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24 4. PRECIPITAÇÃO Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor da atmosfera depositada na superfície terrestre, no estado líquido ou sólido. Portanto o termo precipitação engloba tanto a chuva como outras formas de precipitação, como o granizo, neve, nevoeiro, neblina ou geada. Chuvisco: é a ocorrência de precipitação muito fina e de baixa intensidade; Chuva: é a ocorrência de precipitação na forma líquida. 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 atingem diâmetro maior que 5mm; Orvalho: a condensação do vapor de água do ar sobre os objetos nas noites frias; Geada: é a deposição de cristais de gelo, fenômeno semelhante a formação do orvalho, porém com temperatura inferior a 0 ºC. Para as condições de clima do Brasil a chuva é a forma de precipitação predominante e a sua ocorrência extrema ou ausência prolongada é responsável pelos maiores problemas hidrológicos. As demais formas de precipitação tem pouca importância nos processos hidrológicos, não sendo considerado neste capítulo. 4.1. Formação das Precipitações. A formação da precipitação se dá pelo resfriamento da massa de ar úmida, que quando atinge seu ponto de saturação, parte da umidade se transforma em aerosol (minúsculas gotículas de água com diâmetro menor que 0,03 mm). Essas gotículas permanecem em suspensão até que por um mecanismo de crescimento aumentam de tamanho e precipitam. Os processos de crescimento de gotas mais importantes são a coalescência e a difusão de vapor. O tamanho das gotas de chuva tem diâmetro entre 0,5 a 2 mm, com máximo de 5,5 mm. Acima desse valor elas se rompem em gotas menores pela resistência do ar. Tabela 1 .Tipos de precipitação Tipo de Precipitações intensidade (mm/hora) Diâmetro médio das gotas (mm) Velocidade de queda (m/s) Nevoeiro 0,25 0,2 - Chuva leve 1 a 5 0,45 2,0 Chuva forte 15 a 20 1,5 5,5 Tempestade 100 3,0 8,0 25 4.2. Classificação da Precipitação As chuvas podem ser classificadas basicamente em três tipos conforme: a) Precipitações Frontais ou ciclônicas. Resultam da ascensão do ar quente sobre o ar frio na zona de contato entre duas massas de ar com características diferentes. Quando a massa de ar frio se move em direção a massa de ar quente a frente é conhecida como “frente fria”, e ao contrário é dita “frente quente”. Em Santa Catarina as frentes frias assumem grande importância na distribuição das chuvas durante o ano todo. Figura 1. Representação da chuva frontal. As precipitações frontais se caracterizam por ser chuvas de intensidades médias porém com longa duração, abrangendo grandes áreas e podendo assim causar inundações em grandes bacias. b) Precipitações Orográficas. Chuvas causadas pelo resfriamento da massa de ar úmido que ao encontrar uma barreira de montanhas é forçada a se elevar. São chuvas de intensidade variável e grande duração, abrangem áreas relativamente pequenas e caracterizam-se por serem freqüentes. Em Santa Catarina as chuvas orográficas determinam os maiores totais pluviométricos próximo a Serra do Mar. Figura 2. Representação de chuvas orográficas 26 c) Precipitações Convectivas. São chuvas causadas pelo aquecimento desigual da superfície terrestre provocando uma elevação brusca da massa de ar à grandes altitudes. São características das tempestades ou trovoadas, ocorrendo com maior freqüência nos meses de verão. Essas chuvas são em geral de curta duração e alta intensidade, abrangendo áreas relativamente pequenas, causando portanto, alagamento em pequenas bacias hidrográficas. Muitas vezes ocorrem eventos associados que podem ser responsáveis por fenômenos que determinam a ocorrência de precipitações extremas com a conseqüência de inundações em grandes áreas como verificado nas grandes enchentes que atingiram o Estado de Santa Catarina na década de 80. Figura 3. Representação de chuvas convectivas. 4.3 Grandezas Características. Para a caracterização das chuvas deve-se considerar as seguintes grandezas: a) Altura Pluviométrica (h): É a quantidade de água precipitada por unidade de área. Representa a altura da lâmina de água que cobreria a área atingida pela precipitação, admitindo não haver perdas por escoamento, evaporação ou infiltração. Geralmente expressa em milímetros (mm), sendo que um milímetro de chuva corresponde ao volume de 1 litro por metro quadrado (1 l/m 2 ) de área ou 10 m 3 /ha. b) Duração (t): É o intervalo de tempo decorrido entre o início e o término da precipitação. Geralmente é medido em minutos ou horas. c) Intensidade (i): É a relação entre a altura h e a duração t da chuva. Geralmente é expressa em milímetros por minuto ou milímetros por hora. d) Freqüência (F). É dado pelo número de ocorrência de determinado valor de precipitação num intervalo de tempo. Para a aplicação da engenharia a freqüência da chuva é definida preferencialmente pelo período de retorno (T) medido em anos, significando que um evento de chuva com duração t e intensidade i será igualado ou superado em média uma vez a cada T anos. 27 4.4. Medidas de Precipitação. Os principais instrumentos utilizados para medir a chuva são o pluviômetro e o pluviógrafo. Os pluviômetros são aparelhos mais simples que acumulam a água da chuva no interior de um recipiente. A altura pluviométrica é dada pela relação entre o volume de água coletado e a área da superfície do pluviômetro, isto é: A V h 10 onde: h = altura pluviométrica (mm);V = volume coletado no pluviômetro (cm 3 ); A = área do pluviômetros (cm 2 ). Existem provetas calibradas para a medição da quantidade de precipitação diretamente em milímetros. Os pluviômetros normalmente são observados uma ou duas vezes por dia, não fornecendo o valor da duração da chuva, somente a altura pluviométrica. (a) (b) Figura 4. Pluviômetro (a) e Pluviógrafo (b). Os Pluviógrafos são instrumentos que registram a altura pluviométrica e a duração da chuva em gráficos, tendo a vantagem de fornecer a intensidade da chuva. Existem diferentes tipos de pluviógrafos, variando desde aparelhos que registram em gráficos diários, outros semanais. Também existem aparelhos eletrônicos que registram as informações em meio magnético. A precisão das medidas depende do tipo de aparelho utilizado. 28 4. 5. Análise de dados de Precipitação. Os dados de precipitação podem ser obtidos junto aos órgãos que tem as estações meteorológicas. No Brasil pode-se obter dados junto ao Instituto Nacional de Meteorologia (Inmet), Agência Nacional de Águas (ANA) e vários órgãos estaduais. 4.5.1. Preenchimento de Falhas É comum a ocorrência de falhas nas séries de dados pluviométricos. No caso de séries de dados mensais ou anuais pode-se preencher estes dados faltantes. Método da Ponderação Regional. É um método simples e muito utilizado, em que o preenchimento do dado é feito com base dados de postos pluviométricos vizinhos, com clima semelhante. Para este procedimento deve-se utilizar pelo menos três postos vizinho a estimativa do dado é feita com base na equação abaixo: 3 3 2 2 1 1 y X Xm Ym X Xm Ym X Xm Ym 3 1 X onde: XY é a precipitação do posto Y a ser estimada; Ym = a precipitaçãomédia do posto Y X1, X2, X3 = as precipitações observadas nos três postos vizinhos; Xm1, Xm2, Xm3 = as precipitações médias dos postos vizinhos; Exercício 1: Na tabela 2 encontram-se os dados de precipitação do mês de janeiro de diversos postos pluviométricos da bacia do rio Araranguá. Com base nestes dados pede-se: a) Preencher os dados falhos; b) Recalcular as médias e comparar com as medias anteriormente calculadas. Preenchimento da falha do ano de 77 no posto de Sombrio (XY). Serão considerados os dados de três postos visinhos como: Posto 1: Araranguá (Xm1 = 148,5; X1 = 177,2) Posto 2: Meleiro (Xm2 = 183,3; X2 = 291,8) Posto 3: Forquilhinha (Xm3= 159,3; X3 = 255,0) 0,255 3,159 8,147 8,291 3,183 8,147 2,177 5,148 8,147 3 1 yX 1,2166,2363,2354,176 3 1 yX mm 29 Tabela 2: Dados de Precipitação total do mês de janeiro (mm) Ano 1 A ra ra n g u a 2 M el ei ro 3 F o rq u il h in h a 4 S o m b ri o 5 T im b é 6 U ru ss a n g a 7 Iç a ra 77 177,2 291,8 255,0 399,2 256,3 78 183,2 151,9 164,1 144,6 150,2 38,9 120,9 79 37,3 18,8 54,1 90,7 43,2 204,4 7,0 80 87,6 166,1 132,7 65,8 98,0 128,2 85,6 81 155,5 64,6 182,6 86,4 186,6 71,6 53,4 82 65,2 70,6 84,2 124,0 89,5 320,8 68,2 83 118,8 177,5 259,8 144,0 308,3 293,7 166,8 84 205,7 235,3 190,5 231,0 310,0 88,8 176,0 85 95,7 97,2 202,6 46,2 149,3 119,0 49,2 86 38,6 186,0 97,3 50,4 135,5 234,3 87 196,6 245,6 204,4 305,6 182,4 211,2 88 203,0 325,8 178,1 243,6 309,8 292,4 229,3 89 183,5 273,4 51,4 150,8 301,8 177,2 309,2 90 169,6 207,0 183,5 106,0 241,0 155,4 208,4 91 153,0 128,0 128,5 102,2 200,1 115,2 105,1 92 122,6 146,6 27,7 170,4 187,0 333,0 164,9 93 300,0 173,2 158,3 208,2 379,0 94,5 254,8 94 60,8 52,6 83,6 116,2 337,9 100,3 95 123,0 300,6 52,3 371,0 418,3 235,1 96 273,7 336,0 308,6 268,1 414,7 328,7 388,0 97 223,4 192,5 199,8 161,5 300,7 199,5 196,6 98 93,1 192,0 122,3 269,3 243,5 160,4 Média 148,5 183,3 159,3 147,8 232,6 210,4 162,1 30 4.5.2. Precipitação média numa área. Quando se está trabalhando com uma área relativamente grande, onde há informações de diversos postos pluviométricos, pode-se calcular a precipitação média na bacia de diversas formas como: a) Média Aritmética: Neste método a precipitação média na bacia é dada por: n Pi P n i 1 onde P = precipitação média na bacia; Pi = precipitação no posto i; n = número de postos pluviométricos na bacia. Este método pode ser utilizado em áreas com uma boa cobertura de postos pluviométricos, distribuídos uniformemente na bacia, sob pequena influência orográfica. b) Método de Thiessen Neste método a precipitação média é calculada pela média ponderada, sendo o fator de ponderação a área de influência de cada posto. Para determinar a área de influência do posto unem- se os postos vizinhos com linhas retas, e no ponto médio de cada reta são traçadas linhas perpendiculares. Essas perpendiculares são prolongadas até encontrarem com outra perpendicular ou até o divisor da bacia. A área delimitada pelas perpendiculares é a área de influência do posto, usada como fator de ponderação. A precipitação média será dada por: n nn i n i ii AAA APAPAP A AP P .... ..... 21 22111 Posto Precipitação (mm) Área (A) P x A 1 41,1 6,1 250,7 2 107,4 8,36 894,5 3 21.1 1,65 34,8 4 53,3 7,53 401.3 5 46,7 0,84 39,3 6 93,0 4,70 437,1 7 71,9 0,73 52,5 8 64,5 6,16 397,3 9 23,1 1,41 32,6 Soma 37,48 2.540 mmP 8,67 48,37 1,540.2 31 c) Método das isoietas Neste método são traçadas as isoietas (linhas com mesma quantidade de precipitação) na bacia, sendo que a precipitação média na bacia é dada pela media ponderada conforme: n nn i n i ii AAA APmAPmAPm A APm P .... ..... 21 22111 onde: Pmi = ponto média entre duas isoieta consecutivas, A = área da bacia entre duas isoieta Este método permite ao analista com base em outras informações (como o efeito orográfico) da área aplicar essas informações na delimitação da área. Isoietas Ponto médio Pm Área (A) Pm A 25 - 50 37,5 12,4 468,75 50 - 75 62,5 38,5 2.406,25 75 - 100 87,5 56,2 4.917,50 100 - 125 112,5 27,8 3.127,50 125 - 150 137,5 9,3 1.278,75 144,2 12.198,75 mmP 6,84 2,144 75,198.12 Exercício 2. Com base nos dados de precipitação da tabela 1, calcule a precipitação média para o mês de janeiro na bacia do Rio Araranguá pelo método da média aritmética e pelo método de Thiessen. 32 Posto A (cm²) A(km 2 ) 1 13,4 605,6 2 20,8 939,1 3 21,3 961,0 4 5,9 267,7 5 29,5 1334,0 6 14,1 636,3 7 6,1 276,5 Total 111,1 5020 33 4.5.3. Análise de Frequência de Chuvas Intensas. Nos trabalhos hidrológicos em geral não interessa somente o conhecimento das máximas precipitações observadas nas séries históricas, mas, principalmente prever , com base nos dados observados e valendo-se dos princípios de probabilidade, quais as máximas precipitações que possam vir a ocorrer numa certa localidade, com determinada freqüência (Villela e Mattos, 1975). A precipitação mais intensa é a menos freqüente. Quanto maior for a chuva de projeto, maior o custo do projeto e, conseqüentemente, menor o risco de a obra falhar. Entretanto, há um certo ponto em que os custos de seguridade do projeto ultrapassam os benefícios de redução de danos possíveis. Por isso, a escolha de determinado período de retorno é uma questão de otimização entre os fatores econômicos e de segurança da obra (Kessler e Raad, 1978). Considera-se como chuvas intensas o conjunto de chuvas cuja intensidade ultrapasse um valor pré-estabelecido para uma dada aplicação. A duração destas é bastante variável e a área atingida pelas mesmas pode variar de poucos quilômetros (chuvas convectivas) até milhares de quilômetros quadrados, como ocorre com as chuvas frontais (Garcez, 1976). Na tabela 5 estão apresentados os limites para a consideração de chuvas intensas conforme dois autores. Val (1985) em observações efetuadas durante seis anos nos Estados Unidos observou ainda que essas chuvas representaram 37 % do total das precipitações, contribuindo com 73 a 80 % das perdas de solo. Tabela 3. Intensidades mínimas de chuva (mm/h) para serem consideradas como chuvas Intensas . Duração (minutos) Autor Wilken (1978) Val (1985) 05 120,0 75 10 72,0 15 60,0 35 20 51,0 30 40,0 25 45 40,6 60 25,0 20 90 18,7 120 15,0 180 11,0 240 8,7 4.5.3.1. Definição do Período de Retorno A chuva de projeto é um critério de precipitação máxima adotada na obtenção de hidrogramas de projeto, utilizados principalmente no dimensionamento de obras de drenagem urbana e rural. A definição da chuva de projeto deve considerar a natureza das obras a projetar e os riscos envolvidos quanto a segurança da população e as perdas materiais. 34 Para projetos de contenção de cheias, como barragens, onde acidentes ocasionam prejuízos com elevado risco de vida humana, é comum adotar período de retorno de 1.000a 10.000 anos. Nesses casos deve-se ter uma longa série de dados que permita a extrapolação dos valores com certa segurança. Para obras de canalização de cursos de água de pequenas bacias de drenagem, para controle de inundação, o período de retorno adotado varia entre 5 e 50 anos. Sendo os danos restritos somente á agricultura com perda na redução da produção agrícola, como nos projetos de irrigação e drenagem adota-se, em média, um período de retorno de 5 a 10 anos. Neste caso, uma série de dados histórica de 20 anos é suficiente (Wilken, 1978; Kessler e Raad, 1978). Na tabela 4 são apresentados alguns valores de período de retorno recomendados para diferentes tipos de obras hidráulicas que podem ser considerados como orientação. Tabela 4. Períodos de Retorno (T) recomendados para diferentes ocupações. Tipo de obra Tipo de ocupação da área T- Período de Retorno (anos) Microdrenagem Residencial 2 Comercial 5 Área com edifícios de serviço público 5 Aeroportos 2 a 5 Áreas comerciais e artéria de tráfego 5 a 10 Macrodrenagem Áreas comerciais e residenciais 50 a 100 Área de importância específica 500 Pequenos canais sem endicamento Rural 5 Urbano 10 Grandes canais sem endicamento Rural 10 Urbano 25 Pequenos canais com endicamento Rural 10 Urbano 50 Grandes canais com endicamento Rural 50 Urbano 100 Pequenos canais para drenagem urbana 5 a 10 Pontes em rodovias importantes 50 a 100 Pontes em rodovias comuns 25 Bueiros em rodovias importantes 25 Bueiros em rodovias comuns 5 a 10 Bocas de lobo 1 a 2 Vertedor de barragens importantes 10.000 35 4.5.3.2. Risco A definição do período de retorno presume que se assume um risco de ocorrer, em um ano qualquer, um fenômeno maior que a chuva de projeto adotada. Esse risco pode ser calculado como: N T 1 11J sendo: J = índice de risco, variando entre 0 e 1 ( 0 e 100 %) T = período de retorno (anos); N = número de anos considerado. Com essa equação pode-se estabelecer o risco assumido para projetos com período de retorno T durante diferentes períodos, conforme tabela 5. Tabela 5. Risco de falha. Período de Retorno T (Anos) Número de anos (N) 2 5 10 20 25 50 100 200 2 0,7500 0,9688 0,9990 * * * * * 5 0,3600 0,6723 0,8926 0,9885 0,9962 * * * 10 0,1900 0,4095 0,6513 0,8784 0,9282 0,9948 * * 15 0,1289 0,2918 0,4984 0,7484 0,8218 0,9682 0,9990 * 20 0,0975 0,2262 0,4013 0,6415 0,7226 0,9231 0,9941 * 25 0,0784 0,1846 0,3352 0,5580 0,6396 0,8701 0,9831 0,9997 50 0,0396 0,0961 0,1829 0,3324 0,3965 0,6358 0,8674 0,9824 100 0,0199 0,0490 0,0956 0,1821 0,2222 0,3950 0,6340 0,8660 * Valores muito próximos a 1,0. Observe que existe um risco de 40,95 % de que ocorra, nos próximos 5 anos, uma precipitação superior a aquela projetada com período de retorno de 10 anos. Definindo-se o risco assumido pode-se calcular o período de retorno de um evento como: N1J11 1 T Exemplificando, para um sistema de drenagem projetado para 10 anos com risco assumido de 20 % o período de retorno a ser adotado deve ser de 45,3 anos. 36 4.5.3.3. Série de dados A freqüência das chuvas pode ser calculada pela análise de uma série de dados observados. Série total: Para a análise de chuvas os dados podem ser considerados na sua totalidade, o que constitui uma série total Série parcial: é a série formada pelos valores os superiores a um certo limite inferior Série de máximas anuais: é a série formada somente pelos máximos de cada ano. Para estudo de chuvas intensas pode-se empregar a série parcial ou série de máxims anauis ( Kessler e Raad, 1978 Villela e Mattos, 1975). A série anual consiste somente de um evento para cada ano e tem como desvantagem o fato de desconsiderar os segundos, terceiros, etc., maiores eventos de um dado ano qualquer que podem ser superiores a um evento máximo de outro ano. A série parcial considera todos os valores acima de uma certa magnitude. O menor valor é selecionado de forma que pelo menos um evento de cada ano seja incluído na série parcial. A freqüência (F) de um evento que é observado m vezes num período de n anos pode ser calculada como sendo: n m F Na hidrologia é comum utilizar o termo Tempo de Recorrência ou Período de Retorno (T) como sendo o intervalo médio em anos em que um determinado evento pode ocorrer ou ser superado, dado pelo inverso da freqüência, isto é: F 1 T Este é um termo probabilístico e não contém inferências sobre a periodicidade. O intervalo de recorrência de uma série anual e parcial tem significados diferentes. Para a série anual o intervalo de recorrência significa o número médio de anos entre a ocorrência de um evento de dada magnitude como a máxima anual. Na série parcial o intervalo de recorrência não implica no máximo anual. A decisão de usar a série anual ou parcial depende do uso que se dá a análise de frequência. Para estruturas como, por exemplo, de proteção contra erosão, que são sensíveis não só ao pico como a sucessivos altos valores, a análise a partir de séries parciais parece ser mais conveniente. Já nos projetos em que e considera somente a condição mais crítica deve se usar a série de máxima anual. Para fins práticos, o uso das séries parcial ou de máximas anual não difere muito, exceto para pequenos períodos de retorno. Kessler e Raad (1978) apresentaram uma relação teórica entre os períodos de retorno das séries parcial e anual )1ln(ln 1 aa p TT T Tp = intervalo de recorrência para a série parcial; Ta = intervalo de recorrência para a série anual 37 Para valores de Tp acima de 3 esta relação aproxima-se de Ta = Tp – 0,5 Para períodos de retorno superiores a 5 anos não há diferença significativa se a análise é feita com a série de máximas anual ou parcial como pode ser visualizado na figura 5. A estimativa da freqüência das chuvas pode ser feita empregando o método empírico ou um método estatístico. Figura 5. Período de Retorno de chuvas intensas de Chapecó. 4.5.3.4. Método empírico. Pelo método empírico pode-se estimar a freqüência da chuva seguindo os seguintes passos: 1- Ordenar os dados em ordem decrescente, 2- Estabelecer um número de ordem m, iniciando com m = 1 para o maior valor e m = n para o menor valor, sendo n o número de dados na série; 3- Calcular a freqüência F de valores maiores ou iguais ao valor considerado utilizando a seguinte expressão: 1 n m F 4- Calcular o período de retorno (T) pela expressão: F T 1 A aplicação deste método é exemplificada na tabela 6. Estes dados podem ser plotados em papel Logarítmico para avaliar a qualidade do ajuste, bem como interpolar os valores de precipitação máxima para o período de retorno desejado (Figura 6). 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 1 10 100 Período de Retorno T (Anos) Pr ec ip ita çã o (m m ) Série Parcial Série de máximas anuais 38 Tabela 6. Série de precipitação máxima observada no posto pluviométrico de Chapecó,SC. Ano Precipitação Máxima anual Precipitação ordenada m 1n m F m 1n T 1974 95,8 200,9 1 0,0370 27,00 1975 82,0 149,2 2 0,0741 13,50 1976 72,1 148,9 3 0,1111 9,00 1977 122,6 141,0 4 0,1481 6,75 1978 68,6 130,3 5 0,1852 5,40 1979 101,1 122,6 6 0,2222 4,50 1980 69,1 116,6 7 0,2593 3,861981 73,3 113,0 8 0,2963 3,38 1982 84,1 107,1 9 0,3333 3,00 1983 200,9 103,3 10 0,3704 2,70 1984 67,2 101,1 11 0,4074 2,45 1985 69,2 95,8 12 0,4444 2,25 1986 149,2 92,4 13 0,4815 2,08 1987 88,0 91,6 14 0,5185 1,93 1988 116,6 88,0 15 0,5556 1,80 1989 70,6 84,1 16 0,5926 1,69 1990 148,9 82,6 17 0,6296 1,59 1991 107,1 82,0 18 0,6667 1,50 1992 103,3 73,3 19 0,7037 1,42 1993 70,4 72,1 20 0,7407 1,35 1994 141,0 70,6 21 0,7778 1,29 1995 82,6 70,4 22 0,8148 1,23 1996 113,0 69,2 23 0,8519 1,17 1997 91,6 69,1 24 0,8889 1,13 1998 92,4 68,6 25 0,9259 1,08 1999 130,3 67,2 26 0,9630 1,04 Figura 6. Precipitação máxima esperada para Chapecó, SC. O método empírico permite estimar a precipitação máxima com período de retorno T N/2. Quando se necessita de períodos de retorno maiores, tendo que extrapolar os dados deve-se usar o método estatístico, onde a distribuição das freqüências observadas deve ser ajustada a uma lei probabilística teórica. 0 50 100 150 200 250 300 1 10 100 Período de Retorno T (Anos) Pr ec ip ita çã o m áx im a (m m ) 39 4.5.3.5. Método Estatístico. Existem várias distribuições probabilísticas que podem ser usadas no estudo de chuvas intensas como a distribuição Log-Normal, distribuição Pearson, Log-Pearson e a distribuição de Extremos tipo I, também chamada de Distribuição de Gumbel. Para chuvas intensas existem vários trabalhos mostrando que a distribuição de Gumbel se ajusta bem e por isso tem sido largamente empregada. Para a sua aplicação é indispensável ter uma série de máximos valores anuais. Pela distribuição de Gumbel-Chow a precipitação extrema (XT) com período de retorno T pode ser estimada pela equação: n nT S S YYxX )( x é a média dos valores observados de X; S é o desvio padrão dos valores observados de X; Yn, Sn são, respectivamente, a média e o desvio padrão da variável reduzida y, tabelados em função do número de valores da série de dados (Tabela 8). em que: T y 1 1lnln Para o cálculo de um valor de precipitação máxima pode-se seguir os seguintes passos. 1) Calcular a média dos valores extremos: mm4,100 26 )3,130...0,828,95( N Xi x 2) Calcular o desvio padrão dos valores observados; mm N xXi S 85,32 1 )( 2 3) Para cada período de Retorno (T) calcular a variável Y: T Y 1 1lnln Para T = 10 anos 250,2 10 1 1lnln Y 4) Obter os parâmetros Yn e Sn da tabela 5 em função do número de anos da série de dados (N). Para N = 26 anos, Yn = 0,5321 e Sn = 1,0961 5) Calcular o valor máximo esperado: n n S S YYxX )( mm9,151 0961,1 85,32 )5321,0250,2(4,100X Com esses dados os parâmetros da distribuição seriam: = 0,0334 = 84,48. A precipitação estimada nos diversos períodos de retorno é apresentada na tabela 7. 40 Tabela 7. Precipitação máxima diária estimada pelo método de Gumbel para Chapecó, SC. Período de Retorno T Probabilidade P[Xx] Probabilidade P[Xx] Variável Reduzida Y Precipitação estimada (mm) Erro padrão (mm) 2 0,5000 0,5000 0,3665 95,5 5,9 5 0,2000 0,8000 1,4999 129,4 10,9 10 0,1000 0,9000 2,2504 151,9 15,1 20 0,0500 0,9500 2,9702 173,5 19,3 25 0,0400 0,9600 3,1985 180,3 20,7 50 0,0200 0,9800 3,9019 201,4 24,9 100 0,0100 0,9900 4,6001 222,3 29,1 500 0,0020 0,9980 6,2136 270,7 38,9 1000 0,00010 0,9990 9,2103 360,5 57,2 Tabela 8. Média (Yn)e desvio padrão (Sn) da variável reduzida para diferentes valores do tamanho da amostra (N) N Yn Sn N Yn Sn N Yn Sn 10 0,4952 0,9496 40 0,5436 1,1413 70 0,5548 1,1854 11 0,4996 0,9676 41 0,5442 1,1436 71 0,5550 1,1863 12 0,5035 0,9833 42 0,5448 1,1458 72 0,5552 1,1872 13 0,5070 0,9971 43 0,5453 1,1479 73 0,5555 1,1881 14 0,5100 1,0095 44 0,5458 1,1499 74 0,5557 1,1890 15 0,5128 1,0206 45 0,5463 1,1518 75 0,5559 1,1898 16 0,5154 1,0306 46 0,5468 1,1537 76 0,5561 1,1907 17 0,5177 1,0397 47 0,5472 1,1555 77 0,5563 1,1915 18 0,5198 1,0481 48 0,5477 1,1573 78 0,5565 1,1923 19 0,5217 1,0557 49 0,5481 1,1590 79 0,5567 1,1931 20 0,5236 1,0628 50 0,5485 1,1607 80 0,5569 1,1938 21 0,5252 1,0694 51 0,5489 1,1623 81 0,5571 1,1946 22 0,5268 1,0755 52 0,5493 1,1638 82 0,5573 1,1953 23 0,5282 1,0812 53 0,5497 1,1653 83 0,5574 1,1960 24 0,5296 1,0865 54 0,5501 1,1668 84 0,5576 1,1967 25 0,5309 1,0914 55 0,5504 1,1682 85 0,5578 1,1974 26 0,5321 1,0961 56 0,5508 1,1695 86 0,5580 1,1981 27 0,5332 1,1005 57 0,5511 1,1709 87 0,5581 1,1988 28 0,5343 1,1047 58 0,5515 1,1722 88 0,5583 1,1995 29 0,5353 1,1086 59 0,5518 1,1734 89 0,5584 1,2001 30 0,5362 1,1124 60 0,5521 1,1747 90 0,5586 1,2007 31 0,5371 1,1159 61 0,5524 1,1759 91 0,5588 1,2014 32 0,5380 1,1193 62 0,5527 1,1770 92 0,5589 1,2020 33 0,5388 1,1225 63 0,5530 1,1782 93 0,5591 1,2026 34 0,5396 1,1256 64 0,5532 1,1793 94 0,5592 1,2032 35 0,5403 1,1285 65 0,5535 1,1803 95 0,5593 1,2037 36 0,5411 1,1313 66 0,5538 1,1814 96 0,5595 1,2043 37 0,5417 1,1339 67 0,5540 1,1824 97 0,5596 1,2049 38 0,5424 1,1365 68 0,5543 1,1834 98 0,5598 1,2054 39 0,5430 1,1390 69 0,5545 1,1844 99 0,5599 1,2060 100 0,5600 1,2065 41 4.5.3.6. Intervalo de confiança Os parâmetros da distribuição estatística ajustada são estimativas dos parâmetros da população, baseados em uma amostra de tamanho limitado e portanto estão sujeitos a incertezas. Para cada valor de chuva estimado pode-se determinar o intervalo de confiança entre os quais a precipitação estimada se manterá. Na figura 6 estão representados os valores estimados de precipitação bem como o intervalo de confiança de 90 % dos valores de precipitação máxima. Para o período de retorno de 100 anos o valor estimado é de 222,3 mm, no entanto há 5% de probabilidade desse valor ser superior a 270,1 mm e 5 % de probabilidade desse valor ser inferior a 174,5 mm. Observa-se que o intervalo de confiança aumenta com o período de retorno e, portanto maior a incerteza no valor estimado (Figura 6). Também é estatisticamente comprovado que quanto maior a amostra, menor é a incerteza nos parâmetros estimados. Figura 7. Intervalo de confiança de 90 % para a precipitação máxima diária de Chapecó, SC. 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 1 10 100 1000 10000 Período de Retorno T (anos) Pr ec ip ita çã o (m m ) X X (97,5 %) X(2,5 %) 42 4.6. Relação Intensidade-Duração-Frequência Analisando os dados de precipitação observa-se que quanto maior a duração da chuva, menor é a sua intensidade. Também se observa que os maiores valores de intensidade são menos freqüentes. Estas relações podem ser traduzidas por curvas de Intensidade-Duração com determinada freqüência visualizadas na figura abaixo: Figura 8. Relação Intensidade-Duração-Frequência de chuva. Essas relações podem ser expressas por equações genéricas que relacionam os três aspectos da chuva, Intensidade-Duração-Frequencia, do tipo: n m bt KT i em que: i = intensidade média máxima da chuva, em mm/h; T= Período de retorno, em anos; t = duração da chuva, em minutos; K, m, b, n parâmetros da equação determinados para cada local. Alguns exemplos de equações de chuvas intensas para diferentes cidades brasileiras são apresentados na tabela 9 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Duração (min) In te ns id ad e (m m /h ) T = 5 T = 10 T = 20 T = 50 T = 100 43 Tabela 9. Parâmetros da equação de chuvas intensas para algumas cidades brasileiras. Cidade K m b n Autor Porto Alegre, RS 509,8 0,196 10 0,72 Diaz (1987) Curitiba, PR 5950 0,217 26 1,15 Wilken (1978) São Paulo, SP 1747,9 0,181 15 0,89 Wilken (1978) Pindorama, SP 2694 0,14 20 0,92 Vieira et al. (1994) Rio de Janeiro, RJ 1239 0,15 20 0,71 Wilken (1978) Belo Horizonte, MG 914 0,1411 6,12 0,7758 Versiani e Coelho (1995) Belo Horizonte, MG 1175 0,255 13,4 0,806 Pinto et al. (1996) Uberaba, MG 3000 0,206 37,5 0,904 Pinto et al. (1996) Cascavel, PR 1062,9 0,141 5 0,776 Fendrich e Freitas (1992) Londrina, PR 3132,6 0,093 30 0,939 Fendrich e Freitas (1992) Franc.Beltrão, PR 1012,28 0,182 9 0,760 Fendrich Freitas (1992) Pato Branco, PR 879,43 0,152 9 0,732 Fendrich e Freitas (1992) Ponta Grossa, PR 1902,39 0,152 21 0,893 Fendrich e Freitas (1992) Lages, SC 2050 0,20 29,41 -0,89 Cardoso et al. (1998) Campos Novos, SC 2157 0,17 29,42 -0,89 Cardoso et al. (1998) 4.7. Equações de Chuvas intensas para Santa Catarina No trabalho “Chuvas intensas e chuva de projeto de drenagem superficial no estado de Santa Catarina” (Back, 2002) são apresentadas as equações de chuvas intensas para os locais de Santa Catarina cm pluviógrafos. Foram digitalizados os pluviogramas das estações descritas na tabela 19. Para cada estação foram determinadas as séries de máximas anuais com durações de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 5, 50, 55, 60, 75, 90, 105, 120, 150, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 600, 720, 840, 960, 1080, 1200, 1320 e 1440 minutos. Para cada estação foram ajustadas três equações, uma para durações de até 120 minutos, outra para durações entre 120 e 480 minutos e a terceira para durações entre 480 e 1440 minutos. Os coeficientes obtidos encontram-se na tabela 20. 44 Tabela 10. Pluviogramas analisados. Cidade Período de dados Campos Novos 1988 a 1998 Chapecó 1976 a 1998 Florianópolis 1986 a 1998 Itá 1982 a 1997 Lages 1969 a 1993 Laguna 1970 a 1982 São Joaquim 1971 a 1986 Urussanga 1981 a 1994 Tabela 11. Coeficientes das equações de chuvas intensas estabelecidos a partir dos dados dos pluviogramas (i dado em mm/h, t dado em minutos). Cidade para t 120 minutos 120 < t < 480 min 480 t 1440 min Campos Novos 558,0 176,0 6,4t T9,424 i 871,0 172,0 t T7,1542 i 800,0 144,0 t T3,1120 i Chapecó 161,1 161,0 3,27t T6,6691 i 871,0 172,0 8,3t T7,1542 i 747,0 178,0 t T3,938 i Florianópolis 339,0 149,0 t T9,190 i 509,0 236,0 t T9,338 i 379,0 297,0 t T9,104 i Itá 628,0 140,0 6,3t T9,408 i 585,0 160,0 t T2,300 i 809,0 199,0 t T6,1016 i Lages 611,0 162,0 3,11t T8,508 i 889,0 219,0 t T8,1482 i 621,0 182,0 t T1,316 i Laguna 412,0 136,0 9,1t T0,203 i 582,0 227,0 t T1,317 i 356,0 259,0 t T3,70 i São Joaquim 636,0 130,0 7,1t T9,410 i 817,0 112,0 t T4,836 i 357,0 152,0 t T0,50 i Urussanga 012,1 138,0 3,26t T7,3445 i 359,0 208,0 t T1,97 i 684,0 249,0 t T6,651 i 45 4.7. Relações entre precipitações de diferentes durações A grande maioria dos dados de chuva é obtida de pluviômetros, fornecendo, portanto só o total diário de chuva. Através de relações entre os dados de intensidade de diferentes durações com as intensidades médias máximas diárias pode-se estimar a intensidade para durações inferiores a 24 horas. Segundo os dados fornecidos pela Cetesb (1986), se as únicas informações disponíveis são as chuvas de 1 dia de duração, observadas em postos pluviométricos, pode-se avaliar a chuva de 24 horas de determinada freqüência e a partir dessa as chuvas de menor duração com a mesma freqüência, utilizando-se das relações entre chuvas de diferentes durações. Na tabela 12 são apresentadas algumas relações entre chuvas de diferentes durações obtidas do estudo do Departamento Nacional de Obras de Saneamento, bem como os valores adotados pelo U.S. Weather Bureau e outros adotados em Denver. Tabela 12. Relações entre chuvas de diferentes durações. Relação entre durações Relação entre alturas pluviométricas Cetesb U.S. W. Bureau Denver 5 min/30 min 0,34 0,37 0,42 10 min/30 min 0,54 0,57 0,63 15 min/30 min 0,70 0,72 0,75 20 min/30 min 0,81 0,84 25 min/30 min 0,91 0,92 30 min/1 h 0,74 0,79 1 h/24 h 0,42 6 h/24 h 0,72 8 h/24 h 0,78 10 h/24 h 0,82 12 h/24 h 0,85 24h / 1 dia 1,14 O primeiro passo consiste em corrigir a precipitação máxima observada em um dia para a máxima ocorrida em 24 horas. Essa correção se justifica por ser feita a coleta de dados sempre em intervalos fixos (por exemplo das 9:00 hs até as 9:00 hs do dia seguinte), assim, uma chuva que 46 tenha iniciado antes da observação e terminado após a leitura do pluviômetro, será dividida em duas chuvas. Neste caso precipitação máxima em 24 horas é superior a máxima em um dia. Estudos feitos com base em séries anuais de dados pluviométricos e pluviográficos, observados simultaneamente em São Paulo, mostraram que a média das chuvas de um dia e de dois dias pode ser considerada como estimativa bastante representativa da chuva de 24 horas de freqüência correspondente (Cetesb, 1986). Também mostraram que as alturas pluviométricas das chuvas máximas de 24 horas e de um dia guardam uma relação quase constante e independente do período de retorno, cujo valore é de 1,14, que coincide com o valor adotado pelo U.S. Weather Bureau para a mesma relação, que é de 1,13 (Cetesb 1986, Kessler e Raad 1978). Uma vez obtida a intensidade média máxima em 24 horas corrige-se o valor para a duração desejada multiplicando os valores pelos respectivos coeficientes. Para facilitar a interpolação dessas relações para durações diferentes daquelas recomendadas pela Cetesb, pode obter a relação para uma duração qualquer com relação a precipitação de um dia diretamente das figuras 9 e 10. Para exemplificar consideremos o caso em que se deseja estimar a precipitação máxima esperada com período de retorno de 10 anos e duração de 45 minutos para Chapecó. Sendo a precipitação com duração de 1 dia e período de retorno de 10 anos de 162,9 mm, obtém-se da figura 9 a relação 0,42 , assim a precipitação máxima esperada com duração de 45 minutos é de 162,9 x 0,42 = 68,4 mm, o que corresponde a intensidade de 91,2 mm/h. Figura 9. Relação Pd/P1 dia para durações d de até 60 minutos. 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Duração (min) Re laç ão (P d/P 1d ia )47 Figura 10. Relação Pd/P1 dia para durações d de 1 hora á 24 horas . 4.8. Duração da chuva Para projetos em pequenas bacias hidrográficas adota-se para a chuva crítica, uma duração igual ao tempo de concentração da bacia. Para o caso de grandes bacias hidrográficas a duração da chuva crítica deve ser pesquisada analisando-se os hietogramas de projeto com os valores de vazões de pico e dos volumes dos hidrogramas resultantes. 4.9. Relação Intensidade - Área Os dados de precipitação são observações pontuais. Consideram-se os valores de intensidades médias máximas representativas de áreas de 2,5 a 25 km 2 . Para áreas maiores o valor pontual da precipitação deve ser reduzido de acordo com a duração da chuva e a área de abrangência. Uma forma de redução dos valores em função da área de abrangência é utilizando a figura que relaciona a precipitação com a área de abrangência, como representado na figura 11. 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Duração (h) Re laç ão (P d/P 1d ia) 48 Figura 11. Curvas de relação entre a chuva pontual e a chuva em uma dada área. 4.10. Relação Intensidade - Duração A intensidade da precipitação varia durante a sua duração. A distribuição temporal dos volumes precipitados irá influenciar o volume infiltrado e na forma do hidrograma de escoamento superficial direto originado pela chuva excedente. Zahed Filho e Marcellini (1995) afirmam que, apesar de que vários trabalhos mostraram que há grande variabilidade na distribuição temporal das chuvas de mesma duração, algumas tendências são verificadas nessas análises: - para chuvas de curta duração, menores do que meia hora, o hietograma é caracterizado por grandes intensidades no início da precipitação; - para chuvas de duração intermediária, menores do que dez horas, o hietograma é representado por intensidades maiores na primeira metade da duração; - para chuvas de grande duração, acima de dez horas, o hietograma apresenta intensidades mais uniformes. 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Área (km 2 ) Pe rc en ta ge m d a ch uv a po nt ua l ( % ) 24 horas 6 horas 3 horas 1 hora 30 minutos 49 Quando não existem informações da variação temporal das chuvas no local pode-se utilizar distribuições temporais obtidos em estudos de outras regiões com clima semelhante, utilizando um dos seguintes métodos: 4.10.1. Método dos Blocos Alternados Uma forma de estimar a distribuição temporal é o chamado Método dos blocos alternados, onde a distribuição temporal é conseguida utilizando-se dados das relações IDF, obtida da seguinte maneira: a) seleciona-se uma duração da tormenta e o intervalo da discretização; b) obtém-se a intensidade de chuva para cada duração por meio da relação intensidade- duração-freqüência; c) as intensidades são transformadas em alturas de chuva até o último intervalo de tempo; d) calcula-se os incrementos dos totais acumulados; e) os incrementos ou blocos obtidos são rearranjados numa seqüência tal que no centro da duração da tormenta, situa-se o bloco maior, e em seguida os demais blocos são dispostos em ordem decrescente, um a direita e outro a esquerda do bloco maior alternadamente. 4.10.2. Método do Bureau of Reclamation Descrito por TUCCI (1993) consiste na seguinte seqüência: a) determinar as precipitações correspondentes a diferentes durações (cerca de seis durações) até o tempo de concentração; b) determinar os incrementos de chuva correspondente a cada duração; c) arranjar os incrementos de chuva da seguinte forma: 6, 4, 3, 1 ,2, 5; a numeração indica a ordem de magnitude. Colocando o maior valor no quarto intervalo, procura-se maximizar o pico do hidrograma, pois as chuvas iniciais atendem as perdas por infiltração e depressão da bacia e o incremento maior tende a gerar escoamento superficial. Exercício: Elaborar a distribuição temporal de chuvas intensas para Urussanga (SC) considerando: Duração da chuva: 2 horas Intervalo 15 minutos; Período de retorno 20 anos. 50 4.10.3. Curvas de variação temporal Pode-se adotar a curvas da distribuição temporal que relacionam o percentual da altura pluviométrica com a percentual da duração, como por exemplo o método de Huff (1967). Neste método as chuvas são classificadas em quatro tipos de acordo com a distribuição do total precipitado em cada quartil da sua duração total. A chuva é classificada no tipo em que tiver a maior precipitação. Em geral as tormentas mais intensas são classificadas como do tipo I, isto é, as maiores intensidades ocorrem nos primeiros 25 % da duração total. Figura 12. Variação da Intensidade durante a duração da chuva. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % da duração da chuva % d a pr ec ip ita çã o Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV 51 Exercício 1) Com os dados de precipitação máxima anual de Capinzal da tabela 2 abaixo pede-se: a) Calcular a precipitação máxima diária esperada com período de retorno de 5 anos pelo método empírico. b) Calcular a precipitação máxima diária esperada com período de retorno de 10 anos pelo método empírico. c) Calcular as precipitações máximas esperadas com período de retorno de 20 e 50 anos pela distribuição de Gumbel. Tabela 2. Dados de precipitação de Capinzal, SC Ano P (mm) 77 105,0 78 56,2 79 71,2 80 101,2 81 76,2 82 75,3 83 125,2 84 79,8 85 62,1 86 94,0 87 88,8 88 55,0 89 88,8 90 158,6 91 94,6 92 107,3 93 53,0 94 101,2 95 69,9 96 74,6 97 106,0 Exercício 2. Calcule a altura a intensidade esperada da chuva com período de retorno de 50 anos e duração de: a) 5 minutos; b) 10 minutos; c) 20 minutos; d) 25 minutos; e) 30 minutos f) 40 minutos; g) 1 hora; h) 2 horas; i) 10 horas. Exercício 3. Faça um gráfico com os dados de intensidade de chuva x duração da questão anterior. Exercício 4. Com a equação de chuvas intensas abaixo faça o hietograma da chuva período de retorno de 20 anos, duração de 2 horas de duração em intervalos de 15 minutos pelos métodos: a) Bureau of Reclamation b) Curvas de variação temporal tipo II 161,1 161,0 3,27t T6,6691 i
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