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Universidade Federal de Itajubá Instituto de Recursos Naturais
ENGENHARIA HÍDRICA
ANÁLISE COMPARATIVA DE MEDIÇÕES DE
VAZÃO UTILIZANDO EQUIPAMENTOS DOPPLER
Camila Costa de Oliveira
Itajubá - MG
Novembro / 2015
ANÁLISE COMPARATIVA DE MEDIÇÕES DE VAZÃO
UTILIZANDO EQUIPAMENTOS DOPPLER
Camila Costa de Oliveira
Monografia submetida à banca examinadora do
Trabalho Final de Graduação apresentado à
Universidade Federal de Itajubá, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Engenheira
Hídrica
Orientador: Prof. Roberto Alves de Almeida
Itajubá - MG
Novembro / 2015
Oliveira, Camila Costa. Análise comparativa de medições de vazão utilizando
equipamentos Doppler. Itajubá: UNIFEI, 2015. 79 p. (Trabalho de
Conclusão de Curso apresentado ao Programa de Graduação em
Engenharia Hídrica da Universidade Federal de Itajubá).
Palavras-Chave: medição de vazão, equipamentos Doppler, análise
comparativa.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho não poderia ser concluído sem a contribuição de pessoas notáveis, às quais
presto minha homenagem:
Ao professor Roberto Alves de Almeida pela orientação recebida.
À equipe de hidrologia do setor da OPSH.DT da Usina Itaipu pelo apoio e ensinamento
durante o estágio de férias, através do qual adquirir os dados para este estudo
A minha família pelo incentivo em todos os momentos e o apoio constante.
Aos meus amigos por tornarem meus dias melhores.
A todos que, direta ou indiretamente, colaboraram para a conclusão deste trabalho.
RESUMO
A obtenção de dados hidrológicos confiáveis é de fundamental
importância para o gerenciamento adequado dos potenciais hídricos.
Nesse contexto, a medição vazão é fundamental, pois fornece a
quantificação destes recursos, assim como, auxilia na verificação da
qualidade. A tecnologia mais moderna para medição de vazão, consiste
nos equipamentos acústicos Doppler, que possibilitam obtenção de
descarga líquida mais rápida, eficiente e segura. No entanto, essa
tecnologia exige cuidados ao ser utilizada para evitar distorções
imperceptíveis. Esse trabalho realiza uma análise das medições de
vazão de um estudo de caso, identificando seus erros e incertezas, assim
como, compara os dados apresentados por dois equipamentos Doppler
diferentes, o ADP M9 e o ADCP 1200 kHz. Os resultados
demonstraram que ambos equipamentos apresentam dados coerentes e
semelhantes, não sendo possível identificar qual o melhor dentre eles.
Verificou-se também, a importância de se regulamentar e padronizar
esta técnica para a obtenção de dados seguros.
Palavras-chaves: medição de vazão, equipamentos Doppler, análise
comparativa.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Esquema básico da variação do fluxo de água. .................................................... 16
Figura 2.2 - Método do flutuador para medição de vazão. ....................................................... 17
Figura 2.3 - Medição com Molinete. ........................................................................................ 18
Figura 2.4 - Detalhamento do Efeito Doppler com/sem perdas de retorno acústico ................ 21
Figura 2.5 - Perfil de corrente em 3D. ...................................................................................... 22
Figura 2.6 - Medição de vazão convencional e medição com efeito Doppler.......................... 23
Figura 2.7 - Células medidas em cada vertical e áreas não medidas do equipamento. ............ 24
Figura 2.8 - Estimativa da vazão junto a margem. ................................................................... 24
Figura 2.9 - ADP M9. ............................................................................................................... 25
Figura 2.10 - ADCP 1200 kHz. ................................................................................................ 26
Figura 2.11 - Erro devido ao número de células menor que a profundidade máxima. ............. 27
Figura 2.12 - Erro devido a plantas no fundo. .......................................................................... 28
Figura 2.13 - Erro causado pela queda abrupta de profundidade. ............................................ 28
Figura 2.14 - Erro causado por presença de duna na seção. ..................................................... 29
Figura 2.15 - Perfil da medição com presença de duna. ........................................................... 29
Figura 2.16 - Indicação do fundo móvel - Software RiverSurveyor. ....................................... 30
Figura 2.17 - Lost Ensemble..................................................................................................... 30
Figura 2.18 - Bad Ensembles. ................................................................................................... 31
Figura 2.19 - Bad Bins. ............................................................................................................. 31
Figura 2.20 - Erros por comprimento de fundo. ....................................................................... 32
Figura 3.1- Exemplo de trajetória da calibração de bússola. .................................................... 33
Figura 3.2 - Movimentos para calibração da bússola do ADP M9........................................... 34
Figura 3.3 – Percurso da Travessia. .......................................................................................... 34
Figura 3.4 - Método loop: a) seção sem fundo móvel e b) seção com fundo móvel. ............... 36
Figura 3.5 -Método de seção por seção. ................................................................................... 39
Figura 4.1 - Localização do Rio Monday. ................................................................................ 41
Figura 4.2 - Esquema topológico da vizinhança do posto R-11. ............................................. 42
Figura 4.3 - Barco na seção de medição do Rio Monday, orientado por um cabo de aço. ...... 43
Figura 4.4 - Distâncias do ADP e ADCP das margens. ........................................................... 44
Figura 4.5- Perfil transversal da seção do rio dado pelo ADP M9. .......................................... 46
Figura 4.6 - Perfil transversal da seção do rio dado pelo ADCP 1200 kHz. ............................ 47
Figura 4.7 – Trajeto e perfil do Loop com ADP M9 ................................................................ 48
Figura 4.8–Trajeto e perfil do Loop com o ADCP 1200 kHz .................................................. 49
Figura 4.9 - Esquema das subseções para medição de fundo móvel. ....................................... 50
Figura 4.10 - Perfil transversal do rio medido pelo ADP M9. ................................................. 53
Figura 4.11 - Perfil transversal do rio medido pelo ADCP 1200 kHz...................................... 53
Figura 4.12 - Gráfico largura versus profundidade do rio. ....................................................... 54
Figura 4.13 - Perfil de velocidade na seção do rio. .................................................................. 54
Figura 4.14 - Correlação entre vazão acumulada do ADP e do ADCP. ................................... 55
Figura 4.15 - Curva-chave Rio Monday. .................................................................................. 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1-Resumo das travessias. ........................................................................................... 45
Tabela 4.2 - Resultados do teste loop. ...................................................................................... 49
Tabela 4.3 - Vazão do ADP corrigida pelo método loop. ........................................................ 50
Tabela 4.4 - Resultado do método das subseções. .................................................................... 51
Tabela 4.5– Vazão do ADCP corrigida pelo método das subseções. ....................................... 51
Tabela 4.6 - Dados da medição "seção por seção". .................................................................. 52
Tabela 4.7 - Vazão fornecida pela curva-chave. ...................................................................... 56
Tabela 4.8 - Análise dos métodos de fundo móvel. ................................................................. 57
LISTA DE ABREVIATURAS E TERMINOLOGIAS
ADP Acoustic Doppler Profiler
ADCP Acoustic Doppler Current Profiler
Qsup Incremento de vazão pela extrapolação superficial.
Qfundo Incremento de vazão pela extrapolação do fundo.
Qmeio Vazão medida.
QME Incremento de vazão pela inclusão da cunha próxima a margem esquerda da
travessia.
QMD Incremento de vazão pela inclusão da cunha próxima a margem direita da
travessia.
QT Vazão total (Qsup+Qfundo+Qmeio+QMi+QMf)
AT Área total da seção
DMG Distância aparente entre o ponto inicial e o ponto final de uma medição.
Beams Feixes do ultrassom.
Pings Pulsos acústicos de uma frequência conhecida.
Ensembles Média de um conjunto de pings para obter o perfil de velocidade da água
e/ou a velocidade do barco
Pitch Inclinação do aparelho no sentido longitudinal do barco.
Roll Inclinação do aparelho no sentido transversal do barco.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 13
1.1 OBJETIVOS .................................................................................................................. 14
1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 14
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................. 14
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 15
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ..................................................................................... 15
2.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO FLUVIAL ............................................................................. 15
2.3 A TECNOLOGIA DOPPLER PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO .................................. 18
2.3.1 Classificação dos Equipamentos ............................................................................ 19
2.3.2 O Princípio de Funcionamento ............................................................................... 20
2.3.3 O ADP M9 da SonTek............................................................................................ 25
2.3.4 O ADCP de 1200 kHz da RD Instruments ............................................................. 26
2.3.5 Erros e Incertezas de Medições .............................................................................. 26
2.3.6 Georreferenciamento nas Medições com Equipamentos Doppler .......................... 31
3 METODOLOGIA ................................................................................................................. 33
3.1 CALIBRAÇÃO DA BÚSSOLA ................................................................................... 33
3.2 VAZÃO MÉDIA DO RIO ............................................................................................ 34
3.3 TESTE DE FUNDO MÓVEL ....................................................................................... 35
3.4 VAZÃO PELO MÉTODO SEÇÃO –POR-SEÇÃO ..................................................... 38
3.5 ANÁLISE DE INCERTEZA-PADRÃO DAS MEDIÇÕES ........................................ 39
3.6 REFERÊCIA DA CURVA CHAVE ............................................................................. 40
4 ESTUDO DE CASO -RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................... 41
4.1 LOCAL DE ESTUDO ................................................................................................... 41
4.2 MEDIÇÕES EM CAMPO ............................................................................................ 42
4.3 VAZÃO MÉDIA ........................................................................................................... 43
4.4 FUNDO MÓVEL .......................................................................................................... 48
4.5 VAZÃO PELO MÉTODO SEÇÃO-POR-SEÇÃO ...................................................... 51
4.6 REFERÊNCIA DA CURVA-CHAVE .......................................................................... 56
5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 58
5.1 SUGESTÕES FUTURAS ............................................................................................. 58
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 60
ANEXO I - Manual para medição de vazão utilizando ADP M9. ........................................... 62
ANEXO II - Manual para medição de vazão com ADCP 1200 kHz. ...................................... 73
13
1 INTRODUÇÃO
O Brasil é um país que possui um considerável potencial hídrico, distribuído em grandes
bacias que são formadas, principalmente, por pequenos e médios cursos d’água. A preservação
destes recursos é uma necessidade, e a otimização dos sistemas de aproveitamento depende de
planejamento, de estudos e de conhecimento das reais características das bacias. Nesse
contexto, a gestão dos recursos hídricos vem se tornando cada vez mais importante, e a
dependência do conhecimento desses recursos em quantidade e qualidade torna-se cada vez
maior.
Dentre as variáveis hidrológicas, a medição de vazão fluvial é um dos parâmetros mais
importantes, seja em razão da maior facilidade de exploração da água superficial para diversos
usos antrópicos, ou seja, pela sua participação direta em diversos processos em bacias
hidrográficas, como erosões e inundações. Além da importância intrínseca da análise
quantitativa de recursos hídricos, a maioria das análises qualitativas em bacias hidrográficas,
como estudos de parâmetros físico-químicos e de transporte de sedimentos, exige a correlação
dessas variáveis com a descarga líquida nos pontos de interesse (VILANOVA e BALESTIERI,
2013).
Por muito tempo, a medição de vazão em rios valeu-se de equipamentos e métodos
tradicionais, como o uso de molinete. No entanto, a necessidade de atualização e melhoria na
instrumentação e técnica de medição, fez com que a busca por novas tecnologias trouxesse,
para realidade da hidrometria, uma nova geração de equipamentos de medição de vazão,
denominados equipamentos acústicos Doppler.
O uso desses equipamentos se iniciou a partir de década de 80 e foi se difundindo em
função das inúmeras vantagens, dentre elas, a maior rapidez nas medições e a grande quantidade
de informações hidráulicas secundárias, como dados geométricos da seção, perfis
hidrodinâmicos, entre outros.
O presente trabalho analisa as medições de vazão, com perfiladores acústicos Doppler,
de um estudo de caso no Rio Monday no Paraguai, realizadas juntamente com a equipe da Usina
Itaipu. O estudo traz a identificação dos cuidados que devem ser tomados para reduzir os erros
e obter resultados consistentes, além de trazer uma análise comparativa das medições de vazão
realizadas com dois equipamentos Doppler de fornecedores diferentes.
14
1.1 OBJETIVOS
Esse trabalho tem como objetivo geral realizar a comparação entre os medidores
acústicos Doppler de vazão: ADCP 1200 kHz da RD Instruments e ADP M9 da SonTek,
identificando os erros e incertezas nas medições.
São objetivos específicos:
Identificar e analisar os procedimentos de medição destes aparelhos;
Compreender as tecnologias embutidas em cada um;
Contribuir com o material bibliográfico a disciplina EHD203 mediante a elaboração dos
manuais de operação dos dois equipamentos.
1.2 JUSTIFICATIVA
Em 2015, a disciplina de Hidrometria no curso de Engenharia Hídrica da UNIFEI
tornou-se obrigatória, fazendo-se necessária a produção de material bibliográfico de prática de
campo específica para os instrumentos que seriam alocados à disciplina, dentre esses, os
medidores de vazão acústicos Doppler.
A UNIFEI dispunha do equipamento Doppler ADCP WorkHorse 1200 kHz da RD
Instrument e, em 2015, adquiriu o aparelho ADP M9 da SonTek. Com isso, viu-se a necessidade
de realizar uma avaliação comparativa dos resultados apresentados por estes instrumentos.
Foram realizadas várias tentativas de medições com os equipamentos da Universidade, no
entanto, problemas como compra de software errado, falta de um computador que atendesse as
necessidades de campo, problemas nas instalações elétricas do equipamentos e falta de um
corpo técnico qualificado, inviabilizaram a coleta de dados com estes equipamentos.
Porém, durante um estágio realizado na Usina Itaipu, na área de medição acústica de
vazão, empregando os mesmos aparelhos disponíveis na Universidade, surgiu a oportunidade
de atender a uma demanda do curso de Engenharia Hídrica, além de complementar a formação
acadêmica e contribuir para a formação dos futuros engenheiros, ao possibilitar a transferência
de conhecimento adquirido em campo e a avaliação das tecnologias incorporadas aos dois
aparelhos.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Inicialmente, introduz-se o assunto abordado e justifica-se sua importância, além de
ressaltar o objetivo geral e os objetivos específicos da presente monografia. A segunda parte do
trabalho consiste em uma revisão bibliográfica sobre o tema, em que o conceito de vazão e seus
15
métodos de medição são introduzidos, destacando a medição com equipamentos acústicos
Doppler. A terceira etapa consiste na metodologia utilizada no trabalho. A quarta parte engloba
o estudo de caso, assim como, os resultados obtidos e suas análises e, por fim, o último item
traz a conclusão da monografia e sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Os recursos hídricos estão sendo, cada vez mais, considerados fontes de valor
econômico essencial para a sobrevivência e desenvolvimento dos seres vivos.
Consequentemente, a preocupação com a preservação do ambiente hídrico, nas diversas
atividades exercidas pelos seres humanos, está evoluindo progressivamente. Assim, é essencial
o gerenciamento adequado dos potenciais hídricos disponíveis no mundo e, para isso, o
conhecimento do regime fluvial é fundamental (AMORIM et al, 2011).
A informação de vazão fluvial é essencial para muitos usos importantes, em uma ampla
variedade de escalas, incluindo os balanços hídricos globais, projetos de engenharia, previsão
de cheias, operação de reservatórios, navegação, abastecimento de água, recreação, e gestão
ambiental. A população crescente e as conflitantes prioridades de água, incluindo a preservação
e restauração de ambiente aquático, estão estimulando a demanda por dados de água mais
precisos, oportunos e acessíveis. Para ser mais útil, a informação vazão deve ser obtida de forma
padronizada, com uma precisão conhecida, e por um longo e contínuo período de tempo
(HIRSCH e COSTA, 2004).
2.2 MEDIÇÃO DE VAZÃO FLUVIAL
Entende-se medir vazão, como mensurar o volume de água que passa numa determinada
seção do rio por unidade de tempo. A vazão é determinada pelas variáveis de profundidade,
largura e velocidade do fluxo, e é expressa comumente no sistema internacional (SI) de medidas
em m³/s, isso significa dizer que, a cada segundo, passa um determinado volume de água por
uma seção transversal específica do rio, córrego ou tubulação. Os símbolos utilizados nos
estudos hidrológicos são:
Q = vazão (m³/s)
A = área da seção do rio (m²) (w.h)
V = velocidade do fluxo de água (m/s)
h = profundidade média na seção transversal do canal (m)
16
w = largura do canal
Expressando matematicamente o que foi dito anteriormente, temos:
𝑄 = (𝑤. ℎ). 𝑉 𝑜𝑢 𝑄 = 𝐴. 𝑉 (1)
Carvalho (2008) comenta em seu trabalho que, no canal, de uma margem a outra e da
superfície para o leito, o fluxo não flui de forma homogênea, logo, isso implica também na
variação da descarga (vazão), a qual varia na seção vertical e transversal ao rio. Isto acontece
devido à morfologia do rio, em que o atrito da água nas margens e no leito causa um efeito de
retardamento da velocidade, assim como, o efeito de atrito da lâmina de água superficial com a
atmosfera.
A Figura 2.1 apresenta um esquema básico da variação do fluxo de água, representado
pelas setas, as quais indicam a direção e velocidade do fluxo na vertical (A) e na forma
transversal do canal (B)
Figura 2.1 - Esquema básico da variação do fluxo de água.
Fonte: Adaptado de Carvalho, 2008.
Existem diversos métodos para determinar vazão fluvial, cada um com indicações e
limitações conforme condições de local, da estrutura, da precisão desejada e das vazões a serem
medidas. Coelho (2011a) apresenta em sua dissertação os seguintes métodos:
Métodos volumétricos ou de medição direta;
Uso de dispositivos especiais como calhas e vertedores;
Métodos químicos;
Medições de velocidade com flutuadores;
17
Medição de velocidade com molinetes; e
Métodos acústicos.
Em se tratando de medições em rios, canais ou reservatórios, alguns desses métodos
tornam-se inviáveis. A seguir são apresentadas as vantagem e limitações de cada método:
O método volumétrico é um método preciso, mas possui limitações para pequenas vazões
(menores que 1,5 l/s).
Medições com calhas e vertedores, também têm boa precisão, mas possuem limitações
quanto ao custo e dificuldade de instalação.
O método químico é indicado nos casos onde não se consegue utilizar outro método de
medição de vazão, devido à dificuldade de instalação de estruturas apropriadas ou pelo risco
oferecido ao operador, como no caso de grandes correntezas e, principalmente, em rios de
montanha de grande turbulência ou onde o fundo é muito irregular, com presença de grandes
blocos de pedra. (COELHO, 2011)
O método do flutuador é um método expedito, menos preciso, sendo empregado somente
quando não há necessidade de precisão das medidas. Consiste em determinar a velocidade
de deslocamento de um objeto flutuante, medindo o tempo necessário para que o mesmo
desloque em um trecho do rio de comprimento conhecido (Figura 2.2).
Figura 2.2 - Método do flutuador para medição de vazão.
Fonte: Silva, 2014.
A utilização do molinete para medição de vazão, conhecido como o método convencional,
consiste na representação da seção transversal de um rio segundo um número adequado de
verticais, e na utilização de um molinete hidrométrico, que é um velocímetro em forma de
torpedo, para a determinação da velocidade média do fluxo que passa na seção. Na
utilização deste tipo de equipamento, ocorre a conversão do movimento de translação do
fluxo de água em um movimento de rotação da hélice do molinete. A determinação da
18
velocidade de fluxo é feita com o auxílio de um contador de número de voltas que a hélice
realiza durante um intervalo de tempo previamente estabelecido. Conhecendo o número de
voltas da hélice num dado intervalo de tempo e a “equação de calibração do molinete”,
fornecida pelo fabricante do equipamento, é possível determinar a velocidade do fluxo
(RIOS et al, 2011). O número de verticais de medição de velocidades e profundidades
depende basicamente da largura do rio na seção de medição, e o número de medição da
velocidade em cada vertical, depende do método de medição.
Figura 2.3 - Medição com Molinete.
Fonte: Adaptado de Carvalho, 2008.
O método acústico Doppler tem sido muito utilizado em substituição ao método do
molinete, devido a sua facilidade e praticidade. Contudo, os investimentos em
equipamentos Doppler são elevados quando comparados com o molinete. A vantagem do
método Doppler é a agilidade com que as medições são realizadas, fornecendo resultados
quase instantaneamente com o emprego de softwares especializados.
2.3 A TECNOLOGIA DOPPLER PARA MEDIÇÃO DE VAZÃO
A prática de medição de vazão em canais, rios e estuários, com o uso de efeito Doppler
iniciou-se, ainda de forma incipiente, no ano de 1984, com a necessidade de uma medição mais
rápida nos canais de corrente bidirecional, para a qual, o método com molinete não era mais
adequado para cumprir as exigências no tempo demandado.
19
Com o uso de medidores Doppler, as medições tornaram-se rápidas, eficientes e mais
seguras, visto que, com estes procedimentos não há mais a necessidade de passar cabos, baixar
os equipamentos e, nem perder tempo parado em cada vertical.
“Estes aparelhos possuem aplicação em diversas áreas, como calibração de modelos
hidrodinâmicos, monitoramento de correntes em reservatórios, perfis de velocidade em uma
seção, velocidade indexada e estudos de hidráulica” (GAMARO, 2012B).
Existem inúmeros usos para estes aparelhos, porém, há muito ainda a descobrir sobre o
que se pode aproveitar de seus recursos. Além disso, toda essa facilidade é resultado de uma
forte tecnologia aplicada, que como tal, exige cuidado ao ser utilizada, para evitar distorções,
as vezes imperceptíveis, que podem gerar dados falsos ou distorcidos.
2.3.1 Classificação dos Equipamentos
Os equipamentos Doppler nasceram em ambiente de mar e oceano, e dessa forma,
inicialmente foram desenvolvidos para medir escoamentos menos turbulentos, com o aparelho
estático no fundo ou preso a uma boia. Posteriormente, surgiram os sistemas em movimento
que passaram a medir ambientes mais dinâmicos, basicamente, acoplados a barcos. Desta
forma, Gamaro (2012) sugeriu classificar estes aparelhos quanto a instalação, a frequência, o
tipo de medição e a orientação.
Instalação
▪ Dinâmicos: são a grande maioria no Brasil, instalados em barcos, catamarãs, trimarãs,
caiaques, ou até operados manualmente.
▪ Estáticos: são pouco conhecidos no Brasil, e podem ser instalados nas margens, boias
ou no fundo do canal.
Frequências
Atualmente, para rios, utilizam-se aparelhos com frequências de 150 kHz até 5.0 MHz,
sendo que, quanto menor a frequência, maior é a profundidade de medição que o aparelho
alcança. As frequências mais utilizadas são de 300, 600, 1000, 1200, 1500 e 3000 kHz.
Existem ainda aparelhos multifrequenciais para uma maior versatilidade.
Tipo de Medição
▪ Estáticos: podem medir o perfil de onde estão instalados, medem a velocidade apenas
em um plano, medem um ponto ou perfilam tudo, dependendo do número de
transdutores.
▪ Dinâmicos: medem vazão (velocidade, batimetria, etc) e medem um ponto.
20
▪ Pontuais: Medem um único ponto. Muito usados, a princípio, em laboratórios e em
medição a vau como um molinete eletrônicos acústico.
Orientação
Podem ser vertical (up, down), horizontal ou inclinada.
2.3.2 O Princípio de Funcionamento
2.3.2.1 Efeito Doppler
O princípio Doppler, descoberto pelo austríaco Christian Johann Doppler no ano de
1842, consiste em um fenômeno observado nas ondas quando emitidas ou refletidas por um
objeto relacionando a mudança na frequência de uma fonte à velocidade da fonte e o
observador.
“A mudança de frequência de uma fonte de som (ou luz) para um observador é
proporcional a velocidade (Equação 2) na qual a distância entre a fonte e o observador vai
aumentando ou diminuindo” (GAMARO, 2012). Ou seja, se uma fonte sonora e um receptor
estão se movendo, um em relação ao outro, a frequência recebida não é a mesma frequência da
fonte. Se eles estão se aproximando, a frequência recebida é maior do que a frequência da fonte
e, se eles estão se afastando, a frequência recebida é menor do que a frequência da fonte.
𝐹𝑑 = 𝐹𝑠 . 𝑉/𝐶 (2)
Em que:
Fd = Diferença de frequência (Hz)
Fs = Frequência transmitida de uma fonte (Hz)
V = Velocidade relativa entre a fonte e o objeto (m/s)
C = Velocidade do som (m/s)
Como há um efeito Doppler entre transdutor/partícula e outro da partícula/transdutor, a
fórmula se define em:
𝐹𝑑 = 2𝐹𝑠. 𝑉/𝐶 (3)
A Figura 2.4 (A) mostra o espalhamento da frequência e o retorno acústico para o
registro no transdutor, já na Figura 2.4 (B) é mostrada uma descrição do Efeito Doppler, sem
as perdas de frequências.
21
Figura 2.4 - Detalhamento do Efeito Doppler com/sem perdas de retorno acústico
Fonte: Schuck, 2013.
Apenas parte do eco refletido é lido pelo instrumento. Como o Doppler mede a
velocidade radial, somente uma componente de velocidade de água é utilizada (GAMARO,
2012). O efeito Doppler é, portanto, baseado na diferença de frequência entre o sinal acústico
emitido por um sensor e a frequência do mesmo, refletido por um objeto em movimento
(BENSI, 2006), conforme a equação a seguir.
𝐹𝑑 = −2𝐹𝑠 . (
𝑉
𝐶) . cos 𝜃 (4)
Sendo assim, o medidor acústico Doppler realiza medição de perfis verticais da
velocidade da água, usando energia acústica (transmissão de ondas sonoras através da água).
As partículas transportadas pela corrente de água refletem o som de volta para o instrumento
que, por sua vez, capta o eco através de sensores, reconhecendo as diferentes profundidades e
as velocidades das respectivas linhas de corrente através do efeito Doppler (COELHO et al,
2011).
2.3.2.2 Medição de Velocidade
Os equipamentos Doppler emitem ondas sonoras ao passar uma corrente elétrica sobre
cerâmicas piezométricas. A onda emitida pelo aparelho segue em direção ao fundo e conforme
reflete nas partículas em suspensão na água, calcula a velocidade das partículas, as quais se
assumem serem iguais a da água (GAMARO, 2012).
22
O aparelho tem uma função chamada time gating, que é a maneira como o aparelho
discretiza verticalmente o perfil em células, através do tempo de percurso dos pulsos (Figura
2.5). Esta discretização é calculada pelo tempo de retorno do sinal emitido, sendo que, no centro
de cada célula é considerada uma velocidade média daquele espaço.
Figura 2.5 - Perfil de corrente em 3D.
Fonte: Sontek, 2000
A velocidade é então calculada, por meio de trigonometria, na direção que se deseja,
normalmente perpendicular à seção ou rebatida para as direções Norte/Sul ou Leste/Oeste.
Para entender como funciona este aparelho, imagina-se um conjunto de molinetes
colocados em uma vertical da seção de medição (Figura 2.6), a medida da velocidade que cada
um dos molinetes efetuará será pontual. Logo, a medição com aparelhos Doppler pouco difere
da medição com molinete, porém, é muito mais detalhada. Sua medição é feita em movimento,
ao invés de ir parando em cada vertical. Gamaro (2012) enfatiza que, com a tecnologia Doppler,
passamos a ter mais medidas de velocidade na área de cada célula. A velocidade que é mostrada
na tela do computador será a média de velocidades para cada uma destas células, que terá como
área o produto do tamanho do bin estipulado pelo operador, pela distância percorrida no tempo
que leva para processar uma vertical.
23
Figura 2.6 - Medição de vazão convencional e medição com efeito Doppler.
Fonte: Simpson,2001
2.3.2.3 Áreas não Medidas pelo equipamento
Os aparelhos Doppler possuem restrições que impossibilitam as medições de algumas
áreas junto a superfície, perto de leito e perto das margens. Estas áreas não medidas são
calculadas por extrapolação e interpolação.
Na superfície, a área não medida ocorre devido a área de imersão do aparelho e também
devido ao somatório de uma restrição acústica, chamada de blank. Segundo Gamaro (2012),
blank region é o espaço necessário para que os transdutores parem de vibrar após emitirem o
som e possam receber o sinal.
Na área do fundo, as ondas sonoras se espalham numa vertical formando um feixe
paralelo, chamado side lobe. O side lobe possui uma energia muito fraca que não produz ruído
considerável e por isso chega ao fundo primeiro. Ao encontrar uma boa superfície para reflexão
contamina o espaço perto do leito, impedindo a leitura de dados. As áreas não medidas nas
margens são devido à baixa profundidade da coluna de água (SONTEK, 2000).
A Figura 2.7 mostra as áreas não medidas pelo equipamento, assim como, a
discretização das verticais em células como comentado no item anterior.
24
Figura 2.7 - Células medidas em cada vertical e áreas não medidas do equipamento.
Fonte: Adaptado de Wall et al, 2006
A extrapolação da vazão na superfície e no fundo pode ser feita de duas maneiras. Uma
maneira, chamada de extrapolação constante, é feita utilizando a velocidade medida na célula
mais próxima, da superfície ou do fundo, como a velocidade da área não medida. Outra técnica
consiste em ajustar uma curva exponencial a parte boa do perfil e estender a curva para os
limites (RD INSTRUMENTS, 2001).
Para estimar as vazões próximas às margens, utiliza-se os dados disponíveis no
momento em que a travessia iniciou/terminou. Conforme a Figura 2.8, são utilizados os valores
da última profundidade (dm), a distância da margem (L) e a velocidade tirada nos últimos
ensembles mais próximo da costa (Vm). A vazão é calculada multiplicando a área triangular
pela velocidade.
Figura 2.8 - Estimativa da vazão junto a margem.
Fonte: Gamaro, 2012.
25
2.3.2.4 Tipos de processamento de sinais
De acordo com Ricardo et al (2008), os perfiladores acústicos de corrente apresentam
diferentes formas de processamento de sinais, visando principalmente à redução da incerteza
das medições. Existem diferentes métodos para computar a velocidade da água, cada um com
diferentes fatores, que afetam estas medições em uma perspectiva operacional (GAMARO,
2012).
Pulso incoerente ou narrowband: transmite um pulso único relativamente longo, utilizando
o efeito Doppler para calcular a velocidade de escoamento, apresentando uma incerteza de
curto prazo relativamente grande.
Pulso a pulso: emite pulsos curtos com defasagem temporal que impeça a sobreposição de
sinais sucessivos e utiliza a diferença de fase das ondas para calcular o efeito Doppler. É
considerado o mais preciso, tendo menor incerteza de curto prazo, no entanto é restrito a
determinadas faixas de velocidade e profundidade.
Processamento Spread Spectrum ou BroadBand: utiliza o princípio de processamento
coerente, sendo os pulsos sucessivos, porém, emitidos em intervalos que permitam sua
simultaneidade durante o perfilamento. Sua incerteza é intermediária em relação aos
processamentos NarrowBand e pulso a pulso.
2.3.3 O ADP M9 da SonTek
O medidor acústico Doppler ADP M9 (Figura 2.9) é um aparelho fabricado pela Sontek,
projetado com o objetivo de realizar as medições de vazão em vários tipos de aplicação em rios
e canais abertos. É um equipamento pequeno, portátil e fácil de operar, e ao mesmo tempo
robusto para ser usado em condições extremas, com resultados precisos em tempo recorde de
coleta.
Figura 2.9 - ADP M9.
Fonte: Adaptado de Sontek, 2012
26
Conforme a Figura 2.9, é composto por nove feixes: oito transdutores de medição de
velocidade, sendo quatro de 3,0 MHz e quatro de 1,0 MHz; e um feixe acústico vertical de 0,5
MHz, que fornece dados de profundidade.
O equipamento possui 13 centímetros de diâmetro, uma gama de perfil de velocidade
de 0,2 a 30 metros, podendo chegar até a 80 metros com o uso de um GPS integrado.
2.3.4 O ADCP de 1200 kHz da RD Instruments
O ADCP 1200 kHz, também conhecido como Workhorse Rio Grande, é um medidor
acústico Doppler de vazão, fabricado pela RD Instruments. Possui quatro feixes transdutores
de velocidade com frequência de 1200 kHz (Figura 2.10) que possibilitam medições com
profundidades de 0,3 a 21,0m.
Figura 2.10 - ADCP 1200 kHz.
Fonte: RD Instruments.
2.3.5 Erros e Incertezas de Medições
As medições de vazões, com molinete ou ADCP, além da hidráulica, são baseadas em
conhecimentos da teoria de erros e estatística, sendo os erros aleatórios e os erros sistemáticos
contribuintes para incerteza da velocidade.
Segundo Gamaro (2012), as fontes de erros aleatórios podem ser internas ou externas.
As fontes internas englobam o comprimento do pulso, a frequência transmitida e o ângulo do
feixe, e as externas são as turbulências, as ondas internas, a movimentação do instrumento e os
fatores de medição. Já as fontes dos erros sistemáticos incluem a geometria do feixe, a
temperatura, entre outros.
É possível reduzir os erros aleatórios através de médias de amostras únicas, já os erros
sistemáticos não podem ser reduzidos. Sendo assim, as medições de vazão com equipamento
Doppler deve buscar minimizar os erros aleatórios o máximo possível.
27
A NBR 13403/95 que trata sobre “Medição de vazão em efluentes líquidos e corpos
receptores”, fixa como admissível, para equipamentos ultra-sônicos, erros entre 2% e 5% para
medição de vazão.
Desta forma, para reduzir os erros, os cuidados devem ser tomados desde o início da
utilização do equipamento, cuidando para que o suporte para acoplamento no barco não seja de
material ferroso e para que o equipamento fique na posição vertical, evitando iniciar alguns
ângulos de balanço do instrumento. O próximo passo consiste no cuidado durante as medições,
quanto mais lenta e constante for a travessia, melhor será a medição.
A escolha da seção também é uma fator muito importante. Uma seção que possui águas
mais homogêneas com filetes paralelos e fundo sem muita modificação, ajuda bastante na
qualidade da medição (GAMARO, 2012).
Entre os erros que podem ser causados durante a medição podemos citar:
Erros devido a “pitch”e “roll”.
São os erros causados devido ao balanço do equipamento, interferindo nos ângulos de
medição. Não são erros comuns, pois o aparelho faz correções até 15°. No entanto, em alguns
casos, a quantidade de inclinação é tanta que fica impraticável a medição. O valor utilizado
como normal seria de até 5°. Acima de 10° seria necessário fazer uma melhor análise e, se o
erro for acima de 15°, não tem correção.
Erro devido ao número de células menor que a profundidade máxima.
É um erro comum que gera um aumento na medição devido a células em número
insuficiente para alcançar o fundo, fazendo com que toda área medida não seja extrapolada.
Figura 2.11 - Erro devido ao número de células menor que a profundidade máxima.
Fonte: Gamaro, 2012.
28
Erros devido a plantas no fundo
A presença de plantas e outros obstáculos junto ao leito do rio podem ocasionar perda
de leitura no fundo.
Figura 2.12 - Erro devido a plantas no fundo.
Fonte: Gamaro, 2012.
Erro devido à queda abrupta da profundidade
Locais com desníveis muito abruptos geralmente impossibilitam boas medições, e
requerem uma destreza melhor do barqueiro para não perder a passagem na região da mudança
brusca de profundidade (GAMARO, 2012).
Figura 2.13 - Erro causado pela queda abrupta de profundidade.
Fonte: Gamaro, 2012.
29
Erro causado por dunas
Dunas na seção causam bad ensembles, e a montante da seção, fazem sombra para as
velocidades.
Figura 2.14 - Erro causado por presença de duna na seção.
Fonte: Gamaro, 2012.
Figura 2.15 - Perfil da medição com presença de duna.
Fonte: Gamaro, 2012.
Erro devido ao fundo móvel
Como o aparelho utiliza o fundo como referência (Bottom Track) para medir a
velocidade do barco, quando há movimentação dos sedimentos no fundo, a velocidade é
superdimensionada. Como a vazão obtida é resultado da subtração da velocidade do barco da
velocidade medida, tem-se assim, uma vazão subdimensionada.
30
Figura 2.16 - Indicação do fundo móvel - Software RiverSurveyor.
Fonte: Gamaro,2012.
Os erros citados anteriormente geram falhas nas medições, podendo gerar lost ensemble,
bad emsembles ou bad bins.
Lost ensemble: são ensembles excessivamente grandes gerados quando o computador perde
contato momentaneamente com o equipamento.
Figura 2.17 - Lost Ensemble.
Fonte: Gamaro (2012).
Bad ensemble: são ensembles onde os dados não alcançam o critério para serem dados
válidos de velocidade. Podem ser causados, entre outros fatores, devido à perda de fundo,
a descorrelação do sinal acústico e ao baixo nível de retorno do eco.
31
Figura 2.18 - Bad Ensembles.
Fonte: Gamaro (2012).
Bad bins: são células que acontecem em qualquer parte da travessia e não alcançam os
padrões técnicos de confiabilidade do dado.
Figura 2.19 - Bad Bins.
Fonte: Gamaro (2012).
2.3.6 Georreferenciamento nas Medições com Equipamentos Doppler
Em locais com presença de fundo móvel, com forte interferência magnética ou com
limitação do alcance do bottom track, é necessário conhecer o posicionamento absoluto da
embarcação para realizar as medições de vazão (GAMARO, 2012). Para isto, utiliza-se um GPS
ou DGPS acoplado aos equipamentos. Porém, para calcular a velocidade da embarcação
utilizando DGPS é necessário que alguns cuidados sejam tomados, pois a vazão medida será
distorcida caso haja erros nos vetores velocidade do barco.
Nas medições com aparelhos Doppler, a velocidade da água é a resultante da diferença
vetorial entre a velocidade relativa e a velocidade da embarcação, adquirida pela referência do
32
Bottom Track. Porém em casos de fundo móvel ou outra das necessidades, a velocidade da
embarcação é medida através do GPS, ou seja triangulação via satélite. Neste caso, erros podem
aparecer, uma vez que, a velocidade da água é medida em relação ao norte magnético, utilizando
a bússola do equipamento, enquanto que, a velocidade da embarcação é medida em relação ao
norte verdadeiro utilizando os satélites.
Como os dois têm uma diferença entre si, esta diferença ficará sendo o erro na
velocidade da água, logo na vazão.
Figura 2.20 - Erros por comprimento de fundo.
Fonte: Gamaro (2011).
33
3 METODOLOGIA
A metodologia apresentada nessa monografia consiste na análise dos métodos de
medições de vazão realizadas em campo e na comparação dos dados obtidos com os dois
equipamentos Doppler.
3.1 CALIBRAÇÃO DA BÚSSOLA
Antes de iniciar as medições de vazão é necessário que se faça a calibração da bússola
para compensar os campos magnéticos específicos para o local. A bússola deve ser calibrada
no local a ser realizada a medição, em área aberta e sem metais próximos, devendo ser repetida
se a distância passar de 100 km (GAMARO, 2011).
Para o equipamento ADCP, o Manual do Usuário do ADCP “WinRiver Users Guide”
(2001) no Método 1 de calibração descrito no item 8.4.1, sugere que seja feita uma trajetória
em círculo com o barco, iniciando e parando exatamente no mesmo ponto (máximo 30 cm de
diferença) como pode ser observado na Figura 3.2.
.
Figura 3.1- Exemplo de trajetória para calibração de bússola.
Fonte: Adaptado de RD Instruments, 2001.
Usando o fundo como referência de velocidade (Bottom Track), o software pode mostrar
que o barco não retornou ao mesmo local. Este erro é causado pelo desvio da bússola em um
ciclo. Caso haja erro, é necessário modificar as configurações da bússola do aparelho, de acordo
com os dados fornecidos pelo software.
Para o equipamento da Sontek (ADP M9), realiza-se a calibração, seguindo instruções
do manual “RiverSurveyor S5/M9 System Manual”, rodando o equipamento através de dois
círculos completos variando, ao mesmo tempo os ângulos de “pith” e “roll” o máximo possível
(Figura 3.2).
34
Figura 3.2 - Movimentos para calibração da bússola do ADP M9.
Fonte: Autoria própria.
Uma bússola calibrada indica o norte magnético ao invés do norte geográfico. A
diferença angular entre estas duas direções é chamada de declinação magnética e varia ao longo
da superfície da Terra e com o tempo. Esse processo melhora a capacidade de detectar a
distorção magnética local.
3.2 VAZÃO MÉDIA DO RIO
Segundo o manual do usuário do ADCP “WinRiver Users Guide”, a vazão típica do rio
é calculada a partir de dados de várias travessias sob a seção do rio, através da média das vazões
obtidas em cada travessia. Utilizando como exemplo a Figura 3.3, a travessia ocorre através do
rio do ponto A ao ponto B, e a vazão total (ΣQ1) é gravada. A segunda travessia então, começa
no ponto B e termina no ponto A, determinando a segunda vazão total (ΣQ2). Esse processo
deve continuar até que se tenha o número desejado de travessias, sendo recomendado pelo
manual no mínimo quatro para o cálculo da vazão média. Assim, a atual vazão estimada do rio
será a média dos valores de vazões para N travessias individuais conforme a Equação 5.
Figura 3.3 – Percurso da Travessia.
Fonte: WinRiver Users Guide, 2001.
35
𝛴𝑄 =
(𝛴𝑄1 + 𝛴𝑄2 + 𝛴𝑄3 + 𝛴𝑄4 + ⋯ )
𝑁 (5)
Para o melhor controle sobre a direção e a velocidade do barco, recomenda-se que as
travessias sejam orientandas por um cabo de aço, com o motor do barco desligado, cuidando
para que velocidade do barco seja menor ou igual a velocidade média da vazão do rio. As
medições nas travessias não devem ser contínuas, ou seja, realiza-se uma medição para cada
travessia, iniciando em uma margem e terminando em outra.
3.3 TESTE DE FUNDO MÓVEL
O teste de fundo móvel é realizado para verificar se há movimentação de sedimentos
carreados no fundo que podem interferir nas medições. Segundo Gamaro (2012), os
equipamentos Doppler leem estes sedimentos como se fôssem o leito, introduzindo assim, um
erro na velocidade do barco. Como a velocidade medida por estes equipamentos é uma
velocidade relativa, ou seja, velocidade da água mais do barco, para se conhecer a velocidade
da água é preciso extrair a velocidade do barco. Com a presença de fundo móvel, a velocidade
do barco é lida maior que a real, subdimensionando assim, a velocidade da água.
Gamaro (2012) recomenda alguns métodos para realizar o teste do fundo móvel. Para
este trabalho será usado o método do loop e o método das subseções, descritos a seguir.
3.3.1 Método do Loop
O método do Loop pode ser utilizado para corrigir vazão medida caso haja a
movimentação de sedimentos no leito. Para a realização deste teste, Muller (2006) determina
que seja feita medição em uma travessia de ida e volta, de uma margem à outra, utilizando o
bottom track como referência de velocidade. Deve-se realizar uma medição única e contínua
em formato de “oito”, sendo o ponto de saída o mesmo ponto de chegada (distância máxima de
50 cm).
Para a relevância do método loop, seguindo ressalvas de Gamaro (2012), a bússola deve
ser calibrada antes de iniciar o processo e, além disso, a velocidade do barco deve ser mantida
constante durante todo o trajeto.
Com a travessia obtém-se a distância aparente entre o início e o fim do loop, chamada
de DMG. Quando não há fundo móvel na seção, a DMG é igual a zero. Quando a DMG é
diferente de zero, tem-se a presença do fundo móvel e a vazão média obtida deve ser corrigida.
36
A Figura 3.4 mostra o exemplo de uma leitura feita pelo aparelho para as duas situações
descritas anteriormente.
Figura 3.4 - Método loop: a) seção sem fundo móvel e b) seção com fundo móvel.
Fonte: Gamaro (2011).
Para corrigir a vazão, soma-se a vazão média, obtida com as travessias, ao produto da
velocidade do fundo móvel, calculada com o loop, pela área retirada da medição (Equação 6).
𝑄𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 𝑄𝑚é𝑑𝑖𝑎 + 𝑉𝑓𝑚. 𝐴 (6)
Onde:
𝑉𝑓𝑚 =
𝐷𝑀𝐺
𝑡𝑙𝑜𝑜𝑝 (7)
Sendo que:
Qcorrigida = Vazão corrigida;
Qmédia = Vazão média obtida pelas travessias;
Vfm = Velocidade de fundo móvel;
A = Área retirada das medições (área perpendicular ao fluxo);
DMG = Distância aparente entre o início e o fim do loop;
Tloop= Tempo total do loop;
Gamaro (2011) recomenda que seja feita a correção da vazão média apenas se a
relevância da velocidade de fundo móvel, em relação a velocidade média medida nas travessias,
for maior que 1%. Esta relevância é calculada de acordo com a Equação 8.
37
𝑅𝑒𝑙 =
𝑉𝑓𝑚
𝑉𝑚é𝑑𝑖𝑎𝑥100 (8)
Onde:
Rel = Relevância (%)
Vfm= Vazão de fundo móvel
Vmédia= Vazão média obtida pelas travessias
3.3.2 Método das subseções
O método das subseções não busca corrigir os erros ocasionados pelo fundo móvel, mas
sim, diminuí-los. É indicado para seções conhecidas, onde se queira medir em locais de melhor
qualidade de dados de fundo. Neste método, são feios diferentes testes de fundo móvel,
espaçados regularmente, ao longo da seção do rio. Para verificação da existência de fundo
móvel, em cada subseção é necessário que o barco seja mantido parado, por um período de no
mínimo 5 minutos, medindo a velocidade.
Após a medição, calcula-se a velocidade de fundo móvel para cada subseção, que assim
como no teste do loop, é calculada dividindo a distância aparente (DMG) pelo tempo da
medição.
𝑉𝑓𝑚 =
𝐷𝑀𝐺
𝑡 (9)
Onde:
Vfm=Velocidade de fundo móvel;
DMG = Distância aparente percorrida pelo barco;
t = tempo de medição.
A vazão de fundo móvel é obtida multiplicando a média das velocidades de fundo móvel
pela área total da seção, como mostra a Equação 10.
𝑄𝑓𝑚 = (
𝑉𝑓𝑚1 + 𝑉𝑓𝑚2 + ⋯ + 𝑉𝑓𝑚𝑛
𝑛) 𝑥𝐴𝑡 (10)
Em que:
Qfm = Vazão de fundo móvel;
Vfmi = Velocidade de fundo móvel de casa subseção;
n = número de seções;
38
A = Área total da seção.
Assim como no método do loop, deve ser verificado a razão da velocidade de fundo
móvel pela velocidade média da água durante o teste, observando se o grau de relevância é
maior que 1%. Caso seja maior, deve-se corrigir a vazão média somando a vazão de fundo
móvel (Equação 11).
𝑄𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑎 = 𝑄𝑚é𝑑𝑖𝑎 + 𝑄𝑓𝑚 (11)
Onde:
Qcorrigida = Vazão do rio corrigida;
Qmédia = Vazão média da água durante o teste;
QfmT = Vazão de fundo móvel.
3.4 VAZÃO PELO MÉTODO SEÇÃO –POR-SEÇÃO
No método seção-por-seção, a vazão é obtida seguindo os mesmos procedimentos de
uma medição com molinete, ou seja, realiza-se medição de velocidade e profundidade em várias
verticais da seção do rio espaçadas igualmente. O número de verticais varia de 20 a 25,
dependendo basicamente da largura do rio na seção de medição.
Para este método, utiliza-se a referência “none”, ou seja, não utiliza nenhuma referência,
nem a do fundo (Bottom Track), nem a do GPS. Sendo assim, como o aparelho está parado, este
somará velocidades de qualquer direção, especialmente se os vetores da corrente não forem
perpendiculares a seção. Desta forma, ao realizar as medições, deve-se tomar os mesmos
cuidados tomados quando se utiliza o molinete. Como por exemplo, ao se deslocar o barco de
uma vertical para outra, esperar o barco estar direcionado com a corrente para iniciar a medição.
Com os dados das medições, calcula-se uma vazão para cada vertical, multiplicando a
velocidade pela área da vertical. A vazão total será então a soma das vazões de todas as verticais.
A Figura 3.5 exemplifica as verticais em uma seção de rio.
𝑄𝑖 = 𝑉𝑖 . 𝐴𝑖 (12)
e
39
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = ∑ 𝑄𝑖
𝑛
𝑖=1
(13)
Onde:
Qi = Vazão de cada vertical;
Vi = Velocidade de cada vertical;
Ai = Área de cada vertical
Qt = Vazão total;
n = número de verticais.
Figura 3.5 -Método de seção por seção.
Fonte: Grison (2008).
3.5 ANÁLISE DE INCERTEZA-PADRÃO DAS MEDIÇÕES
Como mencionada na revisão bibliográfica, segundo a NBR 13403/95, para medidores
ultra-sônicos, o erro esperado e admissível varia de 2% a 5%. Para avaliar os erros e incertezas
presentes na medição, os dados de vazão devem ser submetidos a uma análise de incerteza-
padrão tipo A, segundo o guia de medições fornecido pela ABNT e INMETRO (2003). Este
tipo de análise é indicado quando se tem uma grandeza que varia aleatoriamente e para a qual
obtém-se n observações sob as mesmas condições de medição.
O cálculo se inicia pelas médias aritméticas (Equação 14) dos dados fornecidas.
�̅� =
1
𝑛∑ 𝑞𝑗
𝑛
𝑗=1
(14)
40
Sendo �̅� a vazão média [m³/s], n o número de medições da amostra e qj as vazões
medidas [m³/s].
As vazões medidas qj diferem em valor por causa de efeitos aleatórios. A variância
experimental das medições, que estima a variância da distribuição de probabilidade de q, é dada
pela Equação 15.
𝑠2(𝑞) =
1
𝑛 − 1∑(𝑞𝑗 − �̅�)
2𝑛
𝑗=1
(15)
Na qual, s2(q) é a variância experimental da amostra em m6/s² que, dividida pelo número
de medições, resulta na variância experimental da média, como mostra a Equação 16.
𝑠2(�̅�) =
𝑠2(𝑞)
𝑛 (16)
A raiz quadrada positiva da variância experimental da média (Equação 17) corresponde
ao desvio padrão experimental da média que, por sua vez, é assumido como a incerteza padrão
da medição.
𝑠(�̅�) = √𝑠2(�̅�) = 𝑢(�̅�) (17)
Onde:
𝑠(�̅�) = desvio padrão experimental da média [m³/s]
𝑢(�̅�) = incerteza padrão da medição [m³/s]
3.6 REFERÊCIA DA CURVA CHAVE
Em hidrometria, para se obter vazão de modo contínuo é utilizada a relação entre nível e
vazão, através de uma curva denominada curva-chave. A curva-chave é resultado de medições
de vazão feitas na maior amplitude de cotas que se possa alcançar e com maior precisão
possível. Sendo assim, quando se realiza medições de vazão, para validar os valores obtidos,
deve-se fazer uma análise comparativa com os valores da curva-chave local, utilizando os níveis
d’água, medidos pela régua, no momento da medição.
41
4 ESTUDO DE CASO -RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foi realizado um estudo de caso no Rio Monday no Paraguai utilizando dois
equipamentos para medição de vazão: o ADCP 1200 kHz da RDI e o ADP M9 da SonTek. As
medições e análises foram realizadas seguindo os passos descritos na metodologia.
4.1 LOCAL DE ESTUDO
O Rio Monday banha o Paraguai e está localizado no distrito de Presidente Franco, no
alto Paraná – Paraguai. Possui 170 km de extensão, tendo sua desembocadura no Rio Paraná, a
jusante da Usina Itaipu e à meio quilômetro da confluência do Rio Iguaçu na tríplice fronteira
entre Brasil, Paraguai e Argentina (Figura 4.1).
Figura 4.1 - Localização do Rio Monday.
Fonte: Adaptado de Google Earth.
Aproximadamente a 20 km da jusante da central de Itaipu, na fronteira entre Brasil,
Argentina e Paraguai, a jusante da confluência dos rios Paraná, Iguaçu e Monday, situa-se o
posto de medição fluviométrica R-11(Figura 4.2). Este posto está sujeito a restrições impostas
42
por acordos internacionais, como o cumprimento do Acordo Tripartite assinado pelos três
países em outubro de 1979, segundo o qual as variações do nível do rio Paraná, neste posto, não
devem superar meio metro de uma hora para outra, ou dois metros de um dia para outro,
impondo desta forma restrições operacionais à usina de Itaipu. O atendimento às restrições
hidráulicas decorrentes do Acordo Tripartite é de responsabilidade da Itaipu Binacional, no que
depender da sua operação (ALVAREZ e SOARES).
Figura 4.2 - Esquema topológico da vizinhança do posto R-11.
Fonte: Alvarez e Sares
Devido ao Acordo Tripartite, para que Itaipu possa operar seguindo às restrições
hidráulicas impostas, é importante que a usina realize o monitoramento dos rios a sua jusante
que influenciam a variação do nível d’água no posto R11. Desta maneira, o monitoramento do
Rio Monday é realizado pela empresa, através de uma estação fluviométrica chamada de Puesto
Silva, localizada a 40km da sua foz.
A coleta de dados para a presente monografia foi obtida através de medições realizadas
em uma seção do Rio Monday, localizada na estação fluviométrica Puesto Silva. Em condições
normais, esta seção apresenta 55 metros de largura por 8 metros de profundidade.
4.2 MEDIÇÕES EM CAMPO
As medições foram realizadas no dia 22 de Julho de 2015, junto com a equipe técnica
de hidrologia do setor OPSH.DT da Usina Itaipu. Os dois equipamentos não foram utilizados
simultaneamente, primeiramente foi realizada a medição com o ADP e 3 horas mais tarde com
43
o ADCP. Utilizou-se um barco de 15 HP para a travessia, no qual os equipamentos foram
acoplados na lateral esquerda, juntamente com um GPS. Para guiar o sentido do barco,
atravessou-se um cabo de aço de uma margem a outra, como pode ser observado na Imagem
4.3. A configuração dos aparelhos foi realizada conforme o manual de utilização do ADP e do
ADCP, que se encontram em Anexo I e em Anexo II, respectivamente.
Figura 4.3 - Barco na seção de medição do Rio Monday, orientado por um cabo de aço.
Fonte: Autoria própria.
É importante ressaltar que no dia das medições o rio encontrava-se em condições
anômalas, pois a região havia passado por um período de muita chuva, estando o nível d’água
acima do normal. A medição nessas condições anormais é essencial para ajustar a curva-chave
do local. Sendo assim, os mesmos procedimentos de medição foram realizados para os dois
equipamentos com o intuito de comparar os resultados.
4.3 VAZÃO MÉDIA
A vazão média do rio Monday foi obtida realizando 4 travessias sob a seção do rio com
cada equipamento, seguindo os passos descritos no item 3.2 da metodologia. Primeiramente,
realizou-se as travessias com o ADP M9, iniciando a primeira medição a 5,0 metros da margem
esquerda e finalizando a 8 metros da margem direita, onde se iniciou a segunda travessia, e
assim por diante, até se completarem 4 travessias. Em seguida, o mesmo procedimento foi
44
repetido para o ADCP 1200 kHz, com início a 5,5 metros da margem esquerda e 8,0 metros da
margem direita.
A Figura 4.4 esquematiza como foram feitas as travessias com cada aparelho, assim
como, a distâncias estipuladas das margens.
Figura 4.4 - Distâncias do ADP e ADCP das margens.
Fonte: Autoria própria.
Ambos os equipamentos exibiram a vazão obtida nas travessias através de cinco
componentes: vazão de superfície, de meio, de fundo, da margem esquerda e da margem direita.
Assim como citado na revisão bibliográfica, as áreas junto às margens, à superfície e ao leito
do rio foram calculadas pelos próprios aparelhos através de extrapolação e interpolação. Desta
forma, o cálculo da vazão total da seção consistiu em somar a vazão medida com as vazões
calculadas pelos aparelhos.
A Tabela 4.1exibe, para cada equipamento, o resumo das medições realizadas, assim
como, o valor da vazão total obtida pela soma das componentes de vazão fornecidas. Além
disso, apresenta os valores da média, do desvio padrão e da incerteza padrão de cada parâmetro,
calculados seguindo os passos descritos no item 3.5 da metodologia.
45
Tabela 4.1-Resumo das travessias.
ADP M9
Travessia Margem
de Início
Cota
NA
[m]
Qsup
(m³/s)
Qfundo
(m³/s)
Qmeio
(m³/s)
QME
(m³/s)
QMD
(m³/s)
QT
(m³/s)
AT
(m2)
1 Esquerda 5,88 51,54 88,71 409,5 0,3 6,97 557,02 426,4
2 Direita 5,88 50,99 86,96 401,32 1,4 8,35 549,02 422,4
3 Esquerda 5,88 51,41 89,7 408,32 2,32 5,22 556,97 422,3
4 Direita 5,88 52,05 91,82 409,44 2,11 9,58 565 426,6
Média 51,50 89,30 407,15 1,53 7,53 557,00 424,43
DesvPad 0,44 2,03 3,92 0,91 1,87 6,52 2,40
Incerteza 0,85% 2,27% 0,96% 59,45% 24,87% 1,17% 0,56%
ADCP 1200 kHz
Travessia Margem
de Início
Cota
NA
[m]
Qsup
(m³/s)
Qfundo
(m³/s)
Qmeio
(m³/s)
QME
(m³/s)
QMD
(m³/s)
QT
(m³/s)
AT
(m2)
1 Esquerda 5,84 57,82 64,37 421,1 0,45 8,85 552,59 429,73
2 Direita 5,84 58,68 66,36 422,03 1,24 7,16 555,47 433,77
3 Esquerda 5,84 58,25 65,28 425,9 2,58 7,44 559,45 433,88
4 Direita 5,84 59,18 68,45 430,51 1,28 5,72 565,15 429,46
Média 58,48 66,12 424,89 1,39 7,29 558,16 431,71
DesvPad 0,58 1,76 4,29 0,88 1,28 5,44 2,45
Incerteza 1,00% 2,66% 1,01% 63,41% 17,56% 0,97% 0,57%
Fonte: Autoria própria.
Nota-se, a princípio, que a cota do nível de água, medida pela régua instalada junto a
seção de medição, baixou 4 centímetros entre as medições com o ADP e com o ADCP. Como
ressaltado no item 4.2 deste capítulo, o rio se encontrava em condições de cheia no dia da
medição, sendo assim, como as medições não foram feitas simultaneamente, o abaixamento da
cota pode representar que o rio estava voltando as condições normais.
Analisando cada uma das componentes da vazão, tem-se que as vazões de fundo, de
superfície e de meio, possuem incerteza-padrão inferior a 3% da média das medições realizadas
com o ADP e com o ADCP. Como observado no item 3.5 da metodologia, a NBR 13403
estipula que para medição de vazão utilizando medidores acústicos o erro admissível é de 5%,
sendo assim, os valores encontrados para essa componente, em ambos os equipamentos,
atenderam a norma. Já os valores estipulados para as margens, possuem incerteza-padrão muito
alta, ficando fora do admissível pela norma. No entanto, as vazões das margens tem pouca
influência sobre a vazão total, que apresenta incerteza menor que 2% para os dois aparelhos.
46
A diferença da incerteza-padrão das vazões totais e das áreas entre os dois equipamentos
é muito pequena, não sendo possível assim, identificar qual é o melhor. Além disso, a diferença
entre as médias de vazão foi de 0,2% e entre as médias da área foi menor que 2%, evidenciando
boa coerência entre os resultados de cada equipamento. Essa pequena diferença percentual em
relação às médias, associada ao fato de as medições com cada equipamento terem sido
realizadas de forma independente, indica que as médias encontradas se aproximam do valor
real da vazão.
A Figura 4,5 representa os perfis da distribuição de velocidade na seção, fornecidos pelo
ADP M9. A largura da seção obtida por este equipamento foi de 65,62 metros e a profundidade
máxima de 9,54 metros.
Figura 4.5- Perfil transversal da seção do rio dado pelo ADP M9.
Fonte: RiverSurveyor.
47
Verifica-se que, assim como estudado no item 2.2 da revisão bibliográfica, as
velocidades não são homogêneas ao longo da seção do rio. As maiores velocidades se
encontram no meio da seção e vão diminuindo a medida que chegam perto das margens. Além
disso, as medições com este aparelho são consideradas de boa qualidade, visto que, não há
presença de lost ensamble, bad ensembles ou bad bins.
As áreas não medidas pelos equipamentos podem ser facilmente visualizadas nestes
perfis. Para o ADP, a profundidade média que não é medida pelo aparelho foi de 0,65m na
superfície e de 1,90m no fundo.
Os perfis da seção obtidos pelo ADCP 1200 kHz são apresentados na Figura 4.6. Para
este equipamento a largura da seção foi de 66,03 metros e a profundidade máxima de 9,36
metros.
Figura 4.6 - Perfil transversal da seção do rio dado pelo ADCP 1200 kHz.
Fonte: Própria.
48
A primeira travessia realizada com o ADCP apresentou uma falha próximo a margem
direita. Observando as outras travessias, visto que, no local da falha não se tem queda brusca
da profundidade, nem dunas, nem plantas e nenhum outro fator que possa afetar a medição,
pode-se assumir que o erro foi causado devido a falha do equipamento, seja por perda de
conexão ou deficiência na leitura de dados. Percebe-se também, que assim como nas medições
com o outro equipamento, estas também apresentaram perfil heterogêneo de velocidade ao
longo da seção.
Com relação a profundidade não medidas, tem-se que para o ADCP, foi em média de
0,65m na superfície e de 1,0 m no fundo. Verifica-se assim, que o alcance no fundo do ADCP
é maior que no ADP.
4.4 FUNDO MÓVEL
Seguindo o descrito no item 3.3 da metodologia, para verificar a confiabilidade dos
dados de vazão fornecido pelas travessias, verificou-se a presença de movimentação de
sedimentos no leito do rio, para isso, foram utilizados o método loop e o método das subseções.
4.4.1 Método loop
As Figuras 4.7 e 4.8 esboçam o teste loop feito com o ADP M9 e com o ADCP 1200
kHz, respectivamente.
Figura 4.7 – Trajeto e perfil do Loop com ADP M9
Fonte: RyverSurveyor.
49
Figura 4.8–Trajeto e perfil do Loop com o ADCP 1200 kHz
Fonte: WinRiver.
Para ambos os aparelhos, utilizando bottom track como referência, o aparelho mediu
uma distância aparente entre o ponto de saída e o ponto de chegada, chamada DMG. No entanto,
durante a medição, o ponto de saída foi o mesmo do de chegada, o que pode ser notado na
Figura 4.7, na qual se tem o trajeto do barco pela referência do GPS. Tem-se que a DMG é
resultado do movimento dos sedimentos no leito do rio.
A Tabela 4.2 apresenta os resultados obtidos com o teste loop para ambos os
equipamentos.
Tabela 4.2 - Resultados do teste loop.
ADP M9
DMG [m]
T (s)
Vfm (m/s)
Vmédia (m/s)
Relevância (%)
5,13 291 0,018 1,46 1,207
ADCP 1200
DMG [m]
T (s)
Vfm (m/s)
Vmédia (m/s)
Relevância (%)
3,2 289,85 0,011 1,293 0,854 Fonte: Autoria própria.
50
Analisando a relevância da velocidade de fundo móvel em relação a velocidade medida
pelo ADP, verifica-se que a relevância foi maior que 1% enquanto que, para o ADCP, a
relevância foi menor que 1%.
Como descrito na seção 3.3.1 da metodologia, não há necessidade de corrigir vazão
quando a relevância do fundo móvel for menor que 1%, o que tornou necessária a correção
apenas para os valores obtidos com o ADP, como mostra a Tabela 4.3.
Tabela 4.3 - Vazão do ADP corrigida pelo método loop.
Qmedida (m3/s)
Área (m2)
Vfm
(m/s) Qcorrigida
(m3/s)
557 424,43 0,018 564,48 Fonte: Autoria própria.
4.4.2 Método das Subseções
Nas seção transversal do Rio Monday, com cada medidor, realizou-se a medição de
fundo móvel em 5 subseções espaçadas de 10 metros uma da outra, assim como mostra a
Figura4.9 a seguir.
Figura 4.9 - Esquema das subseções para medição de fundo móvel.
Fonte: Autoria própria.
O barco foi mantido parado, paralelamente ao fluxo d’água, em cada subseção, com o
auxílio do cabo de aço, e mediu-se a velocidade durante 300 segundos, usando como referência
o bottom track. A Tabela 4.4 apresenta os resultados obtidos.
51
Tabela 4.4 - Resultado do método das subseções.
ADP M9
Subseção Distância
(m)
DMG
(m)
T
(s)
Vfm
(m/s)
Vmédia
(m/s)
Relevância
(%)
1 12,5 1,11 311 0,004 1,201 0,30
2 22,5 0,86 310 0,003 1,932 0,14
3 32,5 0,51 320 0,002 1,679 0,09
4 42,5 0,75 322 0,002 1,51 0,15
5 52,5 3,85 312 0,012 1,074 1,15
Média 0,005 1,479 0,368
ADCP 1200
Subseção Distância
(m)
DMG
(m)
T
(s)
Vfm
(m/s)
Vmédia
(m/s)
Relevância
(%)
1 13 0,73 300,6 0,002 1,28 0,19
2 23 0,45 300,59 0,001 1,871 0,08
3 33 1,55 300,6 0,005 1,312 0,39
4 43 12,71 300,61 0,042 1,495 2,83
5 53 4,76 300,6 0,016 0,837 1,89
Média 0,013 1,359 1,077
Fonte: Autoria própria.
Ao contrário do ocorrido com o método loop, para este método, obteve-se relevância da
velocidade de fundo maior que 1% apenas para as medições realizadas com o ADCP 1200 kHz.
Assim, corrigiu-se apenas a vazão obtida com este equipamento, como mostra a Tabela 4.5.
Nota-se que a relevância foi maior na subseção 5 tanto para o ADP quanto para o ADCP,
verificando maior presença de fundo móvel próximo a margem direita.
Tabela 4.5– Vazão do ADCP corrigida pelo método das subseções.
Qmedida
(m3/s)
Área
(m2)
Vfm
(m/s)
Qcorrigida
(m3/s)
550,76 431,71 0,013 556,562
Fonte: Autoria própria.
4.5 VAZÃO PELO MÉTODO SEÇÃO-POR-SEÇÃO
Realizou-se medição de velocidade e profundidade em 22 verticais espaçadas
igualmente de 2,5 metros, sendo cada uma das medições com duração mínima de 60 segundos.
A Tabela 4.6 mostra os resultados obtidos com método “seção-por-seção”. Para cada
seção foi calculada a vazão em função da velocidade e da área, sendo que a soma das vazões
de todas as seções forneceu a vazão total.
52
Tabela 4.6 - Dados da medição "seção por seção".
ADCP 1200 kHz ADP M9
Vertical Distância
(m)
Largura
(m)
Profundidade
(m)
Velocidade
da água
(m/s)
Área
(m2)
Vazão
(m3/s) Vertical
Distância
(m)
Largura
(m)
Profundidade
(m)
Velocidade
da água
(m/s)
Área
(m2)
Vazão
(m3/s)
1 5,5 4 3,82 0,126 15,280 1,925 1 5 3,75 3,57 0,121 13,388 1,620
2 8 2,5 4,955 0,855 12,388 10,591 2 7,5 2,5 4,68 0,862 11,700 10,085
3 10,5 2,5 5,645 1,020 14,113 14,395 3 10 2,5 5,66 1,232 14,150 17,433
4 13 2,5 6,212 1,417 15,530 22,006 4 12,5 2,5 6,16 1,201 15,400 18,495
5 15,5 2,5 6,738 1,338 16,845 22,539 5 15 2,5 6,54 1,534 16,350 25,081
6 18 2,5 7,252 1,878 18,130 34,048 6 17,5 2,5 7,12 1,647 17,800 29,317
7 20,5 2,5 7,723 1,909 19,308 36,858 7 20 2,5 7,33 1,959 18,325 35,899
8 23 2,5 8,182 1,841 20,455 37,658 8 22,5 2,5 8,03 1,932 20,075 38,785
9 25,5 2,5 8,698 1,545 21,745 33,596 9 25 2,5 8,74 1,702 21,850 37,189
10 28 2,5 9,103 1,806 22,758 41,100 10 27,5 2,5 8,98 1,738 22,450 39,018
11 30,5 2,5 9,288 1,751 23,220 40,658 11 30 2,5 9,29 1,81 23,225 42,037
12 33 2,5 9,347 1,315 23,368 30,728 12 32,5 2,5 9,49 1,679 23,725 39,834
13 35,5 2,5 9,362 1,718 23,405 40,210 13 35 2,5 9,07 1,551 22,675 35,169
14 38 2,5 9,072 1,439 22,680 32,637 14 37,5 2,5 8,94 1,609 22,350 35,961
15 40,5 2,5 8,812 1,755 22,030 38,663 15 40 2,5 8,79 1,58 21,975 34,721
16 43 2,5 8,542 1,490 21,355 31,819 16 42,5 2,5 8,59 1,51 21,475 32,427
17 45,5 2,5 8,336 0,984 20,840 20,507 17 45 2,5 8,08 1,137 20,200 22,967
18 48 2,5 8,005 1,122 20,013 22,454 18 47,5 2,5 7,8 1,007 19,500 19,637
19 50,5 2,5 7,691 0,918 19,228 17,651 19 50 2,5 7,69 0,931 19,225 17,898
20 53 2,5 7,269 0,683 18,173 12,412 20 52,5 2,5 7,06 0,837 17,650 14,773
21 55,5 2,5 6,305 0,889 15,763 14,013 21 55 2,5 6,01 0,728 15,025 10,938
22 58 5,25 5,123 0,411 26,896 11,054 22 57,5 5,5 4,59 0,307 25,245 7,750
Total 433,518 567,521 Total 423,758 567,035
53
As medições foram realizadas da mesma maneira para ambos os aparelhos, havendo
diferença, apenas, na distância da primeira seção a margem. Para o ADCP, a primeira seção foi
a 5,5 metros da margem e para o ADP, foi de 5,0 metros, a diferença de medição de um aparelho
para o outro foi de 50 centímetros. Apesar disto, as vazões totais encontradas foram
praticamente iguais, de 567,52 m³/s para o ADP e de 567,04 m³/s para o ADCP.
As Figuras 4.10 e 4.11 representam o perfil da seção do rio, desenhado em escala
seguindo os dados de profundidade fornecida por cada aparelho.
Figura 4.10 - Perfil transversal do rio medido pelo ADP M9.
Fonte:Autoria própria.
Figura 4.11 - Perfil transversal do rio medido pelo ADCP 1200 kHz.
Fonte: Autoria própria.
Para melhor visualização e comparação, os dados de profundidade dos dois
equipamentos foram plotados no mesmo gráfico, como pode ser visualizado a seguir.
54
Figura 4.12 - Gráfico largura versus profundidade do rio.
Fonte: Autoria própria.
O gráfico mostra que houve uma similaridade entre as profundidades medidas pelo ADP
e pelo ADCP. Em muitos pontos as linhas do gráfico coincidem, no entanto, é notável que nos
pontos em que as velocidades se diferem, a profundidade medida pelo ADP é menor do que a
medida pelo ADCP, justificando o valor menor de área apresentado para este aparelho na
Tabela 4.6.
O perfil de velocidade também foi analisado ao longo da seção do rio, como mostra o
gráfico a seguir.
Figura 4.13 - Perfil de velocidade na seção do rio.
Fonte: Autoria própria.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 7,5
10
12
,5
15
17
,5
20
22
,5
25
27
,5
30
32
,5
35
37
,5
40
42
,5
45
47
,5
50
52
,5
55
57
,5
66
PR
OFU
ND
IDA
DE
(M)
LARGURA (M)
P E R F I L D A S E Ç Ã O T R A N S V E R S A L D O R I O M O N D A YADP ADCP
0
0,5
1
1,5
2
2,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
VEL
OC
IDA
DE
(M/S
)
LARGURA (M)
P E R F I L D E V E LO C I DA D EADCP ADP
55
A velocidade apresenta o mesmo padrão para os dois aparelhos, sendo maior no meio
da seção e menor perto das margens. No entanto, os valores de velocidade não foram similares
tais como os valores de profundidade. Isso pode ter acontecido porque os locais das verticais
de velocidade do ADP não coincidem exatamente com o mesmo local dos perfis de velocidade
do ADCP, como dito anteriormente, as seções dos dois aparelhos apresentam diferença de 50
centímetros entre si.
Para identificar se o ADP e o ADCP têm alguma relação, analisou-se os dados de
velocidade acumulada dos dois equipamentos na forma de um gráfico de dispersão, como
mostra a Figura 4.14.
Figura 4.14 - Correlação entre vazão acumulada do ADP e do ADCP.
Fonte: Autoria própria.
Ao relacionar vazões acumuladas do ADP com as do ADCP verifica-se uma tendência
de linearização, com uma correlação muito forte de 0,9998, ou seja, os dois aparelhos estimam
valores de vazão muito semelhantes.
y = 1,0102x - 1,4312R² = 0,9998
0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300 400 500 600
AD
CP
ADP
Vazão Acumulada
Vazão Acumulada Linear (Vazão Acumulada)
56
4.6 REFERÊNCIA DA CURVA-CHAVE
Utilizou-se a curva-chave do Rio Monday fornecida pela Usina Itaipu Binacional como
referência para validação das medições com ADCP e com ADP, mostrada na figura a seguir.
Figura 4.15 - Curva-chave Rio Monday.
Fonte: Itaipu Binacional
A relação da vazão com o nível d’água do rio fornecida pela curva-chave é dada pela
Equação 18:
𝑄 = −1,886. 𝐻3 + 57,139. 𝐻2 − 203,425. 𝐻 + 192,278 (18)
Na qual, Q é a vazão fluvial em m³/s e H é o nível da água do rio em metros.
Para os níveis de água lidos nas réguas nos momentos das medições tem-se as vazões
correspondentes mostradas na Tabela 4.7 e plotadas no gráfico da Figura 4.15.
Tabela 4.7 - Vazão fornecida pela curva-chave.
Nível [m] Vazão [m3/s]
5,84 577,39
5,88 588,27
Fonte: Autoria própria.
0
2
4
6
8
10
12
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Nív
el [
m]
Vazão [m3/s]
CURVA-CHAVE RIO MONDAYSérie1 Série2 ADP ADCP
57
Os dados de vazão fornecidos pela curva-chave foram comparados com os dados das
vazões fornecidas pelos diferentes métodos apresentados, conforme mostra a Tabela 4.9. A
relação com a vazão da curva-chave é dada pela porcentagem da diferença entre as vazões,
sendo, quanto menor a porcentagem, maior a semelhança entre elas.
Tabela 4.8 - Análise dos métodos de fundo móvel.
Aparelho Travessias Método
Loop
Método
Subseções
Método
Seção por
Seção
Vazão
(m³/s)
ADP 557,00 564,48 557,00 567,03
ADCP 550,76 550,76 556,56 567,52
Relação com a
Vazão da Curva-
Chave
ADP 3,53% 2,24% 3,53% 1,83%
ADCP 6,38% 6,38% 5,39% 3,66%
Fonte: Confecção própria.
Os dados em negrito correspondem as vazões que foram corrigidas devido presença de
fundo móvel. Nota-se que, após as correções, as vazões corrigidas para os dois métodos ficaram
mais próximos da vazão fornecida pela curva-chave, comprovando a eficiência dos métodos.
No entanto, como em cada método, a correção foi feita para vazões de aparelhos diferentes,
torna-se difícil realizar a comparação entre métodos de fundo móvel.
As vazões medidas pelo ADP, quando comparadas a vazões da curva-chave,
apresentaram resultados dentro do exigido pela norma e comentado por alguns autores, ou seja,
menor que 5%. Já as medições com o ADCP apresentaram uma discrepância maior, sendo
somente a vazão da medição seção-por-seção dentro do padrão da norma.
Além disso, as vazões obtidas no método seção-por-seção foram as que mais se
aproximaram das vazões da curva-chave, averiguando assim, a eficiência deste método para
este caso.
58
5 CONCLUSÃO
A escassez de água em condições a ser consumida ou com tratamentos viáveis, e a
distribuição de recursos não uniformes, geram conflitos e problemas relacionados ao uso da
água e condições de descarte. Com isso, a preocupação com a quantidade e qualidade dos
recursos hídricos é crescente, não só no Brasil, mas em todo o mundo.
As medições de vazão possibilitam o gerenciamento adequado dos potenciais hídricos
disponíveis, e neste contexto, os medidores acústicos Doppler trouxeram um grande avanço
tecnológico, possibilitando medições de vazão mais rápidas e precisas. No entanto, mesmo
sendo mais precisos, estes equipamentos exigem um cuidado e análise, na hora de sua utilização
e verificação dos resultados, para garantir a qualidade de dados.
As análises realizadas mostraram que, a presença de fundo móvel podem interferir nos
resultados de medição de vazão. Por isso, em todas as medições é necessário realizar o teste
para averiguar movimentação de sedimentos no fundo. Com relação aos métodos utilizados,
diante do cenário desse estudo, não foi possível prever qual é o melhor, mas no entanto, os dois
mostraram-se eficientes.
O método de medição de vazão que se mostrou mais preciso foi o método seção-por-
seção, encontrando valores praticamente iguais para os dois equipamentos, e tendo maior
semelhança com os valores da curva-chave. A desvantagem deste método é que, demanda maior
tempo e torna-se inviável para rios muito grandes.
Quanto aos equipamentos, a maioria das análises mostraram grande semelhanças nos
resultados de ambos, com exceção que, o ADCP se mostrou mais eficiente quanto ao alcance
do fundo, enquanto que o ADP, obteve valores mais próximos a curva-chave.
Com relação a tecnologia implantadas nos medidores Doppler, tem-se que o ADP M9,
por possuir 2 frequências de medição de vazão, apresenta um campo mais amplo de medições
do que o ADCP 1200 kHz. No entanto, no estudo em questão, não foi possível verificar essas
vantagens, pois as condições do rio estavam dentro dos limites dos dois equipamentos.
5.1 SUGESTÕES FUTURAS
Para trabalhos futuros, recomenda-se adotar ações que possibilitem uma melhor
comparação entre os aparelhos e os método apresentados. Para isso, sugere-se:
Realizar medições simultâneas com os dois equipamentos Doppler, para que as condições
de contorno sejam as mesmas;
59
Realizar medições em diferentes condições do rio, como em cheias e em estiagem e em rios
diferentes com características distintas.
Analisar a influência dos dados quando se utilizada a referência do GPS.
Diagnosticar os problemas dos equipamentos Doppler que a Unifei possui, para serem
utilizados em futuras medições.
60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT. NBR 13403 - Medição de Vazão em Efluentes Líquidos e Corpos Receptores -
Escoamento Livre, 7p, 1995.
ALVAREZ, L. R.; SOARES, S. Modelo de Simulação em Base Horária da Vazão na Estação
Fluviométrica da Régua-11. UNICAMP.
AMORIM, J. C. J. et al. Comparativo dos Medidores de Vazão Acústicos Flowtracker e ADP
(S5). Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 19, Maceió-AL, 27 Novembro 2011.
BENSI, M. Aplicação do correntômetro acústico ADCP em ambientes marinhos e
estuários do Ceará e Paraíba- nordeste do Brasil. Dissertação (Mestrado em Ciências
Marinhas Tropicais) – Instituto de Ciências do Mar, Universidade Federal do Ceará. Fortaleza.
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61
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2006.
62
ANEXO I - Manual para medição de vazão utilizando ADP M9.
O ADP (Acoustic Doppler Profiler) é um instrumentos acústico Doppler de vazão
fabricado pela SonTek. Utiliza como software de coleta de dados o sistema RiverSurveyor. A
seguir, tem-se o passo a passo de como utilizar o equipamento juntamente com seu software na
medição de vazão em campo retirado do Manual
I. INSTALAÇÃO DO EQUIPAMENTO
1. No cabo de 10 metros de energia e comunicações, junte o conector macho de 8 pinos ao
conector fêmea do ADP, e rosqueie até que a face do conector do cabo esteja alinhada com
o conector do ADP.
2. Ligar o conector serial fêmea de 9 pinos ao adaptador para USB, e então conectar ao
computador.
3. Conectar o cabo de energia no conector de dois pinos.
4. Se houver utilização de GPS, ligar o conector serial macho de 9 pinos ao GPS.
5. Instale o ADP no barco a ser utilizado. Certifique-se de que o aparelho vai estar a uma
profundidade suficiente para que os transdutores permaneçam submersos durante toda
medição.
II. CONFIGURAÇÃO DO SOFTWARE PARA A MEDIÇÃO.
1. Inicie o software RiverSurveyor. O menu principal irá aparecer como mostra a figura X.
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2. Conecte o sistema, clicando em “connect” na barra de ferramentas no topo da tela.
Uma janela irá aparecer pedindo para selecionar a porta COM apropriada, selecione a
que está conectada ao sistema e clique em “connect”. Então, irá aparecer uma nova janela
exibindo os sistemas disponíveis, caso não apareça nenhum clique em “searchagain”, e
selecione o sistema desejado clicando novamente em “connect”.
Quando a conexão estiver estabelecida uma guia do sistema irá aparecer a janela a seguir.
Esta guia permite que sejam inseridas informações do local, configurações do sistema e
configurações da medição.
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II.1. Informações Locais
1. Clique em “Change Site Information”, uma janela irá aparecer para entrar com os detalhes
específicos como pode ser visto na figura a seguir.
II.2. Configurações do sistema
1. Clique em “Change System Setting” e irá surgir uma janela para inserir as informações de
configurações locais, bem como a faixa de referência.
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Na qual:
Transducer Depth – e a profundidade em que o transdutor está afundado na água.
Screening Distance – distância abaixo de ADP que se deseja iniciar a coleta de dados.
Salinity – salinidade da água, sendo igual a zero para rios de água doce
Magnétic Declination - Uma bússola calibrada indica o norte magnético ao invés do norte
geográfico. A diferença angular entre estas duas direções é chamada de declinação magnética
e varia ao longo da superfície da Terra e com o tempo.
Track reference–Referência para determinar a velocidade do barco
Bottom-tracking – mede a velocidade do barco relativa ao fundo do rio.
GPGGA – mede a velocidade do barco com base nos dados de posição do GPS.
GPVTG – mede a velocidade do barco baseado nos dados de velocidade do GPS.
System – usa a referência do próprio aparelho, sendo recomendado apenas para medições
estáticas.
Depth Reference – Referência para determinar a profundidade
Vertical Beam – utiliza o feixe acústico vertical (ecobatímetro).
Bottom-Track – utiliza 4 transdutores usando a profundidade média de cada transdutor.
Coordinate System– sistema de coordenadas.
ENU – utiliza coordenadas normais, norte, leste, etc.
System – utiliza a referência do próprio ADP.
XYZ – Usado apenas para aplicações especializadas.
II.3. Configurações de medições
1. Clique em “Change Measurement Settings” e irá aparecer uma janela para completar com
as especificações da medição de vazão.
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Start Edge – Definir a margem inicial, direita (right) ou esquerda (left).
Rated Discharge – Introduzir uma vazão estimada antes da medição.
Measurement Quality – usada como uma entrada qualitativa de pós-processamento
para avaliar a qualidade medição de vazão.
III. TESTES PRÉ-MEDIÇÃO
Os testes pré-medição devem ser feitos antes da cada medição de vazão para garantir o
funcionalidade do hardware RiverSurveyor na coleta de dados.
III.1. Calibração da Bússola
1. Clique em CompassCalibrationem Utilities no menu e clique em start na janela que surgirá.
2. Rode o ADP por duas voltas completas variando os ângulos de “pitch” e “roll” o máximo
possível. A calibração deve ser feita no barco ou o mais perto possível do local onde será
realizada a medição.
3. Clique em “stop” após a conclusão do procedimento de calibração da bússola.
4. Os resultadosde calibração escore são exibidos na janela.Usando o exemploa seguir, a
pontuação de calibraçãoéM6.49Q9. O"valor"Mdeveser sempre inferior a10 e
o"valor"Qdeve sersempre bem alto (na escala de 1-10). Se for diferente, o professo deve ser
repetido.
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III.2. Teste do Sistema
1. Clique em start e inicie o teste.
2. O teste dura 60 segundos e apresentará uma janela informando se o teste falhou (fail)ou teve
sucesso (pass). Se falhar é necessária uma açãodo usuáriopara garantir a
funcionalidadeadequada do sistema.
III.3. Ajuste da hora
1. Clique no botão Set Time e ajuste a hora e a data.
III.4. Verificação do feixe (BeamCheck)
1. Clique em Beam Check para começar, uma janela irá aparecerexibindoo número de sériedo
sistemaea freqüênciaselecionada.
2. A verificação do feixe irá iniciar automaticamente para a frequência do feixe selecionada
mostrando a plotagem de cada um.
IV. COLETA DE DADOS
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Depois de completaros testesde pré-medição e entradasespecíficas do localinicialpara
configurar osistema, você pode começar o processo de medição. Osoftwareforneceumpasso a
passo a passodescrito abaixo.
IV.1. Start System
1. Clique em Start Measurement ou F5 para começar a colher dados.Note-se que esta não
regista quaisquer dados. Em vez disso, permite que os dados do sistema sejam visualizados
para garantir que o sistema está funcionando correctamente. Certifique-se de que todos os
indicadores (mostrados no canto superior esquerdo) são válidos (não vermelho). Posicione
o barco na margem inicial da travessia.
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IV.2. Start Edge
1. Clique em Start Edge ou F5 e colete pelo menos 10 amostras da borda, tentando manter o
barco o mais estático possível
2. Insira as informaçõesa borda inicialna caixa de diálogoEdgeque aparece epressioneOK.
IV.3. Start Moving
1. Clique em Start Edge ou F5 e a janela da travessia irá aparecer. Tente manter a velocidade
e direção do barco constante.
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IV.4. End Edge
1. Clique em End Edge ou F5 quando o barco alcançar a margem oposta.
2. Uma janela aparecerá pedindo pra descrever qual a margem final e a distância até ela.
71
3. Assim como na margem inicial, colete pelo menos 10 amostras da borda final, tentando
manter o barco o mais estático possível.
IV.5. End Transect
1. Clique em End Transect após medições no borda final. Automaticamente abrirá uma nova
janela de dados para começar uma nova medição.
2. Se desejar fazer uma nova medição clique em Start Edge ou F5 para começar de novo. Se
a medição já está completa, clique em Abort ou F8.
72
V. RESUMO DAS MEDIÇÕES
1. Clique em Dircharge Summary para aparecer a janela com o resumo de todas as medições.
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ANEXO II - Manual para medição de vazão com ADCP 1200 kHz.
O ADCP (Acoustic DopplerCurrent Profiler) é um instrumentos acústico Doppler de
vazão fabricado pela RD Instruments. Utiliza como software de coleta de dados o sistema
WinRiver. A seguir, tem-se o passo a passo de como utilizar o equipamento juntamente com
seu software na medição de vazão em campo.
I. INSTALAÇÃO DO EQUIPAMENTO
1. Conecte o cabo I/O ao ADCP , empurre direto contra o conector e depois role a tira de
retenção sobre ele.
2. Conecte a outra ponta do cabo I/O a porta de comunicação do computador.
3. Ligue os conectores de energia a uma bateria.
4. Instale o equipamento no barco de modo que a lente 3 fique posicionada para frente.
II. CONFIGURAÇÃO DO SOFTWARE PARA A MEDIÇÃO
1. Inicie o software WinRiver e ative o modo de aquisição: File –Aquire Mode.
2. Clique em File > New Configuration File.
3. Clique em Recording, dê o nome para os arquivos de medição (Filename Prefix) e selecione
a pasta onde eles estão gravados (Output Directory).
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4. Clique em Offsets, coloque a profundidade a partir da superfície da água até as faces dos
transdutores (depht), e a declinação magnética do local da medição (Mag Variation) que são
obtidas no site do observatório nacional.
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5. Clique em Commands. A tabela Fixed Commands permite visualizaros comandos diretosque
serão sempreenviados para oADCP. A tabela Wizard Commands iráintroduzir os
comandosdo assistentebaseado eminformações inseridasno Wizard Configuratiom (Settings-
Wizard Configuration). E a tabela User Commandspermite que sejam inseridos comando
desejados pelo usuário.
Os principais comandos que podem ser adicionados são:
EX10111: Coordenadas terrestres.
WF25: Tamanho da camada cega do instrumento, em cm.
WM1: Modo de Operação (WM5 para fluxos muito lentos).
WS20: Tamanho da célula de profundidade.
WNXX: Número de células, depende da profundidade da seção, multiplica-se pelo WS
para dar a profundidade e acrescenta-se 20%.
6. Clique em Discharge, selecione em Parameters o método de extrapolação do perfil de
velocidade (Power), e em Shore o método de extrapolação das áreas próximas a margem
(triangular para rios e square para canais com margens verticais.
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III. TESTES PRÉ MEDIÇÃO
III.1. Calibração da bússola
1. Clicar em Settings – Reference, marque a referência para Bottom Track.
2. Em Settings - Configuration Settings – Offset, mude o valor da declinação magnética e da
calibração da bússola para zero.
3. Marque um ponto inicial, este deve ser o ponto de fácil referência.
4. Inicie o modo de aquisição (acquire mode). Pressiona F4 para começar a pingar e F5 para
começar a gravar.
5. Dirija o barco num curso circular, use a telada trilhado barco para ajudar a fazero
cursocircularemuma velocidadelenta e constante. É importante que essa trajetória circular
seja larga, caso o local da medição não permita, deve-se realizar mais voltas (de 3 a 5),
garantindo a passagem pelo seu ponto inicial.
6. Chegando o mais perto possível do ponto inicial pressionar F5 para parar de gravar dados.
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7. Grave os BMG-GMG (magnitude e direção) e os valores de comprimento
8. Tome a relação entre a magnitude BMG-GMG e o comprimento, essa é a magnitude do erro
de um círculo (One Cyclo K). O Course MG é o deslocamento do erro de um ciclo (One
Cyclo Offset).
9. Ajustar os valores de calibração da bússola em Settings – Configuration Settings – Offset.
III.2. Travessia de conhecimento da seção
1. Faça uma travessia de reconhecimento da seção para determinar os pontos iniciais e finais
de medição, e confirmar a profundidade configurada
IV. COLETA DE DADOS
1. Para iniciar a medição pressione F5 e aguarde pelo menos 3 ensembles (Coleta de 3
amostras)
2. Saia com o barco do lugar em direção a outra margem, em velocidade próxima a velocidade
da água. (Acompanhe em Composite Tabular – Navigation).
3. Para terminar aguarde mais 3 ensembles e pressione F5. Os arquivos serão gravados
conforme a configuração da janela Recording.
4. São necessárias no mínimo 4 medições de vazão com coeficiente de variação de 5%.
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V. RESUMO DAS MEDIÇÕES
1. Pressione F12 e aparecerá o resumo das medições realizadas com na imagem a seguir.