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11/10/2017 1 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 11/10/2017 2 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 11/10/2017 3 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 11/10/2017 4 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? 11/10/2017 5 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 11/10/2017 6 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 11/10/2017 7 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 11/10/2017 8 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 11/10/2017 9 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 11/10/2017 10 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) 11/10/2017 11 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 11/10/2017 12 Bacia hidrográfica Bacia hidrográfica Bacia hidrográfica 11/10/2017 13 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 11/10/2017 14 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 11/10/2017 15
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