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Hidráulica Aplicada e Hidrologia Unidade 1 Fundamentos da Hidráulica e Hidrologia Diretor Executivo DAVID LIRA STEPHEN BARROS Gerente Editorial CRISTIANE SILVEIRA CESAR DE OLIVEIRA Projeto Gráfico TIAGO DA ROCHA Autoria GISELA DE SOUSA RIBEIRO COUTO RAPHAEL VINICIUS FIALHO TOMAZ AUTORIA Gisela de Sousa Ribeiro Couto Olá. Mirian BritoSou formada em Engenharia Civil, com experiência técnico-profissional na área de hidráulica e hidrologia há mais de sete anos. Também atuei como professora nessa mesma área e em saneamento na Universidade Paulista (Unip) e Centro Universitário Alves Faria (UniAlfa). Atualmente tenho me concentrado em projetos residenciais, mas amo esta área hidráulica e gosto sempre de enfatizar a importância ecológica e nossa responsabilidade nesse aspecto. Por isso, fui convidada pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo! Raphael Vinicius Fialho Tomaz Olá. Sou Mestre em Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), graduado em Engenharia Mecânica pelo Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (Unileste) e técnico em Mecânica pelo Centro de Educação Tecnológica de Minas Gerais (Cefet- MG). Por isso, fui convidado pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes. Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo! ICONOGRÁFICOS Olá. Esses ícones irão aparecer em sua trilha de aprendizagem toda vez que: OBJETIVO: para o início do desenvolvimento de uma nova compe- tência; DEFINIÇÃO: houver necessidade de se apresentar um novo conceito; NOTA: quando forem necessários obser- vações ou comple- mentações para o seu conhecimento; IMPORTANTE: as observações escritas tiveram que ser priorizadas para você; EXPLICANDO MELHOR: algo precisa ser melhor explicado ou detalhado; VOCÊ SABIA? curiosidades e indagações lúdicas sobre o tema em estudo, se forem necessárias; SAIBA MAIS: textos, referências bibliográficas e links para aprofundamen- to do seu conheci- mento; REFLITA: se houver a neces- sidade de chamar a atenção sobre algo a ser refletido ou dis- cutido sobre; ACESSE: se for preciso aces- sar um ou mais sites para fazer download, assistir vídeos, ler textos, ouvir podcast; RESUMINDO: quando for preciso se fazer um resumo acumulativo das últi- mas abordagens; ATIVIDADES: quando alguma atividade de au- toaprendizagem for aplicada; TESTANDO: quando o desen- volvimento de uma competência for concluído e questões forem explicadas; SUMÁRIO Ciclo hidrológico e descrição geral .................................................... 12 Introdução à hidrologia ............................................................................................................... 12 Ciclo hidrológico .............................................................................................................................. 13 Bacias hidrográficas ....................................................................................................................... 15 Características físicas de uma bacia hidrográfica ................................ 17 Ordem dos cursos d’água .................................................................................... 18 Sinuosidade do curso de água (Sin) ............................................................... 19 Declividade do curso d’água principal ........................................................ 20 Declividade média do relevo de uma bacia ............................................ 21 Quantificação geral das reservas hídricas em escala global ...24 Recursos hídricos no mundo ..................................................................................................24 Crise hídrica .........................................................................................................................................27 Poluição das águas ....................................................................................................................... 30 Principais processos hidrológicos ....................................................... 35 Precipitação .........................................................................................................................................35 Evaporação e evapotranspiração ........................................................................................37 Evaporação .......................................................................................................................37 Evapotranspiração ...................................................................................................... 39 Infiltração ..............................................................................................................................................42 Capacidade de infiltração e taxa de infiltração ......................................42 Velocidade de infiltração ........................................................................................43 Escoamento superficial ...........................................................................................43 Grandezas que caracterizam o escoamento superficial .................44 Elementos Gerais ........................................................................................ 47 Os usos da água ...............................................................................................................................47 Abastecimento de água .............................................................................................................47 Abastecimento industrial ....................................................................................... 48 Irrigação ............................................................................................................................. 49 Geração de energia elétrica ................................................................................ 50 Navegação fluvial ........................................................................................................ 50 Recreação .......................................................................................................................... 51 Diluição, assimilação e transporte de esgoto e resíduos líquidos ................................................................................................................................53 Preservação ....................................................................................................................54 Meio ambiente e os recursos hídricos ...........................................................................54 Monitoramento da qualidade da água .........................................................55 Medidas preventivas de preservação de recursos hídricos ........ 56 9 UNIDADE 01 Hidráulica Aplicada e Hidrologia 10 INTRODUÇÃO A Hidráulica Aplicada e Hidrologia são disciplinas importantes na engenharia. Essa primeira unidade abordará mais sobre a Hidrologia e suas características. A Hidrologia estuda a disposição da água no planeta, como ela se movimenta, sua importância em cada parte dele. Nesta unidade vamos fazer um estudo da hidrologia, sua quantificação e processos hidrológicos no ciclo hidrográfico. Esta unidade apresentará também um estudo aprofundado das águas precipitadas, como ocorre a infiltração, escoamento e evaporação. Falaremos ainda de como a população tem buscado soluções para o problema da falta de água, como a engenharia tem evoluído nessa área e quais problemas essas soluções podem ter trazido. A preocupação com a qualidade da água também será abordada, já que ter água disponível, porém em má qualidade, torna-se impossível atender as necessidades humanas. A hidrologia é requisito fundamentalpara estudos meteorológicos e hidrológicos, o que veremos mais adiante. Enfim, vem comigo nessa embarcação? Vamos em frente! Hidráulica Aplicada e Hidrologia 11 OBJETIVOS Olá. Seja muito bem-vindo à Unidade 01. Nosso objetivo é auxiliar você no desenvolvimento das seguintes competências profissionais até o término desta etapa de estudos: 1. Descrever o ciclo hidrológico e descrição geral, introdução à hidrologia. 2. Demonstrar a quantificação geral das reservas hídricas em escala global. 3. Avaliar os principais processos hidrológicos, precipitação, infiltração, escoamento e evapotranspiração. 4. Demonstrar os elementos gerais como bacias hidrográficas e suas características. Todo esse conteúdo irá te auxiliar no conhecimento referente à Hidráulica e Hidrologia. Vamos juntos explorar esse caminho de muito conhecimento que é de fundamental importância na engenharia. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 12 Ciclo hidrológico e descrição geral OBJETIVO: Ao término deste capítulo você será capaz de entender mais profundamente como funciona o ciclo hidrológico e bacia hidrográfica, sendo estes fatores fundamentais para o estudo hidrológico. E então? Motivado para desenvolver esta competência? Então vamos lá. Avante! Introdução à hidrologia Hidrologia, do grego, estudo da água, 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 a vida” (VILLELA & MATTOS, 1975, p. 1). Definição recomendada há muitos anos pelo conselho federal dos Estados Unidos e utilizada até os dias hoje. A Hidrologia aborda o comportamento da água e, com base em estudos, dados históricos e cálculos, ela também prevê o comportamento da água. É graças a ela que temos previsões meteorológicas e outros estudos hidrológicos, como o comportamento da água subterrânea, geleiras, escoamentos superficiais, precipitações e outros. Segundo Dingman (2015), hidrologia é a geociência que descreve e prevê a ocorrência e circulação de água doce da Terra, tendo como foco principal três aspectos: A distribuição e movimento da substância da água sobre e sob as superfícies terrestres do planeta, incluindo suas trocas com a atmosfera, suas interações físicas e químicas com os materiais da Terra e os processos biológicos e atividades humanas que afetam seu movimento, distribuição e qualidade. Para dar início à Hidrologia, vamos abordar primeiramente sobre o ciclo hidrológico, que você já deve ter visto na aula de ciências, porém, aqui, você verá o quão pode ser mais profundo esse estudo. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 13 Ciclo hidrológico A água na Terra é um recurso limitado e sofre várias modificações em relação à superfície terrestre. Essas mudanças denominam o ciclo hidrológico, como pode ser visto na figura 1. Figura 1 - Etapas do ciclo hidrológico Fonte: Traduzido de Dingman (2015, p. 4). As etapas desse ciclo são várias, vamos partir da evaporação. A partir do oceano, rios e lagos, as partículas que se encontram em estado líquido evaporam e são levadas pelos ventos, juntam-se na atmosfera formando as nuvens. É interessante notar que as partículas sofrem mudanças de estado físico e geográfico. As nuvens formadas se condensam e, dependendo da temperatura e de outros fatores, sofre a precipitação em estado líquido (chuva) ou sólido (neve e granizo). Da água que é precipitada, parte infiltra sob a superfície terrestre, sendo o fenômeno da infiltração, parte escoa pela superfície e parte evapora novamente. Já a água que infiltra no solo contribui para o reabastecimento do lençol freático (reserva subterrânea de água doce). Hidráulica Aplicada e Hidrologia 14 Ela fornece ainda hidratação para os vegetais e esses, através de suas folhas, promovem a transpiração. A transpiração vegetal engloba a passagem de água por todo o corpo da planta, desde sua absorção nas raízes, transporte através do xilema, movimentação até as porções superiores da parte aérea culminando com a sua evaporação na superfície das folhas através dos estômatos. Calcula-se que mais de 95% da água que uma planta absorve do solo seja perdida através deste processo, que é importante para a manutenção térmica da planta, controle de sua turgidez e pressão osmótica além de permitir que a água sirva como um meio de conduzir nutrientes minerais para todos os tecidos que compõem o vegetal. (DEXTRO, 2021, p. 24) VOCÊ SABIA? As partículas resultantes da transpiração vegetal e evaporação são em tamanhas quantidades que ao serem arrastadas acabam formando os rios aéreos! No Brasil, a floresta amazônica é a maior fonte desses rios e contribui com a umidificação de várias regiões do país (DEXTRO, 2021). Quando somado os efeitos de transpiração e evaporação, temos o que chamamos de evapotranspiração. Não somente as plantas, mas os animais também, em seu metabolismo, transpiram partículas de água na atmosfera, porém sua fonte são águas superficiais. Mais à frente veremos detalhadamente sobre esses fenômenos. A água que escoa pela superfície, ao se unir com outras, formam os veios d’água, rios, lagos e oceanos, dando continuidade ao ciclo hidrológico. Para melhor entendimento de todas as etapas do ciclo hidrológico foi elaborado um esquema, mostrado na figura 2. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 15 Figura 2 - Ciclo hidrológico por diagrama Fonte: Traduzido e adaptado de Dingman (2015). Bacias hidrográficas O conceito de bacia hidrográfica é muito importante e muito utilizado na Hidrologia. A bacia hidrográfica restringe uma área para estudo, delimitada pela topografia, onde toda precipitação que ocorrer nessa área irá convergir para um único ponto. O ponto de conversão é chamado de exutório, na figura 3 é representado pela saída da vazão (Q), os limites da bacia são chamados de divisores. Figura 3 - Bacia hidrográfica Fonte: Dingman (2015, p. 33). A figura 3 mostra uma bacia hidrográfica sendo P e ET a precipitação e evapotranspiração total na bacia, GWin, no inglês groundwater Inflow, que representa a água que entra na bacia pelo lençol freático e GWout a que sai. O divisor une os pontos de cotas máximas na bacia, cruzando um fluxo d’água somente no exutório. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 16 Observe a figura 4, o divisor representa o limite da bacia, até o divisor a água escoa para dentro da bacia, após este, a água segue para a bacia vizinha. Figura 4 - Divisores topográficos de uma bacia hidrográfica Fonte: USP (2021, p. 18).. Existem na bacia três tipos de divisores, os divisores topográficos, geológico e freático. Segundo Hartwig (2012), o divisor geológico é composto pelas formações rochosas no interior do solo, que, por serem impermeáveis acabam afetando na divisão das águas subterrâneas. Já o divisor freático, é a divisão de bacias analisando as águas subterrâneas a cada estação. O divisor topográfico é dado a partir das curvas de nível, já apresentadas anteriormente. Esses divisores nem sempre se alinham. Observe a figura a seguir. Figura 5 - Corte transversal de uma bacia Fonte: Silva (2003, p. 2). Hidráulica Aplicada e Hidrologia 17 As formações rochosas interferem também na ocorrência de cursos d’água. Segundo Villella & Mattos (1975), existem três tipos de curso d’água, o perene, o intermitente e o efêmero: • Perenes - são aqueles que contêm água durante o ano todo, mesmo em tempos de estiagem. Esses cursos são abastecidos pelo lençol freático que nunca abaixam além do leito do rio. É o caso do Rio X e Y na figura 5. Como exemplos práticos, temos o Rio Araguaia e Rio Amazonas, maiores e mais conhecidos do Brasil. • Intermitentes - são aqueles que aparecem somente em tempos de cheia, pois nessa época o nível do lençol freático está mais alto e recebem também contribuição da chuva. Em épocas de estiagem, o níveld’água abaixa secando o curso d’água. • Efêmero - são aqueles que ocorrem imediatamente após a precipitação, e transportam apenas águas superficiais, estando a água subterrânea num nível abaixo que dos cursos. A maioria dos rios grandes são perenes, enquanto que os efêmeros são geralmente pequenos. ACESSE: Caso queira se aprofundar no assunto, acesse o vídeo “Rio voltando à vida” clicando aqui. Características físicas de uma bacia hidrográfica As principais características físicas da bacia, segundo Villela & Mattos (1975), são área de drenagem e forma da bacia. Área de drenagem é a área plana da bacia (projeção horizontal), limitada por seus divisores, já a forma da bacia interfere no tempo de concentração, mostrado com mais detalhe posteriormente. As bacias grandes, geralmente apresentam formas de pera ou leque, como mostrado na figura 6, mas as pequenas variam mais. Hidráulica Aplicada e Hidrologia https://www.youtube.com/watch?v=-kqs0qPRgjk 18 Figura 6 - Formatos de bacias hidrográficas Fonte: Bargos (2019, p. 7). É possível relacionar essas formas com alguns índices, vamos abordar sobre alguns deles. • Coeficiente de compacidade Kc: ”é a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual da bacia” Villela & Mattos (1975, p. 45). kc = 0,28 * P/√A Onde: • P = perímetro da bacia (em km) • A = área (em km²). • Fator de Forma Kf: “é a relação entre a largura média e o comprimento axial da bacia”Villela & Mattos (1975). O comprimento da bacia (L) é obtido pelo maior curso de água da bacia, do ponto exutório até a cabeceira mais afastada (onde o rio tem início). Kf = A/L2 Ordem dos cursos d’água Os cursos d’água devem ser classificados para sabermos qual o grau de ramificação da bacia. Os rios de ordem um são aqueles iniciais, que não recebem contribuição de outros rios. Os de ordem dois recebem contribuição de rios de ordem um, os de ordem três é estabelecido a partir do encontro de dois cursos de ordem dois, e assim sucessivamente, observe a figura 7. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 19 Figura 7 - Classificação dos cursos segundo Strahler Fonte: Villela & Mattos (1975, p. 46). Pode ser delimitada sub-bacia a partir de um ponto definido nos rios da bacia como exutório. Por exemplo, se definirmos algum ponto nos rios de ordem três, na figura 7, teríamos duas sub-bacias de ordem três, dentro da bacia de ordem quatro. Sinuosidade do curso de água (Sin) É a relação entre o comprimento do rio principal (L) e o comprimento de um talvegue Lt, mostrado na figura 8. Talvegue é a distância em linha reta entre o início do rio principal até o exutório, e rio principal é o de maior extensão na bacia. Sin = L/Lt L = Comprimento do rio principal (km) Lt = Comprimento do talvegue (km) A sinuosidade é um fator controlador de velocidade da bacia. Quanto maior a sinuosidade, menor será a velocidade de escoamento do rio. Figura 8 - Sinuosidade do curso d’água Fonte: Hartwing (2012, p. 25) Hidráulica Aplicada e Hidrologia 20 Exemplo: A bacia hidrográfica A apresenta o comprimento do rio principal de 5 km, enquanto que seu talvegue mede 3 km. Enquanto que a bacia B apresenta um talvegue de 1 km, e o rio principal, da cabeceira até o exutório mede 3,8 km. Qual a sinuosidade de cada bacia? E qual delas apresenta a maior velocidade de escoamento? Resposta: Bacia A: Sin = L/Lt = 5/3 = 1,67 Bacia B: Sin = L/Lt = 3,8/1 = 3,8 A bacia A apresentará maior velocidade de escoamento, pois apresentou menor sinuosidade. Um exemplo real de um rio sinuoso é o rio Juruá, o mais sinuoso afluente do rio Amazonas. E um exemplo de rio não sinuoso, é o rio Mississipi dos Estados Unidos. Declividade do curso d’água principal De acordo com Hartwing (2012), a declividade também está relacionada com a velocidade de escoamento. Quanto maior a declividade maior será a velocidade. O método direto é o mais simples e considera apenas as cotas extremas do curso d’água e sua extensão. É dada por: I = ∆H/L = (Cotamaior - Cotamenor) / Lt I = declividade do curso principal; ∆H = diferença de cota entre as extremidades do rio; Lt = Extensão do talvegue. Outro método de cálculo de declividade do curso d’água é o Método de Declividade Equivalente. É o mais recomendado pelos técnicos. Esse método “leva em consideração o tempo de percurso da água ao longo da extensão do perfil longitudinal, considerando que o perfil tem declividade constante igual à uma declividade equivalente” Palaretti (2021, p. 8). Hidráulica Aplicada e Hidrologia 21 Figura 9 - Declividade equivalente Fonte: Adaptado de Palaretti (2021, p. 8). Então, calcula-se a inclinação equivalente (Ieq) da seguinte forma: Ieq = ( (ΣLt) / Σ(Li /√(Ii) ) 2 e Ii = (ΔHi) / Li Onde: Li = Comprimento horizontal de cada trecho i; Ii = Inclinação de cada trecho. ΔHi = Desnível entre as extremidades do trecho i. Declividade média do relevo de uma bacia A declividade do relevo também afeta na velocidade de escoamento, pois quanto maior for a declividade, maior será a velocidade, afetando também no tempo de concentração, que será menor, e maior será a chance de enchente. De acordo com Palaretti (2021), o método mais completo para determinar a declividade de uma bacia hidrográfica denomina-se método das quadrículas associadas a um vetor. Será necessário, então, traçar quadrículas no mapa topográfico, dependendo da escala do desenho, como exemplo temos quadrículas de 1 km x 1 km, 2 km x 2 km e assim por diante. Uma vez traçadas as quadrículas, é procedida uma amostragem estatística da declividade da área, uma vez que sempre que um lado da quadrícula interceptar uma curva de nível, é traçado perpendicularmente à esta curva, um vetor (segmento de reta) com comprimento equivalente à distância entre duas curvas de nível consecutivas. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 22 Portanto, os comprimentos desses vetores serão variáveis, em função da declividade do terreno. Feita a determinação da declividade de cada um dos vetores traçados, os dados são agrupados. (PALARETTI, 2021, p. 56) Quando os dados então são unidos, organiza-se em forma de tabela 1, como a seguinte: Tabela 1 - Dados de declividade da bacia de Ribeirão Lobo, SP, Mapa IBGE. Área de drenagem 177,25 km² Fonte: Palaretti (2021, p. 58). E a declividade média (dm) pode ser calculada da seguinte forma: dm = ∑col 6 / ∑col 2 = 2,0572 / 358 = 0,00575 m/m Ou ainda pela equação: I = D * ∑CNi / ABH I = Declividade média da bacia (m/m) D = equidistância entre as curvas de nível ABH = área da bacia (m²) CNi = comprimento total das curvas de nível em m Hidráulica Aplicada e Hidrologia 23 RESUMINDO: E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que a Hidrologia é o estudo da água em suas modificações em torno do planeta, considerando todas as etapas do ciclo hidrológico, sabemos que ela irá passar da forma líquida para vapor, através da evaporação, ela retornará à superfície terrestre por meio da precipitação, uma parte irá infiltrar no solo e outra escoar superficialmente, a que escoa pode abastecer um rio, lago ou oceano e voltar a evaporar, dando continuidade ao ciclo hidrológico. Vimos também, que para compreender melhor a hidrologia, precisamos delimitar uma área de estudo chamada bacia hidrográfica. Essa bacia é contornada pelo divisor, e toda a água precipitada sobre ela, irá convergir para um mesmo ponto, o exutório, onde é medida a vazão de saída da bacia. A bacia hidrográfica pode ser classificada pelo formato, pela declividade e pela sinuosidade, todos esses aspectos interferem na velocidade de escoamento da água. Além disso, podemos também classificá-la de acordo com a ordem, sendo que, para maiores ordens significaque temos maior número de ramificações. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 24 Quantificação geral das reservas hídricas em escala global OBJETIVO: Ao término deste capítulo você será capaz de entender sobre os recursos hídricos no mundo, seus tipos, sua disponibilidade, sua falta e por que existem crises hidrológicas. Veremos sobre a distribuição da água, o motivo de alguns países com grande disponibilidade de água e outros com tanta escassez. Também veremos o que é o estresse hídrico. Vamos fazer um mergulho no conhecimento? Vamos lá! Recursos hídricos no mundo Hoje em dia falamos muito em recursos hídricos, de como precisamos economizar e as grandes secas que várias regiões do mundo enfrentam. Por que falta água se nosso planeta, chamado carinhosamente de planeta azul, possui 2/3 de sua superfície de água? Claro que o problema está em sua distribuição. Considera-se, atualmente, que a quantidade total de água, de 1.386 milhões de km³, tem permanecido de modo aproximadamente constante durante os últimos 500 milhões de anos. Vale ressaltar, todavia, que as quantidades estocadas nos diferentes reservatórios individuais de água da Terra variaram substancialmente ao longo desse período. (SHIKLOMANOV, 1999 apud Setti et al. 2001, p. 65) Apesar dessa gigantesca quantidade de água, 97,5% corresponde à água salgada, formando os mares e oceanos. Da parte doce restante, 68,7% está armazenada em forma de geleiras, além dessas temos também as águas subterrâneas, em porcentagem de 30%, e os rios e lagos, que ficaram com aproximadamente 1,2%, sem ainda contar a água na atmosfera e outros possíveis locais. Veja na figura 10 a distribuição da água. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 25 Figura 10 - Distribuição de água no planeta e de água doce Fonte: Setti et al. (2001, p. 34). Vemos então que mesmo que a quantidade de água seja grande, a que está disponível para o nosso consumo é bem pequena. Como vimos, o ciclo hidrológico faz com que a água se movimente ao redor do planeta. Nenhuma partícula fica parada, mas pode permanecer mais tempo em algum local do que em outro, veja a tabela 2, ela mostra quanto tempo cada partícula permanece em cada reservatório. Tabela 2: Período de Renovação de Água em diferentes Reservatórios na Terra Fonte: Shiklomanov (1997 apud Setti et al. 2001, p. 36). Portanto, cada reservatório se renova sempre, podendo uns serem mais rápidos e outros mais lentos, depende da quantidade de água e a velocidade com que se movimentam. Para não sofrer com a falta de água, a população acaba fazendo estoques e retardando um pouco esse tempo de passagem. Ao instalar Hidráulica Aplicada e Hidrologia 26 uma barragem em um rio, faz uma reserva hídrica e mantém a água disponível por mais tempo para o consumo, pensando também nas estações de seca, quando os níveis da água baixam e a necessidade é ainda maior. Esse ato não é recente, mas tem se aprimorado bastante. A Barragem do João Leite, por exemplo, é uma das mais recentes em Goiás e foi projetada para suprir a necessidade hídrica de consumo da capital goiana e entornos. ACESSE: Caso queira se aprofundar no assunto, acesse o artigo “Reservatório da barragem do ribeirão João Leite em Goiás: análise, importância e uso” clicando aqui. Figura 11 - Barragem Fonte: Pixabay Voltando para a questão da falta de água, esse problema é antigo e estudos vêm sendo feitos nessa área com intuito de encontrar soluções que amenizem a situação. Vamos falar um pouco sobre a crise hídrica mundial. Hidráulica Aplicada e Hidrologia http://www.ibeas.org.br/congresso/Trabalhos2014/VIII-003.pdf 27 Crise hídrica Segundo Setti et al. (2001), a demanda de água total no mundo estimada para o ano de 2000 era cerca de 10%, o que significa que o problema não é a disponibilidade da água, mas sim sua distribuição. Em regiões onde a situação de falta d’água já atinge índices críticos de disponibilidade, como nos países do Continente Africano, onde a média de consumo de água por pessoa é de dezenove metros cúbicos/dia, ou de dez a quinze litros/pessoa. Já em Nova York, há um consumo exagerado de água doce tratada e potável, onde um cidadão chega a gastar dois mil litros/dia. (CETESB, 2021, on-line) E quanto seria o suficiente para atender uma pessoa por dia? A figura 12 apresenta alguns usos domésticos da água, e como é possível evitar os desperdícios. De acordo com Beekman (1999 apud Setti et al., 2001), estresse hídrico é a quantidade mínima per capita para manter condições de vida adequada e condições básicas de saúde e higiene, sem muitos desperdícios, em regiões áridas. Nessas condições, são necessários 100 litros de água para cada pessoa por dia, que seriam 36,5 m³/hab. por ano. Figura 12 - Usos da água Fonte: Pixabay Em países desenvolvidos, porém, a demanda aumenta muito por causa da agricultura, indústrias, geração de energia e outros, podendo chegar entre cinco a 20 vezes esse valor. A partir disso, foram estabelecidas às condições de estresse hídrico de acordo com o consumo per capita anual, veja na tabela 3. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 28 Tabela 03 - Patamares específicos de estresse hídrico Fonte: Beekman (1999 apud Setti et al., 2001, p. 20). Você pode estar pensando que se para atender a população de forma adequada o consumo médio é de 365 m³/hab./ano (considerando 10 vezes o consumo mínimo), por que a disponibilidade abaixo de 500 já é considerada como escassez?. A resposta é que nem toda a disponibilidade hídrica pode ser convertida diretamente em consumo para a população. Se um curso d’água for desviado totalmente para uma Estação de Tratamento de Água e enviada ao consumo populacional, o impacto que isso geraria seria enorme para o meio ambiente. Veja na figura 13 um esquema de captação, tratamento e distribuição de água. Então considera-se que o consumo efetivo será apenas de uma parte do disponível. Figura 13 - Sistema de abastecimento de água Fonte: Dreamstime. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 29 Vamos ver dois exemplos de países que se encaixam em cada caso de estresse hídrico. Observe a tabela 4. Tabela 4 - Disponibilidade hídrica em alguns países do mundo Fonte: Adaptado de Shiklomanov (1998 apud Setti et al., 2001, p. 39). Como podemos observar, o Brasil é um país favorecido em relação à disponibilidade hídrica, ficando entre as maiores do mundo e, mesmo assim, sofre com falta de água nas regiões do sudeste e nordeste, retomando a questão da disposição hídrica, ou seja, sua distribuição. Já outros países como o Marrocos, que, mesmo com um volume menor, apresenta maior disponibilidade per capita que outros como o Paquistão, por exemplo, isso por causa da sua pequena população, que é menor que a do Paquistão em torno de cinco vezes. Exemplo: O Líbano tem um volume médio anual de água de 2,8 km³/ano, sua população média no ano 2019, segundo The World Bank (2021), era de aproximadamente 6,8 milhões de habitantes. Sabendo que sua área é de 10 * 10³ Km², pergunta-se: a. Qual a disponibilidade hídrica per capita nesse país? E em qual caso de estresse hídrico ele se enquadra? b. Se no ano 2000 a população era de aproximadamente 3,8 milhões de habitantes, qual era a situação nessa época? Hidráulica Aplicada e Hidrologia 30 Resposta: a. Para calcular a disponibilidade hídrica per capita é só dividir o volume anual pela população, para passar de km³ para m³ é só multiplicar por 109, a área não interfere nesses cálculos, a não ser que se queira calcular a disponibilidade hídrica por área, mas não é o caso: Disp.hídrica = (2,8 * 109 m3 / ano) / (6,8 * 106 hab) = 411,76 m3 / (hab.ano) Essa disponibilidade hídrica se encaixa na pior situação, a de escassez absoluta. b. Em 2000, a disponibilidade era de: Disp.hídrica = (2,8 * 109 m3 /ano) / (3,8 * 106 hab) = 736,84 m3 / (hab.ano) Nessa época o país se encaixavano regime de crônica escassez de água. Vimos por meio do exemplo que a quantidade de água no mundo se mantém em valores médios, o que tem aumentado foi a população a ser atendida, levando esse fator também a ser um problema mundial. Além do crescimento populacional, vem crescendo também o consumo da população. Outro fator também de suma importância é a qualidade da água, mesmo que haja uma grande demanda de água, se esta estiver poluída não servirá para o uso, ou serão necessários processos caros e demorados de tratamento, tornando assim importante o despejo de forma correta para não agredir o meio ambiente. Poluição das águas A ação do homem na natureza tem modificado seu sistema natural. Poluição pode ser definida por “alteração nas características físicas, químicas ou biológicas de águas naturais decorrentes de atividades humanas” (TUCCI et al., 2012, p. 855). O autor destaca ainda os principais tipos de poluição: Hidráulica Aplicada e Hidrologia 31 a. Esgoto sanitário O esgoto sanitário é o descarte das águas utilizadas pela população para diversos fins. Ele contém alta taxa orgânica, que, se lançado em leitos naturais, além de modificar as características físicas, químicas e biológicas do rio, ainda consomem parte do oxigênio natural do rio podendo matar os peixes. VOCÊ SABIA? O Rio Tietê, localizado em São Paulo, possui uma carga poluidora tão alta que é difícil se aproximar dele pelo mau cheiro que exala, sem contar no quanto afeta a existência de animais no rio. Segundo Boehm (2020), o rio atingiu em 2020 uma faixa morta de 150 km, que é a faixa mais afetada pela poluição. Após isso ele vai se recuperando até que suas águas são consideradas boas para banho, abastecimento e outros fins. Veja a figura 14, é claro que se trata de uma caricatura, ninguém vai pescar no rio Tietê, mas representa bem o cenário atual. Figura 14 - Representação de um rio poluído Fonte: Dreamstime Hidráulica Aplicada e Hidrologia 32 b. Águas residuárias industriais As águas residuais podem ter muitos tipos de variações, pois dependem do tipo de indústria que serviram. Entretanto, basicamente, podemos dizer que são produtos de uso humano, de refrigeração ou de contato com a matéria-prima, para lavagem ou outro fim. Essas águas podem apresentar índices elevados de produtos químicos e biológicos. A expansão industrial introduz no meio ambiente, cada vez mais, pequenas concentrações de substâncias tóxicas ao ser humano. Na tabela 5 encontramos alguns tipos de indústrias e quais poluentes elas apresentam em suas águas residuárias: Tabela 5 - Caracterização de águas residuárias de alguns ramos industriais Fonte: Tucci et al. (2012, p. 65). c. Resíduos sólidos Comumente conhecido como lixo, os resíduos sólidos devem ter seu destino específico em aterros sanitários, porém acabam indo ou pela ação da chuva ou por ações humanas, ou outras, para os cursos d’água. São originados em usos domésticos, industriais e hospitalares. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 33 A decomposição do lixo nos aterros produz o chorume, um líquido altamente poluído e contaminado. Se ocorrer algum tipo de vazamento ele pode poluir as águas subterrâneas e superficiais. O chorume contém elevado índice de matéria orgânica, microrganismos patogênicos e metais pesados. d. Água de drenagem urbana A água da chuva, principalmente no início da temporada, passa fazendo uma lavagem no solo e acaba levando muitos resíduos para os mananciais, assim como óleos, graxas e diversas substancias existentes no solo urbano. e. Fontes acidentais Qualquer acidente que contamine os cursos d’água. Acidentes ocorridos em depósitos de produtos perigosos, derramamento de óleo por vários petroleiros e explosões de caráter radioativo como em Chernobyl. Apresentam um efeito catastrófico para o ambiente, já que são lançados sem controle, em grande quantidade e de maneira concentrada. A recuperação do ambiente pode levar muitos anos. (TUCCI et al., 2012, p. 858) f. Fontes atmosféricas Devido à grande queima de combustíveis, há um acumulo na atmosfera de aerossóis de sulfato e nitrato. Eles voltam a atingir o solo através das chuvas ácidas, as quais são compostas de ácidos que desequilibram o sistema aquático. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 34 RESUMINDO: E então? Gostou do que falamos até aqui? Vamos fazer um breve resumo do que vimos. Falamos sobre a quantidade de água que temos em nosso planeta e que ela se mantém nessa quantidade há milhares de anos. A água se mantém em constante movimento e vai passando de um tipo de reserva a outro. De toda a água que temos no planeta, apenas pequena parte dela está disponível para uso. Além disso, temos ainda a má distribuição, onde há regiões que dispõem de muita água e outras que enfrentam a seca continuamente, então, nos casos em que há falta de água, as pessoas têm buscado soluções para sanar essa escassez fazendo reservas hídricas, como a implantação de barragens. Falando em falta de água, abordamos também sobre a crise hídrica, a demanda per capita e o estresse hídrico, onde percebemos que cada pessoa precisa de uma quantidade mínima de água para manter seu bem estar, e com o aumento populacional, a tendência é que a disponibilidade hídrica per capita tende a diminuir. Além desses fatores, ainda consideramos a ação humana que acaba poluindo essa pequena parte de água disponível, afetando suas características iniciais e diminuindo a sua qualidade. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 35 Principais processos hidrológicos OBJETIVO: Ao término deste capítulo você será capaz de entender profundamente cada processo do ciclo hidrológico e como seu estudo está relacionado com a drenagem e outras aplicações à engenharia. E então? Motivado para desenvolver esta competência? Então vamos lá. Avante! Como vimos, temos os principais processos hidrológicos que completam o ciclo hidrológico, definidos por Villela & Mattos (1975), são eles: precipitação, evaporação e transpiração, escoamento superficial e infiltração. Os mais importantes para os estudos hidrológicos são a precipitação, evaporação e transpiração. Vamos abordar a seguir detalhadamente cada um deles. Precipitação A precipitação, segundo Villela & Mattos (1975), é um dos principais fenômenos da hidrologia e varia, principalmente, de acordo com a temperatura, umidade e vento em cada região. Precipitação é todo tipo de umidade que vem da atmosfera para a superfície terrestre, podendo ser em forma de chuva, neve, granizo, orvalho, geada e neblina. A que mais interessa à hidrologia é a chuva, por ser a de maior ocorrência e a de maior volume em nosso país, portanto, trataremos apenas dela a partir de agora. Para ocorrer a precipitação, a umidade com o calor sobe, com a altitude começa a resfriar e volta a se condensar, mas como são minúsculas as partículas e não superam a resistência do ar, continuam suspensas na atmosfera. Apenas quando se unem com outras e aumentam de tamanho e de massa é então que se precipitam. Segundo Tucci et al. (2012), o aumento de tamanho das partículas se dá por vários fatores, sendo que o predominante é o choque de umas com as outras. Existem diferentes tipos de precipitação, são elas: precipitações convectivas, orográficas e ciclônicas. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 36 A precipitação convectiva, segundo Tucci et al. (2012), é aquela “chuva de verão”, ocorre também em regiões equatoriais, causada pelo calor que aquece a superfície terrestre, na qual a ocorrência de vento é baixa e predominantemente vertical, fazendo com que o vapor suba e condense, veja a figura 15. As chuvas são intensas e rápidas em pequenas regiões. Figura 15 - Precipitação convectiva Fonte: Hartwing (2012, p. 30). Já a precipitação orográfica (figura 16) ocorre pela umidade que vem do oceano, arrastada pelo vento, predominantemente horizontal, e encontra uma barreirafísica, como uma montanha. Essa barreira faz com que a umidade suba rapidamente e condense, gerando uma precipitação de pequena intensidade e de grande duração por uma pequena área. O vento que consegue atravessar a barreira encontra uma região seca, já que a umidade ficou retida antes dela. Figura 16 - Precipitação orográfica Fonte: Hartwing (2012, p. 37). Hidráulica Aplicada e Hidrologia 37 Por último, a precipitação ciclônica, aquela causada pelo encontro de ventos quentes e frios, como pode ser observado na figura 17, fazendo com que o vapor quente e úmido suba e ao encontrar temperaturas mais frias, condensa e precipita. São chuvas de grande duração, intensidades médias e atingem grandes áreas. Podem vir acompanhadas de ventos fortes. Figura 17 - Precipitação ciclônica Fonte: Hartwing (2012, p. 41). Evaporação e evapotranspiração A evaporação e evapotranspiração, como dito anteriormente, é a conversão da água em estado líquido para vapor e é transportada nessa fase. Segundo Tucci et al. (2012), para que ocorram esses fenômenos na natureza é preciso que haja introdução de energia no sistema. Essa energia vem basicamente da incidência solar e da atmosfera. Essa transferência de energia ocorre de forma de difusão molecular e turbulenta. Fazer o cálculo estimado desses processos requer dados que nem sempre estão disponíveis, por isso, existem métodos empíricos para auxiliar nesse processo, já que é um dos mais importantes do ciclo hidrológico junto com a precipitação. Vamos falar, primeiramente, da evaporação. Evaporação Segundo Tucci et al. (2012), “além da radiação solar, as variáveis meteorológicas que interferem na evaporação, particularmente de superfícies livres de água, são a temperatura do ar, vento e pressão de vapor”, esse processo consome 585 cal/g na temperatura de 25 °C. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 38 A radiação solar aquece o ar acima da superfície molhada, e o ar aquecido tem nível de saturação maior de partículas de vapor d’água que em temperaturas menores, portanto, consegue “absorver” uma maior quantidade de partículas. A incidência solar, segundo Hartwig (2012), será maior dependendo da latitude da região, clima e estação do ano. Já o vento contribui na troca do ar acima da superfície molhada, permitindo a saída do ar já saturado e entrada de outro capaz de absorver um pouco mais de umidade, e assim segue, sem o vento, o ar sofreria a saturação e a evaporação cessaria. A saturação do solo também contribui para esse processo, pois se o solo possuir nível do lençol freático profundo e tiver com a umidade baixa, ele absorve parte da água superficial e acelera a secagem da superfície diminuindo o tempo para a evaporação. Outro fator considerado por Hartwig (2012), é a umidade do ar, pois se o ar for seco, tem maior capacidade de absorção de umidade adicional que o ar úmido. A figura 18 aborda de forma esquemática como os fatores climáticos e físicos afetam na evaporação. Figura 18 - Fatores que afetam na evaporação Evaporação Temperatura do ar Umidade do ar Vento Incidência solar Saturação do solo Fonte: Adaptado de Tucci (2012). Existem alguns métodos utilizados para determinar a evaporação, alguns se baseiam em medir a evaporação no próprio local, em uma amostra para se estimar o total, outros métodos calculam com base nas características da região, incidência solar e outros fatores, e outro, como o método do balanço hídrico mostrado a seguir, se baseia no princípio de conservação da massa. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 39 Segundo Tucci et al. (2012), o método do balanço hídrico considera a equação da continuidade no lago ou reservatório, ou seja, a mesma vazão de entrada deve ser a de saída e pode ser escrita da seguinte forma: dV / dt = I - Q - E0 ∙ A + P ∙ A Isolando então E0 para o cálculo da evaporação, tem-se: E0 = (I - Q) / A + P - (dV / dt) / A Considerando as unidades usuais e que o volume e a área podem se relacionar por uma função do tipo V = a ∙ Ab, a equação anterior resulta em: E0 = 2,592 ∙ (I - Q)/A + P - 1000 ∙ a ∙ b ∙ Ab-1 ∙ [A(t + 1)-A(t)] / ∆t Onde: t = Tempo (meses) I = Vazão total de entrada no reservatório (m³/s) Q = Vazão de saída no reservatório (m³/s) E0 = Evaporação (mm/mês) P = Precipitação sobre o reservatório (mm/mês) A = Área do reservatório no mês (km²) Esse modelo é bem preciso teoricamente, mas na prática, encontrar essas variáveis com precisão pode ser desafiador, assim como dados precisos de precipitação e outras entradas de água no sistema. Evapotranspiração Segundo Hartwig (2012), a transpiração é o resultado do processo fisiológico das plantas. Elas absorvem água do solo para atender suas necessidades vitais, retém pequena parte dela, e devolve o restante através da superfície das folhas sob forma de vapor d’água. Os fatores que afetam a transpiração são praticamente os mesmos que afetam a evaporação: incidência solar, umidade do ar, vento, umidade do solo. A luz age de forma essencial, a transpiração é praticamente nula sem sua presença, pois ela age na abertura dos estômatos, parte dos vegetais responsável pela transpiração. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 40 Em solos com cobertura vegetal é praticamente impossível separar o vapor d’água proveniente da evaporação do solo daquele originado da transpiração. Neste caso, a análise do aumento da umidade atmosférica é feita de forma conjunta, interligando os dois processos num processo único, denominado de evapotranspiração. (HARTWIG, 2012, p. 45) Ao unirmos então os termos evaporação e transpiração em regiões com presença de vegetação, temos o termo evapotranspiração. Esse fenômeno é muito importante no ciclo hidrológico, na meteorologia, na hidrologia e na agricultura. Os aspectos que afetam no processo são aqueles relativos e evaporação e transpiração, e para estimar a evapotranspiração vamos abordar primeiramente dois termos importantes: • Evapotranspiração potencial (ETP) – é aquela ocorrida em uma superfície natural considerando que esteja totalmente coberta com vegetação de porte baixo (em torno de 30 cm) e bem suprida com água (PENMAN, 1956 apud TUCCI et al., 2012). • Evapotranspiração Real ou Atual (ETR) – é aquela ocorrida em condições reais atmosféricos e umidade do solo. Apresenta valores iguais ou inferiores que a potencial (TUCCI et al., 2012). As formas mais comuns de medir ou estimar a evapotranspiração são: a. Medidas diretas Através de um lisímetro mede-se a evapotranspiração de uma região, utilizando uma espécie de reservatório de solo, plantando uma cultura na superfície e fazendo o controle de umidade nesse solo. Pode- se saturá-lo e verificar a ETP ou manter as condições naturais e verificar a ETR. Outra forma é verificar a umidade do solo in loco e estimar as perdas de água pela evapotranspiração. b. Método de Blaney-Criddle Através de estudos em algumas regiões, e em diferentes temperaturas do ar, foi possível estabelecer equações que envolvesse basicamente essa varável. Não é precisa quando se muda a região de estudo, mas é muito utilizada por ser simplificada. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 41 ETP = (0,457T + 8,13)p T é a temperatura média mensal do ar em °C, p é a porcentagem diária de horas de luz, podendo ser obtido por uma tabela específica. Pode ser considerado um coeficiente de cultura (Kc) para que os resultados sejam mais precisos. Esses coeficientes devem ser determinados num lisímetro, a tabela 06 traz alguns valores de algumas culturas. Então temos: ET = ETP * kc Tabela 6: Valores do coeficiente de cultura para alguns tipos de cultura Fonte: Hartwig (2012, p. 49). c. Balanço hídrico Podemos adaptar o método de balanço hídrico para a evapotranspiração, mas nem sempre é possível obter todos os dados necessários. Tendo geralmente valores apenas de precipitação e vazão, a equação 01 pode serreescrita da seguinte forma: Vt = V0 + (P - Q - ETP)∆t Onde: Vt e V0 são o volume total de umidade na bacia no final e início do intervalo de tempo ∆t: Tempo de intervalo de análise, geralmente maior que uma semana P: Precipitação no período Q: Vazão no período ETP: Evapotranspiração no período, variável a ser calculada Hidráulica Aplicada e Hidrologia 42 Infiltração A infiltração, como já vimos, é uma das etapas do ciclo hidrológico e contribui para a reposição da umidade no solo. Ela se define como a passagem da água, em estado líquido, da superfície para o interior do solo, pela gravidade. A infiltração depende de alguns fatores como: • Disponibilidade de água na superfície do solo. • Características do solo- composição, topografia, quantidade de água e ar. Segundo Tucci et al. (2012), no início da infiltração, o solo começa a aumentar sua umidade das camadas superiores até as mais inferiores, quando, porém, cessa a infiltração, a umidade se redistribui e começa a inverter o processo, as camadas inferiores passam a ficar mais úmidas que as superiores. Outro processo que contribui com isso é a evaporação nas camadas superiores, acelerando sua secagem. Após a estabilização, a tendência é que alguma parte do solo fique saturado, mas isso só afeta o processo de infiltração se acontecer numa camada de pequena profundidade. Capacidade de infiltração e taxa de infiltração Capacidade de infiltração é o potencial que o solo tem de absorver água através de sua superfície, em termos de lâmina por tempo. Quando ocorre a precipitação ou outro tipo de escoamento superficial, acontece a infiltração, aumentando a umidade do solo, a partir da superfície, e diminui a capacidade de infiltração do solo. Com o tempo, a umidade no solo se estabiliza, parte volta para a atmosfera e a capacidade de infiltração se recupera tendendo a um limite superior. Taxa de infiltração está relacionada com a infiltração que ocorre quando há disponibilidade de água para penetrar no solo, afetada pela capacidade de infiltração. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 43 Velocidade de infiltração É a velocidade com que a água infiltra no solo, dada por unidade de distância por tempo. Ou ainda, representa a vazão por área de infiltração, que, simplificando as unidades, temos a mesma representação. Escoamento superficial É a parcela de água que escoa pela superfície terrestre. Pode ter origem nas precipitações, na qual parte da água precipitada infiltra e parte escoa, como também pode ter origem no próprio afloramento de águas subterrâneas. A continuidade desses escoamentos superficiais é se infiltrar no solo, posteriormente, evaporar e formar rios. Os fatores que afetam o escoamento superficial, segundo Villela & Mattos (1975), são fatores climáticos, relacionados com a precipitação e fatores de natureza fisiográfica, relacionados às características físicas da bacia. Quanto à precipitação, quanto maior for a intensidade e duração da chuva, maior a possibilidade de ocorrer o escoamento, e maior a sua potencialidade caso ocorra. Caso ocorra uma chuva após a outra, a chance de ocorrer o escoamento também será maior, pois a capacidade de infiltração do solo foi afetada. Em relação aos fatores fisiográficos, temos as características da bacia de área, forma, permeabilidade e capacidade de infiltração e a topografia da bacia. Em relação à área, quanto maior a área da bacia, maior será a vazão escoada. Em relação à forma, essa está relacionada com o tempo de escoamento e vazão no exutório da bacia. Se ela tem um formato mais comprido, o tempo para a água chegar ao exutório é maior, dando maior chance de evaporação e infiltração e diminuindo o escoamento, se a bacia apresenta um formato mais arredondado, considerando a mesma área, o tempo será menor, aumentando assim a chance de escoamento. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 44 Em relação à permeabilidade, quanto maior a taxa de permeabilidade, assim como a capacidade de infiltração, menor será a de escoamento. Por fim, a topografia, que afeta a velocidade de escoamento. Em um terreno mais plano, a velocidade de escoamento será mais baixa, facilitando assim a infiltração no solo e diminuindo o escoamento e, de forma análoga, com a superfície mais inclinada, o escoamento será maior, sabendo ainda que pode haver formações de poços que podem reter grandes quantidades de água. Fatores externos também podem afetar o escoamento, como a instalação de reservatórios que diminui a velocidade de escoamento. Grandezas que caracterizam o escoamento superficial As grandezas utilizadas no estudo do escoamento superficial são definidas por Villela & Mattos (1975) como: a. Vazão (Q) - A vazão é a grandeza que mede o volume escoado por unidade de tempo no exutório da bacia. A unidade usual é geralmente em m³/s. E é comum ter valores também da vazão específica, que seria a vazão por unidade de área, para facilitar a comparação entre uma bacia e outra, essa seria em m³/s/m² ou, simplificando, m/s. b. Coeficiente de Escoamento Superficial (C) - Ou Coeficiente de Deflúvio ou, ainda, Coeficiente de Runoff, considera a parcela de água escoada do total precipitado, limitando-se a um, no caso de toda a vazão precipitada for escoada, e variando com as características do solo. Superfícies impermeáveis apresentam coeficientes maiores que as permeáveis. Pode ser calculado da seguinte forma: C = Vescoado / Vprecipitado Onde: Vescoado é o volume total de água escoado e Vprecipitado é o volume total de água precipitado. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 45 c. Tempo de concentração (tc) - Considerando uma precipitação que cubra toda a bacia hidrográfica, o tempo de concentração é o tempo que leva para que toda a bacia contribua com a vazão no ponto analisado. EXPLICANDO MELHOR: Analise a bacia hidrográfica da figura 19, quando começa a chover em toda a bacia, a primeira parcela de água que chegará ao ponto exutório é aquela que precipitou mais próximo do ponto A1, continua a chover e então A2 também passa a contribuir com a vazão no mesmo ponto, continua a precipitação até que toda a bacia passa a contribuir, nesse momento temos uma vazão máxima no ponto, e o tempo que levou para atingir essa vazão máxima é o tempo de concentração. Figura 19 - Áreas de contribuição na bacia Fonte: Elaborado pelos autores (2021). Hidráulica Aplicada e Hidrologia 46 RESUMINDO: E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que as etapas do ciclo hidrológico são precipitação, evaporação, transpiração, infiltração e escoamento. A precipitação é a água voltando da atmosfera para a superfície, esta pode ocorrer em várias formas, mas a principal na hidrologia é a chuva. Existem três tipos de chuva, a convectiva, a orográfica e a ciclônica. A evaporação é quando a água passa do estado líquido para gasoso de forma natural, já a transpiração é um fenômeno natural das plantas de absorver água do solo e transferir para a atmosfera em forma gasosa. O processo combinado de evaporação e transpiração se denomina evapotranspiração. A infiltração é quando a água passa da superfície para o interior do solo, podendo ficar retida ali ou voltar a evaporar, e o escoamento superficial é o excesso de água precipitada que não infiltrou no solo e começa a formar filetes na superfície do solo, ou ainda do afloramento do lençol freático, formando rios, lagos e mares. Vimos também sobre o coeficiente de escoamento superficial, que representa a relação entre o volume de água escoado em relação ao precipitado em uma bacia hidrográfica. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 47 Elementos Gerais OBJETIVO: Ao término deste capítulo você será capaz de entender mais profundamente sobreos usos da água, seus consumos e padrões básicos para a continuação dos estudos hidrológicos. Vamos lá. Até aqui já vimos sobre as bacias hidrográficas, o ciclo hidrológico e a quantificação geral da água no mundo. Vamos seguir falando agora sobre como essa água tem sido usada e quais providências têm sido tomada para suprir as crises hídricas. Vamos continuar. Os usos da água São basicamente dois tipos de usos, os consuntivos e os não consuntivos. Segundo Setti et al. (2001), entre os consuntivos estão o abastecimento de água, o abastecimento industrial e irrigação. Entre os não consuntivos estão a geração de energia elétrica, a navegação fluvial e outros. Abastecimento de água Segundo Tucci et al. (2012), é o uso mais nobre da água, por ser utilizada em suas necessidades básicas como beber, utilizar para cozinhar, para higiene, combate a incêndio, entre outros. Por esses usos, ela deve atender a um limite mínimo de potabilidade. A água deve atender a valores estabelecidos pelo Ministério da Saúde, em relação a características físicas, químicas e biológicas. Caso não seja atendido esses níveis de potabilidade, a água pode ser veículo ou origem de doenças do tipo hídrica. As águas para consumo têm origem no subsolo ou na superfície. Quando no segundo caso, para que a água seja considerada como potável, ela precisa passar por um processo de tratamento e desinfecção, veja a figura 20 os processos básicos da desinfecção. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 48 Figura 20 - Esquema de tratamento de água Fonte: Dreamstime A água para abastecimento abrange o uso doméstico, comercial, público e alguns desperdícios. A quantidade de água necessária para o abastecimento pode variar de acordo com a região, clima, costumes, economia e outros possíveis fatores. Como visto anteriormente, o consumo mínimo necessário é de 100 l/hab. por dia, mas pode chegar até a 20 vezes esse valor. Para que não ocorra o uso exagerado da água devemos cada um fazer a sua racionalização, usar apenas o necessário, e, dessa forma cooperar com o meio ambiente. ACESSE: Caso queira se aprofundar no assunto, acesse o vídeo sobre uso racional da água clicando aqui. Abastecimento industrial O uso da água industrial pode ser para o processo de fabricação ou para ser incorporado ao produto. E a quantidade depende muito do tipo de indústria e da tecnologia adotada. Observe na tabela 7 alguns tipos de indústria e seu consumo médio. Hidráulica Aplicada e Hidrologia https://www.youtube.com/watch?v=JtshF-n-mis 49 Tabela 7 - Consumo de água nas indústrias Fonte: Setti et al. (2001, p. 35). Irrigação É o maior consumo de água que vimos até aqui, tem o objetivo de auxiliar as plantas em seu crescimento, suprindo a falta de água das precipitações. A irrigação deve ser feita de forma controlada e com o mínimo de desperdícios possíveis. Deve haver atenção também em relação aos produtos utilizados nas plantações de forma a não contaminar o solo pela irrigação. Dos usos consuntivos que vimos, segundo Setti et al. (2001), o agrícola é o maior, em seguida temos o uso industrial e, por último, o uso doméstico. Veja o gráfico (figura 21), ele mostra as porcentagens de cada uso. Figura 21 - Distribuição de água de abastecimento Fonte: Setti et al. (2001, p. 49). A seguir teremos os usos não consuntivos, destacando-se entre eles a geração de energia. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 50 Geração de energia elétrica A geração de energia elétrica pelo aproveitamento de água é do tipo renovável. Em alguns países, é o tipo que menos agride o meio ambiente, mas precisa de alguns cuidados. Segundo Setti et al. (2001), “A construção de barragens de regularização causa alterações no regime dos cursos d’água, perdas por evaporação da água dos reservatórios, principalmente em regiões semiáridas, e diversas alterações no físico”. VOCÊ SABIA? A usina Itaipu, uma das maiores do mundo, quando foi executada inundou uma grande área, inclusive as Sete Quedas, que eram cachoeiras naturais no Rio Paraná. É um exemplo de como ela passou de uso recreativo, com o turismo, para geração de energia. Assista ao vídeo sobre o fim da Usina de Sete Quedas clicando aqui. Navegação fluvial A navegação fluvial para objetivo comercial, segundo Setti et al. (2001), em leitos naturais geralmente é possível em períodos de chuva. Para intensificar o processo são feitas obras em canais para alargar as margens. Barragens também podem ser feitas, porém, pode haver necessidade de implantar transportadores de níveis. Embora sejam transportes lentos, os transportes aquáticos são muito utilizados para o transporte de cargas e pessoas, sendo que apresenta custo operacional reduzido em relação aos outros transportes. Uma das vantagens é justamente sua enorme capacidade, ou seja, pode transportar grandes quantidades de carga. Além disso, é um meio de transporte pouco poluente em relação aos outros (rodoviário, ferroviário, etc.), embora seja limitado, visto que necessita das hidrovias para a navegação. Além disso, geralmente são feitos transporte regional, ou seja, não abrange o país inteiro. Antes de ser utilizado, o rio passa por uma avaliação de especialistas que conferem se o local é apropriado para navegação (profundidade, relevo, largura, potencial econômico) e construção de uma hidrovia, segundo suas características próprias. (TODA MATÉRIA, 2021, on-line) Hidráulica Aplicada e Hidrologia https://www.youtube.com/watch?v=S8Ep2SooOpw 51 Recreação Segundo Tucci et al. (2012), o uso de recreação pode ser classificado como primário e secundário. O primário é aquele que a pessoa entra em contato direto com a água, como banho, veja a figura 22. Há um cuidado especial com a saúde nesse caso, pois águas contaminadas podem ser prejudiciais, tanto em contato com a pele, quanto se forem ingeridas. Figura 22 - Banho no rio Fonte: Pixabay A natureza é linda e podemos encontrar diversos rios que por terem suas águas limpas e belas paisagens naturais atraem os turistas, e chegam a ser bastante explorados nesse sentido, mantendo sempre a conservação do meio ambiente. Você conhece algum rio que pode ser usado para banho? E algum que não pode? Faça uma pesquisa rápida e descubra pelo menos cinco rios no Brasil e cinco no mundo para cada situação. Voltando para a classificação do uso para recreação, o uso secundário apresenta risco menor, pois a pessoa não está em contato direto com a água, como a pesca e navegação. Devendo ter atenção aos peixes consumidos, que podem estar contaminados. Para evitar essa Hidráulica Aplicada e Hidrologia 52 situação, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) estabeleceu condições mínimas dos rios para se permitir esses e outros usos. Cada rio é classificado segundo suas características principais de localização, vazão, níveis de oxigênio, de matéria orgânica presente, se é ou não uma nascente, entre outros, e dependendo dos valores apresentados ele se encaixa em uma das classes do Conama, e a partir dessas classes sabe-se que uso a água pode ter. Veja a classificação do Conama para águas doces: Art. 4° As águas doces são classificadas em: I - Classe especial: águas destinadas: a) ao abastecimento para consumo humano, com desinfecção; b) à preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas; e, c) à preservação dos ambientes aquáticos em unidades de conservação de proteção integral. II - Classe 1: águas que podem ser destinadas: a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento simplificado; b) à proteção das comunidades aquáticas; c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme Resolução CONAMA n° 274, de 2000; d) à irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e de frutas que se desenvolvam rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de película; e e) à proteçãodas comunidades aquáticas em Terras Indígenas. III - Classe 2: águas que podem ser destinadas: a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional; b) à proteção das comunidades aquáticas; c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme Resolução CONAMA n° 274, de 2000; d) à irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, jardins, campos de esporte e lazer, com os quais o público possa vir a ter contato direto; e e) à aquicultura e à atividade de pesca. IV - Classe 3: águas que podem ser destinadas: a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional ou avançado; b) à irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras; c) à pesca amadora; d) à recreação de contato secundário; e e) à dessedentação de animais. V - Classe 4: águas que podem ser destinadas: a) à navegação; e b) à harmonia paisagística. (CONAMA, 2005) Hidráulica Aplicada e Hidrologia 53 Veja o exemplo do Lago Corumbá IV, figura 23. Segundo Corumbá Concessões AS (2021), o lago fica localizado no município de Luziânia, Goiás. Seu reservatório ocupa aproximadamente 173 km² de área com uma com uma capacidade de 3,7 trilhões de litros d’água. Sua barragem tem comprimento total de 1.290 metros e altura máxima de 76 metros. A largura da barragem chega aos 400 metros na base e aos 10 metros no topo. Figura 23 - Lago Corumbá IV Fonte: Elaborado pelos autores (2021). Esse lago foi criado com o objetivo de gerar energia elétrica, mas se tornou um grande atrativo para recreação também como banho, pesca, mergulho, passeios de jet-skis, canoagem e outros fins. O lago atrai muitos investidores e turistas. Ele é classificado, segundo PGIRH/DF (2012), como classe II. Diluição, assimilação e transporte de esgoto e resíduos líquidos Os esgotos e resíduos líquidos são, como falado anteriormente, água de uso humano, que, após ter sido utilizada, precisam retornar ao meio ambiente. Para isso, é preciso que seja verificada as características dos efluentes que serão lançados e também as características dos rios que Hidráulica Aplicada e Hidrologia 54 irão receber essa carga. Como também já falado, os rios são classificados segundo o Conama e apenas das classes mais resistentes serão aptos a atender essa necessidade. Os rios têm uma capacidade, chamada de autodepuração, de restabelecer suas características iniciais mesmo após esse tipo de lançamento, é claro que com o tempo e ao longo do seu percurso. Como vimos o exemplo do Tietê, leva 150 km aproximadamente ao longo do seu percurso somente para sair da zona morta. Veja a figura 24 apresenta as quatro zonas de autodepuração. Figura 24 - Zonas de autodepuração Fonte: Cecilio (2019, p.10). Então, para não prejudicar o rio a esse ponto, o esgoto e resíduos líquidos devem passar por tratamentos antes de serem lançados, e mesmo assim pode afetar as características do rio, após esse lançamento, e restringir alguns usos como de recreação e de abastecimento. Preservação A preservação está relacionada com a proteção da fauna e flora, os cuidados com seus usos presentes e futuros. Proteger a água é proteger o planeta. Há uma frase de um escritor que diz assim: “A água de boa qualidade é como a saúde ou a liberdade: só tem valor quando acaba” (Guimarães Rosa). Meio ambiente e os recursos hídricos Vamos então falar um pouco sobre a importância de preservar os recursos hídricos e como tem sido feita essa preservação. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 55 Monitoramento da qualidade da água O monitoramento da qualidade da água, segundo Tucci et al. (2012), tem os seguintes objetivos: • Avaliação da qualidade da água para determinar o seu uso. • Acompanhar a evolução da qualidade da água ao longo do tempo devido a ações que podem ocorrer ao rio como lançamento de efluentes e outros casos. • Avaliação do meio aquático, considerando não só a água, mas também sedimentos e materiais biológicos. Em função dos objetivos de monitoramento, são estabelecidos os pontos de coleta de amostra, o período e frequência e quais materiais serão coletados. Para verificar a qualidade da água para determinado fim ou se algum tipo de lançamento está afetando na sua qualidade, deve ser coletada uma amostra em um ponto branco, ponto estabelecido como referência que não sofreu interferências externas. Observe a figura 25, Tucci et al. (2012) mostra alguns pontos estratégicos de amostragem. Figura 25 - Locais de monitoramento do rio Fonte: Tucci et al. (2012, p. 57). Legenda: 1. Ponto Branco. 2. Captação de água para abastecimento Público. 3. Zona rural, nascentes. 4. Zona de recreação. 5. Ponto a jusante de lançamento industrial. 6. Captação de água para irrigação. 7. Foz do rio. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 56 As coletas das amostras podem ser manuais ou automáticas. A vantagem da coleta automática é dispensar a presença de um operador. Deve-se tomar todos os cuidados necessários para, quando pegar a amostra, ela ser representativa. Como leva um tempo entre a coleta e a realização da análise feita em laboratório, para que a água ou as substâncias coletadas não sofram alterações, deve-se fazer a conservação das mesmas. Segundo Tucci et al. (2012), há algumas formas de fazermos essas conservas. São elas: Controle de ph, adição química, refrigeração e congelamento. Medidas preventivas de preservação de recursos hídricos As medidas preventivas para manter um curso d’água livre de poluição está concentrada basicamente em não lançar resíduos nos leitos. De acordo com Tucci et al. (2012), temos várias formas de prevenção e a primeira delas é fazer o tratamento de águas residuais antes do lançamento. Outra forma, de acordo ainda com os autores, está relacionada com as características da geologia, topografia, drenagem natural e tipo de solo, a preservação consiste em reservar uma área próxima aos cursos d’água e manter sua vegetação. O uso do solo deveria obedecer às características naturais no rio. Essa é uma forma de baixo custo de preservação. Para o mesmo autor, a educação e acesso à informação também são formas preventivas se forem para incentivar o uso de técnicas adequadas de manejo do solo para diminuir a erosão. Além disso, pode também incentivar o aperfeiçoamento no uso de fertilizantes para torná- lo mais eficiente. O cuidado com o lixo também deve ser feito, primeiramente o reúso e reciclagem diminuem a produção de lixos e a exploração de recursos naturais. O cuidado é necessário também na disposição dos aterros para não contaminar os aquíferos. Hidráulica Aplicada e Hidrologia 57 Para evitar problemas de inundações e contaminação dos rios por esse fim, é fazer um melhor planejamento urbano, incentivando um crescimento em áreas menos críticas e com pavimentos permeáveis e a proteção de marginais dos rios em áreas urbanas, evitando o zoneamento urbano próximo a essas margens. ACESSE: Veja como pode ser feito o reúso da água e a sua importância para o nosso país clicando aqui. Além de todos esses cuidados, podem ser feitos o reaproveitamento das águas, assim, diminuímos tanto o seu lançamento no esgoto, quanto a sua utilização. RESUMINDO: E então? Gostou desse último capítulo? Após estudarmos sobre os principais conceitos hidrológicos foi importante abordarmos sobre a forma como a população tem usado esse recurso tão precioso. Então vamos revisar o que aprendemos. Falamos sobre os principais tipos de uso sendo eles o de abastecimento de água, aquele que atende as necessidades vitais da população, outro uso foi o abastecimento industrial, que atende as demandas das produções e irrigação, aquela que consiste na maior demanda entre essas. Outros usos são os não consuntivos, onde se destaca a geração de energia hidrelétrica, a navegação, recreação e outros. Vimos sobre a classificação do Conama, queé muito importante para sabermos quais usos podem ter os cursos d’água. Vimos também que devemos cuidar desse recurso hídrico, usar de forma racional e consciente. Além disso, foi falado também que há várias formas de prevenção de poluição dos cursos d’água, onde se consiste basicamente em manter as margens o mais próximo do natural possível e evitar lançamento de resíduos que possam modificar suas características naturais. Hidráulica Aplicada e Hidrologia http://www.conhecer.org.br/enciclop/2011b/ciencias%20ambientais/o%20reuso.pdf 58 REFERÊNCIAS ÁGUAS interiores. Cetesb, [s.d]. Disponível em: https://bit.ly/377FbvF. Acesso em: 05 jul. 2021. BOEHM, C. Pesquisa diz que Rio Tietê tem 150 km de água imprópria para uso. Agência Brasil, 2020. Disponível em: https://bit.ly/3ffPxOy. Acesso em: 22 set. 2020. CONAMA. Resolução CONAMA, 2005. Disponível em: https://bit. ly/3lduGPB. Acesso em: 17 mar. 2005. CORUMBÁ, Concessões SA. 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Hidráulica Aplicada e Hidrologia _Hlk76938107 _Hlk76939123 _Hlk76940201 _Hlk76939934 _Hlk76941026 _Hlk76941623 _Hlk76941634 _Hlk76942070 _Hlk77334743 _Hlk77269531 _Hlk77269624 _Hlk77520401 _Hlk77270559 _Hlk77272647 _Hlk77272835 _Hlk77272791 _Hlk77272890 _Hlk77059171 _Hlk77059546 _Hlk77059598 _Hlk77059605 _Hlk77062364 _Hlk77063143 _Hlk77064610 _Hlk77064813 _Hlk77065306 _Hlk77064489 _Hlk77066567 _Hlk77066657 _Hlk76934679 _Hlk77067522 _Hlk77331259 _Hlk77331682 _Hlk77331814 _Hlk77520617 _Hlk77332140 _Hlk77332773 _Hlk77333365 _Hlk77333944 _Hlk77333497 _Hlk77334145 _Hlk77334294 Ciclo hidrológico e descrição geral Introdução à hidrologia Ciclo hidrológico Bacias hidrográficas Características físicas de uma bacia hidrográfica Ordem dos cursos d’água Sinuosidade do curso de água (Sin) Declividade do curso d’água principal Declividade média do relevo de uma bacia Quantificação geral das reservas hídricas em escala global Recursos hídricos no mundo Crise hídrica Poluição das águas Principais processos hidrológicos Precipitação Evaporação e evapotranspiração Evaporação Evapotranspiração Infiltração Capacidade de infiltração e taxa de infiltração Velocidade de infiltração Escoamento superficial Grandezas que caracterizam o escoamento superficial Elementos Gerais Os usos da água Abastecimento de água Abastecimento industrial Irrigação Geração de energia elétrica Navegação fluvial Recreação Diluição, assimilação e transporte de esgoto e resíduos líquidos Preservação Meio ambiente e os recursos hídricos Monitoramento da qualidade da água Medidas preventivas de preservação de recursos hídricos