Hidrologia Aplicada Capítulo 1. INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA Não é a toa que o Planeta Terra é chamado de o Planeta Azul - dois terços de sua superfície são cobertos pela água de mares e oceanos (Figura 1.1). Na realidade, existe água em praticamente todo lugar: sobre a superfície terrestre, na forma de rios, lagos, mares e oceanos; sob a superfície terrestre, na forma de água subterrânea e umidade do solo e na atmosfera, na forma de vapor d água. A água, em certos locais, pode ocorrer de forma quase ilimitada, como nos oceanos, ou em quantidades praticamente nulas, como nos desertos. Figura 1.1 Planeta Terra Apesar da maior parte da água do Planeta, em qualquer momento, estar contida nos oceanos, a mesma está em contínuo movimento, em um ciclo cuja fonte principal de energia é o sol e cuja principal força atuante é a gravidade. A esta transferência ininterrupta da água do oceano para o continente e do continente para o oceano (Figura 1.2), dá-se o nome de Ciclo Hidrológico.
2 OCEANOS CONTINENTE CICLO HIDROLÓGICO Figura 1.2 Transferência da água oceano x continente 1.1. Etimologia e definição de Hidrologia A palavra HIDROLOGIA é originada das palavras gregas HYDOR, que significa água e LOGOS, que significa ciência. Hidrologia é, pois, a ciência que estuda a água. Definição 1: Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e sua reação com o meio ambiente, incluindo sua relação com as formas vivas relacionada com toda a água da Terra, sua ocorrência, distribuição e circulação, suas propriedades físicas e químicas, seu efeito sobre o meio ambiente e sobre todas as formas da vida. (Definição proposta pelo US Federal Council for Sciences and Technology (Chow, 1959)). Por ser muito ampla, é difícil pensar numa ciência que não esteja incluída nesta definição. A Botânica, ao estudar o transporte de água através dos vegetais ou a Medicina, ao estudar a água no corpo humano, fariam parte da Hidrologia. Na prática, a definição de Hidrologia é: Definição 2: A Hidrologia estuda as fases do ciclo hidrológico, descrevendo seu passado, tentando prever seu futuro. 2. CICLO HIDROLÓGICO A água diferencia-se dos demais recursos naturais pela notável propriedade de renovar-se continuamente, graças ao ciclo hidrológico. Embora o movimento cíclico da água não tenha princípio nem fim, costuma-se iniciar seu estudo descritivo pela evaporação da água dos oceanos, seguida de sua precipitação sobre a superfície que, coletada pelos cursos d água, retorna ao local de partida.
3 A descrição acima simplifica sobremaneira o processo que realmente ocorre (Figura 1.3), uma vez que não estão computadas as eventuais interrupções que podem ocorrer em vários estágios (Ex. precipitação sobre o oceano) e a íntima dependência das intensidade e freqüência do ciclo hidrológico com a geografia e o clima local. Alguns tópicos podem ser destacados: Figura 1.3 Ciclo Hidrológico. (Fonte: Dnaee) 1. O sol constitui-se na fonte de energia para a realização do ciclo. O calor por ele liberado atua sobre a superfície dos oceanos, rios e lagos estimulando a conversão da água do estado líquido para gasoso. 2. A ascensão do vapor d água conduz à formação de nuvens, que podem se deslocar, sob a ação do vento, para regiões continentais. 3. Sob condições favoráveis a água condensada nas nuvens precipita (sob forma de neve, granizo ou chuva) (1) podendo ser dispersada de várias formas: (1) Quando a precipitação se dá sob forma de neve ou granizo, a retenção no solo é mais demorada, até que ali se processe a fusão.
4 Retenção temporária ao solo próximo de onde caiu; Escoamento sobre a superfície do solo ou através do solo para os rios; Penetração no solo profundo. 4. Atingindo os veios d água, a água prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo. 5. As depressões superficiais porventura existentes retém a água precipitada temporariamente. Essa água poderá retornar para compor fases seguintes do ciclo pela evaporação e transpiração da plantas. 6. Os escoamentos superficial e subterrâneo decorrem da ação da gravidade, podendo parte desta água ser evaporada ou infiltrada antes de atingir o curso d água. 7. Atingindo os veios d água, a água prossegue seu caminho de volta ao oceano, completando o ciclo. 8. A evaporação acompanha o ciclo hidrológico em quase todas as suas fases, seja durante a precipitação, seja durante o escoamento superficial. Dotado de certa aleatoriedade temporal e espacial, o ciclo hidrológico configura processos bem mais complexos que os acima descritos. Uma vez que as etapas precedentes à precipitação estão dentro do escopo da meteorologia, compete ao hidrólogo conhecer principalmente as fases do ciclo que se processam sobre a superfície terrestre, quais sejam, precipitação, evaporação e transpiração, escoamento superficial e escoamento subterrâneo. 3. UM POUCO DA HISTÓRIA DA HIDROLOGIA Os mais antigos trabalhos de drenagem e irrigação em larga escala são atribuídos ao Faraó Menés, fundador da primeira dinastia egípcia, que barrou o rio Nilo próximo a Mênphis, com uma barragem de 15m e extensão de aproximadamente 500 metros, para alimentar o canal de irrigação. Também no Egito encontram-se os primeiros registros sistemáticos de níveis de enchentes. Estes registros datam de 3.500 a.c. e indicavam aos agricultores a época oportuna de romper os diques para inundar e fertilizar as terras agricultáveis. Nota-se que, aos egípcios, pouco importava o estudo da Hidrologia como ciência e sim. A sua utilização.
5 Muitos conceitos errôneos e falhas de compreensão atravessaram o desenvolvimento da engenharia no seu sentido atual. Os gregos foram os primeiros filósofos que estudaram seriamente a Hidrologia, com Aristóteles sugerindo que os rios eram alimentados pelas chuvas. Sua maior dificuldade eram explicar a origem da água subterrânea. Somente na época de Leonardo da Vinci (por volta de 1.500 d.c)a idéia da alimentação dos rios pela precipitação começou a ser aceita. No entanto, foi apenas no ano de 1694 que Perrault, através de medidas pluviométricas na bacia do rio Sena, demonstrou, quantitativamente, que o volume precipitado ao longo do ano era suficiente para manter o volume escoado. O astrônomo inglês Halley, em 1693, provou que a evaporação da água do mar era suficiente para responder por todas as nascentes e fluxos d água. Mariotte, 1em 1686, mediu a velocidade do rio Sena. Estes primeiros conhecimentos de Hidrologia permitiram inúmros avanços no Século XVIII, incluindo o teorema de Bernoulli, o Tubo Pitot e a Fórmula de Chèzy, que formam a base da Hidráulica e da Mecânica dos Fluidos. Durante o Século XIX, foram feitos significantes avanços na teoria da água subterrânea, incluindo a Lei de Darcy. No que se refere à Hidrologia de águas superficiais, muitas fórmulas e instrumentos de medição foram criados. Chow (1954) chamou o período compreendido entre 1900 e 1930 ficou conhecido como o Período do Empirismo. O período de 1930 a 1950 seria o Período da Racionalização. Datam desta época o Hidrograma Unitário de Sherman (1932) e a Teoria da Infiltração de Horton (1933). Entre 1940 a 1950 foram feitos significantes avanços no entendimento do processo de evaporação. Em 1958, Gumbel llança as bases da moderna hidrologia estocástica. A partir da década de 70, a Hidrologia passa a contar com o avanços computacionais, o que levaram ao desenvolvimento de muitos modelos de simulação 4. DISPONIBILIDADES HÍDRICAS MUNDIAIS Segundo Lvovich (apud Raudikivi, 1979), a ordem de grandeza e a distribuição das disponibilidades hídricas no mundo são as mostradas na Tabela 1.1.
6 Tabela 1.1 Distribuição das disponibilidades hídricas no mundo Fonte Superfície Volume % do Volume Total (10 6 Km 2 ) (10 6 Km 2 ) Oceanos 360 1.370.323 93,93 Águas Subterrâneas - 64.000 4,39 Geleiras e Neve Perpétua 16 24.000 1,65 Lagos - 230 0,016 Umidade do Solo - 75 0,005 Água na Atmosfera 510 14 0,001 Rios 1,2 0,0001 Total 1.458.643 100 Fonte: Raudikivi (1979) Deste total, cerca de 94% é de água salgada e apenas 6%, de água doce. Desconsiderando a quantidade de água doce sob forma de geleiras, águas subterrâneas e umidade atmosférica, ínfimos 0,0161% do total da água do Planeta estão disponíveis em rios e lagos (Figura 1.4), os quais não se encontram eqüitativamente distribuídos sobre todo o Planeta. Figura 1.4 Água doce disponível em lagos e rios Para se dar uma pequena idéia da má distribuição espacial da água, cita-se o exemplo do Brasil, que possui cerca de 12% das reservas hídricas superficiais do mundo, mas com aproximadamente 65% destes recursos concentrados na Amazônia.
7 Questões a se pensar: 1. Por que se preocupar com as várias fases do ciclo hidrológico? 2. Se o estudo da Hidrologia não era importante há 30-40 anos atrás, por que o deveria ser hoje? 3. Se essa quantidade de água doce nunca foi motivo de grandes preocupações, por que o seria agora? 5. A ÁGUA E O DESENVOLVIMENTO A água sempre desempenhou um papel fundamental na história da humanidade. O surgimento das cidades sempre se deu ao longo os rios. Entretanto, não se tinha a percepção da importância da água como hoje, uma vez que sua qualidade e quantidade eram adequadas às necessidades da época abastecimento, diluição de dejetos, pesca, geração de energia, entre outros. Como as fontes hídricas não eram desenvolvidas no limite de sua possibilidades, havia pouco interesse em se obter dados e conhecimento a respeito de suas capacidades máximas, e assim a Hidrologia, como ciência, pouco se desenvolveu. Hoje, o cenário é outro. Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), o consumo mundial de água doce dobrou nos últimos 50 anos e corresponde, atualmente, à metade de todos os recursos hídricos acessíveis. Explorar tais recursos foi o motor do desenvolvimento econômico de muitos países, sobretudo na agricultura, abastecimento humano e animal, geração de energia, indústria e transporte. Porém a competição por água entre tais setores vem degradando as fontes naturais, das quais o mundo depende. O ciclo natural da água tem sido interrompido ou alterado em regiões muito artificializadas, como as megacidades. É consenso geral que a gestão das águas é uma necessidade. E assim, a Hidrologia ressurge, hoje, como ferramenta indispensável para tal fim, uma vez é a ciência que trata do entendimento dos processos naturais que dão base aos projetos de suprimento de água. Só ela pode avaliar como e quanto o ciclo hidrológico pode ser modificado pelas atividades humanas. No passado, já existiam estes sinais de desconhecimento da Hidrologia, mas os mesmos só afetavam pequenas parcelas da população e tinham pouca divulgação. Isto tem mudado significativamente nos últimos 30 anos. Hoje já se tem o entendimento que a prosperidade e a sobrevivência da humanidade é função da disponibilidade de água doce e potável e que, a cada ano nascem mais alguns milhões de consumidores e não é criada, sequer, uma gota d água a mais no Planeta.
8 Os múltiplos usos e usuários disputando um mesmo litro de água e a perspectiva de demandas ainda maiores no futuro indicam que mais e mais profissionais e não somente o engenheiro necessitam ter conhecimentos de Hidrologia. Somente assim os tomadores de decisão poderão avaliar as vantagens e desvantagens de cada alteração proposta no ciclo hidrológico. Exemplos da falta de conhecimentos de Hidrologia na sociedade moderna: 1. Construção nas planícies aluviais de rios 2. Reservatórios superdimensionados 3. Problemas de drenagem urbana 4. Construção e reservatórios pouco profundos em regiões com altas taxas de evaporação 5. Perfuração de poços secos em regiões cristalinas 6. Problemas de salinização de solos em projetos de irrigação em regiões áridas e semiáridas Exemplo concreto 1: o Açude Cedro Ce O Açude Cedro foi construído em 1906, no município de Quixadá, Ceará. Exemplo clássico de falta de conhecimento hidrológico, o reservatório foi superdimensionado, construído com capacidade de acumulação equivalente a seis vezes seu volume afluente anual. Tendo sangrado pouquíssimas vezes desde sua construção, a Figura 1.5 mostra uma das ocasiões em que esvaziou totalmente, em 2001. Figura 1.5 - Açude Cedro Ce (vazio em novembro de 2001)
9 Exemplo concreto 2: Inundação em Fortaleza, Ce A Figura 1.6 mostra um problema de drenagem urbana característicos das grandes cidades, no caso, Fortaleza, Ce. Figura 1.6--Enchente em Fortaleza, Ce em 1997 6. APLICAÇÕES DA HIDROLOGIA À ENGENHARIA A Hidrologia não é uma ciência pura, uma vez que o objeto de estudo é usualmente dirigido para aplicações práticas, sendo assim, o termo Hidrologia Aplicada é freqüentemente utilizado. Eis algumas das aplicações da hidrologia: Escolha de fontes de abastecimento de água Subterrânea - locação do poço e capacidade de bombeamento Superficial locação da barragem, estimativa da vazão afluente e da vazão a ser regularizada, dimensionamento do reservatório e do sangradouro Drenagem urbana dimensionamento de bueiros Drenagem de rodovias dimensionamento de pontes e pontilhões Irrigação fonte de abastecimento, estimativa da evapotranspiração da cultura
10 Controle de enchentes dragagem do leito do rio, construção de reservatórios de controle de cheias Exemplo concreto 1: cheias e secas no rio Capibaribe A Bacia do rio Capibaribe, Pernambuco, tem sua história intimamente ligada a episódios de cheias catastróficas, notadamente na Região Metropolitana de Recife. Entretanto, nos últimos anos, a cidade vem sendo atingida por uma grave crise no abastecimento d água, sendo obrigatório o uso extensivo de carros-pipa. Os quatro maiores açudes da bacia Jucazinho, Carpina, Goitá e Tapacurá, representam cerca de 91% do total acumulado nos açudes mais importantes da bacia e são utilizados tanto para controle de cheias como para o abastecimento. A operação de reservatórios com múltiplas finalidades é feita tradicionalmente com a divisão do volume total armazenável em zonas para o atendimento de seus diferentes objetivos. Na prática, a divisão consiste em se alocar volumes de reserva para as respectivas finalidades. Objetivos diametralmente conflitantes, como controle de cheias que requer que a parte do volume destinada a este fim permaneça seca para que a cheia possa assim ser contida e conservação que precisa que a água seja efetivamente armazenada para usos futuros em irrigação e abastecimento municipal e industrial não são fáceis de conciliar. As figuras 1.7 e 1.8 mostram, respectivamente, um esquema da bacia hidrográfica do rio Capibaribe com seus barramentos construídos ao longo de seu leito, e Recife em um episódio de inundação. Figura 1.7 -- Bacia hidrográfica do rio Capibaribe (Pe) e seus barramentos
11 Figura 1.6--Enchente em Recife, Pe 7. RELAÇÃO DA HIDROLOGIA COM OUTRAS CIÊNCIAS Devido a natureza complexa do ciclo hidrológico e suas relações com os padrões climáticos, tipos de solos, topografia e geologia, as fronteiras entre a hidrologia e as outras ciências da terra, tais como meteorologia, geologia, ecologia e oceanografia não são muito distintas. Na realidade, tais ciências também podem ser consideradas ramos da hidrologia: Meteorologia e Hidrometeorologia estudo da água atmosférica. Oceanografia estudo dos oceanos. Hidrografia estudo das águas superficiais. Potamologia estudo dos rios. Limnologia estudo dos lagos e reservatórios. Hidrogeologia estudo das águas subterrâneas. Sendo assim, poucos problemas hidrológicos podem ficar limitados a apenas um desses ramos. Freqüentemente, devido a grande inter-relações do fenômeno, a solução do problema só pode ser dada através de uma discussão interdisciplinar com profissionais de um ou mais desses ramos. Muitas outras ciências podem ainda ser utilizadas na Hidrologia, tais como física, química, geologia, geografia, mecânica dos fluidos, estatística, economia, computação, direito, etc.