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10-1 FLUVIOMETRIA Definição: É o setor da Hidrologia que trata das técnicas de medição de níveis d’água, velocidades e vazões nos rios. Objetivo: Conhecer o volume de água que escoa por uma seção transversal de um rio, em um determinado intervalo de tempo. O ideal seria termos conhecimento, em tempo-real, da vazão a cada instante. Todavia, isto, ainda não é possível. Portanto, procura-se conhecer a vazão durante um período de tempo (campanha) e extrapolam-se os resultados obtidos para períodos de tempo maiores. Existem várias metodologias de medição de vazões, cada uma delas com o índice de precisão diretamente associado ao custo de obtenção dos dados. 10-2 O HIDROGRAMA, ou fluviograma, é simplesmente um gráfico de representação das vazões ao longo de um período de observação, na seqüência cronológica de ocorrência. Pode ser constituído por uma linha contínua, indicando a variação do valor instantâneo da vazão no tempo ou por traços horizontais descontínuos correspomdentes às vazões médias de um certo intervalo de tempo unitário. 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, é podermos associar a descarga medida à respectiva cota do nível d’água da superfície do rio. Assim, para cada cota do nível d’água, corresponderá uma vazão. Essa relação, “cota x vazão”, é chamada na Hidrologia de Curva-Chave, e será vista em maior detalhe, posteriormente. 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 para recipientes volumétricamente calibrados, ou que tenham formas que facilitem a determinação de seus volumes. A vazão será o quociente do volume do recipiente pelo tempo de enchimento cronometrado. )( )()( tempot volumeVvazãoQ = Q = v.A A A A h (cota) Curva chave (equivalente a uma parábola). Q 10-3 b) MÉTODO DOS TRAÇADORES Químicos – A concentração de sal é medida na seção de montante e um tempo depois na seção de jusante. 01 1 CC CCqQ − −= 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 material radioativo 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 ou metal esmaltado e “amarrada” a um RN (referencial de nível). Observação: O uso da régua limnimétrica para se medir as vazões de um rio em uma determinada seção transversal, só é possível se conhecermos a curva que relaciona o nível d’água à vazão, isto é, a curva- chave na seção. 10-4 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 hidrológicos ou para medir vazões de enchentes. Quando o flutuador cruza a seção de montante, o auxiliar dá um sinal, para que o operador à jusante acione o cronômetro. Quando o flutuador cruza a seção de jusante, é registrado o tempo de percurso. Repete-se o procedimento várias vezes, em várias faixas e, assim definem-se as diferentes velocidades superficiais. Planta (visão superior) V Corte V Vmáx Vsuperfície Flutuadores 10-5 Pode-se, portanto, relacionar a velocidade superficial com a velocidade média da seção transversal. LSUPERFICIAMÉDIASEÇÃOMÉDIA vKv .= O coeficiente K varia com a rugosidade da calha fluvial, com a geometria da área molhada (raio hidráulico) e com a turbulência do escoamento. TABELA DE VALORES PARA K, SEGUNDO DNAEE. Situação K Velocidades fortes, profundidades superiores a 4m 1,00 Velocidades médias em rios e montanhas 1,05 Declives fracos, rios médios 0,85 Grandes rios 0,95 Declives médios, rios médios 0,90 ⎯ 0,95 Velocidades muito fracas 0,80 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: teC g vpy =++ 2 2 γ 10-6 APLICAÇÃO: ghvh g v 2; 2 1 2 1 =∴= d.3) Método dos Molinetes. O Molinete Hidrométrico: Definição: É um aparelho que dá a velocidade local da água através da medida do número de revoluções da hélice. 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 velocidae 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. :;0,; 22 221 2 22 2 2 11 1 entãovehhmasg vph g vph ==++=++ γγ ( )[ ] :; 2 ; 2 12 2 112 2 1 assim g hhhg g vpp g v ρ ρ γ −+=−= Peso Molinete 10-7 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 o número total de rotações, que dividido pelo intervalo de tempo cronometrado, fornece o número de rotações por segundo (RPS). 4) Usa-se a “equação de calibragem do molinete” para transformar a rotação do eixo (RPS) em velocidade linear (m/s). 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). 10-8 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: TABELA COM VALORES MEDIDOS NOS PONTOS ASSINALADOS DE VERTICAIS DA SEÇÃO TRANSVERSAL: NO DO PONTO DISTÂNCIA AO PI (m) PROFUNDIDADE DO PONTO (m) NÚMERO DE SINAIS TEMPO (seg) NÚMERO DE ROTAÇÕES POR SEGUNDO (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. ♦ 1 SINAL 10 ROTAÇÕES )2(;4,3;022,0.1305,0)/( )1(;4,3;040,0.1252,0)/( >+= ≤+= NRSNRSsmv NRSNRSsmv EQUAÇÃO DO APARELHO: 10-9 a) Cálculo das áreas de setores definidos: 284,11 2 9,9.32,2 mAI == 260,250,8.2 08,432,2 mAII =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += 240,520,10. 2 40,608,4 mAIII =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += 280,820,10. 2 16,1040,6 mAIV =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += 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 m V = 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 = 32,220,0 2 040,030,0 2 040,0215,0 82,0 2 215,0175,0 00,1 2 175,0166,0 ÷⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += 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 = 10-10 08,4 20,0 2 040,030,0 2 040,0272,0 58,0 2 272,0382,0 00,1 2 382,0392,0 00,1 2 392,0640,0 00,1 2 640,0448,0 ÷ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + = xxx xxx VC CV sm /414,0= d) Cálculo das Velocidades Médias nos Setores: sm VV V BAI /101,02 161,0040,0 2 =+=+= sm VV V CBII /282,02 414,0161,0 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 i iTOTAL QQ 1 ; onde: Qi é a vazão em cada um dos n setores da seção transversal. 10-11 O ADCP E SEU PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO: O ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler, ou Correntômetro Acústico de Efeito Doppler, é um aparelho utilizado para medir a vazão dos cursos d’água através do efeito “Doppler”. Ele também pode ser utilizado para medir o seu movimento com relação ao fundo do rio e a distribuição dos sedimentos em suspensão na seção de medição. É um instrumento que transmite ondas sonoras através da água. As partículas transportadas pela corrente de água refletem o som de volta para o instrumento que percebe o eco através de sensores, fazendo com que ele reconheça as diferentes profundidades e as velocidades das respectivas linhas de corrente através do 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 pelo movimento relativo entre o aparelho e o material em suspensão da água sob a ação do feixe das ondas sonoras. Como o material em suspensão se desloca na mesma velocidade da corrente de água, a magnitude do efeito Doppler é diretamente proporcional à essa velocidade. Medindo-se a freqüência dos ecos que retornam do material em suspensão e comparando-a com a freqüência do som emitido, o ADCP determina 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. 10-12 O efeito Doppler é direcional. Qualquer mudança de freqüência corresponde a uma componente de velocidade ao longo da direção do transdutor (emissor/receptor). As velocidades perpendiculares à direção do transdutor não produzem nenhum efeito Doppler.
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