Dinâmica de Bacias Hidrográficas e Aquíferos 2010 / Rodrigo Proença de Oliveira

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1 Dinâmica de Bacias Hidrográficas e Aquíferos 2010 / 2011 Rodrigo Proença de Oliveira

2 Distribuição de água na terra e o ciclo hidrológico (ciclo da água)

3 O planeta azul Cerca de 70% da superficie do planeta é coberto por água (oceanos).

4 Distribuição de água na Terra Reservatórios Distribuição da água naterra (adaptado de Nace, U.S. Geological Survey,1967). Volume aproximado de água, em Km 3 de água Percentagem aproximada da água total Oceanos Glaciares Água subterrânea Lagos Mares interiores Humidade do Solo Atmosfera Rios Volume de água total %

5 Distribuição de água na Terra 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

6 Alguns cálculos Área de uma esfera = 4* *R 2 Volume de uma esfera = 4/3* *R 3 Raio da Terra = ~6370 km Área da Terra = 4* *R 2 = km 2 Área dos oceanos = 0,7 * = km 2 Área dos continentes = 0,3 * = km 2 Profundidade média dos oceanos = Vol. água nos oceanos / Area oceanos = / = 3.65 km Volume de água existente cobriria toda a terra com uma profundidade de = / = 2.66 km

7 Ciclo hidrológico Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (http://www.igm.pt).

8 Ciclo hidrológico

9 Balanço hidrológico global Transporte de humidade do ar km 3 /ano Evapotranspiração de continentes km 3 /ano Precipitação sobre continentes km 3 /ano Esc. superficial km 3 /ano Precipitação sobre oceanos km 3 /ano Evaporação de oceanos km 3 /ano Esc. subterrâneo km 3 /ano World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

10 Tempo de residência Tempo de residência = Vol. do reservatório / Taxa de fluxo Atmosfera: T residencia 0,022anos 8, 2dias Oceanos: T residencia ~ 2600anos Rios: T residencia ~ 0,047anos ~ 17dias Água subterrânea: É necessário estimar a taxa de fluxo = percentagem escoamento superficial com origem subterrânea; Tresidencia = ~1400 anos

11 Questões de unidades Unidades de volume mais usuais 1 l (litros) 1 m 3 = 1000 l 1 dam 3 = 1000 m 3 1 hm 3 = 1000 dam 3 1 km 3 = 1000 hm 3 1 mm = 1 l/m 2 (quando o volume incide sobre uma área conhecida ou quando se lidam com vários volumes sobre a mesma área) Unidades de fluxo l/s m 3 /s dam 3 /mês hm 3 /ano km 3 /ano (por vezes omite-se /ano ou /mês quando o intervalo de tempo é evidente)

12 Problemas Qual é o volume de água em hm 3 precipitado em Portugal continental? Precip anual média = 850 mm Área de Portugal = km 2 Volume = 850 x 10-3 x x 10 6 m 3 = x 10 6 m 3 = hm 3 Qual é a precipitação anual média em mm sobre o globo e sobre os continentes e os oceanos? P globo = ( ) / x 10 6 mm = 1270 mm P oceanos = / x 10 6 mm = 800 mm P continentes = / x 10 6 mm = 1130 mm

13 Problemas 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 ~ km 3 3 / ano Vol. aquif Vol. ren. 30 / aquif ~ 7.500km 3 3 km 3 / ano

14 Problemas Em Portugal Continental, com uma área de km2 e 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. Vol. Vol litros 11 7, km 10 0,73/ ,73km 3 mm 8mm 7, litros

15 Problemas 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 eleve uniformemente de 1 ºC. Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.

16 Recursos hídricos disponíveis Evapotranspiração (Água verde) ETP não utilizada km3/ano km3/ano km3/ano km3/ano Precipitação km3/ano km3/ano ETP utilizada km3/ano Florestas Agricultura não irrigada km3/ano Escoamento (Água azul) km3/ano Disponível km3/ano Não captado km3/ano Em regiões remotas km3/ano Captado km3/ano Usos no curso km3/ano Não utilizado km2/ano km3/ano km3/ano Precipitação sobre os continentes

17 A bacia hidrográfica como unidade de gestão da água

18 Bacia hidrográfica A bacia hidrográfica de uma dada secção de um curso de água é a área na qual a água precipitada se escoa para a secção considerada. Em geral é definida a partir da topografia da região, sendo os limites da bacia constituidos por linhas de festo.

19 Bacia hidrográfica: problemas com a definição dos limites Bacia hidrográfica Limite do escoamento superficial Escoamento subterrâneo

20 Bacia hidrográfica: a unidade natural Precipitação Evapotranspiração Transferências artificiais Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos Escoamento

21 As maiores bacias da Europa

22 Problemas 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. continente s Esc. anual. Amazonas 0, Caudal m km s 6 km km ano 3 ano

23 Bacias endorreicas Bacia endorreica: bacia hidrográfica fechada cujas águas não escoam para o mar. Escoam em regra para um lago de onde a água se evapora ou se infiltra. Alguns exemplos: Lago Chad: Em África (Chad, Camarões, Niger e Nigeria) Mar Cáspio: Recebe entre outros o rio Volga, uma das maiores bacias do mundo. Mar Aral: Cujos os afluentes foram desviados para a produção de algodão o que deu origem a um dos maiores desastres ambientais do mundo. Portugal: pequenas sub-bacias das bacias do Lis e do Tejo (zona da Serra dos Candeeiros)

24 Mar Aral

25 Portugal: Principais bacias hidrograficas e aquiferos

26 Portugal: Principais bacias hidrograficas A (km2) Portugal A (km2) Espanha A (km2) Total Minho Lima Douro Tejo Guadiana

27 Formação e processos de escoamento

28 Formação do escoamento Precipitação Precipitação Evapotranspiração Evaporação Intercepção Retenção Água que não se infiltra nem dá origem a escoamento superficial (água interceptada ou retida em depressões do solo) Detenção Água em trânsito Água retida em depressões Infiltração Escoamento superficial (directo) Escoamento sub-superficial ou intermédio Evaporação Recarga Escoamento de base

29 Escoamento superficial Humidade do solo Retenção nas depressões Intercepção Tempo

30 Balanço hidrológico Precipitação Evapotranspiração Numa bacia hidrográfica, supondo coincidentes os limites do escoamento superficial e subterrâneo, temos para um determinado t: Transferências artificiais, R P = H + E + S p + S + S u + E x R Transferências artificiais, Ex S Sp A Su Escoamento P = precipitação sobre a bacia; H = escoamento na secção de referência; E = evapotranspiração na bacia; S p = variação da retenção e detenção superficiais; S = variação da quantidade de água no solo; S u = variação das reservas de água subterrânea; E x = quantidade de água extraída pela acção humana; R = quantidade de água lançada na bacia pela acção humana. Défice de escoamento: D = P H

31 Balanço hidrológico e suas simplificações P = H + E + S p + S + S u + E x R Défice de escoamento: D = P H Se forem desprezadas as quantidades de água movimentadas pela acção humana: E x R = 0 Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou compensadas, os vários tipos de armazenamento: S p + S + S u = 0 Logo P = H + E Para um ano hidrológico: P = H + E

32 Problema 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.

33 Problema De uma bacia hidrográfica com 100 km 2 de área, pretende-se transferir para 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 de 1000 mm e 700 mm, estime o máximo caudal médio transferível em m 3 /s. Justifique.

34 Problema Os valores anuais médios da precipitação e do défice do escoamento numa bacia hidrográfica com a área de 40 km 2 foram estimados em 1500 e 850 mm, respectivamente. Determine o caudal anual médio na secção de referência da referida bacia em m 3 /s.

35 Factores de escoamento Climáticos: Precipitação (duração, intensidade, distribuição no tempo e espaço) Evapotranspiração (temperatura, radiação, pressão, vento) Fisiográficos Geometria da bacia (área e forma); Relevo / morfologia Orientação Densidade de drenagem Geologia Solo Uso do solo

36 Precipitação

37 Água na atmosfera Reservatório atmosfera: Volume modesto (quando comparado com os restantes): apenas 25 mm em média; Tempo de residência reduzido: ~8 dias. A água encontra-se predominantemente na fase gasosa (vapor de água), sendo deprezável a que se encontra na fase liquida ou sólida nas nuvens.) Enorme variação temporal e espacial: Norte vs Sul Latitude (º) Hem. N (mm) Hem. S (mm) Sobre continentes (23,9 mm); Sobre oceanos (27.5 mm) Em altitude: 50% até 1500 m (850 mb); 90% até 6000 m (500 mb)

38 Formação da precipitação Vapor de água existente na atmosfera condensa (passa à fase líquida): Por redução da temperatura do ar; Por aumento da pressão do ar (compressão); As gotas de água coalescem em torno de um núcleo com massa suficiente para se precipitar. Tensão de vapor 12,27T e s 611 exp T e s Tensão de vapor (Pa) T Temperatura do ar (ºC) (Estado líquido) (Vapor de água)

39 Precipitação de convecção: Classificação da precipitação Precipitação orográfica: Precipitações ciclónicas ou frontais

40 Precipitação anual média Fonte: WWAP, 2002

41 Fonte: Nicolau, 2000 Precipitação anual média

42 ; 20 Precipitação (mm) 30; 59 60; ; ; ; ; 299 Recordes mundiais de precipitação Recordes mundiais de precipitação Duração Precipitação (mm) Intensidade média (mm h -1 ) Local Data de início 1 min Barot, Guadalupe min Fussen, Baviera min min Curtea-de-Arges, Roménia min h 10min Rockport, h 45min D'Hanis, h 30min Smethport, Pennsylvanea h Belouve, La Réunion h Belouve, La Réunion h 30min Belouve, La Réunion h Foc Foc, La Réunion d Recordes de Precipitação 3 d d d P 50 t 15 d d Jul mêses Jun Recorde Mundial Recorde Português Envolvente 3 mêses Mai mêses Abr mêses Abr mêses Abr mêses Jan ano Ago 1860 Duração (min) 2 anos Jan 1860

43 ; 20 Precipitação (mm) 30; 59 60; ; ; ; ; 299 Recordes mundiais de precipitação Recordes de Precipitação P 50 t Recorde Mundial Recorde Português Envolvente 10 1 Duração (min)

44 Curvas CPU e IDF Rainfall depth-duration-frequency curves / Intensity-duration-frequency curves Curva de possibilidade udométrica / Rainfall depth-duration-frequency curves P a D Curva IDF Intensity-duration-frequency curves i P D b a' D ( mm) 0 b 1 b' ( mm/ h) b' 0 D P D i P (mm) i (mm/h) T=100 anos T=50 anos T=10 anos T=50 anos T=10 anos T=100 anos D D

45 Documento para consulta

46

47

48 Histórico

49 T=100 anos

50 Maximo provável

51 Ratios

52 Problema No âmbito da análise de precipitações intensas, seria possível que numa determinada chuvada as precipitações máximas em 5 min e 10 min fossem, respectivamente 11 mm e 27 mm? Justifique.

53 Problema Sabendo que a linha de possibilidade udométrica para um determinado período de retorno é representada por P(t) = axt n e que 2P(t) >= P(2t), mostre que n <=1.

54 Problema A aplicação da linha de possibilidade udométrica para o período de retorno de 1000 anos conduz a dois valores de intensidades médias de precipitação, respectivamente 20 mm/h e 15 mm/h. Indique, justificando com base na linha de possibilidade udométrica, qual o valor que corresponde à maior duração.

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