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HIDROLOGIA GERALNNOTAS DE OTAS DE AAULAULA

Prof. Paulo Renato Barbosa

Universidade Federal do Rio de JaneiroEscola PolitécnicaDepartamento de Recursos Hídricos e MeioAmbiente

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HHIDROLOGIAIDROLOGIABIBLIOGRAFIA:

1. Hidrologia (Ciência e Aplicação). Ed. ABRH/USP. Organizador: Carlos Eduardo Morecci Tucci.2. Hidrologia Aplicada – Ed. McGraw Hill – Swami M. Villela & Arthur Mattos3. Hidrologia Básica – Ed. Edgard Blücher Ltda. - Nelson de Souza Pinto.

INTRODUÇÃO

O MEIO AMBIENTE E OS RECURSOS NATURAIS

A água é um mineral líquido formado por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O). Devido àsua capacidade de solubilização de gases e de erosão dos continentes, a água não se encontra pura nanatureza, e sim como uma dissolução aquosa de sais e matéria orgânica.

“O ser humano é constituído de aproximadamente 63% de água e necessita de aproximadamente 2 litrosde água por dia para sobreviver.

O APARECIMENTO DA “URBE”

Os primeiros grupos humanos sobre a Terra eram nômades e viviam da coleta. Como desenvolvimentodas tecnologias de caça, vestuário e abrigo, o número de indivíduos que atingia a idade adulta aumentavae assim, a população. O modo de vida nômade não mais atendia às necessidades do grupo e foinecessário estabelecer agrupamentos em áreas que fornecessem condições de vida, água abundante eterras férteis, para agricultura e pecuária.

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UM POUCO DE HISTÓRIA

Apesar de não possuírem o conhecimento teórico dos fenômenos hidráulicos, os povos antigos realizaramnotáveis obras de engenharia.

• 4000 AC Barragens no Rio Nilo;• 3000 AC Canais de Irrigação na Mesopotâmia;• 2000 AC Aquedutos e Canais (Roma, Grécia, China); Defesas contra enchentes.

A CRONOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO DA TEORIA HIDROLÓGICA.

Século XV;• Leonardo da Vinci explicou a salinidade dos mares pela ação das águas continentais que ao seinfiltrarem e escoarem carregavam os sais para os mares;

Século XVII;• Abade Perrault mediu durante três anos a precipitação na bacia do Rio Sena. Medindo oescoamento superficial e conhecendo a área de drenagem, demonstrou que a precipitação era suficientepara suprir a vazão do rio;

• Mariotte mediu a velocidade da vazão do rio e com as medidas da seção transversal do rioconseguiu medir a descarga do rio;

• Halley mediu a taxa de evaporação do mar Mediterrâneo e demonstrou que a quantidade evaporadaseria suficiente para garantir a vazão dos rios que desembocavam na região

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Século XVIII;

• Bernoulli piezômetro• Pitot tubo de Pitot

• Chézy fórmula ( iRCV H= )

Século XIX;

• Hidrologia Experimental; A experiência da Califórnia.

Século XX;

• 1a metade: Hidrologia Experimental Teórica (EUA); foram construídos canais, barragens, sistema deirrgação e proteção contra enchentes.• 2a metade: Hidrologia Estocástica; o acesso mais fácil aos computadores digitais permitiam odesenvolvimento de vários métodos estatísticos de manipulação de dados temporais.

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O AQUECIMENTO DESIGUAL DA SUPERFÍCIE DA TERRA

O SOL A TERRA

Ao transladar ao redor do Sol com órbita eliptíca a Terra se aproxima (periélio) e se afasta (afélio) do Sol.Sua trajetória de translação atravessa o plano de translação do Sol (ecliptica), formado por seudeslocamento no espaço em direção a estrela Vega, da constelação da Lira.

Este plano forma com um plano imaginário passando pelo Equador da Terra um ângulo ora mais, oramenos 23o 27’, conforme a posição da Terra em seu próprio movimento de translação.

São assim definidos quatro pontos notáveis em sua órbita de translação. Esses pontos são dois solstíciose dois equinócios, pontos que definem o início e o fim das estações do ano.

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♦ Equinócio de outono no hemisfério sul. A linha que separa a zona iluminada da escura passaexatamente pelos pólos. O dia e a noite duram 12 horas em toda a Terra. Ocorre a 21 de março.

♦ Solstício de inverno no hemisfério sul (21 de junho). Neste caso, onde é inverno, temos a noite maislonga do ano.

♦ Equinócio de primavera no hemisfério sul, ocorre em 23 de setembro.♦ Solstício de verão no hemisfério sul (21 de dezembro). Neste caso, temos a noite mais curta do ano.

Em seu movimento de rotação ao redor de seu eixo (reta imaginária que atravessa os pólos), no sentido deoeste para leste, a Terra oferece sempre apenas um hemisfério à radiação eletromagnética do Sol.

A forma "quasi" esférica da Terra, a inclinação do seu eixo de rotação em relação eclíptica e a órbitadescrita pelo seu movimento de translação ao redor do Sol, são os principais responsáveis pelasdiferenças de temperatura entre o equador e os pólos, pela existência das quatro estações do ano econsequentemente pela existência de variados climas na superfície do globo terrestre.

♦ Afélio – ponto de máximo afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redordo Sol.

♦ Periélio – ponto de menor afastamento da órbita da Terra em seu movimento de translação ao redor doSol.

Além dessas variações ao longo do ano na recepção de radiação eletromagnética do Sol, devido àdistância e ponto de incidência, a radiação solar atravessa a atmosfera e pode encontrar, ao chegar nasuperfície, oceano ou solo. No solo, a topografia do planeta está longe de ser homogênea e os tipos desolo da superfície são muito diferentes.

Enfim, toda essa variedade faz com que a capacidade de retenção e reflexão de radiação, dos diferentespontos da superfície do planeta seja extremamente variável. Essa variabilidade leva à temperaturastambém extremamente variáveis.

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ALGUNS TIPOS DE SUPERFÍCIE DA TERRA

OCEANOS FLORESTAS

DESERTOS SAVANAS

TUNDRA MONTANHAS

Essas diferentes temperaturas, que variam ao longo do dia, provocam diferentes pressões e daí, resulta ovento. É o vento, que aliado à evaporação provocada pela temperatura, que faz circular o vapor d’águapela atmosfera.

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A UMIDADE

Evaporação – É quando moléculas de vapor de água vão para o ar aumentando a umidade do ar. Oaumento da temperatura aumenta a entropia e, conseqüentemente, o número de choques entre aspartículas. Assim, as moléculas trocam mais quantidade de movimento e, eventualmente, uma moléculasupera a película formada pela tensão superficial e é lançada na atmosfera.

Atmos – vapor.Sfera – esfera.

CAMADAS DA ATMOSFERA

A atmosfera é constituída de cinco camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera.O ar se torna mais rarefeito quanto mais a gente sobe, e é por isso que os alpinistas normalmente levamoxigênio com eles quando escalam altas montanhas. A troposfera é a única camada em que os seres vivospodem respirar normalmente.Troposfera - As condições climáticas acontecem na camada inferior da atmosfera, chamada troposfera.Essa camada se estende até 20 km do solo, no equador, e a aproximadamente 10 km nos pólos.Estratosfera - A estratosfera chega a 50 km do solo. A temperatura vai de 60ºC negativos na base aoponte de congelamento na parte de cima. A estratosfera contém ozônio, um gás que absorve osprejudiciais raios ultravioleta do Sol. Hoje, a poluição está ocasionando "buracos" na camada de ozônio.Mesosfera - O topo da mesosfera fica a 80 km do solo. É muito fria, com temperaturas abaixo de 100ºCnegativos. A parte inferior é mais quente porque absorve calor da estratosfera.Termosfera - O topo da termosfera fica a cerca de 450 km acima da Terra. É a camada mais quente, umavez que as raras moléculas de ar absorvem a radiação do Sol. As temperaturas no topo chegam a 2.000ºC.Exosfera - A camada superior da atmosfera fica a mais ou menos 900 km acima da Terra. O ar é muitorarefeito e as moléculas de gás "escapam" constantemente para o espaço. Por isso é chamada de exosfera(parte externa da atmosfera).

Ar

Mar

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De uma forma geral, os desertos e a “Rain Forests” existem, não por causa das diferenças de temperatura,e sim pela existência, ou não, de umidade na troposfera (camada da atmosfera mais próxima do solo).Na troposfera, o gradiente de pressão é hidrostático (quanto maior a altura, menor a pressão).

A DISTRIBUIÇÃO DA UMIDADE NA TERRA.

CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA

Rotação da Terra: Aceleração de Coriolis.

Esta aceleração provoca padrões de circulação de ar na atmosfera. Esses ventos transportam umidade. Aquantidade de precipitação depende da altitude, localização, vegetação e relevo. (Ex.: Monções da Índia,El Niño)

Durante a época das grandes navegações os portugueses, com o uso da bússola e do astrolábio eramcapazes de identificar a latitude do ponto onde estavam, mas a dificuldade para estabelecer a longitude eraenorme. Assim, começaram a reunir informações generalizadas sobre os locais onde navegavam. Essasinformações incluíam a direção dos ventos e das correntes marítimas, a cor e a salinidade do mar, apresença de aves, algas e quaisquer outras coisas que pudessem caracterizar um local.

Esse volume de informação levou à confecção dos altamente valiosos mapas sinóticos figurativoschamados de “portulanos” que davam aos capitães das naus portuguesas uma grande vantagemcompetitiva em relação aos seus adversários ingleses, holandeses, espanhóis e franceses. Os portugueseshaviam descoberto que existe um padrão de circulação global na atmosfera terrestre.

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UMIDADE ABSOLUTADefinição: Quantidade de vapor d’água existente por unidade de volume na atmosfera.

UMIDADE RELATIVADefinição: É a razão entre a umidade existente no ar e a quantidade de vapor d’água necessário parasaturá-lo.

PONTO DE ORVALHODefinição: É a temperatura na qual ocorre a saturação de uma massa de ar quando ela é resfriada semadição ou remoção de vapor d’água..

NÚCLEOS HIGROSCÓPICOSDefinição: Partículas, também chamadas de núcleos de condensação, de dimensões microcópicas, emsuspensão na atmosfera que agregam umidade. Pólen, sais, poeira, microorganismos, maresia, nuvens sãoreservatórios de umidade. São fundamentais para formação de nuvens.

UMIDADE RELATIVA DO AR MÉDIA NO BRASIL

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FORMAÇÃO DE NUVENS.

A nuvem é o resultado da condensação do vapor d’água existente na atmosfera. Os núcleos higroscópicos,ou de condensação, atraem as moléculas de vapor d’água condensadas e dispersas no ar, agrupando-as àsua volta até constituir uma diminuta gota. O mesmo processo, multiplicado milhões de vezes, origina asmassas de umidade concentrada que chamamos de nuvens.

São núcleos higroscópicos, partículas de argila, pólen, matéria orgânica, sais marinhos, cristais de geloetc.

TIPOS DE NUVENS:

STRATUS CUMULUS-NIMBUS

CIRRUS

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TIPOS DE PRECIPITAÇÕES

As precipitações podem ser convectivas, orográficas e ciclônicas/frontais.

CONVECTIVASDefinição : O aquecimento desigual da superfície do solo provoca a elevação da massa de ar sobre essasregiões. Ao subirem, se resfriam e precipitam (chuva violenta, de curta duração e de grande intensidade,sobre área pequena).

OROGRÁFICADefinição: Ventos quentes e úmidos que sopram na direção da terra, vindos do mar, são elevados aoencontrarem obstáculos (montanhas). Ao subirem, resfriam e precipitam (chuva fraca, de média duração ede pequena intensidade, sobre extensa área).

SISTEMAS FRONTAIS OU CICLÔNICOS (FRENTES)Definição: Grandes massas de ar homogêneas adquirem a temperatura da região em que se formam.Frontais frias têm sua origem nos pólos e as frontais quentes têm suas origens no Equador. Algumainstabilidade provoca o deslocamento da massa de ar. A interface dos sistemas têm o nome de “frente”.Uma frente pode ter até 3000 km. de comprimento. Provoca chuvas de grande duração e médiaintensidade sobre grandes áreas.

FRENTE FRIA FRENTE QUENTE

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FORMAS DE PRECIPITAÇÃO:

Chuva Gotas acima de 3 mm de diâmetroChuvisco Gotas inferiores a 3 mm

Neve Sólida, na forma de cristais, em flocos

Saraiva (slit) Pequenas pedras de gelo

Granizo Pedras de gelo, formadas quando as gotas de chuva atravessam camadas de ar muitofrias

Orvalho(T>0o)Geada(T<0o)

São fenômenos semelhantes formados respectivamente pela condensação e pelasublimação do vapor nas superfícies durante as noites frias.

Nevoeiro (russo) Gotículas de vapor d’água em suspensão na atmosfera

CHUVA CHUVISCO

NEVOEIRO NEVE

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GRANIZO SARAIVA

ORVALHO GEADA

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OCORRÊNCIA DE ÁGUA NA TERRA:

Ocorrência de Água na Terra: Quantidade (x 1014)

Água quimicamente contida nas rochas (não circulante) 250.000,000

Oceanos 13.200,000Calotas polares e geleiras 292,000Água subterrânea 84,000Lagos doces 1,300Lagos salgados, mares 1,000Umidade do Solo 0,900Vapor d’água na atmosfera 0,130Cursos d’água 0,013Água livre circulante 13578,800

Observa-se no quadro acima que, de toda a água existente no planeta, somente 2,7% é água doce. E quedesta, cerca de 98% é água subterrânea.

Da água que se precipita sobre as áreas continentais, estima-se que de 60% a 70% se infiltra. Assim, aparcela que escoa para os riachos e rios é de cerca de 40% a 30%. É esta água que se infiltra que mantémos rios fluindo, mesmo quando acontece longos períodos de estiagem.

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HIDROLOGIA

DEFINIÇÃO (United States Federal Council for Science and Technology):“É a ciência que trata da água na Terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicase químicas, e suas reações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida”.

DEFINIÇÃO (Associação Brasileira de Recursos Hídricos): É o ramo da Geografia Física que trata daságuas terrestres (rios, riachos, lagos, lençóis subterrâneos etc), sua distribuição, propriedades, fenômenose leis naturais. Estuda as leis de ocorrência e distribuição das águas na superfície do solo, na atmosferaterrestre, nos estratos geológicos, bem como suas relações com problemas de engenharia sanitária,irrigação, hidroeletricidade, regularização das ondas de cheia e águas de navegação, drenagem, proteçãodo solo contra erosão etc. Sendo, portanto, uma ciência de grande importância econômica e social.

USOS MÚLTIPLOS DOS RECURSOS HÍDRICOS :

- Abastecimento público;- Consumo industrial;- Irrigação;- Recreação;- Geração da energia elétrica;- Navegação;- Depuração (capacidade que possuem os corpos d’água de receberem matéria orgânica);- Preservação da Flora e a Fauna.

Os registros históricos medidos dos dados hidrometeorológicos na Hidrologia são quase sempre“errados”, pois estas medidas são pontuais, mas representam as informações hidrológicas de uma grandeárea. Os instrumentos de medição também são imprecisos.

O CICLO HIDROLÓGICO

Def.: O Ciclo Hidrológico é um fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfícieterrestre e a atmosfera, impulsionado, fundamentalmente, pela energia solar associada à gravidade e arotação da Terra.

O intercâmbio entre as circulações da superfície terrestre e da atmosfera, fechando o ciclo hidrológico,ocorre em dois sentidos:

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a) no sentido SUPERFÍCIE →→ ATMOSFERA, onde o fluxo de água ocorre fundamentalmente na forma devapor, como decorrência dos fenômenos de evaporação e transpiração.

b) No sentido ATMOSFERA →→ SUPERFÍCIE, onde a transferência de água ocorre em qualquer estadofísico, sendo mais significativas, em termos mundiais, as precipitações de chuva e neve.

“O Ciclo Hidrológico só é fechado em nível global”.

REPRESENTAÇÃO FIGURATIVA DO CICLO HIDROLÓGICO.

DESCRIÇÃO GERAL DO CICLO HIDROLÓGICO

PRECIPITAÇÃO

♦ Ocorre quando complexos fenômenos de aglutinação e crescimento das microgotículas, formam umagrande quantidade de gotas com tamanho e peso suficientes para que a força da gravidade supere aturbulência normal ou movimentos ascendentes do meio atmosférico.

INTERCEPTAÇÃO

♦ Parte do volume precipitado que está caindo sobre um solo com cobertura vegetal, sofre interceptaçãoem folhas e caules, de onde se evapora. Excedendo a capacidade de armazenamento na superfície dosvegetais, começa o que se chama de gotejamento.

INFILTRAÇÃO

♦ Como o solo é um meio poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao solo, até que o filmesuperficial de solo esteja saturado, quando então a taxa de infiltração se torna constante e a infiltraçãose faz em regime permanente de escoamento. A infiltração e a percolação no interior do solo sãoregidas pelas tensões capilares nos poros e pela gravidade.

ESCOAMENTO SUPERFICIAL

♦ A água ao chegar à superfície do solo é impulsionada pela gravidade para cotas mais baixas, vencendoprincipalmente o atrito com a superfície do solo. Manifesta-se inicialmente na forma de pequenosfiletes que se moldam ao micro-relevo do solo. A erosão de partículas de solo pelos filetes em seustrajetos, aliada à topografia preexistente, molda uma micro-rede de drenagem efêmera que convergepara a rede de cursos d’água mais estável, formada por arroios e rios. A presença de vegetação na

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superfície do solo contribui para o aumento da infiltração, quando se opõe ao escoamento superficial.A vegetação também reduz a energia cinética de impacto das gotas de chuva no solo (“splash”),minimizando a erosão. Com raras exceções, a água escoada pela rede de drenagem mais estáveldestina-se aos oceanos.

REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO CICLO HIDROLÓGICO

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TEORIA DOS RESERVATÓRIOS LINEARES, DOODGE (1950).

A abordagem que considera as diferentes fases do Ciclo Hidrológico como reservatórios lineares, comcapacidade e contribuição definidos, permitiu o desenvolvimento de Modelos Matemáticos para aSimulação dos processos do Ciclo Hidrológico. Esses modelos, quando bem calibrado, permitem que ohidrólogo possa fazer inferências sobre a resposta hidrológica de uma Bacia Hidrografica à interferênciasantrópicas. São, portanto, ferrramentas inestimáveis nos projetos de Recursos Hídricos.

REPRESENTAÇÃO DO CICLO HIDROLÓGICO POR RESERVATÓRIOS LINEARES

O BALANÇO HÍDRICO (A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE).

PPrecip.recip. = I = Intercep.ntercep. + E + Evap.vap. + I + Infilt.nfilt. + E + Esc.Supfsc.Supf. + Q . + Q subtsubt. + Q . + Q RioRio

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A BACIA HIDROGRÁFICA

Def.: A Bacia Hidrográfica é uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou umsistema conectado de cursos d’água tal que toda vazão efluente é descarregada através de uma simplessaída, o EXUTÓRIO. O DIVISOR TOPOGRÁFICO só cruza o rio em um ponto.

OS DIVISORES D’ÁGUA PLANTA TOPOGRÁFICA

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OS DIVISORES D’ÁGUA

O DIVISOR TOPOGRÁFICO

A bacia hidrográfica é necessariamente contornada por um divisor d’água, assim chamado por ser a linhade separação que divide as precipitações que caem em bacias vizinhas e que encaminha o escoamentosuperficial resultante para um outro sistema fluvial. O divisor segue uma linha rígida unindo os pontosde cota máxima entre bacias, o que não impede que no interior de uma bacia possam existir picos isoladoscom cota superior a qualquer ponto do divisor (A linha cheia na figura acima). O DIVISOR TOPOGRÁFICOsó cruza o rio em um ponto.

O DIVISOR FREÁTICO

O divisor freático (hidrogeológico) é, em geral, determinado pela estrutura geológica dos terrenos e,estabelece os limites dos reservatórios de água subterrânea de onde é derivado o deflúvio básico da bacia(A linha tracejada na figura acima).

“As áreas demarcadas por esses divisores dificilmente coincidem exatamente”.

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A TERMINOLOGIA DA SEÇÃO TRANSVERSAL

ME Margem esquerda MD Margem direita

Calha ou Leito Menor: é a escavação produzida pela corrente líquida, dentro de cujos limites ela escoaquando não há transbordamento.

Calha ou Leito Maior: é a região marginal que contém o transbordamento das cheias até as elevaçõeslongitudinais naturais mais próximas. É a planície de inundação, ou várzea do rio.

“As calhas caracterizam grandezas hidráulicas, como a área molhada, o perímetro molhado e o raio hidráulico, comuns aqualquer seção de escoamento e importantes para a definição e o cálculo da vazão”.

Margem: é definida no ponto onde o rio passa de sua calha menor para sua calha maior (onde está a mataciliar, planície de inundação).

Batente: são os pontos de contato da superfície da água com o perímetro molhado. Os batentes variamde acordo com as oscilações do nível d’água.

Largura Superficial: é a distância horizontal entre dois batentes.

Talvegue – É o lugar geométrico dos pontos de menor cota de uma região.

Profundidade : é a distância vertical entre a superfície da água e o fundo da calha em um ponto qualquerda seção. Profundidade Máxima é a que corresponde ao talvegue. Profundidade Média é umparâmetro de cálculo, quociente entre a área molhada e a largura superficial.

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CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA.

Perenes – São aqueles que têm água o tempo todo. A cota do lençol freático é sempre maior que a cotado talvegue (lugar geométrico dos pontos de menor cota).

Intermitentes – Nesses rios, em determinadas épocas, a cota do lençol freático fica abaixo da cota dotalvegue.

Efêmeros – São rios cujo escoamento está diretamente relacionado com a chuva. Ou seja, só têm águadurante, e até pouco após o fim da chuva.

RIO PERENE RIO INTERMITENTE RIO EFÊMERO

ORDEM DOS CURSOS D’ÁGUA:

Critério de Horton/Strahler : “Dois canais de ordem n unem-se para formar um canal de ordem n+1.”

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CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA

Área de drenagem, (A):

Definição: A área de drenagem de uma bacia é a área plana (projeção horizontal) dentro do divisortopográfico. A forma superficial está relacionada ao tempo de concentração.

Tempo de concentração, (tc):

Definição: É o tempo a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua naseção em estudo ou, em outras palavras, o tempo que leva a água dos limites da bacia para chegar à saídada mesma.

Sistema de drenagem, (Rede Potamográfica):

Definição: É constituído pelo rio principal e seus tributários. O estudo dessas ramificações e dodesenvolvimento do sistema é de grande importância, pois este indica a maior ou menor velocidade comque a água sai de uma bacia hidrográfica.

Densidade de drenagem, (Dd):

Definição: É um índice que mostra a eficiência da drenagem da bacia.

AL

Dd = ; onde:

L − comprimento total de todos os cursos d’água,

A − Área plana da bacia.

FORMA DA BACIA

Coeficiente de compacidade, (Kc):

Definição: É a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual à dabacia.

como;2RA Π= ; área de um círculoRC Π= 2 ; circunferência

Π=

AR ; mas, como

A

P

A

P

A

P

A

PR

PKC

545,377,1222

2=

×=

Π=

ΠΠ

=Π

= , logo,

A

PKC 28,0=

Obs.: Uma bacia com forma mais alongada tem uma probabilidade menor de ter cheias, pois é, também,menor a probabilidade de toda a tormenta precipitar dentro da bacia.

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Fator de forma (Kf)

Definição: É a relação entre a largura média ( )L , obtida quando se divide a área pelo comprimento dabacia, e o comprimento do curso d’água mais longo, desde a desembocadura até a cabeceira mais distantena bacia ( )L .

LA

L = ; donde 2LA

K f =

OBS.: Uma bacia com um fator de forma baixo é menos sujeita a enchentes que outra de mesma áreaporém com maior fator de forma. Isto se deve ao fato de que em uma bacia estreita e longa, com fator deforma baixo, há menos possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo simultaneamente toda suaextensão; e também, em uma tal bacia a contribuição dos tributários atinge o curso d’água principal emvários pontos ao longo do mesmo, afastando-se, portanto, da condição ideal, para cheias, de baciacircular.

RELEVO DA BACIA

O relevo de uma bacia hidrográfica tem grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos.

♦ Velocidade do escoamento superficial ⇒ f (declividade do terreno);♦ Temperatura/Precipitação/Evaporação ⇒ f (altitude da bacia).

Obs.: Deve-se desprezar os trechos extremos se estes apresentarem declividades discrepantemente altas(cabeceiras) ou muito baixas (perto da seção de saída).

Declividade de álveo

Definição: É a razão entre a diferença de altitude de dois pontos e a distância horizontal, medida peloperfil, entre eles.

lh

S∆∆=

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Declividade média da bacia, ( )S

An

a

Si

n

i i∑

=

Ι∆

= 1 ω; onde:

♦ Ι∆ → diferença de altitude padrão entre duas curvas de nível;

♦ iω → largura entre duas curvas de nível, ao longo do rio;

♦ ia → área, na bacia, entre duas curvas nível;♦ A → área total da bacia;♦ n → número de intervalos de curva de nível.

As características do relevo têm grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos, pois é adeclividade do terreno que influi mais diretamente na velocidade do escoamento superficial. Atemperatura, a evaporação e a precipitação são funções da altitude da bacia. Aqui devemos recordar que aumidade se distribui na atmosfera segundo um gradiente hidráulico.

FEIÇÕES FLUVIAIS

Os rios são uma das maiores forças que modelam a paisagem. Próximo às nascentes, a declividade do rioé alta. Ele escava seu canal, formando vales em forma de V e profundas gargantas. Quedas-d’água ecachoeiras se formam onde o rio deixa atrás rochas resistentes e passa a escoar sobre rochas friáveis, maisfacilmente erodidas.

Mais a jusante, podem formar-se meandros e a erosão lateral predomina, dando origem a um vale fluvialamplo. Por vezes o rio corta o colo de um meandro e forma um lago de meandro abandonado. Ossedimentos depositados no fundo do vale pelos rios meandrantes e durante as cheias ajudam a formar a

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planície de inundação. As cheias também podem depositar sedimentos nas margens dos rios, dandoorigem aos diques marginais.

Quando um rio deságua no mar ou em um lago, deposita grandes quantidades de sedimentos e podeformar um delta. Um delta é um conjunto de barras de areia, pântanos e lagoas através dos quais o rio fluiem diversos canais chamados distributários o Delta do Parnaíba, por exemplo. Com freqüência oaumento do nível do mar pode invadir a desembocadura do rio e formar um amplo estuário, uma seçãoinfluenciada pelas marés, onde a água do mar mistura-se com a água doce.

GRAN CANYON

O VAPOR “ARABIA”

Em 1856 o navio a vapor ARABIA, que fazia o transporte de passageiros ao longo dos rio Missouri,chocou-se com um tronco de árvore que flutuava pouco abaixo da superfície, a violencia do impactoprovocou um enorme buraco no casco da embarcação, que não possuindo compartimentos estanques,nafragou em minutos.

Por sorte, a profundidade do rio não era muito grande e o barco apoiou-se sobre o lodo do fundo, o quepermitiu que todos fossem evacuados. No dia seguinte, apenas as partes superiores da embarcação eramvisíveis e em pouco mais de uma semana, o barco desapareceu completamente.

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Começou a correr a estória que muitos dos passageiros voltavam da corrida do ouro na Califórnia quehaveria uma fortuna a bordo do barco. Muitos tentaram recuperar a carga e os valores deixados a bordo,mas, com a tecnologia da época isto não era possível.

Passados muito anos, um século, e depois de várias tentativas frustadas, em 1987 foi iniciado um projetopara encontrar o “Arabia”. Com tecnologia moderna e com maior compreensão do transporte desedimentos pelo rio, foi possível localizar o barco e, eventualmente, retirá-lo.

O Arabia foi encontardo no meio de um milharal, 800 metros a leste da margem do rio e a umaprofundidade de 15 metros. O trabalho de retirada da embarcação durou 18 meses.

Hoje o “Arabia” está aberto para visitação pública, como uma espécie de capsula do tempo, no “MercadoHistórico do Rio”, na cidade de Kansas City, onde é possível ver como se vivia naquela época (“frontier

life”).

O VAPOR “ARABIA”

O SALVAMENTO

Nessa estória, pode-se perceber a enorme quantidade de sedimentos que um rio pode transportar, além dacapacidade erosiva de uma corrente. O leito do rio Missouri estará sempre em movimento, regido pelascheias naturais e por intervenções antrópicas.

Arabia Steamboat Museum - 400 Grand Blvd - Kansas City, Mo. 64106, USA - (816) 471-1856

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PLUVIOMETRIA

PRECIPITAÇÃO

Definição: Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor d’água da atmosfera depositada nasuperfície terrestre.

Desde o instante da sua formação até atingir o solo, a precipitação é estudada pela METEOROLOGIA. Mas,a partir do instante em que atinge o solo, ela torna-se um elemento básico para a HIDROLOGIA.

“A precipitação é a entrada do sistema hidrológico”

CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS :

• Total

• Duração

§ Temporal

• Distribuição

§ Espacial

“A ocorrência da precipitação é um processo aleatório que não permite uma previsãodeterminística com grande antecedência.”

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PRINCIPAIS APARELHOS DE M EDIÇÃO DE CHUVA

♦ Para medida de chuva são utilizados, principalmente, pluviômetros, pluviógrafos e radaresmeteorológicos.

Obs.:Este instrumento capta a precipitação através de um orifício localizado no centro e no fundo de um

TIPPING BUCKET

Este instrumento capta a precipitação através deum orifício localizado no centro e no fundo deum recipiente com superfície côncava. A alturade chuva acumulada no orifício é calibrada etoda vez que for alcançada um mecanismopermite a passagem de um volume pré-determinado de água.

Um sensor magnético, acoplado ao mecanismode passagem, dispara um sinal sempre que hápassagem de água. Essa passagem é registradacomo pulso, através de dispositivo eletrônico,tipo “data-log”.

MEDIDAS PLUVIOMÉTRICAS

Altura de chuva, (h)– é a espessura média da lâmina de água precipitada que recobriria aregião atingida pela precipitação, admitindo-se que nessa região não se infiltrasse, não se

evaporasse, e nem se escoasse fora dos limites da região (mm). (( h=1 mm ⇒⇒ 1 l/m2 ))

Duração, (td) – É o intervalo de tempo durante o qual se considera a ocorrência de chuva(minutos, horas).

Intensidade, (i) – É a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação (mm/h,mm/min).

6-3

ALGUNS APARELHOS DE MEDIÇÃO DE CHUVA

PLUVIÓGRAFO PLUVIÔMETRO

A SAÍDA GRÁFICA DE UM PLUVIÓGRAFO

6-4

6-5

PROCESSAMENTO DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS :

• Detecção de erros grosseiros• Preenchimentos de falhas• Verificação da homogeneidade

DETECÇÃO DE ERROS GROSSEIROS:

• Valores absurdos (inesperados), dias inexistentes (30/Fev, 31/Abr), precisão emdesacordo com a escala.

• Erros sistemáticos:

VazamentosEntupimentosFora do padrão

• Erros acidentais :

Vento forte (chuva quasi-horizontal)Transbordamento

PREENCHIMENTO DE FALHAS (MÉTODO DA PONDERAÇÃO REGIONAL):

Muitas vezes as estações pluviométricas apresentam falhas em seus registros, devido àausência do observador, ou por defeito no aparelho, que pode não ter feito o registro ou feitoum registro suspeito, falho.

OBS.: Tomar cuidado para pegar dados de pluviômetros, não só próximos mas,principalmente, da mesma região meteorológica, para preencher a falha de um outro aparelho.

a) Escolhe-se três estações localizadas o mais próximo possível da estação em questão, namesma região meteorológica.

b) Determina-se Px pela média ponderada dos registros, de pelo menos, três das estaçõesvizinhas.

6-6

Exemplo:

Ano A B C D1965 284.60 232.00 289.60 216.601966 129.00 139.00 122.70 117.501967 95.80 96.60 100.20 97.801968 89.80 80.00 92.70 131.101969 129.20 124.50 128.70 118.801970 158.60 149.80 174.60 150.001971 153.20 147.30 163.40 140.40Média 148.60 138.46 153.13 140.18

×+×+×= 70,9213,15318,140

00,8046,13818,140

80,8960,14818,140

31

xP

52,83=xP

VERIFICAÇÃO DA HOMOGENEIDADE DOS DADOS (ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA):MÉTODO DA DUPLA MASSA (USGS)

O objetivo é examinar séries mensais ou anuais para verificar se houve alguma anormalidadedurante a operação da estação.

O método consiste em construir-se uma curva dupla cumulativa, na qual são relacionados ostotais anuais (mensais) acumulados de um determinado posto e a média acumulada dos totaisanuais (mensais) de todos os postos da região, considerada homogênea sob o ponto de vistameteorológico.

Se os valores do posto a consistir são proporcionais aos observados na base de comparação, ospontos devem alinhar-se segundo uma única reta. A declividade da reta determina o fator deproporcionalidade entre ambas as séries.

ANOMédia dos Postos

YMédia dos Postos

YAcumulado

Posto ExaminadoX

Posto ExaminadoXAcumulado

1965 22 22 30 301966 30 52 50 801967 60 112 70 1501968 70 182 78 2281969 86 268 83 3111970 66 334 71 382

6-7

Quando o gráfico anterior formar uma reta quer dizer que o posto pertence àquela regiãometeorológica.

CASOS TÍPICOS:

OK!• Série de valores proporcionais, homogênea;• Série confiável.

Pode estar correto!• Erros sistemáticos;• Mudança nas condições de observação;• Existência de uma causa física real; por exemplo :presença de um reservatório artificial e mudança nomicroclima.• Pode ter ocorrido mudança de localização dos postos.

Pode-se modificar a reta dependendo do segmento que se considerou mais correto

Não está correto!

6-8

• Possíveis erros de transcrição;• Talvez os postos pertençam a regiões

meteorológicas diferentes.

Não está correto!• Postos em regiões meteorológicas diferentes.

CORREÇÃO DOS DADOS (CASO 2):

a) Passar os valores mais antigos para a tendência atual.

b) Passar os dados mais recentes para a tendência antiga.

( )*ao

o

aac PP

MM

PP −+=

onde:

Pc = Precipitação acumulada ajustada à tendência desejada.Pa

* = Valor da ordenada correspondente à interseção das duas tendências.Ma = Coeficiente angular da tendência desejada.Mo = Coeficiente angular da tendência a corrigir.Po = Valor acumulado a ser corrigido.

6-9

Roteiro para obtenção de dados hidrometeorológicos através do Banca de Dados HidroWeb, da Agência Nacional de Águas ANA.

COLOCAR O CÓDIGO DO POSTO

Clique após em LISTAR

6-10

Clique em cima do codigo

Neste posto existem dados dechuva. Para acessá-los, cliqueem arquivo access (fornece osdados no programa access) ouarquivo texto (fornece osdados num bloco de dados).Vale lembrar, que caso nãoapareça nada neste quadrinhoescrito “chuvas”, é porque oposto não possui dados.

6-11

NESTE CASO, PEDI PARA LISTAR OS DADOS EM ACCESS:

SÍTIOS DE INTERESSE:

• de algumas das principais agencias brasileiras que medem de precipitação:

ANA Agência Nacional de Águas. [http://hidroweb.ana.gov.br]CPRM Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais. [http://www.cprm.gov.br]INMET Instituto de Meteorologia Ministério da Agricultura.[http://www.inmet.gov.br]CPTEC Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos. [http://www.cptec.inpe.br]

7-1

PRECIPITAÇÃO MÉDIA(CHUVA EQUIVALENTE)

PRECIPITAÇÃO MÉDIA

Definição: Aceita-se a Precipitação Média como sendo uma lâmina de água de altura uniforme sobretoda a área considerada associada a um período de tempo dado. (hora, dia, mês, ano).

Obs.: Isto é uma abstração, a chuva real não obedece a distribuições espaciais e/ou temporais conhecidas.É um fenômeno aleatório.

O Método da Média Aritmética - Todos os pluviômetros têm a mesma importância.

n

PP

n

ii

m

∑== 1

onde, n = número de pluviômetros

O Método de Thiessen

( )

∑

∑

=

== n

ii

n

iii

m

A

APP

1

1

onde, n = número de pluviômetros

O método consiste em atribuir um fator de peso aos totais precipitados em cada aparelho, proporcionais àárea de influência de cada aparelho.

Essas áreas de influência (peso) são determinadas em mapas, unindo-se os postos adjacentes por linhasretas e, em seguida traçando-se mediatrizes dessas retas formando polígonos. Os lados dos polígonos sãoos limites das áreas de influência de cada posto.

Obs.: Embora mais preciso do que o método aritmético, também apresenta limitações, pois não consideraas influências orográficas.

7-2

Área Altura dePOSTO Km2 Chuva (mm)

Belo Horizonte 16,50 6 99,00Santa Bárbara 1117,20 26 29047,20Rio Piracicaba 801,90 62 49717,80Nova Era 656,70 43 28238,1Antonio Dias 669,00, 16 10704,0Cel. Fabriciano 272,25 10 2722,5Pres. Vargas 437,25 17 7433,25Cubas 136,95 8 1095,6S. J. Goiabal 209,55 26 5448,3D. Silvério 227,70 52 11840,4Ouro Preto 255,80 13 3325,40

ΣΣ 4800,80 ΣΣ 149671,55

Pm = 149.671,55 / 4800,80 = 31,18 mm

7-3

O Método das Isoietas

ISOIETASDefinição: São curvas traçadas sobre mapas que representam linhas de igual precipitação. O traçadodessas curvas é semelhante ao das curvas de nível, onde a altura de chuva substitui a cota do terreno.

A precipitação média sobre uma área é calculada ponderando-se a precipitação média entre isoietassucessivas, (normalmente fazendo a média dos valores de duas isoietas) pela área entre as isoietas,totalizando-se esse produto e dividindo-se pela área total.

Obs.: A precisão do método depende muito da habilidade do analista.

∑

∑−

=

−

=

+

+

= 1

1

1

1

1

2n

ii

i

n

i

ii

m

A

Ahh

P

n – Número de isoietas.

7-5

Obs.: Os mapas mostram, claramente, que em termos de disponibilidade de água de chuva, o que importa é o volume de água precipitada(altura de chuva). Segundo o mapa, na região do polígono das secas, o número de dias com chuva, não é muito menor do que, por exemplo,na Amazônia.

8-1

A EQUAÇÃO GERAL DAS CHUVAS INTENSAS:

Chuva pontual Curvas i x d x f

OBS.: Aplicável para bacias hidrográficas pequenas e chuvas intensas. Na definição da equação daschuvas de uma localidade devem ser usados os registros das chuvas realmente observados nesse posto.

( ):; Onde

btTK

i c

aR

+=

i intensidade de precipitação (mm / h).TR tempo de recorrência (anos).t duração da precipitação (mm).K, a, b, c parâmetros relativos ao regime pluviográfico local.

Para usar a equação é preciso definirmos o que é uma chuva intensa e o que é uma bacia pequena.

LIMITE INFERIOR DE CHUVAS INTENSAS (PROF. OTTO PFAFSTETTER):

Duração (min) 5 10 15 30 60 120 240 480 840

Altura (mm) 5 7,5 10 15 20 25 30 35 40

Intensidade (mm/h) 60 45 40 30 20 12,5 7,5 4,4 2,9

Procedimento gráfico para obtenção dos parâmetros

Sejam, por exemplo, os seguintes dados de chuva:

Duração (min) 5 10 15 30 60Intensidade TR = 10 ANOS 130 116 85 70 42

(mm/h) TR = 25 ANOS 155 130 110 86 52

Para se obter os parâmetros K, a, b e c, da equação i x d x f, adota-se o seguinte procedimento.

Linearizando-se a equação da chuva intensa com o uso de logarítmos (anamorfose), temos:

)(log.log.loglog)(

btcTaKibt

KTi R

anamorfosec

aR +−+= →

+=

8-2

a expressão linearizada, podemos ver uma reta, do tipo AXBY −= ; onde:

• ;log Yi ⇒

• ;log.log BTaK R ⇒+

• ;Ac ⇒

• .)(log Xbt =+

Atribuindo-se valores a TR, as variáveis log i e log(t + b), correspondentes, configurarão a equação deuma reta, cujo coeficiente angular é “c”, e cujo coeficiente linear é (log K + a log TR).

SEQÜÊNCIA DE PASSOS :

1) adota-se um valor de TR,2) arbitra-se b=03) plota-se (log i x log(t+b))4) examinar:

4.1) No caso de concavidade para baixo, aumenta-se o valor de b.4.2) No caso de concavidade para cima, diminui-se o valor de b.

5) continuar a variar até obter uma reta.

8-3

OBS.: Para os dois valores de TR, você vai obter o mesmo c o mesmo b. Se tal não acontecer, os dadosde chuva não são de boa qualidade.

Para a determinação dos parâmetros “K” e “a”, forma-se um sistema de duas equações a duas incógnitas,utilizandos-se as coordenadas conhecidas de dois pontos quaisquer, tomados um em cada reta obtida, paracada TR.

)(loglogloglog 111 btcTaKi R +−+=

)(loglogloglog 222 btcTaKi R +−+=

Resolvendo-se este sistema de duas equações e duas incógnitas, consegue-se os valores de “K” e “A”.

)log(log

btI

c+∆

∆=

8-4

Com a obtenção dos parâmetros da equação ( )c

aR

btTK

i+

= , podemos extrapolar o período total de

observações. No gráfico acima, as curvas para TR = 50 ANOS e TR = 100 ANOS, representam umaextrapolação da equação.

v Equações Intensidade x Duração x Freqüência para algumas cidades brasileiras:

São Paulo: (Wilken)

( ) 025,1

172,0

227,3462

+=

ti R

Rio de Janeiro: (UlyssesAlcantara)

( ) 150,1

217,0

26154,99

+=

ti R

Belo Horizonte: (Freitas)

( ) 840,0

100,0

2087,1447

+=

ti R

Curitiba: (Parigot de Souza)

( ) 740,0

150,0

220,1239

+=

ti R

8-5

O MÉTODO DO PROFESSOR OTTO PFAFSTETTER (1957) :

( )[ ]tcbtaRPMAX .1log.. ++=

Onde:

PMAX precipitação máxima em mm,t duração da precipitação em horas,a, b e c – constantes para cada posto.

R – Fator de ajuste, definido como:

+= γ

βαRTRTR ; onde TR = Tempo de Recorrência.

Sendo:

TR tempo de retorno, ou recorrência, em anos,

αα e ββ valores que dependem da duração da precipitação,

γγ uma constante, adotada para todos os posto igual a 0,25.

TABELAS:

Precipitação para TR = 1 ANO

8-6

Valores de ββ , a, b e c, para algumas cidades brasileiras (Pfafstetter, 1957):

9-1

FFREQÜÊNCIA DE REQÜÊNCIA DE TTOTAIS OTAIS PPRECIPITADOSRECIPITADOS

FREQÜÊNCIA

Definição: É o número de vezes que um fenômeno de características iguais a outro, ocorre em umperíodo de tempo.

Seja, por exemplo, a tabela de alturas de chuva abaixo:

MÊSPRECIPITAÇÃO

MÉDIA (mm/mês)JAN. 136FEV. 168MAR. 148ABR. 104MAI. 72JUN. 44JUL. 28AGO. 36SET. 52OUT. 80NOV. 88DEZ. 124

Os dados observados são ordenados em ordem decrescente e a cada um é atribuído o seu número deordem m ( m variando de 1 a n, sendo n o número de períodos de observação).

m PRECIPITAÇÃO MÉDIA (mm/mês)

1 1682 1483 1364 1245 1046 887 808 729 5210 4411 3612 28

A freqüência (relativa) com que foi igualado ousuperado um evento de ordem m , é:

( )CalifórniadaMétodonm

F =

9-2

Isto é, podemos dizer que a probabilidade de termos uma precipitação maior ou igual a 124 mm/mês é:

124==

nm

FR

Porém, o Método da Califórnia consideraria que a probabilidade de, no exemplo acima, termos umaprecipitação maior ou igual a 28 mm é de:

0,11212 ===

nm

FR

Ou seja, um evento certo, todos os meses teríamos uma precipitação de pelo menos, 28 mm. Como istonão é correto, Kimbal propos uma pequena modificação, que para amostras grandes praticamente nãoaltera os valores, mas torna o método, conceitualmente, correto.

( )KimbaldeMétodonm

F1+

=

TEMPO DE RECORRÊNCIA (OU TEMPO DE RETORNO)

Definição: É o intervalo médio de tempo (dia, mês, ano) em que pode ocorrer ou ser superado um dadoevento.

RR

RR T

FF

T1

;1 ==

ATENÇÃO: Para períodos de recorrência bem menores do que o número de anos de observação, o valorencontrado para a freqüência relativa (FR) pode dar uma boa idéia do valor real da probabilidade (P). Ouseja, sempre que o tamanho da amostra for grande, estaremos assumindo que, “a freqüência relativa éuma estimativa da probabilidade”.

RR T

PP

T1

;1 ==

“Freqüência Relativa ≅≅ Probabilidade (Hidrologia Estocástica)”

9-3

OBS.: “A Freqüência Relativa de um evento aleatório é equivalente à Probabilidade desse evento”.É a aceitação dessa tese que dá origem à Hidrologia Estocástica.

000.101

;)10000( =⇒ TrVertedouroanosQMAX

ATENÇÃO: É importante ressaltar, que freqüência, probabilidade ou tempo de recorrência, definemcaracterísticas médias, isto é, uma chuva com um TR=25 anos poderá em um intervalo total de 50 anosocorrer duas vezes nos primeiros 5 anos e depois ficar 45 anos sem acontecer.

LEIS DA PRECIPITAÇÃO:

1) A intensidade das precipitações com o mesmo tempo de recorrência é inversamente proporcional àsua duração.

2) A intensidade das precipitações com a mesma duração é diretamente proporcional ao seu tempo derecorrência.

3) A intensidade das precipitações é inversamente proporcional à sua área de precipitação.

4) Em um determinado período chuvoso as intensidades ou as alturas e precipitação decrescem do centroda área de precipitação para sua periferia, segundo uma lei aproximadamente parabólica.

###################################################

ESCOLHA DO PERÍODO DE RETORNO:

P – Probabilidade F ⇒ Freqüência Relativa P = F

TR <=> RISCO.

“∗ Em Hidrologia, o RISCO está diretamente associado à escolha do período de retorno.”

FTentãoFPmas

PT RR

1:,,;

1 ===

9-4

RISCO:

Definição: É a probabilidade de uma determinada obra vir a falhar durante a sua vida útil.

( )[ ]ntR −−×= 11100

Onde :

R Risco.T Período de retorno.N Vida útil da obra.

PERÍODOS DE RETORNO

PARA DIFERENTES OCUPAÇÕES DA ÁREA:

TIPO DE OCUPAÇÃO DA ÁREA (CETESB 1980) Tipo de Obra T (anos)

ResidencialMICRODRENAGEM 2

Comercial Microdrenagem 5Áreas com edifícios de serviço ao publico Microdrenagem 5Aeroportos Microdrenagem 2 - 5Áreas comerciais e artérias de tráfego Microdrenagem 5 – 10Áreas comerciais e residenciais Macrodrenagem 50 – 100Áreas de importância específica Macrodrenagem 500 - ….

RISCO EM % PARA DIFERENTES VALORES DE TR E N:

Vida útil da obra (anos)T(anos) 2 5 25 50 100

2 75 97 99,9 99,9 99,95 36 67 99,9 99,9 99,910 19 41 93 99 99,925 25 18 64 87 9850 4 10 40 64 87100 2 5 22 39 63500 0,4 1 5 9 18

10-1

FLUVIOMETRIA

Definição: É o setor da Hidrologia que trata das técnicas de medição de níveis d´água, velocidades evazões nos rios.

Objetivo: Conhecer o volume de água que escoa por uma seção transversal de um rio, em umdeterminado intervalo de tempo. O ideal seria termos conhecimento, em tempo-real, da vazão a cadainstante. Todavia, isto, ainda não é possível. Portanto, procura-se conhecer a vazão durante um períodode tempo (campanha) e extrapolam-se os resultados obtidos para períodos de tempo maiores. Existemvárias metodologias de medição de vazões, cada uma delas com o índice de precisão diretamenteassociado ao custo de obtenção dos dados.

10-2

CRITÉRIOS PARA O ESTABELECIMENTO DE UM POSTO FLUVIOMÉTRICO:a) Localizar em um trecho retilíneo, de fácil acesso e o mais estável possível;b) Localizar fora da área de influência de obras hidráulicas existentes;c) Selecionar trecho com velocidades regularmente distribuídas e não muito reduzidas;d) Entregar os cuidados de leitura da régua ou troca de papel do limnígrafo, à pessoa de confiança.

Observação: Um dos grandes objetivos de se medir as vazões de um rio em determinado trecho, épodermos associar a descarga medida à respectiva cota do nível d’água da superfície do rio. Assim, paracada cota do nível d’água, corresponderá uma vazão. Essa relação, “cota x vazão”, é chamada naHidrologia de Curva-Chave, e será vista em maior detalhe, posteriormente.

Q = v.A

AA A

h (cota)

Curva chave(equivalente a uma parábola).

Q

10-3

MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE VAZÕES:

a) MÉTODO VOLUMÉTRICO

É empregado para pequenos cursos d’água e canais, ou em nascentes. Consiste em derivar as águas pararecipientes volumétricamente calibrados, ou que tenham formas que facilitem a determinação de seusvolumes. A vazão será o quociente do volume do recipiente pelo tempo de enchimento cronometrado.

)()(

)(tempotvolumeV

vazãoQ =

b) MÉTODO DOS TRAÇADORES

Químicos – A concentração de sal é medida na seção de montante e um tempo depois na seção dejusante.

01

1

CCCC

qQ−−=

Onde:C – Concentração de sal injetado,C1 − Concentração de sal em regime permanente,C0 – Concentração natural de sal do rio.q – Vazão injetada.

Radioativos – Em geral esses traçadores são utilizados para medições em rios violentos, encachoeirados,ou seja, rios que possam apresentar riscos de vida para a equipe de fluviometria. O manuseio do materialradioativo é perigoso e exige pessoal especializado, sendo portanto mais dispendiosa a sua utilização.

c) MÉTODO DOS NÍVEIS D’ÁGUA

A leitura é feita em uma “escala limnimétrica”, uma régua em geral denteada, construída em madeira oumetal esmaltado e “amarrada” à um RN (referencial de nível), ou através de um limnígrafo.

10-4

Observação: O uso da régua limnimétrica, ou de um limnígrafo, para se medir as vazões de um rio emuma determinada seção transversal, só é possível se conhecermos a curva que relaciona o nível d’água àvazão, isto é, a curva-chave na seção.

d) MÉTODOS ÁREA X VELOCIDADE

Definição: São métodos indiretos e se baseiam na equação da continuidade dos escoamentos líquidos;

AvQ .=

d.1) Método dos Flutuadores:

É empregado mais freqüentemente para se obter estimativas de vazões em reconhecimentos hidrológicosou para medir vazões de enchentes.

Quando o flutuador cruza a seção de montante, o auxiliar dá um sinal, para que o operador acione ocronômetro. Quando o flutuador cruza a seção de jusante, é registrado o tempo de percurso. Repete-se oprocedimento várias vezes, em várias faixas longitudinais, e, assim define-se as diferentes velocidadessuperficiais.

Pode-se, portanto, relacionar a velocidade superficial com a velocidade média da seção transversal.

LSUPERFICIAMÉDIASEÇÃOMÉDIAvKv .=

O coeficiente K varia com a rugosidade da calha fluvial, com a geometria da área molhada (raiohidráulico) e com a turbulência do escoamento.

TABELA DE VALORES PARA K, SEGUNDO DNAEE.Situação K

Velocidades fortes, profundidades superiores a 4m 1,00Velocidades médias em rios e montanhas 1,05Declives fracos, rios médios 0,85Grandes rios 0,95Declives médios, rios médios 0,90 0,95Velocidades muito fracas 0,80

Planta (visão superior)

V

Corte

V

Vmáx

VsuperfícieFlutuadores

10-5

d.2) Método do Tubo de Pitot.

O tubo de Pitot, em sua configuração mais simples é um tubo recurvado, com dois ramos em angulo reto.Aplica-se a Equação de Bernoulli aos pontos 1 e 2 do escoamento da figura.

Equação de Bernoulli:

te

g

Cvp

y =++2

2

γ

APLICAÇÃO:

ghvhg

v 2;2 1

21 =∴=

:;0,;22 221

222

2

211

1 entãovehhmasg

vphg

vph ==++=++γγ

( )[ ]:;

2;

212

2112

21 assim

ghhhg

gvpp

gv

ρρ

γ−+=−=

10-6

d.3) Método dos Molinetes.

Procedimento:(a) Faz-se o levantamento batimétrico da seção transversal selecionada para obter-se o perfil e a área da

seção;(b) Divide-se a seção transversal do rio em um certo número de posições verticais para o levantamento do

perfil de velocidades;(c) Mede-se as velocidades nessas verticais em pontos;(d) Acha-se a velocidade média ponderada para perfil vertical;(e) Determina-se a velocidade média aritmética para cada setor definido entre duas verticais;(f) Calcula-se a vazão em cada setor, multiplicando-se a velocidade obtida no item (d), pela área do setor;(g) A vazão total estimada será o somatório das vazões em cada um dos setores definidos na seção

transversal do rio.

O Molinete Hidrométrico:Definição: É um aparelho que dá a velocidade local da água através da medida do número de revoluçõesdo hélice.

Operação do Molinete Hidrométrico

1) A cada número inteiro de rotações, o molinete emite um sinal (sonoro ou luminoso).

2) O tempo transcorrido entre os sinais é cronometrado.

3) Multiplicando-se o número de sinais medidos, pelo número de rotações por sinal (item 1), tem-se onúmero total de rotações, que dividido pelo intervalo de tempo cronometrado, fornece o número derotações por segundo (RPS).

4) Usa-se a “equação de calibragem do molinete” para transformar a rotação do eixo (RPS) emvelocidade linear (m/s).

Peso

Molinete

MOLINETE HIDROMÉTRICO

10-7

Exemplo: Modelo A.Ott no 9473

41,0;019,04853,0 <+= nparanv

41,0;007,05145,0 ≥+= nparanv

Parâmetros hidráulicos da seção:

Área molhada, (Am) é a área da seção transversal ocupada pela água, (m2);Perímetro molhado, (Pm) é o perfil da seção transversal em contato com a água, (m);Raio hidráulico, (R): Rm = Am/Pm, (m);

Largura média, (Lm) Lm = (l-_

IP ), (m); onde l é a distância do PI até o PF.

Profundidade média, (h): h = Am/Lm, (m).

EXEMPLO PARCIAL DE RESOLUÇÃO DE UM PROBLEMA DE FLUVIOMETRIA:

Seja a seção transversal do rio.

Vamos considerar o uso de um Molinete Hidrométrico com as seguintes características:

♦ 1 SINAL 10 ROTAÇÕES

)2(;4,3;022,0.1305,0)/()1(;4,3;040,0.1252,0)/(

>+=≤+=

NRSNRSsmvNRSNRSsmvEQUAÇÃO DO

APARELHO:

10-8

TABELA COM VALORES MEDIDOS NOS PONTOS ASSINALADOS DE VERTICAIS DA SEÇÃO TRANSVERSAL:

NO DOPONTO

DISTÂNCIAAO PI (m)

PROFUNDIDADEDO PONTO (m)

NÚMERODE SINAIS

TEMPO(seg)

NÚMERO DEROTAÇÕES PORSEGUNDO (RPS)

VELOCIDADE(m/s)

1 2,10 0,00 0 0 0,0000 0,040

2 12,00 1,00 5 46,4 1,0776 0,175

3 20,00 2,00 12 42,8 2,8037 0,391

4 30,00 3,00 23 40,2 5,7214 0,769

5 30,00 5,00 24 40,6 5,9113 0,793

6 40,00 1,00 36 40,2 8,9552 1,191

OBS.: Se temos, 8 sinais emitidos em 72,4 segundos, para molinetes com 1 sinal a cada 10 rotações,então, NRS = (8 x 10) / 72,4 = 1,105 RPS.

a) Cálculo das áreas de setores definidos:

284,112

9,9.32,2mAI == 260,250,8.

2

08,432,2mAII =

+

=

240,520,10.2

40,608,4mAIII =

+

= 280,820,10.2

16,1040,6mAIV =

+

=

b) Cálculo dos perímetros de alguns setores definidos:

( ) ( ) mPI 17,1032,29,9 22 =+= ( ) ( ) mPII 19,800,832,208,4 22 =+−=

c) Cálculo das velocidades médias em algumas verticais:

§ (Vertical A): Profundidade h = 0,00 mV = sm /040,0

§ (Vertical B): Profundidade h = 2,32 m

0,00 m → smV /166,01 =

1,00 m → smV /175,01 =

1,82 m → smV /215,01 =

2,12 m → smV /040,01 =

10-9

32,220,02040,0

30,02

040,0215,082,0

2215,0175,0

00,12

175,0166,0÷

+

+

+

+

+

+

= xxxxVB

BV sm /160,0=

§ (Vertical C): Profundidade h = 4,08 m

0,00 m → smV /448,01 =

1,00 m → smV /640,01 =

2,00 m → smV /392,01 =

3,00 m → smV /382,01 =

3,58 m → smV /271,01 =3,88 m → smV /040,01 =

08,4

20,02040,0

30,02

040,0272,058,0

2272,0382,0

00,12

382,0392,000,1

2392,0640,0

00,12

640,0448,0

÷

+

+

+

+

+

++

++

+

=xxx

xxx

VC

CV sm /414,0=

d) Cálculo das Velocidades Médias nos Setores:

smVV

V BAI /101,0

2

161,0040,0

2=

+=

+=

smVV

V CBII /282,0

2

414,0161,0

2=

+=

+=

e) Cálculo das Vazões nos Setores:

smAVQ III /148,148,11100,0 3=×=×=

smAVQ IIIIII /22,760,25282,0 3=×=×=

f) Cálculo da Vazão Total:

∑==

n

iiTOTAL

QQ1

; onde: Qi é a vazão em cada um dos n setores da seção transversal.

10-10

O ADCP E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO:

O ADCP Acoustic Doppler Current Profiler, ou Correntômetro Acústico de Efeito Doppler, éum aparelho utilizado para medir a vazão dos cursos d’água através do efeito “Doppler”. Ele tambémpode ser utilizado para medir o seu movimento com relação ao fundo do rio e a distribuição dossedimentos em suspensão na seção de medição.

É um instrumento que transmite ondas sonoras através da água. As partículas transportadas pela correntede água refletem o som de volta para o instrumento que percebe o eco através de sensores, fazendo comque ele reconheça as diferentes profundidades e as velocidades das respectivas linhas de corrente atravésdo efeito Doppler. O ADCP pode utilizar diferentes freqüências para emitir o som, tais como: 75, 150,300, 600, 1.200 e 2.400 kHz, dependendo do modelo.

O efeito Doppler refere-se à mudança de freqüência do sinal transmitido pelo sonar, causada pelomovimento relativo entre o aparelho e o material em suspensão da água sob a ação do feixe das ondassonoras. Como o material em suspensão se desloca na mesma velocidade da corrente de água, amagnitude do efeito Doppler é diretamente proporcional à essa velocidade. Medindo-se a freqüência dosecos que retornam do material em suspensão e comparando-a com a freqüência do som emitido, o ADCPdetermina a velocidade da partícula que é a mesma da corrente da água (figura 2).

Fig. 1 - Técnica típica de uso do ADCP.

Fig. 2 - Mudança de freqüência causada pelo efeito Doppler.

10-11

O efeito Doppler é direcional. Qualquer mudança de freqüência corresponde a uma componente develocidade ao longo da direção do transdutor (emissor/receptor). As velocidades perpendiculares àdireção do transdutor não produzem nenhum efeito Doppler.