Hidrologia

1. Hidrologia Climatologia Curso Técnico de Meteorologia IFSC – Florianópolis Prof. Udo e Michel

2. Tópicos do tema Introdução ao ciclo hidrológico Distribuição da água no planeta Água na atmosfera Água da superfície e subterrânea Neve e Degelo

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. O ciclo hidrológico http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/media/flash/hydro_cycle.swf

8. 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)

9. 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).

10. Ciclo hidrológico global

11. Balanço hídrico global anual- Brasil Fent + Fsai = ΔS Fent = 1496 mm/ano Fsai = -997 mm/ano ΔS = 499 mm/ano

12. Evaporação do tanque classe A Evaporação real, potencial

13. 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

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Distribuição espacial da água no planeta

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Regiões hidrográficas do Brasil Região hidrográfica é o conjunto de bacias hidrográficas de uma região, as quais estão ligadas a uma bacia principal.

24. Bacia amazônicaRio principal: Rio Amazonas

25. 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

26. 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.

27. 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.

28. 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 representativi- dade espacial. Com isso, a rede de pluviômetros é frequentemente usada para verificar a incerteza dos dados de radar e satélites.

29. 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.jsp?url=jsp/monitoramento/monitoraChuva.jsp&tipo=monitoramento http://sigma.cptec.inpe.br/prec_sat/

30. 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).

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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

36. 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.

37. 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.

38. 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 infil- trada 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 facil- ente quantificado medindo-se constantemen- te o nível e a vazão do rio principal de uma bacia hidrográfica, o escoamento subsuperficial é mais complicado de ser quantificado.

39. 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.

40. 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.

41. 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.

42. 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.

43. 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

44. 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/HydrologicCycle_bp/print_version/print_index.htm