Rodrigo Proença de Oliveira

Dinâmica de Bacias Hidrográficas e Aquíferos2010 / 2011

Distribuição de água na terra

e o ciclo hidrológico

(ciclo da água)

O planeta azul

• Cerca de 70% da superficie

do planeta é coberto por

água (oceanos).

Distribuição de água na Terra

ReservatóriosVolume aproximado de água,

em Km3 de água Percentagem aproximada

da água total

Oceanos 1 320 000 000 96.1

Glaciares 29 000 000 2.13

Água subterrânea 8 300 000 0.61

Lagos 125 000 0.009

Mares interiores 105 000 0.008

Humidade do Solo 67 000 0.005

Atmosfera 13 000 0.001

Rios 1 250 0.0001

Volume de água total 1 360 000 000 100%

Distribuição da água naTerra (adaptado de Nace, U.S. Geological Survey,1967).

Distribuição de água na Terra

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Fonte de águaVolume de água

(km3)

Percentagem de

água doce

Percentagem do

total de água

Oceanos, mares e baías 1.338.000.000 -- 96,5

Gelo polar e glaciares 24.064.000 68,7 1,74

Água do subsolo 23.400.000 -- 1,7

    Doce 10.530.000 30,1 0,76

    Salgada 12.870.000 -- 0,94

Humidade do solo 16.500 0,05 0,001

Gelo do solo e permafrost 300.000 0,86 0,022

Lagos 176.400 -- 0,013

    Doce 91.000 0,26 0,007

    Salgada 85.400 -- 0,006

Atmosfera 12.900 0,04 0,001

Água em pântanos 11.470 0,03 0,0008

Rios 2.120 0,006 0,0002

Água biológica 1.120 0,003 0,0001

Total 1.386.000.000 - 100

Alguns cálculos

• Raio da Terra = ~6370 km

• Área da Terra = 4**R2 = 510.100.000 km2

• Área dos oceanos = 0,7 * 510.100.000 = 361.000.000 km2

• Área dos continentes = 0,3 * 510.100.000 = 148.800.000 km2

• Profundidade média dos oceanos = Vol. água nos oceanos / Area oceanos

= 1.320.000.000 / 361.000.000 = 3.65 km

• Volume de água existente cobriria toda a terra com uma profundidade de =

1.360.000.000 / 510.100.000 = 2.66 km

• Área de uma esfera = 4**R2

• Volume de uma esfera = 4/3**R3

Ciclo hidrológico

Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (http://www.igm.pt).

Ciclo hidrológico

Balanço hidrológico global

Esc. superficial

44.800 km3/ano

Precipitação sobre

continentes

119.000 km3/ano

Precipitação

sobre oceanos

458.000 km3/ano

Evapotranspiração

de continentes

72.000 km3/ano

Evaporação de

oceanos

505.000 km3/ano

Esc. subterrâneo

2.200 km3/ano

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Transporte de

humidade do ar

47.000 km3/ano

Tempo de residência

• Tempo de residência = Vol. do reservatório / Taxa de fluxo

• Atmosfera:

• Oceanos:

• Rios:

• Água subterrânea:

– É necessário estimar a taxa de fluxo = 2.200+percentagem escoamento

superficial com origem subterrânea;

– Tresidencia = ~1400 anos

diasanosTresidencia 2,8022,0000.72000.505

000.13

000.119000.458

000.13

anosTresidencia 2600~000.47000.458

000.000.320.1

000.505

000.000.320.1

diasanosTresidencia 17~047,0~800.44

120.2

Questões de unidades

• Unidades de volume mais usuais

– 1 l (litros)

– 1 m3 = 1000 l

– 1 dam3 = 1000 m3

– 1 hm3 = 1000 dam3

– 1 km3 = 1000 hm3

– 1 mm = 1 l/m2

• Unidades de fluxo

– l/s

– m3/s

– dam3/mês

– hm3/ano

– km3/ano

(por vezes omite-se “/ano” ou

“/mês quando o intervalo de

tempo é evidente)

(quando o volume incide sobre

uma área conhecida ou quando

se lidam com vários volumes

sobre a mesma área)

Problemas

• Qual é o volume de água em hm3 precipitado em

Portugal continental?– Precip anual média = 850 mm

– Área de Portugal = 89.000 km2

– Volume = 850 x 10-3 x 89.000 x 106 m3 = 75.650 x 106 m3= 75.650 hm3

• Qual é a precipitação anual média em mm sobre o globo e

sobre os continentes e os oceanos ?

– Pglobo = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 mm = 1270 mm

– Poceanos = 458.800 / 361.000.000 x 106 mm = 800 mm

– Pcontinentes = 119.000 / 148.000.000 x 106 mm = 1130 mm

Problemas

• Da água doce existente no globo terrestre, cerca de 35x106 km3, 30%

reside em média 1400 anos nos aquíferos subterrâneos e 0,006% reside

em média 16 d nos rios.

• Calcule o volume médio de renovação anual nos dois reservatórios e,

com base no resultado obtido, refira de qual dos reservatórios se poderá

utilizar de modo permanente maior quantidade de água.

anokmrenVol

kmVol

rios

rios

/900.47~

36516

100.2..

100.21035100/006,0.

3

36

anokmrenVol

kmVol

aquif

aquif

/500.7~1400

10500.10..

10500.101035100/30.

33

336

Problemas

• Em Portugal Continental, com uma área de 89 000 km2 e 10 000 000 de

habitantes, o abastecimento público de água é em média cerca de 200

l/hab/d. Estime em mm/a o volume anual de água abastecido

mmmmVol

kmkmVol

litroslitrosVol

810000.89/73,0.

73,010

103,7.

103,7000.000.10365200.

6

3312

11

11

Problemas

• O volume de água existente nos oceanos, que ocupam uma área

superficial de 70% da superfície do globo terrestre, estima-se em cerca de

1338x106 km3. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica da água é

cerca de 0,00015 K-1 e desprezando outros efeitos estime o aumento da

profundidade média dos oceanos quando a sua temperatura se eleve

uniformemente de 1 ºC.

• Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.

Recursos hídricos disponíveis

Precipitação

110.300

km3/ano

Evapotranspiração

(Água verde)

69.600 km3/ano

Escoamento

(Água azul)

40.700 km3/ano

Disponível

12.500 km3/ano

Não captado

20.426 km3/ano

Em regiões remotas

7.780 km3/ano

ETP utilizada

18.200 km3/ano

Florestas

ETP não utilizada

51.400 km3/ano

Agricultura não irrigada

Captado 4.430 km3/anoUsos no curso 2.350 km3/ano

Não utilizado 5.520 km2/ano

51.400 km3/ano 18.200

km3/ano3.000 km3/ano

3.700 km3/ano

24.980 km3/ano

28.206 km3/ano

Precipitação sobre os continentes

A bacia hidrográfica como

unidade de gestão da água

Bacia hidrográfica

• A bacia hidrográfica

de uma dada secção

de um curso de água

é a área na qual a

água precipitada se

escoa para a secção

considerada.

• Em geral é definida a

partir da topografia da

região, sendo os

limites da bacia

constituidos por linhas

de festo.

Bacia hidrográfica: problemas com a definição

dos limites

Limite do

escoamento

superficial

Bacia hidrográfica

Escoamento subterrâneo

Bacia hidrográfica: a unidade natural

Limite natural para

lidar com questões de

recursos hídricos

Precipitação Evapotranspiração

Escoamento

Transferências

artificiais

As maiores bacias da Europa

Problemas

• O escoamento anual médio dos continentes é cerca de 316 mm. Sabendo

que a área dos continentes é 150x106 km2 e que o escoamento do rio

Amazonas corresponde a cerca de 12% do total, estime o caudal médio

do referido rio em m3/s.

smCaudal

anokmAmazonasanualEsc

anokmkmscontinenteanualEsc

39

3

3366

365.180360024365

105688

5688400.4712,0..

400.471015010316..

Bacias endorreicas

• Bacia endorreica: bacia hidrográfica fechada cujas

águas não escoam para o mar. Escoam em regra para

um lago de onde a água se evapora ou se infiltra.

• Alguns exemplos:

• Lago Chad: Em África (Chad, Camarões, Niger e Nigeria)

• Mar Cáspio: Recebe entre outros o rio Volga, uma das maiores

bacias do mundo.

• Mar Aral: Cujos os afluentes foram desviados para a produção

de algodão o que deu origem a um dos maiores desastres

ambientais do mundo.

• Portugal: pequenas sub-bacias das bacias do Lis e do Tejo

(zona da Serra dos Candeeiros)

Mar Aral

Portugal: Principais bacias hidrograficas e

aquiferos

Portugal: Principais bacias hidrograficas

A (km2)

Portugal

A (km2)

EspanhaA (km2)

Total

Minho 850 16.230 17.080

Lima 1.180 1.300 2.480

Douro 18.600 79.000 97.600

Tejo 24.800 55.800 80.600

Guadiana 11.500 55.300 66.800

Formação e processos de

escoamento

Formação do escoamento

Retenção – Água que não se infiltra nem dá origem a

escoamento superficial (água interceptada

ou retida em depressões do solo)

Detenção – Água em trânsito

Escoamento

superficial

(directo)

Escoamento

de base

Evapotranspiração

Intercepção

Água retida em

depressões

Evaporação

Infiltração

Precipitação

Recarga

Escoamento

sub-superficial

ou intermédio

Evaporação

Precipitação

Tempo

Escoamento superficial

Intercepção

Retenção nas

depressões

Humidade

do solo

Balanço hidrológico

Numa bacia hidrográfica, supondo

coincidentes os limites do escoamento

superficial e subterrâneo, temos para um

determinado t:

P = H + E + Sp + S + Su + Ex – R

P = precipitação sobre a bacia;

H = escoamento na secção de referência;

E = evapotranspiração na bacia;

Sp = variação da retenção e detenção superficiais;

S = variação da quantidade de água no solo;

Su = variação das reservas de água subterrânea;

Ex = quantidade de água extraída pela acção humana;

R = quantidade de água lançada na bacia pela acção

humana.

Défice de escoamento: D = P – H

Transferências

artificiais, R

Precipitação Evapotranspiração

Escoamento

Transferências

artificiais, Ex S Sp

Su

A

Balanço hidrológico e suas simplificações

• P = H + E + Sp + S + Su + Ex – R

• Défice de escoamento: D = P – H

• Se forem desprezadas as quantidades de água movimentadas pela

acção humana:

• Ex – R = 0

• Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou

compensadas, os vários tipos de armazenamento:

• Sp + S + Su = 0

• Logo P = H + E

• Para um ano hidrológico:

• P = H + E

Problema

• Numa bacia hidrográfica com 100 km2 de área, para a qual são

transferidos de bacia vizinha cerca de 8 hm3 por mês, a

precipitação e o escoamento em determinado ano hidrológico

foram de 1000 mm e 1300 mm, respectivamente. Estime em mm

o valor da evapotranspiração real nesse ano. Justifique.

Problema

• De uma bacia hidrográfica com 100 km2 de área, pretende-se

transferir para bacia vizinha o máximo caudal médio compatível

com um escoamento médio de 0,5 m3/s na secção de referência

da bacia de origem. Sabendo que a precipitação e a

evapotranspiração anuais médias na bacia de origem são

respectivamente de 1000 mm e 700 mm, estime o máximo caudal

médio transferível em m3/s. Justifique.

Problema

• Os valores anuais médios da precipitação e do défice do

escoamento numa bacia hidrográfica com a área de 40 km2 foram

estimados em 1500 e 850 mm, respectivamente. Determine o

caudal anual médio na secção de referência da referida bacia em

m3/s.

Factores de escoamento

• Climáticos:

– Precipitação (duração, intensidade, distribuição no tempo e espaço)

– Evapotranspiração (temperatura, radiação, pressão, vento)

• Fisiográficos

– Geometria da bacia (área e forma);

– Relevo / morfologia

– Orientação

– Densidade de drenagem

– Geologia

– Solo

– Uso do solo

Precipitação

Água na atmosfera

• Reservatório atmosfera:

– Volume modesto (quando comparado com os restantes): apenas

25 mm em média;

– Tempo de residência reduzido: ~8 dias.

– A água encontra-se predominantemente na fase gasosa (vapor de

água), sendo deprezável a que se encontra na fase liquida ou

sólida nas nuvens.)

• Enorme variação temporal e espacial:

– Norte vs Sul

– Sobre continentes (23,9 mm); Sobre oceanos (27.5 mm)

– Em altitude: 50% até 1500 m (850 mb); 90% até 6000 m (500 mb)

Latitude (º) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Hem. N (mm) 43.9 39.9 31.1 21.8 16.4 13.2 10.4 7.0 4.8

Hem. S (mm) 42.9 40.5 31.6 21.7 16.1 12.1 7.2 3.0 1.0

Formação da precipitação

• Vapor de água existente na atmosfera condensa

(passa à fase líquida):

– Por redução da temperatura do ar;

– Por aumento da pressão do ar (compressão);

• As gotas de água coalescem em torno de um núcleo

com massa suficiente para se precipitar.

• Tensão de vapor

T

Tes

2.237

27,12exp611

es – Tensão de vapor (Pa)

T – Temperatura do ar (ºC)

(Vapor de água)

(Estado líquido)

Classificação da precipitação

• Precipitação de convecção:

• Precipitação orográfica:

• Precipitações ciclónicas ou frontais

Precipitação anual média

Fonte: WWAP, 2002

Precipitação anual média

Fonte: Nicolau, 2000

Recordes mundiais de precipitação

Recordes mundiais de precipitação

Duração Precipitação

(mm)

Intensidade média

(mm h-1)

Local Data de início

1 min 38 2280 Barot, Guadalupe 26-10-1970

8 min 126 945 Fussen, Baviera 25-05-1920

15 min 198 792 12-05-1916

20 min 206 618 Curtea-de-Arges, Roménia 07-07-1947

42 min 305 436 22-06-1947

2h 10min 483 223 Rockport, 18-07-1889

2h 45min 559 203 D'Hanis, 31-05-1935

4h 30min 782 174 Smethport, Pennsylvanea 18-07-1942

9h 1087 121 Belouve, La Réunion 28-02-1964

12h 1340 112 Belouve, La Réunion 28-02-1964

18h 30min 1689 91 Belouve, La Réunion 28-02-1964

24h 1825 76 Foc Foc, La Réunion 15-03-1952

2 d 2259 47 17-10-1967

3 d 2759 38 12-09-1974

4 d 3721 39 12-09-1974

8 d 3847 20 01-01-1979

15 d 4798 13 24-06-1931

31 d 9300 13 Jul 1861

2 mêses 12767 9 Jun 1861

3 mêses 16369 7 Mai 1861

4 mêses 18738 6 Abr 1861

5 mêses 20412 6 Abr 1861

6 mêses 22454 5 Abr 1861

11 mêses 22990 3 Jan 1861

1 ano 26461 3 Ago 1860

2 anos 40768 2 Jan 1860

Recordes de Precipitação

5;

20

30;

59

60;

96

360;

272

720;

276

1440;

292

2880;

299

1

10

100

1000

10000

100000

1

10

10

0

10

00

10

00

0

10

00

00

10

00

00

0

10

00

00

00

Duração (min)

Pre

cip

ita

çã

o (

mm

)

Recorde Mundial

Recorde Português

Envolvente

5.050 tP

Recordes mundiais de precipitação

Recordes de Precipitação5;

20 30;

59

60;

96

360;

272

720;

276

1440;

292

2880;

299

1

10

100

1000

10000

100000

1

10

10

0

10

00

10

00

0

10

00

00

10

00

00

0

10

00

00

00

Duração (min)

Pre

cip

ita

çã

o (

mm

)

Recorde Mundial

Recorde Português

Envolvente

5.050 tP

Curvas CPU e IDFRainfall depth-duration-frequency curves / Intensity-duration-frequency curves

• Curva de possibilidade udométrica / Rainfall depth-duration-frequency curves

• Curva IDF Intensity-duration-frequency curves

0')/(' ' bhmmDaD

Pi b

10)( bmmDaP b PD

iD

D D

i (mm/h)P (mm)

T=10 anos

T=100 anos

T=50 anosT=50 anos

T=100 anos

T=10 anos

Documento para consulta

Histórico

T=100 anos

Maximo provável

Ratios

Problema

No âmbito da análise de precipitações intensas, seria possível que

numa determinada chuvada as precipitações máximas em 5 min e 10

min fossem, respectivamente 11 mm e 27 mm ? Justifique.

Problema

Sabendo que a linha de possibilidade udométrica para

um determinado período de retorno é representada por

P(t) = axtn e que 2P(t) >= P(2t), mostre que n <=1.

Problema

A aplicação da linha de possibilidade udométrica para o período de

retorno de 1000 anos conduz a dois valores de intensidades médias

de precipitação, respectivamente 20 mm/h e 15 mm/h. Indique,

justificando com base na linha de possibilidade udométrica, qual o

valor que corresponde à maior duração.