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[Pages:143]UNIVERSIDADE DE ?VORA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL

APONTAMENTOS PARA AS AULAS DE HIDROLOGIA

Carlos Miranda Rodrigues Madalena Moreira

Rita Cabral Guimar?es

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?NDICE

1 O CICLO HIDROL?GICO.......................................... 6 1.2 Considera??es gerais ..................................... 6 1.2 Equa??o cl?ssica da hidrologia ........................... 7 1.3 Distribui??o da ?gua na Terra ............................ 8 1.4 Processos e factores do ciclo hidrol?gico ................ 9 1.4.1 Processos termodin?micos.............................. 9 1.4.2 Processos hidrodin?micos............................. 10 1.5 Interven??o humana no ciclo hidrol?gico ................. 11 1.6 A ?gua no ordenamento do territ?rio ..................... 12 1.6.1 Recurso.............................................. 12 1.6.2 Meio receptor........................................ 12 1.6.3 Ecossistema.......................................... 12

2 A BACIA HIDROGR?FICA....................................... 14 2.1 Generalidades ........................................... 14 2.2 Delimita??o da bacia hidrogr?fica ....................... 14 2.3 Caracter?sticas fisiogr?ficas da bacia .................. 15 2.3.1 Caracter?sticas geom?tricas.......................... 16 2.3.2 Caracter?sticas do sistema de drenagem............... 17 2.3.3 Caracter?sticas do relevo............................ 19 2.3.4 Geologia, solos e coberto vegetal.................... 22

3 PRECIPITA??O............................................... 24 3.1 Generalidades ........................................... 24 3.2 Classifica??o das precipita??es ......................... 25 3.2.1 Convectivas.......................................... 26 3.2.2 Orogr?ficas.......................................... 26 3.2.3 Cicl?nicas ou frontais............................... 27 3.3 Medi??o das precipita??es ............................... 28 3.3.1 Aparelhos de medi??o da precipita??o................. 28 3.3.2 Rede udom?trica...................................... 31 3.3.3 Precipita??o em ?rea................................. 33 3.4 Distribui??o espa?o-temporal da precipita??o ............ 36 3.4.1 Estruturas espa?o-temporais da precipita??o.......... 37

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3.4.2 Tend?ncia da varia??o espacial....................... 38 3.4.3 Postos udom?tricos virtuais.......................... 40 3.5 Preenchimento de falhas nos registos .................... 41 3.5.1 M?dia aritm?tica..................................... 42 3.5.2 R?cio m?dio (U.S. Weather Bureau).................... 42 3.5.3 Inverso da dist?ncia................................. 42 3.5.4 Correla??o........................................... 42 3.5.5 Coeficiente angular.................................. 43 3.6 An?lise da qualidade dos dados .......................... 43 3.6.1 Verifica??o da consist?ncia.......................... 43 3.6.2 Verifica??o da homogeneidade......................... 46 3.7 Distribui??o temporal da precipita??o ................... 47 3.7.1 An?lise de s?ries de precipita??o anual.............. 47 3.7.2 An?lise das s?ries de precipita??o mensal............ 49 3.8 Precipita??es intensas .................................. 50 3.8.1 Introdu??o........................................... 50 3.8.2 Curvas de possibilidade udom?trica................... 52 3.8.3 Rela??o entre a precipita??o, dura??o e a ?rea....... 53 3.8.4 Distribui??o temporal da precipita??o................ 54

4 INTERCEP??O................................................ 60 4.1 Generalidades ........................................... 60 4.1 Medi??o e estimativa da intercep??o ..................... 60

5 EVAPORA??O E EVAPOTRANSPIRA??O............................. 62 5.1 Defini??es .............................................. 62 5.2 Factores intervenientes ................................. 63 5.2.1 Factores clim?ticos.................................. 63 5.2.2 Factores f?sicos..................................... 64 5.2.3 Factores da vegeta??o................................ 64 5.2.4 Factores do solo..................................... 65 5.3 Medi??o da evapora??o e da evapotranspira??o ............ 65 5.3.1 Evapor?metros de tina ou de tanque................... 65 5.3.2 Atm?metros........................................... 67 5.4 C?lculo da evapora??o por meio de balan?o hidrol?gico ... 68 5.5 Medi??o da evapotranspira??o ............................ 69 5.6 C?lculo emp?rico da evapotranspira??o ................... 70

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5.6.1 M?todo de Thornthwaite............................... 70 5.6.2 M?todo de Turc....................................... 71 5.6.3 M?todo de Penman Modificado.......................... 72 5.6.4 M?todo de Penman-Monteith............................ 73 5.7 Conceito de evapotranspira??o cultural .................. 77 5.8 C?lculo da evapotranspira??o real ....................... 77

6 ?GUA NO SOLO: INFILTRA??O PERCOLA??O E DRENAGEM............ 79 6.1 Conceitos b?sicos ....................................... 79 6.2 Potenciais da ?gua do solo .............................. 81 6.3 Movimento da ?gua no solo ............................... 81 6.4 Infiltra??o e o escoamento superficial .................. 81

7 ESCOAMENTO SUPERF?CIAL..................................... 85 7.1 Conceitos gerais ........................................ 85 7.2 Processo de escoamento .................................. 86 7.3 Componentes do escoamento ............................... 88 7.4 Factores de escoamento .................................. 90 7.5 Medi??o do escoamento superficial ....................... 92 7.5.1 M?todo da sec??o-velocidade.......................... 93 7.5.2 M?todo estrutural.................................... 95 7.5.3 Curva de vaz?o....................................... 97 7.5.4 Registo dos n?veis hidrom?tricos..................... 99 7.5.5 Rede hidrom?trica.................................... 99 7.6 Distribui??o espacial do escoamento .................... 100 7.7 Distribui??o temporal do escoamento .................... 101 7.8 Estima??o do escoamento na aus?ncia de medi??es ........ 105 7.8.1 Valores anuais...................................... 105 7.8.2 Valores de dura??o inferior ? anual................. 106 7.9 Estudo do hidrograma ................................... 107 7.9.1 Componentes do hidrograma........................... 107 7.9.2 Separa??o das componentes do hidrograma............. 108 7.9.3 Forma do hidrograma................................. 109 7.9.4 Factores que afectam a forma do hidrograma.......... 111

8 BALAN?O HIDROL?GICO....................................... 114 8.5 Defini??o .............................................. 114

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8.6 Modelo sequencial de balan?o de Thornthwaite ........... 115 8.6.1 Introdu??o.......................................... 115 8.6.2 Metodologia do balan?o.............................. 115

9 ESTUDO DAS CHEIAS......................................... 118 9.1 Considera??es gerais ................................... 118 9.2 Factores que influenciam as cheias ..................... 118 9.3 Pr?-determina??o das pontas de cheia ................... 119 9.3.1 Generalidades....................................... 119 9.3.1 F?rmulas emp?ricas.................................. 119 9.3.2 M?todos estat?sticos................................ 130 9.4 Determina??o de hidrogramas de cheia ................... 131 9.4.1 Hidrograma de Giandotti............................. 131 9.4.2 Hidrograma unit?rio................................. 131 9.4.3 Hidrogramas unit?rios sint?ticos.................... 136 9.5 Cheia m?xima prov?vel .................................. 139

10 REFER?NCIAS BIBLIOGR?FICAS................................ 141 ANEXO 1...................................................... 142 ESTAT?STICA E PROBABILIDADE APLICADA ? HIDROLOGIA............ 142

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1 O CICLO HIDROL?GICO

1.2 Considera??es gerais

O ciclo hidrol?gico ? o conceito fundamental da Hidrologia. Pode ser definido como a parte do sistema clim?tico relativa ?s propriedades h?dricas dos diversos componentes: atmosfera, hidrosfera, criosfera, litosfera e biosfera, quando relacionados pelos processos de evapora??o, condensa??o, precipita??o, advec??o e escoamento (Figura 1.1).

Rn ATMOSFERA

Rn

RAMO

Wi

ATMOSFERA A?REO

Wo

P

P

P

E

E

E

T

SUPERF?CIE Qo

D

I

R

E

SOLO

Qs

N

Q

A

OCEANO

RAMO TERRESTRE

R

G

E

AGUA

Qg

M

SUBTERR?NEA

?

?

?

LITOSFERA

?

LITOSFERA

RAMO CONTINENTAL

RAMO OCE?NICO

I = INFILTRA??O

P = PRECIPITA??O

Q = ESCOAMENTO

Qo = " SUPERFICIAL

Qs =

"

SUBSUPERFICIAL

Qg = " SUBTERR?NEO

E = EVAPORA??O

R = RECARGA

Rn = RADIA??O L?QUIDA

T = TRANSPIRA??O

Wi = ADVEC??O OCEANO-CONTINENTE

Wo = "

CONTINENTE-OCEANO

Fig. 1.1 - Representa??o esquem?tica dos subsistemas do ciclo hidrol?gico(CEDEX, 1992)

O termo "ciclo" encerra os conceitos de repetitividade e conectividade dos processos envolvidos e o termo "hidrol?gico" delimita o campo de interven??o ao estudo da ?gua nas mais diversas formas (s?lida, l?quida ou gasosa), propriedades (f?sicas, qu?micas e por vezes biol?gicas) e situa??es de ocorr?ncia (?gua superficial e ?gua subterr?nea).

O ciclo hidrol?gico ? originado e mantido pela radia??o solar e modulado pela energia potencial grav?tica. O processo segundo o qual a evapotranspira??o ? seguida pela condensa??o,

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precipita??o e escoamento, assegura o abastecimento continuo de ?gua, que assim constitui um recurso renov?vel.

Os fen?menos naturais que constituem o ciclo hidrol?gico s?o:

? Transfer?ncia de ?gua, no estado vapor, da superf?cie do Globo para a atmosfera, por evapotranspira??o;

? Transporte de ?gua (l?quida, s?lida e gasosa) em resultado das circula??es locais e/ou gerais da atmosfera;

? Condensa??o parcial do vapor de ?gua da atmosfera em pequenas part?culas l?quidas e s?lidas, formando as nuvens e nevoeiros;

? Transfer?ncia de ?gua (l?quida, s?lida e gasosa) da atmosfera para o Globo por precipita??o e deposi??o de hidrometeoros;

? Escoamento e reten??o na superf?cie ou infiltra??o no subsolo da ?gua e consequente forma??o de cursos de ?gua e lagos, ou len??is fre?ticos.

1.2 Equa??o cl?ssica da hidrologia

Em termos anal?ticos ? poss?vel exprimir o ciclo hidrol?gico atrav?s de uma equa??o geral de balan?o de tal modo que o balan?o hidrol?gico total, para uma dada regi?o se pode traduzir por:

P + N + D = So + Ss + Sg + ro + rs + E

(1.1)

onde P representa a quantidade de ?gua recebida no Globo por

precipita??o (chuva e neve), N, traduz a intercep??o do nevoeiro e D, a deposi??o de outros hidrometeoros (orvalho, geada), So, Ss e Sg, incluem as varia??es das quantidades de ?gua correspondentes ao armazenamento superficial, do solo e dos

aqu?feros, ro e rs representam as quantidades de ?gua escoada ? superf?cie e no subsolo e, E, quantifica a ?gua devolvida ?

atmosfera por evapora??o e transpira??o.

As componentes ro e rs podem ser agrupadas num ?nico termo, R, quando considerados em rela??o ? sec??o final dos cursos de ?gua. Em tal situa??o, R representa o escoamento gerado na ?rea a montante de sec??o considerada e aglutina as componentes superficial e subterr?nea.

? escala global os termos N, D, e Ss n?o t?m qualquer significado e n?o s?o, por isso, considerados aquando do balan?o hidrol?gico. Nestas condi??es a equa??o 1.1 vem bastante simplificada:

P = R + E + S

(1.2)

em que S agrupa as varia??es de armazenamento superficial e subterr?neo. Para um per?odo de tempo suficientemente longo (um ou mais anos hidrol?gicos), as varia??es de armazenamento podem

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desprezar-se em compara??o com os restantes termos da equa??o 1.2, donde:

P = R + E

(1.3)

1.3 Distribui??o da ?gua na Terra

O volume m?dio de ?gua na atmosfera ? estimado em cerca de 12 500 km3 (0.001 % dos recursos mundiais em ?gua) e, na sua

maioria, encontra-se no estado vapor. A condensa??o deste vapor

de ?gua e sua distribui??o uniforme ? superf?cie do globo ao

n?vel dos oceanos, representaria uma altura de ?gua precipitada da ordem dos 26 mm (26 l/m2).

A distribui??o da ?gua na atmosfera n?o ? homog?nea obedecendo a um duplo gradiente j? que decresce com a latitude (cerca de 2.6% no Equador, 0.9% a 50? de latitude e s? 0.2% no p?los) e com a altitude (70% at? aos primeiros 3.5 km, 90% nos primeiros 5 km).

Imediatamente por baixo da atmosfera surge a hidrosfera. Esta compreende os mares e oceanos, lagos, zonas h?midas e pantanosas e os cursos de ?gua. A distribui??o da ?gua por cada um dos constituintes da hidrosfera ? apresentado no Quadro 1.1.

Quadro 1.1 - ?gua na hidrosfera (UNESCO, 1980)

Hidrosfera

Volume

Altura equivalente

(km3)

(%)

(m)

Mares e Oceanos 1 338 000 000

99.99

2441.61

Lagos

176 400

0.01

0.32

Pantanos

11 470

-

0.02

Rios

2 120

-

0.0039

Total

1 338 189 990

2441.95

A cifra correspondente aos mares e oceanos, quando comparada com o total dos recursos em ?gua do Globo, representa 96.5%.

A ?gua planet?ria no estado s?lido ? individualizada da hidrosfera tomando a designa??o de criosfera. Geralmente ? feita a distin??o entre a ?gua correspondente aos glaciares e aquela existente em gelos subterr?neos de congela??o perp?tua. O Quadro 1.2 ilustra a reparti??o da ?gua da criosfera. Salienta-se ainda, que do montante relativo aos glaciares, 90 % corresponde aos glaciares da Ant?rctida.

Quadro 1.2 - ?gua na criosfera (UNESCO, 1980)

Criosfera

Glaciares Outras zonas

Volume

(km3)

(%)

24 064 100

98.77

300 000

1.23

Altura equivalente (m)

4.39 0.55

Total

24 364 100

8

4.94

 ................
................

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