Hidrologia Aplicada - Introdução e Ciclo Hidrológico para Engenharia

Hidrologia Aplicada 1 Introdução e Ciclo Hidrológico Sumário Introdução Conceito de Hidrologia Problemas com a Água Engenharia Hidrológica Água na Terra Distribuição de Água na Terra Água Utilizável Água Utilizada Água Desperdiçada Suciência Estresse e Escassez de Água Ciclo Hidrológico Ciclo Hidrológico Fases do Ciclo Hidrológico Ciclo Hidrológico Global Conceito de Sistema Conceito de Sistema Sistema Hidrológico Balanço Hídrico Sistema Aberto Sistema de Escoamento Supercial Sistema de Escoamento Subterrâneo Sistema Completo Grandes Bacias Hidrográcas Escoamento Supercial durante Chuva Intensa Conceito de Hidrologia Hidrologia hýdor água lógos estudo I É a ciência que trata da água na Terra sua ocorrência circulação e distribuição suas propriedades físicoquímicas e sua relação com o meio ambiente incluindo sua relação com a vida United States National Research Council I Algumas subdivisões I Hidrometeorologia estuda a água na atmosfera e sua circulação I Hidrogeologia estuda a água no interior do solo e sua movimentação através do solo I Potamologia estuda os arroios e rios I Limnologia estuda os lagos e reservatórios e seu comportamento Problemas com a Água Escassa 09112007 0747 Seca gera 70 de perda na produção do Alto Sertão sergipano Os municípios do Alto Sertão tiveram uma perda média de 70 da produção agrícola desse ano por causa da seca Problemas com a Água Em Excesso 25052011 Veja as fotos da enchente desta terçafeira em Aracaju Durante todo o dia de ontem 24 a cidade de Aracaju recebeu fortes pancadas de chuva que ocasionaram alagamento em vários pontos da cidade Confira a gravadidade da situação nas imagens abaixo Problemas com a Água Poluída Problemas com a Água UsosUsuários Conitantes Engenharia Hidrológica Hidrologia Aplicada I Aplicação dos conhecimentos da Hidrologia para resolver problemas relacionados à exploração dos recursos hídricos I Dimensionamento e operação de obras hidráulicas I Abastecimento I Navegação I Irrigação I Geração de energia elétrica I Controle e previsão de inundações I Controle e previsão de secas I Diluição de poluentes I Tratamento de esgotos I Manutenção dos ecossistemas I Piscicultura I Recreação I Drenagem urbana I Controle de erosão e de sedimentos I Gestão de águas SNOW PACK PRECIPITATION WATERSHEDSTREAM RIVER RESERVOIR DAM POWER AQUEDUCT AGRICULTURAL USE DELTA WILDLIFE HABITAT WETLANDS ESTUARY OCEAN WELL GROUNDWATER INDUSTRIAL USE HOME CITY USE WATER TREATMENT UNDERGROUND WATER SUPPLY RECREATION Distribuição de Água na Terra Distribution of Earths Water Freshwater 3 Other 09 Surface water 03 Rivers 2 Saline oceans 97 Groundwater 301 Icecaps and Glaciers 687 Swamps 11 Lakes 87 Fresh surface water liquid Gelo Permanente Camada de solo ou rocha cuja temperatura permanece durante vários anos abaixo de 0 C WMO Water source Water volume in cubic miles Water volume in cubic kilometers Percent of fresh water Percent of total water Oceans Seas Bays 321000000 1338000000 965 Ice caps Glaciers Permanent Snow 5773000 24064000 687 174 Groundwater 5614000 23400000 17 Fresh 2526000 10530000 301 076 Saline 3088000 12870000 094 Soil Moisture 3959 16500 005 0001 Ground Ice Permafrost 71970 300000 086 0022 Lakes 42320 176400 0013 Fresh 21830 91000 026 0007 Saline 20490 85400 0006 Atmosphere 3095 12900 004 0001 Swamp Water 2752 11470 003 00008 Rivers 509 2120 0006 00002 Biological Water 269 1120 0003 00001 Total 332500000 1386000000 100 Source Gleick P H 1996 Water resources In Encyclopedia of Climate and Weather ed by S H Schneider Oxford University Press New York vol 2 pp 817823 Quanto de Água é Utilizável How much of Earths water is usable by humans Water usable by humans Ground water Freshwater lakes Rivers All water on Earth 03 is usable by humans 997 is unusable by humans Quanto de Água é Utilizada Evolution of Global Water Use Withdrawal and Consumption by Sector Agricultural Domestic Industrial Reservoirs Withdrawal Consumption Waste Withdrawal Consumption Waste Withdrawal Consumption Waste Evaporation Note Domestic water consumption in developed countries 500800 litres per person per day is about six times greater than in developing countries 60150 litres per person per day Source Igor A Shiklomanov State Hydrological Institute SHI St Petersburg and United Nations Educational Scientific and Cultural Organisation UNESCO Paris 1999 Quanto de Água é Desperdiçada Industrial and Domestic Consumption Compared with Evaporation from Reservoirs Industrial and domestic consumption Evaporation from reservoirs Source Igor A Shiklomanov State Hydrological Institute SHI St Petersburg and United Nations Educational Scientific and Cultural Organisation UNESCO Paris 1999 Suciência Estresse e Escassez de Água Ciclo Hidrológico I Hidrologia é o estudo das fases do ciclo hidrológico I O ciclo representa o caminho percorrido pela água nos seus três estados físicos sólido líquido e gasoso na região do espaço conhecida como hidrosfera 15 km de troposfera porção mais baixa da atmosfera 1 km de litosfera crosta terrestre e parte do manto superior I Sólido calotas polares I Líquido oceanos lagos rios riachos I Gasoso vapor de água na atmosfera Ciclo da Água Armazenamento de água no gelo Precipitação Escoamento superficial proveniente do degelo Infiltração Nascente Descarga do aquífero Armazenamento de água subterrânea Armazenamento de água na atmosfera Escoamento superficial Caudal no rio Armazenamento de água doce Evapotranspiração Condensação Evaporação Armazenamento da água nos oceanos USGS US Department of the Interior US Geological Survey httpgawaterusgsgoveduwatercyclehtml Fases do Ciclo Hidrológico Caindo em um dado local as águas da chuva se distribuirão como segue 1 Uma porção conhecida como interceptação é retida pelas construções pelas copas das árvores arbustos e outras plantas e obstáculos de onde eventualmente evapora O excesso isto é o que supera a capacidade de interceptação somase à parcela da chuva que atinge diretamente o solo 2 Parte da precipitação que atinge o solo retorna à atmosfera na forma de evaporação Outras parcelas inltramse no terreno ou escoamse supercialmente 3 Da parcela da água de inltração parte vai ocupar a zona das raízes e é utilizada pelas plantas e nalmente retorna à atmosfera pelo processo conhecido como transpiração 4 A água de inltração que percola escoa através dos espaços intergranulares para as camadas mais profundas do solo vai constituir a água ou escoamento subterrâneo 5 Além da interceptação evaporação e inltração o restante da água precipitada formará inicialmente poças ou pequenos armazenamentos nas depressões do terreno Nova evaporação ocorrerá destes armazenamentos 6 Após ser excedida a capacidade de armazenamento nas depressões do terreno a água passa a escoar supercialmente e sob a ação da gravidade termina por se juntar aos cursos dágua naturais Relativamente ao total precipitado esta parcela da precipitação que se escoa pela superfície do terreno é chamada precipitação efetiva ou precipitação excedente Sob o ponto de vista do escoamento supercial é também conhecida como escoamento supercial direto ou runo Alguma evaporação também ocorre desse escoamento supercial 7 Para ocorrer o runo a água devese acumular antes de seguir o seu percurso Essa camada acumulada constitui um tipo de armazenagem conhecido como detenção retenção ou armazenamento supercial e também está sujeita à evaporação 8 O destino nal de todos os cursos dágua naturais são os lagos mares e oceanos que com mais intensidade estão sujeitos à evaporação 9 A evaporação de todas as fontes acima juntamente com a transpiração leva a umidade vapor dágua de volta à atmosfera e resulta na formação das nuvens Ciclo Hidrológico Global The Worlds Water Cycle Global Precipitation Evaporation Evapotranspiration and Runoff Vapour transport Precipitation 9 000 km³ Precipitation 110 000 km³ Precipitation 458 000 km³ Evapotranspiration 65 200 km³ Evaporation 502 800 km³ Evaporation 9 000 km³ River runoff 42 600 km³ Infiltration Lakes Ocean Area of internal runoff 119 million km² Groundwater flow 2 200 km³ Area of external runoff 119 million km² Oceans and seas 361 million km² Note The width of the blue and grey arrows are proportional to the volumes of transported water Percentagens em Relação à 100 de Precipitação Anual Conceito de Sistema I Fenômenos hidrológicos são extremamente complexos e talvez nunca possam ser completamente entendidos I Na ausência de conhecimento perfeito podem ser representados de maneira simplicada através do conceito de sistema I Sistema é um conjunto de partes conectadas que formam um todo I O ciclo hidrológico pode ser tratado como um sistema cujos componentes são precipitação evaporação escoamento e outras fases do ciclo I Para analisar um sistema total os subsistemas mais simples podem ser tratados separadamente e os resultados combinados de acordo com as interações entre eles Sistema Hidrológico I Um sistema hidrológico é uma estrutura ou volume no espaço limitada por uma fronteira que aceita água e outras entradas opera internamente nelas e produz saídas I A estrutura para escoamento supercial ou subsupercial ou volume no espaço para umidade do ar é a totalidade de caminhos do uxo através dos quais a água passa desde o ponto onde entra no sistema até o ponto de sua saída Bacia Hidrográfica como Sistema Precipitation I t Watershed divide Watershed surface System boundary Streamflow Q t FIGURE 123 The watershed as a hydrologic system Ciclo Hidrológico como Sistema Precipitation Evaporation Interception Transpiration Overland flow Surface runoff Runoff to streams and ocean Infiltration Subsurface flow Σ Σ Groundwater recharge Groundwater flow FIGURE 121 Blockdiagram representation of the global hydrologic system Atmospheric water Surface water Subsurface water Balanço Hídrico St It Qt I It L entrada no tempo t I It LT1 inuxo I St L armazenamento I Qt L saída controlada I Qt LT1 deuxo A massa que entra um sistema deve deixálo ou acumular dentro dele Entrada Saída Acúmulo I St acúmulo It entrada Qt saída I St St1 acúmulo It Qt saldo de entrada I St t It t Qt t It Qt saldo de inuxo I limt0 St t dSt dt It Qt S0 S1 1 2 S2 St1 St SN 1 SN t 1 t N 1 N It Qt primeiro período armazenamento inicial segundo período período N ésimo tempo período Sistema Aberto Figure 7114 Components of hydrologic cycle in an open system the major inflows and outflows of water from a parcel of land from Marsh and Dozier 1986 Courtesy John Wiley Sons Inc Atmospheric vapor Precipitation P Evapotranspiration ET Stream to groundwater Stream inflow Groundwater to stream Soilwater exchange Groundwater inflow Groundwater outflow Stream out I Considerando o sistema aberto da gura a equação do balanço hídrico pode ser expressa para o sistema de escoamento supercial e o sistema de escoamento subterrâneo em unidades de volume por unidade de tempo ou para um dado período de tempo e da área em lâmina dágua I A lâmina equivale à altura de água que seria obtida se o volume fosse distribuído por uma lâmina uniforme sobre uma bacia hidrográca I Se em um período de um ano há uma lâmina de L mm sobre uma bacia hidrográca com A km de área então o volume V em m em um ano é de V m L A L mm 1 m 103 mm A km 106 m 1 km V m L mm A km 103 ie 1 mm 1000 mkm ou 1 mm 1 litrom já que 1 m 1000 litros I A vazão Q em ms equivalente a este volume é dada por Q ms V t L mm A km 103 1 ano 365 dias 1 ano 24 h 1 dia 3600 s 1 h Q ms L mm A km 103 365 24 3600 Sistema de Escoamento Supercial Balanço Hídrico para o Sistema de Escoamento Supercial P Qin Qout Qg Es Ts I Ss I P precipitação I Qin escoamento supercial entrando no sistema I Qout escoamento supercial saindo do sistema I Qg escoamento subterrâneo entrando no curso dágua I Es evaporação supercial I Ts transpiração I I inltração I Ss variação de armazenamento no sistema de escoamento supercial Sistema de Escoamento Subterrâneo Balanço Hídrico para o Sistema de Escoamento Subterrâneo I Gin Gout Qg Eg Tg Sg I Gin escoamento subterrâneo entrando no sistema I Gout escoamento subterrâneo saindo do sistema I Sg variação de armazenamento subterrâneo I Eg e Tg podem ser signicantes se o lençol freático está perto da superfície Sistema Completo I Adicionandose as duas equações anteriores temse P Qout Qin Gout Gin Es Eg Ts Tg Ss Sg Balanço Hídrico para o Sistema Completo P Q G E T S Grandes Bacias Hidrográcas I No caso de grandes bacias o estudo do balanço hídrico é normalmente realizado para um longo intervalo de tempo eg anual e os valores das componentes envolvidas geralmente referemse a um ano médio I Em termos médios e para um longo intervalo de tempo as variações positivas e negativas do armazenamento tendem a se balancear isto é a variação média do armazenamento S pode ser desprezada I Em grandes bacias as trocas de água subterrânea com as bacias vizinhas fugas são ignoradas isto é G Gout Gin 0 I Em uma bacia hidrográca Qin 0 I Com as considerações acima a única entrada é P e a única saída é Q Qout I Sendo ET E T a evapotranspiração temos P Q ET 0 ou Balanço Hídrico para Grandes Bacias Q P ET Escoamento Supercial durante Chuva Intensa I Durante uma chuva intensa em curtos intervalos de tempo podese desprezar a evaporação I A inltração tornase a principal saída do sistema I Se não se exige uma determinação exata a interceptação e o armazenamento nas depressões do terreno também podem ser ignorados I A equação do balanço hídrico é Balanço Hídrico para Escoamento Supercial durante Chuva Intensa Q P I