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ESCOAMENTO SUPERFICIAL

José Antonio Tosta dos ReisDepartamento de Engenharia AmbientalUniversidade Federal do Espírito Santo

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

• Segmento do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento das águas sobre a superfície do solo.

• Denomina-se Escoamento Superficial tanto o excesso de precipitação que ocorre logo após uma chuva que se desloca livremente pela superfície do terreno, como o escoamento de um rio, que pode ser alimentado tanto pelo excesso de precipitação como pelas águas subterrâneas.

• O dimensionamento de obras hidráulicas requer o estudo das precipitações intensas para obtenção da chuva de projeto que serve para definir a vazão de escoamento superficial a ser utilizada.

• Se o objetivo é reter água:Necessário o conhecimento do VOLUME escoado

• Se o objetivo é conduzir excesso de água:Importante conhecer a VAZÃO de escoamento superficial

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FATORES INTERVENIENTES

Agroclimáticos:

• Quantidade, intensidade e duração da precipitação• Cobertura e condições de uso do solo• Evapotranspiração

Fisiográficos:

• Área, forma e declividade da bacia• Condições de superfície• Tipo de solo• Área de drenagem• Obras hidráulicas presentes na bacia (irrigação ou drenagem do

terreno, canalização ou retificação de cursos d’água, construção de barragens)

GRANDEZAS ASSOCIADAS

• Vazão:“Volume de água que atravessa a seção transversal

considerada por unidade de tempo”

• Coeficiente de Escoamento superficial (C):

oprecipitad Volumelmentesuperficia escoado água de Volume

C =

• Tempo de concentração (t C):“Tempo necessário para que toda bacia contribua com o

escoamento superficial na seção considerada”

• Período de Retorno (T)“Período de tempo médio, em anos, em que um determinado evento (vazão) é igualado ou superado, pelo menos uma vez”

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• Criar séries históricas

• Análise de mínimas

� Autodepuração de esgotos

� Calado para navegação

� Planejamento de uso da Bacia

• Análise de vazões médias

� Cálculo do volume de reservatórios

• Análise de vazões máximas

� Cálculo de vertedores

� Cálculos de bacias de detenção

• Operação em tempo real

� Operação de Comportas

� Controle de cheias

POR QUE MEDIR VAZÕES ?

COMO MEDIR VAZÕES ?

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Q

N.A.

• Aplicável a pequenas vazões (Q ≤ 10L/s)

MEDIÇÃO VOLUMÉTRICA OU DIRETA

TempoVolume

Q =

• Pouca Precisão

• Aplicável a Q > 300 L/s

~ 5 m

L > 10 m

(B)(A)

VARAS

VISTA DE CIMA DO CURSO D’ÁGUA.

MEDIÇÃO COM FLUTUADOR

V.AQ =

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Determinação da Velocidade Média

• A tendência do flutuador é ser levada pela região de escoamento de maior velocidade.

• Correção para velocidade média (V):

Canais com paredes lisas (cimento)

V = 0,85 a 0,95.Vmax

Canais com paredes pouco lisas (terra)

V = 0,75 a 0,85.Vmax

Canais com paredes irregulares e vegetação no fundo

V = 0,65 a 0,75.Vmax

MEDIÇÃO COM FLUTUADOR

Determinação da Seção Média

L = largura superficialn = número de subdivisõesn

L.

h....

nL

.hh

nL

.h

A

AA.....AAAA

n

nn

++

++

=

+++++=

−

−

2221211

1210

L/nL/n L/nL/nL/n

A1

h1

A0 A2

h3

hn -

1h2

A3 An-1

MEDIÇÃO COM FLUTUADOR

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q.C0 = (Q + q) .C1

• q = vazão constante do soluto• C0 = concentração do soluto• Q = vazão do curso d’água• C1 = concentração da mistura a jusante

Aplicável a rios com turbulência para garantirmistura completa

Quando o “soluto” é radiativo, deve-se corrigir o efeito do decaimento no tempo (massa do soluto se altera)

MEDIÇÃO POR PROCESSOS QUÍMICOS

• Medir a vazão de pequenos cursos d’água, canais e nascentes

• Para 10L/s < Q ≤ 300L/s

SOLEIRA OU CRISTA

b

CORPO OU PAREDE

L

a

h

MEDIÇÃO COM VERTEDORES

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• Soleira ou crista é a aresta do vertedor sobre a qual passa a água;

• Carga do vertedor é a altura “h” da lâmina d’água à montante do vertedor.

� a carga é medida a partir da cota da soleira, no entanto, função da contração da lâmina vertente, esta medida deve ser feita em uma seção cuja distância à soleira seja igual ou superior a 5xh.

• Profundidade do vertedor “a” é a distância vertical entre a soleira e o fundo do conduto livre.

N.A.

b

L

h

a

Vista frontal Vista Longitudinal

soleira

CLASSIFICAÇÃO DOS VERTEDORES

1. Quanto à forma: 1. Simples (forma geométrica única e bem definida) 2. Compostos (combinação de diferentes formas).

2. Quanto à natureza das paredes:

• Parede delgada (e <<<< 2/3H) • Parede espessa (e ≥≥≥≥ 2/3H)

H

P e

soleira

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1. Vertedor sem contração lateral (L ==== B)

L = B

CONFIGURAÇÃO DAS LINHAS DE CORRENTE

VISTA DE CIMA (PLANTA)

L = B

SECÇÃO TRANSVERSAL

VERTEDOR

H

3. Quanto ao comprimento da Soleira

1 . V e r t e d o r c o m c o n t r a ç ã o l a t e r a l ( L <<<< B )

L < B

D U A S C O N T R A Ç Õ E S

H

L < B

U M A C O N T R A Ç Ã O

H

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VERTEDORES RETANGULARES

Os vertedores retangulares são os mais usados, principalmente em função da sua facilidade de execução.

Sendo: Cd um coeficiente de descarga. usual Cd = 0,62 (valor típico também para os orifícios)

2/3d h.g.2.b.C.

32

Q =

2/3h.b.831,1Q =

232

5001611000

81618161 /h.b

ahh

, ,h.

,,Q

++

++=

( ) 2/32

0011,0h.b.a0011,0h

24,0782,1Q +

++=

•Fórmula da Sociedade Suíça de Engenheiros e Arquitetos

•Estabelecida em vertedores retangulares com 3 m de largura e cargas variando entre 0,10 e 0,80 m.

Fórmula de Rehbock Estabelecida para cargas variando entre 0,02 e 0,20m

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2/32

h.b.ah

h26,0184,1Q

++=

2/32

h.b.ah

h.55,01.

h0133,0

794,1Q

++

+=

•Fórmula de Francis•Estabelecida para cargas variando entre

0,18 e 0,48m

Fórmula de BazinEstabelecida para cargas variando entre 0,05 e 0,60m

Os vertedores triangulares são aplicáveis para cargas muito pequenas.

2/3d h.b.C.

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g.2.4Q =

( )otg.hb

452

= 2/5d h.C.

15

g.2.8Q =

O ângulo αααα, em geral, é reto. Desta forma:

b

αααα h

VERTEDORES TRIANGULARES

b = 2.h

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VERTEDORES TRIANGULARES

VERTEDORES TRIANGULARES

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CALHAS PARSHALL

• As calhas Parshall são condutos abertos construídos de tal forma que suas laterais promovam um adequado estrangulamento de seção.

• Estes medidores são indicados nominalmente pela largura da seção crítica ou garganta;

• Podendo medir vazões que variam entre 0,80 l/s e 93 m3/s.

2/3mc H.L.2,2Q =

•Lc: largura da garganta;

•Hm: altura do nível d’água medido à montante da garganta do medidor.

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CALHAS PARSHALL

CALHAS PARSHALL

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Dimensão nominal Vazão Mínima(m3/s)

Vazão Máxima(m3/s)

3’’ 0,008 0,053

6’’ 0,0014 0,111

9’’ 0,0025 0,251

1’ 0,0033 0,457

2’ 0,0121 0,937

4’ 0,0358 1,923

6’ 0,0741 2,929

8’ 0,0972 3,949

10’ 0,16 8,280

15’ 0,23 25,040

20’ 0,31 37,970

25’ 0,38 47,140

30’ 0,46 56,330

40’ 0,60 74,700

50’ 0,75 93,050

Limites de vazões para cada dimensão nominal da gar ganta da calha Parshall

MOLINETES FLUVIOMÉTRICOS

� Utilizados para determinar a vazão em cursos d’água natural.

� Consiste em determinar a área da seção e a

velocidade média do fluxo que passa na seção. � Tipos:

• Eixo Horizontal • Eixo Vertical (ou Diferencial)

� Baseiam- se na proporcionalidade que se verifica

entre a velocidade de rotação do aparelho e a velocidade da corrente.

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MOLINETES FLUVIOMÉTRICOS

Para pequenas profundidades ( ~ 1.20 m)

Para pequenas vazões, molinete preso à uma haste

MEDIÇÃO COM MOLINETE SOBRE PONTE

• Problemas da influência da estrutura

• Localização da ponte propicia uma boa seção para medição

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MEDIÇÃO COM BARCO FIXO• É a mais freqüente• Barco fixado a um cabo de aço• Cabo preso nas margens• Posições das verticais medidas no cabo

Medição a vau (a) e sobre barco fixo ( b) e (c)

CÁLCULO DA VAZÃO

Q = ΣΣΣΣ Vmedia(i) . Área(i)

L/nL/n L/nL/nL/n

A1

h1

A0 A2

h3 hn - 1h2

A3 An-1

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• A hélice do aparelho gira e um número de rotações por segundo (n) é contado

• O equipamento possui uma curva calibrada do tipo

V = a.n + b (onde a e b são características do aparelho)

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOLINETE

• Número de verticais adequado

• Evitar correntes inclinadas

• Rapidez para evitar variação do NA

• Evitar vibração do molinete

• Evitar que o cabo do molinete fique inclinado

REQUISITOS PARA UMA BOA MEDIÇÃO

NÚMERO DE VERTICAIS DE MEDIÇÃO

fonte: Anuário Fluviométrico n.2

Ministério da Agricultura - DNPM - 1941

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MEDIÇÃO DE VAZÕES E NÍVEIS

• Para reduzir custos, medem-se os níveis d’água e por meio de uma função ( curva-chave ) se obtêm as vazões correspondentes.

• Locais de medição de vazões e níveis chamam-se postos fluviométricos ou fluviográficos.

• Nos postos fluviométricos, os níveis são medidos diariamente, às 7h e às 17 h.

• Nos postos fluviográficos, os níveis são registrados continuamente, em papel ou meio magnético.

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POSTO FLUVIOMÉTRICO

RÉGUAS LIMNIMÉTRICAS

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CURVA- CHAVERelação entre vazão e nível d’água.

RIO PARAIBA

0

100

200

300

400

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00H (m)

Q (

m3/

s)

Forma Geral

Q = a.( H - H0 )b

• Q = vazão

• H = nível d’água

• H0, a, b = parâmetros de ajuste

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POSTOS FLUVIOGRÁFICOS

LIMNÍGRAFO DE BÓIA

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A BASE DE DADOS DA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUA (ANA)

• A Agência Nacional de Águas gerencia a rede de estações hidrometeorológicas instaladas no Brasil.

• www.ana.gov.br

• Sistema HIDROWEB

� Obtenção das informações sobre precipitação, vazão, qualidade de água e sedimentometria

� Arquivos texto ou access

AVALIAÇÃO DE VAZÕES MÁXIMAS

Inundação ocorrida no município de Vila Velha – ES, em 1960

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MÉTODO DE GUMBEL

MÉTODO DE FOSTER

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MÉTODO DE FÜLLER