A quantificação da contribuição desta componente de fluxo para a vazão total pode ser feita a partir de diversas técnicas de separação de hidrogramas, discutidas a seguir.
Entre as várias técnicas existentes, quase todas consideram apenas dois componentes do fluxo: fluxo superficial e fluxo de base. Essa simplificação decorre do fato de ser praticamente impossível determinar com precisão todas as rotas de fluxo numa bacia, já que os fluxos subsuperficiais mais rápidos e mais lentos ocorrem muitas vezes simultaneamente e podem ser agrupados na separação de hidrogramas ao fluxo superficial e de base, respectivamente. Portanto, são técnicas arbitrárias (e.g. Smakhtin 2001), porém adequadas pela rapidez e boa reprodutibilidade dos resultados. Outra dificuldade é estabelecer em hidrogramas o ponto a partir do qual não se tem mais fluxo superficial (ponto B da figura 3.5).
As técnicas de separação de hidrogramas podem ser agrupadas em dois tipos: aquelas que consideram que o fluxo de base responde a um evento de chuva simultaneamente com o escoamento superficial (Figura 3.5 – caso 1) e aquelas que consideram o efeito atrasado do armazenamento nas margens do canal (bank storage) (Figura 3.5 – caso 2). No segundo caso, enquanto o escoamento superficial provoca o aumento da vazão, o fornecimento de água do aqüífero para o rio decai ou pode até mesmo ter o sentido revertido e receber água da drenagem (tornar-se temporariamente influente). Assim, somente após o pico de vazão, o fluxo de base volta a crescer (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Smakhtin 2001). Este tipo representaria mais fielmente bacias hidrográficas grandes, com amplas planícies de inundação, motivo pelo qual não serão empregadas neste estudo.
tempo A lo g Q tempo B Caso 2 Caso 1 C Fluxo superficial Fluxo de base N
Figura 3.5 – Técnicas de separação de hidrogramas (Modificada de Custodio & Llamas 1976).
Algumas técnicas de separação de hidrogramas são muito simples e podem ser feitas manualmente. Pode-se separar o fluxo de base traçando-se uma reta entre os pontos A (início da subida do hidrograma) e B (origem da curva de esgotamento) (Figura 3.5 – caso 1). Há ainda o método em que o tempo em dias (N) desde o pico do hidrograma até o fim da contribuição superficial (ponto
B) é estimado pela fórmula N = 0,827*área 0,2 (sendo a área em km2) (Figura 3.5) (Castany 1971, Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988).
O método dos gráficos semilogaritmos ou método de Barnes é freqüentemente utilizado, sendo considerado o que fornece resultados mais próximos da realidade (Custodio & Llamas 1976, Nathan & McMahon 1990). Baseia-se na linearidade da recessão quando esta é analisada com as vazões em escala logarítmica. De fato, a equação (2) é a equação de uma reta (y = ax + b). Quando se plota o hidrograma em papel semilogaritmo, com tempo (em dias) em escala aritmética na abscissa e o logaritmo da vazão em (m3/s) na ordenada, a recessão do fluxo de base será representada por uma reta cuja inclinação é – log e (Figura 3.4). Posteriormente, prolonga-se esta reta em direção ao eixo das ordenadas até a vertical que passa pelo ponto de inflexão E definindo o ponto F, que é então unido ao ponto A (ponto de subida do hidrograma). A porção subjacente a esta linha definida corresponde ao volume do fluxo de base (Figura 3.6). Neste método, o ponto B é obtido com maior precisão. Repetindo-se este procedimento após a subtração do fluxo de base é teoricamente possível separar também o fluxo subsuperficial do superficial (Custodio e Llamas 1976).
A Q ( /s ) - es ca la lo ga rí tm ic a
m
3 Tempo (dias) B E F Fluxo de Base Fluxo Super- ficial C log eFigura 3.6 – Método gráfico de Barnes de separação das componentes do fluxo (Modificado de Custodio &
Llamas 1976)
Estas técnicas manuais são subjetivas, já que os mesmos dados tratados por diferentes analistas podem produzir diferentes valores de fluxo de base. Neste caso, pode-se recorrer a técnicas automatizadas de separação, com uso de filtros digitais, que são recomendáveis no tratamento de séries históricas, já que permitem tratar grande quantidade de dados com relativa facilidade e maior objetividade (Wahl & Wahl 1995). Porém, como nas técnicas manuais, nem sempre apresentam resultados fisicamente confiáveis (Nathan & McMahon 1990).
Dentre as técnicas automatizadas, tem-se a “smoothed minima”, amplamente utilizada, inclusive no programa “Hysep” do USGS. Neste, é identificado o menor valor de vazão a cada 5 dias consecutivos. Cada valor mínimo é comparado com seus vizinhos mais próximos. Se 90% de uma dada vazão mínima é menor que a vazão corresponde aos mínimos anterior e posterior, este é um
turning point. Turning points são pontos de inflexão que definem a separação entre o fluxo superficial
e fluxo de base. Eles são posteriormente ligados através de retas, definindo assim a porção correspondente à contribuição do aqüífero para o rio (Nathan & McMahon 1990, Wahl & Wahl 1995).
Por meio destas técnicas de separação é possível determinar dois índices: o índice do fluxo de base (BFI) e o fluxo de base específico (FBE).
O índice do fluxo de base (baseflow index – BFI) indica a proporção do fluxo total derivada do fluxo de base (Institute of Hidrology 1980 in Lacey & Grayson 1998), ou seja:
BFI = volume do fluxo de base volume do fluxo total
Trata-se de um índice adimensional, considerado um bom indicador dos efeitos da geologia. Tem um valor próximo de 1 para bacias com alta contribuição de água subterrânea chegando a 0 para rios efêmeros (Smakhtin 2001).
O fluxo de base específico (FBE) nada mais é que o volume do fluxo de base num ano hidrológico por área da bacia.
3.5.3 - Determinação do coeficiente de recessão (
)A determinação do coeficiente de recessão pode ser feita graficamente, seguindo os princípios do método de Barnes a partir da inclinação da curva de recessão ou, mais precisamente, através da equação 3 (Figura 3.4) (Custodio & Llamas 1976). Em geral, essa técnica é aplicada à séries históricas de vazão, o que possibilita definir a recessão média para a bacia em hidrogramas anuais.
Em regiões de clima úmido, as chuvas freqüentemente interrompem a recessão e o resultado são vários segmentos curtos de recessão. Estes podem ser tratados por meio de curvas de recessão mestra (CRM) definida pelo envelopamento de várias pequenas curvas de recessão individuais, representando assim uma curva típica. Adicionalmente, tem-se que cada recessão, embora seja uma função do aqüífero, apresentará variações conforme a condição momentânea do meio. Por exemplo, quando o nível do lençol freático está elevado, a curva de recessão representada no hidrograma tende a ser mais alta, não representando uma “verdadeira” recessão. Quando estas influências do meio se esgotam, todas os segmentos de recessão tenderão para uma única curva: a curva de recessão mestra, que teoricamente reflete as propriedades do aqüífero. Além de permitir a filtragem das interferências do meio, a CRM permite a determinação do coeficiente de recessão para períodos pequenos de monitoramento, embora, quanto mais dados existam, mais consistentes serão os resultados (Mello et
al. 1994, Tallaksen 1995).
A curva de recessão mestra pode ser determinada por vários métodos, sendo os mais difundidos (e utilizados neste trabalho) o da correlação (Langbein 1938, Knisel Jr. 1963, Nathan & McMahon 1990, Tallaksen 1995, Smakhtin 2001, Mello et al. 1994) e o matching strip (Snyder 1939, Nathan & McMahon 1990, Mello et al. 1994, Tallaksen 1995).