hidrologia estática, estudado da drenagem, problemas urbanos e desafios a serem solucionados., Trabalhos de Hidráulica

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Faculdade Santa Maria – FSM Graduação em Engenharia Civil Componente Curricular: Hidrologia Mikson Érico M G da Silva

Relatório de Hidrologia

Cajazeiras - PB 25/05/

Faculdade Santa Maria – FSM Graduação em Engenharia Civil Componente Curricular: Hidrologia Mikson Érico M G da SIlva

Relatório de Hidrologia

Relatório de experiência apresentado à disciplina de Materiais para Construção Civil II, realizado no dia 25 / 0 5/2020, ministrado pela Professor Ricardo Almeida, como requisito parcial de avaliação. Cajazeiras - PB 25/05/

1. Introdução A água, um bem natural de inestimável valor para humanidade, projeta-se, no cenário mundial, como tema central na agenda política das nações, face aos desafios relacionados com a sua escassez e a ocorrência de eventos extremos como secas e inundações, que inibem o desenvolvimento das nações e geram conflitos, degradando a qualidade de vida das populações em várias regiões do planeta. Torna-se então cada vez mais imperioso o conhecimento sobre a ocorrência da água nos continentes, fundamental para a sua adequada gestão e o consequente aproveitamento racional deste valioso recurso. A Hidrologia, como ciência da Terra que estuda a ocorrência, a distribuição, o movimento e as propriedades da água na atmosfera, na superfície e no subsolo, tem buscado, cada vez mais, uma abordagem sistêmica e interdisciplinar, integrando-se às outras geociências com o objetivo de expandir o conhecimento existente das diversas fases do ciclo da água no planeta. Ao tratar o ciclo hidrológico de forma integrada, visa também descrever o passado e prever o futuro. Dada à natureza probabilística do fenômeno hidrológico, a Estatística é uma área de conhecimento importante da Hidrologia, utilizada na avaliação do comportamento dos processos hidrológicos. O presente trabalho tem por objetivo, tendo em vista a relevante importância do conhecimento das equações que relacionam intensidade-duração-frequência das precipitações, determinar os parâmetros da equação de chuvas intensas através de regressão linear para uma estação pluviométrica. Parte dos problemas de drenagem urbana deverão ser minimizados com o uso e a prática de critérios de projeto coerentes e uniformes, considerando principalmente a natureza do problema. A cidade e os canais drenantes e o sistema de drenagem estão totalmente conectados, o enfoque global nos projetos de drenagem é, portanto, fundamental para o bom desempenho das medidas propostas. A regularização1 das vazões naturais é um procedimento que visa a melhor utilização dos recursos hídricos superficiais. Para esse fim, é necessário promover-se o represamento das águas, através da construção de barragens em seções bem determinadas dos cursos d’água naturais.

2. HIDROLOGIA ESTATÍSTICA 2.1 – Caracterização dos Fenômenos e Processos Hidrológicos A Hidrologia é a geociência que investiga os fenômenos que determinam a distribuição espaço-temporal da água, em nosso planeta, sob os atributos de quantidade, de qualidade e de interação com as sociedades humanas. Os fenômenos hidrológicos são aqueles que definem os mecanismos de armazenamento e transporte entre as diversas fases do ciclo da água em nosso planeta, com atenção especial para as áreas continentais. As intensidades com que esses fenômenos se manifestam apresentam uma marcante variabilidade ao longo do tempo e do espaço, em decorrência das variações, algumas regulares e muitas irregulares, dos climas global e regional, bem como das particularidades regionais e locais, sob os aspectos meteorológicos, geomorfológicos, de propriedades e uso do solo, entre tantos outros. A Hidrologia Aplicada utiliza os princípios da hidrologia para planejar, projetar e operar sistemas de aproveitamento e controle de recursos hídricos; a consecução desses objetivos requer a quantificação confiável das variabilidades espaciais e/ou temporais presentes em fenômenos hidrológicos tais como: precipitação, escoamento e armazenamento superficiais, evapotranspiração, infiltração, escoamento e armazenamento sub-superficiais, propriedades físico-químicas e biológicas da água, conformações geomorfológicas, transporte de sedimentos, etc. As intensidades com que os fenômenos hidrológicos ocorrem, podem ser postas como funções do tempo, ou do espaço, ou de ambos, em escalas geográficas diversas que vão desde a global até a local, passando pela escala usual da bacia hidrográfica. A tais funções associa-se o conceito de processos hidrológicos. A função do tempo que descreve a evolução contínua das vazões que atravessam uma certa seção fluvial é um exemplo de um processo hidrológico. Os processos associados ao ciclo hidrológico podem ser classificados, grosso modo, em determinísticos ou estocásticos embora, em geral, sejam, de fato, uma combinação de ambos. Os processos hidrológicos determinísticos são aqueles que resultam da aplicação direta de leis da Física, Química ou Biologia. Em hidrologia, são raríssimas as ocorrências das regularidades inerentes aos processos puramente determinísticos, nos quais as variações espaço-temporais podem ser completamente explicadas por um número limitado de variáveis, a partir de relações funcionais ou experimentais unívocas. A resposta hidrológica de uma superfície completamente impermeável, de geometria simples e totalmente definida, a um pulso conhecido, uniforme e homogêneo de precipitação, pode ser considerado um raro exemplo de um processo hidrológico puramente determinístico. Uma curva-chave estável, válida para uma seção encaixada em um leito rochoso de um trecho fluvial, com controle hidráulico invariável e inequivocamente definido, para a qual tenha sido precisamente determinada a histerese devida ao escoamento não permanente, é outro raro exemplo de uma relação puramente determinística. Evidentemente, em rios naturais, com leitos móveis ou controle hidráulico variável, a situação anteriormente descrita é de ocorrência muito improvável, estando a relação cota descarga sujeita à complexa interferência de uma infinidade de fatores aleatórios. Quase todos os processos hidrológicos são considerados estocásticos, ou governados por leis de probabilidades, por conterem componentes aleatórias as quais se superpõem a

arrastar-se por um maior período de tempo, poder atingir extensões superficiais de muito maior proporção e a sua recuperação ser processada de um modo também mais lento. Figura 1 – Estiagem Fonte: (Xapuri, 2020) 2.3 - Qual a diferença entre seca e estiagem? No Brasil, os termos seca e estiagem correspondem a eventos climáticos de intensidade diferentes. Na última década, os períodos de secas e estiagens no Semiárido brasileiro têm ocorrido com gravidade e frequência acima do normal. Esses fenômenos desestabilizam a economia, predominantemente de matriz agropecuária, causando enormes prejuízos e ameaçando as principais fontes de renda locais. Estiagem: uma versão moderada da seca dentre os danos diretos da seca e estiagem à população, destaca-se também a escassez extrema de água potável. Tais aspectos caracterizam esses fenômenos climáticos como desastres naturais de grande magnitude. Figura 2 – Estiagem

Fonte: (Xapuri, 2020) A estiagem está relacionada com a redução acentuada no volume das reservas hídricas da superfície e do subsolo, em uma dada região, afetando o fluxo dos rios e a produtividade agropecuária. A estiagem relaciona-se a dois importantes fatores, quais sejam: 1) O início da temporada chuvosa, em sua plenitude, atrasa por prazo superior a quinze dias; e 2) No período das chuvas, as médias mensais do volume das precipitações são inferiores a 60% das médias mensais de longo período, na região considerada. As estiagens se caracterizam por serem menos intensas que as secas, e por ocorrerem em períodos menores. No Semiárido brasileiro, pelas suas caraterísticas climáticas, a seca ocorre de forma mais cíclica. O maior impacto da seca nessa região é, como mencionado, desestabilizar a agricultura de sequeiro, principal atividade econômica da região, e reduzir a níveis alarmantes as reservas hídricas. Já em outras regiões do Brasil, é comum ocorrerem estiagens, os chamados veranicos. Pelo fato de a estiagem ocorrer, com relativa frequência, nas áreas agrícolas mais produtivas e de maior proeminência econômica, ela provoca impactos extremamente danosos ao agronegócio, comprometendo a disponibilidade de água, a produção de alimentos e a balança comercial do País. A imagem acima mostra os fatores meteorológicas de uma estiagem. Quando ocorrem chuvas, menos radiação alcançam a superfície terrestre e as temperaturas são mais amenas. Durante os períodos de estiagem (veranicos), há redução ou ausência de chuvas por um curto período, aumentando as temperaturas. 3 - Precipitações intensas As chuvas intensas, também conhecida com chuvas extremas, são aquelas que apresentam grandes precipitações em curto intervalo de tempo, que por consequência causa prejuízo tanto nas áreas urbanas como na zona rural. Sendo assim, saber sua quantificação, bem como o conhecimento da distribuição da forma temporal e espacial são de extrema importância em estudos relacionados a dimensionamentos de projetos hidráulicos, como de irrigação, disponibilidade de água para abastecimento doméstico e industrial, obras de controle de inundação e erosão do solo. “Nesse sentindo, a quantificação dessas chuvas pode ser realizada por meio de métodos de equações de chuvas intensas, que têm sido usadas como ferramenta importante para a elaboração de projetos de obras hidráulicas, como dimensionamento de vertedores, retificação de cursos d água, galerias de águas pluviais, bueiros, sistemas de drenagem agrícola, urbana e rodoviária” (Beijo et al., 2003) Com tudo, as chuvas intensas são caracterizadas por sua intensidade (I), duração (D) e frequência (F) de ocorrência, podendo ser representadas por equações denominadas IDF, é importante salientar que para a obtenção dessas equações são necessários registros pluviográficos da região em estudo. Esses parâmetros das curvas IDF, com base nos valores extraídos dos dados series, podem ser ajustando mediante ao emprego de métodos estáticos, regressão linear ou regressão não linear.

canais (abertos ou de contorno fechado) de maiores dimensões, projetados para vazões de 25 a 100 anos de período de retorno. Do seu funcionamento adequado depende a prevenção ou minimização dos danos às propriedades, dos danos à saúde e perdas de vida das populações atingidas, seja em consequência direta das águas, seja por doenças de veiculação hídrica. Os fatores hidrológicos diretamente afetados pela urbanização são o volume do escoamento superficial direto, os parâmetros de tempo do escoamento superficial e a vazão de pico das cheias. Esses efeitos hidrológicos são diretamente causados por alterações da cobertura do solo, modificações hidrodinâmicas nos sistemas de drenagem e as invasões das várzeas. As alterações na cobertura do solo devido à urbanização caracterizam-se pela sua remoção num estágio inicial, quando se realizam os movimentos de terra, e posteriormente pela sua substituição por áreas construídas, pavimentadas ou com outro tipo de cobertura substancialmente diferente da original. A ruptura da cobertura do solo tende a deixá-lo exposto à ação das enxurradas, produzindo a erosão superficial e consequentemente o aumento do transporte sólido na bacia e sedimentação nos drenos principais, de menor declividade. As áreas construídas e pavimentadas aumentam gradativamente a impermeabilização dos solos da bacia, reduzindo sua capacidade natural de absorver as águas das chuvas, o que retarda o escoamento superficial direto. Cabe frisar que o volume do escoamento superficial direto é primordialmente determinado pela quantidade de água precipitada, características de infiltração do solo, chuva antecedente, tipo de cobertura vegetal, superfície impermeável e retenção superficial. Já o tempo de trânsito das águas (que determina os parâmetros de tempo do hidrograma do escoamento superficial direto) é função da declividade, rugosidade superficial do leito, comprimento de percurso e profundidade d'água do canal. Portanto, os efeitos da urbanização na resposta hidrológica das bacias de drenagem devem ser analisadas sob a ótica tanto do volume do escoamento superficial direto, quanto do tempo de trânsito das águas. As estruturais são constituídas por medidas físicas de engenharia destinadas a desviar, deter, reduzir ou escoar com maior rapidez e menores níveis as águas do escoamento superficial direto, evitando assim os danos e interrupções das atividades causadas pelas inundações. Envolvem, em sua maioria, obras hidráulicas de porte com aplicação maciça de recursos. Entretanto, não são projetadas para propiciar proteção absoluta, pois estas seriam física e economicamente inviáveis na maioria das situações. As não estruturais, como o próprio nome indica, não utilizam estruturas que alteram o regime de escoamento das águas do escoamento superficial direto. São representadas, basicamente, por medidas destinadas ao controle do uso e ocupação do solo (nas várzeas e nas bacias) ou à diminuição da vulnerabilidade dos ocupantes das áreas de risco dos efeitos das inundações. Nesta última buscam-se maneiras para que estas populações passem a conviver melhor com o fenômeno e fiquem melhor preparadas para absorverem o impacto dos prejuízos materiais causados pelas inundações. As medidas não estruturais envolvem, muitas vezes, aspectos de natureza cultural, que podem dificultar sua implantação a curto prazo. O envolvimento do público é indispensável para o sucesso dessa implantação. A inexistência do suporte de medidas não estruturais é apontada, atualmente, como uma das maiores causas de problemas de drenagem nos centros mais desenvolvidos. A utilização balanceada de investimentos, tanto em medidas estruturais quanto não estruturais, pode minimizar significativamente os prejuízos causados pelas inundações.

4.1 - Drenagem e Controle de cheias As medidas estruturais são aquelas que modificam o sistema fluvial evitando os prejuízos decorrentes das enchentes, enquanto as medidas não-estruturais são aquelas em que os prejuízos são reduzidos pela melhor convivência da população com as enchentes. Na Figura 3 são apresentadas diversas medidas para controle das cheias de forma sistemática. Figura 3 - controle de cheias

5. • Medidas estruturais intensivas Reservatórios: um reservatório construído para laminar cheias, como o próprio nome diz, lamina a onda de cheia, retendo parte do volume hídrico durante a fase de crescimento da onda, e restituindo tal volume ao rio durante a fase da recessão da cheia ou logo após a onda da cheia ter passado. O reservatório deve permanecer sempre vazio esperando a próxima onda de cheia. Este 5 tipo de obra mostra, em geral, boa laminação nas pequenas e médias cheias, mas nem sempre nas grandes cheias, principalmente naquelas caracterizadas por vários picos. Caixa de expansão: uma caixa de expansão é corretamente indicada para aquela área alagável destinada a exercitar um efeito de decapitação da onda de cheia que se propaga ao longo de um curso d’água. A função de uma caixa de expansão é similar a de um reservatório de laminação de cheia. As caixas de expansões geralmente são executadas no pé da montanha ou na zona de planície, em série, em paralelo ou de modo misto a respeito ao curso d’água. Muitas planícies funcionam como caixa de expansão naturais, pois no momento das enchentes elas são inundadas, armazenando grande volume d’água, que retorna ao rio principal quando as águas começam a baixar. Exemplo deste tipo de planície é a que fica localizada no município de Ilhota.

5.1 - Medidas não-estruturais Sistemas de alerta: um sistema de alerta serve para informar e alertar as pessoas que habitam em zonas sujeitas a inundações sobre os riscos e a eminência de uma enchente. Os alertas são baseados nas previsões dos eventos de cheia, que são simulados por meio de modelos matemáticos hidrológicos em tempo real. Tais modelos consistem em prever a evolução do fenômeno de cheia, nível do rio, com uma certa antecipação. Os alertas, por sua vez, servem para acionar os dispositivos de controle das cheias pré-dispostos no sistema resposta. Sistema resposta: este sistema compreende os procedimentos de decisões e os respectivos planos de ações de proteção, que possam ser implementados a curto prazo, como por exemplo: a retirada dos bens materiais móveis, a evacuação da população e dos animais das zonas inundáveis, elevação de diques com sacos de areia, abertura e fechamento das comportas dos reservatórios ou polders construídos para o controle de enchente, etc. Educação: o sucesso de um plano de controle das cheias baseado nas medidas não- estruturais depende muito do conhecimento do risco das enchentes por parte das pessoas que habitam as áreas inundáveis. Por isto, um trabalho de conscientização para a população dos riscos que elas estão sujeitas com as enchentes é fundamental e deve ser incrementado imediatamente após a ocorrência de cada evento de cheia. Seguros contra enchentes: os seguros contra enchentes são apólices de seguro, estipuladas por companhias especializadas, para aquelas habitações, indústrias ou casas comerciais localizadas nas zonas sujeitas a serem inundadas com as enchentes. Ainda não há no Brasil uma empresa que realiza seguro contra perdas totais causadas pelas enchentes. Mapas de inundação: O mapa de planejamento define as áreas atingidas por cheias de tempo de retorno escolhidos. O mapa de alerta informa em cada esquina ou ponto de controle, o nível da régua no qual inicia a inundação. Este mapa permite o acompanhamento da evolução da enchente, com base nas observações da régua, pelos moradores nos diferentes locais da cidade. “A enchente caracteriza-se por uma vazão relativamente grande de escoamento superficial. Já a inundação caracteriza-se pelo extravasamento do canal. Assim, uma enchente pode não causar inundação principalmente se obras de controle forem construídas para esse fim. Por outro lado, mesmo não havendo um grande aumento de escoamento superficial, poderá acontecer uma inundação, caso haja alguma obstrução no canal natural do rio” (VILLELA, S.M.; MATTOS, A., 1975, p.138). Enchentes devido à urbanização são conhecidas também como cheias urbanas e geralmente ocorrem em pequenas bacias, de tempo de concentração curto, após a ocorrência de chuvas convectivas, de grande intensidade e curta duração. O que se verifica é que uma determinada precipitação, que antes da urbanização causaria pequenos transtornos, após a urbanização gera vazões muito maiores e inundações generalizadas, devido aos impactos hidrológicos causados principalmente pela remoção da vegetação, pela impermeabilização e pela canalização da bacia, além dos aspectos qualitativos relativos ao carreamento de sedimentos, lixo e esgotos para os cursos de água.

5.2 - Regularização de Vazão A regularização das vazões naturais é um procedimento que visa a melhor utilização dos recursos hídricos superficiais. Para esse fim, é necessário promover-se o represamento das águas, através da construção de barragens em seções bem determinadas dos cursos d’água naturais. Com a regularização das vazões por meio da construção de barragem (formação de reservatório) visa-se, ainda, atingir vários outros objetivos, destacando-se: o atendimento às necessidades do abastecimento urbano ou rural (irrigação); o aproveitamento hidroelétrico (geração de energia); a atenuação de cheias (combate às inundações); o controle de estiagens; o controle de sedimentos; a recreação, e, também, permitir a navegação fluvial. Toda vez que o aproveitamento dos recursos hídricos prevê a retirada de uma vazão de uma dada magnitude de um rio, deve-se confrontar este valor com as vazões naturais deste curso d’água. Se as vazões naturais forem significativamente maiores que a retirada, mesmo durante os períodos de estiagem (vazões naturais mínimas), não haverá a necessidade da regularização de vazão. Neste caso, somente se justificaria a implantação de um reservatório de acumulação para, por exemplo, atenuar os efeitos de enchentes a jusante (controle de vazões máximas), e o controle de níveis d’água e de transporte de sedimentos. Contudo, se a vazão a ser retirada é superior à mínima do curso d’água, necessário se torna a reserva dos excessos sobre a vazão derivada para atender aos períodos cujas vazões naturais são menores que aquelas derivadas. A operação de um reservatório de acumulação, que recebe vazões muito variáveis no tempo, quando se deseja retirar uma vazão constante, ou não muito variável, é, de fato, uma regularização de vazões. Entretanto, os métodos aqui tratados aplicar-se-ão, também, ao caso de um reservatório de água de abastecimento, que recebe uma vazão constante de uma adutora e entrega uma vazão variável para a rede de abastecimento. Esse último caso seria, a rigor, uma desregularização, que será tratada como regulação. A título de ilustração, a Figura 1 representa esquematicamente as duas situações acima mencionadas. Figura 4 – Regularização Como a ocorrência das vazões é aleatória, ou seja, não há possibilidade de previsão de ocorrências a longo prazo, não é também possível prever-se com precisão o tamanho da reserva de água necessária para suprimento das demandas de períodos de seca no futuro. Isto leva o planejador de recursos hídricos a duas situações ineficientes: superdimensionar as reservas, às custas de investimentos demasiados no reservatório de acumulação ou, subdimensionar as reservas às custas de racionamento durante o período seco. Entre essas duas dimensões estaria aquela ótima. No entanto, a situação é mais complexa do que o acima exposto, exatamente

6. Referências BRASIL. Lei n. 9.984, de 17 de julho de 2000. Dispõe sobre a criação da Agência Nacional de Águas - ANA, entidade federal de implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e de coordenação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos, e dá outras providências. INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA-IBGE. Pesquisa Nacional de Saneamento Básico, 2000. SEDU / PR, 2002. CD-ROM. PROJETO DE GERENCIAMENTO INTEGRADO DAS ATIVIDADES DESENVOLVIDAS EM TERRA NA BACIA DO SÃO FRANCISCO. Subprojeto 4.5.A – Diagnóstico Analítico da Bacia e sua Zona Costeira. Relatório Final: versão preliminar [do] diagnóstico analítico da bacia do rio São Francisco e da sua zona costeira. AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Hidro: Sistema de Informações Hidrológicas. Brasil: ANA, 2017.