“Os rios correm para o mar, mas os oceanos ainda não estão cheios.”
Rei Salomão
A hidrologia estuda as águas na terra. A engenharia utiliza a hidrologia no projeto e operação de hidrelétricas, dentre outras aplicações.
Ciclo Hidrológico
O estudo da hidrologia começa com o conceito do Ciclo Hidrológico. Os oceanos armazenam 97% da água na terra e não “transbordam” nem secam por causa do ciclo hidrológico.
O ciclo hidrológico inicia com a Evaporação das águas no planeta. As massas de ar em circulação na atmosfera transportam o vapor d’água para diversas regiões do globo. Em condições especiais, este vapor se transforma em nuvens, que podem precipitar na forma de chuva, neve ou granizo. Parte significativa da Precipitação ocorre sobre os próprios oceanos e, desta forma, o ciclo se fecha.
A parcela que cai sobre os oceanos se torna inútil para a geração de energia porque a água já se encontra no nível mais baixo possível. Por isso, vale mais chover em São Paulo do que no Rio de Janeiro do ponto de vista energético. Quanto maior a precipitação em terras elevadas maior o potencial de geração hidrelétrica.
O solo armazena parte da água precipitada, a evaporação direta devolve outra parte para a atmosfera, e a transpiração dos seres vivos devolve outra parcela. Denomina-se de Evapotranspiração a combinação desses dois últimos processos.
O Escoamento superficial representa a parcela que flui sobre a superfície da terra formando córregos, lagos e rios até chegar aos oceanos. Por isso, o Escoamento Superficial se torna o elemento mais importante na geração hidrelétrica.
Parte da precipitação penetra no solo-Percolação, formando o sistema de águas subterrâneas. Elas também sofrem a ação da gravidade e fluem para regiões mais baixas e eventualmente terminam nos oceanos. Denomina-se este fenômeno de Escoamento Subterrâneo.
A Figura 2 mostra a distribuição da água no planeta. A água subterrânea e o gelo respondem por quase toda a água armazenada fora dos oceanos, mas representa apenas 3,5% da reserva total de água.
Figura 2. Distribuição da Água no Planeta
Os escoamentos resultam da precipitação e se relacionam, o superficial depende do subterrâneo, e vice-versa. Parte do escoamento superficial infiltra no solo – Percolação– formando as águas subterrâneas que, por sua vez, voltam à superfície através das nascentes ou da transpiração das plantas.
Todo o fluxo da água na terra depende de diversos fatores, tais como a topografia da região, da geologia do terreno, da vegetação, da temperatura, da umidade, e do clima.
Balanço Hídrico
O Balanço Hídrico representa a base da hidrologia e equivale ao fluxo de potência na engenharia elétrica, sendo o escoamento superficial associado à potência ativa porque gera energia e o escoamento subterrâneo associado à potência reativa porque não gera energia diretamente.
A variação da água armazenada corresponde à soma dos fluxos que entram menos a soma dos fluxos que saem num determinado ponto e/ou região. Isto equivale à lei dos nós em circuitos elétricos. 1
A Equação 1 relaciona o escoamento superficial com a variação de água acumulada na superfície e o acoplamento com o escoamento subterrâneo2.
Onde:
-
- ΔSs é a variação da água superficial acumulada na região;
- P é a precipitação na região;
- Q1s é a vazão afluente superficial na região;
- Q2s é a vazão defluente superficial na região;
- Qg é a vazão nascente;
- Es é a evaporação superficial na região;
- Ts é a transpiração superficial na região;
- I é a infiltração na região;
Analogamente, a Equação 2 relaciona os fluxos subterrâneos e o acoplamento com o superficial:
Onde:
-
- ΔSg é a variação da água subterrânea armazenada na região.
-
I é a infiltração na região;
-
Q1g é o escoamento afluente subterrâneo na região;
-
Q2g é o escoamento defluente subterrâneo na região;
-
Eg é a evaporação das águas subterrâneas;
-
Tg é a transpiração das águas subterrâneas;
- ΔS é a variação total de água armazenada na região;
- P é a precipitação na área em questão;
-
ΔQs é a diferença entre as vazões superficiais defluente e afluente da região;
-
ΔQg é a diferença entre as vazões subterrâneas defluentes e afluentes da região;
-
E é a evaporação total;
-
T é a transpiração total;
A Figura 4 apresenta o modelo simplificado utilizado nesse curso para a análise de usinas hidrelétricas. As vazões afluentes, turbinadas e vertidas se encontram disponíveis na página do ONS. Numa primeira aproximação, pode-se desconsiderar a precipitação nos reservatórios porque a área da bacia supera a área dos reservatórios e considerar o fluxo líquido com o sistema subterrâneo nulo. Desta maneira, considera-se apenas no estudo das vazões afluente, vertida e turbinada.
A vazão afluente consiste na vazão que chega ao reservatório da usina, vazão turbinada a vazão que passa pelas turbinas gerando energia elétrica e a vazão vertida a que passa pelo vertedouro, que representa perda de energia.
A Figura 5 apresenta o balanço hídrico do planeta. Observa-se que a maior parte da evaporação e da precipitação ocorre nos oceanos. A precipitação em terra supera a soma da evaporação com os escoamentos superficiais. Isto significa que existe um acúmulo de água subterrânea em terra firme. Esta característica determina a viabilidade de vida fora dos oceanos. Além disso, o escoamento superficial supera muito o escoamento subterrâneo. Isto não surpreende porque líquidos fluem mais rapidamente em superfícies livres do que em meios porosos. Isto reforça a validade de desconsiderar o fluxo subterrâneo no estudo simplificado das hidrelétricas.
Figura 5. Balanço Hídrico do Planeta
A Figura 6 mostra a evaporação e o escoamento superficial nos diversos continentes. A Ásia apresenta o maior escoamento superficial do mundo e a América do Sul possui o segundo maior.
A Tabela abaixo apresenta os dados hidrológicos mais detalhados por continente.
Observa-se que a América do Sul possui a maior densidade de vazão superficial apesar da Asia apresentar o maior escoamento superficial anual. Adicionalmente, como o escoamento superficial na América do Sul ocorre a leste da cordilheira dos Andes, o Brasil possui o maior potencial hidrelétrico da região.
CHOW, V.T., MAIDMENT, D.R., MAYS, L.W., Applied Hydrology, McGraw-Hill, 1988.Escoamento Superficial Global
wdt_ID Continente Escoamento Anual [km3] Participação [%] Área [Tm2] Vazão [l/s/km2] UHE [GW] UHE [TWh] Reversível [GW]
1
Europa
3.210
6,90
10,50
9,70
254,00
674,00
55,00
2
Asia
14.410
30,80
43,50
10,50
646,00
2.126,00
76,00
3
Africa
4.570
9,80
20,12
4,80
38,00
140,00
3,00
4
América N
8.200
17,50
24,20
10,70
205,00
724,00
23,00
5
América S
11.760
25,10
17,80
20,90
177,00
690,00
1,00
6
Austrália
348
0,70
76,83
1,40
9,00
15,00
1,00
7
Oceania
2.040
4,40
12,67
51,10
8
Antártica
2.230
4,80
13,98
5,10
0,00
0,00
0,00
9
Total
46.768
100,00
149,02
10,00
1.329,00
4.369,00
159,00
- A Asia inclui Japão, Filipinas e indonésia
- A Africa inclui Madagascar.
- A América do Norte inclui a América Central
- Australia inclui a Tasmania.
Bibliografia
- VIESSMAN, W., LEWIS, G.L., Introduction to Hydrology, 5 edição, Prentice Hall, 2003.
- GARCEZ, L.N., ALVAREZ, G.A., Hidrologia, 2 edição, Edgard Blücher, São Paulo, 1988.
- McCUEN, R.H., Hydrologic Analysis and Design, 2 edição, Prentice Hall, 1989.
- McCUEN, R.H., Modeling Hydrologic Change – Statistical Methods, Lewis Publishers, 2003.
- SHAW, E.M., Hydrology in Practice, 3 edição, Taylor & Francis e-Library, 2005.
- DAVIE,T., Fundamentals of Hydrology, 2 edição, Taylor & Francis e-Libray, 2008
- BERTAZI, M.H., ASSAF, E.M., SANTOS,S.A.M., O Sistema de Informação Geográfica (SIG) como instrumento de Percepção Ambiental e Construção de Material Didático de Apoio ao Estudo das Bacias Hidrográficas, Revista Eletrônica de Ciências, 49, jun 2011, disponível em <http://www.cdcc.sc.usp.br/ciencia/artigos/art_49/sig.html>, Acesso em: 28 fev. 2015.
- OLIVEIRA, R.P., Hidrologia e Recursos Hídricos, 20010/2011, Instituto Técnico Lisboa, disponível em<https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/…/IST_HRH_201011_Trab1_v1.pdf>, Acesso em:28 fev. 2015.
- H. GLEIK, Ed., Water in Crisis – A Guide to the World Fresh Water Resources. New York: Oxford, 1993.
- CHOW, V.T., MAIDMENT, D.R., MAYS, L.W., Applied Hydrology, McGraw-Hill, 1988.