bacias hidrográficas com a mesma área podem ter comportamentos hidrológicos completamente diferentes, dependendo de outros fatores.

Forma da Bacia

A forma da superfície de uma bacia hidrográfica é importante porque afeta o valor do tempo de concentração, definido como o tempo necessário para que toda a bacia contribua para o fluxo na seção em estudo, desde o início da chuva. Em outras palavras, é o tempo que a água leva dos limites da bacia para sair dela. Em geral, as bacias de grandes rios têm a forma de uma pêra, mas pequenas bacias variam muito em forma, dependendo da sua estrutura geológica.

Existem vários índices utilizados para determinar a forma da bacia, procurando relacioná-las com formas geométricas conhecidas. Por exemplo, a razão de compactação de um círculo se relaciona com o fator de forma de um retângulo.