Capítulo 1HIDROLOGIA: CIÊNCIA E APLICAÇÃO Carlos E. M. Thcci 1.1 Introdução 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 (U.S. Federal Council for Science and Technology, citado por Chow,1959). É uma disciplina consideravelmente ampla, abrangendo uma grande parte do conhecimento humano. Algumas das áreas em que a Hidrologia, foi subdividida são as seguintes: Hidrometeorologia Limnologia Potamologia Glaciologia - é a parte da ciência que trata da água na atmosfera; - refere-se ao estudo dos lagos e reservatórios. - trata do estudo dos arroios e rios. - é a área da ciência relacionada com a neve e o gelo na natureza - é o campo científico que trata das águas subterrâneas. Hidrogeologia A Hidrologia é uma ciência interdisciplinar que tem tido evolução significativa em face aos problemas crescentes, resultados da ocupação das bacias, do incremento significativo da utilÍzação da água e do resultante impacto sobre o meio ambiente do globo. Profissionais de diferentes áreas como engenheiros, agrônomos, geólogos, matemáticos, estatísticos, geógrafos, biólogos, entre outros atuam nas diferentes subáreas dessa ciência. A Hidrologia evoluiu de uma ciência preponderantemente descritiva e qualitativa, para uma área de conhecimento onde os métodos quantitativos têm sido explorados através de metodologias matemáticas e estatísticas, melhorando de um lado os resultados e de outro explorando melhor as informações existentes. No âmbito da utilização de Hidrologia em Recursos Hídricos ou como é às vezes chamada de Engenharia Hidrológica (figura 1.1), a mesma é entendida como a área que estuda o comportamento físico da ocorrência e o navegação. previsão e entendimento (NRC. A quantificação da disponibilidade hídrica serve de base para o projeto e planejamento dos recursos hídricos. abastecimento de água. Alguns exemplos são: produção de energia hidrelétrica.26 Hidrologia aproveitamento da água na bacia hidrográfica.1 . Agricultura Economia Flores ta Legislação C i ênc i a Política P I a nej amento dos Recursos Hí d rico s (Tomada de Decisão) • • • Engenh ar i a Hidro lógica (pr evi são) Mecânica dos Fluido s E ngenhar ia Hidrául ica Me teoro 1ogia E s tatís t ica Ciência Atmos férica Geologia Geoquímica Ciência do Solo C i ência Hidrológica (e n tendimento) • • • Figura 1. 1991) . quantificando os recursos hídricos no tempo e no espaço e avaliando o impacto da modificação da bacia hidrográfica sobre o comportamento dos processos hidrológicos. controle de enchentes e impacto ambiental.Planejamento. que implica o aproveitamento racional dos recursos com o mínimo dano ao ambiente. Admitia-se que o mar alimentava os rios através do subsolo. as civilizações antigas puderam explorar os recursos hídricos . para desenvolver uma ciência dentro de um contexto mais amplo. em decorrência dos potenciais efeitos globais da modificação do clima.escala da bacia hidrográfica nos anos 70. biologia e geociência. cuja previsão a médio e longo prazos. A tendência atual envolve desenvolvimento sustentado da bacia hidrográfica. química. procurando conviver com o comportamento deste meio ambiente.2 Histórico A Hidrologia é uma ciência que se baseia na observação envolvidos no meio físico natural. apenas Marcus Vitruvius Pollio 100 a. uma vez que os fenômenos provocadores dos processos hidrol6gicos na bacia hidrográfica são os eventos meteorol6gicos. desde a sua origem. além de danificar o seu meio. Até no início deste século ainda existiam pessoas que questionavam o conceito moderno do ciclo hidrol6gico. Para analisar a sazonalidade dos processos da ocorrência de precipitações. tanto no seu uso como na sua sobrevivência. O homem. A Ciência Hidrol6gica trata processos que ocorrem em sistemas moldados pela natureza. apresentou conceitos pr6ximos do entendimento atual do ciclo hidrol6gico. mas ao qual deve-se adaptar. A comissão menciona a necessidade de instruir-se profissionais com formação mais ampla. convive com as condições naturais do planeta. num determinado local.C. Para o entendimento desses processos é necessário interagir com diferentes áreas do conhecimento que influenciam o ciclo hidrol6gico (figura 1.1) NRC(1991) concluiu que o desenvolvimento da ciência hidrol6gica tem sido influenciado por aspectos específicos do uso da água. enquanto que atualmente o problema está na escala do globo terrestre. além do aumento do interesse público pelo impacto dos aproveitamentos hídricos sobre o meio ambiente. que englobe conhecimentos de matemática. 1. Mesmo não conhecendo a origem da água e o funcionamento dos fenômenos naturais. como atendimento da demanda de água e controle de desastres. Como conseqüência. Fil6sofos gregos tentaram erroneamente explicar o ciclo hidrol6gico. física. projetos com múltiplas finalidades tenderam a ser desenvolvidos. e que tende a ocupar espaços com riscos de inundação. Os processos físicos ocorrem num meio que o homem não projetou. A complexidade dos sistemas hídricos cresceu devido à diminuição da disponibilidade dos recursos hídricos e deterioração da qualidade das águas. O planejamento da ocupação da bacia hidrográfica é uma necessidade numa sociedade com usos crescentes da água. o conhecimento atual ainda não dispõe de explicações determinísticas suficientes. utilizam-se observações realizadas no passado. c.: tip. No Brasil os postos mais antigos de precipitação são do final do século passado. simular matematicamente essa parte do ciclo hidrol6gico. permitindo a determinação da precipitação efetiva. laP"{)~ ~ ~~t1Jári(). aquedutos para abastecimento de água romanos e irrigação e controle de inundação pelos chineses. 1973) e SSARR (Rockwood. Os primeiros modelos foram apresentados por Mero (citado por Clarke. c.•... Horton em 1933 apresentou uma equação empírica para o cálculo da infiltração..• Tn ~ f'\heprtT"3ro:In..•.. Os modelos semiconceituais de transformação precipitação-vazão agregaram o conhecimento de diferentes processos na bacia hidrográfica para.. 1958) aplicados no rio Columbia.. praticamente limitavam-se à indicadores estatísticos dos processos envolvidos..:p_nv(\lvprQlrn . os métodos utilizados na Hidrologia até a década de 50. Com o advento do computador. aprimoramento e experimentação das técnicas numéricas e estatísticas. evaporação e capilaridade da bacia do rio Sena e comparou estas grandezas com medições de vazão realizadas por Edmé Mariotte.+. com Leonardo da Vinci e Bernard Palissy o ciclo hidrol6gico passou a ser melhor compreendido.. Outros métodos quantitativos foram apresentados a partir desta época. no século 17 (1608-1680). analisou os componentes da relação precipitaçãovazão. enquanto que a coleta de dados de níveis e vazão iniciou no começo deste século.. Apesar da grande quantidade de dados coletados diariamente.ç~.•.•. t ~ &li .. que apresentou os conceitos do hidrograma unitário utilizado para o escoamento superficial. e Theiss em 1935 desenvolveu uma teoria para a hidráulica de poços. Até a década de 30 a Hidrologia tinha como base elementos descritivos do funcionamento dos fenômenos naturais e f6rmulas empíricas de processos específicos. Somente a partir do século 15.28 Hidrologia através de projetos de irrigação como os do Egito e Mesopotâmia.•. tais como as equações de Chezy. permitindo a ampliação considerável dos conhecimentos nessa ciência. " n . A Hidrologia Estatística. Nos Estados Unidos a coleta sistemática de precipitação iniciou em 1819. houve desenvolvimento acelerado de algumas subáreas da Hidrologia. constatando que a vazão era apenas cerca de 16% da precipitação. A dificuldade era aceitar que a precipitação tinha um volume maior que a vazão e que os rios são mantidos perenes pelo retardamento do escoamento do subsolo. Outros aspectos da Hidrologia tais como: o escoamento subterrâneo. Pierre Perrault. desenvolveu-se depois com a quantificação de séries temporais (Hidrologia Estocástica) para dimensionamento de reservatórios. enquanto que a de vazões iniciou em 1888. que teve impulso no começo do século com o estudo da freqüência de cheias. ou seja a precipitação. numa macroanálise.. e o método racional para cálculo de vazão máxima em pequenas bacias. No século 19 inicia-se de um lado as medições sistemáticas de precipitação e vazão e de outro o desenvolvimento te6rico e experimental da hidráulica. para movimento uniforme em canais. fluxo em rio~.~p •.•:I. Essa década marcou o início da hidrologia quantitativa com os trabalhos de Sherman em 1932..•. ao controle da ação da mesma sobre a população e ao impacto sobre a bacia e o globo terrestre. Quanto à Hidrologia Experimental. . camada do subsolo saturada. como resultado da necessidade crescente da utilização e preservação da bacia hidrográfica. A subdivisão apresentada na introdução se expandiu. O desenvolvimento na hidrologia moderna está ligado ao uso da água.3 Ciência hidrológica Dooge (1988) caracteriza que a Hidrologia Científica está dentro do contexto do desenvolvimento clássico do conhecimento científico. Algumas das subáreas que tratam da análise dos processos físicos que ocorrem na bacia são: Hidrometeorologia: já definido anteriormente na introdução. aprimoramento de técnicas matemáticas e o aumento da capacidade do computador. tais como reflorestamento e desmatamento. Escoamento em meio saturado: envolve o estudo do comportamento do fluxo em aqüíferos. Geomorfologia: trata da análise quantitativa das características do relevo de bacias hidrográficas e sua associação com o escoamento. A Hidrologia é uma ciência que se consolidou apenas na segunda parte do século 20. Infiltração e escoamento em meio não-saturado: trata da observação e previsão da infiltração no solo e do escoamento no solo não-saturado. através do desenvolvimento de programas de observação e quantificação sistemática dos diferentes processos que ocorrem no ciclo hidrol6gico.das variáveis envolvidas. Interceptação vegetal: é a subárea do conhecimento que avalia a interceptação de precipitação pela cobertur~ vegetal na bacia hidrográfica. enquanto que a Hidrologia Aplicada estuda os diferentes fatores relevantes ao provimento de água para a saude e para a produção de comida no mundo. surgindo subáreas mais especializadas. foram criados em diferentes países. bacias representativas e experimentais visando ao entendimento e quantificação de processos físicos que ocorrem na bacia. Escoamento superficial: trata do escoamento sobre a superfície da bacia. Os estudos visam a um melhor entendimento desses processos e a embasar o planejamento do uso da bacia hidrográfica. erosão do solo e escoamento superficial. 1. devido às condições naturais e do uso do solo .30 Hidrologia Escoamento em rios e canais: trata da análise do escoamento em rios. A Hidrologia como ciência está voltada para a representação dos processos físicos que ocorrem na bacia hidrográfica. Evaporação e evapotranspiração: trata da avaliação da perda de água por evaporação de superfícies livres como reservat6rios e lagos. e o estocástico onde estão envolvidos os aspectos probabilísticos das variáveis. lagos e estuários: trata do escoamento turbulento em meios multidimensionais. Dooge (1988) ressalta que a caracterização dos processos hidrol6gicos tem sido desenvolvida para a microescala ( 10-8 a 1O-2m).~nder melhor os fenômenos e procurar representá-Ios matematicamente. na superfície da bacia e nos rios. O National Research Council (Estados Unidos) apresentou um relat6rio sobre a ciência hidrológica (Eagleson. 1990). canais e reservat6rios. onde ressalta o seguinte: . Com base no registro das variáveis hidrol6gicas envolvidas é possível ent. Produção e transporte de sedimentos: trata da quantificação da erosão de solo e do transporte de sedimento. evapotranspiração de culturas e da veget'ação natural. químicos e biológicos da água e sua interação com os seus usos na avaliação do meio ambiente aquático. Fluxo dinâmico em reservatórios. principalmente na transferência da teoria usada de uma escala para outra. Em diferentes partes do mundo foram equipadas bacias representativas e experimentais que permitem observar em detalhe o comportamento dos diferentes processos. enquanto que para a mesoescala (102 a 1000m)e macroescala (IOS a 107m ) existem muitas dificuldades. A representação matemática dos processos evoluiu dentro de dois aspectos principais: o determinístico para os fenômenos físicos que podem ser descritos por equações diferenciais que retratam o comportamento do processo. Qualidade da água e meio ambiente: trata da quantificação de parâmetros físicos. regularização de vazão. b) a escala dos processos dinâmicos: a dificuldade de transferência entre processos que ocorrem em diferentes escalas. para racionalmente compatibilizar necessidades crescentes com recursos limitados. A ocupação da bacia pela população gera duas preocupações distintas: a) o impacto do meio sobre a população através das enchentes. Dentro dessa visão os principais projetos que normalmente são desenvolvidos com a participação significativa do hidr610go são: aproveitamentos hidrelétricos. abastecimento d' água. e b) o impacto do homem sobre a bacia. requer cada vez mais uma visão ampla sobre as necessidades da população. são exemplos de problemas que envolvem aspectos multidisciplinares em que a hidrologia tem uma parcela importante. irrigação e regularização para navegação. modificações do uso do solo. planejamento. No primeiro caso estão envolvidos os aspectos de disponibilidade hídrica. os recursos terrestres e aquáticos disponíveis e o conhecimento sobre o comportamento dos processos naturais na bacia.4 Hidrologia Aplicada A Hidrologia Aplicada está voltada para os diferentes problemas que envolvem a utilização dos recursos hídricos. impacto das obras hidráulicas sobre o meio ambiente aquático e terreste. preservação do meio ambiente e ocupação da bacia. regularização para controle de qualidade da água. c) interação entre superfície e atmosfera: a interação entre as variáveis climáticas e as superfícies.temporais e espaciais do balanço global da água e suas partes no sistema terrestre. . e) efeitos hidrol6gicos devido a atividades humanas. No Brasil algumas das principais áreas do desenvolvimento da Hidrologia Aplicada encontram-se nos seguintes aspectos: Planejamento e gerenciamento da bacia hidrográfica: o desenvolvimento das principais bacias quanto ao planejamento e controle do uso dos recursos naturais requer uma ação pública e privada coordenada. mencionado na preservação do meio ambiente. sem ordem hierarquica: a) componentes químicos e biol6gicos do ciclo hidrol6gico: envolve o melhor conhecimento dos processos geoquímicos. A ação do homem no planejamento e desenvolvimento da ocupação do espaço na Terra. operação e gerenciamento dos recursos hídricos." NRC(1991) ressaltou as seguintes prioridades científicas em Hidrologia. 1. d) conhecimento ao nível global do armazenamento e fluxos de água e energia. Quanto à preservação do meio ambiente. Rome: FAO. São Francisco e na Amazônia. previsão de níveis e planejamento e operação de obras hidráulicas para navegação.. RT. reservat6rios e aqüíferos) sofre com a falta de tratamento dos despejos domésticos e industriais e de cargas de pesticidas de uso agrícola. O potencial hidrelétrico ainda existente é significativo. apresenta limitações nas regiões áridas e semÍ-áridas do nordeste brasileiro. No sul. O uso do solo rural: a expansão das fronteiras agrícolas e o intenso uso agrícola têm gerado impacto significativos na produção de sedimentos e nutrientes nas bacias rurais. REFERÊNCIAS l-CLARKE. Mathematical models in hydrology. resultando em perda de solo fértil e assoreamento dos rios. lagos. (Irrigation and Drainage Paper. Energia: a produção de energia hidrelétrica representa 92% de toda a energia produzida no país. rios. que apesar de farta em grande parte do país. Abastecimento de água: a disponibilidade de água. Enchentes. Os principais aspectos hidrol6gicos são: disponibilidade hídrica para calado. produção de sedimentos e qualidade da água são problemas sérios encontrados em grande parte das cidades brasileiras. Tietê/Paraná. O aumento da produtividade passa pelo aumento da irrigação em grande parte do país. Irrigação: a produção agrícola nas regiões áridas e semÍ-áridas depende essencialmente da disponibilidade de água. Esta energia depende da disponibilidade de água. Navegação: a navegação interior é ainda pequena. . 19). 1973. da sua regularização por obras hidráulicas e o impacto das mesmas sobre o meio ambiente. culturas como o arroz utilizam quantidade significativa de água.32 Hidrologia Drenagem urbana: atualmente 75% da população do Brasil ocupa o espaço urbano. A navegação pode ter um peso significativo no desenvolvimento nacional. mas com grande potencial de transporte. Qualidade da água: o meio ambiente aquático (oceanos. 282p. principalmente nos rios Jacuí. A redução da qualidade da água dos rios e as grandes concentrações urbanas têm apresentado limitações quanto à disponibilidade de água para o abastecimento. n. . 1991.3-DOOGE. P. Newsletters. D. American Society of Civil Engineers.M. Hydrology in perspective. in hydro1ogical sciences. 4-EAGLESON. 1990.. 1988.84. Hydrological Sciences Joumal.61-85. Academy Press. Washington: National 6-ROCKWOOD. Set. n. v. 348p.. Joumal of lhe Walerways and Harbors Division. Dec.5. Columbia Basin streamflow routing by computer. J. p. Opportunities in the hydrologic sciences. New York. v. Feb.C. 5-NRC.!.33.. nAO. Opportunities IAHS. 1958. Oxford.