CC54Z - Hidrologia. Definições, aspectos gerais e o ciclo hidrológico. Universidade Tecnológica Federal do Paraná

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná CC54Z - Hidrologia Definições, aspectos gerais e o ciclo hidrológico Prof. Fernando Andrade Curitiba, 2014

2 Objetivos da aula Definir hidrologia e engenharia hidrológica Demonstrar a importância e as aplicações da hidrologia Apresentar os usos da água e a disponibilidade hídrica no Brasil e no mundo Analisar casos atuais que envolvem conhecimentos da hidrologia Apresentar os conceitos de ciclo hidrológico e de balanço hídrico de bacias hidrográficas 2

3 Definições e aspectos gerais da hidrologia

4 Definição de hidrologia A hidrologia é a ciência que trata da água da Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com os seres vivos [1] Outras ciências também estudam o comportamento da água em diferentes fases, como a meteorologia e a oceanografia. A diferença fundamental é que a hidrologia estuda os processos do ciclo da água em contato com os continentes 4

5 Engenharia hidrológica A engenharia hidrológica se baseia em observações dos fenômenos hidrológicos da natureza (medições das variáveis hidrológicas) e usa métodos determinísticos e estocásticos para análise e previsão Cada vez mais a engenharia hidrológica tem se aproximado de ciências ambientais como a limnologia e a ecologia, de modo a permitir o enfoque integrado dos aspectos de quantidade e de qualidade da água 5

6 Engenharia hidrológica A engenharia hidrológica é parte componente da engenharia de recursos hídricos, em que os aspectos econômicos, sociais e ambientais são contemplados nos estudos que consideram múltiplos objetivos A integração da engenharia hidrologia com outras ciências está sujeita à constituição de equipes multidisciplinares 6

7 Importância/aplicações da hidrologia Dimensionamento de obras hidráulicas Aproveitamento dos recursos hídricos Controle e previsões de inundações Controle e previsão de secas Controle da poluição das águas e da qualidade ambiental Manutenção dos ecossistemas em rios, lagos e estuários 7

8 Perguntas típicas Qual é a disponibilidade de água de um rio e como ela poderá variar entre estações e de um ano a outro? Qual é a vazão máxima provável em um local proposto para uma barragem? Qual é a relação entre a quantidade de água superficial e a água subterrânea? Qual é o volume de um reservatório necessário para garantir uma determinada vazão a jusante? 8

9 Perguntas típicas Qual é o tamanho adequado de um reservatório de armazenamento para limitar as inundações a jusante a um nível préestabelecido? Qual é a vazão mínima de um rio que é igualada ou superada 90% do tempo? Qual deve ser a capacidade de um canal ou de um bueiro para evitar inundações em determinadas áreas? Qual é vazão necessária para manter uma determinada espécie ou um ecossistema em um rio ou reservatório? 9

10 Recursos hídricos O elemento fundamental na hidrologia é a água, um mineral presente na natureza nos estados sólido, líquido e gasoso As propriedades físicas e químicas da água e as condições ambientais permitem que haja uma renovação no ciclo hidrológico No entanto, os recursos hídricos são escassos 10

11 Recursos hídricos Fonte: ANA [2] 11

12 Disponibilidade hídrica Disponibilidade hídrica no Brasil (m 3 hab -1 ano -1 ) Fonte: ANA [2] 12

13 Usos múltiplos da água Usos consuntivos: alteram significativamente a quantidade e/ou qualidade de água disponível para outros usuários na região de consumo Usos não-consuntivos: alteram pouco a quantidade e/ou qualidade da água disponível para outros usuários depois da retirada dos mananciais 13

14 Usos múltiplos da água Abastecimento humano (c.) Abastecimento industrial (c.) Crescimento de culturas agrícolas (c.) Geração de energia elétrica Navegação Recreação e lazer Assimilação e transporte de poluentes Preservação de ecossistemas 14

15 Uso consuntivo da água Variação da demanda consuntiva do uso da água no Brasil [2] 15

16 Escassez da Água É possível verficar concentração de populações humanas, de indústrias, de atividades agrícolas e sócio-econômicas fazendo uso excessivo da capacidade hídrica das bacias, de regiões hidrográficas e dos aqüíferos subterrâneos Sob essas condições, a água passa a ser escassa, o que leva à geração de conflitos entre seus diversos tipos de usos e usuários 16

17 Escassez da Água Um aspecto fundamental da escassez de água é o desequilíbrio provocado por eventos hidrológicos extremos, tais como as secas A poluição e a contaminação da água também contribuem para sua escassez Em suma, a escassez da água está fazendo com que ela não seja mais um bem livre, abundante e disponível a todos, mas um recurso parco, cuja utilização deve ser objeto de gestão 17

18 Temas atuais: abastecimento da RMSP O Sistema Cantareira é responsável pela transposição das águas dos afluentes das bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) para a Bacia do Alto Tietê 76 municípios na bacia PCJ dependem do sistema (cerca de 5 milhões de pessoas) e a RMSP (8,8 milhões de pessoas) Pergunta: qual a vazão máxima de retirada da bacia PCJ para garantir o abastecimento adequado de todos os municípios 18

19 Sistema Cantareira Fonte: SABESP [3,4] 19

20 Sistema Cantareira Fonte: SABESP [3] 20

21 Sistema Cantareira Fonte: SABESP [3] 21

22 Outros temas atuais Aumento das taxas cobradas em alguns estados brasileiros pelo consumo de energia elétrica, devido aos baixos níveis dos reservatórios das hidroelétricas e a necessidade de funcionamento das termoelétricas 22

23 O ciclo hidrológico e o balanço hídrico

24 Ciclo hidrológico O ciclo hidrológico é um fenômeno global da circulação da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar, associada a gravidade e a rotação da Terra É possível pelas propriedades físicas da água. A água também sofre alterações de qualidade ao longo das diferentes fases do ciclo hidrológico O ciclo hidrológico é fechado se considerado em escala global. Em escala regional podem existir alguns sub-ciclos 24

25 Ciclo hidrológico 25

26 Principais processos do ciclo hidrológico Precipitação: vapor de água condensado que cai sobre a superfície terrestre Infiltração: fluxo de água da superfície que se infiltra no solo Escoamento superficial e subterrâneo: movimento das águas sobre/sob a superfície terrestre Evaporação: transformação da água no seu estado líquido para o estado gasoso à medida que se desloca da superfície para a atmosfera Transpiração: forma como a água existente nos organismos passa para a atmosfera 26

27 Ciclo hidrológico 27

28 Balanço hídrico O balanço das entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica é denominado balanço hídrico A principal entrada de água de uma bacia é a precipitação A saída de água da bacia pode ocorrer por evapotranspiração (evaporação + transpiração) e por escoamento superficial e/ou subterrâneo 28

29 Balanço hídrico de uma bacia hidrográfica 29

30 Balanço hídrico DS=P-Q-E DS é a variação do volume armazenado no solo por unidade de tempo (i.e., m3/s) P é a precipitação (i.e., m3/s) Q é o escoamento superficial + subterrâneo (i.e., m3/s) E é evapotranspiração (i.e., m3/s) Em intervalos de tempo longos, DS 0 P=Q+E 30

31 Conversão de unidades A precipitação P é dada em altura de lâmina d água em mm que corresponde ao volume de chuva V distribuído em uma lâmina uniforme sobre uma área A V=[P(mm)*10-3 ]*[A(km 2 )*10 6 ]=m 3 A vazão é o volume por unidade de tempo Q=V/t em m 3 /s, m 3 /dia, m 3 /ano 31

32 Correlação chuva-vazão A equação do balanço hídrico nos mostra que é possível obter uma correlação entre dados de chuva e vazão Frequentemente os dados de chuva-vazão são correlacionados usando unidades idênticas (i.e., m 3 /s, mm) Dados adimensionais (i.e., normalizados pelas médias) podem ser correlacionados Dados acumulados no tempo podem ser correlacionados 32

33 m 3 /ano ou mm/ano Comparação de séries temporais chuva-vazão chuva vazão Tempo (anos) 33

34 precipitação anual (mm) Correlação dos dados chuva-vazão equação da curva ajustada R 2 vazão anual (mm) 34

35 Exemplos 1. Qual seria a vazão de saída em m 3 /s de uma bacia impermeável, com área de 60 km 2, sob uma chuva constante com intensidade de 10 mm/h? 2. A região da bacia hidrográfica do rio Taquari recebe precipitações médias anuais de 1600 mm. Em Muçum (RS) há um local em que são medidas as vazões deste rio e a análise de série de dados diários ao longo de 30 anos revela que a vazão média do rio é de 340 m 3 /s. Considerando que a área da bacia neste local é de Km 2, qual é a evapotranspiração média anual nesta bacia? 35

36 Exemplos 3. Determine a evapotranspiração média anual de uma bacia hidrográfica com área 500 km 2 e com a série de chuva-vazão ilustrada abaixo Data Precipitação (mm/ano) Vazão (m 3 /s)

37 Referências bibliográficas [1] United States Federal Council for Science and Technology,Comittee for Scientific Hidrology, Citado em CHOW, V.T. et al.. Applied hydrology. Editora McGraw Hill, [2] ANA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS.. Conjuntura dos recursos hídricos do Brasil Relatório do Ministério do Meio Ambiente, [3] [4] SOLIA, M., FARIA, O. M., ARAÚJO, R.. Mananciais da região metropolitana de São Paulo. São Paulo, Sabesp, 2007