Processos Hidrológicos
CST 318 / SER 456
Tema 1 – Introdução
ANO 2015
Camilo Daleles Rennó
Laura De Simone Borma
http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
Aulas
1 – Introdução - Camilo
2 – Precipitação/Interceptação - Laura
3 – Evapotranspiração e transpiração - Laura
PROVA (14/07/2015)
4 – Fundamentos de física do solo - Camilo
5 – Água no solo: conteúdo e potencial - Camilo
6 – Armazenamento e distribuição da água no solo - Camilo
7 – Hidrologia de vertentes – escoamento superficial – Camilo
PROVA?
8 – Hidrometria – vazão - Laura
9 – Métodos estatísticos aplicados à Hidrologia – Camilo
10 – Ecohidrologia - Laura
EXERCÍCIO
Hidrologia
Definição: é a ciência que estuda a distribuição,
circulação e comportamento da água no sistema
terrestre. Também estuda suas propriedades
físico-químicas e sua interação com o meio
ambiente (biótico e abiótico).
Hidrometeorologia – estudo da água na atmosfera
Oceanografia – estudo dos oceanos
Limnologia – estudo de águas interiores (lagos e reservatórios)
Fluviologia – estudo de rios e cursos d’água
Glaciologia - estudo da água na forma de neve e gelo
Hidrogeologia – estudo das águas subterrâneas
Hidrologia e Processos Hidrológicos
Aplicações
Planejamento, construção e operação de projetos de aproveitamento de
recursos hídricos (usinas hidrelétricas, controle de cheias,
abastecimento de água, navegação, irrigação, etc.)
Entendimento dos impactos das mudanças no uso e ocupação da terra
Entendimento dos impactos das mudanças climáticas
Alertas de eventos extremos
Ecohidrologia
Ferramentas
Observações - medições in situ e a partir de sensores remotos
Modelagem hidrológica – várias escalas de entendimento e previsão dos
processos
Multidisciplinaridade da Hidrologia
• Precipitação e evaporação - Meteorologia
• Infiltração e percolação - Ciência dos Solos
• Água subterrânea - Geologia
• Escoamento superficial - Geomorfologia
• Vazão de rios – Mecânica de Fluidos
• Qualidade de água – Química/Biologia
• Abastecimento/Saneamento – Engenharia Civil
• Energia, Irrigação, Navegação, etc...
O Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico é um fenômeno global de
circulação da água em suas 3 fases: gasosa (vapor),
líquida (chuva e escoamento) e sólida (gelo e neve).
É um sistema fechado apenas em nível global.
Atmosfera
Continente
ênfase do curso
Oceano
O Ciclo Hidrológico Global
Ciclo Global da Água
Transporte de vapor
Nuvens
Precipitação
Nuvens
Transpiração
Evaporação
Percolação
m3
Estoque
Fluxos 1012 m3/ano
Evaporação
Descarga de Rios
Fluxo de água subterrânea
1012
Precipitação
Oceano
Gelo e
Neve
Água subterrânea
http://www.bom.gov.au/info/climate/change/gallery/8.shtml
Distribuição da Água no Mundo
Água
Doce 2,5%
Água na Superfície
e outros
1,2%
Atmosfera
3,0%
Água no
Solo
30,1%
Águas Salinas
(outros)
0,9%
Água
Salgada
(oceano)
97,0%
Total
Lagos
20,9%
Organismos
Vivos
0,26%
Rios
0,49%
“Brejos”
2,6%
Umidade
do Solo
3,8%
Geleira e
Calotas
Polares
68,7%
Água
Doce
Fonte: Shiklomanov, I. "World fresh water resources" in Gleick, P.H. (editor) Water in Crisis: a gudie to
the Worls´s Fresh Water Resources. 1993
http://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html
Gelo
subterrâneo e
Pergelissolo
(Permafrost)
69%
Água
Doce
Superficial
Distribuição da Água no Mundo
(1)
Toda a água do mundo:
~1400 km diâmetro
(2) Água doce no solo, lagos,
áreas alagáveis e rios:
~270 km diâmetro
(3) Água doce em lagos e rios:
~ 56 km - diâmetro
http://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html
Níveis de Detalhamento
Escala Local (Pontual)
Interações entre a matriz de
solo e os macroporos
Processos unidimensionais
Escala de Vertente
Mecanismos de geração de
escoamento direto e de base
Processos bidimensionais
Escala de Bacia Hidrográfica
Variação espacial e temporal de
processos – recarga
Processos tridimensionais
http://www.ib.usp.br/ecologia/ecossistema_print.htm
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
Rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
evaporação
Rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
infiltração
Rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
escoamento
superficial
Rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
lençol freático
Zona de
Saturação
Rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
evaporação (interceptação)
infiltração
Zona de
Aeração
(não saturada)
escoamento
superficial
percolação
lençol freático
Zona de
Saturação
rocha
Componentes do Ciclo Hidrológico
gás carbônico
fotossíntese
água
gás carbônico
água
estômato
Componentes do Ciclo Hidrológico
chuva
transpiração
evaporação (interceptação)
evapotranspiração
evaporação infiltração
Zona de
Aeração
(não saturada)
escoamento
superficial
percolação
Zona de
Raízes
fluxo ascendente
lençol freático
Zona de
Saturação
Fluxo de base
rocha
Modelando um problema...
Modelagem
O que é um modelo?
»É uma representação conceitual/matemática de um fenômeno
»Tipicamente o modelo irá tratar apenas de alguns aspectos do fenômeno estudado
Modelo de Balanço de Água no Solo
V = E - S
E S
V
tempo t
?
tempo t+1
Modelagem
O que é um modelo?
»É uma representação conceitual/matemática de um fenômeno
»Tipicamente o modelo irá tratar apenas de alguns aspectos do fenômeno estudado
Modelo de Balanço de Água no Solo
Vt+1 = Vt + Et+1 – St+1
tempo t
tempo t+1
Equação do balanço hídrico
ΔS = P - ET - D
P – precipitação
ET – evapotranspiração
D – deflúvio
ΔS – variação do armazenamento (superficial e/ou subterrâneo)
Equação do balanço hídrico – coloca em evidência as variáveis hidrológicas e
meteorológicas mais importantes, as quais são passíveis de medição
Modelagem Hidrológica
processos ambientais
»
»
»
»
»
fenômenos tridimensionais e dinâmicos
variações contínuas no espaço e no tempo
comportamentos não lineares
componentes aleatórios
múltiplas escalas de tempo e espaço
Como representar estes processos?
>> simplificação <<
Modelagem
Dois modelos de um mesmo fenômeno deveriam ser iguais?
»Não necessariamente
»Cada modelo pode ter um objetivo diferente ou ainda ter diferenças
conceituais ou de implementação decorrentes de decisões tomadas durante o
desenvolvimento do modelo
Modelo de Balanço de Água no Solo
chuva
quanto?
para onde?
em quanto tempo?
Modelagem
Quais as etapas da modelagem?
» Caracterizar o sistema na qual o fenômeno se insere
» Fazer algumas suposições sobre como os vários componentes funcionam e
interagem entre si
» Traduzir tudo em equações/procedimentos e num programa de simulação
» Determinar os valores de cada parâmetro (medidas reais, valores de referência
ou calibração)
» Fazer a validação
O modelo é bom?
»
»
»
»
»
»
Explica observações passadas?
Foi bem calibrado?
Prediz observações futuras?
Foi validado?
É generalizável?
É robusto? Pode ser aplicado em outros lugares/períodos?
Consegue estimar a incerteza dos resultados?
Os resultados são confiáveis?
É simples?
Necessita poucos dados de entrada?
É fácil de usar?
Tem interface amigável?
Modelagem Hidrológica
Classificação
»
determinístico ou estocástico
modelo
X
Y
X
modelo
modelo
Y
»
baseado em processos ou empírico
»
contínuo ou discreto (no tempo)
*
**
***
**** *
t
»
concentrado ou distribuído (no espaço)
»
estático ou dinâmico Xt+1 = f(Xt)
X
t
Y
http://forumirrigacao.blogspot.com.br/2012/07/agricultura-irrigada-sustentavel-e-o.html
Modelagem Hidrológica