Dinâmica de Bacias Hidrográficas e Aquíferos 2010 / 2011 Rodrigo Proença de Oliveira
Distribuição de água na terra e o ciclo hidrológico (ciclo da água)
O planeta azul Cerca de 70% da superficie do planeta é coberto por água (oceanos).
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 1 320 000 000 96.1 Glaciares 29 000 000 2.13 Água subterrânea 8 300 000 0.61 Lagos 125 000 0.009 Mares interiores 105 000 0.008 Humidade do Solo 67 000 0.005 Atmosfera 13 000 0.001 Rios 1 250 0.0001 Volume de água total 1 360 000 000 100%
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 1.338.000.000 -- 96,5 Gelo polar e glaciares 24.064.000 68,7 1,74 Água do subsolo 23.400.000 -- 1,7 Doce 10.530.000 30,1 0,76 Salgada 12.870.000 -- 0,94 Humidade do solo 16.500 0,05 0,001 Gelo do solo e permafrost 300.000 0,86 0,022 Lagos 176.400 -- 0,013 Doce 91.000 0,26 0,007 Salgada 85.400 -- 0,006 Atmosfera 12.900 0,04 0,001 Água em pântanos 11.470 0,03 0,0008 Rios 2.120 0,006 0,0002 Água biológica 1.120 0,003 0,0001 Total 1.386.000.000-100 World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978
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 = 510.100.000 km 2 Área dos oceanos = 0,7 * 510.100.000 = 361.000.000 km 2 Área dos continentes = 0,3 * 510.100.000 = 148.800.000 km 2 Profundidade média dos oceanos = Vol. água nos oceanos / Area oceanos = 1.320.000.000 / 361.000.000 = 3.65 km Volume de água existente cobriria toda a terra com uma profundidade de = 1.360.000.000 / 510.100.000 = 2.66 km
Ciclo hidrológico Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (http://www.igm.pt).
Ciclo hidrológico
Balanço hidrológico global Transporte de humidade do ar 47.000 km 3 /ano Evapotranspiração de continentes 72.000 km 3 /ano Precipitação sobre continentes 119.000 km 3 /ano Esc. superficial 44.800 km 3 /ano Precipitação sobre oceanos 458.000 km 3 /ano Evaporação de oceanos 505.000 km 3 /ano Esc. subterrâneo 2.200 km 3 /ano World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978
Tempo de residência Tempo de residência = Vol. do reservatório / Taxa de fluxo Atmosfera: 13.000 13.000 T residencia 0,022anos 8, 2dias 458.000 119.000 505.000 72.000 Oceanos: 1.320.000.000 1.320.000.000 T residencia ~ 2600anos 505.000 458.000 47.000 Rios: 2.120 T residencia ~ 0,047anos ~ 17dias 44.800 Água subterrânea: É necessário estimar a taxa de fluxo = 2.200+percentagem escoamento superficial com origem subterrânea; Tresidencia = ~1400 anos
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)
Problemas Qual é o volume de água em hm 3 precipitado em Portugal continental? Precip anual média = 850 mm Área de Portugal = 89.000 km 2 Volume = 850 x 10-3 x 89.000 x 10 6 m 3 = 75.650 x 10 6 m 3 = 75.650 hm 3 Qual é a precipitação anual média em mm sobre o globo e sobre os continentes e os oceanos? P globo = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 10 6 mm = 1270 mm P oceanos = 458.800 / 361.000.000 x 10 6 mm = 800 mm P continentes = 119.000 / 148.000.000 x 10 6 mm = 1130 mm
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 /100 35 10 rios 2.100 16 365 6 2.100km ~ 47.900km 3 3 / ano Vol. aquif Vol. ren. 30 /100 35 10 aquif 10.500 10 1400 6 3 10.500 10 ~ 7.500km 3 3 km 3 / ano
Problemas Em Portugal Continental, com uma área de 89 000 km2 e 10 000 000 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. 200 365 10.000.000litros 11 7,3 10 12 km 10 0,73/ 89.000 10 3 6 0,73km 3 mm 8mm 7,3 10 11 litros
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.
Recursos hídricos disponíveis Evapotranspiração (Água verde) ETP não utilizada 51.400 km3/ano 51.400 km3/ano 18.200 km3/ano 3.000 km3/ano Precipitação 110.300 km3/ano 69.600 km3/ano ETP utilizada 18.200 km3/ano Florestas Agricultura não irrigada 24.980 km3/ano Escoamento (Água azul) 40.700 km3/ano Disponível 12.500 km3/ano Não captado 20.426 km3/ano Em regiões remotas 7.780 km3/ano Captado 4.430 km3/ano Usos no curso 2.350 km3/ano Não utilizado 5.520 km2/ano 28.206 km3/ano 3.700 km3/ano Precipitação sobre os continentes
A bacia hidrográfica como unidade de gestão da água
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.
Bacia hidrográfica: problemas com a definição dos limites Bacia hidrográfica Limite do escoamento superficial Escoamento subterrâneo
Bacia hidrográfica: a unidade natural Precipitação Evapotranspiração Transferências artificiais Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos Escoamento
As maiores bacias da Europa
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 316 10 6 Esc. anual. Amazonas 0,12 47.400 9 5688 10 Caudal 365 24 3600 180.365m 150 10 3 5688km s 6 km 3 3 47.400km ano 3 ano
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)
Mar Aral
Portugal: Principais bacias hidrograficas e aquiferos
Portugal: Principais bacias hidrograficas A (km2) Portugal A (km2) Espanha A (km2) Total Minho 850 16.230 17.080 Lima 1.180 1.300 2.480 Douro 18.600 79.000 97.600 Tejo 24.800 55.800 80.600 Guadiana 11.500 55.300 66.800
Formação e processos de escoamento
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
Escoamento superficial Humidade do solo Retenção nas depressões Intercepção Tempo
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
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
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.
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.
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.
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
Precipitação
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) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hem. N (mm) 43.9 39.9 31.1 21.8 16.4 13.2 10.4 7.0 4.8 Hem. S (mm) 42.9 40.5 31.6 21.7 16.1 12.1 7.2 3.0 1.0 Sobre continentes (23,9 mm); Sobre oceanos (27.5 mm) Em altitude: 50% até 1500 m (850 mb); 90% até 6000 m (500 mb)
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 237. 2 T e s Tensão de vapor (Pa) T Temperatura do ar (ºC) (Estado líquido) (Vapor de água)
Precipitação de convecção: Classificação da precipitação Precipitação orográfica: Precipitações ciclónicas ou frontais
Precipitação anual média Fonte: WWAP, 2002
Fonte: Nicolau, 2000 Precipitação anual média
1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 5; 20 Precipitação (mm) 30; 59 60; 96 360; 272 720; 276 1440; 292 2880; 299 Recordes mundiais de precipitação Recordes mundiais de precipitação Duração Precipitação (mm) Intensidade média (mm h -1 ) Local Data de início 1 min 38 2280 Barot, Guadalupe 26-10-1970 8 min 126 945 Fussen, Baviera 25-05-1920 15 min 198 792 12-05-1916 20 min 206 618 Curtea-de-Arges, Roménia 07-07-1947 42 min 305 436 22-06-1947 2h 10min 483 223 Rockport, 18-07-1889 2h 45min 559 203 D'Hanis, 31-05-1935 4h 30min 782 174 Smethport, Pennsylvanea 18-07-1942 9h 1087 121 Belouve, La Réunion 28-02-1964 12h 1340 112 Belouve, La Réunion 28-02-1964 18h 30min 1689 91 Belouve, La Réunion 28-02-1964 24h 1825 76 Foc Foc, La Réunion 15-03-1952 2 d 2259 47 17-10-1967 Recordes de Precipitação 3 d 2759 38 12-09-1974 100000 4 d 3721 39 12-09-1974 8 d 3847 20 01-01-1979 10000 0.5 P 50 t 15 d 4798 13 24-06-1931 31 d 9300 13 Jul 1861 2 mêses 12767 9 Jun 1861 1000 100 Recorde Mundial Recorde Português Envolvente 3 mêses 16369 7 Mai 1861 10 4 mêses 18738 6 Abr 1861 5 mêses 20412 6 Abr 1861 1 6 mêses 22454 5 Abr 1861 11 mêses 22990 3 Jan 1861 1 ano 26461 3 Ago 1860 Duração (min) 2 anos 40768 2 Jan 1860
1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 5; 20 Precipitação (mm) 30; 59 60; 96 360; 272 720; 276 1440; 292 2880; 299 Recordes mundiais de precipitação Recordes de Precipitação 100000 10000 0.5 P 50 t 1000 100 Recorde Mundial Recorde Português Envolvente 10 1 Duração (min)
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
Documento para consulta
Histórico
T=100 anos
Maximo provável
Ratios
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.
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.
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.