Hidrologia Livro

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Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

Curso: Técnico em Meio Ambiente Disciplina: Hidrologia Professora - conteudista: Carolina Dias de Oliveira Tutora: Graziela Grieco

Meta: Apresentar os conceitos iniciais e os fundamentos básicos da Hidrologia e da distribuição de água no planeta, assim como

refletir sobre as principais

conseqüências do consumo não sustentável e do manejo inadequado deste recurso pelo homem e pelas sociedades pós-industriais para a manutenção da vida e para o meio ambiente. Objetivos: Após o estudo desta aula, você deverá ser capaz de: 1. Compreender que a água é um recurso renovável e de usos múltiplos (abastecimento, transporte, geração de energia, etc), sendo essencial para a manutenção da vida no planeta, incluindo a própria sobrevivência humana. 2. Analisar o planeta por meio de uma visão geossistêmica, formado a partir de interações entre o solo, o ar e a água, dando enfoque especial à hidrosfera. 3. Contextualizar e aplicar os campos de atuação relacionados à Hidrologia e seus mecanismos básicos, tais como a distribuição e ocorrência na atmosfera, na superfície terrestre e no solo, bem como a relação desses fenômenos com a vida e com as atividades antrópicas. 4. Contextualizar e analisar a distribuição desigual dos recursos hídricos entre as diversas regiões do planeta, e dentro do nosso próprio país, relacionando-os com os hidroconflitos e com as políticas de gestão da água.

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1. Introdução à Hidrologia: noções gerais, conceitos e definições

Figura 1.1. Água - fonte da vida. Fonte: http://100porcentoaprendizagem.blogspot.com/2010/11/como-trabalharo-tema.html, acessado em janeiro de 2011.

1.1. A água como fonte de vida A água é um recurso renovável e sua importância para o homem pode ser avaliada pelos múltiplos usos a que se destina. Indispensável como garantia de sobrevivência de várias espécies através do consumo direto, constitui ainda um relevante suporte fundamental para o desenvolvimento econômico e social da humanidade. Mas, infelizmente, mais de um bilhão de pessoas não têm acesso adequado e um preço acessível para consumo e uso da água potável no planeta. Além disso, cerca de dois bilhões e meio de pessoas no mundo não dispõem sequer de qualquer tipo de saneamento e tratamento da água. Como nos diz a figura 1.1 acima: “A água é vida”, e sua ausência significa doença e morte! Assim, os governos, a comunidade internacional – em especial a Organização das Nações Unidas (ONU) - e as diversas organizações da sociedade civil, são responsáveis por buscar medidas e soluções para solucionar, ou ao menos amenizar, este grave problema mundial. E é a partir da Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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premissa de um mundo mais sustentável e mais igualitário em termos de acesso e consumo dos recursos naturais que esta apostila foi elaborada, com especial enfoque sobre a dinâmica e as reflexões acerca do uso do nosso maior bem: a água. 1.2. Os geossistemas e a hidrosfera O nosso planeta é formado a partir de interações entre o

solo,

o ar e a água que compõem o geossistema. Este é formado pelas três esferas, ou geosferas, que fazem parte desta complexa interação de elementos e fatores físicos e naturais do planeta, que são: a litosfera, a atmosfera e a hidrosfera. A litosfera corresponde à camada rochosa do nosso planeta, incluindo o solo, as rochas e todo o material tectônico existente da crosta ao núcleo. A atmosfera corresponde à porção gasosa deste sistema, incluindo as nuvens, o ar que respiramos e todos

Geossistema: é uma dimensão do espaço terrestre onde os diversos componentes naturais encontram-se em conexões sistêmicas uns com os outros, apresentando uma integridade definida, interagindo com a esfera cósmica e com a sociedade humana. Fonte: SOCHAVA, V.B. Introdução à Teoria do Geossistema. Novasibéria: Nauka. 1978. p. 292 (em russo). Disponível em: , acessado em 17 de janeiro de 2011.

os mecanismos associados ao clima, tais como chuvas, geadas, tornados, etc. E a hidrosfera, da qual trataremos com maior profundidade para o estudo da Hidrologia, corresponde à parte líquida do planeta, compreendendo oceanos, geleiras, rios, lagos, águas subterrâneas e o próprio vapor d‟água existente na atmosfera. Da combinação entre estas se origina a esfera da vida ou biosfera, que como o próprio nome diz, se relaciona à formação da vida na Terra, isto é, abrange a formação das plantas e dos animais, incluindo o próprio homem. Nas palavras de CONTI & FURLAN (In: ROSS, 2003, p.72), “a biosfera pode ser vista como a área da crosta terrestre na qual as radiações cósmicas são transformadas em energia elétrica, química,

Hidrologia: ciência natural que trata dos fenômenos relativos à água em todos os seus estados, de sua distribuição e ocorrência na atmosfera, na superfície terrestre e no solo, e da relação desses fenômenos com a vida e com as atividades do homem. Fonte: GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. p.1

mecânica, térmica, etc, Todas elas consideradas eficazes para a vida”.

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1.3. A Hidrologia e suas aplicações O estudo da água (e a hidrologia enquanto ciência) se originou muito antigamente, sendo que sua história se confunde com a história da civilização, em especial tendose em vista que a ocupação geográfica está intimamente associada aos recursos hídricos, a exemplo do Vale do Rio Nilo (Figura 1.2), também conhecido como „o berço da civilização‟. Deste modo, grandes concentrações humanas se fixaram nas margens dos rios e vales em busca de abastecimento de água para consumo direto, irrigação e transporte fluvial ou navegação. No Brasil, assim como no restante do mundo, a colonização se relaciona com a exploração dos recursos hídricos. A delimitação geográfica brasileira ficou definida através da ocupação das bandeiras que utilizavam as principais vias fluviais para seu deslocamento, a exemplo do Rio São Francisco, denominado como o “rio da integração nacional”, justamente por facilitar a penetração e a ocupação dos bandeirantes ao interior do país.

Figura 1.2. O Rio Nilo e o “berço da civilização” Fonte: fanzineepisodiocultural.blogspot.com, acessado em 21 de janeiro de 2011.

Figura 1.3. O Rio São Francisco ilustrado em tela à época de seu descobrimento (1850) e sua relação com o processo de ocupação interiorana do Brasil. Fonte: gazetadabahia.blogspot.com, acessado em 21 de janeiro de 2011.

De acordo com a United States Federal Council of Science and Technology, Comitee for Scientific Hidrology (1986), a Hidrologia é atualmente uma ciência básica que aborda a água no planeta, segundo sua ocorrência, circulação e distribuição, bem como suas propriedades físico-químicas e sua relação com o meio ambiente, incluindo a própria vida. Logo, o conhecimento da Hidrologia é de suma relevância Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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para a solução dos problemas que dizem respeito à vida e organização territorial das sociedades. A Hidrologia pode ser considerada ainda como um capítulo da Física da Terra e, portanto, está intimamente associada à Meteorologia, à Climatologia, a Geografia Física, Geologia, Oceanografia, entre outros ramos das ciências; na medida em que aborda o estudo da relação dos fenômenos hidrológicos com a vida e as atividades antrópicas. Também se relaciona com a Agronomia, Pedologia e Mecânica dos solos, Hidráulica e Ecologia. Deste modo, a Hidrologia é imprescindível para diversos setores de atuação profissional, abrangendo desde engenheiros, agrônomos, ecologistas, geógrafos e demais profissionais ligados ao ramo das ciências naturais. Os diversos ramos de aplicação da Hidrologia

Figura 1.4. O uso da água para plantios e cultivos e a relação com a Agronomia, Pedologia e Ecologia. Fontes: http://www.aeasp.org.br/imagens/terreno.jpg e http://2.bp.blogspot.com, acessados em 14 de janeiro de 2011.

Figura 1.5. Prevenção de enchentes e a relação com a Meteorologia e a Climatologia. Fontes: http://i0.ig.com/fw/51/8h/gm/518hgm47zbvg32525d7fvfc3k.jpg e http://parazinet.files.wordpress.com/ 2009/05/temporal-cidade.jpg?w=614, acessados em 14 de janeiro de 2011. Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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Tanto para a Meteorologia quanto para a Climatologia o estudo da atmosfera é essencial, e se encontra diretamente relacionado ao ciclo hidrológico (ver figura 1.6 a seguir). Através de movimentos contínuos, a água é transferida de um lugar a outro do planeta. Tal processo, movido pela energia solar e/ou pela gravidade é conhecido como ciclo hidrológico ou ciclo da água. O vapor d‟água presente na atmosfera se precipita sobre os rios ou sobre os continentes e constantemente é devolvida para a atmosfera por meio da evaporação e da evapotranspiração, em que a cobertura

Lençol freático: camada de água subterrânea situada sobre um terreno ou rocha impermeável. Fonte: TERRA, Lígia; ARAÚJO, Regina & GUIMARAES, Raul Borges. Conexões: estudos de geografia geral e do Brasil. Volume único. 1ª ed. São Paulo: Moderna, 2008. p.204

vegetal perde água na forma de vapor para a atmosfera. A parte que se precipita pode escoar superficialmente ou se infiltrar no solo e atingir o lençol freático. E, assim, o ciclo hidrológico natural se completa quando a água regressa ao oceano por meio dos rios e da chuva.

Figura 1.6. O ciclo hidrológico. Fonte: http://static.hsw.com.br/gif/hydrology-1.jpg, acessado em 14 de janeiro de 2011. Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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È importante destacar que esta movimentação da água pode ocorrer em alguns segundos ou perdurar durante milhares de anos. A permanência em cada reservatório também é bastante variada, sendo que em média a água pode permanecer até dez dias na atmosfera sob a forma de nuvens ou chuva e até 37 mil anos nos oceanos. Enquanto as águas correntes, a exemplo dos rios, se renovam em até 16 dias, as águas contidas nas geleiras e calotas polares e também nos reservatórios subterrâneos, por sua vez, podem levar milhares de anos para se renovar. No campo da Meteorologia, a Hidrometeorologia é um dos ramos mais associados à Hidrologia, na medida em que estuda as fontes de umidade atmosférica e o seu transporte, desde as áreas de origem até as de precipitação. Assim, a hidrologia de um lugar é fortemente influenciada pelas características físicas de cada região, ou seja, a posição em relação aos oceanos e mares; a presença de montanhas e cadeias orográficas que possam interferir nos índices de

Hidrometeorologia: é o ramo das ciências atmosféricas, tais como a Meteorologia e a Hidrologia, que estuda a transferência de água e energia entre a superfície e a atmosfera. Ela também investiga a presença de água na atmosfera em suas diferentes fases e atualmente tem dado atenção especial às condições superficiais das áreas urbanizadas onde o impacto das tempestades severas tem provocado muitas perdas materiais e humanas, em especial durante os meses de maior índice de chuvas e de ocorrência de enchentes e alagamentos. Fonte: adaptado de , acessado em 14 de janeiro de 2011.

precipitação; os fortes declives e a presença de terrenos íngremes que possibilitam rápidos escoamentos superficiais e contribuem para os deslizamentos de terra; áreas de depressões e lagos ou baixadas capazes de retardar ou armazenar o deflúvio, etc.

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Deflúvio: corresponde ao volume de água que escoa da superfície de uma determinada área devido à ocorrência de uma chuva torrencial sobre esta. Fonte: , acessado em 14 de janeiro de 2011.

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Saiba mais: A HIDROLOGIA é definida como a disciplina que estuda a forma aparente da água na terra, incluindo, desta maneira, todos seus aspectos, o que implica na sua diferenciação em duas linhas principais: a HIDROLOGIA das águas continentais e a HIDROLOGIA dos oceanos. Dentro da HIDROLOGIA podemos distinguir várias áreas como:  Hidrografia, que se ocupa da parte descritiva das águas superficiais;  Hidroquímica,

Hidrofísica,

Hidrobiologia,

Hidrogeologia,

que

estudam

fenômenos relacionados às suas disciplinas, nos corpos de água. Fonte: http://professor.ucg.br, acessado em 14 de janeiro de 2011.

1.4. A distribuição de água no planeta De acordo com o Ministério do Meio Ambiente (2005), a água é um bem essencial para o ser humano. De tal modo que, a saúde e a qualidade de vida da população dependem diretamente do acesso a este recurso, tanto em quantidade suficiente quanto em boa qualidade. E, para a manutenção da qualidade da água o manejo do solo e dos recursos hídricos é essencial. (BRANCO, 2003). O uso excessivo de fertilizantes pela agricultura, por exemplo, pode levar ao despejo de uma quantidade excessiva de nutrientes nos rios, e que por sua vez, irá desaguar em um reservatório. Tal acúmulo de nutrientes na água pode levar ao crescimento desordenado de microalgas e desencadear o processo de eutrofização. Mas infelizmente, o fato é que este recurso tão precioso para a manutenção da vida e da biodiversidade terrestre, apesar de abundante no planeta, encontra-se mal distribuído nos em

Eutrofização: processo que consiste no aumento da quantidade de nutrientes na água, em especial o azoto e o fósforo, permitindo o crescimento desequilibrado de determinadas espécies vegetais com efeitos muito negativos para o ecossistema e para a qualidade da água, nomeadamente a diminuição dos níveis de oxigênio e a alteração do pH, podendo causar a morte da fauna e flora locais. Fonte: adaptado de , acessado em 17 de janeiro de 2011.

relação à quantidade de água doce disponível.

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Figura 1.7. Distribuição da água no planeta. Fonte:http://1.bp.blogspo t.com/_2aUKZZRCH84/ Scc3YSL2u5I/AAAAAAA AAG4/zzRkLNBhrwg/s40 0/distribuicao_agua.jpg, acessado em 11/01/2011.

Como revela a figura 1.7, do total de água existente no planeta, 97,5% encontra-se nos mares e oceanos, sendo, portanto, fonte de água salgada, imprópria para o consumo e uso direto de plantas, animais e para o próprio homem. Dos 2,5% restantes tem-se a quantidade de água doce disponível no planeta, sendo que a maior parte dela está retida em geleiras (68,7%) e

Permafrost:

também no subsolo (30,1%). Uma pequena parcela de 0,8% da água

congelada de solo nas

doce constitui ainda o permafrost e apenas 0,4% da água doce

regiões árticas

existente no planeta encontra-se na superfície e na atmosfera

As algas e o processo de eutrofização de rios e lagos. Fonte: http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/algas .jpg, acessado em 17 de janeiro de 2011.

Os solos congelados do ártico: uma paisagem esculpida pelo permafrost. Fonte: http://www.interet-general.info/IMG/ArctiquePermafrost-Pays, acessado em 17 de janeiro de 2011.

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camada

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Ao todo, a água potável disponível na Terra equivale à cerca de 12.500 km³, Descontando-se o uso industrial, agrícola e doméstico as reservas mundiais chegam a 16.800 m³ por pessoa/ano. No final do século XX as reservas se reduziram a 7.300 m³ e as previsões para 2025 não são nada animadoras, podendo atingir a média de 4.800 m³ por pessoa ao ano (!). È importante destacar que a agricultura é a que mais utiliza os recursos hídricos, em especial para a irrigação dos cultivos. E, com o crescimento populacional, o aumento da produção agrícola é inevitável. Nos países em desenvolvimento, a agricultura absorve mais de 80% da água consumida no país. Segundo dados do Relatório do desenvolvimento Humano de 2006, elaborado pela ONU, são necessários aproximadamente 70% a mais de água para produzir alimentos do que para abastecer e suprir as necessidades domésticas de uma família. No mundo, estima-se que 15% das terras cultivadas sejam irrigadas. Países China, Israel e Paquistão dependem da agricultura irrigada para produzir a maior parte de seus alimentos, assim como as principais áreas de fruticultura no mundo, como o Vale central da Califórnia. A irrigação, na maioria dos países, apresenta elevadas taxas de desperdício, pois se baseia em técnicas pouco eficazes. O método de irrigação por gravidade, por exemplo, perde

Irrigação por gravidade: método de irrigação que utiliza canais e sulcos por onde as águas escoam através das plantações.

cerca de 50% de água por evaporação. E, embora diversas áreas urbanas apresentem problemas de abastecimento e as necessidades de consumo doméstico sejam insuficientes em diversos lugares, a agricultura também sofrerá fortes impactos em caso de escassez hídrica.

Método de irrigação por gravidade em cultivo de tomates. Fonte: http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_h oje/ju/maio2005/fotosju287online/ju287pg09b.jpg, acessado em 24 de janeiro de 2011.

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Atualmente cerca de 70% da água doce disponível no planeta é utilizada na agricultura, mas segundo o Conselho Mundial de água (World Water Council), no ano 2025 serão necessários mais 17% desse recurso para alimentar todo o mundo. Em termos regionais, a Europa é o continente que mais consome água no setor industrial e a Oceania consome no setor doméstico cerca de 8%.

Figura 1.8. Disponibilidade de água doce no planeta. Fonte: Beaux, J. F. "L'Environenment Repères Pratiques" Paris, Nathan, 1998. Disponível em: http://profjefersongeo.blogspot.com/2008/04/terra-o-planeta-azul.html, acessado em 17/01/2011.

Pela observação da figura 1.8 anterior, é possível notar que as diferenças quanto ao consumo de água em algumas localidades são extremas. Segundo a UNICEF (Fundo das Nações Unidas para a Infância), apenas a metade da população mundial tem acesso à água potável. E ainda de acordo com o Banco Mundial, cerca de 80% de pessoas, no futuro, poderão entrar em conflito pelo acesso e uso deste recurso

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natural, que apesar de renovável ameaça se esgotar. São os chamados hidroconflitos.

Segundo dados da ONU, apenas 6 países (Brasil, Rússia, Canadá, Indonésia, China e Colômbia) detém metade do suprimento renovável total de água doce disponível no planeta. Enquanto o Canadá possui 92 mil m³ de água por habitante, países como a Jordânia e Israel possuem somente 138 e 124 m³ de água, respectivamente. E apesar da aparente abundância, mesmo dentro do nosso próprio país, a distribuição de água também se torna desigual quando se compara regionalmente: apesar da grande riqueza hídrica, o país apresenta áreas secas e semi-áridas, a exemplo do nordeste – região mais pobre e dependente de recursos hídricos do Brasil. Outro

importante

exemplo

é

a

China,

que

abriga

aproximadamente 21% da população mundial do planeta, mas possui somente 7% da água doce disponível, ou seja, caracteriza-se por uma combinação caótica entre regiões muito povoadas e escassez de água.

1.5. A utilização da água pelo homem: considerações iniciais

Hidroconflitos: De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), a água é um elemento de diferentes manifestações, titulares diversos e múltiplas funções (física, química, biológica, social, econômica, política, geopolítica, jurídica, ambiental, antológica,etc) o que a torna um elemento complexo e plural. Portanto, assegurar a concretização das diversas funções hídricas é tarefa que coube ao direito de água, ou direito hídrico, que tem, na regulamentação de sua gestão e na implementação de seu uso ético, os parâmetros de definição e construção da sustentabilidade hidrojurídica. Logo, o avançado estágio de penúria da água evidenciou o seu caráter finito, que, somado à degradação de sua qualidade, sinalizam a iminência dos conflitos pela água ou ainda os hidroconflitos. Fonte: adaptado de http://www.cartaforense.co m.br/Materia.aspx?id=6200 , acessado em 21 de janeiro de 2011.

Apesar da água doce se caracterizar como um recurso renovável, grande parte dela não está disponível para uso e consumo das sociedades. Como a maioria dos países utiliza mais do que pode, este recurso acaba se esgotando ou se tornando escasso por não respeitar o seu tempo de renovação no sistema e ainda alterando o ritmo normal do ciclo hidrológico. Durante muito tempo, a humanidade se estabeleceu nas margens de rios ou nas proximidades de reservatórios de água para garantir o seu consumo, servir como via de transporte e de escoamento de resíduos, ou ainda para usá-la como fonte de Aula 1. A água como fonte de vida: uma visão geossistêmica

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irrigação e de geração de energia hidráulica para o desenvolvimento das indústrias. E, na mesma proporção em que a tecnologia para transportar água se desenvolvia, também crescia a capacidade humana para consumir, desperdiçar e poluir este recurso natural.

Figura 1.7. A importância da água para o planeta. Fonte: maurinajd.spaces.live.com, acessado em janeiro de 2011.

Assim como retrata a figura 1.7 acima, a água é um bem essencial para a manutenção da vida no planeta, tanto para o homem quanto para toda a biodiversidade terrestre. E para que ela não nos falte são necessárias mudanças significativas no modo como ainda a utilizamos e usufruímos. Desperdiçar água é como abrir mão de sua própria sobrevivência e também da de todos os outros seres do planeta. Pense nisso!

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Mídias Integradas: Para compreender um pouco mais sobre a preservação e o uso consciente da água leia o livro Água: origem, uso e preservação do autor Samuel Murgel Branco. São Paulo, Editora Moderna, 2003. Tal livro descreve os ciclos e os fenômenos relacionados ao uso dos recursos hídricos no planeta pelos seres humanos. O autor também aborda sobre os aparatos técnicos disponíveis e aponta quais as atitudes podem (e devem) ser adotadas pelas sociedades para conservar este importante elemento da natureza ameaçado pela poluição e contaminação, pelo uso indiscriminado e não-consciente e ainda pelas alterações climáticas. Outra dica interessante é o filme “Waterworld: os segredos das águas”, do diretor Kevin Reynolds e participação do ator Kevin Costner (EUA, 1995). Nesta ficção, após o derretimento das calotas polares e da submersão dos continentes, a população sobrevivente acredita que o mundo tenha surgido de um grande dilúvio e há uma lenda sobre um lugar chamado „Terra Firme‟, onde haveria água doce e terra seca. A esperança dos sobreviventes então é encontrar este lugar abençoado.

Fontes: http://www.salamandra.com.br/book.php?id_titulo=10017708 e http://7maarte.blogspot.com/2011/01/waterworld-o-segredo-das-aguas.html, acessados em 17 de janeiro de 2011.

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Informações Sobre a Próxima Aula Agora que você compreendeu um pouco mais sobre as noções gerais e os conceitos básicos da Hidrologia e ainda refletiu sobre a distribuição desigual e o consumo desequilibrado e não sustentável da água no planeta, abordaremos na aula seguinte os mecanismos e a dinâmica do ciclo hidrológico. Aproveite para aplicar seus conhecimentos com as atividades propostas, e em seguida anote suas dúvidas. Bons estudos e até a próxima aula! Resumo: Nesta aula abordamos: 

A água possui suma importância para o homem, constituindo-se como um recurso essencial e indispensável para a sobrevivência das espécies. Ela possui múltiplos usos: além do consumo direto, constitui um relevante suporte para o desenvolvimento econômico e social da humanidade, tais como hidrovias, hidrelétricas e sistemas de irrigação agrícola;



O geossistema terrestre se forma a partir das interações entre o solo, o ar e a água ou seja, a litosfera, a atmosfera e a hidrosfera, respectivamente - e que juntas originam a vida e a biodiversidade (a biosfera). A hidrosfera, em especial, corresponde à parte líquida do planeta, compreendendo oceanos, geleiras, rios, lagos, águas subterrâneas e o vapor d‟água presente na atmosfera;



A Hidrologia possui origem muito antiga, associada à ocupação das primeiras populações e civilizações próximas aos cursos dos rios. Esta constitui uma ciência básica que aborda a água no planeta, segundo sua ocorrência, circulação e distribuição, bem como suas propriedades físico-químicas e sua relação com o meio ambiente, incluindo a própria vida. Ela é imprescindível para diversos setores de atuação profissional, abrangendo desde engenheiros, agrônomos, ecologistas, geógrafos e demais profissionais ligados ao ramo das ciências naturais, sendo fundamental para a solução dos problemas que dizem respeito à vida e organização territorial das sociedades.



A saúde e a qualidade de vida das populações dependem diretamente do acesso a água, tanto em quantidade suficiente quanto em boa qualidade. E para isso, a manutenção e o manejo correto e adequado dos solos são essenciais, caso contrário pode desencadear processos maléficos para o homem e para meio ambiente, a exemplo da eutrofização de lagos e reservatórios. Mas infelizmente, apesar de abundante no planeta, este recurso encontra-se mal distribuído em relação à quantidade de água doce disponível: 97,5% encontram-se nos mares e oceanos e somente os 2,5% restantes representam a quantidade de água doce disponível no planeta, estando a maior parte retida em geleiras e no subsolo;



No Brasil, apesar da aparente abundância, a má distribuição de água também é evidente em termos regionais, a exemplo do semi-árido nordestino;



O setor agrícola é o que mais utiliza os recursos hídricos, em especial para a irrigação dos cultivos. E, com o crescimento populacional, a demanda por água pode aumentar ainda mais. De acordo com Conselho Mundial de água, em 2025, será necessário

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mais 17% deste recurso para alimentar todo o mundo. E ainda, no futuro, cerca de 80% de pessoas poderão entrar em conflito pelo acesso e uso da água – os chamados hidroconflitos – conforme dados do Banco Mundial. 

É importante destacar que, apesar de todo o desenvolvimento tecnológico voltado para o transporte e tratamento da água, também cresce a capacidade humana para consumir, desperdiçar e poluir este recurso natural, que apesar de renovável pode se esgotar. E para que ela não nos falte são necessárias mudanças significativas no modo como ainda a utilizamos e usufruímos.

Referências Bibliográficas BERTRAND, 1971, citado por ROSS, Jurandyr, 2006, p.31. BRANCO, Samuel Murgel. Água: origem, uso e preservação. São Paulo: Moderna, 2003. CAMDESSUS, Michel [et al.]. Água - oito milhões de mortos por ano: um escândalo mundial. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 2005. p.11-14 CONTI, José Bueno & FURLAN, Sueli Ângelo. “Geoecologia: o Clima, os Solos e a Biota”. In: ROSS, J. L. S. Geografia do Brasil. São Paulo: EDUSP, 2003, p. 67-125. GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. p.1-5. SOCHAVA, V.B. Introdução à Teoria do Geossistema. Novasibéria: Nauka. 1978. p. 292 TERRA, Lígia; ARAÚJO, Regina & GUIMARAES, Raul Borges. Conexões: estudos de geografia geral e do Brasil. Volume único. 1ª ed. São Paulo: Moderna, 2008. p.203-210.

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Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições Curso: Técnico em Meio Ambiente Disciplina: Hidrologia Professora - conteudista: Carolina Dias de Oliveira Tutora: Graziela Grieco

Meta: Apresentar os conceitos e fundamentos básicos da Hidrologia e suas diferentes aplicações e contextualizar a sua aplicação para a prevenção e/ou busca de soluções para amenizar os possíveis impactos gerados para o meio ambiente e/ou para as sociedades.

Objetivos: Após o estudo desta aula, você deverá ser capaz de: 1. Entender e analisar a água enquanto substância especial e composta por interações específicas, incluindo sua ocorrência, circulação, distribuição espacial, suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o ambiente, inclusive com os seres vivos. 2. Compreender e diferenciar os usos múltiplos da água, bem como refletir sobre as limitações e preocupações socioeconômicas e ambientais a partir do aumento da demanda dos recursos hídricos por meio do crescimento populacional. 3. Conhecer e aplicar os conceitos básicos e fundamentais da Hidrologia e seus diferentes ramos de aplicação para as sociedades, com enfoque especial para a importância de critérios e cuidados específicos durante a construção de obras hidráulicas pela Engenharia. 4. Entender e conhecer quais são as novas tecnologias aplicadas à Hidrologia para a prevenção de impactos e métodos de reaproveitamento e reuso da água, a exemplo da dessalinização, osmose reversa e reutilização das águas residuais.

Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

Figura 2.1. A água como inspiração da vida. Fonte: Michael_Melgar_LiquidArt_resize_droplet disponível em , acessado em 25 de janeiro de 2011.

2.1. Definição de Hidrologia A Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação, distribuição espacial, suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o ambiente, inclusive com os seres vivos. Em outras palavras, é a ciência que estuda a água presente na superfície terrestre, no solo e no subsolo sob diversas formas (chuva, neve, rios, lagos, águas subterrâneas, calotas polares, etc), e que são suscetíveis de aproveitamento pelo homem. Tal ciência também abrange a movimentação dessas massas de água que, num fluxo contínuo, deslocam-se de um lugar a outro facilitando seu uso, mas que, porém, pode provocar grandes dificuldades e prejuízos às atividades antrópicas. De um modo simplificado, pode-se dizer que a Hidrologia busca responder o quê acontece com a água da chuva e quais são os seus impactos para a natureza e para as sociedades. E, para isso, ela se baseia em conhecimentos de hidráulica, física e estatística. Como mencionado na Aula 1, a Hidrologia pode ser considerada tanto como uma ciência quanto como um ramo da engenharia e Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

Estatística: é um conjunto de técnicas e métodos de pesquisa que entre outros tópicos envolve o planejamento do experimento a ser realizados, a coleta qualificada dos dados, a inferência, o processamento, a análise e a disseminação das informações. O desenvolvimento e o aperfeiçoamento de técnicas estatísticas de obtenção e análise de informações permitem o controle e o estudo adequado de fenômenos, fatos, eventos e ocorrências em diversas áreas do conhecimento. Em termos gerais, a Estatística tem por objetivo fornecer métodos e técnicas para lidarmos, racionalmente, com situações sujeitas a incertezas. Fonte: adaptado de http://www.ence.ibge.gov. br/estatistica/default.asp, acessado em 26 de Página de 3 2011. janeiro

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possui diversos aspectos em comum com outras ciências que abordam o estudo da água, tais como a Meteorologia, a Geologia, Geografia, Agronomia, Engenharia Ambiental e a Ecologia. Diversas especialidades têm surgido, abordando os seus

diferentes

Potamologia

ou

usos,

a

exemplo

Fluviologia,

da

Hidrometeorologia,

Glaciologia,

Oceanografia,

Atividades antrópicas: atividades relacionadas com as mudanças provocadas pelo homem à natureza, tais como a poluição, a construção de pontes, cidades, indústrias, etc.

Engenharia hidráulica, entre outras. E apesar destas ciências também estudarem o comportamento da água em suas diferentes fases, a Hidrologia em especial enfoca o estudo dos processos do ciclo da água em contato com os continentes. È importante destacar que não é o objetivo desta disciplina abordar os conceitos da Hidrologia de forma aprofundada e técnica - assim como em um curso de Engenharia - mas conhecê-los e entender sua aplicação no contexto ambiental. De modo que a aplicação destes conhecimentos se volte para a prevenção e o manejo sustentável dos recursos naturais e do meio ambiente. Para isso, torna-se necessário conhecer e identificar

alguns

conceitos

e

definições

pertinentes

ao

reconhecimento dos mecanismos e processos básicos que regem os fenômenos relativos à água, a começar pelo conceito deste.

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Hidráulica: corresponde a uma parte da física que se dedica a estudar o comportamento dos líquidos em movimento e em repouso, sendo também responsável pelo conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de energia, a regulagem e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc). Dentre as aplicações da hidráulica destacam-se as máquinas hidráulicas (bombas e turbinas), as grandes obras de saneamento, fluviais ou marítimas, como as de usinas hidrelétricas (como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, por exemplo), diques, polderes, molhes, quebra-mares, portos, vias navegáveis, emissários submarinos, estações de tratamento de água e de esgotos, etc. Fonte: adaptado de http://www.ecivilnet.com/ apostilas/apostilas_hidra ulica_geral.htm, acessado em 26 de Página 4 janeiro de 2011.

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2.2. O que é a água? A água é a substância mais presente na superfície do planeta Terra, cobrindo mais de 70% do globo. O próprio corpo humano é composto por água mais ou menos na mesma proporção. Nos alimentos, essa proporção é ainda maior, a exemplo de um tomate, que é composto por mais de 90% de água.

Fonte: http://bionelas.files.wordpress.com/2010/06/corpo_humano-1.jpg?w=450&h=335, acessado em 25/01/2011.

Fonte: http://4.bp.blogspot.com/_hcR8_dpO5yg/TRxWdRsbKdI/A AAAAAAAZwk/ze1nXsrN01k/s1600/tomate1230.jpg, acessado em 25 de janeiro de 2011.

Figuras 2.2. A água é o elemento mais abundante na superfície terrestre e também está presente no corpo humano e nos alimentos. Fontes: ; ; e < http://www.caldeiraodeplantasmedicinais.com/2010/12/osbeneficios-do-tomate.html>, acessados em 25 de janeiro de 2011.

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Todas as formas de vida conhecidas necessitam da água para sobreviver, tanto plantas, animais e o próprio homem. A água possui características incomuns e também é a única substância na Terra naturalmente presente nos três estados físicos da matéria, ou seja, encontra-se naturalmente sob as formas líquida, sólida e gasosa, como mostra a figura 2.3 a seguir.

Figura 2.3. A água está presente na natureza nos 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Fonte: http://www.wallinside.com/sabiosquimicos, acessado em 25 de janeiro de 2011.

A estrutura molecular da água (H2O) é responsável por uma característica fundamental que é a sua grande inércia térmica, ou seja, a temperatura da água varia de forma lenta e gradual. Em outras palavras, o sol aquece as superfícies de terra e de água do planeta com a mesma energia, entretanto as variações de temperatura são muito menores na água, pois ela possui calor latente menor do que os continentes. Em função deste aquecimento diferenciado e do papel regularizador dos Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

Calor latente: é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, para passar do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Este pode assumir valores positivos ou negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. Fonte: adaptado de wikipédia, acessado em 25 de janeiro de 2011. Página 6

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oceanos, o clima da Terra tem as características que conhecemos. Comparada com outros líquidos a água também apresenta uma tensão superficial relativamente alta. Esta tensão superficial é responsável pela organização da chuva na forma de gotas e pela ascensão capilar da água nos solos.

Fonte: , acessado em 24 de janeiro de 2011.

Como também foi apresentado na Aula 1, os recursos d’água têm determinado o destino de muitas civilizações ao

Tensão superficial: corresponde a uma camada que se forma na superfície do líquido que faz com que sua superfície se comporte como uma membrana elástica e que não deixa o objeto perfurála, ou seja, afundar. Isso ocorre devido às moléculas da água, que interagem entre si. As moléculas que estão no interior do líquido interagem com as demais em todas as direções (em cima, em baixo, dos lados e nas diagonais), ao passo que aquelas que estão na superfície somente interagem com as moléculas que estão dentro do líquido. O resultado desta interação - apenas com as moléculas do lado de dentro - faz surgir uma tensão que exerce uma força sobre a camada da superfície, com a intenção de compensar essa tensão do lado interno do liquido. Este processo é conhecido como “tensão superficial dos líquidos”, e é o que permite, por exemplo, um mosquito, aranha ou outro animal ser capaz de “pousar” sobre os espelhos d’água. Fonte: adaptado de Curiofísica, disponível em http://curiofisica.com.br/cie ncia/fisica/o-que-e-atensao-superficial, acessado em 25 de janeiro de 2011.

longo da história. Diversos povos e civilizações entraram em conflito, gerando guerras que se iniciaram em torno de problemas relacionados ao acesso à água, configurando os chamados hidroconflitos.

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2.3. Usos múltiplos da água De acordo com COLLISCHONN & TASSI (2010), os usos da água são normalmente classificados em consuntivos e não-consuntivos:  Usos consuntivos: alteram substancialmente a quantidade de água disponível para outros usuários. Como exemplo, o uso da água para irrigação é um uso consuntivo, porque apenas uma pequena parte da água aplicada na lavoura retorna na forma de escoamento. Isso porque a maior parte da água utilizada na irrigação volta para a atmosfera na forma de evapotranspiração. Esta água não está perdida para o ciclo hidrológico global, podendo retornar na forma de precipitação em outro local do planeta, no entanto não está mais disponível para outros usuários de água na mesma região em que estão as lavouras irrigadas.  Usos não-consuntivos: alteram pouco a quantidade de água, mas podem alterar sua qualidade. Como exemplos podem ser citados o uso de água para a geração de energia hidrelétrica, uma vez que a água é utilizada para movimentar as turbinas de uma usina, porém sem alterar sua quantidade. Da mesma forma, a navegação é um uso não-consuntivo porque não altera a quantidade de água disponível no rio ou lago. Os usos de água também podem ser divididos de acordo com a necessidade ou não de retirar a água do rio ou lago para que possa ser utilizada. Alguns usos da água que podem ser feitos sem retirar a água de um rio ou lago são a navegação, a geração de energia hidrelétrica, a recreação e os usos paisagísticos. Alguns usos da água que exigem a retirada de água, ainda que parte dela retorne, são o abastecimento humano e industrial, a irrigação e a dessedentação de animais. Abordaremos com mais detalhes os principais usos da água a seguir:

Abastecimento humano: O homem depende da água para sua sobrevivência. Logo, ele utiliza a água diretamente como bebida, durante o preparo dos alimentos, na higiene pessoal e Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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ainda para lavar roupas e utensílios domésticos. A água também é usada para irrigar jardins, lavar veículos e para recreação e esportes náuticos. Em média, estima-se que O consumo de água nas residências seja de 200 litros por habitante por dia, sendo que cerca de 80% deste consumo retorna das residências na forma de esgoto doméstico, apresentando particulados e substâncias químicas diluídas, alterando obviamente a sua qualidade. A figura 2.4 a seguir apresenta uma estimativa aproximada das quantidades de água de acordo com os diversos tipos de uso doméstico.

Figura 2.4. Proporção aproximada dos usos da água em ambiente doméstico (Clarke e King, 2005). Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010), p. 4.

Abastecimento industrial O uso industrial da água está relacionado aos processos de fabricação, ao uso no produto final, a processos de refrigeração, à produção de vapor e à limpeza. Além Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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disso, para a fabricação de diferentes produtos são necessários variados níveis de consumos de água. A indústria de papel e celulose, por exemplo, é reconhecidamente uma das que mais consomem água. Irrigação A irrigação é a atividade que mais utiliza e consome água no mundo em termos quantitativos. Ela é utilizada para obter melhor produtividade e para que a atividade agrícola esteja menos sujeita aos riscos climáticos, em especial para as regiões áridas e semi-áridas ou que se caracterizam por uma estação seca prolongada, garantindo a manutenção das atividades agrícolas. È importante destacar que a quantidade de água utilizada nesta atividade depende das características da cultura, do clima e dos solos da região, bem como das técnicas utilizadas na irrigação, havendo ainda muito desperdício e perda d’água por evaporação. Navegação A navegação é um uso não-consuntivo e que é bastante utilizado para o transporte de pessoas e produtos, principalmente para o transporte de cargas com baixo valor por tonelada, como minérios e grãos, sendo uma opção de transporte mais econômica ( e também menos poluente) em relação ao transporte rodoviário. A navegação requer uma profundidade adequada do corpo d’água e não pode ser praticada em rios com velocidade de água excessiva e com fortes quedas d’água. Assimilação e transporte de poluentes Os corpos de água são utilizados para transportar e assimilar os despejos neles lançados, como o esgoto doméstico e industrial. Mesmo em regiões em que o esgoto doméstico e industrial é tratado, as concentrações de alguns poluentes podem ser superiores às concentrações encontradas nos rios. Assim, utiliza-se a capacidade de diluição dos rios e lagos para diminuir a concentração dos poluentes. Os rios também são utilizados para transportar os poluentes e, assim, afastá-los de onde são gerados. A capacidade de assimilação de um corpo d’água é limitada, e quando o lançamento

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de dejetos é excessivo, a qualidade de água de um rio não é mais suficiente para outros usos, como a recreação e a preservação dos ecossistemas. Recreação Corresponde a um uso não consuntivo que pode ser realizado no próprio curso d’água, em especial voltado para o lazer e para a prática de esportes aquáticos e/ou náuticos. Este uso é bastante freqüente em rios com qualidade de água relativamente boa, e inclui atividades de natação, pesca, e esportes aquáticos como a vela e a canoagem.

Preservação de ecossistemas A biodiversidade terrestre depende diretamente da qualidade e manutenção dos recursos hídricos de modo sustentável e equilibrado. Todavia, a manutenção dos ecossistemas aquáticos implica na necessidade de que uma parcela da água permaneça no rio, e que a qualidade desta água seja suficiente para a vida aquática para preservação dos ecossistemas naturais. Geração de energia A água é utilizada para a geração de energia a partir de usinas hidrelétricas que aproveitam a energia potencial existente quando a água passa por um desnível do terreno. A potência de uma usina hidrelétrica é proporcional ao produto da descarga (ou vazão) pela queda. A queda é definida pela diferença de altitude do nível da água a montante (acima) e a jusante (abaixo) da turbina. A descarga em um rio depende das características da bacia hidrográfica, como o clima, a geologia, os solos, a vegetação.

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Figura 2.5. Os diversos usos da água. Fonte: http://www.cesan.com.br/e107_images/11-3.jpg, acessado em 25 de janeiro de 2011.

Saiba mais: Desde a época dos dinossauros, no período Mesozóico (há aproximadamente 2 bilhões de anos atrás), a mesma quantidade de água permanece na Terra nos dias atuais. Isso ocorre em função do ciclo da água. Na verdade, o que varia é a proporção entre água no estado sólido (gelo e neve) e líquido e/ou vapor (rios, chuva, lagos, etc) conforme a Terra se encontre em períodos glaciais e periglaciais. A busca de vida em outros planetas também está fortemente relacionada à busca de indícios da presença de água, a exemplo do Mar encontrado na lua e em Marte. Tal ramo da ciência é chamado de Planetologia comparada. Fonte: adaptado de TEIXEIRA, Wilson; TOLEDO, M. Cristina Motta de; FAIRCHILD, Thomas Rich; TAIOLI, Fabio. Decifrando a terra. São Paulo: Oficina de Textos, 2003.

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2.4. Campos de atuação e subdivisões da Hidrologia A Hidrologia tem como objeto o estudo da água, e em função da amplitude de abordagens e aplicações deste tema, esta pode ter diversas subdivisões. A Hidrometeorologia é o estudo dos problemas intermediários, ou que afetam os campos da hidrologia e da meteorologia. A Limnologia é o estudo dos lagos e da relação dos seres aqüíferos com o sistema. Já a Criologia corresponde ao estudo dos assuntos relacionados com a neve e o gelo. A Potamologia ou Fluviologia, por sua vez, correspondem ao estudo das correntes superficiais, incluindo a dinâmica dos cursos dos rios. E a Geohidrologia abrange o estudo das águas subterrâneas, incluindo os aqüíferos e lençóis freáticos. Como a maioria dos problemas reais envolve várias dessas especialidades, em geral os fenômenos são interdependentes, exigindo, portanto, uma análise multidisciplinar dos técnicos e profissionais envolvidos. De modo geral, para a aplicação da Hidrologia e a busca de soluções para problemas reais relacionados ao uso da água, são necessários a abordagem de três grandes temas específicos: a medição, o registro e a publicação de informações básicas sobre os recursos hídricos da área retratada, além da análise e tratamento dos dados obtidos. No tópico a seguir abordaremos como a Engenharia civil e outros ramos profissionais usam e aplicam alguns dos conceitos da Hidrologia. 2.4.1. Aplicações da Hidrologia para a Construção civil e Engenharia De acordo com WALTER COLLISCHONN & RUTINÉIA TASSI (2010), a humanidade tem se ocupado com a água como uma necessidade vital e como uma ameaça potencial desde o tempo em que as primeiras civilizações se desenvolveram as margens dos rios. E deste modo, foram construídos canais, diques, barragens, condutos subterrâneos e poços ao longo dos principais cursos fluviais da época, a exemplo do rio Indus, no Paquistão, dos rios Tigre e Eufrates, na Mesopotâmia, do Hwang Ho na China e do Nilo no Egito. Isso há pelo menos 5.000 anos.

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E, como a distribuição e o acesso dos recursos hídricos são geralmente desiguais no tempo e no espaço, nota-se que a água nem sempre se encontra no local e nos momentos necessários, exigindo a construção de reservatórios e obras hidráulicas.

Figura 2.4. Exemplos de obras hidráulicas e da Engenharia civil aplicadas à Hidrologia: barragens para geração hidroelétrica, eclusas e pontes fluviais. Fontes: ; <engenhariacivildauesc.blogspot.com>; <przcivil.blogspot.com> e , acessados em 25 de janeiro de 2011.

Durante o período de estiagem das chuvas ou mesmo nos locais onde a água seja escassa, o objetivo destas obras é aproximar o recurso do usuário, no momento em que se torne necessário. Assim são construídas barragens, canais, aquedutos, redes de distribuição de água, sistema de irrigação, eclusas, estações de tratamento de água, etc. Em locais típicos de ocorrência de inundações, as obras hidráulicas devem proteger o homem dos efeitos devastadores das ondas de cheia, seja através da delimitação da

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planície de inundação e/ou criando obras de defesa e drenagem, tanto nas áreas urbanas como rurais. De modo geral, os responsáveis pela obra devem responder às seguintes questões:  “Qual é a vazão máxima que se pode esperar em um vertedor de barragem, em um bueiro de rodovia ou no sistema pluvial de uma cidade?”  “Qual é o volume de água necessário para garantir o fornecimento para irrigação durante uma seca?”  “Quais serão os efeitos dos reservatórios e diques de controle sobre as ondas de cheia de um rio?”  “Qual a possibilidade de abastecer uma população com água subterrânea?” O

engenheiro

também

é

responsável

pelo

fornecimento

de

informações

geomorfológicas locais, tais como nível do curso d’água, velocidade do rio, quantidade e tipo de sedimentos presentes no curso fluvial, etc; no caso de obras de melhoramento das condições de navegabilidade de um rio, dragagem de trechos, fechamento de braços e projeto de espigões. Para a construção de portos fluviais, diques de proteção e aterros, por sua vez, os estudos estatísticos de variação de níveis podem atribuir períodos de recorrência a esses valores, introduzindo o conceito de probabilidade e risco de ocorrência de eventos. Na agricultura, os tipos de irrigação, a recuperação de terras, a proteção contra erosão de solos, bem como o estudo da poluição dos cursos d’água por defensivos agrícolas, possuem aplicação direta na Hidrologia.

Como exemplos de aplicação da Hidrologia na Engenharia, temos: 

Estimativa dos recursos hídricos de uma região (análise da capacidade de mananciais superficiais e subterrâneos, previsão e interpretação de variações na quantidade e qualidade das águas naturais e balanço hídrico);

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

Projeto e construção de obras hidráulicas (fixação de seções de vazão em pontes, bueiros e galerias; dimensionamento de condutos e sistemas de recalque;

projeto

e

construção

de

barragens;

dimensionamento

de

extravasores); 

Drenagem e recuperação de áreas;



Irrigação;



Estudos evaporímetros e de infiltração de água no solo;



Regularização dos cursos de água e controle de inundações;



Controle da poluição;



Controle da erosão;



Navegação;



Aproveitamento hidrelétrico (previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos d’água para o estudo econômico-financeiro do aproveitamento; verificação da necessidade de reservatório de acumulação e, existindo este, determinação dos elementos necessários ao projeto e construção do mesmo; bacias hidrográficas, volumes armazenáveis, perdas por evaporação e infiltração, etc).

Portanto, o engenheiro deve estimar desde as grandes variações que ocorrem nos fenômenos hidrológicos até as limitações destas mesmas variações. A partir do conhecimento da grandeza e da freqüência de tais valores resultará a adoção de coeficientes de segurança, de modo bastante criterioso, para que estejam adequados à sua aplicação prática. A insuficiência de dados hidrológicos ou mesmo a deficiência de sua análise e interpretação pode conduzir à fracassos relevantes, tais como: a construção de obras custosas de captação e adubação para aproveitamento de mananciais inadequados e/ou insuficientes; a abertura de canais para a melhoria da navegação, mas que entretanto, acabaram por inutilizar zonas portuárias; a retificação de trechos fluviais que acabaram por contribuir para a agravar ainda mais os problemas de inundação e assoreamento; o dimensionamento inadequado de bueiros e galerias ao longo de vias urbanas, auto-estradas e ferrovias.

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2.4.2. A Hidrologia e o Meio Ambiente Como mencionado anteriormente, entre os principais usos humanos da água temos o abastecimento humano, a irrigação, a dessedentação animal, a geração de energia elétrica, a navegação, a diluição de efluentes e tratamento de esgotos, além da pesca, recreação e paisagismo. Em termos ambientais e socioeconômicos, as preocupações com o uso da água aumentam a cada dia porque a demanda por água aumenta à medida que a população cresce, assim como as aspirações e as necessidades de consumo dos indivíduos aumentam. Estima-se que no ano 2000 o mundo todo usou duas vezes mais água do que em 1960. Enquanto as demandas sobem, o volume de água doce na superfície da terra é relativamente fixo. Isto faz com que certas regiões do mundo já enfrentem situações de escassez. E, apesar da significativa abundância em recursos hídricos em nosso país, não podemos dizer que estamos livres deste problema. Deste modo, a racionalização do uso da água é inevitável e urgente. Isso porque serão mais pessoas precisando de mais alimentos e serviços da agricultura, que como vimos, é a atividade que mais consome (e desperdiça) água no mundo. E, em especial nos países mais pobres e subdesenvolvidos, onde a carência hídrica é ainda maior, técnicas de reaproveitamento e reuso da água se tornam constantes, a exemplo da instalação de estações de tratamento de esgoto (ETE) e de tratamento de água (ETA), como ilustrados pela figura 2.5 a seguir.

Figura 2.5. Estação de tratamento de esgotos (ETE) e de tratamento de água (ETA). Fontes: http://www.infoescola.com/geografia/tratamento-de-esgoto e http://portaldoprofessor.mec.gov.br, acessados em 26 de janeiro de 2011.

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Com o crescimento populacional há também o aumento da demanda por recursos energéticos e de seu consumo, seja para alimentação, higiene e limpeza, transporte fluvial ou geração de energia através da força hidráulica, entre outros. Este cenário se torna ainda mais caótico a partir da intensificação do processo de ocupação urbana nas grandes cidades e metrópoles, visto que são diversas pessoas que se direcionam e se aglomeram nas capitais em busca de melhores oportunidades de emprego e de condições de vida. Isto é, são mais pessoas que necessitarão tomar banho e fazer sua higiene pessoal, beber água, utilizar produtos industriais e energia elétrica e assim por diante. No Brasil a geração de energia elétrica é apenas um dos usos da água, mas sua importância é muito grande, chegando a influenciar significativamente as estimativas do valor associado à água. E, neste caso, quanto mais caro o recurso, menor e mais difícil é o seu acesso. E neste contexto, o Brasil necessita repensar a maneira como usufrui este recurso, buscando utilizá-lo de modo sustentável e equilibrado, passando a considerá-lo como um bem finito e limitado, apesar de abundante na atualidade. 2.5. Novas tecnologias aplicadas à Hidrologia Na história da humanidade, tecnologias inovadoras como os aquedutos de Roma facilitaram o fornecimento de água potável. Grandes obras de barragens, represas e açudes possibilitaram a retenção das águas, o abastecimento de cidades, a produção de energia ou a regularização dos canais fluviais. Diques foram construídos visando manter secas algumas porções de terra. No entanto, todo esse avanço tecnológico muitas vezes contribuiu para a degradação dos corpos hídricos. Para conter a poluição das águas, muitos países aplicam multas e possuem legislação ambiental severa. Todavia, na prática, elas têm se mostrado ineficazes para diminuir a degradação dos recursos, pois representam apenas uma pequena fração do rendimento total da maioria das indústrias poluentes, que muitas vezes preferem pagar o preço da multa a se adequar aos procedimentos ambientalmente sustentáveis.

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Soluções tecnológicas mais inovadoras surgiram com o aumento

do

preço

da

água.

As indústrias

buscaram

compensar esse aumento com o tratamento de águas utilizando tecnologias de reciclagem, a exemplo da osmose

Osmose reversa: processo de separação e depuração da água em que esta é pressionada através de uma membrana que retém as impurezas. Fonte: TERRA, ARAÚJO & GUIMARAES (2008, p.210).

reversa e da dessalinização. Israel é um dos maiores utilizadores da dessalinização e consegue obter água para consumo a custos viáveis. Países como Estados Unidos, China, Espanha e diversos outros do Oriente Médio também têm adotado com êxito a implementação desta tecnologia. Como os custos de bombeamento da água aumentam muito com a distância, os estados com maior déficit hídrico – mas que por sua vez são abundantes em petróleo – e suas áreas costeiras continuarão provavelmente a serem os principais consumidores

das

9.500

usinas

de

dessalinização

existentes no mundo em função disso.

já

Dessalinização: consiste na extração de sal da água do mar. Esta técnica é bastante utilizada por países que sofrem de escassez hídrica, a exemplo de Israel na região do Oriente Médio. Todavia, tal técnica exige elevados custos energéticos, e em alguns casos também dispendiosos investimentos financeiros. Fonte: adaptado de TERRA, ARAÚJO & GUIMARAES (2008, p.210).

Figura 2.6. Processo esquemático de dessalinização da água do mar. Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt, acessado em 26 de janeiro de 2011. Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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Outra tecnologia bastante aceita é a reutilização das águas residuais, em que os detritos são separados e devidamente tratados para após serem devolvidas para os cursos fluviais, canais de irrigação, uso industrial ou mesmo para o reabastecimento de aqüíferos. Tal método tem sido utilizado em países como Israel, Gana, Estados Unidos (especificamente na Califórnia), México, Paquistão, entre outros.

Saiba mais: Para compreender um pouco mais sobre as técnicas de aproveitamento da água e de retirada do sal das águas marinhas, leia o artigo intitulado: “Dessalinização da água:

uma

solução?”,

da

pesquisadora

Silvia

Chambel,

disponível

em:

http://www.ideiasambientais.com.pt/Des-salinizacao_agua.html, acessado em janeiro de 2011.

Mídias integradas: Outros sites recomendados para visita e consulta sobre a gestão dos recursos hídricos e demais questões relativas ao uso da água no âmbito nacional e estadual são o do Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM), o da Associação Brasileira de Recursos Hídricos (ABRH) e o da Agência Nacional de Águas (ANA), listados respectivamente a seguir: IGAM - http://www.igam.mg.gov.br Fontes: _____________________ acessados em xx de janeiro de 2011.

ABRH - http://www.abrh.org.br ANA - http://www2.ana.gov.br

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Informações Sobre a Próxima Aula Agora que você compreendeu um pouco mais sobre a água e seus usos múltiplos e as aplicações da Hidrologia para a Engenharia e para o Meio Ambiente, incluindo seus ramos e subdivisões, abordaremos na aula seguinte cada uma das etapas que compõem o ciclo hidrológico no planeta. Busque fazer todas as atividades, anote suas dúvidas, participe dos espaços de discussão coletivos com seu professor, tutor e demais colegas e aproveite ao máximo seus conhecimentos. Certamente isto contribuirá positivamente para a sua formação. Bons estudos e até a próxima aula!

Resumo: Nesta aula abordamos: 

A Hidrologia é a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação, distribuição espacial, suas propriedades físicas e químicas e sua relação com o ambiente, inclusive com os seres vivos. Tal ciência busca responder o quê acontece com a água da chuva e quais são os seus impactos para a natureza e para as sociedades a partir de conhecimentos de hidráulica, física e estatística.



A água é a substância mais presente na superfície do planeta Terra, cobrindo mais de 70% do globo e também do corpo humano. Ela possui características específicas, tais como o baixo calor latente (que faz com que a temperatura da água varie de forma lenta e gradual e configurando o clima da Terra) e elevada tensão superficial (responsável pela organização da chuva na forma de gotas e pela ascensão capilar da água nos solos). Além de ser a única substância encontrada naturalmente nos três estados físicos (líquido, sólido e gasoso).



A água possui usos múltiplos, tais como abastecimento humano, industrial, irrigação, navegação, assimilação e transporte de poluentes, recreação, preservação de ecossistemas e geração de energia hidráulica. Estes podem ser classificados em consuntivos (quando alteram substancialmente a quantidade de água disponível para outros usuários, a exemplo da irrigação) e não-consuntivos (quando alteram pouco a quantidade de água, mas podem alterar sua qualidade, a exemplo da geração de energia pelas hidrelétricas, a navegação, a recreação e os usos paisagísticos).



Em função da amplitude de abordagens e aplicações da Hidrologia, esta pode ter diversas subdivisões, tais como a Hidrometeorologia, a Limnologia, a Criologia, Potamologia ou Fluviologia, a Geohidrologia, entre outras. E, para a solução de problemas reais, há a necessidade de uma análise multidisciplinar dos técnicos e profissionais destas várias especialidades.



A construção de reservatórios e obras hidráulicas são exemplos da aplicação da Hidrologia pela Engenharia. O objetivo destas obras é aproximar o recurso

Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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do usuário no momento necessário, em especial durante as épocas de cheias e secas. Assim são construídas barragens, canais, aquedutos, redes de distribuição de água, sistema de irrigação, eclusas, estações de tratamento de água, entre outros. Todavia, a insuficiência de dados hidrológicos ou mesmo a deficiência de sua análise e interpretação pode conduzir a fracassos relevantes, ocasionando em obras dispendiosas e/ou ineficazes, ou mesmo agravando ainda mais os problemas ambientais que deveria evitar. 

Em termos ambientais e socioeconômicos, as preocupações com o uso da água aumentam a cada dia em função do crescimento populacional e das necessidades de consumo. Enquanto as demandas sobem, o volume de água doce na superfície da terra permanece fixo, gerando e agravando situações de escassez hídrica em diversas regiões do mundo. Assim, técnicas de a racionalização, reaproveitamento e reuso da água se tornam constantes, a exemplo da instalação de estações de tratamento de esgoto (ETE) e de tratamento de água (ETA). Deve-se repensar a maneira como usufruímos este recurso, buscando utilizá-lo de modo sustentável e equilibrado, pois apesar de renovável, a água não é infinita.



O avanço tecnológico pode contribuir tanto para a degradação quanto para o tratamento e reutilização dos corpos hídricos. Na atualidade, indústrias e governos buscam soluções tecnológicas mais inovadoras para aumentar o uso da água, especialmente após o aumento do seu preço. A reutilização das águas residuais, a osmose reversa e a dessalinização são exemplos destas novas tecnologias aplicadas à Hidrologia para ampliar o uso da água. Porém, na maioria das vezes, correspondem a técnicas com gastos energéticos muito elevados e/ou investimentos exorbitantes, limitando a sua utilização aos países com melhor disponibilidade de recursos financeiros, a exemplo de Israel e Estados Unidos.

Referências Bibliográficas GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. p.1-5. TERRA, Lígia; ARAÚJO, Regina & GUIMARAES, Raul Borges. Conexões: estudos de geografia geral e do Brasil. Volume único. 1ª ed. São Paulo: Moderna, 2008. p.203-210. COLLISCHONN, Walter & TASSI, Rutinéia. Introduzindo Hidrologia. 7ª versão. IPH - UFRGS, março de 2010. Apostila em 24 módulos. Disponível em: http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/apostila_hidrologia, acessado em 25 de janeiro de 2011.

Aula 2. Introdução à Hidrologia: noções, conceitos e definições

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Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte I Curso: Técnico em Meio Ambiente Disciplina: Hidrologia Professora - conteudista: Carolina Dias de Oliveira Tutora: Graziela Grieco

Meta: Apresentar os mecanismos básicos do ciclo da água, enfocando a fase de precipitação, em suas diferentes formas, e ainda conhecer e analisar os seus principais métodos de leitura e medição.

Objetivos: Após o estudo desta aula, você deverá ser capaz de: 1. Compreender, diferenciar e buscar soluções para os diversos tipos de impactos e alterações do ciclo da água ocasionadas pelas ações antrópicas na paisagem. 2. Compreender os mecanismos de formação de cada etapa do ciclo hidrológico, com enfoque para a fase de precipitação; 3. Conhecer os procedimentos básicos para a realização de medições meteorológicas e quais são os principais instrumentos de medição e coleta de dados, em especial aqueles que possuem aplicação para a Hidrologia; 4. Conhecer quais são os principais métodos de medição pluviométrica e distinguir e analisar quais são os procedimentos adequados para o tratamento de dados e erros de medição.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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AULA 3. O ciclo hidrológico – Parte 1 O ciclo hidrológico é o conceito central da Hidrologia e corresponde ao termo que se usa para descrever a circulação geral da água, desde o oceano até a atmosfera, até o subsolo, e novamente até o oceano, como retrata a figura 3.1 a seguir:

Figura 3.1. O ciclo hidrológico. Fonte: http://static.hsw.com.br/gif/hydrology-1.jpg, acessado em 14 de janeiro de 2011.

De acordo com COLLISCHONN & TASSI (2010), pode-se dizer que, em termos gerais, o ciclo hidrológico não tem princípio e nem fim, tendo sua principal força motriz baseada na energia solar. Como retrata a figura acima, o ciclo pode ser analisado a partir do aquecimento do ar, do solo e da água superficial (fase 1). Em seguida ocorrem a circulação de massas de ar e a evaporação (fase 2). Esse vapor se condensa por meio de vários processos e depois é devolvida à terra em forma de precipitação, impulsionada pela gravidade (fases 3 e 4, respectivamente). Uma porção da água precipitada é retida temporariamente em depressões superficiais, Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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vegetação e outros objetos (interceptação – fase 5) e em seguida retorna à atmosfera por meio da evaporação e transpiração, iniciando o ciclo novamente. È importante destacar que nem sempre estas fases ocorrem de modo linear, podendo haver variações. Por exemplo, a água advinda das chuvas ou do derretimento da neve pode infiltrar no solo ou escoar sobre uma superfície até atingir um rio, lago ou mar, sendo que essa água também está igualmente sujeita à evaporação e transpiração durante todo o seu trajeto. Da mesma forma, a água infiltrada pode percolar até zonas mais profundas do solo e ser armazenada como água subterrânea (formando os aqüíferos). Esta pode ainda fluir como manancial ou incorporar-se a rios, lagos e mares. Cada uma destas etapas será descrita e analisada em aprofundamento nos subtópicos e na aula seguintes, mas

Aqüífero: é uma formação ou grupo de formações geológicas que pode armazenar água subterrânea. São rochas porosas e permeáveis, capazes de reter água e de cedê-la. São utilizadas pelo homem como fonte de água para consumo, embora apenas se forem economicamente rentáveis e sem impactos ambientais negativos. Fonte: adaptado de Wikipédia, disponível em: , acessado em 31 de janeiro de 2011.

antes abordaremos a dinâmica da superfície hídrica como um todo, para depois analisá-lo em partes. 3.1. Dinâmica da superfície hídrica: o ciclo hidrológico

Segundo GARCEZ & ALVAREZ (1988), o ciclo da água pode ser considerado como composto de duas fases principais: uma atmosférica e outra terrestre, que incluem: o armazenamento temporário da água, o transporte e a mudança de estado físico da água. Todavia, para fins didáticos e mais adequados à aplicação para Hidrologia, este ciclo será subdivido em quatro etapas principais, que são: I. Precipitações atmosféricas (chuva, granizo, neve, orvalho); II. Escoamentos subterrâneos (infiltração, águas subterrâneas); III. Escoamentos superficiais (torrentes, rios e lagos); IV. Evaporação (na superfície das águas e no solo) e transpiração dos vegetais e animais.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Na realidade, todas as fases do ciclo hidrológico ocorrem simultaneamente. Em uma escala global, a quantidade de água contida em cada uma das fases do ciclo é constante, porém, visto em termos de uma área limitada – como em uma bacia hidrográfica – a quantidade de água contida em cada parte do ciclo pode variar muito. A água precipitada que está escoando em um rio, por

exemplo,

novamente

pode

precipitar

evaporar, antes

oceano.

de

condensar retornar

e ao

Bacia hidrográfica: ou bacia de drenagem de um curso de água corresponde ao conjunto de terras que fazem a drenagem da água das precipitações para esse curso de água. É uma área geográfica e, como tal, medese em km². A sua formação se dá através dos desníveis dos terrenos que orientam os cursos da água, de acordo com a ação da gravidade, isto é, sempre das áreas mais elevadas para as áreas de menor altitude. Essa área é limitada por um divisor que a separa das bacias adjacentes e que pode ser determinado nas cartas topográficas. As águas superficiais, originárias de qualquer ponto da área delimitada pelo divisor, saem da bacia passando pela seção definida e a água que precipita fora da área da bacia não contribui para o escoamento na seção considerada. Assim, o conceito de Bacia Hidrográfica pode ser entendido através de dois aspectos: Rede Hidrográfica e Relevo. Estudaremos com mais detalhes as bacias hidrográficas a partir da Aula 6. Fonte: adaptado de http://geoemrededucativa.blogs pot.com/2008/08/baciahidrogrfica.html, acessado em 31 de janeiro de 2011.

A bacia hidrográfica e sua compartimentação. Fonte: http://geoemrededucativa.blogspot.co m/2008/08 /bacia-hidrogrfica.html, acessado em 31 de janeiro de 2011.

Na figura 3.2 abaixo, a elevada umidade típica da região norte do Brasil, interfere diretamente na quantidade de chuvas que atingem a região sudeste do país, podendo provocar enchentes e cheias, como ocorreu em janeiro deste ano na região serrana do estado do Rio de Janeiro e em São Paulo. Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Figura 3.2. Evaporação de rios e elevada umidade na Amazônia (foto de Margi Moss). Fonte: http://inverde.wordpress.com/2009/ 09/27/evaporacao-na-amazoniachuva-no-sudeste, acessado em 31 de janeiro de 2011.

Em relação ao ciclo hidrológico, é relevante salientar que a água também sofre alterações de qualidade ao longo de suas diferentes fases. A água salgada do mar, por exemplo, é transformada em água doce pelo processo de evaporação. A água doce que infiltra no solo dissolve os sais aí encontrados e a água que escoa pelos rios carrega estes sais para os oceanos, bem como um grande número de outras substâncias dissolvidas e em suspensão. Estima-se que 1,4 km³ de água seja mundialmente disponível. Como já mencionado na Aula 1, em termos relativos tem-se que aproximadamente 97% da água do mundo está nos oceanos. E, dos 3% restantes, a metade (ou 1,5% do total) está armazenada na forma de geleiras ou bancadas de gelo nas calotas polares. E a água doce de rios, lagos e aqüíferos (reservatórios de água no subsolo) corresponde a menos de 1% do total. Em valores totais, a água doce existente na Terra e a água que atinge a superfície dos continentes na forma de chuva são suficientes para atender todas as necessidades humanas. Entretanto, grandes problemas surgem com a grande variabilidade temporal e espacial da disponibilidade de água. A América do Sul é, de longe, o continente com a maior disponibilidade de água, porém a precipitação que atinge nosso continente é altamente variável, apresentando na Amazônia altíssimas taxas de precipitação enquanto o deserto de Atacama é conhecido como o lugar mais seco do mundo. No Brasil, a disponibilidade de água é elevada, porém existem regiões em que há crescentes conflitos em função da quantidade de água disponível, como na região semi-árida do Nordeste. Mesmo na região sul, onde as chuvas ocorrem Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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ao longo de todo o ano, há anos secos em que a disponibilidade de água de alguns rios não é suficiente para atender as demandas para abastecimento da população e para irrigação. 3.1.1. Impactos antrópicos sobre o ciclo da água Algumas alterações produzidas pelo homem sobre o ecossistema podem alterar parte do ciclo hidrológico. A eutrofização de lagos em função da poluição e despejo de resíduos industriais e químicos sobre os corpos hídricos e a contaminação do solo e dos lençóis freáticos em função do uso excessivo de adubos e fertilizantes agrícolas, são alguns exemplos destes impactos, o que pode comprometer a qualidade de água (ver figura 3.3).

Figura 3.3. Impactos e alterações sobre o ciclo da água produzidos pela ação antrópica: lago contaminado por eutrofização e contaminação dos lençóis e aqüíferos por excesso de fertilizantes e adubos químicos. Fonte: Arquivo Embrapa Meio Ambiente, disponível em http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/agricultura_e_meio_ambiente, acessados em 31 de janeiro de 2011.

Em nível global, a emissão de gases para a atmosfera produz aumento do efeito estufa, alterando as condições climáticas. E, em escala local, as obras hidráulicas que atuam sobre os rios (a exemplo da Transposição do rio São Francisco), lagos e oceanos, além dos desmatamentos, atuam sobre o comportamento da bacia hidrográfica. Assim como a urbanização também produz alterações localizadas nos processos do ciclo hidrológico terrestre.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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A transposição do rio são Francisco. Fonte: http://fatosnoespelho.blogspot.com/2010/10/transposicao-do-rio-sao-francisco.html, acessado em 31 de janeiro de 2011.

Fonte: http://www.cabucu.com/20 10/09/aquecimento-global, acessado em 31 de janeiro de 2011.

Figura 3.4. Impactos e alterações regionais e globais sobre o ciclo da água: Transposição do Rio São Francisco e o Aquecimento global.

Abordaremos com mais detalhes sobre os impactos provocados pela ação do homem sobre o ciclo da água nas aulas posteriores. Agora, retornaremos às etapas do ciclo hidrológico, a partir da fase de precipitação, e ainda veremos como é feito o procedimento de coleta de dados em estações meteorológicas. Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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3.2. A coleta de dados e as estações meteorológicas de interesse para a Hidrologia De acordo com GARCEZ & ALVAREZ (1988), a maioria dos países e entidades estatais possui serviços para a análise do tempo e do clima próprios, em geral estabelecem e monitoram estações meteorológicas onde são feitas medições periódicas

em

horas

fixas

e

conforme

padrões

e

procedimentos

regulamentados pela Organização Meteorológica Mundial (OMM). Assim, os dados coletados podem ser comparados, permitindo o trabalho de previsões meteorológicas. Usinas hidrelétricas, aeroportos e institutos ligados á agropecuária utilizam muito este tipo de serviço, especialmente para evitar perdas e prejuízos materiais e também humanos. Nas estações meteorológicas são obtidos dados referentes à temperatura do ar e/ou do solo, nas variações máximas e mínimas, de pressão atmosférica e direção e velocidade dos ventos, umidade relativa do ar, evaporação e taxas de precipitação pluvial.

Figura 3.5. Estação meteorológica Fonte: http://jarbasrocha.com.br/?p=dhavsckbmwmayp&paged=76, acessado em janeiro de 2011.

Nestas

estações,

alguns

aparelhos

e

instrumentos

de

medida

são

fundamentais, a exemplo dos termômetros de bulbo seco e bulbo úmido e dos Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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psicrômetros (para a coleta de dados de umidade relativa do ar), ou ainda de termógrafos (para obtenção de dados de temperatura do ar e do solo), o barômetro (para a medida da pressão atmosférica), o anemômetro (para a definição da velocidade e direção dos ventos), os evaporímetros (para medir a capacidade de evaporação da atmosfera) e ainda o pluviômetro e o pluviógrafo (para leitura e medida das chuvas). Além destes, outros instrumentos e sistemas especiais também são relevantes para a interpretação da dinâmica da atmosfera, a exemplo dos radares meteorológicos e satélites. No Brasil, o Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) é o órgão diretamente ligado á utilização dos dados obtidos pelos satélites espaciais. Saiba mais: Para saber mais sobre os procedimentos de coleta de dados meteorológicos via satélite e sobre o monitoramento destas informações e sua aplicação para os diversos setores da sociedade, visite o site do Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) e consulte suas publicações. http://www.inpe.br/

3.3. Precipitações atmosféricas A precipitação da água advinda da atmosfera e que atinge a superfície não se limita somente à forma de chuvas. Ela também pode ocorrer na forma granizo, neve, orvalho, neblina ou geada (figura 3.6). Todavia, em nosso país, a chuva é a forma mais importante de precipitação, apesar dos grandes prejuízos que possam advir da ocorrência de precipitação na forma de granizo e ainda do fato de que em alguns locais possa eventualmente ocorrer neve (a exemplo da região sul do Brasil). Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Figura 3.6. As diferentes formas de precipitação da água. Fonte: http://temperandoclima.blogspot.com, acessado em 31 de janeiro de 2011.

De acordo com COLLISCHONN & TASSI (2010), a precipitação é a única forma de entrada de água em uma bacia hidrográfica. È ela que fornece subsídios para a quantificação do abastecimento de água, irrigação, controle de inundações, erosão do solo, entre outros, sendo ainda fundamental para o adequado dimensionamento de obras hidráulicas. Para a engenharia e a Hidrologia, a chuva é a causa mais importante dos processos hidrológicos e é caracterizada por uma grande aleatoriedade espacial e temporal. A seguir, abordaremos quais são os tipos de chuva e suas principais características de formação. 3.3.1. Formação das chuvas A água existente na atmosfera está, em sua maior parte, na forma de vapor. Todavia, a quantidade de vapor que o ar pode conter é limitada, o que pode provocar a sua saturação. Por exemplo, se a temperatura do ar estiver a 20º C, ela pode conter uma quantidade máxima de vapor de aproximadamente 20 gramas por metro cúbico. De modo que, quantidades de vapor superiores a este limite acabam se condensando. A quantidade máxima de vapor que pode ser contida no ar sem condensar é a concentração de saturação. Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Uma característica muito importante da concentração de saturação é que ela aumenta com a elevação da temperatura do ar. Assim, o ar mais quente pode conter mais vapor do que o ar frio.

Gráfico 3.1. Relação entre a temperatura e o conteúdo de vapor de água no ar na condição de saturação. Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 39)

Pela análise do gráfico 3.1, pode-se observar que o ar a 10ºC pode conter duas vezes mais vapor do que o ar em seu ponto de congelamento, ou seja, a 0º C. Assim, pode-se concluir que o ar atmosférico apresenta um forte gradiente de temperatura. Em outras palavras, ele é marcado por valores de temperatura relativamente altos junto à superfície (é mais quente próximo à superfície) e valores menores de temperatura em altitudes mais elevadas (é mais frio em áreas mais altas). O processo de formação das nuvens, por sua vez, está associado ao movimento ascendente de uma massa de ar úmido. Neste processo, a temperatura do ar vai diminuindo até que o vapor do ar começa a condensar. Isto ocorre porque a quantidade de água que o ar pode conter sem que ocorra condensação é maior para o ar quente do que para o ar frio. E quando este vapor se condensa, pequenas gotas começam a se formar, permanecendo suspensas no ar por fortes correntes ascendentes e pela turbulência. Porém, em certas condições, as gotas das nuvens crescem, Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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atingindo tamanho e peso suficiente para vencer as correntes de ar que as sustentam. Nestas condições, a água das nuvens se precipita para a superfície da Terra, na forma de chuva (ver figura 3.7).

Figura 3.7. A formação das nuvens e a saturação do ar. Fonte: http://www.alpheratz.org/index2.php?page=pintsky, acessado em 31 de janeiro de 2011.

Em geral, a formação das nuvens de chuva encontra-se diretamente associada ao movimento ascendente de massas de ar úmido. Assim, temos os principais tipos de chuva, que são: frontais, convectivas ou orográficas. Chuvas frontais Ocorrem por meio do encontro de duas grandes massas de ar, com diferentes características de temperatura e umidade. Na zona de contato entre estas duas massas, o ar mais quente (e também mais leve) é empurrado para cima, onde atinge temperaturas mais baixas e resultando na condensação do vapor d’água (ver figura 3.8 a). Neste tipo de chuva, as massas de ar possuem centenas de quilômetros de extensão e se movimentam lentamente. Deste modo, as chuvas frontais caracterizam-se pela longa duração e por atingirem grandes extensões. Em alguns casos as frentes podem ficar estacionárias, de modo que a chuva pode atingir o mesmo local por vários dias seguidos. No Brasil, as chuvas

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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frontais são freqüentes na região sul, podendo atingir também as regiões Sudeste, Centro-oeste e, por vezes, até o Nordeste. Chuvas orográficas As chuvas orográficas (ou chuvas de montanha, como também são conhecidas) ocorrem em regiões serranas ou onde exista um significativo obstáculo do relevo, como uma cadeia de montanhas ou cordilheira. De modo que, tais obstáculos dificultem a passagem de ventos quentes e úmidos que sopram do mar, fazendo com que o ar a suba (ver figura 3.8 b). Em maiores altitudes a umidade do ar se condensa, formando nuvens junto aos picos da serra, onde chove com muita freqüência. Este tipo de chuva ocorre em diversas regiões do Mundo, e em nosso país são especialmente importantes ao longo da costa atlântica, sobre a Serra do Mar. Chuvas convectivas São chuvas originadas pelo aquecimento direto das massas de ar, segundo o próprio ciclo da água, sendo típicas em áreas equatoriais. São chuvas de pequena duração em geral e que estão em contato direto com a superfície quente dos continentes e oceanos. O aquecimento do ar pode resultar na sua subida para níveis mais altos da atmosfera onde as baixas temperaturas condensam o vapor, formando nuvens (ver figura 3.8 c). Porém, este processo pode ou não resultar em chuva. Ao contrário das chuvas frontais, as chuvas convectivas são caracterizadas pela alta intensidade e pela curta duração, além de ocorrem de forma concentrada sobre áreas relativamente pequenas. De modo que, problemas de inundação estão relacionados à ocorrência de chuvas convectivas sobre áreas urbanas. Nas regiões equatoriais e tropicais brasileiras nota-se uma predominância deste tipo de chuva.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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a

b

c

Figura 3.8. Tipos de formação de chuvas. Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p.40)

3.3.2. Como medir a água da chuva A chuva

é

medida

utilizando-se instrumentos

específicos,

chamados

pluviômetros. Estes são recipientes coletores de água precipitada e que possuem dimensões padronizadas (ver figura 3.9). Ele deve ser instalado a uma altura padrão de 1,50 metros do solo e ainda não deve estar muito próximo de casas, árvores ou outros obstáculos que possam interferir na quantidade de chuva captada. Conforme COLLISCHONN & TASSI (2010), o pluviômetro mais utilizado no Brasil tem uma forma cilíndrica com uma área superior de captação da chuva de 400cm², de modo que um volume de 40 ml de água acumulado no pluviômetro corresponda a 1 mm de chuva.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Figura 3.9. Características de um pluviômetro de leitura manual. Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 41)

A Agência Nacional da Água (ANA) possui uma rede de observação bem estruturada para analisar e medir a quantidade de chuva no Brasil. Esta é realizada uma vez por dia, por um observador que anota o valor lido em uma caderneta, metodicamente às 7:00 da manhã. O Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA), além de empresas de geração de energia hidrelétrica como a Companhia Energética de Minas Gerais S.A. (CEMIG) e a Companhia Energética de São Paulo (CESP) também possuem pluviômetros instalados para o monitoramento das chuvas. Mídias integradas: Para saber mais sobre os procedimentos de coleta de água das chuvas, visite o banco de dados da Agência Nacional de águas (ANA): disponível em www.hidroweb.ana.gov.br. Nela, estão cadastradas 14.189 estações pluviométricas de diversas entidades, mas somente 70% destas estão em atividade atualmente.

Os pluviógrafos, por sua vez, estão adaptados a realizar medições automaticamente, registrando os dados medidos em intervalos de tempo inferiores a um dia. Os pluviógrafos mecânicos (figura 3.10 a e b) utilizavam uma balança para pesar o peso da água e um papel para registrar o total Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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precipitado. Assim, os pluviógrafos antigos com registro em papel foram substituídos, nos últimos anos, por pluviógrafos eletrônicos e com dispositivo de memória do tipo data logger (figura 3.10 c e d). a

c

b

d

Figura 3.10. A evolução dos pluviógrafos: de mecânicos para eletrônicos Fontes: http://www.bizkaia.net/home2/Temas; http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Dren02.htm; http://www.irriplus.com.br/equipamentos.php?idG=11 e http://www.meteored.com/ram/2525/entrevista-del-mes-29/, acessados em 31 de janeiro de 2011.

O pluviógrafo mais comum atualmente é o de cubas basculantes, em que a água recolhida é dirigida para um conjunto de duas cubas articuladas por um eixo central. A água é dirigida inicialmente para uma das cubas e quando esta cuba recebe uma quantidade de água equivalente a 20 g, aproximadamente, o conjunto báscula em torno do eixo, a cuba cheia esvazia e a cuba vazia começa a receber água. Cada movimento das cubas basculantes equivale a Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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uma lâmina precipitada (por exemplo 0,25 mm), e o aparelho registra o número de movimentos e o tempo em que ocorre cada movimento.

Figura 3.11. Pluviógrafo de cubas basculantes Fontes: http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Dren02.html e http://www.gisiberica.com/pluviografo/PLUVIOGRAFO.htm, acessados em 31 de janeiro de 2011.

A principal vantagem do pluviógrafo sobre o pluviômetro é que o primeiro permite analisar detalhadamente os eventos de chuva, bem como sua variação ao longo do dia. Além disso, o pluviógrafo eletrônico pode ser acoplado a um sistema de transmissão de dados via rádio ou telefone celular. Os radares meteorológicos também são capazes de estimar a quantidade e o volume de água das chuvas, a partir da emissão de pulsos de radiação eletromagnética. A refletividade, ou seja, a relação entre a intensidade do sinal enviado e recebido é correlacionada à intensidade de chuva de uma região específica. Sua principal vantagem é a possibilidade de fazer estimativas de taxas de precipitação em uma grande região no entorno da antena emissora e receptora, embora existam erros consideráveis quando as estimativas são comparadas com dados de pluviógrafos. No Brasil são poucos os radares para uso meteorológico, com exceção do Estado de São Paulo onde existem alguns em operação. Nos Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha já existe uma cobertura completa com sensores de radar Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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para estimativa de chuva. Também é possível fazer estimativas da precipitação a partir de imagens obtidas por sensores instalados em satélites. A temperatura do topo das nuvens, que pode ser estimada a partir de satélites, tem uma boa correlação com a precipitação. Além disso, existem experimentos de radares a bordo de satélites que permitem aprimorar a estimativa baseada em dados de temperatura de topo de nuvem. 3.3.3. Análise de dados pluviométricos De acordo com COLLISCHONN & TASSI (2010) as variáveis que caracterizam a chuva são: a sua altura (lâmina precipitada), a intensidade, a duração e a freqüência. Em que a duração corresponde ao período de tempo que a chuva cai e normalmente é medida em minutos ou horas. A altura corresponde à espessura média da lâmina d’água que cobriria a região atingida, considerando a hipótese de que esta seja plana e impermeável, e sua unidade de medição é o milímetro de chuva (mm). Lembrete: Um milímetro de chuva corresponde a 1 litro de água distribuído em um metro quadrado, ou seja: 1 litro = 1 m² de água A intensidade da chuva equivale à altura precipitada dividida pela duração da chuva, sendo expressa normalmente em mm.hora-1. A freqüência da chuva, por sua vez, é a quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento de chuva considerado. De modo que chuvas muito intensas possuem freqüência baixa, pois ocorrem raramente, e as chuvas pouco intensas - mais comuns – acontecem em maior quantidade. A variável utilizada na hidrologia para avaliar eventos extremos como chuvas muito intensas é o tempo de retorno (TR), dado em anos. O tempo de retorno é uma estimativa do tempo em que um evento é igualado ou superado, em média. Por exemplo, uma chuva com intensidade equivalente ao tempo de retorno de 10 anos é igualada ou superada somente uma vez a cada dez anos, em média. Esta última ressalva “em média” implica que podem, eventualmente, ocorrer duas chuvas de TR 10 anos em dois anos subseqüentes.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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O tempo de retorno pode, também, ser definido como o inverso da probabilidade de ocorrência de um determinado evento em um ano qualquer. Por exemplo, se a chuva de 130 mm em um dia é igualada ou superada apenas 1 vez a cada 10 anos diz-se que seu Tempo de Retorno é de 10 anos, e que a probabilidade de acontecer um dia com chuva igual ou superior a 130 mm em um ano qualquer é de 10%, ou seja:

3.3.4. Variabilidade espacial da chuva Os dados de chuva dos pluviômetros e pluviógrafos referem-se a medições executadas em áreas muito restritas, de até 400 cm², ou seja, são quase pontuais pois sabe-se que a chuva pode variar bastante espacialmente. Por exemplo, se tivermos dois pluviômetros instalados a somente 30Km de distância um do outro e que, durante um evento chuvoso, um deles registra 60mm de chuva ao passo que o outro registrou apenas 40 mm para o mesmo evento. Isto ocorre porque a chuva apresenta uma grande variabilidade espacial, principalmente quando é originada por um processo convectivo. A forma de representar a variabilidade espacial da chuva para um evento, para um ano inteiro de dados ou para representar a precipitação média anual ao longo de um período de 30 anos são as linhas de mesma precipitação desenhadas sobre um mapa, chamadas de isoietas. As isoietas são obtidas por interpolação dos dados de pluviômetros ou pluviógrafos e podem ser traçadas de forma manual ou automática. Na

figura

3.12

há

a

representação

do

mapa

pluviométrico do Brasil, contendo as isoietas de chuva média anual para o território brasileiro, com base em dados de 1977 a 2006. Pela legenda, é possível

Isoietas: são as linhas de igual precipitação (mm) e que formam curvas que delimitam uma área com igual precipitação, ou seja, corresponde à quantidade de chuva que cai sobre uma determinada área. Ela é medida em milímetros. Fonte: adaptado de wikipédia, disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/ Isoieta, acessado em 02 de fevereiro de 2011.

observar que a média de chuvas anuais é bastante significativa sobre a região norte (com coloração azul), atingindo os 4.300 mm. Ao passo que nas regiões nordeste e sudeste (especificamente na região norte Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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mineira), a média pluviométrica cai para os 350 mm anuais. Nas regiões onde as isoietas estão mais próximas entre si, a exemplo das regiões centro-oeste e sudeste, conclui-se que há uma grande variabilidade espacial em relação à ocorrência de chuvas.

Figura 3.12. Mapa pluviométrico do Brasil. Fonte: http://mapaambiental.blogspot.com/2010/04/httpwww.html, acessado em 02 de fevereiro de 2011.

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Mídias integradas: Para uma melhor visualização e riqueza de detalhes do mapa pluviométrico do Brasil, faça o download do arquivo Isoietas_Totais_1977_2006_Brasil, em pdf, e para a visualização do mapa pluviométrico de Minas Gerais, veja o arquivo Isoietas_Totais_1977_2006_MG, disponíveis na plataforma ou ainda visite o site http://mapaambiental.blogspot.com/2010/04/httpwww.html para baixar este e outros arquivos relacionados ao tema.

È importante destacar que a Hidrologia não é uma ciência exata e não pretende

obrigar

o

estudioso

no

tema

a

se

transformar

em

um

hidrometeorólogo para solucionar problemas relacionados à distribuição e ocorrência de chuvas no tempo e no espaço. De acordo com GARCEZ & ALVAREZ (1988, p. 173), Para correlacionar as precipitações com os deflúvios superficiais geralmente é necessário estudar a distribuição das chuvas intensas em toda a extensão das bacias hidrográficas, considerando não só as diferentes intensidades, o que pode ser feito através dos processos indicados para o cálculo das lâminas médias (e o método de Thiessen facilita enormemente os cálculos), mas também a distribuição espacial das chuvas ao longo do tempo.

Assim, os hietogramas de cada posto de observação, assim como o conhecimento e o desenvolvimento dos estudos meteorológicos permitem obter informações necessárias e relevantes para a análise da distribuição espaço-temporal das chuvas. E neste caso, a análise para bacias de grande e pequeno porte devem ser analisadas de modo diferenciado. 3.3.5. Variabilidade sazonal da chuva Para a Hidrologia e para a Climatologia, a época de

Hietograma: é um diagrama que representa a distribuição da intensidade de precipitação no tempo ou ainda para designar mapas que representam a distribuição espacial ou temporal de uma precipitação. De modo geral, tem significado semelhante ao de pluviograma. Fonte: http://egeo.ineti.pt/bds/lexico_hidr o/lexico.aspx?Termo=Hiet ograma, acessado em janeiro de 2011.

ocorrência das chuvas é um dado essencial para a análise e o estudo das condições climáticas locais. Há regiões com grande variabilidade pluviométrica sazonal, ou seja, possuem estações do ano marcadas pela escassez hídrica e outras muito úmidas.

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No território brasileiro, o verão caracteriza-se como o período de maior incidência de chuvas e o inverno, em geral, é marcado por um período de estiagem, típicos de um clima tropical. As exceções ocorrem nas regiões norte e sul, onde, em média, a chuva é relativamente bem distribuída ao longo de todo o ano. Todavia, isto não impede que em alguns anos ocorram invernos ou verões extremamente secos ou extremamente úmidos nestas áreas, em decorrência de outras anomalias climáticas. A variabilidade sazonal da chuva é representada por gráficos chamados climogramas, que apresentam os dados pluviométricos conforme uma média mensal, como apresentado na Figura 3.13 a seguir. Legenda: Super úmido Úmido Seco

Figura 3.13. Mapa pluviométrico do Brasil e climograma de algumas cidades brasileiras. Fonte: http://www.brazadv.com.br/brasil-mapa/climatico.htm, acessado em janeiro de 2011.

Pelo mapa pluviométrico (figura 3.13) acima pode-se observar que no sul do Brasil existe uma distribuição mais homogênea das chuvas ao longo do ano (cor rosa na legenda), ao passo que no Centro-Oeste (climograma de Brasília), ocorrem verões muito úmidos e invernos muito secos.

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Como mencionado anteriormente, os dados de chuva dos pluviômetros e pluviógrafos referem-se a uma área quase pontual, restrita à coleta de uma área de 400cm². Entretanto, para a Hidrologia, o maior interesse é por chuvas médias que atingem uma região específica, como as bacias hidrográficas. Para o cálculo da chuva média em uma bacia existem diferentes métodos, tais como: a média aritmética; o cálculo das Isoietas; os polígonos de Thiessen ou ainda através de interpolação em Sistemas de Informação Geográfica (SIGs), como abordaremos adiante. 3.4. Métodos para o cálculo pluviométrico médio de bacias hidrográficas A) Método da média aritmética: é considerado o mais simples, pois somente se calcula a média das chuvas ocorridas em todos os pluviômetros localizados no interior de uma bacia. EXEMPLO 1: Qual é a precipitação média na bacia do Mapa 3.1 abaixo? Legenda: P1

P1 = 66 mm

P2

P3

P2 = 44 mm P3 = 42 mm

P5

P4 = 40 mm P4

P5 = 50 mm

Mapa 3.1. Mapa de uma bacia hipotética com as chuvas observadas em cinco pluviômetros. Fonte: adaptado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 47)

Utilizando o método da média aritmética consideram-se somente os pluviômetros que estão no interior da bacia, logo será desconsiderado o valor obtido pelo pluviômetro P3. Então, a média da chuva será: Pm = (P1+P2+P4+P5)/4 = (66+44+40+50)/4 = 50 mm. B) Método das isoietas: é necessário um mapa com os valores das isoietas da área específica e após calcula-se a área da bacia que corresponde ao intervalo entre estas. Por exemplo, considera-se que a área entre as isoietas Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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de 1200 e 1300 mm receba 1250 mm de chuva. No restante do cálculo, ele se assemelha ao método de Thiessen, descrito a seguir. C) Método dos polígonos de Thiessen: também conhecido como método do vizinho mais próximo, é um dos métodos mais utilizados para o cálculo médio de chuvas em bacias hidrográficas. Primeiro é definida a área de influência de cada posto e em seguida é calculada uma média ponderada da precipitação com base nestas áreas de influência. O primeiro passo é traçar linhas que unem os postos pluviométricos mais próximos entre si para depois determinar o ponto médio em cada uma destas linhas. A partir deste ponto é traçada uma linha perpendicular. A interceptação das linhas médias entre si e com os limites da bacia definem a área de influência de cada um dos postos. A chuva média corresponde a uma média ponderada utilizando as áreas de influência como ponderador. Veja o exemplo a seguir:

Legenda:

P3

P1

P1 = 50 mm P2 = 70 mm

P2

P3 = 120 mm P4 = 82 mm P5 = 75 mm

P5

P4 Mapa 3.2. Mapa de uma bacia hipotética com 5 postos pluviométricos. Fonte: adaptado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 48)

EXEMPLO 2: Qual é a precipitação média na bacia do Mapa 3.2 acima? Utilizando o método dos polígonos de Thiessen o primeiro passo é traçar linhas que unem os postos pluviométricos mais próximos. A seguir é determinado o ponto médio em cada uma destas linhas e traçada uma linha perpendicular. A interceptação das linhas médias entre si e com os limites da bacia vão definir a área de influência de cada um dos postos. A seqüência é apresentada a seguir: Área total = 100 km2 Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Área sob influência do posto P1 (50 mm) = 30 km2 Área sob influência do posto P2 (70 mm) = 40 km2 Área sob influência do posto P3 (120 mm) = 15 km2 Área sob influência do posto P4 (82 mm) = 10 km2 Área sob influência do postoP5 (75 mm) = 5 km2 Precipitação média na bacia: Pm = 50x0,30 + 70x0,40 + 120x0,15 + 82x0,10 + 75x0,05 = 73 mm. Obs: Se fosse utilizado o método da média aritmética haveria apenas dois postos no interior da bacia, com uma média de 60 mm. Se fosse calculada uma média incluindo os postos que estão fora da bacia chegaríamos a 79,5 mm.

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Figura 3.14: Exemplo de definição dos polígonos de Thiessen. Fonte: COLLISCHONN & TASSI (2010, p.50)

D) Método da interpolação ponderada pela distância: a média pluviométrica da bacia hidrográfica é calculada por um computador, dividindo-a bacia em um grande número de células quadradas. Neste caso, é possível fazer uma estimativa de chuva para cada uma das células por um método de interpolação espacial, e a média dos valores de precipitação de todas as células corresponde à chuva média na bacia. Segundo COLLISCHONN & TASSI (2010), este é um dos métodos de interpolação mais utilizados, sendo baseado em uma ponderação por inverso da distância. Este método considera que a chuva em um local (ponto) pode ser calculada como uma média ponderada das chuvas registradas em pluviômetros da região. A ponderação é feita de forma que os postos pluviométricos mais próximos sejam considerados com um peso maior no cálculo da média. Considere a figura abaixo, onde a bacia hidrográfica é aproximada por um conjunto de células quadradas, um posto pluviométrico é identificado por um ponto cinza e o centro de uma célula está identificado por um ponto preto (ver figura 3.15 a seguir).

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Figura 3.15. Ilustração do método de interpolação ponderada por inverso da distância. Fonte: COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 51)

A distância entre o posto pluviométrico (ponto cinza) e o centro da célula (ponto preto) é calculada a partir das coordenadas dos pontos, de acordo com a equação abaixo:

onde dij é a distância entre o centro da célula e o posto pluviométrico, xj e yj são as coordenadas do pluviômetro e xi e yi são as coordenadas do centro da célula. Havendo mais de um posto pluviométrico, a precipitação média numa célula i pode ser calculada pela equação a seguir:

onde NP é o número de postos pluviométricos com dados disponíveis; Pj é a chuva observada no posto j; e b um expoente. Quando o valor do expoente b é 2, o método de interpolação é conhecido como ponderado pelo inverso da distância ao quadrado. Este valor é normalmente arbitrado para o expoente b, mas não é certo que produza os melhores resultados. Este método de interpolação pode ser aplicado para todas as NC células que representam uma bacia, obtendo-se o valor da chuva média para cada uma Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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delas. A chuva média da bacia é calculada como a média de todas as células que compõe a bacia, de acordo com a equação que segue:

onde Pm é a chuva média na bacia e NC é o número de células que a compõem. 3.4.1. Chuvas totais anuais Para a definição do clima de uma determinada região, a chuva média anual é uma das variáveis mais importantes, bem como sua variabilidade sazonal. Isso porque o total de chuva precipitado ao longo de um ano influencia fortemente a vegetação existente em uma bacia hidrográfica, incluindo as atividades humanas que podem (ou não) ser exercidas naquela região. Por exemplo, na região de Porto Alegre chove, em média, aproximadamente 1300 mm por ano, já na Amazônia chove mais do que 2000 mm por ano, ao passo que na região do Semi-Árido nordestino existem áreas com valor de precipitação anual inferior 600 mm. Tendo em vista que o clima não é constante, é possível concluir que possa ocorrer variações importantes em torno da média da precipitação anual. A Figura 3.16 apresenta um histograma de freqüências de chuvas anuais de um posto localizado no interior de Minas Gerais, no período de 1942 a 2001. A chuva média neste período é de 1433 mm, mas observa-se que ocorreu um ano com chuva inferior a 700 mm, e um ano com chuva superior a 2300 mm. Assim, a distribuição de freqüência, neste caso, se assemelha com a distribuição normal. Conhecendo o desvio padrão das chuvas e considerando que a distribuição é normal, podemos estimar que 68% dos anos apresentam chuvas entre a média menos um desvio padrão e a média mais um desvio padrão. Da mesma forma podemos considerar que 95% dos anos apresentam chuvas entre a média Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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menos duas vezes o desvio padrão e a média mais duas vezes o desvio padrão. O desvio padrão da chuva anual no posto pluviométrico da Figura 3.16 abaixo é de 298,8 mm.

Figura 3.16. Histograma de freqüência de chuvas anuais no posto 02045005, no município de Lamounier (MG). Fonte: COLLISCHONN & TASSI (2010, p.57)

EXEMPLO 4. O desvio padrão da chuva anual no posto pluviométrico da Figura 3.16 é de 298,8 mm e a média de 1433 mm. Estime qual o valor de precipitação anual que é igualado ou superado apenas 5 vezes a cada 200 anos, em média. A faixa de chuva entre a média menos duas vezes o desvio padrão e a média mais duas vezes o desvio padrão inclui 95% dos anos em média, e 2,5 % dos anos tem precipitação inferior à média menos duas vezes o desvio padrão, enquanto 2,5% tem precipitação superior à média mais duas vezes o desvio padrão, o que corresponde a 5 anos a cada 200, em média. Assim, a chuva anual que é superada ou igualada apenas 5 vezes a cada 200 anos é: P2,5% = 1433+2x298,8 = 2030 mm

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3.4.2. Chuvas máximas As chuvas intensas são as causas das cheias e as cheias são causas de grandes prejuízos quando os rios transbordam e inundam casas, ruas, estradas, escolas, podendo destruir plantações, edifícios, pontes e outras construções, além de interromper o tráfego. As cheias também podem trazer sérios prejuízos à saúde pública ao disseminar doenças de veiculação hídrica, como a leptospirose. Por estes motivos existe o interesse pelo conhecimento detalhado de chuvas máximas no projeto de estruturas hidráulicas como bueiros, pontes,

canais

e

vertedores.

A leptospirose e suas formas de contágio, especialmente após as enchentes. Fonte: http://patomaniacosfls.blogspot.com/2010/03/leptospirose.ht ml e http://jornalcontexto.blogspot.com/2010_07_18_archive.html, acessados em janeiro de 2011. Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

A Leptospirose é uma doença infecciosa febril, aguda, potencialmente grave, causada por uma bactéria, a Leptospira interrogans. Na maioria dos casos a evolução é benigna. Ela pode ser transmitida por roedores e outros mamíferos silvestres, assim como por fezes de cães e gatos. Esses animais, mesmo quando vacinados, podem tornar-se portadores assintomáticos e eliminar a bactéria junto com a urina. Pessoas de todas as idades e de ambos os sexos podem ser contaminados. As manifestações em geral aparecem entre 2 e 30 dias após a infecção, havendo um período de incubação médio de dez dias. Entre os principais sintomas pode-se citar: febre alta de início súbito, sensação de mal estar, dor de cabeça constante e acentuada, dor muscular intensa, cansaço e calafrios. Além disso, dor abdominal, náuseas, vômitos e diarréia são freqüentes nestes casos, podendo levar à desidratação. É comum que os olhos fiquem avermelhados e alguns doentes podem apresentar tosse e faringite. A maioria das infecções ocorre através do contato com águas de enchentes contaminadas por urina de ratos. Locais com rede de esgoto ineficaz e coleta de lixo inadequada são preferenciais como zona de contágio, em especial após a ocorrência de enchentes e inundações. Fonte: adaptado de http://conceitospatologicos.blog spot.com/2010/04/leptospirose.html, acessado em janeiro de 2011.

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Saiba mais: Para saber mais sobre a leptospirose, suas causas, formas de contágio e tratamento, visite o site ou ainda <www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/leptospirose>, acessados em janeiro de 2011.

3.4.3. Chuvas de projeto Para projetos de drenagem urbana, as estimativas de vazão para a simulação do índice pluviométrico médio são obtidas a partir de informações de chuvas intensas. Assim, são gerados cenários com eventos de chuva idealizados, denominados “eventos de chuva de projeto” ou “chuvas de projeto”, a partir da obtenção de valores de precipitação em intervalos de tempo menores do que a duração total de uma chuva normal. Todavia, levam-se em consideração as oscilações na intensidade da precipitação – como uma pancada de chuva inicial que aos poucos vai diminuindo – o que torna o procedimento bastante complexo e que em geral se utiliza de modelos estatísticos e matemáticos para a sua aferição. Para gerar uma chuva de projeto, existem alguns procedimentos para fazer a redistribuição temporal da chuva que não serão aprofundados neste material para não fugir aos objetivos da disciplina. Saiba mais Para maiores detalhes sobre a metodologia de desenvolvimento da curva IDF e ainda sobre a aplicabilidade de padrões de chuva de projeto consulte o material elaborado por Walter COLLISCHONN & Rutinéia TASSI (2010), intitulado Introduzindo Hidrologia, em especial no capítulo 5, disponível em http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/apostila_hidrologia.

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3.4.4. Tratamento de dados pluviométricos e identificação de erros O principal objetivo de um posto de medição de chuvas é obter uma série ininterrupta de dados sobre precipitações ao longo dos anos. Todavia, podem existir períodos sem informações ou com falhas nas observações, devido a problemas com os aparelhos de registro ou mesmo com o operador do posto. Em situações como estas alguns procedimentos são aconselhados para manter a validade dos dados pluviométricos. Para COLLISCHONN & TASSI (2010, p.53), as causas mais comuns para a identificação de erros grosseiros nas observações e leitura de dados de chuva podem ocorrem nas seguintes situações: 

preenchimento errado do valor na caderneta de campo;



a soma do número de provetas está errada, em geral quando o nível de precipitação for muito elevado;



o valor é estimado pelo observador, porque este não estava no local no dia da amostragem;



houve crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao posto de observação, interferindo na validade dos dados;



os aparelhos estão danificados ou há problemas mecânicos no registrador gráfico.

De acordo com os autores mencionados, após identificar os prováveis motivos das falhas na obtenção dos dados, deve-se adotar alguns dos métodos indicados a seguir: I. Preenchimento de falhas: em alguns casos pode haver falha na leitura ou no arquivamento de dados pluviométricos, resultando em falha de informação para alguns períodos. È possível fazer o preenchimento destas falhas utilizando dados de postos pluviométricos da vizinhança, porém, este tipo de preenchimento não substitui os dados originais e somente pode ser aplicado para dados em intervalo de tempo mensal ou anual. II. Método da ponderação regional: é um método simplificado, de fácil aplicação, e normalmente utilizado para o preenchimento de séries mensais ou anuais de precipitações. Neste caso, é necessário selecionar pelo menos três Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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postos da vizinhança em relação ao posto que apresentou falhas a serem preeenchidas. Os postos vizinhos escolhidos devem ter no mínimo dez anos de dados coletados e, além disso, devem estar numa região climática semelhante ao posto a ser preenchido. O preenchimento efetuado por esta metodologia é simples e apresenta algumas limitações, quando cada valor é visto isoladamente. Todavia, para o preenchimento de valores diários de precipitação não se deve utilizar esta metodologia, visto que os resultados podem ser muito ruins. Em geral, valores diários são de difícil preenchimento em função da grande variação espacial e temporal da precipitação para os eventos de freqüências médias e pequenas. III. Método da regressão linear: também é um método simplificado, que utiliza uma regressão linear simples ou múltipla para gerar informação no período com falha. Na regressão linear simples, as precipitações do posto com falhas e de um posto vizinho são correlacionadas. As estimativas dos dois parâmetros da equação podem ser obtidas graficamente ou através do critério de mínimos quadrados. Para o ajuste da regressão linear simples, correlaciona-se o posto com falhas com outro posto vizinho. Deste modo, a correlação produz uma equação, cujos parâmetros podem ser estimados por métodos como o de mínimos quadrados, ou graficamente através da plotagem cartesiana dos pares de valores, traçando-se a reta que melhor representa os pares de pontos. Uma vez definida a equação (semelhante à apresentada abaixo), as falhas podem ser preenchidas.

Onde Y equivale às precipitações do posto com falhas e X corresponde ao posto vizinho.

EXEMPLO 3: Considere duas séries de precipitação dos postos P1 (código ANA 03252006) e P2 (código ANA 03252008), ambos localizados próximos à Estação Ecológica do Taim/RS, apresentados na Tabela 3.1 abaixo. O Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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preenchimento das falhas dos meses de Abril e Maio no posto P1 pode ser feito com base na regressão linear simples. Em seguida e a partir da equação obtida, elabora-se um gráfico (como o gráfico 3.2 apresentado adiante). Tabela 3.1. Dados de chuva mensal de dois postos pluviométricos no Sul do RS para exemplo de preenchimento de falhas. Fonte: COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 54)

Gráfico 3.2. Relação linear entre as precipitações mensais de dois postos pluviométricos no Sul do RS, para preenchimento de falhas. Fonte: COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 55)

Com base na equação ajustada por mínimos quadrados (gráfico 3.2) os valores de chuva dos meses de Abril e Maio no posto P1 seriam 108,7 e 112,1 mm,

respectivamente.

Na

regressão

linear

múltipla

as

informações

pluviométricas do posto Y são correlacionadas com as correspondentes Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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observações de vários postos vizinhos através de equações como a apresentada abaixo:

onde: a, b, c, d, e,... são os coeficientes a serem estimados a partir dos dados disponíveis. Além destes, há ainda o método de análise de consistência de dados pluviométricos e o método Dupla-massa. Ambos correspondem a um conjunto de procedimentos aplicados aos dados para verificar a sua coerência e confiabilidade, todavia, em função da complexidade destes, nos limitaremos a citá-los neste texto. Para maiores detalhes sobre a descrição destes métodos, consulte os livros de TUCCI (1993) e COLLISCHONN & TASSI (2010) mencionados nas referências bibliográficas deste material.

Informações Sobre a Próxima Aula Agora que você compreendeu um pouco mais sobre o ciclo hidrológico e suas diferentes fases, e ainda apreendeu em detalhes sobre os mecanismos e processos de formação da precipitação, suas formas de medição e tratamento de dados pluviométricos, enfocaremos na aula seguinte as fases de interceptação e infiltração da água pelo solo e superfície e de evaporação e evapotranspiração. Faça as atividades propostas e anote suas dúvidas. Bons estudos e até a Aula 4!

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Referências Bibliográficas COLLISCHONN, Walter & TASSI, Rutinéia. Introduzindo Hidrologia. 7ª versão. IPH - UFRGS, março de 2010. Apostila em 24 módulos. Disponível em: http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/apostila_hidrologia, acessado em 25 de janeiro de 2011. GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. p.1-5. TERRA, Lígia; ARAÚJO, Regina & GUIMARAES, Raul Borges. Conexões: estudos de geografia geral e do Brasil. Volume único. 1ª ed. São Paulo: Moderna, 2008. p.203-210. TUCCI, Carlos E.M. (Org.). Hidrologia. Ciências e aplicação. Porto Alegre: Ed. Da Universidade: ABRH: EDUSP, 1993. 943p.

Aula 3. O ciclo hidrológico – Parte 1

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Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte II Curso: Técnico em Meio Ambiente Disciplina: Hidrologia Professora - conteudista: Carolina Dias de Oliveira Tutora: Graziela Grieco

Meta: Apresentar os mecanismos básicos do ciclo da água, enfocando as fases de interceptação e infiltração e ainda conhecer os seus principais métodos de leitura e medição.

Objetivos: Após o estudo desta aula, você deverá ser capaz de:

1. Entender o ciclo hidrológico como um sistema fechado, resultante de um processo natural e diário de transformação da matéria entre os estados sólido, líquido e gasoso. 2. Conhecer e compreender quais são os fatores que contribuem para o processo de interceptação e retenção de água da chuva antes que esta atinja o solo; 3. Conhecer e analisar os procedimentos e grandezas características que interferem na capacidade de infiltração da água nas superfícies e nos diferentes tipos de solos.

Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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AULA 4. O ciclo hidrológico – Parte II

Figura 4.1. O ciclo da água e as geosferas da Terra formando um sistema fechado. Fontes: http://becre-esct.blogspot.com/2010/09/o-ciclo-da-agua-para-conhecer-e-alertar.html e http://notapositivagarantida.blogspot.com/2010/10/terra-e-os-seus-sub-sistemas-em.html, acessados em fevereiro de 2011.

Assim como o planeta Terra, o ciclo Hidrológico também é um exemplo de sistema fechado, pois sua presença no sob a forma líquida na crosta terrestre resulta de um processo natural e diário de transformação da matéria entre os estados sólido, líquido e gasoso. E este continuará a ocorrer permitindo a sobrevivência de todos os seres vivos e a sua utilização para as diversas atividades humanas – em especial sob a forma líquida. Contudo, é importante que o seu uso seja mantido dentro de limites sustentáveis, ou seja, que não ultrapasse a sua taxa de reposição natural no meio ambiente. Neste material optou-se por abordar o ciclo da água a partir da precipitação, considerada a fonte que origina o ponto de partida para todas as análises hidrológicas de pequenas bacias hidrográficas – foco de estudo para a Hidrologia. A precipitação é encontrada sob a forma de chuva, granizo ou neve. E, após esta fase, a interceptação das águas pluviais dá continuidade ao ciclo, se diferenciando em interceptação vegetal (configurando-se na coleta de chuva sobre a superfície das plantas e podendo atingir até 25% da precipitação anual total); na infiltração (que corresponde à entrada de água pela superfície do solo) ou ainda na retenção Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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superficial, que se refere à quantidade de água permanentemente retida nas depressões da superfície do solo. Esta última podendo apenas se infiltrar ou evaporar. Pode acontecer também da água da chuva ser absorvida pelas plantas. Nesse caso ela irá evaporar por um processo conhecido como evapotranspiração: transpiração + evaporação. A seguir, veremos com detalhes as próximas fases do ciclo hidrológico, em especial as fases de interceptação e infiltração. 4.1. Interceptação A interceptação é a retenção de água da chuva antes que esta atinja o solo e ela ocorre sobre as folhas da cobertura vegetal, em caules e ramos, no material vegetal em decomposição sobre o solo (também chamado de serrapilheira), e em depressões impermeáveis.

Figura 4.2. Serrapilheira em uma área de mata fechada Fonte: http://jardimdami.blogspot.com, acessado em fevereiro de 2011.

Segundo COLLISCHONN & TASSI (2010), a água da chuva retida por interceptação fica disponível para a evaporação, e, portanto, o seu principal efeito é aumentar a

Serrapilheira: corresponde a restos de vegetação, tais como folhas, ramos, caules e c ascas de frutos em diferentes estágios de decomposição, bem como de animais, que forma uma camada ou cobertura sobre o solo de uma floresta. Pode ser conhecida ainda como serapilheira, sarapilheira ou sarrapilheira, sendo esta camada a principal fonte de nutrientes para ciclagem em ecossistemas florestais e agroflorestais tropicais. Fonte: adaptado de Wikipédia e disponível em: http://dicionario.babylon.com/se rrapilheira, acessado em fevereiro de 2011.

evaporação e reduzir o escoamento em uma bacia hidrográfica.

Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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Deste modo, a capacidade de interceptação depende de algumas características da precipitação, tais como a intensidade, a duração, e o volume das chuvas; bem como das características da cobertura vegetal e da época do ano em que esta ocorre. Em relação à vegetação, as folhas maiores (chamadas de folhas latifoliadas, a exemplo da Floresta Amazônica) possuem maior capacidade de interceptação

do

que

as

folhas

menores

(classificadas

como

folhas

aciculifoliadas, a exemplo da Araucária). Saiba mais: Do ponto de vista fisionômico geral, as florestas podem ser divididas em florestas latifoliadas (folhas em forma de lâmina) e florestas aciculifoliadas (folhas em forma de agulhas).

Floresta latifoliada (Amazônia) Fonte: mundogeografico.sites.uol.com.br, acessado me fevereiro de 2011

Floresta aciculifoliada (Araucária) Fonte: clickescolar.com.br, acessado em fevereiro de 2011.

As florestas latifoliadas apresentam características bem diferenciadas, conforme a latitude em que ocorrem. E em geral, caracterizam-se pela diversidade de espécies e pelo elevado porte das árvores, algumas atingindo até 50 metros de altura e se elevam, espaçadamente, sobre o estrato arbóreo inferior. Nota-se grande competição pela luz, que se concentra sobre a copa das árvores e gera deficiência de iluminação nos sob-bosques e estratos inferiores. Nota-se uma elevada necessidade hídrica, exigindo para algumas espécies o mínimo de 1.500mm anuais de precipitações para que estas se desenvolvam. Elas ainda se subdividem em florestas latifoliadas tropicais ou semidecíduas (quando algumas espécies perdem suas folhas durante a estiagem com duração de 3 meses), a floresta tropical típica das costas lodosas (manguezais) e ainda a floresta latifoliada temperada ou decídua (cujas espécies perdem as folhas durante o inverno).

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Já as florestas aciculifoliadas caracterizam-se pela perenidade, ou seja, por estarem sempreverdes, e aparecem em certas áreas nas latitudes subtropicais, nas montanhas das regiões temperadas e nas formações de taiga, onde predominam as coníferas ou pinheiros. No Brasil, surgem nas áreas subtropicais caracterizadas pela mata de araucárias (floresta aciculifoliada subtropical), a exemplo do pinheiro-do-Paraná e ainda em regiões de clima mediterrâneo. Estas abrigam uma fauna bastante diversificada e têm um papel essencial no balanço entre o ciclo do oxigênio e do gás carbônico na atmosfera. Todavia, estão cada vez mais ameaçadas de destruição por causa dos desmatamentos descontrolados e incêndios e ainda pela poluição industrial e da ocorrência de chuvas ácidas. Fonte: Adaptado de http://desenvolvimentoambiental.blogspot.com/2008/08/o-conceitode-floresta-por-s.html, acessado em fevereiro de 2011.

Em relação às condições climáticas, a intensidade dos ventos também pode interferir na capacidade de interceptação das águas, diminuindo-a, ou ainda pode variar conforme as variações sazonais. Por exemplo, no outono a capacidade de interceptação é praticamente nula em árvores de folhas caducas, ou seja, árvores que perdem suas folhas durante a época de ausência de chuvas. O papel da interceptação no balanço hídrico de uma bacia é mais importante em regiões em que predominam chuvas de baixa intensidade. Nestes casos, a evaporação da água interceptada ocorre durante o próprio evento chuvoso. Em regiões com chuvas mais intensas o papel da interceptação no balanço hídrico é menor. Alguns valores estimados para perdas por interceptação de acordo com o tipo de vegetação são: 

prados, de 5 a 10% da precipitação anual;



bosques espessos, cerca de 25% da precipitação anual.

Alguns autores sugerem que se a chuva total de um evento for inferior a 1 mm, ela será interceptada em sua totalidade, e se for superior a 1 mm, a interceptação pode variar entre 10 e 40%. A quantificação de perdas devido à interceptação vegetal em uma floresta pode deve ser feita através do monitoramento acima e abaixo da copa das árvores. Neste caso é importante, também, monitorar o volume de água que escoa pelo tronco das árvores.

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A diferença do volume total precipitado e volume de água que atravessa a vegetação (considerando o volume escoado pelos troncos) fornecem uma estimativa da interceptação do local. Em alguns casos são utilizadas relações entre a capacidade de interceptação e o tipo de vegetação, com base no Índice de Área Foliar (IAF), que corresponde à relação entre a área das folhas – todas as folhas – da vegetação de uma região e a área do solo. De modo que, um valor de IAF igual a 2 significa que cada m² de área de solo está coberto por uma vegetação em que a soma das áreas das folhas individuais é de 2 m². Conforme literatura específica sugere-se que o IAF possui valores em torno de 2 e 3 para áreas de campos e pastagem, e valores em torno de 6 a 9 para florestas. Este ainda pode atingir o valor zero, durante a preparação dos solos, ou IAF de valor 6 nos cultivos anuais, durante o mês de desenvolvimento máximo. De modo geral, afirma-se que tais variações nos valores do IAF não são muito significativas, sendo relativamente confiáveis, em função de sua repetição em diversas medições e estimativas apresentadas na literatura. Tabela 4.1. Valores do Índice de Área Foliar para diferentes tipos de vegetação.

Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 66)

Assim, a lâmina interceptada durante um evento de chuva pode ser estimada com base no valor de IAF para uma dada vegetação através da equação a seguir:

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onde SIL [mm] capacidade do reservatório de interceptação; Fi [mm] parâmetro de lâmina de interceptação (Fi = 0,2 mm); IAF [-] índice de área foliar. EXEMPLO 1) Um evento de chuva de 15 mm e de 4 horas de duração atinge uma bacia com cobertura vegetal de florestas. Qual é a parcela da chuva que é interceptada? Utilizando a relação entre o índice de área foliar e o volume interceptado e considerando que o IAF da floresta é igual a 6 (ver tabela acima) a lâmina interceptada é calculada como: SIL = 0,2 . 6 = 1,2 mm Portanto a interceptação corresponde a 1,2 mm do total de 15 mm (ou 8% do volume total de chuva) Em áreas urbanas uma parcela grande da chuva é retida em depressões do terreno e não produz escoamento. As áreas das depressões normalmente são impermeáveis e, portanto, também não existe infiltração significativa no solo. A água retida nestas depressões, como poças da água, fica disponível para evaporar. 4.2. Infiltração Iniciando a fase subterrânea do ciclo hidrológico, a infiltração consiste na passagem da água pela superfície do solo, passando pelos poros por efeito da capilaridade e da gravidade, atingindo assim as camadas mais profundas

do

solo.

Ela

ocorre

em

função

das

características geológicas do solo e do relevo e também depende do porte vegetacional da área. Como mostra a figura 4.3 a seguir, a água infiltrada no solo preenche os poros originalmente ocupados pelo ar. Assim, o solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. Na mistura também se encontram muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

Capilaridade: consiste na subida (ou descida) de um líquido através de um tubo fino, que recebe o nome de capilar e este fenômeno físico resulta das interações entre as forças de adesão e coesão da molécula de água. De modo que, graças à capilaridade, a água desliza por entre poros de alguns materiais, como o algodão ou outro material. Quando se coloca um tubo de fino calibre em contato com água, o líquido tende a subir pelas paredes desse tubo, graças às forças de adesão e coesão. Para o ciclo hidrológico, a água é capaz de subir até a mais alta folha e uma árvore, contrariando a atração gravitacional da Terra. Fonte: adaptado de http://ascienciasnummosaico.blog spot.com/2010/11/agua-sobecapilaridade-da-agua.html, acessado em fevereiro de 2011. Página 8

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vermes) e matéria orgânica, especialmente nas camadas superiores, mais próximas da superfície.

Figura 4.3. O processo de infiltração nas diferentes camadas do solo. Fonte: http://mundoadescoberta.blogspot.com/2010/06/diario-de-aula-96-aquifero.html, acessado em fevereiro de 2011.

Esta fase é essencial para o crescimento e desenvolvimento das plantas, para o abastecimento dos aqüíferos ou reservatórios de água subterrânea e ainda para o armazenamento de água dos rios durante a época de secas e estiagens. Segundo GARCEZ & ALVAREZ (1988, p. 199), as fases de infiltração de água pluvial são: a) Fase de intercâmbio – ocorre na camada superficial do terreno, onde as partículas de água estão sujeitas a retornar para a atmosfera (por evaporação ou evapotranspiração); b) Fase de descida – quando a ação da gravidade supera a da capilaridade, forçando o escoamento até atingir a camada impermeável do solo; c) Fase de circulação – quando são formados os lençóis subterrâneos, de modo que a água escoa devido à declividade das camadas impermeáveis;

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O limite superior dos lençóis não é uma superfície bem delimitada, e se assemelha a uma franja, influenciada pela ação da capilaridade da água. As camadas de terreno em que ocorrem as fases de intercambio e de descida são chamadas de zonas de aeração, ao passo que a zona de saturação é aquela que se desenvolve durante a fase de circulação. A zona de aeração do solo é rica em água capilar, que se move para cima a partir do lençol freático, devido ao fenômeno da capilaridade. Muitos vegetais absorvem a água da zona de capilaridade nos aqüíferos freáticos rasos. Se o nível freático estiver mais profundo, somente os vegetais com longas raízes conseguem absorvê-la. Dependendo das condições climáticas, a água capilar que atinge a superfície do terreno pode ser responsável pela deposição de sais minerais, levando à formação de depósitos de sais ou crostas ferruginosas lateríticas (cangas lateríticas).

Figura 4.5. Topo da Serra da Rola Moça sustentada por cangas lateríticas e responsável pelo processo de inversão do relevo, na região Metropolitana de Belo Horizonte – MG. Fonte: http://www.pedrohauck.net/2008/08/blzonte-ii.html, acessado em fevereiro de 2011.

A seguir, veremos em detalhes as principais grandezas características e relacionadas com o processo de infiltração da água, a saber: composição e distribuição granulométrica do solo, porosidade, velocidade de infiltração, permeabilidade, suprimento específico e retenção específica, além dos fatores intervenientes na capacidade de infiltração. Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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4.2.1. Composição do solo Em relação à composição do solo, a infiltração relaciona-se diretamente com o diâmetro das partículas. Estas podem ser classificadas como argila, silte, areia fina, areia grossa, e cascalhos ou seixos (como mostra a tabela 4.2 a seguir, proposta pela Sociedade Internacional de Ciência do Solo). Tabela 4.2. Classificação das partículas que compõe o solo de acordo com o diâmetro.

Fonte: SIBCS, 1998.

Os solos, em geral, são formados por misturas de materiais destas diferentes classes. Assim, as características do solo e a forma com que a água se movimenta e é armazenada no solo dependem do tipo de partículas encontradas em sua composição. A figura 4.4 abaixo apresenta os 5 tipos de textura de solo definidas com base na proporção do diâmetro das partículas de solo:

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Figura 4.4. Os cinco tipos de textura do solo, de acordo com a proporção de argila, areia e silte (Lepsch, 2004). Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 69)

4.2.2. Porosidade A porosidade do solo corresponde à relação entre o volume de vazios e volume total do solo, em geral sendo expresso em porcentagem. Deste modo, a porosidade está diretamente relacionada com a granulometria e a forma das partículas e grãos de solo. A porosidade de solos arenosos varia entre 37 a 50 %, enquanto a porosidade de solos argilosos varia entre, aproximadamente, 43 a 52%. Tais valores, contudo, podem variar bastante, dependendo do tipo de vegetação, do grau de compactação, da estrutura do solo (resultante da combinação das partículas finas em agregados maiores) e da quantidade de material orgânico e vivo.

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Figura 4.5. Interferência da porosidade no processo de infiltração da água no solo. Fonte: http://www.profcupido.hpg.ig.com.br/agua_subterranea.htm, acessado em fevereiro de 2011.

4.2.3. Velocidade de infiltração É a velocidade média fictícia de escoamento da água através de um solo saturado, considerando-se toda a superfície atuante como seção de escoamento, e não somente a soma das seções dos interstícios. Em termos numéricos, é expressa em metros por segundo (m/s), em metros por dia (m/dia), em metros cúbicos por metro quadrado (m³/m²) ou ainda em milímetros por segundo (mm/s), que corresponde à quantidade de água que passa através da unidade de superfície de material filtrante durante a unidade de tempo. 4.2.4. Permeabilidade É a velocidade de filtração da água de um solo saturado, quando se tem um escoamento com perda de carga unitária a uma dada temperatura. Tal coeficiente mede a maior ou menor facilidade que cada solo, quando saturado, oferece ao Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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escoamento da água através de seus interstícios, e, portanto, depende principalmente da porosidade, granulometria e da forma dos grãos. A permeabilidade pode ser expressa em m/dia, cm/s, m³/m²/dia.

Figura 4.6. Interferência da permeabilidade e da porosidade no processo de infiltração da água no solo e formação de aquíferos. Fonte: http://mundoadescoberta.blogspot.com, acessado em fevereiro de 2011.

4.2.5. Suprimento específico e retenção específica O suprimento específico corresponde à quantidade máxima de água que se pode obter de um solo saturado por meio de drenagem natural. Já a retenção específica é a quantidade de água que fica retida por adesão ou capilaridade no solo, após este ser submetido a um máximo de drenagem natural. Ambos são expressos em porcentagem do volume de solo saturado. 4.2.6. Fatores intervenientes na capacidade de infiltração O tipo e a cobertura vegetacional dos solos e o grau de umidade, segundo GARCEZ e ALVAREZ (1988), são fatores que interferem na capacidade de infiltração do solo. Assim, quanto maior a porosidade, o tamanho das partículas ou Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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o estado de fissuração, maior será a capacidade de infiltração hídrica (ver figura 4.7). Em geral, as características presentes em uma camada superficial de um centímetro, aproximadamente, são as que mais influem nesta capacidade. Em relação ao tipo de solos, nota-se uma variação entre amplos limites. A sua classificação, conforme o diâmetro dos grãos (em milímetros) obedece aos padrões já mostrados pela tabela 4.2. Ao passo que a cobertura vegetacional aumenta mais ou menos a capacidade de infiltração, dependendo da espécie, estagio de desenvolvimento da vegetação e do tratamento dado ao terreno no caso de áreas cultivadas.

Figura 4.7. A circulação e o estado de fissuração da rocha interferem na taxa de infiltração da água das chuvas sobre o solo. Fonte: http://www.caminhosgeologicos.rj.gov.br, acessado em fevereiro de 2011.

Em solos de granulometria muito fina, os espaços entre as partículas do solo (interstícios) diminuem em função da existência de partículas coloidais, que ao incham ao serem molhadas e ao se secarem formam fissuras no solo. Quando um solo tem seus poros completamente ocupados por água, diz se que está saturado. Ao contrário, quando está completamente seco, seus poros estão Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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completamente ocupados por ar, possibilitando a medição do grau de umidade do solo. Para isso, uma amostra de solo é coletada e pesada na condição de umidade encontrada em campo. A seguir esta amostra é seca em um forno a 105ºC durante 1 dia inteiro (24 horas), de modo que toda a umidade seja retirada e a amostra possa ser pesada novamente. Assim, a umidade do solo é calculada a partir da diferença de peso encontrada.

Figura 4.8. Curva de retenção de água no solo (Ward e Trimble, 2004) Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 70)

Além deste método, denominado gravimétrico, existem outras formas de medir a umidade do solo. Um método bastante utilizado é o chamado TDR (Time Domain Reflectometry) que se baseia na relação entre a umidade do solo e a sua constante dielétrica, ou seja, duas placas metálicas são inseridas no solo e medese o tempo de transmissão de um pulso eletromagnético através do solo, entre o par de placas. Sua vantagem é que não é necessário destruir a amostra de solo para medir a umidade, além do monitoramento ser contínuo. Uma importante forma de analisar o comportamento da água no solo é a curva de retenção de umidade, ou curva de retenção de água no solo (ver figura 4.9

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abaixo), revelando o conteúdo de umidade do solo e o esforço necessário para retirar a água do solo, em termos de pressão.

Figura 4.9. Curva de retenção de água nos solos com baixo, médio e alto teor de argila Fonte: DIJKERMAN (1981), disponível em http://www.pedologiafacil.com.br/enquetes/enq22.php, acessado em fevereiro de 2011. Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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O procedimento inicia-se quando uma esponja é mergulhada em um balde e o solo, que é completamente imerso em água, fica completamente saturado. Ao ser suspensa no ar, a esponja perde parte da água que escoa devido à força gravitacional. Da mesma forma o solo tem parte da sua umidade retirada pela ação da gravidade, atingindo uma situação denominada capacidade de campo. A partir daí, a retirada de água do solo é

Ponto de murcha permanente (PMP): umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem. Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 70)

mais difícil e exige a ação de uma sucção. As plantas conseguem retirar água do solo até um limite de sucção, denominado ponto de murcha permanente, a partir do qual não se recuperarão mais mesmo se regadas.

A curva de retenção de água no solo é diferente para diferentes texturas de solo. Solos argilosos tendem a ter maior conteúdo de umidade na condição de saturação e de capacidade de campo, o que é positivo para as plantas. Mas, da mesma forma, apresentam maior umidade no ponto de murcha. Observa-se na curva relativa à argila que a umidade do solo argiloso no ponto de murcha permanente é de quase 20%, o que significa que nesta

Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade

condição ainda há muita água no solo, entretanto esta água está tão fortemente ligada às partículas de argila que as plantas não conseguem retirá-la do solo, e morrem. Nesse caso, a porosidade, o arejamento e a resistência à penetração e ao teor de água são sempre inter-relacionados influindo decisivamente no crescimento das raízes das plantas. Após a ocorrência de chuva, por exemplo, a água gravitacional drena rapidamente para os horizontes mais profundos do perfil de solo. E, quando essa drenagem cessa, a água atinge a capacidade de campo e fica disponível para as plantas. Isso até cair para um grau de umidade tal que a planta entra em ponto de murcha permanente (PMP). Há de se considerar também que existe a água não disponível no solo, retida a altas tensões pelos colóides (água entre o ponto de murcha permanente e o solo bem seco). Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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Em condições naturais a umidade do solo varia ao longo do tempo, sob o efeito das chuvas e das variações sazonais de

temperatura, precipitação

e

evapotranspiração. 4.2.7. Efeitos da precipitação atmosférica sobre a superfície Durante um evento chuvoso, a capacidade de infiltração da água da chuva sobre o solo é bastante variável. Se um solo, inicialmente seco, recebe água da chuva, esta será absorvida quase totalmente pelo solo, em um momento inicial. Isso porque o solo ainda apresenta muitos poros vazios (com ar). Porém, à medida que os poros vão sendo preenchidos, a taxa de infiltração tende a diminuir, visto que a capacidade do solo transferir água para as camadas mais profundas (percolação) também é menor. E esta capacidade é dada pela condutividade hidráulica. A partir deste limite, quando o solo está próximo da saturação, a capacidade de infiltração permanece constante e aproximadamente igual à condutividade hidráulica, como revela a equação de Horton, mostrada abaixo:

onde f é a capacidade de infiltração num instante qualquer (mm.hora-1); fc é a capacidade de infiltração em condição de saturação (mm.hora-1); fo é a capacidade de infiltração quando o solo está seco (mm.hora-1); t é o tempo (horas); e eft é um parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo

(hora-1). Esta equação é uma função exponencial ao valor de fc, conforme apresentado na Figura 4.10 a seguir:

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Figura 4.10. Curvas de infiltração de acordo com a equação de Horton, para solos argilosos e arenosos. Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 72)

Os parâmetros de uma equação de infiltração, como a de Horton, podem ser estimados a partir de experimentos no campo, sendo o mais comum o de medição de capacidade de infiltração com o método dos anéis concêntricos. O infiltrômetro de anéis concêntricos é constituído de dois anéis concêntricos de chapa metálica (Figura 4.11), com diâmetros variando entre 16 e 40 cm, que são cravados verticalmente no solo de modo a restar uma pequena altura 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 bem como o nível da água ao longo do 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. Mídias integradas: Para saber mais sobre o processo de medição da água infiltrada, e ainda sobre os equipamentos e procedimentos necessários para coleta e análise destes dados, visite o site: http://www.cientec.net/cientec/InformacoesTecnicas_Irriga/Solo_Infiltracao.asp

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Figura 4.11. Medição de infiltração utilizando o infiltrômetro de anéis concêntricos, e esquema do fluxo de água no solo. Fonte: Retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 73)

Informações Sobre a Próxima Aula Depois de aprender de um modo um pouco mais aprofundado sobre as fases de interceptação e infiltração da água das chuvas, e de conhecer os seus principais métodos de leitura e medição, abordaremos na aula seguinte as etapas finais do ciclo hidrológico, que são: o escoamento, a evaporação e a transpiração (evapotranspiração). Se esforce ao máximo, faça todas as atividades, anote suas dúvidas, participe!!! Somente assim você aproveitará melhor os seus momentos de aprendizado. Bons estudos e até a próxima aula! Referências Bibliográficas COLLISCHONN, Walter & TASSI, Rutinéia. Introduzindo Hidrologia. 7ª versão. IPH - UFRGS, março de 2010. Apostila em 24 módulos. Disponível em: http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/apostila_hidrologia, acessado em 25 de janeiro de 2011. DIJKERMAN, J.C. (1981). Pedology as a Science: The Role of Data, Models and Theories in the Study of Natural Soil Systems. Geoderma, 1974. Disponível em http: www.pedologiafacil.com.br, acessado em fevereiro de 2011. GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. p.1-5. TERRA, Lígia; ARAÚJO, Regina & GUIMARAES, Raul Borges. Conexões: estudos de geografia geral e do Brasil. Volume único. 1ª ed. São Paulo: Moderna, 2008. p.203-210. Aula 4. O ciclo hidrológico – Parte 2

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Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte III Curso: Técnico em Meio Ambiente Disciplina: Hidrologia Professora - conteudista: Carolina Dias de Oliveira Tutor: Graziela Grieco

Meta: Apresentar os mecanismos básicos do ciclo da água, enfocando as últimas fases do ciclo da água: o escoamento, percolação e armazenamento, e por fim a transpiração e a evaporação, além de conhecer os seus principais métodos de leitura e medição.

Objetivos: Após o estudo desta aula, você deverá ser capaz de: 1. Entender o processo de escoamento da água sobre os diferentes tipos de superfície. 2. Compreender as etapas de formação das fases de evaporação da água (na superfície das águas e no solo) e transpiração dos vegetais e animais. 3. Compreender e analisar os mecanismos de prevenção de cheias, aplicadas à Hidrologia.

Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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AULA 5. O ciclo hidrológico – Parte III As fases de escoamento e armazenamento das águas pluviais, seguida dos processos de evaporação e transpiração, correspondem às últimas etapas do ciclo da água conforme demarcado por este material. Deste modo, o ciclo fecha-se perpassando por uma fase subterrânea do ciclo hidrológico – e que interessa diretamente aos estudos da Hidrologia - para em seguida, retornar para a fase atmosférica a partir da transformação da água líquida para vapor, ou seja, pelo estágio de evaporação da água.

Figura 5.1. Desassoreamento em córrego para melhorar o escoamento das águas e evitar o represamento e a conseqüente elevação do nível das águas e inundação do local após a ocorrência de chuvas fortes. Fonte: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=1181521&page=6, acessado em fevereiro de 2011.

Conforme GARCEZ & ALVAREZ (1988), o escoamento superficial é a fase do ciclo da água que abrange o deslocamento hidrológico influenciado diretamente pela ação da gravidade, e também está intimamente ligado às precipitações atmosféricas, em especial quando se volta para o estudo de previsão de cheias dos cursos d’água (ver figura 5.1). Seu estudo engloba desde a simples gota de chuva que recai sobre o solo até a desembocadura de grandes corpos d’água em direção aos oceanos e mares. Para a Hidrologia e a Engenharia Hidráulica esta é uma das fases mais importantes, pois está diretamente ligada aos diversos problemas que afligem as regiões em que este recurso natural não é tão abundante, necessitando de projetos de transposição de água, ou ainda quando este escoamento se torna demasiado excessivo a ponto de causar enchentes e deslizamentos de terra. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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5.1. Escoamento superficial De acordo com COLLISCHONN & TASSI (2010), a água subterrânea corresponde a 30% das reservas de água doce do mundo, aproximadamente. E a água subterrânea corresponde a 99% da água doce do mundo, desconsiderando-se a água doce na forma de gelo. Para a Hidrologia, o uso destas águas doces sub-superficiais (a exemplo dos aqüíferos e lençóis freáticos) é especialmente interessante porque, em geral, exige menos tratamento antes do consumo do que a água superficial, em função de uma qualidade inicial melhor.

I

Figura 5.2. O ciclo da água e as fases de escoamento e formação de águas subterrâneas. Fonte: http://www.sanagua.com.br/noticias/27/mundo-dobra-uso-de-agua-subterraneaem-quatro-decadas, acessado em fevereiro de 2011.

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È interessante destacar que, em regiões áridas e semi-áridas como a região nordeste do Brasil, a água subterrânea pode ser o único recurso disponível para o consumo da população. Todavia, a humanidade se tornou uma usuária tão sedenta das águas subterrâneas do planeta que essa exploração pode ser responsável por um quarto do aumento anual do nível dos oceanos, segundo aponta algumas pesquisas e artigos científicos, como o Geophysical Research Letters (leia matéria abaixo).

Saiba mais: Mundo dobra uso de água subterrânea em quatro décadas “O volume de água em países árabes deve cair até 30% nos próximos 40 anos”, “ONU critica acesso desigual à água que prejudicam pobres e refugiados”. Noticias como estas se tornam cada vez mais freqüentes e indicam um cenário não muito confortável para as nações em relação à disponibilidade de água em um futuro bem próximo. Conforme levantamentos e pesquisas realizadas por uma equipe liderada por Marc Bierkens, da Universidade de Utrecht (Holanda), e publicados recentemente pela revista científica "Geophysical Research Letters”, um mapa não muito animador do estado das reservas subterrâneas está se delineando mundo afora. Usando estatísticas e simulações de computador sobre a entrada e saída de água dos lençóis freáticos, Bierkens e companhia estimam que a exploração de água doce subterrânea mais do que dobrou dos anos 1960 para cá, passando de 126 km³ para 283 km³ por ano, em média. A questão, lembra os pesquisadores, é que ainda não dá para saber o preço exato da brincadeira, porque ninguém tem dados precisos sobre a quantidade de água subterrânea no mundo. Mas, a esse ritmo, se tais reservas fossem equivalentes aos Grandes Lagos dos EUA e Canadá, essa fonte de água seria esgotada em apenas 80 anos. De qualquer maneira, a preocupação se justifica porque, de acordo com estimativas, 30% da água doce da Terra estão no subsolo. Com exceção das calotas polares (as quais ninguém em sã consciência gostaria de derreter, já que os efeitos sobre os mares e o clima seriam imensos), trata-se da principal fonte de água potável do mundo. Rios e lagos na superfície são só 1% do total. Beberrões: Algumas regiões são especialmente beberronas, mostra a pesquisa. Não por acaso, são centros de grande produção agrícola em áreas naturalmente já não muito chuvosas: noroeste da Índia, nordeste da China e do Paquistão, Califórnia e meiooeste americano. A exploração desenfreada afeta principalmente, como seria de esperar, os agricultores mais pobres. Segundo Bierkens, a água que sobrar "vai acabar ficando num nível tão baixo que um fazendeiro comum, com sua tecnologia Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3 Página 5 normal, não vai mais conseguir alcançá-la”.

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Ao trazer para a superfície quantidades portentosas do líquido, a exploração sem muito controle aumenta a evaporação e, conseqüentemente, a precipitação em forma de chuva, o que acaba favorecendo o aumento do nível dos mares ligado ao uso dos aqüíferos do subsolo. Embora a pesquisa não aborde diretamente a situação brasileira, o país tem razões de sobra para se preocupar com a situação dos aqüíferos subterrâneos. O interior brasileiro abriga, por exemplo, a maior fração do aqüífero Guarani, gigantesca reserva com 1,2 milhões de km². Hoje, 75% dos municípios do interior paulista precisam usar as águas do aqüífero para seu abastecimento. No caso de Ribeirão Preto, uma das principais cidades do Estado, essa dependência é total. REINALDO JOSÉ LOPES - EDITOR INTERINO DE CIÊNCIA (Folha.com) Fonte: Adaptado de Folha.com, disponível em: http://www.sanagua.com.br/noticias/27/mundo-dobra-uso-de-agua-subterranea-emquatro-decadas, acessado em fevereiro de 2011.

5.1.1. Armazenamento de água

A água armazenada no subsolo fica contida em formações geológicas consolidadas ou não, formando assim os aqüíferos, quando os poros estão saturados de água (ver figura 5.3 abaixo).

Figura 5.3. Os lençóis freáticos e fontes de água doce subterrâneas. Fonte: http://www.ige.unicamp.br/~lrdg/figura2.jpg, acessado em janeiro de 2011. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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Em formações rochosas pouco porosas, por sua vez, forma-se um aquitardo (figura 5.4), que, por conter pouca água, impede a passagem da água. O aquitardo é uma formação geológica, impermeável, que permite a acumulação de água em falhas e a sua extração só ocorre quando o furo se localiza sobre a falha.

Figura 5.4. Ilustração esquemática de um aquitardo. Fonte: http://espacogeobiologico.blogspot.com/2010_06_01_archive.html, acessado em fevereiro de 2011.

Um aquicluso, por sua vez, constitui uma formação geológica que armazena água, mas não a liberta (figura 5.5 abaixo):

Figura 5.5. Ilustração esquemática de um aquicluso. Fonte: http://espacogeobiologico.blogspot.com/2010_06_01_archive.html, acessado em fevereiro de 2011. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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È importante destacar que existem dois tipos de aqüíferos: os confinados e os não-confinados, ou livres, ilustrados na figura 5.6 a seguir: 

Aquífero livre: é demarcado por uma camada permeável (acima do nível freático) e por uma camada impermeável. Deste modo a pressão que a água exerce no nível freático é igual à pressão atmosférica.



Aquífero confinado (ou cativos): é delimitado por duas camadas impermeáveis, também chamados de aquitardos. Neste, a entrada de água no aqüífero é feita lateralmente às camadas impermeáveis, de modo que a pressão exercida pela água na superfície do aqüífero é maior do que a exercida pela atmosfera.

Figura 5.6. Esquema ilustrativo dos tipos de aqüíferos livres e confinados. Fonte: http://espacogeobiologico.blogspot.com/2010_06_01_archive.html, acessado em fevereiro de 2011.

Segundo COLLISCHONN & TASSI (2010), a capacidade de um aqüífero de conter água define-se pela sua porosidade, ou seja, pela relação entre o volume de vazios e o volume total. E esta é a medida relativa do volume de vazios em um meio poroso, sendo calculada pela divisão entre o volume de vazios e o volume total, conforme a fórmula a seguir:

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Por sua vez, a pressão (ou carga hidráulica em um determinado ponto de um aqüífero) depende do tipo de aqüífero e da posição onde está sendo feita a medição. A carga hidráulica é medida através de piezômetros.

Piezômetros: Instrumento para medir a compressibilidade dos líquidos, composto por poços estreitos e que também servem a para medição do nível da água. Fonte: adaptado de http://www.verbetes.co m.br, acessado em fevereiro de 2011.

Nos aqüíferos livres, a carga hidráulica é considerada igual à cota do lençol freático (como mostra a figura 5.7) e nos aqüíferos confinados, por sua vez, a carga hidráulica pode ser maior do que a altura da água. Isto ocorre quando a água no aqüífero está sob pressão.

Figura 5.7. Piezômetros para medição de nível da água subterrânea em um aqüífero livre. Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 92)

5.1.2. Águas livres e águas sujeitas Parte da água que precipita em uma determinada área é interceptada pela vegetação e demais obstáculos para depois retornar à atmosfera por meio da evaporação. Do volume restante que atinge a superfície do solo, uma parte também volta para a atmosfera pela evaporação do solo e das superfícies líquidas e ainda pela transpiração dos animais e plantas (evapotranspiração). Outra parte ainda é absorvida por infiltração e o restante escorre livremente pela superfície do terreno, seguindo as linhas de declive mais acentuado. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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Segundo GARCEZ & ALVAREZ (1988, p.212), a porcentagem relativa de cada uma destas parcelas é variável temporal e espacialmente, todavia, notando-se uma tendência para uma precipitação constante, contribuindo para que o escoamento superficial aumente com o decorrer do tempo. Isso até que se atinja um estado de equilíbrio, em que a distribuição das diferentes parcelas seja considerada constante. Para estes autores, na fase inicial da precipitação, o escoamento superficial forma uma película laminar que recobre as pequenas depressões e irregularidades do terreno. Em seguida, esta lâmina superficial ganha volume e passa a escoar. E assim, essas águas - que ainda não possuem um caminho preferencial de escoamento, mas somente um sentido de escoamento dado pela linha de declive do terreno formam as chamadas águas livres. Seu estudo é essencial para o entendimento dos processos erosivos e interessa

Rede de drenagem: é o conjunto dos cursos de água, desde os pequenos córregos formadores até o rio principal. Fonte: http://www.ebah.com. br/introducao-ahidrologia-2008-doca8703.html, acessado em fevereiro de 2011.

diretamente às atividades agrícolas, em especial em relação à conservação dos solos.

Torrentes: Curso de

Por sua vez, as águas sujeitas se configuram a partir do

água de montanha,

momento em que as águas livres vão aos poucos confluindo

rápido

para os pontos mais rebaixados do terreno, passando então a escoar em conjunto pelos pequenos canais que formam a microrrede

de

drenagem.

Esta

rede

de

drenagem

compreende desde os rios formadores, seus subafluentes e afluentes do curso principal. Tais canaletas são aprofundadas

e

resultante enxurradas.

das Fonte:

http://www.dicionariow eb.com.br/torrente.ht ml,

acessado

fevereiro de 2011

pela erosão, acentuando os caminhos preferenciais de escoamento das águas pluviais. Assim, o agrupamento destes diversos microcanais irá originar as chamadas torrentes, caracterizadas por um regime de escoamento que acompanha integralmente o regime de precipitação. As torrentes e as contribuições do escoamento subterrâneo formam os cursos d’água ou rios que apresentam um regime mais ou menos perene, ou seja, mantém um volume contínuo durante todo o ano. Isso em função da Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

irregular,

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em

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contribuição constante do aqüífero. Essa rede de drenagem, portanto, encaminha as águas para o seu destino final. 5.1.3. Fluxo de água subterrânea As águas provenientes da precipitação fluvial atingem o leito do curso d’água por quatro vias diferentes, a saber: escoamento superficial, escoamento subsuperficial, subterrâneo e precipitação direta sobre a superfície liquida. Em geral, o escoamento superficial somente se inicia algum tempo depois do inicio da chuva, correspondendo ao atraso da saturação do terreno e do acúmulo de água nas depressões. Todavia, o escoamento subsuperficial que ocorre na camada superior do terreno dependerá das condições locais do solo. E, em função da dificuldade de se isolar o escoamento superficial, em geral, este é considerado como um “escoamento superficial retardado”. Deve-se destacar ainda que, a precipitação direta sobre as superfícies líquidas é considerada pouco significativa para o escoamento total do curso de água e normalmente é englobada no escoamento de superfície. Já o escoamento subterrâneo não sofre muita influência do volume de chuvas, mantendo-se praticamente constante, garantindo assim a alimentação do curso d’água durante os períodos de seca e escassez hídrica. Em função da grande complexidade de fatores e fenômenos intervenientes para cada um destes tipos de escoamento, considerando-se ainda a velocidade e as distâncias a serem percorridas a partir de diferentes pontos da bacia hidrográfica contribuinte, a determinação do balanço hidrológico total não é medida de modo direto. Para isso, faz-se uso de processos simplificados e coeficientes experimentais para contornar tais dificuldades. Conforme COLLISCHONN & TASSI (2010), a água subterrânea se movimenta através dos espaços vazios interconectados do solo e do subsolo e ao longo de linhas de fratura das rochas. E este fluxo da água em um meio poroso pode ser descrito pela equação de Darcy, apresentada abaixo:

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onde Q é o fluxo de água (m3.s-1); A é a área (m²); q é o fluxo de água por unidade de área (m.s-1); K é a condutividade hidráulica (m.s-1); h é a carga hidráulica e x é a distância. De modo que, a condutividade hidráulica (K) é fortemente dependente do tipo de material poroso. Saiba mais: O que nós chamamos de equação de Darcy-Weisbach tem uma longa história de desenvolvimento. Ela é conhecida pelo nome de dois grandes engenheiros hidráulicos de meados do século 19. Em 1856, Henry Darcy desenvolveu esta relação básica realizando experimentos com areia, concluindo que o fluxo de água através de um meio poroso é proporcional ao gradiente hidráulico, ou às diferenças de pressão. Embora outros nomes tenham dado também importantes contribuições, a exemplo de Julies Weisbach (1806-1871), natural da Saxônia, que em 1845 propôs uma equação que considerava a perda de carga, o comprimento e o diâmetro do tubo, a velocidade média e a aceleração da gravidade e ainda o fator de atrito para a determinação de fluxos d’água. Entretanto, sua equação teve fraco desempenho comparado com a equação empírica de Prony (Gaspard Clair Francois Marie Riche de Prony, 1755-1839), mais amplamente usada na ocasião, pois considerava os fatores de atrito empíricos para a velocidade e para o quadrado da velocidade dos fluxos. Apesar de Weisbach ter estado à frente da maioria dos outros engenheiros, seu trabalho não foi o primeiro nesta área. Aproximadamente em 1770, Antoine Chézy (1718-1798), um diplomado precoce da l'Ecole des Ponts et Chaussées, publicou uma equação para escoamento em canais abertos que podia ser reduzida à mesma fórmula. Infelizmente, o trabalho de Chézy ficou perdido até 1800 quando seu antigo aluno, Prony, publicou um relato descrevendo-o. Surpreendentemente Prony desenvolveu sua própria equação, mas é sabido que Weisbach estava ciente dos trabalhos de Chézy na publicação de Prony. Darcy, (aluno de Prony) publicou então em 1857 novas relações para os coeficientes de Prony baseado em um grande número de experimentos. E introduziu o conceito de coeficiente de atrito escalonado por diâmetro (chamado atualmente de rugosidade relativa). O nome da equação através do tempo é também curioso e pode ser localizado em livrostextos de hidráulica e mecânica dos fluidos. Textos mais antigos geralmente não davam nome à equação. Começando em meados do século 20 alguns autores, incluindo pelo menos um alemão, chamaram-na de "Equação de Darcy", um óbvio ponto de confusão com a "Lei de Darcy". Rouse, em 1946, parece ser o primeiro a chamá-la de "DarcyWeisbach", porém este nome não se torna universal até 1980. O nome é suficientemente bom, mas como mostrado anteriormente, ele deixa de lado importantes contribuições. Então se você quiser dar crédito completo e nome confuso, chame-a de "equação de Chézy-Weisbach-Darcy-Poiseuille-Reynolds-Fanning-Blasius-Kármaán-PrandtlColebrook-White-Rouse-Nikuradse-Moody".

De um ponto de vista prático, a equação de Darcy-Weisbach somente tornou-se popular a partir do advento das calculadoras eletrônicas, pois ela requer uma grande quantidade de operações quando comparada a relações empíricas. Fonte: adaptado de http://biosystems.okstate.edu/darcy/Portuguese/HistoriaDarcyWeisbach.htm, acessado em fevereiro de 2011. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3 Página 12

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De acordo com esta premissa, tem-se que o valor de K para solos arenosos é próximo de 20 cm.hora-1, já para solos siltosos este valor diminui para 1,3 cm.hora-1 e em solos argilosos atinge o valor de 0,06 cm.hora-1. Logo, concluise que os solos arenosos conduzem mais facilmente a água do que os solos argilosos, e ainda que a infiltração e a percolação da água no solo são mais intensas e rápidas nos solos arenosos do que nos solos argilosos. A condutividade hidráulica também varia de acordo com o tipo de rocha, sendo maior em rochas sedimentares (como o arenito), e menor em rochas ígneas ou metamórficas (a exemplo do granito e do mármore). Porém, a condutividade pode se elevar no caso das rochas estarem muito fraturadas. A tabela 5.1 apresenta faixas de valores de condutividade hidráulica encontrados normalmente em diferentes tipos de solos e rochas. Tabela 5.1. Condutividade hidráulica de materiais porosos e rochas.

Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 93)

Ainda segundo COLLISCHONN & TASSI (2010), a transmissividade de um aqüífero pode ser definida como a condutividade hidráulica vezes a espessura do aqüífero. As unidades da transmissividade hidráulica são m².s-1, ou cm².s-1, ou m².dia-1. Assim, um aqüífero com condutividade de 10-4 cm.s-1, e com uma espessura de 10 m, tem uma transmissividade de 10-1 cm².s-1. 5.1.4. Recarga de água subterrânea Em geral a recarga de um aqüífero não é contínua e depende dos eventos de chuva. Ela ocorre por percolação da água da camada superior do solo quando este normalmente não está saturado. Assim, a recarga mais significativa dos

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aqüíferos ocorre durante os períodos de maior intensidade de chuvas e/ou de menor taxa de evapotranspiração. Segundo COLLISCHONN & TASSI (2010), a recarga de um aqüífero pode ser estimada por cálculos de balanço hídrico da camada superior do solo, todavia, destaca-se que este método não é muito preciso em função do grande número de variáveis que precisam ser estimadas. Deste modo, um método indireto para estimativa da recarga dos aqüíferos de uma bacia hidrográfica, para valores médios e de longo prazo, baseia-se na separação de escoamento superficial e subterrâneo nos hidrogramas observados. 5.1.5. Interação rio-aqüífero Apesar de analisarmos em separado as águas superficiais e subterrâneas, é importante ressaltar que ambas fazem parte de um ciclo hidrológico único. Sua interface, normalmente ocorre na forma de infiltração e percolação e na ocorrência de nascentes, ou fontes. Normalmente, a vazão dos rios é mantida pela descarga de aqüíferos durante as estiagens. Isto ocorre pontualmente em alguns locais em que existe descarga do aqüífero ou de forma distribuída, ao longo do curso de água, como mostra a figura 5.8 (a) a seguir. Em alguns casos pode ocorrer o inverso: o rio abastece o aqüífero com água figura 5.8 (b)

Figura 5.8. Rio recebendo água do aqüífero durante uma estiagem (a); e rio abastecendo o aqüífero de água. Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 101)

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Considerando que toda a água, superficial e subterrânea, faz parte do mesmo ciclo hidrológico, pode-se imaginar que a extração de água em poços deve causar impactos sobre a disponibilidade de água superficial. Para exemplificar esta situação, a figura 5.9 a seguir retrata o momento em que a presença de um poço diminui o aporte de água do aqüífero para um rio.

Figura 5.9. Interação entre um rio e um aquífero que descarrega para um rio na ausência de poços (a); na presença de um poço que elimina parte do aporte do aqüífero para o rio (b); e na presença de um poço que induz recarga do aqüífero (c). Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 102)

Na situação da figura 5.9(a) não existe extração de água superficial e o aqüífero descarrega para o rio, mantendo a vazão do rio na estiagem. Na situação da figura 5.9(b) a extração de água do poço ocorre e influencia o fluxo de água subterrânea. Assim, parte do fluxo que seguiria para o rio é desviado para o poço, porém não há fluxo do rio para dentro do aqüífero. Já na situação da figura 5.9(c), por sua vez, a vazão retirada pelo poço é tão alta que além de modificar o fluxo subterrâneo, a extração de água gera uma recarga induzida do aqüífero. 5.2. Evaporação e evapotranspiração O retorno da água precipitada para a atmosfera, fechando o ciclo hidrológico, ocorre através do processo da evapotranspiração. A importância deste processo, segundo alguns autores, permaneceu mal compreendida até o início do século 18, quando Edmond Halley provou que a água que evaporava da terra era suficiente para abastecer os rios, posteriormente, sob a forma de

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chuva. Assim, de modo geral, diz-se que a evapotranspiração é o conjunto de dois processos: o da evaporação e a transpiração (figura 5.10).

Figura 5.10. Desenho esquemático sobre os processos de evaporação e evapotranspiração. Fonte: http://irrigacao.blogspot.com/2010/07/boletim-do-clima-deilha-solteira-12-de.html, acessado em fevereiro de 2011.

A evaporação representa o processo de transferência de água líquida para vapor do ar diretamente de superfícies líquidas, tais como rios, lagos, reservatórios, poças d’água, e gotas de orvalho. A água que umedece o solo, e que está em estado líquido, também pode ser transferida para a atmosfera diretamente por evaporação. Neste caso, porém, é mais comum a transferência de água através do processo de transpiração.

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A transpiração, por sua vez, envolve a retirada da água do solo pelas raízes das plantas, o transporte da água através da planta até as folhas e a passagem da água para a atmosfera através dos estômatos da folha. Ela inclui a evaporação da água do solo, bem como a transpiração dos vegetais simultaneamente.

Estômato aberto em uma folha de tomate. Fonte: retirado de http://pt.wikipedia.org/wiki/Estomato, acessado em fevereiro de 2011.

Estômatos: são estruturas celulares que têm a função de realizar trocas gasosas entre a planta e o meio ambiente. São constituídas por um conjunto de células localizadas na epiderme inferior das folhas, com a função de estabelecer comunicação do meio interno com a atmosfera. E assim, constituindo-se em um canal para a troca de gases e a transpiração do vegetal. Grande parte da transpiração é efectuada ao nível dos estomas foliares, que controlam a quantidade de água perdida por transpiração, devido à sua capacidade de abrir e fechar. Fonte: adaptado de http://pt.wikipedia.org, acessado em fevereiro de 2011.

Para a engenharia hidráulica e a geração de energia hidrelétrica, a evaporação é importante pelas perdas de água que ocorrem nos reservatórios, que regularizam a vazão para as usinas. Além disso, a evapotranspiração é um processo que influencia fortemente a quantidade de água precipitada e que é transformada em vazão para uma bacia hidrográfica. Contudo, para a geração de energia, a evapotranspiração envolve uma perda hídrica. 5.2.1. A evaporação em detalhes A fase de evaporação da água ocorre quando esta é transformada de líquido para gasoso. Sabe-se que as moléculas de água estão em constante movimento, em ambos os casos. Porém, algumas moléculas da água líquida possuem energia suficiente para romper a barreira da superfície, e conseguem entrar na atmosfera, ao passo que algumas moléculas de água fazem o caminho inverso, saindo da forma de vapor do ar para retornar à fase líquida. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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Assim, a evaporação ocorre quando a quantidade de moléculas que deixam a superfície é maior do que a que retorna.

Figura 5.11. Evaporação. (A) Moléculas de água passam pela camada superficial e escapam. (B) No vaso fechado as moléculas de vapor se acumulam até que elas se condensem com a mesma rapidez com que se evaporam. O espaço está então saturado. Fonte: http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/dilatacao/evaporacao-e-ebulicao.php, acessado em fevereiro de 2011.

No estado líquido, as moléculas de água estão relativamente unidas por forças de atração intermolecular, ao passo que no estado gasoso, as moléculas estão muito mais afastadas do que na água líquida, de modo que a força intermolecular é muito inferior. Durante o processo de evaporação a separação média entre as moléculas aumenta muito, o que significa que é realizado trabalho em sentido contrário ao da força intermolecular, exigindo grande quantidade de energia. A quantidade de energia que uma molécula de água líquida precisa para romper a superfície e evaporar é chamada calor latente de evaporação. O calor latente de evaporação pode ser dado por unidade de massa de água, como na equação a seguir:

onde Ts é a temperatura da superfície da água em 0ºC. Deste modo, o processo de evaporação necessita de um

Calor latente de evaporação: é definido como a quantidade de calor necessário para mudar uma unidade de massa de um líquido ao seu ponto de ebulição para o estado gasoso (vapor), sem alterar sua temperatura. Fonte: http://br.syvum.com/cgi/ online/serve.cgi/materia/ fisica/calor_latente.html, acessado em fevereiro de 2011.

fornecimento de energia advindo da radiação solar. Sabe-se que o ar atmosférico é uma mistura de gases, incluindo o vapor de água. E Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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ainda que essa quantidade de vapor de água que o ar pode conter é limitada, constituindo-se na concentração de saturação (ou pressão de saturação). Conforme os autores mencionados, a concentração de saturação de vapor de água no ar varia de acordo com a temperatura do ar, ou seja, quando o ar acima de um corpo d’água está saturado de vapor o fluxo de evaporação cessa, mesmo que a radiação solar esteja fornecendo a energia do calor latente de evaporação. Desta forma, para que ocorra a evaporação duas condições são necessárias: 1ª) A água líquida deve receber energia para prover o calor latente de evaporação, sendo que esta energia (calor) pode ser recebida por radiação ou por convecção (transferência de calor do ar para a água); 2ª) O ar acima da superfície líquida não pode estar saturado de vapor de água. Além disso, quanto maior a energia recebida pela água líquida, tanto maior é a taxa de evaporação. Da mesma forma, quanto mais baixa a concentração de vapor no ar acima da superfície, maior a taxa de evaporação. 5.2.2. Fatores atmosféricos que afetam a evaporação Conforme COLLISCHONN & TASSI (2010), os principais fatores atmosféricos que afetam a evaporação são a temperatura, a umidade do ar, a velocidade do vento e a radiação solar. Abordaremos casa um deles a seguir: a) Radiação solar 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. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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b) Temperatura A quantidade de vapor de água que o ar pode conter varia com a temperatura. Assim, o ar mais quente pode conter mais vapor, e que por sua vez, favorece a evaporação. c) Umidade do ar De modo semelhante ao da temperatura, quanto menor a umidade do ar, mais fácil é o fluxo de vapor da superfície que está evaporando. Assim, se o ar da atmosfera próxima à superfície estiver com umidade relativa próxima a 100% a evaporação diminui porque o ar já está praticamente saturado de vapor. d) Velocidade do vento O vento é uma variável importante no processo de evaporação porque remove o ar úmido diretamente do contato da superfície que está evaporando ou transpirando. O processo de fluxo de vapor na atmosfera próxima à superfície ocorre por difusão, ou seja, de uma região de alta concentração (umidade relativa) próxima à superfície para uma região de baixa concentração afastada da superfície. Tal processo pode ocorrer pela própria ascensão do ar quente como pela turbulência causada pelo vento. 5.2.3. Medição de evaporação A evaporação é medida de forma semelhante à precipitação, utilizando unidades de milímetro (mm) para caracterizar a lâmina evaporada ao longo de um determinado intervalo de tempo. As formas mais comuns de medir a evaporação são o Tanque Classe A e o Evaporímetro de Piche. O tanque Classe A é um recipiente metálico que tem forma circular com um diâmetro de 121 cm e profundidade de 25,5 cm (ver figura 5.6 a seguir). Construído em aço ou ferro galvanizado, deve ser pintado na cor alumínio e instalado numa plataforma de madeira a 15 cm da superfície do solo. Deve permanecer com água variando entre 5,0 e 7,5 cm da borda superior.

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a

b

Figura 5.6. (a) Ilustração das medidas e procedimentos de instalação de um Tanque Classe A e (b) Foto deste instrumento para medição de evaporação em uma estação meteorológica. Fontes: (a) COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 78) e (b) http://www.agr.feis.unesp.br/fotos_estacao2.htm, acessado em fevereiro de 2011.

A medição de evaporação no Tanque Classe A é realizada diariamente diretamente numa régua, ou ponta linimétrica, instalada dentro do tanque, sendo que são compensados os valores da precipitação do dia. Portanto, o Tanque Classe A é instalado em estações meteorológicas juntamente com um pluviômetro. O evaporímetro de Piche (figura 5.7) é constituído por um tubo cilíndrico, de vidro, de aproximadamente 30 cm de comprimento e um centímetro de diâmetro, fechado na parte superior e aberto na inferior. A extremidade inferior é tapada, depois de o tubo estar cheio com água destilada, com um disco de papel de feltro, de 3 cm de diâmetro, que deve ser previamente molhado com água. Este disco é fixo depois com uma mola. A seguir, o tubo é preso por intermédio de uma argola a um gancho situado no interior de um abrigo meteorológico padrão.

Evaporímetro de Piche

Figura 5.7. Abrigo meteorológico e Evaporímetro de Piche utilizado para medição de evaporação. Fonte: http://www.esac.pt/estacao/instrumentos.htm, acessado em fevereiro de 2011. Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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Em geral, as medições de evaporação do Tanque Classe A são consideradas mais confiáveis do que as do evaporímetro de Piche.

5.2.4. A transpiração em detalhes A transpiração é a retirada da água do solo pelas raízes das plantas, o transporte da água através das plantas até as folhas e a passagem da água para a atmosfera através dos estômatos da folha. A transpiração é influenciada também pela radiação solar, pela temperatura, pela umidade relativa do ar e pela velocidade do vento. Além disso intervém outras variáveis, como o tipo de vegetação e o tipo de solo. Como o processo de transpiração é a transferência da água do solo, uma das variáveis mais importantes é a umidade do solo. Quando o solo está úmido as plantas transpiram livremente, e a taxa de transpiração é controlada pelas variáveis atmosféricas. Porém, quando o solo começa a secar o fluxo de transpiração começa a diminuir. As próprias plantas têm um certo controle ativo sobre a transpiração ao fechar ou abrir os estômatos, que são as aberturas na superfície das folhas por onde ocorre a passagem do vapor para a atmosfera. Para um determinado tipo de cobertura vegetal a taxa de evapotranspiração que ocorre em condições ideais de umidade do solo é chamada a Evapotranspiração Potencial, enquanto a taxa que ocorre para condições reais de umidade do solo é a Evapotranspiração Real. A evapotranspiração real é sempre igual ou inferior à evapotranspiração potencial. 5.2.5. Medição da evapotranspiração A medição da evapotranspiração é relativamente mais complicada do que a medição da evaporação. Existem dois métodos principais de medição de evapotranspiração: os lisímetros e as medições micrometeorológicas. Os lisímetros são depósitos ou tanques enterrados, abertos na parte superior, os quais são preenchidos com o solo e a vegetação característicos dos quais se deseja medir a evapotranspiração. O solo recebe a precipitação, e é drenado para o fundo do aparelho onde a água é coletada e medida. O Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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depósito é pesado diariamente, assim como a chuva e os volumes escoados de forma superficial e que saem por orifícios no fundo do lisímetro. A evapotranspiração

é

calculada

por

balanço

hídrico

entre

dois

dias

subseqüentes de acordo com a equação a seguir:

onde ∆V é a variação de volume de água (medida pelo peso); P é a chuva (medida num pluviômetro); E é a evapotranspiração; Qs é o escoamento superficial (medido) e Qb é o escoamento subterrâneo (medido no fundo do tanque).

Figura 5.8. Lisímetros para medição de evapotranspiração. Fonte: retirado de COLLISCHONN & TASSI (2010, p. 79)

A medição de evapotranspiração por métodos micrometeorológicos envolve a medição das variáveis: velocidade do vento e umidade relativa do ar em alta freqüência. Próximo à superfície a velocidade do vento é paralela à superfície, o que significa que o movimento médio na vertical é zero. Entretanto, a turbulência do ar em movimento causa flutuações na velocidade vertical, que na média permanece zero, mas apresenta momentos de fluxo ascendente e descendente alternados. Na média estes fluxos são iguais a zero, entretanto num instante qualquer a velocidade ascendente pode ser dada por w’. A umidade do ar também tem um valor médio (q) e uma flutuação em torno deste valor médio (q’). O valor de q’ positivo significa ar com umidade ligeiramente superior à média q, enquanto o valor q’ negativo significa umidade ligeiramente inferior à média. Se num instante qualquer tanto w’ como q’ são Aula 5. O ciclo hidrológico – Parte 3

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positivos então ar mais úmido do que a média está sendo afastado da superfície, e se w’ e q’ são, ao mesmo tempo, negativos, então ar mais seco do que o normal está sendo trazido para próximo da superfície. De fato, esta correlação entre as variáveis umidade e velocidade vertical ocorre e pode ser medida para estimar a evapotranspiração. São necessários para isto sensores de resposta muito rápida para medir a velocidade do ar e sua umidade, e um processador capaz de integrar os fluxos w’.q’ ao longo do tempo. 5.2.6. Estimativa da evapotranspiração por balanço hídrico A evapotranspiração pode ser estimada, também, pela medição das outras variáveis que intervém no balanço hídrico de uma bacia hidrográfica. De forma semelhante ao apresentado na equação anterior, para um lisímetro, pode ser realizado o balanço hídrico de uma bacia para estimar a evapotranspiração. Neste caso, entretanto, as estimativas não podem ser feitas considerando o intervalo de tempo diário, mas apenas o anual, ou maior. Isto ocorre porque, dependendo do tamanho da bacia, a água da chuva pode

Exutório: corresponde ao ponto de um curso d'água onde se dá todo o escoamento superficial gerado no interior da bacia hidrográfica banhada por este curso. Fonte: http://www.dicionario.pro .br/dicionario/index.php/ Exut%C3%B3rio, acessado em fevereiro de 2011.

permanecer vários dias ou meses no interior da bacia antes de sair escoando pelo exutório. Na figura 5.9 a seguir abaixo, o exutório do curso principal coincide com o ponto mais inferior para onde converge toda a descarga hídrica desta bacia. Pode-se notar que cada afluente deste curso principal tem seu próprio exutório, que coincide com o local onde este afluente encontra o curso principal. O exutório é um elemento importante na análise do regime de uma bacia, pois a quantidade de água que passa por ele é conseqüência do regime pluviométrico e da capacidade de retenção de água desta bacia.

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Figura 5.9. Ilustração esquemática de uma bacia hidrográfica. Fonte: http://www.dicionario.pro.br/dicionario/index.php/Imagem:Bacia_hidrografica.jpg, acessado em fevereiro de 2011.

Para estimar a evapotranspiração por balanço hídrico de uma bacia é necessário considerar valores médios de escoamento e precipitação de um período relativamente longo, idealmente superior a um ano. A partir daí é possível considerar que a variação de armazenamento na bacia pode ser desprezada, e a equação de balanço hídrico se reduz à equação: E = P – Q EXEMPLO: Uma bacia de 800 km² recebe anualmente 1600 mm de chuva, e a vazão média corresponde a 700 mm. Qual é a evapotranspiração anual? A evapotranspiração pode ser calculada por balanço hídrico da bacia desprezando a variação do armazenamento na bacia E = 1600 – 700 = 900 mm. A resistência superficial é a combinação, para o conjunto da vegetação, da resistência estomática das folhas. A resistência superficial representa a resistência ao fluxo de umidade do solo, através das plantas, até a atmosfera. Esta resistência é diferente para os diversos tipos de plantas e depende de variáveis ambientais como a umidade do solo, a temperatura do ar e a radiação recebida pela planta. A maior parte das plantas exerce certo controle sobre a resistência dos estômatos e, portanto, pode controlar a resistência superficial.

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A resistência estomática das folhas depende da disponibilidade de água no solo. Em condições favoráveis, os valores de resistência estomática e, em conseqüência, os de resistência superficial são mínimos. A resistência superficial em boas condições de umidade é um parâmetro que pode ser estimado com base em experimentos cuidadosos em lisímetros. A grama utilizada para cálculos de evapotranspiração de referência tem uma resistência superficial de 69 s.m-1 quando o solo apresenta boas condições de umidade. Florestas têm resistências superficiais da ordem de 100 s.m-1 em boas condições de umidade do solo. Durante períodos de estiagem mais longos, a umidade do solo vai sendo retirada por evapotranspiração e, à medida que o solo vai perdendo umidade, a evapotranspiração diminui. A redução da evapotranspiração não ocorre imediatamente. Para valores de umidade do solo entre a capacidade de campo e um limite, que vai de 50 a 80 % da capacidade de campo, a evapotranspiração não é afetada pela umidade do solo. A partir deste limite a evapotranspiração é diminuída, atingindo o mínimo – normalmente zero – no ponto de murcha permanente. Neste ponto a resistência superficial atinge valores altíssimos (teoricamente deve tender ao infinito). 5.2.7. Evapotranspiração potencial de referência Para muitas aplicações, especialmente na área de Agronomia, é utilizado o conceito de evapotranspiração potencial de referência. Esta pode ser obtida a partir da equação de Penman-Monteith considerando o valor do parâmetro rs (resistência superficial) de 69 s.m-1, e estimando a resistência aerodinâmica ra a partir das equações 8.24 a 8.26, considerando que a rugosidade da superfície é z0=0,12 m. Estes valores correspondem aos valores adequados para representar a evapotranspiração de um tipo de grama utilizada como referência em medições de evapotranspiração de lisímetro, em boas condições de umidade do solo. Como resultado, é obtida uma nova versão da equação de Penman-Monteith, que serve para estimar a evapotranspiração potencial de

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referência a partir de valores das variáveis meteorológicas de um determinado local (paper FAO 56):

Onde ER é a evapotranspiração potencial de referência [mm.dia-1]; u2 [m.s-1] é a velocidade do vento a 2 metros de altura; W [kPa.ºC-1] é a taxa de variação da pressão de saturação do vapor com a temperatura do ar; [ [kPa.ºC-1] é a constante psicrométrica (γ= 0,66, aproximadamente); T [ºC] é a temperatura média do ar a 2 metros do solo; RL [MJ.m-2.s-1] é a radiação líquida na superfície; G [MJ.m-2.s-1] é o fluxo de energia para o solo; es [kPa] é a pressão de saturação do vapor; e ed [kPa] é a pressão real de vapor de água no ar. É importante lembrar que o valor de evapotranspiração calculado pela equação acima corresponde a uma estimativa da evapotranspiração de um determinado tipo de vegetação (grama), bem suprida de água. Caso a grama não tenha bom suprimento de água a evapotranspiração será inferior ao valor estimado pela equação. Além disso, outros tipos de vegetação, diferentes da grama, podem ter valores diferentes de evapotranspiração, mesmo que estejam bem supridos de água. 5.2.8. Evapotranspiração real e potencial A evapotranspiração real é o fluxo de calor latente para atmosfera que realmente ocorre em uma dada situação. A evapotranspiração real depende dos fatores atmosféricos, de características do solo e das plantas e da disponibilidade de água. Em uma área com a vegetação bem suprida de água a evapotranspiração real é igual à potencial. Porém a evapotranspiração potencial é diferente para cada tipo de vegetação. Para simplificar a análise freqüentemente se utiliza o conceito da evapotranspiração potencial da vegetação de referência (ER), descrito

acima.

E,

a

partir

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desta,

são

calculados

os

valores

de

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evapotranspiração potencial de outros tipos de vegetação, utilizando um ponderador denominado “coeficiente de cultivo” (Kc), como mostra a equação:

onde EV é a evapotranspiração potencial de um tipo de vegetação; ER evapotranspiração potencial de referência; Kc é o coeficiente de cultivo. A vegetação de referência normalmente adotada para os cálculos é um tipo de grama, e a sua evapotranspiração pode ser estimada a partir de dados de um lisímetro ou usando uma equação como a de Penman-Monteith (veja item anterior). Caso se considere que os valores de Kc variam de acordo com a umidade do solo, então a estimativa EV, calculada pela equação acima pode representar uma estimativa da evapotranspiração real. Valores de Kc para diferentes tipos de vegetação, especialmente culturas agrícolas, estão disponíveis na literatura especializada. O valor de Kc raramente supera 1, porém alguns tipos de vegetação tem evapotranspiração potencial superior à da grama de referência, e, nestes casos, o valor de Kc pode se chegar até cerca de 1,2. 5.2.9. Evaporação em reservatórios 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

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reservatório normalmente está mais fria do que a água do tanque, que tem um volume pequeno e está completamente exposta à radiação solar. 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, isto é:

E lago = E tanque . Ft Onde Ft tem valores entre 0,6 e 0,8. O reservatório de Sobradinho, um dos mais importantes do rio São Francisco, tem uma área superficial de 4.214 km2, constituindo-se no maior lago artificial do mundo, está numa das regiões mais secas do Brasil. Em conseqüência disso, a evaporação direta deste reservatório é estimada em 200 m³.s-1, o que corresponde a cerca de 10% da vazão regularizada do rio São Francisco. Esta perda de água por evaporação é superior à vazão prevista para o projeto de transposição do rio São Francisco, idealizado pelo governo federal.

Mídias Integradas: Para compreender um pouco mais sobre prevenção de enchentes, leia o artigo “A dinâmica das chuvas não é novidade para ninguém”, disponível em Diário do Grande ABC, no link abaixo: Endereço eletrônico: http://www.dgabc.com.br/Columnists/Posts/71/5154/Prevencaocontraenchentes .aspx, , acessado em fevereiro de 2011. Fontes: _____________________ acessados em xx de janeiro de 2011.

Informações Sobre a Próxima Aula Agora que você conheceu todas as fases do ciclo hidrológico em detalhes, abordaremos na próxima aula sobre as bacias hidrográficas, que compõe a base essencial de estudo da Hidrologia. Aproveite para aplicar seus conhecimentos com as atividades propostas, e em seguida anote suas dúvidas. Bons estudos e até a próxima aula!

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Referências Bibliográficas GARCEZ, Lucas Nogueira. Hidrologia. 2ª ed. rev. e atual. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. COLLISCHONN, Walter & TASSI, Rutinéia. Introduzindo Hidrologia. 7ª versão. IPH - UFRGS, março de 2010. Apostila em 24 módulos. Disponível em: http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/apostila_hidrologia, acessado em 25 de janeiro de 2011.

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