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PROF. JOSÉ AQUINO DE SOUZA Carga Horária : 60 horas
1. HIDROLOGIA APLICADA – Swami Villela E Arthur Mattos 2. HIDROLOGIA BÁSICA– Nelson L. de Souza Pinto Et outros 3. HIDROLOGIA, CIÊNCIA E APLICAÇÃO – ABRH - Carlos M. Tucci 4. LIÇÕES DE HIDROLOGIA – A. LENCASTRE 5. HIDROLOGIA AMBIENTAL – ABRH - Rubem La Laina et outros 6. ENGENHARIA HIDROLÓGICA – ABRH - Fábio Ramos et outros 7. MODELOS P/ GERENCIAMENTO DE RECURSOS HIDRICOS - ABRH 8. APPLIED HYDROLOGY - Vem Te Chow et outros 9. PROBLEMS IN APPLIED HYDROLOGY - E. F. Schulz 10. HYDROLOGY FOR ENGINEERS AND PLANNERS – ALLEN E J. CASSIDY 11. L’ Hidrologie De L’ Ingénieur – G. Réméniéras 12. NOTAS DE AULAS DA PROFA. TICIANA 13. NOTAS DE AULAS – Prof. Aquino
1. O CICLO HIDROLÓGICO 2. BACIAS HIDROGRÁFICA 3. PRECIPITAÇÃO 4. O ESCOAMENTO SUPERFICIAL 5. PREVISÃO DE ENCHENTES 6. INFILTRAÇÃO 7. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO
Não é à 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. 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.
Definição de Hidrologia Hidrologia é a ciência que estuda a água na terra sob os mais variados aspectos, quais sejam: sua ocorrência, sua circulação, distribuição, suas propriedades físico-químicas e suas relações e sua relação com o meio ambiente, incluindo sua relação com os seres vivos relacionada com toda a água da Terra. (Ven Te Chow, 1959).
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 (Figura 1.2).
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 intensidades e freqüência do ciclo hidrológico com a geografia e o clima local.
Figura 1.3 – Ilustração do Ciclo Hidológico
O Ciclo hidrológico é um conceito acadêmico utilizado para explicar o movimento da água no globo terrestre e pode ser visualizado "a partir” da evaporação da água dos mares.
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 se precipitam (sob forma de neve, granizo ou chuva)(1) podendo ser dispersada de várias formas: 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. (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
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. Os Esquemas a seguir ilustram o Ciclo Hidrológico no Globo Terrestre.
Figura 1.5 – Ilustração do Ciclo Hidrológico no Globo Terrestre.
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 de altura 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. Muitos conceitos
errôneos
e
muitas
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 era 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 no rio Sena. 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, em 1686, mediu a velocidade do rio Sena. Estes primeiros conhecimentos de Hidrologia permitiram inúmeros 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 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, Gumbell lança as bases da moderna hidrologia estocástica. A partir da década de 70, a Hidrologia passa a contar com os avanços computacionais, o que levaram ao desenvolvimento de muitos modelos de simulação. Segundo Lvovich (apud Raudikivi, 1979), a ordem de grandeza e a distribuição das disponibilidades hídricas no mundo são as mostradas na Tabela 1.1.
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. 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.
Figura 1.6 – Água doce disponível em lagos e rios
O estudo do Ciclo Hidrológico na superfície terrestre é realizado numa “bacia hidrográfica”, região definida pela drenagem natural de um curso d’água principal e os seus afluentes. Nesta bacia pode-se visualizar o movimento de água nesta bacia a partir da precipitação, evaporação, escoamento superficial e armazenamento d’água superfície da bacia ou subterraneamente.
na
Na figura abaixo apresentamos a representação das principais bacias hidrográficas na região Norte e Nordeste do Brasil.
Figura 1.7 – Identificação de Algumas Bacias nas regiões Norte e Nordeste. As Bacias dos rios Tocantins e Araguaia
na região Norte são
identificadas pela nomenclatura BACIA 2 . As bacias do Rio Parnaíba, Jaguaribe e outros pequenos rios do Nordeste são identificados como BACIA 3. O rio São Francisco pertence à Bacia 4, como ilustra a figura acima.
O Fluxograma abaixo ilustra
o movimento da água de
precipitação na superfície de uma “Bacia Hidrográfica
Figura 1.8 – Fluxograma ilustrando o movimento d’ água numa Bacia Escrevendo-se a equação do Balanço Volumétrico (Balanço Hídrico), em um certo intervalo de tempo e considerando-se como sistema a Superfície do Solo da “Bacia Hidrográfica”, tem-se: P – (ES + TS) – F – QS = ?VS (1) Em que o índice S representa o fenômeno ocorrendo na superfície do Solo ?VS = Variação de Volume Armazenado no intervalo de Tempo considerado e,
(ES + TS) = Evapotranspiração (Evaporação + Transpiração) P = Precipitação QS = Escoamento Superficial F = Infiltração Considerando como sistema o sub solo, isto é , a região imediatamente abaixo da superfície do solo, a equação do Balanço seria: F – QB – (E B + TB) = ? VS (2) Onde o índice B representa o fenômeno ocorrendo no sub solo. As equações
gerais do
Balanço, considerando o fenômeno
hidrológico ocorrendo simultaneamente na Superfície e no Sub Solo, obtém-se a partir das equações (1) e (2) acima.
P – (E + T) – (Q B + QS) = ? V
(3)
(E+T) = EVP - Evapotranspiração (QB + QS) = D - Deflúvio Total QB - Escoamento Subterrâneo ou Fluxo de Base De forma simplificada a equação do Balanço Hídrico se torna
P = D + EVP + ?V (4)
Para longos períodos de tempos , pode-se desprezar a variação do volume armazenado total ?V, pois o ciclo hidrológico é um sistema fechado sem perda ou ganho de água.
EXEMPLO 1: Em uma bacia hidrográfica o total precipitado em um dado ano foi de 1326 mm. Avalie a Evapotranspiração (EVP) total neste ano na bacia hidrográfica, considerando que a vazão média anual na sua exutória (saída) foi de 14,3 l/s/km2. Desprezar a diferença de volume de água armazenado na Bacia. SOLUÇÃO: Utilizando a equação simplificada (4), tem-se: EVP = P - D D = [14,3 x 103 (m3/s) x 365 (dias) x 24(horas) x 3600(seg)]/106(m) = 0,451 ou D = 451 mm. Assim, a Evapotranspiração, neste ano, pode ser avaliada por: EVP = 1326 – 451 = 875 mm
PROBLEMA: Considere uma bacia com 13 hectares onde o total anual precipitado é em média de 1326 mm e a vazão na exutória igual a 1,86 l/s. Nesta bacia pretende-se implantar um lago inundando 1/3 da área total da bacia.
Nestas circunstâncias, haverá um acréscimo do total
evaporado na bacia devido ao espelho d’água, e o conseqüente decréscimo na vazão média anual. Supondo que a evaporação direta no reservatório é estimada em 1100 mm/ano, calcule o decréscimo percentual na vazão média. RESOLVA VOCÊ MESMO...
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: 1 . 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;
2. Drenagem urbana – dimensionamento de bueiro; 3. Drenagem de rodovias – dimensionamento de pontes e pontilhões 4. Irrigação – fonte de abastecimento, estimativa da evapotranspiração da cultura 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 tem sido 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.
Figura 1.9 - Vista da Barragem de Tapacurá
Figura 1.10 -
À esquerda um vertedor tipo escada
de
uma pequena
barragem, à direita um vertedor controlado por comporta de uma grande barragem.
