Hidrologia_UFPEL_aula1 (1)

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<p>Chuvas Intensas e Modelos de Transformação</p><p>Chuva-Vazão</p><p>Prof. Dr. Hugo Alexandre Soares Guedes</p><p>E-mail: hugo.hydro@gmail.com</p><p>Pelotas, 2024.</p><p>1 - Bacia Hidrográfica</p><p>❖ É a área de captação natural dos fluxos de água originados a partir</p><p>da precipitação, que faz convergir os escoamentos para um único</p><p>ponto de saída: EXUTÓRIO.</p><p>❖ Transforma uma entrada concentrada no tempo (precipitação) em</p><p>uma saída relativamente distribuída no tempo (escoamento).</p><p>❖ Delimitação: 1) Definição de um curso de água principal; 2) Seção</p><p>de referência ao longo do curso (exutório); 3) Relevo da região</p><p>1 - Bacia Hidrográfica</p><p>1 - Bacia Hidrográfica</p><p>1 - Bacia Hidrográfica</p><p>2 – Delimitação de uma Bacia Hidrográfica</p><p>❖ Divisor de águas superficiais: Linha imaginária sobre o relevo que</p><p>divide o escoamento das águas de chuva.</p><p>❖ Divisor corta o curso d’água apenas em um ponto: EXUTÓRIO.</p><p>❖ O divisor intercepta as curvas de nível em um ângulo</p><p>aproximadamente reto, seguindo as linhas de crista das elevações.</p><p>2 – Delimitação de uma Bacia Hidrográfica</p><p>3 – Tempo de Concentração (tc)</p><p>❖ O tempo de viagem da gota de água da chuva que atinge a</p><p>região mais distante até chegar ao exutório.</p><p>❖ Depende da distância total percorrida e da velocidade da gota</p><p>✓ tc é maior em bacias grandes e menor em bacias pequenas</p><p>✓ tc é maior em bacias planas e menor em bacias</p><p>montanhosas</p><p>❖ Há diversas equações empíricas, obtidas em dados experimentais,</p><p>baseadas nas características geomorfométricas das bacias para o</p><p>cálculo do tc.</p><p>❖ As equações resultam em estimativas diferentes para uma mesma</p><p>bacia → a escolha da equação deve ser feita comparando a BH em</p><p>estudo com as BHs estudadas no desenvolvimento da equação.</p><p>3 – Tempo de Concentração (tc)</p><p>❑ Equação de Kirpich</p><p>❖ Uma das equações mais utilizadas</p><p>❖ Desenvolvida a partir de dados experimentais de 7 bacias rurais</p><p>pequenas nos EUA (menores do que 0,5 km2)</p><p>❖ Há diversas equações empíricas, obtidas em dados experimentais,</p><p>baseadas nas características geomorfométricas das bacias para o</p><p>cálculo do tc.</p><p>3 – Tempo de Concentração (tc)</p><p>❑ Equação do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA</p><p>❖ Desenvolvida a partir de dados experimentais de 25 bacias rurais nos</p><p>EUA: área menor do que 12.000 km2 e comprimento do rio principal</p><p>menor do que 257 km.</p><p>3 – Tempo de Concentração (tc)</p><p>❑ Equação de Watt e Chow</p><p>❖ Desenvolvida a partir de dados experimentais de bacias de até 5.840</p><p>km2.</p><p>4 – Medidas de Precipitação</p><p>❖ Altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e</p><p>impermeável</p><p>❖ Recipientes com dimensões padronizadas (área superior de captação</p><p>de 400 ou 500 cm2) instalados a 1,50m do solo</p><p>✓ Pluviômetros → Medição manual realizada 1 vez por dia às</p><p>7h (BR)</p><p>✓ Pluviógrafos → Medições automáticas registradas em</p><p>intervalos de tempos menores do que 1 dia</p><p>→ Essencial para estudo de chuva de curta</p><p>duração</p><p>4 – Medidas de Precipitação</p><p>❖Medições no Brasil:</p><p>✓ ANA (Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico)</p><p>✓ INMET (Instituto Nacional de Meteorologia)</p><p>❖ Cadastradas mais de dez mil estações pluviométricas (BR)</p><p>❖ Pouco mais de 6.000 em atividade</p><p>https://www.snirh.gov.br/hidroweb/serieshistoricas</p><p>https://mapas.inmet.gov.br/</p><p>4 – Medidas de Precipitação</p><p>4 – Medidas de Precipitação</p><p>❖ A chuva também pode</p><p>ser estimada por radares</p><p>meteorológicos através</p><p>da emissão de pulsos de</p><p>radiação eletromagnética</p><p>que são refletidos pelas</p><p>partículas de chuva na</p><p>atmosfera (medição da</p><p>intensidade do sinal</p><p>refletido).</p><p>https://metsul.com/radar/</p><p>https://metsul.com/radar/</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>❖ Variáveis que caracterizam a chuva:</p><p>1) Altura de água (lâmina precipitada)</p><p>Espessura média da lâmina de água que cobriria a região se fosse</p><p>plana e impermeável.</p><p>Determinada com o uso de pluviômetros.</p><p>Unidade: mm de chuva (1 mm = 1 L/m2)</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>Os pluviômetros são instrumentos normalmente operados em estações meteorológicas convencionais ou mini-</p><p>estações termo-pluviométricas. O pluviômetro padrão utilizado na rede de postos do Brasil é o Ville de Paris (foto</p><p>da esquerda). Outros tipos de pluviômetro (fotos do centro e da direita) são comercializados ao um custo menor e</p><p>tem por finalidade monitorar as chuvas em propriedades agrícolas. A durabilidade desses pluviômetros e sua</p><p>precisão, em função da menor área de captação, são menores do que a dos pluviômetros padrões. A área de</p><p>captação mínima recomendável é de 100 cm2.</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>2) Duração</p><p>Período de tempo durante o qual ocorre o evento de chuva.</p><p>Determinada com o uso de pluviógrafos.</p><p>Unidade: minutos ou horas</p><p>3) Intensidade de precipitação</p><p>Relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação.</p><p>Medida em pluviógrafos e expressa em mm/h.</p><p>Apresenta grande variabilidade temporal. Na análise dos processos</p><p>hidrológicos, geralmente são definidos intervalo de tempo nos quais a</p><p>intensidade de precipitação é considerada constante.</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>Pluviógrafo de Bóia e Sifão</p><p>Os pluviógrafos são dotados de um sistema de registro diário, no qual um diagrama</p><p>(pluviograma) é instalado. Ele registra a chuva acumulada em 24h, o horário da</p><p>chuva e a sua intensidade. São equipamentos usados nas estações meteorológicas</p><p>convencionais</p><p>O pluviograma acima mostra uma chuva ocorrida</p><p>no dia 11/03/1999, em que foi registrado cerca</p><p>de 76mm em 5h. A chuva se concentrou entre</p><p>20h do dia 10/03 e 1h do dia 11/03. A</p><p>intensidade máxima foi observada entre 20:30 e</p><p>21:30, com cerca de 53mm/h.</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>Pluviógrafo de báscula</p><p>Os pluviógrafos de báscula são sensores eletrônicos para a</p><p>medida da chuva, usados nas estações meteorológicas</p><p>automáticas. Eles possuem duas básculas, dispostas em</p><p>sistema de gangorra, com capacidade para armazenar de 0,1</p><p>a 0,2mm de chuva. Conforme a chuva vai ocorrendo o</p><p>sistema é acionado e um contador disposto no sistema de</p><p>aquisição de dados registra a altura pluviométrica</p><p>acumulada. Esse equipamento registra o total de chuva, o</p><p>horário de ocorrência e a intensidade.</p><p>Básculas dispostas em</p><p>um sistema de</p><p>gangorra</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>❖ Variáveis que caracterizam a chuva:</p><p>4) Frequência</p><p>Quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento</p><p>de chuva considerado.</p><p>✓ Chuvas muito intensas: baixa frequência</p><p>✓ Chuvas pouco intensas: alta frequência (mais comuns)</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>4) Frequência</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>4) Frequência</p><p>Tempo de retorno ou Período de recorrência (Unidade: anos)</p><p>Estimativa do tempo em que um evento é igualado ou superado, em</p><p>média.</p><p>Ex.: Uma chuva com intensidade equivalente ao tempo de retorno de 10</p><p>anos é igualada ou superada uma vez a cada 10 anos, em média.</p><p>Tempo de retorno = inverso da probabilidade de excedência</p><p>Ex.: Uma chuva de 130mm é igualada ou superada uma vez a cada 20</p><p>anos: TR = 20 anos</p><p>Qual a probabilidade de acontecer um evento de chuva com altura igual</p><p>ou superior a 130mm em um ano qualquer?</p><p>5 – Análise de Dados de Chuva</p><p>4) Frequência</p><p>6 – Variabilidade espacial e temporal das precipitações</p><p>6 – Variabilidade espacial e temporal das</p><p>precipitações</p><p>A variabilidade espacial das chuvas na escala diária, gera</p><p>também a variabilidade espacial na escala mensal, que por sua</p><p>vez gera tal variabilidade na escala anual. Essa variabilidade ao</p><p>longo do tempo é denominada variabilidade temporal.</p><p>6 – Variabilidade espacial e temporal das precipitações</p><p>Dependendo da região do país, as chuvas se</p><p>distribuem diferentemente ao longo do ano.</p><p>Novamente, isso é conseqüência da interação dos</p><p>diversos fatores determinantes do clima. Em João</p><p>Pessoa, PB, a estação chuvosa se concentra no</p><p>meio do ano, enquanto que em Brasília essa</p><p>estação se dá entre o final e o início do ano. Por</p><p>outro lado, em Bagé, RS, as chuvas se distribuem</p><p>regularmente ao longo de todo o ano.</p><p>João Pessoa, PB</p><p>0,0</p><p>50,0</p><p>100,0</p><p>150,0</p><p>200,0</p><p>250,0</p><p>300,0</p><p>350,0</p><p>400,0</p><p>J F M A M J J A S O N D</p><p>C</p><p>h</p><p>u</p><p>v</p><p>a</p><p>(</p><p>m</p><p>m</p><p>/m</p><p>ê</p><p>s</p><p>)</p><p>Brasília, DF</p><p>0,0</p><p>50,0</p><p>100,0</p><p>150,0</p><p>200,0</p><p>250,0</p><p>300,0</p><p>350,0</p><p>400,0</p><p>J F M A M J J A S O N D</p><p>C</p><p>h</p><p>u</p><p>v</p><p>a</p><p>(</p><p>m</p><p>m</p><p>/m</p><p>ê</p><p>s</p><p>)</p><p>Bagé,RS</p><p>0,0</p><p>50,0</p><p>100,0</p><p>150,0</p><p>200,0</p><p>250,0</p><p>300,0</p><p>350,0</p><p>400,0</p><p>J F M A M J J A S O N D</p><p>C</p><p>h</p><p>u</p><p>v</p><p>a</p><p>(</p><p>m</p><p>m</p><p>/m</p><p>ê</p><p>s</p><p>)</p><p>7 – Chuvas Intensas</p><p>São geralmente a causa de grandes prejuízos quando os rios</p><p>transbordam e inundam as casas, destroem as plantações etc.</p><p>Deve-se conhecer a intensidade da chuva para o projeto de estruturas</p><p>hidráulicas como bueiros, pontes, canais, vertedores, barragens,</p><p>galerias de águas pluviais etc.</p><p>Relação entre a intensidade da precipitação (I) que atinge uma área</p><p>em uma duração (D) com uma dada probabilidade de ocorrência (F):</p><p>Curva IDF: Intensidade – Duração – Frequência</p><p>Curvas IDF são diferentes para diferentes locais.</p><p>7 – Chuvas Intensas</p><p>Informar o TR e a duração da</p><p>chuva</p><p>Ex. 1: Projetos de drenagem</p><p>urbana, bocas-de-lobo em geral</p><p>TR = 2 a 10 anos</p><p>Ex. 2: Projeto de uma ponte TR =</p><p>100 anos</p><p>Para duração da chuva,</p><p>geralmente adota-se igual ao</p><p>tempo de concentração da bacia</p><p>hidrográfica.</p><p>IDF do DMAE</p><p>Porto Alegre – RS</p><p>Parque da Redenção</p><p>7 – Chuvas Intensas</p><p>7 – Chuvas Intensas</p><p>Além da forma gráfica, também pode ser expressa na forma de uma</p><p>equação:</p><p>Localidade Parâmetros da equação</p><p>a b c d</p><p>Curitiba/PR 5726,64 0,159 41 1,041</p><p>Florianópolis/SC 222 0,1648 0 0,3835</p><p>Pelotas/RS 1100 0,163 16,47 0,766</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Bacia hidrográfica transforma chuva em vazão</p><p>❖ Chuva que escoa superficialmente: CHUVA EFETIVA</p><p>→ Estimada pelo método SCS</p><p>Nem toda chuva efetiva gerada chega imediatamente ao curso d’água</p><p>→ escoamento percorre caminho com velocidades variáveis de acordo</p><p>com a declividade e o comprimento dos trechos.</p><p>Hidrograma: Gráfico Vazão x Tempo</p><p>❖ Medições de vazão realizadas em uma seção da bacia</p><p>imediatamente após o início da chuva → geralmente no exutório.</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início da chuva</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início da chuva</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início da chuva</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início da chuva</p><p>8 – Escoamento Superficial</p><p>❖ Comportamento típico de um HIDROGRAMA após início da chuva</p><p>8.1 – O Hidrograma Unitário (HU)</p><p>❖ Hipótese da relação linear entre a chuva efetiva e o hidrograma</p><p>gerado.</p><p>❖ HU é o hidrograma de escoamento direto causado por uma chuva</p><p>efetiva unitária, por exemplo, uma chuva efetiva de 1 mm ou 1 cm.</p><p>❖ Considera-se que a chuva efetiva e unitária tem intensidade</p><p>constante ao longo de sua duração e distribui-se uniformemente</p><p>sobre toda a área de drenagem.</p><p>❖ Bacia hidrográfica tem comportamento linear</p><p>→ Calcular a resposta da BH a eventos de chuva diferentes,</p><p>considerando que a resposta é uma soma das respostas individuais.</p><p>8.1 – O Hidrograma Unitário (HU)</p><p>8.1 – O Hidrograma Unitário (HU)</p><p>❖ As vazões de um hidrograma de escoamento superficial, produzidas</p><p>por chuvas efetivas sucessivas, podem ser encontradas somando</p><p>as vazões dos hidrogramas de escoamento superficial</p><p>correspondente às chuvas efetivas individuais: PRINCÍPIO DA</p><p>SUPERPOSIÇÃO.</p><p>8.2 – Hidrograma Unitário Sintético</p><p>❖ A situação mais frequente, na prática, é a inexistência de dados de</p><p>vazão medidos → utilizar HIDROGRAMA UNITÁRIO SINTÉTICO.</p><p>❖ Estabelecido com dados de bacias experimentais as quais se</p><p>dispunha de dados de vazão e chuva observados para vários</p><p>eventos de chuva.</p><p>❖ Foram relacionados alguns parâmetros de forma do HU com</p><p>características da bacia hidrográfica relativamente fáceis de se obter:</p><p>área de drenagem, tempos de concentração etc.</p><p>8.2 – Hidrograma Unitário Sintético</p><p>8.2 – Hidrograma Unitário Sintético</p><p>8.3 – HU Sintético Triangular do SCS</p><p>❖ HU pode ser aproximado por relações de tempo e vazão estimados</p><p>pelo tempo de concentração e na área das bacias.</p><p>❖ HU aproximado por um triângulo, definido por:</p><p>✓ Vazão de pico</p><p>✓ Tempo de pico</p><p>✓ Tempo de base</p><p>HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR (HUT)</p><p>8.3 – HU Sintético Triangular do SCS</p><p>8.3 – HU Sintético Triangular do SCS</p><p>9 – Transformação Chuva-Vazão</p><p>Os métodos mais comuns para calcular as vazões máximas a partir da</p><p>transformação de chuva em vazão são:</p><p>❖ Modelos baseados no hidrograma unitário</p><p>❖ Método Racional</p><p>Método Racional Modelos baseados em HU</p><p>Pequenas bacias hidrográficas:</p><p>área até 3km2</p><p>aproximadamente</p><p>Bacias hidrográficas maiores:</p><p>áreas acima de 3km2</p><p>Chuvas de curta duração Chuvas de duração maior</p><p>A duração da chuva é</p><p>considerada igual ao tempo de</p><p>concentração da bacia</p><p>Quando se deseja encontrar o</p><p>volume das cheias</p><p>9.1 – Método Racional</p><p>Método para estimar as vazões máximas de bacias a partir de dados de</p><p>chuva</p><p>Aplicável para bacias de até, aproximadamente, 3km2 de área</p><p>A duração da chuva é considerada igual ao tempo de concentração da</p><p>bacia, ou seja, a vazão máxima ocorre quando toda a bacia está</p><p>contribuindo para o exutório.</p><p>9 – Transformação Chuva-Vazão</p><p>Coeficiente de escoamento superficial (C) ou coeficiente de deflúvio</p><p>9 – Transformação Chuva-Vazão</p><p>Valores do coeficiente de escoamento superficial (C) do método</p><p>Racional para diferentes tipos de cobertura da bacia</p><p>9 – Transformação Chuva-Vazão</p><p>Valores do coeficiente de escoamento superficial (C) do método</p><p>Racional de acordo com o tipo de ocupação da bacia</p><p>Obrigado!</p><p>E-mail: hugo.hydro@gmail.com</p><p>Pelotas, 2024.</p><p>Slide 1</p><p>Slide 2</p><p>Slide 3</p><p>Slide 4</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9</p><p>Slide 10</p><p>Slide 11</p><p>Slide 12</p><p>Slide 13</p><p>Slide 14</p><p>Slide 15</p><p>Slide 16</p><p>Slide 17</p><p>Slide 18</p><p>Slide 19</p><p>Slide 20</p><p>Slide 21</p><p>Slide 22</p><p>Slide 23</p><p>Slide 24</p><p>Slide 25</p><p>Slide 26</p><p>Slide 27</p><p>Slide 28</p><p>Slide 29</p><p>Slide 30</p><p>Slide 31</p><p>Slide 32</p><p>Slide 33</p><p>Slide 34</p><p>Slide 35</p><p>Slide 36</p><p>Slide 37</p><p>Slide 38</p><p>Slide 39</p><p>Slide 40</p><p>Slide 41</p><p>Slide 42</p><p>Slide 43</p><p>Slide 44</p><p>Slide 45</p><p>Slide 46</p><p>Slide 47</p><p>Slide 48</p><p>Slide 49</p><p>Slide 50</p><p>Slide 51</p><p>Slide 52</p><p>Slide 53</p><p>Slide 54</p>