Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 APOSTILA FLUVIOMETRIA CTH Prof. Luis Emílio 2 Geomorfologia Fluvial Introdução. Definição − A Geomorfologia Fluvial interessa-se pelo estudo da interação entre os processos e as formas do leito relacionadas ao escoamento dos rios. Entre os principais processos estando em estágio final a erosão e a sedimentação, resultante do transporte de materiais detríticos, transportados por, arraste, saltação suspensão e solução. − Os rios (amplo corpo d’água em movimento, confinado em um canal principal) constituem os agentes mais importantes no transporte dos materiais intemperizados das áreas elevadas para as mais baixas e dos continentes para o mar. − Os constituintes intemperizados das rochas que são transportados em solução química compõem a carga dissolvida dos cursos d’água. A quantidade de matéria em solução depende, em grande parte, da contribuição relativa da água subterrânea e do escoamento superficial para o débito do rio (química do rio = vários fatores); a carga dissolvida é transportada na mesma velocidade da água, pode ser 3 transportada indefinidamente ou se agregar aos sedimentos de fundo. − As partículas de granulometria reduzida (silte e argila) são tão pequenas que se conservam em suspensão pelo fluxo turbulento, constituindo a carga de sedimentos em suspensão. Esses sedimentos são carregados na mesma velocidade com que a massa d’água se desloca, desde que a turbulência seja suficiente para mantê-los quando isso não mais ocorrer as partículas se depositam (águas calmas). As partículas de granulometria maior, como areias e cascalho, rolam, deslizam ou saltam ao longo do leito dos rios, formando a carga de fundo do rio. Esses sedimentos se deslocam com velocidades inferiores àquelas da massa d’água. Os sedimentos se depositam quando o escoamento não tiver mais competência para mantê−los em movimento. − O tamanho dos grãos, em geral, diminui em direção à jusante (para onde o rio corre, oposto a montante que é de onde o rio vem) 4 − As planícies de inundação, conhecidas como várzeas, constituem a forma mais comum de sedimentação fluvial. A designação é apropriada porque nas enchentes toda essa área é inundada, tornando-se o leito do rio. − A planície de inundação pode ser definida e delimitada por critérios diversos, conforme a perspectiva e os objetivos dos pesquisadores. • Geólogo − área fluvial recoberta por materiais depositados pelas cheias; 5 • Hidrólogo − área fluvial periodicamente inundada por cheias de determinadas magnitudes e frequências; •Legislador − delimitada e definida pelo estatuto da terra; •Geomorfólogo − apresenta configuração topográfica específica, com formas de relevo e depósitos sedimentares relacionados com as águas fluviais, na fase do canal e na de transbordamento. FORMAS DE RELEVO − Há formas de relevo na planície relacionadas ao canal (meandro) e há aquelas desenvolvidas por processos de sedimentação que ocorrem fora do canal, na superfície da planície de inundação, que constituem, também, elementos característicos de sua composição: os diques marginais, os sulcos e os depósitos de recobrimento e as bacias de inundação. − Diques marginais são saliências alongadas compostas por sedimentos, bordejando os canais fluviais . A largura e a altura são variáveis. A deposição no dique ocorre quando o nível d’água ultrapassa as margens do canal, quando a corrente fluvial é freada e abandona parte de sua carga permitindo. Os detritos mais 6 grosseiros são depositados na proximidade do canal e os mais finos são carregados para locais mais distantes. − As bacias de inundação são as partes mais baixas da planície. São áreas pobremente drenadas, planas, sem movimentação topográfica, localizadas nas adjacências das faixas aluviais. Atuam como áreas de decantação, nas quais os sedimentos finos em suspensão se depositam, depois dos mais grossos se depositarem nos diques. − Quando o rio escoa para o mar ou um lago ou mesmo outro rio, pode haver a formação de estuários ou deltas. − Os canais podem ser de diversos tipos: anastomosado, meândrico, retilíneo (alguns autores ainda citam: deltaico, ramificado, reticulado, irregular). O tipo mais comum é o meândrico. − O perfil longitudinal de um rio expressa a altitude de cada ponto ao longo do canal. O perfil típico é côncavo, com declividades maiores em direção à nascente. − O homem como agente geomorfológico : Modifica diretamente o canal fluvial,controla vazões, altera a forma do canal – 7 estabilizando (urbanização) as margens e muitas vezes indiretamente desestabilizando−as (retirada da vegetação, dragagens) O efeito das mudanças diretas ou indiretas podem se propagar até longas distâncias. 6.1 - Canalização • A canalização é uma obra de engenharia realizada no sistema fluvial que envolve a direta modificação da calha do rio e desencadeia consideráveis impactos, no canal e na planície; • A utilização desse tipo de obra é considerada imprópria, com efeitos prejudiciais ao ambiente. • A passagem da draga, aprofundando o canal, provoca o abaixamento do nível de base, favorecendo a retomada erosiva dos afluentes, aumentando a erosão/aumento deposicional. 25 6.2 – Construção de Barragens • A construção de barragens em vales fluviais rompe a seqüência natural dos rios em três áreas distintas: a) na montante da barragem; o nível de base é levantado, alterando a forma do canal e a capacidade de transporte, causa aumento no fornecimento de sedimentos para o reservatório (vida útil); b) No reservatório: em virtude da mudança da situação lótica (água corrente) para lêntica (água parada) gera a formação de feições deposicionais, podendo provocar o assoreamento do reservatório; c) Na jusante do reservatório: as mudanças ocorridas no regime das águas (neste setor) acarretam significativos efeitos nos processos do canal (entalhe do leito, erosão nas margens e deposição a jusante. 8 6.3 - Urbanização • A urbanização (entre outras mudanças no uso da terra) aumenta a área de impermeabilização, causando um aumento no fluxo de água que flui em direção ao canal principal. • Há, também, a ocupação de margens, áreas que sofrem no período de cheia do rio. • Eventos recentes comprovam que a ocupação dessas áreas deve ser acompanha de um estudo preventivo para evitar catástrofes 9 CAPÍTULO 1 CARACTERÍSTICAS DOS CURSOS D’ÁGUA 1. Introdução 2. A seção transversal 3. Forma do leito em planta 4. Trajetória das partículas de água 5. Distribuição das velocidades na seção 10 SUGESTÕES DE ESTUDO 1. Leia o capítulo com atenção anote os termos novos em vocabulário e memorize seu significado; 2. Observe as figuras, reproduzindo-as com a máxima fidelidade possível, dedicando muita atenção ao seu significado, você pode vir a ser solicitado fazer algumas delas, EXPLICANDO o desenho; 3. Examine o item 6, procurando explicar cada um dos parâmetros citados Capítulo 1 - CARACTERÍSTICAS DOS CURSOS D’ÁGUA 11 1. Introdução O objetivo deste capítulo é proporcionar um conhecimento das principais caracter íst icas f ís icas dos cursos d’água, de uti l idade para as intervenções necessár ias do ponto de vista da engenharia. A divers idadedos rios é virtualmente inf inita, pois não existem dois lugares iguais em cl ima, relevo, geologia e hidrologia. Entretanto, algumas caracter íst icas morfológicas merecem uma atenção especial dos técnicos, sobretudo daqueles responsáveis pelo monitoramento destas caracter íst icas. Os cursos dágua naturais const ituem os agentes mais importantes no transporte das águas superficiais e dos sedimentos. De acordo com os dicionários, r io é uma corrente cont ínua de água, mais ou menos caudalosa, que deságua noutra, no mar ou num lago. Embora o curso d’água deva ter uma certa grandeza para ser designado como rio, é dif íc i l precisar a part ir de qual tamanho passa-se a uti l izar aquela designação. A toponímia, todavia, é muito rica em termos designativos para os cursos de água menores, tais como arroio, r ibeira, r ibeiro, r iacho, r ibeirão, e outros, reservando -se o termo rio para o princ ipal e maior dos elementos componentes de determinada bacia de drenagem. Geológica e geomorfologicamente, o termo r io apl ica-se exclus ivamente a qualquer f luxo canal izado e, por vezes, é empregado para referir -se a canais dest ituídos de água. Tais casos, consist indo de canais secos durante a maior parte do ano e comportando f luxo de água só durante e imediatamente após uma chuva, são denominados de r ios efêmeros. Os cursos de água que funcionam durante parte do ano, mas tornam-se secos no decorrer da outra, são designados de r ios intermitentes. Aqueles cursos que drenam água no decorrer do ano todo são denominados de r ios perenes. Todos os acontecimentos que ocorrem na bacia de drenagem repercutem, diretos ou indiretamente, nos cursos d’água. A s condições c l imáticas, a cobertura vegetal e a l itologia (O termo l itologia refere -se ao t ipo de rocha. Consiste na descrição de rochas em afloramento ou amostra de mão, com base em várias característ icas tais como a cor, textura, estrutura, composição mineralógica ou granulometr ia . ) são fatores que controlam a morfogênese das vertentes e, por sua vez, o t ipo de carga detrit ica a ser fornecida aos rios. 2. A seção transversal Define-se seção transversal a uma vista em corte do leito do curso d’água, a seção pode ser completa como a mostrada na f igura 1 .1 ou parc ial, mostrando apenas o leito médio por exemplo. 12 A f igura 1.1 mostra as principais característ icas de uma seção transver sal, definidas a seguir: a. Leito maior, leito de cheia, leito de inundação – corresponde a cota máxima atingida pelas águas durante as grandes enchentes. O conhecimento deste dado é imprescindível para o projeto de estruturas em geral , principalmente aquelas que não podem ficar submersas. b. Leito médio – pode ser definido como sendo o leito de escoamento das águas durante a maior parte do ano. Figura 1. 1 - Elementos de uma seção transversal de um curso d’água natural. c. Leito menor, leito de estiagem – corresponde às cotas mais baixas atingidas pelo curso d’água, durante os períodos de estiagem. d. Eixo médio – denomina-se eixo médio à linha que passa pelo ponto equidistante das margens, em geral considera-se o leito médio. e. Talvegue – é a linha que passa pelos pontos mais profundas da seção transversal. f. MD, ME – margem direita, margem esquerda. g. 3. Forma do leito em planta Embora o estudo da morfologia fluvial seja muito mais amplo, trataremos aqui apenas dos canais meândricos por serem os que mais despertaram a atenção dos pesquisadores, e também por serem os mais importantes do ponto de vista do hidrotécnico. Define-se canal meândrico àqueles em os rios descrevem curvas sinuosas e semelhantes entre si. Estas sinuosidades são geradas por um trabalho contínuo de escavação na margem côncava ho leito maior leito menor leito médio réguas hidrométricas posto fluviométrico talvegue eixo médio MD ME diques marginais 13 (ponto onde ocorrem as maiores velocidades da corrente) e de deposição na margem convexa (local de velocidades mais baixas). Figura 1. 2 - Elementos do canal em planta. A figura 1.2 mostra os principais elementos de um curso d´água em planta: a. Meandro – sinuosidade do leito do rio. b. Fundão – zona mais profunda do canal, junto à margem côncava. c. Baixio – zona localizada em geral entre dois fundões, em trechos retos, no ponto de inflexão. d. Estirão – é a distância entre dois fundões ou baixios consecutivos. MD A D ME eixo médio talvegue zona de baixios Zona de fundões A A B B Seção AA MD ME A D MD A D ME A D Seção BB margem convexa margem côncava 14 Figura 1. 3 - Representação esquemática do deslocamento dos meandros, em planta. Figura 1. 4 – Exemplo da migração dos meandros. Confluência do Rio Ibicuí e Jaguari (RS – Brasil) Figura 1. 5 - Representação do talvegue, em rios com desenvolvimento normal da calha. A A A A B A B B C C A 15 Figura 1. 6 - Representação do talvegue em rios com sobrepassamento de fundões. h. Diques marginais são saliências alongadas compostas por sedimentos, bordejando os canais fluviais . A largura e a altura são variáveis. A deposição no dique ocorre quando o nível d’água ultrapassa as margens do canal, com diminuição da velocidade das correntes, permitindo a deposição de parte da sua carga de sedimentos. Os detritos mais grosseiros são depositados na proximidade do canal e os mais finos são carregados para locais mais distantes. 4. Trajetória das partículas de água A figura 6 mostra esquematicamente a trajetória seguida pelos filetes líquidos na seção transversal. Figura 1. 7 - Esquema das trajetórias dos filetes líquidos. 5. Distribuição das velocidades na seção As velocidades dos filetes numa seção transversal variam conforme a posição onde são feitas as medida. Junto às margens e junto ao fundo sofrem uma ação retardadora, em função da natureza das paredes (rugosidade). Junto à superfície sofrem o efeito da tensão superficial e a resistência do ar. Seção BB Seção AA Seção CC 16 Figura 1. 8 – Distribuição esquemática das velocidades dos filetes. (a) Trecho reto, em planta, com o talvegue coincidindo com o eixo médio. (b) Trecho em curva, em planta, mostrando o deslocamento do talvegue no sentido da margem côncava. (c) Desenvolvimento teórico do perfil de velocidades numa vertical, evidenciando o efeito de fundo e superfície na redução de velocidades. È interessante notar, que os perfis de velocidades nasdiferentes verticais nem sempre seguem a distribuição parabólica teórica, dependendo da natureza do fundo, das margens e influência, principalmente, de vegetação junto à superfície. A figura abaixo exemplifica alguns casos de perfis. ME MD talvegue eixo médio ME MD eixo médio talvegue Vmáx 0,6d Vmédia fundo do canal (a) (b) (c) d 17 Figura....... – Efeito de paredes: exemplos de perfis de velocidades. Figura 1.9 – deslocamento das partículas em zona de curva. 6. Alteração de parâmetros morfológicos e hidráulicos e suas conseqüências 18 A calha fluvial encontra-se com constantes mudanças, seja por ação antrópica seja por ação dos agentes naturais. Durante estas mudanças, diversos parâmetros morfológicos e hidráulicos podem ser alterados. É de grande importância para o hidrotécnico, estar consciente das mudanças que podem ocorrer, de modo a diagnosticar quaisquer alterações que possam interferir no monitoramento do curso d´água, com suas conseqüências para a confiabilidade da curva-chave (seja existente, seja em fase de preparação). Alguns parâmetros que podem ser afetados são citados a seguir: - natureza da constituição das margens e do fundo (rugosidade do leito) – o material sedimentar constituinte do leito dos cursos d’água devem estar em harmonia com a dinâmica do canal. Entretanto, ações antrópicas podem levar a um rompimento desta harmonia, provocando artificialmente, alterações na rugosidade, tais como alterações na vegetação provocadas indiretamente por alterações da mata ciliar, “limpeza” do leito, deposição de material sedimentar oriundo de outros locais e com características diferentes do material natural, revestimento de trecho do canal, etc. - largura, profundidade (relação largura/profundidade) – alterações nas características geométricas da seção têm como conseqüência alterações na distribuição das velocidades na seção, que podem se refletir em alterações de nível d’água. . - estabilidade do substrato – ações de dragagem e deposição artificial de material sedimentar, alterações na seção transversal (aterros) , alterações ao longo do canal, podem influir para alterar a estabilidade do substrato, com movimentações do leito e das margens. - morfologia longitudinal do leito do canal (corredeiras e remansos) – alterações artificiais na morfologia longitudinal do canal podem ocasionar mudanças no controle hidráulico, podendo gerar impactos nocivos na seção hidrométrica. - declividade do leito – as velocidades do escoamento são diretamente proporcional à declividade do canal. Alterações, tais como retificações de meandros podem alterar a declividade da calha, com alterações significativas nas velocidades do escoamento. - altura das margens – alterações na seção transversal, tais como construção de diques, podem modificar a altura das margens, com alteração nas velocidades e nos níveis. - morfologia da planície de inundação – modificações da planície de inundação através da construção de diques, reduzindo sua área podem alterar significativamente as características do escoamento na região, com impactos sobre o transporte sólido. - nível d´água – o nível na seção hidrométrica pode ser afetado, se forem alteradas as condições de contorno da seção, tais como alterações no controle. - velocidade na seção transversal – as alterações das velocidades na seção transversal estão natural ou artificialmente equilibradas ao longo do ano, em cursos d’água naturais ou antropicamente alterados. No entanto podem sofrer alterações locais, principalmente por ação antrópica, p.ex. alteração na seção transversal (dragagem, construção de obras, alteração nas margens e no leito). - tempo de concentração – modificações na cobertura vegetal da bacia podem ocasionar alterações no tempo de concentração, gerando cheias mais rápidas e enxurradas. - turbidez e capacidade de transporte de sólidos – alterações da calha, construção de barramentos (retenção de sedimentos), podem influenciar na quantidade de material transportado, com impactos significativos nas zonas de jusante. - vazão – as alterações das vazões dos cursos d’água naturais, ocorrem naturalmente, dentro de determinados limites impostos pela freqüência das chuvas nas bacias, encontrando-se os canais 19 morfodinâmicamente equilibrados. Em se tratando de canais artificiais, as vazões podem ser controladas, conforme as necessidades de trabalho, morfodinamicamente equilibrados de maneira artificial. Em cursos d’áqua naturais que sofreram processo de retificação e implantação de obras, as vazões podem ser controladas artificialmente (barragens). Neste último caso os canais podem estar com sua carga de transporte sólido em desequilíbrio ocasionando alterações morfodinâmicas. 20 CAPÍTULO 2 FLUVIOMETRIA 1. Definições e Características de uma Estação Fluviométrica (EF) 2. Medição de niveis e vazões líquidas 3. Medida da descarga líquida 4. Velocidade média do escoamento (na seção transversal) 21 Capítulo 2 - FLUVIOMETRIA 1. Definições e Características de uma Estação Fluviométrica (EF) a. Fluviometria: definição e considerações gerais. Fluviometria é a parte da Hidrometria, que se destina à medição das principais variáveis de um curso d’água, notadamente os níveis d’água e as descargas (ou vazões) líquidas. Nível d’áqua pode ser definido como sendo a posição da lâmina d’água (geralmente em metros) referida ao fundo do rio ou a um ponto de referência de nível fixo (cota da linha d’água). Vazão líquida pode ser definida como sendo a quantidade de água que passa por um determinado local do rio, durante um determinado tempo. Geralmente definida como o volume (em metros cúbicos ou litros), que passa durante uma unidade de tempo definida (um segundo, uma hora, um dia, etc) Por exemplo m3/s. Também pode ser definida em termos de massa (kg/s). A equação abaixo mostra a relação entre a vazão mássica e a vazão volumétrica. massa vol Q Q Onde: Qmassa = vazão em kg/s Qvol = vazão em m 3/s ρ = massa especifica do fluido em kg/m3 A vazão líquida fica definida pela seguinte equação geral: VAQ (2. 1) onde Q = vazão líquida [m3/s] A = área da seção [m2] V = velocidade média do escoamento [m/s] b. Estação Fluviométrica (EF) ou Estação Hidrométrica (EH) Define-se Estação Fluviométrica, como um conjunto de dispositivos utilizados num local de um curso d’água, destinado ao monitoramento dos níveis e das vazões, tendo por objetivo principal o estabelecimento de uma relação bem definida entre a cota e a descarga líquida. Procura-se cobrir durante as medições, a mais ampla faixa de níveis possível. A EF deve ser instalada num local previamente definido, baseado em estudos criteriosos do curso d’água, na procura do local ideal. Estes estudos consistem da análise de cartas do curso d’água para definir os locais prováveis. Uma vez definidos estes locais, devem ser feitas visitas e campanhas de levantamentos dos trechos selecionados. Somente então será escolhido o local definitivo, que permitirá a obtenção de dados de melhor qualidade. Após a escolha do local se definirá o método e o sistema que será utilizado para as medições. 22 A escolha do local, e o sistema de medição a ser adotado para deve ser baseada nas seguintes condições: a. O trecho escolhido deve ser retilínio com margens paralelas; b. Perfil longitudinal deve ser regular, com leito livre de vegetação, pedras e outros obstáculos; c. a posição da seção de medição deve ser, na medida do possível,o mais próximo da indicada pela figura (onde L é a largura da curso d’água): Figura 2. 1 - Trecho de um curso d’água. Proporções ótimas. (L = largura do curso d’água). d. o perfil transversal da seção deve simétrico e ter taludes altos, que não permitam o extravasamento; e. o leito e as margens devem ser estáveis; f. as velocidades do escoamento devem estar entre 0,30 m/s e 2,5 m/s; g. deve garantir a acessibilidade em qualquer circunstância e ser local de fácil acesso e no caso da existência de observador, o mesmo deve morar próximo à seção; h. o local deve estar suficientemente afastado das confluências, para evitar o efeitos de remanso; i. o local deve ser livre das ações antrópicas (construção de pontes, modificação de barrancas, etc); j. Deve existir um adequado controle natural estável, ou condições para implantação de um controle artificial; k. As condições para instalação dos dispositivos necessários (de acordo com o sistema de medição escolhido) devem ser satisfatórias. Na implantação da EF, as condições acima devem assegurar que o trecho escolhido possua velocidades bem distribuídas, normais à seção, sem redemoinhos, enfim, condições hidráulicas ótimas. A escolha do local ideal para a EF levará a conflitos diversos, principalmente quanto aos custos envolvidos na instalação, manutenção e operação da estação, que poderão inviabilizar a instalação propriamente dita ou a curto prazo, o prosseguimento dos trabalhos. Outro ponto de conflito é a escolha do local propriamente dito, que muitas vezes não reúne todas as condições descritas anteriormente. Deve-se portanto, fazer um estudo criterioso dos locais, procurando aquele, que se não for o ótimo, deve pelo menos garantir a boa qualidade dos dados coletados. L 10L 7L 3L seção transversal sentido do fluxo 23 Deve ser feito um levantamento do trecho do rio, procurando ressaltar as características físicas, das quais depende a estabilidade da relação cota X vazão. Atenção especial deve ser dada aos seguintes pontos: a. natureza do leito – leitos rochosos, geralmente garantem uma boa estabilidade, excetuando locais com irregularidades que podem dificultar ou mesmo impossibilitar as medições. Locais caracterizados por afloramentos rochosos formando corredeiras e quedas d’água, geralmente favorecem no trecho imediatamente a montante, o aparecimento de condições favoráveis à implantação de postos fluviométricos. Cursos d’água de leitos móveis, geralmente com tendência a formação de meandros, declividades pequenas e sujeitos, geralmente, à extravasamento freqüente, dificilmente apresentam condições favoráveis ao estabelecimento de uma curva chave única. b. vegetação - recobrindo as margens e o leito maior do rio, pode ser um fator de instabilidade da relação cota X vazão, principalmente pela variação da rugosidade, ligada às variações sazonais da vegetação ou à ações antrópicas. c. nível d’água – os levantamentos efetuados devem sempre que possível abranger todas as condições possíveis de escoamento, principalmente para águas altas, já que observações em águas baixas muitas vezes não mostram, num reconhecimento muitas vezes superficial, algumas particularidades importantes . Observações em águas altas podem revelar importantes particularidades do escoamento, tais como variações bruscas da seção transversal e afogamento de corredeiras. d. controle - chamamos controle, ao trecho (canal) ou seção de rio, que regula, para cada vazão, o nível de água na Seção Hidrométrica. Quando o controle ocorre em uma seção, se verifica uma mudança do regime de escoamento, de lento para rápido, já o controle de canal é resultante das condições de escoamento lento, subcrítico, de um trecho de canal do rio, à jusante da SH, sem alteração do regime de escoamento, mantendo as condições hidráulicas próximas daquelas para escoamento uniforme. O controle de canal é menos eficiente que o de seção, pois naquele não ocorre uma relação biunívoca entre nível e vazão, quando ocorrem variações rápidas da vazão ao longo do tempo. Os controles podem ser naturais ou artificiais. controles naturais - são as quedas d’água e trechos com corredeiras rochosas estáveis. Em rios de planície o controle é definido pela resistência ao escoamento do trecho do canal à jusante, pois, tal como a seção o trecho à jusante também deve ser estável. O grande inconveniente deste tipo de controle é a instabilidade, ao longo do tempo da relação cota/vazão, devido principalmente, à instabilidade que ocorre nos canais naturais. controles artificiais – os controles artificiais mais utilizados são os vertedores e os medidores Parshall. Este tipo de controle é geralmente utilizado em pequenos cursos d’água e canais artificiais. Como vantagens destes controles podemos citar: a facilidade de registro dos níveis e sua correlação com a vazão, pois as equações são bem conhecidas; o remanso quase inexistente; no caso particular do medidor Parshall, citamos além das características citadas anteriormente, a boa capacidade de auto limpeza, com, praticamente, nenhuma retenção de sedimentos. e. Curva-chave Também denominada de curva de descarga, relação cota/vazão ou curva de calibração de uma estação fluviométrica. A curva-chave pode ser definida como a representação gráfica (figura 2), da relação entre a descarga e o nível d'água correspondente, num dado ponto de um curso d'água. A curva-chave pode ser definida por uma equação do tipo: - exponencial: n o )hh(aQ ou (2. 2) - polinomial: ......chbhahhQ 2n1nno (2. 3) 24 Figura 2. 2 – Expressão gráfica de uma curva-chave onde Q é a vazão, a, b, c, etc são coeficientes próprios a cada estação, h é a leitura da régua ho é a leitura da régua correspondente a vazão nula e n é um expoente próprio para cada estação. Estes os coeficientes e os expoentes são facilmente determinados com o uso de planilhas eletrônicas, tipo EXCEL, LOTUS, etc, ou através do método de diferenças finitas. f. Obtenção dos dados para o estabelecimento da curva-chave Os dados necessários para a determinação da curva-chave, são cotas e vazões líquidas. As vazões são determinadas através de medição direta na seção hidrométrica feita por uma equipe especializada, ou através de instalações fixas, tipo vertedores ou calhas Parshall. g. Estabilidade e sensibilidade da Seção Hidrométrica Diz-se que a seção hidrométrica apresenta-se estável, quando ocorre uma relação constante ao longo do tempo, entre as cotas e as vazões correspondentes. Seria o caso de uma seção num trecho com leito e margens rochosas, a montante de um controle inalterável. A EF será sensível quando para uma grande variação do nível d’água ocorrer uma pequena variação da vazão, podendo-se neste caso converter com boa precisão os dados de níveis em dados de descarga. Portanto, quanto menor a sensibilidade da seção menor será a precisão na conversão dos dados de níveis em vazão. h. Univocidade da relação cota/vazão Uma relação é univoca, quando ocorre correspondência entre dois conjuntos, em que a cada elemento do primeiro conjunto corresponde apenas um elemento do segundo. A relação cota X vazão pode ser estável ou não ao longo do tempo, dependendo da existência ou não de um controle permanente e estável da seção de medição. Esta relação pode então, ser unívoca ou não. A univocidade vai existir quando a declividade da linha d’água for constante ou possuir Q (m3/s) h (m) 25 variações desprezíveis no trecho.Quanto menor for a declividade da linha d’água, mais se fará sentir a influência da declividade, podendo em alguns casos, para uma mesma cota de nível existirem diferentes valores de descarga, se houver alteração da declividade da linha d’água. Este fenômeno se verifica durante a passagem de uma onda de cheia ou na presença de eventual remanso gerado por um represamento a jusante, que poderá ser natural ou artificial, deixando neste caso de existir a univocidade entre cota e descarga. i. Tipos de curvas-chave. Podemos classificar as curvas-chave em três tipos básicos: estáveis e unívocas; estáveis mas influenciadas pela declividade da linha d’água e instáveis. Diz-se que a curva-chave é estável e unívoca, quando a uma cota corresponde uma única vazão, permitindo a implantação de uma equação do tipo definido na figura 2.2. A curva resultante não deverá afastar-se mais de 5% dos pontos medidos. Uma curva–chave estável mas influenciada pela declividade da linha d’água aparece em rios de pequena declividade, onde diversas causas podem acarretar alterações na declividade da linha d’água, como por exemplo em rios onde se verifica uma elevação rápida do nível d’água durante um cheia, sendo a declividade da linha d’água mais acentuada durante a elevação do nível, e mais suave durante a depleção. Outro exemplo seria a existência de represamentos a jusante, podendo influenciar na declividade da linha d’água. Uma curva-chave é instável quando a uma cota corresponde mais de uma vazão, demonstrando uma instabilidade da seção transversal, com erosões e deposições ou inexistência de um controle. 2. Medição de niveis e vazões líquidas 2.1. Leitura do nível d’água. 2.1.1. Régua linimétrica Conforme definido anteriormente, a vazão de um curso d’água fica definida através da cota de nível (curva-chave). As cotas devem sempre estarem referidas a um RN (Referência de nível), suficientemente protegido contra eventuais danos (naturais como cheias, deslizamentos de terreno, etc ou artificiais como depredações) Nível mín. Nível máx. RN réguas 26 Figura 2. 3 - Esquema de instalação de réguas linimétricas. A cota de nível fica definida pela leitura feita por um observador, em uma régua linimétrica instalada na margem do curso d’água. Estas réguas podem ser confeccionadas em madeira, alumínio anodizado, metal esmaltado, pintado em concreto, etc. Também são utilizados equipamentos especiais chamados linígrafos, que registram automaticamente o nível d’água a intervalos de tempo predefinidos. A leitura da régua pode ser feita sistematicamente, por um observador contratado. Neste devem ser feitas três leituras diárias no mínimo, (7h30min, 12h30min, 18h). No caso da passagem de onda de cheia devem ser feitas leituras mais freqüentes, dependendo da velocidade de subida do rio. A instalação de réguas deve ser utilizada sempre, mesmo no caso do uso de equipamentos Figura 2. 4 - Exemplo de um lance de réguas registradores de níveis, tais como linígrafos ou marégrafos, quando é dispensável o emprego de observadores. Neste caso a leitura dos níveis são feitos nas réguas, em caso de pane dos equipamentos, ou para verificar o funcionamento dos equipamentos (esta verificação deve sempre ser feita). As réguas podem ser fixadas sobre um caibro (8X8), trilhos, cantoneiras grossas, moirões, pilares de ponte, etc. As das réguas são centimétricas e devem estar perfeitamente referenciadas a uma referência de nível (RN), com cota arbitrária ou altitude verdadeira. Deve-se utilizar pelo menos 27 dois marcos, estando um deles perfeitamente protegido de danos causados por acidentes diversos, tais como depredação e inundações. 2.1.2. Linígrafos São aparelhos que registram continuamente o nível d’água. Podem ser instalados em pilares de pontes, trapiches ou poços escavados na margem. A figura abaixo ilustra uma instalação de um linígrafo de bóia e contrapeso, através do uso de poços. O modo de instalação dos equipamentos depende muito de suas características. Um dos tipos mais comuns, é o tipo bóia/contrapeso, instalado como esquematizado acima. Entretanto, podemos utilizar tubos metálicos ou em PVC, fixados na margem do rio, ou em pilares de pontes, etc. Resumindo podemos dizer que as condições locais e o modelo de equipamento a ser utilizado ditarão o tipo de instalação. As fotos a seguir ilustram alguns tipos de equipamentos. Figura 2. 5 - Esquema de instalação de um linígrafo do tipo “bóia / contrapeso” em poço escavado na margem. 2.1.3. Cuidados que devem ser tomadas na instalação. a. garantir que o equipamento registrador fique sempre acima do nível mais alto; b. a referência de nível do equipamento e das réguas deve ser a mesma; c. o tubo de instalação do sensor ou bóia deve estar ao abrigo de troncos, galhos, etc, que são carregados pela correnteza; d. no caso de poço, deve haver uma régua instalada que permita a leitura do nível dentro do poço; esta régua deve estar relacionada com as escalas externas; “casinha” do linígrafo linígrafo bóia contrapeso Tubo de ligação poço Curso d’água 28 e. sempre, durante as visitas de manutenção e/ou retirada dos dados, o técnico responsável deve registrar na caderneta de campo, a leitura na régua, não esquecendo de anotar a data e a hora e minutos da leitura; f. no caso de poços ou tubos, deve-se fazer uma limpeza periódica dos mesmos, pois é normal que se acumule algum sedimento no interior dos mesmos ; g. em locais onde existe muito transporte de sedimentos, deve-se prever mais de uma tomada de água, garantindo, assim, o funcionamento mesmo no caso de entupimento de uma delas. 3. Medida da descarga líquida Define-se “descarga ou vazão líquida” como sendo o volume de água que passa numa dada seção transversal, na unidade de tempo. A descarga líquida pode ser medida através de diferentes processos: a. processo volumétrico; b. através de leitura no nível d’água (vertedores e calhas Parshal); c. uso de flutuadores; d. através de medidas pontuais das velocidades do fluxo, com o uso de molinetes, correntômetros, correntógrafos, etc. e. utilização de traçadores químicos ou radioativos; f. através de equipamentos utilizando ultra-som; g. utilização de fórmulas, baseada nas características do rio. 3.1. Processo volumétrico É um método simples, porém de ótima precisão. Consiste em interceptar todo o fluxo com um recipiente calibrado, cronometrando seu tempo de enchimento. É o um método aconselhado para a medição de pequenas vazões. 3.2. Através da leitura no nível d’água (correlação cota X vazão) O processo de leitura dos níveis d’água é utilizado para: a. locais (seção) onde exista uma curva-chave perfeitamente definida e calibrada. Deve-se tomar o cuidado de verificar se não houve alteração da seção transversal ou modificações nas características hidráulicas do escoamento; b. vertedores (estruturas com características geométricas bem definidas, com equação da curva- chave calibrada); c. medidor Parshall (tipo de estrutura com características bem definidas, apropriadas para a medição de vazão, difere do vertedor na concepção geométrica e nas características hidráulicas). 3.3. Flutuadores 29 É um método expedito, utilizado para obtermos uma avaliação rápida da vazão, em um local qualquer. É imprescindível o conhecimento da seção transversal. Consiste em cronometrar o deslocamento de um flutuador que percorre uma distância conhecida, obtendo-se assim a velocidade do escoamento, nas camadas superficiais. Repete-se o processo quantasvezes forem necessárias para termos uma média da velocidade na seção. A figura 6 mostra esquematicamente a execução do método. Figura 2. 6 - Esquema de medição com flutuadores. Se desconsiderarmos as margens ou possuirmos poucas medidas (n<10), podemos utilizar a média simples: 1 2 ..... n média V V V V n Onde n é o número de medições. A vazão fica dada por seçãomédiac AVCQ Onde Cc = coeficiente de correção da velocidade, que varia entre 0,75 e 0,95. Em geral toma-se a média (Cc = 0,85). 3.4. Medição das velocidades do fluxo com uso de medidores pontuais (p.ex. molinete hidrométrico) O processo mais comum para medir a descarga líquida, é o das medidas de velocidades pontuais, distribuídas na seção transversal. Uma vez identificada e escolhida a seção de medição, o método consiste em: V1 V2 V3 V4 A se çã o 30 3.4.1 Escolha do número de verticais Para escolher um número adequado de verticais ao longo da seção, podemos utilizar os métodos abaixo: a. dividir a seção em 10 setores (supondo que, em cada setor, passe aproximadamente 10% da vazão total). Implantando, portanto, 9 verticais. b. utilizar o método de Parigot, descrito na tabela abaixo. As verticais podem estar eqüidistantes uma da outra ou não. Entretanto, se as distâncias entre verticais forem diferentes, sugere-se que a menor distância seja superior à terça parte do trecho adjacente. Tabela 2. 1 - Distâncias recomendadas entre verticais (Parigot, 1948) Largura do rio (m) Distância entre verticais (m) 3 0,30 3 - 6 0,50 6 - 15 1,00 15 - 50 2,00 50 - 80 4,00 80 - 150 6,00 150 - 250 8,00 250 12,00 Figura 2. 7 - posicionamento das verticais ao longo da seção. Seção transversal Verticais Setor 31 3.4.2 Escolha do número de pontos de medida de velocidade numa vertical Para definir-se um perfil de velocidades sobre uma vertical é necessário escolher um determinado número de pontos sobre esta vertical e medir a velocidade em cada um deles. Figura 2. 8 - escolha dos pontos de medição ao longo da vertical. Onde: Vs = velocidade de superfície; Vf = velocidade de fundo; Vn = velocidade qualquer em pontos intermediários. Para a escolha do número de pontos onde serão feitas as medidas de velocidade e a posição deles na vertical, no caso de utilização de molinetes hidrométricos, ou qualquer equipamento de medição pontual, sugere-se dois métodos: a. utilizar a seguinte tabela: Tabela 2. 2 - Critério para determinação dos pontos para tomada de velocidades. Profundidades na vertical Posição do molinete a partir da superfície. 0,15 a 0,60 m 0,6d (1) 0,60 a 1,20 0,2d e 0,8d 1,20 a 2,00 0,2d; 0,6d e 0,8d 2,00 a 4,00 S; 0,2d; 0,4d; 0,6d e 0,8d acima de 4,00m S; 0,2d; 0,4d; 0,6d; 0,8d e F (2) (1) onde d é a profundidade do local. (2) A posição S (superfície) corresponde àquela onde a hélice do molinete fica totalmente coberta; em operações em rios, onde a hélice utilizada é relativamente grande, pode-se adotar 0,10d e a posição F (fundo) é aquela determinada pela distância entre o eixo do molinete e o extremo do lastro. Vs Vf Vn 32 b. adotar uma distância fixa entre os pontos de medição, contada a partir da superfície, ou a partir do fundo, por exemplo a cada dez centímetros, dependendo da dimensão da hélice utilizada. (Sugere-se como distância mínima, o diâmetro da hélice). Para outros equipamentos, seguir indicação do manual do mesmo. 3.4.3 Cálculo da velocidade média em cada vertical Após as medições feitas calculamos a velocidade média em cada vertical. A figura abaixo representa o vetor velocidade para cada ponto medido ao longo da vertical. A velocidade média para cada vertical é calculada pela equação: )n( V)V.....VV(V V snfm 12 2 21 (2.4) Para pontos igualmente distribuídos ao longo da vertical, onde desconsidera-se os efeitos de fundo e superfície, e possuirmos poucos pontos de medição, podemos utilizar a seguinte equação: n VVV V nm .....21 Figura 2. 9- Perfil vertical de velocidades. Vs V1 V2 Vf Vn p 33 3.4.4 Cálculo da área da seção transversal Para a determinação da área da seção transversal, podemos utilizar três métodos distintos: a. Método de Simpson: Figura 2. 10- Método de Simpson Calcula-se a área entre cada setor delimitado por duas verticais. Exemplo conforme o esquema acima: a. os setores estão definidos por b. o cálculo da área total fica dado por: 2222 32211 np....c pp b ppap A n (2.5) onde a+b+c+...+n = L = largura do rio pn = profundidade da vertical n b. Método da meia seção Neste procedimento calcula-se a área do setor definido por uma vertical central e pelas metades dos setores adjacentes (área achurada na figura abaixo). Exemplo: Figura 2. 11- Método da meia seção. L a b c 1 p1 p2 p3 2 3 pn n n n 2 L a b c p1 p2 p3 pn n n 1 m pm 34 O cálculo da área fica dado por: np nm .....p cb p ba A 222222 21 (2.6) onde: a+b+c+.....+m+n = L pn = profundidade da vertical n Observação: seja qual for o método utilizado para calcular a área, o resultado deve ser idêntico. c. Método de Gauss Observação: as distâncias são acumuladas a b c pa pb pc pd n d 35 3.4.5 Cálculo da vazão líquida A vazão líquida fica definida através da equação adequada ao método de cálculo de área utilizado: a. Usando Simpson: a vazão é calculada multiplicando-se a área de cada setor pela sua velocidade média, que é calculada pela média das velocidades médias das verticais que delimitam os setores. 22222222 3232212111 mnnmmmmm Vnp.... VVc)pp(VVb)pp(Vap Q (2.7) b. Usando a meia-seção: a vazão é calculada multiplicando a área do setor definido pela “meia- seção” pela velocidade média da vertical central. nn Vp nm .....Vp cb Vp ba Q 222222 2211 (2. 8) c. Para calcular a vazão utilizando o método de Gauss para o cálculo da área, é necessário possuir um elevado número de pontos de medição (np ≥ 3 nvert) para garantir a precisão do resultado. d. Método das isótacas para o cálculo da vazão. Define-se isótaca como sendo a curva que une os pontos de igual velocidade. Admite-se que o contorno do fundo seja uma isótaca com velocidade zero. Neste caso a área total da seção transversal é dada por: A = Af + A1 + A2 + .... An (2. 94) Onde Af, A1, ..., An = área entre as curvas que definem as isótacas.Para o cálculo da vazão é necessário calcular a vazão que passa entre duas isótacas consecutivas e somá-las. Ver equação e a figura abaixo n nn f f A VV ......A VV A VV Q 222 1 1 211 (2.10) 36 Figura 2. 9 - Seção transversal com o traçado das isótacas. onde: Af representa a área entre as isótacas Vf e V1; A1 representa a área entre as isótacas V1 e V2 , etc. Para a velocidade média na área An adotamos Vn. 4. Velocidade média do escoamento (na seção transversal) A velocidade média do escoamento na seção transversal é definida como sendo a vazão total, dividida pela área da seção transversal. A Q V (2.11) 4. Outros métodos utilizados para escolha dos pontos de medição sobre uma vertical. 4.1 Método da velocidade superficial Consiste em medir a velocidade em apenas um ponto, na superfície. Tal como no caso de flutuadores devemos fazer uma correção com um coeficiente variando entre 0,75 e 0,9 (em geral se utiliza 0,85). Não é recomendado por ser pouco preciso. 4.2 Método do ponto único 37 O estudo da distribuição teórica de velocidade em canais abertos mostra que a velocidade média sobre uma vertical situa-se a 0,6d da superfície. Isto justifica, usar um único ponto de medição numa vertical, situado, a uma distância da superfície igual a 60% da profundidade total na vertical. 60,m VV (2.12) Este método deve ser utilizado para profundidades pequenas, e/ou próximo às margens, principalmente em trabalhos que exijam rapidez. 4.3 Método dos dois pontos A velocidade média na vertical pode ser obtida aproximadamente por: 2 8020 ,, m VV V (2.13) onde V0,2 e V0,8 são respectivamente as velocidades obtidas a 20% da profundidade (0,2d) e 80% da profundidade (0,8d), contadas a partir da superfície. Este processo é bastante utilizado, pela rapidez que oferece. Entretanto, é importante salientar que se podem cometer erros importantes, pois nos cursos d’água naturais nem sempre se verifica esta lei (Ver figura demonstrativa de perfis de velocidade, em anexo). É importante sempre verificar a viabilidade da aplicação deste método na seção de trabalho, o que pode ser feito através de comparações com medições mais detalhadas. 4.4. Método dos três pontos: Mais preciso que os dois anteriores. Baseia-se no desenvolvimento parabólico das velocidades na vertical. Duas equações são sugeridas para este caso. Aconselha-se testar qual das duas é a mais indicada. 4 VV2V V 8,06,02,0 m (2.14) 3 VVV V 8,06,02,0 m (2.15) 4.4 Método dos cinco pontos Mede-se as velocidades em cinco pontos na vertical: Vs, V0,2, V0,6, V0,8, VF. São sugeridas as equações: 8 )(2 8,06,02,0 sf m VVVVV V 5 8,06,02,0 FS m VVVVV V 38 10 323 8,06,02,0 sf m VVVVV V 4.4. Método dos pontos múltiplos Faz-se uma medida próxima à superfície e outra próxima ao fundo. Faz-se a seguir diversas medidas intermediárias, procurando fazer o maior número possível de medidas. O número de medidas vai depender da profundidade na vertical e do tipo de equipamento que está sendo utilizado. Podemos adotar como regra prática, a distância entre os pontos igual ao diâmetro da hélice (quando se utiliza molinete hidrométrico). Calcula-se a velocidade média pelos métodos vistos anteriormente: )1(2 ).....(2 21 n VVVVV V snf m n VVV V nm .....21 5. Técnicas de medição da descarga líquida utilizando medidores pontuais. Medição com o uso de equipamentos para velocidades pontuais, tais como molinetes. a. medição à vau; Esse tipo de medição só pode ser adotado, quando o hidrometrista puder atravessar a pé o curso d’água (profundidades até um metro, largura até 10 m e velocidades compatíveis). O molinete fica solidário a uma haste metálica graduada, operado diretamente pelo hidrometrista. Figura 2. 10 - representação esquemática da medição a vau. Também podem ser utilizadas pequenas passarelas, construídas especialmente para medição da vazão ou existentes no local. As passarelas são necessárias para aqueles cursos d’água que apresentam altas velocidades. 39 Figura 2. 11 - Montagem de uma passarela para medição. b. medição aproveitando uma ponte; O uso de pontes é interessante, pois possibilita ao hidrometrista um trabalho até certo ponto, mais fácil. Preferencialmente, não devem haver pilares na calha do rio. O posicionamento é feito a partir de medidas na própria ponte. Se a ponte for esconsa, (diz-se ponte esconsa, quando seu eixo não for perpendicular ao eixo do rio), deve-se adotar uma correção para o valor da vazão calculada, conforme exposto abaixo: Eixo da ponte e = ângulo entre o eixo da ponte e a perpendicular às margens. e = distância entre verticais medida ao longo da ponte. = distância corrigida entre verticais. = e cos 40 Figura 2. 12 - Exemplo de correção para o caso de uma ponte esconsa. - A vazão é calculada como se a ponte fosse perpendicular ao eixo do rio, utilizando qualquer dos métodos já estudados. A vazão real é obtida através de uma correção que depende do ângulo entre a ponte e a perpendicular ao eixo do rio, conforme a equação abaixo: cosQQ e (2.16) onde: Q = vazão corrigida; Qe = vazão calculada na seção esconsa; = ângulo entre o eixo da ponte e a perpendicular ao eixo do rio. c. medição usando embarcação que se desloca utilizando um cabo estendido de margem a margem. Neste caso as distâncias entre verticais ficam perfeitamente definidas através de marcações adequadas sobre o cabo. Se por alguma razão o cabo não for instalado perpendicularmente ao eixo do rio, corrige-se a vazão conforme descrito no item anterior. d. medição usando embarcação que vai fundeando a cada vertical escolhida, com a posição do barco determinada a partir de terra por topografia tradicional (figura 16), ou utilizando bóias previamente posicionadas, ou no próprio barco, com o uso de sextante ou com o uso de GPS de boa precisão. A figura 2.16 mostra esquematicamente o posicionamento de uma vertical (ou bóia) localizada no ponto C. Figura 2. 13 - Exemplo para posicionamento de uma vertical de medição. d A B C C1 C2 h d2 d1 a b D g 41 Na figura 2.16 são representados todos os elementos de um triângulo, possíveis de serem utilizados para o posicionamento do ponto C. Basicamente o método consiste em implantarmos uma base AB de comprimento d, a uma distância g da margem dorio. O barco está localizado em C distante h da linha de base. Instalando-se dois teodolitos nos pontos A e B, mede-se, simultaneamente os ângulos A e B. Através das relações trigonométricas e pelas propriedades dos triângulos posiciona-se o ponto C corretamente. Conhecendo-se os ângulos A e B e a base d, aplicando as propriedades dos triângulos, podemos calcular h, através de: Csen BsenAsend h (2.17) Podemos ainda, utilizar somente um dos triângulos retângulos, por exemplo CDB, implantando na margem, a partir do pondo D, bandeirolas para garantirem o alinhamento. Deste modo, com um teodolito em B e duas bandeirolas na margem no trecho de DB, garantimos a posição C com boa precisão. Figura 2. 14 – posicionamento utilizando bandeirolas. A B C margem do rio D linha de visada 42 O ponto C fica determinado através do cálculo de BC: tgABBC (2.18) É interessante observar que a distância BC e o ângulo devem ser, preferencialmente, predeterminados no escritório, de modo a evitar perda de tempo em campo. Observar que neste caso o triângulo ABC deve ser sempre um triângulo retângulo, com o ângulo reto em B. e. medição através de carrinho aéreo, suspenso por cabos, que leva o hidrometrista, (sistema teleférico). f. medição através de sistema teleférico com comando do posicionamento do equipamento de medição a partir da margem; g. medição com a embarcação em movimento, para rios largos e profundos, com apoio (posicionamento) de terra, ou GPS; h. medição com a embarcação em movimento, para rios largos, sem apoio de terra (Método do barco móvel); i. medição com equipamentos que utilizam ultra-som (tipo ADCP). j. medição utilizando estruturas rígidas (vertedores, calhas) As tabelas 2.3 e 2.4 são exemplos de planilhas de campo. Observar que a planilha de campo pode ser adaptada conforme a situação. 43 Tabela 2. 3 - Exemplo de planilha de campo utilizada no IPH para mediçöes das vazões líquidas. Para o cálculo das áreas se utiliza o método de Simpson. U.F.R.G.S. – I. P. H. – HIDROMETRIA FICHA PARA MEDIÇÃO DE DESCARGA RIO ( ) ARROIO ( ) PERFIL DATA: MOLITENE Nº HÉLICE Nº OPERADOR CÁLCULO CONFERE HORA: Início: Fim: RÉGUA Início Fim Resumo: Q= A= VM= Nº Distância Sondagem P.P. R T V P.P. R T V P.P. R T V P.P. R T V VMv VMs As Qs 44 Tabela 2. 4 - Modelo de planilha utilizado pela CPRM Utiliza-se para o cálculo das áreas o método da meia-seção. ESTAÇÃO __________________________________ RIO ____________________________________________ SEÇÃO _____________________________________ TEMPO ___________ VENTO ____________ INICIO INICIO FIM FIM COTA HORA EQUIPE TIPO DE MEDIÇÃO SERIE 1ª EQUAÇÃO LASTRO MOLINETE Nº TRANSIÇÃO 2ª EQUAÇÃO HASTE TESTE DIST P. INIC. LARG PROF Nº ROT TEMPO PONTO MÉDIA COEF ANG ÁREA X COEF DESCARGA SEGMENTO DIST P. INIC. LARG PROF Nº ROT TEMPO PONTO MÉDIA COEF ANG ÁREA X COEF DESCARGA SEGMENTO RESUMO Nº MEDIÇÃO DATA COTA MÉDIA DESCARGA ÁREA LARGURA PROF. MÉDIA VELOC. MÉDIA / / cm m 3 /s m² m m m/s 45 CAPÍTULO 3 Escoamento em canais abertos: noções básicas 1. Caracterização do escoamento 2. Cálculo do escoamento em regime uniforme 3. Noções de alturas de escoamento crítica e normal. 4. Energia específica e profundidade crítica 5. Controle 6. Projeto de canal 7. Dispositivos estruturais para medição de descarga líquida. a. Calha ou Medidor Parshall b. Vertedores 46 3 - Escoamento em canais abertos: noções básicas Os canais abertos caracterizam-se por apresentarem a superfície líquida submetida à pressão atmosférica. Esses condutos abrangem os cursos d’água naturais; os canais artificiais de irrigação ou de drenagem; os condutos de drenagem subterrânea, os condutos de esgotos, e as canalizações onde o líquido não preenche totalmente a seção de escoamento. 3.1. Caracterização do escoamento Um canal sem contribuições nem perdas de água pelas laterais, obedece a equação de continuidade: 2211 VAVAQ (3. 1) onde: Q = vazão total A = área da seção V = velocidade média na seção. O balanço total de energia entre duas seções conhecidas, S1 e S2, é a composição, principalmente, entre a velocidade do escoamento (energia cinética), a energia de pressão, da lâmina d’água (energia de posição ou potencial ou de gravidade). Figura 3. 1 - escoamento em um trecho curto. Aplicando a equação de Bernoulli às seções S1 e S2, e levando em conta que a pressão é idêntica à pressão atmosférica e portanto constante ao longo do canal, temos: HH g2 V dZ g2 V dZ 2 2 22 2 1 11 (3. 2) S1 S2 Z1 Z2 V21/2g V22 /2g d1 d2 H linha de energia linha d’água fundo do canal plano de referência J ou linha de carga 47 Onde: Z = posição do fundo em relação a um nível de referência; d = profundidade da lâmina d’água; V = velocidade média na seção; H = perda de carga entre as seções S1 e S2; H = carga total. Z + d = energia potencial da partícula d’água na superfície, em relação a um nível de referência; g2 V2 altura representativa da energia cinética. , J, = respectivamente, declividade da linha de energia, declividade da linha d’água e declividade do fundo. 1.1. Regime dos escoamentos 1.1.1. Escoamentos permanente e não permanente: a. permanente e uniforme: Q1 = Q2 d1 = d2 V1 = V2 J = = b. permanente e variado: Q1 = Q2 d1 d2 V1 V2 O escoamento variado pode ser gradual ou rapidamente variado; e ainda retardado, quando a velocidade diminui no sentido do fluxo ou acelerado, quando a velocidade aumenta no sentido do fluxo. Figura 3. 2 – Escoamento variado em regime permanente (Jacon & Cudo) - Zona A – regime uniforme Zona B – regime gradualmente variado, retardado (remanso de elevação) Zona C – regime rapidamente variado, acelerado (remanso de abaixamento) Zona D – regime rapidamente variado, retardado (ressalto hidráulico) Zona C – regime uniforme A B C D E 48 A definição de escoamento permanente não é, a rigor, aplicável aos cursos d’água naturais, onde o nível d’água varia ao longo do tempo, justificando as de medições fluviométricas. Excetuando as cheias rápidas, onde o nível d’água também varia rapidamente, a evoluçãoda vazão é suficientemente lenta, para que o regime possa ser considerado permanente. O regime é não permanente, quando o trecho é percorrido por uma onda de cheia natural ou artificial, e quando, embora com a descarga constante, ocorra variação da velocidade média e da declividade da superfície, devido a influência das condições de jusante (queda d’água, enchimento de reservatório, maré, etc.). c. não permanente: Q1 Q2 d1 d2 V1 V2 1.1.2. Classificação segundo Froude e Reynolds a. escoamentos laminares (Re 500) e turbulentos (Re 2000) dizem respeito ao número de Reynolds (equação 28), definido como a relação entre as forças inerciais e as forças viscosas, referindo-se à viscosidade e turbulência das partículas: VR Re (3. 3) onde: Re = número de Reynolds V = velocidade média do escoamento R = raio hidráulico, definido como a relação entre a área da seção e seu perímetro molhado. = viscosidade cinemática. b. Escoamento crítico (Fr = 1), fluvial (ou subcrítico, lento, tranquilo) (Fr < 1), torrencial (ou supercrítico, rápido) (Fr > 1) dizem respeito ao número de Froude (equação 29), definido como a relação entre as forças inerciais e gravitacionais. dg V Fr (3. 4) onde: Fr = número de Froude V= velocidade média do escoamento g = aceleração da gravidade d = profundidade da seção. 3.2. Cálculo do escoamento em regime uniforme No escoamento uniforme a linha de energia (ou linha de carga) é paralela ao fundo e à superfície livre. O escoamento uniforme é raramente observado em cursos d’água naturais, mas através de procedimentos adequados, podemos utilizar os parâmetros determinados através das equações estabelecidas para regime uniforme, para a determinação da vazão para extrapolação da curva-chave e para determinação do coeficiente de rugosidade do leito. 2.1. Equação de Chézy Esta fórmula foi estabelecida em 1775, sendo considerada a expressão fundamental para regime uniforme. RJCV (3. 5) 49 onde: R = raio hidráulico (definido como o quociente entre a área da seção e o perímetro molhado). V = velocidade média na seção J = declividade da linha de energia C = função da natureza do leito e do raio hidráulico, e pode ser expresso em função das equações de Strickler ou Manning. 2.2. Equações de Manning e Strickler. Estas fórmulas, dadas a seguir, são geralmente utilizadas para o cálculo estimativo das vazões máximas, que não podem ser medidas no campo. Strickler: 2 1 3 2 JRKV (3. 6) Manning: 2 1 3 2 JR n 1 V (3. 7) Onde: K e n são os coeficientes de rugosidade do leito. Examinando as expressões acima, percebemos que a diferença básica destas equações aparece na definição do coeficiente de rugosidade. Sendo: n 1 K (3. 8) O coeficiente de Chézy pode ser expresso, utilizando a equação de Strickler, através da relação: 6 1 RKC (3. 9) Tabela 3. 1 - Valores indicativos para o coeficiente de rugosidade de Strickler: Canais com revestimento de concreto bruto 53 a 57 Canais com bom revestimento, bem alisado 80 a 90 Galerias de concreto, lisas 90 a 95 Galerias escavadas em rocha 25 a 40 Canais antigos com depósitos ou vegetação 43 a 52 Canais de terra 30 a 40 Canais com fundo não revestido: seixos grandes 35 seixos médios 40 pedra fina 45 pedra fina e areia 50 areia fina até 90 Canais de alvenaria bruta 50 Canais de alvenaria comum 60 Canais de tijolos ou pedra aparelhada 80 Canais muito lisos até 90 ou mais Rios e arroios com fundo rochoso, rugoso 20 Rios e arroios com fundo medianamente rugoso 20 a 28 Fonte: Neves, E.T., 1970, Curso de Hidráulica 3.3. Noções de alturas de escoamento crítica e normal. Para um escoamento em regime uniforme, considerando-se por exemplo a equação de Strickler, definidas as características geométricas de um canal, para cada altura da lâmina d’água, existirá somente uma vazão. Esta altura é denominada altura normal (dn). 50 3.1. Energia específica e profundidade crítica Figura 3.3 – profundidade crítica. Define-se profundidade crítica, com sendo o limite entre o escoamento lento e rápido. É definida pelo número de Froude. Define-se energia específica de uma corrente líquida, numa seção qualquer, como sendo a energia por unidade de peso da corrente que passa pela mesma. A energia específica representa a energia devida à profundidade do local e à energia cinética do escoamento. Pode ser escrita através da equação: 2 22 e Ag2 Q d g2 V dE (3. 10) Definindo uma largura média (b) para uma dada seção, é possível aproximar o valor da profundidade crítica pela equação, 3 2 3 2 2 c g q bg Q d (3. 11) onde q = m3/s.m = m2/s A figura 3.4 mostra a equação 3.10 graficamente, permitindo uma melhor compreensão dos parâmetros definidos nas equações acima. escoamento supercrítico dc Escoamento subcrítico dc = profundidade crítica d g2 V2 Ec Ee dc d regime subcrítico regime supercrítico 51 Figura 3. 4 – visualização gráfica da equação 3.10. 3.4. Controle A função da seção de controle hidráulico, cuja noção já foi estudada anteriormente, pode ser melhor entendida à luz do conhecimento da caracterização dos escoamentos e da noção de profundidade crítica. Controle de uma seção hidrométrica pode ser agora, melhor definido, tal seja: o escoamento em uma seção fluviométrica está sob controle, quando as características geométricas do trecho são invariáveis, de tal forma que o nível d’água seja um parâmetro estável da descarga líquida, ou seja a cada cota corresponde somente uma descarga. Supõem-se portanto, que o escoamento seja permanente ou que a variação temporal da descarga seja pequena. Levando em conta a definição de regime uniforme e regime crítico, podemos classificar o controle em dois tipos básicos, o controle de canal e o controle de seção. a. Controle de canal O escoamento em um rio geometria regular tende a ser “quase” uniforme. Esta situação é comumente encontrada em rios de planície. Nestes escoamentos cada descarga é associada à altura normal, que depende da geometria (o perfil ter geometria regular), da rugosidade e da declividade do leito do rio. b. Controle de seção Uma seção de controletotal ou completo identifica-se como uma seção crítica, isolando totalmente o trecho de jusante do trecho de montante, de maneira que o trecho de jusante não influencia hidraulicamente o trecho de montante. Em casos que o trecho de montante sofre influência parcial daquele de jusante, o controle é dito parcial. Se a seção crítica não desaparece com o aumento do nível, o controle é dito não afogado, sendo portanto, um controle completo permanente, ou seja um controle perfeito. Se, quando o nível atinge determinada cota a seção crítica desaparece, o controle é dito afogado e a partir desta cota o controle passa a ser parcial. Sabe-se que o escoamento é sensível às condições de jusante; entretanto nem sempre é evidente sua identificação. 3.5. Projeto de canal A partir de dados conhecidos de vazão, declividade e características geométricas do canal, é possível determinar sua profundidade normal (d), a partir de algumas características geométricas do canal, previamente estabelecidas. Utilizando a equação de Strickler ou Manning, determinamos a profundidade normal, como segue: m 1 L d ds b B h e 52 Figura 3.5 - Elementos geométricos de um canal trapezoidal. Fazendo m = 0, obteremos uma canal retangular. d 2 bB A ; mde ; 2m1dh ; e2bB ; h2bP ; P A R onde A, P e R são respectivamente área molhada, perímetro molhado e raio hidráulico; ds é a margem de segurança, e L a largura total do canal. Usando Strickler, e isolando d, ficamos com: 3 2 nn 2 n n 2 11n )mdb(d m1d2b )mdb(KJ Q d 3.12 Solução: a) arbitramos dn e calculamos dn+1; b) calculamos dn+2 = (dn+1 + dn)/2 , retornamos à equação 3.12, substituímos dn por dn+2 e calculamos dn+3; c) calculamos dn+4 = (dn+2 + dn=3)/2, retornamos à equação 3.12 e calculamos dn+5; d) verificamos se Idn+4 – dn+5I ≤ 0,01; e) continuamos o procedimento até a relação definida em d) for cumprida. Tabela 3.2 – Declividades recomendadas para os taludes laterais. Tipo de solo m Arenoso ≥3 Barro-arenoso 2,0 - 2,5 Barro argiloso 1,5 - 2,0 Argiloso 1,0 - 2,0 Cascalho 1,0 - 1,5 Rocha 0,25 - 1,0 Tabela 3.3 - Máxima velocidade média recomendada. Tipo de solo V (m/s) Arenoso 0,3 - 0,7 Barro-arenoso 0,5 - 0,7 Barro argiloso 0,6 - 0,9 Argiloso 0,9 - 1,5 Cascalho 0,9 - 1,5 Rocha 1,2 - 1,8 53 3.6. Exercícios: 1. Calcular a vazão para um canal com as características abaixo: A = 12 m2 R = 1,15 m J = 0,00012 m/m K = 35 m1/3/s Resp.:Aplicando a equação 6, obtemos: V = 0,42 m/s Logo Q = AV = 5,05 m3/s 2. Supondo que uma medição de vazão tenha determinado que um canal tenha uma velocidade média de 0,37 m/s, sabe-se que a declividade do leito é de 0,2 m/km. O raio hidráulico é de 1,5 m. Calcular a rugosidade do leito. Resp.: Aplicando a equação 6, obtemos: K = 20 m1/3s 3. Dimensionar um canal em alvenaria bruta, com seção retangular, e profundidade máxima de 2,5m. A vazão máxima é de 15 m3/s e a velocidade máxima de 0,65 m/s. Resp.: Sabendo que Q = AV, obtemos A = 23,07 m2. Logo se o canal possui seção retangular, calculamos a largura b = 9,23 m e R = 1,62 m. A partir da tabela encontramos K = 40 m1/3/s e pela equação 6 calculamos J = 0,14 m/km. 4. Dimensionar (d, L, ds) um canal um canal em terreno arenoso, sabendo que a declividade máxima do terreno é 0,08 m/km e a vazão máxima admissível é 5000 l/s. Resp.: Consultando as tabelas 3.2 e 3.2, obtemos m = 3 e 0,3 ≤ V ≤ 0,7 m/s. Seguindo o procedimento indicado para resolução da equação 3.12, obtemos: - adotando K = 50 m1/3/s, m = 3 e b = 3m, obtemos: ds = 1,54m e V = 0,42 m/s,. - adotando uma folga de 0,50 m para a margem de segurança, tem-se: - altura total do canal = d + ds = 2,04 m - largura da base: b = 3 m - talude: m = 3 - largura máxima do canal: L = 15,24 m - com a folga proposta (ds = 0,50m) o canal fica com uma capacidade para suportar até 9,2 m3/s, mantendo velocidade de escoamento compatível com o terreno. - se a região for submetida a ventos fortes, principalmente ao longo do eixo do canal, devemos fazer uma previsão para proteção das margens, principalmente junto à linha d’água. 4. Dispositivos estruturais para medição de descarga líquida. 4.1 Calha ou Medidor Parshall Os medidores do tipo Parshall (fig.3.6) devem ser usados em canais onde não dispomos de altura suficiente para instalação de um vertedor. Devemos observar que o fundo do canal de jusante (ou de saída), deve estar situado em um nível inferior ao do canal de montante (entrada) da calha Parshall, com o fim de assegurar que não não ocorra afogamento, ou seja, que o nível de jusante alcance valores muito próximos ao de montante. A calha Parshall não sofre influência de líquidos contendo materiais em suspensão e por isso é recomendada para 54 essa condição. Também, no caso de canais com transporte de sedimentos por arraste, não sofre influência por não reter o material, pois possui fundo praticamente plano. Não alterando significativamente as condições naturais do curso d’água, nem o transporte de sedimentos. Estima-se que precisão de medição seja da ordem de 1%. A escolha deste tipo de dispositivo (tamanho) é determinada pela faixa de vazões que necessitamos medir, e o dispositivo propriamente dito fica definido pela largura da garganta. Ver tabela 3.4. Figura 3.6 - Características geométricas de um medidor Parshall. Onde: W – largura da garganta A – comprimento das paredes da seção convergente a – localização do ponto de medição ha, localizado a 2/3 de A ou 2/3 de B (ver figura 3.6), contado a partir da crista B – comprimento da seção convergente C – largura da saída D – largura da entrada da seção convergente E – profundidade total T – comprimento da garganta G – comprimento da seção divergente H – comprimento das paredes da seção convergente K - diferença de cota entre a saída e a crista M – comprimento da transição de entrada direção do fluxo crista 45º forma alternativa P D W C R a H hb ha A condutos para poços de leitura G M T B E ha hb N X Y K crista 55 N – profundidade do rebaixo P – largura da entrada da transição R – raio de curvatura X - abcissa do ponto de medição hb (1/3T) Y – ordenada do ponto de medição. A relação dos valores padrão dos medidores Parshall, é fornecida na tabela 3.4, onde é importante esclarecer, que os valores de M, P e R não são usados em em alguns casos, pois é possível fazer uma transição entre o canal e o dispositivo, através de uma parede vertical de 45º. Requisitos necessários para instalação: a. As velocidades de chegada devem ser maiores do que 0,3 m/s. É recomendado verificar estas velocidades antes da instalação do dispositivo. b. O canal de aproximação deve possuir um trecho reto, no alinhamento do eixo do medidor, de comprimento superior a 20ha, a montante da garganta de medição. c. O fundo do canal de saída deve estar em cota inferior à do fundo do canal de aproximação. d. As características do canal de jusante devem ser tais, que não permitam a ocorrência de remanso que possa atingir o medidor. e. O terreno no local da construção deve ser estável e o canal de aproximação examinado quanto à possibilidade de deposição de sedimentos, ou de erosão, que
Compartilhar