Dinâmica de Bacias Hidrográficas e Aquíferos
2010 / 2011
Rodrigo Proença de Oliveira
Distribuição de água na terra
e o ciclo hidrológico
(ciclo da água)
O planeta azul
• Cerca de 70% da superficie
do planeta é coberto por
água (oceanos).
Distribuição de água na Terra
Distribuição da água naTerra (adaptado de Nace, U.S. Geological Survey,1967).
Reservatórios
Volume aproximado de água,
em Km3 de água
Percentagem aproximada
da água total
Oceanos
1 320 000 000
96.1
Glaciares
29 000 000
2.13
Água subterrânea
8 300 000
0.61
Lagos
125 000
0.009
Mares interiores
105 000
0.008
Humidade do Solo
67 000
0.005
Atmosfera
13 000
0.001
Rios
1 250
0.0001
Volume de água total
1 360 000 000
100%
Distribuição de água na Terra
Fonte de água
Oceanos, mares e baías
Gelo polar e glaciares
Água do subsolo
Doce
Salgada
Humidade do solo
Gelo do solo e permafrost
Lagos
Doce
Salgada
Atmosfera
Água em pântanos
Rios
Água biológica
Total
Volume de água
(km3)
Percentagem de
água doce
Percentagem do
total de água
1.338.000.000
24.064.000
23.400.000
10.530.000
12.870.000
16.500
300.000
176.400
91.000
85.400
12.900
11.470
2.120
1.120
1.386.000.000
-68,7
-30,1
-0,05
0,86
-0,26
-0,04
0,03
0,006
0,003
-
96,5
1,74
1,7
0,76
0,94
0,001
0,022
0,013
0,007
0,006
0,001
0,0008
0,0002
0,0001
100
World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978
Alguns cálculos
• Área de uma esfera = 4**R2
• Volume de uma esfera = 4/3**R3
•
•
Raio da Terra = ~6370 km
Área da Terra = 4**R2 = 510.100.000 km2
•
•
Área dos oceanos = 0,7 * 510.100.000 = 361.000.000 km2
Área dos continentes = 0,3 * 510.100.000 = 148.800.000 km2
•
Profundidade média dos oceanos = Vol. água nos oceanos / Area oceanos
= 1.320.000.000 / 361.000.000 = 3.65 km
Volume de água existente cobriria toda a terra com uma profundidade de =
1.360.000.000 / 510.100.000 = 2.66 km
•
Ciclo hidrológico
Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (http://www.igm.pt).
Ciclo hidrológico
Balanço hidrológico global
Transporte de
humidade do ar
47.000 km3/ano
Evapotranspiração
de continentes
72.000 km3/ano
Precipitação sobre
continentes
119.000 km3/ano
Esc. superficial
44.800 km3/ano
Precipitação
sobre oceanos
458.000 km3/ano
Evaporação de
oceanos
505.000 km3/ano
Esc. subterrâneo
2.200 km3/ano
World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978
Tempo de residência
• Tempo de residência = Vol. do reservatório / Taxa de fluxo
• Atmosfera:
Tresidencia 
13.000
13.000

 0,022anos  8,2dias
458.000  119.000 505.000  72.000
• Oceanos:
Tresidencia 
1.320.000.000
1.320.000.000

~ 2600anos
505.000
458.000  47.000
Tresidencia 
2.120
~ 0,047anos ~ 17dias
44.800
• Rios:
• Água subterrânea:
– É necessário estimar a taxa de fluxo = 2.200+percentagem escoamento
superficial com origem subterrânea;
– Tresidencia = ~1400 anos
Questões de unidades
• Unidades de volume mais usuais
–
–
–
–
–
1 l (litros)
1 m3 = 1000 l
1 dam3 = 1000 m3
1 hm3 = 1000 dam3
1 km3 = 1000 hm3
– 1 mm = 1
(quando o volume incide sobre
uma área conhecida ou quando
se lidam com vários volumes
sobre a mesma área)
l/m2
• Unidades de fluxo
–
–
–
–
–
l/s
m3/s
dam3/mês
hm3/ano
km3/ano
(por vezes omite-se “/ano” ou
“/mês quando o intervalo de
tempo é evidente)
Problemas
• Qual é o volume de água em hm3 precipitado em
Portugal continental?
– Precip anual média = 850 mm
– Área de Portugal = 89.000 km2
– Volume = 850 x 10-3 x 89.000 x 106 m3 = 75.650 x 106 m3= 75.650 hm3
• Qual é a precipitação anual média em mm sobre o globo e
sobre os continentes e os oceanos ?
– Pglobo = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 mm = 1270 mm
– Poceanos = 458.800 / 361.000.000 x 106 mm = 800 mm
– Pcontinentes = 119.000 / 148.000.000 x 106 mm = 1130 mm
Problemas
•
•
Da água doce existente no globo terrestre, cerca de 35x106 km3, 30%
reside em média 1400 anos nos aquíferos subterrâneos e 0,006% reside
em média 16 d nos rios.
Calcule o volume médio de renovação anual nos dois reservatórios e,
com base no resultado obtido, refira de qual dos reservatórios se poderá
utilizar de modo permanente maior quantidade de água.
Vol .rios  0,006 / 100  35  106  2.100km3
2.100
Vol .ren.rios 
 ~ 47.900km3 / ano
16
365
Vol .aquif  30 / 100  35  106  10.500  103 km3
Vol .ren.aquif
10.500  103

 ~ 7.500km3 / ano
1400
Problemas
•
Em Portugal Continental, com uma área de 89 000 km2 e 10 000 000 de
habitantes, o abastecimento público de água é em média cerca de 200
l/hab/d. Estime em mm/a o volume anual de água abastecido
Vol .  200  365  10.000.000litros  7,3  1011litros
11
7
,
3

10
Vol . 
3
3
km

0
,
73
km
1012
Vol .  0,73 / 89.000  106 mm  8mm
Problemas
•
•
O volume de água existente nos oceanos, que ocupam uma área
superficial de 70% da superfície do globo terrestre, estima-se em cerca de
1338x106 km3. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica da água é
cerca de 0,00015 K-1 e desprezando outros efeitos estime o aumento da
profundidade média dos oceanos quando a sua temperatura se eleve
uniformemente de 1 ºC.
Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.
Recursos hídricos disponíveis
ETP não utilizada
51.400 km3/ano
Evapotranspiração
(Água verde)
Precipitação
51.400 km3/ano
18.200
km3/ano
3.000 km3/ano
69.600 km3/ano
110.300
km3/ano
ETP utilizada
Florestas
18.200 km3/ano
Agricultura não irrigada
Disponível
Escoamento
(Água azul)
40.700 km3/ano
12.500 km3/ano
Não captado
20.426 km3/ano
Em regiões remotas
7.780 km3/ano
Precipitação sobre os continentes
Captado 4.430 km3/ano
Usos no curso 2.350 km3/ano
Não utilizado 5.520 km2/ano
28.206 km3/ano
24.980 km3/ano
3.700 km3/ano
A bacia hidrográfica como
unidade de gestão da água
Bacia hidrográfica
• A bacia hidrográfica
de uma dada secção
de um curso de água
é a área na qual a
água precipitada se
escoa para a secção
considerada.
• Em geral é definida a
partir da topografia da
região, sendo os
limites da bacia
constituidos por linhas
de festo.
Bacia hidrográfica: problemas com a definição
dos limites
Bacia hidrográfica
Limite do
escoamento
superficial
Escoamento subterrâneo
Bacia hidrográfica: a unidade natural
Precipitação
Transferências
artificiais
Evapotranspiração
Limite natural para
lidar com questões de
recursos hídricos
Escoamento
As maiores bacias da Europa
Problemas
•
O escoamento anual médio dos continentes é cerca de 316 mm. Sabendo
que a área dos continentes é 150x106 km2 e que o escoamento do rio
Amazonas corresponde a cerca de 12% do total, estime o caudal médio
do referido rio em m3/s.
3
km
Esc.anual.continente s  316  10  150  10 km  47.400
6
6
3
3
km
Esc.anual. Amazonas  0,12  47.400  5688
3
5688  109
m
Caudal 
 180.365
s
365  24  3600
ano
ano
Bacias endorreicas
• Bacia endorreica: bacia hidrográfica fechada cujas
águas não escoam para o mar. Escoam em regra para
um lago de onde a água se evapora ou se infiltra.
• Alguns exemplos:
• Lago Chad: Em África (Chad, Camarões, Niger e Nigeria)
• Mar Cáspio: Recebe entre outros o rio Volga, uma das maiores
bacias do mundo.
• Mar Aral: Cujos os afluentes foram desviados para a produção
de algodão o que deu origem a um dos maiores desastres
ambientais do mundo.
• Portugal: pequenas sub-bacias das bacias do Lis e do Tejo
(zona da Serra dos Candeeiros)
Mar Aral
Portugal: Principais bacias hidrograficas e
aquiferos
Portugal: Principais bacias hidrograficas
A (km2)
Portugal
A (km2)
Espanha
A (km2)
Minho
850
16.230
17.080
Lima
1.180
1.300
2.480
Douro
18.600
79.000
97.600
Tejo
24.800
55.800
80.600
Guadiana
11.500
55.300
66.800
Total
Formação e processos de
escoamento
Formação do escoamento
Precipitação
Precipitação
Evapotranspiração
Retenção – Água que não se infiltra nem dá origem a
escoamento superficial (água interceptada
ou retida em depressões do solo)
Evaporação
Intercepção
Detenção – Água em trânsito
Evaporação
Escoamento
superficial
(directo)
Água retida em
depressões
Infiltração
Escoamento
sub-superficial
ou intermédio
Recarga
Escoamento
de base
Escoamento superficial
Humidade
do solo
Retenção nas
depressões
Intercepção
Tempo
Balanço hidrológico
Precipitação
Numa bacia hidrográfica, supondo
coincidentes os limites do escoamento
superficial e subterrâneo, temos para um
determinado t:
Evapotranspiração
Transferências
artificiais, R
Transferências
artificiais, Ex
P = H + E + Sp + S + Su + Ex – R
S
Sp
Su
A
Escoamento
P = precipitação sobre a bacia;
H = escoamento na secção de referência;
E = evapotranspiração na bacia;
Sp = variação da retenção e detenção superficiais;
S = variação da quantidade de água no solo;
Su = variação das reservas de água subterrânea;
Ex = quantidade de água extraída pela acção humana;
R = quantidade de água lançada na bacia pela acção
humana.
Défice de escoamento: D = P – H
Balanço hidrológico e suas simplificações
• P = H + E + Sp + S + Su + Ex – R
• Défice de escoamento: D = P – H
• Se forem desprezadas as quantidades de água movimentadas pela
acção humana:
• Ex – R = 0
• Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou
compensadas, os vários tipos de armazenamento:
• Sp + S + Su = 0
• Logo P = H + E
• Para um ano hidrológico:
• P=H+E
Problema
• Numa bacia hidrográfica com 100 km2 de área, para a qual são
transferidos de bacia vizinha cerca de 8 hm3 por mês, a
precipitação e o escoamento em determinado ano hidrológico
foram de 1000 mm e 1300 mm, respectivamente. Estime em mm
o valor da evapotranspiração real nesse ano. Justifique.
Problema
• De uma bacia hidrográfica com 100 km2 de área, pretende-se
transferir para bacia vizinha o máximo caudal médio compatível
com um escoamento médio de 0,5 m3/s na secção de referência
da bacia de origem. Sabendo que a precipitação e a
evapotranspiração anuais médias na bacia de origem são
respectivamente de 1000 mm e 700 mm, estime o máximo caudal
médio transferível em m3/s. Justifique.
Problema
• Os valores anuais médios da precipitação e do défice do
escoamento numa bacia hidrográfica com a área de 40 km2 foram
estimados em 1500 e 850 mm, respectivamente. Determine o
caudal anual médio na secção de referência da referida bacia em
m3/s.
Factores de escoamento
• Climáticos:
– Precipitação (duração, intensidade, distribuição no tempo e espaço)
– Evapotranspiração (temperatura, radiação, pressão, vento)
• Fisiográficos
–
–
–
–
–
–
–
Geometria da bacia (área e forma);
Relevo / morfologia
Orientação
Densidade de drenagem
Geologia
Solo
Uso do solo
Precipitação
Água na atmosfera
• Reservatório atmosfera:
– Volume modesto (quando comparado com os restantes): apenas
25 mm em média;
– Tempo de residência reduzido: ~8 dias.
– A água encontra-se predominantemente na fase gasosa (vapor de
água), sendo deprezável a que se encontra na fase liquida ou
sólida nas nuvens.)
• Enorme variação temporal e espacial:
– Norte vs Sul
Latitude (º)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Hem. N (mm)
43.9
39.9
31.1
21.8
16.4
13.2
10.4
7.0
4.8
Hem. S (mm)
42.9
40.5
31.6
21.7
16.1
12.1
7.2
3.0
1.0
– Sobre continentes (23,9 mm); Sobre oceanos (27.5 mm)
– Em altitude: 50% até 1500 m (850 mb); 90% até 6000 m (500 mb)
Formação da precipitação
• Vapor de água existente na atmosfera condensa
(passa à fase líquida):
– Por redução da temperatura do ar;
– Por aumento da pressão do ar (compressão);
• As gotas de água coalescem em torno de um núcleo
com massa suficiente para se precipitar.
• Tensão de vapor
 12,27T 
es  611  exp 

237
.
2

T


es – Tensão de vapor (Pa)
T – Temperatura do ar (ºC)
(Estado líquido)
(Vapor de água)
Classificação da precipitação
• Precipitação de convecção:
• Precipitação orográfica:
• Precipitações ciclónicas ou frontais
Precipitação anual média
Fonte: WWAP, 2002
Precipitação anual média
Fonte: Nicolau, 2000
Recordes mundiais de precipitação
Recordes mundiais de precipitação
Local
Data de início
Precipitação
(mm)
Intensidade média
(mm h-1)
1 min
38
2280
Barot, Guadalupe
26-10-1970
8 min
126
945
Fussen, Baviera
25-05-1920
15 min
198
792
20 min
206
618
42 min
305
436
2h 10min
483
223
Rockport,
18-07-1889
2h 45min
559
203
D'Hanis,
31-05-1935
4h 30min
782
174
Smethport, Pennsylvanea
18-07-1942
9h
1087
121
Belouve, La Réunion
28-02-1964
12h
1340
112
Belouve, La Réunion
28-02-1964
18h 30min
1689
91
Belouve, La Réunion
28-02-1964
24h
1825
76
Foc Foc, La Réunion
15-03-1952
2d
2259
47
17-10-1967
3d
2759
38
12-09-1974
4d
3721
39
12-09-1974
8d
3847
20
01-01-1979
15 d
4798
13
24-06-1931
31 d
9300
13
Jul 1861
2 mêses
12767
9
Jun 1861
3 mêses
16369
7
Mai 1861
4 mêses
18738
6
Abr 1861
5 mêses
20412
6
Abr 1861
6 mêses
22454
5
Abr 1861
11 mêses
22990
3
Jan 1861
1 ano
26461
3
Ago 1860
2 anos
40768
2
Jan 1860
12-05-1916
Curtea-de-Arges, Roménia
07-07-1947
22-06-1947
Recordes de Precipitação
100000
P  50 t 0.5
10000
10
720; 276
Recorde Mundial
Recorde Português
2880; 299
60; 96
5; 20
30; 59
100
1440; 292
360; 272
1000
Envolvente
Duração (min)
10000000
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
1
Precipitação (mm)
Duração
Recordes mundiais de precipitação
Recordes de Precipitação
100000
P  50 t 0.5
10
Recorde Mundial
Recorde Português
2880; 299
1440; 292
60; 96
5; 20
30; 59
100
720; 276
360; 272
1000
Envolvente
Duração (min)
10000000
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
1
Precipitação (mm)
10000
Curvas CPU e IDF
Rainfall depth-duration-frequency curves / Intensity-duration-frequency curves
• Curva de possibilidade udométrica /
Rainfall depth-duration-frequency curves
P  a  Db
(mm) 0  b  1
D  P 
• Curva IDF Intensity-duration-frequency curves
i
P
 a'D b '
D
(mm / h) b'  0
D  i 
P (mm)
i (mm/h)
T=100 anos
T=50 anos
T=50 anos
T=100 anos
T=10 anos
T=10 anos
D
D
Documento para consulta
Histórico
T=100 anos
Maximo provável
Ratios
Problema
No âmbito da análise de precipitações intensas, seria possível que
numa determinada chuvada as precipitações máximas em 5 min e 10
min fossem, respectivamente 11 mm e 27 mm ? Justifique.
Problema
Sabendo que a linha de possibilidade udométrica para
um determinado período de retorno é representada por
P(t) = axtn e que 2P(t) >= P(2t), mostre que n <=1.
Problema
A aplicação da linha de possibilidade udométrica para o período de
retorno de 1000 anos conduz a dois valores de intensidades médias
de precipitação, respectivamente 20 mm/h e 15 mm/h. Indique,
justificando com base na linha de possibilidade udométrica, qual o
valor que corresponde à maior duração.