Hydrology, Environment and Water Resources 2016 / Water distribution on Earth and the water cycle

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1 Hydrology, Environment and Water Resources 2016 / 2017 Water distribution on Earth and the water cycle

2 Water distribution on Earth IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, Around 70% of the Earth surface is covered by oceans. Water distribution on earth (adapted from Nace, U.S. Geological Survey,1967). Reservoirs Volume, in Km 3 of water Percentage of the total amount of water (%) Oceans Glaciars Groundwater storage Lakes Land seas (major lakes) Soil water content Atmosphere Rivers Total volume of water %

3 Water distribution on Earth IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, Source Volume of water (km3) Percentage of fresh water (%) Percentage of all water (%) Fonte de água Volume de água (km3) Percentagem de água doce Percentagem do total de água Oceanos, mares e baías ,5 Gelo polar e glaciares ,7 1,74 Água do subsolo ,7 Doce ,1 0,76 Salgada ,94 Humidade do solo ,05 0,001 Gelo do solo e permafrost ,86 0,022 Lagos ,013 Doce ,26 0,007 Salgada ,006 Atmosfera ,04 0,001 Água em pântanos ,03 0,0008 Rios ,006 0,0002 Água biológica ,003 0,0001 Total World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

4 Water availability versus population IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, Europa: 4,1 x10 3 m 3 /year/hab North America: 17.5 x10 3 m 3 /year/hab África: 5,1 x10 3 m 3 /year/hab Asia: 3,3 x10 3 m 3 /year/hab The United Nations World Water Development Report, 2003 South America: 28,3 x10 3 m 3 /year/hab Australia/Oceania: 50 x10 3 m 3 /ano/hab

5 Population growth IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira,

6 Some computations Area of a sphere = 4* *R 2 Vol of a sphere = 4/3* *R 3 Earth radius = ~6370 km Earth area = 4* *R 2 = km 2 Oceans area = 0,7 * = km 2 Continents area = 0,3 * = km 2 Average ocean depth = Vol. água nos oceanos / Área oceanos = / = 3.65 km The volume of water existing on earth would cover the whole planet with a depth of = / = 2.66 km

7 Hydrologic cycle Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (

8 The water cycle IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira,

9 Global water balance IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, Water moisture transport Transporte de humidade do ar km 3 /ano Evapotranspiration from continents Evapotranspiração de continentes km 3 /ano Precipitation over continents Precipitação sobre continentes km 3 /ano Runoff Esc. superficial km 3 /ano Precipitation over oceans Precipitação sobre oceanos km 3 /ano Evaporation from oceans Evaporação de oceanos km 3 /ano Esc. subterrâneo km 3 /ano Groundwater flow World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

10 Residence time Residence time = Reservoir volume / Flux Atmosphere: T residencia 0,022 anos 8, 2dias Oceans: T residencia ~ 2600anos Rivers: T residencia ~ 0,047 anos ~ 17dias Groundwater: We need to estimate the flux = percentagem of superficial flow arising from groundwater flow; Tresidencia = ~1400 years

11 Units issues Common volume units 1 l (liter) 1 m 3 = 1000 l 1 dam 3 (cubic decameter) = 1000 m 3 1 hm 3 (cubic hectometer) = 1000 dam 3 1 km 3 = 1000 hm 3 1 mm = 1 l/m 2 (when we are comparing volumes over the same area and the area is known) Common flux units l/s m 3 /s dam 3 /month hm 3 /year km 3 /year (sometimes /month ot /year are omitted when the time interval is clear)

12 Exercise Water moisture transport Transporte de humidade do ar km 3 /ano Evapotranspiration from continents Evapotranspiração de continentes km 3 /ano Precipitation over continents Precipitação sobre continentes km 3 /ano Runoff Esc. superficial km 3 /ano Precipitation over oceans Precipitação sobre oceanos km 3 /ano Evaporation from oceans Evaporação de oceanos km 3 /ano Esc. subterrâneo km 3 /ano Groundwater flow World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978 What is the precipitation value over the whole planet, over the continents and over the oceans, in mm? P globe = ( ) / x 10 6 mm = 1130 mm P oceans = / x 10 6 mm = 1270 mm P continents = / x 10 6 mm = 800 mm

13 Exercise From the total volume of fresh water existing on earth (35x10 6 km 3 ), 30% remains on an average of 1400 years in aquifers, and 0.006% remains 16 days in rivers. Compute the volume of fresh water that annualy renovates the water stored in aquifers and rivers. Da água doce existente no globo terrestre, cerca de 35x10 6 km 3, 30% reside em média 1400 anos nos aquíferos subterrâneos e 0,006% reside em média 16 d nos rios. Calcule o volume médio de renovação anual nos dois reservatórios e, com base no resultado obtido, refira de qual dos reservatórios se poderá utilizar de modo permanente maior quantidade de água. Vol. rios Vol. ren. 0,006/ rios ~ km 2.100km 3 3 / ano Vol. aquif Vol. ren. 30/ aquif ~ 7.500km 3 3 km 3 / ano

14 Exercise Compute the flow of the Amazon river in m 3 /s, knowing that it corresponds to 12% of the runoff generated in all continents. The total area of the continents is 150x10 6 km 2 and the generated annual runoff is 316 mm. O escoamento anual médio dos continentes é cerca de 316 mm. Sabendo que a área dos continentes é 150x10 6 km 2 e que o escoamento do rio Amazonas corresponde a cerca de 12% do total, estime o caudal médio do referido rio em m 3 /s. Esc. anual. continentes km km ano 3 Esc. anual. Amazonas 0, km ano Caudal m s

15 Problema Exercise IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, O volume de água existente nos oceanos, que ocupam uma área superficial de 70% da superfície do globo terrestre, estima-se em cerca de 1338x10 6 km 3. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica da água é cerca de 0,00015 K -1 e desprezando outros efeitos estime o aumento da profundidade média dos oceanos quando a sua temperatura se eleva uniformemente de 1 ºC. Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.

16 Exercise In continental Portugal, with an area of km 2, and 10 millions inhabitants, the capitation of average public water supply is 200 l/hab/day. Compute the annual volume of water supplied in mm/year. Em Portugal Continental, com uma área de km 2 e 10 milhões de habitantes, o abastecimento público de água é em média cerca de 200 l/hab/d. Estime em mm/a o volume anual de água abastecido. Vol litros 7, litros Vol. 7, km 3 0,73km Vol. 0,73/ mm 8mm

17 Flow generation processes

18 The watershed: the natural unit Watershed Catchment River basin Hydrographic basin Precipitação Evapotranspiração Transferências artificiais Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos Escoamento

19 Flow generation processes IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 Rodrigo Proença de Oliveira, Precipitação Precipitation Precipitação Evapotranspiration Evapotranspiração Evaporação Interception Intercepção Retention - Intercepted water in ground depressions which evaporates / Retenção Água que não se infiltra nem dá origem a escoamento superficial (água interceptada ou retida em depressões do solo) Detention - Water in motion / Detenção Água em trânsito Água retida em depressões Infiltration Infiltração Runoff Escoamento superficial (directo) Evaporation Evaporação Recarga Recharge Escoamento sub-superficial ou intermédio Intermediate flow Escoamento de base Base flow

20 Water balance For a given watershed and a given t: P+ I x = H + E + S s + S v + S u + E x P = Precipitation over the basin H = Flow at the final crossection E = Evapotranspiration S s = Overland storage variation S V = Soil storage variation S u = Deep aquifer storage variation E x = Man mad water exports R = Mad made imports

21 Water balance simplification P = H + E + S s + S v + S u + E x I x If there are no significant human interventions / Se forem desprezadas as quantidades de água movimentadas pela ação humana: E x = I x = 0 When considering a long period with low variation in basin water storage / Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou compensadas, os vários tipos de armazenamento: S s + S v + S u = 0 Then P = H + E For an hydrologic year / Para um ano hidrológico : P = H + E

22 Exercise The anual average precipitation and evapotranspiration of the Zezere watershed, with 5029 km 2, are 1007 mm and 712 mm, respectively. Assuming that the Castelo Bode reservoir, located in that watershed, supplies the Lisbon region with an annual average of m 3 /day, estimated the annual volume, in hm 3, that reaches the Tagus river from the Zezere river. A bacia hidrográfica do rio Zêzere, com 5029 km 2 de área, está sujeita a uma precipitação anual e a uma evapotranspiração anual de cerca de 1007 e 712 mm, respetivamente. Assumindo que a captação para abastecimento público, existente em Castelo de Bode, transfere para as bacias vizinhas, e nomeadamente para a região de Lisboa, um caudal médio anual igual a 450 mil m 3 /dia, estime o volume anual, em hm 3, com que a bacia hidrográfica do rio Zêzere contribui para o escoamento do rio Tejo. Lisboa Zêzere Tejo

23 Exercise Assume that the annual precipitation and evapotranspitation in Portugal are 850 mm e 630 mm, respectively. Knowing that the area of Portugal is km 2 and that annual flow volume from Spain reaching Portugal is 45 km 3, estimate the annual discharge, in m 3 /s, that reaches the Portuguese river outlets. Assuma que a precipitação anual média e a evapotranspiração real anual média em Portugal são respetivamente, 850 mm e 630 mm. Sabendo que a área de Portugal é km 2 e que o escoamento anual médio afluente de Espanha é sensivelmente 45 km 3, estime o caudal anual médio, em m 3 /s, que se escoa para o mar na totalidade das fozes dos rios Portugueses.

24 Exercise The annual precipitation and the annual runoff of a watershed with 100 km 2 are 1000 mm and 1300 mm, respectively. These values are possible because 8 hm 3 per month are transfered from a nearby basin. Estimate the annual evapotranspiration, in mm. Numa bacia hidrográfica com 100 km 2 de área, para a qual são transferidos de bacia vizinha cerca de 8 hm 3 por mês, a precipitação e o escoamento em determinado ano hidrológico foram de 1000 mm e 1300 mm, respectivamente. Estime em mm o valor da evapotranspiração real nesse ano. Justifique.

25 Exercise A project plans to transfer the maximum possible volume of water from a watershed with 100 km 2, while maintaining an annual average flow at the outlet of 0,5 m 3 /s. Knowing that the annual precipitation and evapotranspiration of that watershed are 1000 mm and 700 mm, respectively, estimate the maximum possible flow, m 3 /s, that can transfered. De uma bacia hidrográfica com 100 km 2 de área, pretende-se transferir para uma bacia vizinha o máximo caudal médio compatível com um escoamento médio de 0,5 m 3 /s na secção de referência da bacia de origem. Sabendo que a precipitação e a evapotranspiração anuais médias na bacia de origem são respectivamente 1000 mm e 700 mm, estime o máximo caudal médio transferível em m 3 /s. Justifique.