Hidrologia - Apostilas - Engenharia Ambiental_Part1, Notas de estudo de Sociedade e Meio Ambiente
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Apostilas de Engenharia Agrícola e Ambiental sobre o estudo da Hidrologia, Meio Ambiente e os recursos naturais, Cronologia do desenvolvimento da teoria hidrológica, Aquecimento desigual da superfície da Terra.
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HIDROLOGIA GERAL NOTAS DE AULA

Prof. Paulo Renato Barbosa

Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola Politécnica Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente

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HIDROLOGIA BIBLIOGRAFIA:

1. Hidrologia (Ciência e Aplicação). Ed. ABRH/USP. Organizador: Carlos Eduardo Morecci Tucci. 2. Hidrologia Aplicada – Ed. McGraw Hill – Swami M. Villela & Arthur Mattos 3. Hidrologia Básica – Ed. Edgard Blücher Ltda. - Nelson de Souza Pinto.

INTRODUÇÃO

O MEIO AMBIENTE E OS RECURSOS NATURAIS

A água é um mineral líquido formado por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O). Devido à sua capacidade de solubilização de gases e de erosão dos continentes, a água não se encontra pura na natureza, e sim como uma dissolução aquosa de sais e matéria orgânica.

O ser humano é constituído de aproximadamente 63% de água e necessita de aproximadamente 2 litros de água por dia para sobreviver.

O APARECIMENTO DA “URBE

Os primeiros grupos humanos sobre a Terra eram nômades e viviam da coleta. Como desenvolvimento das tecnologias de caça, vestuário e abrigo, o número de indivíduos que atingia a idade adulta aumentava e assim, a população. O modo de vida nômade não mais atendia às necessidades do grupo e foi necessário estabelecer agrupamentos em áreas que fornecessem condições de vida, água abundante e terras férteis, para agricultura e pecuária.

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UM POUCO DE HISTÓRIA

Apesar de não possuírem o conhecimento teórico dos fenômenos hidráulicos, os povos antigos realizaram notáveis obras de engenharia.

• 4000 AC  Barragens no Rio Nilo; • 3000 AC  Canais de Irrigação na Mesopotâmia; • 2000 AC  Aquedutos e Canais (Roma, Grécia, China); Defesas contra enchentes.

A CRONOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO DA TEORIA HIDROLÓGICA.

Século XV; • Leonardo da Vinci  explicou a salinidade dos mares pela ação das águas continentais que ao se infiltrarem e escoarem carregavam os sais para os mares;

Século XVII; Abade Perrault  mediu durante três anos a precipitação na bacia do Rio Sena. Medindo o escoamento superficial e conhecendo a área de drenagem, demonstrou que a precipitação era suficiente para suprir a vazão do rio;

Mariotte  mediu a velocidade da vazão do rio e com as medidas da seção transversal do rio conseguiu medir a descarga do rio;

Halley  mediu a taxa de evaporação do mar Mediterrâneo e demonstrou que a quantidade evaporada seria suficiente para garantir a vazão dos rios que desembocavam na região

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Século XVIII;

Bernoulli  piezômetro • Pitot  tubo de Pitot • Chézy  fórmula ( iRCV H= )

Século XIX;

• Hidrologia Experimental; A experiência da Califórnia.

Século XX;

• 1a metade: Hidrologia Experimental Teórica (EUA); foram construídos canais, barragens, sistema de irrgação e proteção contra enchentes. • 2a metade: Hidrologia Estocástica; o acesso mais fácil aos computadores digitais permitiam o desenvolvimento de vários métodos estatísticos de manipulação de dados temporais.

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O AQUECIMENTO DESIGUAL DA SUPERFÍCIE DA TERRA

O SOL A TERRA

Ao transladar ao redor do Sol com órbita eliptíca a Terra se aproxima (periélio) e se afasta (afélio) do Sol. Sua trajetória de translação atravessa o plano de translação do Sol (ecliptica), formado por seu deslocamento no espaço em direção a estrela Vega, da constelação da Lira.

Este plano forma com um plano imaginário passando pelo Equador da Terra um ângulo ora mais, ora menos 23o 27’, conforme a posição da Terra em seu próprio movimento de translação.

São assim definidos quatro pontos notáveis em sua órbita de translação. Esses pontos são dois solstícios e dois equinócios, pontos que definem o início e o fim das estações do ano.

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♦ Equinócio de outono no hemisfério sul. A linha que separa a zona iluminada da escura passa exatamente pelos pólos. O dia e a noite duram 12 horas em toda a Terra. Ocorre a 21 de março.

♦ Solstício de inverno no hemisfério sul (21 de junho). Neste caso, onde é inverno, temos a noite mais longa do ano.

♦ Equinócio de primavera no hemisfério sul, ocorre em 23 de setembro. ♦ Solstício de verão no hemisfério sul (21 de dezembro). Neste caso, temos a noite mais curta do ano.

Em seu movimento de rotação ao redor de seu eixo (reta imaginária que atravessa os pólos), no sentido de oeste para leste, a Terra oferece sempre apenas um hemisfério à radiação eletromagnética do Sol.

A forma "quasi" esférica da Terra, a inclinação do seu eixo de rotação em relação eclíptica e a órbita descrita pelo seu movimento de translação ao redor do Sol, são os principais responsáveis pelas diferenças de temperatura entre o equador e os pólos, pela existência das quatro estações do ano e consequentemente pela existência de variados climas na superfície do globo terrestre.

♦ Afélio – ponto de máximo afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor do Sol.

♦ Periélio – ponto de menor afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor do Sol.

Além dessas variações ao longo do ano na recepção de radiação eletromagnética do Sol, devido à distância e ponto de incidência, a radiação solar atravessa a atmosfera e pode encontrar, ao chegar na superfície, oceano ou solo. No solo, a topografia do planeta está longe de ser homogênea e os tipos de solo da superfície são muito diferentes.

Enfim, toda essa variedade faz com que a capacidade de retenção e reflexão de radiação, dos diferentes pontos da superfície do planeta seja extremamente variável. Essa variabilidade leva à temperaturas também extremamente variáveis.

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ALGUNS TIPOS DE SUPERFÍCIE DA TERRA

OCEANOS FLORESTAS

DESERTOS SAVANAS

TUNDRA MONTANHAS

Essas diferentes temperaturas, que variam ao longo do dia, provocam diferentes pressões e daí, resulta o vento. É o vento, que aliado à evaporação provocada pela temperatura, que faz circular o vapor d’água pela atmosfera.

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A UMIDADE

Evaporação – É quando moléculas de vapor de água vão para o ar aumentando a umidade do ar. O aumento da temperatura aumenta a entropia e, conseqüentemente, o número de choques entre as partículas. Assim, as moléculas trocam mais quantidade de movimento e, eventualmente, uma molécula supera a película formada pela tensão superficial e é lançada na atmosfera.

Atmos – vapor. Sfera – esfera.

CAMADAS DA ATMOSFERA

A atmosfera é constituída de cinco camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. O ar se torna mais rarefeito quanto mais a gente sobe, e é por isso que os alpinistas normalmente levam oxigênio com eles quando escalam altas montanhas. A troposfera é a única camada em que os seres vivos podem respirar normalmente. Troposfera - As condições climáticas acontecem na camada inferior da atmosfera, chamada troposfera. Essa camada se estende até 20 km do solo, no equador, e a aproximadamente 10 km nos pólos. Estratosfera - A estratosfera chega a 50 km do solo. A temperatura vai de 60ºC negativos na base ao ponte de congelamento na parte de cima. A estratosfera contém ozônio, um gás que absorve os prejudiciais raios ultravioleta do Sol. Hoje, a poluição está ocasionando "buracos" na camada de ozônio. Mesosfera - O topo da mesosfera fica a 80 km do solo. É muito fria, com temperaturas abaixo de 100ºC negativos. A parte inferior é mais quente porque absorve calor da estratosfera. Termosfera - O topo da termosfera fica a cerca de 450 km acima da Terra. É a camada mais quente, uma vez que as raras moléculas de ar absorvem a radiação do Sol. As temperaturas no topo chegam a 2.000ºC. Exosfera - A camada superior da atmosfera fica a mais ou menos 900 km acima da Terra. O ar é muito rarefeito e as moléculas de gás "escapam" constantemente para o espaço. Por isso é chamada de exosfera (parte externa da atmosfera).

Ar

Mar

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De uma forma geral, os desertos e a “Rain Forests” existem, não por causa das diferenças de temperatura, e sim pela existência, ou não, de umidade na troposfera (camada da atmosfera mais próxima do solo). Na troposfera, o gradiente de pressão é hidrostático (quanto maior a altura, menor a pressão).

A DISTRIBUIÇÃO DA UMIDADE NA TERRA.

CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA

Rotação da Terra: Aceleração de Coriolis.

Esta aceleração provoca padrões de circulação de ar na atmosfera. Esses ventos transportam umidade. A quantidade de precipitação depende da altitude, localização, vegetação e relevo. (Ex.: Monções da Índia, El Niño)

Durante a época das grandes navegações os portugueses, com o uso da bússola e do astrolábio eram capazes de identificar a latitude do ponto onde estavam, mas a dificuldade para estabelecer a longitude era enorme. Assim, começaram a reunir informações generalizadas sobre os locais onde navegavam. Essas informações incluíam a direção dos ventos e das correntes marítimas, a cor e a salinidade do mar, a presença de aves, algas e quaisquer outras coisas que pudessem caracterizar um local.

Esse volume de informação levou à confecção dos altamente valiosos mapas sinóticos figurativos chamados de “portulanos” que davam aos capitães das naus portuguesas uma grande vantagem competitiva em relação aos seus adversários ingleses, holandeses, espanhóis e franceses. Os portugueses haviam descoberto que existe um padrão de circulação global na atmosfera terrestre.

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UMIDADE ABSOLUTA Definição: Quantidade de vapor d’água existente por unidade de volume na atmosfera.

UMIDADE RELATIVA Definição: É a razão entre a umidade existente no ar e a quantidade de vapor d’água necessário para saturá-lo.

PONTO DE ORVALHO Definição: É a temperatura na qual ocorre a saturação de uma massa de ar quando ela é resfriada sem adição ou remoção de vapor d’água..

NÚCLEOS HIGROSCÓPICOS Definição: Partículas, também chamadas de núcleos de condensação, de dimensões microcópicas, em suspensão na atmosfera que agregam umidade. Pólen, sais, poeira, microorganismos, maresia, nuvens são reservatórios de umidade. São fundamentais para formação de nuvens.

UMIDADE RELATIVA DO AR MÉDIA NO BRASIL

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FORMAÇÃO DE NUVENS.

A nuvem é o resultado da condensação do vapor d’água existente na atmosfera. Os núcleos higroscópicos, ou de condensação, atraem as moléculas de vapor d’água condensadas e dispersas no ar, agrupando-as à sua volta até constituir uma diminuta gota. O mesmo processo, multiplicado milhões de vezes, origina as massas de umidade concentrada que chamamos de nuvens.

São núcleos higroscópicos, partículas de argila, pólen, matéria orgânica, sais marinhos, cristais de gelo etc.

TIPOS DE NUVENS:

STRATUS CUMULUS-NIMBUS

CIRRUS

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TIPOS DE PRECIPITAÇÕES

As precipitações podem ser convectivas, orográficas e ciclônicas/frontais.

CONVECTIVAS Definição : O aquecimento desigual da superfície do solo provoca a elevação da massa de ar sobre essas regiões. Ao subirem, se resfriam e precipitam (chuva violenta, de curta duração e de grande intensidade, sobre área pequena).

OROGRÁFICA Definição: Ventos quentes e úmidos que sopram na direção da terra, vindos do mar, são elevados ao encontrarem obstáculos (montanhas). Ao subirem, resfriam e precipitam (chuva fraca, de média duração e de pequena intensidade, sobre extensa área).

SISTEMAS FRONTAIS OU CICLÔNICOS (FRENTES) Definição: Grandes massas de ar homogêneas adquirem a temperatura da região em que se formam. Frontais frias têm sua origem nos pólos e as frontais quentes têm suas origens no Equador. Alguma instabilidade provoca o deslocamento da massa de ar. A interface dos sistemas têm o nome de “frente”. Uma frente pode ter até 3000 km. de comprimento. Provoca chuvas de grande duração e média intensidade sobre grandes áreas.

FRENTE FRIA FRENTE QUENTE

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FORMAS DE PRECIPITAÇÃO:

Chuva Gotas acima de 3 mm de diâmetro Chuvisco Gotas inferiores a 3 mm

Neve Sólida, na forma de cristais, em flocos

Saraiva (slit) Pequenas pedras de gelo

Granizo Pedras de gelo, formadas quando as gotas de chuva atravessam camadas de ar muito frias

Orvalho(T>0o) Geada(T<0o)

São fenômenos semelhantes formados respectivamente pela condensação e pela sublimação do vapor nas superfícies durante as noites frias.

Nevoeiro (russo) Gotículas de vapor d’água em suspensão na atmosfera

CHUVA CHUVISCO

NEVOEIRO NEVE

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GRANIZO SARAIVA

ORVALHO GEADA

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OCORRÊNCIA DE ÁGUA NA TERRA:

Ocorrência de Água na Terra: Quantidade (x 1014)

Água quimicamente contida nas rochas (não circulante) 250.000,000

Oceanos 13.200,000 Calotas polares e geleiras 292,000 Água subterrânea 84,000 Lagos doces 1,300 Lagos salgados, mares 1,000 Umidade do Solo 0,900 Vapor d’água na atmosfera 0,130 Cursos d’água 0,013 Água livre circulante 13578,800

Observa-se no quadro acima que, de toda a água existente no planeta, somente 2,7% é água doce. E que desta, cerca de 98% é água subterrânea.

Da água que se precipita sobre as áreas continentais, estima-se que de 60% a 70% se infiltra. Assim, a parcela que escoa para os riachos e rios é de cerca de 40% a 30%. É esta água que se infiltra que mantém os rios fluindo, mesmo quando acontece longos períodos de estiagem.

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HIDROLOGIA DEFINIÇÃO (United States Federal Council for Science and Technology): “É a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida”.

DEFINIÇÃO (Associação Brasileira de Recursos Hídricos): É o ramo da Geografia Física que trata das águas terrestres (rios, riachos, lagos, lençóis subterrâneos etc), sua distribuição, propriedades, fenômenos e leis naturais. Estuda as leis de ocorrência e distribuição das águas na superfície do solo, na atmosfera terrestre, nos estratos geológicos, bem como suas relações com problemas de engenharia sanitária, irrigação, hidroeletricidade, regularização das ondas de cheia e águas de navegação, drenagem, proteção do solo contra erosão etc. Sendo, portanto, uma ciência de grande importância econômica e social.

USOS MÚLTIPLOS DOS RECURSOS HÍDRICOS :

- Abastecimento público; - Consumo industrial; - Irrigação; - Recreação; - Geração da energia elétrica; - Navegação; - Depuração (capacidade que possuem os corpos d’água de receberem matéria orgânica); - Preservação da Flora e a Fauna.

Os registros históricos medidos dos dados hidrometeorológicos na Hidrologia são quase sempre “errados”, pois estas medidas são pontuais, mas representam as informações hidrológicas de uma grande área. Os instrumentos de medição também são imprecisos.

O CICLO HIDROLÓGICO

Def.: O Ciclo Hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado, fundamentalmente, pela energia solar associada à gravidade e a rotação da Terra.

O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera, fechando o ciclo hidrológico, ocorre em dois sentidos:

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a) no sentido SUPERFÍCIEATMOSFERA, onde o fluxo de água ocorre fundamentalmente na forma de vapor, como decorrência dos fenômenos de evaporação e transpiração.

b) No sentido ATMOSFERA → SUPERFÍCIE, onde a transferência de água ocorre em qualquer estado físico, sendo mais significativas, em termos mundiais, as precipitações de chuva e neve.

“O Ciclo Hidrológico só é fechado em nível global”.

REPRESENTAÇÃO FIGURATIVA DO CICLO HIDROLÓGICO.

DESCRIÇÃO GERAL DO CICLO HIDROLÓGICO

PRECIPITAÇÃO

♦ Ocorre quando complexos fenômenos de aglutinação e crescimento das microgotículas, formam uma grande quantidade de gotas com tamanho e peso suficientes para que a força da gravidade supere a turbulência normal ou movimentos ascendentes do meio atmosférico.

INTERCEPTAÇÃO ♦ Parte do volume precipitado que está caindo sobre um solo com cobertura vegetal, sofre interceptação

em folhas e caules, de onde se evapora. Excedendo a capacidade de armazenamento na superfície dos vegetais, começa o que se chama de gotejamento.

INFILTRAÇÃO

♦ Como o solo é um meio poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao solo, até que o filme superficial de solo esteja saturado, quando então a taxa de infiltração se torna constante e a infiltração se faz em regime permanente de escoamento. A infiltração e a percolação no interior do solo são regidas pelas tensões capilares nos poros e pela gravidade.

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

♦ A água ao chegar à superfície do solo é impulsionada pela gravidade para cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície do solo. Manifesta-se inicialmente na forma de pequenos filetes que se moldam ao micro-relevo do solo. A erosão de partículas de solo pelos filetes em seus trajetos, aliada à topografia preexistente, molda uma micro-rede de drenagem efêmera que converge para a rede de cursos d’água mais estável, formada por arroios e rios. A presença de vegetação na

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superfície do solo contribui para o aumento da infiltração, quando se opõe ao escoamento superficial. A vegetação também reduz a energia cinética de impacto das gotas de chuva no solo (“splash”), minimizando a erosão. Com raras exceções, a água escoada pela rede de drenagem mais estável destina-se aos oceanos.

REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO CICLO HIDROLÓGICO

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TEORIA DOS RESERVATÓRIOS LINEARES, DOODGE (1950).

A abordagem que considera as diferentes fases do Ciclo Hidrológico como reservatórios lineares, com capacidade e contribuição definidos, permitiu o desenvolvimento de Modelos Matemáticos para a Simulação dos processos do Ciclo Hidrológico. Esses modelos, quando bem calibrado, permitem que o hidrólogo possa fazer inferências sobre a resposta hidrológica de uma Bacia Hidrografica à interferências antrópicas. São, portanto, ferrramentas inestimáveis nos projetos de Recursos Hídricos.

REPRESENTAÇÃO DO CICLO HIDROLÓGICO POR RESERVATÓRIOS LINEARES

O BALANÇO HÍDRICO (A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE).

Precip. = Intercep. + Evap. + Infilt. + Esc.Supf. + Q subt. + Q Rio

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A BACIA HIDROGRÁFICA

Def.: A Bacia Hidrográfica é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou um sistema conectado de cursos d’água tal que toda vazão efluente é descarregada através de uma simples saída, o EXUTÓRIO. O DIVISOR TOPOGRÁFICO só cruza o rio em um ponto.

OS DIVISORES D’ÁGUA  PLANTA TOPOGRÁFICA

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OS DIVISORES D’ÁGUA

O DIVISOR TOPOGRÁFICO

A bacia hidrográfica é necessariamente contornada por um divisor d’água, assim chamado por ser a linha de separação que divide as precipitações que caem em bacias vizinhas e que encaminha o escoamento superficial resultante para um outro sistema fluvial. O divisor segue uma linha rígida unindo os pontos de cota máxima entre bacias, o que não impede que no interior de uma bacia possam existir picos isolados com cota superior a qualquer ponto do divisor (A linha cheia na figura acima). O DIVISOR TOPOGRÁFICO só cruza o rio em um ponto.

O DIVISOR FREÁTICO

O divisor freático (hidrogeológico) é, em geral, determinado pela estrutura geológica dos terrenos e, estabelece os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio básico da bacia (A linha tracejada na figura acima).

“As áreas demarcadas por esses divisores dificilmente coincidem exatamente”.

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A TERMINOLOGIA DA SEÇÃO TRANSVERSAL

ME  Margem esquerda MD  Margem direita

Calha ou Leito Menor: é a escavação produzida pela corrente líquida, dentro de cujos limites ela escoa quando não há transbordamento.

Calha ou Leito Maior: é a região marginal que contém o transbordamento das cheias até as elevações longitudinais naturais mais próximas. É a planície de inundação, ou várzea do rio.

“As calhas caracterizam grandezas hidráulicas, como a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico, comuns a qualquer seção de escoamento e importantes para a definição e o cálculo da vazão”.

Margem: é definida no ponto onde o rio passa de sua calha menor para sua calha maior (onde está a mata ciliar, planície de inundação).

Batente: são os pontos de contato da superfície da água com o perímetro molhado. Os batentes variam de acordo com as oscilações do nível d’água.

Largura Superficial: é a distância horizontal entre dois batentes.

Talvegue – É o lugar geométrico dos pontos de menor cota de uma região.

Profundidade : é a distância vertical entre a superfície da água e o fundo da calha em um ponto qualquer da seção. Profundidade Máxima é a que corresponde ao talvegue. Profundidade Média é um parâmetro de cálculo, quociente entre a área molhada e a largura superficial.

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