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Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos2009 / 2010

Rodrigo Proença de Oliveira

Organização

Organização

• Docente:– Rodrigo Proença de Oliveira, [email protected]– Gab: 5.40

• Aulas:– Teórica: 3a feira: 11.00-12:30, sala QA1.1– Teórica: 3a feira: 13.00-14:30, sala V1.17– Teórica: 3a feira: 13.00-14:30, sala V1.17– Prática: 4a feira: 11:30-13:00, Lab. V1.20.3

• Avaliação:– Exame: 60%– Média de 3 trabalhos práticos (grupos de 3): 40%– Nota mínima de 8 em cada uma das componentes de

avaliação;– Notas superiores a 16 são defendidas em oral.

IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos © Rodrigo Proença de Oliveira, 2009 3

Elementos de apoio

• Página da cadeira:– Pagina oficial no Fenix

– http://www.civil.ist.utl.pt/~rpo/harh

• Documentos de apoio:– Folhas da disciplina (A Quintela);

– Slides das aulas;– Slides das aulas;

– Precipitações intensas (INAG);

– Factor de Majoração da Fórmula Racional (Hipolito et al.);

• SNIRH:– http://snirh.pt


Programa

• Programa:– O ciclo da água– Estudo das variáveis hidrológicas– Avaliação das disponibilidade de água

• Águas superficiais• Águas subterrâneas

– Análise do risco de cheias– Análise do risco de cheias

• Datas de entregas dos trabalhos:– Trab.1: 21 de Outubro– Trab.2: 11 de Novembro– Trab.3: 22 de Dezembro


O que é a hidrologia e qual é a sua importância?é a sua importância?

O que é a hidrologia

• Ciência que estuda a ocorrência, distribuição e circulação da água na Terra, as suas características físico-quimicas e as suas interacções com o ambiente (incluindo ser vivos);

• Hidrologia: Hydro (Água) + Logos (Conhecimento);

Geografia

Geomorfologia

• Hidráulica: tópico de ciência aplicada que lida com as propriedades mecânicas de líquidos.

IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos © Rodrigo Proença de Oliveira, 2009

Geologia

Climatologia

Meteorologia

Quimica

Hidráulica

Biologia

Hidrologia

7

A importância da hidrologia

• Precisamos de água para viver (Consumir, produzir alimentos, movimentar, produzir energia, …)

• Precisamos de um ambiente de qualidade e de ecossistemas saudáveis, e estes dependem da água;

• A água pode também ser a causa de enormes riscos e sofrimentos (e.g. cheias e secas, riscos para a saúde);sofrimentos (e.g. cheias e secas, riscos para a saúde);

• Os hidrologistas são aqueles que asseguram o conhecimento que permite manter uma boa relação com este recurso fundamental à vida.


Abastecimento de água e produção de energiaAlbufeira de Castelo de Bode


Abastecimento de água, produção de energia e protecção contra cheias

Rio DãoRio

Mondego Rio Alva

AguieiraFronhas

IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos © Rodrigo Proença de Oliveira, 2009

Barragem da Aguieira

10

Raiva

Coimbra

F.Foz

Baixo Mondego

Açude de Coimbra

Irrigação e produção de energiaBarragem de Alqueva


Protecção de ecossistemasRecreio e lazer


Controlo da contaminação


Controlo da erosão


Porto Santo

Cheias e secas

IST: Hidrologia, Ambiente e Recursos Hídricos © Rodrigo Proença de Oliveira, 2009 15Istambul, Set. 2009 Portugal, 2005

Protecção contra cheiasHolanda


NavegaçãoRio Elba


Canal-ponte sobre o Rio Elba que une a rede de canais da Alemanha Oriental com a Ocidental. Fica situado junto a Magdeburgo, próximo de Berlim. Tem cumprimento de 918 m. Custou cerca de 500 milhões de euros e demorou 6 anos a construir.

Qual não há planeamento nem infra-estruturas


Água e saúde

• Mais de 1,1 mil milhões de pessoas sem acesso a um abastecimento sustentado de água de boa qualidade;

• Mais de 2.4 mil milhões de pessoas ( > 1/3 da população mundial) sem acesso a saneamento de boa qualidade;

• Mais de 6 000 crianças morrem por dia de doenças • Mais de 6 000 crianças morrem por dia de doenças relacionadas com a água

• Mais de 250 milhões de pessoas por ano afectadas por doenças relacionadas com a água (implicando a ocupação de metade dos leitos hospitalares)

• Investimento anual em infra-estruturas hídricas: – Actual: 70 mil milhões de USD– Necessário: 180 mil milhões de USD


Utilização da água no mundoUsos consumptivos


Disponibilidade de água versus população

Europa: 4,1 x103m3/ano/hab

América do Norte: 17.5 x103m3/ano/hab

África: 5,1 x103m3/ano/hab


The United Nations World Water Development Report, 2003

5,1 x103m3/ano/hab

Ásia: 3,3 x103m3/ano/hab

América do Sul: 28,3 x103m3/ano/hab

Austrália/Oceania: 50 x103m3/ano/hab

Crescimento da população irá exacerbar os problemas da água


Distribuição de água na terra e o ciclo hidrológico

(ciclo da água)(ciclo da água)

O planeta azul

• Cerca de 70% da superficie do planeta é coberto por água (oceanos).


Distribuição de água na Terra


ReservatóriosVolume aproximado de água,

em Km3 de água Percentagem aproximada

da água total

Oceanos 1 320 000 000 96.1

Glaciares 29 000 000 2.13

Água subterrânea 8 300 000 0.61

Lagos 125 000 0.009

Mares interiores 105 000 0.008

Humidade do Solo 67 000 0.005

Atmosfera 13 000 0.001

Rios 1 250 0.0001

Volume de água total 1 360 000 000 100%

Distribuição da água naTerra (adaptado de Nace, U.S. Geological Survey,1967).

Distribuição de água na Terra

Fonte de águaVolume de água

(km3)

Percentagem de

água doce

Percentagem do

total de água

Oceanos, mares e baías 1.338.000.000 -- 96,5Gelo polar e glaciares 24.064.000 68,7 1,74Água do subsolo 23.400.000 -- 1,7 Doce 10.530.000 30,1 0,76


World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Salgada 12.870.000 -- 0,94Humidade do solo 16.500 0,05 0,001Gelo do solo e permafrost 300.000 0,86 0,022Lagos 176.400 -- 0,013 Doce 91.000 0,26 0,007 Salgada 85.400 -- 0,006Atmosfera 12.900 0,04 0,001Água em pântanos 11.470 0,03 0,0008Rios 2.120 0,006 0,0002Água biológica 1.120 0,003 0,0001Total 1.386.000.000 - 100

Alguns cálculos

• Raio da Terra = ~6370 km

• Área de uma esfera = 4*π*R2

• Volume de uma esfera = 4/3*π*R3

• Raio da Terra = ~6370 km• Área da Terra = 4*π*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


Tempo de residência

• Tempo de residência = Vol. do reservatório / Taxa de fluxo

• Atmosfera:

• Oceanos:

diasanosTresidencia 2,8022,0000.72000.505

000.13

000.119000.458

000.13==

+=

+=

• Oceanos:

• Rios:

• Água subterrânea:– É necessário estimar a taxa de fluxo = 2.200+percentagem escoamento

superficial com origem subterrânea;– Tresidencia = ~1400 anos


anosTresidencia 2600~000.47000.458

000.000.320.1

000.505

000.000.320.1=

+==

diasanosTresidencia 17~047,0~800.44

120.2===

Questões de unidades

• Unidades de volume mais usuais– 1 l (litros) – 1 m3 = 1000 l– 1 dam3 = 1000 m3

– 1 hm3 = 1000 dam3

– 1 km3 = 1000 hm3

(quando o volume incide sobre – 1 mm = 1 l/m2

• Unidades de fluxo– l/s– m3/s– dam3/mês– hm3/ano – km3/ano


(por vezes omite-se “/ano” ou “/mês quando o intervalo de tempo é evidente)

(quando o volume incide sobre uma área conhecida ou quando se lidam com vários volumes sobre a mesma área)

Problemas

• Qual é o volume de água em hm3 precipitado em Portugal continental?– Precip anual média = 850 mm – Área de Portugal = 89.000 km2

– Volume = 850 x 10-3 x 89.000 x 106 m3 = 75.650 x 106 m3= 75.650 hm3

• Qual é a precipitação anual média em mm sobre o globo e sobre os continentes e os oceanos ?– Pglobo = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 mm = 1270 mm– Poceanos = 458.800 / 361.000.000 x 106 mm = 800 mm– Pcontinentes = 119.000 / 148.000.000 x 106 mm = 1130 mm


Problemas

• Da água doce existente no globo terrestre, cerca de 35x106 km3, 30% reside em média 1400 anos nos aquíferos subterrâneos e 0,006% reside em média 16 d nos rios.

• Calcule o volume médio de renovação anual nos dois reservatórios e, com base no resultado obtido, refira de qual dos reservatórios se poderá utilizar de modo permanente maior quantidade de água.

kmVol 100.21035100/006,0.36 =⋅⋅=


anokmrenVol

kmVol

rios

rios

/900.47~

36516

100.2..

100.21035100/006,0.

3

36

==

=⋅⋅=

anokmrenVol

kmVol

aquif

aquif

/500.7~1400

10500.10..

10500.101035100/30.

33

336

=⋅

=

⋅=⋅⋅=

Problemas

• Em Portugal Continental, com uma área de 89 000 km2 e 10 000 000 de habitantes, o abastecimento público de água é em média cerca de 200 l/hab/d. Estime em mm/a o volume anual de água abastecido

kmkmVol

litroslitrosVol

73,0103,7.

103,7000.000.10365200.

3311

11

=⋅=

⋅=⋅⋅=


mmmmVol

kmkmVol

810000.89/73,0.

73,010

103,7.

6

33

12

=⋅=

=⋅=

−

Problemas

• O volume de água existente nos oceanos, que ocupam uma área superficial de 70% da superfície do globo terrestre, estima-se em cerca de 1338x106 km3. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica da água é cerca de 0,00015 K-1 e desprezando outros efeitos estime o aumento da profundidade média dos oceanos quando a sua temperatura se eleve uniformemente de 1 ºC.

• Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.


Recursos hídricos disponíveis


Precipitação sobre os continentes

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 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: a unidade natural

Limite natural para

Precipitação Evapotranspiração


Limite natural para lidar com questões de recursos hídricos

Escoamento

Transferências artificiais

Hidrologia e Recursos Hídricos, 2009 4023-Sep-09

Hidrologia e Recursos Hídricos, 2009 41

Bacia hidrográfica: problemas com a definição dos limites

Limite do escoamentosuperficial

Bacia hidrográfica


superficial

Escoamento subterrâneo

As maiores bacias do mundo


Os maiores rios e bacias do mundo

km3/yr


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.

anokmkmscontinenteanualEsc

3366

400.471015010316.. =⋅⋅⋅= −


smCaudal

anokmAmazonasanualEsc

ano

39

3

365.180360024365

105688

5688400.4712,0..

=⋅⋅

⋅=

=⋅=

Bacias endorreicas

• Bacia endorreica: bacia hidrográfica fechada cujaságuas não escoam para o mar. Escoam em regra paraum 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 desastresambientais 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

49IST: Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas © Rodrigo Proença de Oliveira, 2008

Portugal: Principais bacias hidrograficas


A (km2)Portugal

A (km2)Espanha

A (km2)Total

Minho 850 16.230 17.080

Lima 1.180 1.300 2.480

Douro 18.600 79.000 97.600

Tejo 24.800 55.800 80.600

Guadiana 11.500 55.300 66.800

ARH – Administrações de Região Hidrográfica

RH1

RH2RH3

RH4

• ARH Norte: RH1, RH2, RH3• ARH Centro: RH4 - Rib.Oeste (RH4)• ARH Tejo: RH5 + Rib.Oeste (RH4)• ARH Alentejo: RH6 e RH7• ARH Algarve: RH8

• RH 9 – R. A Açores• RH10 – R.A Madeira


RH5

RH6RH7

RH8

Caracterização de uma bacia hidrográficabacia hidrográfica


Factores que influenciam a resposta de uma bacia

• Morfologia– Área / Dimensão– Forma– Relevo / Orografia– Hidrografia / Rede hidrográfica

• Geologia e Téctónica• Geologia e Téctónica• Tipo de solo• Coberto vegetal e Uso do solo• Meteorologia


Cartas topgráficas

Carta 1:25000


Carta 1:25000

10 km <> 40 cm

16 km <> 64 cm

P = 0 km

M = 72 km

Caracterização da forma

• Indice de compacidade de Gravelius– Bacia circular: Kc = 1– Bacia quadrada: Kc = 1.128

• Rectangulo equivalente

A

PKc

⋅=

π2

2

128.111

−+= c AKL

• Índice de alongamento– Arredondada, Kc < 1.128– Alongada, KL > 2


bLA ⋅=

( )bLP +⋅= 2

L

b

128.111

128.1

−+=

c

c

K

AKL

2128.1

11128.1

−−=

c

c

K

AKb

b

LKL =

23-Sep-09

Para definir o rectangulo equivatente: Kc > 1.128

Comprimento do perímetro

• Qual é o comprimento de uma linha irregular? – Depende da resolução de análise

56

Hipsometria

Z3

Z4

Z5 = Zmax

A’3

A’4

Cota (m) Área acima da cota (km2)

Z5 0

Z4 A4 = A’4

Z3 A3 = A’4+A’3

Z2 A2 = A’4+A’3+A’2

Z1 A1 = A’4+A’3+A’2+A’1

Z0 A0 = A’4+A’3+A’2+A’1+A’0=Abacia

• Altitude máxima: Z5• Altitude mínima: Z0• Altitude média = Vol. abaixo da superficie do

terreno / Área da bacia

• Altitude mediana = Altitude correspondente a 50% da área.

• Altura média = Altitude média - Altitude mínima


Zo = Zmin

Z1

Z2

A’1

A’2

A’0

( )∑−

=

+++=1

0

'

112

11 n

i

iii

t

med AzzA

Z

minZZh medmed −=

Curva hipsométrica

Altitude/Cota (m)

Z5 = Altitude máxima

Altitude medianaZ3

Z4


Área acima da cota (km2)

Altitude média

Z0 = Altitude mínima

Área da bacia

Altura média

50% da área da bacia

Altitude mediana

Z1

Z2

A1A2A3A4

Curva hipsométrica adimensional

Cota (m)Curvas Hipsométricas

adimensionais

Jovem

Intermédia


A/Abacia x 100 (%)

Antiga

Intermédia

100

Problema

• Em determinada bacia hidrográfica obtiveram-se os seguintes elementos para análise do relevo, onde z representa a cota e A a área de bacia acima dessa cota. Calcule a altura média da bacia hidrográfica.

Z(m) 204 220 240 260 280 300 306

A(km2) 23,05 22,84 16,81 9,32 2,07 0,57 0,00


Perfil longitudinal de um curso de água

Cota (m) Distancia à secção (km)

Z5 X4 = X’5+X’4+X’3+X’2+X’1

Z4 X4 = X’4+X’3+X’2+X’1

Z3 X3 = X’3+X’2+X’1

Z2 X2 = X’2+X’1

Z1 X1 = X’1

Z0 X0 = 0


Perfil longitudinal de um curso de água


Indicadores de declive de um curso de água

• Declive médio

• Declive equivalente do leito

Altitude (m)

Desenvolvimento (m)

Altitude (m)

L

ZZimed

minmax −=

n 11 1

+=+−

∑

• Declive 10, 85

Hidrologia e Recursos Hídricos, 2009

Desenvolvimento (m)

Altitude (m)

Desenvolvimento (m)

A

A

O,1L O,85L L

23-Sep-09

LZZXZZ eqi

n

i

ii )(2

1)(

2

1min

'

1

1

0

1 +=+ +

−

=

+∑

min

1

0

'

11)(1

ZXZZL

Zn

i

iiieq −+= ∑−

=

++

L

ZZi

eq

eq

min−

=

L

ZZi

75.0

108585;10

−=

Declive equivalente de um curso de água


Zo = Zmin

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5 = Zmax

X’1

X’2

X’3

X’4

X’0

Problema

• Para o traçado do perfil longitudinal de determinado curso deágua determinaram-se os seguintes pontos, onde x representa adistância à secção de referência e z, a cota. Determine o declivemédio e o declive equivalente do curso de água.

x (km) 0 2 4 7

z (m) 103 110 130 205


z (m) 103 110 130 205

Drenagem

• Densidade de drenagem – = Soma do comprimento dos cursos de água / Área da bacia:

A

L

D

n

i

i

d

∑== 1

• Dd depende da escala da carta sobre a qual é medida.

• Esc ?? : Valores mundiais: 1 a 100 km/km2

• Esc 1:25’000: Valores em PT: 3 a 5 km/km2

• Esc 1:1’000’000: Média nacional: 0,3 km/km2

• Valores baixos: zonas de declive acentuado; solos de baixa erodibilidade. • Valores altos: zonas de declive suaves, solos de erodibilidade elevada.

• Percurso médio sobre o terreno desde o limite da bacia até um curso de água:

• Percurso médio sobre o terreno até a um curso de água:


d

L

DP

2

1=

23-Sep-09d

L

D

PP

4

1

2==

• Esc 1:1’000’000: Média nacional: 0,3 km/km2

Hierarquização da rede de drenagem

• Relação de bifurcação1

1

1

1

1

1

1

2

3 22

2

1

2

1

1,

+

+ =u

uuub

N

NR

Ordem, u Nu Rel.Bifurc

Varia geralmente entre 2 a 4

Exemplo:

• Relação de bifurcação média:


1

1

3 2

33

4

Classificação de Strahler(1957) (ou de Horton-Strahler)

11

1

1

1

1 −−

−

=

+ == ∏ nn

n

u u

ub N

N

NR

23-Sep-09

Ordem, u Nu Rel.Bifurc

1 10 2.5

2 4 2.0

3 2 2.0

4 1

Média Geom 2.2

2,2100,20,25,2 1414 ==××= −−b

R

Hierarquização da rede de drenagem

1

1

1

1

2

24

4

4

3

3

2

2

• Critérios de identificação da linha de água principal– Área da bacia– Comprimento do curso de

água;– Ângulo de confluência.


1

1

3

4

4

Classificação de Horton (1945)

23-Sep-09

23-Sep-09

69


23-Sep-09

70


23-Sep-09

71


23-Sep-09

72


Problema

• No quadro seguinte apresenta-se a contagem donúmero de segmentos de cursos de água de cadaordem, segundo a classificação de Strahler. Determinea razão de bifurcação média geométrica.

Ordem (i) 1 2 3 4

Número (Ni) 139 46 11 3


Número (Ni) 139 46 11 3

Tipo de solo, capacidade de uso do solo e uso do solo

• Não confundir:– Tipo de solo;– Capacidade de uso do solo;– Uso do solo.


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