Ciclo Hidrológico

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Capítulo 2 
CICLO HIDROLÓGICO 
André L.L. da Silveira (Modifica por Gasparini - 2016) 
Introdução 
o ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, 
impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre. 
A superfície terrestre abrange os continentes e os oceanos, participando do ciclo hidrológico a camada porosa que recobre os 
continentes (solos, rochas) e o reservatório formado pelos oceanos. Parte do ciclo hidrológico é constituída pela circulação da água 
na própria superfície terrestre, isto é: a circulação de água no interior e na superfície dos solos e rochas, nos oceanos e nos seres 
vivos. 
A atmosfera também possui uma diversidade de condições físicas importante. Entretanto, a maioria dos fenômenos 
meteorológicos acontece na fina camada inferior da atmosfera com 8 a 16 km de espessura, chamada de troposfera, onde está 
contida a quase totalidade da umidade atmosférica, cerca de 90%. Logo acima da troposfera está situada a estratosfera, com 
espessura entre 40 e 70km, cuja importância reside no fato de conter a camada de ozônio que é reguladora da radiação solar que 
atinge a superfície terrestre, principal fonte de energia do ciclo hidrológico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Camadas da atmosfera 
http://meteoropole.com.br/2011/09/a-atmosfera/ 
 
 
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 líquido e sólido. A umidade no estado de vapor é 
invisível, sendo as nuvens um conjunto de aerossóis visíveis de microgotícolas de água, mais umidade, e, dependendo da região e 
estação do ano, partículas de gelo. 
O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera, fechando o ciclo hidrológico, ocorre em dois 
sentidos: a) no sentido superfície-atmosfera, onde o fluxo de água ocorre fundamentalmente na forma de vapor, como decorrência 
dos fenômenos de evaporação e de transpiração, este último um fenômeno biológico; b) no sentido atmosfera-superfície, onde a 
transferência de água ocorre em qualquer estado físico, sendo mais significativas, em termos mundiais, as precipitações de chuva e 
neve. 
O ciclo hidrológico só é fechado em nível global. Os volumes evaporados em um determinado local do planeta não 
precipitam necessariamente no mesmo local, porque há movimentos contínuos, com dinâmicas diferentes, na atmosfera, e também 
na superfície terrestre. Da precipitação que ocorre nos continentes, por exemplo, somente parte é aí evaporada, com o restante 
escoando para os oceanos. À medida que se considere áreas menores de drenagem, fica mais caracterizado o ciclo hidrológico 
como um ciclo aberto ao nível local. 
 
Entre os fatores que contribuem para que haja uma grande variabilidade nas manifestações do ciclo hidrológico, nos diferentes pontos 
do globo terrestre, pode-se enumerar: a desuniformidade com que a energia solar atinge os diversos locais, o diferente comportamento 
térmico dos continentes em relação aos oceanos, a quantidade de vapor de água, CO2 e ozônio na atmosfera, a variabilidade espacial de 
solos e coberturas vegetais, e a influência da rotação e inclinação do eixo terrestre na circulação atmosférica, sendo esta última a razão da 
existência das estações do ano. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Desuniformidade com que a energia solar atinge os 
diversos locais; Variabilidade espacial de solos e 
coberturas vegetais; 
http://geografiaeducacional.blogspot.com.br/2015/03/blog-
post.html 
 
 
 
 
 
Influência da rotação e inclinação do eixo terrestre na circulação atmosférica 
http://www.clickescolar.com.br/movimentos-da-terra.htm; 
http://ensinofisicaquimica.blogspot.com.br/2008_01_01_archive.html 
http://parquedaciencia.blogspot.com.br/2014/09/climatologia-parte-ii.htm 
Descrição geral do ciclo hidrológico 
Pode-se começar a descrever o ciclo hidrológico a partir do vapor de água presente na atmosfera que, sob determinadas condições 
meteorológicas, condensa-se, formando microgotícolas de água que se mantêm suspensas no ar devido à turbulência natural. O 
agrupamento das microgotícolas, que são visíveis, com o vapor de água, que é invisível, mais eventuais partículas de poeira e gelo, formam 
um aerossol que é chamado de nuvem ou de nevoeiro, quando o aerossol forma-se junto ao solo. Através da dinâmica das massas de ar, 
acontece a principal transferência de água da atmosfera para a superfície terrestre que é a precipitação. 
A precipitação, na sua forma mais comum que é a chuva, ocorre quando complexos fenômenos de aglutinação e crescimento das 
microgotícolas, em nuvens com presença significativa de umidade (vapor de água) e núcleos de condensação (poeira ou gelo), formam uma 
grande quantidade de gotas com tamanho e peso suficientes para que a força da gravidade supere a turbulência normal ou movimentos 
ascendentes do meio atmosférico. Quando o vapor de água transforma-se diretamente em cristais de gelo e estes atingem tamanho e peso 
suficientes, a precipitação pode ocorrer na forma de neve ou granizo. 
No trajeto em direção à superfície terrestre a precipitação já sofre evaporação. Em algumas regiões esta evaporação pode ser 
significativa, existindo casos em que a precipitação é totalmente vaporizada. 
Caindo sobre um solo com cobertura vegetal, parte do volume precipitado sofre interceptação em folhas e caules, de onde evapora. 
Excedendo a capacidade de armazenar água na superfície dos vegetais, ou por ação dos ventos, a água interceptada pode-se reprecipitar 
para o solo. A interceptação é um fenômeno que ocorre tanto com a chuva como com a neve. 
A água que atinge o solo segue diversos caminhos. Como o solo é um meio poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao 
solo, enquanto a superfície do solo não se satura. A partir do momento da saturação superficial, à medida que o solo vai sendo saturado a 
maiores profundidades, a infiltração decresce até uma taxa residual, com o excesso não infiltrado da precipitação gerando escoamento 
superficial. A infiltração e a percolação no interior do solo são comandadas pelas tensões capilares nos poros e pela gravidade. A umidade 
do solo realimentada pela infiltração é aproveitada em parte pelos vegetais, que a absorvem pelas raízes e a devolvem, quase toda, à 
atmosfera por transpiração, na forma de vapor de água. O que os vegetais não aproveitam, percola para o lençol freático que normalmente 
contribui para o escoamento de base dos rios. 
 
 
Infiltração 
http://2.bp.blogspot.com/-
rF_m5cO3n9M/U3cWFMXqY_I/AA
AAAAAANq4/Jg9ar12JFos/s1600/fi
g2.jpg/ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O escoamento superficial é impulsionado pela gravidade para as cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a 
superfície do solo. O escoamento superficial manifesta-se inicialmente na forma de pequenos filetes de água que se moldam ao 
microrrelevo do solo. A erosão de partículas de solo pelos filetes em seus trajetos, aliada à topografia preexistente, molda, por sua vez, uma 
microrrede de drenagem efêmera que converge para a rede de cursos de água mais estável, formada por arroios e rios. A presença de 
vegetação na superfície do solo contribui para obstaculizar o escoamento superficial, favorecendo a infiltração em percurso. A vegetação 
também reduz a energia cinética de impacto das gotas de chuva no solo, minimizando a erosão. 
Com raras exceções, a água escoada pela rede de drenagem mais estável destina-se ao oceano. Nos oceanos a circulaçãodas águas é 
regida por uma complexa combinação de fenômenos físicos e meteorológicos, destacando-se a rotação terrestre, os ventos de superfície, 
variação espacial e temporal da energia solar absorvida e as marés. 
Em qualquer tempo e local por onde circula a água na superfície terrestre, seja nos continentes ou nos oceanos, há evaporação para a 
atmosfera, fenômeno que fecha o ciclo hidrológico ora descrito. Naturalmente, por cobrir a maior parte da superfície terrestre, cerca de 
70%, a contribuição maior é a dos oceanos. Entretanto o interesse maior, por estar intimamente ligada a maioria das atividades humanas, 
reside na água doce dos continentes, onde é importante o conhecimento da evaporação dos mananciais superficiais líquidos e dos solos, 
assim como da transpiração vegetal. 
 
 
http://slideplayer.com.br/slide/17
45554 
 
 
A evapotranspiração, que é a soma da evaporação e da transpiração, depende da radiação solar, das tensões de vapor do ar e dos 
ventos. Na figura 2.1 pode-se visualizar um corte esquemático do continente com as diversas fases do ciclo hidrológico. 
Em certas regiões da Terra o ciclo hidrológico manifesta-se de forma bastante peculiar. Por exemplo, nas calotas polares ocorre pouca 
precipitação e a evaporação é direta das geleiras. Nos grandes desertos também são raras as precipitações, havendo água permanentemente 
disponível somente a grande profundidade, sem trocas significativas com a atmosfera, tendo sido estocada provavelmente em tempos 
remotos. 
A energia calorífica do Sol, fundamental ao ciclo hidrológico, somente é aproveitada devido ao efeito estufa natural causado pelo 
vapor de água e CO2 que impede a perda total do calor emitido pela Terra originado pela radiação solar (ondas curtas) recebida. Assim a 
atmosfera mantém-se aquecida, possibilitando a evaporação e transpiração naturais. Como cerca da metade do CO2 natural é absorvido no 
processo de fotossíntese das algas nos oceanos, verifica-se que é bastante importante a interação entre oceanos e atmosfera para a 
estabilidade do clima e do ciclo hidrológico. 
 
 
 
 
Figura 2.1 Componentes do Ciclo Hidrológico 
 
 
 
 
 
 
Quantificação geral dos fluxos e reservas de água 
 
A quantificação dos fluxos e reservas de água do ciclo hidrológico global foi realizada por diversos pesquisadores e os trabalhos 
recentes não apresentam entre si discrepâncias marcantes. Um exemplo destes trabalhos é o apresentado por Peixoto e Oort (1990) cujos 
valores são comentados a seguir. Para as reservas de água os valores são comentados a seguir. Para as reservas de água os valores 
apresentados são os seguintes: 
 
Oceanos 1.350 x 10
15
 m
3
 
Geleiras 25 x 10
15
 m
3
 
Águas subterrâneas 8,4 x 10
15
 m
3
 
Rios e Lagos 0,2 x 10
15
 m
3
 
Biosfera 0,0006 x 1015 m3 
Atmosfera 0,0130 x10
15
 m
3
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://aguanouniverso.blogspot.co
m.br/2011/04/distribuicao-da-
agua-na-terra.html 
 
 
 
 
 
 
Essa quantificação estática não deixa transparecer a importância relativa de cada reserva na dinâmica do ciclo da água. Por exemplo, 
a atmosfera armazena uma quantidade ínfima da água disponível no planeta, mas dá origem à precipitação que é uma fase fundamental na 
dinâmica do ciclo hidrológico. Outro exemplo de desproporção entre a importância dinâmica e a quantidade armazenada é a que se observa 
nas camadas superiores dos solos, normalmente não-saturadas: apenas 0,06 x 1015 m3 (0,08% das águas subterrâneas) estão presentes 
nestes locais, em contraposição à sua importância no ciclo hidrológico, no fenômeno da infiltração. No que diz respeito aos oceanos a 
quantidade de água armazenada (97%) é tão significativa quanto o seu papel no ciclo hidrológico. 
O equilíbrio médio anual, em volume, entre a precipitação e a evapotranspiração, que são os dois fluxos principais entre a superfície 
terrestre e a atmosfera, em nível global apresenta o seguinte valor: 
 
 
P = E = 423 x 10
12
 m
3
/ano (2.1)
 
 
 
A evaporação direta dos oceanos para a atmosfera corresponde a 361 x 10 12 m3, cerca de 85% do total evaporado, sendo os 15% 
complementares, 62 x 1012 m3, devidos à evapotranspiração dos continentes. No balanço da precipitação os percentuais diferem um pouco, 
com a atmosfera devolvendo aos oceanos 324 x 1012 m3 por ano, cerca de 77% do total precipitado, cabendo aos continentes receberem os 
restantes 23% ou 99 x 1012m3. A diferença entre o que é precipitado anualmente nos continentes (99 x 1012 m3) e o que é evapotranspirado 
pelos continentes (62 x 1012m3) corresponde ao escoamento para os oceanos (37 x 10
12
 m
3
). Na figura 2.2 é apresentado um gráfico 
com os valores das reservas e fluxos de água: 
 
 
Retirado do livro Hidrologia, Ciência e Aplicação (Carlos E.M. Tucci, 20013), modificado por Gasparini (2015). 
 
 
Importância da Hidrologia 
 
• A água é um mineral presente em toda a Natureza, nos estados sólido, líquido e gasoso, 
• É um recurso natural peculiar, pois se renova pelos processos físicos do ciclo hidrológico, 
• A Terra se comporta como um gigantesco destilador, pela ação do calor do Sol e das forças da gravidade, 
• É, ainda, parte integrante dos seres vivos, e essencial à vida. 
 
Distribuição na Terra 
 
A água cobre 71% da superfície da Terra, os oceanos contêm 97,2% da água da Terra. A camada de gelo da Antártida, que contém 90% de 
toda água doce da Terra, é visível na parte inferior. A água condensada na atmosfera pode ser observada como nuvens, contribuindo para o 
albedo da Terra. 
 
A utilização econômica fez com que a água passasse a ser reconhecida como um recurso hídrico (tem valor econômico!), semelhante aos 
recursos minerais quando utilizados economicamente. Um atributo notável da água é ser bem de múltiplos usos, destinando-se aos mais 
diversos fins. 
 
 Dimensionamento de obras hidráulicas 
 Aproveitamento de recursos hídricos 
 Controle e previsão de inundações 
 Controle e previsão de secas 
 Controle de poluição 
 Qualidade ambiental 
 Água potável; 
 Dessedentação de animais; 
 Água de irrigação; 
 Uso Industrial; 
 Energético, etc 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Importância da Hidrologia 
 
 
 
LEI Nº 9.433, DE 8 DE JANEIRO DE 1997. 
 
Art. 1º A Política Nacional de Recursos Hídricos baseia-se nos seguintes fundamentos: 
I - a água é um bem de domínio público; 
II - a água é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico; 
III - em situações de escassez, o uso prioritário dos recursos hídricos é o consumo humano e a dessedentação de animais; 
IV - a gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas. 
 
Usos da água 
 
• Abastecimento público 
• Geração de energia elétrica 
• Uso industrial 
• Navegação 
• Dessedentação de animais 
• Suprimento industrial 
• Crescimento de culturas agrícolas 
• Conservação da flora e da fauna 
• Recreação e lazer 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ETA de Guarapari 
Usos da água 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ETA de Sorocaba 
 
Recursos Hídricos 
 
A quantidade e a natureza dos constituintes presentes na água variam conforme a composição e estrutura do solo/rocha onde são originadas, 
das condições climáticas e da disposição e potencialidade de fontes poluidoras/contaminantes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A partir de uma análise completa da água é possível verificar a presença de mais de 50 constituintes dissolvidos ou em suspensão, entre: 
 
Sólidos dissolvidos; 
Gases, 
Compostos orgânicos; 
Matéria em suspensão, 
Microrganismos;Material coloidal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Classificação sistemática dos usos da água: 
 
Existência ou não de derivação de águas de seu curso natural; 
A finalidade e os tipos de usos; 
As perdas para o uso consuntivo da água; 
Os requisitos de qualidade exigidos para cada uso e; 
Os efeitos da utilização, especialmente as alterações de qualidade. 
 
Barth, 1987 
 
 
Usos Consuntivos 
 
Os usos consuntivos de água, nos quais há perdas entre o que é derivado e o que retorna ao curso natural, devem ser considerados para 
elaboração entre a disponibilidade e a demanda. 
 
Abastecimento de água; 
Abastecimento industrial; 
Irrigação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Usos Não Consuntivos 
 
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 
 
Geração de energia elétrica; 
Navegação fluvial; 
Recreação e harmonia paisagística; 
Pesca; 
Diluição, assimilação e transporte de esgoto e resíduos líquidos; 
Preservação. 
 
Forma Finalidade Tipos de Uso Uso 
Consuntivo 
Requisito de 
Qualidade 
Efeitos na água 
Com derivação de 
águas 
Abastecimento 
Urbano 
Doméstico, 
industrial, 
comercial e 
público 
Baixo, 10% 
~ 
Altos ou médios Poluição orgânica 
e bacteriológica 
Abastecimento 
Industrial 
Sanitário, 
insumo e 
refrigeração 
Médio, 20% 
~ 
Médio, ~ Poluição orgânica, 
tóxica e >T 
Irrigação Artificial Alto, de 
90% 
Médio, ~ Carreamento de 
agrotóxicos 
Abastecimento Doméstico e 
dessedentação 
de animais 
Baixo, de 
10% 
Médio Efeitos difusos 
Aquicultura Estações de 
piscicultura 
Baixo, de 
10% 
Alto Carreamento de 
M.O 
 
Forma Finalidade Tipos de Uso Uso 
Consuntivo 
Requisito de 
Qualidade 
Efeitos na água 
Sem derivação de 
águas 
Geração hidrelétrica Turbinas Perdas por 
evaporação 
do 
reservatório 
Altos ou médios Alteração no 
regime e na 
qualidade. 
Navegação Fluvial Nível Não há. Baixo Vazamento de 
óleos e 
combustíveis. 
Recreação e Lazer Natação e 
esportes 
Lazer 
contemplati
vo 
Alto, contato 
primário 
Não há. 
Pesca Naturais ou 
introduzidas 
Não há. Altos, alimentação 
e recreação 
Alteração após 
mortandade de 
peixes. 
Assimilação de 
esgotos 
Diluição, 
autodepuração 
e transporte 
Não há. Não há. Poluição Q, F, B. 
Usos de 
preservação 
Vazões – 
equilíbrio 
ecológico 
Não há. Médios Melhoria na 
qualidade. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Hidroeletricidade 
 
Segundo informações da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), o País possui 966 empreendimentos hidrelétricos, sendo: 
364 centrais de geração hidrelétrica (CGH), 
412 pequenas centrais hidrelétricas (PCH), e 
190 usinas hidrelétricas (UHE) 
 
 
 
 
 
Importância da Água 
 
A água é um recurso natural indispensável para a sobrevivência do homem e demais seres vivos no Planeta. 
Importante para as formações hídricas atmosféricas, que Influencia o clima das regiões. 
 
 
Infelizmente, este recurso natural encontra-se cada vez mais escasso ou degradado, decorrente de atividade antrópicas impactantes nas bacias 
hidrográficas, alterando tanto a quantidade quanto a qualidade das águas superficiais quanto subterrâneas. 
 
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-1.ano-1, enquanto estima-se que a necessidade mínima de uma pessoa seja 2000 m3 .habitante-1.ano-1. 
 
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. 
 
Carvalho e Silva, 2006 
 
No Brasil, a ocorrência mais frequente 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. 
 
População mundial atual: 7,2 bilhões (ONU/2013). 
População mundial em 1950: 2 bilhões 
Já o consumo aumentou 6 vezes. 
 
Brasil: 
 
Em 26 anos a população aumentou em 137%, passando de 52 milhões de pessoas em 1970 para 123 milhões em 1996, e para 166,7 milhões em 
2000. Já a disponibilidade hídrica, de 105 mil m3.habitante-1.ano-1, em 1950, caiu para 28,2 mil m-3.habitante-1.ano-1, em 2000. 
 
 
 
 
 
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-1. 
 
 
 
 
Na Ámerica do Sul, África e Australia, 01 tonelada de grão necessita 1000 toneladas de água. No mundo 10 milhões de pessoas morrem 
anualmente de doenças transmitidas por meio de águas poluídas: tifo, malária, cólera, infecções diarreicas e esquistossomose. 
 
Saúde Humana 
 
Segundo a ONU, a cada 25 minutos morre no Brasil, uma criança vítima de diarreia, doença proveniente do consumo de água de baixa 
qualidade. Com o aumento de 50% ao acesso à água limpa e potável nos países em desenvolvimento, faria com que aproximadamente 2 
milhões de crianças deixassem de morrer anualmente por causa de diarreia. 
 
A UNESCO, por meio do Conselho Mundial da Água, divulgou em dezembro de 2002 um ranking de saúde hídrica. A pontuação dos países é 
a soma de notas em cinco quesitos (melhor de 20 em cada): 
 
• quantidade de água doce por habitante; 
• parcela da população com água limpa e esgoto tratado; 
• renda, saúde, educação e desigualdade social; 
• desperdício de água doméstico, industrial e agrícola; e 
• poluição da água e preservação ambiental. 
 
 
 
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. 
 
Balanço Hídrico: 
 
A equação do balanço hídrico para uma bacia hidrológica pode ser expressa por: 
 
 P + I = ET + ES 
 
Os principais componentes associados ao ciclo hidrológico são: 
a precipitação (P), 
a infiltração (I), 
a evapotranspiração (ET) e o 
escoamento superficial (ES). 
 
Ciclo Hidrológico: 
 
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; 
escoamento subterrâneo. 
 
Campo de atuação da Engenharia 
 
 
 
Os extremos de enchente e de seca são eventos que devem ser altamente considerados os projetos de Engenharia Hidráulica.