Hidrologia - Hydrology
Hidrologia (do grego: ὕδωρ , "hýdōr" que significa "água" e λόγος , " lógos " que significa "estudo") é o estudo científico do movimento, distribuição e gerenciamento da água na Terra e em outros planetas, incluindo o ciclo da água , recursos hídricos e sustentabilidade ambiental das bacias hidrográficas. Um praticante de hidrologia é chamado de hidrólogo. Os hidrólogos são cientistas que estudam ciências terrestres ou ambientais , engenharia civil ou ambiental e geografia física . Usando vários métodos analíticos e técnicas científicas, eles coletam e analisam dados para ajudar a resolver problemas relacionados à água, como preservação ambiental , desastres naturais e gestão da água .
A hidrologia subdivide-se em hidrologia de águas superficiais, hidrologia de águas subterrâneas (hidrogeologia) e hidrologia marinha. Os domínios da hidrologia incluem hidrometeorologia , hidrologia de superfície , hidrogeologia , gestão de bacias hidrográficas e qualidade da água , onde a água desempenha um papel central.
A oceanografia e a meteorologia não estão incluídas porque a água é apenas um dos muitos aspectos importantes dentro desses campos.
A pesquisa hidrológica pode informar a engenharia, política e planejamento ambientais .
Galhos
- A hidrologia química é o estudo das características químicas da água.
- Ecohidrologia é o estudo das interações entre os organismos e o ciclo hidrológico.
- Hidrogeologia é o estudo da presença e movimento das águas subterrâneas.
- A hidrogeoquímica é o estudo de como a água terrestre dissolve os minerais do intemperismo e seu efeito na química da água.
- Hidroinformática é a adaptação da tecnologia da informação às aplicações de hidrologia e recursos hídricos.
- Hidrometeorologia é o estudo da transferência de água e energia entre as superfícies da terra e dos corpos d'água e a baixa atmosfera.
- A hidrologia isotópica é o estudo das assinaturas isotópicas da água.
- Hidrologia de superfície é o estudo dos processos hidrológicos que operam na superfície da Terra ou próximos a ela.
- A gestão de bacias hidrográficas abrange o armazenamento de água, na forma de reservatórios, e a proteção contra enchentes.
- A qualidade da água inclui a química da água em rios e lagos, tanto de poluentes quanto de solutos naturais.
Formulários
- Cálculo da precipitação .
- Calculando o escoamento superficial e a precipitação.
- Determinar o balanço hídrico de uma região.
- Determinar o balanço hídrico agrícola .
- Elaboração de projetos de restauração ribeirinha.
- Mitigar e prever riscos de enchentes , deslizamentos de terra e secas.
- Previsão e aviso de inundação em tempo real .
- Projetar esquemas de irrigação e gerenciar a produtividade agrícola.
- Parte do módulo de risco na modelagem de catástrofes .
- Fornecimento de água potável .
- Projetar barragens para abastecimento de água ou geração de energia hidrelétrica .
- Projetando pontes.
- Projetar esgotos e sistema de drenagem urbana.
- Analisando os impactos da umidade antecedente nos sistemas de esgoto sanitário.
- Previsão de mudanças geomorfológicas , como erosão ou sedimentação .
- Avaliação dos impactos das mudanças ambientais naturais e antropogênicas sobre os recursos hídricos .
- Avaliação do risco de transporte de contaminantes e estabelecimento de diretrizes de política ambiental.
- Estimativa do potencial de recursos hídricos das bacias hidrográficas.
História
A hidrologia tem sido objeto de investigação e engenharia há milênios. Por exemplo, cerca de 4000 AC o Nilo foi represado para melhorar a produtividade agrícola de terras anteriormente estéreis. As cidades mesopotâmicas foram protegidas de inundações com altos muros de terra. Aquedutos foram construídos pelos gregos e romanos , enquanto a história mostra que os chineses construíram obras de irrigação e controle de inundações. Os antigos cingaleses usaram a hidrologia para construir complexas obras de irrigação no Sri Lanka , também conhecidas pela invenção do Valve Pit que permitiu a construção de grandes reservatórios, anicuts e canais que ainda funcionam.
Marcus Vitruvius , no século I aC, descreveu uma teoria filosófica do ciclo hidrológico, em que a precipitação que cai nas montanhas se infiltra na superfície da Terra e leva a riachos e nascentes nas terras baixas. Com a adoção de uma abordagem mais científica, Leonardo da Vinci e Bernard Palissy alcançaram, de forma independente, uma representação precisa do ciclo hidrológico. Somente no século XVII as variáveis hidrológicas começaram a ser quantificadas.
Os pioneiros da ciência moderna da hidrologia incluem Pierre Perrault , Edme Mariotte e Edmund Halley . Ao medir a precipitação, escoamento e área de drenagem, Perrault mostrou que a chuva era suficiente para contabilizar o fluxo do Sena. Mariotte combinou medições de velocidade e seção transversal do rio para obter um valor de descarga, novamente no Sena. Halley mostrou que a evaporação do Mar Mediterrâneo foi suficiente para explicar o fluxo dos rios que desaguam no mar.
Os avanços no século 18 incluíram o piezômetro de Bernoulli e a equação de Bernoulli , de Daniel Bernoulli , e o tubo de Pitot , de Henri Pitot . O século 19 viu o desenvolvimento da hidrologia de águas subterrâneas, incluindo a lei de Darcy , a fórmula do poço Dupuit-Thiem e a equação do fluxo capilar de Hagen-Poiseuille .
As análises racionais começaram a substituir o empirismo no século 20, enquanto as agências governamentais começaram seus próprios programas de pesquisa hidrológica. De particular importância foram o hidrograma unitário de Leroy Sherman , a teoria de infiltração de Robert E. Horton e o teste / equação de aqüífero de CV Theis que descreve a hidráulica de poços.
Desde a década de 1950, a hidrologia tem sido abordada com uma base mais teórica do que no passado, facilitada pelos avanços na compreensão física dos processos hidrológicos e pelo advento dos computadores e principalmente dos sistemas de informação geográfica (SIG). (Veja também GIS e hidrologia )
Temas
O tema central da hidrologia é que a água circula por toda a Terra por diferentes caminhos e em taxas diferentes. A imagem mais vívida disso está na evaporação da água do oceano, que forma nuvens. Essas nuvens flutuam sobre a terra e produzem chuva. A água da chuva flui para lagos, rios ou aquíferos. A água em lagos, rios e aquíferos evapora de volta para a atmosfera ou eventualmente flui de volta para o oceano, completando um ciclo. A água muda seu estado de ser várias vezes ao longo deste ciclo.
As áreas de pesquisa dentro da hidrologia dizem respeito à movimentação da água entre seus vários estados, ou dentro de um determinado estado, ou simplesmente quantificar os montantes nesses estados em uma determinada região. Partes da hidrologia dizem respeito ao desenvolvimento de métodos para medir diretamente esses fluxos ou quantidades de água, enquanto outras dizem respeito à modelagem desses processos para conhecimento científico ou para fazer uma previsão em aplicações práticas.
Lençóis freáticos
A água subterrânea é a água abaixo da superfície da Terra, geralmente bombeada para água potável. A hidrologia da água subterrânea ( hidrogeologia ) considera a quantificação do fluxo da água subterrânea e do transporte de soluto. Os problemas na descrição da zona saturada incluem a caracterização dos aquíferos em termos de direção do fluxo, pressão do lençol freático e, por inferência, profundidade do lençol freático (ver: teste do aquífero ). As medições aqui podem ser feitas usando um piezômetro . Os aquíferos também são descritos em termos de condutividade hidráulica, armazenamento e transmissividade. Existem vários métodos geofísicos para caracterizar aquíferos. Também existem problemas na caracterização da zona vadosa (zona não saturada).
Infiltração
A infiltração é o processo pelo qual a água entra no solo. Parte da água é absorvida e o resto se infiltra até o lençol freático . A capacidade de infiltração, taxa máxima em que o solo pode absorver água, depende de vários fatores. A camada que já está saturada fornece uma resistência proporcional à sua espessura, enquanto que mais a profundidade da água acima do solo fornece a força motriz ( carga hidráulica ). O solo seco pode permitir uma rápida infiltração por ação capilar ; essa força diminui à medida que o solo fica molhado. A compactação reduz a porosidade e o tamanho dos poros. A cobertura da superfície aumenta a capacidade retardando o escoamento, reduzindo a compactação e outros processos. Temperaturas mais altas reduzem a viscosidade , aumentando a infiltração.
Umidade do solo
A umidade do solo pode ser medida de várias maneiras; por sonda de capacitância , refletômetro de domínio de tempo ou tensiômetro . Outros métodos incluem amostragem de soluto e métodos geofísicos.
Fluxo de água superficial
A hidrologia considera a quantificação do fluxo de água superficial e transporte de soluto, embora o tratamento de fluxos em grandes rios às vezes seja considerado um tópico distinto da hidráulica ou hidrodinâmica. O fluxo de água de superfície pode incluir fluxo em canais de rio reconhecíveis e outros. Os métodos para medir a vazão quando a água atinge o rio incluem o medidor do fluxo (veja: vazão ) e técnicas de traçagem. Outros tópicos incluem transporte de produtos químicos como parte da água de superfície, transporte de sedimentos e erosão.
Uma das áreas importantes da hidrologia é o intercâmbio entre rios e aquíferos. As interações da água subterrânea / água superficial em riachos e aquíferos podem ser complexas e a direção do fluxo líquido de água (na água superficial ou no aquífero) pode variar espacialmente ao longo de um canal de fluxo e ao longo do tempo em qualquer local específico, dependendo da relação entre o estágio do fluxo e níveis subterrâneos.
Precipitação e evaporação
Em algumas considerações, a hidrologia é pensada como começando na fronteira terra-atmosfera e, portanto, é importante ter um conhecimento adequado tanto da precipitação quanto da evaporação. A precipitação pode ser medida de várias maneiras: disdrômetro para características de precipitação em uma escala de tempo fina; radar para propriedades de nuvem, estimativa de taxa de chuva, detecção de granizo e neve; pluviômetro para medições precisas de rotina de chuva e neve; satélite para identificação da área chuvosa, estimativa da taxa de chuva, cobertura / uso da terra e umidade do solo, por exemplo.
A evaporação é uma parte importante do ciclo da água. É parcialmente afetado pela umidade, que pode ser medida por um psicrômetro de tipoia . Também é afetado pela presença de neve, granizo e gelo e pode estar relacionado ao orvalho, névoa e neblina. A hidrologia considera a evaporação de várias formas: da superfície da água; como transpiração de superfícies de plantas em ecossistemas naturais e agronômicos. A medição direta da evaporação pode ser obtida usando o tanque de evaporação do Simon .
Estudos detalhados de evaporação envolvem considerações de camada limite, bem como momentum, fluxo de calor e orçamentos de energia.
Sensoriamento remoto
O sensoriamento remoto de processos hidrológicos pode fornecer informações sobre locais onde os sensores in situ podem estar indisponíveis ou esparsos. Também permite observações em grandes extensões espaciais. Muitas das variáveis que constituem o balanço hídrico terrestre, por exemplo , armazenamento de água superficial , umidade do solo , precipitação , evapotranspiração e neve e gelo , são mensuráveis usando sensoriamento remoto em várias resoluções e precisões espaço-temporais. Fontes de sensoriamento remoto incluem sensores baseados em terra, sensores aerotransportados e sensores de satélite que podem capturar dados de microondas , térmicos e infravermelhos próximos ou usar lidar , por exemplo.
Qualidade da água
Na hidrologia, os estudos de qualidade da água dizem respeito a compostos orgânicos e inorgânicos, e materiais dissolvidos e sedimentares. Além disso, a qualidade da água é afetada pela interação do oxigênio dissolvido com o material orgânico e por várias transformações químicas que podem ocorrer. As medições da qualidade da água podem envolver métodos in situ, nos quais as análises ocorrem no local, muitas vezes automaticamente, e análises baseadas em laboratório e podem incluir análises microbiológicas .
Integrando medição e modelagem
- Análises de orçamento
- Estimativa de parâmetro
- Escalando no tempo e no espaço
- Assimilação de dados
- Controle de qualidade de dados - ver, por exemplo, análise de massa dupla
Predição
As observações dos processos hidrológicos são usadas para fazer previsões do comportamento futuro dos sistemas hidrológicos (fluxo de água, qualidade da água). Uma das principais preocupações atuais na pesquisa hidrológica é a "Predição em Bacias Ungauged" (PUB), ou seja, em bacias onde nenhum ou poucos dados existem.
Hidrologia estatística
Ao analisar as propriedades estatísticas dos registros hidrológicos, como chuva ou vazão do rio, os hidrólogos podem estimar fenômenos hidrológicos futuros. Ao fazer avaliações de quantas vezes eventos relativamente raros ocorrerão, as análises são feitas em termos do período de retorno de tais eventos. Outras quantidades de interesse incluem a vazão média em um rio, em um ano ou por temporada.
Essas estimativas são importantes para engenheiros e economistas, de modo que uma análise de risco adequada possa ser realizada para influenciar as decisões de investimento em infraestrutura futura e para determinar as características de confiabilidade da produção dos sistemas de abastecimento de água. As informações estatísticas são utilizadas para formular regras de operação para grandes barragens que fazem parte de sistemas que incluem demandas agrícolas, industriais e residenciais .
Modelagem
Os modelos hidrológicos são representações simplificadas e conceituais de uma parte do ciclo hidrológico. Eles são usados principalmente para previsões hidrológicas e para a compreensão de processos hidrológicos, dentro do campo geral da modelagem científica . Dois tipos principais de modelos hidrológicos podem ser distinguidos:
- Modelos baseados em dados. Esses modelos são sistemas de caixa preta , usando conceitos matemáticos e estatísticos para vincular uma determinada entrada (por exemplo, chuva) à saída do modelo (por exemplo, escoamento superficial ). As técnicas comumente usadas são regressão , funções de transferência e identificação do sistema . Os mais simples desses modelos podem ser modelos lineares, mas é comum implantar componentes não lineares para representar alguns aspectos gerais da resposta de uma área de captação sem entrar profundamente nos processos físicos reais envolvidos. Um exemplo de tal aspecto é o comportamento bem conhecido de que uma bacia responderá muito mais rápida e fortemente quando já está molhada do que quando está seca.
- Modelos baseados em descrições de processos. Esses modelos tentam representar os processos físicos observados no mundo real. Normalmente, esses modelos contêm representações de escoamento superficial , fluxo subterrâneo , evapotranspiração e fluxo de canal , mas podem ser muito mais complicados. Dentro desta categoria, os modelos podem ser divididos em conceituais e determinísticos. Modelos conceituais vinculam representações simplificadas dos processos hidrológicos em uma área, enquanto modelos determinísticos buscam resolver o máximo possível da física de um sistema. Esses modelos podem ser subdivididos em modelos de evento único e modelos de simulação contínua.
Pesquisas recentes em modelagem hidrológica tentam ter uma abordagem mais global para a compreensão do comportamento dos sistemas hidrológicos para fazer melhores previsões e enfrentar os principais desafios na gestão de recursos hídricos.
Transporte
O movimento da água é um meio significativo pelo qual outros materiais, como solo, cascalho, pedras ou poluentes, são transportados de um lugar para outro. A entrada inicial para as águas receptoras pode surgir de uma descarga de fonte pontual ou uma fonte de linha ou fonte de área , como escoamento superficial . Desde a década de 1960, modelos matemáticos bastante complexos foram desenvolvidos, facilitados pela disponibilidade de computadores de alta velocidade. As classes de poluentes mais comumente analisadas são nutrientes , pesticidas , sólidos totais dissolvidos e sedimentos .
Organizações
Organizações Intergovernamentais
Organismos internacionais de pesquisa
- Instituto Internacional de Gestão da Água (IWMI)
- Instituto UN-IHE Delft para Educação sobre Água
Organismos nacionais de pesquisa
- Centro de Ecologia e Hidrologia - Reino Unido
- Center for Water Science, Cranfield University , Reino Unido
- eawag - pesquisa aquática, ETH Zürich, Suíça
- Instituto de Hidrologia, Albert-Ludwigs-University of Freiburg, Alemanha
- Pesquisa Geológica dos Estados Unidos - Recursos Hídricos dos Estados Unidos
- NOAA 's National Weather Service - Gabinete de Hydrologic Development, EUA
- Centro de Engenharia Hidrológica do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, EUA
- Centro de Pesquisa Hidrológica , EUA
- Economia e Ciências Sociais da NOAA, Estados Unidos
- Centro de Pesquisa de Riscos e Desastres Naturais da Universidade de Oklahoma, EUA
- Centro Nacional de Pesquisa Hidrológica , Canadá
- Instituto Nacional de Hidrologia , Índia
Sociedades nacionais e internacionais
- Instituto Americano de Hidrologia (AIH)
- Geological Society of America (GSA) - Divisão de Hidrogeologia
- American Geophysical Union (AGU) - Seção de Hidrologia
- National Ground Water Association (NGWA)
- American Water Resources Association
- Consórcio de Universidades para o Avanço da Ciência Hidrológica, Inc. (CUAHSI)
- Associação Internacional de Ciências Hidrológicas (IAHS)
- Grupo de Trabalho de Estatísticas em Hidrologia (subgrupo do IAHS)
- Sociedade Hidrológica Alemã (DHG: Deutsche Hydrologische Gesellschaft)
- Sociedade Hidrológica Italiana (SII-IHS) - http://www.sii-ihs.it
- Nordic Association for Hydrology
- Sociedade Hidrológica Britânica
- Sociedade Geográfica Russa (Centro de Moscou) - Comissão de Hidrologia
- Associação Internacional de Hidrologia Ambiental
- Associação Internacional de Hidrogeologistas
- Sociedade de Hidrologistas e Meteorologistas - Nepal
Visão geral da bacia e da bacia hidrográfica
- Connected Waters Initiative, University of New South Wales - Investigando e aumentando a conscientização sobre as questões de água subterrânea e recursos hídricos na Austrália
- Murray Darling Basin Initiative, Department of Environment and Heritage, Australia
Revistas de pesquisa
- International Journal of Hydrology Science and Technology
- Hydrological Processes , ISSN 1099-1085 (eletrônico) 0885-6087 (papel), John Wiley & Sons
- Hydrology Research , ISSN 0029-1277 , IWA Publishing (anteriormente Nordic Hydrology )
- Journal of Hydroinformatics , ISSN 1464-7141 , IWA Publishing
- Journal of Hydrologic Engineering , ISSN 0733-9496 , ASCE Publication
- Journal of Hydrology
- Water Research
- Pesquisa de Recursos Hídricos
- Hydrological Sciences Journal - Journal of the International Association of Hydrological Sciences (IAHS) ISSN 0262-6667 (impresso), ISSN 2150-3435 (online)
Veja também
- Solução aquosa
- Climatologia
- Ciência da engenharia ambiental
- Green Kenue uma ferramenta de software para modeladores hidrológicos
- Hidráulica
- Hidrografia
- Hidrologia (agricultura)
- Programa Hidrológico Internacional
- Coeficiente de eficiência do modelo Nash-Sutcliffe
- Esboço da hidrologia
- Sócio-hidrologia
- Ciência do Solo
- Distribuição de água na Terra
- Software WEAP (Water Evaluation And Planning) para modelar a hidrologia da bacia a partir de dados de clima e uso da terra
- Hidrologia de captação
- Outros campos relacionados à água
- A oceanografia é o estudo mais geral da água nos oceanos e estuários.
- A meteorologia é o estudo mais geral da atmosfera e do tempo, incluindo precipitação como neve e chuva.
- Limnologia é o estudo de ecossistemas de lagos, rios e pântanos. Abrange os atributos biológicos, químicos, físicos, geológicos e outros de todas as águas interiores (águas correntes e paradas, frescas e salinas, naturais ou artificiais).
- Os recursos hídricos são fontes de água úteis ou potencialmente úteis. A hidrologia estuda a disponibilidade desses recursos, mas geralmente não seus usos.
Referências
Leitura adicional
- Eslamian, S., 2014, (ed.) Handbook of Engineering Hydrology, Vol. 1: Fundamentals and Applications, Francis e Taylor, CRC Group, 636 Pages, EUA.
- Eslamian, S., 2014, (ed.) Handbook of Engineering Hydrology, Vol. 2: Modelagem, Mudança Climática e Variabilidade, Francis e Taylor, Grupo CRC, 646 Páginas, EUA.
- Eslamian, S, 2014, (ed.) Handbook of Engineering Hydrology, Vol. 3: Hidrologia Ambiental e Gestão da Água, Francis e Taylor, CRC Group, 606 Pages, EUA.
- Anderson, Malcolm G .; McDonnell, Jeffrey J., eds. (2005). Enciclopédia de ciências hidrológicas . Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 0-471-49103-9.
- Hendriks, Martin R. (2010). Introdução à hidrologia física . Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-929684-2.
- Hornberger, George M .; Wiberg, Patricia L .; Raffensperger, Jeffrey P .; D'Odorico, Paolo P. (2014). Elementos de hidrologia física (2ª ed.). Baltimore, Md .: Johns Hopkins University Press. ISBN 9781421413730.
- Maidment, David R., ed. (1993). Manual de hidrologia . Nova York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-039732-5.
- McCuen, Richard H. (2005). Análise hidrológica e projeto (3ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson-Prentice Hall. ISBN 0-13-142424-6.
- Viessman, Jr., Warren; Gary L. Lewis (2003). Introdução à hidrologia (5ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Pearson Education. ISBN 0-673-99337-X.