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Introdução a Hidrologia

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Hidrologia e Recursos Hídricos
Prof. Luiz Teixeira
Graduação em Engenharia Civil e Ambiental
2017.1
Introdução
Hidrologia é a ciência da água. 
É a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o meio ambiente, incluindo sua relação com a vida.
Áreas de atuação da Hidrologia
Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica: planejamento e controle do uso dos recursos naturais.
Abastecimento de Água: limitação nas regiões áridas e semi-áridas do país.
Drenagem Urbana: cerca de 75% da população vive em área urbana. Enchentes, produção de sedimentos e problemas de qualidade da água.
Aproveitamento Hidrelétrico: a energia hidrelétrica constitui 92% de toda energia produzida no país. Depende da disponibilidade de água, da sua regularização por obras hidráulicas e o impacto das mesmas sobre o meio ambiente.
Áreas de atuação da Hidrologia
Uso do Solo Rural: produção de sedimentos e nutrientes, resultando em perda do solo fértil e assoreamento dos rios.
Controle de Erosão: medidas de combate à erosão do solo.
Controle da Poluição e Qualidade da Água: tratamento dos despejos domésticos e industriais e de cargas de pesticidas de uso agrícola.
Irrigação: a produção agrícola em algumas áreas depende essencialmente da disponibilidade de água.
Navegação.
Recreação e Preservação do Meio Ambiente.
Preservação dos Ecossistemas Aquáticos.
Introdução
A água vai acabar?
O que pode acontecer com a água?
 AÇÃO DA ENGENHARIA NOS RECURSOS HÍDRICOS
A água deve ter seu uso regulado para satisfazer a uma ampla gama de propósitos. 
A atenuação dos danos das enchentes, drenagem de terras, disposição de esgotos e projetos de bueiros para o controle das águas, a fim de que não causem danos excessivos a propriedades, não tragam inconveniências ao público, ou perda de vidas.
Abastecimento de água, irrigação, aproveitamento do potencial hidrelétrico e obras hidroviárias.
São exemplos do aproveitamento da água para fins úteis. A poluição prejudica a utilização da água e diminui seriamente o valor estético dos rios. 
Introdução
A água é uma substância com características incomuns. 
É a substância mais presente na superfície do planeta Terra ocupando mais de 70% do globo. 
O corpo humano é composto por água (cerca de 70%)
Todas as formas de vida necessitam da água para sobreviver. 
É a única substância na Terra naturalmente presente nas formas líquida, sólida e gasosa *. 
A quantidade de água presente na Terra não tem variado ao longo do tempo. Mantém-se igual à quantidade de água do tempo que os dinossauros habitavam o planeta, a milhões de anos atrás. 
A busca de vida em outros planetas está fortemente relacionada a busca de indícios da presença de água.
*Apresenta-se na natureza, nas condições de temperatura e pressão normais, nos 3 estados físicos (sólido, líquido e gasoso)
Hidrologia
É uma ciência interdisciplinar.
Tem ganhado significância a partir do aumento dos problemas relacionados à BACIA HIDROGRÁFICA, com a ocupação inadequada, aumento da utilização da água para diversos fins e impactos que provoca no ambiente, com possibilidades de desregular o ciclo hidrológico.
A ÁGUA.
Características da água
Um dos composto de maior distribuição e importância na crosta da Terra;
Nenhum processo metabólico ocorre sem sua ação direta ou indireta;
Propriedades anômalas possibilitaram surgimento e manutenção da vida na Terra;
Características da água
Composto formado basicamente por moléculas covalentes, onde um átomo de OXIGÊNIO reparte um par de elétrons com dois átomos HIDROGÊNIOS;
Características da água
A molécula de água é fortemente POLAR (molécula dipolo)
O oxigênio, sendo mais eletronegativo, atrai os elétrons, formando um polo negativo. Cada hidrogênio formará um polo positivo. Portanto, a molécula da água apresenta extremidades com cargas elétricas diferentes.
Características
ligações entre duas moléculas é através de PONTES de HIDROGÊNIO – devido atração eletrostática mútua entre extremidade positiva (H+) de uma e negativa (O-) de outra.
Essas ligações através de pontes de hidrogênio é que dão a característica fluida da água.
Importância da água
possui quantidade finita no planeta, apesar de ser também um recurso renovável graças a sua circulação contínua que ocorre no chamado ciclo da água ou ciclo hidrológico.
tem múltipla utilidade, com usos nem sempre compatíveis entre si, incluindo o uso ambiental para a conservação de ecossistemas naturais;
ser biologicamente essencial ao homem, portanto tem forte caráter social.
Importância da água
Essencial à vida
Regulador térmico
Produção de alimentos
Essencial à saúde – veiculação hídrica de doenças
Produção de energia
Insumo industrial
Meio de transporte
Recreação e paisagismo
Tipos de água
bruta - é o termo utilizado para caracterizar a água na própria fonte, sem ter sofrido nenhum tipo de tratamento artificial. Está sob a de responsabilidade do poder público federal ou estadual no Brasil e é o objeto dos Sistemas de Gestão de Recursos Hídricos.
tratada - é a água que foi submetida a um ou mais processos de remoção de impurezas e/ou de correção de impropriedade. É de responsabilidade da Cia de Urbana de Águas e Esgotos, sob concessão e regulação do poder público municipal ou estadual no Brasil.
mineral - é a água que provém do interior da crosta terrestre, contendo naturalmente substâncias em solução que lhe dão valor terapêutico, tais como anidrido carbônico, bicarbonato de sódio, gás sulfídrico, sulfatos, os sais neutros de magnésio, potássio e sódio. Tem legislação própria que se difere da legislação da água bruta e tratada.
termal - é a água mineral originada de camadas profundas da crosta terrestre e que atinge a superfície com temperatura elevada.
Tipos de água
pura - é a água praticamente desprovida de substâncias estranhas e que pode ser utilizada para determinado fim sem sofrer tratamento. O conceito de pureza é relativo. Exemplificando, uma água pode ser pura para uso doméstico e impura para certo uso industrial.
potável - é a água inofensiva à saúde, agradável aos sentidos e adequada aos usos domésticos.
poluída - é toda a água de características alteradas devido à presença indesejável de substâncias estranhas e/ou pequenos organismos que a tornam imprópria para o consumo.
contaminada - é água poluída por germes patogênicos. Esta definição muitas vezes confunde-se com o de água poluída.
doce - é a água de gosto agradável e que, por exclusão, não é dura, salgada, mineral, termal ou radiativa.
Disponibilidade hídrica
De toda água existente no Planeta, ela se distribui em:
96,4 % Oceanos;
1,8% Geleiras;
0,6% águas subterrâneas;
0,01% em rios e lagos;
0,0007% na atmosfera
Importância da água
A carência de água pode ser para muitos países um dos fatores limitantes para o desenvolvimento. 
Alguns países como Israel, Territórios Palestinos, Jordânia, Líbia, Malta e Tunísia a escassez de água já atingiu níveis muito perigosos: existem apenas 500 m3.habitante.ano, 
Estima-se que a necessidade mínima de uma pessoa seja 2000 m3.habitante.ano.
Quanto vale o metro cúbico?
1 M³ é igual a 1.000 L
Cálculo de volume:
Retângulo: M³ = ALTURA X COMPRIMENTO X LARGURA
Cilindro: Pi x RAIO² x ALTURA
Triângulo: (B1 x B2) / 2 X ALTURA. (resultado divide por 3)
Importância da água
Atualmente a falta de água atinge severamente 26 países, além dos já citados estão nesta situação: 
Arábia Saudita, Iraque, Kuwait, Egito, Argélia, Burundi, Cabo Verde, Etiópia, Cingapura, Tailândia, Barbados, Hungria, Bélgica, México, Estados Unidos, França, Espanha e outros. 
No Brasil, a ocorrência mais freqüente de seca é no Nordeste e problemas sérios de abastecimento em outras regiões já são identificados e conhecidos. 
Alertas de organismos internacionais mencionam que nos próximos 25 anos, cerca de 3 bilhões de pessoas poderão viver em regiões com extrema falta de água, inclusive para o próprio consumo.
Importância da água
A idéia que a grande maioria das pessoas possui com relação à água é que esta é infinitamente abundante e sua renovação é natural. 
No entanto, ocupando 71% da superfície do planeta, sabe-se que:
 97,30% deste total constituem-se de águas salgadas, 
2,70% são águas doces. 
Do total de água doce, 2,07% estão congeladas em geleiras e calotas polares (água em estado sólido) e, apenas 0,63% resta de água doce não totalmente aproveitada por questões de inviabilidade técnica, econômica, financeira e de sustentabilidade ambiental
Em escala global, estima-se que 1,386 bilhões de km3 de água estejam disponíveis, porém, a parte de água doce econômica de fácil aproveitamento para satisfazer as necessidades humanas, é de aproximadamente 14 mil km3.ano (0,001%).
A estimativa atual da população mundial é de 6 bilhões. Um número três vezes maior do que em 1950, porém enquanto a população mundial triplicou o consumo de água aumentou em seis vezes.
A Organização das Nações Unidas, ONU, prevê que, se o descaso com os recursos hídricos continuar, metade da população mundial não terá acesso à água limpa a partir de 2025. 
Hoje, este problema já afeta cerca de 20% da população do planeta – mais de 1 bilhão de pessoas. 
Mantendo-se as taxas de consumo e considerando um crescimento populacional à razão geométrica de 1,6% a.a., o esgotamento da potencialidade de recursos hídricos pode ser referenciado por volta do ano 2053.
Portanto, as disponibilidades hídricas precisam ser ampliadas e, para tanto, são necessários investimentos em pesquisa e desenvolvimento tecnológico para exploração viável e racional da água.
Segundo a FAO a Argentina, o Peru e o Chile já enfrentam sérios problemas de disponibilidade e contaminação da água por efluentes agro-industriais. 
A situação brasileira não é de tranqüilidade, embora seja considerado um país privilegiado em recursos hídricos. Contudo, conflitos de qualidade, quantidade e déficit de oferta já são realidade.
Outra questão refere-se ao desperdício de água estimado em 40% por uso predatório e irracional. Por exemplo, em Cuiabá o desperdício chega a 53% de toda água encanada e na cidade de São Paulo a população convive com um desperdício de 45% nos 22.000 km de encanamentos, causados por vazamentos e ligações clandestinas. 
Enquanto a escassez de água é cada vez mais grave, na região nordeste a sobrevivência, a permanência da população e o desenvolvimento agrícola dependem essencialmente da oferta de água.
O Brasil é o país mais rico em água doce, com 12% das reservas mundiais. 
Do potencial de água de superfície do planeta, concentram-se 18%, escoando pelos rios aproximadamente 257.790 m3.s. 
Apesar de apresentar uma situação aparentemente favorável, observa-se no Brasil uma enorme desigualdade regional na distribuição dos recursos hídricos
Ao se considerar em lugar de disponibilidade absoluta de recursos hídricos renováveis, àquela relativa à população deles dependentes, o Brasil deixa de ser o primeiro e passa ao vigésimo terceiro no mundo. 
Mesmo considerando-se a disponibilidade relativa, existe ainda em nosso país o problema do acesso da população à água tratada, por exemplo, podemos citar a cidade de Manaus, que está localizada na Bacia Amazônica e grande parte das moradias não recebe água potável.
No Brasil, cerca de 36% das moradias, ou seja, aproximadamente 20 milhões de residências, não têm acesso a água de boa qualidade, segundo dados do IBGE.
As águas subterrâneas no Brasil oferecem um potencial em boa parte ainda não explorado. Ao contrário de outros países que possuem informações e bancos de dados do potencial subterrâneo de água, no Brasil a matéria é tratada com meros palpites e avaliações grosseiras.
A questão crucial do uso da água subterrânea reside no elevado custo de exploração além de exigir tecnologia avançada para investigação hidrogeológica.
O setor agrícola é o maior consumidor de água. Ao nível mundial a agricultura consome cerca de 70% de toda a água derivada das fontes (rios, lagos e aqüíferos subterrâneos), e os outros 30% pelas indústrias e uso doméstico. 
Sendo este o elemento essencial ao desenvolvimento agrícola, sem o controle e a administração adequados e confiáveis não será possível uma agricultura sustentável. 
No Brasil 70% da água consumida ocorre na agricultura irrigada, 20% é utilizada para uso doméstico e 10% pelo setor industrial.
Um outro fato preocupante é velocidade de degradação dos recursos hídricos, com o despejo de resíduos domésticos e industriais nos rios e lagos. 
O país lança sem nenhum tratamento aos rios e lagoas cerca de 85% dos esgotos que produz, segundo dados do IBGE. 
Somente a Ásia despeja 850 bilhões de litros de esgoto nos rios por ano.
No mundo 10 milhões de pessoas morrem anualmente de doenças transmitidas por meio de águas poluídas: tifo, malária, cólera, infecções diarréicas e esquistossomose. 
Segundo a ONU, a cada 25 minutos morre no Brasil, uma criança vítima de diarréia, doença proveniente do consumo de água de baixa qualidade.
O saneamento básico é de fundamental importância para a preservação dos recursos hídricos, pois cada 1 litro de esgoto inutiliza 10 litros de água limpa.
Em função de suas qualidades e quantidades, a água propicia vários tipos de uso, isto é, múltiplos usos. O uso dos recursos hídricos por cada setor pode ser classificado como consuntivo e não consuntivo.
a) Uso Consuntivo: É quando, durante o uso, é retirada uma determinada quantidade de água dos mananciais e depois de utilizada, uma quantidade menor e/ou com qualidade inferior é devolvida, ou seja, parte da água retirada é consumida durante seu uso. Exemplos: abastecimento, irrigação, etc.
b) Uso Não Consuntivo: É aquele uso em que é retirada uma parte de água dos mananciais e depois de utilizada, é devolvida a esses mananciais a mesma quantidade e com a mesma qualidade, ou ainda nos usos em que a água serve apenas como veículo para uma certa atividade, ou seja, a água não é consumida durante seu uso. Exemplos: pesca, navegação, etc.
O ciclo hidrológico
Conceitua o percurso que a água realiza, em seus diversos estados físicos, no subsolo, na superfície terrestre e na atmosfera.
Quando pensado Globalmente é um ciclo fechado e contínuo, alimentado pela energia solar e pela força da gravidade terrestre. Quando pensado regionalmente comporta-se como um ciclo aberto, com perda ou ganho de recursos hídricos.
Tem a função de redistribuir a água na superfície terrestre. 
Redistribuição da água no planeta não é homogênea, varia no espaço e no tempo, muitas vezes ocasionando regiões ou anos propensos a secas ou a inundações (influências da vegetação, clima, meteorologia, intervenções antrópicas, dentre outros).
O conceito de ciclo hidrológico está ligado ao movimento e à troca de água nos seus diferentes estados físicos, que ocorre na Hidrosfera, entre os oceanos, as calotes de gelo, as águas superficiais, as águas subterrâneas e a atmosfera. 
Este movimento permanente deve-se ao Sol, que fornece a energia para elevar a água da superfície terrestre para a atmosfera (evaporação), 
e à gravidade, que faz com que a água condensada se caia (precipitação) e que, 
uma vez na superfície, circule através de linhas de água que se reúnem em rios até atingir os oceanos (escoamento superficial) 
ou se infiltre nos solos e nas rochas, através dos seus poros, fissuras e fraturas (escoamento subterrâneo). 
Nem toda a água precipitada alcança a superfície terrestre, já que uma parte, na sua queda, pode ser interceptada pela vegetação e volta a evaporar-se.
Ciclo Hidrológico
A água que se infiltra no solo é sujeita a evaporação direta para a atmosfera e é absorvida pela vegetação, que através da transpiração, a devolve à atmosfera. Este processo chamado evapotranspiração ocorre no topo da zona não saturada, ou seja, na zona onde os espaços entre as partículas de solo contêm tanto ar como água.
A água que continua a infiltrar-se e atinge a zona saturada, entra na circulação subterrânea
e contribui para um aumento da água armazenada (recarga dos aquíferos). Na zona saturada (aquífero), os poros ou fraturas das formações rochosas estão completamente preenchidos por água (saturados). 
O topo da zona saturada corresponde ao nível freático. No entanto, a água subterrânea pode ressurgir à superfície (nascentes) e alimentar as linhas de água ou ser descarregada diretamente no oceano.
Fases do ciclo hidrológico
Condensação Atmosférica 
Precipitação 
Retenção Superficial
Intercepção Vegetal
Acumulo nas Depressões
Infiltração 
Escoamento Superficial 
Cursos D'Águas 
Evaporação 
Evaporação Direta 
Evaporação das Superfícies Líquidas 
Evaporação no Solo 
Transpiração Vegetal 
Fases do ciclo hidrológico
Condensação Atmosférica - corresponde à mudança de estado do vapor atmosférico para a forma líquida. Formam gotículas de água que, pelo seu reduzido peso, permanecem em suspensão formando as nuvens.
Precipitação - As gotículas se juntam, ganhando peso suficiente para se precipitarem, são as chuvas. São também precipitações a neve e o granizo.
Fases do ciclo hidrológico
Retenção Superficial - Corresponde à ação de obstáculos na superfície da Terra, que absorvem uma parcela das águas das chuvas que caem nos continentes. Podem ser:
Intercepção Vegetal - É a parcela da água da chuva, que fica retida pelo molhamento das folhas e galhos dos vegetais e que posteriormente irá se evaporar. Não chega à terra.
 
Acumulo nas Depressões - Parcela da precipitação que fica retida nas depressões do terreno, impedida de escoar por cima do solo, e que posteriormente irá evaporar e infiltrar.
Fases do ciclo hidrológico
Infiltração - É a penetração da água na superfície do solo, através de seus poros, com direção predominantemente vertical, que ocorre apenas durante ou imediatamente após uma precipitação.
 
Escoamento Subterrâneo - É o fluxo que se processa através dos poros do, quando este se encontra saturado de água. Tem direção predominantemente horizontal, em direção dos rios e lagos. O escoamento subterrâneo transfere água do lençol aquífero para os cursos d'águas, não deixando que a maioria dos rios sequem durante estiagens prolongadas.
Fases do ciclo hidrológico
Escoamento Superficial - é a parcela da precipitação que escoa por cima do solo. Corresponde ao saldo da precipitação que chega ao solo, descontadas a Retenção Superficial e a Infiltração.
Cursos D'Águas - os rios recebem a contribuição do Escoamento Superficial e Subterrâneo. Escoam por gravidade em direção das cotas mais baixas até alcançarem outros rios, lagos e oceanos.
Fases do ciclo hidrológico
Evaporação - é a transformação física da água do estado líquido para o estado gasoso, sob a forma de vapor d'água. Pode ser:
Evaporação Direta - é aquela que se processa durante a queda da chuva, antes de ela alcançar a superfície da Terra.
Evaporação das Superfícies Líquidas - é a que se dá nas superfícies de oceanos, lagos, rios e reservatórios, nas águas acumuladas nas depressões e retida pelos vegetais.
Evaporação no Solo - é a que se processa sobre a partir da água contida nas camadas superiores do solo. Pelo fato do solo ir secando conforme a evaporação se processa sem nova precipitação, a evaporação do solo é decrescente e portanto menor que a que ocorre em superfícies líquidas.
Fases do ciclo hidrológico
Transpiração Vegetal - é o mecanismo biológico onde os vegetais lançam a água absorvida, necessária no seu metabolismo, na atmosfera, sob a forma de vapor.
Importante!!!
Ocorre uma interação grande entre as diversas fases do Ciclo. Evaporação e a Transpiração altas aumentam os índices pluviométricos de uma região, que aumenta o Escoamento Superficial, a Infiltração, o Escoamento Subterrâneo e o escoamentos nos Cursos D’Águas. 
É responsável também pela purificação da qualidade da água.
A água quimicamente pura (H2O) não é encontrada na natureza e o que chamamos de água é na verdade uma "sopa" contendo diferentes tipos de substâncias orgânicas, inorgânicas e animadas. 
Quando as gotas de chuva caem atritando com uma atmosfera poluída, ocorre a chamada chuva ácida, pois a água já chega na superfície com altos teores de poluentes. Nociva para agricultura, edificações, e ecossistemas diversos.
Importante
Os recursos de água têm determinado o destino de muitas civilizações ao longo da história. 
Povos entraram em conflito e guerras foram iniciadas em torno de problemas relacionados ao acesso à água.
O crescimento da população mundial ao longo do último século tornou criticamente necessária a racionalização do uso da água.
No Brasil a geração de energia elétrica é apenas um dos usos da água, mas sua importância é muito grande, chegando a influenciar fortemente as estimativas do valor associado á água.
Ciclo Hidrológico
2.2. Equação Hidrológica
I - O = ΔS
I = (entradas) incluindo todo o escoamento superficial por meio de canais e sobre a superfície do solo, o escoamento subterrâneo, ou seja, a entrada de água através dos limites subterrâneos do volume de controle, devido ao movimento lateral da água do subsolo, e a precipitação sobre a superfície do solo;
O = saídas de água do volume de controle, devido ao escoamento superficial, ao escoamento subterrâneo, à evaporação e à transpiração das plantas; e
ΔS = variação no armazenamento nas várias formas de retenção, no volume de controle.
Apesar dessa simplificação, o ciclo hidrológico é um meio conveniente de apresentar os fenômenos hidrológicos, servindo também para dar ênfase às quatro fases básicas de interesse do engenheiro, que são: precipitação; evaporação e transpiração; escoamento superficial / subterrâneo.

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