As 19 dúvidas de Hidrologia e Drenagem Urbana que você deveria saber responder
A área dos recursos hídricos, da hidráulica e da hidrologia parece ser um mistério para muitos. A falta de conteúdo organizado, claro e, sobretudo, relevante, faz com que muita confusão e erros conceituais sejam cada vez mais frequentes.
No meu dia a dia, várias dessas perguntas, respondidas aqui nesse artigo, são atividades corriqueiras. Sendo assim, nada mais justo do que respondê-las! Durante muito tempo, tudo foi muito confuso para mim.
Não sabia onde encontrar material de qualidade, especialmente na parte de hidrologia … não sabia por onde começar, achava que a culpa era minha.
Se você está nessa situação, te digo: a culpa não é sua.
Simplesmente, não é tão simples assim encontrar um passo a passo resumido sequer para as perguntas mais fundamentais e elementares da área; imagine, então, para as mais complexas?
Portanto, nesse artigo, vamos aprender o essencial que quem quer avançar seus conhecimentos em hidrologia e hidráulica deve saber e compreender.
Sumário
- Para que serve o hidrograma?
- O que é o hidrograma unitário?
- O que é vazão de pico?
- Quais são os fatores que mais influenciam no escoamento superficial?
- O que é uma chuva efetiva?
- Como se origina o escoamento superficial em uma bacia durante a chuva?
- Como funciona o escoamento superficial?
- Como calcular a chuva efetiva?
- O que é o escoamento de base?
- O que é a vazão de um rio?
- O que é uma bacia de contribuição?
- O que é uma Sub-bacia?
- Como se forma uma bacia hidrográfica?
- O que é o Exutório de uma bacia hidrográfica?
- Qual a finalidade da delimitação de uma bacia hidrográfica?
- O que é tempo de concentração em uma bacia hidrográfica?
- O que é o método racional?
- Como calcular o coeficiente de runoff?
- Como calcular o tempo de retorno da chuva?
Para que serve o hidrograma? Qual seu impacto na Hidrologia?
Um hidrograma serve para estimar a quantidade de água que passa por determinada seção, por unidade de tempo.
Ele é uma ferramenta gráfica amplamente utilizada na hidrologia e serve de base para muitos projetos hidráulicos.
Por exemplo, ele pode servir de base para projetos de canais, galerias de águas pluviais, vertedouros, orifícios, reservatórios, diques e diversas outras obras hidráulicas que necessitam da avaliação temporal das vazões.
Usualmente, sua unidade é expressa em $L/s$ ou $m^3/s$. 
Exemplo) Determine a variação dos hidrogramas de entrada e saída de um reservatório de detenção para fazer o controle de cheias para uma chuva de tempo de retorno de $10~anos$, bacia com $2~km2^2$ e tempo de concentração de $30~min$ em São Carlos – SP.
Método Chuva-Vazão SBRH e método de infiltração SCS-CN. 
Nos GIFs acima é possível observar o impacto da urbanização na geração de vazão.
Conforme o curve-number vai aumentando, o hidrograma vai tomando proporção e assim o reservatório de detenção exerce seu papel mitigando a enchente por suas estruturas de extravazão e por seu volume.
O que é o hidrograma unitário?
Hidrograma unitário é uma representação sintética e empírica, baseada em observações de precipitação e vazão. Seu uso é potencializado quando a estimativa das propriedades hidrológicas de uma bacia é de demasiada complexidade.
Os processos da hidrologia e do ciclo hidrológico que interferem na geração de escoamento superficial são extremamente complexos de serem modelados analiticamente (na mão por equações simples) para bacias hidrográficas complexas como uma região urbanizada.
Desse modo, o que foi feito décadas atrás – antes do crescimento exponencial do poder dos computadores – foi justamente criar fórmulas simples, fáceis de aplicar, mas que não necessariamente têm toda sua base em processos físicos.
Por exemplo, diversos estudos levantaram informações relativas a precipitações e vazões em pontos específicos de bacias hidrográficas e, a partir desses dados, os autores criaram fórmulas que fazem a estimativa do hidrograma da bacia hidrográfica.
Um desses exemplos é o método SCS que foi desenvolvido pelo Corpo de Engenheiros dos Estados Unidos e que leva em conta informações relativas ao tempo de concentração área da bacia hidrográfica e seu uso e ocupação.
Em resumo, o hidrograma unitário é o hidrograma de projeto caso ocorra uma chuva unitária. Essa chuva unitária pode ser expressa em milímetros ou centímetros.
Ele é uma ferramenta da hidrologia, praticamente essencial para auxiliar projetos de drenagem urbana, especialmente em bacias que carecem de dados de chuva e de vazão. 
O que é vazão de pico em Hidrologia?
Vazão de pico é a vazão máxima que ocorre em um ponto ou seção (exutório) de uma bacia hidrográfica.
A vazão de pico depende especialmente de propriedades fisiográficas da bacia como: tipo de solo, declividade, porcentagem de áreas impermeáveis, além é claro da precipitação e de como ela é distribuída temporalmente e espacialmente na bacia hidrográfica.
A vazão de pico pode ser entendida como a resposta que a hidrologia da bacia hidrográfica apresenta em relação aos fatores que a perturbam (precipitação, uso e ocupação da bacia, uso de reservatórios etc.). Além disso, a vazão de pico pode ser alterada por dispositivos hidráulicos, como canais, reservatórios e galerias.
Um ponto fundamental a ser levado em conta no entendimento das vazões de pico é a duração, atrelada a essa informação.
Por exemplo, no caso de grandes bacias, a escala de tempo usualmente utilizada é da ordem de dias, às vezes de meses.
Portanto, as vazões de pico nesses casos correspondem a vazões médias de pico em grandes intervalos.
Em outras palavras, há uma diferença entre a vazão de pico e a vazão instantânea de pico.
Esta, por sua vez, só é capturada em modelos que usam discretizações temporais da ordem de minutos ou segundos. 
Quais são os fatores que mais influenciam o escoamento superficial?
O escoamento superficial ocorre quando a precipitação excede a capacidade de infiltração da bacia hidrográfica. Portanto, os fatores que mais alteram a capacidade de infiltração estão intrinsecamente ligados ao uso e à ocupação da bacia.
Por exemplo, duas bacias com mesma área , porém uma mais uma impermeável e a outra mais mais permeável vão gerar hidrogramas totalmente diferentes para a mesma chuva, justamente pelo fato do processo de infiltração ser diferente.
Outro ponto importante que altera o escoamento superficial é a abstração inicial.
A Abstração Inicial nada mais é do que a parcela de água que, no começo da chuva, é armazenada nas copas das árvores, reservatórios e depressões naturais.
Outro fator importante na geração de escoamento superficial é a retificação de canais naturais que antes possuíam sinuosidades que retardavam a onda de cheia.
Em outras palavras, alterações antrópicas na hidrologia natural de uma bacia hidrográfica influenciam muito a geração de escoamento superficial.
Ao passo em que se é feita a retificação, a água chega mais rápido nos pontos mais baixos da bacia hidrográfica e isso aumenta as vazões de pico e isso pode aumentar o risco de cheias.
O que é uma chuva efetiva?
Chuva efetiva é a parcela da precipitação que, de fato, gera escoamento superficial. Por exemplo, imagine um telhado.
Praticamente toda a chuva que incide nesse telhado se torna efetiva.
Porém, em uma bacia natural, com solo permeável, boa parte da chuva infiltra e, portanto, não gera escoamento superficial.
Em outras palavras, a chuva efetiva é o excesso entre a chuva total e as perdas por infiltração e abstração inicial 
A figura acima mostra a relação entre um hietograma (chuva total) e um hietograma de chuva efetiva. Perceba alguns pontos:
- A precipitação é sempre maior ou igual à chuva efetiva. Isso vem do balanço de massa, isto é, não é possível gerar mais escoamento superficial do que a precipitação – desprezando o caso de escoamento subterrâneo
- A distribuição da chuva, ou seja, como ela varia ao longo do tempo, desempenha um papel muito importante. Em outras palavras, se ela ocorre constante, se ela ocorre alternada, se ela tem o pico no início ou se ela tem o pico no fim, muda todo o processo de infiltração — que é um processo não linear. Portanto, duas chuvas com mesmo volume, mesma duração na mesma bacia podem ter respostas diferentes no exutório caso a distribuição da chuva seja diferente
- Perceba que no final da chuva a precipitação efetiva ou a chuva efetiva já é praticamente igual à precipitação. Isso ocorre pois com o tempo de chuva o solo vai se saturando, diminuindo sua capacidade de infiltração e, portanto, praticamente toda chuva vira escoamento superficial
Como se origina o escoamento superficial em uma bacia durante a chuva?
O escoamento superficial se origina principalmente de processos do ciclo hidrológicos e da hidrologia como:
- (a) Excesso de infiltração – quando a intensidade de precipitação é maior que a capacidade de infiltração das áreas permeáveis e o volume de chuva excede as abstrações iniciais,
- (b) Quando a precipitação incide em áreas impermeáveis como telhados e pavimentos e naturalmente gera escoamento superficial e
- (c) Pelo controle de dispositivos hidráulicos como reservatórios que podem gerar escoamento em canais e cursos hídricos.
Perguntas semelhantes
- O que é escoamento superficial direto?
Como funciona o escoamento superficial?
O escoamento superficial funciona, basicamente, da seguinte maneira: a água proveniente da chuva incide na superfície da terra.
Essa precipitação pode se acumular na copa das árvores ou em reservatórios naturais.
Uma vez que o volume da chuva preenche esses volumes chamados na hidrologia de abstrações iniciais, a precipitação começa a entrar em contato de fato com a superfície da terra.
Essa superfície, por sua vez, pode ser (i) permeável ou (ii) impermeável.
No caso de ela ser impermeável, praticamente toda a água que incide nessa superfície vira escoamento superficial.
Já nos casos do contato com solos permeáveis, o escoamento superficial só será gerado quando a intensidade da chuva for maior que a capacidade de infiltração do solo.
Como calcular a chuva efetiva?
A chuva efetiva pode ser calculada por meio de métodos que estimam as perdas por (a) abstração inicial e (b) infiltração.
Um modelo empírico e sintético que pode ser facilmente aplicado para a estimativa da chuva efetiva é o Método SCS.
Outros métodos conhecidos na hidrologia que também são aplicáveis são o de Green-Ampt, o de Horton, o índice fi ou até a equação de Richards.
Em resumo, ela é a diferença entre a intensidade de precipitação e a capacidade de infiltração – quando o volume de precipitação supera as abstrações iniciais.
Caso o volume não supere, assume-se que a chuva efetiva é nula.
O que é o escoamento de base?
O escoamento de base é fruto do armazenamento de água em aquíferos.
Esse escoamento é lento e provém basicamente da infiltração profunda das águas de escoamento superficial.
O entendimento e a modelagem do escoamento de base e escoamento subterrâneo são uma área da hidrologia que, de certa forma, é de difícil mensuração, comparada à drenagem superficial.
Quando a água infiltra no solo, diversos processos físico-biológico-químicos ocorrem e parte dos poluentes é retida.
Porém, poluições concentradas podem ocorrer e causar problemas graves, especialmente em aquíferos onde a retirada de água é realizada para abastecimento.
Assim, por exemplo, em San Antonio – Texas, o San Antonio River Authority (Autoridade que regulariza o uso da água) não permite a infiltração de quaisquer águas no aquífero Edwards.
Este aquífero abastece a cidade, justamente por temerem a contaminação pontual de sua maior fonte hídrica e também por legislações locais que não permitem.
É possível observar o escoamento de base?
O escoamento de base pode ser facilmente observado em períodos de seca em cursos hídricos.
Dependendo da topografia e da pedologia, as linhas de fluxo d’água podem incidir sobre as laterais dos canais naturais, gerando escoamento mesmo quando não há precipitação.
Esse fenômeno ocorre especialmente devido às grandes resistências hidráulicas (grandes distâncias percorridas, altas rugosidades e baixo gradiente hidráulico) encontradas pelo escoamento de base.
Sendo assim, a vazão de base ocorre sempre, mas é mais evidente em períodos de seca por representar águas que infiltram no solo dias, meses e, em alguns casos, inclusive, anos atrás.
Ela é o que diferencia o hidrograma de escoamento superficial do hidrograma de escoamento superficial direto.
Perguntas semelhantes
- O que é o escoamento subterrâneo?
O que é a vazão de um rio?
Vazão é volume por unidade de tempo.
Está totalmente relacionada à velocidade do fluido e à área da seção transversal que o compõe.
A vazão de um rio não difere desse conceito.
O problema é que a seção de um rio é, muitas vezes, variável tanto ao longo do curso d’água quanto na própria seção e depende fortemente das condições da hidrologia e pedologia da bacia de contribuição.
Assim, a batimetria é uma ferramenta muitas vezes necessária para estimar a vazão de um rio.
Para isso, uma das alternativas mais economicamente viáveis para rios de seção não muito extensa é o uso de molinetes para medir a velocidade da água.
Em resumo, o molinete permite obter uma relação direta entre a velocidade do escoamento em um determinado ponto da seção.
Assim, essa velocidade é medida em pontos estratégicos e, assumindo-a constante em determinadas porções da seção do rio, é possível determinar a velocidade média — e, portanto, a vazão média — de uma seção de um rio.
Esse estudo é muito importante e permite entender o comportamento das vazões, especialmente as vazões de regularização.
Porém, há uma desvantagem
Uma das desvantagens de utilizar molinetes é a necessidade de pessoas in loco para medir.
Isso é um grande ponto negativo, pois, usualmente, faltam dados de vazão em rios durante grandes eventos de cheia.
Isso é facilmente compreensível: o trabalho de ir a campo medir vazões em eventos de cheia é, no mínimo, arriscado.
Assim, não é muito raro se observar curvas-chave de rios com vários dados observados para vazões baixas e pouquíssimos dados para vazões elevadas, o que é de certa forma preocupante quando temos que dimensionar obras hidráulicas para vazões de pico. 
O que é uma bacia de contribuição?
Bacia de contribuição pode ser entendida como a área em planta que toda chuva que cai nessa área e gera escoamento superficial drena para uma seção (exutório).
Por exemplo, em bacias hidrográficas naturais, a área de contribuição é tipicamente determinada pela topografia.
Assim, as curvas de nível ou um modelo digital de elevação podem permitir o delineamento da bacia de contribuição.
Esses artefatos permitem identificar os divisores d’água, ou seja, regiões onde a direção final do escoamento no ponto mais baixo muda.
Por outro lado, a bacia de contribuição das áreas urbanas não necessariamente coincide com a gerada pela topografia.
Isso usualmente ocorre pelo impacto da drenagem urbana construída por meio de galerias de águas pluviais, canais, sarjetas e, eventualmente, por técnicas compensatórias de drenagem urbana sustentável.
Assim, a área que contribui para o escoamento superficial deum determinado ponto não necessariamente coincide com a área de drenagem gerada pela topografia natural.
O que é uma Sub-bacia?
Uma sub-bacia é uma porção de uma bacia que drena para um ponto ou seção específica, que não necessariamente é o exutório da bacia maior que a compõe.
Em modelos hidrológicos semidistribuídos, usualmente as sub-bacias são assumidas com propriedades hidrológicas uniformes (e.g., um único CN, um único C, uma única chuva), isto é, constantes e aplicáveis a toda a área da sub-bacia.
A delimitação de uma bacia hidrográfica pode ocasionar a definição de várias sub-bacias. Por exemplo, imagine o tubo de saída de uma casa que liga seu sistema de drenagem diretamente na sarjeta.
- O exutório dessa casa é o ponto que liga na sarjeta
- O telhado é uma sub-bacia pois tem área definida e drena para um ponto específico (tubo de queda) que não necessariamente é o exutório da bacia
Alguns pontos devem ser claramente entendidos quando da delimitação de bacias
- Dependendo do nível de detalhe e da resolução do modelo digital de elevação, as bacias e sub-bacias podem diferir em densidade de drenagem e área
- Uma das ideias para se definir sub-bacias é escolher áreas em que apenas um curso d’água drena para o exutório. Em outras palavras, quando cursos d’água de ordens maiores se encontram, sub-bacias são definidas.
- Softwares como o ArcGIS ou o QGIS possuem algoritmos que traçam bacias e sub-bacias, considerando o modelo digital de elevação do terreno (DEM).
- A resolução do DEM é importante e está ligada ao nível de detalhe do estudo. Por exemplo, para uma bacia pequena (< 1 km²), não faz sentido usar um DEM que está na resolução de 1 km x 1 km, pois isso significaria apenas uma célula. Porém, para uma bacia grande (> 1000 km²), a utilização de um DEM nessa resolução já faria muito mais sentido. Tudo depende do nível de detalhe que se quer dar ao estudo
- Usar altas resoluções de DEM aumenta o tempo de processamento e, dependendo do caso, não necessariamente gera melhores resultados. Isso ocorre justamente porque essas informações frequentemente apresentam erros. Assim, muitas vezes é necessário um pré-processamento das informações para eliminar depressões excessivas e ajustar as condições de contorno.
Perguntas similares:
- O que delimita uma bacia hidrográfica?
- Como delimitar Sub-bacias?
Como se forma uma bacia hidrográfica?
Uma bacia hidrográfica geralmente é definida pela topografia. Porém, surpreendentemente ela pode ser alterada por dois fatores:
- Alteração do ambiente natural pela construção de edificações, pavimentações e sistemas de drenagem
- Eventos de inundação. Um evento de inundação pode gerar um excesso de lâmina d’água que, eventualmente, pode alterar a direção do escoamento. Por exemplo, naturalmente o escoamento é movido pelas declividades naturais da bacia hidrográfica. Porém, em grandes eventos de cheia, as declividades de escoamento podem variar conforme o nível d’água na bacia. Esse fenômeno é complexo, mas é possível que aconteça.
O que é o Exutório de uma bacia hidrográfica?
Exutório é o ponto ou seção que recebe todo o escoamento gerado pela bacia hidrográfica.
Geralmente é o ponto mais baixo da bacia hidrográfica, especialmente quando o escoamento é movido pela gravidade.
Qual a finalidade da delimitação de uma bacia hidrográfica?
A delimitação de uma bacia hidrográfica é o primeiro passo para o entendimento dos processos da hidrologia e do ciclo hidrológico que nela ocorrem.
Diversas propriedades hidrológicas como (a) declividade média, (b) uso e ocupação, (c) área de drenagem, (d) fator de forma, (e) fator de compacidade e entre outros podem ser informações relevantes que devem ser priomordialmente obtidas a partir da delimitação de bacias hidrográficas.
O que é tempo de concentração em uma bacia hidrográfica?
Tempo de concentração é o tempo que o ponto mais hidraulicamente distante leva para chegar ao ponto de saída da bacia – o exutório – e é um das variáveis da hidrologia mais difíceis de se mensurar.
Quando eu digo mais hidraulicamente distante, digo no seguinte sentido: uma distância hidráulica leva dois itens em consideração, (a) a distância e a (b) resistência ao escoamento.
Por exemplo, um ponto extremamente distante do exutório de uma bacia hidrográfica pode ter um tempo de concentração muito baixo, caso a superfície tenha baixa resistência (um canal liso, por exemplo).
Já um ponto as vezes extremamente perto do exutório pode ter, por outro lado, um tempo de concentração maior por naquela região ser uma área mais rugosa, mais arborizada, mais vegetada.
Então, em outras palavras, o tempo de concentração é o tempo que uma gota que caí nesse ponto mais hidraulicamente distante demora para se deslocar até o exutório da bacia.
O tempo de concentração é uma das principais variáveis da hidrologia de bacias hidrográficas e está totalmente relacionado com a geração de escoamento superficial e determinação de vazões de pico.
O que é o método racional?
Método Racional é um dos métodos da hidrologia urbana mais simples e mais comumente aplicáveis no projeto de obras hidráulicas para atenuação de picos de vazão.
Ele serve para calcular a vazão de pico para uma dada chuva de projeto. O método assume três hipóteses principais.
- (1) A chuva é uniformemente distribuída na bacia e tem intensidade constante.
- (2) A duração da chuva é igual ao tempo de concentração da bacia.
- (3) O hidrograma é um triângulo isósceles, isto é, sai da vazão nula no tempo 0, chega na vazão máxima no tempo igual ao tempo de concentração e retorna a vazão nula no tempo igual ao dobro do tempo de concentração.
Essas hipóteses são razoavelmente aceitas para bacias pequenas com baixos níveis de heterogeneidade. 
Porém, como o método racional depende do tempo de concentração — que é de difícil estimativa —, uma alternativa para se avaliar a vazão de pico para projetos de drenagem é elaborar uma análise de sensibilidade da vazão de pico em função do tempo de concentração.
Exemplo) Determine a vazão de projeto de um canal que recebe uma área de drenagem de $0.5~km^2$, com coeficiente de Runoff igual a 0.85 para uma chuva com tempo de retorno de 10 anos e IDF (k = 819.67, a = 0.138, b = 10.77 e c = 0.75).
Assuma um erro de 20% no tempo de concentração e determine, portanto, a faixa de variação da vazão de pico para essas condições de projeto. 
Como calcular o coeficiente de runoff?
Há, basicamente, duas formas de calcular o coeficiente de runoff.
A primeira é dada pela razão entre o volume ou a lâmina de escoamento superficial e a precipitação.
A segunda pode ser feita integrando o hidrograma observado na seção de interesse e dividindo esse volume, obtido pela área do hidrograma, pelo volume de precipitação na bacia.
Ambos os modos representam a mesma grandeza.
Como calcular o tempo de retorno da chuva?
Usualmente o tempo de retorno não é calculado, ele é assumido.
Toda obra que envolve uma variável hidrológica anualmente distribuída tem uma chance anual de falha.
Desse modo, essa chance anual é expressa em termos do tempo de retorno.
Por exemplo, uma chuva de tempo de retorno de 100 anos significa que, em média, um evento igual ou superior a esse volume de chuva ocorre ao menos uma vez em 100 anos.
Embora o tempo de retorno muitas vezes seja função de critérios regulatórios, como manuais de drenagem, ele de fato pode sim ser calculado. Esse cálculo pode ser feito sob a seguinte hipótese:
- O tempo de retorno ideal é aquele que produz a melhor relação entre benefícios – custos evitados por enchentes – e custos de implantação e manutenção da obra.
- Por exemplo, a obra hidráulica que evita qualquer enchente tem praticamente custo 0 de danos causados por enchentes. Porém, ela é extremamente cara, então a relação entre benefícios e custos não é a melhor. Assim, o problema consiste em estimar os danos evitados pelas enchentes utilizando a obra hidráulica versus o custo de se fazer a obra hidráulica.
Exemplo)
Supondo que uma cheia catastrófica custe em média R$ 4.000.000,00 em danos causados, assumindo uma taxa mínima de atratividade de 10,38%, estime o tempo de retorno ótimo ou probabilidade de falha anual ótima para um extravasor comportar cheias históricas.
O custo do extravasor varia com a magnitude da vazão de projeto esperada e é dado para cada tempo de retorno na tabela abaixo 
Assim, os custos prováveis de cada cheia é dado pelo custo médio das cheias multiplicado por sua probabilidade de ocorrência em um ano qualquer. 
Portanto, observa-se o seguinte cenário para esse problema:
- Soluções com maior probabilidade de falha aumentam consideravelmente os custos pois maiores danos de cheia ocorrem pela baixa capacidade de vazão
- Soluções que consideram o dimensionamento do extravasor para chuvas muito extremas são caras pois o custo do extravasor é relativamente maior que o dano evitado das cheias por ele
- Porém, uma solução é ótima em termos de custos e danos evitados. Essa solução é a de probabilidade de falha de 0.5% ou tempo de retorno de 200 anos.
Faltou alguma? Deixe sua pergunta nos comentários abaixo, que vamos responder!
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Mestre e Doutor em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela USP – São Carlos. Vencedor do Prêmio Tese Destaque de teses da USP (2024) e autor de diversos artigos nacionais e artigos internacionais. Pesquisador de Pós-Doutorado II na University of Arizona, Department of Hydrology and Atmospheric Sciences, USA. Engenheiro civil formado pela Universidade Estadual de Maringá. Fundou o canal Engenheiro Planilheiro em 2017 após perceber que suas planilhas poderiam dar uma contribuição real para diversos engenheiros, arquitetos e profissionais da área, contando com mais de 100 mil planilhas já baixadas e diversos clientes atendidos no Brasil e no mundo.
