01 Hidrologia Geral

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HIDROLOGIA GERAL 
 
NOTAS DE AULA 
 
 
 
 
Prof. Paulo Renato Barbosa 
 
Universidade Federal do Rio de Janeiro 
Escola Politécnica 
Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente 
 
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HIDROLOGIA 
 
BIBLIOGRAFIA: 
1. Hidrologia (Ciência e Aplicação). Ed. ABRH/USP. Organizador: Carlos Eduardo Morecci Tucci. 
2. Hidrologia Aplicada – Ed. McGraw Hill – Swami M. Villela & Arthur Mattos 
3. Hidrologia Básica – Ed. Edgard Blücher Ltda. - Nelson de Souza Pinto. 
 
INTRODUÇÃO 
 
O MEIO AMBIENTE E OS RECURSOS NATURAIS 
 
A água é um mineral líquido formado por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O). Devido à 
sua capacidade de solubilização de gases e de erosão dos continentes, a água não se encontra pura na 
natureza, e sim como uma dissolução aquosa de sais e matéria orgânica. 
 
“O ser humano é constituído de aproximadamente 63% de água e necessita de aproximadamente 2 litros 
de água por dia para sobreviver”. 
 
O APARECIMENTO DA “URBE” 
 
Os primeiros grupos humanos sobre a Terra eram nômades e viviam da coleta. Como desenvolvimento 
das tecnologias de caça, vestuário e abrigo, o número de indivíduos que atingia a idade adulta aumentava 
e assim, a população. O modo de vida nômade não mais atendia às necessidades do grupo e foi necessário 
estabelecer agrupamentos em áreas que fornecessem condições de vida, água abundante e terras férteis, 
para agricultura e pecuária. 
 
 
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UM POUCO DE HISTÓRIA 
 
Apesar de não possuírem o conhecimento teórico dos fenômenos hidráulicos, os povos antigos realizaram 
notáveis obras de engenharia. 
 
• 4000 AC ⎯ Barragens no Rio Nilo; 
• 3000 AC ⎯ Canais de Irrigação na Mesopotâmia; 
• 2000 AC ⎯ Aquedutos e Canais (Roma, Grécia, China); Defesas contra enchentes. 
 
 
 
 
 
 
 
A CRONOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO DA TEORIA HIDROLÓGICA. 
 
Século XV; 
• Leonardo da Vinci ⎯ explicou a salinidade dos mares pela ação das águas continentais que ao se 
infiltrarem e escoarem carregavam os sais para os mares; 
 
Século XVII; 
• Abade Perrault ⎯ mediu durante três anos a precipitação na bacia do Rio Sena. Medindo o 
escoamento superficial e conhecendo a área de drenagem, demonstrou que a precipitação era suficiente 
para suprir a vazão do rio; 
 
• Mariotte ⎯ mediu a velocidade da vazão do rio e com as medidas da seção transversal do rio 
conseguiu medir a descarga do rio; 
 
• Halley ⎯ mediu a taxa de evaporação do mar Mediterrâneo e demonstrou que a quantidade evaporada 
seria suficiente para garantir a vazão dos rios que desembocavam na região 
 
 
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Século XVIII; 
 
• Bernoulli ⎯ piezômetro 
• Pitot ⎯ tubo de Pitot 
• Chézy ⎯ fórmula ( iRCV H= ) 
 
Século XIX; 
 
• Hidrologia Experimental; A experiência da Califórnia. 
 
Século XX; 
 
• 1a metade: Hidrologia Experimental Teórica (EUA); foram construídos canais, barragens, sistema de 
irrigação e proteção contra enchentes. 
• 2a metade: Hidrologia Estocástica; o acesso mais fácil aos computadores digitais permitiam o 
desenvolvimento de vários métodos estatísticos de manipulação de dados temporais. 
 
 
 
 
 
“Se tens de lidar com água, consulta primeiro a experiência e, depois a razão”. 
Leonardo da Vinci 
 
 
 
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O AQUECIMENTO DESIGUAL DA SUPERFÍCIE DA TERRA 
 
 
 
 O SOL A TERRA 
 
Ao transladar ao redor do Sol com órbita elíptica a Terra se aproxima (periélio) e se afasta (afélio) do Sol. 
Sua trajetória de translação atravessa o plano de translação do Sol (eclíptica), formado por seu 
deslocamento no espaço em direção a estrela Vega, da constelação da Lira. 
 
Este plano forma com um plano imaginário passando pelo Equador da Terra um ângulo ora mais, ora 
menos 23o 27’, conforme a posição da Terra em seu próprio movimento de translação. 
 
São assim definidos quatro pontos notáveis em sua órbita de translação. Esses pontos são dois solstícios 
e dois equinócios, pontos que definem o início e o fim das estações do ano. 
 
 
 
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♦ Equinócio de outono no hemisfério sul. A linha que separa a zona iluminada da escura passa 
exatamente pelos pólos. O dia e a noite duram 12 horas em toda a Terra. Ocorre a 21 de março. 
♦ Solstício de inverno no hemisfério sul (21 de junho). Neste caso, onde é inverno, temos a noite mais 
longa do ano. 
♦ Equinócio de primavera no hemisfério sul, ocorre em 23 de setembro. 
♦ Solstício de verão no hemisfério sul (21 de dezembro). Neste caso, temos a noite mais curta do ano. 
 
Em seu movimento de rotação ao redor de seu eixo (reta imaginária que atravessa os pólos), no sentido de 
oeste para leste, a Terra oferece sempre apenas um hemisfério à radiação eletromagnética do Sol. 
 
A forma "quasi" esférica da Terra, a inclinação do seu eixo de rotação em relação eclíptica e a órbita 
descrita pelo seu movimento de translação ao redor do Sol, são os principais responsáveis pelas 
diferenças de temperatura entre o equador e os pólos, pela existência das quatro estações do ano e 
conseqüentemente pela existência de variados climas na superfície do globo terrestre. 
 
 
 
 
 
♦ Afélio – ponto de máximo afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor 
do Sol. 
♦ Periélio – ponto de menor afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor do 
Sol. 
 
 
Além dessas variações ao longo do ano na recepção de radiação eletromagnética do Sol, devido à 
distância e ponto de incidência, a radiação solar atravessa a atmosfera e pode encontrar, ao chegar na 
superfície, oceano ou solo. No solo, a topografia do planeta está longe de ser homogênea e os tipos de 
solo da superfície são muito diferentes. 
 
Enfim, toda essa variedade faz com que a capacidade de retenção e reflexão de radiação, dos diferentes 
pontos da superfície do planeta seja extremamente variável. Essa variabilidade leva à temperaturas 
também extremamente variáveis. 
 
 
 
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ALGUNS TIPOS DE SUPERFÍCIE DA TERRA 
 
OCEANOS FLORESTAS 
DESERTOS SAVANAS 
TUNDRA MONTANHAS 
 
 
Essas diferentes temperaturas, que variam ao longo do dia, provocam diferentes pressões e daí, resulta o 
vento. É o vento, que aliado à evaporação provocada pela temperatura, que faz circular o vapor d’água 
pela atmosfera. 
 
 
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A UMIDADE 
 
Evaporação – É quando moléculas de vapor de água vão para o ar aumentando a umidade do ar. O 
aumento da temperatura aumenta a entropia e, conseqüentemente, o número de choques entre as 
partículas. Assim, as moléculas trocam mais quantidade de movimento e, eventualmente, uma molécula 
supera a película formada pela tensão superficial e é lançada na atmosfera. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Atmos – vapor. 
Sfera – esfera. 
 
 
 
 
CAMADAS DA ATMOSFERA 
 
A atmosfera é constituída de cinco camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. 
O ar se torna mais rarefeito quanto mais a gente sobe, e é por isso que os alpinistas normalmente levam 
oxigênio com eles quando escalam altas montanhas. A troposfera é a única camada em que os seres vivos 
podem respirar normalmente. 
Troposfera - As condições climáticas acontecem na camada inferior da atmosfera, chamada troposfera. 
Essa camada se estende até 20 km do solo, no equador, e a aproximadamente 10 km nos pólos. 
Estratosfera - A estratosfera chega a 50 km do solo. A temperatura vai de 60ºC negativos na base ao 
ponto de congelamento na parte de cima. A estratosfera contém ozônio, um gás que absorve os 
prejudiciais raios ultravioletas do Sol. Hoje, a poluição está ocasionando "buracos" na camada de ozônio. 
Mesosfera - O topo da mesosfera fica a 80 km do solo. É muito fria, com temperaturas abaixo de 100ºC 
negativos. A parte inferioré mais quente porque absorve calor da estratosfera. 
Termosfera - O topo da termosfera fica a cerca de 450 km acima da Terra. É a camada mais quente, uma 
vez que as raras moléculas de ar absorvem a radiação do Sol. As temperaturas no topo chegam a 2.000ºC. 
Exosfera - A camada superior da atmosfera fica a mais ou menos 900 km acima da Terra. O ar é muito 
rarefeito e as moléculas de gás "escapam" constantemente para o espaço. Por isso é chamada de exosfera 
(parte externa da atmosfera). 
 
 
Ar
Mar
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De uma forma geral, os desertos e a “Rain Forests” existem, não por causa das diferenças de temperatura, 
e sim pela existência, ou não, de umidade na troposfera (camada da atmosfera mais próxima do solo). 
Na troposfera, o gradiente de pressão é hidrostático (quanto maior a altura, menor a pressão). 
 
A DISTRIBUIÇÃO DA UMIDADE NA TERRA. 
 
CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA 
 
Rotação da Terra: Aceleração de Coriolis. 
Esta aceleração provoca padrões de circulação de ar na atmosfera. Esses ventos transportam umidade. A 
quantidade de precipitação depende da altitude, localização, vegetação e relevo. (Ex.: Monções da Índia, 
El Niño) 
Durante a época das grandes navegações os portugueses, com o uso da bússola e do astrolábio eram 
capazes de identificar a latitude do ponto onde estavam, mas a dificuldade para estabelecer a longitude era 
enorme. Assim, começaram a reunir informações generalizadas sobre os locais onde navegavam. Essas 
informações incluíam a direção dos ventos e das correntes marítimas, a cor e a salinidade do mar, a 
presença de aves, algas e quaisquer outras coisas que pudessem caracterizar um local. 
Esse volume de informação levou à confecção dos altamente valiosos mapas sinóticos figurativos 
chamados de “portulanos” que davam aos capitães das naus portuguesas uma grande vantagem 
competitiva em relação aos seus adversários ingleses, holandeses, espanhóis e franceses. Os portugueses 
haviam descoberto que existe um padrão de circulação global na atmosfera terrestre. 
 
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UMIDADE ABSOLUTA 
Definição: Quantidade de vapor d’água existente por unidade de volume na atmosfera. 
 
UMIDADE RELATIVA 
Definição: É a razão entre a umidade existente no ar e a quantidade de vapor d’água necessário para 
saturá-lo. 
 
PONTO DE ORVALHO 
Definição: É a temperatura na qual ocorre a saturação de uma massa de ar quando ela é resfriada sem 
adição ou remoção de vapor d’água. 
 
NÚCLEOS HIGROSCÓPICOS 
Definição: Partículas, também chamadas de núcleos de condensação, de dimensões microscópicas, em 
suspensão na atmosfera que agregam umidade. Pólen, sais, poeira, microorganismos, maresia, nuvens são 
reservatórios de umidade. São fundamentais para formação de nuvens. 
 
 
UMIDADE RELATIVA DO AR MÉDIA NO BRASIL 
 
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FORMAÇÃO DE NUVENS. 
 
A nuvem é o resultado da condensação do vapor d’água existente na atmosfera. Os núcleos higroscópicos, 
ou de condensação, atraem as moléculas de vapor d’água condensadas e dispersas no ar, agrupando-as à 
sua volta até constituir uma diminuta gota. O mesmo processo, multiplicado milhões de vezes, origina as 
massas de umidade concentrada que chamamos de nuvens. 
 
São núcleos higroscópicos, partículas de argila, pólen, matéria orgânica, sais marinhos, cristais de gelo 
etc. 
 
TIPOS DE NUVENS: 
 
STRATUS CUMULUS-NIMBUS 
 
 
 
CIRRUS