Apostila de Hidrologia (Profa. Ticiana Studart) - Capítulo 1: Hidrologia Aplicada

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<ul><li><p> CCaappttuulloo </p><p> 11 HHiiddrroollooggiiaa AApplliiccaaddaa </p><p>. INT</p><p> No </p><p>cobert</p><p>lugar:</p><p>terres</p><p>dgua</p><p>quant</p><p>Apesa</p><p>mesm</p><p>princip</p><p>contin</p><p>RODUO HIDROLOGIA </p><p> a toa que o Planeta Terra chamado de o Planeta Azul - dois teros de sua superfcie so </p><p>os pela gua de mares e oceanos (Figura 1.1). Na realidade, existe gua em praticamente todo </p><p> sobre a superfcie terrestre, na forma de rios, lagos, mares e oceanos; sob a superfcie </p><p>tre, na forma de gua subterrnea e umidade do solo e na atmosfera, na forma de vapor </p><p>. A gua, em certos locais, pode ocorrer de forma quase ilimitada, como nos oceanos, ou em </p><p>idades praticamente nulas, como nos desertos. </p><p>Figura 1.1 Planeta Terra </p><p>r da maior parte da gua do Planeta, em qualquer momento, estar contida nos oceanos, a </p><p>a est em contnuo movimento, em um ciclo cuja fonte principal de energia o sol e cuja </p><p>al fora atuante a gravidade. A esta transferncia ininterrupta da gua do oceano para o </p><p>ente e do continente para o oceano (Figura 1.2), d-se o nome de Ciclo Hidrolgico. </p><p>Ticiana Studart e Nilson Campos </p><p>PAGE </p><p>3</p><p>. INTRODUO HIDROLOGIA </p><p>No a toa que o Planeta Terra chamado de o Planeta Azul - dois teros de sua superfcie so cobertos pela gua de mares e oceanos (Figura 1.1). Na realidade, existe gua em praticamente todo lugar: sobre a superfcie terrestre, na forma de rios, lagos, mares e oceanos; sob a superfcie terrestre, na forma de gua subterrnea e umidade do solo e na atmosfera, na forma de vapor dgua. A gua, em certos locais, pode ocorrer de forma quase ilimitada, como nos oceanos, ou em quantidades praticamente nulas, como nos desertos.</p><p>Figura 1.1 Planeta Terra</p><p>Apesar da maior parte da gua do Planeta, em qualquer momento, estar contida nos oceanos, a mesma est em contnuo movimento, em um ciclo cuja fonte principal de energia o sol e cuja principal fora atuante a gravidade. A esta transferncia ininterrupta da gua do oceano para o continente e do continente para o oceano (Figura 1.2), d-se o nome de Ciclo Hidrolgico.</p><p>OCEANOS CONTINENTE</p><p>CICLO HIDROLGICO</p><p>Figura 1.2 Transferncia da gua oceano x continente</p><p>1.1. Etimologia e definio de Hidrologia</p><p>A palavra HIDROLOGIA originada das palavras gregas HYDOR, que significa gua e LOGOS, que significa cincia. Hidrologia , pois, a cincia que estuda a gua.</p><p>Definio 1: Hidrologia a cincia que trata da gua na Terra, sua ocorrncia, circulao e distribuio, suas propriedades fsicas e qumicas, e sua reao com o meio ambiente, incluindo sua relao com as formas vivas relacionada com toda a gua da Terra, sua ocorrncia, distribuio e circulao, suas propriedades fsicas e qumicas, seu efeito sobre o meio ambiente e sobre todas as formas da vida. (Definio proposta pelo US Federal Council for Sciences and Technology (Chow, 1959)).</p><p>Por ser muito ampla, difcil pensar numa cincia que no esteja includa nesta definio. A Botnica, ao estudar o transporte de gua atravs dos vegetais ou a Medicina, ao estudar a gua no corpo humano, fariam parte da Hidrologia. Na prtica, a definio de Hidrologia :</p><p>Definio 2: A Hidrologia estuda as fases do ciclo hidrolgico, descrevendo seu passado, tentando prever seu futuro.</p><p>2. CICLO HIDROLGICO</p><p>A gua diferencia-se dos demais recursos naturais pela notvel propriedade de renovar-se continuamente, graas ao ciclo hidrolgico. Embora o movimento cclico da gua no tenha princpio nem fim, costuma-se iniciar seu estudo descritivo pela evaporao da gua dos oceanos, seguida de sua precipitao sobre a superfcie que, coletada pelos cursos d gua, retorna ao local de partida.</p><p>A descrio acima simplifica sobremaneira o processo que realmente ocorre (Figura 1.3), uma vez que no esto computadas as eventuais interrupes que podem ocorrer em vrios estgios (Ex. precipitao sobre o oceano) e a ntima dependncia das intensidade e freqncia do ciclo hidrolgico com a geografia e o clima local.</p><p>Figura 1.3 Ciclo Hidrolgico. (Fonte: Dnaee)</p><p>Alguns tpicos podem ser destacados:</p><p>1. O sol constitui-se na fonte de energia para a realizao do ciclo. O calor por ele liberado atua sobre a superfcie dos oceanos, rios e lagos estimulando a converso da gua do estado lquido para gasoso.</p><p>2. A ascenso do vapor d gua conduz formao de nuvens, que podem se deslocar, sob a ao do vento, para regies continentais.</p><p>3. Sob condies favorveis a gua condensada nas nuvens precipita (sob forma de neve, granizo ou chuva)(1) podendo ser dispersada de vrias formas:</p><p> Reteno temporria ao solo prximo de onde caiu;</p><p> Escoamento sobre a superfcie do solo ou atravs do solo para os rios;</p><p> Penetrao no solo profundo.</p><p>4. Atingindo os veios d gua, a gua prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo.</p><p>5. As depresses superficiais porventura existentes retm a gua precipitada temporariamente. Essa gua poder retornar para compor fases seguintes do ciclo pela evaporao e transpirao da plantas.</p><p>6. Os escoamentos superficial e subterrneo decorrem da ao da gravidade, podendo parte desta gua ser evaporada ou infiltrada antes de atingir o curso d gua.</p><p>7. Atingindo os veios dgua, a gua prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo.</p><p>8. A evaporao acompanha o ciclo hidrolgico em quase todas as suas fases, seja durante a precipitao, seja durante o escoamento superficial.</p><p>Dotado de certa aleatoriedade temporal e espacial, o ciclo hidrolgico configura processos bem mais complexos que os acima descritos. Uma vez que as etapas precedentes precipitao esto dentro do escopo da meteorologia, compete ao hidrlogo conhecer principalmente as fases do ciclo que se processam sobre a superfcie terrestre, quais sejam, precipitao, evaporao e transpirao, escoamento superficial e escoamento subterrneo.</p><p>3. UM POUCO DA HISTRIA DA HIDROLOGIA </p><p>Os mais antigos trabalhos de drenagem e irrigao em larga escala so atribudos ao Fara Mens, fundador da primeira dinastia egpcia, que barrou o rio Nilo prximo a Mnphis, com uma barragem de 15m e extenso de aproximadamente 500 metros, para alimentar o canal de irrigao.</p><p>Tambm no Egito encontram-se os primeiros registros sistemticos de nveis de enchentes. Estes registros datam de 3.500 a.C. e indicavam aos agricultores a poca oportuna de romper os diques para inundar e fertilizar as terras agricultveis. Nota-se que, aos egpcios, pouco importava o estudo da Hidrologia como cincia e sim. A sua utilizao. </p><p>Muitos conceitos errneos e falhas de compreenso atravessaram o desenvolvimento da engenharia no seu sentido atual. Os gregos foram os primeiros filsofos que estudaram seriamente a Hidrologia, com Aristteles sugerindo que os rios eram alimentados pelas chuvas. Sua maior dificuldade eram explicar a origem da gua subterrnea. Somente na poca de Leonardo da Vinci (por volta de 1.500 d.C)a idia da alimentao dos rios pela precipitao comeou a ser aceita. No entanto, foi apenas no ano de 1694 que Perrault, atravs de medidas pluviomtricas na bacia do rio Sena, demonstrou, quantitativamente, que o volume precipitado ao longo do ano era suficiente para manter o volume escoado.</p><p>O astrnomo ingls Halley, em 1693, provou que a evaporao da gua do mar era suficiente para responder por todas as nascentes e fluxos dgua. Mariotte, 1em 1686, mediu a velocidade do rio Sena. Estes primeiros conhecimentos de Hidrologia permitiram inmros avanos no Sculo XVIII, incluindo o teorema de Bernoulli, o Tubo Pitot e a Frmula de Chzy, que formam a base da Hidrulica e da Mecnica dos Fluidos.</p><p>Durante o Sculo XIX, foram feitos significantes avanos na teoria da gua subterrnea, incluindo a Lei de Darcy. No que se refere Hidrologia de guas superficiais, muitas frmulas e instrumentos de medio foram criados.</p><p>Chow (1954) chamou o perodo compreendido entre 1900 e 1930 ficou conhecido como o Perodo do Empirismo. O perodo de 1930 a 1950 seria o Perodo da Racionalizao. Datam desta poca o Hidrograma Unitrio de Sherman (1932) e a Teoria da Infiltrao de Horton (1933). Entre 1940 a 1950 foram feitos significantes avanos no entendimento do processo de evaporao. Em 1958, Gumbel llana as bases da moderna hidrologia estocstica. A partir da dcada de 70, a Hidrologia passa a contar com o avanos computacionais, o que levaram ao desenvolvimento de muitos modelos de simulao</p><p>4. DISPONIBILIDADES HDRICAS MUNDIAIS </p><p>Segundo Lvovich (apud Raudikivi, 1979), a ordem de grandeza e a distribuio das disponibilidades hdricas no mundo so as mostradas na Tabela 1.1.</p><p>Tabela 1.1 Distribuio das disponibilidades hdricas no mundo</p><p>Fonte</p><p>Superfcie </p><p>(106 Km2)</p><p>Volume </p><p>(106 Km2)</p><p>% do Volume Total</p><p>Oceanos</p><p>360</p><p>1.370.323</p><p>93,93</p><p>guas Subterrneas</p><p>-</p><p>64.000</p><p>4,39</p><p>Geleiras e Neve Perptua</p><p>16</p><p>24.000</p><p>1,65</p><p>Lagos</p><p>-</p><p>230</p><p>0,016</p><p>Umidade do Solo</p><p>-</p><p>75</p><p>0,005</p><p>gua na Atmosfera</p><p>510</p><p>14</p><p>0,001</p><p>Rios</p><p>1,2</p><p>0,0001</p><p>Total</p><p>1.458.643</p><p>100</p><p>Fonte: Raudikivi (1979)</p><p>Deste total, cerca de 94% de gua salgada e apenas 6%, de gua doce. Desconsiderando a quantidade de gua doce sob forma de geleiras, guas subterrneas e umidade atmosfrica, nfimos 0,0161% do total da gua do Planeta esto disponveis em rios e lagos (Figura 1.4), os quais no se encontram eqitativamente distribudos sobre todo o Planeta. </p><p>Figura 1.4 gua doce disponvel em lagos e rios</p><p>Para se dar uma pequena idia da m distribuio espacial da gua, cita-se o exemplo do Brasil, que possui cerca de 12% das reservas hdricas superficiais do mundo, mas com aproximadamente 65% destes recursos concentrados na Amaznia.</p><p>Questes a se pensar:</p><p>1. Por que se preocupar com as vrias fases do ciclo hidrolgico?</p><p>2. Se o estudo da Hidrologia no era importante h 30-40 anos atrs, por que o deveria ser hoje? </p><p>3. Se essa quantidade de gua doce nunca foi motivo de grandes preocupaes, por que o seria agora?</p><p>5. A gua e o desenvolvimento</p><p>A gua sempre desempenhou um papel fundamental na histria da humanidade. O surgimentodas cidades sempre se deu ao longo os rios. Entretanto, no se tinha a percepo da importncia da gua como hoje, uma vez que sua qualidade e quantidade eram adequadas s necessidades da poca abastecimento, diluio de dejetos, pesca, gerao de energia, entre outros. Como as fontes hdricas no eram desenvolvidas no limite de sua possibilidades, havia pouco interesse em se obter dados e conhecimento a respeito de suas capacidades mximas, e assim a Hidrologia, como cincia, pouco se desenvolveu.</p><p>Hoje, o cenrio outro. Segundo a Organizao das Naes Unidas (ONU), o consumo mundial de gua doce dobrou nos ltimos 50 anos e corresponde, atualmente, metade de todos os recursos hdricos acessveis. Explorar tais recursos foi o motor do desenvolvimento econmico de muitos pases, sobretudo na agricultura, abastecimento humano e animal, gerao de energia, indstria e transporte. Porm a competio por gua entre tais setores vem degradando as fontes naturais, das quais o mundo depende. O ciclo natural da gua tem sido interrompido ou alterado em regies muito artificializadas, como as megacidades.</p><p> consenso geral que a gesto das guas uma necessidade. E assim, a Hidrologia ressurge, hoje, como ferramenta indispensvel para tal fim, uma vez a cincia que trata do entendimento dos processos naturais que do base aos projetos de suprimento de gua. S ela pode avaliar como e quanto o ciclo hidrolgico pode ser modificado pelas atividades humanas.</p><p>No passado, j existiam estes sinais de desconhecimento da Hidrologia, mas os mesmos s afetavam pequenas parcelas da populao e tinham pouca divulgao. Isto tem mudado significativamente nos ltimos 30 anos. Hoje j se tem o entendimento que a prosperidade e a sobrevivncia da humanidade funo da disponibilidade de gua doce e potvel e que, a cada ano nascem mais alguns milhes de consumidores e no criada, sequer, uma gota dgua a mais no Planeta.</p><p>Os mltiplos usos e usurios disputando um mesmo litro de gua e a perspectiva de demandas ainda maiores no futuro indicam que mais e mais profissionais e no somente o engenheiro necessitam ter conhecimentos de Hidrologia. Somente assim os tomadores de deciso podero avaliar as vantagens e desvantagens de cada alterao proposta no ciclo hidrolgico.</p><p>Exemplos da falta de conhecimentos de Hidrologia na sociedade moderna:</p><p>1. Construo nas plancies aluviais de rios</p><p>2. Reservatrios superdimensionados </p><p>3. Problemas de drenagem urbana</p><p>4. Construo e reservatrios pouco profundos em regies com altas taxas de evaporao5. Perfurao de poos secos em regies cristalinas </p><p>6. Problemas de salinizao de solos em projetos de irrigao em regies ridas e semi-ridas</p><p>Exemplo concreto 1: o Aude Cedro Ce</p><p> O Aude Cedro foi construdo em 1906, no municpio de Quixad, Cear. Exemplo clssico de falta de conhecimento hidrolgico, o reservatrio foi superdimensionado, construdo com capacidade de acumulao equivalente a seis vezes seu volume afluente anual. Tendo sangrado pouqussimas vezes desde sua construo, a Figura 1.5 mostra uma das ocasies em que esvaziou totalmente, em 2001.</p><p>Figura 1.5 - Aude Cedro Ce (vazio em novembro de 2001)</p><p>Exemplo concreto 2: Inundao em Fortaleza, Ce</p><p>A Figura 1.6 mostra um problema de drenagem urbana caractersticos das grandes cidades, no caso, Fortaleza, Ce. </p><p>Figura 1.6--Enchente em Fortaleza, Ce em 1997</p><p>6. APLICAES DA HIDROLOGIA ENGENHARIA </p><p>A Hidrologia no uma cincia pura, uma vez que o objeto de estudo usualmente dirigido para aplicaes prticas, sendo assim, o termo Hidrologia Aplicada freqentemente utilizado. Eis algumas das aplicaes da hidrologia:</p><p> Escolha de fontes de abastecimento de gua</p><p> Subterrnea - locao do poo e capacidade de bombeamento</p><p> Superficial locao da barragem, estimativa da vazo afluente e da vazo a ser regularizada, dimensionamento do reservatrio e do sangradouro</p><p> Drenagem urbana dimensionamento de bueiros</p><p> Drenagem de rodovias dimensionamento de pontes e pontilhes</p><p> Irrigao fonte de abastecimento, estimativa da evapotranspirao da cultura</p><p> Controle de enchentes dragagem do leito do rio, construo de reservatrios de controle de cheias </p><p>Exemplo concreto 1: cheias e secas no rio Capibaribe</p><p>A Bacia do rio Capibaribe, Pernambuco, tem sua histria intimamente ligada a episdios de cheias catastrficas, notadamente na Regio Metropolitana de Recife. Entretanto, nos ltimos anos, a cidade vem sendo atingida por uma grave crise no abastecimento dgua, sendo obrigatrio o uso extensivo de carros-pipa. Os quatro maiores audes da bacia Jucazinho, Carpina, Goit e Tapacur, representam cerca de 91% do total acumulado nos audes mais importantes da bacia e so utilizados tanto para controle de cheias como para o abastecimento. A operao de reservatrios com mltiplas finalidades feita tradicionalmente com a diviso do volume total armazenvel em zonas para o atendimento de seus diferentes objetivos. Na prtica, a diviso consiste em se alocar volumes de reserva para as respectivas finalidades. Objetivos diametralmente conflitantes, como controle de cheias que requer que a parte do volume destinada a este fim permanea seca para que a cheia possa assim ser contida e conservao que precisa que a gua seja efetivamente armazenada para usos futuros em irrigao e abastecimento...</p></li></ul>

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