HIDROLOGIA E CLIMATOLOGIA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

AULA 2

CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO

Prof. Giovanni C Penner

penner@ufpa.brBelém/2020

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

I – PLANO DE ENSINO E INTRODUÇÃO

II – CICLO HIDROLÓGICO E BALANÇO HÍDRICO

III – BACIA HIDROGRÁFICA

IV – CLIMATOLOGIA: TIPOS CLIMÁTICOS

V – PRECIPITAÇÃO

VI - ESCOAMENTO SUPERFICIAL (Medição de Vazão e Curva-Chave,

Método Racional, Separação dos Escoamentos, Curva de Permanência)

VII – INFILTRAÇÃO

VIII – EVAPORAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO

IX – ÁGUAS SUBTERRÂNEAS

X – PREVISÃO DE ENCHENTES (Hidrologia Estatística para máximos)

OBJETIVOS DA AULA

1. Rever o conceito de ciclo hidrológico.

2. Conhecer as disponibilidades de água no Brasil e no

Mundo.

3. Conhecer o conceito de balanço hídrico de uma bacia e

apresentar o balanço hídrico de bacias do Brasil e do

Mundo.

4. Conhecer o conceito de disponibilidade hídrica per capita

e apresentar valores do Brasil e do Mundo.

5. Aprender a fazer um balanço hídrico de uma bacia.

6. Apresentar o exemplo da Bacia do Guarapiranga – SP.

IMPORTÂNCIA DA HIDROLOGIA

Dimensionamento de obras hidráulicas;

• Aproveitamento de recursos Hídricos:

– aproveitamentos hidrelétricos;

– abastecimento urbano;

– irrigação;

– navegação;

– lazer.

• Controle e previsão de inundações;

• Controle e previsão de secas;

• Controle de poluição;

• Qualidade ambiental.

PERGUNTAS TÍPICAS

[1] Qual é a vazão máxima provável em um local

proposto para uma barragem?

[2] Qual é a disponibilidade de água de um rio e

como ela poderá variar entre estações e de um

ano a outro?

[3] Qual é a relação entre a quantidade de água

superficial e a água subterrânea?

[4] Qual é a vazão mínima de um rio que é

igualada ou superada 90% do tempo?

PERGUNTAS TÍPICAS

[5] Qual é o volume de um reservatório

necessário para garantir uma determinada vazão

a jusante?

[6] Qual é o tamanho adequado de um

reservatório de armazenamento para limitar as

inundações a jusante a um nível pré-

estabelecido?

[7] Quais são o “hardware” (sensor de chuva, p.

ex.) e o “software” (modelo computacional)

necessários para a previsão de cheias em tempo

real?

RESPOSTAS

Para responder a essas e outras perguntas

a Hidrologia se utiliza de:

• Informações hidrológicas (dados obtidos por

medições);

• Análise especializadas;

• Conceitos e conhecimentos científicos.

A resposta de um problema hidrológico em

geral é o valor de uma grandeza

hidrológica associada a uma probabilidade

de que essa grandeza seja igualada ou

excedida.

BREVE HISTÓRIA DA HIDROLOGIA

• Marcos Vitruvius Pollio (100 AC) → Conceitos

próximos aos atuais;

• Da Vinci e Bernard Palissy - Século XV;

• Perrault (1608-80) e Mariotte → Vazão do Rio

Sena = 16 % da precipitação;

• Hidrologia Quantitativa → Década de 1930

(Sherman – 1932; Horton – 1933; Theis – 1935);

• Computadores + Modelos Conceituais chuva x

vazão → Década de 1950.

CICLO HIDROLÓGICO

Fenômeno global de circulação da água entre

a superfície terrestre e a atmosfera,

impulsionado fundamentalmente pela energia

solar, associada à gravidade e à rotação da

Terra.

VÍDEO AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS

https://youtu.be/C1FbYQsEKtU?list=PLdDOTUuIn

CuzxZZHYiB_a0-4o_mnCZQPO

CICLO HIDROLÓGICO

O ciclo hidrológico é o processo cíclico e

contínuo de transporte das águas da Terra,

interligando atmosfera, continentes e

oceanos. Trata-se de um processo

complexo, que tem como fonte de energia o

Sol, associado à gravidade e à rotação da

Terra, apresentado muitos subciclos.

O processo de

transferência da

água do mar para

os continentes e a

sua volta aos

mares é conhecido

por ciclo

hidrológico

VISÃO CLÁSSICA

VISÃO INFANTIL

VISÃO POÉTICA

Planeta água(Guilherme Arantes)

Água que nasce na fonte

Serena do mundo

E que abre o profundo grotão

Água que faz inocente riacho e

deságua

Na corrente do ribeirão

Águas escuras dos rios

Que levam a fertilidade ao sertão

Águas que banham aldeias

E matam a sede da população

Águas que caem das pedras

No véu das cascatas

Ronco de trovão

E depois dormem tranqüilas

No leito dos lagos

No leito dos lagos

Água dos igarapés

Onde Iara mãe d’água

É misteriosa canção

Água que o sol evapora

Pro céu vai embora

Virar nuvens de algodão

Gotas de água da chuva

Alegre arco íris sobre a plantação

Gotas de água da chuva

Tão tristes são lágrimas na

inundação

Águas que movem moinhos

São as mesmas águas

Que encharcam o chão

E sempre voltam humildes

Pro fundo da terra

Pro fundo da terra

Terra, planeta água

Terra, planeta água

Terra, planeta água

Terra, planeta água

Terra, planeta água

Terra, planeta água

VISÃO DE ENGENHARIA

PrecipitaçãoPerda por

Evaporação

Hidrogramas

elementares

Hidrogramas

elementares

3º nível de

armazenamento

2º nível de

armazenamento

1º nível de

armazenamento

5º nível de

armazenamento

4º nível de

armazenamento

Rede

hidrográfica

continuações fugasTransporte na

rede

Qb

Q2

Q1

E

E

E

E

F

F

F

F

F C

VISÃO DE ENGENHARIA:

MODELAÇÃO MATEMÁTICA

(Puri, 2002; ANA, 2010)

VISÃO SISTÊMICA DO CICLO HIDROLÓGICO

FATORES QUE INFLUENCIAM O CICLO

Quantidade de água e a velocidade de

circulação em cada etapa do ciclo depende,

entre outros:

– Cobertura vegetal;

– Altitude;

– Topografia;

– Temperatura;

– Tipo de solo.

FLUXOS GLOBAIS DE ÁGUA

1012 m3/ano %

PrecipitaçãoContinente 99 23,4

Oceano 324 76,6

EvaporaçãoContinente 62 14,7

Oceano 361 85,3

Fluxo = Precipitação - Evaporação

Superfície Terrestre = POSITIVO

Oceanos = NEGATIVOsaldo

Vazões

dos rios

oceano

9962

32437

37

Superfície terrestre

Atmosfera

Unidades: 1012 m3/ano

361

DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA NA NATUREZA

FLUXOS E RESERVAS GLOBAIS DE ÁGUA

96,564

%

1,73%

1,689%

0,013%

0,001%

Exercício 1

Em termos globais, o ciclo hidrológico movimenta um

volume de água de 577 mil km³/ano. Isto significa que 577

mil km³/ano atingem os continentes e os oceanos na

forma de precipitação (chuva e neve), e os mesmo 577 mil

km³/ano retornam à atmosfera na forma de

evaporação/evapotranspiração. A chuva que atinge os

continentes equivale a 119 mil km³/ano, dos quais 72 mil

km³/ano retornam a atmosfera por evapotranspiração e 47

mil km³/ano dos continentes para os oceanos. Os rios

armazenam 2,12 mil km³ de água e transportam cerca de

44,7 mil km³ de água por ano. Qual o tempo residência

(tempo que a água permanece no rio) médio da água nos

rios em dias?

Região Vazão Média (m3/s) Participação (%)

América do Sul 334000 23,1

América do Norte 260000 18,0

África 145000 10,0

Europa 102000 7,0

Antártida 73000 5,0

Oceania 65000 4,5

Austrália/Tasmânia 11000 0,8

Ásia 458000 31,6

BRASIL 177900 12,3

Total 1448000 100,0

PRODUÇÃO HÍDRICA DE SUPERFÍCIE MUNDIAL

DISTRIBUIÇÃO DO USO NO BRASIL POR

REGIÕES

Região

Vazão

Urbana

(km3/ano)

Irrigação

(km3/ano)

Vazão

Industrial

(km3/ano)

Norte 0,36 0,06 0,50

Centro-oeste 0,59 0,45 0,14

Nordeste 2,06 3,91 0,55

Sudeste 5,17 4,29 5,56

Sul 1,74 7,25 1,45

TOTAL 9,92 15,96 8,20

DISTRIBUIÇÃO DAS ÁGUAS DOCE DE

SUPERFÍCIE E DA POPULAÇÃO NO BRASIL

Região

% de água doce em

superfície

% de

habitantes

Norte 68,5 6,83

Centro-oeste 15,7 6,42

Nordeste 3,3 28,94

Sudeste 6,0 42,73

Sul 6,5 15,07

DISPONIBILIDADE HÍDRICA SOCIAL

Para os Estados do Brasil e

RMSP

Disponibilidade hídrica social

na RMSP 170 m3 / hab.ano

Índice de Criticidade de Recursos Hídricos (ICRH).

Disponibilidade Específica de Água (DEA) e problemas de gestão

associados

DISPONIBILIDADE HÍDRICA

ICRHDisponibilidade Específica de

Água (DEA) (m3/hab.ano)

Problemas de gestão de recursos hídricos

1 DEA ≥ 10.000 Sem problemas ou problemas limitados

2 10.000 > DEA ≥ 2.000 Problemas gerais de gerenciamento

3 2.000 > DEA ≥ 1.000 Grande pressão sobre os recursos hídricos

4 1.000 > DEA ≥ 500 Escassez crônica de água

5 DEA < 500 Além do limite de disponibilidade

BACIA HIDROGRÁFICA

Definição

Uma bacia hidrográfica é uma determinada área de

terreno que drena água, partículas de solo e material

dissolvido para um ponto de saída comum, situado ao

longo de um rio, riacho ou ribeirão (Dunne e Leopold,

1978).

A altura de chuva equivale à altura da lâmina d’água que

seria obtida se o volume de água de uma chuva fosse

distribuído por uma lâmina uniforme sobre uma bacia

hidrográfica.

Se, em um período de um ano, houve uma chuva acumula

de P (mm), sobre uma bacia hidrográfica com A (km2) de

área, então o volume precipitado em um ano foi de:

CONVERSÃO DE UNIDADES

A vazão equivalente para este volume em um ano é

dada por:

𝐐 𝐦𝐦 =𝐐(𝐦𝟑

𝐬) ∙

𝟑𝟔𝟓 ∙ 𝟐𝟒 ∙ 𝟔𝟎 ∙ 𝟔𝟎𝐬𝟏𝐚𝐧𝐨

∙ 𝟏𝟎𝟑(𝐦𝐦𝐦

)

𝐀(𝐤𝐦𝟐) ∙ 𝟏𝟎𝟔(𝐦𝟐

𝐤𝐦𝟐)

Exercício 2

A região da bacia hidrográfica do rio Taquari recebe

precipitações médias anuais de 1600 mm. Em Muçum

(RS) há um local em que são medidas as vazões deste rio

e uma análise de uma série de dados diários ao longo de

30 anos revela que a vazão média anual do rio é de 340

m³/s. Considerando que a área da bacia neste local é de

15.000 km², qual é a evapotranspiração média anual nesta

bacia? Qual é o coeficiente de escoamento superficial da

mesma bacia?

BALANÇO HÍDRICO

O balanço entre entradas e saídas de água em uma bacia

hidrográfica é denominado balanço hídrico. A principal

entrada de água de uma bacia é a precipitação. A saída de

água da bacia pode ocorrer por evapotranspiração e por

escoamento. Estas variáveis podem ser medidas com

diferentes graus de precisão;

A Lei Nº 9.433, de 01/08/1997 define como unidade de

gerenciamento a bacia hidrográfica;

O conceito de bacia hidrográfica é usado pela facilidade de

aplicação do balanço hídrico.

BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA

BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜

BALANÇO HÍDRICO DE UMA BACIA

Precipitação

Vazão

Evapotranspiração

Armazenamento

da Água

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑟𝑚𝑎𝑧𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑡𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜 − 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑅𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜

Perguntas: 1) O armazenamento é sempre positivo?

2) Qual o valor do armazenamento depois de muitos

anos de observação?

DS = P E Q- -

DADOS DA BACIA DO GUARAPIRANGA

1950 735 1456 1,28 1,14 735 1456

1951 490 1133 0,85 0,88 1225 2589

1952 559 1177 0,97 0,92 1784 3766

1953 458 1292 0,80 1,01 2242 5058

1954 435 1096 0,76 0,86 2677 6154

1955 337 1179 0,59 0,92 3014 7333

1956 631 1306 1,10 1,02 3645 8639

1957 747 1752 1,30 1,37 4392 10391

1958 811 1462 1,41 1,14 5203 11853

1959 576 1228 1,00 0,96 5779 13081

1960 623 1427 1,09 1,11 6402 14508

1961 563 1261 0,98 0,98 6965 15769

... ... ... ... ... ... ...

1971 465 1370 0,81 1,07 12295 28313

1972 518 1213 0,90 0,95 12813 29526

1973 610 1226 1,06 0,96 13423 30752

1974 526 1182 0,92 0,92 13949 31934

1975 548 1128 0,95 0,88 14497 33062

1976 1082 1838 1,89 1,43 15579 34900

1977 566 1110 0,99 0,87 16145 36010

1978 559 1305 0,97 1,02 16704 37315

1979 504 1119 0,88 0,87 17208 38434

Média 574 1281

Ano

Dados da Bacia do Guarapiranga ( área = 630 km2)

Vazão/

Vazão Med.

Precipitação/

Prec. Med.

Precipitação

(mm)

Vazão

(mm)

Precipitação

Acumulada

Vazão

Acumulada

BACIA DO GUARAPIRANGA

COMPORTAMENTO VAZÃO X CHUVA

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949

Pre

cip

ita

çã

o T

ota

l o

u V

azã

o m

éd

ia (

mm

)

Ano

Precipitação (mm) Vazão (mm)

COMPORTAMENTO VAZÃO X CHUVA (Adimensional)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

193519361937193819391940194119421943194419451946194719481949

Pre

cip

itação

e V

azão

Ad

imen

sio

nal

Anos

P/Pm Q/Qm

CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA

y = 0,3376x + 155,6R² = 0,49

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 500 1000 1500 2000

Vazão

(m

m)

Precipitação (mm)

CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA

CORRELAÇÃO VAZÃO X CHUVA

y = 0,4669x - 177,65R² = 0,9996

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 5000 10000 15000 20000

Va

zã

o A

cu

mu

lad

a (

mm

)

Precipitação Acumulada (mm)

EU QUE SEI PREVER A TRAJETÓRIA DOS ASTROS,

NADA SEI DIZER SOBRE O MOVIMENTO DE UMA

PEQUENA GOTA DE ÁGUA

GALILEO GALILEI

BIBLIOGRAFIA

Lição de casa:

Ler apostila “Introdução à Hidrologia, Ciclo

Hidrológico e Balanço Hídrico” presente na

apostila completa disponibilizada no SIGAA

Boa tarde!

AULA DE EXERCÍCIOS

Exercício 3

A região da bacia hidrográfica do rio Uruguai recebe

precipitações médias anuais de 1800 mm. Estudos

anteriores mostram que o coeficiente de escoamento de

longo prazo é de 0,42 nesta região. Qual é a vazão média

esperada (m³/s) em um pequeno afluente do rio Uruguai

numa seção em que a área da bacia é de 235 km2?

Exercício 4Calcule os valores de armazenamento DS (mm) para a bacia abaixo: P = Q +

Evapo ± ∆S

Bacia Rio Pará

Mês: Março

Ano: 1946

Área: 9688,0 km2

Dia Vazão (m3/s) Precipitação (mm)

10 288,40 14,3

11 270,09 15,5

12 261,01 5,3

13 263,02 2,4

14 253,97 5,4

15 257,99 30

16 285,32 8,3

17 273,13 7,3

18 314,00 18,4

Obs: Considere que estes registros são de uma série de dados longa para o

determinar a evapotranspiração e armazenamento.

Exercício Avançado para CasaSão fornecidos os dados de vazões e precipitações

anuais da bacia do Guarapiranga (Área = 630 km2).Data Precipitação (mm) Vazão (m3/s)

1952 1177 11,2

1953 1292 9,1

1954 1096 8,7

1955 1179 6,7

1956 1306 12,6

1957 1752 14,9

1958 1462 16,2

1959 1228 11,5

1960 1427 12,4

1961 1261 11,2

1962 1357 11,9

1963 835 7,8

1964 1128 7,5

1965 1400 12,5

1966 1390 13,6

1. Transforme os dados de vazões média anuais de m3/s para mm. (Divida o

valor da vazão pela área da bacia e multiplique pelo número de segundos de

um ano).

2. Calcule os valores médios das vazões e precipitações do período em

estudo.

3. Divida cada valor de vazão pela média do período. Divida cada valor de

precipitação pela média do período. Faça um gráfico dessas frações de vazão

e precipitação em função do tempo.

4. Calcule a evapotranspiração média anual da bacia.

5. Faça um gráfico mostrando a relação entre vazões e precipitações anuais.

Gráfico Q x P anuais:

Regressão linear (equação): Q = a . P + b; (lembrando que Y = a . X + b).

Correlação (R2):

Exercício Avançado para Casa

6. Calcule os valores dos armazenamentos anuais, admitindo que as

evaporações anuais sejam constantes e iguais à média obtida no item 4.

7. Faça um gráfico com a relação entre as vazões e as precipitações anuais

acumuladas {(Q1,P1), (Q1+Q2,P1+P2), (Q1+Q2+Q3,P1+P2+P3) , ... }. Determine

a equação da reta média.

Gráfico SomaQ x SomaP anuais:

Regressão linear (equação): SomaQ = a . SomaP + b

Correlação (R2):

8. Acumule os valores de precipitações anuais dos 5 anos seguintes ao final

da série analisada à somatória do item 7. Calcule as vazões acumuladas a

partir da equação de regressão calculada no item 7. Desacumule os valores

para obter as vazões anuais desses 5 anos. Compare com os valores

observados nos 5 anos seguintes contidos na Tabela a seguir.

Exercício Avançado para Casa

Valores de vazão e precipitação observados nos 5 anos seguintes:

Data Precipitação (mm) Vazão (m3/s)

1967 1278 13,1

1968 1028 9,0

1969 1210 8,5

1970 1548 13,3

1971 1370 9,3

Exercício Avançado para Casa