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PROFESSOR EVALDO MIRANDA COIADO PLT-LT2009 HIDROLOGIA & REDE DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAS 2009 II APRESENTAÇÃO Uma das grandes dificuldades nos projetos de estruturas hidráulicas em geral é a determinação da vazão de dimensionamento porque está condicionada a duas séries de fatores inteiramente distintas, uma das quais depende do clima, especialmente no que se refere à precipitação, e a outra das características físicas da bacia hidrográfica contribuinte. A influência do primeiro grupo de fatores, por sua vez, é função do tipo, intensidade, duração, distribuição, e da direção do deslocamento das chuvas, assim como da precipitação antecedente e da umidade do solo, além de outras condições climáticas que afetam a evaporação e a transpiração. Os efeitos do segundo grupo são determinados pelas características físicas e uso das terras da bacia hidrográfica contribuinte, ou sejam: utilização da terra, tipo de solo, área, forma, altitude, declividade, orientação, tipo de drenagem efetiva, extensão da drenagem indireta, e drenagem artificial. Diante do número de fatores que intervêm dificilmente uma equação simples para a determinação das vazões de máxima cheia, mínima e média poderá expressar as variáveis acima enumeradas. Apresentam-se neste texto os principais fatores que intervêm nas vazões de um curso de água, objetivando fornecer ao Engenheiro Civil uma base mínima para se definir com confiança as vazões de projetos das várias obras hidráulicas existentes. Inicia-se, no Capítulo 1, pela definição dos componentes do ciclo hidrológico. Estudam-se a formação, os tipos e medição das chuvas, assim como o processamento dos dados de chuvas. Apresentam-se os métodos clássicos para a determinação da precipitação média sobre uma área, e a variação da intensidade de precipitação com a duração, a freqüência e a área. No Capítulo 2 são apresentadas a definição de bacia hidrográfica, sua individualização, e suas características topográficas e fluvio-morfológicas. No Capítulo 3, apresentam-se os componentes do escoamento dos cursos de água, dando ênfase ao escoamento superficial. Apresentam-se ainda os vários métodos para a transformação de chuva em vazão. No Capítulo 4 apresentam-se os principais métodos para a previsão de enchentes. No Capítulo 5 são mostrados os aparelhos mais importantes e metodologias para a medição de vazões em cursos de água natural. Para as medidas de vazão, em canais em geral, apresentam-se os orifícios, bocais, vertedores, bueiros, e medidor Parshall. Como uma das aplicações mais importantes, no Capítulo 6, são apresentados os fundamentos teóricos, hidráulicos e hidrológicos, referentes à rede de drenagem de águas pluviais. São detalhados todos os componentes da rede de drenagem de águas pluviais. Inicialmente, seguindo uma seqüência didática, os componentes são dimensionados isoladamente utilizando exemplos práticos ilustrativos. Na parte final do texto encontra-se o desenvolvimento detalhado de um projeto de drenagem de uma área urbana. Ao final de cada capítulo são propostos problemas práticos de engenharia para auxiliar o estudante assimilar os conceitos teóricos. III SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇAO............................................................................................................... 1.1 – Hidrologia – Definição, importância da hidrologia................................................ 1.2 – O ciclo hirológico................................................................................................... 1.3 – Métodos de estudos................................................................................................ 1.4 – Precipitação............................................................................................................ 1.5 – Processamento de dados pluviomértiros................................................................ 1.6 – Altura pluviométrica anual..................................................................................... 1.7 – Alturas pluviométricas mensais.............................................................................. 1.8 – Alturas pluviométricas diárias................................................................................ 1.9 – Precipitação média sobre uma área........................................................................ 1.10 – Variação da intensidade de precipitação com a duração e a freqüência.............. 1.11 – Variação da intensidade média de precipitação com a área................................. 1.12 – Problemas............................................................................................................. 1.13 – Bibliografia........................................................................................................... CAPÍTULO 2 BACIAS HIDROGRÁFICAS......................................................................................... 2.1 – Introdução............................................................................................................... 2.2 – Individualização da bacia hidrográfica................................................................... 2.3 – Características topográficas.................................................................................... 2.4 – Características fluvio-morfológicas....................................................................... 2.5 – Características geológicas...................................................................................... 2.6 – Cobertura da bacia contribuinte............................................................................. 2.7 – Problema prático..................................................................................................... 2.8 – Bibliografia............................................................................................................. CAPÍTULO 3 ESCOAMENTO SUPERFICIAL TRANSFORMAÇÃO CHUVA-VAZÃO....................................................................... 3.1 – Introdução............................................................................................................... 3.2 – Grandezas características....................................................................................... 3.3 – O hidrograma.......................................................................................................... 3.4 – Transformação chuva-vazão................................................................................... 3.5 – Problemas............................................................................................................... 3.6 – Bibliografia............................................................................................................. CAPÍTULO 4 PREVISÃO DE ENCHENTES....................................................................................... 4.1 – Introdução............................................................................................................... 4.2 – Fórmulas empíricas................................................................................................ 4.3 – Métodos estatísticos............................................................................................... 4.4 – Período de retorno ou de recorrência (TR).............................................................. 4.5 – Problemas práticos................................................................................................. 4.6 – Bibliografia............................................................................................................. Págs. 1 1 1 2 2 7 11 12 14 14 16 17 19 23 24 2425 26 33 36 36 36 38 39 39 40 43 46 56 58 59 59 59 60 66 69 70 IV CAPÍTULO 5 HIDROMETRIA............................................................................................................ 5.1 – Generalidades........................................................................................................ 5.2 – Métodos diretos de determinação de vazão........................................................... 5.3 – Métodos indiretos de determinação de vazão........................................................ 5.4 – Determinação da velocidade média na vertical utilizando molinete..................... 5.5 – Medida do nível de água........................................................................................ 5.6 – Orifícios................................................................................................................. 5.7 – Bocais.................................................................................................................... 5.8 – Vertedores.............................................................................................................. 5.9 – Tubos curtos sujeitos à descarga livre................................................................... 5.10 – Bueiros................................................................................................................. 5.11 – Medidor Parshall.................................................................................................. 5.12 – Problemas práticos............................................................................................... 5.13 – Bibliografia.......................................................................................................... 5.14 – Respostas dos problemas..................................................................................... APÊNDICES ................................................................................................................ 72 72 75 75 76 78 82 85 89 90 93 96 99 100 101 CAPÍTULO 6 REDE DE DRENAGEM DE ÁGUAS PLUVIAS (RDAP)........................................... . 104 6.1 – Generalidades....................................................................................................... 104 6.2 – Principais componentes da RDAP......................................................................... 104 6.3–Dimensionamento da rede de drenagem de águas pluviais (RDAP)................................................................................................................... 105 6.4 – Área Contribuinte.................................................................................................. 106 6.4.1 – Em nível de bacia e sub-bacia hidrográfica........................................................ 106 6.4.2 – Em nível de quarteirão........................................................................................ 106 6.5 –Vazão que aflui numa determinada seção da rdap.................................................. 107 6.5.1 – Intensidade de precipitação................................................................................. 110 6.5.2 – Tempo de concentração...................................................................................... 110 6.5.3 – Período de retorno ou tempo de recorrência (TR)............................................... 114 6.5.4 – Correções da vazão calculada pelo Método Racional........................................ 114 6.6 – Ruas...................................................................................................................... 115 6.6.1 – Classificação das ruas......................................................................................... 115 6.6.2 - Dimensionamento das ruas.................................................................................. 115 6.6.3 – Capacidade de escoamento de ruas e sarjetas para a chuva inicial de projeto... 117 6.6.3.1 - Inclinação longitudinal mínima admissível...................................................... 118 6.6.3.2 - Cálculo da vazão teórica na sarjeta.................................................................. 118 6.6.3.3 - Cálculo da vazão teórica na sarjeta e rua......................................................... 119 6.6.3.4 - Cálculo simplificado da vazão teórica na sarjeta e rua.................................... 122 6.6.3.5 - Conhecida a vazão real cálculo da profundidade na sarjeta- rua..................... 122 6.6.3.6 - Cálculo simplificado da velocidade média na sarjeta e rua ............................. 122 6.6.4 – Capacidade de escoamento da rua para a chuva máxima de projeto.................. 124 6.7 – Bocas-de-lobo........................................................................................................ 125 6.7.1 – Classificação das bocas-de-lobo......................................................................... 125 6.7.2 – Escolha do tipo de boca-de-lobo......................................................................... 125 6.7.3 – Eficiência das bocas-de-lobo.............................................................................. 125 6.7.4 – Dimensionamento das bocas-de-lobo simples (ou de guia) em pontos baixos da sarjeta............................................................................................................ 127 V 6.7.4.1 – Quanto à relação entre a profundidade de escoamento (y) e a altura da abertura (h)....................................................................................................... 127 6.7.4.2 - Bocas-de-lobo simples em pontos baixos das sarjetas sem depressão............. 128 6.7.4.3 - Bocas-de-lobo simples em pontos baixos das sarjetas com depressão............ 128 6.7.5 – Dimensionamento das grelhas e das bocas-de-lobo combinadas (simples com grelha) em pontos baixos da sarjeta.................................................................... 131 6.7.6 – Dimensionamento das bocas-de-lobo simples em pontos intermediários da sarjeta sem depressão....................................................................................... 132 6.7.7 – Dimensionamento de grelha localizada em pontos intermediários da sarjeta sem depressão..................................................................................................... 134 6.7.8 – Dimensionamento das grelhas e das bocas-de-lobo combinadas (simples com grelha) em pontos intermediários da sarjeta....................................................... 6.7.9 – Definição da primeira boca-de-lobo................................................................... 137 141 6.7.10 – Espaçamento das bocas-de-lobo 142 6.7.11 – Área máxima de drenagem para que a velocidade média de escoamento na sarjeta-rua não ultrapasse o valor máximo permitido...................................... 144 6.7.12 – Localização das bocas – de – lobo.................................................................... 146 6.7.13 – Detalhes construtivos das bocas-de-lobo simples ou combinadas................... 146 6.8 – Galerias.................................................................................................................. 146 6.8.1 – Tipos de seção admitidos.................................................................................... 146 6.8.2 – Dimensões mínimas............................................................................................ 146 6.8.3 – Limites de velocidades....................................................................................... 147 6.8.4 – Recobrimento mínimo........................................................................................ 147 6.8.5 – Dimensionamento...............................................................................................147 6.8.5.1 - Galeria circular................................................................................................. 148 6.8.5.2 - Galeria quadrada............................................................................................... 149 6.8.5.3 - Oval normal invertida....................................................................................... 150 6.8.6 - Tubo de ligação................................................................................................... 151 6.9 – Desenvolvimento de projeto.................................................................................. 152 6.10 - Referências bibliográficas.................................................................................... 181 ANEXOS......................................................................................................................... 182 HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 – HIDROLOGIA – DEFINIÇÃO, IMPORTÂNCIA DA HIDROLOGIA Hidrologia é a ciência que trata das propriedades, comportamento e distribuição das águas na superfície da terra, na atmosfera terrestre, nos estratos geológicos, bem como suas relações com os problemas das engenharias hidráulica e sanitária, irrigação, hidroeletricidade, regularização das ondas de cheias e águas de navegação, proteção das terras contra erosão e drenagem, etc. natureza. É pois, a hidrologia uma ciência da maior importância econômica e social, visto como questões que dizem respeito diretamente à vida dos homens, dos animais e das plantas. Apesar de certas noções básicas terem sido conhecidas e aplicadas pelo Homem há muito tempo, como o atestam os registros egípcios sobre as enchentes no rio Nilo datados do ano 3000 A.C, e as evidências de medidas de precipitação pluvial na Índia feitas a 350 A.C., a hidrologia é uma ciência considerada nova, (PINTO, Nelson L. de Sousa e outros, 1973). 1.2 – O CICLO HIDROLÓGICO O elemento fundamental da hidrologia é o ciclo hidrológico que é a apresentação, em fases distintas e interdependentes, da água, desde sua queda nas precipitações, até seu retorno à atmosfera em forma de vapor, compreendendo as quatro etapas seguintes, (GARCEZ, Lucas Nogueira e ALVAREZ, Guillermo Acosta) : - precipitações atmosféricas (chuva, granizo, neve, orvalho); - escoamento subterrâneo (infiltração, águas subterrâneas); - escoamentos superficiais (torrente, rios e lagos); - evaporação (na superfície das águas e no solo) e transpiração dos vegetais e animais. A Figura 1.1 ilustra as fases do ciclo hidrológico. Figura 1.1 – Ciclo hidrológico. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 2 1.3 – MÉTODOS DE ESTUDOS Os métodos de estudo em hidrologia distinguem-se de acordo com os processos analíticos utilizados, classificando-se em Hidrologia Estocástica (Abordagens Probabilísticas), e Hidrologia Paramétrica (Abordagens Determinísticas). Na Hidrologia Estocástica se processam os dados estatísticos coletados a partir da observação das variáveis hidrológicas, com base nas propriedades estocásticas dessas variáveis (entende-se como variável estocástica aquela cujo valor é determinado por uma função probabilística qualquer). Na Hidrologia Paramétrica ou Determinística são desenvolvidas e analisadas as relações entre os parâmetros físicos em jogo nos acontecimentos hidráulicos e o uso dessas relações para gerar ou sintetizar eventos hidrológicos. Características dessa classificação são os processos para a obtenção de hidrogramas unitários sintéticos e os métodos de reconstituição de hidrogramas em função de dados climáticos e parâmetros físicos das bacias hidrográficas. 1.4 – PRECIPITAÇÃO 1.4.1 – Generalidades Denomina-se precipitação todas as formas de queda d´água da atmosfera para o solo, como chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada. Este item trata, principalmente, da precipitação em forma de chuva por ser mais facilmente medida, por ser bastante incomum a ocorrência de neve no Brasil e porque as outras formas pouco contribuem para vazão dos rios. A água armazenada na superfície terrestre pode ser sempre considerada como um resíduo das precipitações, (PINTO, Nelson L. de Sousa e outros, 1973). A chuva é o resultado do resfriamento que sofre uma massa de ar ao expandir-se, quando se eleva a temperatura, aumentando gradativamente a umidade relativa dessa massa de ar. Atingida a saturação, poderá iniciar-se a condensação e a formação das nuvens ou mesmo a precipitação, que se apresenta tanto mais intensa quanto maior for o resfriamento e a quantidade de água contida no ar ascendente. A umidade atmosférica é o elemento que supre as precipitações através das nuvens. Define-se a umidade atmosférica como sendo a quantidade de água (em forma de vapor) que o ar possui. De três maneiras distintas pode a umidade atmosférica ser expressa: Umidade absoluta (Ua). É a massa de vapor de água contida em um volume determinado de ar úmido. Em gramas por metro cúbico (g/m3), a umidade absoluta por ser expressa por: T eU a .217= (1.1) Na qual: e = tensão (ou pressão parcial) do vapor de água na atmosfera, expressa em milibars (1 milibar = 103 dinas por cm2 = 0,75 mmHg; T = temperatura absoluta em 0C - Por exemplo: Se à temperatura T = 20 ºC o ar atmosférico tiver 15 g/m3, diz-se que essa quantidade é a sua umidade absoluta; HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 3 - A uma certa temperatura T, a umidade absoluta não pode ultrapassar o valor máximo correspondente à saturação, valor este indicado na Tabela 1.1. A umidade absoluta é o peso específico do vapor da água à pressão parcial e e a temperatura T. - Umidade especifica (Ue) É a relação entre a massa de vapor de água e a massa total do ar úmido. É geralmente expressa em g por kg de ar úmido, e pode ser calculado por: a e p eU .622= (1.2) Na qual: pa= pressão do ar considerado (em milibars) - Umidade relativa (Ur). É a relação entre a tensão de vapor observada e a tensão de vapor saturante à mesma temperatura. É normalmente expressa em porcentagem: 100. s r e eU = (1.3) Na qual: Ur = umidade relativa e = tensão (ou pressão parcial) do vapor de água na atmosfera; es = tensão do vapor de água saturante, acima da qual se condensa o vapor que se introduzir na mistura. Geralmente, Ur aumenta a partir do nível do solo, até atingir 100% no nível das nuvens, quando estas existam; acima de 6 km, Ur decresce rapidamente, reduzindo-se ínfima porcentagem na atmosfera superior. Tabela 1.1 – Tensão e peso de vapor no ar saturado. Temperatura (0C) Tensão de vapor (mmHg) Peso de vapor (g/m3) -25 0,48 0,56 -20 0,78 0,89 -15 1,25 1,40 -10 1,96 2,16 -5 3,02 3,26 0 4,58 4,85 5 6,54 6,81 10 9,21 9,42 15 12,79 12,85 20 17,54 17,32 25 23,76 23,07 30 31,83 30,40 35 41,82 39,30 HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 4 1.4.2 – Formação das chuvas As chuvas são formadas pela condensação do vapor atmosférico. A condensação do vapor da água dá-se por resfriamento ou por compressão. O processo de condensação por compressão é pouco verificado na natureza. Razão por que se estuda mais a condensação por resfriamento que pode ser: - por expansão; - por resfriamento direto; - por mistura. Por expansão. A massa de ar não saturada elevando-se, em processo convectivo, expande-se, com conseqüente resfriamento adiabático. Devido a essa ascensão inicia-se a condensação do vapor, desde que sua tensão e tornou-seigual à tensão saturante es. Desse instante em diante haverá precipitação, em gotículas maiores ou menores. A condensação por expansão adiabática é própria de regiões quentes. Por resfriamento direto. A condensação por resfriamento direto é comum e se realiza pelos deslocamentos das massas de ar de uma região para outra de temperatura diferente, pelo contato com superfícies menos quentes, em virtude dos processos de radiação. No resfriamento por contato tem-se o chamado processo de inversão, visto virem as massas de ar de camadas superiores da atmosfera. Este fenômeno é comum à noite, dando origem aos orvalhos e geadas, dependendo do grau de temperatura da superfície de contato. Sobre os rios, lagos e lagoas é freqüente esse fenômeno no inicio de inverno. Por mistura. A mistura de duas massas de ar de temperaturas diferentes e em estado de saturação, determina ao conjunto uma temperatura diferente das massas atuantes resultando uma condensação. Essa condensação dá origem às nebulosidades, com prováveis chuvas, neves e granizos. 1.4.3 – Tipos gerais de chuva Explicados os processos de condensação que originam as chuvas, apresentam-se os tipos gerais de chuvas que são: - Chuva convectiva; - Chuva orográfica; - Chuva ciclônica (ou frontal, não frontal) Chuva convectiva. Ao longo das regiões equatoriais, o movimento principal do ar é o ascensional (convectivo). Essas correntes ascendentes, em sua expansão adiabática, sofrem um resfriamento, que determina condensação e precipitações correspondentes. Esse processo pode assim ser descrito: 1 – aquecimento, pela manhã, das camadas inferiores da atmosfera; 2 - expansão ascensional de acordo com o grau de aquecimento; 3 – condensação do vapor da água à medida que baixa a temperatura, determinando precipitação à tarde; 4 – à tarde, em virtude do menor aquecimento da superfície terrestre e mesmo em virtude da ação das chuvas, diminui o processo convectivo, com diminuição de suprimento de umidade e conseqüente paralisação das chuvas. Ficam assim, resumidamente explicadas, as chuvas das regiões equatoriais até certa hora da tarde. Essas precipitações são tanto mais intensas quanto maiores sejam: HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 5 a) a temperatura inicial na superfície da terra; b) quantidade de umidade atmosférica; c) o grau de decrescimento da temperatura do ar ao elevar-se. As chuvas convectivas têm, em geral, curta duração e grande intensidade, abrangendo áreas pequenas. Chuva orográfica. Nas regiões onde existem variações bruscas de altitude, ocorre que, se as massas de ar ascendem às alturas, deslizando-se pelas superfícies, se expandem adiabáticamente com condensação e chuva. A perda de umidade é tanto mais importante quanto maior seja a elevação forçada das massas úmidas, que vão secando à medida que ascendem, e aumentam a precipitação com o acesso até certo ponto, onde passam a diminuir a precipitação por carência de umidade, originando nas áreas à sotavento os climas áridos (reduzido o grau de pluviosidade). Por isso pode-se dizer que as chuvas orográficas crescem com as altitudes até certo ponto, passando a decrescer, mesmo com o aumento de altitude, desde que lhe falte suprimento de umidade. Fato como esse ocorre na Argentina, onde os Andes funcionam como obstáculo ascensional às correntes úmidas vindas do Pacífico, originando aridez no lado sotavento (pampa sul argentino). Este fato também ocorre no Rio Grande do Sul, com as chuvas de verão e primavera, em virtude dos ventos predominantes na época: o nordeste. No litoral do Estado de São Paulo, o ventos predominantes do Atlântico, carregados de umidade, arremetem contra as vertentes costeiras, forçando as massas de ar a subir, produzindo as mais altas precipitações do continente americano. A região do alto da Serra do Paranapiacaba tem uma precipitação média anual superior a 4000 milímetros. Chuva Chuva Ar seco Cadeia de montanhas Ar úmido Chuva ciclônica (frontal e não frontal). É causada por ciclones de depressões centrais provocando movimentos atmosféricos ascendentes. A parte central do ciclone funciona como uma chaminé, através da qual o ar se eleva, se expande, se resfria dinamicamente, produz condensações e, geralmente, precipitação. Pode ser classificada como frontal e não frontal. A precipitação frontal resulta da sobreposição de uma massa de ar quente sobre outa mais fria. Tem-se uma frente quente quando a massa de ar quente se move sobre a fria, resultando em chuvas espalhadas, de grande duração e pequena intensidade. Quando a massa fria avança sobre a quente, tem-se uma frente fria; neste caso, o ar frio passando sobre a massa de ar quente eleva-se bruscamente produzindo queda de temperatura, geada e muitas vezes chuvas intensas que abrangem áreas pequenas. Quando nenhuma das massas se movimenta diz-se que a frente é estacionária; originando, em geral, chuvas leves e persistentes, acompanhadas de densas neblinas. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 6 As frentes frias produzem chuvas intensas que causam inundações nas pequenas bacias, enquanto que as frentes quentes são acompanhadas de chuvas mais amplamente distribuídas, produzindo inundações de vulto nas grandes bacias hidrográficas. A chuva não frontal é produzida na área de depressão, no interior das massas de ar quente. Não ocorre em nosso país. 1.4.4.- Medição das chuvas 1.4.4.1 – Grandezas características e unidades de medidas Altura pluviométrica ou altura de chuva (de precipitação) – (P). É a altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável sem se evaporar. No Brasil a altura de chuva é expressa em milímetros. A altura de chuva pode se referir a uma chuva determinada ou a todas as precipitações ocorridas em um certo intervalo de tempo (alturas pluviométricas diárias, mensais, anuais). Duração (t). Intervalo de tempo decorrido entre o instante em que se iniciou a chuva e seu término. É medida em geral em minutos (ou em horas). Intensidade (i). É a velocidade de precipitação medida em geral em mm/min ou mm/h. t Pi = (1.4) Na qual: i = intensidade; P = altura pluviométrica; t = duração (tempo). Freqüência (F). É o número de ocorrências de uma determinada chuva (definida por uma altura pluviométrica e uma duração) no decorrer de um intervalo de tempo fixo. Para a aplicação em engenharia, a freqüência provável (teórica) é expressa em termos de tempo de recorrência ou de período de retorno, TR, medido em anos, e com o significado de que, para a mesma duração t, a intensidade i correspondente será provavelmente igualada ou ultrapassada apenas uma vem em T anos. 1.4.4.2 – Aparelhos de medição São dois os tipos principais de aparelhos utilizados para a medida das precipitações: os pluviômetros que recolhem a água da chuva e armazena-a convenientemente para posterior medição volumétrica, e os pluviógrafos que registram continuamente a quantidade de chuva recolhida. Pluviômetro. O pluviômetro normalmente empregado em São Paulo, Figura 1.2, compreende: 1) Um reservatório cilíndrico de 256,5mm de diâmetro e 40 cm de comprimento, terminado por parte cônica munida de uma torneira para retirada da água. 2) Um receptor cilíndrico-cônico, em forma de funil, com borda perfeitamente circular, em aresta viva com 252,4mm de diâmetro, sobrepondo-seao reservatório e que determina a área de exposição do aparelho (no caso 500cm2); é a parte mais delicada do aparelho e deve ser construído e conservado cuidadosamente; ele impede também a evaporação da água acumulada no HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 7 reservatório. 3) Uma proveta de vidro, devidamente graduada, para medir diretamente a chuva recolhida (em milímetros e em décimos de mm). Nessa proveta é vertida periodicamente a água recolhida. Os pluviômetros são normalmente observados uma ou duas vezes por dia, todos os dias, em horas certas e determinadas (importante); não indicam, portanto, a intensidade das chuvas ocorridas, mas somente a altura pluviométrica diária (ou a intensidade média em 12 h). Pluviógrafo. Existem vários tipos de pluviográfos; todavia, somente três têm sido usados mais comumente: os de caçamba basculante, de peso e de flutuador. No Brasil tem-se empregado com mais freqüência o pluviógrafo do tipo flutuador de Helmann-Fuess, que é constituído de um elemento receptor e um elemento registrador, Figura 1.3. 1.4.4.3 – Cuidados especiais na instalação e operação dos aparelhos de medida. 1o) – Os aparelhos devem ser instalados todos à mesma altura do solo (1,50m é o valor geralmente adotado; 2o) – Os aparelhos devem ser colocados de forma a receber a chuva, mesmo que esta caia obliquamente por qualquer um dos lados. Nenhum obstáculo deva ter altura acima do aparelho, superior à metade de sua distância ao centro do aparelho. A distância ao obstáculo mais próximo dever ser maior ou igual a uma vez a altura do mesmo. 3o) – A aresta do receptor tem que ser cuidadosamente nivelada; 4o) – Se não for possível instalar o aparelho em locais protegidos do vento, o mesmo deverá ser protegido por um cercado de madeira com 2,50m de altura e 5m de lado; 1.4.4.4 – Distribuição dos aparelhos de medida. As redes básicas são constituídas, em geral, de pluviômetros e um número restrito de pluviógrafos, localizados em locais de maiores interesse (concentrações urbanas, por exemplo). No Brasil tem sido admitido a média de um posto por 500 ou 400 km2 como suficiente ( na França 1 por 200 km2; na Inglaterra 1 por 50 km2; nos Estados Unidos 1 por 310 km2). Essas redes básicas são mantidas por órgãos oficiais que publicam sistematicamente os resultados das observações. Recomenda-se, em estudos específicos, tais como ondas de enchente, problemas de erosão e cálculo de galerias pluviais, haver no mínimo um aparelho registrador (pluviográfo) para cada quatro postos. 1.5 – PROCESSAMENTO DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS Antes do processamento dos dados observados nos postos pluviométricos, há necessidade de se executarem certas análises que visam verificar os valores utilizados. Entre elas podem-se citar as que seguem. 1.5.1 - Detecção de erros grosseiros. Primeiramente devem-se detectar os erros grosseiros que possam ter acontecido, como observações marcadas em dias que não existem (30 de fevereiro) ou erros de transcrição, como por exemplo, uma leitura de 0,36mm, que não pode ser feita, tendo-se em vista que a proveta só possui graduações de 0,1mm. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 8 Figura 1.2 – Detalhes das partes constituintes de um pluviômetro e de sua instalação. [fonte: Garcez L. N. e Alvarez, G. A.] HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 9 Figura 1.3 - Pluviógrafo do tipo flutuador de Helmann-Fuess. [fonte: Garcez L. N. e Alvarez, G. A.] Figura 1.4 – Instalação de pluviográfo. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 10 1.5.2 - Preenchimento de falhas. Pode haver dias sem observações ou mesmo intervalos de tempo maiores, por impedimento do encarregado de fazê-la ou porque o aparelho não está funcionando. Nesse caso, a série de dados de que se dispõe numa estação X dos quais se conhece a média Mx num determinado número de anos, apresenta lacunas, que devem ser preenchidas. Em geral adota-se o procedimento dado a seguir. 1) Supõe-se que a precipitação no posto X(Px) seja proporcional às precipitações nas estações vizinhas A, B, e C num mesmo período, que serão representadas por Pa, Pb, Pc; 2) Supõe-se que o coeficiente de proporcionalidade seja a relação entre a média Mx e as médias Ma, Mb, e Mc, no mesmo intervalo de anos; isto é, que as precipitações sejam diretamente proporcionais as suas médias; 3) Adota-se como valor Px a média entre os três valores calculados a partir de A, B, e C. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++= c c x b b x a a x x PM M P M M P M M P ... 3 1 (1.5) 1.5.3 - Verificação da homogeneidade dos dados Para garantir a correção das observações é sempre útil comparar as precipitações mensais, anuais (e mesmo semanais ou determinadas chuvas) e suas distribuições com as obtidas nos mesmos períodos (ou períodos equivalentes) em estações vizinhas. Essas comparações podem fornecer indicações sobre a validade dos dados. Em seguida deverão ser feitas a análise e a interpretação da homogeneidade dos novos dados (média) com as séries das observações na mesma estação e nas estações vizinhas, o que é feito através do traçado de curvas duplo-acumulativas, obtidas como segue. 1) Escolhem-se três ou quatro estações próximas da estação que está sendo analisada; 2) Coloca-se em ordenada a média das observações mensais, mês por mês, das três ou quatro estações escolhidas, e em abscissa as respectivas observações da estação; 3) Caso existirem inflexões nas curvas, é indicativo de erros sistemáticos ou mudanças nas condições de medida. 1.5.4 – Elementos característicos Para facilitar a manipulação dos dados disponíveis é interessante resumir as extensas séries de dados em um certo número de elementos característicos que representem as observações feitas. Para isso costuma-se utilizar, dentro dos conceitos estatísticos: Valor central ou dominante. É um número único que representa aproximadamente toda a série. Esse valor é definido pela média aritmética (Ma), pela mediana da série (Md), ou pela moda (Mo). Para uma distribuição aproximadamente simétrica a moda pode ser calculada utilizando a fórmula empírica de Pearson dada por: Mo = 3.Md – 2.Ma (1.6) Dispersão ou flutuação em torno da média. Que pode ser expressa pelo intervalo de variação (que é a diferença dos valores extremos), ou pela distribuição das freqüências (em HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 11 geral em porcentagem) calculada através da determinação do número de ocorrências observadas para cada intervalo fixado. A dispersão pode ser medida ainda pelo afastamento absoluto médio definido por: MX n i −Σ.1 (1.7) Na qual: n = número de elementos da série; Xi = um elemento da série; M = valor central ou dominante (a média aritmética, ou a mediana ou a moda). A dispersão ou flutuação em torno da média é, porém, mais habitualmente expressa pelo desvio padrão amostral (Sn), definido por: ( ) n MX S ain ∑ −= 2 (1.8) E pelo respectivo coeficiente de variação amostral dado por: M SC nv = (1.9) No caso das observações em número reduzido utiliza-se o desvio médio provável dado por: ( ) 1 2 1 − −= ∑− n MX S in (1.10) Neste caso o erro provável será: Ep = 0,674.Sn (1.11) 1.6 – ALTURA PLUVIOMÉTRICA ANUAL O valor da altura pluviométrica anual varia de região para região, desde próximo a zero, nas regiões desérticas, atéo máximo conhecido de 25000mm (Charrapunji, Índia, em 1836). 1.6.1 – Média e valores extremos Costuma-se usar como valor dominante de uma série de alturas pluviométricas anuais a média aritmética dos diversos valores – altura pluviométrica anual (média). A organização Meteorológica Mundial, determina que as médias normais de altura de precipitação anual sejam calculadas para períodos de 30 anos. Para aplicação em Engenharia (cálculo de deflúvios anuais para análise de produtividade de usinas hidrelétricas, por exemplo) interessa conhecer a dispersão, seja pelos valores extremos da série, sendo usual determinar a relação entre os mesmos (variável em HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 12 geral de 2 a 5), seja pelos índices de umidade extremos, definidos pela relação entre a altura pluviométrica anual e a altura pluviométrica anual média. Nos Estados Unidos, os índices de umidade variam entre 0,6 e 1,6 para climas úmidos e 0,4 e 2,0 para climas semi-áridos. Para a Capital de São Paulo, no período de 1934 e 1959, a média pluviométrica anual, é de 1 292,2 mm. Os afastamentos máximos verificados nesse período foram de +32% e –17% em relação à média. A relação entre os valores máximo e o mínimo observados é de 1,57 e o índice de umidade varia de 0,83 e 1,36. 1.6.2 – Lei de repartição de freqüência Tem –se verificado que a lei normal de Gauss se adapta bem a séries extensas de altura pluviométricas anuais, desde que os elementos da série sejam considerados sem ordem de sucessão. Segundo a lei de Gauss, sendo M a média (valor central ou dominante) e Sn o desvio padrão amostral, tem-se: - 50% das observações compreendidas no intervalo (M-2/3.Sn) e (M+2/3.Sn). - 68,26% das observações compreendidas no intervalo (M-Sn) e (M+Sn). - 95% das observações compreendidas no intervalo (M-2.Sn) e (M+2.Sn). - 99,7% das observações compreendidas no intervalo (M-3Sn) e (M+3Sn). Por exemplo, sendo a curva de Gauss simétrica, tem-se que 2,5% de probabilidade do valor ser inferior a (M-2.Sn) e 2,5% de probabilidade de ser superior a (M+2Sn) e assim por diante. O ajuste da série de valores segundo a curva normal de Gauss é facilitado pelo uso de papéis de probabilidade, Figura 1.5, nos quais são marcadas a freqüência e o valor do elemento. A reta mais provável ajustada aos pontos assim obtidos permite determinar a probabilidade de ocorrência ou o tempo de recorrência (geralmente indicado no próprio papel) de um determinado valor de precipitação. 1.7 – ALTURAS PLUVIOMÉTRICAS MENSAIS Para caracterizar as variações mensais das precipitações, podem-se utilizar os coeficientes pluviométricos mensais (em porcentagem), que são obtidos a partir das médias pluviométricas mensal, dadas pelo quociente da altura pluviométrica anual por 12. Pode-se, também, utilizar coeficientes pluviométricos acumulados, que dão, para cada mês, a porcentagem da altura pluviométrica anual caída desde o início do ano até o mês considerado. O estudo das alturas pluviométricas mensais pode ser feito nas mesmas bases indicadas para o estudo das alturas pluviométricas anuais, sendo habitual indicar (para um estudo completo) para cada mês, por meio de tabelas e gráficos: - a média mensal; - as máximas e mínimas mensais observadas durante o período considerado; - o desvio padrão e o coeficiente de variação; - a distribuição das freqüências com base na qual se pode ajustar uma curva teórica de probabilidade que permita a previsão de ocorrências excepcionais dum função dos tempos de retorno ou de recorrência. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 13 Estação: Periodo: Ma: Sn: P ro b ab ili d ad e ( % ) T em p o d e re co rr en ci a e m a n o s 0,01 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99 99,8 99,9 99,99 10 000 2000 1000 500 200 100 50 20 10 5 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 10 000 Alturas pluviométricas anuais em (mm) Figura 1.5 - Papel de probabilidade aritmético normal. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 14 1.8 – ALTURAS PLUVIOMÉTRICAS DIÁRIAS Para problemas, como a elaboração de cronogramas para execução de obras, e problemas ligados à distribuição de água para a irrigação, é importante conhecer o número de dias em que ocorrem precipitações e sua distribuição ao longo do ano. Uma análise estatística desse aspecto particular pode ser elaborada com base nos mesmos conceitos anteriormente indicados. 1.9 – PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA ÁREA Até agora foi visto como se analisam os dados colhidos em um ponto isolado (estação pluviométrica), e a princípio, esses dados somente são válidos para uma área pequena ao redor do aparelho. Para se calcular a precipitação média em uma superfície qualquer, é necessário utilizar os dados das estações localizadas dentro dessa superfície e das áreas vizinhas. Há três métodos de cálculo: - Média aritmética; - Método de Thiessen; - Método das isoietas. 1.9.1 – Média aritmética Consiste em determinar a média aritmética das precipitações medidas nas estações existentes na área considerada ou em áreas vizinhas. A “American Society of Civil Engineers” (ASCE) recomenda que se use esse método apenas para bacias menores que 5000 km2, se as estações forem distribuídas uniformemente e a área for plana ou de relevo muito suave. Segundo Garcez e Alvarez, (1999), esse método deve ser aplicado somente quando a variação das precipitações entre as estações for muito reduzida e a distribuição das estações de medida for uniforme: O método deve ser aplicado quando: médiaP PP minmax − < 0,50 (ou menor que 0,25, segundo outros autores) (1.12) P1X P2X P3X P4X n P P n i i m ∑ == 1 (1.13) HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 15 1.9.2 – Método de Thiessen Este método dá bons resultados quando o terreno não é muito acidentado. Consiste em dar pesos aos totais precipitados, em cada aparelho, proporcionais à área de influência de cada um, que é determinada da seguinte maneira: 1) – As estações adjacentes devem ser unidas por linhas retas formando triângulos; 2) – Traçam-se perpendiculares a essas linhas a partir das distâncias médias entre as estações e obtêm-se polígonos limitados pela área da bacia; 3) – A área Ai de cada polígono é o peso que se dará à precipitação registrada em cada aparelho (Pi); 4) - A média será dada por: ∑ ∑ = n i n ii m A AP P 1 1 . (1.14) 1.9.3 – Método das isoietas Medida a precipitação, por diversos aparelhos situados na área, traçam-se as isoietas que são curvas constituídas por pontos de iguais precipitações. Tem-se, portanto, o mapa de chuva que se assemelha a um traçado de curva de nível de uma elevação tal como um morro. Pode-se traçar as isoietas pelo critério de Engels que estabelece o seguinte: suponham-se locadosnum mapa as precipitações de quatro estações com a mesma precipitação P. As quatro estações (E1, E2, E3, e E4) de precipitação P são interligadas por alinhamentos retos, de cujos ângulos α traçamos as bissetrizes. A isoieta é traçada tangencialmente às bissetrizes por traço contínuo, como ilustrado na figura seguinte. Traçadas as isoietas, medem-se as áreas (Ai) entre as isoietas sucessivas de precipitações (Pei e Pei+1) e calcula-se a precipitação média por: HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 16 ∑ ∑ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + = + n i n eiei i m A PPA P 1 1 1 2 . (1.15) 1.10 – VARIAÇÃO DA INTENSIDADE DE PRECIPITAÇÃO COM A DURAÇÃO E A FREQÜÊNCIA A máxima intensidade média observada dentro de uma mesma precipitação pluvial varia inversamente com a amplitude de tempo em que ocorreu. E, as precipitações são tanto mais raras quanto mais intensas. Essas duas conclusões estão sempre presentes nas fórmulas empíricas do tipo: ( )m n R bt Tai += . (1.16) Na qual: i = intensidade (geralmente em mm/hora); TR = tempo de recorrência em anos; t = duração do evento (geralmente em minutos); a e b = parâmetros que varia com o local; n e m = expoentes a serem determinados para cada local. Fórmulas empíricas do tipo da Equação 1.16 para algumas cidades brasileiras. - Para a cidade de São Paulo, (durações menores ou iguais a 60 minutos): ( ) ( ) 0144,0.86,0 112,0 15 .6,1677 −+= RT R t Ti (1.17) - Para a cidade de São Paulo, (durações maiores a 60 minutos): 82,0 15,0.23,42 t Ti R= Obs.: nesta equação t está em horas (1.18) As Equações 1.17 e 1.18 foram obtidas por Occhipinti e Marques, período de estudos 1928 – 1964. - Outra fórmula para a cidade de São Paulo: ( ) 89,0 181,0 15 .9,1747 += t Ti R (1.19) A fórmula 1.19 foi obtida por WILKEN, 1978, período de estudos 1934 a 1959. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 17 - Para a cidade do Rio de Janeiro - RJ: ( ) 74,0 15,0 20 .1239 += t Ti R (1.20) A fórmula 1.20 foi obtida pelo Engo. Ulysses Alcântara. - Para a cidade de Curitiba - PR: ( ) 15,1 127,0 26 .5950 += t Ti R (1.21) - Para a cidade de São Carlos-SP: ( ) 935,0 236,0 16 .1519 += t Ti R (1.22) - Para a cidade Porto Alegre - RS: ( ) 72,0 196,0 10 .86,509 += t Ti R (1.23) - Para a cidade Belo Horizonte - MG: ( ) 84,0 100,0 20 .9,1447 += t Ti R (1.24) - Para a cidade Campinas - SP: ( ) 007,0.9483,0 1359,0 20 .86,2524 −+= RT R t Ti (1.25) - Para a cidade Limeira - SP: ( ) 0056,0.087,1 1726,0 25 .8,4653 RT R t Ti += para t ≤ 2 horas (1.26) A fórmula 1.21 foi obtida por Pedro V. Parigot de Souza. Nas fórmulas acima, i é a intensidade em mm/hora, t é a duração da chuva em minutos (com exceção da Equação 1.18 que t é em horas) e o tempo de recorrência TR em anos. O livro “Chuvas Intensas no Brasil”, do Engo. Otto Pfafstetter apresenta dados de chuvas intensas registradas em 98 pontos do Serviço de Meteorologia do Ministério da Agricultura, situados em localidades distribuídas em todo o território brasileiro. 1.11 – VARIAÇÃO DA INTENSIDADE MÉDIA DE PRECIPITAÇÃO COM A ÁREA É inadequado avaliar a intensidade máxima média de uma certa duração para um período de recorrência TR em cada posto e depois supor que a média dessas intensidades represente a intensidade máxima média de mesma freqüência sobre toda a área, GENOVEZ, HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 18 sd. Isso corresponderia a admitir a ocorrência simultânea de vários eventos raros, coincidência que corresponderia a um período de recorrência muito superior a TR. Somente para valores de TR muito pequenos (da ordem de um ano), isso seria aproximadamente correto, GENOVEZ sd. Alguns pesquisadores procuraram estudar a variação da intensidade da chuva a partir do centro da mesma (ponto em que ela é máxima), independentemente de considerações de freqüência. Frühling propôs a seguinte fórmula empírica: ( )Lii .009,01.0 −= (1.27) Na qual: i = intensidade (mm/hora) a uma distância L (metros) do centro da chuva; i0 = intensidade (mm/hora) medida no centro da chuva. A fórmula (1.27) indica que a intensidade da chuva é nula a uma distância de 12,5 Km do centro, ou seja, que a chuva pode ser considerada como cobrindo uma superfície correspondente a um círculo de 25 km de diâmetro. Segundo este critério, a chuva crítica será aquela cujo centro da precipitação coincida com o centro geométrico da bacia hidrográfica. Nestas condições, a intensidade pluviométrica média, para a bacia considerada, pode ser calculada pela expressão: ∫= Lm dLiLi 0 .1 (1.28) ( )dLLi L i L m ∫ −= 0 2/10 .009,01..1 (1.29) ( )dLL L ii L m ∫ −= 0 2/10 .009,01. (1.30) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 2/30 . 3 2.009,0. LL L iim (1.31) ( )2/10 .006,01. Liim −= (1.32) Na qual: im = intensidade média, em mm/hora; i0 = intensidade no centro da chuva, em mm/hora; L = metade da maior dimensão da bacia, em metros. CHOW, 1967, LINSLEY & FRANZINI, 1978, e WILKEN, 1978, sugerem, para determinar a variação da intensidade de precipitação com a área da bacia, o gráfico da Figura 1.6. Pode-se observar que as chuvas de maior duração distribuem-se mais uniformemente sobre a bacia, e também que, à medida que se aumenta a intensidade no centro da chuva, para a mesma duração, mais uniforme é a sua distribuição sobre a área. Para certas durações e área relativamente pequenas a redução na intensidade será tão pequena que não seria justificável considerá-la, uma vez que os erros cometidos na avaliação das outras grandezas já seriam de HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 19 ordem superior a esse refinamento de cálculo. A superfície a partir da qual deve ser levada em conta essa redução é uma questão ainda a ser mais explorada. Figura 1.6 – Relações de (im/i0) com a área da bacia hidrográfica (A) para várias duração de precipitação [fonte LINSLEY & FRANZINI, 1978] 1.12 - PROBLEMAS 1.1 – Os dados de chuvas observados nas três estações A, B, e C, localizados numa mesma área são os apresentados na Tabela seguinte. Verificou-se que no dia 21 de fevereiro de 1991 o instrumento da estação A não registrou a chuva ocorrida neste dia. A partir dos dados observados nas três estações preencher a falha verificada no dia 21 de fevereiro de 1991 na estação A. (R.: 21,5 mm) Precipitações (mm) Dia/Mês/Ano A B C 2/2/1991 52 31 16 3/2/1991 21 11 22 4/2/1991 47 40 42 7/2/1991 43 36 44 15/2/1991 7 12 34 16/2/1991 53 46 43 17/2/1991 54 47 35 20/2/1991 39 34 53 21/2/1991 - 19 21 31/2/1991 43 37 34 HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 20 1/3/1991 23 36 29 6/3/1991 34 31 47 7/3/1991 42 51 48 8/3/1991 43 35 23 22/3/1991 12 32 26 23/3/191 51 46 53 1.2 – A partir da série anual de precipitações ocorridas em São Paulo, na Estação Água Funda, no período de 1934 a 1959, pede-se calcular: a) Valores extremos; b) Média aritmética; c) Mediana; d) Moda; e) Desvio padrão; f) Erro provável; g) Coeficiente de variação; h) Alturas pluviométricas anuais máximas e mínimas prováveis para os períodos de recorrência de 10, 50, 100, 1000, e 10000 anos. (R.: a) Extremo superior (máximo)= 1693,1 mm; Extremo inferior (mínimo) = 1074,4 mm. b) 1295,3mm. c) 1268,35mm. d) 1272,05. e) ±179,83mm. f) 121,2mm. g) 13,88%. h) uma vez a cada 10 anos, 1080mm (mínima) e 1510mm (máxima); uma vez a cada 50 anos, 950mm (mínima) e 1650mm (máxima); uma vez a cada 100 anos, 900mm (mínima) e 1700mm (máxima); uma vez a cada 1000 anos, 775mm (mínima) e 1830mm (máxima); uma vez a cada 10000 anos, 650mm (mínima) e 1940mm (máxima). Ano/Precipitação anual em (mm) 1934 1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1253,0 1499,8 1292,3 1591,6 1405,3 1131,0 1133,1 1216,0 1185,0 1102,4 1074,4 1364,4 1088,9 Ano/Precipitação anual em (mm) 1947 1948 1949 1950 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1619,9 1178,4 1291,4 1371,4 1177,6 1283,7 1192,2 1079,7 1105,6 1460,4 1693,1 1567,7 1319,1 1.3 – A partir da série anual de precipitações ocorridas no município de Leme-SP, na Estação Cresciomal - Prefixo D4-030, Bacia Hidrográfica do Turvo, no período de 1950 a 1979, pede- se calcular: a) Valores extremos; b) Média aritmética; c) Mediana; d) Moda; e) Desvio padrão; f) Erro provável; g) Coeficiente de variação; h) Alturas pluviométricas anuais máximas prováveis para os períodos de recorrência de 10, 50, 100, 1000, e 10000 anos. Ano/Precipitação anual em (mm) 1950 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 1961 1962 1302,50 1302,00 1747,90 972,50 1195,10 1377,70 1178,30 1624,60 1573,10 1090,10 1513,70 1187,70 1608,10 HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 21 Ano/Precipitação anual em (mm) 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 986,70 1242,70 1291,4 1285,90 1490,10 845,10 1035,00 1555,0 1183,50 1565,00 1465,40 1195,00 1309,60 Ano/Precipitação anual em (mm) 1976 1977 1978 1979 1916,00 1260,70 1076,30 1137,40 [Colaboração do estudante de Engenharia Civil: Mário Henrique Dias Pelissari] (R.: a) Extremo superior (máximo) = 1916,00 mm; Extremo inferior (mínimo) = 845,10 mm. b) 1324,10 mm. c) 1273,30mm. d) 1171,70. e) ±248,88mm. f) 167,74mm. g) 18,79%. h) uma vez a cada 10 anos 1650mm (máxima); uma vez a cada 50 1825mm (máxima); uma vez a cada 100 anos 1900mm (máxima); uma vez a cada 1000 anos 2080mm (máxima); uma vez a cada 10000 anos 2220mm (máxima). 1.4 - Sejam as 5 estações pluviométricas de uma determinada área A, mostradas na figura seguinte, determinar a precipitação média pelos métodos da média aritmética e de Thiessen. �2 �1 �3 �4 �5 Dados: Estações Áreas de Influência Km2 % da área total Precipitações (mm) ∑Pi. Ai 1 23,60 2 24,30 3 22,00 4 16,00 5 13,40 ∑ A = 500 100 R.: Média aritmética, Pm = 19,86mm. Método de Thiessen, Pm = 18,63mm. 1.5 - Sejam as 3 estações pluviométricas da bacia do rio Capivari, mostradas na figura seguinte, determinar a precipitação média pelos métodos da média aritmética e de Thiessen, referente aos três dias indicados. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 22 N Bacia do rio Capivari (Área total = 1 058 km2) Dados Pluviométricos: Local Dia/Mês/Ano Precipitação (mm) 01/02/1954 51,8 07/02/1954 46,8 Praia Grande 08/02/1954 1,5 01/02/1954 31,2 07/02/1954 47,0 Bocaiúva 08/02/1954 37,2 01/02/1954 15,6 07/02/1954 33,8 Estação Experimental 08/02/1954 25,4 R.: Média aritmética, Pm = 32,3mm. Método de Thiessen, Pm = 34,11mm. 1.6 – A partir das isoietas da precipitação pluvial, mostradas na figura seguinte, calcular a precipitação média pelo Método das Isoietas referente ao polígono indicado. Dados: A1=1,598km2; A2=1,183km2; A3=1,681km2; A4=2,241km2; A5=2,179km2; A6=1,971km2; A7=2,158km2; A8=1,598km2; A9=1,577km2; A10=1,701km2; A11=1,058km2; A12=1,017km2; A13=0,872km2; A14=0,560km2; A15=0,415km2; A16=0,270km2; A17=0,145km2. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 23 (R.: Pm = 52,45mm) 1.13 - BIBLIOGRAFIA GARCEZ, Lucas Nogueira e ALVAREZ, Guillermo Acosta. Hidrologia. Editora Edgard Blucher Ltda. São Paulo. 2ª Edição. 1999. PINTO, Nelson L. de Sousa; HOLTZ, Antonio Carlos Tatit; MARTINS, José Augusto. Hidrologia de Superfície. Editora Edgard Blucher Ltda. São Paulo. 1ª Edição. 1973. PROJETO RECOPE – FINEPE. Vários Autores. Hidrologia Aplicada á Gestão de Pequenas Bacias Hidrográficas. ABRH – Associação Brasileira de Recursos Hídricos. 2001 RIGHETTO, Antonio Marozzi. Hidrologia e Recursos Hídricos. Publicação EESC-USP – São Carlos. 1998 VILLELA, S. M. e MATTOS, A. – Hidrologia Aplicada. Editora McGraw-Hill do Brasil Ltda. São Paulo, 1975. WILKEN, Paulo Sampaio. Engenharia de Drenagem Superficial. CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. São Paulo. 1978. CAPÍTULO 2 BACIAS HIDROGRÁFICAS 2.1 – INTRODUÇÃO Bacia hidrográfica (ou bacia contribuinte, ou bacia de drenagem) de uma seção transversal de um curso de água é a área geográfica coletora de água de chuva que, escoando pela superfície do solo atinge a seção considerada. As águas de chuva que caem sobre uma bacia hidrográfica chegam a uma seção S considerada de um curso de água através da rede de drenagem de montante. A rede de drenagem, por sua vez, é constituída por cursos de água (rios) perenes, intermitentes, cortantes, e efêmeros. Rios perenes. São aqueles que fluem constantemente. Tem sua vazão variável em função dos períodos de chuvas, porém não secam. Rios intermitentes. Escoam durante os períodos das chuvas e tendem a secar devido a fraca alimentação do lençol freático. O maior rio seco do mundo é o Jaguaribe onde está a represa de Orós no Nordeste Brasileiro. Rios cortantes. São rios que correm em certos trechos. São dependentes de alimentação heterogênea do lençol freático ao longo do curso e em trechos a evaporação torna-os secos. Rios efêmeros. Que circulam apenas na época das chuvas não contando com alimentação do lençol freático. Os rios quanto à suas confluências podem se classificar como rios de primeira, segunda, terceira, quarta, e etc, ordem, (ver item 2.4.2). S Figura 2.1 – Bacia hidrográfica referente à seção S. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 25 ______________________________________________________ 2.2 – INDIVIDUALIZAÇÃO DA BACIA HIDOGRÁFICA O volume total de água que passa em determinado tempo em uma seção transversal de um curso d’água é composto de águas provenientes das chuvas que caem diretamente sobre a superfície livre, ou sobre o solo da bacia hidrográfica e que atingem o leito do curso de água após ter escoado superficialmente, ter percorrido caminhos sub – superficiais e subterrâneos. Os limites de uma bacia hidrográfica são definidos por dois tipos de divisores de água ou espigões que a separam das bacias vizinhas, sendo um divisor topográfico ou superficial e um divisor freático ou subterrâneo, Figura 2.2. O divisor topográfico é condicionado pela topografia, é a linha de separação que divide as precipitações que caem sobre o terreno encaminhando o escoamento superficial para diferentes áreas que constituirão o conjunto de bacias hidrográficas. Este divisor segue uma linha rígida em tornoda bacia atravessando o curso de água somente no ponto de saída. Une os pontos de máxima cota entre bacias, o que não impede que no interior de uma bacia existam picos isolados com cotas superiores a qualquer ponto do divisor. O divisor freático é determinado geralmente pela estrutura geológica, podendo as vezes ser influenciado também pelo topografia. Este divisor fixa os limites da área que contribui com o escoamento subterrâneo para o sistema fluvial. terreno lençol freático (estiagem) divisor topográfico divisor freático curso d’água (poderá ser intermitente) rocha impermeável Rio X (perene) Rio Y (perene) Rio Z (perene) Figura 2.2 – Divisores topográfico e freático. “As áreas demarcadas pelos divisores topográfico e freático, dificilmente são iguais. Devido à dificuldade de se determinar o divisor freático, uma vez que a sua posição varia com as flutuações do lençol freático, costuma-se considerar que a área da bacia hidrográfica é aquela delimitada pelo divisor topográfico”, VILLELA & MATTOS, 1975. Quando os dois divisores não coincidem, diz-se que há uma fuga ou vazamento de água da bacia, e que é igual ao escoamento subterrâneo, proveniente da área situada entre os dois divisores. Em bacias hidrográficas pequenas (*), o vazamento devido a não coincidência dos divisores pode ser um fator importante. Nas grandes bacias, a magnitude dos vazamentos ou acréscimos é insignificante. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 26 ______________________________________________________ Tanto o escoamento superficial como o subterrâneo caminha para o talvegue (= linha que une os pontos de mínima cota das sucessivas seções transversais da bacia). Alguns autores denominam de bacia hidrográfica quando se considera somente a contribuição do escoamento superficial e de bacia hidrogeológica quando se considera a contribuição dos escoamentos superficiais e subterrâneos. 2.3 – CARACTERÍSTICAS TOPOGRÁFICAS 2.3.1 – Delimitação e área da bacia. Em uma planta topográfica da área traça-se o divisor de águas. Esta planta deve ter altimetria e escalas adequadas (as mais adequadas são: 1 para 5000, com curvas de nível de 5 em 5 metros, para bacias urbanas e escala 1 para 10000, com curvas de nível de 10 em 10 metros, para bacias rurais). Após a delimitação, com auxílio de um planímetro ou por meios geométricos, calcula- se a área da bacia (= área plana, projeção horizontal, compreendida entre seus divisores). 2.3.2 – Curvas características. São as curvas que caracterizam a topografia de uma bacia hidrográfica. São elas: Curva hipsométrica: representa as áreas de uma bacia hidrográfica situadas acima ou abaixo das diversas curvas de nível. Constrói-se o gráfico colocando-se as áreas num eixo e as altitudes no outro, Figura 2.3. Na Tabela 2.1 as colunas 1, 3, 4, 5 e 6 mostram como se obteve a curva hipsométrica. No eixo das ordenadas, ou seja, no eixo correspondente às cotas, marca-se o menor valor do intervalo de cotas da coluna 1, e no eixo das abscissas marca a porcentagem da área acumulada, coluna 6. Curva das freqüências altimétricas: é um histograma (diagrama em degraus) apresentando as superfícies compreendidas entre altitudes escalonadas (por exemplo: de 20 em 20 metros), Figura 2.4. As colunas 1, 3 e 5 da Tabela 2.1 mostram como se obteve a curva das freqüências altimétricas. _____________ Nota: (*) – “Os estudos hidrológicos mostram que há uma diferença marcante entre a pequena e a grande bacia de drenagem, que não depende exclusivamente do seu tamanho. Para uma bacia de drenagem pequena, as vazões são influenciadas principalmente pelas condições climáticas da localidade, físicas do solo e da cobertura sobre a qual o homem tem algum controle; assim, no seu estudo hidrológico é dada maior atenção à própria bacia. Para uma bacia grande, o efeito do armazenamento no leito do curso d’água torna-se muito pronunciado, de tal modo que nela predomina o estudo hidrológico do curso d’água efetuando-se medidas diretas das vazões em pontos predeterminados e estudos estatísticos das vazões, os quais são muitas vezes estendidos e extrapolados”. Uma característica distinta da pequena bacia é o fato de que o efeito do escoamento superficial na bacia afeta muito mais o valor da vazão máxima do que o efeito do armazenamento do curso d’água. Tal efeito é, todavia, muito pronunciado nas grandes bacias”, WILKEN, 1978. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 27 ______________________________________________________ Tabela 2.1 – Dados para a construção das curvas hipsométrica e das freqüências altimétricas. 1 2 3 4 5 6 7 Cotas (m) Ponto médio (m) Área (km2) Área Acumulada (km2) % da Área % da Área Acumulada Coluna 2 X Coluna 3 940 – 920 930 1,92 1,92 1,08 1,08 1 785,6 920 – 900 910 2,90 4,82 1,64 2,72 2 639,0 900 – 880 890 3,68 8,50 2,08 4,80 3 275,2 880 – 860 870 4,07 12,57 2,29 7,09 3 540,9 860 – 840 850 4,60 17,17 2,59 9,68 3 910,0 840 – 820 830 2,92 20,09 1,65 11,33 2 423,6 820 – 800 810 19,85 39,94 11,20 22,53 16 078,5 800 – 780 790 23,75 63,69 13,40 35,93 18 762,5 780 – 760 770 30,27 93,96 17,08 53,01 23 307,9 760 – 740 750 32,09 126,05 18,10 71,11 24 067,5 740 – 720 730 27,86 153,91 15,72 86,83 20 337,8 720 – 700 710 15,45 169,36 8,72 95,55 10 969,5 700 - 680 690 7,89 177,25 4,45 100,00 5 444,1 Total 177,25 136 542,1 Bacia: Ribeirão do Lobo – SP Mapa: IBGE Área de drenagem: 177,25 km2 Escala: 1:50000 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 910 920 0 20 40 60 80 % da área acumulada (Col. 6) C ot a (m ) ( m en or es v al or es d a C ol .1 ) 100 Figura 2.3 – Curva hipsométrica HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 28 ______________________________________________________ Altitude média = m Coluna Coluna 770 25,177 1,136542 3 7 ≅= % da área (Coluna 5) 18,10 4,45 1,64 1,08 940 920 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700 680 Cotas em (m) (Coluna 1) 750 m = altitude mais freqüente Figura 2.4 – Curva das freqüências altimétricas 2.3.3 – Altitudes características. Altitude mediana: é a correspondente ao valor médio do eixo das superfícies (em % ou km2) da curva hipsométrica que representa as áreas da bacia, Figura 2.3. Este valor será, no caso das superfícies serem consideradas em porcentagem da área total, o correspondente a 50%; e no caso das superfícies serem consideradas em km2 ou outra unidade de área qualquer, o correspondente ao valor da metadeda área da bacia. Altitude mais freqüente: é a altitude correspondente à % da área máxima da curva das freqüências altimétricas, Figura 2.4. Altitude média: é determinada por um dos seguintes procedimentos: - A Tabela 2.1, nas colunas 1, 2, 3 e 7 mostram a seqüência de cálculos para se obter a altitude média da bacia. Altitude média da bacia = 3 7 Coluna Coluna (2.1) - Algum autor obtém esta altitude da curva hipsométrica traçando um retângulo de área equivalente a área compreendida entre a curva hipsométrica e os eixos. Da Figura 2.3, tem-se que: Altitude máxima 940 m. Altitude mínima 680 m Altitude média 770 m (valor calculado) Altitude mediada 764 m (corresponde a 50 % da área acumulada) HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 29 ______________________________________________________ Da Figura 2.4, tem-se que: O valor da altitude mais freqüente é 750 m. 2.3.4 – Curva de distribuição das declividades da bacia. O relevo da bacia hidrográfica contribuinte é um dos fatores principais na formação das enchentes de um rio, afetando as condições meteorológicas, processos erosivos, regime hidráulico das enchentes e a expressão quantitativa da velocidade de escoamento e de perdas de água durante as chuvas. O relevo tem duplo efeito nas perdas de água: de um lado, influencia o regime de infiltração e, de outro, afeta as perdas através da retenção do enchimento do micro-relevo, WILKEN, 1978. Os relevos podem ser classificados, qualitativamente, de acordo com as suas declividades médias. A curva de distribuição das declividades da bacia apresenta na abscissa (em % ou km2) as superfícies dos terrenos cuja declividade excede os valores marcados nas ordenadas, Figura 2.5. A tabela 2.2 mostra como obter a curva de distribuição das declividades da bacia. Tabela 2.2 – Distribuição de declividades 1 2 3 4 5 6 Declividade em m/m Número de ocorrências Porcentagem do total Porcentagem acumulada Declividade média do intervalo Coluna 2 X Coluna 5 0,0000 – 0,0049 249 69,55 100,00 0,00245 0,6100 0,0050 – 0,0099 69 19,27 30,45 0,00745 0,5141 0,0100 – 0,0149 13 3,63 11,18 0,01245 0,1618 0,0150 – 0,0199 7 1,96 7,55 0,01745 0,1222 0,0200 – 0,0249 0 0,00 5,59 0,02245 0,0000 0,0250 – 0,0299 15 4,19 5,59 0,02745 0,4118 0,0300 – 0,0349 0 0,00 1,40 0,03245 0,0000 0,0350 – 0,0399 0 0,00 1,40 0,03745 0,0000 0,0400 – 0,0449 0 0,00 1,40 0,04245 0,0000 0,0450 – 0,0499 5 1,40 1,40 0,04745 0,2373 Total 358 100,00 - - 2,0572 Declividade média = 2 6 358 0572,2 aTotalColun aTotalColun= = 0,00575 m/m Com os dados analisados obtiveram-se uma declividade média de 0,00575 m/m, ou 0,575%, e uma declividade mediana de 0,36%, mostrando que a bacia possui, em média, baixa declividade, o que resulta numa redução dos picos de enchente devido à baixa velocidade do escoamento. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado ______________________________________________________ 30 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018 0,019 0,02 0,021 0,022 0,023 0,024 0,025 0,026 0,027 0,028 0,029 0,03 0,031 0,032 0,033 0,034 0,035 0,036 0,037 0,038 0,039 0,04 0,041 0,042 0,043 0,044 0,045 0,046 0,047 0,048 0,049 0,05 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Porcentagem acumulada (%) [Coluna 4] Va lo r m en or d o in te rv al o de d ec liv id ad es d a C ol un a 1 Figura 2.5 – Curva de distribuição de declividades da Bacia do Ribeirão do Lobo. HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 31 ______________________________________________________ Horton, segundo GENOVEZ, SD, apresentou o seguinte método para a determinação da declividade média da bacia, Figura 2.6. Curva de nível LT = linhas intermediárias entre as curvas de nível Curva de nível LT c Curva de nível LT b Curva de nível d X Curva de nível a Rio Figura 2.6 – Bacia hidrográfica com curvas de nível Sendo: A1 = área da faixa abcd; c1 = largura média da faixa abcd (=A1/l1); l1 = comprimento da curva de nível X; i = declividade média da faixa abcd; I = declividade média da bacia hidrográfica; D = eqüidistância entre as curvas de nível; A = área da bacia; L = comprimento total das curvas de nível temos que: 1 1 1 A lD c Di == (2.2) Baseando-se na média ponderada das declividades em relação as áreas: A A A lD A A A lD A A A lDI n n n ......... 2 2 21 1 1 +++= (2.3) Portanto, tem-se: HIDROLOGIA Prof. Evaldo Miranda Coiado 32 ______________________________________________________ ( ) A LDlll A DI n ..... 21 =+++= (2.4) Sendo: I em (%); D em (m); L em (m); A em (m2). 2.3.5 – Perfil longitudinal do curso d’água. No estudo de uma bacia hidrográfica contribuinte, é necessária a determinação dos perfis longitudinais do fundo do vale principal e dos secundários, os quais são representados marcando-se em abscissas os comprimentos desenvolvidos do leito e em e em ordenadas as altitudes do fundo, Figura 2.7. No perfil longitudinal do curso d’água há a distinguir: Linha S1 – Representa a declividade média entre dois pontos. Não é representativa da declividade média do perfil longitudinal do curso d’água, Figura 2.7. Linha S2 – Determina uma área entre ela e o eixo das abscissas igual a área compreendida entre a curva do perfil longitudinal do curso d’água e o eixo das abscissas. É o valor mais representativo e racional da declividade média do perfil longitudinal do curso d’água, Figura 2.7. Tabela 2.3 – Perfil longitudinal do rio 1 2 3 4 5 Cota (m) Distância (m) Distância L* (km) Distância L* Acumulada (km) Distância real L** (km) 680 7100 7,100 7,100 7,100 700 500 0,500 7,600 0,500 720 3 375 3,375 10,975 3,375 740 5 375 5,375 16,350 5,375 760 850 0,850 17,200 0,850 780 1 330 1,330 18,530 1,330 800 350 0,350 18,880 0,350 820 350 0,350 19,230 0,350 840 880 0,880 20,110 0,880 860 950 0,950 21,060 0,950 880 400 0,400 21,460 0,400 900 540 0,540 22,000 0,540 Total 22 000 22,000 22,000 L* = distância medida na horizontal L** = distância real medida em linha inclinada
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