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Processos HidrológicosProcessos Hidrológicos
CST 318 - SERE 456 CST 318 - SERE 456 Tema 8 Tema 8 – – Hidrometria e VazãoHidrometria e Vazão
ANO 2015ANO 2015
Laura De Simone BormaCamilo Daleles Rennóhttp://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
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HidrometriaHidrometriaHidrometria
Ramo da Hidrologia – base experimentalResponsável pela coleta e fornecimento dos dados - monitoramento hidrológicoHidrometrista - deve entender e optar pelos métodos apropriados para medida do fenômeno em questão - variações no espaço e no tempoHidrologia – foco no estudo da precipitação e da vazão, áreas em que a Hidrometria mais se desenvolveu – padronização e consolidação dos métodos de mediçãoA água de chuva não cai somente no rio – necessidade de conhecer o processo de geração de vazão como um todoMedida de variáveis hidrológicas:
Precipitação Níveis d’água, Vazão
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ConceitosConceitos
Deflúvio altura total de água que passa, em determinado período, pela seção transversal de um curso d´água – Ex.: deflúvio anual, mensal, semanal, diário, etc.
Reflete a quantidade de água produzida por uma bacia
Expresso em: mm de altura de água
1 mm = 1 litro/m2 (Se conhecermos a área de contribuição)
CotaAltura de lâmina d’água tendo como referência um plano pré-estabelecido
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ConceitosConceitos
Descarga ou vazãodeflúvio na unidade de tempo – m3/s, litro/s
Produção hídrica ou rendimento hídricodescarga total de uma bacia durante um determinado período
Vazão Diária, mensal, annual
Vazão específica ou unitária vazão por unidade de área da baciaq = Q/AExpressa em: m3/(s.km2), l/(s.km2)Permite a comparação entre bacias, pois independe da área da bacia
Q = P - ET Q = Qs + Qb
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Vazão ou descargaVazão ou descarga
Onde:v – velocidade do rio (m/s)A – área da seção transversal (m2)Q – vazão ou descarga
As unidades mais comuns são:•Metros cúbicos por segundo (m3/s). •Litros por segundos (l/s)
AvQ .
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Medição de vazõesMedição de vazõesFeitas periodicamente em postos fluviométricos (determinadas seções dos cursos d´água,)Métodos de medição
Métodos velocidade x áreaFlutuadoresMolinetes hidrométricosADCP
Por processos químicos – traçadoresConstrução de estruturas para medição
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Métodos velocidade - áreaMétodos velocidade - áreaTêm como base a fórmula
É necessário, portanto, medir a velocidade de escoamento e a área do perfil transversal Problemas:
A velocidade do rio é a mesma ao longo de toda a seção transversal?Em que ponto da seção transversal deveremos medir?Como determinar a área da seção transversal?
AvQ .
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Velocidade do escoamentoVelocidade do escoamentoÉ o resultado de
• Forças da gravidade• Força de resistência: fricção nas paredes do canal (rugosidade) e turbulência
A velocidade varia:
• Com a distância ao leito• Com a distância às beiras• No tempo e espaço
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Métodos velocidade - áreaMétodos velocidade - área Flutuadores
Idéia central – jogar um objeto leve e bem visível, na correnteMedir distância percorrida e tempoMedir área da seção transversal Simples e rápido, porém fornece resultados incertos
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Molinetes ou correntômetrosMolinetes ou correntômetros• Pequena hélice que,
acoplada a um eixo que gira no sentido contrário ao do fluxo, manda sinais elétricos a um contador de rotações
• Quando posicionados em diversos pontos da seção do rio, determinam o perfil de velocidades desta seção
• Conta giros: envia o sinal a um operador a cada número n de voltas (5, 10, etc.) por unidade de tempo
• a e b são características do aparelho
Cônicos (concha)
de hélice
banV
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Uso do molineteUso do molineteMedição a vauSobre ponteCom teleféricoCom barco fixoCom barco móvel
lastro
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Medição a vauMedição a vau
Cursos d´água de pouca profundidade (< 1,20m)
O correntômetro é fixado a uma barra
Mantém-se uma distância mínima do leito (> 20 cm)
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Sobre ponteSobre ponte
Facilita, em alguns casos, a medição da velocidade
Pilares apoiados no leito alteram a velocidade
Determinação da geometria da seção é complicada
Escolher uma seção menos influenciada
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Com teleféricoCom teleférico
Usado em rios não muito largos
Necessidade de fixação dos cabos nas margens
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Com barcoCom barco
Barco fixo nas margens
Barco móvel – o barco se movimenta com velocidade constante de uma margem a outra
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Aonde medir a velocidade, se ela varia na horizontal e a vertical?•Grandeza extremamente variável•Idealmente se deveria medir em um número suficiente de pontos verticais e horizontais de maneira a permitir uma boa representação da distribuição de velocidades da seção. •Como a distribuição de velocidade em rios naturais é muito variável, é necessário medir em várias verticais e em cada vertical.
Método velocidade - áreaMétodo velocidade - área
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•USGS (United States Geological Survey) - desenvolveram uma técnica padrão para determinar a velocidade “média” em uma vertical. •Se a profundidade da vertical for menor do que 0,75 m a velocidade média ocorre a 6/10 (0,6D) da profundidade total.•Se a profundidade da vertical for maior do que 0,75 m a velocidade deve ser medida a 2/10 (0,2D) e 8/10 (0,8D), e a média dos dois pontos é considerada a velocidade média da vertical.
Velocidade média na vertical - USGSVelocidade média na vertical - USGS
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Portanto, em uma seção, a distribuição de medições do correntômetro ficaria.
Método velocidade - áreaMétodo velocidade - área
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Calhas e vertedoresCalhas e vertedores Paredes, diques ou aberturas (estruturas hidráulicas), de
geometria definida, através das quais a água do rio escoa Obrigam a água a passar por uma “situação” na qual as
variáveis envolvidas na determinação da vazão (velocidade, altura de água, regime, etc.) fique mais confiável
Fornecem diretamente a vazão, a partir da leitura da cota
calhasvertedores
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• Possuem dimensões padronizadas A vazão é determinada diretamente pelo nível d’agua registrado
• Princípio – a vazão que passa pela calha é a mesma que passa em outra seção do rio
• Pode-se determinar a curva-chave em outros pontos do rio medindo-se a vazão na calha e as cotas na seção transversal selecionada
Calha Parshall
Calhas Calhas
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Equação definida para estimativa de vazão, do tipo
C e n coeficientes que dependem da dimensão da calha,
W a largura da calha e Ha a carga hidráulica no meio da
contração.
naCWHQ
Ha medido a 2/3 a montante da contração máxima
Calhas Calhas
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VertedoresVertedores Usam o mesmo princípio de medição que as calhas – determinação da vazão
a partir do nível da água (medido a uma certa distância do ponto de instalação da calha)
Servem para pequenos cursos de água e apresentam grande precisão. Soleira espessa e soleira delgada
Soleira delgada - placa fina que intercepta transversalmente o curso d´água (triangular, retangular, trapezoidal, etc.)
Soleira espessa – elevação plana do fundo do canal ou leito do rio
Soleira espessaSoleira delgada
e > 0,66H
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Vertedores de soleira delgadaVertedores de soleira delgada
Seção simples
Seção composta
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VertedoresVertedores
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VertedoresVertedores
A descarga através dos vertedores depende fundamentalmente de H, medido em um ponto do rio sem influencia do vertedor
H – diferença entre a cota do rio e a crista do vertedor.
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Algumas equações de descargaAlgumas equações de descarga
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Método direto Mede a velocidade de fluxo a partir da
velocidade das partículas em suspensão
Transmite ondas de som na água e recebe o reflexo (eco) proveniente do fundo e das partículas suspensas na água (ecobatímetro)
Mede a velocidade da vertical de uma só vez (não é pontual como os molinetes)
Efeito Doppler: mudança na freqüência de uma onda sonora causada pelo movimento relativo entre o aparelho transmissor de som (transdutor) e o material em suspensão na água
ADCP (ADCP (Acoustic Doppler Current ProfilerAcoustic Doppler Current Profiler))
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O ADCP permite fazer medições em locais remotos e de difícil acesso, pode ser instalado em barcos e voadeiras.
Medindo vazões com ADCPMedindo vazões com ADCP
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Traçadores (corantes) Traçadores (corantes) Determinam a velocidade baseados no deslocamento do traçador. É um método aproximadoUtilizado em locais onde os métodos anteriores são inviáveis
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Medir vazão em alguns Medir vazão em alguns rios não é simplesrios não é simples
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A determinação de vazões é um processo demorado e oneroso, principalmente em grandes rios Toda medida de vazão é referida a um nível, altura ou uma cota de referência. A vazão medida é função dessa cota.Experimentalmente, determina-se a relação entre a altura e a vazão. Essa relação denomina-se curva chave, que é específica de cada seção do rio. A curva chave se justifica porque é muito mais fácil medir o nível do rio do que sua vazão
Curva chaveCurva chave
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Altu
ra (c
m)
Vazão (m3s-1)
Stage-discharge curves forCabo Frio (secondary forest)
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A medida da cota pode ser feita usando:•Escalas graduadas, instaladas em estruturas como pontes, beiras de rio, etc.•Sensores, instalados em estações hidrológicas automáticas.
Medição do nível do rio (cota)Medição do nível do rio (cota)
Ref.: Porto et al. (2003)
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Escalas graduadasEscalas graduadas
Escalas graduadas, réguas ou limnímetros Elementos verticais de 1m graduados em cmAço inoxidável ou madeiraO observador faz leitura das cotas diariamente
Ref.: Porto et al. (2003)
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LimnígrafoLimnígrafo
grava as variações de nível continuamente no tempoPermite registrar eventos significativos, de curta duração, ocorrendo essencialmente em pequenas bacias
Limnígrafo de bóia
Ref.: Porto et al. (2003)
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Se conhecermos a variação de nível do rio ao logo do tempo, a curva chave nos permite obter a série de vazões.
40
45
50
55
60
65
70
ago-06 ago-06 ago-06 set-06 set-06 set-06 set-06 set-06 set-06 out-06 out-06
Altu
ra (c
m)
Igarapé Ponta Verde - Seção Cabo Frio
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
ago-06 ago-06 ago-06 set-06 set-06 set-06 set-06 set-06 set-06 out-06 out-06
Vazã
o (m
3/se
g)
Igarapé Ponta Verde - Seção Cabo Frio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Altu
ra (c
m)
Vazão (m3s-1)
Stage-discharge curves forCabo Frio (secondary forest)
Curva-chaveCurva-chave
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Traçado da curva chaveTraçado da curva chave
A curva chave pode ser determinada a partir de um método de ajustes de curva – interpolação dos pontosExtrapolação - deve ser cuidadosa, pois pode haver variações consideráveis na seção transversal do rioInterpretação da curva-chave - deve considerar todas as informações disponíveis, pesquisando-se históricos e relatórios de inspeção, alterações da posição das réguas e das seções transversais, e possíveis mudanças nas condições de escoamento nas proximidades das seções
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Traçado da curva chaveTraçado da curva chave
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Variação da curva-chave com o tempoVariação da curva-chave com o tempoCurva-chave: intimamente ligada às características hidráulicas da seção de controleVariação da expressão matemática quando há variação nestas constantesAlterações na geometria da seção: erosões ou assoreamento causam mudanças na velocidade do escoamento, relações entre área, raio hidráulico e profundidade, afetando a relação cota-descarga
Ref.: Porto et al. (2003)
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Extrapolação da curva-chaveExtrapolação da curva-chave
Ref.: Porto et al. (2003)
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Seção para controleSeção para controle
Lugar de fácil acessoSeção com forma regular – a regularidade da seção facilita a operação de levantamento dos pares cota-vazão, diminuindo a possibilidade de erros na determinação da curva-chaveTrecho retilíneo e com declividade constante – o escoamento possui um comportamento relativamente uniforme nas suas imediações. Isso facilita as medições a serem realizadas, não havendo perturbações no escoamento devido a meandros ou ressaltos decorrentes da variação da declividadeMargem e leito não erodíveis – garante a integridade da seção levantada por longo tempoVelocidades entre 0,2 e 2 m/s – minimiza o erro das mediçõesConstância das características hidráulicas – nível, velocidade, declividade, área da seção
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Séries históricasSéries históricasSéries históricas
Úteis para diversos projetos de engenhariaResponder perguntas tais como:
Onde existe água?Quanta água existe?Como ela varia sazonalmente?
Balanceamento das disponibilidades e demandas ao longo do tempoRiscos no abastecimento em função da diminuição da vazão Dimensionamento das obras hidráulicas
Tratamento das séries históricas
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Séries temporaisSéries temporais
Fonte: W. Collischonn
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Séries temporaisSéries temporais
Fonte: W. Collischonn
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Vazão médiaVazão média
n
xx
n
ii
1
Média de toda a série de vazões ou precipitações registradasImportante na avaliação da avaliação da sazonalidade de uma bacia
1967-1999
Fonte: W. Collischonn
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Histograma de freqüências acumuladas relativas às vazões de um rio em determinado local – hidrograma organizado do maior para o menorUma das análises estatísticas mais simples e mais importantes na hidrologiaAnálise dos dados de vazão, tipo:
O rio tem uma vazão aproximadamente constante ou extremamente variável entre os extremos máximo e mínimo?Qual é a porcentagem de tempo em que o rio apresenta vazões em uma determinada faixa?Qual é a porcentagem de tempo em que um rio tem vazão suficiente para atender a uma determinada demanda?
Curva de permanência – expressa a relação entre a vazão e a freqüência com que esta vazão é superada ou igualadaEla pode ser elaborada a partir de dados diários ou de dados mensais de vazãoRelativamente fácil de obter, desde que existam dados de vazão
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Figura 14. 2: Hidrograma de vazões diárias do rio Taquari em Muçum (RS) e a curva de permanência correspondente
Fonte: W. Collischonn
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Q50
Q90
Fonte: W. Collischonn
Q90 – referência na Legislação de meio Ambiente e de Recursos HídricosQ95 – vazão que assegura a geração de energia em hidrelétricas
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Útil para avaliar o comportamento de rios e para avaliar o efeito de modificações como desmatamento, reflorestamento, construção de reservatórios e extração de água para uso consumtivoExemplo: rios Cuiabá (MT) e Coxim (MS) – 1980 a 1984Relevo e precipitação média anual semelhantes
R. Cuiabá (MT) R. Taquari (MS)Área de drenagem 22.000 km2 27.000 km2
Vazão 438 m3/s 436 m3/s
Fonte: W. Collischonn
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Rio Cuiabá apresenta maior variabilidade de vazões, que se alternam rapidamente entre situações de alta e baixa vazão, Rio Taquari permanece mais tempo com vazões próximas à média (bacia do Taquari favorece a infiltração da água no solo)
Fonte: W. Collischonn
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Curva de permanênciaCurva de permanência
Q90
Curva de permanência de entrada (afluente) e saída (efluente) do reservatório de Três Marias, no rio São Francisco (MG)Reservatório retém grande parte das vazões altas que ocorrem durante o verão, aumentando a disponibilidade de água durante a estiagem a regularização da vazão torna a curva de permanência mais horizontal
379m3s-1
148m3s-1
Fonte: W. Collischonn
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ExercícioExercício
• Uma usina hidrelétrica foi construída no rio Correntoso, conforme o arranjo da figura abaixo. Observe que a água do rio é desviada em uma curva, sendo que a vazão turbinada segue o caminho A enquanto o restante da vazão do rio (se houver) segue o caminho B, pela curva. A usina foi dimensionada para turbinar a vazão exatamente igual à Q95. Por questões ambientais o IBAMA está exigindo que seja mantida uma vazão não inferior a 20 m3/s na curva do rio que fica entre a barragem e a usina. Considerando que para manter a vazão ambiental na curva do rio é necessário, por vezes, interromper a geração de energia elétrica, isto é, a manutenção da vazão ambiental tem prioridade sobre a geração de energia, qual é a porcentagem de tempo em que a usina vai operar nessas novas condições, considerando válida a curva de permanência da figura que segue?