Parte 1 Introdução, ciclo hidrológico e bacia hidrográfica

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INTRODUÇÃO, CICLO HIDROLÓGICO 
E BACIA HIDROGRÁFICA
Prof. Mahelvson B. Chaves
mahelvson@gmail.com
HIDROLOGIA
Notícias frequentes e um tema em 
comum
Forte cheia no nordeste mata e desabriga
Estiagem no sul ameaça produção e transmissão de energia
Seca australiana agrava crise global de produção de arroz
Milhares de peixes aparecem mortos na Lagoa Mundaú
Eucalipto: a árvore da sede
Chuvas fortes alagam centro da cidade
Moradores são obrigados a desocupar áreas de risco de deslizamento
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Introdução
A água é a substância mais abundante da terra, principal constituinte dos seres vivos 
e uma forçante nas mudanças da superfície terrestre
É um fator chave na climatologia do planeta e consequentemente na vida humana
Dada esta importância, surge a hidrologia como ciência interessada em estudar a 
quantidade, distribuição, movimentação e características físicas e químicas e da água 
e sua relação com os seres vivos.
Introdução
Do ponto de vista da engenharia, a hidrologia é chave para projetos práticos de:
Estruturas hidráulicas
Vertedores, reservatórios, descarregadores de fundo, canais
Sistemas de abastecimento de água
Quantidade de água disponível, qualidade da água, regime hidrológico, locais para poços, rios 
para captação
Tratamento e disposição de águas residuárias
Capacidade de diluição e depuração dos corpos hídricos no lançamento de esgoto
Irrigação
Disponibilidade de água, períodos de excesso e déficit hídricos
Drenagem
Precipitações máximas para projeto, locais de lançamento, regimes de operação
Geração de energia
Projetos de hidroelétricas, vazões para fornecimento firme de energia, escolha de locais
Proteção contra inundações
Navegação
Proteção contra erosão
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Irrigação (métodos):
inundação (arroz)
aspersão (pivôs centrais)
gotejamento
Introdução
De forma mais restrita, a hidrologia estuda o ciclo da água ininterrupto entre a terra e 
a atmosfera, ou seja, as águas que circulam na plataforma continental
Ela se divide ou se relaciona com outras ciências:
Hidrometeorologia: estuda a água na atmosfera
Limnologia: refere-se ao estudo dos lagos e reservatórios
Potamologia: trata dos estudos dos arroios e rios
Glaciologia: é a área da ciência relacionada com a neve e o gelo na natureza
Hidrogeologia: é o campo científico que trata das águas subterrâneas
Portanto a hidrologia é uma ciência interdisciplinar que tem atuação de profissionais 
de engenharia, meteorologias, agrônomos, geólogos, estatísticos, geógrafos, biólogos 
e outros
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Introdução
A preocupação dos engenheiros que atuam nessa área, chamados de hidrólogos ou
engenheiros hidrólogos é em promover o uso racional e eficiente dos recursos
hídricos, projetando e executando atividades que contabilizem as alterações na
qualidade e quantidade, ou fornecendo informações de qualidade e quantidade para
projetos diversos
Algumas atividades são inerentes a vida humana, entretanto o uso descontrolado de
técnicas ineficientes pode ser prejudicial em longo prazo para a manutenção da
própria atividade e consequentemente a vida humana com a qualidade atual
As atividades humanas aram o solo, irrigam cultivos, modificam cursos de rios e lagos,
constroem represas e muitas outras formas que podem modificar qualidade,
quantidade e circulação dos recursos hídricos
Introdução
Historicamente a ocupação das bacia hidrográficas foi feita pensando em
minimizar os custos e trazer o máximo de benefício para os usuários:
Pesca
Irrigação
Navegação
Consumo de água
Com a inevitável deterioração dos recursos hídricos, o homem passou a
se preocupar com as atividades antrópicas e seus impactos na bacia
hidrográfica nos anos 70 e mais recentemente em escala global
(mudanças climáticas)
Interesses específicos da hidrologia
O interesse do curso é analisar, quantifica e representar os principais processos físicos que 
ocorrem numa bacia hidrográfica:
Hidrometeorologia
Geomorfologia
Escoamento superficial
Interceptação vegetal
Infiltração e escoamento em meio não-saturado
Escoamento em meio saturado
Escoamento em rios e canais
Evaporação e evapotranspiração
Fluxo dinâmico em reservatórios, lagos e estuários
Produção e transporte de sedimentos
Qualidade da água e meio ambiente
Algumas questões envolvendo 
hidrologia...
1. Qual a vazão máxima provável em um local proposto para uma barragem?
2. Qual a disponibilidade de água de um rio e como ela poderá variar entre as
estações e de um ano a outro?
3. Qual a relação entre a quantidade de água superficial e a água subterrâneas?
4. Qual a vazão mínima de um rio?
5. Qual o volume de um reservatório necessário para garantir uma determinada
vazão a jusante?
6. Qual o tamanho de um reservatório necessário para limitar inundações?
7. Qual a vazão necessária para manter uma determinar espécie ou um ecossistema
em um rio?
8. Como as mudanças de regime hidrológico decorrente das atividades humanas
podem afetar as variáveis físicas de que dependem os ecossistemas?
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Ciclo 
hidrológico
Ciclo hidrológico
A água na terra existe numa região chamada de hidrosfera, que se estende desde 15 
km acima da atmosfera até 1 km abaixo da litosfera
A água percorre a hidrosfera através de um labirinto de caminhos que constituem o 
ciclo hidrológico
Como o próprio nome já diz, não existe ponto de partida no movimento da água, ele 
ocorre de forma contínua
Ciclo hidrológico
A água evapora desde os oceanos e superfície terrestre para a atmosfera
O vapor de água se transporta e eleva-se até encontrar condições que provoquem
condensação, precipitando-se em forma de chuva sobre a superfície terrestre e o
próprio oceano
A água precipitada pode ser interceptada pela vegetação, transformasse em
escoamento superficial, infiltrar no solo ou ainda escoar de forma subsuperficial
A água infiltrada pode percolar e atingir os aquíferos, recarregando-os
A parte que escoa superficialmente, subsuperficialmente e até um parcela do
escoamento subterrâneo pode atingir rios, córregos e nascentes
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Ciclo hidrológico
A superfície terrestre abrange os continentes e os oceanos, participando do ciclo
hidrológico a camada do porosa que recobre os continentes e o reservatório formado
pelos oceanos
A atmosfera também possui uma diversidade de condições físicas importantes.
A maioria dos fenômenos atmosféricos acontece na camada inferior da atmosfera
com 8 a 16 km de espessura, chamada troposfera.
Acima da troposfera está situada a estratosfera, com espessura entre 40 e 70 km,
cuja importância reside no fato de conter a camada de ozônio que é a reguladora
da radiação solar que atinge a superfície da terra (fonte de energia)
A água que circula no interior da atmosfera constitui-se numa fase do ciclo
hidrológico. Este processo é devido às correntes aéreas, deslocando-se tanto no
estado de vapor como também nos estados líquidos e sólido
Ciclo hidrológico
A umidade no estado de vapor é invisível, sendo as nuvens um conjunto de aerossóis
visíveis de microgotículas de água, poeira, umidade, e, dependendo da região,
partículas de gelo.
O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera, fechando o
ciclo hidrológico ocorre em dois sentidos:
No sentido superfície atmosfera – fluxo de água na forma de vapor
(evaporação+transpiração)
No sentido atmosfera-superfície – fluxo em qualquer estado físico, especialmente na
forma de precipitação de chuva e neve
O ciclo hidrológico tende a ser mais aberto o quão menor é a escala espacial de
análise, já que existem movimentos contínuos, com dinâmicas na atmosfera e
também na superfície terrestre
Ciclo hidrológico
Precipitação: a sua forma mais comum é a chuva, que ocorre devido a aglutinação gotículas de água, gelo,poeira e outros aerossóis. A precipitação ocorre quando o peso da gota recém formada vence a turbulência 
atmosférica e os movimentos ascendentes do meio.
Interceptação: ao cair sobre a superfície terrestre, a água precipitada pode ficar armazenada em folhas, 
troncos, galhos ou depressões, ficando disponível para evaporação ou ainda reprecipitação.
Infiltração: uma parcela da água que atinge o solo pode atravessar a superfície em direção aos poros do 
meio, sendo este processo contínuo até o momento onde há a saturação dos poros. A medida que o tempo 
passa a parcela que infiltrou atinge camadas mais profundas do solo (percolação) quando o peso da água 
vence as tensões capilares
Escoamento superficial: quando o solo está saturado, a precipitação não mais infiltra e passa a escoar pela 
superfície impulsionado pela gravidade. São gerados pequenos filetes de água que se moldam ao 
microrrelevo do solo até que estes alcançam os córregos, rios e posteriormente oceanos.
Evapotranspiração: é a soma da evaporação da parcela de água que pode estar disponível a qualquer 
momento e local na hidrosfera, com a transpiração vegetal, e dependem da radiação solar, água disponível, 
tesões de vapor e dos ventos.
Ciclo hidrológico
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Escoamento sub-superficial
Escoamento superficial
Escoamento subterrâneo
Escoamentos:
Ciclo hidrológico
Sub-superficial ??
Superficial
Subterrâneo
Tipos de escoamento bacia
Ciclo hidrológico
Chuva, infiltração, escoamento 
superficial
Ciclo hidrológico
Chuva, infiltração, escoamento 
superficial, escoamento 
subterrâneo
Camada saturada
Ciclo hidrológico
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Escoamento sub-superficial
Ciclo hidrológico
Camada saturada
Depois da chuva: Escoamento sub-superficial e escoamento
subterrâneo
Ciclo hidrológico
Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Ciclo hidrológico
Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Ciclo hidrológico
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Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada
Ciclo hidrológico
Estiagem muito longa = rio seco
Rios intermitentes
Camada saturada
Ciclo hidrológico
Exemplo: Hidrograma Rio Paraguai em Porto Estrela (1974-1975)
Período chuvoso Período chuvoso
Hidrograma
Ciclo hidrológico
Curva de Recessão:
Hidrograma
Ciclo hidrológico
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Superficial
e recessão
pico
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
Formação do Hidrograma
Ciclo hidrológico Ciclo hidrológico
Apesar da simplificada do conceito de ciclo hidrológico, a descrição física e
matemática do fenômeno é bastante complexa e intrincada
Este não é apenas um ciclo grande, e sim um conjunto de ciclos menores, em
diferentes compartimentos físicos e escalas (locais, regionais e globais)
A quantidade de água disponível em nível global permanece aproximadamente
constante, entretanto o fluxo e o armazenamento é variável em cada um dos
compartimentos físicos da hidrosfera
Em uma região, a hidrologia é definida por sua topografia, geologia e vegetação. Estes
são alterados a medida que a civilização progride, alterando os fluxos e
armazenamentos em cada um dos compartimentos físicos
Ciclo hidrológico
Na maior parte dos problemas práticos (p.e. drenagem urbana), vamos considerar 
apenas alguns dos processos citados em um determinado momento e apenas uma 
porção da superfície terrestre
Uma definição que será usada para as analises é a de volume de controle, que na 
mecânica dos fluidos é a unidade onde são aplicadas os princípios de conservação da 
massa, momento e energia para um sistema
Partindo deste princípio, é possível ter equações práticas para o movimento da água 
devido aos processos citados (p.e. evaporação)
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Ciclo hidrológico
Por analogia, um sistema hidrológico se define como uma estrutura (volume no espaço), 
delimitado por uma fronteira, que aceita água e outras entradas (ar, calor, seres vivos,...) 
e produz uma saída
A fronteira é uma superfície continua definida em três dimensões. No interior do sistema 
ocorrem processos físicos e biológicos que são as interações das entradas e que 
culminam nas saídas do sistema
O processo de desenvolvimento das equações e modelos dos fenômenos hidrológicos é 
similar ao que se dá em mecânica dos fluidos, entretanto com um maior erro, já que são 
necessárias aproximações devido a complexidade e escala do sistema
Adicionalmente, a maior parte dos sistemas hidrológicos são intrinsecamente aleatórios, 
porque sua principal entrada é a precipitação, um fenômeno altamente aleatório e 
imprevisível, o que faz necessário recorrer a analises estatísticas em hidrologia
Bacia hidrográfica
O ciclo hidrológico é estudado com maior frequência na fase terrestre do ponto de 
vista da engenharia.
Na superfície terrestre, o elemento fundamental de análise é a bacia hidrográfica.
A bacia hidrográfica é um conjunto de superfícies vertentes e de uma rede de 
drenagem formada por cursos d’água que confluem até resultar em um leito único no 
exutório.
Bacia hidrográfica
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Bacia hidrográfica
Bacia hidrográfica Bacia hidrográfica
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Modelo de um sistema hidrológico
O objetivo da análise do sistema hidrológico é estudar a operação do sistema e 
predizer sua saída
Um modelo se um sistema hidrológico é uma aproximação do sistema real: suas 
entradas e saída são variáveis hidrológicas mensuráveis e sua estrutura é um conjunto 
de equações que as conectam.
As entradas e saídas podem ser expressas como funções do tempo I(t) e Q(t), e sua 
relação (Ω) pode ser dada por:
𝑄 𝑡 = Ω𝐼(𝑡)
Se Ω é uma constante, pode ser representado por C , e temos a seguinte expressão 
de transferência:
Ω = 𝐶 =
𝑄 𝑡
𝐼 𝑡
Modelo de um sistema hidrológico
Se a transformação é descrita por uma equação diferencial, a função de transferência 
funciona como um operador de diferencial. Por exemplo, um reservatório linear tem 
seu armazenamento S relacionado com a vazão Q por:
𝑆 = 𝑘𝑄
Onde 𝑘 é uma constante e tem dimensões de tempo. Sabendo que, pela equação da
continuidade, a taxa de variação de armazenamento 𝑑𝑆/𝑑𝑡 é a diferença entre
entradas e saídas, temos:
𝑑𝑆
𝑑𝑡
= 𝐼 𝑡 − 𝑄 𝑡
𝑑 𝑘𝑄
𝑑𝑡
= 𝑘
𝑑𝑄
𝑑𝑡
= 𝐼 𝑡 − 𝑄(𝑡) ou k
𝑑𝑄
𝑑𝑡
+𝑄 𝑡 = 𝐼 𝑡 , então
Ω =
𝑄 𝑡
𝐼 𝑡
=
1
1+𝑘𝐷
, onde D é o operador 𝑑/𝑑𝑡
Modelo de um sistema hidrológico
Um modelo hidrológico pode ser dividido em duas categorias: físicos e abstratos
Modelos físicos: incluem-se modelos de escala reduzida, que podem representar por 
exemplo um modelo de um rompimento de barragem ou o modelo de Hele-Shaw, 
que, que serve para a representação do movimento de um fluido viscoso entre placas 
paralelas fixas, similar ao que acontece em um aquífero
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Modelo de um sistema hidrológico
Modelos abstratos: representam o sistema de forma matemática, através de um conjunto de 
equações que relacionam entrada e saída
Estas variáveis podem ser funções do espaço e do tempo, e também podem ser variáveis 
probabilísticas (estatisticamente aleatórias). Por exemplo, a precipitação de amanhã não 
pode ser prevista exatamente, mas é possível estimar uma valor de chuva atrelado a uma 
probabilidade de ocorrência
Portanto, tentar desenvolver um modelo matemático onde são necessárias variáveis 
aleatórias e que variam no tempo e no espaço não é uma tarefa fácil, sendo necessário em 
casos práticos simplificar o modelo negligenciando algumas variações
Pode-se classificar os modelos através de três perguntas:
O modelo requer variáveis aleatórias?
Elas variam no espaço?
Elas variam no tempo?
Modelo de um sistema hidrológico
Os modelos matemáticos podem ser classificados em determinísticos ou estocásticos
Modelos determinísticos:uma entrada produz sempre a mesma saída
Modelos estocásticos: as saídas são parcialmente aleatórias
Pode-se dizer que modelos determinísticos fazem prognósticos e modelos -
estocásticos previsões
Apesar de que todos os fenômenos hidrológicos implicam em algum grau de 
aleatoriedade (incerteza), a variabilidade da variável resultante de saída pode ser 
pequena quando comparada com a variabilidade e incerteza dos dados de entrada e 
equações do modelo matemático, tornando-o assim ainda apropriado
Quando a aleatoriedade é grande, um modelo estocástico pode ser mais adequado: 
precipitação x evapotranspiração
Modelo de um sistema hidrológico
Os modelos matemáticos determinísticos podem ser também do tipo concentrados e
distribuídos:
Modelos concentrados: não consideram a variabilidade espacial dos fenômenos
Modelos distribuídos: consideram a variabilidade espacial dos fenômenos
Já os modelos estocásticos podem ser independentes do tempo ou correlacionados com ele
A precipitação varia no espaço, regiões de cabeceira tendem a ter maiores precipitações (no
caso de uma climatologia homogênea na região) em relação ao restante da bacia.
E por último, os modelos matemáticos determinísticos pode ser classificados também como
de regime permanente ou não permanente:
Modelos de regime permanente: há variação no tempo
Modelos de regime não-permanente: não há variação no tempo
Modelos estocásticos sempre tem saídas que são variáveis com o tempo e são classificados
como independentes do tempo ou correlacionados com ele
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