Precipitação: Tipos e Medição

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HIDROLOGIA 
DISCIPLINA:
UNIDADE II
Prof.: Hertz Rebelo de Sousa
 Engo. Civil
Curso: Engenharia Civil
Ano: 2009 		Semestre: 1o. 
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Precipitação 
O conjunto de águas originadas do vapor de água atmosférico que cai, em estado líquido (chuva, orvalho) ou sólido (granizo, neve, etc), sobre a superfície da terra.
Formas de Precipitação:
Chuvisco (neblina ou garoa): precipitação muito fina e de baixa intensidade;
Chuva: é a ocorrência da precipitação na forma líquida. A chuva congelada é a precipitação constituída por gotas de água sobrefundida que congelam instantaneamente quando se chocam contra o solo, formando uma capa de gelo;
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Formas de Precipitação 
Neve: é a precipitação em forma de cristais de gelo que durante a queda, coalescem, formando blocos de dimensões variáveis;
Saraiva: é a precipitação sob a forma de pequenas pedras de gelo arredondadas com diâmetro de cerca de 5 mm.
Granizo: quando as pedras, redondas ou de forma irregular, atingem grande tamanho (diâmetro  5mm);
Orvalho: nas noites claras e calmas, os objetos expostos ao ar amanhecem cobertos por gotículas de água. Houve a condensação do vapor de água do ar nos objetos que resfriam durante a noite. O resfriamento noturno geralmente baixa a temperatura até ponto de orvalho;
Geada: é a deposição de cristais de gelo, fenômeno semelhante ao da formação de orvalho, mas ocorre quando a temperatura é inferior a 0ºC.
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No Brasil temos que, pela capacidade para produzir escoamento e pelo fato das outras formas de precipitação pouco contribuírem para o regime hidrológico de uma região, a chuva é o tipo de precipitação mais importante para hidrologia.
Precipitação 
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Grandezas características:
Altura pluviométrica (p, h ou r) – quantidade de água precipitada por unidade de área horizontal onde a chuva acumularia se fosse retida 
Unidades de medição: mm, definido como a quantidade de precipitação correspondente ao volume de 1 litro p/m2 área.
Duração (t) – intervalo de tempo decorrido entre o instante em que se iniciou a precipitação e seu término. É medida em geral em minutos (ou em horas).
Intensidade (i) – é a altura pluviométrica (precipitação) por unidade de tempo. i = p/t . É medida em geral em mm/min ou mm/h.
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Grandezas características:
Frequência de ocorrência ou probabilidade- número de ocorrências de uma determinada precipitação (definida por uma altura pluviométrica e uma duração) no decorrer de um intervalo de tempo fixo.
Ex: ao longo de 100 anos de dados chuva as 10 maiores registradas foram iguais ou superiores a 120mm/h. Pode-se dizer que a chuva de 120mm/h têm frequência de ocorrência ou probabilidade igual a:10/100 =0,1= 10%
Tempo de retorno ou recorrência (Tr)- É número de anos durante o qual se espera que a precipitação analisada seja igualada ou superada. É o inverso da frequência de ocorrência ou probabilidade. 
Tr= 1/ F ou 1/P 
Para o exemplo acima temos Tr= 1/0,1= 10 anos
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Classificação das precipitações
Convectivas– quando em tempo calmo, o ar nas vizinhanças do solo for aquecido pela irradiação emitida e refletida pela superfície terrestre. Esse ar, menos denso que o ar circundante eleva-se até atingir o nível de condensação, originando chuvas muito intensas, de curta duração e abrangendo áreas reduzidas. Comuns das zonas equatoriais. São precipitações que podem provocar importantes inundações em pequenas bacias.
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Orográficas – quando os ventos quentes e úmidos, soprando geralmente do oceano para o continente, encontram uma barreira montanhosa, elevam-se para transpor o obstáculo e se resfriam adiabaticamente havendo condensação do vapor e ocorrência de chuvas. São chuvas de pequena intensidade e grande duração, que cobrem pequenas áreas. 
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Frontais ou Ciclônicas – provêm da interação de massas de ar quente e frias. Nas regiões de convergência na atmosfera, o ar quente e úmido é violentamente impulsionado para cima, resultando no seu resfriamento e na condensação do vapor de água, de forma a produzir chuvas. São chuvas de grande duração, atingindo grandes áreas com intensidade média. Essas precipitações podem vir acompanhadas por ventos fortes com circulação ciclônica. Podem produzir cheias em grandes bacias .
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 Aparelhos de Medição
Pluviômetro: Aparelho totalizador que marca a altura de chuva acumulada num dado período de tempo, geralmente 24 horas. Sua leitura é feita normalmente uma vez por dia (7:00 h), gerando-se, então séries de valores diários de precipitação. A área de captação para os equipamentos mais frequentes é dada por 100, 200, 314, 400 ou 1000 cm2 . Essa abertura é internamente afunilada, deixando apenas um pequeno orifício para a passagem de água, e diminuindo assim a possibilidade de evaporação da mesma (já que o contato com a atmosfera se restringe ao dito orifício). Em baixo, há uma válvula de saída para a água ser recolhida em uma proveta que deve estar calibrada para que se faça a leitura diretamente em mm de chuva. 
Tipos de pluviômetros: DNAEE, VILE DE PARIS
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 Aparelhos de Medição
Pluviógrafo: Quando existe a necessidade se conhecer não somente a altura total de precipitação referente ao dia, mas também a intensidade dessas precipitações em cada instante ao longo desse período. Utiliza-se então um pluviógrafo, também chamado de pluviômetro registrador cujo aparelho registrador traça em papel milimetrado (pluviograma) a curva das precipitações acumuladas no período.
Tipos de pluviógrafos: de bóia, cuba basculante, e de massa. 
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Pluviômetro Ville de Paris
Pluviógrafo de massa
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Instalação de Pluviômetros e Pluviógrafos
Admite-se de forma geral que a interceptação da chuva deve ser feita a uma altura média acima da superfície do solo (entre 1m e 1,5m). O aparelho deve ficar longe de qualquer obstáculo que pode prejudicar a medição (prédios, árvores, relevo, etc.). A distância (D) entre o aparelho e o maior obstáculo deve ser maior que duas vezes a altura (h), medida da forma como ilustra a figura abaixo. O aparelho deve estar dentro de um cercado de proteção, de preferência com sistema de trancamento à chave.
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Representação dos dados pluviométricos
Os dados pluviométricos são registrados, armazenados, e apresentados em forma de tabelas e/ou de bancos de dados. Para maior facilidade de comparação desses dados, recorre-se a representações gráficas.
 
Hietograma: relaciona a intensidade média de precipitação com o tempo.Representando em abcissa os tempos, dividimos em intervalos iguais aos períodos de observação pluviométrica.Tomando-se como base estes intervalos, desenham-se retângulos de área proporcional às alturas de precipitação correspondentes a esses intervalos. Obtém-se assim um diagrama com o aspecto igual ao da figura ao lado ao qual se dá o nome de ietograma. 
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Representação dos dados pluviométricos
Isoietas:As isoietas são linhas que representam a distribuição pluviométrica de uma região, através de curvas de igual precipitação. Sendo essas linhas, curvas de nível funções H = h (x,y), com XY por plano da carta, este meio de representação pluviométrica é inteiramente análogo ao da representação topográfica. A figura abaixo mostra as isoietas para uma bacia hidrográfica teórica. É possível traçar mapas de isoietas para qualquer período de interesse, inclusive horas, como no caso do estudo de cheias urbanas. 
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Análise dos dados pluviométricos
O objetivo de um posto de medição de chuvas é o de obter uma série, sem falhas, de precipitações ao longo dos anos, porém em algumas situações pode ocorrer a existência de períodos sem informações ou com falhas nas observações, devido à problemas com os aparelhos de registro e/ou com o operador do posto. As causas mais comuns de erros grosseiros nas observações são: a) preenchimento errado na caderneta de campo; b) soma errada do número de provetas, quando a precipitação é
alta; c) valor estimado pelo observador, por não se mostrar no local da amostragem; d) crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao posto de observação; e) danificação do aparelho; f) problemas mecânicos no registrador gráfico.
 Logo, como há necessidade de se trabalhar com séries contínuas, essas falhas devem ser preenchidas. Também necessita-se que seja estudada a consistência dos dados dentro de uma visão regional ou seja, comparar o grau de homogeneidade dos dados disponíveis num posto, com relação às observações registradas em postos vizinhos.
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Preenchimento de Falhas
Método da média ponderada ou ponderação regional
 
Px - É a precipitação do posto com falha a ser estimada;
Mx - Média aritmética da estação com falha;
Ma, Mb e Mc - Média aritmética das estações vizinhas;
Pa, Pb e Pc - É o dado da estação vizinha, ao posto com falha, do mesmo ano que utilizamos para preencher a falha;
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Análise de consistência de dados pluviométricos-
Método da dupla massa ou dupla acumulada
 
Este método consiste em selecionar os postos de uma região (que deve ser considerada homogênea do ponto de vista hidrometerológico), acumular para cada um deles os valores (mensais ou anuais conforme a análise), plotar em um gráfico cartesiano os valores acumulados correspondentes ao posto a consistir (eixo ordenado) com os valores médios das precipitações mensais acumuladas nos vários postos da região (eixo das abcissas) que servirão como base para comparação.
 Se os valores do(s) posto(s) a consistir forem proporcionais aos observados na base de comparação, os pontos devem se alinhar segundo uma única reta. A declividade desta reta determina o fator de proporcionalidade entre ambas as séries. 
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a) Distribuição dos dados ao longo de uma única reta, é a situação ideal que caracteriza dados sem inconsistência, como pode ser visto na Figura ao lado.
Quando os pontos não se alinham, podem ocorrer as seguintes situações:
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Análise de Duplas Massas
b) Mudança na declividade: determina duas ou mais retas. Constitui o exemplo típico da ocorrência de erros sistemáticos, mudança nas condições de observação ou no meio físico, como alterações climáticas.
	Para se considerar a existência de mudança na declividade é prática comum exigir-se a ocorrência de pelo menos 5 pontos sucessivos alinhados segundo a nova tendência. Para corrigir os valores utilizamos a seguinte equação: 
Pc = Pa + (Ma/Mo)*ΔP
Pc – precipitação acumulada ajustada a tendência desejada;
 
 Pa – Valor da ordenada correspondente a interseção das duas tendências;
 ΔP= Po – Pa, Onde: Po - é o valor acumulado a ser corrigido;
 Ma - Coeficiente angular da tendência desejada;
 Mo - Coeficiente angular da tendência a corrigir;
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c) Alinhamento dos pontos em retas paralelas: ocorre quando existem erros de transcrição de um ou mais dados. A ocorrência de alinhamentos, segundo duas ou mais retas paralelas pode ser a evidência de postos com diferentes regimes pluviométricos 
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d) Distribuição errática dos pontos: geralmente é resultado da comparação de postos com diferentes regimes pluviométricos, sendo incorreta toda associação que se deseje fazer entre os dados dos postos plotados;
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Precipitação média sobre uma bacia
Métodos:
Média Aritmética;
Método de Thiessem;
Método das Isoietas;
As observações feitas nos pluviômetros são medidas pontuais e representam a chuva de uma reduzida área em torno do pluviômetro (26 Km2). Para calcular a precipitação média numa superfície qualquer, é necessário utilizar as observações de dentro dessa superfície e nas suas vizinhanças. Precipitação média é a lâmina de água uniforme sobre uma área considerada, associada a um dado período de tempo.
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Método da Média Aritmética
Admite-se que todos os pluviômetros têm o mesmo peso e que os mesmos estejam locados dentro da bacia. Este método só apresenta uma boa estimativa se os aparelhos forem distribuídos densamente, uniformemente e a área for plana ou com relevo muito suave.
Precipitação média: é a média aritmética entre os valores medidos nos postos representantes da bacia em estudo.
Pm = 1/n * Σ Pi Onde:
Pm – precipitação média na bacia em mm;
Pi – precipitação medida no i-ésimo pluviômetro;
n – número total de pluviômetros;
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Método de Thiessem consiste no seguinte:
1. Unir os postos adjacentes por uma reta;
2. Traçar perpendiculares a essas linhas a partir das distâncias médias entre os postos;
3. Prolongue as linhas perpendiculares até encontrar outra;
4. O polígono é formado pela interseção das linhas, correspondendo a área de influência de cada posto.
4. Determine a área de cada posto;
Considera a não uniformidade da distribuição espacial dos postos, mas não leva em conta o relevo. 
Método de Thiessem
Onde:
A - Área total da bacia;
Pi – Precipitação registrada no posto i;
Ai – Área de influência do posto i;
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Método das isoietas
Este método tem certo grau de dependência do julgamento do usuário, pemitindo introduzir no traçado do mapa todo o conhecimento que se tenha da região, incluída a topografia, regime dos ventos, etc. As isoietas são linhas que unem pontos de igual precipitação e seu traçado dá-se da seguinte forma: 
1- localizar os postos no mapa da região de interesse e escrever o total precipitado ao lado de cada posto;
2 - unir os postos com linhas retas nas quais se interpolam linearmente os valores para os quais se pretende traças as isolinhas;
3 – como no traçado de mapas topográficos, se procede com esses pontos ao traçados das isoietas;
4 – como norma geral, as linhas devem acompanhar as curvas de nível, nunca cortando-as ortogonalmente. Para se obter a precipitação planimetra-se a área entre isoietas.
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Frequência de precipitações
Na Engenharia, o conhecimento das precipitações máximas e a sua freqüência de ocorrência é fator imprescindível para aplicação nos projetos de obras hidráulicas.
Ex: projetos dos vertedores de barragens, sistemas de drenagem, projetos de irrigação e abastecimento d'água.
Para períodos de retorno bem menores que a série histórica de observação a freqüência de ocorrência é bem representativa da probabilidade. Já para os grandes períodos de recorrência a repartição de freqüências deve ser ajustada a uma função de distribuição de probabilidade.
Considerando a freqüência de ocorrência como uma boa estimativa de probabilidade teórica e definindo o tempo de retorno como sendo o período de tempo médio em anos em que uma determinada chuva pode ser igualada ou superada pelo menos um vez, tem-se a seguinte relação:
 T = 1/F ou T = 1/P
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Frequência de precipitações
Seqüência para determinação da frequência de uma série histórica de pluviometria com n valores:
1 – Classificar os valores da série em ordem decrescente independente da cronologia;
2 – Atribui-se um número de ordem m a cada valor da série ordenada, do maior para o menor;
3 – Definindo-se F(x) como o número de eventos de magnitude maior ou igual ao evento x, tem-se dois métodos:
Método Califórnia: F= m/n 
Método de Kimbal: F= m/n+1 – mais utilizado
Onde: m – precipitação de certa ordem;
 n – número de anos de observação;
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Frequência de precipitações
Exemplo: Dada a série de precipitação máxima anual (mm) com duração de 15 minutos, faça o estudo de frequência.
t(ano) x(t) 
1960- 31,2 F(15,5 ) = 28/29+1=0,933=93,3%
1961- 50,0 SIGNIFICA DIZER QUE 93,3% DOS ANOS TIVERAM
1962- 22,5 VALORES DE PRECIPITAÇÃO MÁXIMA EM 15 MINU-
1963- 71,3 TOS MAIORES OU IGUAIS A 15,5.
1964- 65,0
1965- 66,7 F(71,3 ) = 1/29+1=0,033=3,3%
1966- 70,0 SIGNIFICA DIZER QUE 3,3% DOS ANOS TIVERAM
1967- 40,0 VALORES DE PRECIPITAÇÃO MÁXIMA EM 15 MINU-
1968- 55,0
TOS MAIORES OU IGUAIS A 71,3.
1969- 58,0
1970- 12,7
1971- 66,0 COMO A FREQUÊNCIA É UMA PROBABILIDADE 
1972-20,0 EMPÍRICA, DO EXEMPLO ACIMA TEMOS QUE 
1973- 67,0 EXISTE UM PROBABILIDADE DE 93,3% QUE A
1974-48,0 PRECIPITAÇÃO MÁXIMA ANUAL EM 15 MINUTOS 
1975- 65,0 SEJA MAIOR OU IGUAL A 15,5.
1976-35,0 
1977-30,0
1978- 64,0 Tr=1/F=1/P= 1/0,933=1,07 ANO
1979- 68,0
1980- 69,0
1981- 52,0
1982- 37,0
1983-38,0
1984- 39,0
1985- 61,0
1986-63,9
1987-73,7
1988-63,2