UFPB / CT / DEC / LARHENA / Disciplina: Recursos Hdricos / Prof. Dr. Cristiano das Neves Almeida 1
Universidade Federal da Paraba
Departamento de Engenharia Civil
Laboratrio de Recursos Hdricos e Engenharia Ambiental
Disciplina: Recursos Hdricos
Professor: Cristiano das Neves Almeida
Tema: Monitoramento hidrolgico
Data de elaborao: 19/agosto/2006
1. INTRODUO
Considerando o tema planejamento e gerenciamento de recursos hdricos
como um tringulo, sua base seria os dados hidrolgicos. Pois, sem dados
observados em campo (bacias hidrogrficas) o planejamento e gerenciamento de
recursos hdricos so feitos a partir de estimativas destes dados, que podem
conduzir a tomadas de deciso errneas.
Para uma gesto e planejamento racional dos recursos hdricos se faz
necessrio o conhecimento dos dados hidroclimatolgicos (Precipitao, vazo,
evaporao etc.).
Hidrologia a cincia que estuda a gua nos estados lquido, slido e
gasoso, da sua ocorrncia, distribuio e circulao na natureza, onde dada
uma nfase especial ao processo de transformao da chuva em vazo.
Considerando-se este conceito, a hidrologia trata de temas ligados ao
gerenciamento e planejamento de recursos hdricos, nos seus aspectos quali-
quantitativos. Assim, para o dimensionamento, estudo e operao de obras
hidrulicas (barragens, sistemas de controle de enchentes, projetos de irrigao,
transposio de vazes, sistemas de abastecimento dgua etc.) necessrio o
conhecimento das variveis hidrolgicas que influenciam estas intervenes
antrpicas.
Neste contexto, a quantificao de variveis hidrolgicas de fundamental
importncia. Assim, o monitoramento hidrolgico, que consiste da observao,
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medio, processamento e previso de dados hidrolgicos, uma das reas da
hidrologia, mais conhecida como hidrometria.
Este documento apresenta apenas tpicos sobre o monitoramento
hidrolgico, que sero discutidos nas aulas de recursos hdricos. Ressalta-se
ainda que para o aluno que quiser obter mais informaes sobre este tema,
recomendada a leitura do livro Hidrometria Aplicada de Irani dos Santos e outros
autores (2001), que foi o material que deu base elaborao do presente texto.
De uma maneira resumida, esta parte do curso ser apresentada da
seguinte forma:
Apresentao de conceitos ligados ao monitoramento hidrolgico
(aula terica);
Apresentao de equipamentos de medio (aula expositiva de
equipamentos de medio).
2. OBJETIVO
Fazer com que o aluno entenda a importncia do monitoramento hidrolgico
para a rea de recursos hdricos.
3. O CICLO HIDROLGICO
O ciclo hidrolgico representa a forma como a gua circula ou est
disposta na natureza. Sua representao pode ser a mais completa possvel,
considerando, por exemplo, a gua sob forma de neve ou gelo em montanhas.
Porm, no caso especfico do Nordeste brasileiro, a forma simplificada do ciclo
hidrolgico pode ser composta pelas seguintes parcelas, que so representadas
na Figura 1:
Precipitao;
Evaporao;
Evapotranspirao;
Escoamento superficial;
Escoamento sub-superficial;
Escoamento subterrneo;
Infiltrao.
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Figura 1 - Representao do ciclo hidrolgico
4. O MONITORAMENTO HIDROLGICO
Na hidrologia dada uma nfase a fase superficial do ciclo hidrolgico.
Esta nfase pode ser caracterizada pela equao do balano hdrico, que a
equao da continuidade aplicada a uma bacia hidrogrfica.
P ETP Q = ?S/?t (1)
Em que:
P Precipitao;
ETP Evapotranspirao potencial;
Q Deflvio;
?S/?t variao do armazenamento dgua do sistema no
tempo.
Como esta equao tem o objetivo principal de quantificar a gua na bacia
hidrogrfica, ento variveis hidrolgicas podem ser medidas diretamente em
campo ou determinadas indiretamente, por meio de outras variveis hidrolgicas
monitoradas.
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4.1 - Precipitao
A precipitao a principal entrada do sistema bacia hidrogrfica, atravs
desta varivel que so formadas outras variveis do sistema, por exemplo, o
escoamento superficial e a infiltrao.
Esta varivel quantificada diretamente sobre a bacia hidrogrfica atravs
de pluvimetros (em geral uma vez por dia) ou pluvigrafos (medio contnua),
sendo que o pluvimetro mais utilizado no Brasil o Ville de Paris (Figura 2).
Este tipo de pluvimetro possui uma rea de 400 cm2, de modo que um volume
de 40 ml corresponde a 1 mm de precipitao. A gua acumulada neste tipo de
medidor de precipitao captada por meio de uma torneira no fundo do
aparelho atravs de uma proveta (Figura 3).
Figura 2 - Pluvimetro Ville de Paris (Fonte: Dos Santos et al, 2001)
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Figura 3 - Captao da precipitao (Fonte: Dos Santos et al, 2001)
No caso de pluvigrafos trs sistemas so os mais utilizados: o de bia, de
balana e o de cubas basculantes. Em geral, estes sistemas podem ser
conectados a um sistema de armazenamento de dados (dataloggers), a fim de
realizar medies em espaos de tempo menores que 1 dia.
Medies da varivel precipitao ainda podem ser obtidas atravs de
radares meteorolgicos ou imagens de satlites, porm erros so associados a
estes mtodos.
Cuidados com a instalao e operao de estaes pluviomtricas:
Na instalao e operao de postos pluviomtricos algumas observaes
merecem destaque:
O local escolhido para instalao da estao deve ser plano, livre
de obstculos como rvores, casas, muros, etc. recomendada
uma distncia mnima de algum obstculo de no mnimo 2 vezes
a altura do obstculo (Figura 4);
Escolher locais que no sejam necessrios deslocamentos da
posio do equipamento de medio no futuro;
A manuteno do sistema de medio imprescindvel para a
obteno de dados de boa qualidade, esta recomendao vale
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inclusive para equipamentos de medio automtica, que
aparentemente podem funcionar por at um ms.
Outras observaes podem ser obtidas no captulo 2 do livro
Hidrometria Aplicada (Dos Santos et al., 2001).
Figura 4 - Distncia mnima de um obstculo (Fonte: Dos Santos et al, 2001)
4.2 - Evaporao
A evaporao o processo fsico no qual um lquido ou slido passar ao
estado gasoso. Em meteorologia, evaporao diz respeito apenas
transformao da gua para o estado gasoso (vapor) devido radiao solar e
aos processos de difuso molecular e turbulenta. A evaporao influenciada
pela temperatura do ar, vento e presso de vapor. Este fenmeno pode ocorrer
em superfcies lquidas livres (espelho dgua de audes e lagos) ou em reas
descobertas de bacias hidrogrficas (superfcies de solos descobertos) quando
estes esto saturados ou quando o nvel fretico encontra-se elevado (Tucci et
al., 1993).
Esta varivel pode ser medida diretamente ou indiretamente:
Evapormetros (mtodo direto);
Equaes empricas (mtodo indireto);
Balano hdrico (mtodo indireto);
Transferncia de massa (mtodo indireto);
Balano de energia (mtodo indireto).
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Neste documento alguns mtodos so descritos a seguir. Para mais
informaes sobre os outros mtodos ler o captulo 7 do livro Hidrologia
Cincia e Aplicao.
Evapormetros:
So equipamentos para medio direta da evaporao, sendo os mais
conhecidos os tanques de evaporao, segundo Gangopadhyaya (1966) existem
27 tipos de tanques de evaporao. Estes tanques podem ser resumidos quatro
tipos: enterrados, superficiais, fixos e flutuantes. Mundialmente, o mais utilizado
o tanque classe A (Figura 5). A evaporao determinada pela multiplicao
de um fator, que varia de 0,6 a 0,8, pela lmina evaporada observada.
Figura 5- Tanque classe A (Fonte Villela & Mattos, 1975)
Nestes tanques medida diariamente a variao do volume dgua.
Equaes empricas:
So equaes que foram estabelecidas a partir de ajustamentos por
regresso das variveis que influenciam na evaporao. Algumas das mais
conhecidas so:
Equao de Meyer;
Equao de Penman;
Equao de Marciano e Harbeck.
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4.3 - Evapotranspirao
A evapotranspirao a varivel que quantifica a evaporao no solo e
transpirao ocorrida em reas verdes (reas irrigadas, florestas, campos etc.).
Ela importante para o balano hdrico de bacias hidrogrficas, e tambm de
reas agrcolas, onde a necessidade de gua para irrigao de plantas
determinada.
Dois conceitos devem ser esclarecidos:
ETP Evapotranspirao potencial Quantidade de gua
transferida para a atmosfera por evaporao e transpirao, na
unidade de tempo, de uma superfcie extensa completamente
coberta de vegetao de por baixo e bem suprida de gua
(Penman, 1956);
ETR Evapotranspirao real Quantidade de gua transferida
para a atmosfera por evaporao e transpirao, nas condies
reais (existente) de fatores atmosfricos e umidade do solo. A
evapotranspirao real igual ou menos que a
evapotranspirao potencial (ETR
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Figura 6 - Lismetro de drenagem
Medidas de umidade do solo:
Sucessivas umidade de umidade do solo permitem, por diferena,
estabelecer um valor de evapotranspirao na ausncia de precipitao e/ou
irrigao.
Mtodos baseados na temperatura (Mtodo de Blaney-Criddle):
Mtodo desenvolvido originalmente para estimativas de uso consuntivo em
regio semi-ridas, baseado na suposio de que a disponibilidade de gua para
a planta em crescimento um fator limitante:
ETP = (0,457.T + 8,13).p (2)
Em que:
ETP Evapotranspirao potencial (mm/ms);
T Temperatura mdia mensal do ar (0C);
p Porcentagem diria de horas de luz (tabelada).
A ETR (Evapotranspirao Real) pode ser ainda determinada considerando-
se um coeficiente, ou seja:
ETR = ETP.Kc (3)
Em que:
ETR Evapotranspirao real estimada para a cultura e local de
interesse;
Kc Coeficiente da cultura (tabelado).
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4.4 - Vazo
Em geral, nos estudos dos recursos hdricos superficiais a vazo pode ser
considerada uma das variveis mais importantes, sendo esta a principal varivel
de sada do sistema (bacia ou sub-bacia hidrogrfica). A forma convencional de
monitoramento da vazo realizada de forma indireta, ou seja, atravs
medies de nveis ou cotas do curso dgua.
Convencionalmente, os nveis ou cotas dgua dos rios so medidos em
rguas linimtricas (Figura 7), graduadas em centmetros. A vazo ento
determinada atravs da uma curva-chave (Figura 8), onde para um determinado
nvel h uma vazo correspondente.
Figura 7 - Rgua linimtrica
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y = 275,2e2,2631x
R2 = 0,9993
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85
Lmina d'gua
Vaz
o
pontos medidos Expon. (pontos medidos)
Figura 8 - Curva-chave de uma seo de um rio
O processo de instalao de um posto fluviomtrico e de construo da
sua curva-chave consiste em:
Escolha em carta plani-altimtrica de um ponto para medio,
considerando para tanto a rea da bacia hidrogrfica que se
deseja medir, facilidade de acesso seo, inexistncia de obras
hdricas a montante da seo, que possam comprometer as
medies, e verificao se o trecho do rio escolhido retilneo;
Ida a campo para verificao da seo escolhida na carta plani-
altimtrica, verificando assim se o acesso seo fcil e se a
seo transversal estvel;
Escolhida a seo de medio, a instalao do posto
fluviomtrico pode ser realizada, que composto das rguas
linimtricas (Figura 10) e/ou equipamento de medio
automatizado e, em alguns casos, de um sistema de
armazenamento dos dados medidos (Figura 11);
Uma vez o posto fluviomtrico instalado, podem ser iniciadas as
medies de vazes com auxlio de um molinete (Figura 9). Estas
medies devem ser realizadas com o rio em diferentes
situaes, ou seja, em perodos climticos distintos (seco, mdio
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e chuvoso), para que se obtenha em diferentes nveis dgua as
vazes correspondentes, e que assim sejam determinados pares
ordenados para construo da curva-chave (Figura 8);
Com os valores de nvel dgua e vazo constri-se ento a
curva-chave (Figura 8), que relaciona valores de nveis e vazes;
Recomenda-se ainda que seja observada ao longo de um
determinado perodo a estabilidade da seo escolhida, pois caso
a seo transversal no seja estvel a curva-chave tambm no
ser.
Figura 9 - Molinete para medio de velocidade em rios
Figura 10 - Esquema de uma seo fluviomtrica simples
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Figura 11 - Esquema de uma estao fluviomtrica (Sistema automatizado)
Medies de vazo podem ainda ser determinadas por outros mtodos
como os dispositivos de geometria regular (calhas Parshall ou vertedouros),
mtodo qumico, mtodo volumtrico, mtodo acstico ou ainda atravs da
medio com flutuadores.
4.5 - Nveis dgua de audes
Outra varivel importante de ser monitorada, com relao etapa
superficial do ciclo hidrolgico, variao do volume de reservatrios (audes).
Estes dados so importantes para a realizao de balanos hdricos, seja da
bacia hidrogrfica seja do prprio aude. A variao do volume de um aude no
pode ser medida diretamente, assim esta varivel determinada indiretamente
pela variao da lmina dgua do aude. Com esta lmina ou cota e com a
curva cota-rea-volume do aude determina-se o volume de gua armazenado
no aude. Para tanto, utiliza-se tambm a interpolao linear.
O caso do estado da Paraba, pouco mais de 120 audes tem o nvel
dgua monitorado diariamente. O sistema de monitoramento destes nveis
simplificado, porm de fundamental importncia para o conhecimento da
quantidade de gua acumulado no sistema de armazenamento do estado,
permitindo assim um gerenciamento e planejamento eficaz do sistema de
recursos hdricos como um todo.
A medio do nvel dgua realizada atravs de rguas linimtricas
instaladas nos audes, onde operadores da CAGEPA fazem a leitura do nvel
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dgua uma vez por dia. A instalao destas rguas linimtricas feita de forma
semelhante a apresentada na Figura 10.
Para medio destes nveis ainda podem ser utilizados equipamentos de
medio automticos que medem a variao do nvel dgua atravs de sistemas
de bia e contra-peso semelhantes aos utilizados em estaes fluviomtricas.
5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
TUCCI C. E. M. (Organizador). Hidrologia Cincia e Aplicao. 1993. VILLELA, S. M; MATTOS, A. Hidrologia Bsica. 1971. RIGHETTO, A. M. Hidrologia e Recursos Hdricos, Editora da Escola de Engenharia de So Carlos. 1998. SANTOS, I.; FILL, H. D.; SUGAI, M. R. V. B.; BUBA, H.; KISHI, R. T.; MARONE, D.; LAUTERT, L. F. Hidrometria Aplicada. 2001.
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