Nocoes hidrologia

Instituto de Meio Ambiente de Mato Grosso do Sul
Noções de Hidrologia
Engª Civil CAMILA DOURADO MACHADO
Gerência de Recursos Hídricos/ PROGESTÃO

I n s t i t u t o d e M e i o A m b i e n t e d e M a t o G r o s s o d o S u l
Ementa:
• Hidrologia e sua Importância
• Ciclo Hidrológico
• Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico
• Evaporação e Transpiração
• Precipitação
• Infiltração
• Escoamento Superficial
• Medições de Vazões
• Vazões Características

Hidrologia e sua Importância
• Hidrologia é a ciência que estuda a água sobre a
Terra; sua quantidade, distribuição, circulação,
características químicas e físicas, e sua relação com o
meio ambiente e com os seres vivos.

• É uma “ciência da Terra”.
• De forma bem simplificada pode-se dizer que a
hidrologia tenta responder à pergunta:
 O que acontece com a água da chuva?

• Utiliza princípios hidrológicos na solução de
problemas de Engenharia relacionados à exploração
dos recursos hídricos.
• Engenharia Hidrológica - É uma ciência aplicada.
• Subdivisões: Hidrogeologia, Hidrologia de
Superfície, Hidrologia Estatística etc.

• Abastecimento
• Navegação
• Irrigação
• Diluição de poluentes
• Manutenção dos ecossistemas
• Pesca
• Turismo
• Recreação
• Geração de energia elétrica
Relacionada aos usos da água
6

• Controle de cheias
• Proteção contra enchentes
• Drenagem urbana
• Proteção/restauração de recursos biológicos
• Erosão e assoreamento
• Tratamento de esgotos
• Gestão de águas
Relacionada ao manejo da água
7

Ciclo Hidrológico
8
 Fenômeno global de circulação fechada da
água entre a superfície terrestre e a
atmosfera, impulsionado pela energia solar
associada à gravidade e à rotação terrestre.

Evaporação; Precipitação; Interceptação vegetal; Infiltração;
Percolação; Escoamento superficial ou enxurrada; Transpiração

Ciclo Hidrológico - Componentes
10
Evaporação: A energia solar que incide sobre a água que
circula na superfície terrestre, provoca o seu aquecimento
transferindo-a para a atmosfera na forma de vapor. Os
oceanos são os maiores contribuintes, por cobrirem a maior
parte da superfície da terra.
Transpiração: é a parcela da água absorvida pelas plantas,
através das raízes e a devolvem para a atmosfera na forma
de vapor de água.
Evapotranspiração: é a soma da evaporação e da
transpiração.

11
Interceptação vegetal: é a parcela da chuva que fica retida
nas plantas, quer dizer, não atinge o solo e evapora
novamente.
Infiltração: é a parte da chuva que penetra no solo e ocupa
os espaços vazios.
Percolação: é parte da infiltração que, quando os espaços
vazios do solo foram todos ocupados, ou seja, em solos
saturados a água desce pela ação da gravidade, atingindo
zonas mais profundas e alimentando os lençóis subterrâneos.

12
Escoamento superficial ou enxurrada: Quando o solo
está muito encharcado e a água da chuva não infiltra mais,
passa a escorrer sobre a superfície buscando áreas mais
baixas e alimentando rios, lagos e mares.
Precipitação: quando a atmosfera fica saturada de vapor
d’água, ocorre a chuva, também conhecida como
precipitação. O granizo, neblina, orvalho, geada e neve
também são consideradas precipitações.

Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico
13
Na fase terrestre do ciclo hidrológico, o elemento
fundamental é a Bacia hidrográfica.

14
• Área de captação natural dos fluxos de água originados
da precipitação;
• Converge os escoamentos para um único ponto de saída
(exultório);
• Requer a definição de um curso d’água, de um ponto ou
seção de referência ao longo deste curso d’água e de
informações sobre o relevo da região.

15
• Uma bacia hidrográfica pode ser dividida em sub-bacias e cada
uma das sub-bacias pode ser considerada uma bacia hidrográfica.
• A bacia hidrográfica pode ser considerada como um sistema físico
sujeito a entradas de água (eventos de precipitação) que gera
saídas de água (escoamento e evapotranspiração). A bacia
hidrográfica transforma uma entrada concentrada no tempo
(precipitação) em uma saída relativamente distribuída no tempo
(escoamento).

16

17
• Delimitação:
• Curso d’água;
• Ponto ou seção de referência (exutório);
• Informações sobre o relevo da região.

18

19
• dV = P – E – Q - I
• no longo prazo dV pode ser considerado zero
• P = Q + E + I
Balanço Hídrico:

Evaporação e Transpiração
20
Evaporação é a transformação da água do estado líquido
para o de vapor, a partir de uma superfície líquida, solo nu
ou vegetação sobre solo.
mm/dia
mm/mês...

21
Transpiração é a parte da evapotranspiração que vai para
a atmosfera a partir do solo através das plantas.
mm/dia
mm/mês...

22
Importância
•Perdas de água em reservatórios
•Cálculo de necessidades de irrigação
•Balanço hídrico em bacias (modelos chuva-vazão)
•Conhecimento dos diversos processos dos ecossistemas

23
Como medir ou calcular a Evapotranspiração?
• Métodos Diretos (aparelhos de medida);
• Métodos Indiretos (balanço energético, fórmulas
empíricas...).

Precipitação
24
Importância da Precipitação
• A precipitação é a única forma de entrada de água em uma
bacia hidrográfica;
• Ela fornece subsídios para a quantificação do
abastecimento de água, irrigação, controle de inundações,
erosão do solo, etc;
• É fundamental para o adequado dimensionamento de
obras hidráulicas, entre outros.

Precipitação
25
Características Principais das Precipitações
• Altura pluviométrica (r): corresponde à espessura média da lâmina da
água que se formaria no solo como resultado de uma chuva, caso não
houvesse escoamento, infiltração ou evaporação de água precipitada.
Expressas em mm de chuva;
• Duração (t): é o período de tempo contado desde o início até o fim da
chuva, expresso geralmente em horas ou minutos;
• Frequência de ocorrência ou probabilidade (p): é a quantidade de
ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento de chuva
considerado;
• Intensidade de precipitação que é a relação entre a altura
pluviométrica e a duração da chuva. Expressa-se em (mm/h) ou
(mm/min).

Precipitação
26
Medição das Precipitações
• Principais medidores: Pluviômetro e Pluviógrafo;
• Medidores mais recentes: Radar e Imagens de Satélite;
• Apesar de no Brasil ser convencional a medição por
Pluviômetros e Pluviógrafos, existem medidas efetuadas
por Radar e Imagens de Satélite, mesmo estes dois últimos
possuírem ainda erros associados relativamente grandes;

Infiltração
27
• Taxa de água à qual um solo pode absorver a precipitação
numa certa condição.
• É a parte da chuva que penetra no solo e ocupa os
espaços vazios.
• Parte da água percola, constituindo a Recarga ou Recursos
Renováveis dos Aquíferos.
 Vazão de Base e Manutenção do Escoamento Superficial

Escoamento Superficial
28
• Fase que trata da ocorrência e transporte da água na superfície
terrestre. (Aproveitamento Superficial)
• Ocorre após a água da precipitação ficar retida em depressões, em
forma de película em torno das partículas sólidas, a capacidade de
retenção da vegetação foi excedida, assim como a taxa de infiltração do
solo;
• Processo gradativo e acumulativo, começa em filetes que escoam sobre
a superfície do solo, e a soma de vazões vão formando os córregos,
canais, corredeiras e rios;
• Ocorre de um ponto mais alto para um de menor cota, ou até os
oceanos e mares;

29
Representação do Escoamento Através do Hidrograma
• A vazão, ou volume escoado por unidade de tempo → principal
grandeza que caracteriza o escoamento (m³/s ou L/s);
• Hidrograma → denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão
no tempo;

30
Representação do Escoamento Através do Hidrograma
A forma do hidrograma depende de um grande número de fatores,
os mais importantes são:
• Relevo;
• Cobertura da bacia;
• Modificações artificiais no rio;
• Distribuição, duração e intensidade da precipitação;
• Solo;

31
Estações hidrométricas
•Rede de monitoramento hidrométrica
•Estações pluviométricas – Precipitação;
•Estações fluviométricas – Nível d’água;
•Estações meteorológicas – Precipitação, temperatura,
pressão atmosférica, radiação solar, evaporação,
umidade do ar, ventos;
•Estações sedimentométricas – Concentração de
sedimentos.

32
Para que medir as variáveis?
•Conhecer e interpretar os fenômenos do ciclo hidrológico;
•Aplicar modelos matemáticos para previsão de chuva, vazão
e eventos raros;
•Conhecer a disponibilidade hídrica;
•Construir e operar projetos de recursos hídricos.
Onde há água???
Com quanta água se pode contar???

33
Por que medir vazões???
•Criar séries históricas
•Análise de mínimas
•Autodepuração de esgotos
•Calado para navegação
•Análise de vazões médias
•Cálculo do volume de reservatórios
•Dimensionamento de sistemas de abastecimento de água

34
Por que medir vazões???
•Análise de vazões máximas
•Sistemas de drenagem
•Segurança de barragens
•Cálculo de vertedores
•Operação em tempo real
•Operação de comportas
•Controle de cheias
•Eficiência dos Projetos!

Medição de Vazões
35
• Medição Convencional com Molinete Hidrométrico;
• Curva-Chave ou Curva de Descarga;
• Medição através de Perfiladores Acústicos.

Vazões Características

• São aquelas vazões cujas magnitudes não são esperadas em um
curto intervalo de tempo
• Estão associadas aos riscos contra a segurança da barragem
• Finalidades
• Dimensionamento do vertedouro
• Determinação da borda livre da barragem
• Verificação da capacidade de amortecimento do reservatório
• Para reservatórios com finalidade de controle de cheias, estabelecer
volumes de espera
• Avaliar a área que o reservatório inundará em eventos de cheias e
determinar a interferência direta do reservatório em outros usos de
recursos hídricos (outorgados ou não)
Vazões Máximas

• As metodologias para a determinação das vazões máximas podem
ser
• Empíricas
• Probabilísticas
• Hidrometeorológicas
• Método racional
• A metodologia mais utilizada em estudos hidrelétricos utiliza-se dos
métodos probabilísticos
• Baseiam-se no ajuste da série de vazões máximas anuais a
distribuições estatísticas de variáveis contínuas
• No Guia Para Cálculo de Cheia de Projeto de Vertedores, a
Eletrobras sugere estudar as distribuições estatísticas de Gumbel e
Exponencial de Dois Parâmetros
Vazões Máximas

• Distribuições estatísticas – fórmulas finais
• Distribuição Gumbel
𝑄 𝑇𝑅 = 𝑄 − 0,45 ∙ 𝜎 − 0,7797 ∙ 𝜎 ∙ ln − ln 1 −
1
𝑇𝑅
• Distribuição Exponencial de 2 parâmetros
𝑄 𝑇𝑅 = 𝑄 − 𝜎 − 𝜎 ∙ ln
1
𝑇𝑅
• A ELETROBRÁS, nas Diretrizes para Projetos de PCH, recomenda que a
escolha da distribuição estatística seja feita com base na assimetria da
amostra
• Coeficiente de assimetria aS < 1,5  Gumbel
• Coeficiente de assimetria aS > 1,5  Exponencial de dois parâmetros
• Outras distribuições podem ser testadas
Vazões Máximas – Método Probabilístico

• Num posto fluviométrico, a análise estatística da série de vazões
máximas anuais de 66 anos forneceu como média a vazão de 847,0
m³/s, desvio padrão de 496,7 m³/s e coeficiente de assimetria de
1,87. Determinar, pelos modelos de Gumbel e Exponencial de Dois
Parâmetros, as vazões máximas com TR de 10, 50 e 100 anos.
• Gumbel  𝑄 𝑇𝑅 = 847 − 0,45 ∙ 496,7 − 0,7797 ∙ 496,7 ∙ ln − ln 1 −
1
𝑇𝑅
• Exponencial  𝑄 𝑇𝑅 = 847 − 496,7 − 496,7 ∙ ln
1
𝑇𝑅
• Pelo critério ELETROBRÁS  distribuição Exponencial (aS > 1,5)
Tempo de retorno (anos)
Vazões máximas (m³/s)
Gumbel Exponencial
10 1.495,34 1.493,99
50 2.135,20 2.293,40
100 2.405,70 2.637,69
Vazões Máximas – Método Probabilístico

• São aquelas vazões cujas magnitudes não são esperadas em um
curto intervalo de tempo
• Esses eventos podem trazer prejuízos consideráveis às populações
e ao ambiente
• Finalidades
• Caracterização das condições de estiagem do rio
• Auxiliar na determinação da vazão remanescente para jusante
• A vazão remanescente é estabelecida pelo órgão gestor, sempre
respeitando os valores estabelecidos pelo órgão ambiental, com
vistas:
• ao atendimento dos usos de jusante (vazões e níveis)
• à diluição de efluentes a jusante
• à manutenção de ecossistemas aquáticos
• vazão ecológica ou hidrograma ecológico
Vazões Mínimas

• A sua determinação pode ser feita por diversos métodos
• Mínima média mensal
• Q7,10 ajustado por Distribuições Estatísticas
• Gumbel
• Weibull
• Log-Normal de 2 e de 3 parâmetros
• Pearson III
• Log-Pearson III
• etc.
• Valores obtidos da curva de permanência de vazões
• Frações da Q90% ou da Q95%, por exemplo
• Frações da QMLT
• Hidrograma ecológico
Vazões Mínimas

Vazões de referência, máximas outorgáveis e remanescentes
definidas por órgãos ambientais de Estados Brasileiros:
ESTADO Vazão de
referência
Vazão Máxima
Outorgável
Vazão
Remanescente
DF Q7,10 / Q90 80% Q7,10 / Q90
20% Q7,10 / Q90
GO Q95
50% Q95 50% Q95
MG
50%Q7,10
50%Q7,10Q7,10
MS
30%Q9570%Q95Q95
Vazões Mínimas – Critérios de Outorga

Determinação de Vazões Características
Q7,10
Q90%
Q95%

Q7,10 significa vazão de 7 dias consecutivas em 10 anos. A
representação também pode ser 7Q10 muito usada nos
Estados Unidos.
Também em meados dos ano 70 apareceu nos Estados
Unidos o método Q7,10 que foi exigido em projetos para evitar
o problema de poluição dos rios. No estado da Pennsylvania
foi exigido para áreas maiores que 1,3km2 e a vazão mínima
usada foi de 1 L/s x Km2 que era a vazão necessária na bacia
para o fluxo natural da água. Se a vazão fosse menor que
Q7,10 haveria degradação do curso de água.
O método Q7,10 não possui nenhuma base ecológica.
Método Q7,10

Portanto, na origem da criação do Q7,10 tinha como função o
recebimento de descargas de esgotos sanitários.
Mais tarde houve mudança de significado do método Q7,10 passando
a refletir a situação do habitat aquático e do habitat na região
ribeirinha.
Segundo Sarmento, 2007 o método Q7,10 segue duas etapas:
1. Calcula-se o Q7 para todos os anos de registro histórico
considerado;
2. Aplica-se uma distribuição estatística de vazão mínima
denominada distribuição de Gumbel ou a de Weibull que são as
mais comuns.
Método Q7,10

Os estudos da WSC, 2004 mostraram que a vazão Q7,10
corresponde a vazão Q98,85 a Q99,85. Os métodos mais usados
no mundo são o Q7,10 e o Q95.
Exemplo de Cálculo
WATERSHED SCIENCE CENTRE, Hydrological low flow and their uses. WSC Repor 04-2004 de agosto de 2004,
Ontario, www.trentu.ca/ws.
Método Q7,10

Curva de Permanência
• “Curva que indica a percentagem do tempo em que um determinado
valor de vazão foi igualado ou ultrapassado durante um período de
observações”
• É um tipo de análise de frequências
• Deve ser construída com dados de vazões considerando iguais
intervalos de tempo
• Podem ser diários, semanais, mensais etc.
• É muito útil para a definição de critérios de outorga, para navegação,
para análises de qualidade da água, para estudos hidrelétricos etc.
• Q95% é a menor vazão que um rio garante em 95% do tempo
• Nos outros 5%, a vazão mantém-se abaixo desse valor
• Permite avaliar as características da bacia em relação ao regime de
vazões do rio

X
X
Curva de Permanência mensal
Hidrograma mensal

1,00
11,00
21,00
31,00
41,00
51,00
61,00
71,00
81,00
91,00
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Vazão(m3/s)
Probabilidadedeocorreremvazõesiguaisousuperiores
CurvadePermanência
Observa-se que a vazão de 30 m³/s é igualada ou superada em
menos de 10% do tempo. Apesar de apresentar picos de cheias com
110 m³/s ou mais, na maior parte do tempo as vazões do rio “Rio
Grande” neste local são bastante inferiores a 6 m³/s.

Para destacar mais a faixa de vazões mais baixas, a Curva de
Permanência pode ser apresentada com eixo vertical logarítmico.
1,00
10,00
100,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%
Vazão(m3/s)
Probabilidade de ocorrerem vazões iguais ou superiores

Alguns pontos da curva de permanência recebem atenção especial:
 A vazão que é superada em 50% do tempo (mediana das
vazões) é a chamada Q50.
 A vazão que é superada em 90% do tempo é chamada de
Q90, e é utilizada como referência para legislação na área de
Meio Ambiente e de Recursos Hídricos em muitos Estados
do Brasil.
 A vazão que é superada em 95% do tempo é chamada de
Q95, e é utilizada para definir a Energia Assegurada de uma
usina hidrelétrica.

A curva de permanência também é útil para diferenciar o
comportamento de rios e para avaliar o efeito de modificações
como desmatamento, reflorestamento, construção de
reservatórios e extração de água para uso consuntivo.

• Figura: Curvas de permanência dos rios Cuiabá, em Cuiabá
(MT), e Taquari, em Coxim (MS), baseadas nos dados de vazão
diária de 1980 a 1984.
 As duas bacias tem áreas de drenagem, relevo e
precipitação média anual semelhantes.
 A vazão média do rio Cuiabá é de 438 m³/s neste período,
enquanto a vazão média do rio Taquari é de 436 m³/2, ou
seja, são praticamente idênticas.
 Entretanto, observa-se que as vazões mínimas são mais
altas no rio Taquari do que no rio Cuiabá e as vazões
máximas são maiores no rio Cuiabá.

• O rio Cuiabá apresenta maior variabilidade das vazões, que se
alternam rapidamente entre situações de baixa e de alta vazão,
enquanto o rio Taquari permanece mais tempo com vazões
próximas da média. As duas bacias tem áreas de drenagem,
relevo e precipitação média anual semelhantes.
 A geologia da bacia do rio Taquari favorece mais a infiltração
da água no solo, e esta água chega ao rio apenas após um
longo período em que fica armazenada no subsolo.
 A vazão do rio Taquari é naturalmente regularizada pelos
aquíferos existentes na bacia, enquanto que na bacia do rio
Cuiabá este efeito não é tão importante.

• Reservatórios: Curva de permanência mais horizontal, com
valores mais próximos da mediana durante a maior parte
do tempo.
 Regularização de vazões: Retenção de parte das
vazões altas que ocorrem durante o período chuvoso,
aumentando a disponibilidade de água no período de
estiagem.

O método de análise da frequência é usado para achar o Q95%
A sua aplicação é fácil e é feito da seguinte maneira:
a) Primeiramente coloque em ordem decrescente todas as vazões
dos rios em análise;
b) De um número “m” para cada vazão indo de 1 até o número total
de dados de vazões que conseguimos que é “n”;
c) A probabilidade “P” dada uma certa vazão que será igualada ou
superada é definida por: P= 100 x m/ (n+1);
Método Q95 e Q90

Na Figura a seguir podemos ver que quando a vazão base é alta
temos a linha “a” e quando a vazão base é baixa temos a linha “b”
que geralmente são rios de baixa vazão.
Facilmente podemos tirar o valor P=95% ou P=90%.
Alguns países usam Q90%, relação Q90/Q50 para indicar a
contribuição da água de recarga subterrânea, mas não é adotado
por todos.
Método Q95 e Q90

Curva da análise de frequência
Método Q95 e Q90

Curva da análise de frequência
Método Q95 e Q90
Q95%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
20-jul-72
20-jul-73
20-jul-74
20-jul-75
19-jul-76
19-jul-77
19-jul-78
19-jul-79
18-jul-80
18-jul-81
18-jul-82
18-jul-83
17-jul-84
17-jul-85
17-jul-86
17-jul-87
16-jul-88
16-jul-89
16-jul-90
16-jul-91
15-jul-92
15-jul-93
15-jul-94
15-jul-95
14-jul-96
14-jul-97
14-jul-98
14-jul-99
13-jul-00
13-jul-01
13-jul-02
13-jul-03
12-jul-04
12-jul-05
data
Vazões(m³/s)
Vazões Mínimas
Q95

Exemplo de Cálculo
Método Q95 e Q90

Regionalização de Vazões
• Medir vazões é um procedimento relativamente
caro.
• Existem poucos postos fluviométricos com
dados.
• Normalmente não existem dados de vazão
exatamente no local necessário.
• Assim, muitas vezes é necessário estimar
valores a partir de informações de postos
fluviométricos próximos.
• A este procedimento, quando realizado de
forma cuidadosa e detalhada dá se o nome de
regionalização hidrológica.
Q=?

Regionalização de Vazões
Metodologias
• Vazão Específica e Proporcionalidade de Áreas;
• Regionalização pelo Coeficiente de Escoamento;
• Regressão Linear;
• Curva de Permanência;
• Geostatística.

Sarmento, 2007 mostrou que existem 207 metodologias
distribuídas por 44 países para a avaliação da vazão
ecológica. Isto mostra que não há um consenso mundial
sobre qual o melhor método a ser adotado.
A vazão ecológica pode ser classificada conforme
Collishchonn et al em:
SARMENTO, ROBSON. Estado da arte da vazão ecológica no Brasil e no mundo. Produto 2. Unesco/Ana/CBHSF
junho de 2007.
COLLINSHONN. WALTER et al. Da vazão ecológica ao hidrograma ecológico. Instituto de Pesquisas Hidráulicos. UFRGS.
Vazão Ecológica

Vazão Ecológica – Métodos Obtenção
VAZÃO ECOLÓGICA
• Ainda não há consenso
• Métodos (Benetti, Lanna & Cobalchini, 2003):
• Hidrológicos (curva de permanência, Q7,10, Tennant)
• Classificação hidráulica (perímetro molhado)
• Classificação de habitats (para uma dada espécie)
• Métodos holísticos (para todos os componentes do ecossistema)
• Critérios de vazão ecológica mínima tem sido criticados, por focar
em apenas um aspecto da variabilidade das vazões
• Vazão ecológica → hidrograma ecológico
• No caso de Belo Monte, foi proposto um hidrograma ecológico

Obrigada!!

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