HIDROLOGIA APLICADA Profª.Jéssika Cosme INTRODUÇÃO DEFINIÇÃO Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, estudando a sua ocorrência, circulação e distribuição, as suas propriedades físicas e químicas e as suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida. INTRODUÇÃO A ciência da Hidrologia, ou ciência hidrológica, é bastante abrangente e pode ser subdividida em diferentes áreas de conhecimento associadas, a saber: Hidrometeorologia, que estuda a água na atmosfera; Limnologia, voltada para o estudo dos lagos e reservatórios; Potamologia, que estuda os rios; Glaciologia, que é o ramo de estudo da água superficial, particularmente quando esta se apresenta sob a forma de gelo; Hidrogeologia, que é especificamente voltada para o estudo das águas na crosta terrestre, com ocorrência subterrânea. INFLUÊNCIA DA HIDROLOGIA i) Abastecimento de água ii) Projeto e construção de obras hidráulicas iii) Drenagem iv) Irrigação v) Regularização de cursos d’água e controle de inundações vi) Controle da poluição vii) Controle de erosão viii) Navegação ix) Geração de energia (aproveitamento hidrelétrico) O CICLO HIDROLÓGICO O ciclo hidrológico refere- se à troca contínua de água na hidrosfera, entre a atmosfera e a água do solo, águas superficiais, subterrâneas e das plantas. Ele representa o caminho percorrido pela água nos seus três estados físicos (sólido, líquido e gasoso), conforme ilustra a Figura 1.1. O CICLO HIDROLÓGICO i) Uma porção, conhecida como interceptação, é retida pelas construções, pelas copas das árvores, arbustos e outras plantas e obstáculos, de onde, eventualmente, evapora. O excesso, isto é, o que supera a capacidade de interceptação, soma-se à parcela da chuva que atinge diretamente o solo; O CICLO HIDROLÓGICO ii) Parte da água de chuva que atinge o solo retorna à atmosfera na forma de evaporação. Outras parcelas infiltram-se no terreno ou escoam-se superficialmente. O CICLO HIDROLÓGICO iii) Da parcela da água de infiltração, parte vai ocupar a zona das raízes e é utilizada pelas plantas para, finalmente, retornar à atmosfera pelo processo conhecido como transpiração; O CICLO HIDROLÓGICO iv) A água de infiltração que percola (escoa através dos espaços intergranulares) para as camadas mais profundas do solo vai constituir a água ou escoamento subterrâneo. O CICLO HIDROLÓGICO v) Além da interceptação, evaporação e infiltração, o restante da água precipitada formará, inicialmente, poças ou pequenos armazenamentos nas depressões do terreno. Nova evaporação ocorrerá destes armazenamentos; O CICLO HIDROLÓGICO vi) Após ser excedida a capacidade de armazenamento nas depressões do terreno, a água passa a escoar superficialmente e, sob a ação da gravidade, termina por se juntar aos cursos d’água naturais. Relativamente ao total precipitado, esta parcela da precipitação que se escoa pela superfície do terreno é chamada precipitação efetiva ou precipitação excedente. O CICLO HIDROLÓGICO Sob o ponto de vista do escoamento superficial, é também conhecida como escoamento superficial direto ou runoff. Alguma evaporação também ocorre desse escoamento superficial. O CICLO HIDROLÓGICO vii) Para ocorrer o runoff, a água deve se acumular antes de seguir o seu percurso. Essa camada acumulada constitui um tipo de armazenagem, conforme acima mencionado, conhecido como detenção, retenção ou armazenamento superficial, e também está sujeita à evaporação. O CICLO HIDROLÓGICO viii) O destino final de todos os cursos d’água naturais são os lagos, mares e oceanos que, com mais intensidade, estão sujeitos à evaporação. O CICLO HIDROLÓGICO ix) A evaporação de todas as fontes acima, juntamente com a transpiração, leva a umidade (vapor d’água) de volta à atmosfera e resulta na formação das nuvens. Em condições favoráveis terá origem nova precipitação, e o ciclo descrito pelos passos (i) a (ix) se repete. O CICLO HIDROLÓGICO Os fatores que impulsionam o ciclo hidrológico são: a energia térmica solar (fonte de energia de todo o processo); a ação dos ventos (que transportam o vapor d’água; a força da gravidade (principal força atuante). Importa, ainda, destacar que o ciclo hidrológico só pode ser visto como fechado em nível global, o que significa que o total evapotranspirado (soma das águas de evaporação e transpiração) em uma região não necessariamente corresponderá ao total precipitado num dado intervalo de tempo. O CICLO HIDROLÓGICO Como resultado da ocorrência das chuvas, as águas infiltradas, que constituem os armazenamentos nos reservatórios subterrâneos e que fluem contínua e lentamente sob a ação da gravidade, terminam por aflorar por pontos de descarga subterrânea, tais como fontes de encosta, ou vão abastecer os corpos d’água superficiais (rios, lagos, lagunas, reservatórios), constituindo o que se denomina descarga ou escoamento de base. É exatamente devido a esse escoamento de base, ou básico, que se garante a perenização dos rios. O CICLO HIDROLÓGICO Como resultado da ocorrência das chuvas, as águas infiltradas, que constituem os armazenamentos nos reservatórios subterrâneos e que fluem contínua e lentamente sob a ação da gravidade, terminam por aflorar por pontos de descarga subterrânea, tais como fontes de encosta, ou vão abastecer os corpos d’água superficiais (rios, lagos, lagunas, reservatórios), constituindo o que se denomina descarga ou escoamento de base. É exatamente devido a esse escoamento de base, ou básico, que se garante a perenização dos rios. O CICLO HIDROLÓGICO Pode-se concluir que quanto maiores a retenção na cobertura vegetal, o armazenamento superficial e a infiltração das águas de chuva, menores serão os volumes excedentes disponíveis para o escoamento superficial. Assim, em consequência, especialmente em caso de chuvas intensas, menores serão as chances de incidência de enchentes e inundações. AVALIAÇÃO QUANTITATIVA DAS COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO: A EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO Os projetos em recursos hídricos são, essencialmente, exercícios que envolvem a quantificação das fases ou componentes do ciclo hidrológico visando, principalmente, conhecer a relação demanda- disponibilidade de água. Nestes projetos consideram-se como fontes de suprimento, fundamentalmente, as águas superficiais e subterrâneas. Em termos quantitativos, o ciclo hidrológico pode ser representado por uma equação que expressa o princípio da conservação da massa, conhecida como equação da continuidade. AVALIAÇÃO QUANTITATIVA DAS COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO: A EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO A equação do balanço hídrico, dependendo dos propósitos para o qual é escrita, pode admitir a subdivisão, a consolidação, ou a eliminação de um ou outro termo. Em geral, a equação do balanço hídrico é empregada para: um determinado intervalo de tempo, que pode ser alguns minutos ou horas, ou um longo período, como um ano; uma área de drenagem natural (bacia hidrográfica) ou artificialmente limitada, ou um corpo ’água, como um lago ou reservatório, ou ainda um lençol subterrâneo; a fase vapor (atmosfera) acima da superfície terrestre. AVALIAÇÃO QUANTITATIVA DAS COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO: A EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO São comuns três aplicações da equação do balanço hídrico: 1) equação do balanço hídrico para bacias hidrográficas de grandes áreas de drenagem; 2) equação do balanço hídrico para corpos d’água, como rios, lagos e reservatórios; 3) equação do balanço hídrico para o escoamento superficial direto (runoff). AVALIAÇÃO QUANTITATIVA DAS COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO: A EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO São comuns três aplicações da equação do balanço hídrico: 1) equação do balanço hídrico para bacias hidrográficas de grandes áreas de drenagem; 2) equação do balanço hídrico para corpos d’água, como rios, lagos e reservatórios; 3) equação do balanço hídrico para o escoamento superficial direto (runoff). AVALIAÇÃO QUANTITATIVA DAS COMPONENTES DO CICLO HIDROLÓGICO: A EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO Nos primeiros dois casos, são consideradas as quantidades acima e abaixo da superfície da terra. Em sua forma geral, a equação pode ser escrita para um determinado volume de controle, num dado intervalo de tempo, como: em que P = precipitação, R = escoamento superficial, G = escoamento subterrâneo, E = evaporação, T = transpiração e S = armazenamento; os índices “in” e “out” referem-se às quantidades que entram e saem, respectivamente, do volume de controle. A equação pode ser escrita para as componentes com a dimensão de volume [L3], vazão [L3T-1] ou comprimento [L]. Para isso, no segundo caso, as quantidades são escritas na forma de taxas (dividindo-se pela escala de tempo), enquanto que, no terceiro caso, as quantidades (volumes) devem ser divididas pela área de referência. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA GRANDES BACIAS Em bacia de grande área de drenagem, a equação do balanço é usada na avaliação quantitativa dos recursos hídricos para a concretização de projetos que envolvem determinados usos e para os propósitos de avaliação das demandas e/ou disponibilidades hídricas. Nesse caso, o balanço hídrico é normalmente realizado para um longo intervalo de tempo (como num ciclo anual) e os valores das componentes envolvidas geralmente referem-se a um ano médio. Em termos médios e para um longo intervalo de tempo, as variações positivas e negativas do armazenamento tendem a se balancear, isto é, a variação média do armazenamento ΔS pode ser desprezada. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA GRANDES BACIAS Ainda no caso de grandes bacias, as trocas de água subterrânea com as bacias vizinhas (“fugas”) são ignoradas, isto é, Gin – Gout = 0. Além disso, o único input na bacia é a precipitação (não pode haver escoamento superficial através da linha de contorno da bacia: Rin = 0). Assim, com todas essas considerações, a Eq. (1) reduz-se a: onde, na Eq. (3), ET representa a evapotranspiração (soma dos processos de evaporação e transpiração) e Rout é o volume (Vols), vazão (Q) ou altura de lâmina d’água (hs) correspondente na seção de saída da bacia. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA CORPOS D’ÁGUA EM CURTOS INTERVALOS DE TEMPO No caso de reservatórios, lagos, rios e armazenamentos subterrâneos a equação do balanço hídrico é usada para prever as consequências das condições hidrológicas atuais sobre uma estrutura: a equação mostra-se importante nas análises que envolvem a operação diária da estrutura. O curto intervalo de tempo empregado na análise exige que o termo de variação do armazenamento, ΔS, seja necessariamente considerado. Contudo, em curtos intervalos de tempo o termo de evaporação geralmente é muito pequeno e pode ser desprezado. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA CORPOS D’ÁGUA EM CURTOS INTERVALOS DE TEMPO Se não ocorrer uma chuva no período de análise, a equação pode ser representada, em termos de taxas volumétricas, como: onde Qin e Qout são as vazões de entrada e saída, respectivamente (representam todos os termos “in” e “out”), e S/t = variação do armazenamento no intervalo t. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA CORPOS D’ÁGUA EM CURTOS INTERVALOS DE TEMPO EXEMPLO 1.1 Num dado instante, o armazenamento num trecho de rio é de 68.200m3. Naquele instante, a vazão de entrada no trecho é de 10,6m3/s e a vazão de saída é de 15,9 m3/s. Transcorridas duas horas, as vazões de entrada e saída são, respectivamente, 17,0m3/s e 19,1 m3/s. Determine: a) A variação do armazenamento na calha do rio durante nessas 2 horas; b) O volume armazenado ao final das duas horas. Sugestão: Admitir variação linear das vazões de entrada e saída no trecho. EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA CORPOS D’ÁGUA EM CURTOS INTERVALOS DE TEMPO EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA CORPOS D’ÁGUA EM CURTOS INTERVALOS DE TEMPO EQUAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO PARA O ESCOAMENTO SUPERFICIAL DIRETO DURANTE UMA CHUVA INTENSA Para determinar o runoff devido a uma chuva intensa deve-se considerar a equação do balanço hídrico acima da superfície do solo. A equação, escrita para um curto intervalo de tempo, em termos de alturas médias, é da forma: onde P = altura da lâmina d’água precipitada; Int = interceptação; E = evaporação; R = escoamento superficial direto ou runoff; I = infiltração e SD = armazenamento nas depressões do terreno. Durante a chuva, em curtos intervalos de tempo pode-se desprezar a evaporação. E, se não se exige uma determinação exata, a interceptação e o armazenamento nas depressões do terreno também podem ser ignorados, o que permite reescrever a Eq. (5) na forma reduzida: EXERCÍCIOS 1.1) Estima-se que 60% da precipitação anual numa bacia hidrográfica de 24,67km2 sejam evapotranspirados. Se a vazão média anual na desembocadura do rio principal é de 70,8l/s, qual a precipitação anual na bacia? 1.2) Num trecho de rio, a vazão de entrada num dado instante é de 9,91m3/s e a vazão de saída é de 8,07m3/s. Decorridos 90min, as vazões de entrada e saída no trecho são de 7,08m3/s e 5,66m3/s, respectivamente. Calcular a variação do armazenamento em 90min. 1.3) As perdas por evaporação de um reservatório são de 185 mil metros cúbicos de água por dia. Se o reservatório tem superfície de área constante de 2,02km2 e se a diferença entre as vazões de saída e entrada do reservatório é de 1,41m3/s, qual a variação do nível d’água do reservatório em um dia? 1.4) No problema anterior, se, devido a uma chuva, 76mm de água são admitidos no reservatório em um dia, qual a variação na profundidade do reservatório? EXERCÍCIOS 1.5) A evaporação anual de um lago com superfície (área do espelho d’água) de 15km² é de 1500mm. Determinar a variação do nível do lago durante um ano se, nesse período, a precipitação foi de 950mm e a contribuição dos tributários foi de 10m³/s. Sabe-se, também, que naquele ano foi retirada do lago uma descarga média de 5m³/s para a irrigação de culturas e a manutenção da vazão ecológica, além de uma captação de 165x106m³ para refrigeração de uma unidade industrial. (Desprezar a variação da área do espelho d’água). 1.6) O sistema de abastecimento de água de uma cidade deve utilizar como manancial um curso d’água natural. Sabe-se que a área de drenagem, relativa à seção de captação, é igual a 100km², e que na bacia a precipitação média anual é de 1.200mm e as perdas por evapotranspiração são estimadas em 800mm. Sabendo-se, ainda, que o consumo médio previsto é de 50.000m³/dia, verifique se esse manancial tem capacidade para abastecer a cidade.