Silvio Simões (FEG/UNESP) ESTUDO EM BACIAS HIDROGRÁFICAS REPRESENTATIVAS: VISÃO INTEGRADA DAS ÁGUAS Projeto FAPESP – Programa Políticas Públicas MÓDULO 1: CICLO HIDROLÓGICO E BACIAS HIDROGRÁFICAS Silvio Simões (FEG/UNESP)

Tópicos do curso Evolução do conceito de ciclo hidrológico Ciclo hidrológico global Ciclo hidrológico em bacias Instrumentação para medição dos elementos do ciclo hidrológico

Observação do Vapor de Água na Troposfera Superior a partir de Satélite

Precipitação e evaporação Modelo climático do “Planeta água” (sem estações e sem continentes)

História do ciclo hidrológico 100 DC – Vitruvius percebeu que o aumento das vazões dos rios poderia estar relacionado a água proveniente das montanhas. Século XVI – Leonardo da Vinci estabeleceu um conceito equivocado de ciclo hidrológico mas estabeleceu com muita precisão a velocidade da água em canais abertos. 1563 – O francês Bernard Palissy publicou a correta versão do ciclo hidrológico. 3000 AC – “Nilômetros” foram usados para registrar a flutuação do rio Nilo. 400-300 A.C. - Aristóteles & Platão descreveram parte do ciclo hidrológico mas acreditavam que os rios eram proveniente de cavernas profundas, escuras e frias onde o ar era transformado em água. 400 AC – Um livro escrito pelo indiano Kautilya menciona a primeira medida quantitativa da chuva. Our understanding of the hydrologic cycle has developed through the centuries. Students with a historical orientation may find it interesting to examine how some of the previous understandings have been disproved or improved over time. The need to manage the land and water for social uses has been around for centuries. But a scientific understanding of the processes and interactions involved between land and water has been a relatively recent development in the western world. Additional information on some of these historical figures involved in perfecting our understanding of the hydrologic cycle can be found on the Internet. For example: “ Late in 1601, Iseppo and Gieronimo Paulini, forest owners living in the province of Belluno, submitted a memorandum to His Most Serene Highness the Doge of the Republic of Venice suggesting measures to prevent silting of the lagoon. Twenty illustrations and tables were attached to the memorandum, which constitutes one of the first, though elementary, manuals of silviculture, land use and management of catchment areas. The authors first drew the attention of the Doge to the inanity of the very expensive engineering works carried out in the past in the plains for the purpose of erosion and flood control, if the problem were not tackled at its very origin in the catchment areas. They pointed out convincingly that the silting of the lagoon had commenced about a hundred years earlier, following the farmers' deforestation of the mountains mainly by means of fire in order to enlarge their crops lands and grazing grounds. Erosion then set in, and as a result large quantities of rock particles and mud were conveyed to the sea by the rivers, eventually silting up the lagoon. Two different measures were advocated: strict prohibition of fires in the forests, to be enforced with close control by special guards and the infliction of heavy penalties to violators; and the construction of a tight net work of contour ditches on the slopes and between watercourses in the plains to lessen the impetus of the surface run-off and allow the silt to settle; being fertile, it should not be wasted by letting rivers convey it to the sea. It is interesting to note in this connexion the treatment suggested for the natural vegetation growing in the river beds and consisting mainly of willows, which should be cut every five years and not any later, as bigger-size shoots would not be flexible enough to slow down the running water without being uprooted.” (http://www.fao.org/docrep/x5382e/x5382e0a.htm; 6/03)

Reconstituição do Nilômetro

Visão de Leonardo da Vinci sobre o ciclo hidrológico Da Vinci calculando a velocidade da água em um curso d´água

História do ciclo hidrológico 1670 – O francês Pierre Perrault mediu corretamente os maiores elementos do ciclo hidrológico: precipitação, evapotranspiração, escoamento, e descarga da bacia ro rio Sena; estudos similares foram realizados por Marriote e Halley. século XVIII – Bernoilli, Chezy e outros deram grande avanço na hidráulica e no mecanismo de de compreensão do movimento da água. Século XIX – Darcy e Manning se destacaram pelos trabalhos experimentais a respeito do fluxo da água. 1910 – Inicio das pesquisa em hidrologia de floresta. A partir dos anos 30 do século XX a hidrologia passa a ter uma abordagem quantitativa, substituindo o empirismo, através do conceito de hidrógrafa (Sherman, 1932) e compreensão dos processos de infiltração (Horton, 1940). The role of watersheds in the hydrologic cycle became critical to water quality management, especially in the last 100 years.

A concepção do ciclo hidrológico em 1955 As can be seen from this graphic (1955), our basic understanding of the hydrologic cycle has remained relatively stable the past few decades. But our depth of understanding of each of these processes has been continually refined and quantified.

Ciclo Hidrológico Global Domenico and Schwartz, 1990.

PRECIPITAÇÃO Frentes Frias Efeito orográfico Convecção

Recurso Água na Terra 97,2% Oceanos 2,14% Geleiras 0,61% Águas Subterrâneas 0,009% Águas Superficiais 0,005% Umidade do Solo 0,001% Atmosfera

O ciclo hidrológico: Balanço hídrico global Diagram of the global water balance: a comparison of the amounts of water tied up in the following: Atmosphere – exp: humidity, cloud masses, etc. Continents – surface water (lakes, rivers) and ground water – aquifers Oceans and seas Polar Ice and glacial ice – Greenland and the north pole and Antarctica W = water content (103km3) Arrows represent transport (precipitation and evaporation) of water (103km3) per year– units are 103km3 yr-1  = retention time in years As noted on the slide – ground water is estimated up to 5 km depth into the earths crust.

- = Balanço hídrico continental Precipitação (P) 50 cm 20” 75cm 30” 100cm 40” 150cm 60” 25 cm 10” - Precipitação (P) Evapotranspiração (Et) = P = ET + R Escoamento (R)

Balanço hídrico anual dos continentes P (mm) S (mm) Et (mm) Razão (S/P) África 690 140 550 0,20 Ásia 720 290 430 0,40 Austrália 740 230 510 0,31 Europa 730 320 410 0,44 Am. do Norte 670 380 0,43 Am. do Sul 1650 590 1060 0,36

TEMPO DE RESIDÊNCIA (Tr) Corresponde ao tempo que uma “parcela” de água permanece em um determinado reservatório S = armazenagem; mq = fluxo de entrada; mi = fluxo de saída

Tempo de residência para a água no ciclo hidrológico Parte da hidrosfera Volume de água (x 1000 k3) Volume de água (%) Tempo de residência (anos) Oceanos 1370000 94,2 Cerca de 3000 anos Água subterrânea 60000 4,1 2 semanas a 10000 anos Calotas polares 24000 1,7 10 a 10000 anos Lagos – água doce 125 0,008 Cerca de 10 anos Lagos – água salgada 155 0,01 Umidade do solo 80 0,005 2 semanas a 1 ano Atmosfera 14 0,001 Cerca de 10 dias Rios 2 0,0007 Cerca de 2 semanas

Quais são os recursos hídricos superficiais? Volume dos rios: 2.000 km3 (0,0007%) Fluxo annual: 45.000 km3 (consumo humano de 3800 km3, daí a necessidade de se construir reservatórios que equivalem a 7600 km3) www.noaa.gov/str-plan/images/river.gif The miles of rivers and streams in the United States is equivalent to more than 140 times the circumference of the earth – 140 trips around the equator. Identify some of the regional rivers and streams known by the students.

Volume de água nos lagos: 250.000 km3 Bem superior aos rios; entretanto, quase toda a água é concentrada em 40 lagos principalmente na América do Norte http://coastwatch.glerl.noaa.gov/ http://coastwatch.glerl.noaa.gov/

? Se a quantidade de água utilizada pelos seres humanos é menos que 10% dos recursos hídricos disponíveis nos rios por que então ocorre o problema da água? O que isto tem haver com o clima e com o ciclo hidrológico ?

Alta variabilidade dos recursos hídricos no espaço

e no tempo… vazões entre o período chuvoso e seco pode variar muito. Exemplos: Rio Piracicaba: variação entre 556,7 e 25,94 m3/s (22 vezes) – 1943-1992; Rio Camanducaia: variação entre 72,37 e 2,21 m3/s (33 vezes) – 1943-1991. Quanto menor a bacia maior tende a ser a diferença...

pode variar muito mesmo... Região Amazônica

O fluxo de água durante as inundações e as estações chuvosas não podem ser utilizadas na estação seca;

Distribuição espacial muito irregular: descarga nos rios dos desertos em torno de zero e no rio Amazonas é maior que 200.000 m3/s

Muitas regiões tem “índice de escassez elevado” (maior que 0,4) Rws: (W-S)/Q W – retirada de água; S – água usada por dessalinização; Q – água disponível Quais são estas regiões?

Ciclo hidrológico global e vegetação

Floresta Tropical

Floresta Tropical -found near the equator -temperature varies little from approximately 23°C -the length of daylight varies from 12 hours by less than one hour -rainforest>2000mm

Floresta de Cerrado

Floresta de Cerrado -found in the tropics (but > 10° latitude) -pronounced dry season with <5 cm rainfall in some months

Região Sudeste Precipitação SON DJF MAM JJA Tempo

Conceito de bacia hidrográfica Unidade natural ou modificada de terreno no qual toda a água em seu interior se movimenta por gravidade se dirigindo para um ponto de saída (exutório). A definição costuma incluir estruturas feitas antropicas como estacionamentos e canais de drenagem (Black, 1996)

Ciclo hidrológico de bacias Charbeneau, 2000.

Ciclo Hidrológico Global Ciclo Hidrológico de Bacia Domenico and Schwartz, 1990.

O ciclo hidrológico: modelo ativo http://www.in.gov/idem/water/kids/waterpix/watercycleimage2.gif

Balanço hídrico em uma bacia hidrográfica P = Rs + Rss + G + E + T + It P – precipitação Rs – Escoamento superficial Rss – Escoamento sub-superficial G – água subterrânea Et – Evapotranspiração It - Interceptação

P T It E Rs Rss G

Simplificação do balanço hídrico da bacia ...

Ciclo Hidrológico em Bacias – Interação água subterrânea / água de superfície

Ganho de água no rio Perda de água no rio Perda de água no rio 12 Perda de água no rio Nível freático desconectado do rio USGS Circ 1186

Funções hidrológicas de uma bacia hidrográfica Capturar a precipitação – as características da bacia podem (ou não) influenciar na quantidade de precipitação capturada; Armazenar água desde que haja boas condições para infiltração; Liberar água para córregos, rios e oceano

Por que as bacias hidrográficas são importantes? Nós todos vivemos em uma bacia hidrográfica Atividades no interior da bacia impacta o escoamento e a qualidade da água que deixa a bacia Deve-se gerenciar em nível de bacia hidrográfica antes que em outros limites para se atingir os objetivos relacionados ao escoamento e a qualidade da água

Azul mais claro = Nível freático mais próximo a superfície Violeta = Nível freático mais profundo Mais escuros = Menor elevação Mais claro = Maior elevação

Fonte: Luiz Rizzo

Características fluvio-morfológicas Forma da bacia Efeito sobre o comportamento dos rios particularmente em pequenas bacias. O tempo de concentração pode ser usado para auxiliar neste estudo.

Coeficiente de conformação (Kc) Forma da bacia Comparação com formas conhecidas: circulo, pêra, retângulo, banana, charuto Avaliação numérica para relacionar com parâmetros de escoamento (tempo de resposta e pico de inundação) Coeficiente de conformação (Kc) P – perímetro; A - área

Ordenamento dos canais da rede de drenagem

Indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem. Densidade de drenagem Indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem. L – comprimento dos canais em quilômetros A – área da bacia Aparentemente quanto maior Dd mais eficientemente a bacia e drenada; Dd esta associada com escoamento rápido; quanto maior Dd menor a infiltração e a capacidade de armazenamento da bacia; Limitado valor como uma variável independente: Varia em função da precipitação Escala do mapa Forma da bacia Condições geológicas Baixa < 5,0 Media 5,0-13,7 Alta 13,7 – 155,3 Muito Alta > 155,3

Por quê a diferença na densidade de drenagem?

Sub-bacia I II III IV V VI VII Dd (kmkm2) 3,5 3,8 3,2 4,3 3,4 3,0 3,3