MD2022-ESBA-Dia3-HIDROLOGIA

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ENGENHARIA DE SANEAMENTO BÁSICO 
E AMBIENTAL
Hidrologia Aplicada
HIDROGRAMA UNITÁRIO
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HIDROLOGIA APLICADA
O Hidrograma Unitário é um hidrograma de escoamento
superficial direto, resultante de uma chuva efetiva com 
intensidade e duração unitárias.
A definição de chuva unitária é arbitrária, entretanto para efeito
de comparação entre HU’s, costuma-se manter um padrão. Por
exemplo, uma chuva com 1 mm e duração de 1h pode ser
adotada como chuva unitária.
Admite-se que essa chuva seja uniformemente distribuída sobre
a bacia. A área sob esta curva corresponde a um volume unitário
de escoamento superficial direto.
Noções sobre Hidrograma Unitário
3° Princípio (Princípio da Aditividade):
A duração do escoamento superficial de uma
determinada chuva efetiva independe de
precipitações anteriores. O hidrograma total
referente a duas ou mais chuvas efetivas é obtido
adicionando-se as ordenadas de cada um dos
hidrogramas em tempos correspondentes.
2° Princípio (Proporcionalidade das Descargas):
Chuvas efetivas de mesma duração, porém com
volumes de escoamento superficial diferentes, irão
produzir em tempos correspondentes, volumes de
escoados proporcionais às ordenadas do hidrograma
e às chuvas excedentes.
1° Princípio (da Constância do Tempo de Base):
Para chuvas efetivas de intensidade constante e de
mesma duração, os tempos de escoamento
superficial direto são iguais.
Roteiro para cálculo do Hidrograma Unitário (HU)
1) Calcular o volume de água precipitado sobre uma bacia hidrográfica, que é dado por Vtot = Ptot
x A, onde: Vtot: volume total precipitado sobre a bacia; Ptot: precipitação total; A: área de drenagem
da bacia.
2) Efetuar a separação do escoamento superficial, onde para cada instante t, a vazão que escoa
superficialmente é a diferença entre a vazão observada e a vazão de base 
Qe = Qobs – Qb, sendo: Qe: vazão que escoa superficialmente; Qobs: vazão observada no posto
fluviométrico; Qb: vazão base, extraída do gráfico.
3) Determinar o volume escoado superficialmente, a parVr da área do hidrograma superficial, 
que pode ser obVda conforme
Ve = 𝝨Qe x △t, sendo: Ve: volume escoado superficialmente; Qe: vazão que escoa superficialmente; 
△t: intervalo de tempo dos dados.
4) Determina-se o coeficiente de escoamento C=(Ve/Vtot), sendo: Ve: volume escoado
superficialmente; Vtot: volume total precipitado sobre a bacia hidrográfica. 
5) Determinar a chuva efeKva, mulVplicando-se a chuva total pelo coeficiente de escoamento Pef = 
C x Ptot, sendo: Pef: chuva efeVva; C: coeficiente de escoamento Ptot: precipitação total.
6) Determinar as ordenadas do HU conforme: Qu= (Pu/Pef) x Qe, sendo: Qu: ordenada do 
hidrograma unitário; Pu: chuva unitária (10 mm, 1 mm); Pef: precipitação efeVva; Qe: ordenada do 
hidrograma de escoamento superficial. 
MODELOS MATEMÁTICOS CHUVA X VAZÃO
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HIDROLOGIA APLICADA
Definição de Modelo
É uma representação simplificada da realidade, 
com objetivo de auxiliar no entendimento dos 
processos que a constituem.
MODELOS MATEMÁTICOS
Modelos Matemáticos
Utilizam equações matemáticas
apropriadas de metodologias
específicas capazes de 
reproduzir os processos físicos
envolvidos, como por exemplo, 
das etapas do ciclo hidrológico. 
Surgem como uma
ferramenta de apoio e 
suporte à decisão, pela 
capacidade de fornecer
respostas sistêmicas de 
distintos cenários, com 
objetivo de prever e/ou
antecipar ocorrências
indesejadas.
Modelo Hidrológico de Propagação Chuva-Vazão
Os modelos hidrológicos chuva-vazão procuram
representar a parte terrestre do ciclo hidrológico, a partir
da transformação da chuva que precipita sobre uma
determinada bacia em vazão correspondente às seções
definidas do(s) rio(s) (TUCCI adaptado, 2005).
Representam a matemática do fluxo de água
e seus constituintes sobre alguma parte da
superfície e/ou subsuperfície, cujo objeto de
estudo da grande maioria dos modelos
utilizados é a bacia hidrográfica.
Modelos Hidrológicos
Aplicação de Modelos Hidrológicos
Modelos hidrológicos simulam diferentes cenários como
oportunidades de aplicação em projetos de:
– Obras hidráulicas em geral;
– Efeitos da urbanização;
– Uso e ocupação do solo;
– Mudanças climáVcas;
– Controle de inundações;
– Qualidade de água.
Classificação dos Modelos
• Quanto ao método de obtenção
– EstocásKco
• Consideram-se equações estadsVcas e de probabilidade
• Fundamental aplicar séries históricas observadas de
vazões
– DeterminísKco
• Definem métodos disVntos da probabilidade
• Tem o objeVvo de representar o sistema gsico natural
• Dados de entrada como precipitação, umidade do solo e
cobertura vegetal podem fornecer séries de vazões
• Quanto à formulação
– Conceituais
• Procuram descrever todos os processos gsicos envolvidos
• Fundamentados em formulações gsicas
– Empíricos
• Ajustam o valor calculado aos dados observados por meio
de funções matemáVcas, de modo que não possuem ou
não tem a finalidade de explicar os processos gsicos
envolvidos.
Classificação dos Modelos
• Quanto à variabilidade espacial
– Distribuído
• Dependem do espaço e do tempo
• Permitem que a área seja discreVzada
• Permitem espacializar a precipitação na área de interesse
– Concentrado
• Ignoram ou desconsideram a variabilidade espacial na
simulação
• Parâmetros considerados homogêneos para toda bacia
Classificação dos Modelos
Estrutura geral dos modelos hidrológicos
– Balanço Hídrico
• A partir dos dados de entrada, obtém-se o balanço vertical
de água como requisito para quantificar os volumes retidos
em cada elemento do ciclo hidrológico;
– Escoamento
• Propagam-se os volumes acumulados, sejam por malhas,
quadrículas ou sub-bacias.
Modelos Distribuídos
MODELOS HIDRÁULICO-HIDROLÓGICOS
Existe uma infinidade de modelos hidráulico-
hidrológicos disponíveis no mercado, como:
HEC-RAS-HMS
EPA-SWMM
TOPMODEL
MIKE11
WEAP
SWAT
XP-SOLUTION
HIDRO-FLU
…
Definição do Modelo
a) ObjeVvo do estudo para qual o modelo será uVlizado
b) CaracterísVcas climáVcas e gsicas da bacia e do rio
c) Disponibilidade de dados
d) Familiaridade da equipe de projeto com o modelo
Validação e Calibração de Modelos
Devido à complexidade de representação de processos
físicos envolvidos, além da dinâmica dos eventos
meteorológicos distribuídos no tempo e no espaço, é
fundamental avaliar se as condições simuladas
representam a realidade dos processos. 
Calibração e validação representam funções
essenciais no ajuste de determinados parâmetros do 
modelo, de modo a verificar se as vazões calculadas se 
aproximam das vazões observadas. 
(L
O
U,
 2
01
0)
Validação e 
Calibração de 
Modelos
AJUSTES POR 
FUNÇÕES 
OBJETIVOS
HIDRO-FLU
• Desenvolvido pelo LHC – COPPE/UFRJ
• Simples e gratuito
• Trabalha basicamente com o Método Racional e com o SCS
• O cálculo pode ser dividido em 4 etapas:
1. Caracterização da Bacia: Cálculo do tempo de
concentração
2. Hietograma de Projeto: Determinar a chuva de projeto
3. Separação dos Escoamentos
4. Hidrograma de Projeto: Obtenção da vazão de pico
REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES
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HIDROLOGIA APLICADA
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Captação de águas 
de mananciais: 
Abastecimento de 
Água; Irrigação; 
Hidrelétricas
Reservatórios de Acumulação: saVsfazer a 
demanda de usuários a parVr da retenção do 
excesso de água dos períodos de grandes 
vazões para ser uVlizado nas épocas de secas. 
Serve também para reduzir efeitos das 
inundações a jusante do reservatório.
Estiagens x Chuvas Intensas
REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES
Variações no volume
Reservatórios de Distribuição: possibilitar a 
operação do sistema relaVvamente uniforme 
(constante).
Qualquer que seja o tamanho do reservatório, sua principal função é a de fornecer uma 
vazão constante, ou não muito variável, tendo recebido do rio vazões muito variáveis no 
tempo: ou seja, tem como objeVvo regularizar a vazão do curso d'água.
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Regularização de vazões: RESERVATÓRIOS
Com a regularização das vazões por meio da construção de 
barragem (formação de reservatório) visa-se:
- o atendimentoàs necessidades do abastecimento urbano ou rural 
(irrigação); 
- o aproveitamento hidrelétrico (geração de energia); 
- a atenuação de cheias (combate às inundações); 
- o controle de esVagens; 
- o controle de sedimentos; 
- a recreação; e, também, 
- a navegação fluvial.
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Regularização de vazões
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Um reservatório é uma construção formada pelo barramento arKficial de um vale 
natural ou pela formação arVficial de lagos, não associados a uma bacia de 
drenagem natural e com vazões efluentes sujeitas a controle.
Qualquer que seja o tamanho do reservatório ou a finalidade da água acumulada, 
sua principal função é a de regulador, desVnado a manter a vazão de cursos de 
água (regularização de vazões) ou atender às variações da demanda dos usuários.
Função primordial de reservatórios: proporcionar acumulação a parVr de sua 
capacidade de armazenamento, que possui forma mais ou menos regular e pode 
ser calculada c/ fórmulas de volume de sólidos.
Levantamento Topográfico / Curva Área x AlVtude / Capacidade Vol. x AlVtude
RESERVATÓRIOS: caracterísKcas
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Curvas "capacidade x alKtude" e "área x alKtude" referente a um 
reservatório (Fonte: Engenharia de Recursos Hídricos).
Obs: o gráfico não estabelece a relação área x volume
RESERVATÓRIOS: características
Volume (103 hm3)
Al
Vt
ud
e 
so
br
e
o 
ní
ve
lm
éd
io
do
 m
ar
 (m
)
Area (ha)
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RESERVATÓRIOS: caracterísKcas
Nível normal
do reservatório
Nível das águas 
durante as cheias de 
projeto
Sobrearmazenamento
Supergcie natural das 
águas antes de 
represadas
Fundo do rio
Conduto de 
descarga
Crista de soleira 
do extravasor
Volume úVl
Nível mín. do 
reservatório
Volume 
Morto
Barra-
gem
Armazenamento no leito
Zonas de armazenamento de um reservatório
üNível normal: cota máxima até a qual as águas se elevam nas condições
normais de operação (cota de crista do extravasor ou borda superior da 
comporta de vertedouros);
üNível mínimo: cota mínima até a qual as águas baixam nas condições
normais de operação;
üVolume ÚKl: volume armazenado entre os níveis mínimo e normal 
(capacidade para acumulação e capacidade para atenuação de cheias);
üVolume Morto: volume de água reVdo abaixo do nível mínimo;
üSobrearmazenamento: elevação do nível das águas acima do nível
normal provocado pelas enchentes (descarga pelos extravasores), sendo
descartado, pois persiste somente enquanto dura a cheia.
üBorda livre: diferença de cotas entre o coroamento da barragem e o NA 
máximo maximorum, suficientemente grande para conter a arrebentação
de ondas devidas ao vento.
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RESERVATÓRIOS: caracterísKcas
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RESERVATÓRIOS: caracterísKcas
NA máx 
max
NA máx
NA máx 
max
NA máx
Vu
NA mín
Vm Vm
Vu
NA mín
Barragem com extravasor não-controlado Barragem com extravasor controlado
ü Caudabilidade: indica a quantidade de água que pode ser fornecida pelo
reservatório em determinado período de tempo (variações de 01 dia, 01 mês, 
até 01 ano, grandes reservatórios).
A vazão não pode ser determinada com absoluta segurança: o maior
fornecimento possível em um certo período é o afluxo médio menos as 
perdas por evaporação e por percolação no mesmo período.
Vazão Firme: é a vazão máxima que pode ser garantida
durante um período crítico de estiagem.
Período crítico: período correspondente
às menores vazões naturais do rio já registradas (monitoradas).
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RESERVATÓRIOS: caudabilidade
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Período CríKco: definido
como o período no qual o 
reservatório sai da condição
"cheio" para a condição
"vazio". 
O início do período críVco se 
dá com o reservatório cheio; 
o fim do período criVco é
quando o reservatório
esvazia pela primeira vez
dentro do período.
Qual deve ser a vazão de 
projeto para reservatórios?
Período 
CríVco
Período 
CríVco
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RESERVATÓRIOS: Capacidade de reservatórios fluviais
Análise Operacional: simulações de operação do reservatório durante
um certo período de tempo (séries anuais, mensais, diárias).
- análises tabular e gráficas;
- registros de vazões (fluviometria) e precipitações (pluviômetro);
- coeficiente de escoamento das áreas de inundação;
- perdas esVmadas (evaporação, evapotranspiração);
- correlação tanques evaporímetros (quando houver);
- área de supergcie líquida do reservatório; 
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RESERVATÓRIOS: Capacidade de reservatórios fluviais
Perdas por evaporação: podem ser significaVvas em
reservatórios de pequena profundidade e devem ser
consideradas no dimensionamento e na operação de sistemas.
- Evaporação líquida: diferença entre a evaporação real e a 
evapotranspiração da bacia; 
- Devem ser esVmadas p/ o período críKco de depleção do 
reservatório;
- Observar variações sazonais da evaporação, uma vez que nos
períodos em que a evaporação é máxima, também são
elevadas as demandas pelo uso do reservatório (uso da água).
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RESERVATÓRIOS: Curvas de Valores Acumulados
Diagrama de Rippl: ou diagrama de massas refere-se aos valores 
acumulados de vazão afluente real ao reservatório. 
É definido também como a integral da hidrógrafa acumulada.
CDA: Curva de Deflúvios Acumulados 
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RESERVATÓRIOS: Curvas de Valores Acumulados
Diagrama de Rippl: ou 
diagrama de massas refere-
se aos valores acumulados 
de vazão afluente real ao 
reservatório. 
É definido também como a 
integral da hidrógrafa 
acumulada. 
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RESERVATÓRIOS: Curvas de Valores Acumulados
Determinação da Capacidade do Reservatório
(Volume ÚKl) pelo Diagrama de Rippl:
1) traçar o diagrama de massas das vazões
históricas (em geral vazões mensais).
2) sobrepor ao diagrama a linha correspondente
p/ a vazão a ser reKrada (capacidade
necessária do reservatório ou caudabilidade).
3) traçar retas paralelas à reVrada tangentes aos
maiores picos (A e E).
4) medir os maiores afastamentos entre as 
tangentes e a curva de massa (C1 e C2).
5) Na figura o maior afastamento é C2 (maior
déficit), logo esta será a capacidade do 
reservatório, e o período criVco considerado
será o EF.
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Todos os rios transportam certa quantidade de matéria sólida: 
em suspensão ou arrastamento de partículas sólidas de maior 
porte junto às paredes do leito.
Sólidos tendem a se depositar no fundo do álveo.
Ao alcançar o reservatório, as águas carreadas de sedimentos 
têm sua velocidade e turbulência reduzidas.
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
O curso d’água, ao entrar no reservatório, tem as áreas de seções 
transversais aumentadas, enquanto as velocidades da corrente 
decrescem, criando condições de deposição de sedimento. As 
parqculas mais pesadas, como pedregulhos e areias grossas, são as 
primeiras a se depositar enquanto o sedimento mais fino adentra ao 
reservatório. 
À medida que o assoreamento cresce:
- a capacidade de armazenamento do reservatório diminui, 
- a influência do remanso aumenta para montante, 
- as velocidades no lago aumentam e 
- maior quanVdade de sedimentos passa a escoar para jusante, 
diminuindo a eficiência de retenção das parqculas.
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Esquema de formação de 
depósitos de sedimentos 
nos reservatórios com 
indicação dos principais 
problemas decorrentes 
(Carvalho, 1994)
Depósito de 
Remanso
Delta
Depósitos de Leito
Leito Original (talvegue)
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
As pardculas maiores em suspensão e a maior parte das pardculas 
transportadas por arrastamento depositam-se formando delta na entrada do 
reservatório.
Deposição de montante formam os depósitos de remanso. 
As deposições de dentro do reservatório são chamadas de delta, depósito 
de margem (overbank) e depósito do leito (boFom-set deposit).
O delta se forma com sedimentos grossos, enquanto os depósitos do 
interior, com sedimentos mais finos (Mahmood, 1987).
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
• Depósitos de remanso: problemas de enchentes a montante.
• Depósitos do interior do lago: redução da capacidade de armazenamento, 
sendo que a variação do nível d’água condicionará a formação do delta.
• Depósitosdo delta: reduzem gradualmente a capacidade úVl do 
reservatório.
• Depósitos do leito: reduzem o volume morto. Parte do delta também fica 
conVda no volume morto.
Os sedimentos que alcançam a barragem e passam pelo vertedouro e 
condutos, provocam abrasões nas estruturas, comportas, tubulações, 
turbinas e outras peças.
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Reservatório 
pequeno
Vazão afluente escoa 
rapidamente
Pardculas finas não se 
depositam, seguem 
para jusante
ResMon Jus
Part. Finas
Part. Finas
Q Q
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Grande 
Reservatório
Retém água por 
longo período
Deposição de partículas dos 
sedimentos em suspensão
ResMon Jus
Sedimentos
Sedimentos
Q
Q
SedimentosSedimentos
Sedimentos
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
A quanVdade total de sedimentos que passa por qualquer secção 
de um rio é conhecida por vazão sólida, carga sólida ou 
produção de sedimentos. Valores médios anuais da produção 
de sedimentos variam, em geral, de 75 a 1500 t/km2.
O fim de todos os reservatórios (vida úVl) é se assorearem c/ 
sedimentos. Por isso, os projetos de reservatórios devem 
incluir estudos relaVvos à provável quanVdade de sedimentos 
que serão depositados para determinação de sua vida úKl.
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A eficiência na retenção de sedimentos diminui com o passar do tempo, à 
medida que a capacidade do reservatório se reduz devido ao assoreamento.
No Brasil, os dados de transporte de sólidos são escassos. Muitos estudos recorrem à 
regionalização de dados sedimentométricos, a parVr de esVmaVva de aporte de sólidos 
anuais em função de dados existentes em regiões próximas às áreas do projeto em análise 
(bacias vizinhas com caracterísVcas semelhantes).
Eficiência na retenção: 
porcentagem do afluxo de 
sedimentos que fica retida no 
reservatório
Depende da proporção entre a 
capacidade do reservatório e do 
volume total afluente.
RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Eficiência na retenção
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Se o caudal sólido afluído for elevado, em relação a capacidade do 
reservatório, sua vazão afluente será reduzida e portanto sua vida úVl
também será muito curta.
Curva de Brune
Areia grossa, 
sedimentos 
floculados
Siltes finos, 
argila
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Eficiência na retenção: Equação de Brune
Y: índice de sedimentação (%);
X: relação capacidade (volume) e vazão afluente anual, adimensional 
VT: volume total do reservatório, m3;
Qanual: vazão afluente anual.
Siltes Finos; 
Argila
ϕ 
diversos
Areia grossa; sedimentos 
floculados
a 65 100 130
n 2,0 1,5 1,0
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RESERVATÓRIOS: Transporte de material sólido
Eficiência na retenção: Equação de Brune
1) achar a capacidade (VT ou C) do reservatorio em m3;
2) Determinar a vazão afluente annual (Qanual) ou o volume médio 
anual de runoff (I) que chega no reservatório em m3;
3) usando a Curva de Brune, determinar a porcentagem de 
eficiência como função da relação C/I ou VT/Q, para as 
caracterísVcas de três sedimentos. 
4) esVmar a textura do sedimento, estudando as fontes de 
sedimentos e a fração de transporte.
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RESERVATÓRIOS: Vida ÚKl
A vida úKl média dos reservatórios em todos os países no Mundo decresceu de 
100 para 22 anos, tendo sido avaliado em 6 bilhões de dólares anuais o custo 
para promover a remoção dos volumes que vão sendo assoreados (Mahmood, 
1987).
O assoreamento não pode ser evitado, mas retardado.
Uma das recomendações para retardar efeitos do assoreamento é a seleção de 
local c/ afluxo de sólido reduzido, como bacias menos produVvas de 
sedimentos, devido à:
- Tipo de solo / Declicidade de terrenos /
- Cobertura vegetal / CaracterísVcas locais de precipitações.
A vida úVl de um reservatório, em média, termina quando 80% de 
sua capacidade original já esKver compromeKda (assoreada). 
EsVma-se também que a vida úVl pode ser determinada em 
função da capacidade do volume morto.
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RESERVATÓRIOS: Vida Útil
A parVr da caracterização do transporte sólido, são necessários estudos 
para avaliação da deposição de sedimentos no reservatório e da sua vida 
úKl.
Para cursos d’água com significaVva produção de sedimentos ou, no caso 
de pequenos reservatórios, será necessário verificar o tempo de 
assoreamento até a soleira da tomada d’água, bem como a evolução do 
depósito no volume úVl, quando houver, a parVr da distribuição de 
sedimentos.
Condições para determinação da vida úKl:
- peso específico das pardculas sedimentadas 
(variam entre 640 e 1760 Kg/m3);
- % do afluxo de sedimentos que fica reVdo no reservatório.
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RESERVATÓRIOS: Vida Útil
O volume de assoreamento em um ano pode ser calculado pela 
seguinte expressão:
S: volume de sedimentos, m3/ano;
Dsm: deflúvio de sólido médio, t/ano;
Er=Y: eficiência de retenção, adimensional;
ϒ: peso específico aparente, t/m3, tabelado ou arbitrado entre 
1,1 a 1,5 t/m3, para depósitos argiloso-siltosos a arenosos.
Eficiência de 
retenção:
Curva de Brune: reservatórios de 
médio e grande porte
Curva de Churchill: reservatórios 
de pequeno porte
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RESERVATÓRIOS: Vida ÚKl
T: vida úVl ou tempo de assoreamento, em anos;
VT: volume total do reservatório, m3;
S: volume total de sedimentos, m3/ano.
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RESERVATÓRIOS: ReKrada de Sedimentos
O assoreamento dos reservatórios pode ser reduzido proporcionando 
meios para descarga de parte dos sedimentos depositados. O uso de 
condutos e comportas instaladas em diferentes níveis possibilitam a 
descarga de parqculas finas antes mesmo de se depositarem.
Após deposição, a reKrada de sedimentos é raramente viável. As 
comportas possibilitam a descarga de parte do material depositado 
porém seu efeito não alcança distâncias desejadas a montante da 
barragem.
A remoção pelos processos comuns de movimentação de terra é 
dispendiosa, exceto quando o material tem valor comercial.
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Ø Barragens
Ø Reservatórios
Ø Lagoas
REPRESAS
Estruturas para armazenamento de águas 
com a finalidade de suprir demandas locais 
e/ou reter/deter volumes de precipitações 
intensas (cheias).
As estruturas de armazenamento que 
compõem grandes reservatórios consVtuem 
elementos hidráulicos, cujo projeto deve 
prever sistemas de canais de elevação 
(eclusas) para o transporte de embarcações. 
As eclusas corrigem o desnível causado pelas
barragens, sobretudo das hidrelétricas, e 
restabelecem a navegação dos rios.
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REPRESAS: Eclusas
As eclusas compõem sistemas hidráulicos de 
comportas localizadas em "canais paralelos" de 
grandes reservatórios com a finalidade de 
transportar (elevar/baixar) as embarcações 
devido às diferenças de nível.
Obrigado!