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CC54Z - Hidrologia
Definições, aspectos gerais
e o ciclo hidrológico
Prof. Fernando Andrade
Curitiba, 2014
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Objetivos da aula
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• Definir hidrologia e engenharia hidrológica
• Demonstrar a importância e as aplicações da
hidrologia
• Apresentar os usos da água e a
disponibilidade hídrica no Brasil e no mundo
• Analisar casos atuais que envolvem
conhecimentos da hidrologia
• Apresentar os conceitos de ciclo hidrológico e
de balanço hídrico de bacias hidrográficas
Definição de hidrologia
• A hidrologia é a ciência que trata da água da Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com os seres vivos [1]
• Outras ciências também estudam o comportamento da água em diferentes fases, como a meteorologia e a oceanografia. A diferença fundamental é que a hidrologia estuda os processos do ciclo da água em contato com os continentes
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Engenharia hidrológica
• A engenharia hidrológica se baseia em
observações dos fenômenos hidrológicos da
natureza (medições das variáveis
hidrológicas) e usa métodos determinísticos e
estocásticos para análise e previsão
• Cada vez mais a engenharia hidrológica tem
se aproximado de ciências ambientais como
a limnologia e a ecologia, de modo a permitir
o enfoque integrado dos aspectos de
quantidade e de qualidade da água
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Engenharia hidrológica
• A engenharia hidrológica é parte
componente da engenharia de recursos
hídricos, em que os aspectos econômicos,
sociais e ambientais são contemplados
nos estudos que consideram múltiplos
objetivos
• A integração da engenharia hidrologia com
outras ciências está sujeita à constituição
de equipes multidisciplinares
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Importância/aplicações
da hidrologia
• Dimensionamento de obras hidráulicas
• Aproveitamento dos recursos hídricos
• Controle e previsões de inundações
• Controle e previsão de secas
• Controle da poluição das águas e da
qualidade ambiental
• Manutenção dos ecossistemas em rios,
lagos e estuários
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Perguntas típicas
• Qual é a disponibilidade de água de um rio e como ela poderá variar entre estações e de um ano a outro?
• Qual é a vazão máxima provável em um local proposto para uma barragem?
• Qual é a relação entre a quantidade de água superficial e a água subterrânea?
• Qual é o volume de um reservatório necessário para garantir uma determinada vazão a jusante ?
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Perguntas típicas
• Qual é o tamanho adequado de um reservatório de armazenamento para limitar as inundações a jusante a um nível pré-estabelecido?
• Qual é a vazão mínima de um rio que é igualada ou superada 90% do tempo?
• Qual deve ser a capacidade de um canal ou de um bueiro para evitar inundações em determinadas áreas ?
• Qual é vazão necessária para manter uma determinada espécie ou um ecossistema em um rio ou reservatório?
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Recursos hídricos
• O elemento fundamental na hidrologia é a
água, um mineral presente na natureza
nos estados sólido, líquido e gasoso
• As propriedades físicas e químicas da
água e as condições ambientais permitem
que haja uma renovação no ciclo
hidrológico
• No entanto, os recursos hídricos são
escassos 10
Disponibilidade hídrica
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Disponibilidade hídrica no Brasil
(m3hab-1ano-1)
1950 105.000
2000 28.200 Fonte: ANA [2]
Usos múltiplos da água
• Usos consuntivos: alteram
significativamente a quantidade e/ou
qualidade de água disponível para outros
usuários na região de consumo
• Usos não-consuntivos: alteram pouco a
quantidade e/ou qualidade da água
disponível para outros usuários depois da
retirada dos mananciais
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Usos múltiplos da água
• Abastecimento humano (c.)
• Abastecimento industrial (c.)
• Crescimento de culturas agrícolas (c.)
• Geração de energia elétrica
• Navegação
• Recreação e lazer
• Assimilação e transporte de poluentes
• Preservação de ecossistemas
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Escassez da Água
• É possível verficar concentração de populações humanas, de indústrias, de atividades agrícolas e sócio-econômicas fazendo uso excessivo da capacidade hídrica das bacias, de regiões hidrográficas e dos aqüíferos subterrâneos
• Sob essas condições, a água passa a ser escassa, o que leva à geração de conflitos entre seus diversos tipos de usos e usuários
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Escassez da Água
• Um aspecto fundamental da escassez de
água é o desequilíbrio provocado por eventos
hidrológicos extremos, tais como as secas
• A poluição e a contaminação da água
também contribuem para sua escassez
• Em suma, a escassez da água está fazendo
com que ela não seja mais um bem livre,
abundante e disponível a todos, mas um
recurso parco, cuja utilização deve ser objeto
de gestão 17
Temas atuais:
abastecimento da RMSP
• O Sistema Cantareira é responsável pela transposição das águas dos afluentes das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) para a Bacia do Alto Tietê
• 76 municípios na bacia PCJ dependem do sistema (cerca de 5 milhões de pessoas) e a RMSP (8,8 milhões de pessoas)
• Pergunta: qual a vazão máxima de retirada da bacia PCJ para garantir o abastecimento adequado de todos os municípios
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Outros temas atuais
• Aumento das taxas cobradas em alguns
estados brasileiros pelo consumo de
energia elétrica, devido aos baixos níveis
dos reservatórios das hidroelétricas e a
necessidade de funcionamento das
termoelétricas
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Ciclo hidrológico
• O ciclo hidrológico é um fenômeno global da circulação da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar, associada a gravidade e a rotação da Terra
• É possível pelas propriedades físicas da água. A água também sofre alterações de qualidade ao longo das diferentes fases do ciclo hidrológico
• O ciclo hidrológico é fechado se considerado em escala global. Em escala regional podem existir alguns sub-ciclos
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Principais processos do
ciclo hidrológico
• Precipitação: vapor de água condensado que cai sobre a superfície terrestre
• Infiltração: fluxo de água da superfície que se infiltra no solo
• Escoamento superficial e subterrâneo: movimento das águas sobre/sob a superfície terrestre
• Evaporação: transformação da água no seu estado líquido para o estado gasoso à medida que se desloca da superfície para a atmosfera
• Transpiração: forma como a água existente nos organismos passa para a atmosfera
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Balanço hídrico
• O balanço das entradas e saídas de água
em uma bacia hidrográfica é denominado
balanço hídrico
• A principal entrada de água de uma bacia
é a precipitação
• A saída de água da bacia pode ocorrer por
evapotranspiração (evaporação +
transpiração) e por escoamento superficial
e/ou subterrâneo
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Balanço hídrico
DS=P-Q-E
• DS é a variação do volume armazenado no solo por unidade de tempo (i.e., m3/s)
• P é a precipitação (i.e., m3/s)
• Q é o escoamento superficial + subterrâneo (i.e., m3/s)
• E é evapotranspiração (i.e., m3/s)
• Em intervalos de tempo longos, DS0
P=Q+E
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Conversão de unidades
• A precipitação P é dada em altura de
lâmina d’água em mm que corresponde ao
volume de chuva V distribuído em uma
lâmina uniforme sobre uma área A
V=[P(mm)*10-3]*[A(km2)*106]=m3
• A vazão é o volume por unidade de tempo
Q=V/t
em m3/s, m3/dia, m3/ano 31
Correlação chuva-vazão
• A equação do balanço hídrico nos mostra que é possível obter uma correlação entre dados de chuva e vazão
• Frequentemente os dados de chuva-vazão são correlacionados usando unidades idênticas (i.e., m3/s, mm)
• Dados adimensionais (i.e., normalizados pelas médias) podem ser correlacionados
• Dados acumulados no tempo podem ser correlacionados 32
Correlação dos dados
chuva-vazão
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pre
cip
itação
an
ual (m
m)
vazão anual (mm)
equação da curva ajustada R2
Exemplos
1. Qual seria a vazão de saída em m3/s de uma bacia impermeável, com área de 60 km2, sob uma chuva constante com intensidade de 10 mm/h?
2. A região da bacia hidrográfica do rio Taquari recebe precipitações médias anuais de 1600 mm. Em Muçum (RS) há um local em que são medidas as vazões deste rio e a análise de série de dados diários ao longo de 30 anos revela que a vazão média do rio é de 340 m3/s. Considerando que a área da bacia neste local é de 15.000 Km2, qual é a evapotranspiração média anual nesta bacia?
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Exemplos
3. Determine a evapotranspiração média
anual de uma bacia hidrográfica com área
500 km2 e com a série de chuva-vazão
ilustrada abaixo
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Data Precipitação (mm/ano) Vazão (m3/s)
1946 1085 10.5
1947 1594 14.5
1948 1182 12.5
1949 1274 11.9
1950 1456 14.7
Referências bibliográficas
[1] United States Federal Council for Science and Technology,Comittee for Scientific Hidrology, 1962. Citado em CHOW, V.T. et al.. Applied hydrology. Editora McGraw Hill, 1988.
[2] ANA – AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS.. Conjuntura dos recursos hídricos do Brasil 2013. Relatório do Ministério do Meio Ambiente, 2013.
[3] http://www2.sabesp.com.br/mananciais
[4] SOLIA, M., FARIA, O. M., ARAÚJO, R.. Mananciais da região metropolitana de São Paulo. São Paulo, Sabesp, 2007