Hydrology, Environment and Water Resources 2016 / 2017 ... · Water distribution on Earth and the water cycle Hydrology, Environment and Water Resources 2016 / 2017

Water distribution on Earth and the

water cycle

Hydrology, Environment and Water

Resources

2016 / 2017

Water distribution on Earth

2

ReservoirsVolume,

in Km3 of water Percentage of the total

amount of water (%)

Oceans 1 320 000 000 96.1

Glaciars 29 000 000 2.13

Groundwater storage 8 300 000 0.61

Lakes 125 000 0.009

Land seas (major lakes) 105 000 0.008

Soil water content 67 000 0.005

Atmosphere 13 000 0.001

Rivers 1 250 0.0001

Total volume of water 1 360 000 000 100%

Water distribution on earth (adapted from Nace, U.S. Geological Survey,1967).

Around 70% of the Earth surface is

covered by oceans.

IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016 23-09-2016

Water distribution on Earth

IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016 3

World Water Balance and Water Resources, UNESCO, 1978

Fonte de águaVolume de água

(km3)

Percentagem de

água doce

Percentagem do

total de água

Oceanos, mares e baías 1.338.000.000 -- 96,5

Gelo polar e glaciares 24.064.000 68,7 1,74

Água do subsolo 23.400.000 -- 1,7

Doce 10.530.000 30,1 0,76

Salgada 12.870.000 -- 0,94

Humidade do solo 16.500 0,05 0,001

Gelo do solo e permafrost 300.000 0,86 0,022

Lagos 176.400 -- 0,013

Doce 91.000 0,26 0,007

Salgada 85.400 -- 0,006

Atmosfera 12.900 0,04 0,001

Água em pântanos 11.470 0,03 0,0008

Rios 2.120 0,006 0,0002

Água biológica 1.120 0,003 0,0001

Total 1.386.000.000 - 100

Source

Volume

of water

(km3)

Percentage of

fresh water

(%)

Percentage

of all water

(%)

23-09-2016

Water availability versus population


The United Nations World Water Development Report, 2003

Europa:

4,1 x103m3/year/hab

North America:

17.5 x103m3/year/hab

África:

5,1 x103m3/year/hab

Asia:

3,3 x103m3/year/hab

South America:

28,3 x103m3/year/hab

Australia/Oceania:

50 x103m3/ano/hab

Population growth


Some computations

• Earth radius = ~6370 km

• Earth area = 4**R2 = 510.100.000 km2

• Oceans area = 0,7 * 510.100.000 = 361.000.000 km2

• Continents area = 0,3 * 510.100.000 = 148.800.000 km2

• Average ocean depth = Vol. água nos oceanos / Área oceanos

= 1.320.000.000 / 361.000.000 = 3.65 km

• The volume of water existing on earth would cover the whole planet with a

depth of = 1.360.000.000 / 510.100.000 = 2.66 km

IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016

• Area of a sphere = 4**R2

• Vol of a sphere = 4/3**R3

23-09-2016 6

Hydrologic cycle


Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (http://www.igm.pt).

723-09-2016

The water cycle


Global water balance


Esc. superficial

44.800 km3/ano

Precipitação sobre

continentes

119.000 km3/ano

Precipitação

sobre oceanos

458.000 km3/ano

Evapotranspiração

de continentes

72.000 km3/ano

Evaporação de

oceanos

505.000 km3/ano

Esc. subterrâneo

2.200 km3/ano


Transporte de

humidade do ar

47.000 km3/ano

Evapotranspiration

from continents Evaporation

from oceans

Precipitation

over continentsPrecipitation

over oceans

Runoff

Groundwater flow

Water moisture transport

Residence time

• Residence time = Reservoir volume / Flux

• Atmosphere:

• Oceans:

• Rivers:

• Groundwater:

– We need to estimate the flux = 2.200+percentagem of superficial flow arising

from groundwater flow;

– Tresidencia = ~1400 years


diasanosTresidencia 2,8022,0000.72000.505

000.13

000.119000.458

000.13

anosTresidencia 2600~000.47000.458

000.000.320.1

000.505

000.000.320.1

diasanosTresidencia 17~047,0~800.44

120.2

23-09-2016 10

Units issues

Common volume units

– 1 l (liter)

– 1 m3 = 1000 l

– 1 dam3 (cubic decameter) = 1000 m3

– 1 hm3 (cubic hectometer) = 1000 dam3

– 1 km3 = 1000 hm3

– 1 mm = 1 l/m2

Common flux units

– l/s

–m3/s

– dam3/month

– hm3/year

– km3/year

(sometimes /month ot /year are omitted

when the time interval is clear)

(when we are comparing volumes

over the same area and the area

is known)

23-09-2016 11IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016

Exercise

What is the precipitation value over the whole planet, over the

continents and over the oceans, in mm?

– Pglobe = (458.800+119.000) / 510.000.000 x 106 mm = 1130 mm

– Poceans = 458.800 / 361.000.000 x 106 mm = 1270 mm

– Pcontinents = 119.000 / 148.000.000 x 106 mm = 800 mm

Esc. superficial

44.800 km3/ano

Precipitação sobre

continentes

119.000 km3/ano

Precipitação

sobre oceanos

458.000 km3/ano

Evapotranspiração

de continentes

72.000 km3/ano

Evaporação de

oceanos

505.000 km3/ano

Esc. subterrâneo

2.200 km3/ano


Transporte de

humidade do ar

47.000 km3/ano

23-09-2016 12

Evapotranspiration

from continents Evaporation

from oceans

Precipitation over

continents Precipitation over

oceans

Runoff

Groundwater flow

Water moisture transport


Exercise

From the total volume of fresh water existing on earth (35x106 km3), 30%

remains on an average of 1400 years in aquifers, and 0.006% remains

16 days in rivers. Compute the volume of fresh water that annualy

renovates the water stored in aquifers and rivers.

Da água doce existente no globo terrestre, cerca de 35x106 km3, 30% reside em média

1400 anos nos aquíferos subterrâneos e 0,006% reside em média 16 d nos rios. Calcule o

volume médio de renovação anual nos dois reservatórios e, com base no resultado obtido,

refira de qual dos reservatórios se poderá utilizar de modo permanente maior quantidade

de água.


anokmrenVol

kmVol

rios

rios

/900.47~

36516

100.2..

100.21035100/006,0.

3

36

anokmrenVol

kmVol

aquif

aquif

/500.7~1400

10500.10..

10500.101035100/30.

33

336

23-09-2016 13

Exercise

Compute the flow of the Amazon river in m3/s, knowing that it

corresponds to 12% of the runoff generated in all continents.

The total area of the continents is 150x106 km2 and the

generated annual runoff is 316 mm.O escoamento anual médio dos continentes é cerca de 316 mm. Sabendo que a

área dos continentes é 150x106 km2 e que o escoamento do rio Amazonas

corresponde a cerca de 12% do total, estime o caudal médio do referido rio em

m3/s.


smCaudal

anokmAmazonasanualEsc

anokmkmscontinenteanualEsc

39

3

3366

365´180360024365

105688

5688400.4712,0..

400´471015010316..

23-09-2016 14

Problema

Exercise

O volume de água existente nos oceanos, que ocupam uma área

superficial de 70% da superfície do globo terrestre, estima-se em cerca

de 1338x106 km3. Sabendo que o coeficiente de dilatação térmica da

água é cerca de 0,00015 K-1 e desprezando outros efeitos estime o

aumento da profundidade média dos oceanos quando a sua

temperatura se eleva uniformemente de 1 ºC.

Considere que o raio médio da Terra é 6370 km.

IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016 23-09-2016 15

Exercise

In continental Portugal, with an area of 89 000 km2, and

10 millions inhabitants, the capitation of average public

water supply is 200 l/hab/day. Compute the annual

volume of water supplied in mm/year.Em Portugal Continental, com uma área de 89 000 km2 e 10 milhões de

habitantes, o abastecimento público de água é em média cerca de 200

l/hab/d. Estime em mm/a o volume anual de água abastecido.


mmmmVol

kmkmVol

litroslitrosVol

810000.89/73,0.

73,010

103,7.

103,7000.000.10365200.

6

3312

11

11

23-09-2016 16

Flow generation processes

The watershed: the natural unit

1823-09-2016

Limite natural para

lidar com questões de

recursos hídricos

Precipitação Evapotranspiração

Escoamento

Transferências

artificiais

Watershed

Catchment

River basin

Hydrographic basin


Flow generation processes

Retention - Intercepted water in ground depressions

which evaporates / Retenção – Água que não se

infiltra nem dá origem a escoamento superficial

(água interceptada ou retida em depressões do solo)

Detention - Water in motion / Detenção – Água em

trânsito

Escoamento

superficial

(directo)

Escoamento

de base

Evapotranspiração

Intercepção

Água retida em

depressões

Evaporação

Infiltração

Precipitação

Recarga

Escoamento

sub-superficial

ou intermédio

Evaporação

Precipitação

Precipitation

Evaporation

Evapotranspiration

Interception

Runoff

Recharge

Infiltration

Base flow

Intermediate

flow

19IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016 23-09-2016

Water balance

P = Precipitation over the basin

H = Flow at the final crossection

E = Evapotranspiration

Ss = Overland storage variation

SV = Soil storage variation

Su = Deep aquifer storage variation

Ex = Man mad water exports

R = Mad made imports


For a given watershed and a given t:

P+ Ix = H + E + Ss + Sv + Su + Ex

Water balance simplification

• P = H + E + Ss + Sv + Su + Ex – Ix

• If there are no significant human interventions / Se forem desprezadas as

quantidades de água movimentadas pela ação humana:

Ex = Ix = 0

• When considering a long period with low variation in basin water

storage / Para um intervalo de tempo longo e supondo desprezáveis, ou

compensadas, os vários tipos de armazenamento:

Ss + Sv + Su = 0

• Then P = H + E

• For an hydrologic year / Para um ano hidrológico :

P = H + E


Exercise

The anual average precipitation and evapotranspiration of

the Zezere watershed, with 5029 km2, are 1007 mm and

712 mm, respectively. Assuming that the Castelo Bode

reservoir, located in that watershed, supplies the Lisbon

region with an annual average of 450 000 m3/day, estimated

the annual volume, in hm3, that reaches the Tagus river

from the Zezere river.

A bacia hidrográfica do rio Zêzere, com 5029 km2 de área, está

sujeita a uma precipitação anual e a uma evapotranspiração anual

de cerca de 1007 e 712 mm, respetivamente. Assumindo que a

captação para abastecimento público, existente em Castelo de

Bode, transfere para as bacias vizinhas, e nomeadamente para a

região de Lisboa, um caudal médio anual igual a 450 mil m3/dia,

estime o volume anual, em hm3, com que a bacia hidrográfica do

rio Zêzere contribui para o escoamento do rio Tejo.

LisboaTejo

Zêzere


Exercise

Assume that the annual precipitation and

evapotranspitation in Portugal are 850 mm e

630 mm, respectively. Knowing that the

area of Portugal is 89.000 km2 and that

annual flow volume from Spain reaching

Portugal is 45 km3, estimate the annual

discharge, in m3/s, that reaches the

Portuguese river outlets.

Assuma que a precipitação anual média e a

evapotranspiração real anual média em

Portugal são respetivamente, 850 mm e 630

mm. Sabendo que a área de Portugal é

89.000 km2 e que o escoamento anual médio

afluente de Espanha é sensivelmente 45

km3, estime o caudal anual médio, em m3/s,

que se escoa para o mar na totalidade das

fozes dos rios Portugueses.

2323-09-2016IST: Hydrology, environment and water resources, 1916/17 © Rodrigo Proença de Oliveira, 2016

Exercise

The annual precipitation and the annual runoff of a watershed with

100 km2 are 1000 mm and 1300 mm, respectively. These values are

possible because 8 hm3 per month are transfered from a nearby basin.

Estimate the annual evapotranspiration, in mm.

Numa bacia hidrográfica com 100 km2 de área, para a qual são transferidos de

bacia vizinha cerca de 8 hm3 por mês, a precipitação e o escoamento em

determinado ano hidrológico foram de 1000 mm e 1300 mm, respectivamente.

Estime em mm o valor da evapotranspiração real nesse ano. Justifique.


Exercise

A project plans to transfer the maximum possible volume of water from

a watershed with 100 km2, while maintaining an annual average flow at

the outlet of 0,5 m3/s. Knowing that the annual precipitation and

evapotranspiration of that watershed are 1000 mm and 700 mm,

respectively, estimate the maximum possible flow, m3/s, that can

transfered.

De uma bacia hidrográfica com 100 km2 de área, pretende-se transferir para uma

bacia vizinha o máximo caudal médio compatível com um escoamento médio de

0,5 m3/s na secção de referência da bacia de origem. Sabendo que a precipitação

e a evapotranspiração anuais médias na bacia de origem são respectivamente

1000 mm e 700 mm, estime o máximo caudal médio transferível em m3/s.

Justifique.


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