MÓDULO 1: CICLO HIDROLÓGICO E BACIAS HIDROGRÁFICASSilvio Simões (FEG/UNESP)

ESTUDO EM BACIAS HIDROGRÁFICAS REPRESENTATIVAS: VISÃO INTEGRADA DAS ÁGUAS

Projeto FAPESP – Programa Políticas Públicas

Tópicos do curso

• Evolução do conceito de ciclo hidrológico• Ciclo hidrológico global• Ciclo hidrológico em bacias• Instrumentação para medição dos elementos

do ciclo hidrológico

Observação do Vapor de Água na Troposfera Superior a partir de Satélite

Precipitação e evaporação Modelo climático do “Planeta água”

(sem estações e sem continentes)

História do ciclo hidrológico

• 3000 AC – “Nilômetros” foram usados para registrar a flutuação do rio Nilo.

• 400-300 A.C. - Aristóteles & Platão descreveram parte do ciclo hidrológico mas acreditavam que os rios eram proveniente de cavernas profundas, escuras e frias onde o ar era transformado em água.

• 400 AC – Um livro escrito pelo indiano Kautilya menciona a primeira medida quantitativa da chuva.

• 100 DC – Vitruvius percebeu que o aumento das vazões dos rios poderia estar relacionado a água proveniente das montanhas.

• Século XVI – Leonardo da Vinci estabeleceu um conceito equivocado de ciclo hidrológico mas estabeleceu com muita precisão a velocidade da água em canais abertos.

• 1563 – O francês Bernard Palissy publicou a correta versão do ciclo hidrológico.

Reconstituição do Nilômetro

Visão de Leonardo da Vinci sobre o ciclo hidrológico

Da Vinci calculando a velocidade da água em um curso d´água

História do ciclo hidrológico

• 1670 – O francês Pierre Perrault mediu corretamente os maiores elementos do ciclo hidrológico: precipitação, evapotranspiração, escoamento, e descarga da bacia ro rio Sena; estudos similares foram realizados por Marriote e Halley.

• século XVIII – Bernoilli, Chezy e outros deram grande avanço na hidráulica e no mecanismo de de compreensão do movimento da água.

• Século XIX – Darcy e Manning se destacaram pelos trabalhos experimentais a respeito do fluxo da água.

• 1910 – Inicio das pesquisa em hidrologia de floresta.• A partir dos anos 30 do século XX a hidrologia passa a ter uma abordagem

quantitativa, substituindo o empirismo, através do conceito de hidrógrafa (Sherman, 1932) e compreensão dos processos de infiltração (Horton, 1940).

A concepção do ciclo hidrológico em 1955

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Ciclo Hidrológico Global

Domenico and Schwartz, 1990.

PRECIPITAÇÃO

Frentes Frias

Efeito orográfico

Convecção

Recurso Água na Terra

• 97,2% Oceanos• 2,14% Geleiras• 0,61% Águas Subterrâneas• 0,009% Águas Superficiais• 0,005% Umidade do Solo• 0,001% Atmosfera

O ciclo hidrológico: Balanço hídrico global

50 cm20”75cm

30” 100cm40”

150cm60”

25 cm10”

Balanço hídrico continental

-

= P = ET + R

Precipitação (P)Evapotranspiração (Et)

Escoamento (R)

Balanço hídrico anual dos continentes

Continentes P (mm) S (mm) Et (mm) Razão (S/P)

África 690 140 550 0,20

Ásia 720 290 430 0,40

Austrália 740 230 510 0,31

Europa 730 320 410 0,44

Am. do Norte 670 290 380 0,43

Am. do Sul 1650 590 1060 0,36

TEMPO DE RESIDÊNCIA (Tr)

Corresponde ao tempo que uma “parcela” de água permanece em um

determinado reservatório

iq m

S

m

STr

S = armazenagem; mq = fluxo de entrada; mi = fluxo de saída

Tempo de residência para a água no ciclo hidrológico

Parte da hidrosfera Volume de água

(x 1000 k3)

Volume de água (%)

Tempo de residência (anos)

Oceanos 1370000 94,2 Cerca de 3000 anos

Água subterrânea 60000 4,1 2 semanas a 10000 anos

Calotas polares 24000 1,7 10 a 10000 anos

Lagos – água doce 125 0,008 Cerca de 10 anos

Lagos – água salgada

155 0,01 Cerca de 10 anos

Umidade do solo 80 0,005 2 semanas a 1 ano

Atmosfera 14 0,001 Cerca de 10 dias

Rios 2 0,0007 Cerca de 2 semanas

Quais são os recursos hídricos superficiais?

• Volume dos rios: 2.000 km3 (0,0007%)• Fluxo annual: 45.000 km3

(consumo humano de 3800 km3, daí a necessidade de se construir

reservatórios que equivalem a 7600 km3)

www.noaa.gov/str-plan/images/river.gif

Volume de água nos lagos: 250.000 km3Bem superior aos rios; entretanto, quase toda a água é

concentrada em 40 lagos principalmente na América do Norte

http://coastwatch.glerl.noaa.gov/

Se a quantidade de água utilizada pelos seres humanos é menos que 10% dos recursos hídricos disponíveis nos rios

por que então ocorre o problema da água?O que isto tem haver com o clima e com o ciclo

hidrológico ?

?

Alta variabilidade dos recursos hídricos no espaço

e no tempo… vazões entre o período chuvoso e seco pode variar muito.

Exemplos: Rio Piracicaba: variação entre 556,7 e 25,94 m3/s (22 vezes) – 1943-1992;

Rio Camanducaia: variação entre 72,37 e 2,21 m3/s (33 vezes) – 1943-1991.

Quanto menor a bacia maior tende a ser a diferença...

pode variar muito mesmo...

Região Amazônica

• O fluxo de água durante as inundações e as estações chuvosas não podem ser utilizadas na estação seca;

Distribuição espacial muito irregular: descarga nos rios dos desertos em torno de zero e no rio Amazonas é maior que

200.000 m3/s

Muitas regiões tem “índice de escassez elevado” (maior que 0,4)

Rws: (W-S)/Q W – retirada de água; S – água usada por

dessalinização; Q – água disponível

Quais são estas regiões?

Ciclo hidrológico global e vegetação

Floresta Tropical

-found near the equator

-temperature varies little from approximately 23°C

-the length of daylight varies from 12 hours by less than one hour

-rainforest>2000mm

Floresta Tropical

Floresta de Cerrado

-found in the tropics (but > 10° latitude)

-pronounced dry seasonwith <5 cm rainfall in some months

Floresta de Cerrado

Precipitação

TempoSON DJF MAM JJA

Região Sudeste

Conceito de bacia hidrográficaUnidade natural ou modificada de terreno no qual toda a

água em seu interior se movimenta por gravidade se dirigindo para um ponto de saída (exutório). A definição

costuma incluir estruturas feitas antropicas como estacionamentos e canais de drenagem (Black, 1996)

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Ciclo hidrológico de bacias

Charbeneau, 2000.

Ciclo Hidrológico Global

Domenico and Schwartz, 1990.

Ciclo Hidrológico de Bacia

•http://www.in.gov/idem/water/kids/waterpix/watercycleimage2.gif

O ciclo hidrológico: modelo ativo

P = Rs + Rss + G + E + T + It

Balanço hídrico em uma bacia hidrográfica

P – precipitação

Rs – Escoamento superficial

Rss – Escoamento sub-superficial

G – água subterrânea

Et – Evapotranspiração

It - Interceptação

RsRss

G

ET

P

It

Simplificação do balanço hídrico da bacia ...

etrrpdt

dVgs

0 etrp s

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Ciclo Hidrológico em Bacias – Interação água subterrânea / água de superfície

USGS Circ 1186

Ganho de água no rio

Perda de água no rio

Perda de água no rioNível freático desconectado do rio

Funções hidrológicas de uma bacia hidrográfica

• Capturar a precipitação – as características da bacia podem (ou não) influenciar na quantidade de precipitação capturada;

• Armazenar água desde que haja boas condições para infiltração;

• Liberar água para córregos, rios e oceano

Por que as bacias hidrográficas são importantes?

• Nós todos vivemos em uma bacia hidrográfica• Atividades no interior da bacia impacta o

escoamento e a qualidade da água que deixa a bacia

• Deve-se gerenciar em nível de bacia hidrográfica antes que em outros limites para se atingir os objetivos relacionados ao escoamento e a qualidade da água

Digital Elevation Model, Wastershed 14

Mais escuros = Menor elevação

Mais claro = Maior elevação

Azul mais claro = Nível freático mais próximo a superfície

Violeta = Nível freático mais profundo

Fonte: Luiz Rizzo

Características fluvio-morfológicas

• Forma da baciaEfeito sobre o

comportamento dos rios particularmente em pequenas bacias. O

tempo de concentração pode ser usado para

auxiliar neste estudo.

Forma da bacia

• Comparação com formas conhecidas: circulo, pêra, retângulo, banana, charuto

• Avaliação numérica para relacionar com parâmetros de escoamento (tempo de resposta e pico de inundação)

Coeficiente de conformação (Kc)

5,028,0A

PKc P – perímetro; A - área

Ordenamento dos canais da rede de drenagem

Densidade de drenagemIndicação do grau de desenvolvimento de um sistema de

drenagem. L – comprimento dos canais em quilômetros A – área da bacia

A

LDd

Baixa < 5,0

Media 5,0-13,7

Alta 13,7 – 155,3

Muito Alta > 155,3

•Aparentemente quanto maior Dd mais eficientemente a bacia e drenada;

•Dd esta associada com escoamento rápido; quanto maior Dd menor a infiltração e a capacidade de armazenamento da bacia;

•Limitado valor como uma variável independente:

a)Varia em função da precipitação

b)Escala do mapa

c)Forma da bacia

d)Condições geológicas

Por quê a diferença na densidade de drenagem?

Sub-bacia I II III IV V VI VII

Dd(kmkm2)

3,5 3,8 3,2 4,3 3,4 3,0 3,3