Aula 2008 4 - Bacia hidrográfica

(1)

Hidrologia

Bacia Hidrográfica

Walter Collischonn

IPH - UFRGS

(2)

Bacia Hidrográfica

 Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer ponto drena para a mesma seção transversal do curso-d’água.

 Área de captação natural das precipitações, que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída: o exutório.

 Para definir uma bacia: • Curso d’água

• Seção transversal de referência (exutório) • Informações de topografia.

IPH 01027 Bacia Hidrográfica

(3)

 Diferenciar áreas que contribuem para um ponto

Definição de Bacia Hidrográfica

(4)

 Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível.

Definição de Bacia Hidrográfica

• A água escoa na direção da maior declividade.

• Assim, as linhas de

escoamento são ortogonais às curvas de nível.

adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E. Texas A&M University Department of Civil Engineering

(5)

250 300 350 400 50 100 150 200 250 250 300 350 400 50 100 150 200 250 Identificação do Divisor de Águas

(6)

250 300 350 400 50 100 150 200 250 250 300 350 400 50 100 150 200 250 Identificação do “Talweg”

(7)

413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

(8)

413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

(9)

413000 414000 415000 416000 417000 418000 6614000 6615000 6616000 6617000 6618000 6619000 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

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(16)

Fontes de dados de topografia

(17)

Seção de referência, ou exutório IPH 01027 Bacia Hidrográfica

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

Divisor não corta drenagem exceto no exutório.

Divisor passa pela região mais elevada da bacia, mas não necessariamente pelos pontos mais altos.

(23)

Delimitação da bacia hidrográfica:

-A linha passa pelas elevações periféricas

-Sempre ortogonal às curvas de nível

- Cruza apenas uma vez o curso d’água (no exutório)

(24)

Exemplo delimitação de bacia:

(25)

Exemplo delimitação de bacia:

(26)

(27)

Bacia Hidrográfica

(28)

• A bacia do rio dos Sinos é uma sub-bacia da bacia do rio Guaíba. A bacia do rio Paranhanha é uma sub-bacia da bacia do rio dos Sinos.

• Bacias hidrográficas são compostas por sub-bacias hidrográficas. Cada sub-bacia é uma bacia hidrográfica que pode ser subdividida em sub-bacias, etc.

Bacia Hidrográfica

(29)

Sub - bacia

(30)

 divisor superficial x divisor subterrâneo

Divisor:

Características da Bacia Hidrográfica:

• Área de drenagem • Comprimento

• Declividade

• Curva hipsométrica • Forma

• Cobertura vegetal e uso do solo • ……

Bacia Hidrográfica

(31)

Características físicas da bacia

O principal interesse em estudar a bacia hidrográfica é de que suas características constituem um sistema natural de transformação de

chuva em vazão. ENTRADA (chuva) SISTEMA (bacia) SAÍDA (vazão na foz)

(32)

Algumas convenções importantes em hidrologia:

(33)

• Característica mais importante da bacia

• Reflete o volume total de água que pode ser gerado potencialmente na bacia

• Bacia impermeável e chuva constante: • Q = P . A

• Se A = 60 km2 _{(60 milhões de m}2₎

• e P = 10 mm/hora (2,7 . 10-6 _m/s)

• Q = 166 m3_/s

Área da Bacia Hidrográfica

(34)

• Uma vez definidos os contornos (divisor), a área pode ser calculada por uma integral numérica (SIG) ou por métodos manuais (planímetro, contagem, pesagem).

Área da Bacia Hidrográfica

(35)

“Bacias com mesma área podem responder de maneiras distintas”

Bacia Local Área (km2)

Qmax (m3/s)

Qmax (ls/km2)

Rio Souris Minot, ND 26.600 340 12,8 Rio Deschutes Moody, OR 27.185 1.235 46,8 Rio Gila Coolige Dam, AR 33.370 3.680 110,8 Rio Cumberland Carthage, Tenn 27.700 5.270 190,9 Rio Susquehanna Wilkes-Barre, Pa 25.785 6.570 225,6 Rio Potomac Point of Rocks, Md 24.980 13.595 545,2 Rio Little Cameron, Texas 18.200 18.320 1009,2

(36)

 Comprimento da bacia

 Comprimento do rio principal

Comprimento da Bacia Hidrográfica

• Os comprimentos da bacia e do rio principal são importantes para a estimativa do tempo que a água leva para percorrer a bacia.

(37)

Medição do comprimento de um rio

• CAD

• SIG – Sistema de Informação Geográfica

• Curvímetro

(38)

• Tem relação com a velocidade com a qual ocorre o escoamento.

• Diferença de altitude entre o início e o fim da drenagem dividida pelo comprimento da drenagem.

• Equação de Manning: V proporcional a S0.5

Declividade da Bacia Hidrográfica

(39)

Ponto mais alto: 300 m

Ponto mais baixo: 20 m Comprimento drenagem = 7 km Declividade = 0,04 m/m ou 40 m por km IPH 01027 Bacia Hidrográfica

(40)

Perfil típico:

alto médio baixo

Distância ao longo do rio principal

Alt

itude do

leito

Valores típicos:

Baixa declividade: alguns cm por km Alta declividade: alguns m por km

(41)

• Descrição da relação entre área de contribuição e altitude. Altitude (m) 350 890 Fração da área 0 0,25 0,5 0,75 1,0

Curva Hipsométrica

(42)

Tempo de viagem = 2 minutos Tempo de viagem = 15 minutos

(43)

15 minutos

Q P

tempo

(44)

15 minutos

Q P

tempo

(45)

• Tempo necessário para que a água precipitada no ponto mais distante da bacia escoe até o ponto de controle, exutório ou local de medição.

• Relação com:

 Comprimento da bacia (área da bacia)  Forma da bacia

 Declividade da bacia  Alterações antrópicas

 Vazão (para simplificar não se considera)

(46)

• Fórmulas empíricas para tempo de concentração

tc = tempo de concentração em minutos L = comprimento do talvegue (km)

h = diferença de altitude ao longo do talvegue (m)

• Kirpich 385 , 0 3

h

L

57 tc

_

















Tempo de concentração

(47)

Tempo de concentração

• Estimativa do tempo de concentração para bacias maiores; • Equação de Watt e Chow, publicada em 1985 (Dingman, 2002)

• onde tc é o tempo de concentração em minutos; L é o

comprimento do curso d’água principal em Km; e S é a declividade do rio curso d’água principal (adimensional).

• Esta equação foi desenvolvida com base em dados de bacias de até 5840 Km2_. 79 , 0 5 , 0

68 ,

7 















S

L

t

_c

(48)

Efeito do tempo de concentração

• Mesma área, tempo de concentração

diferente

Q P

tempo

bacia com alto tempo de concentração

(49)

Forma da bacia hidrográfica

• Avaliação qualitativa

• Avaliação quantitativa

– índice de compacidade

(50)

São Francisco Outras: Tietê; Paranapanema; Tocantins.

Exemplos: Alongadas

(51)

Taquari Antas - RS

Rio Itajaí - SC

(52)

Efeito da forma da bacia

• Mesma área, forma diferente

Q P

tempo

bacia alongada

(53)

 I alto: cheias mais rápidas

 I baixo: cheias mais lentas 2

L

A

I



L

Índice de conformação

ou fator de forma:

(54)

 Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro que a bacia teria se fosse circular. K = 0,28 P / A0.5

mede mais ou menos a mesma coisa que o fator de forma

(55)

Ordem do curso d’água principal

• Horton propôs, e

Strahler modificou um

critério para

hierarquizar cursos

d’água.

• Passou a ser conhecido

como ordem do curso

(56)

Ordem de Strahler

• Um curso d’água a partir da nascente é de

ordem 1

• Quando dois cursos de ordem 1 se encontram

formam um curso de ordem 2

• Quando dois cursos de ordem 2 se encontram

formam um curso de ordem 3

(57)

Ordem de Strahler

1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1

(58)

 Maior profundidade de raízes = água consumida pela evapotranspiração pode ser retirada de maiores profundidades do solo.

 Florestas: maior interceptação; maior profundidade de raízes.

 Maior interceptação = escoamento demora mais a ocorrer.

Cobertura Vegetal

(59)

 Substituição de florestas por

lavoura/pastagens

 Urbanização: telhados, ruas, passeios,

estacionamentos e até pátios de casas

 Modificação dos caminhos da água

• Aumento da velocidade do escoamento (leito

natural rugoso x leito artificial com revestimento liso)

• Encurtamento das distâncias até a rede de drenagem (exemplo: telhado com calha)

Uso do solo

(60)

 Agricultura = compactação do solo

• Redução da quantidade de matéria orgânica no solo

• Porosidade diminui

• Capacidade de infiltração diminui

• Raízes mais superficiais: Consumo de água das plantas diminui

Uso do solo

(61)

Uso do solo e vegetação

(62)

 Solos arenosos = menos escoamento superficial

 Solos argilosos = mais escoamento superficial

 Solos rasos = mais escoamento superficial

 Solos profundos = menos escoamento superficial

Tipos de solos

(63)

Tipo de solo:

Rochoso Solo residual (maduro)

(64)

 Rochas do sub-solo afetam o comportamento da bacia hidrográfica.

 Rochas porosas tem a propriedade de armazenar grandes quantidades de água (rochas sedimentares – arenito).

 Rochas magmáticas tem pouca porosidade e armazenam pouca água, exceto quando são muito fraturadas.

 Bacias com depósitos calcáreos tem grandes cavidades no sub-solo onde a água é armazenada.

Geologia

(65)

 Vertentes:

 Rede de drenagem:

• Escoamento superficial difuso • Não há canais definidos

• Escoamento sub-superficial e subterrâneo

• Escoamento superficial • Canais bem definidos

Partes da Bacia

(66)

 Densidade da Rede de Drenagem:

 Forma da Rede de Drenagem:

• Controlada pela

Geologia e pelo Clima

• Controlada pela Geologia

Rede de Drenagem

(67)

Forma da rede de Drenagem

(68)

Forma da rede de Drenagem

(69)

Forma da rede de Drenagem

(70)

Forma da rede de Drenagem

(71)

• SIG são Sistemas de Informação Geográfica

• Equivalem a sistemas CAD para a hidrologia

• Além de CAD são bancos de dados e permitem análises dos dados

Bacia Hidrográficas e SIG

IPH 01027 Balanço

(72)

• Isolinhas = curvas de nível

• Matriciais = modelos digitais de elevação

• TIN = Triangular irregular network

Representações do relevo

no computador

IPH 01027 Balanço

(73)

• Representação do relevo na forma de uma matriz

92 91 88 87 82 85 83 ₈₁ 78

MDE ou MNT

IPH 01027 Balanço Hídrico

(74)

• Representação do relevo na forma de uma matriz IPH 01027 Balanço Hídrico

MDE ou MNT

(75)

IPH 01027 Balanço

Hídrico

Identificação da direção de escoamento para cada

elemento (célula) da matriz:

(76)

1

2

4

8

16

32

64

128

Codificação da Direção

(77)

• Direção de fluxo é aquela que tiver a maior declividade.

• Cálculo declividade para cada uma das 8 direções possíveis.

• Se todas as células tem a mesma altura estou numa depressão, ou região plana.

• Se todas as células do entorno tem altitude maior do que a célula central estou numa depressão.

• Equação declividade .... 1 2 4 8 16 32 64 128

Direção de escoamento

(78)

• Direção de escoamento

• Rios principais (rede de drenagem)

• Comprimento do rio principal

•Etc..

• Definição de Bacia e Sub-bacias

• Áreas das bacias

• Declividade das bacias

O que pode ser obtido do MDE

IPH 01027 Balanço

(79)

 Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível.

Definição de Bacia Hidrográfica

• A água escoa na direção da maior declividade.

• Assim, as linhas de

escoamento são ortogonais às curvas de nível.

(80)

Definição automática de bacia

IPH 01027 Balanço

Hídrico

• Se, em vez de um mapa, temos um DEM

• Exemplo com 30-meter DEMs do USGS

observe a grade sobreposta

(81)

Direção de fluxo

71 56 44 53 69 74 78 72 69 47 68 58 55 21 31 67 58 49 46 37 38 64 22 61 16 DEM 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 1 1 2 4 8 128 128 1 2 4 128 1 1 4 128

Códigos de direção Rede de drenagem (vetorial)

Function: Flow direction

Argument: DEM

(82)

(83)

(84)

Área da bacia

• Usando as direções de fluxo

seria possível contar o

número de células que

drenam um ponto.

(85)

Definição da bacia

(86)

Área da bacia

• Usando as direções de fluxo

seria possível contar o

número de células que

drenam um ponto.

• Mas existe um método

automático um pouco

diferente...

(87)

Área acumulada 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1

(88)

Área acumulada 2

1 1 1 1 1 3 1 1 1 3 3 1 1 1 1 1

(89)

Área acumulada 3

1 1 1 2 1 3 1 1 1 4 4 1 1 1 1 1

(90)

Área acumulada no Idrisi

• No IDRISI existe a função Runoff que calcula área de drenagem (área acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias

– Remoção de depressões

– Determinação de direção de fluxo – Área acumulada

(91)

Área acumulada no TAS

• No TAS também existe uma função que calcula área de drenagem (área acumulada) onde são realizadas de forma automática as operações intermediárias

– Remoção de depressões

– Determinação de direção de fluxo – Área acumulada

(92)

(93)

(94)

(95)

Rede de drenagem e sub-bacias

IPH 01027 Balanço

(96)

Node Edge

Face

Triangulated Irregular Network

IPH 01027 Balanço

(97)

3D Structure of a TIN

IPH 01027 Balanço

(98)

Real TIN in 3D!

IPH 01027 Balanço

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Aproximação

Mesma bacia, aproximada com células de maior ou menor resolução.

Veja que o contorno é melhor aproximado quando a resolução é maior (células menores)