2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA CONCEITUAL
2.2 Características Fisiográficas De Uma Bacia
Para entender o funcionamento de uma bacia hidrográfica é necessário estudar
suas características físicas, geométricas, morfológicas e suas inter-relações.
A bacia hidrográfica compõe-se basicamente de um conjunto de superfícies
vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de água que confluem até
resultar um leito único no exutório (SILVEIRA, 2009) conforme pode ser observado na
FIG. 2.1.
As características fisiográficas podem ser classificadas em: físicas, geológicas e
cobertura vegetal.
São consideradas características físicas de uma bacia: área, fator de forma,
compacidade, altitude média, declividade média, densidade de drenagem, número de
canais, direção e comprimento do escoamento superficial, comprimento da bacia,
comprimento dos canais, rugosidade dos canais, dimensão e forma dos vales, índice
de circularidade, etc.
São características geológicas: tipos de rochas, tipos de solos, tipos de
sedimentos fluviais, etc.
A cobertura vegetal refere-se ao tipo da vegetação, a densidade, etc.
As condições geológicas e a cobertura vegetal são fatores básicos dos processos
erosivos.
Segundo SILVEIRA (2009) consideram-se dados fisiográficos de uma bacia
hidrográfica todos aqueles dados que podem ser extraídos de mapas, fotografias
aéreas e imagens de satélite.
Esses fatores auxiliam na interpretação dos resultados dos estudos hidrológicos
e permitem estabelecer relações e comparações com outras bacias conhecidas.
2.2.1 ÁREA DA BACIA HIDROGRÁFICA
A área total inclui todos os pontos situados a altitudes superiores à da saída da
bacia e dentro do divisor topográfico que separa duas bacias adjacentes, como pode
ser observado na FIG. 2.1.
FIG. 2.1 - Caracterização do relevo de uma bacia hidrográfica talvegues e divisores de águas Fonte: DAEE 2005
A área da bacia hidrográfica tem influência sobre a quantidade de água produzida
como deflúvio.
2.2.2 COEFICIENTE DE COMPACIDADE
Coeficiente de compacidade (Kc) é a relação entre o perímetro da bacia e a
circunferência de um círculo de área igual à da bacia, é calculado a partir da:
A P 28 , 0 KC= EQ. 2.1
Onde:
Kc: coeficiente de compacidade;
P: perímetro em km;
A: área da bacia em km².
Esse coeficiente é um número adimensional que varia com a forma da bacia
independente do seu tamanho, assim quanto mais irregular ela for, maior será o
coeficiente de compacidade, ou seja, quanto mais próxima da unidade, mais circular
será a bacia e será mais sujeita a enchentes (VILLELA e MATTOS, 1975).
A geometria da bacia é uma característica importante dentre os fatores que
influenciam no formato do hidrograma de enchente. Conforme pode-se observar na
FIG. 2.2, considerando, a título de exemplo, três bacias com a mesma área de
drenagem, sendo uma com configuração arredondada, outra alongada e a terceira,
com formato intermediário, verifica-se, que para chuvas de igual tempo de duração e
intensidade, os hidrogramas gerados na seção principal, terão desenhos distintos,
com vazões máximas e tempos de escoamento diferentes, SEMADS/GTZ (2001).
FIG. 2.2 – Comparação da vazão de saída em função da geometria da bacia Fonte: SEMADS/GTZ, 2001 (adaptado)
2.2.3 ÍNDICE DE CONFORMAÇÃO
O fator de forma (kf) é a relação entre a área da bacia hidrográfica e o quadrado
de seu comprimento axial, medido ao longo do curso d'água principal, da foz até a
cabeceira mais distante, próxima do divisor de águas da bacia. O coeficiente é obtido
pela EQ. 2.2 a seguir:
Lt²
A
Kf =
EQ. 2.2Onde:
Lt: comprimento axial da bacia, ou comprimento total do curso d’água principal,
em Km
A: a área de drenagem da bacia, em km².
Uma bacia com fator de forma baixo indica que a mesma é menos sujeita a
enchentes que outra, de mesmo tamanho, porém com fator de forma maior (VILLELA
e MATTOS, 1975).
2.2.4 ÍNDICE DE CIRCULARIDADE
Índice de circularidade (Ic) é outro parâmetro utilizado. Ele tende para a unidade
à medida que a bacia se aproxima da forma circular e diminui à medida que a forma
torna se alongada. Foi obtido pela EQ. 2.3:
²
P
A
57
,
12
Ic =
EQ. 2.32.2.5 ÍNDICE DE DRENAGEM
Podem ser atribuídos diversos índices a rede de drenagem, o mais simples é o
comprimento L do curso de água principal, esse índice também está relacionado com
a densidade de drenagem.
2.2.6 DENSIDADE DE DRENAGEM
A densidade de drenagem (Dd) é baseado no ordenamento dos canais. Define-se
o cálculo da densidade de drenagem o resultado da divisão entre o comprimento total
dos cursos d’água pela área da bacia. Esse índice pode variar de 0,5 km.km² em
bacias com drenagem pobre a 3,5 km.km² ou mais em bacias bem drenadas (VILLELA
e MATTOS, 1975). A densidade de drenagem é dada pela EQ. 2.4:
A
Lt
Dd =
EQ. 2.4Onde:
L
T: comprimento total dos cursos d'água da bacia, em km
A: área em km².
Este índice fornece uma indicação da eficiência da drenagem, ou seja, da maior
ou menor velocidade com que a água deixa a bacia hidrográfica. Este índice não
considera a capacidade de vazão dos cursos d’água que, no caso de ser insuficiente,
pode vir a provocar um efeito de represamento, reduzindo a eficiência de drenagem.
2.2.7 DECLIVIDADE DO RIO
Declividade do rio (S) - a declividade média é o desnível entre a nascente e a foz
dividido pela extensão total do curso d'água principal, conforme EQ. 2.5. Ver FIG. 2.3.
FIG. 2.3 – Declividade do rio
Lt
H
S = ∆
EQ. 2.5Onde:
S: declividade média, em m/m;
∆H: desnível altimétrico entre o ponto inicial e final considerados (m);
Lt: comprimento total do curso d’água principal, em m.
A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais fluviais.
Quanto maior a declividade, maior será a velocidade de escoamento, e mais
pronunciados e estreitos serão os hidrogramas das enchentes.
As características físicas destacadas acima são importantes para interpretar o
tempo de concentração da bacia, uma vez que, influenciam na forma dos hidrogramas
de cheia e nas vazões de pico, mas não no volume do hidrograma. Conforme o tempo
de concentração aumenta, o pico do hidrograma demora um pouco mais para
acontecer e é menor. O tempo de concentração é abordado a seguir.
2.2.8 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO
Na hidrologia o tempo de concentração (tc) é um dos parâmetros mais importantes
por ser capaz de prever a resposta de uma bacia para um determinado evento de
Kirpich: tc =3,989L0,77S−0,385 EQ. 2.6
California Culverts practice: tc =57L1,15H−0,385 EQ. 2.7
Federal Aviation Agency: tc = 22,73(1,1−C)L0,50S−0,33 EQ. 2.8
Onda cinemática: 0,60 0,3 0,40 I S ) nL ( 447 tc = − EQ. 2.9 SCS Lag fórmula: 0,50 7 , 0 80 , 0 9 S CN 100 L 42 , 3 tc − − = EQ. 2.10 SCS método cinemático: = ∑ V L 60 1000 tc EQ.2.11 Dooge: tc =21,88A0,41S−0,17 EQ. 2.12
Onde:
L: comprimento do talvegue, em km;
S: declividade do talvegue, em m/km;
H: desnível altimétrico entre o ponto inicial e final considerados, em m;
C: coeficiente de escoamento do método racional;
n: rugosidade de Manning;
I: intensidade de precipitação em mm/h;
CN: número de curva (método SCS);
V: velocidade média no trecho em m/s;
A fórmula de kirpich foi desenvolvida originalmente para bacias menores, até 0,5
km² e embora utilize o comprimento e a declividade como parâmetros, é uma
indicação que representa o escoamento em superfícies, pelo simples fato de ter sido
testado em bacias muito pequenas.
A EQ. 2.7 é modificada da equação de kirpich indicada para bacias médias e
grandes apesar de apresentar velocidades altas comparadas com outros métodos.
A EQ. 2.8 segundo Porto et al (2009 Tucci), foi desenvolvida para drenagem de
aeroportos, as quais predominam o escoamento em superfícies de pequenas bacias.
A EQ. 2.9 foi deduzida a partir das equações de onda cinemática aplicada a
superfícies, baseando-se na hipótese de precipitação constante igual ao tempo de
concentração e na equação de Manning. Essa equação é adequada para pequenas
bacias e onde o método pode ser aplicado e a superfície é predominante Porto et al
(2009).
A equação do SCS Lag (EQ. 2.10) foi desenvolvida em bacias rurais com áreas
de drenagem de até 8 Km² e reflete, fundamentalmente, o escoamento em superfícies.
Para aplicação em bacias urbanas, o SCS sugere procedimentos para ajuste em
função da área impermeabilizada e da parcela em canais que sofreram modificações.
Essa fórmula superestima o valor do tempo de concentração em comparação com as
expressões de Kirpich e Dooge (PORTO, et al (2009)).
O método cinemático SCS se baseia no fato de que o tempo de concentração é o
somatório dos tempos de trânsito dos diversos trechos que compõem o talvegue.
Segundo CANHOLI (2012) o escoamento em superfície se caracteriza por pequenas
espessuras de lâmina d’água com velocidades baixas e dependem de três fatores:
rugosidade do terreno, declividade e intensidade da chuva.
A equação de Dooge foi definida a partir de 10 bacias rurais consideradas
grandes. Seus parâmetros refletem o comportamento de bacias médias e
escoamentos predominante em canais. PORTO, et al (2009).
Diante do exposto, deve-se ter muita cautela para determinar o tempo de
concentração, pois a maioria dos métodos de cálculo existentes foram desenvolvidos
a partir de observações e medições experimentais em bacias rurais. Fato este
confirmado por Silveira 2005 que realizou uma pesquisa e comparou 23 métodos de
cálculo para determinar o tempo de concentração e encontrou resultados
discrepantes.
No documento
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
(páginas 50-57)