Hidrologia Geral

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Hidrologia Geral

  1. 1. 1-1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola Politécnica Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente HIDROLOGIA GERAL NOTAS DE AULA Prof. Paulo Renato Barbosa
  2. 2. 1-2 HIDROLOGIA BIBLIOGRAFIA: 1. Hidrologia (Ciência e Aplicação). Ed. ABRH/USP. Organizador: Carlos Eduardo Morecci Tucci. 2. Hidrologia Aplicada – Ed. McGraw Hill – Swami M. Villela & Arthur Mattos 3. Hidrologia Básica – Ed. Edgard Blücher Ltda. - Nelson de Souza Pinto. INTRODUÇÃO O MEIO AMBIENTE E OS RECURSOS NATURAIS A água é um mineral líquido formado por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O). Devido à sua capacidade de solubilização de gases e de erosão dos continentes, a água não se encontra pura na natureza, e sim como uma dissolução aquosa de sais e matéria orgânica. “O ser humano é constituído de aproximadamente 63% de água e necessita de aproximadamente 2 litros de água por dia para sobreviver. O APARECIMENTO DA “URBE” Os primeiros grupos humanos sobre a Terra eram nômades e viviam da coleta. Como desenvolvimento das tecnologias de caça, vestuário e abrigo, o número de indivíduos que atingia a idade adulta aumentava e assim, a população. O modo de vida nômade não mais atendia às necessidades do grupo e foi necessário estabelecer agrupamentos em áreas que fornecessem condições de vida, água abundante e terras férteis, para agricultura e pecuária.
  3. 3. 1-3 UM POUCO DE HISTÓRIA Apesar de não possuírem o conhecimento teórico dos fenômenos hidráulicos, os povos antigos realizaram notáveis obras de engenharia. · 4000 AC ¾ Barragens no Rio Nilo; · 3000 AC ¾ Canais de Irrigação na Mesopotâmia; · 2000 AC ¾ Aquedutos e Canais (Roma, Grécia, China); Defesas contra enchentes. A CRONOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO DA TEORIA HIDROLÓGICA. Século XV; · Leonardo da Vinci ¾ explicou a salinidade dos mares pela ação das águas continentais que ao se infiltrarem e escoarem carregavam os sais para os mares; Século XVII; · Abade Perrault ¾ mediu durante três anos a precipitação na bacia do Rio Sena. Medindo o escoamento superficial e conhecendo a área de drenagem, demonstrou que a precipitação era suficiente para suprir a vazão do rio; · Mariotte ¾ mediu a velocidade da vazão do rio e com as medidas da seção transversal do rio conseguiu medir a descarga do rio; · Halley ¾ mediu a taxa de evaporação do mar Mediterrâneo e demonstrou que a quantidade evaporada seria suficiente para garantir a vazão dos rios que desembocavam na região
  4. 4. 1-4 Século XVIII; · Bernoulli ¾ piezômetro · Pitot ¾ tubo de Pitot · Chézy ¾ fórmula (V C R i H = ) Século XIX; · Hidrologia Experimental; A experiência da Califórnia. Século XX; · 1a metade: Hidrologia Experimental Teórica (EUA); foram construídos canais, barragens, sistema de irrgação e proteção contra enchentes. · 2a metade: Hidrologia Estocástica; o acesso mais fácil aos computadores digitais permitiam o desenvolvimento de vários métodos estatísticos de manipulação de dados temporais.
  5. 5. 1-5 O AQUECIMENTO DESIGUAL DA SUPERFÍCIE DA TERRA O SOL A TERRA Ao transladar ao redor do Sol com órbita eliptíca a Terra se aproxima (periélio) e se afasta (afélio) do Sol. Sua trajetória de translação atravessa o plano de translação do Sol (ecliptica), formado por seu deslocamento no espaço em direção a estrela Vega, da constelação da Lira. Este plano forma com um plano imaginário passando pelo Equador da Terra um ângulo ora mais, ora menos 23o 27’, conforme a posição da Terra em seu próprio movimento de translação. São assim definidos quatro pontos notáveis em sua órbita de translação. Esses pontos são dois solstícios e dois equinócios, pontos que definem o início e o fim das estações do ano.
  6. 6. 1-6 ¨ Equinócio de outono no hemisfério sul. A linha que separa a zona iluminada da escura passa exatamente pelos pólos. O dia e a noite duram 12 horas em toda a Terra. Ocorre a 21 de março. ¨ Solstício de inverno no hemisfério sul (21 de junho). Neste caso, onde é inverno, temos a noite mais longa do ano. ¨ Equinócio de primavera no hemisfério sul, ocorre em 23 de setembro. ¨ Solstício de verão no hemisfério sul (21 de dezembro). Neste caso, temos a noite mais curta do ano. Em seu movimento de rotação ao redor de seu eixo (reta imaginária que atravessa os pólos), no sentido de oeste para leste, a Terra oferece sempre apenas um hemisfério à radiação eletromagnética do Sol. A forma "quasi" esférica da Terra, a inclinação do seu eixo de rotação em relação eclíptica e a órbita descrita pelo seu movimento de translação ao redor do Sol, são os principais responsáveis pelas diferenças de temperatura entre o equador e os pólos, pela existência das quatro estações do ano e consequentemente pela existência de variados climas na superfície do globo terrestre. ¨ Afélio – ponto de máximo afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor do Sol. ¨ Periélio – ponto de menor afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor do Sol. Além dessas variações ao longo do ano na recepção de radiação eletromagnética do Sol, devido à distância e ponto de incidência, a radiação solar atravessa a atmosfera e pode encontrar, ao chegar na superfície, oceano ou solo. No solo, a topografia do planeta está longe de ser homogênea e os tipos de solo da superfície são muito diferentes. Enfim, toda essa variedade faz com que a capacidade de retenção e reflexão de radiação, dos diferentes pontos da superfície do planeta seja extremamente variável. Essa variabilidade leva à temperaturas também extremamente variáveis.
  7. 7. 1-7 ALGUNS TIPOS DE SUPERFÍCIE DA TERRA OCEANOS FLORESTAS DESERTOS SAVANAS TUNDRA MONTANHAS Essas diferentes temperaturas, que variam ao longo do dia, provocam diferentes pressões e daí, resulta o vento. É o vento, que aliado à evaporação provocada pela temperatura, que faz circular o vapor d’água pela atmosfera.
  8. 8. 1-8 A UMIDADE Evaporação – É quando moléculas de vapor de água vão para o ar aumentando a umidade do ar. O aumento da temperatura aumenta a entropia e, conseqüentemente, o número de choques entre as partículas. Assim, as moléculas trocam mais quantidade de movimento e, eventualmente, uma molécula supera a película formada pela tensão superficial e é lançada na atmosfera. Atmos – vapor. Sfera – esfera. CAMADAS DA ATMOSFERA Ar Mar A atmosfera é constituída de cinco camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. O ar se torna mais rarefeito quanto mais a gente sobe, e é por isso que os alpinistas normalmente levam oxigênio com eles quando escalam altas montanhas. A troposfera é a única camada em que os seres vivos podem respirar normalmente. Troposfera - As condições climáticas acontecem na camada inferior da atmosfera, chamada troposfera. Essa camada se estende até 20 km do solo, no equador, e a aproximadamente 10 km nos pólos. Estratosfera - A estratosfera chega a 50 km do solo. A temperatura vai de 60ºC negativos na base ao ponte de congelamento na parte de cima. A estratosfera contém ozônio, um gás que absorve os prejudiciais raios ultravioleta do Sol. Hoje, a poluição está ocasionando "buracos" na camada de ozônio. Mesosfera - O topo da mesosfera fica a 80 km do solo. É muito fria, com temperaturas abaixo de 100ºC negativos. A parte inferior é mais quente porque absorve calor da estratosfera. Termosfera - O topo da termosfera fica a cerca de 450 km acima da Terra. É a camada mais quente, uma vez que as raras moléculas de ar absorvem a radiação do Sol. As temperaturas no topo chegam a 2.000ºC. Exosfera - A camada superior da atmosfera fica a mais ou menos 900 km acima da Terra. O ar é muito rarefeito e as moléculas de gás "escapam" constantemente para o espaço. Por isso é chamada de exosfera (parte externa da atmosfera).
  9. 9. 1-9 De uma forma geral, os desertos e a “Rain Forests” existem, não por causa das diferenças de temperatura, e sim pela existência, ou não, de umidade na troposfera (camada da atmosfera mais próxima do solo). Na troposfera, o gradiente de pressão é hidrostático (quanto maior a altura, menor a pressão). A DISTRIBUIÇÃO DA UMIDADE NA TERRA. CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA Rotação da Terra: Aceleração de Coriolis. Esta aceleração provoca padrões de circulação de ar na atmosfera. Esses ventos transportam umidade. A quantidade de precipitação depende da altitude, localização, vegetação e relevo. (Ex.: Monções da Índia, El Niño) Durante a época das grandes navegações os portugueses, com o uso da bússola e do astrolábio eram capazes de identificar a latitude do ponto onde estavam, mas a dificuldade para estabelecer a longitude era enorme. Assim, começaram a reunir informações generalizadas sobre os locais onde navegavam. Essas informações incluíam a direção dos ventos e das correntes marítimas, a cor e a salinidade do mar, a presença de aves, algas e quaisquer outras coisas que pudessem caracterizar um local. Esse volume de informação levou à confecção dos altamente valiosos mapas sinóticos figurativos chamados de “portulanos” que davam aos capitães das naus portuguesas uma grande vantagem competitiva em relação aos seus adversários ingleses, holandeses, espanhóis e franceses. Os portugueses haviam descoberto que existe um padrão de circulação global na atmosfera terrestre.
  10. 10. 1-10 UMIDADE ABSOLUTA Definição: Quantidade de vapor d’água existente por unidade de volume na atmosfera. UMIDADE RELATIVA Definição: É a razão entre a umidade existente no ar e a quantidade de vapor d’água necessário para saturá-lo. PONTO DE ORVALHO Definição: É a temperatura na qual ocorre a saturação de uma massa de ar quando ela é resfriada sem adição ou remoção de vapor d’água.. NÚCLEOS HIGROSCÓPICOS Definição: Partículas, também chamadas de núcleos de condensação, de dimensões microcópicas, em suspensão na atmosfera que agregam umidade. Pólen, sais, poeira, microorganismos, maresia, nuvens são reservatórios de umidade. São fundamentais para formação de nuvens. UMIDADE RELATIVA DO AR MÉDIA NO BRASIL
  11. 11. 1-11 FORMAÇÃO DE NUVENS. A nuvem é o resultado da condensação do vapor d’água existente na atmosfera. Os núcleos higroscópicos, ou de condensação, atraem as moléculas de vapor d’água condensadas e dispersas no ar, agrupando-as à sua volta até constituir uma diminuta gota. O mesmo processo, multiplicado milhões de vezes, origina as massas de umidade concentrada que chamamos de nuvens. São núcleos higroscópicos, partículas de argila, pólen, matéria orgânica, sais marinhos, cristais de gelo etc. TIPOS DE NUVENS: STRATUS CUMULUS-NIMBUS CIRRUS
  12. 12. 2-1 TIPOS DE PRECIPITAÇÕES As precipitações podem ser convectivas, orográficas e ciclônicas/frontais. CONVECTIVAS Definição : O aquecimento desigual da superfície do solo provoca a elevação da massa de ar sobre essas regiões. Ao subirem, se resfriam e precipitam (chuva violenta, de curta duração e de grande intensidade, sobre área pequena). OROGRÁFICA Definição: Ventos quentes e úmidos que sopram na direção da terra, vindos do mar, são elevados ao encontrarem obstáculos (montanhas). Ao subirem, resfriam e precipitam (chuva fraca, de média duração e de pequena intensidade, sobre extensa área). SISTEMAS FRONTAIS OU CICLÔNICOS (FRENTES) Definição: Grandes massas de ar homogêneas adquirem a temperatura da região em que se formam. Frontais frias têm sua origem nos pólos e as frontais quentes têm suas origens no Equador. Alguma instabilidade provoca o deslocamento da massa de ar. A interface dos sistemas têm o nome de “frente”. Uma frente pode ter até 3000 km. de comprimento. Provoca chuvas de grande duração e média intensidade sobre grandes áreas. FRENTE FRIA FRENTE QUENTE
  13. 13. 2-2 FORMAS DE PRECIPITAÇÃO: Chuva Gotas acima de 3 mm de diâmetro Chuvisco Gotas inferiores a 3 mm Neve Sólida, na forma de cristais, em flocos Saraiva (slit) Pequenas pedras de gelo Granizo Pedras de gelo, formadas quando as gotas de chuva atravessam camadas de ar muito frias Orvalho(T>0o) Geada(T<0o) São fenômenos semelhantes formados respectivamente pela condensação e pela sublimação do vapor nas superfícies durante as noites frias. Nevoeiro (russo) Gotículas de vapor d’água em suspensão na atmosfera CHUVA CHUVISCO NEVOEIRO NEVE
  14. 14. 2-3 GRANIZO SARAIVA ORVALHO GEADA
  15. 15. 2-4 OCORRÊNCIA DE ÁGUA NA TERRA: Ocorrência de Água na Terra: Quantidade (x 1014) Água quimicamente contida nas rochas (não circulante) 250.000,000 Oceanos 13.200,000 Calotas polares e geleiras 292,000 Água subterrânea 84,000 Lagos doces 1,300 Lagos salgados, mares 1,000 Umidade do Solo 0,900 Vapor d’água na atmosfera 0,130 Cursos d’água 0,013 Água livre circulante 13578,800 Observa-se no quadro acima que, de toda a água existente no planeta, somente 2,7% é água doce. E que desta, cerca de 98% é água subterrânea. Da água que se precipita sobre as áreas continentais, estima-se que de 60% a 70% se infiltra. Assim, a parcela que escoa para os riachos e rios é de cerca de 40% a 30%. É esta água que se infiltra que mantém os rios fluindo, mesmo quando acontece longos períodos de estiagem.
  16. 16. 3-1 HIDROLOGIA DEFINIÇÃO (United States Federal Council for Science and Technology): “É a ciência que trata da água na 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 (Associação Brasileira de Recursos Hídricos): É o ramo da Geografia Física que trata das águas terrestres (rios, riachos, lagos, lençóis subterrâneos etc), sua distribuição, propriedades, fenômenos e leis naturais. Estuda as leis de ocorrência e distribuição das águas na superfície do solo, na atmosfera terrestre, nos estratos geológicos, bem como suas relações com problemas de engenharia sanitária, irrigação, hidroeletricidade, regularização das ondas de cheia e águas de navegação, drenagem, proteção do solo contra erosão etc. Sendo, portanto, uma ciência de grande importância econômica e social. USOS MÚLTIPLOS DOS RECURSOS HÍDRICOS : - Abastecimento público; - Consumo industrial; - Irrigação; - Recreação; - Geração da energia elétrica; - Navegação; - Depuração (capacidade que possuem os corpos d’água de receberem matéria orgânica); - Preservação da Flora e a Fauna. Os registros históricos medidos dos dados hidrometeorológicos na Hidrologia são quase sempre “errados”, pois estas medidas são pontuais, mas representam as informações hidrológicas de uma grande área. Os instrumentos de medição também são imprecisos. O CICLO HIDROLÓGICO Def.: O Ciclo Hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado, fundamentalmente, pela energia solar associada à gravidade e a rotação da Terra. O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera, fechando o ciclo hidrológico, ocorre em dois sentidos:
  17. 17. 3-2 a) no sentido SUPERFÍCIE ® ATMOSFERA, onde o fluxo de água ocorre fundamentalmente na forma de vapor, como decorrência dos fenômenos de evaporação e transpiração. b) No sentido ATMOSFERA ® SUPERFÍCIE, onde a transferência de água ocorre em qualquer estado físico, sendo mais significativas, em termos mundiais, as precipitações de chuva e neve. “O Ciclo Hidrológico só é fechado em nível global”. REPRESENTAÇÃO FIGURATIVA DO CICLO HIDROLÓGICO. DESCRIÇÃO GERAL DO CICLO HIDROLÓGICO PRECIPITAÇÃO ¨ Ocorre quando complexos fenômenos de aglutinação e crescimento das microgotículas, formam uma grande quantidade de gotas com tamanho e peso suficientes para que a força da gravidade supere a turbulência normal ou movimentos ascendentes do meio atmosférico. INTERCEPTAÇÃO ¨ Parte do volume precipitado que está caindo sobre um solo com cobertura vegetal, sofre interceptação em folhas e caules, de onde se evapora. Excedendo a capacidade de armazenamento na superfície dos vegetais, começa o que se chama de gotejamento. INFILTRAÇÃO ¨ Como o solo é um meio poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao solo, até que o filme superficial de solo esteja saturado, quando então a taxa de infiltração se torna constante e a infiltração se faz em regime permanente de escoamento. A infiltração e a percolação no interior do solo são regidas pelas tensões capilares nos poros e pela gravidade. ESCOAMENTO SUPERFICIAL ¨ A água ao chegar à superfície do solo é impulsionada pela gravidade para cotas mais baixas, vencendo principalmente o atrito com a superfície do solo. Manifesta-se inicialmente na forma de pequenos filetes que se moldam ao micro-relevo do solo. A erosão de partículas de solo pelos filetes em seus trajetos, aliada à topografia preexistente, molda uma micro-rede de drenagem efêmera que converge para a rede de cursos d’água mais estável, formada por arroios e rios. A presença de vegetação na
  18. 18. 3-3 superfície do solo contribui para o aumento da infiltração, quando se opõe ao escoamento superficial. A vegetação também reduz a energia cinética de impacto das gotas de chuva no solo (“splash”), minimizando a erosão. Com raras exceções, a água escoada pela rede de drenagem mais estável destina-se aos oceanos. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO CICLO HIDROLÓGICO
  19. 19. 3-4 TEORIA DOS RESERVATÓRIOS LINEARES, DOODGE (1950). A abordagem que considera as diferentes fases do Ciclo Hidrológico como reservatórios lineares, com capacidade e contribuição definidos, permitiu o desenvolvimento de Modelos Matemáticos para a Simulação dos processos do Ciclo Hidrológico. Esses modelos, quando bem calibrado, permitem que o hidrólogo possa fazer inferências sobre a resposta hidrológica de uma Bacia Hidrografica à interferências antrópicas. São, portanto, ferrramentas inestimáveis nos projetos de Recursos Hídricos. REPRESENTAÇÃO DO CICLO HIDROLÓGICO POR RESERVATÓRIOS LINEARES O BALANÇO HÍDRICO (A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE). Preciip.. = Inttercep.. + Evap.. + Inffiilltt.. + Essc..Supff. + Q ssubtt. + Q Riio
  20. 20. 4-1 A BACIA HIDROGRÁFICA Def.: A Bacia Hidrográfica é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou um sistema conectado de cursos d’água tal que toda vazão efluente é descarregada através de uma simples saída, o EXUTÓRIO. O DIVISOR TOPOGRÁFICO só cruza o rio em um ponto. OS DIVISORES D’ÁGUA ¾ PLANTA TOPOGRÁFICA
  21. 21. 4-2 OS DIVISORES D’ÁGUA O DIVISOR TOPOGRÁFICO A bacia hidrográfica é necessariamente contornada por um divisor d’água, assim chamado por ser a linha de separação que divide as precipitações que caem em bacias vizinhas e que encaminha o escoamento superficial resultante para um outro sistema fluvial. O divisor segue uma linha rígida unindo os pontos de cota máxima entre bacias, o que não impede que no interior de uma bacia possam existir picos isolados com cota superior a qualquer ponto do divisor (A linha cheia na figura acima). O DIVISOR TOPOGRÁFICO só cruza o rio em um ponto. O DIVISOR FREÁTICO O divisor freático (hidrogeológico) é, em geral, determinado pela estrutura geológica dos terrenos e, estabelece os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio básico da bacia (A linha tracejada na figura acima). “As áreas demarcadas por esses divisores dificilmente coincidem exatamente”.
  22. 22. 4-3 A TERMINOLOGIA DA SEÇÃO TRANSVERSAL ME ¾ Margem esquerda MD ¾ Margem direita Calha ou Leito Menor: é a escavação produzida pela corrente líquida, dentro de cujos limites ela escoa quando não há transbordamento. Calha ou Leito Maior: é a região marginal que contém o transbordamento das cheias até as elevações longitudinais naturais mais próximas. É a planície de inundação, ou várzea do rio. “As calhas caracterizam grandezas hidráulicas, como a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico, comuns a qualquer seção de escoamento e importantes para a definição e o cálculo da vazão”. Margem: é definida no ponto onde o rio passa de sua calha menor para sua calha maior (onde está a mata ciliar, planície de inundação). Batente: são os pontos de contato da superfície da água com o perímetro molhado. Os batentes variam de acordo com as oscilações do nível d’água. Largura Superficial: é a distância horizontal entre dois batentes. Talvegue – É o lugar geométrico dos pontos de menor cota de uma região. Profundidade : é a distância vertical entre a superfície da água e o fundo da calha em um ponto qualquer da seção. Profundidade Máxima é a que corresponde ao talvegue. Profundidade Média é um parâmetro de cálculo, quociente entre a área molhada e a largura superficial.
  23. 23. 4-4 CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA. Perenes – São aqueles que têm água o tempo todo. A cota do lençol freático é sempre maior que a cota do talvegue (lugar geométrico dos pontos de menor cota). Intermitentes – Nesses rios, em determinadas épocas, a cota do lençol freático fica abaixo da cota do talvegue. Efêmeros – São rios cujo escoamento está diretamente relacionado com a chuva. Ou seja, só têm água durante, e até pouco após o fim da chuva. RIO PERENE RIO INTERMITENTE RIO EFÊMERO ORDEM DOS CURSOS D’ÁGUA: Critério de Horton/Strahler : “Dois canais de ordem n unem-se para formar um canal de ordem n+1.”
  24. 24. 5-1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA Área de drenagem, (A): Definição: A área de drenagem de uma bacia é a área plana (projeção horizontal) dentro do divisor topográfico. A forma superficial está relacionada ao tempo de concentração. Tempo de concentração, (tc): Definição: É o tempo a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua na seção em estudo ou, em outras palavras, o tempo que leva a água dos limites da bacia para chegar à saída da mesma. Sistema de drenagem, (Rede Potamográfica): Definição: É constituído pelo rio principal e seus tributários. O estudo dessas ramificações e do desenvolvimento do sistema é de grande importância, pois este indica a maior ou menor velocidade com que a água sai de uma bacia hidrográfica. Densidade de drenagem, (Dd): Definição: É um índice que mostra a eficiência da drenagem da bacia. L Dd = ; onde: A L- comprimento total de todos os cursos d’água, A- Área plana da bacia. FORMA DA BACIA Coeficiente de compacidade, (Kc): Definição: É a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual à da bacia. como; A=PR2 ; área de um círculo C = 2PR ; circunferência P = A R ; mas, como = , logo, A P A P A P A P R P KC 2 2 1,77 3,545 2 2 = ´ = P = P P = P P A KC = 0,28 Obs.: Uma bacia com forma mais alongada tem uma probabilidade menor de ter cheias, pois é, também, menor a probabilidade de toda a tormenta precipitar dentro da bacia.
  25. 25. 5-2 Fator de forma (Kf) Definição: É a relação entre a largura média (L), obtida quando se divide a área pelo comprimento da bacia, e o comprimento do curso d’água mais longo, desde a desembocadura até a cabeceira mais distante na bacia (L). A L = ; donde L2 L A K f = OBS.: Uma bacia com um fator de forma baixo é menos sujeita a enchentes que outra de mesma área porém com maior fator de forma. Isto se deve ao fato de que em uma bacia estreita e longa, com fator de forma baixo, há menos possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda sua extensão; e também, em uma tal bacia a contribuição dos tributários atinge o curso d’água principal em vários pontos ao longo do mesmo, afastando-se, portanto, da condição ideal, para cheias, de bacia circular. RELEVO DA BACIA O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos. ¨ Velocidade do escoamento superficial Þ f (declividade do terreno); ¨ Temperatura/Precipitação/Evaporação Þ f (altitude da bacia). Obs.: Deve-se desprezar os trechos extremos se estes apresentarem declividades discrepantemente altas (cabeceiras) ou muito baixas (perto da seção de saída). Declividade de álveo Definição: É a razão entre a diferença de altitude de dois pontos e a distância horizontal, medida pelo perfil, entre eles. h l S = D D
  26. 26. 5-3 Declividade média da bacia, (S ) DI = 1 w n A a S i n å= i i ; onde: ¨ D I® diferença de altitude padrão entre duas curvas de nível; ¨ i w ® largura entre duas curvas de nível, ao longo do rio; ¨ i a ® área, na bacia, entre duas curvas nível; ¨ A ® área total da bacia; ¨ n ® número de intervalos de curva de nível. As características do relevo têm grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos, pois é a declividade do terreno que influi mais diretamente na velocidade do escoamento superficial. A temperatura, a evaporação e a precipitação são funções da altitude da bacia. Aqui devemos recordar que a umidade se distribui na atmosfera segundo um gradiente hidráulico. FEIÇÕES FLUVIAIS Os rios são uma das maiores forças que modelam a paisagem. Próximo às nascentes, a declividade do rio é alta. Ele escava seu canal, formando vales em forma de V e profundas gargantas. Quedas-d’água e cachoeiras se formam onde o rio deixa atrás rochas resistentes e passa a escoar sobre rochas friáveis, mais facilmente erodidas. Mais a jusante, podem formar-se meandros e a erosão lateral predomina, dando origem a um vale fluvial amplo. Por vezes o rio corta o colo de um meandro e forma um lago de meandro abandonado. Os sedimentos depositados no fundo do vale pelos rios meandrantes e durante as cheias ajudam a formar a
  27. 27. 5-4 planície de inundação. As cheias também podem depositar sedimentos nas margens dos rios, dando origem aos diques marginais. Quando um rio deságua no mar ou em um lago, deposita grandes quantidades de sedimentos e pode formar um delta. Um delta é um conjunto de barras de areia, pântanos e lagoas através dos quais o rio flui em diversos canais chamados distributários ¾ o Delta do Parnaíba, por exemplo. Com freqüência o aumento do nível do mar pode invadir a desembocadura do rio e formar um amplo estuário, uma seção influenciada pelas marés, onde a água do mar mistura-se com a água doce. GRAN CANYON O VAPOR “ARABIA” Em 1856 o navio a vapor ARABIA, que fazia o transporte de passageiros ao longo dos rio Missouri, chocou-se com um tronco de árvore que flutuava pouco abaixo da superfície, a violencia do impacto provocou um enorme buraco no casco da embarcação, que não possuindo compartimentos estanques, nafragou em minutos. Por sorte, a profundidade do rio não era muito grande e o barco apoiou-se sobre o lodo do fundo, o que permitiu que todos fossem evacuados. No dia seguinte, apenas as partes superiores da embarcação eram visíveis e em pouco mais de uma semana, o barco desapareceu completamente.
  28. 28. 5-5 Começou a correr a estória que muitos dos passageiros voltavam da corrida do ouro na Califórnia que haveria uma fortuna a bordo do barco. Muitos tentaram recuperar a carga e os valores deixados a bordo, mas, com a tecnologia da época isto não era possível. Passados muito anos, um século, e depois de várias tentativas frustadas, em 1987 foi iniciado um projeto para encontrar o “Arabia”. Com tecnologia moderna e com maior compreensão do transporte de sedimentos pelo rio, foi possível localizar o barco e, eventualmente, retirá-lo. O Arabia foi encontardo no meio de um milharal, 800 metros a leste da margem do rio e a uma profundidade de 15 metros. O trabalho de retirada da embarcação durou 18 meses. Hoje o “Arabia” está aberto para visitação pública, como uma espécie de capsula do tempo, no “Mercado Histórico do Rio”, na cidade de Kansas City, onde é possível ver como se vivia naquela época (“frontier Arabia Steamboat Museum - 400 Grand Blvd - Kansas City, Mo. 64106, USA - (816) 471-1856 life”). O VAPOR “ARABIA” O SALVAMENTO Nessa estória, pode-se perceber a enorme quantidade de sedimentos que um rio pode transportar, além da capacidade erosiva de uma corrente. O leito do rio Missouri estará sempre em movimento, regido pelas cheias naturais e por intervenções antrópicas.
  29. 29. 6-1 PLUVIOMETRIA PRECIPITAÇÃO Definição: Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor d’água da atmosfera depositada na superfície terrestre. Desde o instante da sua formação até atingir o solo, a precipitação é estudada pela METEOROLOGIA. Mas, a partir do instante em que atinge o solo, ela torna-se um elemento básico para a HIDROLOGIA. “A precipitação é a entrada do sistema hidrológico” CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS: · Total · Duração § Temporal · Distribuição § Espacial “A ocorrência da precipitação é um processo aleatório que não permite uma previsão determinística com grande antecedência.”
  30. 30. 6-2 PRINCIPAIS APARELHOS DE MEDIÇÃO DE CHUVA ¨ Para medida de chuva são utilizados, principalmente, pluviômetros, pluviógrafos e radares meteorológicos. Obs.: Este instrumento capta a precipitação através de um orifício localizado no centro e no fundo de um TIPPING BUCKET Este instrumento capta a precipitação através de um orifício localizado no centro e no fundo de um recipiente com superfície côncava. A altura de chuva acumulada no orifício é calibrada e toda vez que for alcançada um mecanismo permite a passagem de um volume pré-determinado de água. Um sensor magnético, acoplado ao mecanismo de passagem, dispara um sinal sempre que há passagem de água. Essa passagem é registrada como pulso, através de dispositivo eletrônico, tipo “data-log”. MEDIDAS PLUVIOMÉTRICAS Altura de chuva, (h)– é a espessura média da lâmina de água precipitada que recobriria a região atingida pela precipitação, admitindo-se que nessa região não se infiltrasse, não se evaporasse, e nem se escoasse fora dos limites da região (mm). ( h=1 mm Þ 1 l/m2 )) Duração, (td) – É o intervalo de tempo durante o qual se considera a ocorrência de chuva (minutos, horas). Intensidade, (i) – É a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação (mm/h, mm/min).
  31. 31. 6-3 ALGUNS APARELHOS DE MEDIÇÃO DE CHUVA PLUVIÓGRAFO PLUVIÔMETRO A SAÍDA GRÁFICA DE UM PLUVIÓGRAFO
  32. 32. 6-4
  33. 33. 6-5 PROCESSAMENTO DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS : · Detecção de erros grosseiros · Preenchimentos de falhas · Verificação da homogeneidade DETECÇÃO DE ERROS GROSSEIROS: · Valores absurdos (inesperados), dias inexistentes (30/Fev, 31/Abr), precisão em desacordo com a escala. · Erros sistemáticos: Vazamentos Entupimentos Fora do padrão · Erros acidentais : Vento forte (chuva quasi-horizontal) Transbordamento PREENCHIMENTO DE FALHAS (MÉTODO DA PONDERAÇÃO REGIONAL): Muitas vezes as estações pluviométricas apresentam falhas em seus registros, devido à ausência do observador, ou por defeito no aparelho, que pode não ter feito o registro ou feito um registro suspeito, falho. OBS.: Tomar cuidado para pegar dados de pluviômetros, não só próximos mas, principalmente, da mesma região meteorológica, para preencher a falha de um outro aparelho. a) Escolhe-se três estações localizadas o mais próximo possível da estação em questão, na mesma região meteorológica. b) Determina-se Px pela média ponderada dos registros, de pelo menos, três das estações vizinhas.
  34. 34. 6-6 Exemplo: Ano A B C D 1965 284.60 232.00 289.60 216.60 1966 129.00 139.00 122.70 117.50 1967 95.80 96.60 100.20 97.80 1968 89.80 80.00 92.70 131.10 1969 129.20 124.50 128.70 118.80 1970 158.60 149.80 174.60 150.00 1971 153.20 147.30 163.40 140.40 Média 148.60 138.46 153.13 140.18 ö ÷ø = æ ´ + ´ + ´ 92,70 çè 140,18 153,13 80,00 140,18 138,46 89,80 140,18 148,60 1 3 x P = 83,52 x P VERIFICAÇÃO DA HOMOGENEIDADE DOS DADOS (ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA): MÉTODO DA DUPLA MASSA ¾ (USGS) O objetivo é examinar séries mensais ou anuais para verificar se houve alguma anormalidade durante a operação da estação. O método consiste em construir-se uma curva dupla cumulativa, na qual são relacionados os totais anuais (mensais) acumulados de um determinado posto e a média acumulada dos totais anuais (mensais) de todos os postos da região, considerada homogênea sob o ponto de vista meteorológico. Se os valores do posto a consistir são proporcionais aos observados na base de comparação, os pontos devem alinhar-se segundo uma única reta. A declividade da reta determina o fator de proporcionalidade entre ambas as séries. ANO Média dos Postos Y Média dos Postos YAcumulado Posto Examinado X Posto Examinado XAcumulado 1965 22 22 30 30 1966 30 52 50 80 1967 60 112 70 150 1968 70 182 78 228 1969 86 268 83 311 1970 66 334 71 382
  35. 35. 6-7 Quando o gráfico anterior formar uma reta quer dizer que o posto pertence àquela região meteorológica. CASOS TÍPICOS: OK! · Série de valores proporcionais, homogênea; · Série confiável. Pode estar correto! · Erros sistemáticos; · Mudança nas condições de observação; · Existência de uma causa física real; por exemplo : presença de um reservatório artificial e mudança no microclima. · Pode ter ocorrido mudança de localização dos postos. Pode-se modificar a reta dependendo do segmento que se considerou mais correto Não está correto!
  36. 36. 6-8 · Possíveis erros de transcrição; · Talvez os postos pertençam a regiões meteorológicas diferentes. Não está correto! · Postos em regiões meteorológicas diferentes. CORREÇÃO DOS DADOS (CASO 2): a) Passar os valores mais antigos para a tendência atual. b) Passar os dados mais recentes para a tendência antiga. ( * ) M P = P + - c a P P o a a o M onde: Pc = Precipitação acumulada ajustada à tendência desejada. Pa * = Valor da ordenada correspondente à interseção das duas tendências. Ma = Coeficiente angular da tendência desejada. Mo = Coeficiente angular da tendência a corrigir. Po = Valor acumulado a ser corrigido.
  37. 37. 6-9 Roteiro para obtenção de dados hidrometeorológicos através do Banca de Dados ¾ HidroWeb, da Agência Nacional de Águas ¾ ANA. COLOCAR O CÓDIGO DO POSTO Clique após em LISTAR
  38. 38. 6-10 Clique em cima do codigo Neste posto existem dados de chuva. Para acessá-los, clique em arquivo access (fornece os dados no programa access) ou arquivo texto (fornece os dados num bloco de dados). Vale lembrar, que caso não apareça nada neste quadrinho escrito “chuvas”, é porque o posto não possui dados.
  39. 39. 6-11 NESTE CASO, PEDI PARA LISTAR OS DADOS EM ACCESS: SÍTIOS DE INTERESSE: · de algumas das principais agencias brasileiras que medem de precipitação: ANA¾ Agência Nacional de Águas. [http://hidroweb.ana.gov.br] CPRM ¾ Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais. [http://www.cprm.gov.br] INMET¾ Instituto de Meteorologia ¾ Ministério da Agricultura.[http://www.inmet.gov.br] CPTEC¾ Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos. [http://www.cptec.inpe.br]
  40. 40. 7-1 PRECIPITAÇÃO MÉDIA (CHUVA EQUIVALENTE) PRECIPITAÇÃO MÉDIA Definição: Aceita-se a Precipitação Média como sendo uma lâmina de água de altura uniforme sobre toda a área considerada associada a um período de tempo dado. (hora, dia, mês, ano). Obs.: Isto é uma abstração, a chuva real não obedece a distribuições espaciais e/ou temporais conhecidas. É um fenômeno aleatório. O Método da Média Aritmética - Todos os pluviômetros têm a mesma importância. n P P n i i m å= = 1 onde, n = número de pluviômetros O Método de Thiessen ( ) å å = = n = i P A i n i i i m A P 1 1 onde, n = número de pluviômetros O método consiste em atribuir um fator de peso aos totais precipitados em cada aparelho, proporcionais à área de influência de cada aparelho. Essas áreas de influência (peso) são determinadas em mapas, unindo-se os postos adjacentes por linhas retas e, em seguida traçando-se mediatrizes dessas retas formando polígonos. Os lados dos polígonos são os limites das áreas de influência de cada posto. Obs.: Embora mais preciso do que o método aritmético, também apresenta limitações, pois não considera as influências orográficas.
  41. 41. 7-2 Área Altura de POSTO Km2 Chuva (mm) Belo Horizonte 16,50 6 99,00 Santa Bárbara 1117,20 26 29047,20 Rio Piracicaba 801,90 62 49717,80 Nova Era 656,70 43 28238,1 Antonio Dias 669,00, 16 10704,0 Cel. Fabriciano 272,25 10 2722,5 Pres. Vargas 437,25 17 7433,25 Cubas 136,95 8 1095,6 S. J. Goiabal 209,55 26 5448,3 D. Silvério 227,70 52 11840,4 Ouro Preto 255,80 13 3325,40 S 4800,80 S 149671,55 Pm = 149.671,55 / 4800,80 = 31,18 mm
  42. 42. 7-3 O Método das Isoietas ISOIETAS Definição: São curvas traçadas sobre mapas que representam linhas de igual precipitação. O traçado dessas curvas é semelhante ao das curvas de nível, onde a altura de chuva substitui a cota do terreno. A precipitação média sobre uma área é calculada ponderando-se a precipitação média entre isoietas sucessivas, (normalmente fazendo a média dos valores de duas isoietas) pela área entre as isoietas, totalizando-se esse produto e dividindo-se pela área total. Obs.: A precisão do método depende muito da habilidade do analista. ö çè å å - = - = + ÷ø æ + = 1 1 1 1 1 2 n i i i n i i i m A A h h P n – Número de isoietas.
  43. 43. 7-5 Obs.: Os mapas mostram, claramente, que em termos de disponibilidade de água de chuva, o que importa é o volume de água precipitada (altura de chuva). Segundo o mapa, na região do polígono das secas, o número de dias com chuva, não é muito menor do que, por exemplo, na Amazônia.
  44. 44. 8-1 A EQUAÇÃO GERAL DAS CHUVAS INTENSAS: Chuva pontual¾Curvas i x d x f OBS.: Aplicável para bacias hidrográficas pequenas e chuvas intensas. Na definição da equação das chuvas de uma localidade devem ser usados os registros das chuvas realmente observados nesse posto. a R + KT i c ( ) ; Onde : t b = i¾ intensidade de precipitação (mm / h). TR¾ tempo de recorrência (anos). t ¾ duração da precipitação (mm). K, a, b, c ¾ parâmetros relativos ao regime pluviográfico local. Para usar a equação é preciso definirmos o que é uma chuva intensa e o que é uma bacia pequena. LIMITE INFERIOR DE CHUVAS INTENSAS (PROF. OTTO PFAFSTETTER): Duração (min) 5 10 15 30 60 120 240 480 840 Altura (mm) 5 7,5 10 15 20 25 30 35 40 Intensidade (mm/h) 60 45 40 30 20 12,5 7,5 4,4 2,9 Procedimento gráfico para obtenção dos parâmetros Sejam, por exemplo, os seguintes dados de chuva: Duração (min) ¾¾ 5 10 15 30 60 Intensidade TR = 10 ANOS 130 116 85 70 42 (mm/h) TR = 25 ANOS 155 130 110 86 52 Para se obter os parâmetros K, a, b e c, da equação i x d x f, adota-se o seguinte procedimento. Linearizando-se a equação da chuva intensa com o uso de logarítmos (anamorfose), temos: a R ¾¾¾¾® = + - + + i R log log .log .log( ) KT ( ) i K a T c t b t b anamorfose c =
  45. 45. 8-2 a expressão linearizada, podemos ver uma reta, do tipo Y = B- AX ; onde: · logi Þ Y ; · log K a.logT B; R+ Þ · c Þ A; · log (t +b)= X. Atribuindo-se valores a TR, as variáveis log i e log(t + b), correspondentes, configurarão a equação de uma reta, cujo coeficiente angular é “c”, e cujo coeficiente linear é (log K + a log TR). SEQÜÊNCIA DE PASSOS: 1) adota-se um valor de TR, 2) arbitra-se b=0 3) plota-se (log i x log(t+b)) 4) examinar: 4.1) No caso de concavidade para baixo, aumenta-se o valor de b. 4.2) No caso de concavidade para cima, diminui-se o valor de b. 5) continuar a variar até obter uma reta.
  46. 46. 8-3 OBS.: Para os dois valores de TR, você vai obter o mesmo c o mesmo b. Se tal não acontecer, os dados de chuva não são de boa qualidade. Para a determinação dos parâmetros “K” e “a”, forma-se um sistema de duas equações a duas incógnitas, utilizandos-se as coordenadas conhecidas de dois pontos quaisquer, tomados um em cada reta obtida, para cada TR. log log log log( ) 1 1 1 i K a T c t b R = + - + log log log log( ) 2 2 2 i K a T c t b R = + - + log I t b = D D + log( ) c Resolvendo-se este sistema de duas equações e duas incógnitas, consegue-se os valores de “K” e “A”.
  47. 47. 8-4 a R KT = , podemos extrapolar o período total de Com a obtenção dos parâmetros da equação ( t b )c i + observações. No gráfico acima, as curvas para TR = 50 ANOS e TR = 100 ANOS, representam uma extrapolação da equação. v Equações Intensidade x Duração x Freqüência para algumas cidades brasileiras: São Paulo: (Wilken) 0 ,172 3462,7 + i R ( 22 )1, 025 = t Rio de Janeiro: (Ulysses Alcantara) 0 ,217 99,154 + i R ( 26 )1,150 = t Belo Horizonte: (Freitas) 0,100 1447,87 + i R ( 20 )0,840 = t Curitiba: (Parigot de Souza) 0,150 1239,0 + i R ( 22 )0, 740 = t
  48. 48. 8-5 O MÉTODO DO PROFESSOR OTTO PFAFSTETTER (1957) : P R [a t b ( c t)] MAX = . + .log 1 + . Onde: Precipitação para TR = 1 ANO PMAX ¾ precipitação máxima em mm, t¾ duração da precipitação em horas, a, b e c – constantes para cada posto. ö æ R – Fator de ajuste, definido como: ÷ ÷ ø ç ç + = g è a b R TR R T ; onde TR = Tempo de Recorrência. Sendo: TR¾ tempo de retorno, ou recorrência, em anos, a e b ¾ valores que dependem da duração da precipitação, g ¾ uma constante, adotada para todos os posto igual a 0,25. TABELAS:
  49. 49. 8-6 Valores de b, a, b e c, para algumas cidades brasileiras (Pfafstetter, 1957):
  50. 50. 9-1 FREQÜÊNCIIA DE TOTAIIS PRECIIPIITADOS FREQÜÊNCIA Definição: É o número de vezes que um fenômeno de características iguais a outro, ocorre em um período de tempo. Seja, por exemplo, a tabela de alturas de chuva abaixo: MÊS PRECIPITAÇÃO MÉDIA (mm/mês) JAN. 136 FEV. 168 MAR. 148 ABR. 104 MAI. 72 JUN. 44 JUL. 28 AGO. 36 SET. 52 OUT. 80 NOV. 88 DEZ. 124 Os dados observados são ordenados em ordem decrescente e a cada um é atribuído o seu número de ordem m ( m variando de 1 a n, sendo n o número de períodos de observação). m PRECIPITAÇÃO MÉDIA (mm/mês) 1 168 2 148 3 136 4 124 5 104 6 88 7 80 8 72 9 52 10 44 11 36 12 28 A freqüência (relativa) com que foi igualado ou superado um evento de ordem m, é: m (MétododaCalifórnia) n F =
  51. 51. 9-2 Isto é, podemos dizer que a probabilidade de termos uma precipitação maior ou igual a 124 mm/mês é: = = 4 n 12 m FR Porém, o Método da Califórnia consideraria que a probabilidade de, no exemplo acima, termos uma precipitação maior ou igual a 28 mm é de: 1,0 = m = 12 = n 12 FR Ou seja, um evento certo, todos os meses teríamos uma precipitação de pelo menos, 28 mm. Como isto não é correto, Kimbal propos uma pequena modificação, que para amostras grandes praticamente não altera os valores, mas torna o método, conceitualmente, correto. ( MétododeKimbal) m n F +1 = TEMPO DE RECORRÊNCIA (OU TEMPO DE RETORNO) Definição: É o intervalo médio de tempo (dia, mês, ano) em que pode ocorrer ou ser superado um dado evento. R T R R R F F T 1 ; = 1 = ATENÇÃO: Para períodos de recorrência bem menores do que o número de anos de observação, o valor encontrado para a freqüência relativa (FR) pode dar uma boa idéia do valor real da probabilidade (P). Ou seja, sempre que o tamanho da amostra for grande, estaremos assumindo que, “a freqüência relativa é uma estimativa da probabilidade”. R T R P P T 1 ; = 1 = “Freqüência Relativa @ Probabilidade (Hidrologia Estocástica)”
  52. 52. 9-3 OBS.: “A Freqüência Relativa de um evento aleatório é equivalente à Probabilidade desse evento”. É a aceitação dessa tese que dá origem à Hidrologia Estocástica. 1 10.000 Q (10000anos ) ÞVertedouro; Tr = MAX ATENÇÃO: É importante ressaltar, que freqüência, probabilidade ou tempo de recorrência, definem características médias, isto é, uma chuva com um TR=25 anos poderá em um intervalo total de 50 anos ocorrer duas vezes nos primeiros 5 anos e depois ficar 45 anos sem acontecer. LEIS DA PRECIPITAÇÃO: 1) A intensidade das precipitações com o mesmo tempo de recorrência é inversamente proporcional à sua duração. 2) A intensidade das precipitações com a mesma duração é diretamente proporcional ao seu tempo de recorrência. 3) A intensidade das precipitações é inversamente proporcional à sua área de precipitação. 4) Em um determinado período chuvoso as intensidades ou as alturas e precipitação decrescem do centro da área de precipitação para sua periferia, segundo uma lei aproximadamente parabólica. ################################################### ESCOLHA DO PERÍODO DE RETORNO: P – Probabilidade F Þ Freqüência Relativa P = F TR <=> RISCO. “* ¾ Em Hidrologia, o RISCO está diretamente associado à escolha do período de retorno.” F T mas P F então T R R P 1 ; , , : = 1 = =
  53. 53. 9-4 RISCO: Definição: É a probabilidade de uma determinada obra vir a falhar durante a sua vida útil. [ ( )n ] R =100´ 1- 1-t Onde : R ¾ Risco. T ¾ Período de retorno. N ¾ Vida útil da obra. PERÍODOS DE RETORNO PARA DIFERENTES OCUPAÇÕES DA ÁREA: TIPO DE OCUPAÇÃO DA ÁREA (CETESB ¾1980) Tipo de Obra T (anos) Residencial MICRODRENAGEM 2 Comercial Microdrenagem 5 Áreas com edifícios de serviço ao publico Microdrenagem 5 Aeroportos Microdrenagem 2 - 5 Áreas comerciais e artérias de tráfego Microdrenagem 5 – 10 Áreas comerciais e residenciais Macrodrenagem 50 – 100 Áreas de importância específica Macrodrenagem 500 - …. RISCO EM % PARA DIFERENTES VALORES DE TR E N: Vida útil da obra (anos) T(anos) 2 5 25 50 100 2 75 97 99,9 99,9 99,9 5 36 67 99,9 99,9 99,9 10 19 41 93 99 99,9 25 25 18 64 87 98 50 4 10 40 64 87 100 2 5 22 39 63 500 0,4 1 5 9 18
  54. 54. 10-1 FLUVIOMETRIA Definição: É o setor da Hidrologia que trata das técnicas de medição de níveis d´água, velocidades e vazões nos rios. Objetivo: Conhecer o volume de água que escoa por uma seção transversal de um rio, em um determinado intervalo de tempo. O ideal seria termos conhecimento, em tempo-real, da vazão a cada instante. Todavia, isto, ainda não é possível. Portanto, procura-se conhecer a vazão durante um período de tempo (campanha) e extrapolam-se os resultados obtidos para períodos de tempo maiores. Existem várias metodologias de medição de vazões, cada uma delas com o índice de precisão diretamente associado ao custo de obtenção dos dados.
  55. 55. 10-2 CRITÉRIOS PARA O ESTABELECIMENTO DE UM POSTO FLUVIOMÉTRICO: a) Localizar em um trecho retilíneo, de fácil acesso e o mais estável possível; b) Localizar fora da área de influência de obras hidráulicas existentes; c) Selecionar trecho com velocidades regularmente distribuídas e não muito reduzidas; d) Entregar os cuidados de leitura da régua ou troca de papel do limnígrafo, à pessoa de confiança. Observação: Um dos grandes objetivos de se medir as vazões de um rio em determinado trecho, é podermos associar a descarga medida à respectiva cota do nível d’água da superfície do rio. Assim, para cada cota do nível d’água, corresponderá uma vazão. Essa relação, “cota x vazão”, é chamada na Hidrologia de Curva-Chave, e será vista em maior detalhe, posteriormente. Q = v.A A A A h (cota) Curva chave (equivalente a uma parábola). Q
  56. 56. 10-3 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE VAZÕES: a) MÉTODO VOLUMÉTRICO É empregado para pequenos cursos d’água e canais, ou em nascentes. Consiste em derivar as águas para recipientes volumétricamente calibrados, ou que tenham formas que facilitem a determinação de seus volumes. A vazão será o quociente do volume do recipiente pelo tempo de enchimento cronometrado. V volume ( ) ( ) ( ) t tempo Q vazão = b) MÉTODO DOS TRAÇADORES Químicos – A concentração de sal é medida na seção de montante e um tempo depois na seção de jusante. = - C C 1 C C 1 0 Q q - Onde: C – Concentração de sal injetado, C1 - Concentração de sal em regime permanente, C0 – Concentração natural de sal do rio. q – Vazão injetada. Radioativos – Em geral esses traçadores são utilizados para medições em rios violentos, encachoeirados, ou seja, rios que possam apresentar riscos de vida para a equipe de fluviometria. O manuseio do material radioativo é perigoso e exige pessoal especializado, sendo portanto mais dispendiosa a sua utilização. c) MÉTODO DOS NÍVEIS D’ÁGUA A leitura é feita em uma “escala limnimétrica”, uma régua em geral denteada, construída em madeira ou metal esmaltado e “amarrada” à um RN (referencial de nível), ou através de um limnígrafo.
  57. 57. 10-4 Observação: O uso da régua limnimétrica, ou de um limnígrafo, para se medir as vazões de um rio em uma determinada seção transversal, só é possível se conhecermos a curva que relaciona o nível d’água à vazão, isto é, a curva-chave na seção. d) MÉTODOS ÁREA XVELOCIDADE Definição: São métodos indiretos e se baseiam na equação da continuidade dos escoamentos líquidos; Q = v.A d.1) Método dos Flutuadores: É empregado mais freqüentemente para se obter estimativas de vazões em reconhecimentos hidrológicos ou para medir vazões de enchentes. Planta (visão superior) V Corte Vsuperfície Quando o flutuador cruza a seção de montante, o auxiliar dá um sinal, para que o operador acione o cronômetro. Quando o flutuador cruza a seção de jusante, é registrado o tempo de percurso. Repete-se o procedimento várias vezes, em várias faixas longitudinais, e, assim define-se as diferentes velocidades superficiais. Pode-se, portanto, relacionar a velocidade superficial com a velocidade média da seção transversal. MÉDIA SEÇÃO MÉDIA SUPERFICIA L v = K.v O coeficiente K varia com a rugosidade da calha fluvial, com a geometria da área molhada (raio hidráulico) e com a turbulência do escoamento. TABELA DE VALORES PARA K, SEGUNDO DNAEE. Situação K Velocidades fortes, profundidades superiores a 4m 1,00 Velocidades médias em rios e montanhas 1,05 Declives fracos, rios médios 0,85 Grandes rios 0,95 Declives médios, rios médios 0,90 ¾ 0,95 Velocidades muito fracas 0,80 V Vmáx Flutuadores
  58. 58. 10-5 d.2) Método do Tubo de Pitot. O tubo de Pitot, em sua configuração mais simples é um tubo recurvado, com dois ramos em angulo reto. Aplica-se a Equação de Bernoulli aos pontos 1 e 2 do escoamento da figura. Equação de Bernoulli: te g C p v y + + = 2 2 g APLICAÇÃO: h + p + v = + + = = 1 mas h h e v então g g = - = + - g h h h 2 1 assim 2 1 = = v ; 2 2 1 2 2 h v gh g ; , 0; : 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 g h p v g [( ) ] ; : 2 ; 2 2 1 2 2 1 1 g g p p v g v r r g
  59. 59. 10-6 d.3) Método dos Molinetes. Procedimento: (a) Faz-se o levantamento batimétrico da seção transversal selecionada para obter-se o perfil e a área da seção; (b) Divide-se a seção transversal do rio em um certo número de posições verticais para o levantamento do perfil de velocidades; (c) Mede-se as velocidades nessas verticais em pontos; (d) Acha-se a velocidade média ponderada para perfil vertical; (e) Determina-se a velocidade média aritmética para cada setor definido entre duas verticais; (f) Calcula-se a vazão em cada setor, multiplicando-se a velocidade obtida no item (d), pela área do setor; (g) A vazão total estimada será o somatório das vazões em cada um dos setores definidos na seção transversal do rio. O Molinete Hidrométrico: Definição: É um aparelho que dá a velocidade local da água através da medida do número de revoluções do hélice. Operação do Molinete Hidrométrico Molinete 1) A cada número inteiro de rotações, o molinete emite um sinal (sonoro ou luminoso). 2) O tempo transcorrido entre os sinais é cronometrado. 3) Multiplicando-se o número de sinais medidos, pelo número de rotações por sinal (item 1), tem-se o número total de rotações, que dividido pelo intervalo de tempo cronometrado, fornece o número de rotações por segundo (RPS). 4) Usa-se a “equação de calibragem do molinete” para transformar a rotação do eixo (RPS) em velocidade linear (m/s). Peso MOLINETE HIDROMÉTRICO
  60. 60. 10-7 Exemplo: Modelo A.Ott no 9473 v =0,4853n + 0,019; para n < 0,41 v =0,5145n + 0,007; para n³ 0,41 Parâmetros hidráulicos da seção: Área molhada, (Am) ¾ é a área da seção transversal ocupada pela água, (m2); Perímetro molhado, (Pm) ¾ é o perfil da seção transversal em contato com a água, (m); Raio hidráulico, (R): Rm = Am/Pm, (m); Largura média, (Lm) ¾ Lm = (l- _ I P ), (m); onde l é a distância do PI até o PF. Profundidade média, (h): h = Am/Lm, (m). EXEMPLO PARCIAL DE RESOLUÇÃO DE UM PROBLEMA DE FLUVIOMETRIA: Seja a seção transversal do rio. Vamos considerar o uso de um Molinete Hidrométrico com as seguintes características: ¨ 1 SINAL 10 ROTAÇÕES = + £ v m s NRS NRS EQUAÇÃO DO APARELHO: ( / ) 0,1252. 0,040 ; 3,4; (1) = + > v m s NRS NRS ( / ) 0,1305. 0,022 ; 3,4; (2)
  61. 61. 10-8 TABELA COM VALORES MEDIDOS NOS PONTOS ASSINALADOS DE VERTICAIS DA SEÇÃO TRANSVERSAL: NO DO PONTO DISTÂNCIA AO PI (m) PROFUNDIDADE DO PONTO (m) NÚMERO DE SINAIS TEMPO (seg) NÚMERO DE ROTAÇÕES POR SEGUNDO (RPS) VELOCIDADE (m/s) 1 2,10 0,00 0 0 0,0000 0,040 2 12,00 1,00 5 46,4 1,0776 0,175 3 20,00 2,00 12 42,8 2,8037 0,391 4 30,00 3,00 23 40,2 5,7214 0,769 5 30,00 5,00 24 40,6 5,9113 0,793 6 40,00 1,00 36 40,2 8,9552 1,191 OBS.: Se temos, 8 sinais emitidos em 72,4 segundos, para molinetes com 1 sinal a cada 10 rotações, então, NRS = (8 x 10) / 72,4 = 1,105 RPS. a) Cálculo das áreas de setores definidos: æ + = 2,32 4,08 ö çè A = = 11,84 m 2 .8,0 25,60 2 I 2,32.9,9 2 A = II 2 ÷ø m æ + = .10,0 82,80 2 ö çè A m III = ÷ø .10,0 52,40 2 4,08 6,40 2 æ + = 6,40 10,16 ö çè A = IV 2 ÷ø m b) Cálculo dos perímetros de alguns setores definidos: P ( ) ( ) m I 9,9 2,32 10,17 = 2 + 2 = P ( ) ( ) m II 4,08 2,32 8,00 8,19 = - 2 + 2 = c) Cálculo das velocidades médias em algumas verticais: § (Vertical A): Profundidade h = 0,00 m V = 0,040m/ s § (Vertical B): Profundidade h = 2,32 m 0,00 m ¾¾®V 0,166 m/ s 1 = 1,00 m ¾¾®V 0,175m/ s 1 = 1,82 m ¾¾®V 0,215m / s 1 = 2,12 m ¾¾®V 0,040m / s 1 =
  62. 62. 10-9 ù 0,20 2,32 0,040 ö 2 çè 0,30 0,215 0,040 ö 2 çè 0,82 æ + + ÷ø 0,175 0,215 2 1,00 æ + 0,166 0,175 2 ¸ úû é êë ÷ø æ + ÷ø æ + + ÷ø ö çè ö çè V = x x x x B V B = 0,160 m/ s § (Vertical C): Profundidade h = 4,08 m 0,00 m ¾¾®V 0,448m / s 1 = 1,00 m ¾¾®V 0,640m / s 1 = 2,00 m ¾¾®V 0,392m/ s 1 = 3,00 m ¾¾®V 0,382m/ s 1 = 3,58 m ¾¾®V 0,271m / s 1 = 3,88 m ¾¾®V 0,040m / s 1 = 4,08 0,392 0,382 ö çè x x x 0,20 0,040 ö 2 çè 0,30 æ + + ÷ø 0,640 0,392 æ + + ÷ø 0,272 0,040 2 0,58 æ + = 0,448 0,640 æ + 0,382 0,272 2 1,00 2 1,00 2 1,00 2 ¸ ù ú ú ú ú û é ê ê ê ê ë ÷ø ö æ + ÷ø çè ö çè + ÷ø æ + + ÷ø ö çè ö çè x x x VC V C = 0,414 m/ s d) Cálculo das Velocidades Médias nos Setores: m s V V 0,040 0,161 V A B I 0,101 / 2 2 = + = + = m s V V 0,161 0,414 V B C II 0,282 / 2 2 = + = + = e) Cálculo das Vazões nos Setores: Q V A m s I I I = ´ = 0,100 ´ 11,48 = 1,148 3 / Q V A m s II II II = ´ = 0,282 ´ 25,60 = 7,22 3 / f) Cálculo da Vazão Total: n = å TOTAL i Q Q = i 1 ; onde: Qi é a vazão em cada um dos n setores da seção transversal.
  63. 63. 10-10 O ADCP E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO: O ADCP ¾ Acoustic Doppler Current Profiler, ou Correntômetro Acústico de Efeito Doppler, é um aparelho utilizado para medir a vazão dos cursos d’água através do efeito “Doppler”. Ele também pode ser utilizado para medir o seu movimento com relação ao fundo do rio e a distribuição dos sedimentos em suspensão na seção de medição. É um instrumento que transmite ondas sonoras através da água. As partículas transportadas pela corrente de água refletem o som de volta para o instrumento que percebe o eco através de sensores, fazendo com que ele reconheça as diferentes profundidades e as velocidades das respectivas linhas de corrente através do efeito Doppler. O ADCP pode utilizar diferentes freqüências para emitir o som, tais como: 75, 150, 300, 600, 1.200 e 2.400 kHz, dependendo do modelo. O efeito Doppler refere-se à mudança de freqüência do sinal transmitido pelo sonar, causada pelo movimento relativo entre o aparelho e o material em suspensão da água sob a ação do feixe das ondas sonoras. Como o material em suspensão se desloca na mesma velocidade da corrente de água, a magnitude do efeito Doppler é diretamente proporcional à essa velocidade. Medindo-se a freqüência dos ecos que retornam do material em suspensão e comparando-a com a freqüência do som emitido, o ADCP determina a velocidade da partícula que é a mesma da corrente da água (figura 2). Fig. 1 - Técnica típica de uso do ADCP. Fig. 2 - Mudança de freqüência causada pelo efeito Doppler.
  64. 64. 10-11 O efeito Doppler é direcional. Qualquer mudança de freqüência corresponde a uma componente de velocidade ao longo da direção do transdutor (emissor/receptor). As velocidades perpendiculares à direção do transdutor não produzem nenhum efeito Doppler.

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