Escoamento Superficial

Transcrição

1 PHA 5013 Hidrologia Determinística Universidade de São Paulo Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Escoamento Superficial Prof. Dr. Arisvaldo V. Méllo Jr

2 Vazão (m 3 /s) Hietograma Resposta de uma Bacia Hidrográfica Bacia Hidrográfica Saída da Bacia Hidrográfica Hidrograma Fonte: Musy,2001 Tempo (h) 2

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4 Todo o escoamento que aparece no curso d água é chamado de Escoamento Superficial As origens do Escoamento Superficial podem ser: Escoamento Superficial Direto Escoamento Sub-superficial (ou hipodérmico) Escoamento Básico

5 Características do Escoamento Básico 1. Oriundo do armazenamento abaixo do lençol freático 2. Escoamento laminar (lento e uniforme) 3. Decai lentamente ao longo do tempo quando não há recarga

6 Características do Escoamento Básico 4. Quando há recarga a vazão básica sobe lentamente para depois decair novamente quando a recarga cessa.

7 Características do Escoamento Superficial Direto 1. Oriundo da superfície da bacia 2. Escoamento turbulento da chuva excedente 3. A vazão cresce rapidamente conforme a intensidade da chuva e as características da bacia

8 Trechos do Hidrograma 1. Ascensão: com grande gradiente e correlacionada com a intensidade da precipitação 2. Região do pico: o hidrograma muda de inflexão, resultado do fim da chuva e amortecimento na bacia 3. Recessão: cessa o escoamento superficial direto, após o ponto de inflexão apenas contribui o escoamento básico

9 CG da chuva pico tempo de pico Escoamento Superficial Direto tempo de base ou duração do ESD recessão Escoamento Básico

10 Características do Hidrograma TEMPO DE CONCENTRAÇÃO: tempo de deslocamento da água do ponto mais distante da bacia até a seção principal (tempo em que toda a área da bacia estará contribuindo com o escoamento). Definido também como o intervalo entre o fim da precipitação e o ponto de inflexão do hidrograma Tempo de retardamento: intervalo de tempo entre os centros de massa do hietograma e do hidrograma

11 Características do Hidrograma Tempo de pico: intervalo de tempo entre o centro de massa da chuva e a vazão de pico Tempo de ascensão : Intervalo entre o início da chuva e o pico do hidrograma Tempo de base: duração do escoamento superficial direto Tempo de recessão: intervalo entre a vazão de pico e o término do escoamento superficial direto.

12 Forma do Hidrograma Fatores que influenciam na forma do hidrograma Relevo: densidade de drenagem, declividade do rio e da bacia, capacidade de armazenamento e forma bacias íngremes e com boa drenagem têm hidrogramas íngremes com pouco escoamento de base bacias com grandes áreas de extravasamento tendem a regularizar o escoamento e reduzir o pico bacias mais circulares têm picos mais cedo e maiores do que bacias alongadas.

13 Forma do Hidrograma Fatores que influenciam na forma do hidrograma Uso do solo: cobertura vegetal tende a retardar o escoamento e aumentar as perdas por evaporação Tipo de solo: interfere na quantidade de chuva transformada em chuva efetiva (infiltração) Modificações artificiais no rio: reservatórios de regularização reduzem os picos, enquanto canalizações podem aumentar os picos Distribuição, duração e intensidade da precipitação: chuvas deslocando-se de jusante para montante geram hidrogramas com picos menores (eventualmente dois picos) As chuvas convectivas de grande intensidade e distribuídas numa pequena área podem provocar as grandes enchentes em pequenas bacias Para bacias grandes, as chuvas frontais são mais importantes

14 Chuva Excedente Hex Q b Vesd= AD x Hex Vesd= AREA abc a c t 14

15 Síntese do Hidrograma + b a c

16 Análise do Hidrograma Significado: separação do hidrograma de Escoamento Superficial Direto do hidrograma total Importância: Estudo de cheias, Determinação do hidrograma de cheias

17 Análise do Hidrograma Como fazer: determinam-se os pontos a e c a c

18 Análise do Hidrograma Ponto a Início do ESD Inflexão abrupta c? Ponto c Fim do ESD Determinação difícil a

19 Análise do Hidrograma Utiliza-se a equação da curva de decaimento do Escoamento Básico baseada no modelo de Reservatório Linear: Q = Q t K o e /

20 Expressão do Reservatório Linear Aplicando-se a equação da continuidade ao reservatório que representa o escoamento básico, admitindo-se que não haja mais precipitação ( I = 0) 0 Q = ds dt Aplicando-se a hipótese de reservatório linear S = k Q Q = dk Q dt Q = k dq dt dq Q = 1 k dt න dq Q = 1 k න dt lnq ቮ Q Q 0 = 1 k t อ t t 0 ln Q Q 0 = 1 k t t 0 Q = Q 0 e 1 k t t 0 20

21 Q b Q = Q e o t/ K a V ESD c Reta no papel mono-log ln Q ln( Q) = ln( Q o ) 1 k t a c Coeficiente angular da reta

22 Formas de Separação 1º método: basta ligar os pontos a (início da ascensão do hidrograma) e c (final do ESD) por uma reta Existem outros... Q b Vesd a c 22

23 Índice Htotal H1 H2 F mm/h H exc = V ESD A.D. H = H + H exc 1 2 Vesd 23

24 Exercício Q (m³/s) P (mm) Rib. Taboão - Haras Mondesir (área = 77 Km²) t (h)

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27 Medição de vazão 27

28 Finalidade da medição de vazões Criar séries históricas Análise de vazões mínimas: autodepuração de esgotos, calado para navegação, etc. Análise de vazões médias: dimensionamento de reservatórios, etc. Análise de vazões máximas: dimensionamento de vertedores, bacias de detenção, etc. Operação em tempo real: comportas, controle de cheias, etc. Cálculo de vazões de referência para outorga 28

29 Métodos de medição de vazão Medição volumétrica Conceito de vazão, Q = DV/Dt Marca-se o tempo para preencher um volume conhecido Aplicável para pequenas vazões Aplicável onde a água pode ser recolhida 29

30 Métodos de medição de vazão Medição com vertedores Retangular (Francis): Q = 1,84 (L H) 1.5 Triangular (Thompson): Q = 1,4 H 2.5 Necessidade de construção Problemas de assoreamento Remanso a montante 30

31 Métodos de medição de vazão Calhas Parshall Q livre = K.H n Q afogado = Q livre.coeficiente de Redução Não interfere no escoamento (não provoca remanso como os vertedores) Dimensões limitadas a pequenos canais Um pioneiro no campo da engenharia civil e hidrologia, conhecido por desenvolver a Calha Parshall no laboratório de hidrologia da Colorado Agricultural College s em Ralph L. Parshall ( ) 31

32 Para pequenas vazões (calhas pré fabricadas em fibra de vidro) 32

33 Métodos de medição de vazão Medição por velocidade Conceito de que Vazão = v.da Equipamento : Molinete Formas de medição com molinete a Vau Sobre Ponte Com barco fixo Com cabo suspenso Com barco em movimento Subseção Largura Velocidade Profundidade Em cada subseção: Área = Profundidade x Largura Vazão = Área x Velocidade 33

34 Medição da velocidade com Molinetes 34

35 Contrapesos para diferentes velocidades Garantir a verticalidade do cabo 35

36 Medição da velocidade com Molinetes Medição a Vau Molinete preso à uma haste Para pequenas profundidades (~1,20 m) e pequenas vazões 36

37 Medição com Molinete a Vau Preparação dos equipamentos Detalhe do contador de giros 37

38 Medição com Molinete a Vau Amarração da Seção de Medição 38

39 Medição com Molinete a Vau Técnico executando uma medição a Vau 39

40 Formas de medição com molinete Medição sobre pontes Problemas pela influência da estrutura Localização da ponte em boa seção para medição 40

41 Formas de medição com molinete Medição com barco fixo Barco fixado a um cabo de aço preso nas margens Posições das verticais medidas no cabo 41

42 Medição com Molinete no Rio Jacaré -SE Maio/

43 Rio Jacaré, SE, em junho/

44 Medição com ADCP Acoustic Doppler Current Profiler Detalhe do equipamento montado em um mini catamarã 44

45 O RiverCat transmite os dados diretamente ao notebook dotado de um software amigável que interpreta os dados, integra as velocidades e calcula a vazão 45

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47 Medição com ADCP no Rio São Francisco 47

48 Rio São Francisco Posto Propriá 48

49 Medição com ADCP no Rio São Francisco 49

50 Perfis horizontais e verticais de velocidades na seção de um rio 50

51 Medição com Molinete Número de pontos por vertical Procura pela representatividade do perfil de velocidades Para profundidades < 1 m 1 ponto a 60% da profundidade Para profundidades > 1 m 2 pontos a 20% e a 80% da profundidade Velocidade média por vertical (aproximação) ( V ) 0,2h + V0,8h 0 ou V, 6h 2 51

52 Medição com Molinete Áreas de influência de cada vertical Área i Vmédia i Q ( V ) i A = i 52

53 Medição com Molinete Requisitos para uma boa medição 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 53

54 Medição com Molinete Número de verticais de medição Procura pela representatividade do perfil de velocidades Largura do rio (m) Espaçamento máximo (m) Até 3 0,3 3 a 6 0,5 6 a 15 1,0 15 a 30 2,0 30 a 50 3,0 50 a 80 4,0 80 a 150 6,0 150 a 250 8,0 250 a ,0 Fonte: Anuário Fluviométrico n.2 Ministério da Agricultura - DNPM

55 Curva Chave 55

56 Leitura de Níveis Posto Fluviométrico Exemplo de caderneta de campo Um observador (morador local) faz as leituras duas vezes ao dia. Envia a caderneta de campo para o escritório uma vez por mês. Fonte: Prof. Paulo Takashi Nakayama 56

57 Escalas Limnimétricas

58 Amarração do Posto a um RN

59 Limnígrafo de Bóia

60 Limnígrafo com tubulão instalado na margem do curso d água

61 Limnígrafo com tubulão instalado no curso d água

62 Limnígrafo com Borbulhador

63 Limnígrafo Ultrassônico

64 Limnígrafo com Data Logger

65 Seção de um rio e Curva-Chave CURVA COTA -VAZÃO Período de validade 1/4/1959 a 31/12/1965 Período de validade 1/1/1966 a 31/12/1970 Seção transversal no local da régua LEGENDA Curva interpolada Curva extrapolada

66 Curva-Chave Controle por Seção Regime crítico Q = g L A 3 Q vazão (m 3 /s) g aceleração da gravidade (m/s 2 ) A área molhada da seção (m 2 ) L - largura da seção molhada na superfície (m)

67 Curva-Chave Forma geral Obtenção ( H H ) b Q = a 0 ln ( Q) = ln( a) + b ln( H H ) Q vazão (m 3 /s) H nível da água (m) H 0, a, b parâmetros de ajuste a e b podem ser obtidos por regressão linear, e H 0 por tentativa e erro Opção: ajustar com o solver do Excel ou outro programa Equação 0

68 Imprecisões associadas à curva-chave (exemplo com baixas vazões) Q (m3/s) 80 Relação cota-vazão para o posto São Benedito H (m) Curva-Chave Medições de controle

69 Q (m 3 /s) Imprecisões associadas à curva-chave Exemplo com baixas vazões 12 Relação cota-vazão para o posto São Benedito 10 8 Q = 7,46 m 3 /s 6 4 Q = 3,57 m 3 /s 2 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 H (m) Curva-Chave H = 0,58 m Medições de controle

70 Q (m 3 /s) Imprecisões associadas à curva-chave Exemplo com baixas vazões 12 Relação cota-vazão para o posto São Benedito Q = 3,57 m 3 /s H (m) Curva-Chave Medições de controle

71 Canal Tejo - USP

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76 Seção trapezoidal Canal Tejo Régua B x d x e w d 1 Y w e y = z x = yz x b w = y 2 + yz 2 w d = y 2 + yz d 2 w e = y 2 + yz e 2 y = w z 2 y = w d z d 2 Área: A = by + yz d y 2 + yz e y 2 1 z 1,627 m 4,8837 m 1,792 m Perímetro molhado: P = y 2 + yz 2 d + y 2 + yz 2 e + b P = y 1 + z 2 d + y 1 + z 2 e + b 1,7592 m 1,4533 m Raio hidráulico: Rh = A P Zd = 1,0813 Ze = 0,811 Largura superficial: B = b + yz d + yz e

77 Curva-chave (velocidade/vazão-cota) Equação de Manning U = 1 n R 2 3 h I 1 2 Q = 1 A R 2 3 n hτ I 1Τ 2 Medição em 30/08/2017 Leitura da régua: y = 8,5 cm Velocidade da superfície: v 1 = 4min21s; v 2 = 3 min11s; v 3 = 3 min42s Dados do canal Declividade fundo: I = 0,0016 m/m z direito = 1,0813 Z esquerdo = 0,811

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84 Imprecisões associadas à curva-chave Cheias

85 Curva Chave Pontos de Atenção Cuidado ao extrapolar a curva-chave para níveis d água maiores do que os observados nas medições de vazão. Se há extravasamento da seção ou se a seção muda de forma, a curva-chave deixa de ser válida. Relação entre NA, Rh e Área deixa de ser contínua. Nível d água extrapolado. Nível d água máximo observado.

86 Curva Chave Pontos de Atenção Curva Chave pode variar ao longo dos anos devido à erosão ou ao assoreamento da seção, que alteram as características hidráulicas da seção. Para o mesmo nível d água a área molhada diminui. Assoreamento

87 Extensão da curva-chave Cota (m) Q = I n Τ A R Escolher Qmáx e calcular I n 2. Para cota desejada escolher AR 2/3 no gráfico 3. Calcular nova Q AR 2/3 87

88 Vazão Série temporal Tendência Oscilação de longo prazo Sazonalidade Salto (ciclo) na média Tempo x t = x pt + x Tt + x ot + x jt + E t x pt periodicidade x Tt tendência X ot oscilação X jt salto E t componente estocástico 88

89 Análise da Tendência Mudanças naturais ou antrópicas, tais como desflorestamento, urbanização e uso da terra são responsáveis pela introdução de tendência na série temporal Teste para detectar tendência Dado a série x i (x 1, x 2, x 3,..., x n ) Compare x 1 com o restante da série x 2, x 3... x n. Verifique quantas vezes x 1 é maior que os valores. Se x 1 > x 2 então conte 1 (P 1.1 = 1). Se x 1 > x 3 então P 1.2 = 2. Complete o processo para todos os valores esperados até x n (P 1ex ) Repita para x 2, x 3... X n e P 2ex, P 3ex... P nex Calcule P = P 1ex + P 2ex P nex Valor máximo de P: P max = E P = n n 1 de Kendal: τ = 4 4P n n 1 1 n n 1 2 Variância: V τ = 2 2n+5 9n n 1 Te)ste padrão: Z = τ Teste para nível de significância de 5% (Z = 1,96) V(τ) Se Z estiver entre 1,96 não há razão para suspeitar da ocorrência de tendência (a sequência é aleatória) 89

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