Transcript Hidrologia - ifscmichel

Hidrologia
Climatologia
Curso Técnico de Meteorologia
IFSC – Florianópolis
Prof. Udo e Michel
Tópicos do tema
1. Introdução ao ciclo hidrológico
1. Distribuição da água no planeta
1. Água na atmosfera
1. Água da superfície e subterrânea
1. Neve e Degelo
1. Introdução ao ciclo hidrológico
• Veremos:
▫ Como definir as principais características da
hidrologia e do ciclo hidrológico
▫ O nome dos componentes do ciclo hidrológico
▫ O conceito básico da abordagem de cálculo usado
em Hidrologia
O que é hidrologia?
Hidrologia é estudo científico das águas: seus
processos, interações com o ambiente,
transporte e ciclo. A hidrologia examina as
propriedades da água e a sua ocorrência,
distribuição e movimento no planeta.
O que é o ciclo hidrológico?
O ciclo hidrológico ou ciclo da água são os
movimentos verticais e horizontais da água
em forma de vapor, líquida ou sólida na
superfície, subsuperfície, atmosfera e oceanos da
Terra.
O ciclo hidrológico
http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/media/flash/hydro_cycle.swf
Processos de transporte no ciclo hidrológico
• Evaporação (superfície para a atmosfera)
• Precipitação (atmosfera para a superfície)
• Evapotranspiração (subsuperfície para a atmosfera)
• Escoamento superficial (superfície p/ os rios e oceanos)
• Infiltração (superfície p/ subsuperfície)
• Escoamento subsuperficial (subsuperficie p/ rios e oceanos)
• Percolação (subsuperfície para os aquíferos)
• Derretimento (montanhas para os rios e oceano)
Balanço hídrico
Assim como vimos no caso do fluxo de radiação em superfície,
em hidrologia é usado o conceito de balanço hídrico.
Fent + Fsai = ΔS
entrada + saída = armazenamento
O volume de água em qualquer ponto em um sistema
hidrológico – podendo ser global ou local (por exemplo,
em uma bacia hidrográfica) - pode ser visto simplesmente
como a somatória entre o que entra e o que sai do volume de
água, sendo qualquer excesso contabilizado como
armazenamento de água nesse sistema.
Unidade: altura/tempo (exemplo: mm/mês ou ano).
Ciclo hidrológico global
Balanço hídrico global anual
- Brasil
Fent + Fsai = ΔS
Fent = 1496 mm/ano
Fsai = -997 mm/ano
ΔS = 499 mm/ano
Evaporação do tanque classe A
Evaporação real, potencial

,ret
,p(t) 0; então
evap
tca
tca
(t
1) 0
(t
1) 0
(t) 
(t
1) 
(t)
(a) seenc


,ret
,p(t) 0; então
evap
tca
tca
(t
1) 0
(t
1) 0
(t) 
(t
1) 
(t) p
(t)
(b) seenc


(c) seenc
,p(t) 0; então
evap
tca
(t
1) 0
(t) enc
(t
1) 
(t)


Eq
.1

(d) seenc 0,p 0; então
evap
tca
(t
1)
(t)
(t) enc
(t
1) 
(t) p
(t)


(e) seret 0,p 0; então
evap
tca
(t
1)
(t)
(t) ret
(t
1) 
(t)


(f) seret 0,p 0; então
evap
tca
(t
1)
(t)
(t) ret
(t
1) 
(t) p
(t)


2. Distribuição da água no planeta
• Veremos
▫ As pricipais formas como a água é armazenada e
distribuída no ciclo hidrológico
▫ As principais características da água nos oceanos
▫ As principais características da água armazenada em
forma de neve e gelo
▫ As principais características da água na superfície
▫ Descrever um lençol d’água e seus pricipais
componentes
Água armazenada no oceano
• Os oceanos armazenam mais de 97% da água da Terra,
sendo tudo isso água salgada, restando apenas 3% de
água doce!
• A água doce é,
portanto, a água
dos rios e da
maioria dos
lagos.
Armazenagem de neve e gelo
• As calotas polares e geleiras são responsáveis por pouco mais
de 2% da água da Terra.
• A neve das
montanhas é uma
fonte importante de
água,
principalmente nas
regiões áridas e
semi-áridas e em
algumas áreas a neve
é uma parte
importante da
precipitação anual.
Água da superfície
• A armazenagem e a distribuição da água da superfície
ocorre nos lagos, lagoas, rios e continentes e é
responsável por menos de 0,01% da água da Terra.
• O Lago Baikal, na Russia, contém, aproximadamente
20% da água doce disponível da superfície da Terra,
sendo equivalente a 5x os grandes lagos na fronteira
entre os EUA e o Canadá em volume de água.
• O Rio Amazonas possui cerca de 15% da água doce
disponível do planeta.
Lençol d’água ou lençol freático
• O lençol freático ocorre no aquífero, uma região
subterrânea composta de rochas não consolidadas e
partículas do solo. Esta região é capaz de transmitir e
armazenar água para extração.
• Menos de 1% de toda a água disponível da Terra é
armazenada como lençol d’água ou como umidade do
solo.
• Os lençóis freático que dão origem às nascentes
• Quando uma quantidade suficiente de água á retirada da
armazenagem, o nível do lençol freático é reduzido e
durante um período de estiagem ou seca a água de uma
corrente diminui e as fontes desaparecem.
Distribuição espacial da água no planeta
Local
% do total da
Água da Terra?
Superfície
0.01%
Oceanos
97%
Água subterrânea
< 1%
Gelo e neve
2%
Bacia hidrográfica
A bacia hidrográfica corresponde à área drenada por um rio principal, seus
afluentes e sub-afluentes, os quais formam uma rede hidrográfica.
Os limites entre as bacias encontram-se nas partes mais altas do relevo e são
denominados de divisores de água.
As águas são depositadas no leito do rio, que em época de cheia pode
transbordar para as margens baixas planas que o acompanham, chamadas
de várzeas do rio.
Elementos da bacia hidrográfica
Divisor de águas: ponto mais alta da bacia hidrográfica. Define o limite da
bacia hidrográfica.
Rio principal: rio coletor que faz a drenagem de todos os afluentes (rios
secundários), e também do escoamento de sub-superfície.
Afluentes: coletor do
escoamento superficial e
de rios subafluentes.
despeja água no rio
principal.
Sub-afluentes: coleta o
escoamento superficial e
despeja água em um rio
Afluente.
Bacia hidrográfica
O divisor de águas,
sendo a parte mais alta
da bacia e portanto o seu
limite, define se a água
recebida por toda a
precipitação na bacia
permanecerá nela e será
escoada, ou se será
drenada por uma bacia
hidrográfica de fronteira.
Bacia hidrográfica – curvas de nível
Mapa topográfico de curvas de nível:
Mostra linhas de mesmo valor de
altitude.
Região com linhas próximas: região
com baixa declividade (terreno pouco
inclinado).
Região com linhas próximas: região de
alta declividade (terreno bastante
inclinado).
Regiões de cavado ou vale: regiões
onde se encontram os vales na bacia
hidrográfica e onde normalmente
estão os rios.
Regiões hidrográficas do Brasil
Região
hidrográfica é o
conjunto de bacias
hidrográficas de
uma região, as
quais estão ligadas
a uma bacia
principal.
Bacia amazônica
Rio principal: Rio Amazonas
3. Água na atmosfera
A água na atmosfera é originada pela distribuição de transporte do vapor da água pela
transpiração, evaporação e sublimação.
Em muitas regiões da Terra a precipitação é a única forma de transporte da água doce
para a área.
Nesta parte veremos:
 Os principais processos da água na atmosfera
 A importância da condensação e da precipitação
 Os principais métodos e ferramentas usados na sua medição
 Definir a evaporação e os principais métodos e ferramentas de medição
 A transpiração, descrevendo o papel que ela tem no processo de chuva e escoamento
 As várias taxas de diferentes tipos de vegetação da superfície
Condensação e precipitação
• A condensação é a mudança de fase da água do estado gasoso para o
estado líquido.
• Este processo libera energia, tendo o nome de calor latente, e é
necessário para a
criação da precipitação.
• Na maior parte da
Terra, a precipitação é o
fator mais importante
para o controle do ciclo
hidrológico local.
Precipitação: tipos, distribuição e técnicas
de observação
• O tipo de precipitação (chuva,neve,granizo), a estação em que ocorrem
e a área de distribuição são fatores que os hidrologistas levam em
consideração ao estudar o ciclo da água de uma região.
• A forma mais simples e precisa de se
medir a precipitação é usando pluviômetros.
Porém, uma rede de pluviômetros não é
a melhor maneira de observar a distribuição
espacial das chuvas pelo fato de fazer
observações pontuais de precipitação e
devido ao caráter da distribuição da
precipitação.
• Comparações entre os dados de rede de
pluviômetros e dados de radares meteorológicos
é uma alternativa mais eficiente na observação
da distribuição espacial da precipitação e para
Estimar o fluxo de entrada de água de uma região.
Observações mistas de precipitação
Rede de pluviômetros, estimativas por radares e satélites meteorológicos podem ser utilizados
em conjunto para levantar a precipitação em uma área.
Os pluviômetros são instrumentos de
observação direta e, portanto, fornecem
medidas mas realistas da precipitação em
superfície. Porém, a rede de pluviômetros
geralmente não tem uma densidade de
pluviômetros adequada e, portanto, tem
baixa representatividade espacial.
Dados de radar e satélites, apesar de
estimarem a precipitação usando métodos
indiretos, possuem uma boa representatividade espacial.
Com isso, a rede de pluviômetros é
frequentemente usada para verificar a
incerteza dos dados de radar e satélites.
O hidroestimador do CPTEC
Combinação de dados de
Satélite do GOES, radar
e das Estações
Automáticas de Santa
Catarina.
Links:
http://ciram.epagri.sc.gov
.br/portal/website/index.j
sp?url=jsp/monitorament
o/monitoraChuva.jsp&tip
o=monitoramento
http://sigma.cptec.inpe.br/prec_sat/
Evaporação
Passagem da água do estado líquido para o gasoso, sendo o oposto da
precipitação.
A evaporação pode ser medida por diferentes métodos. Um dos mais
comuns é através do tanque de evaporação (Tanque Classe A), o
qual mede a variação diária do nível da água devido à evaporação
que ocorre na superfície livre da água, a qual fica exposta ao tempo
neste instrumento
(vento, radiação, temperatura,
umidade do ar).
Evapotranspiração
A umidade do solo retirada pela raiz da planta eventualmente evapora ao ser
liberada pelas folhas. O efeito conjunto da evaporação e da transpiração é dado
o nome de evapotranspiração e geralmente constitui a maior perda de
componente da água no solo.
O tipo, a densidade e a
cobertura das plantas
influenciam diretamente
na quantidade da água no
solo que á removida através
da transpiração.
4. Água da superfície
A água superficial faz parte do ciclo onde a água flui na superfície da
Terra.
Sempre que a água muda de local na superfície ela pode ser
classificada como água superficial.
A água superficial é encontrada em rios, córregos, lagos e reservatórios
ou qualquer outro tipo de água localizada na superfície.
Nesta seção veremos:
• Os principais processos da água superficial: infiltração, umidade do
solo, escoamento;
• Os fatores que influenciam a infiltração;
• Os elementos da composição do solo;
• As possíveis condições do solo e como elas afetam a infiltração;
• Os elementos do escoamento.
Infiltração
A infiltração é o escoamento da água superficial
pelo perfil do solo.
A infiltração é o meio com o qual a reserva da
água subterrânea é reabastecida, tornando-se
disponível para a vegetação.
A percolação é o movimento da água dentro do
solo, enquanto a infiltração é a passagem da
água superficial para dentro do solo.
Composição do solo
O solo é composto por
partículas minerais, matéria
orgânica e espaço poroso, que
é o espaço vazio entre as
partículas do solo.
Os espaços porosos podem
ser preenchidos por ar ou
água, o que depende da
disponibilidade de água. O
grau de preenchimento dos
poros com água é o que
determina as condições de
umidade do solo.
A figura ao lado mostra do
que é composto o solo, de
uma forma generalizada.
Taxa de infiltração
Assim como para a precipitação e a evaporação, existe a taxa de
infiltração, sendo esta taxa a quantidade de água que penetra no solo
por um período de
tempo.
A taxa de infiltração está
diretamente ligada à textura e
cobertura, umidade,
temperatura do solo,
intensidade e tipo de
precipitação.
Quando a taxa de precipitação
é maior que a taxa de
infiltração, ocorre o
escoamento superficial.
http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/media/flash/soil_textures.swf
Umidade do solo
Da mesma forma que para a
umidade relativa na atmosfera,
quando os poros do solo estão
completamente preenchidos
com água, diz-se que o solo
está saturado.
Também neste
caso, a água não irá infiltrar no
solo e dará inicio à formação de
escoamento superficial.
Portanto, existem dois casos em que pode ser formado o escoamento
superficial: 1-quando a taxa de precipitação é maior que a taxa de
infiltração no solo; 2 – quando o solo se encontra saturado.
Escoamento superficial
O escoamento superficial é a parte da chuva que não é
absorvida pelo solo.
Em uma área pavimentada, o escoamento previsto
normalmente é igual à quantidade de chuva menos a
evaporação e qualquer pequena quantidade armazenada
na superfície.
Á medida que o solo se torna saturado, menor é a
infiltração.
Componentes do escoamento
Pode ocorrer também de haver pouca infiltração no solo devido a uma chuva que
ocorreu anteriormente e modificou a umidade no solo. Logo, o solo estará menos
suscetível à infiltração de uma precipitação que poderá ocorrer em breve.
Parte do escoamento é feito
superficialmente.
Porém, parte da água infiltrada é escoada por baixo da
superfície, o chamado
escoamento subsuperficial,
outra parte é percolada e
flui para os aquíferos.
Enquanto o escoamento
superficial pode ser facilente quantificado
medindo-se constantemente o nível e a vazão do rio
principal de uma bacia hidrográfica, o escoamento subsuperficial é mais
complicado de ser quantificado.
5.Neve e degelo
A neve e o gelo são partes vitais do ciclo hidrológico em regiões de
maiores altitudes e locais montanhosos. A água armazenada em
estado congelado é liberada durante a primavera e é disponibilizada
para consumo durante o resto do ano.
Nesta seção veremos:
• O papel da neve e do gelo no ciclo hidrológico;
• As principais etapas do processo de degelo.
Características da neve
A neve é uma mistura de cristais de gelo, ar,
impurezas e, quando derretida, água líqüida.
O degelo proporciona um grande volume de água
para os rios.
O volume e taxa de degelo da neve dependem das
várias características da neve, da topografia
local, e das condições meteorológicas.
Fatores que afetam a taxa de degelo
Os fatores que afetam a taxa de degelo são:
Fatores relacionados com a própria neve
• temperatura da neve
• albedo
• densidade da neve
• volume da neve
Fatores meteorológicos
• vento
• umidade relativa
• temperatura do ar
• radiação
• insolação.
Envelhecimento da neve
A neve acumulada passa por mudanças desde a primeira nevasca até o
degelo.
As partículas da neve mudam de um floco de neve cristalino que cai
durante uma tempestade, até o gelo de forma mais granulosa devido
aos fatores meteorológicos e a água.
O processo de degelo
1. Inicialmente, a neve dentro de uma camada se assenta, aumentando a
densidade da camada de neve.
2. Com o degelo e o derretimento na superfície da neve acumulada, pode
haver a formação de lentes de gelo.
3. Durante a primavera e o verão, a temperatura do ar aumenta e a neve
acumulada se aquece.
4. A temperatura máxima da neve acumulada não pode exceder o ponto de
derretimento do gelo.
5. Quando a neve se aproxima desta
temperatura, ela fica "pronta", ou
isotérmica (com mesma temperatura).
6. Quando isto acontece, qualquer
energia extra acrescentada à neve causa
o degelo, que nada mais é que o derretimento
da neve.
7. A água líqüida normalmente é liberada a
partir da parte inferior da neve acumulada.
8. Com a liberação da água da neve, os fatores
de escoamento passam a ser importantes.
http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/media/flash/snowmelt_sequence.swf
Referências
• Caderno 5 de Climatologia - Material do Curso Técnico
de Meteorologia.
• Curso básico de ciência hidrológica – Estudo do ciclo
hidrológico – Programa COMET, MetEd.
Link:
http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCy
cle_bp/print_version/print_index.htm