Hidrologia

APRESENTAÇÃO

Caro(a) cursista, devido à complexidade dos fenômenos e processos envolvidos, a Hidrologia utiliza uma base ampla de conhecimento envolvendo várias áreas, das quais destacamos Hidráulica, Meteorologia, Física e Estatística. A disciplina que iniciaremos agora, princípios de Hidrologia, é constituída por uma parte relevante desse conjunto de conceitos e objetiva identificar e caracterizar os principais fenômenos oriundos da interação da água com o meio ambiente que influenciam a disponibilidade dos recursos hídricos em uma dada região. Ao gestor municipal, cabe o conhecimento dos parâmetros e características hidrológicas de sua região, de forma a poder avaliar e gerir adequadamente projetos que visem atender às demandas hídricas locais. Objetiva-se, portanto, nessa aula, apresentar as noções básicas de hidrologia que nos permitam caracterizar o comportamento hídrico na região de interesse e analisar projetos tanto para elaboração de obras hídricas que visem atenuar o efeito do déficit hídrico, quanto evitar ou conter transtornos advindos de enchentes. Esta disciplina é composta de duas aulas. Na primeira aula, discutiremos a importância dos Sistemas Hidrológicos, Ciclo hidrológico e Bacias hidrográficas; já na segunda aula, abordaremos com mais profundidade o fenômeno da precipitação, controle de enchentes e caracterização da qualidade da água. Fique atento às sugestões de leituras e atividades complementares para que possa se aprofundar nos assuntos e fixar melhor o conteúdo aqui abordado.

Objetivos:

PRINCÍPIOS DE HIDROLOGIA AMBIENTAL

Objetivos
• Identificar a importância do estudo de sistemas hidrológicos;
• Conhecer os principais componentes do ciclo hidrológico;
• Compreender os principais elementos de uma bacia hidrográfica;
• Conhecer e calcular os principais parâmetros que caracterizam uma bacia
hidrográfica

De acordo com Santos et al. (2001), se pensarmos em vida, temos que pensar em água, sendo essa uma condição para a vida. A pluralidade de sua ocorrência e a complexidade do ciclo hidrológico caracteriza a hidrologia como uma ciência multidisciplinar, fascinante, desafiadora e intimamente ligada à observação sistemática da natureza. A palavra hidrologia tem sua origem do grego “hydro” e “logos”, ou seja, ciência que estuda a água. Diversos autores definem hidrologia. Dentre essas definições, destacamos as seguintes: Ciência que discute a água na superfície terrestre, considerando sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e sua reação com o meio ambiente, abrangendo sua relação com as formas vivas (U.S. Federal Council for Sciences and Technology (CHOW, 1959 apud TUCCI, 2004)).

Segundo a UNESCO, a hidrologia é a ciência que estuda as águas superficiais e subterrâneas no planeta terra, a sua formação, circulação e distribuição no espaço e no tempo, suas propriedades físicas, químicas e biológicas e a sua interação com o ambiente e seres vivos. Estuda os processos os quais regem as variações dos recursos hídricos continentais e as diversas fases do ciclo hidrológico. (UNESCO) Tucci (2004) relata que o profissional que trabalhe na área de Recursos Hídricos necessita conhecer qualitativamente e quantitativamente os processos físicos, envolvidos para um melhor aproveitamento das ferramentas na avaliação e planejamento. A história da humanidade mostra que a evolução da hidrologia resulta do aumento das obras relacionadas aos recursos hídricos. Assim como, o avanço das obras decorre do avanço da hidrologia. De tal modo, verificamos que a ciência e a tecnologia associadas aos recursos hídricos vêm interagindo entre si e se desenvolvendo KOBIYAMA, MOTA E CORSEUIL, 2008). A grande dificuldade e preocupação é que as águas de superfícies e subterrâneas usadas no abastecimento humano encontram-se mal distribuídas e, atualmente, a sua carência em diversos locais chama a atenção dos governantes em todo o mundo, pois a escassez do recurso já abrange milhões de pessoas, fato que desacelera e limita o desenvolvimento social e econômico dos países.

A grande demanda por água tem sua origem no aumento crescente da população mundial, o que gera um excessivo consumo dos recursos hídricos sem deixar que as devidas reposições naturais tenham tempo para acontecer. Outro fato relacionado e extremamente relevante é o alto índice de contaminação dos corpos hídricos, os quais recebem altas cargas de esgotos urbanos, efluentes industriais, resíduos sólidos e agrotóxicos que somados às baixas vazões, reduzem a capacidade de recuperação e impedem o estabelecimento do equilíbrio natural, sendo esse decorrente da ação antrópica (KOBIYAMA, MOTA E CORSEUIL, 2008). Assim, podemos dizer que a falta de conhecimento do sistema hidrológico pode acarretar problemas como os que ocorrem com frequência nas áreas urbanas, dentre os quais destacamos: construção em áreas consideradas de risco; projetos com reservatórios superdimensionados ou subdimensionados; sérios problemas em sistemas de drenagem urbana e agrícola; projetos de irrigação sem disponibilidade hídrica suficiente; poços indevidamente perfurados; aumento ou surgimento de áreas com solos salinizados nas regiões áridas e semiáridas; bem como a gestão ineficiente dos recursos hídricos; entre outros. (STUDART; CAMPOS, 2008) Vimos nesse tópico um breve relato da importância dos sistemas hídricos, aspectos que refletem o valor do sistema hídrico na tomada de decisão. No próximo tópico, conheceremos os conceitos de ciclo hidrológico e a bacia hidrográfica.

		Leia o artigo A importância da 
		hidrologia na prevenção e mitigação 
		de desastres naturais (Leandro Redin 
		Vestena, 2008) em: http://revistas.unicentro.br/index.php/ambiencia/article/viewFile/295/1893
		Conheça A Rede Hidrometeorológica 
		Nacional, assistindo ao vídeo da 
		Agência Nacional de Águas (ANA) 
		em: https://www.youtube.com/watch?v=Fy01u64q-t8list=PLdDOTUuInCuz6SWIiQttv0Wf9JnpcWlNS
		

Ciclo hidrológico

Aágua está praticamente em tudo que imaginamos e se encontra em vários estados. No âmbito global, podemos dizer que a quantidade de água é a mesma, não havendo perdas, apenas se transforma em suas diversas fases (líquida, gasosa, sólida), circulando no globo. Já em termos qualitativos, as perdas são constantes, em função dos diversos usos que fazem com que muitas vezes retorne com a qualidade inferior. Quando analisamos o ciclo da água, considerando o aspecto regional, observamos que o quantitativo pode variar, pois as entradas, bem como as saídas da água, em uma determina região, são variáveis em função de diversos aspectos, os quais compõem o ciclo hidrológico, e sofrem alteração tanto na escala espacial, quanto temporal. Assim, podemos dizer que o ciclo da água é um sistema que nos mostra o comportamento da água em suas diversas fases no globo terrestre. Nosso interesse encontra-se, principalmente, nas fases do ciclo que se processam sobre a superfície terrestre, ou seja:

• Precipitação

• Evapotranspiração

• Escoamento (superficial e subterrâneo)

• Infiltração.

		É importante lembrar que os processos que envolvem o ciclo hidrológico têm 
		como principais agentes desencadeadores a energia solar, a gravidade e a 
		rotação terrestre – agindo muitas vezes conjuntamente.
		Na figura 1, podemos observar as principais fases do ciclo hidrológico, que 
		consiste em um fenômeno global de circulação fechada da água entre a 
		superfície terrestre e a atmosfera.

A precipitação, em Hidrologia, é o termo geral dado a todas as formas de água depositada na superfície terrestre, tais como chuvisco, chuva, neve, granizo, orvalho e geada (STUDART; CAMPOS, 2008). A seguir, vamos conceituar cada uma dessas formas de acordo com Tucci (2004).

• Chuvisco (neblina ou garoa): precipitação muito fina e de baixa intensidade.

• Chuva: gotas de água que descem das nuvens para a superfície.

			 É medida em milímetros.
			 
		•	 Neve: precipitação em forma de cristais de gelo que, durante a queda, coalescem formando flocos de dimensões variáveis.
		
		•	 Saraiva: precipitação em forma de pequenas pedras de gelo arredondadas, com diâmetro de cerca de 5 mm.
		
		•	 Granizo: quando as pedras, redondas ou de formato irregular, atingem diâmetro superior a 5 mm.
		
		•	 Orvalho: objetos expostos ao ar à noite amanhecem cobertos por gotículas d’água. 
			 Isso se dá devido ao resfriamento noturno, que baixa a temperatura até o ponto de orvalho.
			 
		•	 Geada: é uma camada, geralmente fina, de cristais de gelo, formada no solo ou na superfície vegetal.
			 Processo semelhante ao do orvalho, só que em temperaturas inferiores a 0° C. 
			 As chuvas podem ser classificadas conforme o movimento e interação entre massas de ar.
			 Há basicamente três tipos de precipitação. Precipitações frontais, orográficas e convectivas. 
			 Studart e Campos (2004) definem estas formas do seguinte modo:
			 Frontais
			 
		•	 As chuvas frontais ocorrem quando se encontram duas grandes massas de ar, de diferentes 
			 temperatura e umidade. Na frente de contato entre as duas massas, o ar mais quente (mais leve 
			 e, normalmente, mais úmido) é empurrado para cima, onde atinge temperaturas mais baixas,
			 resultando na condensação do vapor.
			 As massas de ar que formam as chuvas frontais têm centenas de quilômetros de extensão 
			 e movimentam-se de forma relativamente lenta. 
			 Consequentemente, as chuvas frontais caracterizam-se pela longa duração e por atingirem grandes extensões. 
			 No Brasil, as chuvas frontais são muito frequentes na região Sul, atingindo também as regiões Sudeste, 
			 Centro Oeste e, por vezes, o Nordeste. 
			 Chuvas frontais têm uma intensidade relativamente baixa e uma duração relativamente longa.
			 Em alguns casos, as frentes podem ficar estacionárias, e a chuva pode atingir o mesmo local por vários dias seguidos.

Orográficas

As chuvas orográficas ocorrem em regiões em que um grande obstáculo do relevo, como uma cordilheira ou serra muito alta, impede a passagem de ventos quentes e úmidos, que sopram do mar, obrigando o ar a subir. Em maiores altitudes, a umidade do ar se condensa, formando nuvens junto aos picos da serra, onde chove com muita frequência. Convectivas: As chuvas convectivas ocorrem pelo aquecimento de massas de ar, relativamente pequenas, que estão em contato direto com a superfície quente dos continentes e oceanos. O aquecimento do ar pode resultar na sua subida para níveis mais altos da atmosfera onde as baixas temperaturas condensam o vapor, formando nuvens. Esse processo pode ou não resultar em chuva, e as chuvas convectivas são caracterizadas pela alta intensidade e pela curta duração. Normalmente, porém, as chuvas convectivas ocorrem de forma concentrada sobre áreas relativamente pequenas. No Brasil, há uma predominância de chuvas convectivas, especialmente nas regiões tropicais.

Evapotranspiração Collischonn (2008) define a evapotranspiração como um conjunto de dois processos: evaporação e transpiração. Evaporação é o processo de transferência de água líquida para vapor do ar diretamente de superfícies líquidas, como lagos, rios, reservatórios, poças, e gotas de orvalho. A água que umedece o solo, que está em estado líquido, também pode ser transferida para a atmosfera diretamente por evaporação. Mais comum nesse caso, entretanto, é a transferência de água através do processo de transpiração. A transpiração envolve a retirada da água do solo pelas raízes das plantas, o transporte da água através da planta até as folhas e a passagem da água para a atmosfera através dos estômatos da folha. O processo de evaporação exige um fornecimento de energia, que, na natureza, é provido pela radiação solar. O ar atmosférico é uma mistura de gases entre os quais está o vapor de água. A quantidade de vapor de água que o ar pode conter é limitada e é denominada concentração de saturação (ou pressão de saturação). A concentração de saturação de vapor de água no ar varia de acordo com a temperatura do ar. Quando o ar acima de um corpo d’água está saturado de vapor, o fluxo de evaporação se encerra, mesmo que a radiação solar esteja fornecendo a energia do calor latente de evaporação. Assim, para ocorrer a evaporação, são necessárias duas condições: que a água líquida esteja recebendo energia para prover o calor latente de evaporação – essa energia (calor) pode ser recebida por radiação ou por convecção (transferência de calor do ar para a água); que o ar acima da superfície líquida não esteja saturado de vapor de água. Além disso, quanto maior a energia recebida pela água líquida, tanto maior é a taxa de evaporação. Da mesma forma, quanto mais baixa a concentração de vapor no ar acima da superfície, maior a taxa de evaporação. Fatores que afetam a evaporação (STUDART; CAMPOS, 2008):

Vento a ação do vento consiste em deslocar as parcelas de ar mais úmidas encontrada na camada limite superficial, substituindo-as por outras mais secas. Inexistindo o vento, o processo de evaporação cessaria tão logo o ar atingisse a saturação, uma vez que estaria esgotada sua capacidade de absorver vapor d’água.

Umidade O ar seco tem maior capacidade de absorver vapor d’água adicional que o ar úmido, dessa forma, à medida que ele se aproxima da saturação, a taxa de evaporação diminui, tendendo a se anular, caso não haja vento para promover a substituição desse ar.

Temperatura A elevação da temperatura ocasiona uma maior pressão de saturação do vapor, adquirindo o ar uma capacidade adicional de conter vapor d’água.

Radiação solar A energia necessária para o processo de evaporação tem como fonte primária o sol; a incidência de sua radiação varia com a latitude, clima e estação do ano.

O Escoamento em uma bacia pode ser estudado em duas partes: a geração de escoamento e a propagação de escoamento. Sendo que o escoamento tem origens diferentes dependendo da ocorrência de chuva ou não. Durante as chuvas intensas, parte da vazão que passa por um rio ou canal de drenagem é influenciada pela a água da chuva que não infiltra no solo e escoa, atingindo os cursos d’água e aumentando a vazão. Através desse processo, dá-se a formação dos picos de vazão, cheias ou enchentes. Os escoamentos realizados pela água, proveniente da precipitação, podem ser definidos em escoamento rápido ou superficial e escoamento lento ou subterrâneo. O escoamento rápido ocorre em consequência direta das chuvas; o subterrâneo decorre do escoamento lento que ocorre durante as estiagens e devido ao fato da maior parte da água está chegando ao rio via fluxo de água através do subsolo. Na Figura 3, observamos que, durante e imediatamente após a chuva, predomina o escoamento superficial, enquanto que, durante a estiagem, predomina o escoamento subterrâneo (COLLISCHONN, 2009).

A Infiltração é definida como a passagem da água através da superfície do solo, passando pelos poros e atingindo o interior, ou perfil, do solo. A infiltração de água no solo é importante para o crescimento da vegetação, para o abastecimento dos aquíferos (reservatórios de água subterrânea), para o armazenamento da água que mantém o fluxo nos rios durante as estiagens, para a redução do escoamento superficial, redução das cheias e diminuição da erosão (COLLISCHONN, 2008). A parte superior da crosta terrestre é normalmente porosa até uma maior ou menor profundidade. Os poros podem, nesta porção da litosfera, estar parcialmente ou completamente cheios de água. A camada superior onde os poros estão parcialmente cheios d’água é designada zona de aeração. Imediatamente abaixo, onde os interstícios estão repletos d’água, é a zona de saturação (STUDART; CAMPOS, 2008).

A zona de aeração é dividida em 3 faixas: faixa de água no solo, faixa intermediária e franja de capilaridade. Seus limites não são bem definidos, havendo uma transição gradual de uma para outra. Faixa de água do subsolo é de particular importância para a agricultura porque fornece a água para crescimento das plantas. A água mantém-se nessa faixa pela atração molecular e pela ação da capilaridade, agindo contra a força da gravidade. A atração molecular tende a reter uma delgada película de água sobre a superfície de cada partícula sólida. A faixa intermediária, da mesma forma que na faixa de água do solo, retém a água por atração molecular e capilaridade. A água retida nessa faixa é um armazenamento morto, visto que não pode ser aproveitada para qualquer uso.

A faixa de capilaridade retém a água acima da zona de saturação por capilaridade, opondo-se à ação da gravidade. A zona de saturação é a única dentre as águas da superfície que, propriamente, constitui a água subterrânea, cujo movimento se deve também à ação da gravidade, obedecendo às leis do escoamento subterrâneo. São os seguintes os fatores que interferem no fenômeno da infiltração (STUDART; CAMPOS, 2008):

Tipo de solo A capacidade de infiltração varia diretamente com a porosidade e com o tamanho das partículas do solo. As características presentes em pequena camada superficial, com espessura da ordem de 1 cm, tem grande influência sob a capacidade de infiltração.

Umidade do solo Quando a água é aplicada em um solo seco, não há movimento descendente dessa água até que as partículas do solo estejam envolvidas por uma fina película d’água. As forças de atração molecular e capilar fazem com que a capacidade de infiltração inicial de um solo seco seja muito alta. À medida que a água percola, a camada superficial vai ficando semi-saturada, fazendo com que as forças de capilaridade diminuam, diminuindo também a capacidade de infiltração, que tende a um valor constante após algumas horas.

Vegetação uma cobertura vegetal densa como grama ou floresta tende a promover maiores valores de capacidade de infiltração, devido ao sistema radicular que proporciona a formação de pequenos túneis e que retira umidade do solo através da transpiração, e à cobertura vegetal que previne a compactação do solo.

Compactação solos nus podem se tornar parcialmente impermeáveis pela ação compactadora das grandes gotas de chuva (que também preenchem os vazios do solo com material fino), e pela ação do tráfego constante de homens, veículos ou animais.

O ciclo hidrológico pode ser afetado por fatores climáticos e antrópicos, sendo as alterações produzidas pelo homem extremamente preocupantes. Ao adaptar o meio ambiente às suas necessidades, o homem pode provocar mudanças irreversíveis no ciclo hidrológico regional, comprometendo a disponibilidade hídrica, tanto em quantidade como em qualidade.

Bacia Hidrográfica“A bacia hidrográfica é uma área de captação natural da água de precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório. A bacia hidrográfica compõe-se basicamente de um conjunto de superfícies vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de água que confluem até resultar um leito único no exutório” (TUCCI, 2004). Podemos também nos referir a bacia hidrográfica como a área determinada topograficamente, delimitada pelos divisores de águas (linhas que unem os pontos de cotas mais elevadas), que é drenada por um curso de água ou por um conjunto desses cursos conectados, de forma que toda vazão efluente seja drenada por uma simples saída (CECÍLIO; REIS, 2006). Podemos observar, na Figura 6, uma área delimitada de uma bacia hidrográfica.

A bacia hidrográfica é limitada com base em divisores, os quais pode ser o divisor topográfico e/ou freático (subterrâneo), o divisor topográfico toma como base as cotas do terreno, levando em consideração a topografia. Já o divisor subterrâneo leva em consideração o nível da água subterrânea, está condicionado à estrutura geológica do terreno. Na Figura 8, podemos visualizar os dois tipos de divisores. Ressaltamos que o divisor freático é variável, pois depende das flutuações do lençol freático, quanto mais elevado o nível do lençol freático, mais se aproxima o divisor freático do divisor topográfico.