UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
Departamento Florestal
Eng. Luis Lopes (http://home.utad.pt/~lflopes)
Curso: Engenharia Florestal
Disciplina: Hidráulica Florestal
Trabalho prático 1
Caracterização geomorfologica da bacia hidrográfica e sua influência no escoamento
superficial
1.1 Considerações iniciais
No decurso das aulas práticas abordaremos a bacia hidrográfica como um sistema
hidrológico natural. Uma bacia hidrográfica geralmente inclui lagos, rios, estuários, zonas
húmidas, e a paisagem adjacente. Áreas subterrâneas de recarga de água também são
consideradas.
O geógrafo John Wesley Powell, apresenta uma definição de bacia hidrográfica mais
abrangente e de difícil tradução:
-“that area of land, a bounded hydrologic system, within which all living things are
inextricably linked by their common water course and where, as humans settled, simple
logic demanded that they become part of a community."
1.2 Objectivos do trabalho
- Abordar do espaço à escala da bacia hidrográfica
- Caracterizar a bacia hidrográfica
- Estabelecer correlações entre as características da bacia e o escoamento superficial
- Introdução ao estudo do ciclo hidrológico à escala da bacia hidrográfica
1.3 Procedimentos
O aluno define uma sub-bacia hidrográfica que inclua, preferencialmente, a sua área de
residência habitual, que posteriormente irá caracterizar.
1
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1.3.1 Delimitação da bacia hidrográfica
A bacia hidrográfica é definida em todo o seu perímetro por um divisor que separa as águas
conduzindo-as para diferentes cursos de água (figura 1). Geralmente o nome da bacia
corresponde ao nome do curso de água principal.
Divisor topográfico
Fig. 1 – Representação esquemática de uma bacia hidrográfica.
A delimitação da bacia hidrográfica será realizada de acordo com a topografia seguindo as
linhas das cristas das elevações circundantes da secção do curso de água em estudo,
atravessando o curso de água somente no ponto de saída ou secção final. Esta delimitação
será realizada tendo como suporte uma carta militar à escala 1/250 000.
1.4 Características geométricas
1.4.1 Área da bacia (A)
A área de uma bacia é o principal elemento a considerar em estudos de hidrologia, uma vez
que influência o escoamento e o número e tamanho dos cursos de água; é quantificada em
2
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projecção horizontal. Poderá ser quantificada utilizando um planímetro digital ou uma rede de
pontos.
1.4.2 Comprimento da bacia hidrográfica1 (L)
O comprimento da bacia será definido como o comprimento do segmento de recta com a
direcção dominante do curso de água principal, desde a secção de referência até à
cabeceira mais distante na bacia.
1.4.3 Largura média (b)
A largura média da bacia é definida pelo quociente entre a área e o comprimento da bacia
b=
A
L
(1)
A- área da bacia (Km2)
L- comprimento da bacia (Km)
1.4.4 Índice de simetria (a)
O índice de simetria poderá ser definido como a relação entre a área localizada na margens
esquerda e a área localizada na margem direita da bacia hidrográfica
a=
Ae − Ad
A
(2)
Ad- área da parte da bacia localizada na margem direita (Km2)
Ae- área da parte da bacia localizada na margem esquerda (Km2)
A- área total da bacia (Km2)
1.4.5 Forma da bacia hidrográfica
Na sua caracterização, para além duma descrição qualitativa:
-
Alongada
-
Arredondada
-
Radial
pode-se recorrer a alguns parâmetros de descrição quantitativa:
- Coeficiente de compacidade (Kc) – é relação entre o perímetro (P) da bacia e a
circunferência de igual área (A).
1
Lencastre e Franco (1984) consideram como comprimento da bacia o comprimento do respectivo curso de
água mais longo, desde a secção de referência até à cabeceira mais distante na bacia.
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K
c
=
P
(3)
2 πA
P- perímetro da bacia ( Km)
A- área da bacia ( Km2)
Quanto mais baixo for o Kc maior é a probabilidade de “Picos de cheia”, este coeficiente
adimensional não depende da área da bacia mas apenas da sua forma.
- factor de forma: é a relação entre a largura média b, e o comprimento da bacia
K
f
=
b
(4)
L
b- Largura média (km)
L – Comprimento da bacia (km)
1.5 Características da rede de drenagem
1.5.1 Comprimento do curso de água principal
O comprimento do curso de água influencia a área de habitat aquático na bacia hidrográfica,
e também o tempo de viagem da água e capacidade de transporte de sedimentos. Obtêm-se
decalcando a linha do curso de água com o curvímetro.
1.5.2 Estudo quantitativo de redes de drenagens
O estudo quantitativo de redes de drenagens foi originado por Horton (1945), que
desenvolveu o sistema para ordenar redes de canais e derivar leis relacionando o número e
comprimento de rios de ordens diferentes.
Os canais mais pequenos são designados de ordem 1; estes canais apenas correm,
geralmente em tempo de chuvas. Onde dois canais de ordem 1 se juntam, resulta um canal
de ordem 2 a jusante. De um modo geral, onde dois canais de ordem i se juntam, resulta um
canal de ordem i+1. Quando um canal de ordem inferior encontra outro com ordem superior,
o canal a jusante terá a ordem mais alta dos dois, (ver Fig. 2.)
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Fig. 2 - Rede de drenagem na bacia da ribeira de Cabaninhas-Avelheira
Verifica-se a existência e uma rede de drenagem bem desenvolvida, sendo o troço final da
ribeira das Cabaninhas de 4ª ordem.
1.5.2 Densidade de drenagem
Define-se como a relação entre o comprimento total dos cursos de água da bacia e a
superfície desta.
D=
∑ Li
A
(5)
D - densidade de drenagem
Li - Comprimento de cada um dos cursos de água
A - área da bacia (km2)
A densidade de drenagem varia directamente com a extensão do escoamento superficial,
pelo que é capaz de proporcionar uma indicação da eficiência da drenagem natural da bacia .
1.5.4 Frequência de drenagem
É o quociente entre o número de linhas de água e a sua área
F=
∑ Nn
A
(6)
F- frequência de drenagem
Nn- número de cursos de água
A - área da bacia (Km2)
5
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1.5.5 Tempo de concentração
O tempo de concentração é definido como a duração que a água leva a percorrer a distância
compreendida entre um ponto mais afastado hidraulicamente da bacia hidrográfica e a
secção de estudo.
Fórmulas empíricas
4 A + 1.5L
T =
(Giandotti)
c
0.8 ÄH
(7)
T = 1.085 A (Torazza)
c
(8)
T =
c
0.108 3 AL
I
(Pasini)
(9)
Tc-horas
A- área da bacia (Km2)
∆H- diferença entre a altitude média e a cota do curso de água na secção considerada (m)
L- comprimento da linha de água desde a origem até á secção considerada (Km)
I- declive médio da bacia
1.6 Características Climatológicas
1.6.1 Precipitação média de uma região
O termo precipitação engloba todas as águas meteorológicas que caem sobre a terra, quer
no estado líquido, quer no estado sólido, neve, granizo ou geada.
Os diversos tipos de precipitação são dum modo geral, medidos indiscriminadamente através
do seu “equivalente em água” pela chamada precipitação (diz-se que caíram X mm de
chuva).
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A precipitação média anula é definida como a altura de água que cobriria ao fim de um ano
essa mesma região, se não houvesse infiltração, nem evaporação nem enxurros. É afinal a
altura de precipitação relativa a um ano.
1.6.2 Determinação da precipitação média da bacia hidrográfica (P)
Existe uma infinidade de métodos para determinar a precipitação média de uma região.
Apenas vamos referenciar três desses métodos.
Por meio da média ponderada, tendo em conta a curva hipsométrica da bacia e a
variação de pluviosidade da última.
Altitudes
Áreas parciais da bacia
Altura anual de precipitação
Volume total anualmente do
hidrográfica (Ai)
(pi)
fluído
m
Km2
mm
103m3
abaixo 400
400-500
500-600
600-700
700-800
800-900
900-1000
1000-1100
acima 1100
2.328
28.296
113.104
154.504
82.158
47.338
31.272
24.080
48.977
∑ 532.657
980
1020
1100
1200
1310
1490
1800
2200
2600
2281.44
29473.92
124414.40
185404.80
107626.98
70533.62
56289.60
52976.00
127340.20
∑ 756340.96
P=
∑ pi × Ai
(10)
∑ Ai
1.6.3 Isoietas
As isoietas são os lugares geométricos dos pontos de igual alturas de precipitação durante
um determinado intervalo de tempo.
p +p
i +1 )× A
(
∑ i
i
2
P=
∑ Ai
(11)
Ai- área contida entre isoietas consecutivas
pi- altura de precipitação na isoieta i
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1.6.4 Método de Thiessen
O método de thiessen é baseado em procedimentos geométricos para determinar a
precipitação média de uma região.
Fig.3 – Representação dos polígonos de Thiessen
p=
∑ Ai pi
∑ Ai
(12)
Ai- área do polígono i
pi- altura de precipitação do postos udométrico i
1.6.5 Precipitação máxima (Pmax)
Em engenharia o conhecimento das características das precipitações máximas apresenta
grande interesse de ordem técnica pela sua aplicação em projectos de hidráulica. Assim, nos
projectos de descarregadores de barragens, dimensionamento de canais e galerias de
desvios de caudais, determinação da dimensão de colector de águas pluviais, etc., é
necessário conhecer o valor dos máximos caudais que poderão ocorrer e qual a frequência
dessa ocorrência.
1.6.6 Características térmicas da bacia
O estudo da evolução da temperatura nos diversos locais de uma bacia hidrográfica é da
máxima importância, na maior ou menor evaporação, possibilidade de queda de neve, etc.. O
estudo hidrológico de uma bacia deverá pois, comportar a análise das suas características
térmicas.
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1.7. Características topográficas
A consideração da topografia de uma bacia hidrográfica é de extrema importância. De facto,
quase todas as grandezas de que o engenheiro se serve em trabalhos de hidráulica são
influenciadas pelas características topográficas da bacia.
1.7.1 Altitude média
A altitude média H , de uma bacia é a relação entre a soma dos produtos parciais da média
das altitudes de duas curvas de nível consecutivas, Hi, pela área limitada pelos mesmos e a
área global da bacia A
H=
H1S1 + H 2 S 2 + ... + H n S n
=
S1 + S 2 + ... + S n
∑HS
i i
(13)
A
1.7.2 Declive médio da bacia hidrográfica
Como numa bacia hidrográfica a inclinação do terreno varia de ponto para ponto, recorre-se
ao valor da sua inclinação média.
I=
∑ A nin
∑ An
=
DL
A
(14)
A – área total da bacia (Km2)
L- desenvolvimento total das curvas de nível
D- equidistância natural usada na carta topográfica (25; 50 a 100 m)
Fórmula de Herbert:
l
l
h( 1 + l ..... + l
+ n)
∑ li
2
n -1 2
2
I=
=h
A
A
(15)
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I- tgθ, θ ângulo médio do declive
h- equidistância natural usada na carta topográfica (10,25,50 a 100)
li- comprimento total da curva de nível
A= área da bacia
1.8.5 Área efectiva
A1= A sec θ
(16)
A- superfície horizontal calculada na carta
θ- ângulo médio do declive da bacia
1.11 Características geológicas da bacia
O estudo geológico dos solos e subsolos tem por objectivo principal a sua classificação
segundo a maior ou menor permeabilidade, dada a influência que a tal característica tem na
rapidez de crescimento das cheias. A determinação das características geológicas da bacia
hidrológica é portanto da maior importância, pois permite um conhecimento mais perfeito da
forma como se movimenta a água na bacia e estão relacionadas com os processos de
erosão. A geologia pode ainda permitir a previsão dos chamados “caudais sólidos”.
1.12 Cobertura vegetal da bacia hidrográfica
A cobertura vegetal e em particular as áreas com florestas e as culturas da bacia hidrográfica
vêm juntar a sua influência à de natureza geológica dos terrenos, condicionando a maior ou
menor rapidez do escoamento superficial.
Além da influência que exerce na velocidade dos escoamentos e na taxa de evaporação a
cobertura vegetal desempenha um papel importante e eficaz na luta contra a erosão dos
solos. O uso actual do solo influência o escoamento superficial, relativamente à quantidade
de água infiltrada, evapotranspirada e interceptada pela vegetação. Na fig. 4 representamos
o uso actual do solo na sub-bacia hidrográfica “Porto da Lage”.
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Fig. 4 – Uso do para a sub-bacia hidrográfica do “ Porto da Lage”.
1.13 Escoamento superficial
Suponhamos que toda a precipitada na bacia contribui para o escoamento superficial, isto é,
considere os fenómenos de infiltração e evapotranspiração nulos. Determine o volume de
água escoado no mês de maior e menor precipitação para a sua bacia hidrográfica.
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