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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.