Transcript Ciclo Hidrológico Global

ESTUDO EM BACIAS HIDROGRÁFICAS
REPRESENTATIVAS: VISÃO INTEGRADA DAS ÁGUAS
Projeto FAPESP – Programa Políticas Públicas
MÓDULO 1: CICLO HIDROLÓGICO
E BACIAS HIDROGRÁFICAS
Silvio Simões (FEG/UNESP)
Tópicos do curso
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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
Ciclo Hidrológico Global
11
Domenico and Schwartz, 1990.
PRECIPITAÇÃO
Frentes Frias
Convecção
Efeito
orográfico
Recurso Água na Terra
•
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•
•
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
Balanço hídrico continental
25 cm
10”
50 cm
20”75cm
30” 100cm
40”
-
150cm
60”
Precipitação (P)
=
Evapotranspiração (Et)
P = ET + R
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
Tr 
S
mq

S
mi
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 km3
Bem 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
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 de Cerrado
Floresta de Cerrado
-found in the tropics (but
> 10° latitude)
-pronounced dry season
with <5 cm rainfall in
some months
Precipitação
Região Sudeste
SON DJF MAM JJA
Tempo
Conceito de bacia hidrográfica
Unidade 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)
Ciclo hidrológico de bacias
38
Charbeneau, 2000.
Ciclo Hidrológico Global
Ciclo Hidrológico de Bacia
Domenico and Schwartz, 1990.
O ciclo hidrológico: modelo ativo
•http://www.in.gov/idem/water/kids/waterpix/watercycleimage2.gif
Balanço hídrico em uma bacia hidrográfica
P = Rs + Rss + G + E + T + It
P – precipitação
Rs – Escoamento superficial
Rss – Escoamento sub-superficial
G – água subterrânea
Et – Evapotranspiração
It - Interceptação
P
T
It
E
Rss
G
Rs
Simplificação do balanço hídrico da
bacia ...
dV
 p  r s  r g  et
dt
p  r s  et  0
Ciclo Hidrológico em Bacias –
Interação água subterrânea / água de superfície
45
Ganho de água no rio
Perda de água no rio
Perda de água no rio
Nível freático desconectado do rio
USGS Circ 1186
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 bacia
Efeito 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)
Kc  0 , 28
P
A
0 ,5
P – perímetro; A - área
Ordenamento dos canais da rede de
drenagem
Densidade de drenagem
Indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem.
Dd 
L
A
L – comprimento dos canais em quilômetros
A – área da bacia
•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
Baixa
< 5,0
Media
5,0-13,7
Alta
13,7 – 155,3
Muito Alta
> 155,3
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