Introdução à Hidrologia: Estudo da Água na Natureza

Hidrologia 1ªaula 180723 Hidrologia é a ciência que trata do estudo da água na natureza É a parte da Geografia Física e abrange em especial propriedades fenômenos e distribuição da água na atmosfera na superfície da Terra e no subsolo A correlação entre o progresso e o grau de utilização dos recursos hidráulicos evidencia também o importante papel da Hidrologia na complementação dos conhecimentos necessários ao seu melhor aproveitamento A Hidrologia é uma ciência recente Apesar de certas noções básicas terem sido conhecidas e aplicadas pelo homem há muito tempo como atestam os registros egípcios sobre as enchentes do Nilo datados do ano 3000 aC e as evidências de medidas de precipitação pluvial na Índia feita em 350 aC a concepção geral do ciclo hidrológico só começou a tomar forma na Renascença com Leonardo da Vinci definindo a água da seguinte maneira a água é para o mundo o mesmo que o sangue é para o nosso corpo e sem duvida mais ela circula segundo regras fixas tanto no interior quanto no exterior da Terra ela cai em chuva e neve ela surge do solo corre em rios e depois retornam aos vastos reservatórios que são os oceanos e mares que nos cercam por todos os lados Portanto a água pode ser encontrada em estado sólido líquido ou gasoso na atmosfera na superfície da Terra no subsolo ou nas grandes massas constituídas pelos oceanos mares e lagos Em sua constante movimentação configura o que se convencionou chamar de ciclo hidrológico A natureza é uma grande recicladora e a água é um importante exemplo A água que escoa superficialmente vem do oceano e a ele retorna em um constante ciclo Apesar de complexo em seu funcionamento o ciclo hidrológico pode ser explicado simplesmente como estas etapas 1ª A água evapora dos oceanos e lagos da Terra 2ª A água evaporada forma nuvens 3ª As nuvens deslocamse pela atmosfera em padrões climáticos globais 4ª O vapor da água se condensa e se precipita na forma de chuva neve ou granizo 5ª A chuva chega ao solo e escoa por ele até os pequenos córregos 6ª Os córregos escoam para os rios e finalmente para os oceanos e lagos Ênfase Nos estudos da nossa disciplina enfatizaremos mais a Hidrologia Superficial que trata especialmente do escoamento superficial ou seja da água em movimento sobre o solo Sua finalidade primeira é o estudo dos processos físicos que têm lugar entre a precipitação chuva e o escoamento superficial e o seu desenvolvimento ao longo dos rios Ciclo Hidrológico Podese considerar que toda a água utilizada pelo homem provenha da atmosfera ainda que este conceito tenha apenas o mérito de definir um ponto inicial de um ciclo que na realidade é fechado A água pode ser encontrada na atmosfera sob a forma de vapor ou de partículas líquidas ou como gelo ou neve Assim em rápidas palavras as etapas do ciclo hidrológico podem ser descritos como A água evapora dos oceanos e lagos da Terra A água evaporada forma nuvens As nuvens deslocamse pela atmosfera em padrões globais O vapor da água se condensa e se precipita na forma de chuva neve ou granizo A chuva chega ao solo e escoa por ele até os pequenos córregos Os córregos escoam para os rios e finalmente para os oceanos e os lagos Quando as gotículas de água formadas por condensação atingem determinada dimensão precipitamse em forma de chuva Se na sua queda atravessam zonas de temperatura abaixo de zero pode haver formação de partículas de gelo dando origem ao granizo No caso de a condensação ocorrer sob temperaturas abaixo do ponto de congelamento haverá a formação de neve Quando a condensação se verifica diretamente sobre uma superfície sólida ocorrem os fenômenos de orvalho ou geada conforme se dê a condensação em temperaturas superiores ou inferiores a zero grau Celsius Parte da precipitação não atinge o solo seja devido à evaporação durante a própria queda seja porque fica retida pela vegetação A essa última perda com relação ao volume que atinge o solo dáse a denominação de interceptação Do volume que atinge o solo parte nele se infiltra parte e escoa sobre a superfície e parte se evapora quer diretamente quer através das plantas no fenômeno conhecido como transpiração A infiltração é o processo de penetração da água no solo Quando a intensidade da precipitação excede a capacidade de infiltração do solo a água escoa superficialmente Inicialmente são preenchidas as depressões do terreno e em seguida iniciase o escoamento superficial com a formação dos canais naturais que vão se concentrando nos vales principais formando os cursos dos rios para finalmente dirigiremse aos grandes volumes de água constituídos pelos mares lagos e oceanosNesse processo pode ocorrer infiltração ou evaporação conforme as características co terreno e da umidade ambiente da zona atravessada A água em estado líquido pela energia recebida do Sol ou de outras fontes pode retornar no estado gasoso fenômeno que se denomina de evaporação É pela evaporação que se mantém o equilíbrio do ciclo hidrológico Para viver as plantas retiram umidade do solo utilizamna em seu crescimento e a eliminam na atmosfera sob a forma de vapor A esse processo dáse o nome de transpiração Em muitos estudos a evaporação do solo e das plantas são conhecidas em conjunto sob a denominação de evapotranspiração A água que se infiltra no solo movimentase através dos vazios existentes por percolação escoamento de base e eventualmente atinge uma zona totalmente saturada formando o lençol subterrâneo O lençol poderá interceptar uma vertente retornando a água à superfície escoamento superficial alimentando rios ou mesmo os próprios oceanos ou poderá se formar entre camadas impermeáveis em lençóis artesianos Em síntese o estudo da Hidrologia compreende a coleta de dados básicos como por exemplo a quantidade de água precipitada ou evaporada e a vazão dos rios a análise desses dados para o estabelecimento de suas relações mútuas e o entendimento da influencia de cada possível fator e finalmente a aplicação dos conhecimentos alcançados para a solução de inúmeros problemas práticos Deixa portanto de ser uma ciência puramente acadêmica para se constituir em uma ferramenta imprescindível ao engenheiro em todos os projetos relacionados com a utilização dos recursos hidráulicos Devese salientar a importância da fase correspondente à coleta de dados A Hidrologia baseiase essencialmente em elementos observados e medidos no campo O estabelecimento de postos pluviométricos ou fluviométricos e a sua manutenção ininterrupta ao longo do tempo são condições absolutamente necessárias ao estudo hidrológico Ao calcular a vazão em um curso dágua resultante de um evento de chuva devemos primeiro determinar o tamanho da área sobre a qual a chuva incide Para todos os cursos d água uma área bem definida intercepta a chuva e a transporta até o curso d água Essa área é chamada bacia hidrográfica bacia de drenagem ou área de captação termos geralmente usados alternativamente Aplicações da Hidrologia As várias aplicações da hidrologia envolvem desde projetos de obras hidráulicas até atividades associadas às questões ambientais destacandose a Fornecimento de subsídios técnicos para escolha adequada de fontes de abastecimento de água para uso doméstico e industrial por meio de parâmetros associados à qualidade e quantidade de água disponível b Projeto e construção de obras hidráulicas projetos de drenagem e barragens e fixação de dimensões de obras de arte como pontes bueiros e galerias pluviais por meio da geração de informações com base na aplicação de modelos chuvavazão às bacias de contribuição c Estudo das características químicas biológicas e comportamentais como condições de alimentação escoamento natural e oscilação temporal da profundidade de lençol freático d Auxiliar nos projetos de irrigação na escolha do manancial e estudos de evaporação e infiltração de água no solo e Regularização de cursos dágua e controle de inundações por meio de estudos de variação de vazão previsão de vazões máximas e áreas de inundação f Controle de poluição por meio da análise da capacidade de recebimento de corpos receptores dos efluentes de sistemas de esgotos gerando informações sobre vazões mínimas de cursos dágua capacidade de reaeração e velocidade do escoamento g Estudos de erosão fornecendo subsídios para estimativa de perdas de solo como intensidade de precipitação escoamento em bacias hidrográficas e proteção por meio da implantação de vegetação e dimensionamento de canais divergentes bacias de contenção em estradas e terraços de infiltração e escoamento h obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais para navegação i Aproveitamento hidrelétrico por meio da geração de informações sobre vazões máximas médias e mínimas de cursos dágua visando às avaliações técnicofinanceiras do projeto j Verificação da necessidade de reservatórios de acumulação e determinação dos elementos necessários à execução do projeto como informações sobre bacias de contribuição volumes armazenáveis e perdas por evaporação e infiltração k Recuperação e preservação do meio ambiente bem como preservação e desenvolvimento da vida aquática l Planejamento e gerenciamento de bacias de hidrográficas fornecendo informações sobre os principais parâmetros hidrológicos Observase que a Hidrologia é uma ciência de aplicação essencial para projetos de obras civis e também para estudos ambientais por meio de monitoramento do ciclo hidrológico dos ecossistemas de interesse BALANÇO HÍDRICO Para avaliar a quantidade da água que entra e sai de um sistema no caso bacia hidrográfica utilizase a Equação do Balanço Hídrico representada por P EVT Q R onde P é o total anual precipitado sobre a bacia em forma de chuva neve etc expressa em mm EVT é a perda anual de água por evapotranspiração expressa em mm Q é a altura média anual da lâmina d água que uniformemente distribuída sobre a bacia hidrográfica representa o volume total escoado superficialmente na bacia Pode ser expressa em mm3 m3s ou Ls e R é a variação de todos os armazenamentos superficiais e subterrâneos É expresso em m3 ou em mm3 Quando o período de observação é de longa duração um ou mais anos podese considerar que R é nulo ou desprezível face aos valores de P e Q P EVT Q O interesse prático dessa equação é a possibilidade de estimar em primeira aproximação a vazão média anual de um curso d água a partir da altura de precipitações caídas em sua bacia e da evapotranspiração anual da região EXEMPLO Problema de Engenharia 1 Uma barragem irá abastecer uma cidade de 100000 habitantes e uma área irrigada de 5000 ha Verificar através de um balanço hídrico anual se o local escolhido para a barragem tem condições de atender à demanda quando esta for construída Informações disponíveis área da bacia Ab 300 km2 precipitação média anual Pm 1300 mmano evapotranspiração total EVT para situação com a barragem pronta 1000mmano demanda da cidade 150 lhab x dia demanda da área irrigada 9000 m3ha x ano Solução Volume precipitado VP 1300 x 103 x 300 x 106 390 x 106 m3 Volume perdido por evapotranspiração VEVT 1000 x 103 x 300 x 106 300 x 106 m3 Volume escoado VE VP VEVT 390 300 x 106 90 x 106 m3 Demanda da cidade VDC 100000 x 150 x 103 x 365 5475 x 106 m3 Demanda da área irrigada VDI 5000 x 9000 45 x 106 m3 Demanda total VDT 5475 45 x 106 50475 x 106m3 VE VDT Atende à demanda 2 Uma bacia hidrográfica de 25 km2 de área recebe uma precipitação média anual de 1200 mm Considerando que as perdas médias anuais por evapotranspiração valem 800 mm determinar a vazão média de longo período na exutória foz em m3s Solução Volume precipitado VP 1200 x 103 x 25 x 106 30 x 106 m3 Volume perdido por evapotranspiração VEVT 800 x 103 x 25 x 106 20 x 106 m3 Volume escoado VE VP VEVT 30 20 x 106 10 x 106 m3 Transformando volume escoado em vazão temos Q 0317 3 Conhecida a área uma precipitação em mm pode ser transformada em unidade de volume V e vazão Q A vazão é o resultado do escoamento mento superficial Calcular o volume de 1250 mm de precipitação média sobre uma bacia hidrográfica de área 635 km2