HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA

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HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

AULA 2

CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO

Prof. Giovanni C Penner penner@ufpa.br

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CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

I – PLANO DE ENSINO E INTRODUÇÃO

II – CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO III – BACIA HIDROGRÁFICA

IV – CLIMATOLOGIA: TIPOS CLIMÁTICOS V – PRECIPITAÇÃO

VI - ESCOAMENTO SUPERFICIAL (Medição de Vazão e Curva-Chave, Método Racional, Separação dos Escoamentos, Curva de Permanência)

VII – INFILTRAÇÃO

VIII – EVAPORAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO IX – ÁGUAS SUBTERRÂNEAS

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OBJETIVOS DA AULA

1. Rever o conceito de ciclo hidrológico.

2. Conhecer as disponibilidades de água no Brasil e no Mundo.

3. Conhecer o conceito de balanço hídrico de uma bacia e apresentar o balanço hídrico de bacias do Brasil e do Mundo.

4. Conhecer o conceito de disponibilidade hídrica per capita e apresentar valores do Brasil e do Mundo.

5. Aprender a fazer um balanço hídrico de uma bacia.

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IMPORTÂNCIA DA HIDROLOGIA

Dimensionamento de obras hidráulicas;

• Aproveitamento de recursos Hídricos:

– aproveitamentos hidrelétricos; – abastecimento urbano;

– irrigação; – navegação; – lazer.

• Controle e previsão de inundações;

• Controle e previsão de secas;

• Controle de poluição;

• Qualidade ambiental.

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PERGUNTAS TÍPICAS

[1] Qual é a vazão máxima provável em um local

proposto para uma barragem?

[2] Qual é a disponibilidade de água de um rio e

como ela poderá variar entre estações e de um

ano a outro?

[3] Qual é a relação entre a quantidade de água

superficial e a água subterrânea?

[4] Qual é a vazão mínima de um rio que é

igualada ou superada 90% do tempo?

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PERGUNTAS TÍPICAS

[5]

Qual

é

o

volume

de

um

reservatório

necessário para garantir uma determinada vazão

a jusante?

[6]

Qual

é

o

tamanho

adequado

de

um

reservatório de armazenamento para limitar as

inundações

a

jusante

a

um

nível

pré-estabelecido?

[7] Quais são o

“hardware” (sensor de chuva, p.

ex.) e o

“software” (modelo computacional)

necessários para a previsão de cheias em tempo

real?

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RESPOSTAS

Para responder a essas e outras perguntas

a Hidrologia se utiliza de:

• Informações hidrológicas (dados obtidos por

medições);

• Análise especializadas;

• Conceitos e conhecimentos científicos.

A resposta de um problema hidrológico em

geral

é

o

valor

de

uma

grandeza

hidrológica associada a uma probabilidade

de que essa grandeza seja igualada ou

excedida.

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BREVE HISTÓRIA DA HIDROLOGIA

• Marcos Vitruvius Pollio (100 AC) → Conceitos

próximos aos atuais;

• Da Vinci e Bernard Palissy - Século XV;

• Perrault (1608-80) e Mariotte → Vazão do Rio

Sena = 16 % da precipitação;

• Hidrologia Quantitativa → Década de 1930

(Sherman

– 1932; Horton – 1933; Theis – 1935);

• Computadores + Modelos Conceituais chuva x

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CICLO HIDROLÓGICO

Fenômeno global de circulação da água entre

a

superfície

terrestre

e

a

atmosfera,

impulsionado fundamentalmente pela energia

solar, associada à gravidade e à rotação da

Terra.

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VÍDEO AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS

https://youtu.be/C1FbYQsEKtU?list=PLdDOTUuIn

CuzxZZHYiB_a0-4o_mnCZQPO

(11)

CICLO HIDROLÓGICO

O ciclo hidrológico é o processo cíclico e

contínuo de transporte das águas da Terra,

interligando

atmosfera,

continentes

e

oceanos.

Trata-se

de

um

processo

complexo, que tem como fonte de energia o

Sol, associado à gravidade e à rotação da

Terra, apresentado muitos subciclos.

(12)

O processo de transferência da água do mar para os continentes e a

sua volta aos mares é conhecido

por ciclo hidrológico

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VISÃO POÉTICA

Planeta água

(Guilherme Arantes) Água que nasce na fonte

Serena do mundo

E que abre o profundo grotão Água que faz inocente riacho e deságua

Na corrente do ribeirão Águas escuras dos rios

Que levam a fertilidade ao sertão Águas que banham aldeias

E matam a sede da população Águas que caem das pedras No véu das cascatas

Ronco de trovão

E depois dormem tranqüilas No leito dos lagos

No leito dos lagos

Água dos igarapés Onde Iara mãe d’água É misteriosa canção Água que o sol evapora Pro céu vai embora

Virar nuvens de algodão Gotas de água da chuva

Alegre arco íris sobre a plantação Gotas de água da chuva

Tão tristes são lágrimas na inundação

Águas que movem moinhos São as mesmas águas

Que encharcam o chão E sempre voltam humildes Pro fundo da terra

Pro fundo da terra Terra, planeta água Terra, planeta água Terra, planeta água Terra, planeta água Terra, planeta água Terra, planeta água

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Precipitação Perda por Evaporação Hidrogramas elementares Hidrogramas elementares 3º_{nível de} armazenamento 2º_{nível de} armazenamento 1º _{nível de} armazenamento 5º_{nível de} armazenamento 4º_{nível de} armazenamento Rede hidrográfica continuações fugas Transporte na rede Qb Q2 Q1 E E E E F F F F F C VISÃO DE ENGENHARIA: MODELAÇÃO MATEMÁTICA

(18)

(Puri, 2002; ANA, 2010)

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FATORES QUE INFLUENCIAM O CICLO

Quantidade de água e a velocidade de

circulação em cada etapa do ciclo depende,

entre outros:

– Cobertura vegetal;

– Altitude;

– Topografia;

– Temperatura;

– Tipo de solo.

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FLUXOS GLOBAIS DE ÁGUA

10

12

_m

3

_/ano

_%

Precipitação

Continente

99 23,4

Oceano

324 76,6

Evaporação

Continente

62 14,7

Oceano

361 85,3

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Fluxo = Precipitação - Evaporação

Superfície Terrestre = POSITIVO

Oceanos = NEGATIVO

saldo

Vazões dos rios oceano 99 62 324 37 37 Superfície terrestre Atmosfera Unidades: 1012 _m3_/ano 361

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(23)

FLUXOS E RESERVAS GLOBAIS DE ÁGUA

96,564 % 1,73% 1,689% 0,013% 0,001%

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Exercício 1

Em termos globais, o ciclo hidrológico movimenta um volume de água de 577 mil km³/ano. Isto significa que 577 mil km³/ano atingem os continentes e os oceanos na forma de precipitação (chuva e neve), e os mesmo 577 mil

km³/ano retornam à atmosfera na forma de

evaporação/evapotranspiração. A chuva que atinge os continentes equivale a 119 mil km³/ano, dos quais 72 mil km³/ano retornam a atmosfera por evapotranspiração e 47 mil km³/ano dos continentes para os oceanos. Os rios armazenam 2,12 mil km³ de água e transportam cerca de 44,7 mil km³ de água por ano. Qual o tempo residência (tempo que a água permanece no rio) médio da água nos rios em dias?

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Região Vazão Média (m3_/s) _{Participação (%)} América do Sul 334000 23,1 América do Norte 260000 18,0 África 145000 10,0 Europa 102000 7,0 Antártida 73000 5,0 Oceania 65000 4,5 Austrália/Tasmânia 11000 0,8 Ásia 458000 31,6 BRASIL 177900 12,3 Total 1448000 100,0

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DISTRIBUIÇÃO DO USO NO BRASIL POR

REGIÕES

Região

Vazão

Urbana

(km

3

/ano)

Irrigação

(km

3

_/ano)

Vazão

Industrial

(km

3

/ano)

Norte

0,36

0,06

0,50

Centro-oeste

0,59

0,45

0,14

Nordeste

2,06

3,91

0,55

Sudeste

5,17

4,29

5,56

Sul

1,74

7,25

1,45

TOTAL

9,92

15,96

8,20

(27)

DISTRIBUIÇÃO

DAS

ÁGUAS

DOCE

DE

SUPERFÍCIE E DA POPULAÇÃO NO BRASIL

Região

% de água doce em

superfície

% de

habitantes

Norte

68,5

6,83

Centro-oeste

15,7

6,42

Nordeste

3,3

28,94

Sudeste

6,0

42,73

Sul

6,5

15,07

(28)

DISPONIBILIDADE HÍDRICA SOCIAL

Para os Estados do Brasil e

RMSP

Disponibilidade hídrica social na RMSP  170 m3 _{/ hab}._ano

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Índice de Criticidade de Recursos Hídricos (ICRH). Disponibilidade Específica de Água (DEA) e problemas de gestão associados

DISPONIBILIDADE HÍDRICA

ICRH

Disponibilidade Específica de

Água (DEA) (m3/hab.ano) Problemas de gestão de recursos hídricos 1 DEA ≥ 10.000 Sem problemas ou problemas limitados 2 10.000 > DEA ≥ 2.000 Problemas gerais de gerenciamento

3 2.000 > DEA ≥ 1.000 Grande pressão sobre os recursos hídricos 4 1.000 > DEA ≥ 500 Escassez crônica de água

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BACIA HIDROGRÁFICA

Definição

Uma bacia hidrográfica é uma determinada área de terreno que drena água, partículas de solo e material dissolvido para um ponto de saída comum, situado ao longo de um rio, riacho ou ribeirão (Dunne e Leopold, 1978).

(31)

A altura de chuva equivale à altura da lâmina d’água que seria obtida se o volume de água de uma chuva fosse distribuído por uma lâmina uniforme sobre uma bacia hidrográfica.

Se, em um período de um ano, houve uma chuva acumula de P (mm), sobre uma bacia hidrográfica com A (km2_{) de}

área, então o volume precipitado em um ano foi de:

CONVERSÃO DE UNIDADES

A vazão equivalente para este volume em um ano é dada por: 𝐐 𝐦𝐦 = 𝐐( 𝐦𝟑 𝐬 ) ∙ 𝟑𝟔𝟓 ∙ 𝟐𝟒 ∙ 𝟔𝟎 ∙ 𝟔𝟎𝐬 𝟏𝐚𝐧𝐨 ∙ 𝟏𝟎𝟑( 𝐦𝐦 𝐦 ) 𝐀(𝐤𝐦𝟐) ∙ 𝟏𝟎𝟔( 𝐦𝟐 𝐤𝐦𝟐)

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Exercício 2

A região da bacia hidrográfica do rio Taquari recebe precipitações médias anuais de 1600 mm. Em Muçum (RS) há um local em que são medidas as vazões deste rio e uma análise de uma série de dados diários ao longo de 30 anos revela que a vazão média anual do rio é de 340 m³/s. Considerando que a área da bacia neste local é de 15.000 km², qual é a evapotranspiração média anual nesta bacia? Qual é o coeficiente de escoamento superficial da mesma bacia?

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BALANÇO HÍDRICO

O balanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica é denominado balanço hídrico. A principal entrada de água de uma bacia é a precipitação. A saída de água da bacia pode ocorrer por evapotranspiração e por escoamento. Estas variáveis podem ser medidas com diferentes graus de precisão;

A Lei Nº 9.433, de 01/08/1997 define como unidade de gerenciamento a bacia hidrográfica;

O conceito de bacia hidrográfica é usado pela facilidade de aplicação do balanço hídrico.

(34)

(35)

BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA

(36)

BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA

Precipitação

Vazão

Evapotranspiração

Armazenamento

da Água

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜

Perguntas: 1) O armazenamento é sempre positivo?

2) Qual o valor do armazenamento depois de muitos

anos de observação?

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DADOS DA BACIA DO GUARAPIRANGA

1950 735 1456 1,28 1,14 735 1456 1951 490 1133 0,85 0,88 1225 2589 1952 559 1177 0,97 0,92 1784 3766 1953 458 1292 0,80 1,01 2242 5058 1954 435 1096 0,76 0,86 2677 6154 1955 337 1179 0,59 0,92 3014 7333 1956 631 1306 1,10 1,02 3645 8639 1957 747 1752 1,30 1,37 4392 10391 1958 811 1462 1,41 1,14 5203 11853 1959 576 1228 1,00 0,96 5779 13081 1960 623 1427 1,09 1,11 6402 14508 1961 563 1261 0,98 0,98 6965 15769 ... ... ... ... ... ... ... 1971 465 1370 0,81 1,07 12295 28313 1972 518 1213 0,90 0,95 12813 29526 1973 610 1226 1,06 0,96 13423 30752 1974 526 1182 0,92 0,92 13949 31934 1975 548 1128 0,95 0,88 14497 33062 1976 1082 1838 1,89 1,43 15579 34900 1977 566 1110 0,99 0,87 16145 36010 1978 559 1305 0,97 1,02 16704 37315 1979 504 1119 0,88 0,87 17208 38434 Média 574 1281 Ano

Dados da Bacia do Guarapiranga ( área = 630 km2)

Vazão/ Vazão Med. Precipitação/ Prec. Med. Precipitação (mm) Vazão (mm) Precipitação Acumulada Vazão Acumulada

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(39)

COMPORTAMENTO VAZÃO X CHUVA

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949 Pr eci p itação T o tal o u V az ão méd ia (mm) Ano Precipitação (mm) Vazão (mm)

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COMPORTAMENTO VAZÃO X CHUVA

(Adimensional) 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949 Pr ecipitação e V az ão A di men sion al Anos P/Pm Q/Qm

(41)

CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA

y = 0,3376x + 155,6 R² = 0,49 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 500 1000 1500 2000 V az ão ( mm ) Precipitação (mm)

(42)

(43)

CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA

y = 0,4669x - 177,65 R² = 0,9996 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 5000 10000 15000 20000 V azão A cu m ul a da (m m ) Precipitação Acumulada (mm)

(44)

EU QUE SEI PREVER A TRAJETÓRIA DOS ASTROS,

NADA SEI DIZER SOBRE O MOVIMENTO DE UMA

PEQUENA GOTA DE ÁGUA

(45)

BIBLIOGRAFIA

Lição de casa:

Ler

apostila

“Introdução à Hidrologia, Ciclo

Hidrológico

e

Balanço

Hídrico” presente na

(46)

(47)

(48)

Exercício 3

A região da bacia hidrográfica do rio Uruguai recebe precipitações médias anuais de 1800 mm. Estudos anteriores mostram que o coeficiente de escoamento de longo prazo é de 0,42 nesta região. Qual é a vazão média esperada (m³/s) em um pequeno afluente do rio Uruguai numa seção em que a área da bacia é de 235 km2_?

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Exercício 4

Calcule os valores de armazenamento DS (mm) para a bacia abaixo: P = Q +

Evapo ± ∆S

Bacia Rio Pará Mês: Março Ano: 1946

Área: 9688,0 km2

Dia Vazão (m3_{/s) Precipitação (mm)}

10 288,40 14,3 11 270,09 15,5 12 261,01 5,3 13 263,02 2,4 14 253,97 5,4 15 257,99 30 16 285,32 8,3 17 273,13 7,3 18 314,00 18,4

Obs: Considere que estes registros são de uma série de dados longa para o determinar a evapotranspiração e armazenamento.

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Exercício Avançado para Casa

São fornecidos os dados de vazões e precipitações anuais da bacia do Guarapiranga (Área = 630 km2_).

Data Precipitação (mm) Vazão (m3_/s)

1952 1177 11,2 1953 1292 9,1 1954 1096 8,7 1955 1179 6,7 1956 1306 12,6 1957 1752 14,9 1958 1462 16,2 1959 1228 11,5 1960 1427 12,4 1961 1261 11,2 1962 1357 11,9 1963 835 7,8 1964 1128 7,5 1965 1400 12,5 1966 1390 13,6

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1. Transforme os dados de vazões média anuais de m3_{/s para mm. (Divida o}

valor da vazão pela área da bacia e multiplique pelo número de segundos de um ano).

2. Calcule os valores médios das vazões e precipitações do período em estudo.

3. Divida cada valor de vazão pela média do período. Divida cada valor de precipitação pela média do período. Faça um gráfico dessas frações de vazão e precipitação em função do tempo.

4. Calcule a evapotranspiração média anual da bacia.

5. Faça um gráfico mostrando a relação entre vazões e precipitações anuais. Gráfico Q x P anuais:

Regressão linear (equação): Q = a . _{P + b; (lembrando que Y = a} . _{X + b).}

Correlação (R2_):

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6. Calcule os valores dos armazenamentos anuais, admitindo que as evaporações anuais sejam constantes e iguais à média obtida no item 4.

7. Faça um gráfico com a relação entre as vazões e as precipitações anuais acumuladas {(Q1,P1), (Q1+Q2,P1+P2), (Q1+Q2+Q3,P1+P2+P3) , ... }. Determine a equação da reta média.

Gráfico SomaQ x SomaP anuais:

Regressão linear (equação): SomaQ = a . _{SomaP + b}

Correlação (R2_):

8. Acumule os valores de precipitações anuais dos 5 anos seguintes ao final da série analisada à somatória do item 7. Calcule as vazões acumuladas a partir da equação de regressão calculada no item 7. Desacumule os valores para obter as vazões anuais desses 5 anos. Compare com os valores observados nos 5 anos seguintes contidos na Tabela a seguir.

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Valores de vazão e precipitação observados nos 5 anos seguintes:

Data Precipitação (mm) Vazão (m3_/s)

1967 1278 13,1

1968 1028 9,0

1969 1210 8,5

1970 1548 13,3

1971 1370 9,3