Contribuição à parametrização do método do hidrograma geomorfológico aplicado a pequenas e médias bacias

Abstract

Resumo: O hidrograma unitário instantâneo geomorfológico (HUIG) representa uma solução para a previsão da vazão de escoamento direto em bacias de pequeno e médio porte, desprovidas de dados de vazão observados. A sua aplicação necessita da estimação do tempo de concentração e das razões geomorfológicas (parâmetros morfométricos) da bacia e evento a representar. Este estudo caracterizou fisicamente 14 bacias sul brasileiras, segundo 10 parâmetros morfométricos e analisou suas correlações. O Modelo Digital de Elevação (MDE), disponibilizado pelo projeto TOPODATA do INPE (2008), com resolução espacial de 30 metros, foi tratado e complementado com informações do SIG Google Earth. As razões geomorfológicas de bifurcação (RB), comprimento dos cursos d'água - (RL), área de contribuição (RA) e declividade médias (RS) das sub-bacias foram estimadas através de dois métodos correntemente utilizados e um terceiro método proposto neste estudo. Foi proposta uma metodologia alternativa para a estimação do tempo de concentração, baseada na teoria da onda cinemática, com o incremento do novo conceito denominado Área Parcial de Drenagem (APD), permitindo associar o resultado às características físicas e hidrológicas das bacias e dos eventos. O conjunto de conceitos e métodos propostos foram aplicados na parametrização do HUIG, considerando os tempos de contração observado e estimado pelo método proposto, bem como, pelos três métodos distintos de estimação das razões geomorfológicas. A análise proposta foi aplicada nas 14 bacias em 54 eventos observados. Como resultados, além da caracterização e classificação das bacias, pôde-se propor dois novos parâmetros morfométrico: o indicador da declividade média dos rios, que representa sinteticamente a declividade média dos todos rios da bacia, e o coeficiente de suscetibilidade de enchentes, sendo este último um ótimo indicador para análise do risco de cheias em bacias de pequeno e médio porte. Foram propostos também critérios de classificação de alguns parâmetros morfométricos. Os valores de RB mantiveram-se entre 3,0 e 6,0, já RL e RA ficaram entre 2,0 e 5,0, apresentando progressões geométricas. Já RS apresentou valores oscilando em torno de 1,0, sem progressão definida, logo, concluiu-se que este não segue as Leis de Horton, mas pode servir como indicador do perfil hipsométrico da bacia. Também se pôde concluir que o método proposto para a estimação das Razões Geomorfológicas possibilitou uma diminuição na incerteza. O método proposto para estimar o tempo de concentração apresentou resultados superiores aos das equações empíricas utilizadas na comparação. Conclui-se que o tempo de concentração não é uma característica intrínseca das bacias hidrográficas, variando também com os eventos hidrológicos. Além disso, identificou-se a influência do escoamento nas vertentes, bem como a relevância do coeficiente de rugosidade de Manning, na estimativa do tempo de concentração. Por fim, propôs-se um método para estimar a velocidade média de escoamento direto do HUIG. Identificou-se que está relacionada à assimetria geomorfológica da bacia, definida pela relação entre a distância média percorrida pelo escoamento direto e o centro geomorfológico da bacia. O modelo simplificado proposto para o HUIG apresentou resultados satisfatórios, principalmente, se associado a um método de estimação das razões geomorfológicas representativo das características das bacias e do tempo de concentração coerente.

Abstract: The Instantaneous Geomorphological Unit Hydrograph (IGUH) represents a solution for predicting direct runoff flow in small and medium-sized basins lacking observed flow data. Its application requires estimating the time of concentration and geomorphological ratios (morphometric parameters) of the basin and event to be represented. This study physically characterized 14 basins in southern Brazil using ten morphometric parameters and analyzed their correlations. The Digital Elevation Model (DEM), provided by the TOPODATA project of INPE (2008) with a spatial resolution of 30 meters, was processed and supplemented with information from Google Earth's GIS. The geomorphological ratios of bifurcation (RB), stream length (RL), drainage area (RA), and mean slope (RS) of sub-basins were estimated using two commonly used methods and a third method proposed in this study. An alternative methodology was proposed for estimating the time of concentration based on the theory of kinematic wave, incorporating the new concept called Partial Drainage Area (APD), which allows associating the result with the physical and hydrological characteristics of the basins and events. The set of proposed concepts and methods were applied to parameterize the IGUH, considering the observed time of concentration and the estimated time using the proposed method, as well as the three different methods of estimating the geomorphological ratios. The proposed analysis was applied to the 14 basins and 54 observed events. Among the results, besides the characterization and classification of the basins, two new morphometric parameters were proposed: the indicator of the mean slope of the rivers, which synthetically represents the average slope of all rivers in the basin, and the coefficient of flood susceptibility, the latter being an excellent indicator for flood risk analysis in small and medium-sized basins. Classification criteria for some morphometric parameters were also proposed. The RB values ranged from 3,0 to 6,0, while RL and RA ranged from 2,0 to 5,0, exhibiting geometric progressions. RS presented values oscillating around 1,0, without a defined progression, thus concluding that it does not follow Horton's laws but can serve as an indicator of the hypsometric profile of the basin. It was also found that the proposed method for estimating Geomorphological Ratios reduced uncertainty. The proposed method for estimating the time of concentration yielded superior results compared to the empirical equations used in comparison. It was concluded that the time of concentration is not an intrinsic characteristic of hydrographic basins, varying with hydrological events as well. The influence of slope runoff and the relevance of Manning's roughness coefficient in estimating the time of concentration were also identified. Finally, a method was proposed to estimate the average speed of direct runoff flow from the IGUH. It was found to be related to the geomorphological asymmetry of the basin, defined by the relationship between the average distance traveled by direct runoff and the geomorphological center of the basin. The simplified model proposed for the IGUH yielded satisfactory results, especially when associated with a method for estimating geomorphological ratios that are representative of the characteristics of the basins and a coherent time of concentration.