Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos 2009 / Rodrigo Proença de Oliveira

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1 Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos 2009 / 2010 Rodrigo Proença de Oliveira

2 Organização

3 Organização Docente: Rodrigo Proença de Oliveira, Gab: 5.40 Aulas: Teórica: 3a feira: :30, sala QA1.1 Teórica: 3a feira: :30, sala V1.17 Prática: 4a feira: 11:30-13:00, Lab. V Avaliação: Exame: 60% Média de 3 trabalhos práticos (grupos de 3): 40% Nota mínima de 8 em cada uma das componentes de avaliação; Notas superiores a 16 são defendidas em oral. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

4 Elementos de apoio Página da cadeira: Pagina oficial no Fenix Documentos de apoio: Folhas da disciplina (A Quintela); Slides das aulas; Precipitações intensas (INAG); Factor de Majoração da Fórmula Racional (Hipolito et al.); SNIRH: IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

5 Programa Programa: O ciclo da água Estudo das variáveis hidrológicas Avaliação das disponibilidade de água Águas superficiais Águas subterrâneas Análise do risco de cheias Datas de entregas dos trabalhos: Trab.1: 21 de Outubro Trab.2: 11 de Novembro Trab.3: 22 de Dezembro IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

6 O que é a hidrologia e qual é a sua importância?

7 O que é a hidrologia Ciência que estuda a ocorrência, distribuição e circulação da água na Terra, as suas características físico-quimicas e as suas interacções com o ambiente (incluindo ser vivos); Hidrologia: Hydro (Água) + Logos (Conhecimento); Meteorologia Climatologia Hidráulica Quimica Hidrologia Geografia Biologia Geologia Geomorfologia Hidráulica: tópico de ciência aplicada que lida com as propriedades mecânicas de líquidos. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

8 A importância da hidrologia Precisamos de água para viver (Consumir, produzir alimentos, movimentar, produzir energia, ) Precisamos de um ambiente de qualidade e de ecossistemas saudáveis, e estes dependem da água; A água pode também ser a causa de enormes riscos e sofrimentos (e.g. cheias e secas, riscos para a saúde); Os hidrologistas são aqueles que asseguram o conhecimento que permite manter uma boa relação com este recurso fundamental à vida. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

9 Abastecimento de água e produção de energia Albufeira de Castelo de Bode IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

10 Abastecimento de água, produção de energia e protecção contra cheias Rio Dão Rio Mondego Rio Alva Aguieira Fronhas Raiva Coimbra Açude de Coimbra Baixo Mondego Barragem da Aguieira F.Foz IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

11 Irrigação e produção de energia Barragem de Alqueva IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

12 Protecção de ecossistemas Recreio e lazer IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

13 Controlo da contaminação IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

14 Controlo da erosão Porto Santo IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

15 Cheias e secas Istambul, Set Portugal, 2005 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

16 Protecção contra cheias Holanda IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

17 Navegação Rio Elba Canal-ponte sobre o Rio Elba que une a rede de canais da Alemanha Oriental com a Ocidental. Fica situado junto a Magdeburgo, próximo de Berlim. Tem cumprimento de 918 m. Custou cerca de 500 milhões de euros e demorou 6 anos a construir. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

18 Qual não há planeamento nem infra-estruturas IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

19 Água e saúde Mais de 1,1 mil milhões de pessoas sem acesso a um abastecimento sustentado de água de boa qualidade; Mais de 2.4 mil milhões de pessoas ( > 1/3 da população mundial) sem acesso a saneamento de boa qualidade; Mais de crianças morrem por dia de doenças relacionadas com a água Mais de 250 milhões de pessoas por ano afectadas por doenças relacionadas com a água (implicando a ocupação de metade dos leitos hospitalares) Investimento anual em infra-estruturas hídricas: Actual: 70 mil milhões de USD Necessário: 180 mil milhões de USD IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

20 Utilização da água no mundo Usos consumptivos IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

21 Disponibilidade de água versus população Europa: 4,1 x10 3 m 3 /ano/hab América do Norte: 17.5 x10 3 m 3 /ano/hab África: 5,1 x10 3 m 3 /ano/hab Ásia: 3,3 x10 3 m 3 /ano/hab América do Sul: 28,3 x10 3 m 3 /ano/hab The United Nations World Water Development Report, 2003 Austrália/Oceania: 50 x10 3 m 3 /ano/hab IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

22 Crescimento da população irá exacerbar os problemas da água IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

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

24 O planeta azul Cerca de 70% da superficie do planeta é coberto por água (oceanos). IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

25 Distribuição de água na Terra Distribuição da água naterra (adaptado de Nace, U.S. Geological Survey,1967). Reservatórios 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 % IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

26 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 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

27 Alguns cálculos Área de uma esfera = 4*π*R 2 Volume de uma esfera = 4/3*π*R 3 Raio da Terra = ~6370 km Área da Terra = 4*π*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 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

28 Ciclo hidrológico Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro ( IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

29 Ciclo hidrológico IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

30 Balanço hidrológico global IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

31 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 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

32 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 Unidades de fluxo l/s m 3 /s dam 3 /mês hm 3 /ano km 3 /ano (quando o volume incide sobre uma área conhecida ou quando se lidam com vários volumes sobre a mesma área) (por vezes omite-se /ano ou /mês quando o intervalo de tempo é evidente) IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

33 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 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

34 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. = 0,006 / = 2.100km rios Vol. ren. rios = = ~ km 3 3 / ano Vol. aquif = 30/ = km 3 Vol. ren. aquif = = ~ 7.500km 3 / ano IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

35 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/ = 0,73 km 3 mm = 8mm 7, litros IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

36 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. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

37 Recursos hídricos disponíveis Precipitação sobre os continentes IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

38 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. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

39 Bacia hidrográfica: a unidade natural Precipitação Evapotranspiração Transferências artificiais Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos Escoamento IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

40 Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 40

41 Hidrologia e Recursos Hídricos,

42 Bacia hidrográfica: problemas com a definição dos limites Bacia hidrográfica Limite do escoamento superficial Escoamento subterrâneo IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

43 As maiores bacias do mundo IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

44 Os maiores rios e bacias do mundo km 3 /yr IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

45 As maiores bacias da Europa IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

46 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. continentes = km = Esc. anual. Amazonas = 0, = Caudal = = m km s km ano 3 ano IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

47 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) IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

48 Mar Aral IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

49 Portugal: Principais bacias hidrograficas e aquiferos IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas Rodrigo Proença de Oliveira,

50 Portugal: Principais bacias hidrograficas A (km2) Portugal A (km2) Espanha A (km2) Total Minho Lima Douro Tejo Guadiana IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

51 ARH Administrações de Região Hidrográfica RH1 RH2 RH3 RH4 RH6 RH5 RH7 ARH Norte: RH1, RH2, RH3 ARH Centro: RH4 - Rib.Oeste (RH4) ARH Tejo: RH5 + Rib.Oeste (RH4) ARH Alentejo: RH6 e RH7 ARH Algarve: RH8 RH8 RH 9 R. A Açores RH10 R.A Madeira IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

52 Caracterização de uma bacia hidrográfica IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

53 Factores que influenciam a resposta de uma bacia Morfologia Área / Dimensão Forma Relevo / Orografia Hidrografia / Rede hidrográfica Geologia e Téctónica Tipo de solo Coberto vegetal e Uso do solo Meteorologia Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 53

54 Cartas topgráficas Carta 1: km <> 40 cm 16 km <> 64 cm P = 0 km M = 72 km IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

55 Caracterização da forma Indice de compacidade de Gravelius Bacia circular: Kc = 1 Bacia quadrada: Kc = Kc = 2 P π A Rectangulo equivalente b L A = L b ( L b) P = 2 + K c A L = Kc K c A b = Kc 2 2 L Índice de alongamento K L = b Arredondada, Kc < Alongada, KL > 2 Para definir o rectangulo equivatente: Kc > Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 55

56 Comprimento do perímetro Qual é o comprimento de uma linha irregular? Depende da resolução de análise 56

57 Hipsometria Z 5 = Zmax A 4 Cota (m) Área acima da cota (km2) Z 5 0 Z 4 A 4 = A 4 A 3 Z 4 Z 3 A 3 = A 4 +A 3 Z 2 A 2 = A 4 +A 3 +A 2 Z 1 A 1 = A 4 +A 3 +A 2 +A 1 Z 3 Z 0 A 0 = A 4 +A 3 +A 2 +A 1 +A 0 =A bacia A 2 A 1 A 0 Z o = Zmin Z 2 Z 1 Altitude máxima: Z 5 Altitude mínima: Z 0 Altitude média = Vol. abaixo da superficie do terreno / Área da bacia Z med = 1 1 n At i= 0 ( z + z ) i+ 1 ' i+ 1 Altitude mediana = Altitude correspondente a 50% da área. Altura média = Altitude média - Altitude mínima h med = Z 1 2 med i A Z min IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

58 Curva hipsométrica Altitude/Cota (m) Z 5 = Altitude máxima Z 4 Z 3 Z 2 Altitude mediana Altitude média Z 1 Altura média Z 0 = Altitude mínima A 4 A 3 50% da área da bacia A 2 A 1 Área da bacia Área acima da cota (km2) Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 58

59 Curva hipsométrica adimensional Cota (m) Curvas Hipsométricas adimensionais Intermédia Jovem Antiga 100 A/Abacia x 100 (%) IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

60 Problema Em determinada bacia hidrográfica obtiveram-se os seguintes elementos para análise do relevo, onde z representa a cota e A a área de bacia acima dessa cota. Calcule a altura média da bacia hidrográfica. Z(m) A(km2) 23,05 22,84 16,81 9,32 2,07 0,57 0,00 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

61 Perfil longitudinal de um curso de água Cota (m) Distancia à secção (km) Z 5 X 4 = X 5 +X 4 +X 3 +X 2 +X 1 Z 4 X 4 = X 4 +X 3 +X 2 +X 1 Z 3 X 3 = X 3 +X 2 +X 1 Z 2 X 2 = X 2 +X 1 Z 1 X 1 = X 1 Z 0 X 0 = 0 IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

62 Perfil longitudinal de um curso de água Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 62

63 Indicadores de declive de um curso de água Declive médio i med Z = max L Z min Altitude (m) Declive equivalente do leito Altitude (m) Desenvolvimento (m) n i= 0 ' 1 ( Zi + Zi+ 1 ) Xi+ 1 = ( Zeq + Zmin) L 2 A Z eq i n 1 = L i= eq 1 0 ( Z Z = i + Z eq i+ 1) X Z L ' i+ 1 min Z min Altitude (m) A Desenvolvimento (m) Declive 10, 85 Z 85 Z i10 ;85 = 0.75 L Hidrologia e Recursos Hídricos, O,1L O,85L L 23-Sep-09 Desenvolvimento (m)

64 Declive equivalente de um curso de água Z 5 = Zmax X 4 X 3 Z 4 Z 3 X 2 Z 2 X 1 Z 1 X 0 Z o = Zmin IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

65 Problema Para o traçado do perfil longitudinal de determinado curso de água determinaram-se os seguintes pontos, onde x representa a distância à secção de referência e z, a cota. Determine o declive médio e o declive equivalente do curso de água. x (km) z (m) IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

66 Drenagem Densidade de drenagem = Soma do comprimento dos cursos de água / Área da bacia: D d n i= = 1 A L i Dd depende da escala da carta sobre a qual é medida. Esc?? : Valores mundiais: 1 a 100 km/km2 Esc 1:25 000: Valores em PT: 3 a 5 km/km2 Esc 1: : Média nacional: 0,3 km/km2 Valores baixos: zonas de declive acentuado; solos de baixa erodibilidade. Valores altos: zonas de declive suaves, solos de erodibilidade elevada. Percurso médio sobre o terreno desde o limite da bacia até um curso de água: 1 PL = 2Dd Percurso médio sobre o terreno até a um curso de água: PL P = 1 2 = 4D d Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 66

67 Hierarquização da rede de drenagem Relação de bifurcação R N = u b u, u+ 1 Nu+ 1 Varia geralmente entre 2 a Exemplo: Ordem, u Nu Rel.Bifurc Média Geom Classificação de Strahler(1957) (ou de Horton-Strahler) Relação de bifurcação média: R R b b n 1 = n 1 u+ 1 = n 1 u= 1 N N = ,5 2,0 2,0 = 10 = u N 1 2,2 Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 67

68 Hierarquização da rede de drenagem Critérios de identificação da linha de água principal Área da bacia Comprimento do curso de água; 3 Ângulo de confluência Classificação de Horton (1945) Hidrologia e Recursos Hídricos, Sep-09 68

69 23-Sep-09 Hidrologia e Recursos Hídricos,

70 23-Sep-09 Hidrologia e Recursos Hídricos,

71 23-Sep-09 Hidrologia e Recursos Hídricos,

72 23-Sep-09 Hidrologia e Recursos Hídricos,

73 Problema No quadro seguinte apresenta-se a contagem do número de segmentos de cursos de água de cada ordem, segundo a classificação de Strahler. Determine a razão de bifurcação média geométrica. Ordem (i) Número (N i ) IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,

74 Tipo de solo, capacidade de uso do solo e uso do solo Não confundir: Tipo de solo; Capacidade de uso do solo; Uso do solo. IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos Rodrigo Proença de Oliveira,