10_-_Fluviometria

Prévia do material em texto

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: 
 
ƒ (Vertical A): Profundidade h = 0,00 m 
V = sm /040,0 
 
ƒ (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= 
 
ƒ (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.