Hidrologia: Ciclo Hidrológico e Precipitação

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HIDROLOGIA 
APLICADA
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO DE SÁ - SANTA CATARINA
Departamento de Engenharia Ambiental e Sanitária
Departamento de Engenharia Civil
Profa. Júlia Wahrlich
E-mail: julia.wahrlich@estacio.br
NESTA AULA:
 CICLO HIDROLÓGICO;
 PRECIPITAÇÃO:
 FORMAS;
 TIPOS;
 MEDIÇÃO E INTERPRETAÇÃO;
 ANÁLISE DE DADOS;
 ANÁLISE DA CONSISTÊNCIA DE SÉRIES PLUVIOMÉTRICAS.
CICLO HIDROLÓGICO
 Processos físicos que controlam a distribuição e o movimento da
água;
 Circulação contínua da água na hidrosfera, ou seja, os
continentes, os oceanos e a atmosfera, através da energia solar
que chega à superfície terrestre.
COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO
COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO
IMPACTOS SOBRE O CICLO HIDROLÓGICO
BALANÇO HÍDRICO
 Contabilidade das entradas e saídas de água em uma região ou bacia
hidrográfica;
 Permite inferir sobre consequências de déficits ou excessos de água;
 Períodos: anual, mensal, decenal, sazonal, diário;
 Escalas: mundial, nacional, estadual, local, bacia hidrográfica, micro/nano
bacia hidrográfica;
 Aplicações do balanço hídrico:
 Agronômicas: época de plantio/colheita; implantação de projetos de
irrigação/drenagem; ocorrência de pragas/doenças.
 Ambientais: recarga de aquíferos/lençóis freáticos; estiagens/enchentes;
manutenção de cargas em reservatórios; vazão em rios (autodepuração ambiental);
necessidade de florestas para melhorar equilíbrio hídrico.
BALANÇO HÍDRICO – EQUAÇÃO 
HIDROLÓGICA DE CONTINUIDADE
 Equação Hidrológica da Continuidade
 Princípio: conservação da massa
P: precipitação
E: evaporação
Q: descarga
R: reserva de água no solo
U: uso ou consumo
BALANÇO HÍDRICO – EQUAÇÃO 
HIDROLÓGICA DE CONTINUIDADE
P: precipitação
E: evaporação
ETP: evapotranspiração
Q: escoamento superficial
R: reserva de água no solo
I: infiltração
BALANÇO HÍDRICO DO SOLO
 Modelo agronômico;
 Pode indicar volumes crescentes de armazenamento no solo;
 Deslizamentos de terras.
𝑃 = 𝐸𝑠 + 𝐸𝑇𝑟 ± ∆𝑆
P: precipitação (mm)
Es: escoamento superficial (mm) e escoamento 
subterrâneo (mm)
ETr: evapotranspiração real (mm)
±ΔS: variação das reservas de água (umidade) no 
solo da bacia (mm).
PRECIPITAÇÃO
 Toda a água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície
terrestre;
 Fator importante para os processos de escoamento superficial direto,
infiltração, evaporação, transpiração, recarga de aquíferos, vazão básica
dos rios;
 Disponibilidade de precipitação numa bacia durante o ano: fator
determinante para quantificar a necessidade de irrigação de culturas e
abastecimento de água doméstico e industrial;
PRECIPITAÇÃO
 Determinação da intensidade: controle de inundação e erosão do solo;
 Características principais: total precipitado, duração e distribuições
temporal e espacial;
 A precipitação é um processo aleatório que não permite uma previsão
determinística com grande antecedência, por isso o tratamento dos dados
para a grande maioria dos problemas é estatístico.
FORMAS DE PRECIPITAÇÃO
 O que diferencia as formas de precipitação é o estado em que a água se
encontra.
Chuva: Forma líquida de precipitação. Chuva congelada: é a precipitação
constituída de gotas de água
sobrefundida que congelam
instantaneamente quando se chocam
contra o solo, formando uma capa de
gelo.
Chuvisco (neblina ou garoa):
precipitação muito fina e de baixa
intensidade.
FORMAS DE PRECIPITAÇÃO
 O que diferencia as formas de precipitação é o estado em que a água se
encontra.
Neve: precipitação em forma de cristais
de gelo durante a queda coalescem
formando blocos de dimensões variáveis.
Saraiva: precipitação sob a forma
de pequenas pedras de gelo
arredondadas com diâmetro de
cerca de 5mm.
Granizo: quando as pedras,
redondas ou de forma irregular,
atingem grande tamanho (diâmetro
maior ou igual a 5mm).
FORMAS DE PRECIPITAÇÃO
 O que diferencia as formas de precipitação é o estado em que a água se
encontra.
Orvalho: condensação de vapor de água
do ar dos objetos que se resfriam
durante a noite. O resfriamento noturno
geralmente baixa a temperatura até o
ponto de orvalho.
Geada: deposição de cristais de
gelo, fenômeno semelhante ao da
formação do orvalho, mas que
ocorre quando a temperatura é
inferior a 0ºC.
FORMAÇÃO DA PRECIPITAÇÃO
Ascenção das 
massas de ar
Resfriamento do ar 
até ponto de 
saturação
Aumento da 
umidade relativa
Formação de 
nuvens
Gotas cresce, a 
partir de núcleos 
com peso suficiente 
para vencer a força 
de sustentação
Precipitação: 
condensação e 
coalescência das 
gotículas de água
Gotas caem e 
colidem entre si: 
crescimento das 
gotas
Ao deixar as nuvens, as gotas devem
ter dimensão suficiente para não
evaporarem totalmente antes de
chegar até a superfície
Classificação da precipitação de
acordo com o fator responsável pela
ascensão das massas de ar
CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES
 CHUVAS CONVECTIVAS:
 Dias de excessivo calor;
 Geralmente chuvas fortes e passageiras;
 O ar quente saturado tende a subir em
movimento contínuo na atmosfera porque se
torna mais leve;
 Há um deslocamento vertical dessa massa
aquecida de ar;
 Como a temperatura diminui com a altitude, a
umidade dessa massa de ar resfria e se
condensa, dando origem às nuvens;
 Típicas em regiões equatoriais, podendo
ocorrer também em outras áreas (desde que
as temperaturas sejam elevadas e o vento não
carregue a água evaporada para lugares
distantes).
CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES
 CHUVAS OROGRÁFICAS (CHUVA DE RELEVO):
 Quando uma massa de ar carregada de umidade sobe ao encontrar uma elevação
do relevo, como uma montanha;
 O ar mais quente (mais leve e, geralmente, mais úmido) é empurrado para cima;
 Ocorre a condensação do vapor, provocando chuva. Quando a massa é forçada a
ascender, precipita a barlavento, em muitos casos não precipita do outro lado, a
sotavento;
 Estas chuvas acontece com frequência onde o relevo é elevado.
CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES
 CHUVAS FRONTAIS OU CICLÔNICAS:
 Encontro de massas de ar de características distintas (ar quente + ar frio);
 Ar mais quente e úmido é impulsionado para cima, resultando em seu
resfriamento e na condensação do vapor de água;
 Grande duração;
 Intensidade média;
 São contínuas;
 Abrangem grande área;
 Podem acarretar cheias em grandes bacias.
CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES -
RESUMO
 Chuvas convectivas térmicas: brusca ascensão local de ar aquecido no
solo  áreas pequenas, grande intensidade e pequena duração;
 Chuva frontais ou ciclônicas: interação entre massas de ar quentes e
frias  grande duração, grandes áreas e intensidade média;
 Chuvas orográficas: ventos em barreiras montanhosas  pequena
intensidade, grande duração e pequenas áreas.
PRECIPITAÇÃO – MEDIÇÃO E 
INTERPRETAÇÃO
 Recipiente de volume suficiente para conter as
maiores precipitações dentro do intervalo de tempo
definido para a frequência das observações (1, 6 ou
24 horas);
 Coloca-se um funil acima do recipiente com um anel
receptor biselado que define a área de
interceptação;
 Fornece uma medida do total de chuva em
milímetros (lâmina acumulada durante a
precipitação);
 Água acumulada: provetas graduadas;
 Mais utilizado (simples instalação, operação e custo
inferior);
 Cálculo da lâmina precipitada: 𝑃 = 10
𝑉
𝐴
P: precipitação acumulada em mm
V: volume recolhido em cm³ ou em ml
A: área de interceptação do anel em cm²
PLUVIÔMETRO – MEDIDAS DIÁRIAS
PRECIPITAÇÃO – MEDIÇÃO E 
INTERPRETAÇÃOPLUVIÓGRAFO – MEDIDAS NO TEMPO
 Instrumento gráfico automatizado que registra
continuamente as alturas de chuvas, sua distribuição
no tempo e intensidade;
 Regista a variação da altura da chuva com o tempo;
 Comumente encontrado nas estações
meteorológicas;
 Sua operação é mais complicada e dispendiosa e o
próprio custo de aquisição do aparelho, tornam seu
uso restrito.
PRECIPITAÇÃO – MEDIÇÃO E 
INTERPRETAÇÃO
RADAR METEOROLÓGICO
 Possibilidade de quantificar a precipitação de 
forma contínua, tanto no tempo quanto no 
espaço  alternativa às medidas pontuais de 
pluviômetros;
 Determina a partir do espectro de gotas 
observado a relação entre a chuva e a 
refletividade;
 Deve-se sempre calibrar o radar;
 Transmissor  propagação a partir da antena 
objeto  retorno para a antena  comutador 
receptor  processamento
PRECIPITAÇÃO – MEDIÇÃO E 
INTERPRETAÇÃO
Ondas 
eletromagnéticas 
à velocidade da 
luz são enviadas 
para as nuvens 
Na nuvem, cada 
gota irradia ondas 
em todas as 
direções
Parte da energia gerada 
pelo volume total de gotas 
iluminado pelo feixe de 
onda do radar volta ao 
prato do radar
Distância pelo 
tempo de ida e 
volta 
PRECIPITAÇÃO – GRANDEZAS 
CARACTERÍSTICAS
 Altura pluviométrica: espessura média da lâmina de água precipitada
(sem infiltração, evaporação e escoamento)
 Unidade: milímetro de chuva - quantidade de precipitação correspondente
ao volume de 1 litro por metro quadrado de superfície.
 Duração: período de tempo durante o qual a chuva cai
 Unidades: minuto ou hora.
 Intensidade: precipitação por unidade de tempo
 Unidades: milímetro/hora ou milímetro/minuto;
 Apresenta viabilidade temporal, porém em processos hidrológicos são
definidos intervalos constantes de tempo.
PRECIPITAÇÃO – GRANDEZAS 
CARACTERÍSTICAS
 Frequência de probabilidade: número de ocorrências em um período de
tempo. Construída a partir de uma série de observações
 Útil na análise de riscos dos empreendimentos;
 Séries: Anuais (barragens, canais); Mensais ou sazonais (sistemas de irrigação);
Horárias (cheias).
 Tempo de recorrência (Tr): análise de intensidades máximas – interpretado
como o número médio de anos durante o qual espera-se que a
precipitação seja igualada ou superada (Tr=1/F).
Exemplo: Uma precipitação de 15mm/h que possui 20% de
probabilidade ser igualada ou superada em um ano, tem
um Tr de quantos anos?
PRECIPITAÇÃO – EXEMPLO DE REGISTRO 
DE CHUVA
Tempo Chuva
0 0
1 0
2 0
3 3
4 0
5 4
6 8
7 12
8 5
9 9
10 7
11 7
12 5
13 1
14 0
15 0
16 0
17 0
18 0
19 0
20 0
21 0
22 0
23 0
24 0
Início: 03:00
Fim: 13:00
Duração = 10 horas
PRECIPITAÇÃO – EXEMPLO DE REGISTRO 
DE CHUVA
Tempo Chuva Chuva Acumulada
0 0 0
1 0 0
2 0 0
3 3 3
4 0 3
5 4 7
6 8 15
7 12 27
8 5 32
9 9 41
10 7 48
11 7 55
12 5 60
13 1 61
14 0 61
15 0 61
16 0 61
17 0 61
18 0 61
19 0 61
20 0 61
21 0 61
22 0 61
23 0 61
24 0 61
PRECIPITAÇÃO – ANÁLISE DE DADOS
 Objetivo de um posto de medição: obter uma série ininterrupta de
precipitações ao longo dos anos;
 Podem ocorrer períodos sem observações ou com falhas;
 Dados coletados: submetidos análises antes de serem utilizados.
ERROS:
• Preenchimento incorreto do valor na caderneta de campo;
• Valor estimado pelo observador, por não se encontrar no
local no dia da amostragem;
• Crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao
posto de observação;
• Danificação do aparelho;
• Sujeira no coletor;
• Problemas mecânicos no registrador automático.
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE 
FALHAS
MÉTODO DE PONDERAÇÃO REGIONAL
 Séries mensais ou anuais;
 Visa a homogeneização do período de informações e análise
estatística das precipitações;
 São selecionadas três estações meteorológicas semelhantes;
 Deve possuir no mínimo dez anos de observações.
𝑦 =
1
3
𝑥1
𝑥𝑚1
+
𝑥2
𝑥𝑚2
+
𝑥3
𝑥𝑚3
. 𝑦𝑚
y: precipitação do posto Y a ser estimada
x1,x2,x3: precipitações correspondentes ao mês (ou ano) das
estações circunvizinhas
ym: precipitação média do posto Y
xm1,xm2,xm3: precipitações médias nas três estações
circunvizinhas
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE 
FALHAS
MÉTODO DE REGRESSÃO LINEAR
 Precipitações do posto com falhas e de um posto vizinho são
correlacionadas;
 Ajuste por mínimos quadrados perfeitos: escolher um período comum
de observação representativo.
𝑦 = 𝑥1𝑖 + a1. 𝑥2𝑖 +⋯+ 𝑎𝑛−1. 𝑥𝑛𝑖 + 𝑎𝑛
n: número de postos
a0,a1,...,an: coeficientes a serem estimados
x1i, x2i,..., xni: observações correspondentes
registradas nos postos vizinhos
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE 
FALHAS
MÉTODO DE PONDERAÇÃO REGIONAL COM BASE EM REGRESSÕES 
LINEARES
 Estabelece regressões lineares entre o posto com dados a serem
preenchidos (Y) e cada um dos postos vizinhos (x1,x2,...,xn);
 De cada relação linear obtém-se o coeficiente de correlação “r” e
estabelece-se fatores de peso (um para cada posto).
𝑊𝑥𝑗 =
𝑟𝑦𝑥𝑗
𝑟𝑦𝑥1 + 𝑟𝑦𝑥2 +⋯+ 𝑟𝑦𝑥𝑛
Wxj: fator de peso entre os postos Y e Xj
ryxj: coeficiente de correlação entre os postos citados
n: número total de postos vizinhos considerados
𝑦𝑐 = 𝑥1𝑊𝑥1 + 𝑥2𝑊𝑥2+...+𝑥𝑛𝑊𝑥𝑛
n: número de postos
Wx1,Wx2,...Wxn: pesos calculados na equação acima
x1i, x2i,..., xni: observações correspondentes registradas nos
postos vizinhos
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE 
FALHAS
EXERCÍCIO:
Na tabela a seguir são apresentadas
as precipitações totais
correspondentes ao mês de julho
observadas nos seguintes postos
localizados no estado do Paraná.
Admitindo-se desconhecido o
registro correspondente ao ano 1968
no posto Águas do Verê, preencha o
mesmo com base nos seguintes
métodos apresentados:
- Método de ponderação regional;
- Método de ponderação regional 
com base em regressões lineares.
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE 
FALHAS
EXERCÍCIO:
Na tabela a seguir são apresentadas
as precipitações totais
correspondentes ao mês de julho
observadas nos seguintes postos
localizados no estado do Paraná.
Admitindo-se desconhecido o
registro correspondente ao ano 1968
no posto Águas do Verê, preencha o
mesmo com base nos seguintes
métodos apresentados:
- Método de ponderação regional;
- Método de ponderação regional 
com base em regressões lineares.
PRECIPITAÇÃO – PREENCHIMENTO DE FALHAS
EXERCÍCIO:
 Suponha que durante as medições dos dados
pluviométricos mensais de uma estação Y,
foi registrada uma falha em um
determinado mês. Utilizando o Método de
Ponderação Regional e o Método de
Ponderação Regional com Regressões
Lineares, calcule a precipitação do mês que
ocorreu a falha na estação Y.
 Dados:
 Precipitações médias: ym=74,50mm; 
xm1=67,17mm; xm2=85,67mm; 
xm3=104,17mm
 Coeficientes de correlação: rx1=0,870; rx2=
0,902; rx3=0,898
Y X1 X2 X3
120 74 85 122
83 70 67 93
55 34 60 50
- 80 97 130
89 67 94 125
100 78 111 105
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
MÉTODO DE DUPLA MASSA
 Prática muito adotada no Brasil;
 Válida apenas para séries mensais ou anuais;
 Seleciona-se postos de uma região e acumula-se para cada um deles os
valores mensais;
 Plotar em um gráfico cartesiano os valores acumulados correspondentes
ao posto a consistir (nas ordenadas) e de um outro posto confiável
adotado como base de comparação (nas abscissas);
VALORES DO POSTO PROPORCIONAIS AOS OBSERVADOS NA 
COMPARAÇÃO = ALINHAMENTO EM UMA ÚNICA RETA
A declividade da reta determina o fator de proporcionalidade 
entre ambas as séries
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIADE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
SEM INCONSISTÊNCIA
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
MÉTODO DE DUPLA MASSA
E se os postos não se alinharem em uma única série?
 MUDANÇA DE DECLIVIDADE: exemplo típico derivado da presença de
erros sistemáticos, mudanças nas condições das observações,
existência de uma causa física real (alterações climáticas no local);
 Considera-se esta situação quando pelo menos cinco pontos
sucessivos estão alinhados segundo a nova tendência;
 Como corrigir estes valores?
Correção dos valores mais antigos para a
situação atual ou correção dos valores mais
recentes para a condição antiga.
𝑃𝑐 = 𝑃𝑎∗ +
𝑀𝑎
𝑀0
. ∆𝑃𝑜
Pc: precipitação acumulada ajustada à tendência desejada
Pa*: valor da ordenada correspondente à interseção das duas
tendências
Ma: coeficiente angular da tendência a corrigir
P0: valor acumulado a ser corrigido
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
 MÉTODO DE DUPLA MASSA: mudança de declividade
DADOS COM MUDANÇA DE TENDÊNCIA
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
MÉTODO DE DUPLA MASSA
E se os postos não se alinharem em uma única série?
 ALINHAMENTO DE PONTOS EM RETAS PARALELAS:
 Quando existem erros de transcrição de um ou mais dados ou pela
presença de anos extremos em uma das séries plotadas;
 A ocorrência de alinhamentos (duas ou mais retas) pode ser a evidência
da comparação de postos com diferentes regimes pluviométricos.
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
 MÉTODO DE DUPLA MASSA: alinhamento dos pontos em retas paralelas
PRESENÇA DE ERROS DE TRANSCRIÇÃO
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
MÉTODO DE DUPLA MASSA
E se os postos não se alinharem em uma única série?
 DISTRIBUIÇÃO ERRÁTICA DOS PONTOS:
 Geralmente é resultado da comparação de postos com diferentes
regimes pluviométricos;
 É considerada incorreta toda a associação que se deseja fazer
entre os dados dos postos plotados.
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
 MÉTODO DE DUPLA MASSA: distribuição errática dos pontos
DIFERENTES REGIMES
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
EXEMPLO:
 Considerando os dados pluviométricos de 4 estações do estado
do Espírito Santo, avalie a consistência dos registros
pluviométricos da estação Fazenda Jucuruaba utilizando o
Método de Dupla Massa.
ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES 
PLUVIOMÉTRICAS
RESPOSTA:
0.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
P
re
c
ip
it
a
ç
ã
o
 a
n
u
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l 
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m
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)
F
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z
e
n
d
a
 J
u
c
u
ru
a
b
a
Precipitação anual acumulada (mm)
Guarapari, Iconha, Anchieta
SEM INCONSISTÊNCIA