1 Notas de Aula de Hidrologia Aplicada

Universidade Federal de Minas Gerais\nEscola de Engenharia\nDepartamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos\nNotas de Aula de HIDROLOGIA APLICADA\nMauro Naghettini\nPRIMEIRA PARTE Notas de Aula de Hidrologia Aplicada\nMauro Naghettini\nPRIMEIRA PARTE\nCapitulo 1 : Introdução\nCapitulo 2 : Bacias Hidrográficas\nCapitulo 3 : Noções sobre a Atmosfera Terrestre\nCapitulo 4 : Precipitação\nSEGUNDA PARTE\nCapitulo 5 : Os Processos de Intercepção, Evapo-Transpiração e Infiltração\nCapitulo 6 : As Vazões dos Cursos d'Água\nCapitulo 7 : Estatística e Probabilidade Aplicadas à Hidrologia\nTERCEIRA PARTE (em preparação)\nCapitulo 8 : Vazões de Enchentes\nCapitulo 9 : Propagação de Vazões em Reservatórios e Rios\nCapitulo 10 : Águas Subterrâneas\nReferências Prefácio\n\nEssas \"Notas de Aula de Hidrologia Aplicada\" foram escritas com a intenção de que venham a constituir um texto básico para a disciplina \"Hidrologia Aplicada\", oferecida pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos aos alunos do sétimo período do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Minas Gerais. Elas foram elaboradas de modo a cumprir os seguintes objetivos :\n\n• ser um texto introdutório à hidrologia, sem as preocupações de apresentação exaustiva das diversas metodologias existentes e de excesso formalismo matemático;\n• ser um texto no qual os métodos hidrológicos são apresentados como instrumentos de análise de projetos e ações de engenharia;\n• ser um texto em que a ordem de apresentação dos assuntos seja sequencialmente lógica; \ne ter ao final de cada capítulo uma extensa lista de exercícios; e\n• induzir a utilização dos recursos computacionais contemporâneos.\n\nDessa forma, pretende-se despertar o interesse dos estudantes para o entendimento e a correta aplicação dos métodos hidrológicos, indispensáveis ao planejamento, operação e à verificação de diversas estruturas de engenharia civil. Aproveito a oportunidade para expressar meus agradecimentos a meu colega Professor Mário Cicarelli Pinheiro, que permitiu a transcrição e adaptação para essas notas de aula de alguns tópicos e exemplos de sua autoria. Por fim, solicito gentilmente aos leitores dessas notas de aula que enviem-me suas sugestões ou correções de eventuais erros e omissões indevidas.\n\nSeguem meus agradecimentos antecipados.\n\nBelo Horizonte, março de 1997\n\nMárcio Taglietti\nPhD University of Colorado, 1994\nProfessor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos\n\nEscola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais\nAvenida Contorno 842 - 8º andar\n30110-060 Belo Horizonte, MG\nFax : (031) 238-1870\n : (031) 238 1002\nInternet : naghet@dedalus.lcc.ufmg.br 1. INTRODUÇÃO\n\n1.1 Definições de Hidrologia e Hidrologia Aplicada\n\nNa Terra, a ocorrência da água se dá em seus estados sólido, líquido e gasoso, através de sua continua circulação e distribuição sobre a superfície terrestre, subsolo, oceanos e atmosfera. A Hidrologia é a ciência que trata das águas da Terra, sua ocorrência, circulação, distribuição, suas propriedades físico-químicas e suas relações com os seres vivos. Como tal, a Hidrologia é uma geociência e se relaciona com outras áreas do conhecimento como Climatologia, Meteorologia, Geologia, Geomorfologia, Sedimentologia, Geografia e a Oceanografia.\n\nAlém de proporcionar a manutenção da vida na Terra, a água se presta a inúmeras atividades humanas, entre as quais se destacam agricultura, produção de energia, transporte e abastecimento industrial, tornando-a um recurso, cuja abundância ou escassez determina indicadores de progresso econômico e qualidade de vida. Entretanto, a distribuição dos recursos hídricos dá-se de forma desigual tanto em termos espaciais quanto temporais, ora evidenciando-se, ora escassez, nas respectivas escalas de tempo e/ou espaço. O homem utiliza avançadas tecnologias para alterar as distribuições temporal e espacial da água sobre a superfície terrestre, através da construção de obras hidráulicas tais como reservatórios, canais de desvio, diques de proteção contra cheias e outras. A Hidrologia Aplicada ou Engenharia Hidrológica utiliza os princípios da ciência hidrológica para solucionar os problemas de engenharia resultantes da exploração dos recursos hídricos terrestres pelo homem. Em sentido amplo, a Hidrologia Aplicada busca estabelecer as relações que determinam as variabilidades espacial, temporal e geográfica dos recursos hídricos, com o objetivo de assegurar a qualidade do planejamento, projeto e operação de estruturas e sistemas hidráulicos.\n\n1.2 O Ciclo Hidrológico\n\nA circulação continua e distribuição da água sobre a superfície terrestre, subsolo, atmosfera e oceanos é conhecida como o ciclo hidrológico. Existem cinco processos básicos no ciclo hidrológico: 1) condensação, 2) precipitação, 3) infiltração, 4) escoamento\n\nNotas da Aula de Hidrologia Aplicada - 1. Introdução Mauro Naghettini\n\n1\n superficial e 5) evapotranspiração. A radiação solar e a gravidade são os principais agentes que governam os processos do ciclo hidrológico, os quais encontram-se ilustrados esquematicamente na Figura 1.1.\n\nFigura 1.1 - O Ciclo Hidrológico\n\nP: precipitação Ev: evaporação ETP: evapotranspiração E\\u2092: escoamento superficial E\\u2091: infiltração Pe: percolação E\\u2093: escoamento subterrâneo\n\nA condensação ocorre quando o ar úmido se restrita. Inicialmente, o resfriamento do ar úmido provoca a condensação do vapor e a formação de minúsculas gotas de água, as quais prendem-se a sais e partículas higroscopicas presentes na atmosfera, dando origem a nuvens e outras formas de nebulosidade. O choque entre as gotículas em suspensão provoca o seu crescimento, tornando-as suficientemente pesadas para se precipitarem sob a forma de chuva (ou neve, ou granizo ou orvalho).\n\nAs gotas de chuva iniciam então a segunda fase do ciclo hidrológico, a precipitação, a qual pode variar em intensidade de uma estação para outra, ou de uma região para outra, a depender das diferenças climáticas no tempo e espaço.\n\nParte da precipitação pode ser recolhida pela folhagem e troncos da vegetação e não atinge o solo. A esse armazenamento de água dá-se o nome de interceptação ou\n\nNotas da Aula de Hidrologia Aplicada - 1. Introdução Mauro Naghettini\n\n2\n interceptação, grande parte do qual retorna à atmosfera sob forma de vapor, através da energia fornecida pela radiação solar. A parte da precipitação que atinge o solo pode infiltrar para o subsolo, escorrere por sobre a superfície ou ser recolhida diretamente por cursos e corpos d'água. As fases de infiltração e escoamento superficial são inter-relacionadas e muito influenciadas pela intensidade da chuva, pela cobertura vegetal e pela permeabilidade do solo.\n\nParte da água que se infiltra fica retida em poros na camada superior do solo pela ação do tensão capilar. Essa umidade retida no solo pode ser absorvida pelas raízes da vegetação ou pode sofrer evaporação. Outra parte do volume infiltrado pode formar o escoamento sub-superficial através das camadas mais profundas do solo. O restante da água de infiltração irá percolar para as camadas mais profundas até encontrar uma região na qual todos os poros do solo estão preenchidos por água. Essas camadas de solo saturado com água são chamadas aquíferos e repousam sobre substratos impermeáveis do solo. O escoamento subterrâneo em um aquífero pode dar-se lateralmente e, eventualmente, emergir em um lago ou mesmo sustentar a vazão de um rio em períodos de estiagem.\n\nA taxa de infiltração e a capacidade máxima de infiltração do solo, esse excesso irá se manifestar em depressões e, em seguida, formando o escoamento superficial. Esse faz-se através de trajetórias preferenciais, sulcos, ravinas, vales e cursos d'água, os quais finalmente irão desaguar nos mares e oceanos. Nesse trajeto da água superficial, podem ocorrer mais uma vez perdas por infiltração e evaporação, conforme as características de relevo e umidade presente no solo.\n\nO ciclo hidrológico completa-se pelo retorno à atmosfera da água armazenada pelas plantas, solo e superfícies líquidas, sob a forma de vapor d'água. Quando essa mudança de fase tem origem em superfícies líquidas dá-se o nome de evaporação simplesmente. A transpiração é a fase pela qual as plantas retiram a água retida nas camadas superiores do solo, utilizam-na em seu processo de crescimento e a eliminam sob forma de vapor através de pequenas aberturas existentes em sua folhagem. O conjunto dos processos de evaporação da água do solo e transpiração é conhecido por evapo-transpiração. Numa \"escala continental, cerca de 25% do volume d'água que atinge o solo alcançam os oceanos na forma de escoamento superficial, ao passo que 75% voltam à atmosfera por evaporação e evapotranspiração. Desse volume, 40% irão se precipitar sobre os oceanos e\n\nNotas da Aula de Hidrologia Aplicada - 1. Introdução Mauro Naghettini\n\n3\n 35% sobre continentes, somando-se a contribuição de 65% oriundas da evaporação dos grandes corpos d'água.\n\nA água hoje existente na Terra é a mesma desde a origem do planeta há 4 ou 5 bilhões de anos. O volume total de água na Terra é estimado em 1460 milhões de quilômetros cúbicos e encontra-se distribuído de forma bastante desequilibrada entre rios, aquíferos, oceanos e lagos. A Tabela 1.1, adaptada de Nace (1981), apresenta as estimativas do balanço global do volume de água, sua distribuição e os respectivos tempos de residência. Observe que volume de água subterrânea representa quase a totalidade da água doce não congelada existente no globo terrestre.\n\nTabela 1.1 - Balanço Hídricos Global (Nace, 1981)\nFonte Volume (10^8 m³) Volume (%) Tempo de Residência\nMares e oceanos 1370 94 4000 anos\nLagos e reservatórios 0,13 <0,01 10 anos\nPântanos <0,01 <0,01 1-10 anos\nRios <0,01 <0,01 2 semanas\nUmidade do solo 0,07 <0,01 2 semanas - 1 ano\nGeleiras 30 2 10-10000 anos\nÁgua atmosférica 0,01 <0,01 10 dias\nÁgua biosférica <0,01 <0,01 1 semana\n\n1.3 Breve Histórico do Desenvolvimento da Hidrologia\n\nVen Te Chow (1964) divide a história da hidrologia em 8 períodos.\n\na) Período de Especulação (até 1400 DC)\nAs antigas civilizações construíram diversos aproveitamentos de recursos hídricos, entre os quais se destacam os poços artesianos na Arábia, os canais e os complexos sistemas de abastecimento d'água de cidades da Pérsia, as obras de irrigação e controle de cheias na China, Egito, Índia e Mesopotâmia, e os admiráveis aquedutos romanos (Fig. 1.2). Os\nNotas de Aula de Hidrologia Aplicada - 1. Introdução\nMauro Naghettini\n\n