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Hidrologia Climatologia Curso Técnico de Meteorologia IFSC – Florianópolis Prof. Udo e Michel

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HidrologiaClimatologia Curso Técnico de MeteorologiaIFSC – FlorianópolisProf. Udo e Michel

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Tópicos do tema

1. Introdução ao ciclo hidrológico

1. Distribuição da água no planeta

1. Água na atmosfera

1. Água da superfície e subterrânea

1. Neve e Degelo

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1. Introdução ao ciclo hidrológico•Veremos:

▫Como definir as principais características da hidrologia e do ciclo hidrológico

▫O nome dos componentes do ciclo hidrológico

▫O conceito básico da abordagem de cálculo usado em Hidrologia

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O que é hidrologia?

Hidrologia é estudo científico das águas: seus processos, interações com o ambiente, transporte e ciclo. A hidrologia examina as propriedades da água e a sua ocorrência, distribuição e movimento no planeta.

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O que é o ciclo hidrológico?

O ciclo hidrológico ou ciclo da água são os movimentos verticais e horizontais da água em forma de vapor, líquida ou sólida na superfície, subsuperfície, atmosfera e oceanos da Terra.

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O ciclo hidrológico

http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/media/flash/hydro_cycle.swf

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Processos de transporte no ciclo hidrológico

• Evaporação (superfície para a atmosfera)

• Precipitação (atmosfera para a superfície)

• Evapotranspiração (subsuperfície para a atmosfera)

• Escoamento superficial (superfície p/ os rios e oceanos)

• Infiltração (superfície p/ subsuperfície)

• Escoamento subsuperficial (subsuperficie p/ rios e oceanos)

• Percolação (subsuperfície para os aquíferos)

• Derretimento (montanhas para os rios e oceano)

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Balanço hídricoAssim como vimos no caso do fluxo de radiação em

superfície, em hidrologia é usado o conceito de balanço hídrico.

Fent + Fsai = ΔS

entrada + saída = armazenamento

O volume de água em qualquer ponto em um sistema hidrológico – podendo ser global ou local (por exemplo, em uma bacia hidrográfica) - pode ser visto simplesmente como a somatória entre o que entra e o que sai do volume de água, sendo qualquer excesso contabilizado como armazenamento de água nesse sistema.

Unidade: altura/tempo (exemplo: mm/mês ou ano).

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Ciclo hidrológico global

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Balanço hídrico global anual- Brasil

Fent + Fsai = ΔS

Fent = 1496 mm/ano

Fsai = -997 mm/ano

ΔS = 499 mm/ano

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Evaporação do tanque classe A

1.

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Evaporação real, potencial

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2. Distribuição da água no planeta• Veremos

▫As pricipais formas como a água é armazenada e distribuída no ciclo hidrológico

▫As principais características da água nos oceanos

▫As principais características da água armazenada em forma de neve e gelo

▫As principais características da água na superfície

▫Descrever um lençol d’água e seus pricipais componentes

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Água armazenada no oceano• Os oceanos armazenam mais de 97% da água da

Terra, sendo tudo isso água salgada, restando apenas 3% de água doce!

• A água doce é,portanto, a águados rios e damaioria doslagos.

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Armazenagem de neve e gelo

• As calotas polares e geleiras são responsáveis por pouco mais de 2% da água da Terra.

• A neve dasmontanhas é umafonte importante deágua,principalmente nasregiões áridas esemi-áridas e emalgumas áreas a neveé uma parteimportante daprecipitação anual.

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Água da superfície• A armazenagem e a distribuição da água da

superfície ocorre nos lagos, lagoas, rios e continentes e é responsável por menos de 0,01% da água da Terra.

• O Lago Baikal, na Russia, contém, aproximadamente 20% da água doce disponível da superfície da Terra, sendo equivalente a 5x os grandes lagos na fronteira entre os EUA e o Canadá em volume de água.

• O Rio Amazonas possui cerca de 15% da água doce disponível do planeta.

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Lençol d’água ou lençol freático• O lençol freático ocorre no aquífero, uma região

subterrânea composta de rochas não consolidadas e partículas do solo. Esta região é capaz de transmitir e armazenar água para extração.

• Menos de 1% de toda a água disponível da Terra é armazenada como lençol d’água ou como umidade do solo.

• Os lençóis freático que dão origem às nascentes

• Quando uma quantidade suficiente de água á retirada da armazenagem, o nível do lençol freático é reduzido e durante um período de estiagem ou seca a água de uma corrente diminui e as fontes desaparecem.

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Distribuição espacial da água no planeta

Local% do total da Água da Terra?

Superfície 0.01%

Oceanos 97%

Água subterrânea < 1%

Gelo e neve 2%

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Bacia hidrográficaA bacia hidrográfica corresponde à área drenada por um rio

principal, seus afluentes e sub-afluentes, os quais formam uma rede hidrográfica.

Os limites entre as bacias encontram-se nas partes mais altas do relevo e são denominados de divisores de água.

As águas são depositadas no leito do rio, que em época de cheia pode transbordar para as margens baixas planas que o acompanham, chamadas de várzeas do rio.

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Elementos da bacia hidrográficaDivisor de águas: ponto mais alta da bacia hidrográfica. Define o limite da bacia hidrográfica.

Rio principal: rio coletor que faz a drenagem de todos os afluentes (rios secundários), e também do escoamento de sub-superfície.

Afluentes: coletor do escoamento superficial ede rios subafluentes.despeja água no rio principal.

Sub-afluentes: coleta oescoamento superficial edespeja água em um rioAfluente.

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Bacia hidrográfica

O divisor de águas, sendo a parte mais alta da bacia e portanto o seu limite, define se a água recebida por toda a precipitação na bacia permanecerá nela e será escoada, ou se será drenada por uma bacia hidrográfica de fronteira.

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Bacia hidrográfica – curvas de nível

Mapa topográfico de curvas de nível:Mostra linhas de mesmo valor de altitude.

Região com linhas próximas: região com baixa declividade (terreno pouco inclinado).

Região com linhas próximas: região de alta declividade (terreno bastante inclinado).

Regiões de cavado ou vale: regiões onde se encontram os vales na bacia hidrográfica e onde normalmente estão os rios.

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Regiões hidrográficas do BrasilRegião hidrográfica é o conjunto de bacias hidrográficas de uma região, as quais estão ligadas a uma bacia principal.

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Bacia amazônicaRio principal: Rio Amazonas

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3. Água na atmosferaA água na atmosfera é originada pela distribuição de transporte do vapor da

água pela transpiração, evaporação e sublimação.

Em muitas regiões da Terra a precipitação é a única forma de transporte da água doce para a área.

Nesta parte veremos:

Os principais processos da água na atmosfera

A importância da condensação e da precipitação

Os principais métodos e ferramentas usados na sua medição

Definir a evaporação e os principais métodos e ferramentas de medição

A transpiração, descrevendo o papel que ela tem no processo de chuva e escoamento

As várias taxas de diferentes tipos de vegetação da superfície

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Condensação e precipitação• A condensação é a mudança de fase da água do estado

gasoso para o estado líquido.

• Este processo libera energia, tendo o nome de calor latente, e é necessário para a

criação da precipitação.

• Na maior parte daTerra, a precipitação é ofator mais importantepara o controle do ciclohidrológico local.

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Precipitação: tipos, distribuição e técnicas de observação

• O tipo de precipitação (chuva,neve,granizo), a estação em que ocorrem e a área de distribuição são fatores que os hidrologistas levam em consideração ao estudar o ciclo da água de uma região.

• A forma mais simples e precisa de semedir a precipitação é usando pluviômetros.Porém, uma rede de pluviômetros não éa melhor maneira de observar a distribuiçãoespacial das chuvas pelo fato de fazerobservações pontuais de precipitação edevido ao caráter da distribuição daprecipitação.

• Comparações entre os dados de rede depluviômetros e dados de radares meteorológicosé uma alternativa mais eficiente na observaçãoda distribuição espacial da precipitação e paraEstimar o fluxo de entrada de água de uma região.

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Observações mistas de precipitação

Rede de pluviômetros, estimativas por radares e satélites meteorológicos podem ser utilizados em conjunto para levantar a precipitação em uma área.

Os pluviômetros são instrumentos deobservação direta e, portanto, fornecemmedidas mas realistas da precipitação emsuperfície. Porém, a rede de pluviômetrosgeralmente não tem uma densidade depluviômetros adequada e, portanto, tem baixa representatividade espacial.

Dados de radar e satélites, apesar deestimarem a precipitação usando métodosindiretos, possuem uma boa representativi-dade espacial.

Com isso, a rede de pluviômetros éfrequentemente usada para verificar aincerteza dos dados de radar e satélites.

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O hidroestimador do CPTEC

Combinação de dados deSatélite do GOES, radare das Estações Automáticas de SantaCatarina.

Links:

http://ciram.epagri.sc.gov.br/portal/website/index.jsp?url=jsp/monitoramento/monitoraChuva.jsp&tipo=monitoramentohttp://sigma.cptec.inpe.br/prec_sat/

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EvaporaçãoPassagem da água do estado líquido para o gasoso, sendo o

oposto da precipitação.

A evaporação pode ser medida por diferentes métodos. Um dos mais comuns é através do tanque de evaporação (Tanque Classe A), o qual mede a variação diária do nível da água devido à evaporação que ocorre na superfície livre da água, a qual fica exposta ao tempo neste instrumento

(vento, radiação, temperatura, umidade do ar).

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EvapotranspiraçãoA umidade do solo retirada pela raiz da planta eventualmente evapora ao ser liberada pelas folhas. O efeito conjunto da evaporação e da transpiração é dado o nome de evapotranspiração e geralmente constitui a maior perda de componente da água no solo.

O tipo, a densidade e acobertura das plantasinfluenciam diretamentena quantidade da água nosolo que á removida atravésda transpiração.

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4. Água da superfícieA água superficial faz parte do ciclo onde a água flui na

superfície da Terra.

Sempre que a água muda de local na superfície ela pode ser classificada como água superficial.

A água superficial é encontrada em rios, córregos, lagos e reservatórios ou qualquer outro tipo de água localizada na superfície.

Nesta seção veremos:• Os principais processos da água superficial: infiltração,

umidade do solo, escoamento;• Os fatores que influenciam a infiltração;• Os elementos da composição do solo;• As possíveis condições do solo e como elas afetam a

infiltração;• Os elementos do escoamento.

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Infiltração

A infiltração é o escoamento da água superficial pelo perfil do solo.

A infiltração é o meio com o qual a reserva da água subterrânea é reabastecida, tornando-se disponível para a vegetação.

A percolação é o movimento da água dentro do solo, enquanto a infiltração é a passagem da água superficial para dentro do solo.

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Composição do soloO solo é composto por partículas minerais, matéria orgânica e espaço poroso, que é o espaço vazio entre as partículas do solo.

Os espaços porosos podem ser preenchidos por ar ou água, o que depende da disponibilidade de água. O grau de preenchimento dos poros com água é o que determina as condições de umidade do solo.

A figura ao lado mostra do que é composto o solo, de uma forma generalizada.

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Taxa de infiltração

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Assim como para a precipitação e a evaporação, existe a taxa de infiltração, sendo esta taxa a quantidade de água que penetra no solo por um período detempo.

A taxa de infiltração estádiretamente ligada à textura ecobertura, umidade,temperatura do solo,intensidade e tipo de precipitação.

Quando a taxa de precipitaçãoé maior que a taxa deinfiltração, ocorre oescoamento superficial.

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Umidade do soloDa mesma forma que para a umidade relativa na atmosfera,quando os poros do solo estãocompletamente preenchidoscom água, diz-se que o soloestá saturado.

Também nestecaso, a água não irá infiltrar nosolo e dará inicio à formação deescoamento superficial.

Portanto, existem dois casos em que pode ser formado o escoamento superficial: 1-quando a taxa de precipitação é maior que a taxa de infiltração no solo; 2 – quando o solo se encontra saturado.

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Escoamento superficialO escoamento superficial é a parte da chuva que

não é absorvida pelo solo.

Em uma área pavimentada, o escoamento previsto normalmente é igual à quantidade de chuva menos a evaporação e qualquer pequena quantidade armazenada na superfície.

Á medida que o solo se torna saturado, menor é a infiltração.

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Componentes do escoamentoPode ocorrer também de haver pouca infiltração no solo devido a uma chuva que ocorreu anteriormente e modificou a umidade no solo. Logo, o solo estará menos suscetível à infiltração de uma precipitação que poderá ocorrer em breve.

Parte do escoamento é feitosuperficialmente.Porém, parte da água infil-trada é escoada por baixo dasuperfície, o chamadoescoamento subsuperficial,outra parte é percolada eflui para os aquíferos.

Enquanto o escoamentosuperficial pode ser facil-ente quantificadomedindo-se constantemen-te o nível e a vazão do rio principal de uma bacia hidrográfica, o escoamento subsuperficial é mais complicado de ser quantificado.

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5.Neve e degeloA neve e o gelo são partes vitais do ciclo hidrológico em

regiões de maiores altitudes e locais montanhosos. A água armazenada em estado congelado é liberada durante a primavera e é disponibilizada para consumo durante o resto do ano.

Nesta seção veremos:• O papel da neve e do gelo no ciclo hidrológico;• As principais etapas do processo de degelo.

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Características da neveA neve é uma mistura de cristais de gelo,

ar, impurezas e, quando derretida, água líqüida.

O degelo proporciona um grande volume de água para os rios.

O volume e taxa de degelo da neve dependem das várias características da neve, da topografia local, e das condições meteorológicas.

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Fatores que afetam a taxa de degeloOs fatores que afetam a taxa de degelo são:

Fatores relacionados com a própria neve• temperatura da neve• albedo • densidade da neve• volume da neve

Fatores meteorológicos• vento• umidade relativa• temperatura do ar• radiação• insolação.

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Envelhecimento da neve

A neve acumulada passa por mudanças desde a primeira nevasca até o degelo.

As partículas da neve mudam de um floco de neve cristalino que cai durante uma tempestade, até o gelo de forma mais granulosa devido aos fatores meteorológicos e a água.

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O processo de degelo1. Inicialmente, a neve dentro de uma camada se assenta,

aumentando a densidade da camada de neve.2. Com o degelo e o derretimento na superfície da neve acumulada,

pode haver a formação de lentes de gelo. 3. Durante a primavera e o verão, a temperatura do ar aumenta e a

neve acumulada se aquece. 4. A temperatura máxima da neve acumulada não pode exceder o

ponto de derretimento do gelo. 5. Quando a neve se aproxima destatemperatura, ela fica "pronta", ouisotérmica (com mesma temperatura). 6. Quando isto acontece, qualquerenergia extra acrescentada à neve causao degelo, que nada mais é que o derretimentoda neve.7. A água líqüida normalmente é liberada apartir da parte inferior da neve acumulada. 8. Com a liberação da água da neve, os fatoresde escoamento passam a ser importantes.

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Referências• Caderno 5 de Climatologia - Material do Curso

Técnico de Meteorologia.• Curso básico de ciência hidrológica – Estudo do

ciclo hidrológico – Programa COMET, MetEd.Link:

http://www.meted.ucar.edu/hydro/basic/HydrologicCycle_bp/print_version/print_index.htm