Hidrologia 01, Notas de aula de A Física da Vida Cotidiana. Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)
nandomiranda
nandomiranda18 de Agosto de 2015

Hidrologia 01, Notas de aula de A Física da Vida Cotidiana. Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)

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Universidade Federal da Bahia – Departamento de Hidráulica e Saneamento Capítulo 1

Grupo de Recursos Hídricos - Apostila de Hidrologia 1

CAPÍTULO 1

CONCEITOS BÁSICOS

1.1 Introdução

Hidrologia é uma ciência multidisciplinar que lida com a ocorrência, circulação e distribuição das águas na Terra, suas propriedades físicas e químicas, e sua interação com o meio ambiente. Devido à natureza complexa do ciclo hidrológico e da sua relação com o clima, tipos de solo, topografia e geologia, a hidrologia se confunde com outras ciências que fazem parte da geografia física, tais como: meteorologia, geologia e oceanografia.

A atmosfera terrestre, os oceanos, as geleiras, os lagos, os rios e a crosta terrestre contêm cerca de 1,4x1018m3 de água, distribuídos da seguinte forma (Peixoto e Oort, 1990 apud Tucci, 1993):

Oceanos 1.350 x 1015 m3 Geleiras 25 x 1015 m3 Águas subterrâneas 8,4 x 1015 m3 Rios e lagos 0,2 x 1015 m3 Biosfera 0,0006 x 1015 m3 Atmosfera 0,0130 x 1015 m3

Apesar da abundância, a distribuição espacial e temporal da água sobre a Terra é bastante irregular causando problemas de excesso de água em alguns lugares e escassez em outros.

Aos problemas que ocorriam devido à aleatoriedade dos eventos hidrológicos vieram se somar os causados pela intervenção humana sobre o meio ambiente, que, em diversos lugares, alcançou um nível crítico, afetando o clima e as condições de vida em escala global. Os estudos hidrológicos são utilizados para avaliar o efeito destas ações antrópicas sobre os recursos hídricos, realizar previsões sobre o que pode ocorrer no futuro, e que medidas podem ser adotadas para evitar ou reduzir as conseqüências negativas para o bem estar da humanidade.

A Hidrologia Aplicada tenta superar estes problemas através da previsão de eventos extremos e da disponibilidade dos recursos hídricos. Como ainda não é possível prever com segurança e com antecedência os eventos hidrológicos, por serem aleatórios, a estatística, com base em registros passados, é uma ferramenta de suporte à hidrologia.

O objetivo do estudo ou projeto determinará a fase do ciclo hidrológico e a escala de interesse. Basicamente, existem dois grupos de estudo: (1) a estimativa de disponibilidade e demandas e (2) a previsão de eventos extremos. O primeiro grupo se aplica a: planos diretores de bacias; estudos de impacto ambiental; projetos de abastecimento; projetos de irrigação; projetos de geração de energia. O segundo grupo se aplica a: projetos de proteção contra enchentes; projetos de grandes obras: barragens, pontes, estradas; projetos de drenagem. Desta forma, pode-se resumir os principais objetos de interesse do engenheiro hidrólogo nos seguintes itens:

1. Vazões máximas esperadas em galerias de drenagem ou bueiros;

2. Capacidade requerida de reservatórios para garantir suprimento de água adequado para irrigação ou abastecimento urbano;

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3. Efeito de barragens sobre o controle de enchentes em bacias hidrográficas;

4. Efeito do desenvolvimento urbano sobre o sistema de drenagem e o escoamento de enchentes;

5. Delimitação de níveis prováveis de enchentes para garantir a proteção de áreas urbanizadas contra alagamentos, ou para realizar o zoneamento da bacia em relação ao risco de enchentes.

A diversidade de interesses e a consequente diversidade de estudos tornam a Hidrologia Aplicada uma ciência complexa, impondo especialistas em diversas áreas. O papel do hidrólogo é coordenar as atividades destes profissionais e analisar os estudos elaborados, gerando um resultado que se aproprie aos objetivos do estudo ou do projeto.

1.2 Histórico

Os primeiros estudos hidrológicos de que se tem registro tinham objetivos bastante práticos. Há 4000 anos, foi instalado no rio Nilo um nilômetro (escala para leitura do nível do rio Nilo), ao qual apenas sacerdotes tinham acesso. A taxa de imposto a ser cobrada durante o ano dependia do nível de água do rio Nilo. A primeira referência a medição de chuva data de cerca de 2000 anos, na Índia. Neste caso o total precipitado no ano também servia como base para cálculo de impostos.

É interessante observar que as primeiras medições hidrológicas foram realizadas para servir a propósitos sociais e políticos, ao invés de serem usados como base para projetos de obras hidráulicas ou para o entendimento de fenômenos hidrológicos.

Na história recente da hidrologia pode-se observar grandes avanços a partir de 1930, quando agências governamentais de países desenvolvidos começaram a desenvolver seus próprios programas de pesquisas hidrológicas. Sherman (1932), o hidrograma unitário; Horton (1933), a teoria da infiltração; Gumbel (1941) propôs a distribuição de valores extremos para análise de freqüência de dados hidrológicos.

A introdução da computação digital na hidrologia, nas décadas de 1960 e 1970, permitiu que problemas hidrológicos complexos fossem simulados como sistemas completos pela primeira vez. O primeiro modelo hidrológico completo foi desenvolvido pela Universidade de Stanford (1966). Este modelo pode simular os processos mais importantes do ciclo hidrológico: precipitação, evapotranspiração, infiltração, escoamento superficial, escoamento subterrâneo e escoamento em canais. Outros modelos foram desenvolvidos em seguida: HEC-1 (1973), Corpo de Engenheiros do Exército Americano; ILLUDAS (1974), e outros.

No Brasil, os primeiros textos publicados em hidrologia são de Garcez (1961) e Souza Pinto et al. (1973). Por ocasião do Decênio Hidrológico Internacional, foi implantado no Rio Grande do Sul, com a participação da UNESCO, o primeiro curso de pós-graduação em Hidrologia, junto ao Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do sul (IPH). O IPH tem sido responsável pelo desenvolvimento de modelos de simulação hidrológica, tais como os modelos IPH, determinísticos, tipo chuva-vazão, e os modelos MAG, para auxiliar na gestão de bacias.

Hoje existem inúmeros cursos de pós-graduação no país, que mantêm uma comunidade científica com interesse específico em hidrologia. Em 1977, foi fundada a Associação Brasileira de Recursos Hídricos, que tem publicado trabalhos científicos que são apresentados em simpósios, hoje internacionais, e também publica revistas técnicas e livros de hidrologia.

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1.3 Ciclo hidrológico

Os processos físicos que controlam a distribuição e o movimento de água são melhor compreendidos se descritos como ciclo hidrológico. Uma representação esquemática do ciclo hidrológico no meio ambiente natural é mostrada na Figura 1.1.

O ciclo hidrológico pode ser dividido em etapas para melhor compreensão: precipitação; interceptação; infiltração; escoamento superficial; escoamento subterrâneo; transpiração e evaporação.

A precipitação, escolhida como ponto inicial, é etapa do ciclo hidrológico, cuja forma mais frequente é a chuva, que ocorre quando o vapor d’água presente na atmosfera se aglutina formando microgotículas, que se agrupam até terem tamanho e peso suficiente para precipitar sob a forma de chuva, neve ou granizo. A precipitação pode ocorrer diretamente sobre um corpo d’água, ou deslocar-se sobre o solo, a partir do ponto de impacto, até um curso d’água, ou infiltrar.

Figura 1.1 - Ciclo hidrológico no meio natural

Na etapa seguinte, parte da precipitação sofre interceptação antes de tocar o solo, ficando retida na vegetação até ser evaporada ou alcançar o solo, quando a precipitação exceder a capacidade de retenção da vegetação, ou pela ação dos ventos.

A água retida em depressões do solo tende a infiltrar. A infiltração ocorre enquanto a intensidade da precipitação não exceder a capacidade de infiltração do solo, ou seja, enquanto a superfície do solo não estiver saturada.

A partir do momento em que foi excedida a capacidade de retenção da vegetação e do solo e a superfície do solo já estiver saturada, passa a haver escoamento superficial. A água, impulsionada pela gravidade para cotas mais baixas, forma pequenos filetes que tendem a se unir e formar cursos d’água, que continuam fluindo até encontrar riachos que formarão rios, de porte cada vez maior, até atingir um oceano ou um lago.

O escoamento subterrâneo acontece quando a porção de precipitação infiltrada percola até os aqüíferos subterrâneos (zona de saturação), escoando de forma bastante lenta. Quando o escoamento da água infiltrada ocorre na zona de aeração do solo (camada insaturada) até aparecer como escoamento superficial é chamado de escoamento de base. Este escoamento mantém a vazão de base dos rios em períodos de estiagem.

Parte da água armazenada no solo será consumida pela vegetação voltando, em seguida, à atmosfera pelas folhas das plantas, em um processo chamado transpiração. O fenômeno de evaporação se inicia antes mesmo da chuva tocar o solo, após a formação da precipitação. A evaporação ainda ocorre diretamente do solo desprovido de vegetação. Nos lagos, mares e oceanos, rios e outros corpos d’água a evaporação devolve a água à atmosfera, completando o ciclo hidrológico, estando, outra vez disponível para ser precipitada.

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O ciclo hidrológico em uma bacia pode ser representado, em unidades de altura (mm ou polegadas) pela equação do balanço hídrico (Equação 1.1):

P – R – G – E – T = ∆S (1.1)

Onde P = precipitação; R = escoamento superficial; G = escoamento subterrâneo ou de base; E = evaporação; T = transpiração; S = armazenamento.

Esta representação do ciclo hidrológico pode ser aplicada a qualquer tamanho de bacia, como base para o desenvolvimento de um modelo matemático que represente o escoamento em uma bacia. A principal dificuldade neste tipo de modelação é que alguns dos termos da equação podem ser desconhecidos.

A prova que o ciclo hidrológico em um meio ambiente natural não é estático, é que a própria paisagem, está sempre em constante transformação. Precipitações muito intensas causam erosão da superfície do solo. O escoamento de ondas de cheia de eventos de grande volume podem mudar a configuração de leitos de rios, deslocando bancos de areia e provocando erosão das margens. Em períodos muito secos o perímetro de áreas desérticas pode crescer. Em resumo, mesmo em ambientes naturais, a precipitação e o escoamento superficial causam alterações significativas às bacias hidrográficas.

Fig. 1.2 - Esquema de balanço hídrico

Com o crescimento da população mundial, as alterações ao meio ambiente se tornaram mais importantes, causando maiores mudanças às características do escoamento nas bacias hidrográficas. A derrubada da vegetação natural para o desenvolvimento da agricultura aumenta a superfície de solo exposto, com óbvia diminuição da proteção natural da vegetação. Esta perda de proteção diminui o potencial de infiltração do solo, aumenta o escoamento superficial e resulta em grandes perdas de solo. Nos últimos dois séculos, o crescimento das cidades tem modificado drasticamente a paisagem nos arredores destes centros urbanos. A urbanização tem interferido significativamente nos processos envolvidos no ciclo hidrológico.

P G2

I S

E

T

G1

R

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Superfícies impermeáveis, tais como telhados e ruas pavimentadas, reduzem o potencial de infiltração e consequentemente a recarga dos aqüíferos subterrâneos, e aumentam o volume do escoamento superficial. Estas superfícies ainda apresentam uma rugosidade menor, aumentando a velocidade do escoamento superficial e a erosão. Estas alterações do ciclo hidrológico têm agravado as enchentes e aumentado a sua freqüência, trazendo transtornos e prejuízos às populações urbanas. Uma representação esquemática do ciclo hidrológico no meio ambiente urbanizado é mostrada na Figura 1.3.

Figura 1.3 - Ciclo hidrológico em ambiente urbanos

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A seca

...

Aproxima-se a seca.

O sertanejo adivinha-a e prefixa-a graças ao ritmo singular com que se desencadeia o flagelo.

... Com os escassos recursos das próprias observações e das dos seus maiores, em que ensinamentos práticos se misturam a extravagantes crendices, tem procurado estudar o mal, para o conhecer, suportar e suplantar. Aparelha-se com singular serenidade para a luta. Dois ou três meses antes do solstício de verão, especa e fortalece os muros dos açudes, ou limpa as cacimbas. Faz os roçados e arregoa as estreitas faixas de solo arável à orla dos ribeirões. Está preparado para as plantações ligeiras à vinda das primeiras chuvas.

Procura em seguida desvendar o futuro. Volve o olhar para as alturas; atenta longamente os quadrantes; e perquire os traços mais fugitivos das paisagens.

Os sintomas do flagelo desponta-lhe, então, encadeados em série, sucedendo-se inflexíveis, como sinais comemorativos de uma moléstia cíclica, da sezão assombreadora da Terra. Passam as “chuvas de caju” em outubro, rápidas, em chuvisqueiras prestes delidos nos ares ardentes, sem deixarem traços; e “pintam” as caatingas, aqui, ali, por toda a parte, mosqueadas de tufos pardos de árvores marcescentes, cada vez mais numerosos e maiores, lembrando cinzeiros de uma combustão abafada, sem chamas; e greta-se o chão; e abaixa-se vagarosamente o nível das cacimbas... Do mesmo passo nota que os dias, estuando logo ao alvorecer, transcorrem abrasantes, à medida que as noites se vão tornando cada vez mais frias. A atmosfera absorve-lhe, com avidez de esponja, o suor da fronte, enquanto a armadura de couro, sem mais a flexibilidade primitiva, se lhe endurece aos ombros, esturrada, rígida, feito uma couraça de bronze. E ao descer das tardes, dia a dia menores e sem crepúsculos, considera, entristecido, nos ares, em bandos, as primeiras aves emigrantes, transvoando a outros climas.

É o prelúdio de sua desgraça.

Vê-o acentuar-se, num crescendo, até dezembro.

Precautela-se: revista, apreensivo, as malhadas. Percorre os logradouros longos. Procura entre as chapadas que se esterilizam várzeas mais benignas para onde tange os rebanhos. E espera, resignado, o dia 13 daquele mês. Porque, em tal data, usança avoenga lhe faculta sondar o futuro, interrogando a Providência.

É a experiência tradicional de Santa Luzia. No dia 12 ao anoitecer expõe ao relento, em linha, seis pedrinhas de sal, que representam, em ordem sucessiva da esquerda para a direita, os seis meses vindouros, de janeiro a junho. Ao alvorecer de 13 observa-as: se estão intactas, pressagiam a seca; se a primeira apenas se deliu, transmudada em aljôfar límpido, é certa a chuva em janeiro; se a segunda, em fevereiro; se a maioria ou todas, é inevitável o inverno benfazejo.

Esta experiência é belíssima. Em que pese ao estigma supersticioso, tem base positiva, e é aceitável que se considere que dela se colhe a maior ou menor dosagem de vapor d’água nos ares, e, dedutivamente, maiores ou menores probabilidades de depressões barométricas, capazes de atrair o afluxo das chuvas.

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Entretanto, embora tradicional, esta prova deixa ainda vacilante o sertanejo. Nem sempre desanima, ante os seus piores vaticínios. Aguarda, paciente, o equinócio da primavera, para definitiva consulta aos elementos. Atravessa três longos meses de expectativa ansiosa e no dia de S. José, 19 de março, procura novo augúrio, o último.

Aquele dia é para ele o índice dos meses subseqüentes. Retrata-lhe, abreviadas em doze horas, todas as alternativas climáticas vindouras. Se durante ele chove, será chuvoso o inverno: se, ao contrário, o Sol atravessa arrazadoramente o firmamento claro, estão por terra as suas esperanças.

A seca é inevitável.”

Euclides da Cunha Os Sertões

QUESTIONÁRIO 1. Como o ciclo hidrológico pode ser alterado em uma bacia em estado natural ? 2. Quais as etapas do ciclo hidrológico que são afetadas pela urbanização? 3. Defina o balanço hídrico. Descreva a sua equação.

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