Apostila Hidrologia 2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS CAMPUS MONTES CLAROS INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS

ICA228 - Hidrologia Aplicada a Agricultura Cursos de Agronomia e Engenharia Florestal

Professor Edson de Oliveira Vieira. D. Sc

Montes Claros 2014

ICA228 – Hidrologia Aplicada a Agricultura

Sumário

1 - CARACTERIZAÇÃO DOS FENÔMENOS E PROCESSOS HIDROLÓGICOS ............... 5 1.1 – Variáveis Hidrológicas ....................................................................................................... 6 2 - CICLO HIDROLÓGICO GLOBAL E SEUS COMPONENTES ......................................... 7 2.1 Ciclo hidrológico ................................................................................................................... 7 2.1.1 Global ............................................................................................................................. 7 2.1.2 Terrestre .......................................................................................................................... 9 2.1.3 Efeitos antrópicos ......................................................................................................... 13 2.2 Balanço hídrico/equação fundamental ................................................................................ 17 3 - BACIA HIDROGRÁFICA .................................................................................................. 18 3.1 Delimitação de uma B.H. ................................................................................................... 20 3.2 Características fisiográficas de uma Bacia Hidrográfica ..................................................... 21 3.2.1 Uso do solo ................................................................................................................... 22 3.2.2 Tipo do solo .................................................................................................................. 22 3.2.3 Área de drenagem ......................................................................................................... 22 3.2.4 Forma da Bacia ............................................................................................................. 23 3.2.5 Tempo de concentração – ........................................................................................... 25 3.2.6 Rede de drenagem (Rd) ................................................................................................ 25 3.2.7 Densidade de drenagem (Dd) ........................................................................................ 25 3.2.8 Número de ordem ......................................................................................................... 26 3.2.9 Sinuosidade do Curso d’água principal (S) .................................................................. 26 3.2.10 Declividade da bacia ................................................................................................... 27 3.2.11 Declividade do álveo (leito principal) ........................................................................ 28 3.2.12 Curva Hipsométrica .................................................................................................... 33 4. PRECIPITAÇÃO .................................................................................................................. 35 4.1 Conceito .............................................................................................................................. 35 4.2 Formação das chuvas .......................................................................................................... 35 4.3

Tipos de chuva ............................................................................................................... 35

4.3.1 Chuvas frontais ............................................................................................................ 35 4.3.2 Chuvas orográficas ...................................................................................................... 36 4.3.3 Chuvas convectivas (“chuvas de verão”) .................................................................... 36 4.4 Medidas de precipitação ................................................................................................ 37 4.4.1 Pluviômetros ................................................................................................................ 37 4.4.2 Pluviógrafos ................................................................................................................. 38 4.4.3 Organização de redes ................................................................................................... 40 4.4.4 Pluviogramas ............................................................................................................... 40 4.4.5 Ietogramas ................................................................................................................... 41 4.5 Manipulação e processamento dos dados pluviométricos .................................................. 41 Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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4.6 Variação geográfica e temporal das precipitações ............................................................. 43 4.6.1 Variação geográfica ..................................................................................................... 43 4.6.2 Variação temporal......................................................................................................... 44 4.7 Precipitações médias sobre uma bacia hidrográfica ........................................................... 45 4.7.1 Método da Média Aritmética....................................................................................... 45 4.7.2 Métodos dos Polígonos de Thiessen .......................................................................... 45 4.7.3 Método das Isoietas ................................................................................................... 46 4.8 Chuvas intensas ............................................................................................................. 51 4.8.1 Métodos para Estimativa da Freqüência de Totais Precipitados ............................... 51 4.8.3 Variação da intensidade com a freqüência .................................................................. 54 4.8.4 Relação Intensidade – Duração – Freqüência (I-D-F)................................................ 56 4.8.5 Equações de chuvas intensas ..................................................................................... 57 5.EVAPOTRANSPIRAÇÃO ........................................................................................................ 59 5.1 Evaporação, Transpiração e Evapotranspiração ................................................................. 59 5.1.1 Conceitos ................................................................................................................... 59 5.1.2 Grandezas Características .......................................................................................... 59 5.1.3 Fatores Intervenientes ................................................................................................ 59 5.2 Determinação da evaporação e evapotranspiração ............................................................. 61 5.2.1 Medida e estimativa da evaporação potencial ........................................................... 62 5.2.2 Determinação da Evapotranspiração Potencial ............................................................ 65 5.2.2 Determinação da Evapotranspiração Real ................................................................. 69 5.3 Evaporação de reservatórios e lagos .......................................................................... 72 6. INFILTRAÇÃO ........................................................................................................................ 73 6.1 Introdução ........................................................................................................................... 73 6.2 Conceitos Gerais ................................................................................................................. 73 6.3 Determinação da quantidade de água infiltrada ................................................................. 74 7. ESCOAMENTO SUPERFICIAL ............................................................................................. 78 7.1 Conceitos gerais .................................................................................................................. 78 7.2 Fatores que influenciam o escoamento superficial .............................................................. 79 7.3 Grandezas características ..................................................................................................... 79 7.4 Postos fluviométricos e fluviográficos ................................................................................ 80 7.5 Medições de vazão............................................................................................................... 82 7.5.1 Vertedores .................................................................................................................... 83 7.5.2 Método área-velocidade .............................................................................................. 83 7.6. Relação cota-vazão (curva-chave) ...................................................................................... 85 7.7

Componentes do hidrograma ......................................................................................... 87

7.8. Estimativas do escoamento superficial por meio de dados de precipitação ....................... 93 7.8.1. Método racional ........................................................................................................... 93 7.8.2 Parâmetros analisados .................................................................................................. 94 7.8.3. Método racional modificado ........................................................................................ 97 Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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8 – ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ................................................................................................... 98 8.1 - Introdução ......................................................................................................................... 98 8.2 Uso das Águas Subterrâneas ............................................................................................... 99 8.3 Ocorrência de água subterrânea ......................................................................................... 101 8.4 O caminho subterrâneo da água ........................................................................................ 101 8.5 Aqüíferos ........................................................................................................................... 102 8.6 Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero freático .......................................... 102 8.7 Classificação dos aqüíferos segundo a pressão da água .................................................... 103 8.8 Classificação segundo a geologia do material saturado .................................................... 104 8.9 Funções dos Aqüíferos ...................................................................................................... 105 8.10 Ocorrências no Brasil ...................................................................................................... 106 8.11 Impactos Ambientais sobre os Aqüíferos ........................................................................ 111 8.12 Como funciona um poço............................................................................................... 113 8.13 Físico-química da água subterrânea ....................................................................... 115 8.13.1 Propriedades Físicas ................................................................................................. 116 9 - BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 123

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Águas Superficiais e Subterrâneas Prof. Edson de Oliveira Vieira ICA - UFMG

1 - CARACTERIZAÇÃO DOS FENÔMENOS E PROCESSOS HIDROLÓGICOS Não se pode falar de águas superficiais ou subterrâneas sem o conhecimento dos conceitos, processos e fenômenos hidrológicos. Assim sendo pode-se definir a ‘Hidrologia’ como sendo é a geociência que investiga os fenômenos que determinam a distribuição espaço-temporal da água, em nosso planeta, sob os atributos de quantidade, de qualidade e de interação com as sociedades humanas. Os fenômenos hidrológicos são aqueles que definem os mecanismos de armazenamento e transporte entre as diversas fases do ciclo da água em nosso planeta, com atenção especial para as áreas continentais. As intensidades com que esses fenômenos se manifestam apresentam uma marcante variabilidade ao longo do tempo e do espaço, em decorrência das variações, algumas regulares e muitas irregulares, dos climas global e regional, bem como das particularidades regionais e locais, sob os aspectos meteorológicos, geomorfológicos, de propriedades e uso do solo, entre tantos outros. A ‘Hidrologia Aplicada’ utiliza os princípios da hidrologia para planejar, projetar e operar sistemas de aproveitamento e controle de recursos hídricos; a consecução desses objetivos requer a quantificação confiável das variabilidades espaciais e/ou temporais presentes em fenômenos hidrológicos tais como: precipitação, escoamento e armazenamento superficiais, evapotranspiração, infiltração, escoamento e armazenamento subsuperficiais, propriedades físico-químicas e biológicas da água, conformações geomorfológicas, transporte de sedimentos, etc. Os processos hidrológicos determinísticos são aqueles que resultam da aplicação direta de leis da Física, Química ou Biologia. Em hidrologia, são raríssimas as ocorrências das regularidades inerentes aos processos puramente determinísticos, nos quais as variações espaçotemporais podem ser completamente explicadas por um número limitado de variáveis, a partir de relações funcionais ou experimentais unívocas. A resposta hidrológica de uma superfície completamente impermeável, de geometria simples e totalmente definida, a um pulso conhecido, uniforme e homogêneo de precipitação, pode ser considerado um raro exemplo de um processo hidrológico puramente determinístico. Uma curva-chave estável, válida para uma seção encaixada em um leito rochoso de um trecho fluvial, com controle hidráulico invariável e inequivocamente definido, para a qual tenha sido precisamente determinada a histerese devida ao escoamento não permanente, é outro raro exemplo de uma relação puramente determinística. Evidentemente, em rios naturais, com leitos móveis ou controle hidráulico variável, a situação anteriormente descrita é de ocorrência muito improvável, estando a relação cota descarga sujeita à complexa interferência de uma infinidade de fatores aleatórios. Quase todos os processos hidrológicos são considerados estocásticos, ou governados por leis de probabilidades, por conterem componentes aleatórias as quais se superpõem a regularidades eventualmente explicitáveis, tais como as estações do ano ou às variações da radiação solar no topo da atmosfera ao longo da órbita da Terra em torno do Sol. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Nesse sentido, em um dado ponto do espaço geográfico, são considerados processos hidrológicos estocásticos a precipitação, a evapo-transpiração, os escoamentos superficial e subsuperficial, os afluxos de sedimento em suspensão, as concentrações de oxigênio dissolvido, as conformações do leito fluvial, as temperaturas da água, as capacidades de infiltração, dentre tantos outros.

1.1 – Variáveis Hidrológicas As variações temporais e/ou espaciais dos fenômenos do ciclo da água podem ser descritas pelas variáveis hidrológicas. São exemplos de variáveis hidrológicas o número anual de dias consecutivos sem precipitação, em um dado local, e a intensidade máxima anual da chuva de duração igual a 30 minutos. Outros exemplos são a vazão média anual de uma bacia hidrográfica, o total diário de evaporação de um reservatório ou a categoria dos ‘estados do tempo’ empregada em alguns boletins meteorológicos. As flutuações das variáveis hidrológicas, ao longo do tempo ou do espaço, podem ser quantificadas, ou categorizadas, por meio de observações ou medições, as quais, em geral, são executadas de modo sistemático e de acordo com padrões nacionais ou internacionais. Por exemplo, as variações temporais dos níveis d’água médios diários da seção fluvial de uma grande bacia hidrográfica podem ser monitoradas pelas médias aritméticas das leituras das réguas linimétricas, tomadas às 7 e às 17 horas de cada dia. Da mesma forma, as variações dos totais diários de evaporação de um lago podem ser estimadas pelas leituras dos níveis de um tanque evaporimétrico local, tomadas regularmente às 9 horas da manhã. Essas são exemplos de variáveis hidrológicas, as quais, por estarem associadas a processos estocásticos, são descritas por distribuições de probabilidade e consideradas variáveis aleatórias. Ao conjunto das observações de uma certa variável hidrológica, tomadas em tempos e/ou locais diferentes, dá-se o nome de amostra, a qual contem um número limitado de realizações daquela variável. É certo que a amostra não contem todas as possíveis observações daquela variável, as quais estarão contidas na população que reúne a infinidade de todas as possíveis realizações do processo hidrológico em questão. Segundo as características de seus resultados possíveis, as variáveis aleatórias podem ser classificadas em qualitativas ou quantitativas. As primeiras são aquelas cujos resultados possíveis não podem ser expressos por um número e, sim, por um atributo ou qualidade. As variáveis qualitativas ainda podem ser subdivididas em nominais e ordinais, em consonância com as respectivas possibilidades de seus atributos, ou qualidades, não serem ou serem classificados em modo único. O estado do tempo, entre as possibilidades {‘bom’, ‘chuvoso’ e ‘nublado’}, é exemplo de uma variável hidrológica qualitativa nominal porque seus resultados não são números e, também, por não serem passíveis de ordenação ou classificação. De outra forma, o nível de armazenamento de um reservatório, tomado entre as possibilidades {A: excessivamente alto; B: alto; C: médio; D: baixo e E: excessivamente baixo}, representa um exemplo de uma variável hidrológica qualitativa ordinal. As variáveis hidrológicas quantitativas são aquelas cujos resultados possíveis são expressos por números inteiros ou reais, recebendo a denominação de discretas, no primeiro caso, e contínuas no segundo. O número anual de dias consecutivos sem chuva, em um dado local, é um exemplo de uma variável hidrológica discreta cujos valores possíveis estarão compreendidos integralmente no subconjunto dos números inteiros dado por {0, 1, 2, 3, ...., 366}. Por outro lado, a altura diária máxima anual de precipitação, nesse mesmo local, é uma variável hidrológica contínua porque o conjunto de Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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seus resultados possíveis estará totalmente contido no subconjunto dos números reais não negativos. 2 - CICLO HIDROLÓGICO GLOBAL E SEUS COMPONENTES 2.1 Ciclo hidrológico 2.1.1 Global O ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela radiação solar associada a gravidade e a rotação terrestre (TUCCI, 2002). O ciclo hidrológico constitui basicamente em um processo contínuo de transporte de massas d’água do oceano para a atmosfera e desta, através de precipitações, escoamento (superficial e subterrâneo) novamente ao oceano. O ciclo hidrológico tem, nos fenômenos de evaporação e precipitação, os seus principais elementos responsáveis pela contínua circulação de água no globo (Figura 2.1).

Figura 2.1 – Ciclo Hidrológico Global (Fonte: Gava, 2004) Segundo TUCCI (2002b), o sistema da atmosfera é extremamente dinâmico e não-linear, dificultando sua previsão quantitativa. Esse sistema cria condições de precipitação pelo resfriamento do ar úmido que formam as nuvens, gerando precipitação na forma de chuva e neve Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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(entre outros) sobre os mares e superfície terrestre. A água evaporada se mantém na atmosfera, em média apenas 10 dias. Para o mesmo autor, o fluxo sobre a superfície terrestre é positivo (precipitação menos evaporação), resultando nas vazões dos rios em direção aos oceanos. O fluxo vertical dos oceanos é negativo, com maior evaporação que precipitação. O volume evaporado adicional se desloca para os continentes através do sistema de circulação da atmosfera e precipita, fechando o ciclo.

Atmosfera

37

62

99 324

Superfície

terrestre

Unidades: x 1012 m3/ano

361

37

oceano

Figura 2.2 – Fluxos de água entre a superfície terrestre e a atmosfera. Fonte: adaptado de TUCCI (2002b) O equilíbrio médio anual, em volume, entre a precipitação e a evaporação/ evapotranspiração, que são os dois fluxos principais entre a superfície terrestre e a atmosfera, em nível global apresenta o seguinte valor: P = E = 423 x 1012 m3/ano A evaporação direta dos oceanos para a atmosfera equivale a 361x1012 m3, representando 85% do total evaporado e 62x1012 m3 (15%), devidos a evapotranspiração dos continentes. Quanto à precipitação, a atmosfera devolve aos oceanos 324x1012 m3, equivalente a 77% do total precipitado, e aos continentes 23% (99x1012 m3). A diferença entre o que é precipitado anualmente nos continentes e o que é evapotranspirado pelos continentes corresponde ao escoamento para os oceanos (37x1012 m3). Cerca de 36% da energia solar que atua sobre o sistema terrestre, é utilizada para a evaporação da terra e do mar (TUCCI (2002a). A quantidade de água e a velocidade a que esta circula nas diferentes etapas do ciclo hidrológico, são influenciadas por diversos fatores como, por exemplo, a cobertura vegetal, altitude, topografia, temperatura, tipo de solo e geologia. Dentre as quantificações dos fluxos e reservas de água do ciclo hidrológico global, a Tabela 2.1 apresenta valores médios sugeridos por diversos autores:

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Tabela 2.1 - Distribuição da água na natureza LOCALIZAÇÃO Sobre os Continentes - Lagos de água doce - Lagos de água salina - Rios e canais Sob os Continentes - Lençóis subterrâneos - Umidade do solo Geleiras Biosfera Atmosfera Oceanos TOTAL (1.355.000 x 1012 m3)

PERCENTAGEM 0,0100 0,0080 0,0001 0,6200 0,0050 2,1500 0,0005 0,0010 97,200 100%

Conforme mostra a tabela acima, 97,2 % da água do planeta estão nos oceanos, onde segundo TUCCI (2002a), é tão significativo quanto seu papel no ciclo hidrológico. Em certas regiões da Terra, o ciclo hidrológico manifesta-se de forma bastante peculiar. Fatores como a desuniformidade com que a energia solar atinge os diversos locais, o diferente comportamento térmico dos continentes em relação aos oceanos, quantidade de vapor de água, CO2 e ozônio na atmosfera, a variabilidade espacial de solos e coberturas vegetais e a influência da rotação e inclinação do eixo terrestre na circulação atmosférica, contribuem para a grande variabilidade nas manifestações do ciclo hidrológico nos diferentes pontos do globo terrestre TUCCI (2002a). Nas calotas polares, por exemplo, ocorre pouca precipitação e a evaporação é direta das geleiras. Nos grandes desertos também são raras as precipitações, havendo água permanente disponível somente a grande profundidade, sem trocas significativas com a atmosfera, tendo sido estocada provavelmente em tempos remotos. A energia calorífica do Sol, fundamental ao ciclo hidrológico, somente é aproveitada devido ao efeito estufa natural causado pelo vapor de água e CO2, que impede a perda total do calor emitido pela Terra originado pela radiação solar (ondas curtas) recebida. Assim a atmosfera mantém-se aquecida, possibilitando a evaporação e transpiração naturais. Como cerca de metade do CO2 natural é absorvido no processo de fotossíntese das algas nos oceanos, verifica-se que é bastante importante a interação entre os oceanos e atmosfera para a estabilidade do clima e do ciclo hidrológico TUCCI (2002a). 2.1.2 Terrestre Os processos hidrológicos na bacia hidrográfica possuem duas direções predominantes de fluxo: vertical e longitudinal TUCCI (2002b). O processo vertical é representado pelos processos de precipitação, evapotranspiração, umidade e fluxo no solo, enquanto que o longitudinal, pelo escoamento na direção dos gradientes da superfície (escoamento superficial e rios) e do subsolo (escoamento subterrâneo), conforme representado na Figura 2.3.

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Figura 2.3 – Ciclo Hidrológico Terrestre. Fonte: CETESB (2002)

De acordo com TUCCI (2002b), o balanço de volumes na bacia depende inicialmente dos processos verticais. A figura 2.4 mostra os processos que ocorrem na bacia.

Figura 2.4 – Processos na bacia. Fonte: TUCCI (2002b) Segue a descrição dos processos que ocorrem na bacia hidrográfica, segundo TUCCI (2002): A radiação solar que atinge a superfície da terra, parte é refletida e parte é absorvida. A proporção entre a energia refletida e a total é o albedo, que depende do tipo de superfície. O albedo de uma superfície líquida é da ordem de 5-7%, de uma floresta tropical 12% e para pasto e uso agrícola, entre 15 e 20%. O albedo também varia sazonalmente ao longo do ano e dentro do dia. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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A vegetação tem um papel fundamental no balanço de energia e no fluxo de volumes de água. A parcela inicial da precipitação é retida pela vegetação; quanto maior for a superfície de folhagem, maior a área de retenção da água durante a precipitação. Esse volume retido é evaporado assim que houver capacidade potencial de evaporação. Quando esse volume retido pelas plantas, é totalmente evaporado, as plantas passam a perder umidade para o ambiente, através da transpiração. A planta retira essa umidade do solo através de suas raízes. A evapotranspiração (evaporação + transpiração) de florestas tropicais que raramente têm déficit de umidade do solo, é em média 1.415 mm (1300-1500). Esse valor pode cair para 900 mm se houver períodos de déficit hídrico. A transpiração de florestas tropicais é da ordem de 70% desses valores. A precipitação atinge o solo por: a) atravessando a vegetação da floresta (em média, 85% da precipitação incidente) ou; b) através dos troncos (1 a 2% da precipitação). A diferença é a interceptação. A Figura 2.5 mostra os processos de interceptação vegetal na bacia.

Figura 2.5 – Processos de interceptação vegetal na bacia. Fonte: TUCCI (2002b) Da parcela de precipitação que atinge o solo, a mesma pode infiltrar ou escoar superficialmente dependendo da capacidade do solo de infiltrar. Essa capacidade depende de condições variáveis, como a quantidade de umidade já existente, das características do solo e da sua cobertura. A água que infiltra, pode percolar para o aqüífero ou gerar um escoamento subsuperficial ao longo dos canais internos do solo, até a superfície ou um curso d’água. A água que percola até o aqüífero é armazenada e transportada até os rios, criando condições para manter os rios perenes nos períodos de longa estiagem. Em bacias onde a capacidade da água subterrânea é pequena, com grandes afloramentos de rochas e alta evaporação, os rios não são perenes, como na região do cristalino do Nordeste. A capacidade de infiltração depende do tipo e do uso do solo. Normalmente, a capacidade de infiltração de solos com floresta são altos, o que produz pequena quantidade de escoamento superficial. Para solos com superfície desprotegida que sofre a ação da compactação, a capacidade de infiltração pode diminuir dramaticamente, resultando em maior escoamento Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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superficial. Por exemplo, estradas, caminhos percorridos pelo gado sofrem forte compactação que reduzem a capacidade de infiltração, enquanto o uso de maquinário agrícola para revolver o solo durante o plantio pode aumentar a infiltração. De outro lado, essa mesma capacidade de infiltração varia com o tipo de solo e com suas condições de umidade. Um solo argiloso pode ter uma alta capacidade de infiltração quando estiver seco, no entanto, após receber umidade, pode se tornar quase impermeável. Existe uma camada no solo não saturada, onde ocorre infiltração e percolação e, outra saturada, onde ocorre armazenamento e escoamento subterrâneo. Na camada não saturada podem existir condições de escoamento que depende de vários fatores físicos. A Figura 2.6 mostra os tipos de escoamento na bacia. No escoamento ‘Hortoniano’, o escoamento superficial é gerado em toda a superfície (para capacidade de infiltração menor que a precipitação) e o escoamento sub-superficial escoa até o rio. No entanto, existem áreas onde praticamente não ocorre escoamento superficial (Figura b), toda a precipitação se infiltra, tendo um significativo escoamento sub-superficial que é transportado através de macroporos, que pode aparecer na superfície através de fontes, produzindo escoamento superficial em conjunto com a precipitação local.

Figura 2.6 – Escoamento na bacia: (a) escoamento Hortoniano; (b) áreas de saturação. Fonte: TUCCI (2002b). O escoamento superficial converge para os rios que formam a drenagem principal das bacias hidrográficas. O escoamento em rios depende de várias características físicas tais como a declividade, rugosidade, seção de escoamento e obstruções ao fluxo. Os rios tendem a moldar dois leitos, o leito menor, onde escoa na maior parte do ano e o leito maior (utilizado quando o rio transborda), que o rio ocupa durante as enchentes. Quando o leito não é rochoso, as enchentes que ocorrem ao longo dos anos, geralmente moldam um leito menor, de acordo com a freqüência das vazões. O tempo de retorno da cota correspondente a definição do leito menor está entre 1,5 e 2 anos. Como pode ser observados nas descrições de TUCCI (2002b), a interface solo-vegetaçãoatmosfera têm uma forte influência no ciclo hidrológico. Associados aos processos naturais, existe também a interferência humana que age sobre esse sistema natural.

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2.1.3 Efeitos antrópicos Segundo TUCCI (2002b) as alterações produzidas pelo homem sobre o ecossistema pode alterar o ciclo hidrológico a nível global e local. a) A nível global: A emissão de gases para a atmosfera produzem o aumento do efeito estufa, alterando as condições das emissões de radiação térmica, produzindo efeitos a nível global. A potencial modificação climática é resultante do aquecimento adicional da atmosfera devido ao aumento da emissão de gases produzido pelas atividades humana e animal da Terra, além dos processos naturais já existentes. Os principais gases que contribuem para este processo são: o dióxido de carbono CO2, metano CH4, óxido de nitrogênio e CFC (clorofluor-carbono). O CO2 é produzido pela queima de combustíveis fósseis e produção de biomassa. A modificação climática é definida por TUCCI (2002b) como alterações da variabilidade climática devido as atividades humanas, enquanto que a variabilidade climática, é a terminologia utilizada para as variações do clima em função dos condicionantes naturais do globo terrestre e sua interações. Quanto ao efeito sobre o clima, segundo TUCCI (2002b), as modificações no clima podem ocorrer devido à variabilidade natural ou antropogênica interna ou externa ao sistema climático. A variabilidade natural é expressa pela radiação solar ou atividades vulcânicas, enquanto que as ações antropogênicas são principalmente devido à emissão de gases do efeito estufa. b) A nível local: A construção de obras hidráulicas produzem alterações sobre rios, lagos e oceanos; o desmatamento age sobre o comportamento da bacia hidrográfica; a urbanização produz alterações localizadas nos processos do ciclo hidrológico terrestre. Segundo TUCCI (2002a), a alteração da superfície da bacia hidrográfica tem impactos significativos sobre o escoamento, caracterizado quanto ao efeito que provoca no comportamento das enchentes, nas vazões mínimas e na vazão média, além das condições ambientais locais e a jusante. As alterações sobre o uso e manejo do solo na bacia podem ser classificadas quanto ao: tipo de mudança, tipo de uso da superfície e a forma de desmatamento. O desmatamento tende a aumentar a vazão média em função da diminuição da evapotranspiração, com aumento das vazões máximas e diminuição das mínimas. O reflorestamento tende a recuperar as condições atuais existente na superfície e a impermeabilização que está associada à urbanização, além de retirar a superfície altera a capacidade de infiltração da bacia TUCCI (2002b). Segundo MENDES (2001), no âmbito dos recursos hídricos, o impacto decorrente da alteração do uso do solo reflete-se em todos os componentes do ciclo hidrológico, como no escoamento superficial, na recarga dos aqüíferos, na qualidade da água e no transporte de sedimentos. Neste contexto, o planejamento dos recursos hídricos deve fazer parte de um amplo processo de planejamento ambiental, no qual somente com a organização das forças que interagem na bacia hidrográfica haverá expectativas de garantia da unidade da região.

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b.1) Desmatamento O desmatamento é um termo geral para diferentes mudanças de cobertura. Os principais elementos do desmatamento são: o tipo de cobertura na qual a floresta é substituída e o procedimento utilizado para o desmatamento TUCCI (2002b). b.1.1) Uso da superfície: -

Extração seletiva de madeira: envolve a construção de estrada e retirada por equipamentos de árvores ao longo da floresta natural ou reflorestada. O maior impacto sobre esse sistema envolve a construção de estradas, devido a área envolvida e a capacidade erosiva gerada na superfície desprotegida. - Plantio de subsistência: esse tipo de uso do solo representa cerca de 35% de todo o desmatamento de floresta na América Latina. O desmatamento é realizado manualmente seguido por queimada antes do período chuvoso e depois, o plantio é feito sobre as cinzas. Após alguns anos, a produtividade diminui, a área é abandonada e o agricultor se desloca para outra área. Quando ocorre o desmatamento sobre uma determinada área, que a seguir tende a recuperar a sua cobertura, o impacto sobre o balanço hídrico da área apresenta um comportamento como o apresentado na figura 2.7. Num primeiro estágio ocorre aumento da vazão média, com redução da evapotranspiração, devido à retirada de cobertura. Com o crescimento da vegetação, o balanço tende a voltar às condições iniciais devido à recuperação das condições prévias.

Figura 2.7 – Modificações no escoamento e evapotranspiração devido ao desmatamento numa bacia no Sul da África. Fonte: TUCCI (2002b). -

Culturas permanentes: são plantações que não sofrem alterações freqüentes na sua estrutura principal. Ex: plantações de café, fruticultura, pasto, ... Durante o processo de transformação da cobertura, o impacto sobre o escoamento pode ser importante. Após o seu desenvolvimento, o balanço hídrico depende do comportamento da cultura e o balanço hídrico tende a se estabelecer num outro patamar.

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Culturas anuais: envolvem a mudança de cobertura anualmente ou sazonalmente com diferentes plantios. Esse processo envolve a preparação do solo (aragem), em determinadas épocas do ano, resultando na falta de proteção do solo em épocas que Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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podem ser chuvosas. Normalmente o preparo do solo é realizado antes do período chuvoso, no entanto como o clima da região Sul do Brasil não apresenta uma sazonalidade bem definida, podendo um determinado mês ter uma grande precipitação ou um período seco, o solo pode estar sujeito à energia do impacto de chuvas intensas que tendem a produzir erosão e modificar as condições de infiltração do solo. O uso do solo para plantio anual, após o desmatamento, depende muito do preparo do solo e dos cuidados com o escoamento gerado. Atualmente, as práticas geralmente recomendadas para plantio são: - Conservacionista: utiliza o terraceamento, que acompanha as curvas de nível, para direcionar o escoamento e evitar a erosão e o dano às culturas. Este tipo de plantio tende a criar melhores condições de infiltração, nas chuvas de baixa ou média intensidade, mas quando ocorre o rompimento dos terraços nas cheias maiores, a água pode provocar ravinamento na direção de maior declividade do escoamento. -

Plantio direto: este tipo de plantio não revolve a terra e, é realizado diretamente sobre o que restou do plantio anterior. A tendência é de que praticamente toda a água se infiltre, e o escoamento ocorre predominantemente na camada sub-superficial por comprimentos até chegar ao sistema de drenagem natural. Este tipo de plantio poderá gerar problemas em áreas com grande declividade, pois o escoamento sub-superficial, ao brotar na superfície, pode gerar erosão regressiva. Em declividades mais suaves a erosão é reduzida, já que o escoamento superficial é mínimo.

b.1.2) Método de desmatamento: A forma como o desmatamento é realizado influencia as condições de escoamento futuro da bacia. O desmatamento manual é o procedimento mais dispendioso, mas provoca o menor impacto. Lal (1981) apud TUCCI (2002b) mostrou que o aumento do escoamento superficial, utilizando desmatamento manual, uso de tratores de arraste e tratores com lâmina para arado são, respectivamente, 1%, 6,5% e 12% da precipitação. O efeito da compactação do solo limita-se a profundidade de cerca de 20 cm (Dias e Nortcliff, 1985 apud TUCCI, 2002b). b.2) Urbanização Segundo TUCCI (2002b), à medida que a cidade se urbaniza ocorrem, em geral os seguintes impactos: - aumento das vazões médias de cheia (em até 7 vezes), devido ao aumento da capacidade de escoamento através de condutos e canais e impermeabilização das superfícies; - aumento da produção de sedimentos devido a desproteção das superfícies e a produção de resíduos sólidos; - deterioração da qualidade da água superficial e subterrânea, devido à lavagem das ruas, ao transporte de material sólido, às ligações clandestinas de esgoto cloacal e pluvial, e a contaminação direta de aqüíferos; - pela forma desorganizada como a infra-estrutura urbana é implantada, como: a) pontes e taludes de estradas que obstruem o escoamento; b) redução de seção do escoamento com aterros; c) deposição e obstrução de rios, canais e condutos, com lixos e sedimentos; d) projeto e execução inadequados de obras de drenagem. A seguir são apresentados os principais impactos da urbanização sobre o escoamento pluvial na bacia urbana, segundo TUCCI (2002b): Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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b.2.1) Impacto do desenvolvimento urbano no ciclo hidrológico: O desenvolvimento urbano altera a cobertura vegetal provocando vários efeitos que alteram os componentes do ciclo hidrológico natural, conforme pode ser observado na figura 2.8. Com a urbanização, a cobertura da bacia é em grande parte impermeabilizada com edificações e pavimentos e são introduzidos condutos para escoamento pluvial, gerando as seguintes alterações: - redução da infiltração no solo; - o volume que deixa de infiltrar fica na superfície, aumentando o escoamento superficial. Além disso, como foram construídos condutos pluviais para o escoamento superficial, tornado-o mais rápido, ocorre redução do tempo de deslocamento. Desta forma as vazões máximas também aumentam por isso, antecipando seus picos no tempo; - com a redução da infiltração, o aqüífero tende a diminuir o nível do lençol freático por falta de alimentação (principalmente quando a área urbana é muito extensa), reduzindo o escoamento subterrâneo. As redes de abastecimento, pluvial e cloacal possuem vazamentos que podem alimentar o aqüífero, tendo efeito inverso do mencionado; - devido a substituição da cobertura natural ocorre uma redução da evapotranspiração, já que a superfície urbana não retém água como a cobertura vegetal e não permite a evapotranspiração das folhagens e do solo.

Figura 2.8 – Características do balanço hídrico numa bacia urbana. Fonte: TUCCI (2002b).

b.2.2) Impacto sobre o ecossistema hídrico: Alguns dos principais impactos ambientais produzidos pela urbanização são destacados a seguir: -

Aumento da temperatura: as superfícies impermeáveis absorvem parte da energia solar aumentando a temperatura ambiente produzindo ilhas de calor na parte central dos centros urbanos, onde predomina concreto e o asfalto. O aumento da absorção de radiação solar por parte da superfície aumenta a emissão da radiação térmica de volta para o ambiente, gerando Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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calor. O aumento de temperatura também cria condições de movimento de ar ascendente que pode redundar em aumento de precipitação. Silveira (1997) apud TUCCI (2002b) mostra que a parte central de Porto Alegre apresenta maior índice pluviométrico que a sua periferia, atribuindo essa tendência à urbanização. -

Aumento de sedimentos e material sólido: durante o desenvolvimento urbano o aumento dos sedimentos produzidos pela bacia hidrográfica é significativa, devido às construções, limpeza de terrenos para novos loteamentos, construções de ruas, avenidas e rodovias, entre outras causas. As principais conseqüências ambientais da produção de sedimentos são:

a) assoreamento das seções da drenagem, com redução da capacidade de escoamento de condutos, rios e lagos urbanos; b) transporte de poluente agregado ao sedimento, que contamina as águas pluviais. A medida em que a bacia é urbanizada e a densificação é consolidada, a produção de sedimentos pode reduzir, mas outro problema aparece, que é a produção de lixo, que obstrui a drenagem e cria condições ambientais ainda piores. A qualidade da água do pluvial não é melhor do que a do efluente de um tratamento secundário de um esgoto cloacal. A quantidade de material suspenso na drenagem pluvial é superior a encontrada no esgoto cloacal in natura. Esse volume é mais significativo no início das enchentes. A qualidade da água da rede pluvial depende de vários fatores: da limpeza urbana e sua freqüência, da intensidade da precipitação e sua distribuição temporal e espacial, da época do ano e do tipo de uso da área urbana. Os principais indicadores da qualidade da água são os parâmetros que caracterizam a poluição orgânica e a quantidade de metais. - Contaminação de aqüíferos: A principais condições de contaminação dos aqüíferos urbanos são devido ao seguinte: a) aterro sanitários contaminam as águas subterrâneas pelo processo natural de precipitação e infiltração. Deve-se evitar que sejam construídos aterros sanitários em áreas de recarga, e deve-se escolher as áreas com baixa permeabilidade. b) grande parte das cidades brasileiras utilizam fossas sépticas como destino final do esgoto. Esse conjunto tende a contaminar a parte superior do aqüífero, podendo comprometer o abastecimento de água quando existe comunicação entre diferentes camadas dos aqüíferos através de percolação e de perfuração inadequada dos poços artesianos; c) a rede de condutos pluviais pode contaminar o solo através de vazamentos ou por entupimento de trechos da rede, que ocasionam rompimento da canalização. 2.2 Balanço hídrico/equação fundamental As transformações do ciclo hidrológico ocorridas dentro de regiões de interesse préestabelecidas podem ser contabilizadas através da equação do balanço hídrico, também denominada balanço de massa, ou equação fundamental, que pode ser expressa na forma: V Qe Qs sendo: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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V = variação de armazenamento hídrico Qe = afluência hídrica; Qs = efluência hídrica As componentes do ciclo hidrológico a serem representadas na equação de balanço hídrico dependem dos limites estabelecidos, da mesma forma que as grandezas representativas de tais componentes devem ser empregadas em unidades compatíveis, sejam elas volumétricas, de descarga, ou lâminas. Considerando-se o balanço hídrico das águas superficiais e subterrâneas, tem-se: V P (E T G Q) sendo: V = variação do armazenamento; P = precipitação; E = evaporação; T = evapotranspiração; G= fluxo subterrâneo da bacia; Q= escoamento superficial Levando-se em conta somente as águas superficiais: V P (E T I Q) Sendo: I = infiltração. Assumindo-se ainda V =0, a equação acima reduz-se a: Q P L onde: L = perdas (E+T+I) A equação acima constitui a base de muitos métodos práticos de avaliação do escoamento superficial. 3 - BACIA HIDROGRÁFICA É a área geográfica na qual toda água de chuva precipitada escoa pela superfície do solo e atinge a seção considerada. Sinônimo: bacia de contribuição, bacia de drenagem. Também pode ser definida uma área delimitada topograficamente, drenada por um curso d’água ou um sistema conectado de cursos d’água, tal que toda vazão efluente seja descarregada por uma simples saída”.

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A bacia hidrográfica compõe-se basicamente de um conjunto de vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos d’água que confluem até resultar um leito único no exutório. Sub-bacia Hidrográfica: mesmo conceito de BH, acrescido do enfoque de que o deságüe se dá diretamente em outro rio. - Áreas de drenagem entre 20.000 e 300.000 ha - Limite inferior (20.000 ha): área máxima que uma equipe de campo pode e deve trabalhar em um manejo integrado ou em um gerenciamento (Dado válido para o Sul do País – experiências de campo) - Sub-bacias maiores que 300.000 ha, para efeito de planejamento integrado, devem ser divididas em duas ou quantas partes forem necessárias. Microbacia Hidrográfica: mesmo conceito de BH, acrescido do enfoque de que o deságüe se dá também em outro rio, porém a dimensão superficial da microbacia é menor que 20.000 ha. A área da microbacia depende do objetivo do trabalho que se pretende realizar (não existe consenso sobre qual o tamanho ideal)

Figura 3.1 – Esquema de uma bacia hidrográfica.

A

A’ Figura 3.2 – Bacia hidrográfica de um rio.

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- Uma B.H. é necessariamente definida por um divisor de águas que a separa das bacias adjacentes.

Figura 3.3 – Corte transversal de uma bacia hidrográfica (Corte A – A’).

- Todos os problemas práticos de hidrologia se referem a uma determinada bacia hidrográfica. - É comum também se estudar apenas uma parte de um curso d´água. Nestes casos, a B.H. a ser considerada é a que se situa à montante (para cima) do ponto considerado e pode ser chamado de área de contribuição do ponto.

Figura 3.4 – B.H. do Rio Parateí a montante da seção L ou área de contribuição na seção L. 3.1 Delimitação de uma B.H. É necessário dispor de uma planta plani-altimétrica para se delimitar corretamente uma bacia hidrográfica. Procura-se traçar uma linha divisora de águas que separa a bacia hidrográfica considerada das vizinhas. Ao se traçar o divisor de água (D.A) deve-se considerar: -

O D.A. não corta nenhum curso d´água;

-

Os pontos mais altos (“pontos cotados) geralmente fazem parte do D.A;

- O D.A deve passar igualmente afastados quando estiver entre duas curvas de mesmo nível; -

O D.A deve cortar as curvas de nível o mais perpendicular possível.

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Figura 3.5 – Esquema do traçado de um divisor de água A Figura 3.6 mostra uma planta com o divisor de uma bacia hidrográfica.

Figura 3.6 – Planta topográfica com o divisor de uma bacia hidrográfica 3.2 Características fisiográficas de uma Bacia Hidrográfica Dados fisiográficos de uma BH são todos aqueles dados que podem ser extraídos de mapas, fotografias aéreas e imagens de satélites. Basicamente são áreas, comprimentos, declividades, usos e coberturas do solo, medidos diretamente ou expressos por índices. Esse dados são de grande importância em locais onde faltam dados ou em regiões onde não seja possível a instalação de estações hidrométricas.

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3.2.1 Uso do solo Um dos fatores fisiográficos mais importantes que afetam o escoamento é o uso do solo ou controle da terra. Suponhamos que uma área seja constituída por floresta cujo solo é coberto por folhas e galhos, que durante as maiores precipitações evitam que o escoamento superficial atinja o curso d'água num curto intervalo de tempo, evitando assim uma enchente. Se esta área for deflorestada e seu solo compactado ou impermeabilizado, aquela chuva que antes se infiltrava no solo, pode provocar enchentes nunca vistas. Entretanto, esse fator não tem influência sensível nas maiores enchentes catastróficas. As florestas têm ação regularizadora nas vazões dos cursos d'água, mas não aumentam o valor médio das vazões. Em climas secos, a vegetação pode até mesmo diminuí-lo em virtude do aumento da evapotranspiração. 3.2.2 Tipo do solo Em qualquer bacia, as características do escoamento superficial são largamente influenciadas pelo tipo predominante de solo, devido à capacidade de infiltração dos diferentes solos, que por sua vez é resultado do tamanho dos grãos do solo, sua agregação, forma e arranjo das partículas. Solos que contém material coloidal contraem-se e incham-se com as mudanças de umidade, afetando a capacidade de infiltração. A porosidade afeta tanto a infiltração quanto a capacidade de armazenamento e varia bastante para solos diferentes. Algumas rochas têm 1% de porosidade, enquanto solos orgânicos chegam a ter de 80 a 90%. A porosidade não depende do tamanho das partículas do solo, mas sim do arranjo, variedade, forma e grau de compactação. Outras propriedades dos diferentes tipos de solo, como o coeficiente de permeabilidade, o de armazenamento e o de transmissibilidade serão estudados no capítulo de águas subterrâneas, onde se verá a importância do tipo de solo na capacidade de produção de um poço. Em certos terrenos. entretanto, o estudo tem de ser aprofundado por um geólogo ou hidrólogo para investigar a localização de lençóis aqüíferos, o escoamento subterrâneo e a origem das fontes. 3.2.3 Área de drenagem É a área plana (projeção horizontal) inclusa entre seus divisores topográficos. A área é o elemento básico para o cálculo das outras características físicas. A área de uma B.H. é geralmente expressa em km2. Dado fundamental para definir a potencialidade hídrica da BH (seu valor multiplicado pela lâmina precipitada define o volume de água recebido pela bacia). Na prática, determina-se a área de drenagem com o uso de um aparelho denominado planímetro, ou por meio de cálculos matemáticos de mapas arquivados eletronicamente através do SIG, porém, pode-se obter a área com uma boa precisão, utilizando-se o “método dos quadradinhos”. Cabe relembrar aqui a utilização de escalas. Por exemplo, se estivesse trabalhando com um mapa na escala 1: 100.000: 1 cm no mapa equivale a 100.000 cm ou 1.000 m ou 1,0 km, na medida real. 1 cm2 equivale a 1,0 x 1,0 =1,0 km2. Supondo que a escala do mapa fosse 1:50.000 1 cm no mapa equivale a 50.000 cm = 500 m = 0,5 km real. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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1 cm2 = 0,5 x 0,5 = 0,25 km2. 3.2.4 Forma da Bacia A forma da bacia influencia o escoamento superficial e, conseqüentemente, o hidrograma resultante de uma determinada chuva. Dois índices são mais usados para caracterizar a bacia: índices de compacidade e conformação. 1. Índice de Compacidade ou Coeficiente de Compacidade (kc) – é a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual à da bacia.

K C  0,28

P

(3.1)

A

onde: P – perímetro da bacia; A – área da bacia. Caso não existam fatores que interfiram, os menores valores de kc indicam maior potencialidade de produção de picos de enchentes elevados. Deve-se considerar que: - kc  adimensional - Quanto maior o kc  mais irregular é a bacia - kc = 1  bacia circular (teórico) - Microbacias com Kc próximo de 1 devem ter maior proteção em cobertura florestal e conservação de solos - Como exemplo típico no Brasil, pelo baixo valor de Kc, pode-se citar a Sub-bacia hidrográfica do Rio Itajaí-Açu, em Santa Catarina (local de gravíssimas enchentes). 2.

Índice de Conformação (Fator de forma) – é a relação entre a área da bacia e o quadrado de seu comprimento axial medido ao longo do curso d’água desde a desembocadura até a cabeceira mais distante do divisor de água.

Ic 

A L2

(3.2)

onde: A – área da bacia; L – comprimento axial. Deve-se considerar que: -

Quanto menor o Ic bacia menos sujeita a enchentes;

-

Microbacias de formas retangulares são menos susceptíveis a enchentes que as circulares, ovais ou quadradas.(Fig 3.1)

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Figura 3.1 – Exemplos de bacias arredondadas e alongadas 3.

Fator de forma – Kf (ou Índice de Gravelius)

Expressa a relação entre a largura média da bacia e o seu comprimento axial. Assim, tem-se: ̅

(3.3)

Em que, ̅ é largura média e Lax, o comprimento axial da bacia. A forma de obtenção deste índice está representada na Figura 3.2. Um polígono é construído contornando a bacia e a partir das dimensões das larguras ao longo do polígono, é calculada uma média dos valores.

̅

∑

(3.4)

O fator de forma pode assumir os seguintes valores: 1,00 – 0,75.: sujeito a enchentes 0,75 – 0,50.: tendência mediana < 0,50.: menor tendência a enchentes

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Figura 3.2. Representação gráfica do cálculo do fator de Gravelius 3.2.5 Tempo de concentração – Tempo que leva a água para percorrer a distância entre o ponto mais remoto da área e o ponto de deságue. Essas equações serão detalhadas no item referente à escoamento superficial.

3.2.6 Rede de drenagem (Rd) É o conjunto de todos os cursos d´água de uma bacia hidrográfica, sendo expressa em km. n

R d   li

(3.5)

i 1

onde: li – comprimento dos cursos d´água.

3.2.7 Densidade de drenagem (Dd) A densidade de drenagem indica eficiência da drenagem na bacia. Ela é definida como a relação entre o comprimento total dos cursos d’água e a área de drenagem e é expressa em km/km2. A bacia tem a maior eficiência de drenagem quanto maior for essa relação.

Dd 

Rd A

(3.6)

Segundo VILLELA e MATOS (1985) uma densidade de drenagem na ordem de 0,5 km/km² a bacia será considerada pobre em drenagem e Dd  3,5 km/km² a bacia será excepcionalmente bem drenada. Uma forma mais simples de representar a Dd é calcular a densidade de confluências (Dc)

Dc 

NC A

(3.7)

em que NC = número de confluências ou bifurcações apresentadas pela rede de drenagem Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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3.2.8 Número de ordem A classificação dos rios quanto à ordem reflete o grau de ramificação ou bifurcação dentro de uma bacia. Os cursos d’água maiores possuem seus tributários que por sua vez possuem outros até que chegue aos minúsculos cursos d’água da extremidade. Geralmente, quanto maior o número de bifurcação maior serão os cursos d’água; dessa forma, pode-se classificar os cursos d’água de acordo com o número de bifurcações. Numa bacia hidrográfica, calcula-se o número de ordem da seguinte forma: começa-se a numerar todos os cursos d’água, a partir da nascente, de montante para jusante, colocando ordem 1 nos trechos antes de qualquer confluência. Adota-se a seguinte sistemática: quando ocorrer uma união de dois afluentes de ordens iguais, soma-se 1 ao rio resultante e caso os cursos forem de números diferentes, dá-se o número maior ao trecho seguinte.

Figura 3.6 – Ordenamento de uma Bacia Hidrográfica. Método de Strahler

3.2.9 Sinuosidade do Curso d’água principal (S) Representa a relação entre o comprimento do canal principal (L) e o comprimento de seu talvegue (Lt), medido em linha reta. Observa-se que este fator é adimensional e quanto maior seu valor maior a sinuosidade do curso d’ água, sendo que esta tende a aumentar da cabeceira para a foz do rio. A Figura 3.7 representa um curso d’água principal e seu talvegue.

S

L Lt

(3.8)

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Figura 3.7 Representação do curso d’água e seu talvegue. 3.2.10 Declividade da bacia A declividade dos terrenos de uma bacia controla em boa parte a velocidade com que se dá o escoamento superficial afetando, portanto, o tempo que leva a água da chuva para concentrar-se nos leito dos fluviais que constituem a rede de drenagem das bacias. A magnitude dos picos de enchente e a maior ou menor oportunidade de infiltração e susceptibilidade para erosão dependem da rapidez com que ocorre o escoamento sobre os terrenos da bacia. Dentre os métodos que podem ser usados na obtenção dos valores representativos da declividade dos terrenos de uma bacia, o mais completo é o das quadrículas associadas a um vetor. Esse método consiste em determinar a distribuição percentual das declividades dos terrenos por meio de uma amostragem estatística de declividades normais às curvas de nível em um grande número de pontos na bacia. Esses pontos devem ser locados num mapa topográfico da bacia por meio de um quadriculado que se traça sobre o mesmo.

Bacia: Ribeirão Lobo - S.P. Mapa: IBGE (escala - 1: 50.000) Área de drenagem: 177,25 km2 1 Declividade (m/m)

2 Nº de ocorrências

3 % do total

0,0000 - 0,0049 0,0050 - 0,0099 0,0100 - 0,0149 0,0150 - 0,0199 0,0200 - 0,0249 0,0250 - 0,0299 0,0300 - 0,0349 0,0350 - 0,0399 0,0400 - 0,0449 0,0450 - 0,0499 TOTAL

249 69 13 7 0 15 0 0 0 5 358

69,55 19,27 3,63 1,96 0,00 4,19 0,00 0,00 0,00 1,40 100,00

4 5 % acumulada Decl. média

100,00 0,00245 30,45 0,00745 11,18 0,01245 7,55 0,01745 5,59 0,02245 5,59 0,02745 1,40 0,03245 1,40 0,03745 1,40 0,04245 1,40 0,04745 2,0572 DECLIVIDADE MÉDIA = = 0,00575 m/m 358

6 col. 2 * col. 5 0,6100 0,5141 0,1618 0,1222 0,0000 0,4118 0,0000 0,0000 0,0000 0,2373 2,0572

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Figura 3.8 - Curva da declividade média da bacia 3.2.11 Declividade do álveo (leito principal) A água da precipitação concentra-se nos leitos fluviais depois de se escoar superficial e subterraneamente pelos terrenos da bacia e é conduzida em direção á desembocadura. A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais fluviais. Assim, quanto maior a declividade , maior será a velocidade de escoamento e bem mais pronunciados e estreitos serão os hidrogramas das enchentes

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Determinação da declividade equivalente (ou média): I. Pelo quociente entre a diferença de suas cotas e sua extensão horizontal:

3.8 – Perfil longitudinal de uma bacia hidrográfica

I eq 

H L

(3.9)

onde: H – diferença entre as cotas do ponto mais distante e da seção considerada; L – comprimento do talvegue principal. II.

Pelo método de “compensação de área”:

Traça-se no gráfico do perfil longitudinal, uma linha reta, tal que, a área compreendida entre ela e o eixo das abscissas (extensão horizontal) seja igual à compreendida entre a curva do perfil e a abscissa. A1 = A2

3.9 – Declividade média

ATR  I eq 

2  ATR H´L  H´  2 L

2  ATR 2  ATR H´  I eq   I eq  L LL L2

Como a área do triângulo retângulo é igual à área abaixo do perfil longitudinal do talvegue, pode-se escrever a equação de Ieq da seguinte forma:

I eq 

2  área abaixo do perfil L2

(3.10)

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III - Pela média harmônica (mais utilizada) A declividade equivalente é determinada pela seguinte fórmula:

I eq

  L  n  Li   i 1 I i

     

2

(3.10)

onde L é a extensão horizontal do perfil, que é dividido em n trechos, sendo Li e Ii, respectivamente, a extensão horizontal e a declividade média em cada trecho. Exercício-exemplo 3.1: Desenhar o perfil longitudinal do talvegue principal da bacia abaixo e determinar a declividade equivalente, utilizando o método de “compensação de área” e da média harmônica. Determinar também o tempo de concentração para duas declividades.

Com auxílio de um curvímetro (aparelho que mede o comprimento de linhas), mediu-se, a partir do exutório (ponto L), para montante, as distâncias dele até os pontos onde o curso d’água “corta” as curvas de nível. Com os dados obtidos, construiu-se a seguinte tabela: Ponto

Dist. de L (m)

L A B C D E F

0,0 12.400 30.200 41.000 63.700 74.000 83.200

Cota (m)

372 (*) 400 450 500 550 600 621 (*) (*) – estimado

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a) Perfil longitudinal 650

600

Cota (m)

550

500

450

400

350 0

20000

40000

60000

80000

100000

Comprimento (m)

b) Cálculo da declividade equivalente pelo método de “compensação de área”

A1 

28  12.400  173.600 m 2 2

A2 

78  28  17.800  943.400 m 2 2

A3 

128  78  10.800  1.112.400 m 2 2

A4 

178  128  22.700  3.473.100 m 2 2

A5 

228  178  10.300  2.090.900 m 2 2

A6 

249  228  9.200  2.194.200 m 2 2 Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Atot = 173.600 + 943.400 + 1.112.400 + 3.473.100 + 2.090.900 + 2.194.200 = 9.987.600 m2

I eq 

2  Atot 2  9.987.600   0,0029 m/m ou 2,9 m/km L2 83.200 2

c) Cálculo da declividade equivalente pelo método da média harmônica.

I1 

400  372 28   0,0023 m/m 12.400  0 12.400

I2 

450  400 50   0,0028 m/m 30.200  12.400 17.800

I3 

500  450 50   0,0046 m/m 41.000  30.200 10.800

I4 

550  500 50   0,0022 m/m 63.700  41.000 22.700

I5 

600  550 50   0,0049 m/m 74.000  63.700 10.300

I6 

621  600 21   0,0023 m/m 83.200  74.000 9.200

I eq

  L  n  Li   i 1 I i

2

      83.200     17.800 10.800 22.700 10.300 9.200   12.400   0,0023  0,0028  0,0046  0,0022  0,0049  0,0023    

2

I eq  0,0028 m/m

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32

ICA228 – Hidrologia Aplicada a Agricultura 650

600

Cota (m)

550

500

450

Perfil longitudinal Compens. área

400 Média harmônica

350 0

20000

40000

60000

80000

100000

Comprimento (m)

EXERCÍCIO PROPOSTO 3.1 A partir de um mapa plani-altimétrico, foram levantadas as cotas em alguns pontos do curso principal de um córrego e as respectivas distâncias. Os valores obtidos estão apresentados na tabela abaixo. Com base nestes dados, determinar: a) declividade equivalente, utilizando o método da média harmônica; b) tempo de concentração (tc) da bacia. Seção

Cota (m)

1 2 3 4 5

700 705 715 735 780

Distância acumulada (m) 0 300 700 1100 1400

3.2.12 Curva Hipsométrica É a representação gráfica do relevo médio de uma bacia. Representa o estudo da variação da elevação dos vários terrenos da bacia com referência ao nível médio do mar. A variação da altitude e a elevação média de uma bacia são, também, importantes pela influência que exercem sobre a precipitação, sobre as perdas de água por evaporação e transpiração e, conseqüentemente, sobre o deflúvio médio. Grandes variações da altitude numa bacia acarretam diferenças significativas na temperatura média, a qual, por sua vez, causa variações na evapotranspiração. Mais significativas, porém, são as possíveis variações de precipitação anual com a elevação. A elevação média é determinada por meio de um retângulo de área equivalente à limitada pela curva hipsométrica e os eixos coordenados; a altura do retângulo é a elevação média. Outro método é o de utilizar a Equação 3.8 Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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E

 e A  i

(3.8)

A

em que: E = elevação média; Ai = área entre as curvas de nível; e = elevação média entre duas curvas de nível; e A = área total Representação gráfica do relevo médio da bacia Bacia: Ribeirão Lobo - S.P. Mapa: IBGE (escala - 1: 50.000) Área de drenagem: 177,25 km2 1 Cotas (m) 940 - 920 920 - 900 900 - 880 880 - 860 860 - 840 840 - 820 820 - 800 800 - 780 780 - 760 760 - 740 740 - 720 720 - 700 700 - 680 TOTAL

2 Ponto médio (m) (e) 930 910 890 870 850 830 810 790 770 750 730 710 690

3 Área (km2) 1,92 2,90 3,68 4,07 4,60 2,92 19,85 23,75 30,27 32,09 27,86 15,45 7,89 177,25

4 Área acumul. (km2) 1,92 4,82 8,50 12,57 17,17 20,09 39,94 63,69 93,96 126,05 153,91 169,36 177,25

ALTITUDE MÉDIA =

5 % acumul. 1,08 2,72 4,80 7,09 9,68 11,33 22,53 35,93 53,01 71,11 86,83 95,55 100,00

6 col. 2 *col. 3 1.785,6 2.639,0 3.275,2 3.540,9 3.910,0 2.423,6 16.078,5 18.762,5 23.307,9 24.067,5 20.337,8 10.969,5 5.444,1 136.542,1

136.542,1 = 770 m 177,25

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Figura 3.8 – Elevação média da bacia

4. PRECIPITAÇÃO 4.1 Conceito Precipitação é a água proveniente do vapor d’água da atmosfera, que chega a superfície terrestre, sob a forma de: chuva, granizo, neve, orvalho, etc. Para as condições climáticas do Brasil, a chuva é a mais significativa em termos de volume. 4.2 Formação das chuvas A umidade atmosférica é o elemento básico para a formação das precipitações. A formação da precipitação segue o seguinte processo: o ar úmido das camadas baixas da atmosfera é aquecido por condução, torna-se mais leve que o ar das vizinhanças e sofre uma ascensão adiabática. Essa ascensão do ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de saturação. A partir desse nível, há condensação do vapor d’água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros. Essas gotas não possuem ainda massa suficiente para vencer a resistência do ar, sendo, portanto, mantidas em suspensão, até que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar. 4.3 Tipos de chuva As chuvas são classificadas de acordo com as condições em que ocorre a ascensão da massa de ar. 4.3.1 Chuvas frontais - Provocadas por “frentes”; Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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-

No Brasil predominam as frentes frias provindas do sul;

-

É de fácil previsão (é só acompanhar o avanço da frente);

-

É de longa duração, intensidade baixa ou moderada, podendo causar abaixamento da temperatura;

-

Interessam em projetos de obras hidrelétricas, controle de cheias regionais e navegação.

Figura 4.1- Chuvas frontais 4.3.2 Chuvas orográficas -

São provocadas por grandes barreiras de montanhas (ex.: Serra do Mar);

-

As chuvas são localizadas e intermitentes;

-

Possuem intensidade bastante elevada;

-

Geralmente são acompanhadas de neblina.

Figura 4.2 – Chuvas orográficas 4.3.3 Chuvas convectivas (“chuvas de verão”) -

Resultantes de convecções térmicas, que é um fenômeno provocado pelo forte aquecimento de camadas próximas à superfície terrestre, resultando numa rápida subida do ar aquecido. A Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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brusca ascensão promove um forte resfriamento das massas de ar que se condensam quase que instantaneamente. -

Ocorrem em dias quentes, geralmente no fim da tarde ou começo da noite;

-

Podem iniciar com granizo;

-

Podem ser acompanhada de descargas elétricas e de rajadas de vento;

-

Interessam às obras em pequenas bacias, como para cálculo de bueiros, galerias de águas pluviais, etc.

Figura 4.3 – Chuvas convectivas 4.4 Medidas de precipitação -

Quantifica-se a chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana.

-

A quantidade da chuva é avaliada por meio de aparelhos chamados pluviômetros e pluviógrafos.

-

Grandezas características das medidas pluviométricas:  Altura pluviométrica: mediadas realizadas nos pluviômetros e expressas em mm. Significado: lâmina d’água que se formaria sobre o solo como resultado de uma certa chuva, caso não houvesse escoamento, infiltração ou evaporação da água precipitada. A leitura dos pluviômetros é feita normalmente uma vez por dia às 7 horas da manhã.  Duração: período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação, expresso geralmente em horas ou minutos.  Intensidade da precipitação: é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da chuva expressa em mm/h ou mm/min. Uma chuva de 1mm/min corresponde a uma vazão de 1 litro/min afluindo a uma área de 1 m2.

4.4.1 Pluviômetros O pluviômetro consiste em um cilindro receptor de água com medidas padronizadas, com um receptor adaptado ao topo. A base do receptor é formada por um funil com uma tela Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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obturando sua abertura menor. No fim do período considerado, a água coletada no corpo do pluviômetro é despejada, através de uma torneira, para uma proveta graduada, na qual se faz leitura. Essa leitura representa, em mm, a chuva ocorrida nas últimas 24 horas.

Figura 4.4 – Esquema de um pluviômetro e sua instalação 4.4.2 Pluviógrafos Os pluviógrafos possuem uma superfície receptora padrão de 200 cm2. O modelo mais utilizado no Brasil é o de sifão. Existe um sifão conectado ao recipiente que verte toda a água armazenado quando o volume retido equivale à 10 cm de chuva. Os registros dos pluviógrafos são indispensáveis para o estudo de chuvas de curta duração, que é necessário para os projetos de galerias pluviais. Existem vários tipos de pluviógrafos, porém somente três têm sido mais utilizados. Pluviógrafo de caçambas basculantes: consiste em uma caçamba dividida em dois compartimentos, arranjados de tal maneira que, quando um deles se enche, a caçamba bascula, esvaziando-o e deixando outro em posição de enchimento. A caçamba é conectada eletricamente a um registrador, sendo que uma basculada equivale a 0,25 mm de chuva. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Figura 4.5 - Pluviógrafo de caçambas basculantes Pluviógrafo de peso: Neste instrumento, o receptor repousa sobre uma escala de pesagem que aciona a pena e esta traça um gráfico de precipitação sob a forma de um diagrama (altura de precipitação acumulada x tempo).

Figura 4.6 - Pluviógrafo de peso Pluviógrafo de flutuador: Este aparelho é muito semelhante ao pluviógrafo de peso. Nele a pena é acionada por um flutuador situado na superfície da água contida no receptor. O gráfico de precipitação é semelhante ao do pluviógrafo descrito anteriormente.

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Figura 4.7 - Pluviógrafo de flutuador 4.4.3 Organização de redes Rede básica  recolhe permanentemente os elementos necessários ao conhecimento do regime pluviométrico de um País (ou Estado); Redes regionais  fornece informações para estudos específicos de uma região. Densidade da rede  É admitido no Brasil que uma média de um posto por 400 a 500 km2 seja suficiente. França  um posto a cada 200 km2; Inglaterra  um posto a cada 50 km2; Estados Unidos  um posto a cada 310 km2; No Estado de São Paulo, o DAEE/ CTH opera uma rede básica com cerca de 1000 pluviômetros e 130 pluviógrafos, com uma densidade de aproximadamente um posto a cada 250 km2. 4.4.4 Pluviogramas Os gráficos produzidos pelos pluviógrafos de peso e de flutuador são chamados de pluviogramas. Os pluviogramas são gráficos nos quais a abscissa corresponde às horas do dia e a ordenada corresponde à altura de precipitação acumulada até aquele instante.

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Figura 4.8 - Pluviograma 4.4.5 Ietogramas Os ietogramas são gráficos de barras, nos quais a abscissa representa a escala de tempo e a ordenada a altura de precipitação. A leitura de um ietograma é feita da seguinte forma: a altura de precipitação corresponde a cada barra é a precipitação total que ocorreu durante aquele intervalo de tempo. 4.5 Manipulação e processamento dos dados pluviométricos Os postos pluviométricos são identificados pelo prefixo e nome e seus dados são analisados e arquivados individualmente.

Figura 4.9 – Ietograma. Os dados lidos nos pluviômetros são lançados diariamente pelo observador na folhinha própria, que remete-a no fim de cada mês para a entidade encarregada. Antes do processamento dos dados observados nos postos, são feitas algumas análises de consistência dos dados: a) Detecção de erros grosseiros Como os dados são lidos pelos observadores, podem haver alguns erros grosseiros do tipo: 

observações marcadas em dias que não existem (ex.: 31 de abril); Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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

quantidades absurdas (ex.: 500 mm em um dia);



erro de transcrição (ex.: 0,36 mm em vez de 3,6 mm).

No caso de pluviógrafos, para verificar se não houve defeito na sifonagem, acumula-se a quantidade precipitada em 24 horas e compara-se com a altura lida no pluviômetro que fica ao lado destes. b) Preenchimento de falhas Pode haver dias sem observação ou mesmo intervalo de tempo maiores, por impedimento do observador ou o por estar o aparelho danificado. Nestes casos, os dados falhos, são preenchidos com os dados de 3 postos vizinhos, localizados o mais próximo possível, da seguinte forma:

 N N 1 N Px   x PA  x PB  x PC  3 NA NB NC 

(4.1)

onde Px é o valor de chuva que se deseja determinar; Nx é a precipitação média anual do posto x; NA, NB e NC são, respectivamente, as precipitações médias anuais do postos vizinhos A, B e C; PA, PB e PC são, respectivamente, as precipitações observadas no instante que o posto x falhou. c) Verificação da homogeneidade dos dados Mudanças na locação ou exposição de um pluviômetro podem causar um efeito significativo na quantidade de precipitação que ele mede, conduzindo a dados inconsistentes (dados de natureza diferente dentro do mesmo registro). A verificação da homogeneidade dos dados é feita através da análise de dupla-massa. Este método compara os valores acumulados anuais (ou sazonais) da estação X com os valores da estação de referência, que é usualmente a média de diversos postos vizinhos. A figura abaixo mostra um exemplo de aplicação desse método, no qual a curva obtida apresenta uma mudança na declividade, o que significa que houve uma anormalidade.

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Figura 4.10 – verificação da homogeneidade dos dados. A correção dos dados inconsistentes podem ser feitas da seguinte forma: Pa 

Ma P0 M0

(4.2)

onde Pa são os valores corrigidos; P0 são dados a serem corrigidos; Ma é o coeficiente angular da reta no período mais recente; M0 é o coeficiente angular da reta no período anterior à sua inclinação. 4.6 Variação geográfica e temporal das precipitações A precipitação varia geográfica, temporal e sazonalmente. O conhecimento da distribuição e variação da precipitação, tanto no tempo como no espaço, é imprescindível para estudos hidrológicos. 4.6.1 Variação geográfica Em geral, a precipitação é máxima no Equador e decresce com a latitude. Entretanto, existem outros fatores que afetam mais efetivamente a distribuição geográfica da precipitação do que a distância ao Equador.

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4.6.2 Variação temporal Embora os registros de precipitações possam sugerir uma tendência de aumentar ou diminuir, existe na realidade uma tendência de voltar à média. Isso significa que os períodos úmidos, mesmo que irregularmente, são sempre contrabalançados por períodos secos. Em virtude das variações estacionais, define-se o Ano hidrológico, que é dividido em duas “estações”, o semestre úmido e semestre seco. A tabela 4.1 a seguir ilustra, com dados da bacia do rio Guarapiranga, a definição dos semestres úmido e seco. Tabela 4.1 – Precipitações mensais – Bacia do Guarapiranga. Mês

Pmed (mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

241,3 215,1 175,7 105,0 79,7 63,2 47,7 53,9 91,8 138,1 144,8 206,0

Pmed/Ptot. anual (%) 15,45 13,77 11,25 6,72 5,10 4,04 3,05 3,45 5,88 8,84 9,27 13,18

Define-se como semestre úmido os meses de outubro a março e semestre seco os meses abril a setembro (Figura 4.10).

Figura 4.10 – Precipitações mensais – Bacia do Guarapiranga (1929-1985).

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4.7 Precipitações médias sobre uma bacia hidrográfica Para calcular a precipitação média de uma superfície qualquer, é necessário utilizar as observações dos postos dentro dessa superfície e nas suas vizinhanças. Existem três métodos para o cálculo da chuva média: método da Média Aritmética, método de Thiessen e método das Isoietas. 4.7.1 Método da Média Aritmética Consiste simplesmente em se somarem as precipitações observadas nos postos que estão dentro da bacia e dividir o resultado pelo número deles. n

h

h i 1

i

(4.3)

n

onde h é chuva média na bacia; hi é a altura pluviométrica registrada em cada posto; n é o número de postos na bacia hidrográfica. Este método só é recomendado para bacias menores que 5.000 km 2, com postos pluviométricos uniformemente distribuídos e a área for plana ou de relevo suave. Em geral, este método é usado apenas para comparações. 4.7.2 Métodos dos Polígonos de Thiessen Polígonos de Thiessen são áreas de “domínio” de um posto pluviométrico. Considera-se que no interior dessas áreas a altura pluviométrica é a mesma do respectivo posto. Os polígonos são traçados da seguinte forma: 1º. Dois postos adjacentes são ligados por um segmento de reta; 2º. Traça-se a mediatriz deste segmento de reta. Esta mediatriz divide para um lado e para outro, as regiões de “domínio”.

Figura 4.11 – Traçado do polígono de Thiessen Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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3º. Este procedimento é realizado, inicialmente, para um posto qualquer (ex.: posto B), ligando-o aos adjacentes. Define-se, desta forma, o polígono daquele posto.

Figura 4.12 - Polígono de Thiessen 4º. Repete-se o mesmo procedimento para todos os postos. 5º. Desconsidera-se as áreas dos polígonos que estão fora da bacia. 6º. A precipitação média na bacia é calculada pela expressão: n

P

A P i

i 1

i

(4.4)

A

onde h é a precipitação média na bacia (mm); hi é a precipitação no posto i (mm); Ai é a área do respectivo polígono, dentro da bacia (km2); A é a área total da bacia. 4.7.3 Método das Isoietas Isoietas são linhas indicativas de mesma altura pluviométrica. Podem ser consideradas como “curvas de nível de chuva”. O espaçamento entre eles depende do tipo de estudo, podendo ser de 5 em 5 mm, 10 em 10 mm, etc. O traçado das isoietas é feito da mesma maneira que se procede em topografia para desenhar as curvas de nível, a partir das cotas de alguns pontos levantados. Descreve-se a seguir o procedimento de traçado das isoietas: 1º. Definir qual o espaçamento desejado entre as isoietas. 2º. Liga-se por uma semi-reta, dois postos adjacentes, colocando suas respectivas alturas pluviométricas. 3º. Interpola-se linearmente determinando os pontos onde vão passar as curvas de nível, dentro do intervalo das duas alturas pluviométricas.

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Figura 4.13 - Método das Isoietas 4º. Procede-se dessa forma com todos os postos pluviométricos adjacentes. 5º. Ligam-se os pontos de mesma altura pluviométrica, determinando cada isoieta. 6º. A precipitação média é obtida pela Equação 4.5

     h 2h  A n

h

i 1

(4.5)

i 1

i





i

A

Em que hi = valor da isoieta de ordem i (mm); hi+1 = valor da isoieta de ordem i+1 (mm); e Ai = área entre duas isoietas sucessivas. Exercício-exemplo 4.1: Cálculo de precipitação média pelo método de Thiessen. A figura abaixo mostra a bacia hidrográfica do Ribeirão Vermelho e 10 postos pluviométricos, instalados no seu interior e nas áreas adjacentes. Os totais anuais de chuva dos referidos postos estão apresentados na tabela abaixo: Posto pluviométrico P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

Precipitação anual (mm) 703,2 809,0 847,2 905,4 731,1 650,4 693,4 652,4 931,2 871,4

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Com base nestes dados, pede-se: a)

traçar o polígono de Thiessen;

b)

Indicar o procedimento de cálculo para determinar a chuva média na bacia.

Solução: a) Traçado dos polígonos de Thiessen

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c) Estimativa da precipitação média na bacia Posto Precipitação Área do polígono pluviométrico anual (mm) (1) dentro da B.H. (2) P1 703,2 A1 P2 809,0 A2 P3 847,2 A3 P4 905,4 A4 P5 731,1 A5 P6 650,4 A6 P7 693,4 A7 P8 652,4 A8 P9 931,2 A9 = 0 P10 871,4 A10 Totais

A = área da BH

Coluna 1 x coluna 2 A1 x 703,2 A2 x 809,0 A3 x 847,2 A4 x 905,4 A5 x 731,1 A6 x 650,4 A7 x 693,4 A8 x 652,4 0 A10 x 871,4 Ai.Pi

n

P

AP i

i 1

i

A

Para completar o cálculo, é necessário determinar as áreas Ai e A. Exercício-exemplo 4.2: Cálculo da chuva média pelo método das isoietas. Dada a bacia do Rio das Pedras e a altura pluviométrica de 6 postos localizados no seu interior e área circunvizinhas, pede-se: a) traçar as isoietas, espaçadas de 100 mm; b) indicar o cálculo da precipitação média na bacia.

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Solução: a) isoietas de 100 em 100 mm

c)

indicação para o cálculo da chuva média.

Pi – altura pluviométrica média entre duas isoietas ou uma isoieta e divisor de água (mm); Ai – área da bacia entre duas isoietas consecutivas (km2); Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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A = Ai – área total da bacia (km2). Áreas parciais (km²) (1) A1 A2 A3 A4 A5 A6 A = Ai

Altura pluviométrica média (mm) (2) (1610+1700) : 2 = 1655 (1700+1800) : 2 = 1750 (1800+1900) : 2 = 1850 (1900+2000) : 2 = 1950 (2000+2100) : 2 = 2150 (2100+2110) : 2 = 2105

Coluna 1 x coluna 2 A1 x 1655 A2 x 1750 A3 x 1850 A4 x 1950 A5 x 2150 A6 x 2105 Ai Pi

n

P

AP i

i 1

i

A

Para completar o cálculo, é necessário determinar as áreas Ai e A. 4.8

Chuvas intensas

-

Conjunto de chuvas originadas de uma mesma perturbação meteorológica, cuja intensidade ultrapassa um certo valor (chuva mínima).

-

A duração das chuvas varia desde alguns minutos até algumas dezenas de horas.

-

A área atingida pode variar desde alguns km2 até milhares de km2.

-

Conhecimento das precipitações intensas de curta duração  é de grande interesse nos projetos de obras hidráulicas, tais como: dimensionamento de galerias de águas pluviais, de telhados e calhas, condutos de drenagem, onde o coeficiente de escoamento superficial é bastante elevado.

-

O conhecimento da freqüência de ocorrência das chuvas de alta intensidade é também de importância fundamental para estimativa de vazões extremas para cursos d´água sem medidores de vazão.

4.8.1

Métodos para Estimativa da Freqüência de Totais Precipitados

Embora não seja possível prever-se as precipitações máximas anuais que ocorrerão num futuro distante, pode-se afirmar que as freqüências de ocorrência no passado serão válidas para descrever as probabilidades de ocorrência no futuro.  Diferenciação entre probabilidade e freqüência   Probabilidade: refere-se a eventos não conhecidos  Freqüência: refere-se a eventos observados

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51

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 Método CALIFÓRNIA  Aplicável somente para séries infinitas (teóricas).  F varia de 0 a 100%.  m F n

(4.5)

em que: F = freqüência com que um evento de ordem “m” foi igualado ou superado; m = ordem do evento (número de vezes que uma precipitação da mesma altura ocorreu ou foi ultrapassada em “n” anos); e n = número de anos de observação. T

1 1 ou T  P F

(4.6)

em que: T = período de retorno, em anos. P = probabilidade de que a precipitação seja igualada ou superada dentro de um ano.  Método de KIMBAL  Válido para séries finitas (amostra limitada da população).

F

m n 1

 Para T < n, o valor de F fornece uma boa idéia do valor real da probabilidade.  Para T > n, a repartição de freqüências deve ser ajustada a uma lei probabilística teórica para permitir o cálculo mais correto da probabilidade. EXEMPLO:  Considere a série de precipitações máximas anuais (mm) representada a seguir: ANO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 196_ 103,4 88,9 91,4 132,2 76,4 197_ 123,5 82,3 100,3 112,1 94,5 97,8 108,0 78,1 99,1 198_ 73,2 120,4 89,4 82,5 108,6 83,4 76,0 67,4 107,5 199_ 79,0 94,3 87,5 107,4

9 91,2 105,0 94,30

Qual o período de retorno correspondente a cada um dos eventos da série? -

Dados de precipitações intensas  obtidos dos registros pluviográficos sob a forma de pluviogramas.

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4.8.2 Curvas de freqüências de precipitações

-

De pluviogramas pode-se estabelecer, para diversas durações, as máximas intensidades ocorridas durante uma dada chuva (não é necessário que as durações maiores incluam as menores).

-

Durações usuais  5, 10, 15, 30 e 45 min; 1, 2, 3, 6, 12, e 24 horas.

-

Limite inferior: 5 min.  menor intervalo que se pode ler nos pluviogramas com precisão.

-

Limite superior: 24 h  para durações maiores que este valor, podem ser utilizados dados observados em pluviômetros.

-

N º de intervalos de duração citado anteriormente  fornece pontos suficientes para definir curvas de intensidade-duração da precipitação, referentes a diferentes freqüências.

-

Série de máximas intensidades pluviométricas:  série anual  constituída pelos mais altos valores observados em cada ano. (mais significativa).  série parcial  constituída de “n” maiores valores observados no período total de observação, sendo “n” o nº de anos no período. Tabela 4.1 - Freqüência das maiores precipitações em Curitiba (em mm). i 1 2 3 4 . .

5 18,4 16,9 15,5 15,1 . .

10 26,7 24,9 24,8 23,9 . .

31

9,7

16,2

15 34,2 32,7 32,7 32,4 . .

Durações (em min.) 20 30 45 45,2 54,7 73,1 41,0 52,4 65,7 37,9 45,8 62,3 37,1 41,8 48,7 . . . . . .

60 75,1 69,6 69,6 65,9 . .

90 81,9 72,0 71,8 70,8 . .

120 82,4 72,9 72,4 71,8 . .

19,6

23,3

34,6

38,9

39,3

28,4

31,3

Tabela 4.2-Precipitações da tabela anterior transformadas em intensidades (em mm/min). i 1 2 3 4 . .

5 3,68 3,38 3,10 3,02 . .

10 2,67 2,49 2,48 2,39 . .

15 2,28 2,18 2,18 2,16 . .

Durações (em min.) 20 30 45 2,26 1,82 1,63 2,05 1,75 1,46 1,90 1,53 1,38 1,86 1,39 1,08 . . . . . .

60 1,25 1,16 1,16 1,09 . .

90 0,91 0,80 0,80 0,79 . .

120 0,68 0,61 0,60 0,60 . .

31

1,94

1,62

1,31

1,17

0,58

0,43

0,33

0,95

0,70

A probabilidade ou freqüência de ocorrência será dada por: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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PF

i (Fórmula de Kimbal) n 1

Para i = 3 

F T

3  0,09375 31  1

1 1 1  T  10,67 anos   P F 0,09375

Figura 4.14 – Precipitações que ocorrem em Curitiba 3 vezes em 31 anos. As curvas de intensidade – duração podem ser definidas por meio de uma equação da seguinte forma:

P

A (t  B) n

(4.7)

Na qual P é a intensidade média de chuva em mm por hora, t é a duração em minutos, A, B e n são constantes. 4.8.3 Variação da intensidade com a freqüência Em Hidrologia interessa não só o conhecimento das máximas precipitações observadas nas séries históricas, mas principalmente, prever com base nos dados observados, quais as máximas precipitações que possam vir a ocorrer com uma determinada freqüência. Em geral, as distribuições de valores extremos de grandezas hidrológicas, como as chuvas e os deflúvios, ajustam-se satisfatoriamente à distribuição de Fisher-Tippet tipo I, conhecida também como distribuição de Gumbel.

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Figura 4.15 - Curva teórica de distribuição de valores é assimétrica. P  1  e e

y

(4.8)

P = probabilidade de ocorrer um valor igual ou superior ao analisado, no período de retorno considerado (decimal). Para Séries Finitas: y

P( X  x )  1  e  e 

1 T

(4.9)

ou seja:   T  1  y   ln  ln    T  

(4.10)

onde: P = probabilidade de um valor extremo X ser maior ou igual a um dado valor x; T = período de retorno; y = variável reduzida de Gumbel. A relação entre yT e xT é dada por: yT 

x T  X  0,45 Sx 0,7797 Sx

(4.11)

onde X  média de amostra Sx = desvio padrão de amostra.

X

x n

SX 

2  ( X i  X) n 1

(4.12) (4.13)

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EXEMPLO: Considere a série de precipitações máximas anuais (mm) representada a seguir: ANO 196_ 197_ 198_ 199_

0

1

2

3

123,5 73,2 79,0

82,3 120,4 94,3

100,3 89,4 87,5

112,1 82,5 107,4

4 103,4 94,5 108,6

5 88,9 97,8 83,4

6 91,4 108,0 76,0

7 132,2 78,1 67,4

8 76,4 99,1 107,5

9 91,2 105,0 94,30

Determine as precipitações máximas correspondentes a períodos de retorno de 10, 50 e 100 anos

X

 x 103,4  88,9    87,5  107,4   95,7 n 30

SX 

2 (103,4  95,7) 2  (88,9  95,7) 2  (107,4  95,7) 2  ( X i  X)  16,624 n 1 30  1

   T  1   10  1  y   ln  ln    ln  ln   2 ,250  T   10    yT 

x T  X  0,45 Sx  0,7797 Sx

x10  95,7  0 ,45 x 16 ,624  117,38 mm é precipitação máxima para um período de 0 ,7797 x 16 ,624 retorno de 10 anos 2 ,250 

Fazer para 50 e 100 anos 4.8.4 Relação Intensidade – Duração – Freqüência (I-D-F) Procura-se analisar as relações I-D-F das chuvas observadas determinando-se para os diferentes intervalos de duração de chuva, qual o tipo de equação e qual o número de parâmetros dessa equação. É usual empregar-se equações do tipo: i

C (t  t 0 ) n

(4.10)

onde i é a intensidade máxima média (mm/min.) para duração t; t0, C e n são parâmetros a determinar. Certos autores procuram relacionar C com o período de retorno T, por meio de uma equação do tipo:

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C  K .T A

(4.11)

Então, a equação 4.10 pode ser escrita como: i

K .T A ( t  b )c

(4.12)

4.8.5 Equações de chuvas intensas No Quadro 4.3 estão apresentados os parâmetros da equação de intensidade-duração e freqüência de algumas cidades do Estados de Minas Gerais

Quadro 4.3 - Parâmetros da equação de intensidade-duração e freqüência de algumas cidades do Estados de Minas Gerais Localidade Aimorés Araxá Arinos Bambuí Barbacena Belo Horizonte Capinópolis Caratinga Caxambí Diamantina Espinosa Formoso Gov. Valadares Januária João Pinheiro Lavras Machado Montes Claros Patos de Minas Paracatu Pedra Azul Pirapora Salinas Sete Lagoas Teófilo Otoni Uberada Uberlandia Unaí Viçosa

K 1248,576 2998,661 1909,102 1343,837 2023,567 117,295 1049,375 3600,751 2346,221 613,113 1480,084 449,996 3195,594 653,774 1508,326 3500,000 3498,787 3500,014 4316,449 2116,670 4998,972 3346,946 6998,425 2520,616 1683,425 3000,000 1167,284 6000,000 1082,798

A 0,227 0,163 0,188 0,251 0,281 0,255 0,274 0,235 0,298 0,234 0,273 0,259 0,292 0,209 0,284 0,235 0,238 0,248 0,250 0,215 0,251 0,208 0,273 0,204 0,261 0,206 0,233 0,313 0,265

b 12,268 32,009 20,499 25,499 20,981 13,381 13,968 28,083 25,567 14,307 23,845 33,443 43,520 10,513 21,129 40,083 31,951 34,992 41,890 25,346 34,654 38,457 42,653 30,392 22,166 37,459 17,245 41,248 23,781

c 0,814 0,931 0,895 0,788 0,957 0,806 0,784 1,036 0,987 0,665 0,892 1,028 0,913 0,676 0,820 0,958 1,024 0,993 1,014 0,874 1,094 0,949 1,116 0,937 0,857 0,904 0,747 1,053 0,775

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Nas três equações abaixo, i é a intensidade da chuva em mm/h, T é o período de retorno em anos e t é a duração da chuva em minutos. Para São Paulo (eng. Paulo Sampaio Wilken): i

3462 ,7.T 0,172 t  22 1,025

Para Rio de Janeiro (eng. Ulysses Alcântara): 1239 .T 0,15 i (t  20) 0, 74

Para Curitiba (eng. Parigot de Souza): 5950 .T 0, 217 i (t  26)1,15

Exercício-exemplo 4.3: Calcular a intensidade da chuva para seguintes condições: cidade de São Paulo, período de retorno de 50 anos e duração de 80 minutos. 3462 ,7.T 0,172 Equação da chuva intensa para cidade de São Paulo: i  t  22 1,025 i=? T = 50 anos; t = 80 minutos. i

3462 ,7.50 0,172 6786 ,4   59,3 mm/h 80  22 1,025 114,5

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5.EVAPOTRANSPIRAÇÃO 5.1 Evaporação, Transpiração e Evapotranspiração 5.1.1 Conceitos Evaporação é o conjunto de fenômenos de natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, a dos cursos de água, lagos, reservatórios de acumulação e mares. Transpiração é a evaporação devida à ação fisiológica dos vegetais. As plantas, através de suas raízes, retiram do solo a água para suas atividades vitais. Parte dessa água é cedida à atmosfera, sob a forma de vapor, na superfície das folhas. Ao conjunto das duas ações dá-se o nome de evapotranspiração. Evapotranspiração potencial é a máxima evapotranspiração que ocorreria se o solo dispusesse de suprimento de água, suficiente. Evapotranspiração real ou efetiva é a perda d’água por evaporação e transpiração, nas condições reinantes (atmosféricas e de umidade do solo). Nos períodos de deficiência de chuva em que os solos tornam-se mais secos, a evapotranspiração real é sempre menor do que a potencial. 5.1.2 Grandezas Características Perda por evaporação (ou por transpiração) é a quantidade de água evaporada por unidade de área horizontal durante um certo intervalo de tempo. Intensidade de evaporação (ou de transpiração) é a velocidade com que se processam as perdas por evaporação. Pode ser expressa em mm/hora ou em mm/dia. 5.1.3 Fatores Intervenientes a) Grau de umidade relativa do ar O grau de umidade relativa do ar atmosférico é a relação entre a quantidade de vapor de água aí presente e a quantidade de vapor de água no mesmo volume de ar se estivesse saturado de umidade. Essa grandeza é expressa em porcentagem. Quanto maior for a quantidade de vapor de água no ar atmosférico, tanto maior o grau de umidade e menor a intensidade de evaporação Eq. 5.1 e 5.1. (5.1) ou (5.2) Em que: onde UR é a umidade relativa; W é a massa de vapor pela massa de ar e Ws é a massa de vapor por massa de ar no ponto de saturação e é a pressão parcial de vapor no ar e es é pressão de saturação. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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b) Temperatura A elevação da temperatura tem influência direta na evaporação porque eleva o valor da pressão de saturação do vapor de água, permitindo que maiores quantidades de vapor de água possam estar presentes no mesmo volume de ar, para o estado de saturação.

Figura 5.1 – Relação entre a temperatura, pressão de vapor umidade do ar.

c) Vento O vento atua no fenômeno da evaporação renovando o ar em contato com as massas de água ou com a vegetação, afastando do local as massas de ar que já tenham grau de umidade elevado. Com vento forte a turbulência é maior e a transferência para regiões mais altas da atmosfera é mais rápida, e a umidade próxima à superfície é menor, aumentando a taxa de evaporação. d) Radiação Solar O calor radiante fornecido pelo Sol constitui a energia motora para o próprio ciclo hidrológico. A quantidade de energia solar que atinge a Terra no topo da atmosfera está na faixa das ondas curtas. Na atmosfera e na superfície terrestre a radiação solar é refletida e sofre transformações. O processo de fluxo de calor latente é onde ocorre a evaporação. A intensidade desta evaporação depende da disponibilidade de energia. Regiões mais próximas ao Equador recebem maior radiação solar, e apresentam maiores taxas de evapotranspiração. Da mesma forma, em dias de céu nublado, a radiação solar é refletida pelas nuvens, e nem chega a superfície, reduzindo a energia disponível para a evapotranspiração.

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Figuea 5.2 – Efeito da radiação na evapotranspiração e) Pressão barométrica A influência da pressão barométrica é pequena, só sendo apreciada para grandes variações de altitude. Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade de evaporação. f) Outros fatores Além desses fatores, pode-se citar as influências inerentes à superfície evaporante, a saber: tamanho da superfície evaporante, estado da área vizinha, salinidade da água, umidade do solo, composição e textura do solo, etc. 5.2 Determinação da evaporação e evapotranspiração A tabela a seguir resume os principais meios utilizados nas determinações da evaporação e da evapotranspiração real e potencial.

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Tabela 5.1 - Meios utilizados nas determinações da evaporação e da evapotranspiração. OBTENÇÃO PARÂMETRO EVAPORAÇÃO POTENCIAL

-

EVAPORAÇÃO REAL

DIRETA a) Evaporímetros tanque Classe A tanque Colorado tanque russo tanque CGI

Método de Penman

b) Atmômetros Piche Livingstone Bellani Lisímetros (sem vegetação)

EVAPOTRANSPIRAÇÃO POTENCIAL

EVAPOTRANSPIRAÇÃO REAL

INDIRETA

-

Thornthwaite Hargreaves-Samani Blaney-Criddle Penman-Monteith outros

a) b) c)

Lisímetros de percolação de pesagem Parcelas experimentais Controle de umidade do solo d) Balanço hídrico da bacia

5.2.1 Medida e estimativa da evaporação potencial a) Evaporímetros São tanques que expõem à atmosfera uma superfície líquida de água permitindo a determinação direta da evaporação potencial diariamente. O mais utilizado é o tipo classe A do U.S. Weather Bureau que é um tanque circular galvanizado ou metal equivalente (figura 5.3).

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Figura 5.3 – Tanque “Classe A” – US Weather Bureau. Procedimento da medida: Efetuar a leitura, do dia ou horário, do nível d’água no tanque (ea) Comparar com a leitura anterior, do dia ou horário (ed) Calcular a diferença e1 = ed – ea Estamos perante duas possibilidades, ter ou não ter ocorrido chuva no intervalo entre as duas leituras. 1º.) não houve chuva então Eo = e1 2º.) houve chuva, com altura pluviométrica h1 então Eo = e1 + h1 Atenção: no caso de ter havido chuva intensa, o valor de e1 pode ser negativo. Obs.: Quando ocorrer transbordamento no tanque a leitura será perdida. Com o valor da evaporação potencial (E) pode-se estimar a evapotranspiração potencial (ETP) pela correlação: ETP = kp x E

(5.4)

onde: E = evaporação medida no tanque evaporimétrico em mm/dia; ETP = evapotranspiração potencial em mm/dia, representa a média diária para o período considerado; kp = coeficiente de correlação, que depende do tipo de tanque e de outros parâmetros meteorológicos. Como o tanque evaporimétrico Classe A é largamente utilizado no Brasil, na Tabela 5.2 abaixo estão indicados valores do coeficiente kp, para o tanque classe A.

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Tabela 5.2 – Valores do coeficiente Kp para para conversão da EV medida no tanque Classe A para ETo.

c) Atmômetros  Atmômetro de Piché É constituído por um tubo cilíndrico de vidro, de 25 cm de comprimento e 1,5 cm de diâmetro. O tubo é graduado e fechado em sua parte superior; a abertura inferior é obturada por uma folha circular de papel-filtro padronizado, de 30 mm de diâmetro e de 0,5 mm de espessura, fixado por capilaridade e mantido por uma mola. O aparelho é previamente enchido de água destilada, a qual se evapora progressivamente pela folha de papel-filtro; a diminuição do nível d’água no tubo permite calcular a taxa de evaporação. O processo de evaporação está ligado essencialmente ao déficit higrométrico do ar e o aparelho não leva em conta a influência da insolação, já que costuma ser instalado debaixo de um abrigo para proteger o papelfiltro à ação da chuva. A relação entre as evaporações anuais medidas em um mesmo ponto em um tanque Classe A e um do tipo Piché é bastante variável. Os valores médios dessa relação estão compreendidas entre 0,45 e 0,65.

Figura 5.4 – Atmômetro de Piché.

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 Atmômetro Livingstone É essencialmente constituído por uma esfera oca de porcelana porosa de cerca de 5 cm de diâmetro e 1 cm de espessura; ela é cheia de água destilada e se comunica com uma garrafa contendo água destilada que assegura o permanente enchimento da esfera e permite a medida do volume evaporado. 5.2.2 Determinação da Evapotranspiração Potencial Além da possibilidade de obtenção da evapotranspiração potencial a partir da correlação com a evaporação potencial, são usuais também os métodos de Thorntwaite, Blaney-Criddle e outros. a. Método de Thorntwaite O método de Thorntwaite é muito utilizado em todas as regiões, já que baseia-se somente na temperatura, que é um dado normalmente coletado em estações meteorológicas. Entretanto, por basear-se apenas nesse parâmetro, pode levar a resultados errôneos, pois a temperatura não é um bom indicador da energia disponível para a evapotranspiração. Outras limitações do método são: não considera a influência do vento, nem da advecção do ar frio ou quente, não permite estimar a ETP para períodos diários. Seu uso é mais adequado para regiões úmidas. Neste método, a ETP pode ser estimada pela equação abaixo:

 10  t  ETP  f  1,6     I 

a

(5.5)

onde: ETP = evapotranspiração mensal ajustado, em cm; f = fator de ajuste em função da latitude e mês do ano; t = temperatura média mensal, em C; I = índice de calor anual dado por: 1, 514

t I   i onde i    5 1 12

(5.6)

O valor de a é dado pela função cúbica do índice de calor anual: a = 6,75.10-7.I3 – 7,71.10-5.I2 + 1,792.10-2.I + 0,49239

(5.7)

Os valores obtidos pela fórmula de Thornthwaite são válidos para meses de 30 dias com 12 horas de luz por dia. Como o número de horas de luz por dia muda com a latitude e também porque há meses com 28 e 31 dias, torna-se necessário proceder correções. O fator de correção (f) é obtido da seguinte forma:

f

h n  12 30

(5.8)

onde: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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h = número de horas de luz na latitude considerada; n = número de dias do mês em estudo. EXEMPLO DE APLICAÇÃO Para um local situado a 22° 42´S, calcular a evapotranspiração potencial segundo método de Thornthwaite, sabendo-se que a temperatura normal (°C) tem a seguinte distribuição ao longo do ano: Mês Jan Fev Mar Abr Mai jun

T °C 24 24,7 23,9 21,1 17,6 16,8

Mês Jul Ago Set Out Nov Dez Média anual

T °C 17,2 18,9 20,3 22,2 22,9 23,8 21,1

Cálculo do índice I: I = (0,2 Ti)1,514 = (0,2 x 24,7)1,514 + ... + (0,2 x 23,8)1,514 I = 10,74977 + 11,22801 + ... + 10,61444 = 106,9928 Cálculo de a: a = 6,75 x 10-7 x I3 – 7,71 x 10-5 x I2 + 1,792 x 10-2 x I + 0,49239 a = 6,75 x 10-7 x (106,9928) 3 – 7,71 x 10-5 x (106,9928) 2 + 1,792 x 10-2 x (106,9928) + 0,49239 a = 0,82674 – 0,88260 + 1,91646 + 0,49239 = 2,353 Cálculo da ETP

 10  t  ETP  f  1,6     I 

a

JAN : ETPP = 16 ( 10*24/106,9928)2,353 = 107,1mm.mês-1 FEV : ETPP = 16 ( 10*24,7/106,9928)2,353= 114,6 mm. mês-1 (Repete-se este procedimento para todos os meses)

Cálculo da ETP: ETP = ETPP* CORR Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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CORR = N * ND / (12 * 30 ) JAN : ETP = 107,1 * 1,15 = 123,2 mm. mês-1 FEV : ETP = 114,6 * 1,00 = 114,6 mm. mês-1 (Repete-se este procedimento para todos os meses) b. Método de Hargreaves - Samani Usando dados obtidos no lisímetro de Davis, Califórnia (clima semi-árido), com gramado, Hargreaves e Samani (1985) propuseram a seguinte equação para estimativa de ETo diária (mm.d-1 ). ETo = 0,0023 Qo ( T max – T min )0,5 ( T + 17,8 )

(5.9)

em que Qo é a radiação extraterrestre (Quadro 5.4), em mm.d-1; Tmax é a temperatura máxima; T min é a temperatura mínima; e T é a temperatura média diária. Para o caso de El Savador, em que Tmax e Tmin são fortemente dependente da altitude, Hargreaves e Samani sugerem que ETo pode ser estimada pela formula simplificada, isto é: ETo = Qo (0,348 - 5 *10-5 h) (1-0,0002h) –5

(5.10)

em que h é altitude, em metros. Em locais próximos do nível do mar em que h= 0, a equação anterior reduz-se a ETo= 0,348Qo Em áreas que Tmax e Tmin são relativamente constantes, eles propuseram a seguinte simplificação. ETo = Kr Qo

(5.11)

em que o coeficiente Kc varia com a altitude e com o total de chuva no período. Para Sri Lanka, eles encontraram os seguintes valores médios semanais: Kr = 0,36 para semanas sem chuvas; Kr = 0,33 para semanas com total de chuvas menor que 50mm; Kr = 0,29 para semanas com total de chuvas maior que 50mm. Para o Estado de São Paulo, Sentelhas e Camargo (1996) verificaram que, na escala mensal, este método superestima a evapotranspiração potencial medida em lisímetros de drenagem cultivado com grama. EXEMPLO DE APLICAÇÃO Calcular a ETo pelo método de Hagreaves – Samani para um dia com Tmax = 30,5ºC, Tmin = 13,8ºC, e T = 22,2ºC. A latitude do local é 22º42’ S, e o mês é dezembro. ETo = 0,0023 Qo (T max – T min )0,5 ( T + 17,8 ) Pelo quadro A.2 (Apêndice), Qo = 17 mm.d-1.

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ETo = 0,0023 *17* (30,5 – 13,8 )0,5 ( 22,2 + 17,8 ) = 6,4 mm.d-1. Apenas a titulo de comparação, o método de radiação estimou para esse mesmo dia 6,3 e 6,5 mm. Evidentemente que isto não significa que tais estimativas estejam corretas. Pode ter sido mera coincidência. Quadro 5.4 - Radiação solar extraterrestre (Qo), em milímetros de evaporação equivalente, no dia 15 de cada mês

Lat Sul 16° 18° 20° 22° 24° 26° 28° 30°

Radiação solar extraterrestre (Qo), em milímetros de evaporação equivalente Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 16,5 16,7 16,7 16,9 16,9 17,0 17,1 17,2

15,9 15,9 16,0 16,0 15,9 15,9 15,8 15,7

14,8 14,7 14,5 14,3 14,1 13,9 13,7 13,5

13,0 12,7 12,4 12,0 11,7 11,4 11,1 10,8

11,3 10,9 10,6 10,2 9,8 9,4 9,0 8,5

10,4 10,0 9,6 9,1 8,6 8,1 7,8 7,4

10,8 10,4 10,0 9,6 9,1 8,7 8,3 7,8

12,1 11,8 11,5 11,1 10,7 10,4 10,0 9,6

13,8 13,7 13,5 13,1 13,1 12,8 12,6 12,2

15,3 15,3 15,3 15,2 15,1 15,0 14,9 14,7

16,1 16,2 16,4 16,5 16,5 16,6 16,6 16,7

16,4 16,7 16,8 17,0 17,1 17,3 17,5 17,6

c. Método de Blaney-Criddle Este método foi desenvolvido em 1950, na região oeste dos EUA, sendo por isso mais indicado para zonas áridas e semi-áridas, e consiste na aplicação da seguinte fórmula para avaliar a evapotranspiração potencial: ETP = p.(0,457.t + 8,13)

(5.12)

onde: ETP = evapotranspiração potencial, em mm/mês; p = porcentagem mensal de horas-luz do dia durante o ano (“p”) é o valor médio mensal Tabela 5.5; t = temperatura média mensal do ar, em C.

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Tabela 5.5 – Valores de p.

Lat Sul 16° 18° 20° 22° 24° 26° 28° 30°

Jan

Fev

Mar

Valores de p degundo Blaney-Criddle Abr Mai Jun Jul Ago Set

9,08 9,17 9,26 9,35 9,44 9,55 9,65 9,75

8,00 8,04 8,08 8,12 8,17 8,22 8,27 8,32

8,56 8,57 8,58 8,59 8,60 8,63 8,63 8,64

7,97 7,94 7,89 7,86 7,83 7,81 7,78 7,73

7,99 7,95 7,88 7,75 7,64 7,56 7,49 7,44

7,61 7,52 7,43 7,33 7,24 7,14 7,04 6,93

7,89 7,79 7,71 7,62 7,54 7,46 7,38 7,28

8,12 8,08 8,02 7,95 7,90 7,84 7,78 7,70

8,15 8,13 8,12 8,11 8,10 8,10 8,08 8,07

Out

Nov

Dez

8,71 8,75 8,79 8,83 8,87 8,91 8,95 8,99

8,76 8,83 8,91 8,97 9,04 9,15 9,20 9,26

9,16 9,23 9,33 9,42 9,53 9,66 9,76 9,88

d. Penman-Monteith

Em 1948, Penman combinou o equilíbrio de energia com o método de transferência de massa e derivou uma equação para calcular a evaporação de uma superfície de água livre levando em consideração dados climatológicos como radiação solar, temperatura, umidade e velocidade de vento. Este método denominado método combinado pois considera efeitos aerodinâmicos e o balanço de energia foi desenvolvido mais adiante por muitos investigadores e estendido a superfícies semeadas introduzindo fatores de resistência da planta. ETo 

s  Rn  G  1  U 2 ea  ed  * s   s   T  275 





(5.13)

5.2.2 Determinação da Evapotranspiração Real a) Lisímetro Lisímetro de percolação consiste em um tanque enterrado com as dimensões mínimas de 1,5 m de diâmetro por 1,0m de altura, no solo, com a sua borda superior 5 cm acima da superfície do solo. Do fundo do tanque sai um cano que conduzirá a água drenada até um recipiente. O tanque tem que ser cheio com o solo do local onde será instalado o lisímetro, mantendo a mesma ordem dos horizontes. No fundo do tanque, coloca-se uma camada de mais ou menos 10 cm de brita coberta com uma camada de areia grossa. Esta camada de brita tem a finalidade de facilitar a drenagem d’água que percolou através do tanque. Após instalado, planta-se grama no tanque e na sua área externa. Na figura 5.4 é mostrado um lisímetro deste tipo. O tanque pode ser um tambor, pintado interna e externamente para evitar corrosão, tanque de amianto, fibra de vidro ou tanque de metal pré-fabricado.

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Figura 5.5 – Esquema de um lisímetro de percolação A evapotranspiração real em um período qualquer é dada pela equação:

E

I PD S

(5.14)

E = Evapotranspiração real, em mm/período; I = Irrigação do tanque, em litros; P = preciptação pluviométrica no tanque, em litros; D = Água drenada do tanque, em litros; S = Área do tanque, em m2. b) Processos Indiretos Em condições normais de cultivo de plantas anuais, logo após o plantio, a evapotranspiração real (ETR) é bem menor do que a evapotranspiração potencial (ETP). Esta diferença vai diminuindo, à medida que a cultura se desenvolve, em razão do aumento foliar, tendendo para uma diferença mínima antes da maturação; depois a diferença vai aumentando, conforme pode ser visto na figura 5.6. A avaliação da ETR a partir da ETP é de grande utilidade para o planejamento da agricultura irrigada. Tal avaliação pode ser feita, por meio de coeficientes culturais (Kc) dados na Tabela 5.4 para algumas culturas, da seguinte forma: ETR = Kc.ETP

(5.15)

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Figura 5.6 – Relação entre ETR e ETP para cultura de ciclo curto. Tabela 5.6 – Coeficientes de cultura “Kc”.

EXERCÍCIOS PROPOSTOS E5.1 A evaporação real mensal de uma região é da ordem de 100 mm. Supondo consumo per capta de 200 l/hab/dia, com a água perdida por evaporação em um reservatório de 6 km2 de área, poderia abastecer, durante um mês, uma cidade de: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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a) b) c) d) 5.3

10.000 habitantes; 100.000 habitantes; 30.000 habitantes; 300.000 habitantes.

Evaporação de reservatórios e lagos

A evaporação da água de reservatórios é de especial interesse para a engenharia, porque afeta o rendimento de reservatórios para abastecimento, irrigação e geração de energia. Reservatórios são criados para regularizar a vazão dos rios, aumentando a disponibilidade de água e de energia nos períodos de escassez. A criação de um reservatório, entretanto, cria uma vasta superfície líquida que disponibiliza água para evaporação, o que pode ser considerado uma perda de água e de energia. A evaporação da água em reservatórios pode ser estimada a partir de medições de tanques Classe A, entretanto é necessário aplicar um coeficiente de redução em relação às medições de tanque. Isto ocorre porque a água do reservatório normalmente está mais fria do que a água do tanque, que tem um volume pequeno e está completamente exposta à radiação solar. (5.16) onde 0,6 < Ft < 0,8 Assim, para estimar a evaporação em reservatórios e lagos costuma-se considerar que esta tem um valor de aproximadamente 60 a 80% da evaporação medida em Tanque Classe A na mesma região.

EXERCÌCIO Um rio cuja vazão média é de 34 m³/s foi represado por uma barragem para geração de energia elétrica. A área superficial do lago criado é de 5000 hectares. Medições de evaporação de um tanque classe A correspondem a 1500 mm por ano, qual é a nova vazão média a jusante da barragem após a formação do lago? ( ( (

(

⁄ )

⁄

)

( ⁄

) )

)

⁄ ⁄

Redução de 4,9% da vazão

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6. INFILTRAÇÃO 6.1 Introdução A água precipitada tem os seguintes destinos:  Parte é interceptada pelas vegetações;  Parte é retida nas depressões;  Parte é infiltrada;  O resto escoa superficialmente.

Figura 6.1 – Componentes do escoamento dos cursos de água. 6.2 Conceitos Gerais Infiltração é o fenômeno de penetração da água nas camadas do solo próximo à superfície do terreno. Fases da infiltração:  Intercâmbio - ocorre na camada superficial de terreno, onde as partículas de água estão sujeitas a retornar à atmosfera por aspiração capilar, provocada pela ação da evaporação ou absorvida pelas raízes das plantas;  Descida – dá-se o deslocamento vertical da água quando o peso próprio supera a adesão e a capilaridade;  Circulação – devido ao acúmulo da água, o solo fica saturado formando-se os lençóis subterrâneos. A água escoa devido à declividade das camadas impermeáveis.

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Grandezas características: 1) Capacidade de infiltração – é a quantidade máxima de água que um solo, sob uma dada condição, é capaz de absorver na unidade de tempo por unidade de área. Geralmente é expressa em mm/h. 2) Distribuição granulométrica – é a distribuição das partículas constituintes do solo em função das suas dimensões, representada pela curva de distribuição granulométrica. 3) Porosidade – é a relação entre o volume de vazios e volume total, expressa em porcentagem. 4) Velocidade de infiltração – é a velocidade média com que a água atravessa um solo saturado. 5) Coeficiente de permeabilidade - é a velocidade de infiltração em um solo saturado com perda de carga unitária; mede a facilidade ao escoamento. Fatores que intervêm na capacidade de infiltração 1) Tipo de solo – a capacidade de infiltração varia diretamente com a porosidade, tamanho das partículas e estado de fissuração das rochas. 2) Grau de umidade do solo – quanto mais seco o solo, maior será a capacidade de infiltração. 3) Efeito de precipitação – as águas das chuvas transportam os materiais finos que, pela sua sedimentação posterior, tendem a reduzir a porosidade da superfície. As chuvas saturam a camada próxima à superfície e aumenta a resistência à penetração da água. 4) Cobertura por vegetação – favorece a infiltração, já que dificulta o escoamento superficial da água. 6.3 Determinação da quantidade de água infiltrada a) Medição direta da capacidade de infiltração Infiltrômetro:

Figura 6.1 – Infiltrômetro de anel.



com aplicação de água por inundação:

São constituídos de dois anéis concêntricos de chapa metálica, com diâmetros variando entre 16 e 40 cm, que são cravados verticalmente no solo de modo a restar uma pequena altura Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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livre sobre este. Aplica-se água em ambos os cilindros mantendo uma lâmina líquida de 1 a 5 cm, sendo que no cilindro interno mede-se o volume aplicado a intervalos fixos de tempo. A finalidade do cilindro externo é manter verticalmente o fluxo de água do cilindro interno, onde é feita a medição da capacidade de campo. 

com aplicação de água por aspersão ou simulador de chuva:

São aparelhos nos quais a água é aplicada por aspersão, com taxa uniforme, superior à capacidade de infiltração no solo, exceto para um curto período de tempo inicial. Delimitam-se áreas de aplicação de água, com forma retangular ou quadrada, de 0,10 a 40 m2 de superfície; medem-se a quantidade de água adicionada e o escoamento superficial resultante, deduzindo-se a capacidade de infiltração do solo. b) Método de Horton A capacidade de infiltração pode ser representada por: f = fc + (f0 - fc)e-kt

(6.1)

onde f0 é a capacidade de infiltração inicial (t=0), em mm/h; fc é a capacidade de infiltração final, em mm/h; k é uma constante para cada curva em t-1; f é a capacidade de infiltração para o tempo t em mm/h.

Figura 6.2 – Curvas de infiltração segundo Horton. Integrando-se a equação 6.1, chega-se à equação que representa a infiltração acumulada, ou potencial de infiltração, dada por: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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F = fc . t + ((f0 - fc)/k).(1 - ek*t)

(6.2)

onde F é a quantidade infiltrada (ou a quantidade que iria infiltrar se houvesse água disponível), em mm.

F - Potencial de infiltração (mm)

140 120 100 80 60 40 20 0 0

1

2

3

4

5

6

Tempo (horas)

Figura 6.3 – Curva de potencial de infiltração. EXERCÍCIO-EXEMPLO 6.1 Em uma bacia hidrográfica, com a predominância de solo tipo B, ocorreu a seguinte chuva: Intervalo de tempo (h) Precipitação (mm)

0–1

1-2

2-3

3-4

4-5

5

15

20

25

15

Determinar a parcela infiltrada e a chuva excedente (chuva que escoa superficialmente), utilizando o método de Horton. Solução: Solo tipo B: f0 = 200 mm/h; fc = 12 mm/h; k = 2 h-1 Potencialidade de infiltração:

F  fc  t 

1  f 0  f c   1  e kt   12t  1 200  121  e 2t   12t  94  1  e 2t  k 2

t = 1  F = 12 x 1 + 94 x (1 – e-2x1) = 93,3 mm t = 2  F = 12 x 2 + 94 x (1 – e-2x2) = 116,3 mm t = 3  F = 12 x 3 + 94 x (1 – e-2x3) = 129,8 mm t = 4  F = 12 x 4 + 94 x (1 – e-2x4) = 142,0 mm t = 5  F = 12 x 5 + 94 x (1 – e-2x5) = 154,0 mm

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(1) (2) (3) (4) (5) Intervalo Tempo Total Potencialidade Potencialidade Quantidade de tempo precipitado de infiltração: de infiltração Infiltrada em cada Dt (h) (h) (mm) F (mm) (mm) (mm) 0-1 1 5 93,3 93,3 5,0 1-2 2 15 116,3 23,0 15,0 2-3 3 20 129,8 13,5 13,5 3-4 4 25 142,0 12,2 12,2 4-5 5 15 154,0 12,0 12,0

(6) Chuva Excedente (mm) 0 0 6,5 12,8 3,0

Procedimento de cálculo: Coluna 3  Calcular com a equação de F, conforme mostrado acima; Coluna 4  Fazer a diferença entre a potencialidade de infiltração (F) do instante atual e a do instante anterior; Coluna 5  Comparar os valores da coluna 2 com os da coluna 4 e preencher com o menor deles; Coluna 6  Fazer a diferença entre os valores da chuva (coluna 2) e os da potencialidade de infiltração em cada intervalo de tempo (coluna 5).

Altura pluviométrica (mm)

30 Chuva excedente Chuva infiltrada

25 20 15 10 5 0 1

2

3

4

5

Tempo (h)

EXERCÍCIOS PROPOSTOS E 6.1 Dada a chuva abaixo, determine a parcela infiltrada e excedente, utilizando os métodos de Horton, considerando que predomina o solo tipo C na bacia; Intervalo de tempo (min) Precipitação (mm)

0 – 12

12 - 24

24 - 36

36 - 48

48 - 60

6,4

9,6

8,8

8,0

4,0

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7. ESCOAMENTO SUPERFICIAL 7.1 Conceitos gerais Escoamento superficial corresponde ao segmento do ciclo hidrológico relacionado ao movimento das águas, que, por efeito da gravidade, se deslocam na superfície do solo. Assim, de uma determinada precipitação parte é interceptada pela vegetação e enquanto uma outra atinge o solo. Da fração que atinge o solo, parte fica retida nas depressões da superfície provocando empoçamento sempre que a intensidade de precipitação exceda a taxa de infiltração, ou quando a capacidade de retenção de água nas camadas superficiais do solo for superada.Uma vez superada essa capacidade de retenção de água pelo solo a água começará a escoar superficialmente. Denomina-se de precipitação efetiva a precipitação responsável pela formação do escoamento superficial em uma bacia, assim, para representá-la em um hietograma devemos abater da precipitação total os volumes correspondentes à evaporação, à infiltração e os volumes retidos por depressões. O escoamento superficial, definido nesse capítulo, abrange desde o excesso de precipitação que se desloca pelo superfície após uma chuva intensa ou de longa duração até o escoamento que ocorre no leito de um curso d’água. Segundo PRUSKI et al (2004) outros processos estão associados ao escoamento superficial como o transporte de partículas do solo, de compostos químicos, matéria orgânica, sementes e defensivos agrícolas, poluindo cursos d’água e trazendo prejuízos à agricultura de uma forma geral. Em projetos de estruturas para o controle de erosão e de inundações são necessárias informações sobre o escoamento superficial. Quando o objetivo é reter ou armazenar a água, o conhecimento do volume escoado é suficiente; porém, quando se pretende conduzir o excesso de água de um lugar para o outro, é mais importante o conhecimento da vazão escoada (GRIEBELER et al., 2001) Conforme já visto no item referente ao ciclo hidrológico, o escoamento superficial de um rio está direta ou indiretamente relacionado com as precipitações que ocorrem em sua bacia hidrográfica. A figura abaixo mostra as quatro formas pelas quais os cursos d’água recebem água: 1. Precipitação direta sobre o curso d’água (P); 2. Escoamento superficial (ES); 3. Escoamento sub-superficial ou hipodérmico (ESS); 4. Escoamento subterrâneo ou básico.

Figura 7.1 – Formas pelas quais um curso d’água recebe água. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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7.2 Fatores que influenciam o escoamento superficial Diversos fatores influenciam na ocorrência do escoamento superficial. Estes fatores podem ser de natureza agroclimática, ou de natureza fisiográfica. Dentre os de natureza agroclimática pode-se citar: a- duração e intensidade de precipitação; b- tipo de cobertura e tipos de uso de solo, fatores esses que possui efeito na interceptação e infiltração da água no solo; c- a evapotranspiração retirando água do solo. Quanto maior a evapotranspiração, menor será a umidade do solo quando da ocorrência da precipitação e, conseqüentemente, maior será a taxa de infiltração. Desta forma o escoamento superficial será reduzido. Quanto aos fatores fisiográficos pode-se citar: a- conformação topográfica da bacia: declividade, depressão, relevo e área da bacia: Quanto maior a declividade ou quanto mais acidentado for o relevo da bacia menor será o tempo de oportunidade de infiltração resultando num maior escoamento superficial. Quanto maior a área da bacia, maior será a área de captação e conseqüentemente maiores vazões ocorreram na seção de deságüe da mesma. b- forma da bacia: quanto mais a bacia se aproximar da forma circular maior será a vazão na seção de controle pois esse tipo de forma facilita a concentração do escoamento superficial; c- condições de superfície do solo e constituição geológica do sub-solo: impermeabilização, capacidade de infiltração no solo, tipos de solo e de rochas presentes. A permeabilidade do solo influi diretamente na capacidade de infiltração, ou seja, quanto mais permeável for o solo, maior será a quantidade de água que ele pode absorver, diminuindo assim, a ocorrência de excesso de precipitação d- rede de drenagem: uma rede de drenagem muito densa e ramificada permite a rápida concentração do escoamento superficial; e- Obras de controle e utilização da água: irrigação, regularização de vazão, canalização, derivação da água para outra bacia, retificação. 7.3 Grandezas características A seguir, são citadas algumas grandezas relacionadas com o escoamento superficial. Vazão (Q): volume de água escoado na unidade de tempo em uma determinada seção do rio. Normalmente, expressa-se a vazão em m3/s ou l/s. Velocidade (V): relação entre o espaço percorrido pela água e o tempo gasto. É geralmente expressa em m/s. Vazão específica ou deflúvio superficial (q): relação entre a vazão e a área de drenagem da bacia.

q

Q (expressa em l/s.km2) A

(7.1)

Altura linimétrica (h) ou altura na régua: leitura do nível d’água do rio, em determinado momento, em um posto fluviométrico.

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Coeficiente de escoamento superficial ou coeficiente de “run off” (C): relação entre o volume de água que atinge uma seção do curso d’água (ES) e o volume precipitado (PT).

C

ES PT

(7.2)

Tempo de concentração (tc): é o tempo que, a água que cai no ponto mais remoto da área considerada leva para atingir o exutório da bacia, ou seja, é o tempo necessário (contado a partir do início da chuva) para que toda a bacia contribua com escoamento superficial na seção considerada. Período de retorno (T): é o período de tempo médio, expresso em anos, em que certo evento (no caso, uma determinada vazão) é igualada ou superado, pelo menos uma vez. Q7,10 = Vazão mínima de 7 dias consecutivos e com período de retorno de 10 anos. Deve-se dispor de uma série histórica de vazão diária de no mínimo de 30 anos sem falhas Q90% = Vazão mínima de 90% de permanência verificada numa série histórica de dados diários Q95% = Vazão mínima de 95% de permanência verificada numa série histórica de dados diários 7.4 Postos fluviométricos e fluviográficos Posto fluviométrico ou fluviômetro consiste em vários lances de réguas (escalas) instaladas em uma seção de um curso d´água, que permite a leitura dos seus níveis d´água. Normalmente, dá-se ao posto o nome do município ou cidade onde ele é instalado e identifica-se por um prefixo. A leitura do nível d´água é feita duas vezes ao dia, às 7 h e 17 h (ou 18 h), e seus valores são anotados em uma caderneta. Completada a leitura de 1 mês, essa caderneta é enviada ao escritório central, onde os dados são analisados, processados e publicados em boletins fluviométricos. As Figuras 7.2 a 7.4 mostram, respectivamente, um posto fluviométrico e a cópia das leituras realizadas no posto Ponte Joaquim Justino (prefixo 5B-001F).

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Fig. 7.2 – Leitura do nível d’água de um rio Chama-se de fluviográfico o posto que registra continuamente a variação do nível d´água. O aparelho utilizado para registrar o N.A. chama-se limnígrafo ou fluviógrafo e o gráfico resultante é denominado limnigrama ou fluviograma. O esquema de um posto fluviográfico pode visto na Figura 7.3 abaixo.

Fig. 7.3 – Utilização de limnígrafo de boia Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Fig. 7.4 - Exemplo de uma caderneta de anotações de altura limnimétrica A conversão da leitura do nível d´água em vazão é feita através de curva-chave. Os assuntos ´medições de vazão´ e ´traçado de curva-chave´ serão vistos nos próximos itens. 7.5 Medições de vazão Existem várias maneiras para se medir a vazão em um curso d´água. As mais utilizadas são aquelas que determinam a vazão a partir do nível d´água: - para pequenos córregos: calhas e vertedores; - para rios de médio e grande porte: a partir do conhecimento de área e velocidade. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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7.5.1 Vertedores São mais utilizados os vertedores de parede delgada, de forma retangular com contração completa e forma triangular. As fórmulas que relacionam o nível e a vazão são as seguintes:

Vertedor retangular: Q  1,84  L  H 1,5 (L e H em m, Q em m3/s)

H L Vertedor triangular: Q  1,42  H 2,5 (H em m, Q em m3/s) – Equação válida para  = 90. Caso   90 Q  1,42  H 2,5 xTg

 2



H

7.5.2 Método área-velocidade A vazão é obtida aplicando-se a equação da continuidade: Q = V.A A área é determinada por batimetria, medindo-se várias verticais e respectivas distâncias e profundidades.

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Tomando uma sub-seção qualquer:  h  hi 1  Si   i   li  2 

Para se medir a velocidade de água na seção, o método mais empregado é o do molinete. Molinete é um aparelho que permite calcular a velocidade instantânea da água no ponto, através da medida de rotações de uma hélice em determinado tempo. Cada molinete tem uma equação que transforma o número de rotações da hélice em velocidade. A equação é do tipo V = a + b.n

(7.4)

onde: a e b são constantes (calibração em laboratório); n = número de rotações/ tempo (normalmente utiliza-se o tempo de 50 segundos).

Fig. 7.5 – Molinete fluviométrico Dependendo da profundidade da vertical, mede-se a velocidade em: a)

um ponto, quando a profundidade (h) é menor ou igual a 1,0 m. molinete é colocado a 60% da profundidade e a velocidade ponto é adotada como a média da vertical considerada.

Vvert  V0, 6

(7.5)

b) dois pontos, quando h é maior que 1,0 m. Neste caso, o molinete é colocado a 20% e 80% de h e a velocidade média da vertical é a média aritmética das velocidades obtidas nos pontos.

Vvert 

O neste

V0, 2  V0,8 2

dois

(7.6)

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84

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A velocidade média da seção compreendida entre as verticais i e i+1 é calcula fazendo-se a média aritmética das velocidades médias de duas verticais.

Vsec_ i 

Vi  Vi 1 2

(7.6)

A vazão na seção i é determinada multiplicando-se área pela velocidade média da seção.

qi  Ai  Vsec_ i

(7.7)

A vazão total da seção do rio é obtida pelo somatório das vazões parciais: n

Q   qi

(7.8)

i 1

7.6. Relação cota-vazão (curva-chave) Curva-chave é a relação entre os níveis d´água com as respectivas vazões de um posto fluviométrico. Para o traçado da curva-chave em um determinado posto fluviométrico, é necessário que disponha de uma série de medição de vazão no local, ou seja, a leitura da régua e a correspondente vazão (dados de h e Q). Partindo-se desta série de valores (h e Q) a determinação da curva-chave pode ser feita de duas formas: gráfica ou analiticamente. A experiência tem mostrado que o nível d´água (h) e a vazão (Q) ajustam-se bem à curva do tipo potencial, que é dada por:

Q  a  (h  h0 ) b

(7.9)

onde: Q é vazão em m3/s; h é o nível d´água em m (leitura na régua); a, b e h0 são constantes para o posto, a serem determinados; h0 corresponde ao valor de h para vazão Q = 0. A equação acima pode ser linearizada aplicando-se o logaritmo em ambos os lados: log Q = log a + b.log (h-h0) Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Fazendo Y = log Q, A = log a e X = log(h-h0), tem-se: Y = A + b.X

(7.10)

que é a equação de uma reta. A maneira mais prática de se obter os parâmetros a, b e h0 é o método gráfico, que necessita de papel di-log. Entretanto, em face à dificuldade de encontrar este papel no mercado, introduziu-se também, neste curso, o método analítico para a definição das curvas-chaves. A seguir, é apresentado, de forma sucinta, o procedimento de cálculo dos parâmetros a, b e h0, utilizando os dois métodos: I.

Método gráfico

1.

Lançar em papel milimetrado os pares de pontos (h, Q);

2.

Traçar a curva média entre os pontos, utilizando apenas critério visual;

3.

Prolongar essa curva até cortar o eixo das ordenadas (eixo dos níveis); a intersecção da curva com o eixo de h corresponde ao valor de h0;

4.

Montar uma tabela que contenha os valores de (h-h0) e as vazões correspondentes;

5.

Lançar em papel di-log os pares de pontos (h-h0, Q);

6.

Traçar a reta média, utilizando critério visual;

7.

Determinar o coeficiente angular dessa reta, fazendo-se a medida direta com uma régua; o valor do coeficiente angular é a constante b da equação da curva-chave;

8.

Da intersecção da reta traçada com a reta vertical que corresponde a (h-h0) = 1,0 resulta o valor particular de Q, que será o valor da constante a da equação.

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Vazão

100

10

1 0,1

1

10

h-h0

Na figura acima, b  tg  II.

c e a  8,0. d

Método analítico

Apesar desse método ser um processo matemático, não dispensa o auxílio de gráfico na determinação do parâmetro h0. Portanto, aqui vale também os quatro primeiros passos descritos no método gráfico. Rescrevendo a equação da curva-chave: Q  a  (h  h0 ) b Linearização aplicando logaritmo: log Q = log a + b.log (h-h0) A equação acima é do tipo Y = A + b.X onde: Y = log Q, A = log a e X = log(h-h0). Os parâmetros A e b da equação da reta Y = A + b.X são calculados da seguinte forma: b

 X Y  n  X Y X n X i

i 2 i

2

A Y b X

Como A = log a, o valor de a é obtido pelo antilog A, ou a = 10A. 7.7

Componentes do hidrograma

O hidrograma é a denominação dada ao gráfico que relaciona a vazão no tempo. A distribuição da vazão no tempo é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico entre a ocorrência da precipitação e a vazão na bacia hidrográfica. O comportamento do hidrograma típico de uma bacia, após a ocorrência de uma seqüência de precipitações é apresentado na Figura 7.6. Verifica-se que após o início da chuva, existe um intervalo de tempo em que o nível começa a elevar-se. Este tempo retardado de resposta deve-se às perdas iniciais por interceptação vegetal e depressões do solo, além do próprio retardo de resposta da bacia devido ao tempo de deslocamento da água na mesma. A Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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elevação da vazão até o pico apresenta, em geral, um gradiente maior que a parte posterior ao mesmo. O escoamento superficial é o processo predominante neste período, refletindo a resposta ao comportamento aleatório da precipitação. Hidrograma de escoamento

1800 1600

Descarga (m³/s)

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 jan

jan

Fev Mar Mar Abr

Abr

Mai Jun

Jun

Jul

Ago Ago Set

Out

Out Nov Dez Dez

Figura 7.6. – Hidrograma anual O hidrograma atinge o máximo, de acordo com a distribuição de precipitação, e apresenta a seguir a recessão onde se observa normalmente, um ponto de inflexão. Este ponto caracteriza o fim do escoamento superficial e a predominância do escoamento subterrâneo. O primeiro ocorre num meio que toma a resposta rápida, finalizando antes do escoamento subterrâneo que por escoar pelo solo poroso apresenta um tempo de retardo maior. A contribuição da vazão subterrânea é influenciada pela infiltração na camada superior do solo, sua percolação e conseqüente aumento do nível do aqüífero, retratado na Figura 7.7 pela linha LL que se movimenta para MM. Como o escoamento superficial é mais rápido, o nível muda de N para O. Essa elevação rápida do nível provoca a inversão de vazão ou represamento do fluxo no aqüífero na vizinhança com o rio. Isso é observado na Figura 7.7 pela linha tracejada. O processo começa a inverter-se quando a percolação aumenta e o fluxo superficial diminui. M

L

O M

N

L

Figura 7.7 - Relação entre o curso d’água e o lençol freático Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Precipitação

Parte da Precipitação que infiltra Precipitação efetiva

B

Vazão

Escoamento Superficial Direto

C

Escoamento Básico

A

to tA

D E t B

tC

Tempo

Fig. 6.9 – Hidrograma típico Para caracterizar o hidrograma e o comportamento da bacia são utilizados alguns valores de tempo (abscissa), relacionados a seguir: t0 a tA  tempo das abstrações iniciais  iniciada a precipitação, parte é interceptada pela vegetação e obstáculos e retida nas depressões até preenche-las completamente; parte infiltra no solo suprindo sua deficiência de umidade Ponto A  uma vez excedida a capacidade de infiltração, inicia-se o escoamento superficial direto. Ponto B  a vazão aumenta até atingir o ponto máximo, quando toda a bacia está contribuíndo. Ponto C  predomina a recessão onde se observa normalmente, um ponto de inflexão. Este ponto caracteriza o fim do escoamento superficial e a predominância do escoamento subterrâneo. A duração da precipitação é menor ou igual ao intervalo de tempo t0 a tB. Terminada a precipitação, o escoamento superficial prossegue durante certo tempo e a curva de vazão vai diminuindo. Trecho BC  denomina-se curva de depleção do escoamento. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Trecho AEC  contribuição do lençol subterrâneo, o qual tem uma variação devido à parte da precipitação que infiltra. Contribuição de base. A forma do hidrograma depende de um grande número de fatores, os mais importantes são: I - Relevo: (densidade de drenagem, declividade do rio ou bacia, capacidade de armazenamento e forma): uma bacia com boa drenagem e grande declividade apresenta um hidrograma íngreme com pouco escoamento de base. Normalmente as cabeceiras das bacias apresentam essas características. As bacias com grande área de inundação tendem a amortecer o escoamento e regularizar o fluxo. Exemplo disso é a bacia do rio Paraguai na região do Alto Paraguai (Pantanal). A forma da bacia influencia o comportamento do hidrograma, como pode ser observado na Figura 7.9d. Uma bacia do tipo radial concentra o escoamento antecipando e aumentando o pico com relação a uma bacia alongada, que tem escoamento predominante no canal principal e percurso mais longo até a seção principal, amortecendo as vazões; Cobertura da bacia: a cobertura da bacia, como a vegetal, tende a retardar o escoamento e aumentar as perdas por evapotranspiração. Nas bacias urbanas, onde a cobertura é alterada, tornando-se mais impermeável, acrescida de uma rede de drenagem mais eficiente, o escoamento superficial e o pico aumentam. Este acréscimo de vazão implica o aumento do diâmetro dos condutos pluviais e dos custos; Modificações artificiais no rio: o homem produz modificações no rio para o uso mais racional da água. Um reservatório para regularização da vazão tende a reduzir o pico e distribuir o volume (Figura 7.9b), enquanto a canalização tende a aumentar o pico, como mostra a bacia urbana; Distribuição, duração e intensidade da precipitação: a distribuição da precipitação e sua duração são fatores fundamentais no comportamento do hidrograma. Quando a precipitação se concentra na parte inferior da bacia, deslocando-se posteriormente para montante, o hidrograma pode ter até dois picos. Na figura 7.9c são apresentados dois tipos de distribuição temporal de precipitação, onde se observa que quando a precipitação é constante a capacidade de armazenamento e o tempo de concentração da bacia são atingidos, estabilizando o valor do pico. Após o término da precipitação, o hidrograma entra em recessão. Para bacias pequenas (< 500 km2), as precipitações convectivas de alta intensidade, pequena duração e distribuída numa pequena área, podem provocar as grandes enchentes, enquanto que para bacias maiores as precipitações mais importantes passam a ser as frontais, que atingem grandes áreas com intensidade média; II - Solo: as condições iniciais de umidade do solo são fatores que podem influenciar significativamente o escoamento resultante de precipitações de pequeno volume, alta e média intensidade. Quando o estado de umidade da cobertura vegetal, das depressões, da camada superior do solo e do aqüífero forem baixos, parcela ponderável da precipitação é retida e o hidrograma é reduzido. Em pequenas bacias o escoamento superficial ocorre predominantemente sobre a superfície do solo, em drenos com perdas hidráulicas maiores, mas com maior declividade. Em bacias de grande porte, o processo predominante é o deslocamento da onda de cheia por um canal definido, de menor declividade, mas com perda de carga menor. Para caracterizar o hidrograma e o comportamento da bacia são utilizados alguns valores de tempo (abscissa), relacionados a seguir: O hidrograma pode ser caracterizado por três partes principais: ascensão, altamente correlacionada com a intensidade da precipitação, e com grande gradiente; Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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região do pico, próximo ao valor máximo, quando o hidrograma começa a mudar de inflexão, resultado da redução da alimentação de chuvas e/ou amortecimento da bacia. Esta região termina quando o escoamento superficial acaba, resultando somente o escoamento subterrâneo; recessão, nesta fase, somente o escoamento subterrâneo está contribuindo para a vazão total do rio.

Figura 7.9 - Hidrogramas EXERCÍCIOS PROPOSTOS: E7.1 Calcule a vazão no posto Santo Antonio de Alegria (prefixo 4C-002) a partir dos dados de medição mostrados na tabela da página seguinte. Dados: Equação do molinete – V = 0,2466.n + 0,010 se n  1,01 V = 0,2595.n + 0,005 se n > 1,01

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E7.2 A tabela abaixo mostra alguns resultados da medição realizada em um posto fluviométrico. Determine a equação da curva-chave deste posto, utilizando os métodos gráfico e analítico.

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Data 5/4/91 14/2/92 20/3/85 17/2/97 22/2/98

h (m) 0,95 1,21 0,38 1,12 0,66

Q (m3/s) 2,18 4,25 0,45 3,20 1,15

7.8. Estimativas do escoamento superficial por meio de dados de precipitação O escoamento superficial que, na maioria das vezes, se deseja conhecer é aquele resultante de uma chuva que por sua vez seja capaz de provocar elevadas vazões numa seção de um curso d’água qualquer ou de provocar enchentes a jusante deste ponto. Porém, pode-se conhecer o escoamento superficial resultante de um evento de chuva qualquer, por meio de modelos matemáticos, para operacionalização de um sistema fluvial, uma vez dispondo de muitos dados de chuva e poucos dados de vazão. 7.8.1. Método racional Este método permite determinar a vazão máxima de escoamento superficial a partir de dados de chuva para pequenas bacias (área de 50 a 500 ha):

Q max 

C im A 360

(7.11)

em que: Qmax = vazão máxima de escoamento superficial, m³/s; C = coeficiente de escoamento superficial, adimensional; Im = intensidade máxima média de precipitação para uma duração igual ao tempo de concentração da bacia, mm/h; e A = área da bacia de drenagem, ha.. O método racional está fundamentado nos seguintes princípios básicos: a) as precipitações deverão ter alta intensidade e curta duração, sendo a vazão máxima de escoamento superficial aquela que ocorre quando a duração da chuva for igual ao tempo de concentração (tc), situação em que toda a área da bacia deverá contribuir com o escoamento superficial na seção de controle. Para essa condição, admite-se que a bacia seja suficientemente pequena e que as chuvas sejam de curta duração e de grande intensidade. b) A precipitação com duração igual a tc ocorre, uniformemente, ao longo de toda a bacia; c) Dentro de um curto período de tempo, a variação na taxa de infiltração não deverá ser grande; d) Utiliza-se de um único coeficiente de escoamento superficial, estimado com base nas características da bacia.

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7.8.2 Parâmetros analisados A - Área drenada (A) Utilizam-se mapas, fotografias aéreas, imagens de satélites. B – Coeficiente de escoamento (C) Existem muitos procedimentos para o cálculo de C, porém, a principal forma é a utilização de tabelas como as apresentadas abaixo: Quadro 7.1 – Valores do coeficiente de escoamento superficial recomendados pela ASCE, citada por GOLDENFUM e TUCCI (1996) Superfície

C Intervalo

Valor esperado

Asfalto

0,70-0,95

0,83

Concreto

0,80-0,95

0,88

Calçados

0,75-0,85

0,80

Telhados

0,75-0,85

0,85

-Plano (2 %)

0,05-0,10

0,08

-Médio (2 a 7 %)

0,10-0,15

0,13

-Declividade alta (7%)

0,15-0,20

0,18

-Plano (2 %)

0,13-0,17

0,15

-Médio (2 a 7 %)

0,18-0,22

0,20

-Declividade alta (7%)

0,25-0,35

0,30

Pavimento

Cobertura Grama, solo arenoso

Grama, solo pesado

Quando há variação do coeficiente de escoamento superficial ao longo da área analisada, este poderá ser determinado pela seguinte equação: n

C

C A i 1

i

i

(7.12)

A

sendo Ci = coeficiente de escoamento superficial da subárea i, adimensional Ai = Subárea considerada (ha) e A = Área total considerada (ha).

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Quadro 7.2 – Valores do coeficiente de escoamento proposto pelo Colorado Highway Departament Característica das bacia

C (%)

Supertfícies impermeáveis

90-95

Terreno estéril montanhoso

80-90

Terreno estéril onduçlado

60-80

Terreno estéril plano

50-70

Prados, campinas, terreno ondulado

40-65

Matas decíduas, folhagem caduca

35-60

Matas coníferas, folhagem permanente

25-50

Pomares

15-40

Terrenos cultivados em zonas altas

15-40

Terrenos cultivados em vales

10-30

Quadro 7.3 – Valores de C adotados pela prefeitura de São Paulo (WILKEN, 1978) Característica das bacia

C

Edificações muito densas Partes centrais, densamente construídas de uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas Edificações não muito densas Partes adjacentes ao centro, de menos densidade de habitações, mas com ruas e calçadas pavimentadas Edificações com poucas superfícies livres Partes residenciais com construção cerradas e ruas pavimentadas Edificações com muitas superfícies livres Partes residenciais com ruas macadamizadas ou pavimentadas Subúrbios com alguma edificação Partes de arrabaldes e subúrbios com pequenas densidade de construção Matas, parques e campo de esportes Partes rurais, áreas verdes, superfícies arborizadas, parques ajardinados, campos de esportes sem pavimentação

0,70-0,95

0,6-0,7

0,5-0,6 0,25-0,50 0,10-0,25

0,05-0,2

C – Intensidade máxima média da precipitação (im) É a máxima precipitação observada para uma duração correspondente ao tempo de concentração (tc) e para o período de retorno (T) estabelecido pelo projetista. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

95

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im 

KT a

(7.13)

t  bc

em que: Im = intensidade máxima média de precipitação para uma duração igual ao tempo de concentração da bacia, mm/h; T = período de retorno, anos T = duração da precipitação, min; e K, a,b, c = parâmetros de ajuste relativos à estação pluviográfica estudada. No Quadro 4.3 pág 54, estão apresentados os parâmetros da equação de intensidade-duração e freqüência de algumas cidades do Estados de Minas Gerais C.1 – Período de retorno T = 5 a 10 anos para projetos de drenagem superficial; T = 10 a 50 anos para pequenas barragens de terra; T = 500 para grandes barragens e macrodrenagem de áreas residenciais e comerciais. C.2 – Tempo de concentração (tc) A – Equação de Kirpich - foi desenvolvida a partir de informaões de sete pequenas bacias agrícolas do Tennesse - declividade entre 3 a 10 %; - áreas no máximo de 0,5 km²

 L3 t c  57 H

  

0, 385

(7.14)

L = comprimento do talvegue, km; H = diferença de nível entre o ponto mais remoto da bacia e a seção de deságue . B – Equação de Ven Te Chow -obtida para pequenas bacias hidrográficas com área de até 24,28 km²

 L  t c  52,64   So 

0 , 64

(7.15)

So = declividade média do talvegue , m/km C – Equação de Izzard Obtidos em laboratório - Comprimento de rampa entre 3,7 a 220 m - utilizou-se diversas superfícies - 0,1 a 4 % de declividade Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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-

tc 

Intens. Precip até 100 mm/h

526,42 b L1 / 3 (C i m )

2

e b

0,0000276 i m  Cr

3

So

1

(7.16)

3

em que: So = H/L Cr = Coeficiente de retardo, adimensional.

Quadro 7.5- Valores de Cr em função do tipo de revestimento Tipo de superfície Asfalto liso e bem acabado Pavimento de concreto Cascalho Grama aparada ou terra firme Turfa densa ou grama densa

Cr 0,007 0,012 0,017 0,046 0,060

D – Equação de Giandotti

tc 

4 A  1,5L

(7.17)

0,8 H

7.8.3. Método racional modificado Na tentativa de melhorar a estimativa da vazão máxima de escoamento superficial em bacias hidrográficas estudadas na região sul de Minas Gerais, EUCLYDES (1987) introduziu um coeficiente na equação do método racional denominado de coeficiente de retardamento:

Qmax 

(7.18)

C im A  360

em que  = é o coeficiente de retardamento, adimensional O coeficiente de retardamento para o sul de Minas pode ser descrito como:  = 0,278 – 0,00034A sendo A = é a área da bacia, km²

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8 – ÁGUAS SUBTERRÂNEAS 8.1 - Introdução Devido às diferentes e particulares condições climáticas, em nosso planeta a água pode ser encontrada, em seus vários estados: sólido, líquido e gasoso. A permanente mudança de estado físico da água, isto é, o ciclo hidrológico, é a base da existência da erosão da superfície terrestre. Não fossem as forças tectônicas, que agem no sentido de criar montanhas, hoje a Terra seria um planeta uniformemente recoberto por uma camada de 3 km de água salgada. Em seu incessante movimento na atmosfera e nas camadas mais superficiais da crosta, a água pode percorrer desde o mais simples até o mais complexo dos caminhos. Quando uma chuva cai, uma parte da água se infiltra através dos espaços que encontra no solo e nas rochas. Pela ação da força da gravidade esta água vai se infiltrando até não encontrar mais espaços, começando então a se movimentar horizontalmente em direção às áreas de baixa pressão. A água da chuva que não se infiltra, escorre sobre a superfície em direção às áreas mais baixas, indo alimentar diretamente os riachos, rios, mares, oceanos e lagos. Em regiões suficientemente frias, como nas grandes altitudes e baixas latitudes (calotas polares), esta água pode se acumular na forma de gelo, onde poderá ficar imobilizada por milhões de anos. O caminho subterrâneo das águas é o mais lento de todos. A água de uma chuva que não se infiltrou levará poucos dias para percorrer muitos e muitos quilômetros. Já a água subterrânea poderá levar dias para percorrer poucos metros. Havendo oportunidade esta água poderá voltar à superfície, através das fontes, indo se somar às águas superficiais, ou então, voltar a se infiltrar novamente. A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água que cai é absorvida pelas raízes e acaba voltando à atmosfera pela transpiração ou pela simples e direta evaporação (evapotranspiração). Quadro 8.1 - Distribuição da água na Terra Tipo

Ocorrência

Volumes (km3)

Água doce superficial

Rios Lagos

1.250 125.000

Água doce subterrânea

Umidade do solo 67.000 Até 800 metros 4.164.000 Abaixo de 800 4.164.000 metros

Água doce sólida (gelo) Geleiras e Glaciais

29.200.000

Água salgada

Oceanos 1.320.000.000 Lagos e mares salinos 105.000

Vapor de água

Atmosfera

Total

12.900 1.360.000.000

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Observa-se no quadro acima que, de toda a água existente no planeta Terra, somente 2,7% é água doce. Pode-se também verificar que de toda a água doce disponível para uso da humanidade, cerca de 98% está na forma de água subterrânea. Da água que se precipita sobre as áreas continentais, calcula-se que a maior parte (60 a 70% ) se infiltra. Vê-se, portanto, que a parcela que escoa diretamente para os riachos e rios é pequena (30 a 40%). É esta água que se infiltra, que mantém os rios fluindo o ano todo, mesmo quando fica muito tempo sem chover. Quando diminui a infiltração, necessariamente aumenta o escoamento superficial das águas das chuvas. A infiltração é importante, portanto, para regularizar a vazão dos rios, distribuindo-a ao longo de todo o ano, evitando, assim, os fluxos repentinos, que provocam inundações. Não adianta culpar a natureza. Esta relação, entre a quantidade de água que se precipita na forma de chuva, a quantidade que se infiltra, a que tem escoamento superficial imediato, e a que volta para a atmosfera, na forma de vapor, constitui uma verdade da qual não podemos escapar. As cidades são aglomerados, onde grande parte do solo é impermeabilizado, e a conseqüência lógica disto é o aumento de água que escoa, provocando inundações das áreas baixas. Se estiver correta as previsões de que está havendo um aquecimento global, e de que este levará ao aumento das chuvas, é de se esperar um agravamento do problema de inundações nos países tropicais.

Figura 8.1 – Distribuição da água na terra

8.2 Uso das Águas Subterrâneas Segundo Leal (1999), a exploração de água subterrânea está condicionada a fatores quantitativos, qualitativos e econômicos: - Quantidade: intimamente ligada à condutividade hidráulica e ao coeficiente de armazenamento dos terrenos. Os aqüíferos têm diferentes taxas de recarga, alguns deles se recuperam lentamente e em outros a recuperação é mais regular; - Qualidade: influenciada pela composição das rochas e condições climáticas e de renovação das águas;

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- Econômico: depende da profundidade do aqüífero e das condições de bombeamento. Contudo, o aproveitamento das águas subterrâneas data de tempos antigos e sua evolução tem acompanhado a própria evolução da humanidade, sendo que o seu crescente uso se deve ao melhoramento das técnicas de construção de poços e dos métodos de bombeamento, permitindo a extração de água em volumes e profundidades cada vez maiores e possibilitando o suprimento de água a cidades, indústrias, projetos de irrigação, etc. A relação, em termos de demanda quanto ao uso, varia entre os países, e nestes, de região para região, constituindo o abastecimento público, de modo geral, a maior demanda individual (PROASNE, 2003). Segundo Leal (1999), praticamente todos os países do mundo, desenvolvidos ou não, utilizam água subterrânea para suprir suas necessidades. Países como a Alemanha, Áustria, Bélgica, Dinamarca, França, Holanda, Hungria, Itália, Marrocos, Rússia e Suíça atendem de 70 a 90% da demanda para o abastecimento público (OECD, 1989 citado por REBOUÇAS et al., 2002). Outros utilizam a água subterrânea no atendimento total (Dinamarca, Arábia Saudita, Malta) ou apenas como suplementação do abastecimento público e de atividades como irrigação, produção de energia, turismo, indústria, etc. (PIMENTEL, 1999). Na Austrália, 60% do país depende totalmente do manancial subterrâneo e em mais de 20% o seu uso é preponderante (HARBERMEHL, 1985 citado por REBOUÇAS et al., 2002). A cidade do México atende cerca de 80% da demanda dos quase 20 milhões de habitantes (GARDUÑO e ARREGUIN-CORTES, 1994 citado por REBOUÇAS et al., 2002). A UNESCO estimava, em 1992, que mais de 50% da população mundial poderia estar sendo abastecida pelo manancial subterrâneo (REBOUÇAS et al., 2002). Regiões áridas e semiáridas (Nordeste do Brasil e a Austrália), e certas ilhas, têm a água subterrânea como o único recurso hídrico disponível para uso humano. Até regiões desérticas, como a Líbia, têm a demanda de água em cidades e na irrigação atendida por poços tubulares perfurados em pleno deserto do Saara. Estima-se em 300 milhões o número de poços perfurados no mundo nas três últimas décadas (UNESCO, 1992 citado por REBOUÇAS et al., 2002), 100 milhões dos quais nos Estados Unidos, onde são perfurados cerca de 400 mil poços por ano, com uma extração de mais de 120 bilhões de m3/ano, atendendo mais de 70% do abastecimento público e das indústrias. Na África do Norte, China, Índia, Estados Unidos e Arábia Saudita, cerca de 160 bilhões de toneladas de água são retirados por ano e não se renovam. Essa água daria para produzir comida suficiente para 480 milhões de pessoas por ano (RODRIGUES, 2000). A expansão das terras agrícolas vem provocando também o uso intensivo das águas subterrâneas, além do uso habitual das fontes superficiais. Existem diversos exemplos no mundo de esgotamento de aqüíferos por sobrexploração para uso em irrigação (CEPIS, 2000). Avalia-se que existam no mundo 270 milhões de hectares irrigados com água subterrânea, 13 milhões desses nos Estados Unidos e 31 milhões na Índia (PROASNE, 2003). Vários núcleos urbanos no Brasil abastecem-se de água subterrânea de forma exclusiva ou complementar, constituindo o recurso mais importante de água doce. Indústrias, propriedades rurais, escolas, hospitais e outros estabelecimentos utilizam, com freqüência, água de poços profundos. O maior volume de água ainda é, todavia, destinado ao abastecimento público. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Importantes cidades do país dependem integral ou parcialmente da água subterrânea para abastecimento, como, por exemplo: Ribeirão Preto (SP), Mossoró e Natal (RN), Maceió (AL), Região Metropolitana de Recife (PE) e Barreiras (BA). No Maranhão, mais de 70% das cidades são abastecidas por águas subterrâneas, e em São Paulo e no Piauí esse percentual alcança 80%. As águas subterrâneas termais estimulam o turismo em cidades como Caldas Novas em Goiás, Araxá e Poços de Caldas em Minas Gerais. Além disso, atualmente, a água mineral é amplamente usada pelas populações dos centros urbanos, por sua qualidade (MMA, 2003). Mesmo em casos de elevado teor salino, como nas áreas de ocorrência dos sistemas aqüíferos fissurados do semiárido nordestino, as águas subterrâneas constituem, não raro, a única fonte de suprimento permanente (LEAL, 1999). Segundo o Censo de 2000 (IBGE, 2003), aproximadamente 61 % da população brasileira é abastecida, para fins domésticos, com água subterrânea, sendo que 6% se auto-abastece das águas de poços rasos, 12% de nascentes ou fontes e 43% de poços profundos. Portanto, o número de poços tubulares em operação no Brasil está estimado em cerca de 300.000, com um número anual de perfurações de aproximadamente 10.000, o que pode ser considerado irrisório diante das necessidades de água potável das populações e se comparado com outros países (MMA, 2003). Os estados com maior número de poços perfurados são: São Paulo (40.000), Bahia, Rio Grande do Sul, Ceará e Piauí (LEAL, 1999).

8.3 Ocorrência de água subterrânea A água da chuva pode ter vários destinos após atingir a superfície da Terra. Inicialmente uma parte se infiltra. Quando o solo atinge seu ponto de saturação, ficando encharcado, a água passa a escorrer sobre a superfície em direção aos vales. Dependendo da temperatura ambiente, uma parte da chuva volta à atmosfera na forma de vapor. Em países frios, ou em grandes altitudes, a água se acumula na superfície na forma de neve ou gelo, ali podendo ficar por muito tempo.A parcela da água que se infiltra vai dar origem à água subterrânea. A taxa de infiltração de água no solo depende de muitos fatores: 1-Sua porosidade: A presença de argila no solo diminui sua porosidade, não permitindo uma grande infiltração. 2-Cobertura vegetal: Um solo coberto por vegetação é mais permeável do que um solo desmatado. 2-Inclinação do terreno: em declividades acentuadas a água corre mais rapidamente, diminuindo o tempo de infiltração. 3- Tipo de chuva: Chuvas intensas saturam rapidamente o solo, ao passo que chuvas finas e demoradas têm mais tempo para se infiltrarem. 8.4 O caminho subterrâneo da água A água que se infiltra está submetida a duas forças fundamentais: a gravidade e a força de adesão de suas moléculas às superfícies das partículas do solo (força de capilaridade). Pequenas quantidades de água no solo tendem a se distribuir uniformemente pela superfície das partículas. A força de adesão é mais forte do que a força da gravidade que age sobre esta água. Como conseqüência ela ficará retida, quase imóvel, não atingindo zonas mais profundas. Chuvas finas e passageiras fornecem somente água suficiente para repor esta umidade do solo. Para que haja percolação da água até a zona saturada é necessário primeiro satisfazer esta necessidade da força capilar. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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A figura abaixo mostra as formas em que a água pode estar no solo.

Figura 8.2 - Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero freático 8.5 Aqüíferos Aqüífero é uma formação geológica do subsolo, constituída por rochas permeáveis, que armazena água em seus poros ou fraturas. Outro conceito refere-se a aqüífero como sendo, somente, o material geológico capaz de servir de depositório e de transmissor da água aí armazenada. Assim, uma litologia só será aqüífera se, além de ter seus poros saturados (cheios) de água, permitir a fácil transmissão da água armazenada. Um aqüífero pode ter extensão de poucos quilômetros quadrados a milhares de quilômetros quadrados, ou pode, também, apresentar espessuras de poucos metros a centenas de metros (REBOUÇAS et al., 2002). Etimologicamente, aqüífero significa: aqui = água; fero = transfere; ou do grego, suporte de água (HEINEN et al., 2003). Os aqüíferos mais importantes do mundo, seja por extensão ou pela transnacionalidade, são: o Guarani - Argentina, Brasil, Paraguai, Uruguai (1,2 milhões de km2); o Arenito Núbia Líbia, Egito, Chade, Sudão (2 milhões de km2); o KalaharijKaroo -Namíbia, Bostwana, África do Sul (135 mil km2); o Digitalwaterway vechte - Alemanha, Holanda (7,5 mil km2); o SlovakKarstAggtelek -República Eslováquia e Hungria); o Praded - República Checa e Polônia (3,3 mil km2) (UNESCO, 2001); a Grande Bacia Artesiana (1,7 milhões km2) e a Bacia Murray (297 mil km2), ambos na Austrália. Em um recente levantamento, a UNECE da Europa constatou que existem mais de 100 aqüíferos transnacionais naquele continente (ALMASSY e BUZAS, 1999 citado em UNESCO, 2001).

8.6 Zonas de ocorrência da água no solo de um aqüífero freático Zona de aeração: é a parte do solo que está parcialmente preenchida por água. Nesta zona a água ocorre na forma de películas aderidas aos grãos do solo. Solos muito finos tendem a ter mais Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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umidade do que os mais grosseiros, pois há mais superfícies de grãos onde a água pode ficar retida por adesão. Na zona de aeração podemos distinguir três regiões: Zona de umidade do solo: é a parte mais superficial, onde a perda de água de adesão para a atmosfera é intensa. Em alguns casos é muito grande a quantidade de sais que se precipitam na superfície do solo após a evaporação desta água, dando origem a solos salinizados ou a crostas ferruginosas (lateríticas). Franja de capilaridade: é a região mais próxima ao nível d’água do lençol freático, onde a umidade é maior devido à presença da zona saturada logo abaixo. Zona intermediária: região compreendida entre as duas anteriores e com umidade menor do que na franja capilar e maior do que na zona superficial do solo. Como já foi dito, a capilaridade é maior em terrenos cuja granulometria é muito fina. Em áreas onde o nível freático está próximo da superfície, a zona intermediária pode não existir, pois a franja capilar atinge a superfície do solo. São brejos e alagadiços, onde há uma intensa evaporação da água subterrânea. Zona de Saturação: é a região abaixo do lençol freático (nível freático) onde os poros ou fraturas da rocha estão totalmente preenchidos por água. Observe-se que em um poço escavado num aqüífero deste tipo a água o estará preenchendo até o nível freático. Em aqüíferos freáticos o nível da água varia segundo a quantidade de chuva. Em épocas com mais chuva o nível freático sobe e em épocas em que chove pouco o nível freático desce. Um poço perfurado no verão poderá ficar seco caso sua penetração na zona saturada for menor do que esta variação do nível d’água. 8.7 Classificação dos aqüíferos segundo a pressão da água 1)Aqüíferos Livres ou Freáticos A pressão da água na superfície da zona saturada está em equilíbrio com a pressão atmosférica, com a qual se comunica livremente. A figura 8.3 esquematiza um aqüífero deste tipo. São os aqüíferos mais comuns e mais explorados pela população. São também os que apresentam maiores problemas de contaminação. 2)Aqüíferos Artesianos Nestes aqüíferos a camada saturada está confinada entre duas camadas impermeáveis ou semipermeáveis, de forma que a pressão da água no topo da zona saturada é maior do que a pressão atmosférica naquele ponto, o que faz com que a água suba no poço para além da zona aqüífera. Se a pressão for suficientemente forte a água poderá jorrar espontaneamente pela boca do poço. Neste caso diz-se que temos um poço jorrante. Há muitas possibilidades geológicas em que a situação de confinamento pode ocorrer. A figura abaixo mostra o modelo mais clássico, mais comum e mais importante.

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Figura 8.3 - Esquema de sistema artesiano 8.8 Classificação segundo a geologia do material saturado 1)Aqüíferos Porosos Ocorrem em rochas sedimentares consolidadas, sedimentos inconsolidados e solos arenosos, decompostos in situ. Constituem os mais importantes aqüíferos, pelo grande volume de água que armazenam, e por sua ocorrência em grandes áreas. Estes aqüíferos ocorrem nas bacias sedimentares e em todas as várzeas onde se acumularam sedimentos arenosos. Uma particularidade deste tipo de aqüífero é sua porosidade quase sempre homogeneamente distribuída, permitindo que a água flua para qualquer direção, em função tão somente dos diferenciais de pressão hidrostática ali existentes. Esta propriedade é conhecida como isotropia. Poços perfurados nestes aqüíferos podem fornecer até 500 metros cúbicos por hora de água de boa qualidade. 2)Aqüíferos fraturados ou fissurados Ocorrem em rochas ígneas e metamórficas. A capacidade destas rochas em acumularem água está relacionada à quantidade de fraturas, suas aberturas e intercomunicação. No Brasil a importância destes aqüíferos está muito mais em sua localização geográfica, do que na quantidade de água que armazenam. Poços perfurados nestas rochas fornecem poucos metros cúbicos de água por hora. A possibilidade de se ter um poço produtivo dependerá,tão somente, de o mesmo interceptar fraturas capazes de conduzir a água. Há caso em que, de dois poços situados a pouca distância um do outro, somente um venha a fornecer água, sendo o outro seco. Para minimizar o fracasso da perfuração nestes terrenos, faz-se necessário que a locação do poço seja bem estudada por profissional competente. Nestes aqüíferos a água só pode fluir onde houver fraturas, que, quase sempre, tendem a ter orientações preferenciais, e por isto dizemos que são meios aqüíferos anisotrópicos, ou que possuem anisotropia. Um caso particular de aqüífero fraturado é representado pelos derrames de rochas ígneas vulcânicas basálticas, das grandes bacias sedimentares brasileiras. Estas rochas, apesar de ígneas, são capazes de fornecer volumes de água até dez vezes maiores do que a maioria das rochas ígneas e metamórficas. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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3)Aqüíferos cársticos São os aqüíferos formados em rochas carbonáticas. Constituem um tipo peculiar de aqüífero fraturado, onde as fraturas, devido à dissolução do carbonato pela água, podem atingir aberturas muito grandes, criando, neste caso, verdadeiros rios subterrâneos. É comum em regiões com grutas calcárias, ocorrendo em várias partes do Brasil.

Figura 8.4 – Ocorrência da água subterrânea

8.9 Funções dos Aqüíferos Além de suprir água suficiente para manter os cursos de águas superficiais estáveis (função de produção), os aqüíferos também ajudam a evitar seu transbordamento, absorvendo o excesso da água da chuva intensa (função de regularização). Na Ásia tropical, onde a estação quente pode durar até 9 meses e onde as chuvas de monção podem ser bastante intensas, esse duplo serviço hidrológico é crucial (SAMPAT,2001). Os aqüíferos também proporcionam uma forma de armazenar água doce sem muita perda pela evaporação - outro serviço particularmente valioso em regiões quentes, propensas à seca, onde essas perdas podem ser extremamente altas. Na África, por exemplo, em média, um terço da água extraída de reservatórios todo ano perde-se pela evaporação. Os pântanos, habitats importantes para as aves, peixes e outras formas de vida silvestre, nutrem-se, normalmente, de água subterrânea, onde o lençol freático aflora à superfície em ritmo constante. Onde há muita exaustão de água subterrânea, o resultado é, freqüentemente, leitos secos de rios e pântanos ressecados. Portanto, os aqüíferos podem cumprir as seguintes funções (REBOUÇAS et al., 2002):

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- Função de produção: corresponde à sua função mais tradicional de produção de água para o consumo humano, industrial ou irrigação. - Função de estocagem e regularização: utilização do aqüífero para estocar excedentes de água que ocorrem durante as enchentes dos rios, correspondentes à capacidade máxima das estações de tratamento durante os períodos de demanda baixa, ou referentes ao reuso de efluentes domésticos e/ ou industriais. - Função de filtro: corresponde à utilização da capacidade filtrante e de depuração biogeoquímica do maciço natural permeável. Para isso, são implantados poços a distâncias adequadas de rios perenes, lagoas, lagos ou reservatórios, para extrair água naturalmente clarificada e purificada, reduzindo substancialmente os custos dos processos convencionais de tratamento. - Função ambiental: a hidrogeologia evoluiu de enfoque naturalista tradicional (década de 40) para hidráulico quantitativo até a década de 60. A partir daí, desenvolveu-se a hidroquímica, em razão da utilização intensa de insumos químicos nas áreas urbanas, indústrias e nas atividades agrícolas. Na década de 80 surgiu a necessidade de uma abordagem multidisciplinar integrada da geohidrologia ambiental. - Função transporte: o aqüífero é utilizado como um sistema de transporte de água entre zonas de recarga artificial ou natural e áreas de extração excessiva. - Função estratégica: a água contida em um aqüífero foi acumulada durante muitos anos ou até séculos e é uma reserva estratégica para épocas de pouca ou nenhuma chuva. O gerenciamento integrado das águas superficiais e subterrâneas de áreas metropolitanas, inclusive mediante práticas de recarga artificial com excedentes da capacidade das estações de tratamento, os quais ocorrem durante os períodos de menor consumo, com infiltração de águas pluviais e esgotos tratados, originam grandes volumes hídricos. Esses poderão ser bombeados para atender o consumo essencial nos picos sazonais de demanda, nos períodos de escassez relativa e em situações de emergência resultantes de acidentes naturais, como avalanches, enchentes e outros tipos de acidentes que reduzem a capacidade do sistema básico de água da metrópole em questão. - Função energética: utilização de água subterrânea aquecida pelo gradiente geotermal como fonte de energia elétrica ou termal. - Função mantenedora: mantém o fluxo de base dos rios (WREGE,1997). 8.10 Ocorrências no Brasil A combinação das estruturas geológicas com fatores geomorfológicos e climáticos do Brasil resultou na configuração de 10 províncias hidrogeológicas (mapa 2.1), que são regiões com sistemas aqüíferos com condições semelhantes de armazenamento, circulação e qualidade de água (MMA, 2003). Essas províncias podem estar divididas em subprovíncias.

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MAPA 2.1 Representação esquemática das províncias hidrogeológicas do Brasil. Fonte: Adaptado de ONPMICPRM (1983), citado em MMA (2003) Sendo assim, as águas subterrâneas no Brasil ocupam diferentes tipos de reservatórios, desde as zonas fraturadas do embasamento cristalino (escudo) até os depósitos sedimentares cenozóicos (bacias sedimentares), reunindo-se em três sistemas aqüíferos: porosos, fissurados e cársticos (LEAL, 1999). Os escudos são formados por rochas magmáticas e metamórficas e correspondem aos primeiros núcleos de rochas emersas que afloraram desde o início da formação da crosta terrestre. As bacias sedimentares são depressões preenchidas, ao longo do tempo, por detritos ou sedimentos provenientes de áreas próximas ou distantes que normalmente estão dispostas de forma horizontal (COELHO, 1996). Os sistemas aqüíferos brasileiros (mapa 2.2) armazenam os importantes excedentes hídricos, que alimentam uma das mais extensas redes de rios perenes do mundo, com exceção dos rios temporários, que nascem nos domínios das rochas do embasamento geológico subaflorante do semi-árido da região Nordeste (REBOUÇAS et al., 2002), e desempenham, ainda, importante papel socioeconômico, devido à sua potencialidade hídrica (MMA,2003). Sistemas porosos: formados por rochas sedimentares que ocupam 42% (3,6 milhões de km2) da área total do país e compreendem cinco províncias hidrogeológicas (bacias sedimentares): Amazonas, Paraná, Parnaíba-Maranhão, Centro-Oeste e Costeira. A estruturação geológica, com alternância de camadas permeáveis e impermeáveis, assegura lhes condição de artesianismo. As Bacias do Paraná, Amazonas, Parnaíba e a Subprovíncia Potiguar-Recife destacam-se pela extensão e potencialidade (ABAS, 2003). Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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MAPA 2.2 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DOS PRINCIPAIS AQÜÍFEROS BRASILEIROS Fonte: Adaptado de MMA (2003) - As Províncias Amazonas e Parnaíba posicionam-se como a segunda e terceira do Brasil, respectivamente, em volume de água armazenado. A pouca evaporação da Província Amazonas, motivada pela elevada umidade do ar e a cobertura florestal, contribui também para uma maior absorção das águas superficiais pelas suas rochas. - A Província Centro-Oeste compreende as Subprovíncias Ilha do Bananal, Alto Xingu, Chapada dos Parecis e Alto Paraguai, localizadas na região Centro-Oeste do país, cujos principais aqüíferos são o Aquidauana, Parecis e Botucatu. - A Província Costeira abrange praticamente toda zona costeira do Brasil, excetuandose as porções dos Estados do Paraná, São Paulo, sul do Rio de Janeiro, norte do Pará, Ilha de Marajó e sudeste do Amapá. Essa província apresenta-se bastante diversifica da, por abranger várias bacias sedimentares costeiras, de diferentes constituições e idades geológicas. As suas subprovíncias são: Alagoas/Sergipe; Amapá; Barreirinhas; Ceará/Piauí; Pernambuco; Potiguar; Recôncavo; Rio de Janeiro e Rio Grande do Sul. Os aqüíferos mais importantes são os arenitos cretáceos e terciários nas Bacias Potiguar, Alagoas e Sergipe. Os sistemas aqüíferos Dunas e Barreiras são utilizados para abastecimento humano nos Estados do Ceará, Piauí e Rio Grande do Norte. O Aqüífero Açu é intensamente explotado para atender ao abastecimento público, industrial e em projetos de irrigação (fruticultura), na região de Mossoró (RN). O Aqüífero Beberibe é explotado na Região Metropolitana do Recife, por meio de 2.000 poços que atendem condomínios residenciais, hospitais e escolas. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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- A Província São Francisco participa desse sistema com a parte granular-arenítica das Formações Urucuia-Areado. - A Bacia Sedimentar do Paraná constitui, sem dúvida, a mais importante província hidrogeológica do Brasil, com cerca de 45% das reservas de água subterrânea do território nacional, em função da sua aptidão em armazenar e liberar grandes quantidades de água e pelo fato de se encontrar nas proximidades das regiões relativamente mais povoadas e economicamente mais desenvolvidas do país, além de possuir o maior volume de água doce em sub-superfície, com reserva estimada de 50.400 km3 de água (mapa 2.3). - Localizada no centro-leste da América do Sul, com uma superfície total de aproximadamente 1.600.000 km2 é considerada também a segunda bacia mais importante da América do Sul, constituindo-se em uma fossa muito profunda, que alcança de 6.000 a 7.000 m, ao longo do seu eixo central que se encontra abaixo do Rio Paraná. Está composta por uma impressionante seqüência de rochas sedimentares, que vão desde o Paleozóico até o Cenozóico (triássicasjurássicas-cretáceas) (DELGADO e ANTÓN, 2002). A porção que se encontra em território brasileiro perfaz 1.000.000 km2 e tem uma espessura máxima de 6.000 m. As formações paleozóicas apresentam baixa permeabilidade e representam sistemas aqüíferos pouco produtivos, não sendo muito satisfatórios com respeito à qualidade de suas águas. Entre os aqüíferos paleozóicos mais importantes encontram-se os arenitos Furnas, Aquiduana, Itararé e Rio Bonito. Muito mais importantes são as formações triássicas-jurássicas que se encontram separadas por um pacote basáltico de grande extensão lateral, formando um aqüífero de dimensões continentais, o Guarani, composto pelas Formações Botucatu e Pirambóia, e que constitui um dos principais sistemas aqüíferos da mesma. - A cobertura de basaltos constitui-se num aqüífero fraturado - Formação Serra Geral (com mais de 1.500 m de espessura) - que cobre o Aqüífero Guarani, de forma a reduzir sua área de exposição a apenas 10% da área total de distribuição geográfica sub-superficial. A sua extensão original estimada em 4.000.000 km2 acha-se reduzida a 1.000.000 km2, aflorando de forma praticamente contínua, sobre cerca de 56% dessa área, e, no restante, sendo recoberta pelos sedimentos dos Grupos Bauru/Caiuá (o primeiro localizado no Estado de São Paulo e o segundo, no Estado do Paraná). A grande importância econômica dos basaltos advém da reconhecida fertilidade dos solos, base de intensa exploração agropecuária característica da região e dos condicionamentos favoráveis (topográficos e geotécnicos) a implantação de hidrelétricas. A sua importância hidrogeológica decorre da relativa explorabilidade das suas zonas aqüíferas pelos meios técnicos e financeiros disponíveis. Em termos de potabilidade, as águas dos basaltos revelam uma forte tendência alcalina (pH = 5.5 e 6.5) e mineralização total inferior a 300 mg/L. - Os Grupos Bauru/ Caiuá, arenitos que cobrem cerca de 315.000 km2 da Formação Serra Geral, apresentam uma espessura média de 100 m, que contêm água geralmente de boa qualidade. Devido ao baixo custo de captação, esses dois aqüíferos são intensamente explorados. Em 1999 já existiam mais de 16.000 poços tubulares, 2/3 dos quais captando o Aqüífero Bauru (LEAL, 1999), de modo a garantir o abastecimento doméstico e parte das demandas de pequenas indústrias da região. Essa condição advém do fato de ser um sistema livre, local e ocasionalmente freático e é submetido a uma abundante recarga. Contudo, essa condição faz com que esse manancial seja potencialmente muito vulnerável aos agentes polui dores provenientes das atividades agroindustriais, principalmente. As seqüências arenosas e argilosas alternadas do Grupo Bauru no Brasil, depositadas sobre o pacote de rochas vulcânicas (basaltos) durante o cretáceo superior correspondem às Formações Quebrada Monardes na Argentina; Acaray no Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Paraguai e Mercedes-Ascencio no Uruguai, (ARAÚJO et aI., 1999 citado por REBOUÇAS et al., 2002a). - Outros importantes aqüíferos da Província do Paraná são: Marizal, São Sebastião (com espessura de mais de 3.000 m) e Ilhas (2.500 m). Sistemas fraturados ou fissurados: ocupam uma área de cerca de 4,6 milhões de km2, correspondente a 53,8% do território nacional. Compreendem as Províncias Hidrogeológicas dos Escudos Setentrional, Central, Oriental e Meridional. As duas primeiras províncias com rochas fraturadas do embasamento apresentam razoáveis possibilidades hídricas, devido aos altos índices pluviométricos da área. A Província Oriental está dividida em duas sub-províncias (Nordeste e Sudeste). A Província Meridional, em Santa Catarina e no Rio Grande do Sul é de substrato alterado. Os altos índices pluviométricos da região asseguram a perenização dos rios e contribuem para a recarga dos aqüíferos, cujas reservas são, em parte, restituídas à rede hidrográfica (MMA,2003). Esse sistema apresenta reservas de águas subterrâneas da ordem de 10.080 km 3 (REBOUÇAS, 1988 citado por LEAL, 1999). As águas são de boa qualidade química, podendo ocorrer localmente teores de ferro acima do permitido. No domínio do embasamento cristalino subaflorante, como na Província Hidrogeológica Escudo Oriental do Nordeste onde está localizada a região semi-árida - há pequena disponibilidade hídrica, devido à formação de rochas cristalinas. É freqüente observar teor elevado de sais nas águas dessa região, o que restringe ou impossibilita seu uso (MMA, 2003). Nesse domínio subaflorante é que nascem os rios temporários. Sistemas cársticos: formados pelo sistema cárstico-fissural da Província Hidrogeológica do São Francisco, e pela Formação Jandaíra (subprovíncia Potiguar). Inclui os domínios do calcário do Grupo Bambuí com mais de 350.000 km2 nos Estados da Bahia, Goiás e Minas Gerais e a Formação Caatinga. As profundidades do desenvolvimento cárstico são muito variáveis, com média em torno de 150 m. Enquanto o Bambuí pode fornecer vazões superiores a 200 m3jh, o Jandaíra, apresenta vazões muito baixas (geralmente inferiores a 3,5 m3jh). Outro importante aqüífero cárstico é o Pirabas com profundidade média de 220 m e vazão de 135 m3jh (MMA, 2003) e a Formação Capiru do Grupo Açungui, com vazão média 180 m3jh e profundidade média de 60 m.

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MAPA 2.3 – MAPA GEOLÓGICO SIMPLIFICADO DA BACIA DO PARANÁ Fonte: Modificado de Paulipetro (1981) 8.11 Impactos Ambientais sobre os Aqüíferos O manancial subterrâneo acha-se relativamente melhor protegido dos agentes de contaminação que afetam rapidamente a qualidade das águas dos rios, na medida em que ocorre sob uma zona não saturada (aqüífero livre), ou está protegido por uma camada relativamente pouco permeável (aqüífero confinado) (REBOUÇAS, 1996). Mesmo assim, está sujeito a impactos ambientais (CPRM, 2002), tais como: - Contaminação: a vulnerabilidade de um aqüífero refere-se ao seu grau de proteção natural às possíveis ameaças de contaminação potencial, e depende das características litológicas e hidrogeológicas dos estratos que o separam da fonte de contaminação (geralmente superficial), e Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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dos gradientes hidráulicos que determinam os fluxos e o transporte das substâncias contaminantes através dos sucessivos estratos e dentro do aqüífero (CALCAGNO, 2001). A contaminação ocorre pela ocupação inadequada de uma área que não considera a sua vulnerabilidade, ou seja, a capacidade do solo em degradar as substâncias tóxicas introduzidas no ambiente, principalmente na zona de recarga dos aqüíferos. A contaminação pode se dar por fossas sépticas e negras; infiltração de efluentes industriais; fugas da rede de esgoto e galerias de águas pluviais; vazamentos de postos de serviços; por aterros sanitários e lixões; uso indevido de fertilizantes nitrogenados; depósitos de lixo próximos dos poços mal construídos ou abandonados. Entretanto, a mais perigosa, é a contaminação provoca da por produtos químicos, que acarretam danos muitas vezes irreversíveis, causando enormes prejuízos, à medida que impossibilita o uso das águas subterrâneas em grandes áreas (MUSEU DO UNA, 2003). - Superexplotação ou superexploração (sobreexplotação ou sobreexploração) de aqüíferos: é a extração de água subterrânea que ultrapassa os limites de produção das reservas reguladoras ou ativas do aqüífero, iniciando um processo de rebaixamento do nível potenciométrico que irá provocar danos ao meio ambiente ou para o próprio recurso. Portanto, a água subterrânea pode ser retirada de forma permanente e em volumes constantes, por muitos anos, desde que esteja condicionada a estudos prévios do volume armazenado no subsolo e das condições climáticas e geológicas de reposição (DRM, 2003). Além da exaustão do aqüífero, a superexplotação pode provocar: - indução de água contaminada causada pelo deslocamento da pluma de poluição para locais do aqüífero; - subsidência de solos, definida como "movimento para baixo ou afundamento do solo causado pela perda de suporte subjacente", provocando uma compactação diferenciada do terreno que leva ao colapso das construções civis; avanço da cunha salina definida como o avanço da água do mar em subsuperfície sobre a água doce, salinizando o aqüífero, em áreas litorâneas (MELO et aL, 1996, citado em CPRM, 2002). Sem dúvida, a maioria dos aqüíferos costeiros são suscetíveis à intrusão salina, que geralmente resulta da sobreexplotação em poços muito próximos do mar. Algumas das cidades que tiveram problemas de salinização de seus poços são, entre outras: Lima (Peru); Santa Marta (Colombia); Coro (Venezuela); Rio Grande e Natal (Brasil) e Mar deI Plata (Argentina). No caso de Buenos Aires-La Plata, o problema de salinização se deve ao conteúdo de sais de uma formação costeira (DELGADO e ANTÓN, 2002). O crescimento desordenado do número de poços tem provocado significativos rebaixamentos do nível de água e problemas de intrusão salina em Boa Viagem, no Recife (MMA,2003). O desenvolvimento de poderosas bombas elétricas e a diesel permitiu a capacidade de extrair água dos aqüíferos com maior rapidez do que é substituída pela chuva, sem considerar, ainda, que os aqüíferos têm diferentes taxas de recarga, alguns com recuperação mais lenta que outros (CEPIS, 2000). Calcula-se que a extração anual dos aqüíferos é de 160 bilhões de metros cúbicos (160 trilhões de litros) no mundo (POSTEL, 1999 citado por BROWN, 2003).

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Em quase todos os continentes, muitos dos principais aqüíferos estão sendo exauridos com uma rapidez maior do que sua taxa natural de recarga. A mais severa exaustão de água subterrânea ocorre na Índia, China, Estados Unidos, Norte da África e Oriente Médio, causando um déficit hídrico mundial de cerca de 200 bilhões de metros cúbicos por ano (SAMPAT,2001). Existem diversos exemplos no mundo de esgotamento de aqüíferos por superexplotação para uso em irrigação. O esgotamento das águas subterrâneas já provocou o afundamento dos solos situados sobre os aqüíferos na cidade do México e na Califórnia, Estados Unidos, assim como em outros países (CEPIS, 2000). No Brasil, como não há legislação específica que discipline o uso das águas subterrâneas e coíba a abertura de novos poços, essa franquia de ordem legal tem contribuído para problemas de superexplotação (BROWN, 2003). Outro fator que está provocando o comprometimento da qualidade e disponibilidade hídrica dos aqüíferos reside na ocupação inadequada de suas áreas de recarga (CAVALCANTE e SABADIA, 1992, citado em CPRM, 2002). Nos Estados Unidos, segundo um estudo da BBC Mundo (2003), verificou-se que o maior aqüífero desse país, o Ogallala, está empobrecendo a uma taxa de 12 bilhões de m3 ao ano. A redução total chega a uns 325 bilhões de m3, um volume que iguala o fluxo anual dos 18 rios do estado do Colorado. O Ogallala se estende do Texas a Dakota do Sul e suas águas alimentam um quinto das terras irrigadas dos Estados Unidos. Muitos fazendeiros nas pradarias altas estão abandonando a agricultura irrigada ao se conscientizarem das conseqüências de um bombeamento excessivo e de que a água não é um recurso inesgotável. A utilização de poços, fontes e vertentes deve ter a orientação de um profissional habilitado nessa área, de modo que o seu uso não comprometa o uso futuro desses recursos (seja por uma possível contaminação ou a exploração de uma vazão superior à admissível), e nem exponha a saúde da população abastecida a possíveis doenças de origem ou veiculação hídrica, devido à utilização de mananciais inadequados ou contaminados. Em suma, a compatibilização do uso dessa importante alternativa estratégica de abastecimento com as leis naturais que governam a sua ocorrência e reposição, além de proteger as áreas de recarga de possíveis contaminações poderá garantir a sua preservação e uso potencial pelas gerações futuras (SILVA, 2003). Além disso, conhecer a disponibilidade dos sistemas aqüíferos e a qualidade de suas águas é primordial ao estabelecimento de política de gestão das águas subterrâneas (LEAL, 1999). 8.12 Como funciona um poço Quando iniciamos o bombeamento de um poço, ocorre neste o rebaixamento do nível da água, criando um gradiente hidráulico (uma diferença de pressão) entre este local e suas vizinhanças. Este gradiente provoca a vinda contínua de água do aqüífero em direção ao poço, enquanto estiver sendo processado o bombeamento. Se o bombeamento parar, o nível d’água retorna ao nível original (recuperação). Ao nível em que se encontra a água dentro do poço quando este está sendo bombeado chamamos de nível dinâmico. O rebaixamento do nível d’água possui a forma cônica, cujo eixo é o próprio poço. A formação deste cone responde à necessidade de a água fluir em direção ao poço para repor a que está sendo extraída. Nos aqüíferos isotrópicos, a água chegará todos os lados com a mesma velocidade, dando origem a uma superfície cônica relativamente simétrica. Se o aqüífero for anisotrópico, este contorno será alongado segundo a direção da velocidade menor do fluxo de água. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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A forma do cone de depressão dependerá dos seguintes fatores: 1- Do volume de água que está sendo bombeado: um mesmo poço apresentará cones de tamanhos diferentes em função do volume de água que está sendo extraída. Volume maior implica em maior rebaixamento do nível da água dentro do poço. 2- Da permeabilidade do aqüífero: esta determinará a velocidade com que a água se movimenta para o poço. Quando a permeabilidade é grande, maiores volumes de água chegarão ao poço em menos tempo, provocando um cone menos profundo. Se a permeabilidade do aqüífero for pequena, o cone terá um rebaixamento muito pronunciado. O cone de depressão se expandirá até que seja capturada uma quantidade de água que iguale ao volume que está sendo extraído pelo bombeamento. Esta água capturada poderá ser: água de cursos superficiais ou de mares e lagos; água da chuva ou águas de camadas superiores separadas do aqüífero por camadas semiconfinantes, no caso de aqüíferos artesianos. Quando a quantidade de água capturada pelo cone de depressão se iguala ao volume que está sendo extraído, dizemos que o poço está sendo operado em condições de equilíbrio.

Figura8.5 - Poço perfurado em aqüífero com boa permeabilidade. Obs: Notar que o cone de depressão tem pequeno rebaixamento.

Figura 8.6 - Poço perfurado em aqüífero de baixa permeabilidade Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Obs: Notar o cone de depressão profundo Quando o cone de depressão atinge uma massa de água superficial, se esta não estiver hidraulicamente isolada, haverá o início ou o aumento da infiltração destas águas em direção ao poço. Poços próximos a fontes de águas poluídas estão seriamente sujeitos a produzir água contaminada. Um caso muito comum é a interceptação de água de fossas e sumidouros sanitários ou de vazamentos de redes de esgoto. Mesmo uma fossa situada a jusante do poço poderá contaminá-lo, pois com o bombeamento ocorre uma inversão do fluxo subterrâneo. Uma vez terminado o poço, faz-se análise de sua água. No entanto, após um certo tempo de bombeamento intenso, este poço poderá começar a produzir água contaminada em virtude do acima exposto, isto é, pela captura de água poluída. Daí a necessidade de se manter uma permanente vigilância sobre a qualidade da água produzida. Vigilância que deverá se dar não somente na qualidade bacteriológica, mas também na sua qualidade química, pois às vezes o aqüífero é capaz de filtrar as bactérias, mas não os produtos químicos indesejáveis como os compostos de nitrogênio, detergentes, arsênio, entre outros. 8.13 Físico-química da água subterrânea As características químicas das águas subterrâneas refletem os meios por onde percolam, guardando uma estreita relação com os tipos de rochas drenados e com os produtos das atividades humanas adquiridos ao longo de seu trajeto. Em áreas industrializadas encontra-se uma forte marca das atividades humanas na qualidade química das águas. Esta relação é em particular marcante onde predominam os aqüíferos do tipo fissural, passíveis de serem facilmente influenciados pelas atividades humanas. Nas proximidades dos grandes centros urbanos temos problemas associados às seguintes descargas de poluentes: efluentes líquidos industriais e domésticos, vazamentos de depósitos de combustíveis, chorumes provenientes de depósitos de lixo doméstico, descargas gasosas e de material particulado lançado na atmosfera pelas indústrias e veículos. Nas áreas onde se desenvolve algum tipo de agricultura, a química da água pode estar fortemente influenciada pelos produtos químicos utilizados: inseticidas, herbicidas, adubos químicos, cálcario, entre outros. Devido à sua estrutura molecular dipolar a água é um forte solvente (solvente universal). Nas águas naturais este poder de dissolução é muito aumentado pela presença de ácido carbônico, formado pelo gás carbônico dissolvido, e ácidos orgânicos, principalmente húmicos, produzidos pela atividade dos seres vivos ao nível do solo. Num país tropical como o Brasil a abundância de água (umidade) e seu conteúdo em ácidos se coloca como o principal responsável pelo intemperismo das rochas, dando origem a mantos de decomposição (regolito) com espessura de dezenas de metros. Todas as águas naturais possuem, em graus distintos, um conjunto de sais em solução, sendo que as águas subterrâneas possuem, em geral, teores mais elevados dos que as águas superficiais, por estarem intimamente expostas aos materiais solúveis presentes no solo e nas rochas. A quantidade e tipo de sais presentes na água subterrânea dependerá do meio percolado, do tipo e velocidade do fluxo subterrâneo, da fonte de recarga do aqüífero e do clima da região. Em áreas com alto índice pluviométrico a recarga constante dos aqüíferos permite uma maior renovação das águas subterrâneas, com a conseqüente diluição dos sais em solução. Diferentemente, em climas áridos a pequena precipitação leva a uma salinização na superfície do solo através da evaporação da água que sobe por capilaridade. Por ocasião das chuvas mais intensas os sais mais solúveis são carreados para as partes mais profundas do aqüífero aumentando sua salinidade. Isto é o que acontece no Nordeste Brasileiro, onde , em muitas áreas, Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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o problema consiste muito mais na salinização excessiva da água do que na inexistência da mesma. 8.13.1 Propriedades Físicas Temperatura: As águas subterrâneas têm uma amplitude térmica pequena, isto é, sua temperatura não é influenciada pelas mudanças da temperatura atmosférica. Exceções são os aqüíferos freáticos pouco profundos. Em profundidades maiores a temperatura da água é influenciada pelo grau geotérmico local ( em média 1ºC a cada 30 m). No aqüífero Botucatu (Guarani) são comuns temperaturas de 40 a 50ºC em sua partes mais profundas. Em regiões vulcânicas ou de falhamentos profundos águas aquecidas podem aflorar na superfície dando origem às fontes termais. Cor A cor de uma água é conseqüência de substâncias dissolvidas. Quando pura, e em grandes volumes, a água é azulada. Quando rica em ferro, é arroxeada. Quando rica em manganês, é negra e, quando rica em ácidos húmicos, é amarelada. A medida da cor de uma água é feita pela comparação com soluções conhecidas de platina-cobalto ou com discos de vidro corados calibrados com a solução de platina-cobalto. Uma unidade de cor corresponde àquela produzida por 1mg/L de platina, na forma de íon cloroplatinado. Especial cuidado deve ser tomado na anotação do pH em que foi realizada a medida, pois sua intensidade aumenta com o pH. Da mesma forma a cor é influenciada por matérias sólidas em suspensão (turbidez), que devem ser eliminadas antes da medida. Para águas relativamente límpidas a determinação pode ser feita sem a preocupação com a turbidez. Neste caso a cor obtida é referida como sendo aparente. Em geral as águas subterrâneas apresentam valores de cor inferiores a 5mg de platina. Para ser potável uma água não deve apresentar nenhuma cor de considerável intensidade. Segundo a OMS o índice máximo permitido deve ser 20mg Pt/L. Odor e sabor Odor e sabor são duas sensações que se manifestam conjuntamente, o que torna difícil sua separação. O odor e o sabor de uma água dependem dos sais e gases dissolvidos. Como o paladar humano tem sensibilidade distinta para os diversos sais, poucos miligramas por litro de alguns sais ( ferro e cobre por exemplo) é detectável, enquanto que várias centenas de miligramas de cloreto de sódio não é apercebida. Em geral as águas subterrâneas são desprovidas de odor. Algumas fontes termais podem exalar cheiro de ovo podre devido ao seu conteúdo de H2S (gás sulfídrico). Da mesma maneira águas que percolam matérias orgânicas em decomposição (turfa por exemplo) podem apresentar H2S. Turbidez É a medida da dificuldade de um feixe de luz atravessar uma certa quantidade de água. A turbidez é causada por matérias sólidas em suspensão (silte, argila, colóides, matéria orgânica, etc.). A turbidez é medida através do turbidímetro, comparando-se o espalhamento de um feixe de luz ao passar pela amostra com o espalhamento de um feixe de igual intensidade ao passar por uma suspensão padrão. Quanto maior o espalhamento maior será a turbidez. Os valores são expressos em Unidade Nefelométrica de Turbidez (UNT). A cor da água interfere negativamente na medida da turbidez devido à sua propriedade de absorver luz . Segundo a OMS (Organização Mundial da Saúde), o limite máximo de turbidez em água potável deve ser 5 UNT. As águas Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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subterrâneas normalmente não apresentam problemas devido ao excesso de turbidez. Em alguns casos, águas ricas em íons Fe, podem apresentar uma elevação de sua turbidez quando entram em contato com o oxigênio do ar. Sólidos em Suspensão: Corresponde à carga sólida em suspensão e que pode ser separada por simples filtração ou mesmo decantação. As águas subterrâneas em geral não possuem sólidos em suspensão e quando um poço está produzindo água com significativo teor de sólidos em suspensão é geralmente como conseqüência de mal dimensionamento do filtro ou do pré-filtro ou completação insuficiente do aqüífero ao redor do filtro. Em aqüíferos cársticos e fissurais as aberturas das fendas podem permitir a passagem das partículas mais finas (argila, silte) aumentando assim o conteúdo em sólidos em suspensão. Condutividade Elétrica Os sais dissolvidos e ionizados presentes na água transformam-na num eletrólito capaz de conduzir a corrente elétrica. Como há uma relação de proporcionalidade entre o teor de sais dissolvidos e a condutividade elétrica, pode-se estimar o teor de sais pela medida de condutividade de uma água. A medida é feita através de condutivímetro e a unidade usada é o MHO (inverso de OHM, unidade de resistência). Como a condutividade aumenta com a temperatura, usa-se 25ºC como temperatura padrão, sendo necessário fazer a correção da medida em função da temperatura se o condutivímetro não o fizer automaticamente. Para as águas subterrâneas as medidas de condutividade são dadas em microMHO/cm. OBS: No Sistema Internacional de Unidades, adotado pelo Brasil, a unidade de condutância é siemens, abreviando-se S (maiúsculo). Para as águas subterrâneas o correto seria nos referirmos a microsiemens por centímetro (μS/cm). Dureza A dureza é definida como a dificuldade de uma água em dissolver (fazer espuma) sabão pelo efeito do cálcio, magnésio e outros elementos como Fe, Mn, Cu, Ba etc. Águas duras são inconvenientes porque o sabão não limpa eficientemente, aumentando seu consumo, e deixando uma película insolúvel sobre a pele, pias, banheiras e azulejos do banheiro. A dureza pode ser expressa como dureza temporária, permanente e total. Dureza temporária ou de carbonatos: É devida aos íons de cálcio e de magnésio que sob aquecimento se combinam com íons bicarbonato e carbonatos, podendo ser eliminada por fervura. Em caldeiras e tubulações por onde passa água quente (chuveiro elétrico por exemplo) os sais formados devido à dureza temporária se precipitam formando crostas e criando uma série de problemas, como o entupimento. Dureza permanente: É devida aos íons de cálcio e magnésio que se combinam com sulfato, cloretos, nitratos e outros, dando origem a compostos solúveis que não podem ser retirados pelo aquecimento. Dureza total: É a soma da dureza temporária com a permanente. A dureza é expressa em miligrama por litro (mg/L) ou miliequivalente por litro (meq/L) de CaCO3 (carbonato de cálcio) independentemente dos íons que a estejam causando. Alcalinidade: Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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É a medida total das substâncias presentes numa água, capazes de neutralizarem ácidos. Em outras palavras, é a quantidade de substâncias presentes numa água e que atuam como tampão. Se numa água quimicamente pura (pH=7) for adicionada pequena quantidade de um ácido fraco seu pH mudará instantaneamente. Numa água com certa alcalinidade a adição de uma pequena quantidade de ácido fraco não provocará a elevação de seu pH, porque os íons presentes irão neutralizar o ácido. Em águas subterrâneas a alcalinidade é devida principalmente aos carbonatos e bicarbonatos e, secundariamente, aos íons hidróxidos, silicatos, boratos, fosfatos e amônia. Alcalinidade total é a soma da alcalinidade produzida por todos estes íons presentes numa água. Águas que percolam rochas calcárias (calcita = CaCO3) geralmente possuem alcalinidade elevada. Granitos e gnaisses, rochas comuns em muitos estados brasileiros, possuem poucos minerais que contribuem para a alcalinidade das água subterrâneas. A alcalinidade total de uma água é expressa em mg/L de CaCO3. pH: É a medida da concentração de íons H+ na água. O balanço dos íons hidrogênio e hidróxido (OH-) determina quão ácida ou básica ela é. Na água quimicamente pura os íons H+ estão em equilíbrio com os íons OH- e seu pH é neutro, ou seja, igual a 7. Os principais fatores que determinam o pH da água são o gás carbônico dissolvido e a alcalinidade. O pH das águas subterrâneas varia geralmente entre 5,5 e 8,5. Sólidos Totais Dissolvidos (STD): É a soma dos teores de todos os constituintes minerais presentes na água. Como dito anteriormente, a medida de Condutividade elétrica, multiplicada por um fator que varia entre 0,55 e 0,75, fornece uma boa estimativa do STD de uma água subterrânea. Segundo o padrão de potabilidade da OMS, o limite máximo permissível de STD na água é de 1000 mg/L. Principais Constituintes Iônicos: Como já foi dito, as águas subterrâneas tendem a ser mais ricas em sais dissolvidos do que as águas superficiais. As quantidades presentes refletem não somente os substratos rochosos percolados mas variam também em função do comportamento geoquímico dos compostos químicos envolvidos. Como há sensíveis variações nas composições químicas das rochas, é de se esperar uma certa relação entre sua composição da água e das rochas preponderantes na área. É necessário, contudo, frisar que o comportamento geoquímico dos compostos e elementos é o fator preponderante na sua distribuição nas águas. Desta forma o sódio e o potássio, dois elementos que ocorrem com concentrações muito próximas na crosta continental participam em quantidades sensivelmente diferentes nas águas subterrâneas. Bário (Ba) O Bário é um elemento raro nas águas naturais, em teores de 0,0007 a 0,9 mg/L. As principais fontes naturais são: Intemperismo e erosão de depósitos naturais, normalmente veios, onde ocorre na forma de barita (Ba SO4), ou feldspatos ricos em Ba. Entre as atividades humanas que introduzem bário no meio ambiente, podemos citar: Perfuração de poços, onde é empregado em lamas de perfuração; produção de pigmentos, fogos de artifício, vidros e defensivos agrícolas. Pela resolução 20 do CONAMA, o limite permitido de Ba em águas de abastecimento, é de 1,0 mg/L. É um elemento muito tóxico acima deste teor. Sua ingestão provoca elevação da pressão sanguínea, por vasoconstrição e bloqueio do sistema nervoso. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Cádmio (Ca) Normalmente está presente nas águas naturais em pequenas concentrações, geralmente inferiores a 0,001 mg/L. As principais fontes humanas de liberação de cádmio são: Combustíveis fósseis, pigmentos, baterias, soldas, equipamentos eletrônicos, lubrificantes, acessórios fotográficos, defensivos químicos, corrosão de tubos galvanizados e refinarias de minérios. É um metal de elevado potencial tóxico, que se acumula em organismos aquáticos, o que possibilita sua entrada na cadeia alimentar, podendo chegar ao homem. Sua ingestão provoca disfunção renal, hipertensão, arterosclerose, inibição no crescimento, doenças crônicas em idosos e câncer. Segundo a Resolução 20 do CONAMA, o teor máximo permitido é 0,001mg/L. Cálcio (Ca+) O teor de cálcio nas águas subterrâneas varia, de uma forma geral, de 10 a 100mg/L. As principais fontes de cálcio são os plagioclásios cálcicos, calcita, dolomita, apatita, entre outros. O carbonato de cálcio é muito pouco solúvel em água pura. O cálcio ocorre nas águas na forma de bicarbonato e sua solubilidade está em função da quantidade de gás carbônico dissolvido. A quantidade de CO2 dissolvida depende da temperatura e da pressão, que são, portanto, fatores que vão determinar a solubilidade do bicarbonato de cálcio. A reação resultante é a seguinte: Ca CO3 + CO2 + H2O → Ca (CO3)2 H2 Toda variação de temperatura e de pressão que levam à modificação do CO2 dissolvido na água refletirá sobre seu conteúdo em Ca. No caso das águas subterrâneas estas variações ora levam à solubilização do carbonato de cálcio, ora levam à sua precipitação. A incrustação de um filtro de poço por Ca CO3 é uma das conseqüências deste processo.O cálcio é o principal elemento responsável pela dureza de uma água. Chumbo (Pb) Apesar de não ser um elemento comum nas águas naturais, o chumbo tem sido responsável por sérios problemas de intoxicação, devido ao fato de que é introduzido facilmente no meio ambiente a partir de uma série de processos e produtos humanos, tais como: encamentos e soldas, plásticos, tintas, pigmentos, metalurgia. Em países em que o chumbo tetraetila é adicionado à gasolina, esta é uma das principais fontes de poluição por este elemento. No Brasil, seu uso na gasolina foi substituído por álcool etílico. Recentemente a imprensa noticiou a presença de chumbo na água de abastecimento do bairro de Copacabana, oriundo de antigos encanamentos de chumbo. É um metal que tem efeito cumulativo no organismo, provocando uma doença crônica chamada saturnismo, hoje mais comum em trabalhadores que estão muito expostos à contaminação. No passado a taxa de intoxicação era muito elevada devido ao uso de canecas e vasilhames de chumbo. Os efeitos da intoxicação por chumbo são: tontura, irritabilidade, dor de cabeça, perda de memória. A intoxicação aguda caracteriza-se pela sede intensa, sabor metálico na boca, inflamação gastro-intestinal, vômitos e diarréias. Em crianças, o chumbo provoca retardamento físico e mental, perda da concentração e diminuição da capacidade cognitiva. Em adultos são comuns problemas nos rins e aumento da pressão arterial. Análises realizadas em amostras de cabelo de Beethoven, o grande compositor alemão, detectaram chumbo em níveis 60 vezes superiores ao comum. Alguns pesquisadores acreditam que uma intoxicação aguda por chumbo pode explicar muitas das dores que Beethoven sentia e do seu comportamento irritadiço e solitário. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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No sul do Estado de São Paulo e norte do Estado do Paraná, na região do Vale do Rio Ribeira, foi detectada intoxicação, em larga escala, da população e dos animais aquáticos. A poluição é proveniente de rejeitos da mineração de chumbo, ouro e prata, que ali existiu até 1996. As áreas onde estão os rejeitos foram adquiridas pela empresa CBA, que ali pretende construir uma barragem. O problema de saúde pública na região já se configura como sério e poderá piorar se a CBA não tomar as medidas necessárias, antes de construir a represa. Segundo a Resolução 20 do CONAMA, o teor máximo de chumbo na água de abastecimento deve ser 0,05 mg/L. Cloretos (Cl-) O cloro está presente em teores inferiores a 100mg/L. Forma compostos muito solúveis e tende a se enriquecer , junto com o sódio, a partir das zonas de recarga das águas subterrâneas. Teores anômalos são indicadores de contaminação por água do mar, e por aterros sanitários. Cobre (Cu) O cobre é um elemento que ocorre, em geral, em baixas concentrações na água subterrânea, devido sua pequena solubilidade. Nas águas superficiais são, normalmente, bem menores que 0,020 mg/L e nas águas subterrâneas é inferior a 1µg/L. A injestão de altas doses pode acarretar, no homem, irritação e corrosão da mucosa, problemas hepáticos, renais, irritação do sistema nervoso e depressão. Os portadores da Doença de Wilson podem ser seriamente afetados pela presença de cobre na água. As atividades humanas responsáveis pela introdução de cobre na água são: corrosão de tubos de cobre e de latão por águas ácidas, algicidas, fungicidas usados na preservação da madeira e indústria de mineração, fundição, galvanoplastia e refino. Segundo a Resolução 20 do CONAMA, o teor máximo permitido em águas de abastecimento público é 0,5 mg/L. Para os portadores da Doença de Wilson, este teor tem substancialmente menor, porque eles não conseguem eliminar o cobre do organismo, que tem, pois, um efeito cumulativo nestes pacientes. Ferro (Fe-) É um elemento persistentemente presente em quase todas as águas subterrâneas em teores abaixo de 0,3mg/L. Suas fontes são minerais escuros (máficos) portadores de Fe: magnetita, biotita, pirita, piroxênios, anfibólios. Em virtude de afinidades geoquímicas quase sempre é acompanhado pelo Manganês. O ferro no estado ferroso (Fe²+) forma compostos solúveis, principalmente hidróxidos. Em ambientes oxidantes o Fe²+ passa a Fe³+ dando origem ao hidróxido férrico, que é insolúvel e se precipita, tingindo fortemente a água. Desta forma, águas com alto conteúdo de Fe, ao saírem do poço são incolores, mas ao entrarem em contato com o oxigênio do ar ficam amarelada, o que lhes confere uma aparência nada agradável. Apesar do organismo humano necessitar de até 19mg de ferro por dia, os padrões de potabilidade exigem que uma água de abastecimento público não ultrapasse os 0,3mg/L. Este limite é estabelecido em função de problemas estéticos relacionados à presença do ferro na água e do sabor ruim que o ferro lhe confere. O ferro, assim como o manganês, ao se oxidarem se precipitam sobre as louças sanitárias, azulejos, roupas, manchando-as. Águas ferruginosas são aeradas antes da filtração para eliminar o ferro. Outra forma de evitar os inconvenientes da precipitação de sais deste elemento químico é usar substâncias complexantes, à base de fosfato, que encapsulam as moléculas dos sais de Fe e Mn, formando compostos estáveis, não oxidáveis nem através de forte cloração, e desta forma mantendo-as permanentemente em solução. O inconveniente deste processo é que ele não elimina o ferro e o manganês presentes na água, e ainda adiciona mais produto químico (fosfatos) à mesma. Estas substâncias complexantes são também usadas para evitar a precipitação Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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de sais de Ca e Mg em águas duras, evitando as indesejáveis incrustações, e diminuindo o consumo de sabão. A precipitação de ferro presente nas águas é a principal responsável pela perda da capacidade específica de poços profundos. Estas incrustações são produtos da atividade das ferrobactérias. O uso de substâncias orgânicas emulsificantes e polifosfatos nos processos de perfuração e desenvolvimento dos poços criam condições para que as ferro-bactérias, naturalmente ocorrente nos aqüíferos, proliferem com mais facilidade, fazendo-se necessário uma boa limpeza no processo de completação do poço. Flúor (F-) O flúor é um elemento que ocorre naturalmente e em pequenas quantidades nas águas naturais (0,1 a 2,0mg/L). É produto do intemperismo de minerais no qual é elemento principal ou secundário: fluorita, apatita, flúor-apatita, turmalina, topázio e mica. O flúor liberado pelo intemperismo destes minerais passa para as soluções aquosas supergênicas na forma do íon fluoreto, de alta mobilidade. Diversamente de outros halogênios ele pode formar complexos estáveis com elementos como Al, Fe, B e Ca. Desta forma no ciclo geoquímico o flúor pode ser removido das águas pela coprecitação com óxidos secundários de Fe, podendo também ser complexado tanto com o Fe como com o Al na forma de fosfatos. Como produto da ação humana o flúor é originado de atividades industriais: siderurgia, fundições, fabricação do alumínio, de louças e esmaltados, vidro, teflon, entre outras. Estas atividades são responsáveis pela sua introdução no ciclo hidrológico pelo lançamento na atmosfera ou em corpos hídricos superficiais. Na forma de clorofluorcarbono (CFC) o flúor foi amplamente utilizado como propelente de aerossóis. Este uso está em declínio devido a restrições legais, pois o CFC agride e destrói a camada de ozônio que circunda a Terra. É sabido que o flúor, em pequenas quantidades, é benéfico à saúde humana, principalmente em crianças, promovendo o endurecimento da matriz mineral dos dentes e esqueleto e tem se mostrado como o agente químico mais eficiente na prevenção da cárie dentária, daí sua adição nos sistemas de abastecimentos públicos de água ser uma prática muito difundida. Contudo, acima de certos teores, passa a ser prejudicial, causando fluorose dental e esquelética, tanto em seres humanos como em animais. A fluorose se caracteriza pelo escurecimento dos dentes e a perda de resistência dos dentes e ossos. Os teores máximos permitidos são estabelecidos em função da idade do consumidor e da quantidade de água ingerida diariamente. Nos países tropicais, onde a ingestão diária de água é maior, admite-se que se deva ser mais rigoroso no controle de flúor nas águas de abastecimento público. Segundo a Organização Mundial da Saúde o teor de flúor estabelecido como ótimo na água potável varia entre 0,7 a 1,2mg/L, segundo as médias de temperaturas anuais (18 ° C=1,2mg/L, 19-26 ° C=0,9mg/L, 27 ° C=07mg/L). Magnésio (Mg²+) O magnésio é um elemento cujo comportamento geoquímico é muito parecido com o do cálcio e, em linhas gerais, acompanha este elemento. Diferentemente do cálcio, contudo, forma sais mais solúveis. Os minerais mais comuns fornecedores de magnésio para as águas subterrâneas são: biotita, anfibólios e piroxênios. Estes minerais são mais estáveis diante do intemperismo químico, do que os minerais fornecedores de cálcio, por isso seu teor nas águas subterrâneas é significativamente menor do que aquele. Em região de rochas carbonáticas, o mineral dolomita é um importante fornecedor de Mg. Nas águas subterrâneas ocorre com teores entre 1 e 40mg/L. O magnésio, depois do cálcio, é o principal responsável pela dureza das águas. Na água do mar o magnésio ocorre em teores de cerca 1400 mg/L, bem acima do teor de cálcio (cerca de 480mg/L). Em águas subterrâneas de regiões litorâneas, a relação Mg/Ca é um elemento caracterizador da contaminação por água marinha. Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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Manganês (Mn+) É um elemento que acompanha o ferro em virtude de seu comportamento geoquímico. Ocorre em teores abaixo de 0,2mg/L, quase sempre como óxido de manganês bivalente, que se oxida em presença do ar, dando origem a precipitados negros. Níquel (Ni) O teor de níquel nas águas está ao redor de o,1 mg/L. Concentrações superiores a 11,0 mg/L podem ser encontradas em áreas de mineração. As principais fontes antropomórficas de níquel são: queima de combustíveis fósseis, fundição e ligas, galvanoplastia. No ser humano, altas doses levam à intoxicação, afetando nervos, coração e sistema respiratório. Pode causar dermatites em pessoas sensíveis. Segundo a Resolução 20 do CONAMA, o teor máximo permitido em águas de abastecimento é 0,025 mg/L. Nitrato (NO3- ) O nitrogênio perfaz cerca de 80 por cento do ar que respiramos. Como um componente essencial das proteínas ele é encontrado nas células de todos os organismos vivos. Nitrogênio inorgânico pode existir no estado livre como gás, nitrito, nitrato e amônia. Com exceção de algumas ocorrências como sais evaporíticos, o nitrogênio e seus compostos não são encontrados nas rochas da crosta terrestre. O nitrogênio é continuamente reciclado pelas plantas e animais. Nas águas subterrâneas os nitratos ocorrem em teores em geral abaixo de 5mg/L. Nitritos e amônia são ausentes, pois são rapidamente convertidos a nitrato pelas bactérias. Pequeno teor de nitrito e amônia é sinal de poluição orgânica recente. Segundo o padrão de potabilidade da OMS, uma água não deve ter mais do que 10mg/L de NO3-. No sistema digestivo o nitrato é transformado em nitrosaminas, que são substâncias carcinógenas. Crianças com menos de três meses de idade possuem, em seu aparelho digestivo, bactérias que reduzem o nitrato a nitrito. Este se liga muito fortemente a moléculas de hemoglobina, impedindo-as de transportarem oxigênio para as células do organismo. A deficiência em oxigênio leva a danos neurológicos permanentes, dificuldade de respiração (falta de ar) e em casos mais sérios à morte por asfixia. Aos seis meses de idade a concentração de ácido hidroclórico aumenta no estômago, matando as bactérias redutoras de nitrato. Pesquisa realizada pela USEPA ( U. S. Environmental Protection Agency) no decorrer do ano de 1992, em todo território norte-americano, constatou que cerca de 75 000 crianças com menos de dez meses de idade estavam expostas ao consumo de água com mais de 10 mg/L de nitrato. No Brasil, não se tem idéia da extensão do problema. Aparentemente, aqui o problema está mais associado a poços poluídos por esgotos domésticos do que ao uso intensivo de fertilizante. Potássio (K+) O potássio é um elemento químico abundante na crosta terrestre, mas ocorre em pequena quantidade nas águas subterrâneas, pois é facilmente fixado pelas argilas e intensivamente consumido pelos vegetais. Seus principais minerais fontes são: feldspato potássico, mica moscovita e biotita, pouco resistentes aos intemperismo físico e químico. Nas águas subterrâneas seu teor médio é inferior a 10mg/L, sendo mais freqüente valores entre 1 e 5mg/L. Sódio (Na+) O sódio é um elemento químico quase sempre presente nas águas subterrâneas. Seus principais minerais fonte (feldspatos plagioclásios) são pouco resistentes aos processos intempéricos, principalmente os químicos. Os sais formados nestes processos são muito solúveis. Nas águas subterrâneas o teor de sódio varia entre 0,1 e 100mg/L, sendo que há um Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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enriquecimento gradativo deste metal a partir das zonas de recarga. A quantidade de sódio presente na água é um elemento limitante de seu uso na agricultura. Em aqüíferos litorâneos, a presença de sódio na água poderá estar relacionada à intrusão da água do mar. Segundo a OMS, o valor máximo recomendável de sódio na água potável é 200mg/L 9 - BIBLIOGRAFIA BRASIL, Lei n.º 9.433, de 8 de janeiro de 1997. Institui a Política Nacional de Recursos Hídricos, 1997 BORGUETTI, N. R. B; BORGHETTI, J. R.; ROSA FILHO, E. F. O Aqüífero Guarani. Editora universitária, 2009. 233p. BRUTSAERT. W. Hydrology, an introduction. Cambridge University Press. Cambridge 2009. 605 p. CECH, T. V. Principles of water resources: History, development, management and policy. 3ª Edition. John Wiley and Sons, inc. 2010. 546 p. CHEVALLIER, P. Aquisição e Processamento de Dados. IN: TUCCI, C. E. M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. Porto Alegre: Editora da UFRGS/ABRH, 2003. 485 -525. CORDEIRO, O. Nota Técnica sobre Edital para Fundo Setorial de Recursos Hídricos,10p. . 2001 CRISTOFIDIS, D. 1999. Recursos Hídricos e Irrigação no Brasil. Brasília: CDS-UNB. GUPTA. R. S. Hydrology and Hydraulic Systems. Thirt Edition. Waveland Press, inc. Long Grove, Illinois. 2008. 896p. IBGE, 1999 "Síntese de Indicadores Sociais- 1998", Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Rio de Janeiro, 1999 - 204p. IBIAPINA, A. V., et al. Evolução da hidrometria no Brasil. Disponível em: .Acesso em: 2003. LEAL, A S.. As águas Subterrâneas no Brasil. In: Freitas, M. A V., O Estado das Águas no Brasil. 1999 LEAL, M. S.. Gestão Ambiental de recursos Hídricos: Princípios e Aplicações. Rio de Janeiro CPRM p.176. 1998 LIMA, J. E. F. W.; FERREIRA, R. S. A; CRISTOFIDIS, D., 1999. O uso da Irrigação no Brasil. In: Freitas, M. A V., O Estado das Águas no Brasil. MME, MMA/SRH, OMM p. 73-101. MENDES, C.A.B. Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, integração e aplicação. Porto Alegre: ABRH, 2001. 536p.; Prof. Edson de Oliveira Vieira – ICA/UFMG

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PEDRAZZI, J. A. Escoamento Superficial. Disponível em: . Acesso em: 2003. PROSSIGA http://www4.prossiga.br/recursosminerais/glossario/glossario_h.html. Disponível REBOUÇAS, A 1999. Águas Subterrâneas. In: Rebouças, A C.; Braga, B.; Tundisi, J. G. Águas Doces no Brasil capítulo 4. Escrituras São Paulo p. 117-151. SCHIAVETTI, A & CAMARGO, A. F. M. Conceitos de bacias hidrográficas: teorias e aplicações – Ilhéus, BA. Editus, 2002. 293 p.:il; SILVA, J.X. Geoprocessamento para análise ambiental – Rio de Janeiro, 2001. 228p.; TUCCI, C.E.M. Hidrologia: ciência e aplicação. 3 ed. – Porto Alegre: Editora UFRGS/ABRH, 2002a; TUCCI, C.E.M. Impactos da variabilidade climática e uso do solo sobre os recursos hídricos. Agência Nacional das Águas - ANA. Maio/2002b.

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