Apostila de Recursos Hidricos de Hidrologia Aplicada

Apostila de Recursos Hidricos de Hidrologia Aplicada

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SÃO PAULO, 28 DE JUNHO DE 1999

Conceitos Básicos e Fundamentos

A água é um mineral presente em toda a Natureza, nos estados sólido, líquido e gasoso. É um recurso natural peculiar, pois se renova pelos processos físicos do ciclo hidrológico em que a Terra se comporta como um gigantesco destilador, pela ação do calor do Sol e das forças da gravidade. É, ainda, parte integrante dos seres vivos, e essencial à vida.

Um atributo notável da água é ser bem de múltiplos usos, destinando-se aos mais diversos fins, como abastecimento público, geração de energia elétrica, navegação, dessedentação de animais, suprimento industrial, crescimento de culturas agrícolas, conservação da flora e da fauna, recreação e lazer. Além disso, recebe, dilui e transporta esgotos domésticos, efluentes industriais e resíduos das atividades rurais e urbanas. Na maioria das vezes consegue assimilar esses despejos, regenerando-se pelo emprego de processos físicos, químicos e biológicos. No entanto, e com muita freqüência, verifica-se a concentração de populações humanas, de indústrias, de atividades agrícolas e socioeconômicas fazendo uso excessivo da capacidade hídrica das bacias, de regiões hidrográficas e dos aqüíferos subterrâneos. Sob essas condições, a água passa a ser escassa, o que leva à geração de conflitos entre seus diversos tipos de usos e usuários. Nas regiões semi-áridas a escassez resulta das baixas disponibilidades hídricas e das irregularidades climáticas. Já nas regiões úmidas, e devido à sua contaminação, a água se torna indisponível para os usos mais exigentes quanto aos padrões de qualidade, dando origem também à escassez.

Outro aspecto fundamental da água é o desequilíbrio provocado pelos eventos hidrológicos extremos, como as secas e as inundações. As secas trazem enormes problemas à imensa população brasileira das regiões semi-áridas, causam pobreza, desnutrição e êxodo para as grandes cidades. As enchentes, agravadas pelo desmatamento e pela impermeabilização do solo urbano, são responsáveis por prejuízos econômicos e sociais incalculáveis e pelos riscos à saúde e à qualidade de vida dos habitantes das áreas assoladas.

A poluição e a contaminação da água são as principais causas da incidência de enfermidades, em especial nas populações de baixa renda não atendidas pelos sistemas de abastecimento de água potável e de coleta e disposição de esgotos sanitários. As doenças de veiculação hídrica causam o maior número de internações hospitalares e nomeiam grande parte dos índices de mortalidade infantil.

A utilização econômica fez com que a água passasse a ser reconhecida como um recurso hídrico, semelhante aos recursos minerais quando utilizados economicamente. Por outro lado, a escassez da água está fazendo com que se torne não mais um bem livre, abundante e disponível a todos, mas um recurso parco, ao qual é atribuído valor econômico e cuja utilização deve ser objeto de pagamento pelos usuários.

Os conflitos de utilização da água têm aspectos econômicos, sociais e ambientais que não podem ser resolvidos unicamente pelos técnicos de formação em ciências exatas. Novas categorias de profissionais, formados em ciências humanas precisam participar das soluções dos conflitos, nos processos de negociação entre o poder púbico e a sociedade.

Com isto os engenheiros, geólogos, agrônomos, tecnólogos e economistas precisam conviver, interagir, e atuar em sinergia com sociólogos, cientistas sociais e comunicadores, formando equipes multidisciplinares de recursos hídricos. Essas equipes terão de ir a campo para interagir com os usuários das águas, com as comunidades urbanas e rurais, com os industriais, agricultores e ambientalistas a fim de encontrar, em processo de negociação complexo e difícil, as soluções de consenso para os conflitos de uso dos recursos hídricos.

Este é o grande desafio que o Estado de São Paulo e o Brasil estão enfrentando no momento a partir da moderna legislação de recursos hídricos promulgada em São Paulo, em 1991, e no âmbito nacional em 1997.

Com esta publicação a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo pretende informar aos seus alunos o que consta dessas leis e quais os desafios com que os engenheiros se defrontarão para que possam participar do processo de desenvolvimento institucional que atualmente ocorre na área de recursos hídricos no País.

A Declaração de Dublin sobre Recursos Hídricos e Desenvolvimento, aprovada em evento preparatório à Conferência do Rio de Janeiro sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento em 1991, destaca:

“A escassez e o desperdício da água doce representam séria e crescente ameaça ao desenvolvimento sustentável e à proteção do meio ambiente. A saúde e o bem-estar do homem, a garantia de alimentos, o desenvolvimento industrial e o equilíbrio dos ecossistemas estarão sob risco se a gestão da água e do solo não se tornar realidade, na presente década, de forma bem mais efetiva do que tem sido no passado.”

Princípios mais importantes da Declaração de Dublin:

“1. A água doce é um recurso finito e vulnerável, essencial para a conservação da vida, a manutenção do desenvolvimento e do meio ambiente.

2. O desenvolvimento e a gestão da água devem ser baseados em participação dos usuários, dos planejadores e dos decisores políticos, em todos os níveis.

3. As mulheres devem assumir papel essencial na conservação e gestão da água.

4. A água tem valor econômico em todos os seus usos competitivos; deve-se promover sua conservação e proteção.”

Hidrologia é a ciência que trata da água da Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida. (Definição recomendada pela United States Federal Council of Sciencie and Technology, Comittee for Scientific Hidrology 1962.) A Hidrologia, de início apenas Quantitativa, cedeu espaço de modo progressivo à Hidrologia Ambiental, para permitir o enfoque integrado dos aspectos de quantidade e de qualidade da água. Deu lugar à Hidrologia das Águas Subterrâneas, com o fim de valorizar os enormes volumes de água acumulados no subsolo, e à Hidrologia Urbana frente aos complexos problemas de inter-relação entre o uso do solo urbano e as enchentes. Todas essas especialidades estão se integrando com o suporte de métodos de análises de sistemas, no campo da Engenharia de Recursos Hídricos, em que os aspectos econômicos, sociais e ambientais são evidenciados nos estudos que consideram múltiplos objetivos.

A integração da Hidrologia com outras ciências, exatas e humanas, está sujeita à constituição de equipes multidisciplinares nas quais participem engenheiros, geólogos, agrônomos, tecnólogos, economistas, advogados, sociólogos, cientistas sociais e comunicadores. A formação e a integração desses profissionais pode depender de treinamento especializado e de cursos de pós-graduação que permitam uniformizar conceitos e transmitir experiências interdisciplinares.

Bacia hidrográfica em uma determinada seção hidráulica de um curso d’água é a área de drenagem contida pelo divisor de águas definido pela topografia da região, sendo essa seção a única saída da água da chuva que escoando pela superfície do solo contribui para sua vazão.

Na bacia hidrográfica desenvolvem-se atividades humanas que utilizam a água para múltiplas finalidades, inclusive de recepção, diluição e assimilação de esgotos urbanos, de efluentes industriais e de rejeitos agrícolas. Os usos da água são consuntivos - abastecimento urbano, industrial e irrigação - que registram perdas por evaporação, infiltração no solo, evapotranspiração, absorção pelas plantas e incorporação a produtos industriais, e não consuntivos - geração hidrelétrica e navegação fluvial - que não afetam a quantidade da água disponível.

O balanço entre a disponibilidade e a demanda de água para diversos fins, indica a situação hídrica de escassez ou de abundância da bacia hidrográfica.

Pode-se estabelecer o balanço hídrico de uma bacia hidrográfica medindo-se as chuvas nos postos pluviométricos locais ou vizinhos e as vazões escoadas na seção fluviométrica.

Hidrologia das Águas Subterrâneas é a ciência que estuda a ocorrência, a movimentação e a distribuição da água na parte subterrânea da Terra. Há vinte anos essa definição seria adequada à maioria dos estudos hidrológicos; mas hoje em dia deve-se ampliá-la para incluir o aspecto qualidade da água subterrânea, objeto de redobrada atenção nos países em ritmo acelerado de industrialização.

De modo geral, a água subterrânea tem origem na superfície terrestre e está estreitamente ligada à água superficial. Porém, devido às diferenças entre esses ambientes e também à tendência natural dos seres humanos de compartimentar sistemas complexos, tanto a hidrologia da água superficial como a da água subterrânea são estudadas de forma isolada, com pouca consideração à complexa interligação hidrológica entre elas.

É preciso, porém, que os estudos de recursos hídricos de escala regional considerem que a água pode movimentar-se várias vezes entre os aqüíferos, os rios e a atmosfera ao longo do caminho para o mar.

Um aqüífero é uma formação geológica com suficiente permeabilidade e porosidade interconectadas para armazenar e transmitir quantidades significativas de água sob gradientes hidráulicos naturais. A expressão “quantidades significativas” refere-se à utilização que se pretenda dar à água subterrânea, isto é, às vazões que possam ser explotadas. As formações geológicas de baixa permeabilidade que armazenam água, mas não permitem extração econômica, chamam-se aquitardes.

Os aqüíferos podem ser não confinados, freáticos ou livres quando sua superfície superior está submetida à pressão atmosférica. Os aqüíferos artesianos ou confinados são formações permeáveis intercaladas por camadas impermeáveis sob pressão maior que a atmosférica. Dependendo da situação e das características locais, os poços perfurados nesses aqüíferos podem ser jorrantes.

Figura 1 – bacias do Alto Tietê , Piracicaba e Baixada Santista

A água constitui recurso natural renovável através dos processos físicos do ciclo hidrológico. Movida pela ação da energia solar evapora-se dos oceanos, dos lagos, dos rios e da superfície terrestre. Precipita-se sob a forma de chuva, neve ou gelo. Corre pela superfície, infiltra-se no subsolo, escoa pelos corpos d’água superficiais e pelos aqüíferos subterrâneos. É absorvida pelas plantas que a transpiram para a atmosfera, da qual torna a precipitar-se e assim sucessivamente.

Segundo avaliações efetuadas no âmbito do Decênio Hidrológico Internacional da UNESCO (local e data), estima-se que a disponibilidade hídrica da Terra atinja a 1.380 milhões de km3 de água salgada, ou seja, 97,3% do total. A água doce corresponde aos restantes 2,7% e forma um volume de 38 milhões de km3, dos quais 7,2% encontram-se em estado sólido nas calotas polares e geleiras; 2,4% estão armazenados como água subterrânea; 0,35% formam os lagos e os pântanos; 0,04% permanecem na atmosfera, e 0,01% forma os rios. Toda a água doce da Terra disponível em rios e lagos equivale a 0,36% do total e representa um cubo de 52 km de aresta, número que se inclui em uma ordem de grandeza perfeitamente imaginável.

O ciclo hidrológico é fechado, mas adota-se a atmosfera como ponto inicial de origem da água na qual existe sob a forma de vapor, partículas líquidas, gelo ou neve. Quando as partículas de água formadas por condensação do vapor atingem determinada dimensão, precipitam-se em forma de chuva. Se na queda atravessam zonas de temperatura inferior a 0o C pode haver formação de partículas de gelo, dando origem ao granizo. No caso de a condensação ocorrer sob temperaturas abaixo do ponto de congelamento, há formação de neve. Quando a condensação se verifica sobre uma superfície sólida ocorre o orvalho ou a geada, conforme seja a temperatura superior ou inferior a 0oC.

Parte da precipitação não atinge o solo devido à evaporação, durante a própria queda, ou porque é retida pela vegetação, perda a que se dá o nome de interceptação. Do volume que atinge o solo parte se infiltra, parte escoa pela superfície e parte evapora-se diretamente ou através das plantas, fenômeno conhecido como transpiração.

A infiltração é o processo de penetração da água no solo. Quando a intensidade da precipitação excede a capacidade de infiltração, a água escoa na superfície. Em primeiro lugar, preenche as depressões do

Figura 2 – esquema de um aquífero

terreno. Em seguida, inicia-se o escoamento superficial propriamente dito: a água procura os canais naturais que vão concentrar-se nos vales principais, formando os cursos dos rios, para finalmente dirigir-se aos lagos, mares e oceanos. Nesse processo pode ocorrer infiltração ou evaporação, conforme as características do terreno e a umidade ambiente da zona atravessada. A água retida nas depressões ou como umidade superficial do solo pode ainda evaporar-se ou infiltrar-se. Em estado líquido, pela energia recebida do Sol ou de outras fontes, a água pode retornar ao estado gasoso, fenômeno chamado de evaporação e ao qual se atribui o equilíbrio do ciclo hidrológico.

As plantas retiram umidade do solo que utilizam em seu crescimento e eliminam na atmosfera sob a forma de vapor, ao que se dá o nome de transpiração. Em muitos estudos a evaporação do solo e das plantas é considerada em conjunto sob a denominação de evapotranspiração.

A água que se infiltra no solo movimenta-se através dos vazios existentes por percolação e, eventualmente, atinge uma zona saturada formando o lençol subterrâneo que poderá interceptar uma vertente, retornando à superfície para alimentar os rios, ou mesmo os oceanos, ou formar lençóis artesianos entre camadas impermeáveis.

Na fase aérea do ciclo hidrológico a água é pura porque nos processos de evaporação e de precipitação tudo se passa como se houvesse um gigantesco destilador. Entretanto, a água é límpida apenas enquanto vapor e no momento da condensação. Logo as impurezas começam a acumular-se; os gases dissolvem-se nas gotas das chuvas que ao atingir a superfície do solo dissolvem substâncias como cálcio, magnésio, sódio, bicarbonatos, cloretos, sulfatos e nitratos. Aparecem traços de alguns metais como chumbo, cobre, manganês e compostos orgânicos provenientes em grande parte dos processos de decomposição que ocorrem no solo. As águas superficiais e subterrâneas adquirem impurezas que sofrerão variações com a geologia local, a vegetação e o clima.

A composição química das águas subterrâneas depende da litologia do local do aqüífero, uma vez que o tempo de sua exposição à rocha é muito maior que o das águas superficiais. Passam a ter em suspensão ainda organismos vivos, como bactérias e algas, vírus, e substâncias orgânicas com origem nas atividades humanas, além de metais pesados, óleos e graxas. De fato, a ação antropogênica é a que mais alterações provoca na qualidade das águas e causa sua poluição e contaminação.

Figura 3 – esquema de ciclo hidrológico

Hidrometria é a ciência que trata da medida e da análise das características físicas e químicas da água, inclusive dos métodos, técnicas e instrumentação utilizados pela Hidrologia.

A água existe em praticamente todo o Planeta - na atmosfera, na superfície dos continentes, nos mares e oceanos e no subsolo - e encontra-se em permanente circulação, ao que se convencionou chamar de ciclo hidrológico.

Face à sua complexidade, o estudo do ciclo hidrológico foi compartimentado. Hoje é objeto de análise por especialidades como meteorologia, hidrogeologia, oceanografia, limnonologia e ecologia. A Hidrologia passou então a ter campo mais restrito, preocupando-se basicamente com os aspectos quantitativos da fase terrestre do ciclo hidrológico e suas interfaces imediatas. A Hidrometria, em correspondência, dedicouse a estudar e a medir as chuvas, as vazões dos cursos d’água, a evaporação e a infiltração, isto é, as variáveis hidrológicas e hidrometeorológicas que permitem a caracterização hidrológica das bacias hidrográficas. Para isso são instaladas e operadas redes de observação de postos pluviométricos, fluviométricos e hidrometeorológicos.

As chuvas são medidas por pluviômetros e pluviógrafos que coletam e registram a altura da água precipitada em milímetros, o que pode ser convertido em volume por unidade de área ou vazão da água, neste caso se também for medido o tempo em que ocorreu a precipitação.

As vazões são estimadas com base na medição das velocidades observadas em uma seção hidráulica do curso d’água. Estabelece-se uma curva de cotas do nível de água, as vazões correspondentes e as medições sistemáticas passam a ser a das cotas com as quais se estimam as vazões.

Nos postos hidrometeorológicos são medidas grandezas como temperatura, umidade do ar, radiação, insolação, velocidade do vento e evaporação potencial, a partir de tanques de evaporação. Essas medições permitem estimar a evapotranspiração observada na Natureza.

Os investimentos nas redes de observação são vultosos e os resultados obtidos são utilizados somente a médio e longo prazos; freqüentemente hidrólogos e hidrometristas vivem à míngua, disputando os escassos recursos dos orçamentos públicos.

Do mesmo modo que a Hidrologia alargou suas fronteiras para estudar a qualidade das águas, os níveis e os volumes das águas subterrâneas, a Hidrometria também precisou ampliar a gama de dados observados, como, por exemplo, os parâmetros de qualidade físicos, químicos e biológicos, as descargas de sólidos em suspensão, os níveis piezométricos e outros. Ampliaram-se os custos e os recursos escassos ficaram ainda mais difíceis.

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