CC54Z - Hidrologia

Definições, aspectos gerais

e o ciclo hidrológico

Prof. Fernando Andrade

Curitiba, 2014

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Objetivos da aula

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• Definir hidrologia e engenharia hidrológica

• Demonstrar a importância e as aplicações da

hidrologia

• Apresentar os usos da água e a

disponibilidade hídrica no Brasil e no mundo

• Analisar casos atuais que envolvem

conhecimentos da hidrologia

• Apresentar os conceitos de ciclo hidrológico e

de balanço hídrico de bacias hidrográficas

Definições e aspectos gerais da hidrologia

Definição de hidrologia

• A hidrologia é a ciência que trata da água da Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com os seres vivos [1]

• Outras ciências também estudam o comportamento da água em diferentes fases, como a meteorologia e a oceanografia. A diferença fundamental é que a hidrologia estuda os processos do ciclo da água em contato com os continentes

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Engenharia hidrológica

• A engenharia hidrológica se baseia em

observações dos fenômenos hidrológicos da

natureza (medições das variáveis

hidrológicas) e usa métodos determinísticos e

estocásticos para análise e previsão

• Cada vez mais a engenharia hidrológica tem

se aproximado de ciências ambientais como

a limnologia e a ecologia, de modo a permitir

o enfoque integrado dos aspectos de

quantidade e de qualidade da água

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Engenharia hidrológica

• A engenharia hidrológica é parte

componente da engenharia de recursos

hídricos, em que os aspectos econômicos,

sociais e ambientais são contemplados

nos estudos que consideram múltiplos

objetivos

• A integração da engenharia hidrologia com

outras ciências está sujeita à constituição

de equipes multidisciplinares

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Importância/aplicações

da hidrologia

• Dimensionamento de obras hidráulicas

• Aproveitamento dos recursos hídricos

• Controle e previsões de inundações

• Controle e previsão de secas

• Controle da poluição das águas e da

qualidade ambiental

• Manutenção dos ecossistemas em rios,

lagos e estuários

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Perguntas típicas

• Qual é a disponibilidade de água de um rio e como ela poderá variar entre estações e de um ano a outro?

• Qual é a vazão máxima provável em um local proposto para uma barragem?

• Qual é a relação entre a quantidade de água superficial e a água subterrânea?

• Qual é o volume de um reservatório necessário para garantir uma determinada vazão a jusante ?

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Perguntas típicas

• Qual é o tamanho adequado de um reservatório de armazenamento para limitar as inundações a jusante a um nível pré-estabelecido?

• Qual é a vazão mínima de um rio que é igualada ou superada 90% do tempo?

• Qual deve ser a capacidade de um canal ou de um bueiro para evitar inundações em determinadas áreas ?

• Qual é vazão necessária para manter uma determinada espécie ou um ecossistema em um rio ou reservatório?

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Recursos hídricos

• O elemento fundamental na hidrologia é a

água, um mineral presente na natureza

nos estados sólido, líquido e gasoso

• As propriedades físicas e químicas da

água e as condições ambientais permitem

que haja uma renovação no ciclo

hidrológico

• No entanto, os recursos hídricos são

escassos 10

Recursos hídricos

11

Fonte: ANA [2]

Disponibilidade hídrica

12

Disponibilidade hídrica no Brasil

(m3hab-1ano-1)

1950 105.000

2000 28.200 Fonte: ANA [2]

Usos múltiplos da água

• Usos consuntivos: alteram

significativamente a quantidade e/ou

qualidade de água disponível para outros

usuários na região de consumo

• Usos não-consuntivos: alteram pouco a

quantidade e/ou qualidade da água

disponível para outros usuários depois da

retirada dos mananciais

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Usos múltiplos da água

• Abastecimento humano (c.)

• Abastecimento industrial (c.)

• Crescimento de culturas agrícolas (c.)

• Geração de energia elétrica

• Navegação

• Recreação e lazer

• Assimilação e transporte de poluentes

• Preservação de ecossistemas

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Uso consuntivo da água

15 Variação da demanda consuntiva do uso da água no Brasil [2]

Escassez da Água

• É possível verficar concentração de populações humanas, de indústrias, de atividades agrícolas e sócio-econômicas fazendo uso excessivo da capacidade hídrica das bacias, de regiões hidrográficas e dos aqüíferos subterrâneos

• Sob essas condições, a água passa a ser escassa, o que leva à geração de conflitos entre seus diversos tipos de usos e usuários

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Escassez da Água

• Um aspecto fundamental da escassez de

água é o desequilíbrio provocado por eventos

hidrológicos extremos, tais como as secas

• A poluição e a contaminação da água

também contribuem para sua escassez

• Em suma, a escassez da água está fazendo

com que ela não seja mais um bem livre,

abundante e disponível a todos, mas um

recurso parco, cuja utilização deve ser objeto

de gestão 17

Temas atuais:

abastecimento da RMSP

• O Sistema Cantareira é responsável pela transposição das águas dos afluentes das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) para a Bacia do Alto Tietê

• 76 municípios na bacia PCJ dependem do sistema (cerca de 5 milhões de pessoas) e a RMSP (8,8 milhões de pessoas)

• Pergunta: qual a vazão máxima de retirada da bacia PCJ para garantir o abastecimento adequado de todos os municípios

18

Sistema Cantareira

19

Fonte: SABESP [3,4]

Sistema Cantareira

20 Fonte: SABESP [3]

Sistema Cantareira

21 Fonte: SABESP [3]

Outros temas atuais

• Aumento das taxas cobradas em alguns

estados brasileiros pelo consumo de

energia elétrica, devido aos baixos níveis

dos reservatórios das hidroelétricas e a

necessidade de funcionamento das

termoelétricas

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O ciclo hidrológico e o balanço hídrico

Ciclo hidrológico

• O ciclo hidrológico é um fenômeno global da circulação da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar, associada a gravidade e a rotação da Terra

• É possível pelas propriedades físicas da água. A água também sofre alterações de qualidade ao longo das diferentes fases do ciclo hidrológico

• O ciclo hidrológico é fechado se considerado em escala global. Em escala regional podem existir alguns sub-ciclos

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Ciclo hidrológico

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Principais processos do

ciclo hidrológico

• Precipitação: vapor de água condensado que cai sobre a superfície terrestre

• Infiltração: fluxo de água da superfície que se infiltra no solo

• Escoamento superficial e subterrâneo: movimento das águas sobre/sob a superfície terrestre

• Evaporação: transformação da água no seu estado líquido para o estado gasoso à medida que se desloca da superfície para a atmosfera

• Transpiração: forma como a água existente nos organismos passa para a atmosfera

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Ciclo hidrológico

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Balanço hídrico

• O balanço das 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 (evaporação +

transpiração) e por escoamento superficial

e/ou subterrâneo

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Balanço hídrico de uma

bacia hidrográfica

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Balanço hídrico

DS=P-Q-E

• DS é a variação do volume armazenado no solo por unidade de tempo (i.e., m3/s)

• P é a precipitação (i.e., m3/s)

• Q é o escoamento superficial + subterrâneo (i.e., m3/s)

• E é evapotranspiração (i.e., m3/s)

• Em intervalos de tempo longos, DS0

P=Q+E

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Conversão de unidades

• A precipitação P é dada em altura de

lâmina d’água em mm que corresponde ao

volume de chuva V distribuído em uma

lâmina uniforme sobre uma área A

V=[P(mm)*10-3]*[A(km2)*106]=m3

• A vazão é o volume por unidade de tempo

Q=V/t

em m3/s, m3/dia, m3/ano 31

Correlação chuva-vazão

• A equação do balanço hídrico nos mostra que é possível obter uma correlação entre dados de chuva e vazão

• Frequentemente os dados de chuva-vazão são correlacionados usando unidades idênticas (i.e., m3/s, mm)

• Dados adimensionais (i.e., normalizados pelas médias) podem ser correlacionados

• Dados acumulados no tempo podem ser correlacionados 32

Comparação de séries

temporais chuva-vazão

33

m3/a

no

ou

mm

/an

o

Tempo (anos)

chuva

vazão

Correlação dos dados

chuva-vazão

34

pre

cip

itação

an

ual (m

m)

vazão anual (mm)

equação da curva ajustada R2

Exemplos

1. Qual seria a vazão de saída em m3/s de uma bacia impermeável, com área de 60 km2, sob uma chuva constante com intensidade de 10 mm/h?

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 a análise de série de dados diários ao longo de 30 anos revela que a vazão média 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?

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Exemplos

3. Determine a evapotranspiração média

anual de uma bacia hidrográfica com área

500 km2 e com a série de chuva-vazão

ilustrada abaixo

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Data Precipitação (mm/ano) Vazão (m3/s)

1946 1085 10.5

1947 1594 14.5

1948 1182 12.5

1949 1274 11.9

1950 1456 14.7

Referências bibliográficas

[1] United States Federal Council for Science and Technology,Comittee for Scientific Hidrology, 1962. Citado em CHOW, V.T. et al.. Applied hydrology. Editora McGraw Hill, 1988.

[2] ANA – AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS.. Conjuntura dos recursos hídricos do Brasil 2013. Relatório do Ministério do Meio Ambiente, 2013.

[3] http://www2.sabesp.com.br/mananciais

[4] SOLIA, M., FARIA, O. M., ARAÚJO, R.. Mananciais da região metropolitana de São Paulo. São Paulo, Sabesp, 2007