Aula 2 - Climatologia e Hidrologia - Ciclo Hidrológico e Balanço Hidrico_2020_2

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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.brBelém/2020
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
X – PREVISÃO DE ENCHENTES (Hidrologia Estatística para máximos)
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.
6. Apresentar o exemplo da Bacia do Guarapiranga – SP.
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.
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?
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?
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.
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
vazão → Década de 1950.
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.
VÍDEO AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS
https://youtu.be/C1FbYQsEKtU?list=PLdDOTUuIn
CuzxZZHYiB_a0-4o_mnCZQPO
Videos/The Water Cycle - ANA - Brazil.mp4
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.
O processo de 
transferência da 
água do mar para 
os continentes e a 
sua volta aos 
mares é conhecido 
por ciclo 
hidrológico
VISÃO CLÁSSICA
VISÃO INFANTIL
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
VISÃO DE ENGENHARIA
PrecipitaçãoPerda 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
(Puri, 2002; ANA, 2010) 
VISÃO SISTÊMICA DO CICLO HIDROLÓGICO
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.
FLUXOS GLOBAIS DE ÁGUA
1012 m3/ano %
Precipitação
Continente 99 23,4
Oceano 324 76,6
Evaporação
Continente 62 14,7
Oceano 361 85,3
Fluxo = Precipitação - Evaporação
Superfície Terrestre = POSITIVO
Oceanos = NEGATIVO
saldo
Vazões 
dos rios
oceano
9962
32437
37
Superfície 
terrestre
Atmosfera
Unidades: 1012 m3/ano
361
DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NA NATUREZA
FLUXOS E RESERVAS GLOBAIS DE ÁGUA
96,564
%
1,73%
1,689%
0,013%
0,001%
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?
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
PRODUÇÃO HÍDRICA DE SUPERFÍCIE MUNDIAL
DISTRIBUIÇÃO DO USO NO BRASIL POR
REGIÕES
Região
Vazão 
Urbana 
(km3/ano)
Irrigação 
(km3/ano)
Vazão 
Industrial 
(km3/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
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
DISPONIBILIDADE HÍDRICA SOCIAL
Para os Estados do Brasil e 
RMSP
Disponibilidade hídrica social 
na RMSP  170 m3 / hab.ano
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) (m
3
/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 Escassezcrônica de água
5 DEA < 500 Além do limite de disponibilidade
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).
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
)
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?
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.
BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA
BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜
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?
DS = P E Q- -
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 km
2
)
 Vazão/ 
Vazão Med.
 Precipitação/ 
Prec. Med.
 Precipitação 
(mm) 
 Vazão 
(mm)
 Precipitação 
Acumulada
 Vazão 
Acumulada
BACIA DO GUARAPIRANGA
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
P
re
c
ip
it
a
ç
ã
o
 T
o
ta
l 
o
u
 V
a
z
ã
o
 m
é
d
ia
 (
m
m
)
Ano
Precipitação (mm) Vazão (mm)
COMPORTAMENTO VAZÃO X CHUVA 
(Adimensional)
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
193519361937193819391940194119421943194419451946194719481949
P
re
c
ip
it
a
ç
ã
o
 e
 V
a
z
ã
o
 A
d
im
e
n
s
io
n
a
l
Anos
P/Pm Q/Qm
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
a
z
ã
o
 (
m
m
)
Precipitação (mm)
CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA
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
a
z
ã
o
 A
c
u
m
u
la
d
a
 (
m
m
)
Precipitação Acumulada (mm)
EU QUE SEI PREVER A TRAJETÓRIA DOS ASTROS,
NADA SEI DIZER SOBRE O MOVIMENTO DE UMA 
PEQUENA GOTA DE ÁGUA
GALILEO GALILEI
BIBLIOGRAFIA
Lição de casa:
Ler apostila “Introdução à Hidrologia, Ciclo
Hidrológico e Balanço Hídrico” presente na
apostila completa disponibilizada no SIGAA
Boa tarde!
AULA DE EXERCÍCIOS
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?
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.
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
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):
Exercício Avançado para Casa
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.
Exercício Avançado para Casa
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
Exercício Avançado para Casa