Hidrologia Ambiental - Conceitos e Métodos

HIDROLOGIA AMBIENTAL Tierry Caique 2 SUMÁRIO 1 CONCEITOS BÁSICOS 3 2 NATUREZA DOS FENÔMENOS E MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS HIDROLÓGICAS 12 3 HIDROMETEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA 24 4 MÉTODOS DE ANÁLISE HIDROLÓGICA 36 5 AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE DADOS 47 6 DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO 59 3 1 CONCEITOS BÁSICOS Apresentação A Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra sua ocorrência circulação e distribuição propriedades físicas e químicas e sua relação com o meio ambiente Tratase de uma disciplina interligada com grande parte das atividades humanas como agricultura pecuária abastecimento urbano e industrial hidrelétricas meteorologia etc Por seu estudo ser tão amplo a Hidrologia foi dividida em diversas subáreas como Hidrometereologia é a parte da ciência que trata da água na atmosfera Limnologia referese ao estudo dos lagos e reservatórios Potamologia tratase do estudo de arroios e rios Glaciologia é a área da ciência relacionada com a neve e o gelo na natureza Hidrogeologia é o campo científico que trata das águas subterrâneas Neste bloco abordaremos os principais conceitos da Hidrologia como Ciclo Hidrológico Bacia hidrográfica e precipitação Além de introduzir ao aluno a ideia de projeto de recursos hídricos baseada na análise técnica correlacionada com a viabilidade econômica 11 Introdução à Hidrologia Tendo em vista a estreita relação entre as condições atmosféricas e meteorológicas de uma região sobretudo com as suas condições econômicas ambientais entre outras torna se nítida a importância do estudo da hidrologia A Hidrologia é a geociência que investiga os fenômenos que determinam a distribuição espaçotemporal da água em nosso planeta sob os atributos de quantidade qualidade e interação com as sociedades humanas Os fenômenos hidrológicos são aqueles que definem os mecanismos de armazenamento e transporte entre as diversas fases do ciclo hidrológico em nosso planeta com atenção especial para as áreas continentais 4 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 inúmeras irregulares dos climas globais e regionais bem como das particularidades regionais e locais devido aos 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 obtenção desses objetivos requer a quantificação confiável das variabilidades espaciais eou temporais presentes em fenômenos hidrológicos tais como precipitação escoamento e armazenamento superficiais evapotranspiração infiltração escoamento e armazenamento sub superficiais propriedades físicoquímicas e biológicas da água conformações geomorfológicas e transporte de sedimentos NAGHETTINI e PINTO 2007 Apesar da enorme quantidade de dados coletados diariamente os métodos empregados na Hidrologia até a década de 50 limitavamse a indicadores estatísticos dos projetos elaborados com o auxílio dos computadores e o crescente aumento no uso de tecnologias avançadas houve um melhor funcionamento das técnicas numéricas e estatísticas para a coleta de dados e evidências a respeito das bacias hidrográficas analisadas ocasionando em um desenvolvimento da própria Hidrologia e algumas outras áreas de estudo correlacionadas TUCCI 1993 A água possui fundamental importância para a manutenção da vida no planeta e portanto falar da relevância dos conhecimentos sobre a água em suas diversas dimensões é falar da sobrevivência da espécie humana da conservação e do equilíbrio da biodiversidade e das relações de dependência entre seres vivos e ambientes naturais BACCI PATACA 2008 De acordo com Tundisi 2003 a água é parte integral do planeta Terra É componente fundamental de dinâmica da natureza impulsiona todos os ciclos sustenta a vida e é o solvente universal Sem água a vida na Terra seria impossível A água é o recurso natural mais importante e participa e dinamiza todos os ciclos ecológicos os sistemas aquáticos têm uma grande diversidade de espécies úteis ao homem e que são também parte ativa e relevante dos ciclos biogeoquímicos e da diversidade biológica do planeta Terra 5 O Homo sapiens além de usar a água para suas funções vitais como todas as outras espécies de organismos vivos utilizam os recursos hídricos para um grande conjunto de atividades tais como produção de energia navegação produção de alimentos desenvolvimento industrial agrícola e econômico O setor agrícola é o maior consumidor de água Ao nível mundial a agricultura consome cerca de 70 de toda a água doce proveniente das fontes rios lagos e aquíferos subterrâneos e os outros 30 pelas indústrias e uso doméstico Em relação a distribuição dos recursos hídricos no Brasil as regiões que compreendem a floresta amazônica Norte e Nordeste possuem cerca de 80 dos recursos hídricos enquanto a Região Nordeste a mais carente em relação a quantidade de água disponível apresenta 33 e as demais regiões em torno de 167 CARVALHO MELLO e SILVA 2007 A distribuição numa bacia durante o ano é um fator determinante para quantificar entre outros a necessidade de irrigação de culturas e o abastecimento de água doméstico e industrial A maioria dos projetos agrícolas que consideram a contribuição das precipitações utiliza valores médios de chuva como parâmetros de dimensionamento No entanto o mais recomendado é considerar a distribuição de frequência dessas precipitações procedimento que resulta em dimensionamentos criteriosos baseados nos níveis de risco FIETZ et al 2002 A precipitação é um dos principais tópicos de estudo da Hidrologia e será abordada com mais ênfase no bloco 2 assim como o seu cálculo para dimensionamento dos recursos hídricos O valor da precipitação é dado em milímetro mm pois trata se da relação entre o volume de água precipitado e a área percorrida por esta ou seja a precipitação pode ser definida como a altura que a água escoou no solo Sendo assim pode se entender que o estudo das chuvas demonstrado de maneira descritiva e qualitativa pode ser um método eficiente para descrever uma região e prevenir alguns problemas sociais e ambientais 6 12 Ciclo Hidrológico O ciclo hidrológico é um fenômeno global entre a água superfície terrestre e a atmosfera é constituído por um movimento infinito e circular De uma maneira geral no ciclo a superfície terrestre abrange os continentes e os oceanos participando do ciclo hidrológico a camada porosa que recobre os continentes solos rochas e reservatório formado pelos oceanos A atmosfera também possui uma diversidade de condições físicas importantes O ciclo hidrológico acontece com a evaporação da água dos rios oceanos continentes e da transpiração da vegetação esse processo sob determinadas condições meteorológicas condensase formando pequenas gotículas de água que se mantém suspensas no ar devido à turbulência natural O agrupamento dessas micropartículas de água forma um aerossol que é chamado de nuvem ou de nevoeiro quando se forma junto ao solo TUCCI 2013 A Figura 11 apresentada abaixo representa um esquema do ciclo hidrológico Figura 11 Componentes do Ciclo Hidrológico 7 As características essenciais de qualquer volume de água superficial localizada em rios lagos tanques represas artificiais e águas subterrâneas são a sua instabilidade e mobilidade Todos os componentes sólidos líquidos e gasosos são as três fases em que a água existe no planeta Terra fazem parte do ciclo dinâmico da água ciclo este perpétuo A fase mais importante deste ciclo para o homem é justamente a fase líquida em que ela está disponível pronta para utilização TUNDISI 2003 Em determinadas ocasiões são observadas algumas mudanças de comportamento na natureza como se observa as chuvas torrenciais que ultrapassam a capacidade dos cursos dágua provocando inundações Em outras situações parece que todo o mecanismo do ciclo parou completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial e são precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessam aos engenheiros pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são realizados com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos Além disso fatores como vento temperatura umidade topografia tipos de solo e geologia influenciam diretamente no comportamento do ciclo CARVALHO e SILVA 2006 A quantidade total de água na precipitação evaporação evapotranspiração e escoamento sobre determinadas áreas do planeta normalmente são expressas em volume porém também podem ser expressas pelas alturas de água que poderiam ser obtidas se essas mesmas quantidades fossem distribuídas uniformemente pelas suas respectivas áreas Assim os fluxos de água são expressos em volume m³ e em altura mm A água perdida nos oceanos por evaporação excede a que é recebida por precipitação sendo a diferença compensada pelo escoamento proveniente dos continentes A precipitação anual média sobre os continentes é de 800 mm e está dividida em escoamento 315 mm e evapotranspiração 485 mm A precipitação anual média nos oceanos é de 1270 mm resultando na precipitação anual média do Globo igual a 1100 mm SANTOS e PORTELLA 2008 8 13 Bacia hidrográfica A bacia hidrográfica ou bacia de drenagem é o elemento fundamental em pesquisa e análise quando o ciclo hidrológico é estudado com maior interesse na fase terrestre sendo uma área que recolhe a água de precipitação da chuva e converge os escoamentos em um único ponto de saída denominados de exutórios O escoamento sobre a superfície de uma bacia hidrográfica é denominado superficial Ela é constituída pela entrada e saída de água a entrada é o volume de água precipitado e a saída é volume de água escoada pelo solo considerandose as perdas pela evaporação transpiração e o que foi infiltrado A gestão de recursos hídricos baseada no recorte territorial das bacias hidrográficas se intensificou no início dos anos 1990 quando os Princípios de Dublin definidos na reunião preparatória à Rio92 Diz o Princípio n1 que a gestão dos recursos hídricos para ser efetiva deve ser integrada e considerar todos os aspectos físicos sociais e econômicos Para que essa integração tenha o foco adequado sugerese que a gestão esteja baseada nas bacias hidrográficas WMO 1992 Yassuda 1993 definiu a bacia hidrográfica como sendo o palco unitário de interação da água com o meio físico o meio biótico e o meio social econômico e cultural Sobre o território definido como bacia hidrográfica é que se desenvolvem as atividades humanas Todas as áreas urbanas industriais agrícolas ou de preservação fazem parte de alguma bacia hidrográfica Assim podese dizer que no seu exutório estarão representados todos os processos que fazem parte do seu sistema As atividades que ocorrem nesse local são consequências das formas de ocupação do território e da utilização das águas que para ali convergem PORTO PORTO 2008 A precipitação que cai na superfície terrestre infiltrase totalmente nos solos até haver saturação superficial que começa a decrescer as taxas de infiltração e a surgir crescentes escoamentos superficiais se a precipitação persistir o escoamento superficial gerado nas vertentes no contexto da bacia hidrográfica pode ser interpretado como uma produção de água para escoamento rápido e portanto as vertentes seriam vistas como as fontes produtoras TUCCI 2013 9 Isso realça a noção de que a bacia é um sistema complexo no qual fluxos de água e de sedimentos constituem os seus processos fundamentais e que interagem com outros elementos do sistema buscando uma configuração otimizada Reforçase a ideia de que a bacia é uma unidade fundamental de estudo quanto aos processos naturais LIMA 2005 Para exemplificar uma bacia Hidrográfica foi elaborada a Figura 12 que representa a distribuição espacial da Bacia Hidrográfica do Rio Mucuri localizada na mesorregião do Vale do Mucuri em Minas Gerais abrangendo cerca de 16 munícipios incluindo 2 cidades no Sul da Bahia Fonte VIA POSTO DA MATA SD Figura 12 Localização Espacial da Bacia Hidrográfica do Rio Mucuri Conclusão O estudo da Hidrologia é de importância crucial para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou uma introdução à Hidrologia assim como aos seus principais tópicos e conceitos O conhecimento da Hidrologia permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua e demais atividades Portanto a hidrologia possui impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por ser tratar de uma disciplina complexa e multidisciplinar 10 Nos demais blocos da disciplina serão abordados os parâmetros e dimensionamento dos recursos hídricos para o projeto hidrológico REFERÊNCIAS BACCI D C PATACA E M Educação para a água Estudos avançados v 22 n 63 p 211226 2008 CARVALHO D F SILVA L D B Hidrologia v 5 p 6080 2006 CARVALHO D F MELLO J L P SILVA L D B Hidrologia irrigação e drenagem v 1 p186 2007 FIETZ C R URCHEI M A COMUNELLO E Probabilidade de ocorrência de chuva na bacia do rio Dourados Dourados Embrapa Agropecuária Oeste 2002 LIMA A G A bacia hidrográfica como recorte de estudos em geografia humana GEOGRAFIA v 14 n 2 juldez 2005 Universidade Estadual de Londrina Departamento de Geociências NAGHETTINI M PINTO É J A Hidrologia estatística CPRM 2007 PORTO M F A PORTO R L Gestão de bacias hidrográficas Estudos avançados v 22 n 63 p 4360 2008 SANTOS J F PORTELA M M Quantificação de tendências em séries de precipitação mensal e anual em Portugal Continental Seminário IberoAmericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano SEREA v 8 2008 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas 4 ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 TUNDISI J G Recursos Hídricos São Carlos Instituto Internacional de Ecologia 2003 VIA POSTO DA MATA O Rio Murici SD Disponível em httpsviapostodamatacombrriomucuri Acesso em 15 set 2020 11 WMO The Dublin Statement and Report of the Conference International Conference on Water and the Environment Development Issues for the 21st Century 2631 January 1992 Dublin Ireland YASSUDA E R Gestão de recursos hídricos fundamentos e aspectos institucionais Rev Adm Púb v27 n2 p518 1993 12 2 NATUREZA DOS FENÔMENOS E MEDIÇÃO DE VARIÁVEIS HIDROLÓGICAS Apresentação Neste bloco do conteúdo vamos tratar da análise e quantificação das principais variáveis hidrológicas precipitação evaporação e infiltração A precipitação é definida em Hidrologia como toda água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície terrestre Neblina chuva granizo saraiva e orvalho geada e neve são formas diferentes de precipitação O que diferencia essas formas de precipitação é o estado em que a água se encontra A evaporação e a evapotranspiração ocorrem quando a água líquida é convertida em vapor dagua e transferida neste estado para a atmosfera O processo só poderá ocorrer se houver ingresso de energia no sistema proveniente do sol da atmosfera ou de ambos e será controlado pela taxa de energia na forma de vapor que se propaga na superfície da terra A infiltração é a passagem de água da superfície terrestre para o interior do solo Portanto é um processo que depende da disponibilidade de água para infiltrar no solo da natureza do solo e do estado da sua superfície e das quantidades de água e ar que estavam presentes em seu interior 21 Precipitação De acordo com Silva 2015 observamse diferentes formas de precipitação na natureza Chuvisco neblina ou garoa precipitação muito fina e de baixa intensidade Chuva é a ocorrência da precipitação na forma líquida A chuva congelada é a precipitação constituída por gotas de água que congelam instantaneamente quando colidem no solo formandose uma capa de gelo 13 Neve é a precipitação ocorrida em forma de cristais de gelo que durante a queda dagua formam blocos de dimensões variáveis Saraiva é a precipitação sob a forma de pequenas pedras de gelo que possuem diâmetros de aproximadamente 5 mm Granizo quando as pedras redondas ou de forma irregular atingem tamanhos muito grandes maiores que 5 mm Orvalho é a condensação do vapor dagua presente no ar atmosférico resfriando objetos durante a noite O resfriamento noturno diminui a temperatura até um valor conhecido como ponto de orvalho Geada é a deposição dos cristais de gelo fenômeno semelhante ao da formação do orvalho porém ocorre quando a temperatura é inferior a 0ºC A precipitação se apresenta na natureza de três maneiras distintas Chuvas orográficas Frontais e Convectivas A Figura 21 exemplifica a ocorrência de chuvas orográficas Figura 21 Chuvas Orográficas 14 Precipitações orográficas são quando os ventos quentes e úmidos são levados em direção do oceano para o continente Nesse processo encontrase barreiras montanhosas no seu destino ocorrendo assim um resfriamento e a condensação do vapor por fim formandos as nuvens e provocando a chuva São chuvas de longa duração pouca intensidade e que atingem uma pequena área A Figura 22 exibe o comportamento de chuvas convectivas evidenciando as correntes frias e quentes Figura 22 Chuvas Convectivas 15 Precipitações convectivas acontecem quando o ar úmido é aquecido próximo ao solo esse fenômeno cria uma determinada camada de ar que as conservam em equilíbrio estável esse equilíbrio provoca um ar menos denso com isso será atingido um nível de condensação formando as nuvens e muitas das vezes precipitações É caracterizado por lugares onde os ventos são fracos e o ar tem direção vertical ocorrendo assim tempestades violentas Geralmente essas tempestades são de alta intensidade e de curta duração provocando alguns desastres naturais Precipitações frontais são quando as massas de ar quentes se chocam com as massas de ar frias Isso acontece quando o ar mais quente e úmido é fortemente lançado para cima consequentemente levando o seu resfriamento na condensação do vapor de água provocando as chuvas São precipitações com característica de longa duração e atinge uma grande área com a intensidade média ou baixa elas podem vir acompanhadas por ventos fortes com circulação ciclônica 211 Monitoramento da precipitação No Brasil a maioria absoluta da precipitação ocorre na forma de chuva que é medida através de aparelhos chamados pluviômetros e pluviógrafos O pluviômetro é um aparelho com uma superfície de captação horizontal e um reservatório para acumular a água recolhida ligada a essa área de captação Há vários modelos de pluviômetros em uso no mundo no Brasil o mais difundido é o Ville de Paris Barth et al 1987 Conforme ilustrado pela Figura 23 segundo Silva 2008 este tipo de pluviômetro destinase à captação e acumulação de chuva para posterior medição com uma proveta graduada Consiste em um aro arredondado de captação com 400 cm² dotado de um cone coletor posicionado em cima de um recipiente com capacidade de acúmulo de cerca de 5 litros O corpo é fabricado em chapa de aço inoxidável com 630 mm de comprimento Um par de braçadeiras faz a fixação do pluviômetro à estaca A capacidade de acumulação do pluviômetro em termos de altura de precipitação é de 125 mm 16 Fonte Junior 2017 Figura 23 Pluviômetro Ville de Paris Os pluviógrafos são aparelhos que registram automaticamente as variações da precipitação ao longo do tempo e são visitados periodicamente por uma equipe que controla a rede de aparelhos fornecem uma medida total das chuvas em mm e informações sobre o início e o término da chuva duração e intensidade A Figura 24 exibe um pluviográfo utilizado para aferições pluviométricas Figura 24 Pluviográfo 17 As principais dificuldades para as medidas de precipitações são O aparelho de medida provoca sempre uma perturbação turbilhonamento nas correntes eólicas afetando a quantidade de água recolhida Os locais escolhidos nem sempre possui lugares de abrigar o equipamento de medida para que ele não ocorra diferença em função do vento A amostra recolhida pelo aparelho na maioria das vezes representa uma área maior do que a área que realmente foi atingida O aparelho deve ser distribuído de forma racional e em extensas áreas muitas vezes a entregar o equipamento a operador não habilitado 22 Evaporação A evaporação é o processo físico no qual um líquido passa ao estado gasoso Em meteorologia a evaporação restringese apenas a mudança da água do estado líquido para vapor devido a radiação solar e a difusão molecular e turbulenta Além da radiação solar as outras variáveis hidrológicas pertinentes para a análise da evaporação são superfícies livres de água temperatura do ar vento e pressão de vapor A evapotranspiração é a evaporação ocasionada devido a transpiração das plantas A evaporação da água é um processo físico que pode ser modelado por meio da teoria cinética molecular que baseia se num certo número de moléculas com energia maior que a energia média para uma dada temperatura e com energia suficiente para vencer as forças atrativas de coesão entre as moléculas que supera a tensão superficial e evapora Portanto quanto mais energia é fornecida às moléculas mais rápido será o processo de evaporação Se a evaporação ocorrer em um ambiente fechado algumas moléculas que se vaporização acumulamse em forma de vapor dágua acima do líquido sendo que muitas dessas moléculas retornam ao líquido consequentemente quando esse ciclo entrar em equilíbrio o vapor dágua é denominado saturado PIMENTA e NETO 2012 18 Por meio da investigação experimental chegouse à conclusão de que quando a água evapora gerase um fluido expansivo chamado de vapor A pressão exercida por esse fluido tem um valor máximo constante a uma dada temperatura e apesar da presença do ar esse fluido afetava a leitura do manômetro devido à pressão o higrômetro devido à umidade e quando esses fluidos água e ar estavam misturados eles agiam sobre o manômetro ou o barômetro de acordo com a sua respectiva força Essa descoberta continha claramente a essência da lei da pressão parcial em mistura de gases atualmente associada ao nome de Dalton SEDIYAMA1996 A quantidade de qualquer líquido evaporado ao ar livre é diretamente proporcional à pressão de vapor do líquido à sua temperatura diminuída daquela pressão parcial já existente na atmosfera Através deste princípio obtémse a seguinte relação 𝑬 𝑪𝒆𝒔 𝒆𝒂 1 Em que E é a evaporação da lâmina dágua por unidade de tempo C uma constante que inclui um termo empírico e a função vento es a pressão de saturação de vapor à temperatura da superfície evaporante e ea a pressão parcial de vapor na atmosfera O método de Dalton é a quantificação da transferência de massa para calcular a evaporação A evaporação também pode ser quantificada por um balanço de energia através de um volume controle sobre o qual agem diferentes processos que afetam a temperatura da água e a evaporação Os componentes do balanço de energia para determinar a temperatura da água e a evaporação são radiação solar radiação da superfície efeito estufa radiação infra vermelho evaporação radiação absorvida radiação refletida e radiação emitida pela atmosfera A equação resultante do balanço de energia é expressa abaixo 𝑯𝒔 𝒒𝒓 𝒒𝒂𝒍 𝒒𝒃𝒍 𝒒𝒄 𝒒𝒆 𝑯𝒊 𝑯𝟎 2 Onde qr é a radiação efetiva de ondas curtas qal é a radiação atmosférica de ondas longas em direção a superfície qbl são radiações de ondas longas em direção a atmosfera qc é o fluxo de calor de condução qe é o fluxo de calor por evaporação Hi e H0 são respectivamente a energia de entrada e saída do volume de controle e Hs é a variação do calor no volume de controle 19 23 Infiltração O processo de infiltração é de suma importância pois em muitos casos determinase o balanço de água na zona das raízes e o deflúvio superficial responsável pelo fenômeno da erosão durante precipitações pluviais Consequentemente o conhecimento desse processo e das suas relações com as propriedades do solo é crucial para o manejo eficiente do solo e da água nos cultivos agrícolas Reichardt 1996 A infiltração afeta diretamente o escoamento superficial que é o componente do ciclo hidrológico responsável pelos processos de erosão e inundações Após a passagem da água pela superfície do solo ou seja cessada a infiltração a camada superior atinge um alto teor de umidade nem toda umidade é ordenada para as camadas superiores por acontecer uma perda para um processo chamado evaporizarão Enquanto as camadas inferiores apresentamse ainda com baixos teores de umidade Há então uma tendência de um movimento descendente da água provocando um molhamento das camadas inferiores dando origem ao fenômeno que recebe o nome de redistribuição TUCCI 2013 Nas camadas inferiores do solo geralmente é encontrado uma zona de saturação porém só tem relevância para infiltração quando se situa a pouca profundidade A Figura 25 ilustra o processo de infiltração em um solo 20 Figura 25 Perfil de umidade do solo durante a infiltração As etapas da infiltração foram descritas em CARVALHO e SILVA 2006 da seguinte forma Zona de saturação corresponde a uma camada de cerca de 15 cm é uma zona em que o solo está saturado ou seja com um teor de umidade igual ao teor de umidade de saturação Zona de transição é uma zona com espessura em torno de 5 cm cujo teor de umidade diminui gradativamente com a profundidade Zona de transmissão é a região do perfil através da qual a água é transmitida Esta zona é caracterizada por uma pequena variação da umidade em relação ao espaço e ao tempo Zona de umedecimento é uma região caracterizada por uma grande redução no teor de umidade com o aumento da profundidade Frente de umedecimento compreende uma pequena região na qual existe um grande gradiente hidráulico possuindo uma grande variação da umidade A frente de umedecimento representa o limite visível da movimentação de água no solo 231 Cálculo da Infiltração Aparente 21 O equacionamento geral da infiltração pode ser expresso pela equação de Darcy por meio da formulação matemática do movimento da água em um solo nãosaturado ou seja solos com teor de umidade abaixo da saturação CARVALHO e SILVA 2006 𝒒 𝑲𝑶 𝑯 𝒁 3 Sendo que q densidade de fluxo mmh1 Ko condutividade hidráulica do solo saturado mmh1 H potencial total da água no solo mm z distância entre os pontos considerados mm A razão entre a taxa de variação do potencial da água no solo ao longo da distância por ela percorrida HZ denominase gradiente hidráulico representando a força responsável pelo escoamento da água no solo O sinal negativo na equação de Darcy indica que o escoamento se estabelece do maior para o menor potencial Para solos saturados evidenciase que as condições fundamentais para que se estabeleça o movimento da água no solo são a existência de uma diferença no potencial entre os pontos considerados e um meio poroso condutivo ou seja a condutividade hidráulica do solo não pode ser nula Se ambas as condições não forem satisfeitas o escoamento da água no solo não ocorrerá A relação linear entre a densidade de fluxo e o gradiente hidráulico é verificada em condições de escoamento laminar tornando a equação de Darcy válida somente para esta condição Outra limitação para o emprego desta equação referese a baixas velocidades de escoamento ou seja um gradiente hidráulico muito pequeno A aplicação da equação de Darcy para condições de solos nãosaturados exige que seja considerada também a variação da condutividade hidráulica com o teor de umidade do solo tendo como limite superior o próprio valor da condutividade hidráulica do solo saturado Nesse caso o potencial da água no solo tem dois componentes o gravitacional e o matricial sendo representado pela equação abaixo 𝑯 𝜳 𝒁 4 22 Em que Ψ potencial matricial da água no solo mm e Z potencial gravitacional da água no solo mm Nessas condições a equação de Darcy tornase 𝒒 𝒌𝜽 𝒁 𝜳 𝒁 5 Conclusão O estudo das variáveis hidrológicas tais como precipitação evaporação e infiltração é de suma importância para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou estes conceitos assim como aos seus principais tópicos e aplicações O conhecimento das variáveis hidrológicas permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua irrigação abastecimento industrial e doméstico além de diversas outras atividades Portanto estes tópicos da hidrologia possuem impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por se tratar de tópicos complexos e multidisciplinares Nos demais blocos da disciplina serão abordados os parâmetros e dimensionamento dos recursos hídricos para o projeto hidrológico REFERÊNCIAS BARTH F T POMPEU C T Fundamentos para gestão de recursos hídricos Modelos para gerenciamento de recursos hídricos São Paulo Nobel v 11 1987 CARVALHO D F SILVA L D B Hidrologia Cap v 5 p 6080 2006 JUNIOR M E O J Pluviômetro VilledeParis Wikimedia Commons 2017 Disponível em httpsptwikipediaorgwikiFicheiroPluviC3B4metroVilledeParisjpg Acesso em 15 set 2020 REICHARDT K Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas Dep Fís Meteor ESALQUSP Piracicaba 505 p 23 SEDIYAMA G C Estimativa da evapotranspiração histórico evolução e análise crítica Revista Brasileira de Agrometeorologia v 4 n 1 p 112 1996 PIMENTA C NETO A S Estudo da evaporação de uma superfície livre com convecção forçada Simpósio do Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia 2012 SILVA A T A Aspectos meteorológicos e balanço hídrico em um aterro de resíduos sólidos Dissertação de Mestrado da Universidade Federal do Rio de Janeiro 2008 SILVA L P Hidrologia engenharia e meio ambiente Elsevier 2015 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas 4ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 24 3 HIDROMETEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA Apresentação O monitoramento hidrometeorológico permiti a coleta de informações com o intuito de criar uma base de dados e determinar com grande acurácia a precisão do regime hidrológico de uma região O monitoramento hidrometeorológico é uma prática comum dentro da hidrologia cujo principal foco é estudar a água na Terra sua ocorrência circulação e distribuição suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o meio ambiente United States Federal Council of Science and Technology Comitee for Scientific Hidrology 1962 A Climatologia constitui o estudo científico do clima o seu foco é analisar os padrões de comportamento da atmosfera em suas interações com as atividades humanas e com a superfície do planeta durante um longo período de tempo observado A climatologia apresenta uma forte ligação com a abordagem geográfica do espaço terrestre por isso ela caracterizase como um campo do conhecimento no qual as relações entre a sociedade e a natureza são fundamentais para a compreensão das diferentes paisagens do planeta MENDONÇA e OLIVEIRA 2017 Neste bloco abordaremos os principais conceitos da Hidrometeorologia e Climatologia como Atmosfera terrestre monitoramento da precipitação estações de tratamento processos de transporte e estabilidade atmosférica Além de introduzir ao aluno a ideia de otimizar e dimensionar esses recursos hídricos baseado na análise técnica correlacionada com a viabilidade econômica 31 Hidrometeorologia É o ramo da hidrologia que estuda a fases atmosférica e terrestre do ciclo hidrológico principalmente na interrelação dessas fases de forma simplificada pode ser compreendida como a aplicação da meteorologia na hidrologia 25 O clima de uma região é diretamente afetado pela sua posição geográfica na superfície terrestre As condições meteorológicas e o clima são determinados pelas circulações atmosféricas que atuam nas diversas escalas em que se insere a região e em menor proporção pelas condições geográficas geológicas e hidrológicas locais essas circulações ocorrem da distribuição não uniforme da radiação solar liquida sobre a Terra das diferenças de calor especifico do solo e da água da rotação da Terra do relevo evaporação e evapotranspiração Os principais fatores climáticos são a precipitação e o seu modo de ocorrência umidade temperatura e ventos os quais diretamente afetam a evaporação e a transpiração Neste tópico será apresentado alguns destes citados acima Umidade atmosférica é fundamental para o ciclo hidrológico A umidade atmosférica é a fonte de todas as precipitações e controla a maioria a taxa de evaporação do solo e reservatórios além da transpiração dos vegetais A umidade do ar referese exclusivamente ao vapor de água contido na atmosfera sem levar em consideração a agua nos estados sólido e líquido TUCCI2013 Umidade relativa Segundo Blair e Fite 1964 pode ser explicada como sendo a razão entre a quantidade de vapor de água presente no ar e a quantidade de vapor de água suficiente para a saturação do ar com condições constantes de temperatura e pressão É expressa em termos de porcentagem esses são alguns instrumentos que medem a umidade relativa higrômetros os higrógrafos e os psicrômetros 𝑈𝑟 100 𝑃 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 á𝑔𝑢𝑎 𝑃𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎çã𝑜 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 á𝑔𝑢𝑎 Quanto mais próximo de 100 mais úmido A umidade relativa UR possui uma tolerância para a quantidade de vapor dágua que um dado volume de ar pode suportar e quando esse limite é alcançado dizse que o ar está saturado O ar quente pode suportar mais vapor do que o ar frio a medida a elevação da temperatura observase também um aumento do conteúdo do vapor dágua para a saturação 26 Temperatura do Ar direção do fluxo de energia calor entre dois corpos sendo o movimento do corpo com maior temperatura para o de menor Apresenta variações devido a não uniformidade da distribuição solar e assim influência vários fenômenos meteorológicos Existe uma tendência geograficamente de elevação de temperatura conforme a aproximação ao Equador porém a topografia e a vegetação podem influenciar esse comportamento Pelo dia a incidência da radiação solar resulta o aquecimento da superfície que alcança sua temperatura máxima algumas horas após o sol ter alcançado o seu grau mais elevado As camadas inferiores da atmosfera são aquecidas pela radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre A temperatura Celsius é usada para a maioria dos propósitos meteorológicos sendo a origem valor zero igual ao ponto triplo da água Um grau Celsius ºC equivale a uma unidade Kelvin K que é definido como temperatura básica e a relação entre as duas escalas á dada por T θ 27315 Onde T temperatura expressa em graus Celsius θ temperatura em unidades Kelvin Observação 0 K é a temperatura em que as moléculas não possuem energia cinética para qualquer substância Vento é o movimento do ar no sentido horizontal originados pela ação de gradientes de pressão atmosférica porém pode ser modificado pelo movimento da Terra rotação da força centrífuga ao seu movimento e do atrito com a superfície terrestre O vento afeta processos hidrometeorológicos já que ao retirar a camada de ar saturado próxima ao solo e substituíla por uma com menos umidade provoca um processo de evaporação contínuo São necessários dois fatores para especificar o vento direção e velocidade 27 Os instrumentos utilizados para medição destas grandezas são os anemômetros que medem a velocidade do vento metros por segundosms e em outros modelos também a direção em graus e os anemógrafos que detectam continuamente a direção em graus e a velocidade instantânea do vento em ms a distância total quilômetro km percorrida pelo vento com relação ao instrumento e as rajadas em ms 311 ATMOSFERA TERRESTRE E PRECIPITAÇÃO A atmosfera terrestre é um sistema complexo e extremamente dinâmico consequentemente é primordial conhecer sua composição suas propriedades seu dinamismo e os métodos utilizados para minimizar seus efeitos Para descrever a interação entre a atmosfera terrestre e a radiação solar é extremamente importante compreender a composição atmosférica Os constituintes da atmosfera podem ser divididos em dois grupos gases e particulados A atmosfera gasosa é composta basicamente por um grupo de gases permanentes e outros de concentração variável LATORRE et al2002 O Nitrogênio N o Oxigênio O2 e o Argônio Ar contam com mais de 9999 dos gases permanentes Alguns dos principais constituintes permanentes têm suas concentrações bastante variáveis como o Dióxido de Carbono CO2 o Monóxido de Carbono CO e o Metano CH4 A concentração dos gases possui variações em função da altitude e consequentemente da pressão e temperatura Além disso a composição e a concentração dos gases da atmosfera sofrem influência da posição geográfica e das estações do ano Um dos elementos de concentração variável que merece destaque é o vapor dágua H2O v pois sua variação tanto no tempo quanto no espaço é altamente influenciada pelas condições atmosféricas A condensação e evaporação do vapor dagua é imprescindível nos processos de absorção e emissão Os particulados podem ser líquidos e sólidos tais como aerossóis cristais de gelo e gotículas de água cujas concentrações são altamente variáveis no tempo e no espaço Como a participação desses últimos constituintes é relativamente menor é comum desprezá los considerando apenas os aerossóis LIOU1980 28 A nuvem é um aerossol constituído de gotículas de água em estado líquido ou sólidos com diâmetros que variam de 001 a 003 mm espaçadas em média 1 mm entre si e mantidas em suspensão pelas correntes de ar ascendentes São gotículas 05 a 1 g de água por m³ de ar GARCEZ 1988 Quando ocorre o resfriamento do ar até o ponto de saturação com a consequente condensação do vapor de água em forma de nuvens ocorre a chuva 32 PROCESSOS DE TRANSPORTE Os principais mecanismos de transporte de energia quantidade de movimento e massa na atmosfera são condução convecção e radiação A importância da radiação é notória visto que este é o mecanismo pelo qual a energia solar entra na atmosfera A radiação é proporcional a temperatura absoluta do corpo radiante portanto para baixas temperaturas os mecanismos de condução e convecção são dominantes enquanto em altas temperaturas os efeitos da radiação prevalecem Na superfície do sol a 6000 K a radiação prevalece contudo na superfície da Terra a 278K os três processos são de suma importância O transporte por condução molecular originase por meio da mudança contínua de posição das moléculas das regiões vizinhas devido a diferenças gradientes de temperatura entre elas A condução também pode provocar transporte de quantidade de movimento linear quando as regiões vizinhas apresentarem diferentes velocidades médias A variação de concentração em cada constituinte da atmosfera provocada pela condução origina um transporte de massa denominado difusão O transporte por convecção ocorre devido a uma diferença de concentração densidade ocasionada por uma diferença de temperatura que associada a um campo gravitacional gera uma força de empuxo que promove o movimento dos fluidos líquidos e gases presentes na atmosfera A convecção turbulenta é responsável pelas maiores taxas de transporte que ocorrem na atmosfera O escoamento turbulento pode ser interpretado como um sistema de vórtices variando em escala e em intensidade superpostos ao fluxo médio 29 321 FORMULAÇÃO DOS PROCESSOS CONVECTIVOS A primeira lei da termodinâmica estabelece que o calor Q recebido ou transmitido por um sistema conjunto de massa fixa e identificável é igual a variação de sua energia interna U adicionada ao trabalho W realizadorecebido pelo sistema conforme descrito pela equação abaixo 𝑑𝑄 𝑑𝑈 𝑑𝑊 1 Como o estudo será restringido a sistemas homogêneos é conveniente expressar a Eq1 em termos da massa unitária 𝑑𝑞 𝑑𝑢 𝑑𝑤 2 Onde q u e w são o calor energia interna e trabalho específicos Se considerarmos que todos os processos mudanças no estado termodinâmico do sistema que ocorrem são reversíveis o trabalho infinitesimal pode ser descrito por 𝑑𝑤 𝑝𝑑𝑣 3 Adotando que os gases que constituem a atmosfera são substâncias puras compressíveis simples ou seja não estão sujeitas as ações da gravidade eletricidade magnetismo e forças de inércia podese adotar a definição de entalpia h para obter se à seguinte relação termodinâmica ℎ 𝑢 𝑝𝑣 4 Tomandose a forma diferencial da Eq4 𝑑ℎ 𝑑𝑢 𝑝𝑑𝑣 𝑣𝑑𝑝 5 Substituindose a Eq1 na Eq5 temos que 𝑑𝑞 𝑑ℎ 𝑣𝑑𝑝 6 Para gases ideias temos que 𝑣 𝑅𝑇 𝑝 e 𝑑ℎ 𝐶𝑝𝑑𝑇 7 30 Onde v é o volume específico Cp o calor específico a pressão constante p a pressão e R a constante dos gases ideias Substituindose 7 em 6 encontrase 𝑑𝑞 𝑐𝑝𝑑𝑇 𝑅𝑇𝑑𝑝𝑝 8 A maioria das transformações que ocorrem na natureza são tão rápidas que que os ganhos e perdas de calor podem ser negligenciados As transformações que ocorrem sem troca de calor entre o sistema e o meio são denominadas adiabáticas No processo adiabático têmse que dq0 substituindo essa consideração na Eq8 Temos que 𝑑𝑇 𝑇 𝑅 𝐶𝑝 𝑑𝑝 𝑝 9 Integrando em ambos os lados da Eq9 e introduzindo o coeficiente politrópico nCvCp obtémse a seguinte relação 𝑇 𝑇𝑜 𝑝 𝑝𝑜 1𝑛 10 Sendo Po a pressão atmosférica e To a temperatura potencial a qual permanece constante durante os processos adiabáticos Para uma parcela de ar seco ar atmosférico excluindose o vapor dagua em movimento vertical aplicandose a lei de stevin𝑑𝑝 𝜌 𝑔 𝑑𝑧 e a equação de estado do gás ideal vista na Eq7 em Eq8 obtémse uma expressão para o gradiente vertical térmico para as adiabáticas secas 𝑑𝑇 𝑑𝑧 𝑔1𝑛 𝑅 𝑇 𝑇 11 Em que T é a temperatura absoluta da atmosfera á elevação Z 33 Climatologia O objeto da climatologia é o clima onde analisa os padrões de comportamento da atmosfera em longo período de tempo O tempo e o clima são considerados como resultado e uma demonstração da ação de processos na atmosfera oceano e terra 31 Sendo que o tempo o estado físico das condições atmosférica em um determinado momento e local O clima é o estudo médio do tempo para o determinado período ou mês em uma certa localidade Também engloba às características da atmosfera das observações contínuas durante um certo período O clima sintetiza maior número de dados e eventos possíveis das condições de tempo para uma determinada localidade ou região que foi analisado em um período longo Segundo o Instituto Nacional de Meteorologia INMET a classificação do clima pode variar conforme a necessidade do tipo de informação que deseja e o conhecimento sobre aquele sistema sendo em alguns mais detalhados em comparação com outros 331 ELEMENTOS DO CLIMA São grandezas atmosférica que informam ao meio suas peculiaridades e propriedades são eles Pressão atmosférica em superfície horizontal tem a definição como a força por unidade de área exercida sobre a referida superfície em virtude do peso da atmosfera A pressão é igual contudo ao peso de uma coluna vertical de ar por unidade de área sobre a superfície em questão estimada até o limite superior da atmosfera Sendo a movimentação atmosfera relacionada com a distribuição da pressão atmosférica Exemplo de Instrumento para medição barômetros de mercúrio mm Hg e hPa barógrafo mm Hg ou mb Precipitação é a principal forma de transferência de água da atmosfera para a superfície terrestre É a água proveniente do vapor de água da atmosfera depositada na superfície terrestre de qualquer forma como chuva granizo orvalho neblina neve ou geada A precipitação além disso considerada como um fenômeno meteorológico Exemplo de Instrumento para medição pluviômetro pluviógrafo 32 Insolação quantidade de radiação solar direta que incide em determinada área numa posição horizontal e a um nível conhecido Exemplo de Instrumento para medição heliógrafo Radiação amplificação de energia entre um lugar a outro Na atmosfera e superfície terrestre é através do sol por ondas eletromagnéticas A radiação solar ao atravessar a atmosfera interage com a mesma e parte dessa radiação é espalhada em outras direções além daquela de incidência Exemplo de Instrumento para medição piranômetro piranógrafo calcm²min Nebulosidade Através nuvens acontece a cobertura do céu percebido através da observação visual Evaporação transformação em vapor a água da superfície do solo passagem das fases liquida ou solida para a gasosa Exemplo de Instrumento para medição evaporímetro tanque de evaporação mm Visibilidade percebido através da observação Além dessas temos a temperatura umidade e vento que já foi descrito no tópico 11 332 FATORES DO CLIMA São fatores geográficos que afetam o comportamento dos elementos atmosféricos ocasionando regularidades e tem ação permanente em um local são eles Atmosfera Retém parte da radiação solar de ondas curtas A sua influência depende da transparência e da espessura da atmosfera a ser atravessada pelos raios solares 33 Latitude A medida que aumente latitude aumenta obliquidade dos raios solares e maior espessura da atmosfera a ser atravessada pela radiação Sendo que maiores latitudes temperaturas abaixam Altitude A medida que a altitude aumenta a temperatura diminui pois em altitudes altas a presença de gases atmosféricos que absorvem calor é menor Correntes marinhas Quentes aumenta a temperatura e a umidade do ar favorece as precipitações Litorais com clima úmido Frias diminui a temperatura do ar umidade e evaporação dificulta as precipitações Litorais de clima seco A Figura 31 apresenta uma representação cartográfica do mapa mundi Fonte CHURRU10 2012 Figura 31 Mapa Mundi Continentalidade A medida que distância do oceano maior o efeito da continentalidade afastamento do mar Climas continentais possuem aquecimento e resfriamento mais rápido assim apresentam Grande variação de temperatura menor umidade do ar Diminuição da pluviometria 34 Marítimidade Aproximação do mar Litorais e ilhas oceânicas Nos climas marítimos o aquecimento e resfriamento são mais devagar Variação térmica menor Maior umidade Favorecimento de chuvas Litoral menor amplitude térmica entre as estações de verão e inverno Interior do continente grande amplitude térmica entre as estações de verão e inverno Vegetação Protege a superfície terrestre da insolação direta diminui as temperaturas médias diminui os contrastes de temperaturas Mantém a umidade do solo Aumentando a umidade do ar e favorece a precipitação Relevo Pode ser obstáculos para a circulação do ar influencia na umidade do ar influencia na pressão atmosférica Urbanização Modifica o clima local aumenta a poluição Além de interferir nos ventos umidade e temperatura Impermeabilização do solo Conclusão O estudo da Hidrometerelogia e Climatologia é de suma importância para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou estes conceitos assim como aos seus principais tópicos e aplicações O conhecimento da Hidrometereologia e Climatologia permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua irrigação abastecimento industrial e doméstico além de diversas outras atividades Portanto estes tópicos da hidrologia possuem impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por ser tratar de tópicos complexos e multidisciplinares Nos demais blocos da disciplina serão abordados os parâmetros e dimensionamento dos recursos hídricos para o projeto hidrológico 35 REFERÊNCIAS CHURRU10 Mapamundifc3adsico Wikimedia Commons 2012 Disponível em httpsptmwikipediaorgwikiFicheiroMapamundifc3adsicojpg Acesso em 15 set 2020 EAGLESON P S Dynamic hydrology 1970 GARCEZ L N ALVAREZ G A Hidrologia Editora Edgard Blucher Ltda São Paulo SP 1988 LATORRE M L et al Correção atmosférica conceitos e fundamentos 2002 LIOU K N An introduction to atmospheric radiation 1980 MENDONÇA I S et al Gerenciamento de resíduos de serviços de saúde uma questão de planejamento Revista de Pesquisa em Saúde Internet v 18 n 1 p 712 2017 STEINKE E T Climatologia Fácil São Paulo Oficina de Textos 2012 Blair TA Fite RC Meteorologia 4 ed Rio de Janeiro Aliança para o Progresso 1964 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas 4ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 36 4 MÉTODOS DE ANÁLISE HIDROLÓGICA Apresentação Neste bloco do conteúdo serão aprofundados os métodos de análise das variáveis hidrológicas precipitação evaporação e infiltração vistas no bloco 2 A análise da precipitação é muito importante para efetuar o estudo climatológico de uma determinada visto que a precipitação pluviométrica é uma variável climática que possui uma distribuição aleatória no espaço e no tempo exercendo forte influência nas condições ambientais TUCCI 2013 A evapotranspiração é definida como a perda de água por evaporação do solo e transpiração das plantas A evapotranspiração é essencial para o balanço hídrico de uma bacia hidrográfica e principalmente para o balanço hídrico agrícola pois através do seu cálculo que se determinada a necessidade de irrigação A capacidade de infiltração é a quantidade máxima de água que pode infiltrar no solo em um dado intervalo de tempo sendo expresso geralmente em mmh A capacidade de infiltração só pode ser obtida durante uma chuva se houver excesso de precipitação CARVALHO e SILVA 2006 41 Análise de precipitação O valor da precipitação é dado em milímetro mm pois trata se da relação entre o volume de água precipitado e a área percorrida por esta ou seja a precipitação pode ser definida como a altura que a água escoou no solo Sendo assim pode se entender que o estudo das chuvas demonstrado de maneira descritiva e qualitativa pode ser um método eficiente para descrever uma região e prevenir alguns problemas sociais e ambientais Os equipamentos geralmente empregados para medir a quantidade de chuva precipitada sobre uma região são chamados de pluviômetros e pluviógrafos automáticos existindo um conjunto destes formase uma rede que possibilita o estudo climatológico de uma determinada área seja uma bacia hidrográfica ou o limite administrativo de um município MOULIN 2005 37 A série temporal de dados de chuva geradas pelos pluviômetros e pluviógrafos são homogêneas quando as variações são causadas pelo tempo e clima uma vez que a homogeneidade é representada por uma série de dados climáticos que tenham mudanças causadas por características físicas Todavia não é uma tarefa simples ao pesquisador determinar a homogeneidade da série o acesso ao instrumento que possibilita verificar se o equipamento foi transferido de local as mudanças na paisagem e manutenção constituem exemplos de dificuldade na análise pois os fatores não climáticos interferem na homogeneidade gerando uma tendência gradual dos dados eou descontinuidade na variância CARAM 2007 Os SIGs são sistemas que buscam à manipulação de dados georreferenciados ou seja informações codificadas espacialmente de maneira precisa rápida e sofisticada GOODCHILD1991 De acordo com Amorim et al 2008 a utilização de técnicas de espacialização a partir dos SIGs verifica a forma como estas precipitações se distribuem ao longo do espaço e sua associação com outros fatores ambientais Segundo SILVA et al 2007 devese atentar para a necessidade de definir qual o método de interpolação é mais adequado para determinado objetivo Diversos trabalhos utilizam os métodos de interpolação espacial para efetuar estimativas e especializar variáveis climáticas porém embora estejam relacionados no geral os estudos realizados diferem se entre si pois cada qual foi realizado sobre necessidades específica das regiões onde ocorreram De acordo com Vieira 2010 o conhecimento mensal pluviométrico irá proporcionar ao produtor rural um direcionamento de quando será o início e o término do seu planejamento agrícola para o período em que a chuva em excesso ou em escassez não prejudique as atividades de semeadura e plantio evitando assim perdas significativas e queda de rendimentos operacionais de mãodeobra Uma das maneiras de avaliar a espacialização da distribuição pluviométrica são os métodos geostáticos que de acordo com Zamboti 2001 são procedimentos estatísticos aplicáveis a dados espacialmente referenciados 38 Esses métodos consideram a dependência espacial das observações lançando mão de medidas estatísticas que expressem esta estrutura de dependência tais como covariâncias correlações e semivariâncias Além da descrição da estrutura de dependência espacial semivariograma tais conjuntos de técnicas propõem um método de interpolação que considera a dependência espacial chamado de Krigagem que propõe um estimador não tendencioso de mínima variância A krigagem ordinária minimiza os erros quando não se utiliza covariáveis topográficas Segundo Barbosa 2006 os pluviogramas são gráficos de extrema utilidade nos estudos a respeito da precipitação fornecendo informações a respeito da distribuição mensal e anual de chuvas de acordo com a escala temporal utilizada Para a realização da espacialização temporal das chuvas médias mensais e anuais foram elaborados a partir do método da Krigagem vários pluviogramas que representam uma boa maneira gráfica de representar os valores médios observados para a precipitação dentro de cada período observado Os pluviogramas também servem como modelos a respeito do tipo do clima de uma determinada localidade Assim a partir do desenho das colunas de precipitação podese ter uma ideia a respeito do clima pois a precipitação é um dos principais fatores constituintes do clima A Figura 41 exibe um pluviograma obtido por meio da Krigagem através de dados coletados no site da ANA Agência Nacional das Águas para observar a média de chuvas mensais na Bacia Hidrográfica do Rio Mucuri 39 Fonte ANA SD Figura 41 Espacialização da precipitação média mensal na bacia hidrográfica do Mucuri nos meses de janeiro 42 Cálculo de evapotranspiração A quantidade de água transpirada diariamente é grande em relação às trocas de água nas plantas de forma que se pode considerar o fluxo através da planta em curtos períodos de tempo como um processo em regime permanente As diferenças de potencial em pontos distintos do sistema são proporcionais à resistência do fluxo A menor resistência imposta ao fluxo é encontrada na planta E a maior resistência é observada no fluxo das folhas para a atmosfera devido à mudança de fase do estado líquido para vapor O transporte de água desde as folhas até a massa de ar ocorre por meio do processo de difusão de vapor sendo proporcional ao gradiente de tensão do vapor de água A umidade relativa ou seja a relação entre a tensão real e a de saturação de vapor relacionase exponencialmente com o potencial hídrico A Figura 42 apresenta um esquema da Evapotranspiração na natureza 40 Figura 42 Evapotranspiração no ciclo hidrológico A transferência de água de uma área cultivada onde a umidade do solo não é um fator limitante ocorre devido a sua intensidade e portanto qualquer variação será ocorre somente por causa das diferenças entre as condições meteorológicas incluindo os efeitos de advecção Conforme se diminui a umidade do solo ocorrem restrições à transferência de água para a atmosfera que passa a depender não somente das condições meteorológicas mas também do sistema radicular das plantas bem como de outras características como o estado fitossanitário delas Esta condição permite distinguir entre evapotranspiração potencial e real Evapotranspiração potencial ETP quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração na unidade de tempo de uma superfície extensa completamente coberta de vegetação de porte baixo e bem suprida de água Evapotranspiração real ETR quantidade de água transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração nas condições reais existentes de fatores atmosféricos e umidade do solo A evapotranspiração real é igual ou menor que a evapotranspiração potencial ETR ETP Informações confiáveis sobre evapotranspiração real são escassas e de difícil acesso pois demandam um longo tempo de observação e custam muito alto Já a evapotranspiração potencial pode ser obtida a partir de modelos baseados em leis físicas e relações empíricas de forma rápida e suficientemente precisas Muitas teorias relacionam a ETR e ETP em função da disponibilidade de água no solo 41 Apesar de várias tentativas ainda não existe nenhuma teoria que seja aceita universalmente Sendo um processo complexo e extremamente dinâmico que envolve organismos vivos como o solo e a planta é muito difícil estabelecer um valor exato de evapotranspiração real As diferenças entre a evapotranspiração real e potencial diminuem sempre que os intervalos de tempo utilizados para o cálculo da segunda são ampliados um mês ou mais O processo mais preciso para a determinação da evapotranspiração é através de lisímetros Estes são aparelhos constituídos de um reservatório de solo volume mínimo 1 m³ provido de um sistema de drenagem e instrumentos de operação medidores válvulas etc As variáveis mensuráveis junto ao lisímetro são precipitação escoamento infiltração armazenamento e percolação profunda que permitem estabelecer a evapotranspiração real eou potencial Para a determinação da ETR mantémse as condições de umidade natural do solo Para determinar a ETP promovese a irrigação da cultura implantada no lisímetro mantendose o solo em capacidade de campo solo drenado por gravidade Sucessivas medidas da umidade do solo permitem por diferença estabelecer um valor de evapotranspiração na ausência de precipitação eou irrigação de acordo com o modelo expresso abaixo 𝒘 𝒕 𝑬𝑻 𝑷𝒑 1 Onde W é variação do armazenamento dágua para um determinado perfil do solo mm ET é a evapotranspiração mmdia Pp é a percolação da água abaixo do sistema radicular mmdia t é o tempo 43 Capacidade de infiltração A Capacidade de infiltração apresenta magnitude alta no início do processo e com o transcorrer do mesmo esta atinge um valor aproximadamente constante após um longo período de tempo Este valor é denominado taxa de infiltração estável comumente conhecido como VIB Em geral o comportamento da velocidade de infiltração com o tempo para solos inicialmente secos e úmidos são plotados graficamente como resultados para análises de infiltração 42 A taxa de infiltração é definida como a lâmina de água volume de água por unidade de área que atravessa a superfície do solo por unidade de tempo A taxa de infiltração pode ser expressa em termos de altura de lâmina dágua ou volume dágua por unidade de tempo mmh A formulação matemática para a taxa de infiltração de água no solo correspondendo à variação da infiltração acumulada ao longo do tempo é expressa pela equação abaixo 𝑻𝑰 𝒅𝑰 𝒅𝒕 2 Onde TI é a taxa de infiltração da água no solo em mmh I é a infiltração acumulada em mm e T é o tempo decorrido em horas h À medida que se adiciona água no solo a frente de umedecimento atinge gradativamente uma profundidade cada vez maior diminuindo a diferença de umidade entre essa frente e a camada superficial que se torna cada vez mais úmida Consequentemente a TI se reduz substancialmente até um valor que pode ser considerado constante característico de cada tipo de solo e que recebe o nome de taxa de infiltração estável ou VIB Portanto a TI depende diretamente da textura e estrutura do solo e para um mesmo solo depende do teor de umidade na época da chuva ou irrigação da sua porosidade e da existência de camada menos permeável camada compactada ao longo do perfil Quando uma precipitação atinge o solo com intensidade menor do que a capacidade de infiltração toda a água penetra no solo provocando progressiva diminuição na própria capacidade de infiltração CI Prosseguindo a precipitação a partir de um tempo t tp representado na Figura 43 a taxa de infiltração igualase à capacidade de infiltração passando a decrescer com o tempo e tendendo a um valor constante após longos períodos de tempo caracterizado como a condutividade hidráulica do solo saturado Ko 43 Fonte adaptado de Carvalho e Silva 2006 Figura 43 Variação da Velocidade de infiltração com o tempo A infiltração é um processo que depende em maior ou menor escala de diversos fatores dentre os quais destacamse Condição da superfície a natureza da superfície considerada é o fator determinante no processo de infiltração Áreas urbanizadas apresentam menores velocidades de infiltração que áreas agrícolas especialmente quando estas têm cobertura vegetal Tipo de solo a textura e a estrutura são propriedades que influenciam expressivamente a infiltração Condição do solo em geral o preparo do solo tende a aumentar a capacidade de infiltração Todavia se as condições de preparo e de manejo do solo forem inadequadas a sua capacidade de infiltração poderá se tornar inferior à de um solo sem preparo principalmente se a cobertura vegetal presente sobre o solo for removida Umidade inicial do solo para um mesmo solo a capacidade de infiltração será tanto maior quanto mais seco estiver o solo inicialmente Carga hidráulica quanto maior for a carga hidráulica ou seja a espessura da lâmina de água sobre a superfície do solo maior deverá ser a taxa de infiltração 44 Temperatura a velocidade de infiltração aumenta com a temperatura devido à diminuição da viscosidade da água Presença de fendas rachaduras e canais biológicos originados por raízes decompostas ou pela fauna do solo estas formações atuam como caminhos preferenciais por onde a água se movimenta com pouca resistência e portanto aumentam a capacidade de infiltração Compactação do solo por máquinas eou por animais o tráfego intensivo de máquinas sobre a superfície do solo produz uma camada compactada que reduz a capacidade de infiltração do solo Solos em áreas de pastagem também sofrem intensa compactação pelos cascos dos animais Compactação do solo pela ação da chuva as gotas da chuva ou irrigação ao atingirem a superfície do solo podem promover sua compactação reduzindo a capacidade de infiltração A intensidade dessa ação varia com a quantidade de cobertura vegetal com a energia cinética da precipitação e com a estabilidade dos agregados do solo Cobertura vegetal O sistema radicular das plantas cria caminhos preferenciais para o movimento da água no solo o que consequentemente aumenta a taxa de infiltração TI A presença de cobertura vegetal reduz ainda o impacto das gotas de chuva e promove o estabelecimento de uma camada de matéria orgânica em decomposição que favorece a atividade microbiana de insetos e de animais o que contribui para formar caminhos preferenciais para o movimento da água no solo Conclusão O estudo dos métodos de análise das variáveis hidrológicas tais como precipitação evapotranspiração e capacidade de infiltração é de suma importância para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou estes conceitos assim como os seus principais tópicos e aplicações 45 O conhecimento dos métodos de análise das variáveis hidrológicas permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua irrigação abastecimento industrial e doméstico além de diversas outras atividades Portanto estes tópicos da hidrologia possuem impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por se tratar de tópicos complexos e multidisciplinares Nos demais blocos da disciplina serão abordados os parâmetros e dimensionamento dos recursos hídricos para o projeto hidrológico REFERÊNCIAS BARBOSA J P M Utilização de método de interpolação para análise e espacialização de dados climáticos o sig como ferramenta Caminhos de geografia revista online 2006 ANA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS Inventário das estações pluviométricas 2 ed Brasília SGH 495 p Brasil 2009 CARVALHO D F SILVA L D B HIDROLOGIA 2006 CARAM R O Reconstrução de séries e análise geoestatística da precipitação no Estado de Minas Gerais Dissertação Magister Scientiae Universidade Federal de Viçosa 2007 MOULIN G D Técnicas de entropia e de geoestatística no dimensionamento de redes pluviométricas Dissertação Mestre em Engenharia Ambiental Universidade Federal do Espírito Santo 2005 SILVA et al Avaliação de interpoladores para a espacialização de variáveis climáticas na bacia do rio ItapemirimES Anais XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Florianópolis Brasil 2126 abril 2007 INPE p 31413146 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas4 ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 46 OVIEIRA J P G Estudo da precipitação mensal durante a estação chuvosa em Diamantina Minas Gerais Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v14 n7 p762767 2010 ZAMBOTI J L Mapas pluviométricos médios mensais no verão para o estado do Paraná utilizando métodos geoestatísticos 2001 xvii 134 f Tese doutorado Universidade Estadual Paulista Faculdade de Ciências Agronômicas 2001 47 5 AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE DADOS Apresentação A Hidrologia analisa todos os parâmetros presentes e importantes no ciclo da água dentro do meio ambiente terrestre Geralmente se estuda este ciclo da água em um sistema fechado denominado hidrológico O balanço hídrico pode ser resumido para pequenos intervalos de tempo no seguinte balanço de massa entradas armazenamento inicial saídas armazenamento final No entanto não é fácil mensurar e avaliar os parâmetros que permeiam essa formulação Os principais parâmetros hidrológicos podem ser divididos em três categorias Parâmetros climáticos precipitação evapotranspiração e parâmetros secundários interligados aos primários como radiações solares temperaturas umidade do ar vento etc Parâmetros do escoamento descargas líquidas e sólidas e parâmetros secundários ligados aos primários tais como nível da água características da rede de drenagem área da bacia delimitada pela rede de drenagem velocidade qualidade da água e sedimentos transportados reservatórios naturais e artificiais Parâmetros característicos do meio receptor geologia topografia solos vegetação e urbanização Neste bloco serão avaliados os processos para aquisição dos dados da precipitação descargas e escoamentos Não é suficiente apenas medir as variáveis hidrológicas mas sim realizar uma análise crítica para obter consistência aos dados medidos e efetuar as tomadas de decisões nos projetos hídricos da maneira mais eficiente possível 48 51 Aquisição dos dados de precipitação A precipitação é uma das variáveis mais importantes no ciclo hidrológico sendo constantemente utilizada em diversas áreas do conhecimento Esta variável é utilizada para a validação de modelos numéricos de previsão de tempo e clima balanço hídrico radiação infiltração etc A compreensão da variabilidade espacial da precipitação em determinada região é primordial uma vez que seu padrão interanual e sazonal é crucial para a agricultura e para diversos setores da economia Neste contexto a confiabilidade das estimativas de precipitação é de suma importância PEREIRA et al 2013 É imprescindível salientar que a aquisição de dados de boa qualidade sobre as chuvas é de extrema dificuldade embora a medição e os aparelhos sejam simples Consequentemente é muito raro encontrar uma série de dados confiáveis obtidos através dos principais aparelhos utilizados para obter dados sobre a precipitação em campos pluviográfos e pluviômetros Anteriormente a realização da análise crítica sobre os dados coletados cabe ao gestor dos recursos hídricos ter um bom conhecimento dos métodos de aquisição dos aparelhos usados dos lugares em que eles foram instalados e da preparação dos observadores A chuva pode ser medida de duas formas distintas pontualmente com pluviográfos e pluviômetros e espacialmente por radares O pluviômetro e o pluviógrafo são aparelhos que permitem medir a precipitação A diferença entre ambos é que o pluviógrafo registra automaticamente num suporte os dados enquanto o pluviômetro pode armazenar os dados por meio de leituras manuais em intervalos de tempo fixos ou de forma automática De acordo com a Agência Nacional das Águas ANA 2011 no Brasil existem 13734 estações cadastradas no Sistema de Informações Hidrológicas o que resulta numa densidade de aproximadamente 00016 estações km² considerando que todas essas estações estariam em operação Sevruk e Klemm 1989 observaram que existe alta variabilidade de tipos de pluviômetros mais de 50 tipos são considerados padrões nacionais em 136 países variando consideravelmente em forma tamanho material área de captação 7 a 1000 cm² e altura de instalação entre 02 e 2 metros 49 Essa diversidade de pluviômetros associada aos fatores climáticos e processos físicos que ocorrem na natureza influencia diretamente nos valores amostrais das precipitações atmosféricas O custo desses aparelhos varia seguindo o local a aplicação e as condições de operação Os Pluviômetros encontrados no Brasil podem custar 9000R Os processos físicos que influenciam nos erros obtidos nos pluviômetros são Vento Influencia diretamente no tamanho das gotas de chuva precipitadas Tempo Determina a frequência de duração total da coleta de dados e aferição Radiação Influencia na temperatura e umidade do ar além das correntes de vento Parâmetros construtivos do pluviômetro forma profundidade seção transversal e altura da instalação A variabilidade temporal dos eventos chuvosos faz com que seja necessário o uso de equipamento automático pluviógrafos ou pluviômetros automáticos que permite medir as intensidades das chuvas durante intervalos de tempo menores que os obtidos em observações manuais feitas em pluviômetros A seguir será descrito o funcionamento de um dos principais tipos de pluviógrafos utilizados o flutuador O pluviógrafo flutuador possui um sistema com uma boia conectada a um aparelho que pode registrar a informação como lápis ou caneta que está conectado a um papel acoplado em um cilindro que rotaciona a uma dada velocidade Posteriormente a água é armazenada em um recipiente que contém uma boia em seu interior e a medida que esse recipiente se enche a boia se eleva e consequentemente o utensilio que registra a precipitação também é elevado Através desse sistema é possível obter a lâmina de água precipitada com o sistema conectado a boia e o tempo dado pela rotação do cilindro no qual está acoplado o papel para registrar essa informação ARAÚJO 2017 50 Ainda segundo Araújo 2017 as equações utilizadas para transformar o volume captado em milímetros de chuva e relacionar a altura lida nos registros com o volume inserido são as seguintes 𝑽𝒆𝒒 𝑷 𝑨𝒄 1 Onde 𝑉𝑒𝑞 é o volume equivalente em milímetros de chuva coletado no pluviógrafo em litros P é a precipitação desejada em mmh Ac é a área de captação em metros quadrados A altura de elevação da boia é expressa por 𝒉𝒑 𝑽 𝟏𝟎𝑨𝒄𝒑 2 Sendo que ℎ𝑝 é a altura de elevação da boia no interior do cilindro em centímetros V é o volume captado em litros 𝐴𝑐𝑝 é a área do cilindro de armazenamento no interior do pluviógrafo em metros quadrados Em gráficos de distribuição temporal de chuvas a partir da análise dos dados referentes às precipitações mensais e anuais coletados em sites de monitoramento pluviométrico ou da ANA deve ser efetuada uma avaliação criteriosa excluindo os dados mensais com falhas superiores a 5 Por meio da distribuição temporal referente aos períodos de dados construiuse o gráfico observado na Figura 51 verificandose a ocorrência das chuvas mensais e anuais assim como suas respectivas médias para o período de análise dos dados coletados Fonte Próprio autor Figura 51 Distribuição temporal de chuvas 51 52 AQUISIÇÃO DE DADOS DO ESCOAMENTO Existem diversos métodos para medir as descargas líquidas dos cursos de água Exceto em alguns casos específicos na prática não é possível conhecer em um dado instante a descarga líquida sendo que as aferições desprendem um longo tempo e são expressivamente caras Para conhecer a vazão estabelecese uma relação da altura do nível de água com a vazão pois é mais fácil medir a referida altura O conhecimento dessa relação permite substituir a medição das descargas líquidas pela aferição dos níveis dagua cotas Os métodos empregados para determinar a vazão podem ser indiretos ou automáticos desde um simples objeto lançado na água para estimar a velocidade que percorre em uma determinada distância até métodos mais precisos como molinetes doppler acústicos ADV Acoustic Doppler Velocimeters e em casos mais audaciosos por satélites que não será discutido aqui Exemplo TOPEXPOSEIDON Além destes o uso do molinete hidrométrico é o mais propagado pela facilidade e custo benefício Em geral a quantidade de água que passa numa determinada seção do rio é expressa em m³s isso significa dizer que a cada segundo passam uma determinada quantidade de metros cúbicos de água para uma seção transversal do rio córrego ou tubulação caso almejase expressar o volume de água em litros basta saber que 1m³ 1000 litros de água CARVALHO 2008 O molinete hidrométrico é um velocímetro com forma de torpedo serve para medir a velocidade de fluxo de água No emprego deste tipo de equipamento ocorre a conversão do movimento de translação do fluxo de água em um movimento de rotação da hélice do molinete A determinação da velocidade de fluxo é feita com o auxílio de um contador de número de voltas que a hélice realiza durante um intervalo de tempo previamente estabelecido Conhecendo o número de voltas da hélice num dado intervalo de tempo aplicase a equação característica do molinete fornecida pelo fabricante do equipamento permitindose determinar a velocidade do fluxo A equação é calibrada para cada molinete e recomendase nova calibração do equipamento pois a hélice e o rolamento interno sofrem desgaste ao longo do tempo afetando na precisão das aferições RIOS et al 1997 52 O ADV Acoustic Doppler Velocimeters tratase de um instrumento que opera com um sensor acústico intrusivo o volume de medida onde se coletam os dados de velocidade local instantaneamente situandose a uma distância suficientemente grande da sonda para que eventuais perturbações causadas sobre o escoamento no ponto de medição possam ser desprezadas O equipamento realiza o cálculo automático de vazão empregando uma variedade de métodos analíticos internacionais incluindo as normas ISO e USGS Salientase que o equipamento tem capacidade de monitorar à distância sem interferir no campo de medição HOITINK e HOEKSTRA 2005 Além disso ainda são utilizados outros equipamentos para medir vazões em curso de água como medidor de vazão ultrassônico placa de orifício tubo de pitot tubo de venturi medidores magnéticos etc Todos esses aparelhos apresentam precisão custo e princípio de funcionamento distintos sua aplicação vai depender da instalação custo do projeto e nível de precisão requerido da aferição Podem ser utilizados dois métodos para obterse a curva mestra relação entre a vazão e os níveis dagua e eles são classificados da seguinte forma Métodos teóricos que utilizam as equações gerais da hidráulica Métodos experimentais que estabelecem a curva mestre através de vários pares cotasdescarga medidos com uma distribuição bem regular O conhecimento da vazão de um curso dágua é fundamental na tomada de decisão quanto aos usos dos recursos hídricos tais como o planejamento urbano o dimensionamento de pontes sistemas de abastecimento de água implantação de sistemas de irrigação e de centrais hidroelétricas FERREIRA et al 2015 As cotas geralmente são obtidas por meio de linímetros que são réguas verticais utilizadas para obter a regularidade do nível e manter a qualidade das observações realizadas 53 Estudos hidrológicos específicos demandam o monitoramento da variação do nível de um curso dágua Essa avaliação é feita com linímetro que indica apenas a cota do rio ou com linígrafo que mede e registra a variação de nível Os linígrafos se diferenciam pelo tipo de sensor utilizado que pode ser por radar ultrassom sensor de pressão ou sistema boia e contrapeso Estes equipamentos apresentam preços diferenciados em função das características técnicas oferecidas porém geralmente os preços são elevados MOTA el al2016 Entre os processos para se medir a vazão de forma expedita os mais simples são aqueles realizados por meio de flutuadores ou por meio de vertedores ELETROBRÁS 1985 p40 Existem várias formatos e tipos de flutuadores são normalmente esféricos ocos ou de metal Tem por finalidade medir a velocidade de um filete da superfície podendo também medir a velocidade de filetes abaixo da superfície através da utilização de um conjunto flutuante formado por uma esfera auxiliar presa à primeira A velocidade deste conjunto é aproximadamente a média aritmética dos filetes da superfície e interno Para o cálculo da velocidade é cronometrado o tempo para a esfera ou o conjunto percorrer uma distância conhecida SOUZA FUCHS SANTOS 1983 Os vertedores normalmente só executam leituras em obras já concluídas e são necessários alguns cuidados como evitar que a leitura seja próxima do vertedor para não sofrer influência do abaixamento superficial É recomendável uma distância de 180 a 500m a montante SOUZA FUCHS SANTOS 1983 p 104 Para medir a vazão por meio de um vertedor bloqueiase o curso dágua com um painel de tábuas que tenha uma abertura retangular no centro suficiente para a passagem de toda a água A largura do vertedor deve ter de metade até dois terços da largura do curso dágua ELETROBRÁS 1985 p41 54 53 REDES HIDROLÓGICAS A água é um patrimônio da humanidade e precisa ser gerenciada da melhor forma possível Isso pode ser feito por meio dos conhecimentos em recursos hídricos As instituições que participam e monitoram os recursos hídricos possuem geralmente um certo número de postos de observações estações que constituem uma rede hidrológica Segundo o Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastre Naturais CEMADEN os objetivos das redes de estação hidrológicas são Facilitar análise do desenvolvimento de transformação chuvavazão em bacias de resposta rápida Através de fotos contabilizar a ocorrência de enxurradas e os montantes pluviométricos deflagradores desses acontecimentos Verificar por meio de fotográficas a prevalência de erosões em margens de rios Possibilitar o melhoramento de modelos hidrológicos Contribuir nos lançamentos de alertas com dados em tempo real Possibilitar a atualização do modelo hidrológico assimilação de dados devido o recolhimento de informações em tempo real e com isso aprimorar a confiabilidade das previsões de extremos hidrológicos As redes têm como finalidade coleta de dados hidrológicos São capazes de monitorar nível de rio por meio de sensor as precipitações pluviômetro e além de registros de fotos em tempo real Com isso possibilita saber a situação sobre enxurradas erosão e alagamentos Existem vários tipos de estações hidrológicas Postos de hidrometria geral que permitem ter conhecimento sobre os cursos de água em todas as descargas Postos de alerta e de gestão instalados para um objetivo específico Postos temporários instalados para um estudo especial e duração limitada 55 O número de postos por unidade de área a distribuição o equipamento as grandezas observadas precipitações descargas qualidade da água concentração em sedimentos etc dependem de vários parâmetros entre os quais destacamse função do órgão operador energia pesquisa instituição de desenvolvimento regional particularidades locais clima relevo poluição tipo de uso etc do capital e da capacitação do corpo de trabalho A coordenação Geral de Recursos Hídricos CGRH do Departamento Nacional de águas e energia elétrica DNAEE do ministério de infraestrutura é encarregada pela centralização dos dados hidrometeorológicos no Brasil A CGRH possui uma unidade central em Brasília e é representada em várias capitais brasileiras nas agências das companhias de pesquisas de recursos minerais CPRM A Tabela 51 exibe as redes fluviométricas conhecidas no Brasil e catalogadas pela DNAEE em 1987 Tabela 51 Estações fluviométricas registradas no Brasil Bacia Principal Área km² Número de estações Estaçõeskm² 1 Rio Amazonas 3900000 471 012 2 Rio Tocantis 757000 221 029 3 Atlântico Sul NorteNordeste 10290000 591 057 4 Rio São Francisco 634000 706 111 5 Atlântico Sul trecho leste 545000 1464 269 6 Rio Paraná 1245000 1903 153 7 Rio Uruguai 178000 286 161 8 Atlântico Sul trecho Sudeste 224000 712 318 Fonte adaptado de TUCCI 2013 56 Conclusão O estudo da aquisição e processamento dos dados relativos a precipitação e ao escoamento além das redes hidrológicas é de suma importância para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou estes conceitos assim como os seus principais tópicos e aplicações O conhecimento da aquisição e processamento dos dados de precipitação vazão e dos escoamentos permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua irrigação abastecimento industrial e doméstico além de diversas outras atividades Portanto estes tópicos da hidrologia possuem impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por se tratar de tópicos complexos e multidisciplinares Atualmente existem várias técnicas numéricas utilizadas com auxílio de softwares e programas que permitem realizar análises e predizer o comportamento da precipitação e do escoamento em rios córregos etc Além da aquisição de dados em redes hidrológicas e estações pluviométricas a caracterização das variáveis hidrológicas e a espacialização desses dados necessita cada vez mais de profissionais que possam interligar os recursos da Hidrologia com as ferramentas CAE Engenharia assistida por computador Nos demais blocos da disciplina serão abordados os parâmetros e dimensionamento dos recursos hídricos para o projeto hidrológico REFERÊNCIAS ANA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS Inventário das estações pluviométricas 2 ed Brasília SGH 495 p Brasil 2009 ARAÚJO A R M Desenvolvimento e calibração de um pluviógrafo 2017 Trabalho de Conclusão de Curso Universidade Federal do Rio Grande do Norte 57 AVIX GEO AMBIENTAL Medição de vazões 2011 Disponível em httpwwwavixcombrmediccedilatildeodevazotildeeshtml Acesso em 12 jul 2020 CARVALHO T M Técnicas de medição de vazão por meios convencionais e não convencionais Revista Brasileira de Geografia Física v 1 n 1 p 7385 2008 CEMADEN Centro Nacional de Monitoramento e alertas de desastres naturais Estações hidrológicas Projeto de estações hidrológicas Disponível em httpwwwcemadengovbrestacoeshidrológicas Acesso em 30 ago 2020 ELETROBRÁS Departamento nacional de águas e energia elétrica Manual de microcentrais hidrelétricas 344p Rio de Janeiro sn 1985 EMBRAPA Comunicado técnico nº 455 de julho de 2007 Medição da vazão em rios pelo método do flutuador Concórdia SC Disponível em httpwwwcnpsaembrapabrdownphptipopublicacoescodpublicacao1017 Acesso em 12 julho 2020 FERREIRA M M REIS J A MANDONÇA A S F Estimativas de vazões máximas para cursos dágua da bacia hidrográfica do rio Itapemirim Revista Ciatec Passo Fundo v7 n1 p6778 2015 HOITINK A J F HOEKSTRA P Observations of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a MudDominated Environment Coastal Engineering 52 pp 103118 2005 MOTA W N et al Construção de um linígrafo de baixo custo com a plataforma arduinowater level recorder with arduino platform Revista Engenharia na Agricultura v 24 n 6 p 523 2016 PEREIRA G et al Avaliação dos dados de precipitação estimados pelo satélite TRMM para o Brasil Revista Brasileira de Recursos Hídricos v 18 n 3 p 139148 2013 SEVRUK B KLEMM S Catalogue of national standard precipitation gauges World Meteorological Organization 1989 58 SOUZA Z FUCHS R D SANTOS A H M Centrais hidro e termelétricas São Paulo Edgard Blücher ItajubáMG Escola Federal de Engenharia 1983 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas 4ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 59 6 DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO Apresentação A vazão máxima de um rio é entendida como sendo o valor associado a um risco de ser igualado ou ultrapassado O hidrograma de projeto ou hidrograma base é definido como uma sequência temporal de vazões relacionadas a um risco de ocorrência A vazão máxima é utilizada na prevenção de enchentes e no projeto de obras hidráulicas tais como canais condutos bueiros etc o hidrograma de projeto é necessário quando o volume a distribuição temporal e o risco são importantes no funcionamento da obra hidráulica como em reservatórios A determinação da vazão e do hidrograma resultante de precipitações ocorridas ou com possibilidades de ocorrer podem ser classificadas em duas classes principais representação de um evento específico e dimensionamento hidrológico A primeira classe consiste em um compromisso com a precisão as vazões são obtidas por meio das precipitações na bacia hidrográfica e nas condições de umidade do solo e perdas iniciais Esta simulação é aplicada para retratar condições ocorridas para a análise operacional de obras extrapolação de dados e previsão em tempo real Neste bloco do conteúdo trataremos sobre as vazões máximas e dimensionamento dos recursos hídricos 61 VAZÕES DE PROJETO O planejamento projeto e operação de qualquer obra relacionada com a gestão controle e proteção dos recursos hídricos em uma bacia hidrográfica se baseia na avaliação da demanda frente à disponibilidade de água na bacia Para uma gestão adequada todas as atividades de administração e disponibilidade hídrica na bacia precisam ser bem conhecidas Essa disponibilidade é avaliada através da aplicação de um balanço hídrico o qual é imprescindível o conhecimento das principais variáveis hidrológicas principalmente da precipitação e da vazão BARBOSA et al 2004 60 Ainda em BARBOSA et al 2004 a vazão máxima que também é caracterizada pela frequência da sua ocorrência está particularmente associada aos riscos de inundação em uma bacia e à definição das vazões de projeto de obras hidráulicas de controle de enchentes Ela é utilizada nos estudos voltados para os projetos dos vertedores de barragens dos canais de drenagem dos bueiros e galerias de águas pluviais dos diques e dos vãos de pontes etc Em estudos do aproveitamento dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica muitas vezes confrontamse com o problema da ausência ou insuficiência de dados que permitam a construção da série histórica de vazões necessária à avaliação da disponibilidade hídrica superficial Nesses casos necessitase a aplicação de técnicas de transferência de informações de outros locais climaticamente semelhantes para a bacia hidrográfica em questão Ao procedimento de transferência de informações de vazão denominase regionalização A Tabela 61 exibe as relações entre as vazões máximas instantânea Qp e as vazões médias máximas diárias Qm ou a vazão máxima de dois valores diários Qd encontradas na literatura A área A pode ser expressa tanto em km² quilômetros ou mi²milhas Tabela 61 Relações entre as vazões máximas na literatura Autor Expressão Fuller 1914 𝑸𝒑 𝑸𝒅 𝟏 𝟐 𝟔𝟔𝑨𝟎𝟑𝟎 Gray 1970 𝑸𝒑 𝑸𝒅 𝟑 𝟗𝟎𝑨𝟎𝟐𝟐 Correia 1983 𝑸𝒑 𝑸𝒅 𝟏 𝟏 𝟐𝟎𝑨𝟎𝟎𝟑𝟔 Tonini 1939 𝑸𝒑 𝑸𝒎 𝟏 𝟔𝟖𝑨𝟎𝟓𝟎 Cottechia 1965 𝑸𝒑 𝑸𝒎 𝟏𝟔𝑨𝟎𝟏𝟗𝟎 Tonini 1969 𝑸𝒑 𝑸𝒎 𝟏 𝟐 𝟑𝟗𝑨𝟎𝟏𝟏𝟐 Tucci et al 1991 𝑸𝒑 𝑸𝒅 𝟏 𝟏𝟓 𝟎𝟑𝑨𝟎𝟓𝟗 Fonte adaptada de Silva e Tucci 1998 61 De acordo com Silva e Tucci 1998 a grande dificuldade encontrada pela maioria desses autores foram os baixos coeficientes obtidos para as correlações devido a inúmeros fatores que influenciam na razão entre as vazões máximas além da área da bacia hidrográfica A falta de disponibilidade de séries temporais confiáveis e longas que permitam melhores estimativas dessa razão e redução das incertezas limita em muito as conclusões dos resultados obtidos Eles propuseram um novo modelo matemático para quantificar as vazões máximas e relacionálas com as demais variáveis hidrológicas conforme descrito pela equação abaixo 𝒄 𝑸𝒑 𝑸𝒅 1 O coeficiente c depende de vários fatores entre eles podemos destacar Precipitação tempo em que se inicia distribuição temporal e espacial e seu total Condições de umidade antes da chuva precipitar sobre a bacia hidrográfica Capacidade de infiltração características do solo e o seu uso Características do escoamento na bacia hidrográfica Portanto está correlação é mais precisa e leva em conta mais fatores de correção e variáveis hidrológicas que as apresentadas na Tabela 61 62 REGULARIZAÇÃO DAS VAZÕES Visando proporcionar uma melhor visualização do regime do rio ou apenas destacar algumas de suas características ou ainda analisar os efeitos da regularização propiciada por reservatórios os projetos de obras hidráulicas exigem que os dados de vazão sejam manipulados e apresentados sob a forma de gráficos As vazões podem ser apresentadas através de hidrogramas curvas de permanência curvas de distribuição temporal eou espacial curvas de utilização e diagramas de massa A distribuição temporal eou espacial da precipitação exerce forte influência na determinação do escoamento superficial e nas vazões máximas picos do hidrograma de projeto que são utilizados para o dimensionamento de obras hidráulicas Damé et al 2009 62 O hidrograma é simplesmente um gráfico das vazões ao longo de um período de observação na ordem cronológica de ocorrência A Figura 61 exemplifica um hidrograma construído para representar as vazões ao longo de doze meses As vazões calculadas para a sua implementação podem ser quantificadas por meio de uma das expressões descritas na figura 61 Fonte Adaptado de Villela 1975 Figura 61 Hidrograma para representação das vazões mensais A regularização das vazões naturais é um procedimento que tem a finalidade de obter a melhor utilização dos recursos hídricos superficiais Consequentemente é necessário aplicar o represamento das águas através da construção de barragens em seções bem determinadas dos cursos dágua naturais Devido a regularização das vazões por meio da construção de barragem formação de reservatório almejase ainda atingir vários outros objetivos destacandose 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 A Figura 62 exibe a liberação de água em uma barragem de uma usina hidrelétrica 63 Figura 62 Barragem em uma usina hidrelétrica O aproveitamento dos recursos hídricos proporciona que uma vazão dada pela magnitude de um reservatório em um rio seja comparada com os valores das vazões naturais deste curso dágua 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 dágua e de transporte de sedimentos Todavia se a vazão retirada for superior à mínima do curso dágua faz se necessário a reserva dos excessos sobre a vazão derivada para atender aos períodos cujas vazões naturais são menores que aquelas derivadas A regularização de vazões consiste de uma operação para preencher um reservatório de acumulação que recebe vazões diferentes ao longo do tempo e se deseja retirar uma vazão fixa ou seja constante A desregularização de vazões tratase 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 64 Segundo Júnior 2017 a lei matemática que descreve a função empregada para a regularização das vazões é dada pela expressão abaixo 𝒀𝒕 𝑸𝒓𝒕 𝑸𝒎𝒆𝒅 2 Onde Qrt é a vazão regularizada em função do tempo t Qmed é a vazão média no período observado Através da sequência no tempo das vazões naturais Qt e conhecida a lei de regularização yt é possível determinar a capacidade mínima do reservatório para atender a esse modelo A vazão regularizada Qrt é a soma de todas as vazões que saem do reservatório no tempo t A evaporação será negligenciada no entanto está poderá ser computada como função da área líquida exposta e de dados climatológicos A evaporação poderá também ser subtraída das vazões naturais que entram no reservatório A capacidade mínima de um reservatório para atender a uma determinada lei de regularização é dada pela diferença entre o volume acumulado que seria necessário para atender aquela lei no período mais crítico de estiagem e o volume acumulado que aflui ao reservatório no mesmo período 63 PROPAGAÇÃO DE VAZÕES EM RIOS E RESERVATÓRIOS Um método de propagação de vazões é um processo matemático que visa prever a vazão a velocidade e a altura de uma onda de cheia como função do tempo em um ou mais pontos de um curso dágua BENTURA 1996 Em situações reais é comum que as condições de escoamento variem com relação ao tempo e ao espaço As hipóteses matemáticas utilizadas para modelagem do escoamento em rios são formalizadas por meio das equações que tratam do escoamento nãopermanente e variado Essas equações são modelos simplificados de um fenômeno extremamente complexo e procuram incorporar apenas os principais efeitos envolvidos CUNGE et al 1980 65 Podese utilizar os mais diversos volumes de controle para a formulação do balanço de massa hídrico de modo a avaliar as variações de vazões ao longo de rios e reservatórios Se aplicarmos um balanço hídrico massa a um volume de controle típico temos que 𝒅𝑴 𝒅𝒕 𝒕 𝝆𝒅𝑽 𝝆 𝒗 𝒏𝒅𝑺 3 Em que M é a massa ρ a densidade v é a velocidade V o volume de água que escoa ao longo do volume de controle Como o regime é transiente e M é a massa do sistema que é fixa lembrando que a vazão mássica é 𝒅𝑴 𝒅𝒕 𝝆 𝑸 em que Q é a vazão volumétrica em m³s efetuandose algumas manipulações algébricas na Eq3 obtémse 𝒅𝑸 𝒅𝒕 𝑸𝒆 𝑸𝒔 4 Onde Qe e Qs são respectivamente as vazões de entrada e saída nos reservatórios As vazões de entrada e saída são obtidas por meio do produto entre a área e a velocidade do escoamento como descrito pela equação abaixo 𝑸 𝑨 𝒗 5 As velocidades podem ser obtidas através de dinamômetros ou velocímetros e as áreas em geral são padronizadas pelas normas da ISO da ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas de acordo com o tipo de reservatório assim como a altura das lâminas dagua Conclusão O estudo das vazões máximas regulação e propagação das vazões é de suma importância para a formação e desenvolvimento de qualquer profissional que for tratar de recursos hídricos Este conteúdo apresentou estes conceitos assim como os seus principais tópicos e aplicações 66 O conhecimento do dimensionamento e análise das vazões máximas regulação e propagação das vazões em rios e reservatórios permite ao gestor elaborar e planejar medidas para controle de secas enchentes quedas dagua irrigação abastecimento industrial e doméstico além de diversas outras atividades Portanto estes tópicos da hidrologia possuem impacto direto na maioria das atividades econômicas e ambientais e o seu estudo é primordial a qualquer engenheiro independentemente da área de formação por se tratar de tópicos complexos e multidisciplinares Este bloco finaliza o conteúdo da disciplina de hidrologia ambiental introduzindo ao aluno os princípios parâmetros de dimensionamento e análise dos recursos hídricos e a noção de projeto de uma forma geral REFERÊNCIAS BARBOSA S E S et al Geração de modelos de regionalização de vazões máximas médias de longo período e mínimas de sete dias para a Bacia do Rio do Carmo Minas Gerais Engenharia Sanitária e Ambiental v 10 n 1 p 6471 2005 BENTURA P L F Développement dune méthode de propagation de crue méthode delaistockage Tese Doutorado em Engenharia Universidade de Paris XII Val de Marne 490 p Paris 1996 CUNGE JA HOLLY F M VERWEY A Practical Aspects of Computational River Hydraulics Boston Pitman 419 p 1980 DAMÉ R D C Teixeira C F Terra V S Rosskoff J L Hidrograma de projeto em função da metodologia utilizada na obtenção da precipitação Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e AmbientalAgriambi v 14 n 1 2010 JUNIOR A R B Hidrologia Aplicada CIV 226 Regularização de vazão Disponível em httpwwwlebesalquspbrlebdisciplinasFernandoleb1440Aula206Regulariza cao20de20Vazoespdf Acesso em 30 de Ago 2020 SILVA E A TUCCI C E M Relação entre as vazões máximas diárias e instantâneas Revista Brasileira de Recursos Hídricos v 3 n 1 p 133151 1998 TUCCI C E M et al Hidroweb Sistema de informações hidrológicas 4ed Porto Alegre UFRGSABRH 2013 VILLELA S M MATTOS A Hidrologia Aplicada São Paulo Editora Mc Graw Hill 1975