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HIDROLOGIA
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA
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 relação com o meio ambiente, incluindo sua relação com a vida. (United State Federal Council Science and Technology). O início dos estudos de medições de precipitação e vazão ocorreu no século 19, porém, após 1950 com o advento do computador, as técnicas usadas em estudos hidrológicos apresentaram um grande avanço.
1.2. Hidrologia Científica
- Hidrometeorologia : é a parte da hidrologia que trata da água na atmosfera.
- Geomorfologia : trata da análise quantitativa das características do relevo de bacias hidrográficas e sua associação com o escoamento.
- Escoamento Superficial : trata do escoamento sobre a superfície da bacia.
- Interceptação Vegetal : avalia a interceptação pela cobertura vegetal da bacia hidrográfica.
- Infiltração e Escoamento em Meio Não-Saturado : observação e previsão da infiltração e escoamento da água no solo.
- Escoamento em Rios, Canais e Reservatórios : observação da vazão dos canais e cursos de água, e do nível dos reservatórios.
- Evaporação e Evapotranspiração : perda de água pelas superfícies livres de rios, lagos e reservatórios, e da evapotranspiração das culturas.
- Produção e Transporte de Sedimentos : quantificação da erosão do solo.
- Qualidade da Água e Meio Ambiente : trata da quantificação de parâmetros físicos, químicos e biológicos da água e sua interação com os seus usos na avaliação do meio ambiente aquático.
1.3. Hidrologia Aplicada
Está voltada para os diferentes problemas que envolvem a utilização dos recursos hídricos, preservação do meio ambiente e ocupação da bacia hidrográfica.
Áreas de atuação da Hidrologia:
- Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica : planejamento e controle do uso dos recursos naturais.
- Abastecimento de Água : limitação nas regiões áridas e semi-áridas do país.
- Drenagem Urbana : cerca de 75% da população vive em área urbana. Enchentes, produção de sedimentos e problemas de qualidade da água.
- Aproveitamento Hidrelétrico : a energia hidrelétrica constitui 92% de toda energia produzida no país. Depende da disponibilidade de água, da sua regularização por obras hidráulicas e o impacto das mesmas sobre o meio ambiente.
- Uso do Solo Rural : produção de sedimentos e nutrientes, resultando em perda do solo fértil e assoreamento dos rios.
- Controle de Erosão: medidas de combate à erosão do solo.
- Controle da Poluição e Qualidade da Água : tratamento dos despejos domésticos e industriais e de cargas de pesticidas de uso agrícola.
- Irrigação : a produção agrícola em algumas áreas depende essencialmente da disponibilidade de água.
- Navegação.
- Recreação e Preservação do Meio Ambiente.
- Preservação dos Ecossistemas Aquáticos.
1.4. Estudos Hidrológicos
- Baseiam-se em elementos observados e medidos no campo.
- Estabelecimento de postos pluviométricos ou fluviométricos e sua manutenção ininterrupta são condições necessárias ao estudo hidrológico.
- Projetos de obras futuras são elaboradas com base em elementos do passado.
emersasTerras^ Água
29% 71%
Doce 0,63%
Doce (geleiras e calotas) 2,07%
Salgada 97,3%
Figura 1 - Distribuição da água no planeta.
Em escala global, estima-se que 1,386 bilhões de km^3 de água estejam disponíveis, porém, a parte de água doce econômica de fácil aproveitamento para satisfazer as necessidades humanas, é de aproximadamente 14 mil km^3 .ano-1^ (0,001%). Desde o início da história da humanidade, a demanda de água é cada vez maior e as tendências das últimas décadas são de excepcional incremento devido ao aumento populacional e elevação do nível de vida. A estimativa atual da população mundial é de 6 bilhões. Um número três vezes maior do que em 1950, porém enquanto a população mundial triplicou o consumo de água aumentou em seis vezes. A população do país aumentou em 26 anos 137%, passando de 52 milhões de pessoas em 1970 para 123 milhões em 1996, e para 166,7 milhões em 2000. Já a disponibilidade hídrica, de 105 mil m-3.habitante-1.ano-1, em 1950, caiu para 28,2 mil m-3.habitante-1.ano-1, em 2000. A Organização das Nações Unidas, ONU, prevê que, se o descaso com os recursos hídricos continuar, metade da população mundial não terá acesso à água limpa a partir de 2025. Hoje, este problema já afeta cerca de 20% da população do planeta – mais de 1 bilhão de pessoas. Mantendo-se as taxas de consumo e considerando um crescimento populacional à razão geométrica de 1,6% a.a., o esgotamento da potencialidade de recursos hídricos pode ser referenciado por volta do ano 2053. Portanto, as disponibilidades hídricas precisam ser ampliadas e, para tanto, são necessários investimentos em
(^1) Água salina apresenta salinidade igual ou superior a 30‰. Água salobra apresenta variação de 0,50‰ a 30‰ na concentração de sais dissolvidos. Água doce apresenta salinidade menor ou igual a 0,50‰.
pesquisa e desenvolvimento tecnológico para exploração viável e racional da água. O continente da América do Sul conta com abundantes recursos hídricos, porém existem consideráveis diferenças entre as distintas regiões nas quais os problemas de água se devem, sobretudo ao baixo rendimento de utilização, gerenciamento, contaminação e degradação ambiental. Segundo a FAO a Argentina, o Peru e o Chile já enfrentam sérios problemas de disponibilidade e contaminação da água por efluentes agro-industriais. A situação brasileira não é de tranqüilidade, embora seja considerado um país privilegiado em recursos hídricos. Contudo, conflitos de qualidade, quantidade e déficit de oferta já são realidade. Outra questão refere-se ao desperdício de água estimado em 40% por uso predatório e irracional. Por exemplo, em Cuiabá o desperdício chega a 53% de toda água encanada e na cidade de São Paulo a população convive com um desperdício de 45% nos 22000 km de encanamentos, causados por vazamentos e ligações clandestinas. Enquanto a escassez de água é cada vez mais grave, na região nordeste a sobrevivência, a permanência da população e o desenvolvimento agrícola dependem essencialmente da oferta de água. O Brasil é o país mais rico em água doce, com 12% das reservas mundiais. Do potencial de água de superfície do planeta, concentram-se 18%, escoando pelos rios aproximadamente 257.790 m^3 .s-1. Apesar de apresentar uma situação aparentemente favorável, observa-se no Brasil uma enorme desigualdade regional na distribuição dos recursos hídricos (Figura 2). Quando comparamos estas situações com a abundância de água na Bacia Amazônica, que corresponde às regiões Norte e Centro-Oeste, contrapondo-se a problemas de escassez no Nordeste e conflitos de uso nas regiões Sul e Sudeste, a situação agrava-se. Ao se considerar em lugar de disponibilidade absoluta de recursos hídricos renováveis, àquela relativa à população deles dependentes, o Brasil deixa de ser o primeiro e passa ao vigésimo terceiro no mundo. Mesmo considerando-se a disponibilidade relativa, existe ainda em nosso país o problema do acesso da população à água tratada, por exemplo, podemos citar a cidade de Manaus, que está localizada na Bacia Amazônica e grande parte das moradias não recebe água potável. No Brasil, cerca de 36% das moradias, ou
O setor agrícola é o maior consumidor de água. Ao nível mundial a agricultura consome cerca de 70% de toda a água derivada das fontes (rios, lagos e aqüíferos subterrâneos), e os outros 30% pelas indústrias e uso doméstico (Figura 3). Sendo este o elemento essencial ao desenvolvimento agrícola, sem o controle e a administração adequados e confiáveis não será possível uma agricultura sustentável. No Brasil 70% da água consumida ocorre na agricultura irrigada, 20% é utilizada para uso doméstico e 10% pelo setor industrial.
Uso doméstico (^) Agricultura
Indústria
20% 70%
10%
Figura 3 - Uso setorial da água no planeta.
Apesar do grande consumo de água, a irrigação representa a maneira mais eficiente de aumento da produção de alimentos. Estima- se que ao nível mundial, no ano de 2020, os índices de consumo de água para a produção agrícola sejam mais elevados na América do Sul, África e Austrália. Pode-se prever um maior incremento da produção agrícola no hemisfério sul, especialmente pela possibilidade de elevação da intensidade de uso do solo, que sob irrigação, produz até três cultivos por ano. A expansão da agricultura irrigada se tornará uma questão preocupante devido ao elevado consumo e as restrições de disponibilidade de água. Avaliando a necessidade de água dos cultivos, em termos médios, é possível verificar que para produzir uma tonelada de grão são utilizadas mil toneladas de água, sem considerar a ineficiência dos métodos e sistemas de irrigação e o manejo inadequado desta. Avaliações de projetos de irrigação no mundo inteiro indicam que mais da metade da água derivada para irrigação perde-se antes de alcançar a zona radicular dos cultivos. Um outro fato preocupante é velocidade de degradação dos recursos hídricos, com o despejo de resíduos domésticos e industriais nos rios e lagos. O país lança sem nenhum tratamento aos rios e lagoas cerca de 85% dos esgotos
que produz, segundo dados do IBGE. Somente a Ásia despeja 850 bilhões de litros de esgoto nos rios por ano. As conseqüências da baixa qualidade dos recursos hídricos remetem à humanidade perdas irreparáveis de vidas e também grandes prejuízos financeiros. No mundo 10 milhões de pessoas morrem anualmente de doenças transmitidas por meio de águas poluídas: tifo, malária, cólera, infecções diarreicas e esquistossomose. Segundo a ONU, a cada 25 minutos morre no Brasil, uma criança vítima de diarréia, doença proveniente do consumo de água de baixa qualidade. Com o aumento de 50% ao acesso à água limpa e potável nos países em desenvolvimento, faria com que aproximadamente 2 milhões de crianças deixassem de morrer anualmente por causa de diarréia. A qualidade da água pode ser alterada com medidas básicas de educação e a implementação de uma legislação adequada. O saneamento básico é de fundamental importância para a preservação dos recursos hídricos, pois cada 1 litro de esgoto inutiliza 10 litros de água limpa. Essas medidas além de salvar vidas humanas ainda iriam proporcionar economia dos recursos públicos, pois a cada R$ 1,00 investido em saneamento básico estima-se uma economia de R$ 10,00 em saúde. A UNESCO, por meio do Conselho Mundial da Água, divulgou em dezembro de 2002 um ranking de saúde hídrica. A pontuação dos países é a soma de notas em cinco quesitos (melhor de 20 em cada):
- quantidade de água doce por habitante;
- parcela da população com água limpa e esgoto tratado;
- renda, saúde, educação e desigualdade social;
- desperdício de água doméstico, industrial e agrícola; e
- poluição da água e preservação ambiental.
1.6. Usos Múltiplos da Água
Em função de suas qualidades e quantidades, a água propicia vários tipos de uso, isto é, múltiplos usos. O uso dos recursos hídricos por cada setor pode ser classificado como consuntivo e não consuntivo.
a) Uso Consuntivo. É quando, durante o uso, é retirada uma determinada quantidade de água dos manaciais e depois de utilizada, uma quantidade menor e/ou com qualidade inferior é devolvida, ou seja, parte da água retirada é consumida durante seu uso. Exemplos: abastecimento, irrigação, etc.
b) Uso Não Consuntivo. É aquele uso em que é retirada uma parte de água dos mananciais e depois de utilizada, é devolvida a esses mananciais a mesma quantidade e com a mesma qualidade, ou ainda nos usos em que a água serve apenas como veículo para uma certa atividade, ou seja, a água não é consumida durante seu uso. Exemplos: pesca, navegação, etc.
1.7. Exercícios
Comente a seguinte afirmativa: “O planeta está secando”.
(Questão 01 Prova de Hidrologia Concurso ANA 2002) Em uma bacia hidrográfica, o uso não-consuntivo da água é realizado por: a) navegação fluvial, irrigação, pesca; b) recreação, dessentação dos animais, geração de energia; c) abastecimento urbano, irrigação, recreação; d) navegação fluvial, geração de energia, pesca; e) abastecimento industrial, controle de cheia, preservação.
Comente as seguintes situações em relação ao Brasil. a) O país detém 12% de toda a água doce da superfície terrestre; e b) o país ocupa o 50º^ lugar no ranking mundial da saúde hídrica.
CAPÍTULO 2. CICLO HIDROLÓGICO
2.1. O Ciclo da Água
É o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre. O conceito de ciclo hidrológico (Figura 4) está ligado ao movimento e à troca de água nos seus diferentes estados físicos, que ocorre na Hidrosfera, entre os oceanos, as calotes de gelo, as águas superficiais, as águas subterrâneas e a atmosfera. Este movimento permanente deve-se ao Sol, que fornece a energia para elevar a água da superfície terrestre para a atmosfera ( evaporação ), e à gravidade, que faz com que a água condensada se caia ( precipitação ) e que, uma vez na superfície, circule através de linhas de água que se reúnem em rios até atingir os oceanos ( escoamento superficial ) ou se infiltre nos solos e nas rochas, através dos seus poros, fissuras e fraturas ( escoamento subterrâneo ). Nem toda a água precipitada alcança a superfície terrestre, já que uma parte, na sua queda, pode ser interceptada pela vegetação e volta a evaporar-se. A água que se infiltra no solo é sujeita a evaporação direta para a atmosfera e é absorvida pela vegetação, que através da transpiração, a devolve à atmosfera. Este processo chamado evapotranspiração ocorre no topo da zona não saturada, ou seja, na zona onde os espaços entre as partículas de solo contêm tanto ar como água. A água que continua a infiltrar-se e atinge a zona saturada, entra na circulação subterrânea e contribui para um aumento da água armazenada ( recarga dos aquíferos ). Na Figura 5 observa-se que, na zona saturada (aquífero), os poros ou fraturas das formações rochosas estão completamente preenchidos por água (saturados). O topo da zona saturada corresponde ao nível freático. No entanto, a água subterrânea pode ressurgir à superfície (nascentes) e alimentar as linhas de água ou ser descarregada diretamente no oceano. A quantidade de água e a velocidade com que ela circula nas diferentes fases do ciclo hidrológico são influenciadas por diversos fatores como, por exemplo, a cobertura vegetal, altitude, topografia, temperatura, tipo de solo e geologia.
Resumo do ciclo hidrológico:
a) circulação da água, do oceano, através da atmosfera, para o continente, retorno, após a detenção em vários pontos, para o oceano, através de escoamentos superficiais ou subterrâneos e, em parte pela própria atmosfera; e
b) curtos-circuitos que excluem segmentos diversos do ciclo completo, como por exemplo a movimentação da água do solo e da superfície terrestre para a atmosfera, sem passar pelo oceano.
2.2. Equação Hidrológica
I - O = ∆S
I = (entradas) incluindo todo o escoamento superficial por meio de canais e sobre a superfície do solo, o escoamento subterrâneo, ou seja, a entrada de água através dos limites subterrâneos do volume de controle, devido ao movimento lateral da água do subsolo, e a precipitação sobre a superfície do solo; O = saídas de água do volume de controle, devido ao escoamento superficial, ao escoamento subterrâneo, à evaporação e à transpiração das plantas; e
∆S = variação no armazenamento nas várias formas de retenção, no volume de controle.
Apesar dessa simplificação, o ciclo hidrológico é um meio conveniente de apresentar os fenômenos hidrológicos, servindo também para dar ênfase às quatro fases básicas de interesse do engenheiro, que são: precipitação; evaporação e transpiração; escoamento superficial; escoamento subterrâneo. Embora possa parecer um mecanismo contínuo, com a água se movendo de uma forma permanente e com uma taxa constante, é na realidade bastante
diferente, pois o movimento da água em cada uma das fases do ciclo é feito de um modo bastante aleatório, variando tanto no espaço como no tempo. Em determinadas ocasiões, a natureza parece trabalhar em excesso, quando provoca chuvas torrenciais que ultrapassam a capacidade dos cursos d’água provocando inundações. Em outras ocasiões parece que todo o mecanismo do ciclo parou completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial. E são precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessam aos engenheiros, pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são realizados com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos.
2.3. Exercícios
(Questão 19 Prova de Hidrologia Concurso CPRM 2002 - Certo ou Errado) a) (item 2) o ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada de água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionada exclusivamente pela energia solar. b) (item 5) Os principais componentes associados ao ciclo hidrológico são a precipitação (P), a infiltração (I), a evapotranspiração (ET) e o escoamento superficial (ES). A equação do balanço hídrico para uma bacia hidrológica qualquer pode ser expressa por P + I = ET + ES.
Como se pode explicar o fato de que uma região que não houve aumento populacional, os recursos hídricos se tornaram escassos; mesmo havendo a renovação de água por meio do Ciclo Hidrológico.
Qual a função da Engenharia com relação aos extremos do Ciclo Hidrológico.
Explique o Ciclo Hidrológico, enfatizando cada um de seus componentes.
Discuta a renovação da água pelo Ciclo Hidrológico e a velocidade de degradação ambiental.
Figura 6 – Esquema de bacias hidrográficas.
A resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica é transformar uma entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo (Figura 7).
Figura 7 – Resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica.
3.2. Divisores
Divisores de água: divisor superficial (topográfico) e o divisor freático (subterrâneo). Conforme a Figura 8, o divisor subterrâneo é mais difícil de ser localizado e varia com o tempo. À medida que o lençol freático (LF) sobe, ele tende ao divisor superficial. O subterrâneo só é utilizado em estudos mais complexos de hidrologia subterrânea e estabelece, portanto, os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio básico da bacia. Na prática, assume-se por facilidade que o superficial também é o subterrâneo.
Figura 8 - Corte transversal de bacias hidrográficas.
A Figura 9 apresenta um exemplo de delimitação de uma bacia hidrográfica utilizando o divisor topográfico. Nesta Figura está individualizada a bacia do córrego da Serrinha. Note que o divisor de águas (linha tracejada) acompanha os pontos com maior altitude (curvas de nível de maior valor).
c) Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente após os períodos de precipitação e só transportam escoamento superficial. A superfície freática se encontra sempre a um nível inferior ao do leito fluvial, não havendo a possibilidade de escoamento de deflúvio subterrâneo.
3.4. Características físicas de uma bacia hidrográfica
Estas características são importantes para se transferir dados de uma bacia monitorada para uma outra qualitativamente semelhante onde faltam dados ou não é possível a instalação de postos hidrométricos (fluviométricos e pluviométricos). É um estudo particularmente importante nas ciências ambientais, pois no Brasil, a densidade de postos fluviométricos é baixa e a maioria deles encontram-se nos grandes cursos d’água, devido a prioridade do governo para a geração de energia hidroelétrica. Brasil: 1 posto/ 4000 km^2 ; USA: 1 posto/ 1000 km^2 ; Israel: 1 posto/ 200 km^2.
3.4.1. Área de drenagem
É a área plana (projeção horizontal) inclusa entre os seus divisores topográficos. A área de uma bacia é o elemento básico para o cálculo das outras características físicas. É normalmente obtida por planimetria ou por pesagem do papel em balança de precisão. São muito usados os mapas do IBGE (escala 1:50.000). A área da bacia do Rio Paraíba do Sul é de 55.500 km^2.
3.4.2. Forma da bacia
É uma das características da bacia mais difíceis de serem expressas em termos quantitativos. Ela tem efeito sobre o comportamento hidrológico da bacia, como por exemplo, no tempo de concentração (Tc). Tc é definido como sendo o tempo, a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle.
Existem vários índices utilizados para se determinar a forma das bacias, procurando relacioná-las com formas geométricas conhecidas:
a) coeficiente de compacidade (Kc): é a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área que a bacia.
A ; Kc 0 , 28 P P Kc P C
= BH^ =
O Kc é sempre um valor > 1 (se fosse 1 a bacia seria um círculo perfeito). Quanto menor o Kc (mais próximo da unidade), mais circular é a bacia, menor o Tc e maior a tendência de haver picos de enchente.
b) fator de forma (Kf): é a razão entre a largura média da bacia ( L ) e o comprimento do eixo da bacia (L) (da foz ao ponto mais longínquo da área)
L^2
; Kf A L ; L A L Kf =L = =
Quanto menor o Kf, mais comprida é a bacia e portanto, menos sujeita a picos de enchente, pois o Tc é maior e, além disso, fica difícil uma mesma chuva intensa abranger toda a bacia.
3.4.3. Sistema de drenagem
O sistema de drenagem de uma bacia é constituído pelo rio principal e seus tributários; o estudo das ramificações e do desenvolvimento do sistema é importante, pois ele indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia hidrográfica. O padrão de drenagem de uma bacia depende da estrutura geológica do local, tipo de solo, topografia e clima. Esse padrão também influencia no comportamento hidrológico da bacia.
