Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 1 – Introdução ANO 2016 Camilo Daleles Rennó Laura De Simone Borma

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1 Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 1 – Introdução ANO 2016 Camilo Daleles Rennó Laura De Simone Borma http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/

2 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

3 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 dados derivados de sensores remotos Modelagem hidrológica – várias escalas (espaciais e temporais) de entendimento e entendimento/previsão dos processos Hidrologia e Processos Hidrológicos

4 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 Produção de Energia, Irrigação, Navegação, etc...

5 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 ContinenteOceano ênfase do curso

6 O Ciclo Hidrológico Global http://www.bom.gov.au/info/climate/change/gallery/8.shtml Ciclo Global da Água Transporte de vapor Nuvens Precipitação Transpiração Evaporação Descarga de Rios Percolação Fluxo de água subterrânea Oceano Gelo e Neve Água subterrânea Estoque 10 12 m 3 Fluxos 10 12 m 3 /ano

7 Distribuição da Água no Mundo Geleira e Calotas Polares 68,7% Água no Solo 30,1% Água na Superfície e outros 1,2% 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 Água Salgada (oceano) 97,0% Água Doce 2,5% Total Águas Salinas (outros) 0,9% Rios 0,49% “Brejos” 2,6% Água Doce Superficial Lagos 20,9% Gelo subterrâneo e Pergelissolo (Permafrost) 69% Umidade do Solo 3,8% Atmosfera 3,0% Organismos Vivos 0,26%

8 Toda água do planeta Água doce (líquida) Água doce em lagos e rios (1) Toda a água do mundo: ~1400 km diâmetro Distribuição da Água no Mundo http://water.usgs.gov/edu/earthwherewater.html (2) Água doce no solo, lagos, áreas alagáveis e rios: ~270 km diâmetro (3) Água doce em lagos e rios: ~ 56 km - diâmetro

9 Níveis de Detalhamento http://www.ib.usp.br/ecologia/ecossistema_print.htm 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

10 Rocha chuva Componentes do Ciclo Hidrológico

11 Rocha chuva evaporação Componentes do Ciclo Hidrológico

12 Rocha chuva infiltração Componentes do Ciclo Hidrológico

13 Rocha chuva escoamento superficial Componentes do Ciclo Hidrológico

14 Rocha lençol freático Componentes do Ciclo Hidrológico Zona de Saturação Zona de Aeração (não saturada)

15 rocha lençol freático percolação infiltração escoamento superficial chuva evaporação (interceptação) Componentes do Ciclo Hidrológico Zona de Aeração (não saturada) Zona de Saturação

16 gás carbônico fotossíntese água Componentes do Ciclo Hidrológico Fonte: https://www.agrolink.com.br/fertilizantes/NutricaoFolhasAnatomiaFoliar.aspx

17 lençol freático percolação fluxo ascendente infiltração escoamento superficial chuva evaporação (interceptação)transpiração evaporação rocha fluxo de base evapotranspiração* Componentes do Ciclo Hidrológico Zona de Aeração (não saturada) Zona de Saturação Zona de Raízes *Alguns modelos consideram a evaporação por intercepção com parte da evapotranspiração drenagem profunda

18 Modelando um problema...

19 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 Um modelo é sempre uma simplificação da realidade! Modelagem Modelo de Balanço de Água no Solo tempo t+1 ? tempo t ES V  V = E - S

20 tempo t tempo t+1 Modelo de Balanço de Água no Solo V t+1 = V t + E t+1 – S 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 Um modelo é sempre uma simplificação da realidade!

21 Modelagem Hidrológica Realidade: »fenômenos tridimensionais e dinâmicos »variações contínuas no espaço e no tempo »comportamentos não lineares »componentes aleatórios »múltiplas escalas de tempo e espaço processos ambientais Como representar estes processos? >> simplificação <<

22 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

23 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/parâmetros? »É fácil de usar? Tem interface amigável? Modelagem

24 Modelagem Hidrológica Classificação »determinístico ou estocástico modelo XY X Y »baseado em processos ou empírico * * ** * ** ** * * »contínuo ou discreto (no tempo) tt »concentrado ou distribuído (no espaço) »estático ou dinâmico X t+1 = f(X t ) modelo Y X

25 Modelagem Hidrológica http://forumirrigacao.blogspot.com.br/2012/07/agricultura-irrigada-sustentavel-e-o.html