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PRECIPITAÇÃO resumo

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PRECIPITAÇÃO
Aspectos gerais - A precipitação é entendida como qualquer forma de água proveniente da atmosfera que atinge a superfície terrestre, como neve, granizo, chuva, orvalho, geada, etc. O que diferencia as várias formas de precipitação é o estado em que a água se encontra. Devido a sua capacidade de gerar escoamento, a chuva constitui a forma de precipitação de maior interesse para a hidrologia. Como visto nos Capítulos 2 e 3 anteriores, parcela da chuva que atinge o solo gera escoamento nas vertentes da bacia hidrográfica, alcançando a rede de drenagem e daí seguindo até o exutório da bacia. Como a precipitação constitui a “entrada” de água na bacia hidrográfica, tomando-a como um sistema físico, a estimativa da precipitação em uma bacia dá idéia da disponibilidade hídrica nela, servindo para avaliar a necessidade de irrigação, a previsão de enchentes nos rios, a operação de hidroelétricas, o atendimento às demandas para abastecimento público, etc. Mecanismo de formação da precipitação A precipitação ocorre a partir da presença de vapor d’água na atmosfera, que sob determinadas condições precipita na forma de neve, gelo, chuva, etc. Para a ocorrência de chuva, deve-se haver condições propícias para o crescimento das gotas de água, até que elas possuam peso superior às forças que as mantêm em suspensão na atmosfera. Esse crescimento se dá principalmente devido à presença dos chamados núcleos de condensação nas nuvens, que são partículas orgânicas, sais, cristais de gelo, produtos resultantes da combustão, entre outros. As gotas de chuva tendem a condensar sobre tais partículas e, mediante alguns processos 30 físicos, ocorre o crescimento das gotas, em parte devido ao choque das primeiras com outras gotas menores. Ao atingir peso suficiente, as gotas precipitam. Classificação da precipitação A ocorrência de precipitação está geralmente relacionada à ascensão de ar úmido, após o qual se dá o processo de condensação sobre os núcleos e de crescimento das gotas, descritos no item anterior. Mas há diferentes mecanismos agindo no sentido de causar a referida ascensão do ar úmido e, conforme o tipo de mecanismo, as precipitações são classificadas em: - Convectivas: a ascensão do ar úmido e quente decorrente de uma elevação excessiva de temperatura; como o ar quente é menos denso, ocorre uma brusca ascensão desse ar que, ao subir, sofre um resfriamento rápido, gerando precipitações intensas com pequena duração, cobrindo pequenas áreas; ocorrem com freqüência em regiões equatoriais; - Orográficas: a ascensão do ar quente e úmido, proveniente do oceano, ocorre devido a obstáculos orográficos, como montanhas e serras; ao subir, ocorre o resfriamento e em seguida a precipitação; são caracterizadas por serem de pequena intensidade, mas longa duração, cobrindo pequenas áreas; como as montanhas constituem um obstáculo à passagem do ar úmido (com “potencial” para formar precipitação), normalmente existem áreas no lado oposto caracterizadas por baixos índices de precipitação, sendo chamadas de “sombras pluviométricas”; - Frontais: neste tipo de precipitação, a ascensão do ar decorre do “encontro” entre massas de ar frias e quentes; como resultado, o ar mais quente e úmido sofre ascensão, resfria-se e ocorre a precipitação, caracterizada por longa duração e intensidade média, cobrindo grandes áreas. 31 Caracterização da precipitação Uma precipitação, no caso chuva, é caracterizada pelas seguintes grandezas: - altura pluviométrica (P): representa a espessura média da lâmina de água precipitada, sendo geralmente adotada como unidade o milímetro (mm); significa a espessura da lâmina de água que recobriria toda a região, supondo-se que não houvesse infiltração, evaporação nem escoamento para fora da região; - duração (t): representa o período de tempo durante o qual ocorreu a precipitação; geralmente se utilizam horas (h) ou minutos (min) como unidade; - intensidade (i): fazendo-se a relação da lâmina de água precipitada com o intervalo de tempo transcorrido, obtém-se a intensidade dessa precipitação, geralmente em mm/h ou mm/min; assim i = P/t; - tempo de recorrência (Tr): representa o número médio de anos durante o qual se espera que uma determinada precipitação seja igualada ou superada; por exemplo, ao se dizer que o tempo de recorrência de uma precipitação é de 10 anos, tem-se que, em média, deve-se esperar 10 anos para que tal precipitação seja igualada ou superada. Medição da precipitação. Os instrumentos usuais de medição da precipitação são o pluviômetro e o pluviógrafo, descritos sucintamente a seguir. O pluviômetro é constituído por um recipiente metálico dotado de funil com anel receptor, geralmente com uma proveta graduada para leitura direta da lâmina de água precipitada. Esse instrumento armazena a água da chuva e, fazendo-se a leitura da proveta, tem-se a lâmina precipitada.
Normalmente, a leitura é feita diariamente, às 7h da manhã, por uma pessoa encarregada (operador) – geralmente, um morador da região, cujo acesso diário ao equipamento seja fácil, e que recebe orientação do órgão/empresa responsável pelo monitoramento. 32 Fonte: Studart, 2003. Assim, o pluviômetro indica a precipitação ocorrida nas últimas 24 horas, desde a última leitura, a qual é anotada pelo operador em uma caderneta diariamente. O outro instrumento utilizado para registrar a precipitação, o pluviógrafo, difere do pluviômetro basicamente por possuir um mecanismo de registro automático da precipitação, gerando informações mais discretizadas no tempo, isto é, informações em intervalos de tempo menores. Os equipamentos mais antigos utilizam um braço mecânico para traçado de um gráfico em papel graduado com os valores precipitados (Figura 4.2). Os pluviógrafos mais modernos armazenam tais informações em meio magnético ou enviam em tempo real por sistema de transmissão remoto de dados. Para acionamento do mecanismo de registro, seja em papel ou em meio magnético, há dois tipos principais de sensores: cubas basculantes, cujo enchimento e vertimento aciona o registro; reservatório equipado com sifão, sendo a variação do nível no reservatório a responsável pelo acionamento do registro. Dessa forma, o pluviógrafo permite ter informações mais detalhadas ao longo do tempo, além de uma maior precisão também. Outra grande vantagem é não necessitar da visita diária do operador, cuja visita fica restrita à troca de papel ou para descarregar os dados em um computador portátil, em períodos como 15 dias ou um mês. Em tais casos, 33 o operador já passa a ser alguém com conhecimento mais especializado, geralmente um técnico.
PRECIPITAÇÃO é a água proveniente do vapor d’água da atmosfera, que chega a superfície terrestre, sob a forma de: chuva, granizo, neve, orvalho, etc. Para as condições climáticas do Brasil, a chuva é a mais significativa em termos de volume.
FORMAÇÃO DAS CHUVAS - A umidade atmosférica é o elemento básico para a formação das precipitações. A formação da precipitação segue o seguinte processo: o ar úmido das camadas baixas da atmosfera é aquecido por condução, torna-se mais leve que o ar das vizinhanças e sofre uma ascensão adiabática. Essa ascensão do ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de saturação. A partir desse nível, há condensação do vapor d’água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros. Essas gotas não possuem ainda massa suficiente para vencer a resistência do ar, sendo, portanto, mantidas em suspensão, até que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar.
CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES - Conforme o mecanismo fundamental pelo qual se produz a ascensão do ar úmido, as precipitações podem ser classificadas em: convectivas, orográficas ou frontais.
Chuvas Convectivas (de verão) -Resultantes de convecções térmicas, que é um fenômeno provocado pelo forte aquecimento de camadas próximas à superfície terrestre, resultando numa rápida subida do ar aquecido. A brusca ascensão promove um forte resfriamento dasmassas de ar que se condensam quase que instantaneamente. Ocorrem em dias quentes, geralmente no fim da tarde ou começo da noite; Podem iniciar com granizo; Podem ser acompanhadas de descargas elétricas e de rajadas de vento; Interessam às obras em pequenas bacias, como para cálculo de bueiros, galerias de águas pluviais, etc.
Chuvas Orográficas - Quando vem vento quente e úmido, soprando geralmente do oceano para o continente, e encontram uma barreira montanhosa, elevam-se e se resfriam exageradamente havendo condensação do vapor, formação de nuvens e ocorrência de chuvas. São provocadas por grandes barreiras de montanhas (ex.: Serra do Mar); As chuvas são localizadas e intermitentes; Possuem intensidade bastante elevada; Geralmente são acompanhadas de neblina.
Chuvas Frontais - Aquelas que ocorrem ao longo da linha de descontinuidade, separando duas massas de ar de características diferentes. 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.
MEDIDAS DE PRECIPITAÇÃO- Quantifica-se a chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana;
- A quantidade da chuva é avaliada por meio de aparelhos chamados de pluviômetros e pluviógrafos.
Grandezas características das medidas pluviométricas:
• Altura pluviométrica: mediadas realizadas nos pluviômetros e expressas em mm.
Significado: lâmina d’água que se formaria sobre o solo como resultado de certa chuva, caso não
houvesse escoamento, infiltração ou evaporação da água precipitada. A leitura dos pluviômetros é feita normalmente uma ou duas vez por dia às 7 horas da manhã e as 17 da tarde.
• Duração: período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação, expresso geralmente em horas ou minutos.
• Intensidade da precipitação: é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da chuva expressa em mm/h ou mm/min. Uma chuva de 1mm/min corresponde a uma vazão de 1 litro/min afluindo a uma área de 1 m2.
Pluviômetros - O pluviômetro consiste em um cilindro receptor de água com medidas padronizadas, com um receptor adaptado ao topo. A base do receptor é formada por um funil com uma tela obturando sua abertura menor. No fim do período considerado, a água coletada no corpo do pluviômetro é despejada, através de uma torneira, para uma proveta graduada, na qual se faz leitura. Essa leitura representa, em mm, a chuva ocorrida nas últimas 24 horas.
Dimensões de um pluviômetro padrão:
1) um reservatório cilíndrico de 256,5 mm de diâmetro e 40 cm de comprimento, terminando por parte cônica munida de uma torneira para retirar a água.
2) um receptador cilíndrico cônico, em forma de funil, com bordas perfeitamente circular, em aresta viva com 252,4 mm de diâmetro, sobrepondo-se ao reservatório e que determina a área de exposição do aparelho; é a parte mais delicada do aparelho e deve ser construído e conservado cuidadosamente; ele impede também a evaporação da água acumulada no reservatório.
3) uma proveta de vidro, devidamente graduada, para medir diretamente a chuva recolhida. Obs: Os pluviômetros são normalmente observados uma ou duas vezes por dia, todos os dias, nos mesmos horários, eles indicam a altura pluviométrica diária (ou a intensidade média em 12 horas).
A principio o resultado não depende da área; mas é preciso não se enganar no momento de calcular a lâmina precipitada;
Instalação do aparelho - Existem várias normas de instalação dos pluviômetros e pluviógrafos apesar das tentativas de homogeneização internacional. Em geral deve ser feita a uma altura média acima da superfície do solo, entre 1 m a 1,5 m. O aparelho deve ficar longe de qualquer obstáculo que pode prejudicar a medição (prédios, árvores, relevo, etc.).
Pluviógrafos - São aparelhos automáticos que registram continuamente a quantidade de chuva que recolhem. Estes equipamentos permitem medir as intensidades das chuvas durante intervalos de tempo inferiores àqueles obtidos com as observações manuais feitas nos pluviômetros.
Variedade de Aparelhos - Existe uma grande variedade de aparelhos, usando princípios diferentes para medir e gravar continuamente as precipitações. Pode-se examiná-los segundo as quatro etapas da aquisição: medição, transmissão do sinal, gravação, transmissão do registro. Os pluviógrafos possuem normalmente uma superfície receptora padrão de 200 cm2. Os registros dos pluviógrafos são indispensáveis para o estudo de chuvas de curta duração, que é necessário para os projetos de galerias pluviais.
Tipos de Pluviógrafos - Pluviógrafo de caçambas basculantes: consiste em uma caçamba dividida em dois compartimentos, arranjados de tal maneira que, quando um deles se enche, a caçamba bascula, esvaziando-o e deixando outro em posição de enchimento. A caçamba é conectada com um registrador, que pode armazenar os dados em uma memória em suporte eletrônico (data-logger) ou em um papel em forma gráfica, sendo que uma basculada normalmente equivale a 0,25 mm de chuva.
Procedimentos e processamento dos dados pluviométricos - Os postos pluviométricos são identificados pelo prefixo e nome e seus dados são analisados e arquivados individualmente. Os dados lidos nos pluviômetros são lançados diariamente pelo observador na folhinha própria, que a remete no fim de cada mês para a entidade encarregada, variação geográfica e temporal das precipitações A precipitação varia geográfica, temporal e sazonalmente. O conhecimento da distribuição e variação da precipitação, tanto no tempo como no espaço, é imprescindível para estudos hidrológicos.
Variação geográfica - Em geral, a precipitação é máxima no Equador e decresce com a latitude. Entretanto, existem outros fatores que afetam mais efetivamente a distribuição geográfica da precipitação do que a distância ao Equador.
Variação temporal - Embora os registros de precipitações possam sugerir uma tendência de aumentar ou diminuir, existe na realidade uma tendência de voltar à média. Isso significa que os períodos úmidos, mesmo que irregularmente, são sempre contrabalançados por períodos secos. Em virtude das variações estacionais, define-se o ano hidrológico em dois períodos, o úmido e o seco.
PRECIPITAÇÕES MÉDIAS SOBRE UMA BACIA HIDROGRÁFICA - Para calcular a precipitação média de uma superfície qualquer, é necessário utilizar as observações dos postos dentro dessa superfície e nas suas vizinhanças. Existem três métodos para o cálculo da chuva média: método da Média Aritmética, método de Thiessen e método das Isoietas.
Método da média aritmética - Admite-se que todos pluviômetros têm o mesmo peso. A precipitação média é então calculada como a média aritmética dos valores medidos. Este método ignora as variações geográficas da precipitação.
Método de Thiessen - Este método considera a não-uniformidade da distribuição espacial dos postos, mas não leva em conta o relevo da bacia. Por isto este método dá bons resultados quando o terreno não é muito acidentado.
Método das Isoietas - Isoietas são linhas indicativas de mesma altura pluviométrica. Podem ser consideradas como “curvas de nível de chuva”. O espaçamento entre eles depende do tipo de estudo, podendo ser de 5 em 5 mm, 10 em 10 mm, 20 em 20 mm, etc. O traçado das isoietas é feito da mesma maneira que se procede em topografia para desenhar as curvas de nível, a partir das cotas de alguns pontos levantados. Descreve-se a seguir o procedimento de traçado das isoietas:
1º. Definir qual o espaçamento desejado entre as isoietas.
2º. Liga-se por uma semirreta, dois postos adjacentes, colocando suas respectivas alturas pluviométricas.
3º. Interpola-se linearmente determinando os pontos onde vão passar as curvas de nível, dentro do intervalo das duas alturas pluviométricas.
4º. Procede-se dessa forma com todos os postos pluviométricos adjacentes.
5º. Ligam-se os pontos de mesma altura pluviométrica, determinando cada isoieta.
ALTURA PLUVIOMÉTRICA ANUAL - A quantidade total de precipitação num anoé uma das mais interessantes características de uma estação pluviométrica, pois fornece de imediato uma idéia sintética do fenômeno no local. O valor da altura pluviométrica anual varia de região para região, desde próximo a zero, nas regiões desérticas, até o valor máximo conhecido de 25.000 mm (Charrapunji, Ïndia)
Frequência de totais anuais - Um dos mais importantes resultados da Teoria das Probabilidades é o chamado teorema do limite central. Este teorema diz que, satisfeitas certas condições, a soma de variáveis aleatórias é aproximadamente, normalmente distribuída, isto é, ela tende a seguir a lei de Gauss de distribuição de probabilidades. Como o total anual de precipitação pluvial é formado pela soma dos totais diários, é natural que se tente ajustar a lei de Gauss ao conjunto de dados observados.
ALTURA PLUVIOMÉTRICA MENSAL - O estudo das alturas pluviométricas mensais pode ser feito nas mesmas bases indicadas para o estudo das alturas pluviométricas anuais.
ALTURA PLUVIOMÉTRICA DIÁRIA - Um estudo mais detalhado das precipitações levaria a reduzir o intervalo de análise ao dia que corresponde a observações dos pluviômetros. Geralmente, esse estudo é feito dentro do chamado “estudo chuvas intensas”
CHUVAS INTENSAS - Conjunto de chuvas originadas de uma mesma perturbação meteorológica, cuja intensidade ultrapassa um certo valor (chuva mínima);A duração das chuvas varia desde alguns minutos até algumas dezenas de horas; A área atingida pode variar desde alguns km2 até milhares de km2; Conhecimento das precipitações intensas de curta duração → é de grande interesse nos projetos de obras hidráulicas, tais como: dimensionamento de galerias de águas pluviais, de telhados e calhas, condutos de drenagem, onde o coeficiente de escoamento superficial é bastante elevado. O conhecimento da frequência de ocorrência das chuvas de alta intensidade é também de importância fundamental para estimativa de vazões extremas para cursos d´água sem medidores de vazão.
DURAÇÃO, INTENSIDADE E FREQUÊNCIA DAS PRECIPITAÇÕES-
a) Duração (t): é o período de tempo durante o qual a chuva cai. Expressa normalmente por minuto, hora, dia, mês ou ano.
b)Intensidade (i): é a precipitação por unidade de tempo, obtida como a relação (i=Precipitação/tempo). Expressa normalmente em mm/h ou mm/min.
c) Frequência de probabilidade (F=P) e tempo de recorrência ou período de retorno (T) Na análise de alturas pluviométricas (ou intensidades), o tempo de recorrência (T) é analisado como sendo o número médio de anos durante a qual espera-se que a precipitação analisada seja igualada ou superada. O seu inverso é a probabilidade de um fenômeno igual ou superior ao valor analisado. Por exemplo, uma precipitação com 1% de probabilidade de ser igualada ou superada num ano tem um tempo de retorno igual a 100 anos. (T=1/F=1/0,01=100 anos).
Tipos de séries usadas nas análises estatísticas-Três critérios podem ser adotados :
a) Sérias anuais. Neste critério as séries são constituídas dos máximos observados em cada ano, desprezando-se os demais dados mesmo que sejam superiores às dos outros anos.
b) Sérias parciais. Neste caso as séries são constituídas dos “n” maiores valores observados, sendo “n” o número de anos do período analisado.
c) Séries completas. Neste ultimo critério se adota todos os valores selecionados para a formação das séries. O primeiro critério é o mais adotado.
Em Hidrologia interessa não só o conhecimento das máximas precipitações observadas nas séries históricas, mas principalmente, prever com base nos dados observados, quais as máximas precipitações que possam vir a ocorrer com uma determinada freqüência. Em geral, as distribuições de valores extremos de grandezas hidrológicas, como a chuva e vazão, ajustam-se satisfatoriamente à distribuição de Gumbel
Relação Intensidade–Duração–Frequência=Para projetos de obras hidráulicas, tais como vertedores de barragens, sistemas de drenagem, galerias pluviais, dimensionamento de bueiros, entre outros, é necessário conhecer as três grandezas que caracterizam as precipitações máximas: intensidade, duração e frequência. Correlacionando intensidades e durações das chuvas verificam-se que quanto mais intensa for uma precipitação, menor será sua duração. Na análise estatística da estrutura hidrológica das séries de chuva podem ser seguidos dois enfoques alternativos: séries anuais ou séries parciais. A escolha de um ou outro tipo de séries depende do tamanho das séries disponível e do objetivo do estudo. A metodologia das séries-Parciais é utilizada quando o número de anos de dados é pequeno (<12 anos) e os tempos de retorno que serão utilizados são inferiores a 5 anos. Procura-se analisar as relações I-D-F das chuvas observadas determinando-se para os diferentes intervalos de duração de chuva, qual o tipo de equação e qual o número de parâmetros dessa equação.
Relação entre chuvas máximas de 1 dia e 24 horas - Muitas vezes há necessidade de se avaliar a relação intensidade-duração-frequência das chuvas de curta duração onde tem informação somente de chuvas de 1 dia. A chuva registrada em um dia é diferente da registrada em 24 horas, devido os horários diferentes, o de um dia coletado em um pluviômetro é feito geralmente as 7:00 horas da manhã, enquanto a do pluviógrafo, é das zero hora as 24 horas. A relação adotada para determinar a chuva de 24 horas, com dados de pluviômetros é 1,14 definida por diversos pesquisadores (24h/1dia=1,14).Relações entre chuvas de diferentes durações - Para locais onde as únicas informações mais detalhadas são as chuvas de 1 dia observadas em postos pluviométricos, pode-se avaliar a chuva de 24 horas de determinada frequência.

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