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UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 1 APOSTILA DE HIDROLOGIA APLICADA MATERIAL DIDÁTICO PARA ESTUDO Material de apoio aos estudantes do curso de Engenharia Civil do Centro Universitário UNIVAG Várzea Grande – 2014 3º Revisão UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 2 ÍNDICE Pg. I. INTRODUÇÃO...................................................................................................... 4 I.1. Autor................................................................................................. 4 I.2. Adaptador......................................................................................... 4 I.3. A Água.............................................................................................. 5 I.4. Definição de Hidrologia.................................................................... 5 I.5. Breve histórico da Hidrologia........................................................... 6 I.6. Aplicações da hidrologia.................................................................. 6 I.7. O ciclo hidrológico............................................................................ 9 I.8. O estudo da hidrologia..................................................................... 10 I.9. Exercício........................................................................................... 10 II. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM...................................... 11 II.1. Definição........................................................................................ 11 II.2. Classificação dos cursos d'água.................................................... 12 II.3. Índices que indicam a forma da bacia (Índices Fluviomorfológicos) 12 II.4. Sistema de drenagem de uma bacia.............................................. 13 II.5. Características do relevo................................................................ 15 II.6. Exercícios........................................................................................ 16 III. PRECIPITAÇÃO.................................................................................................. 17 III.1. Definição........................................................................................ 17 III.2. Formação das precipitações......................................................... 17 III.3. Tipos de precipitação..................................................................... 17 III.4. Medida das precipitações............................................................... 19 III.5. Características Principais das Precipitações................................. 21 III.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação 23 III.7. Verificação da homogeneidade de dados...................................... 23 III.8. Curva intensidade-duração-frequência.......................................... 24 III.9. Exercícios....................................................................................... 27 IV. INFILTRAÇÃO,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,............. 28 IV.1. Definição........................................................................................ 28 IV.2. Fatores que influenciam na infiltração.......................................... 28 IV.3. Curva de capacidade de infiltração................................................ 29 IV.4. Medição da capacidade de infiltração............................................ 33 IV.5. Exercícios...................................................................................... 34 V. ÁGUAS SUBTERRÂNEAS................................................................................. 34 V.1. Conceitos Básicos.......................................................................... 35 V.2. Classificação dos Aquíferos............................................................ 35 V.3. Exploração de Aquíferos................................................................. 36 V.4. Exercícios....................................................................................... 42 VI. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO................................................................ 43 VI.1. Evaporação.................................................................................... 43 VI.2. Fatores que influem na evaporação.............................................. 43 VI.3. Medição de evaporação................................................................. 44 UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 3 VI.4. Medida da evaporação da superfície das águas........................... 44 VI.5. Medida da evaporação da superfície do solo................................ 45 VI.6. Medida da transpiração................................................................. 46 VI.7. Fórmula geral da evaporação........................................................ 47 VI.8. Fórmulas empíricas...................................................................... 47 VI.9. Evapotranspiração em bacia hidrográfica...................................... 48 VII. ESCOAMENTO SUPERFICIAL......................................................................... 49 VII.1. Definição....................................................................................... 49 VII.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial 50 VII.3. Algumas definições....................................................................... 50 VII.4. Estimativa do Coeficiente “Run Off” para uma Região................. 51 VII.5. Curva-chave de uma seção de rio ou canal................................. 52 VII.6. Previsão de vazões a partir de precipitações............................... 52 VII.7. Previsão de cheias e determinação de enchente de projeto........ 55 VII.8. Manipulação de dados de vazão.................................................. 59 VII.9. Exercícios..................................................................................... 61 VIII. RESERVATÓRIOS DE ESTIAGEM E BACIAS HIDRÁULICAS….................. 63 VIII.1. Conceitos..................................................................................... 63 VIII.2. Finalidade das barragens............................................................ 64 VIII.3. Tipos construtivos de barragens.................................................. 65 VIII.4. Dados básicos de projeto/Escolha do local de implantação........ 69 VIII.5. Determinação do volume útil do reservatório de regularização... 70 VIII.6. Exercícios.................................................................................... 71 IX. BIBLIOGRAFIA................................................................................................ 71 Apostila de Hidrologia Aplicada – Material Didático para estudo O presenteTexto foi elaborado pelo Eng. Antonio Sérgio Ferreira Mendonça (Msc. em Engenharia Civil pela COPPE/UFRJ e Ph. D. em Engenharia Civil pela CSU/EUA. Disponibilizado pela discente do Curso de Engenharia Civil do UNIVAG Adria Caroline da Silva (Turma ENC 102 Am) e adaptado pelo Prof. Esp. Walter Corrêa Carvalho Junior. Este texto serve como base de apoio para o estudo da Disciplina, podendo ser divulgado ou reproduzido total ou parcialmente para demais finalidades, desde que citada a fonte. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 4 I - INTRODUÇÃO I.1. Autor Eng. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça M. Sc. em Engenharia Civil - COPPE/UFRJ - 1977 Ph. D. em Engenharia Civil - CSU - EUA – 1987 Pós-Doc no Dep. Eng. Civil e Ambiental da Cornell University (NY) – EUA - 1998 Membro do Conselho Estadual de Recursos Hídricos Membro do Comitê da Bacia do Rio Doce I.2. Adaptador Walter Corrêa Carvalho Junior Engº Sanitarista – UFMT – 2007 Esp. em Tecnologia Ambiental – UFMT – 2010 Esp. em Direito Ambiental – UFMT – 2014 Aperfeiçoamento em Gestão de Recursos Hídricos – UFAL/UFSC – 2010 Aperfeiçoamento em Segurança de Barragens – FPTI/ITAIPÚ – 2013 Analista de Meio Ambiente da SEMA/MT desde 2009 Professor da disciplina Hidrologia Aplicada no UNIVAG desde 2013 UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 5 I.3. A Água A superfície do planeta Terra é formada por ¾ de água (doce e salgada) e apenas ¼ de terra (continentes e terras), assim distribuída: 1. 0,01% nos rios; 2. 0,35% nos lagos e pântanos; 3. 2,34% nos pólos, geleiras e icebergs; 4. 97,3% nos oceanos. O Brasil possui 13,7% da água doce do planeta e 80% das águas brasileiras estão nos rios da Amazônia. A água é indispensável para a sobrevivência humana. Sua crescente utilização tem conduzido não só à redução de disponibilidade como também à degradação da qualidade. O aumento da demanda é conseqüência direta do crescimento populacional, do desenvolvimento industrial e do aumento de outras atividades humanas. Grande parte das formas de utilização da água resulta em resíduos, que por sua vez podem causar poluição. I.4. Definição de Hidrologia Ciência que trata da água na terra, sua ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades físicas e químicas, suas relações com o meio ambiente, incluindo suas relações com a vida. (Definição recomendada pela United States Federal Council for Science and Technology, 1962) UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 6 I.5. Breve histórico da Hidrologia A Hidrologia é uma ciência jovem, tendo seu maior desenvolvimento neste século, sob a pressão do grande impulso que foi dado às obras hidráulicas. Os insucessos que vinham acontecendo anteriormente com as obras nos rios, resultantes principalmente de estimativas insuficientes de vazões de enchente, traziam conseqüências desastrosas que se agravavam com a ampliação do porte de obras, o progresso e desenvolvimento das populações ribeirinhas, bem como repercussões sobre a economia das nações pelo colapso operacional desses empreendimentos. Devido à importância do controle da poluição e do planejamento das bacias hidrográficas, a partir da década de 1970, uma maior conscientização da população a respeito dos problemas ambientais deu novo impulso aos estudos e à aplicação da hidrologia. I.6. Aplicações da hidrologia Os fenômenos hidrológicos são aqueles que definem os mecanismos de armazenamento e transporte entre as diversas fases do ciclo da água em nosso planeta que possuem relação direta do clima global e regional sob aspectos meteorológicos, geomorfológicos, de uso do solo entre outros. (NAGHETTINI & PINTO, 2007) Ainda segundo os mesmos autores, a „Hidrologia Aplicada‟ utiliza os princípios da hidrologia para planejar, projetar e operar sistemas de aproveitamento e controle de recursos hídricos que requerem quantificações confiáveis de fenômenos como: precipitação, escoamento e armazenamento superficial e subterrâneo, infiltração, entre outros. Algumas aplicações são enumeradas a seguir: a) Escolha de fontes de abastecimento de água para uso doméstico ou industrial b) Projeto e construção de obras hidráulicas b.1) Fixação das dimensões hidráulicas de obras de arte, tais como: pontes, bueiros, etc.; b.2) Projeto de barragens; localização; escolha do tipo de barragem, de fundação e do extravasor; dimensionamento. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 7 c) Drenagem c.1) Estudo das características do Lençol Freático. c.2) Estudo das condições de alimentação e escoamento natural do lençol, precipitação, bacia de contribuição e nível d'água dos cursos. d) Irrigação – Visa suprir as deficiências pluviais, proporcionando teor de umidade no solo suficiente para o crescimento de plantas. d.1) Escolha do manancial. d.2) Estudo de evaporação e infiltração. e) Regularização dos cursos d'água e controle de inundações e.1) Estudo das variações de vazão; previsão de vazões máximas. e.2) Exame das oscilações de nível e das áreas de inundação. f) Controle da poluição e preservação ambiental Análise da capacidade de autodepuração dos corpos receptores (rios, lagoas, etc.) dos efluentes de sistemas de esgotos sanitários e industriais: vazões mínimas de cursos d'água, capacidade de reaeração e velocidade de escoamento. g) Controle da erosão g.1) Análise de intensidade e freqüência das precipitações máximas, determinação do coeficiente de escoamento superficial. g.2) Estudo da ação erosiva das águas e proteção por meio da vegetação e outros recursos. h) Navegação Obtenção de dados e estudos sobre construção e manutenção de canais navegáveis. i) Aproveitamento hidrelétrico: i.1) Previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos d'água para o estudo econômico e dimensionamento das instalações. i.2) Verificação da necessidade de reservatório de acumulação, determinação dos elementos necessários ao projeto e construção do mesmo: bacias hidrográficas, volumes armazenáveis, perdas por evaporação e infiltração. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 /6107 / 6215 / 6218 8 j) Operação de sistemas hidráulicos complexos l) Recreação – Atividades recreativas, esportes náuticos, navegação, pescas recreativas e lazer contemplativo. m) Preservação e desenvolvimento da vida aquática – Manutenção de padrões adequados de qualidade das águas para conservação da fauna e da flora, com a manutenção de ambientes propícios às atividades humanas e à preservação da harmonia paisagística. Disponibilidade hídrica espaço-temporal: quantidade e qualidade de água. n) Estudos integrados de bacias hidrográficas para múltiplos propósitos UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 9 I.7. O ciclo hidrológico O ciclo hidrológico é o movimento permanente da água, resultante dos fenômenos de evaporação, transpiração, precipitação, escoamento superficial, escoamento subterrâneo, infiltração, entre outros. Em determinadas circunstancias, a natureza parece trabalhar com os excessos. Ora provoca chuvas torrenciais que ultrapassam a capacidade de suporte dos cursos d‟ água, acarretando em inundações, ora parece que todo o ciclo hidrológico parou completamente. Esses extremos de enchente e seca são os que mais interessam para os engenheiros, pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são feitos com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos, e quando não previsto podem acarretar em danos. (FPTI/ANA, 2013 – Curso Hidrologia Básica) O ciclo hidrológico é representado esquematicamente e simplificadamente na figura a seguir: A representação esquemática não deve levar a uma idéia simplista do fenômeno que é, na realidade, muito complexo. O movimento de circulação do ciclo hidrológico se processa a custa da energia solar. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 10 Energia Solar Quando o sol começa a esquentar a água, ocorre evaporação. É ela que vai formar as nuvens que irão resultar na chuva. Chuva Quando há uma grande concentração de gotas, as nuvens ficam pesadas e é formada a chuva. A água que cai sobre a terra servirá para animais, plantas e seres humanos. Vento O vento move as nuvens, fazendo com que as chuvas sejam distribuídas por toda a extensão terrestre. Oceano A água do oceano evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens de chuva. Transpiração A água retida nas plantas e na terra vai para a atmosfera e ajuda na formação das nuvens de chuva através da transpiração. Água Subterrânea A água subterrânea vai para a atmosfera e ajuda na formação das nuvens de chuva através da transpiração da terra e das árvores quando elas são aquecidas pela energia solar. Evaporação A água dos rios, lagos e oceanos evapora com a energia solar e forma as nuvens. Rios e Lagos A água dos rios e lagos evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens. I.8. O estudo da hidrologia Compreende a coleta de dados básicos como, por exemplo, a quantidade de água precipitada ou evaporada e a vazão dos rios; a análise desses dados para o estabelecimento de suas relações mútuas e o entendimento da influência de cada fator e, finalmente, a aplicação dos conhecimentos alcançados para a solução de inúmeros problemas práticos. A hidrologia não é uma ciência puramente acadêmica, sendo uma ferramenta imprescindível ao engenheiro em todos os projetos relacionados com a utilização ou controle de recursos hídricos. Os projetos de obras futuras são realizados com bases em dados do passado. As diversas obras de engenharia realizadas com o intuito de transformar a natureza para o bem comum pode degradar a qualidade e/ou quantidade dos recursos hídricos disponíveis. Para isso tem-se que aplicar os conhecimentos de natureza hídrica e utilização racional deste bem já considerado escasso a fim de sanear possíveis incompatibilidades entre os diversos usos antrópicos. I.9. Exercício 1) Como a ação antrópica pode interferir no Ciclo Hidrológico? UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 11 II - BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM II.1. Definição É uma área drenada por um curso d'água ou por uma série de cursos d'água tal que toda vazão efluente seja descarregada através de uma só saída, na porção mais baixa do seu contorno. Outro conceito: Bacia hidrográfica ou de drenagem de uma seção de um curso d'água é a área geográfica sobre a qual as águas precipitadas, que escoam superficialmente, afluem à seção considerada. 1. Divisores de água: São linhas de separação entre bacias hidrográficas. 2. Divisor topográfico: Fixa a área da qual provêm o escoamento superficial. 3. Divisor freático: Limite dos reservatórios de água subterrânea, de onde provêm o escoamento subterrâneo da bacia. 4. Área de drenagem de uma bacia: É a área plana (projeção horizontal) situada no interior de seus divisores de água. 5. Tempo de concentração de uma bacia: Tempo, a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia esteja contribuindo para a seção em UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 12 estudo. Avalia o tempo necessário para que toda a bacia contribua para o escoamento superficial numa seção considerada. Das metodologias mais utilizadas é a equação de Kirpich, que tem a condicionante de ser melhor aplicável em bacias pequenas (menores que 10 Km²) e com pouca sinuosidade, de preferência canais retificados. Sendo: Ieq – declividade equivalente em m/km; L – comprimento do talvegue em km. II.2. Classificação dos cursos d'água Perenes: Contém água durante todo o tempo. O lençol subterrâneo mantém uma alimentação contínua e não desce abaixo do leito do curso d'água. Intermitentes: Escoam durante as estações das chuvas e secam nas de estiagem, transportando tanto escoamento superficial quanto subterrâneo. Efêmeros: Existem apenas durante ou imediatamente após o período de precipitação, só transportando o escoamento superficial. II.3. Índices que indicam a forma da bacia (Índices Fluviomorfológicos) São relações numéricas obtidas a partir de dimensões características da bacia hidrográfica com finalidade de permitir comparações entre bacias, particularmente úteis quando a bacia não dispõe de observações hidrológicas contínuas, deste modo permitindo avaliar a qualidade dos resultados das avaliações hidrológicas por métodos indiretos. Admite-se que bacias com índices fluviomorfológicos semelhantes apresentam comportamento hidrológicosimilar, principalmente em relação a precipitações intensas. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 13 a) Coeficiente de compacidade (Kc) Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de área igual a da bacia. Consiste na comparação da forma da bacia com a de um círculo perfeito, medindo o grau de irregularidade desta, neste caso igual a unidade (Kc=1,0) Sendo: P – perímetro da bacia em km; A – área da bacia em km². Quanto mais irregular a forma bacia, maior será o coeficiente de compacidade. O coeficiente igual à unidade corresponde a uma bacia circular. O valor mais próximo à unidade indica a tendência à maiores enchentes. b) Fator de forma ou Índice de Conformação (Ff) É a relação entre largura média da bacia e o comprimento axial da mesma. Proposto por Horton relaciona a forma da bacia com um retângulo, sendo que quanto mais estreita e alongada (Ff<1,0), a possibilidade de ocorrência de chuvas intensas cobrindo toda a bacia é menor que nas largas e curtas (Ff>1,0), podendo-se concluir que fator igual a unidade a bacia é de forma quadrada. O comprimento (L) é obtido seguindo o curso d'água mais longo desde a desembocadura até a cabeceira mais distante. A largura média é obtida pela divisão da área (A) pelo comprimento. Um fator de forma baixo sugere uma menor tendência às enchentes que outra bacia de mesmo tamanho e fator de forma maior. II.4. Sistema de drenagem de uma bacia É constituído pelo rio principal e pelos seus afluentes. O estudo das ramificações é importante, pois indica a maior ou menor velocidade com que a água deixa a bacia. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 14 Ordem dos cursos d'água (Horton modificado por Strahler): 1ª ordem Canais pequenos, sem afluentes. Dois canais de ordem n dão lugar a um de ordem n + 1. A ordem do rio principal mostra o grau de ramificação da bacia. Densidade de drenagem (Dd) Relação entre a soma total dos comprimentos e a área de drenagem, oferecendo uma indicação da eficiência da drenagem de uma bacia. Dd < 0,5 Km / Km2 - drenagem muito pobre. Dd > 3,5 Km / Km2 - bacia excepcionalmente bem drenada. Sinuosidade de um curso d'água Relação entre o comprimento do curso principal e o comprimento do talvegue, sendo um fator controlador da velocidade do escoamento. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 15 II.5. Características do relevo São importantes, pois a velocidade de escoamento superficial depende da declividade do terreno, o que determina o seu relevo. a) Curva hipsométrica Gráfico cota x área percentual da bacia situada acima da cota de referência. As áreas são obtidas a partir das curvas de nível na bacia. b) Elevação média da bacia pela curva hipsométrica A HA Hm ii UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 16 Onde: Hm = elevação média da bacia; Hi = elevação média entre duas curvas de nível consecutivas; Ai = área entre as duas curvas de nível; A = área total. c) Perfil longitudinal de um curso d'água Gráfico de elevações x distância até um ponto considerado. d) Declividade da Bacia A velocidade de escoamento de um rio depende da declividade dos canais fluviais. Assim, quanto maior a declividade, maior será a velocidade de escoamento e bem mais pronunciados e estreitos serão os gráficos vazão x tempo das enchentes. Obtém-se a declividade da bacia, entre dois pontos, dividindo-se a diferença total de elevação entre dois pontos pela extensão horizontal desta bacia. S = Declividade em m/m ∆H = Diferença de cotas (m) entre os pontos que definem início e fim da bacia; L = comprimento do canal entre estes pontos. II.6. Exercícios 1) O que significa um fator de forma alto? 2) Como a declividade pode influenciar na resposta da bacia a enchentes? 3) Como o fator de Forma (Ff) e o Coeficiente de Compacidade (Kc) podem traduzir o comportamento de uma bacia hidrográfica? L H S UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 17 III - PRECIPITAÇÃO III.1. Definição Água proveniente do vapor d'água da atmosfera depositada na superfície terrestre de várias formas. Como, por exemplo, chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada. Será estudada em nosso curso, principalmente, a precipitação em forma de chuva por ser mais facilmente medida, por ser incomum a ocorrência de neve em nosso país e pelo fato das outras formas de precipitação geralmente contribuírem pouco para a vazão de rios e ainda pela chuva ser o maior fator interveniente em nossas obras civis. III.2. Formação das precipitações A atmosfera pode ser considerada como um reservatório e um sistema de distribuição e transporte do vapor d'água. A formação das precipitações está ligada à ascensão de massas de ar, que pode ser devida aos seguintes fatores: 1. Convecção térmica; 2. Relevo; 3. Ação frontal de massas. A ascensão de ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de saturação, ao que se seguirá a condensação de água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros. Para que ocorra precipitação é preciso que as gotas cresçam a partir de núcleos, que podem ser gelo, poeira ou outras partículas, até atingirem o peso suficiente para vencerem as forças de sustentação e caírem. III.3. Tipos de precipitação a) Precipitações ciclônica: Estão associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão. Essas diferenças de pressão são causadas por aquecimento desigual da superfície terrestre. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 18 A precipitação ciclônica pode ser classificada como frontal ou não frontal. Qualquer baixa de pressão pode produzir precipitação nãofrontal com o ar sendo elevado devido a uma convergência horizontal em áreas de baixa pressão. A precipitação frontal resulta da ascensão do ar quente sobre o ar frio na zona de contato entre duas massas de ar de características diferentes. Se a massa de ar se move de tal forma que o ar frio é substituído por ar mais quente, a frente é conhecida como frente quente, e se por outro lado, o ar quente é substituído por ar frio, a frente é fria. São de longa duração e apresentam intensidade de baixa a moderada, espalhando-se por grandes áreas. Ex: chuvas de início de inverno em Cuiabá e Várzea Grande. Este tipo de precipitação é importante, principalmente, no desenvolvimento e manejo de projetos em grandes bacias hidrológicas. b) Precipitações orográficas ou de relevo: As precipitações orográficas resultam de ascensão mecânica de correntes de ar úmido horizontal sobre barreiras naturais, tais como montanhas. Ocorrência no litoral do Nordeste brasileiro. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 19 c) Precipitações convectivas ou de convecção: São típicas das regiões tropicais. O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aparecimento de camadas de ar de densidades diferentes, o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável. Se esse equilíbrio, por qualquer motivo (vento, superaquecimento) for quebrado provoca uma ascensão brusca e violenta do ar menos denso, capaz de atingir grandes altitudes. Esta chuva manifesta-se de forma intensa e é de curta duração (podem durar apenas 10 minutos), geralmente concentradas em pequenas áreas. São importantes para projetos de pequenas bacias. Ocorrência das chuvas de verão em Cuiabá e Várzea Grande. III.4. Medida das precipitações A quantidade de chuva costuma ser expressa em altura de chuva (volume de chuva precipitado sobre uma superfície dividido pela área da superfície). Ao se estabelecer uma superfície de área igual a 1 m², todo o volume precipitado e acumulado pode ser mensurado. Deste modo concluiu-se que cada mm de chuva acumulada equivaleria a 1 Litro de água equitativamente distribuído na área de interceptação. 1 mm de chuva = 1 Litro de água / m² As medições podem ser feitas através de pluviômetros e de pluviógrafos. a) Pluviômetros São simplesmente receptáculos de água, cujas leituras são feitas geralmente em intervalos de 24 horas (7 horas da manhã), em recipientes graduados. Como exemplo, temos o pluviômetro tipo "Ville de Paris", muito utilizado no Brasil. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 20 b) Pluviógrafos São aparelhos que registram em gráfico o total de precipitação acumulada ao longo do tempo, indispensáveis para estudos de precipitação de curta duração. Tanto os pluviômetros quanto os pluviógrafos, costumam ter superfície receptora circular com área entre 200 e 500 cm2 e são geralmente instalados a 1,50 m do solo. Devem ser instalados de tal forma que não sofram influências de árvores, prédios ou outros obstáculos. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 21 III.5. Características Principais das Precipitações Altura pluviométrica Geralmente fornecida em centímetros ou milímetros e a medida é realizada nos pluviômetros. Intensidade pluviométrica Relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação. Geralmente expressa em mm/h, cm/h, mm/min. Duração Período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação (h ou min). Precipitação média sobre uma região a) Método da média aritmética Consiste em determinar a média aritmética das medidas dos aparelhos localizados na região. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 22 Cuidado especial deve ser dado aos casos em que a média aritmética pode não ser representativa, devendo nestes casos fazer uso de outros métodos para aquisição da média de precipitação na bacia hidrográfica. b) Método das isoietas Neste método utilizam-se curvas de igual precipitação, sendo seu traçado bastante simples, semelhante ao das curvas de nível, onde alturas de chuva substituem a cota do terreno. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 23 c) Método dos polígonos de Tiessen Neste método divide-se a região em áreas de influência dos postos, traçando, com as mediatrizes dos segmentos de reta que unem os pontos, polígonos. Os lados dos polígonos são os limites das áreas de influência. Da geometria plana, sabe-se que as mediatrizes de um triângulo se encontram em um único ponto. III.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação Muitas estações apresentam falta de dados para determinados dias por ausência do operador ou defeitos no aparelho. Como existe necessidade de trabalhar com séries contínuas, as falhas devem ser preenchidas. Costuma-se utilizar dados de 3 estações próximas, da seguinte forma: Sendo N1, N2, N3 e Nxas médias de precipitações nas 3 estações e na que estamos preenchendo falhas, e sendo P1, P2, P3e Px as precipitações respectivas na data da falha: III.7. Verificação da homogeneidade de dados É feita pela análise de duplas massas e permite verificar se houve mudança de local, das condições do aparelho ou modificação do método de observação. Consiste em UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 24 construir uma curva dupla acumulativa, na qual são relacionados os totais anuais acumulados de determinado posto com a média acumulada dos totais acumulados de todos os postos da região (qualquer mudança de declividade ou desvio na reta indica anormalidade). III.8. Curva intensidade-duração-frequência Chuva em uma região pode ser definida se intensidade, duração, e freqüência das várias chuvas intensas são conhecidas. Para uma estação, geralmente, são conhecidas as intensidadesdas chuvas para diversas durações, tais como 5, 10, 15, 30, 60 e 120 min. Estes dados podem ser usados para determinação da freqüência de ocorrência das chuvas. Estes dados de freqüência podem ser representados pelas curvas de intensidade x duração. Exemplo de uma curva intensidade x duração para Vitória/ES: UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 25 Relação entre intensidade, duração e freqüência: Onde, i = intensidade máxima média para a duração; e, t, t0 e n são parâmetros a determinar. Onde, T = período de recorrência ou de retorno da chuva. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 26 C, K e m são constantes a determinar. Período de retorno é o tempo médio, em anos, que uma chuva leva para ser igualada ou superada (intensidade). Metodologia A partir de dados de chuvas intensas (i e t), traça-se um gráfico com os logaritmos (log i x log t). Unindo-se os valores com o mesmo período de retorno obtém-se uma série de curvas paralelas. Por tentativas, verifica-se qual o valor de t0 que torna o gráfico log i x log (t+t0) uma linha reta. A partir da equação geral: Sendo esta uma equação de linha reta, os parâmetros log, C e n, podem ser obtidos do gráfico ou dos mínimos quadrados. A determinação dos coeficientes K e m pode ser feita utilizando o método gráfico ou dos mínimos quadrados. Para a fórmula obtida a partir da equação geral, temos: Tendo em vista a importância da relação intensidade-duração-frequência para projetos de drenagem de pequenas bacias, foram determinadas equações para diversas cidades brasileiras. Sendo, i = intensidade em mm/h; T em anos; t em minutos. São Paulo Curitiba B. Horizonte Cuiabá 739,0 133,0 5,7 453,1016 t T i UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 27 III.9. Exercícios 1) O Pluviômetro Vile de Paris possui uma forma cilíndrica com área superior de captação de 400 cm² e é o Pluviômetro mais utilizado no Brasil. Supondo um Pluviômetro Vile de Paris que tenha seu funil todo em tamanho uniforme, após certo evento chuvoso a quantidade de água armazenada foi de 1000 mL. Quantos milímetros de chuva esse volume corresponde? Qual o diâmetro da boca desse pluviômetro? 2) Qual o volume de água precipitado em uma chuva de 20 mm em uma área de 1 ha? 3) Numa bacia de 65 km², ocorreu uma chuva de intensidade 12 mm/dia. Qual o volume total precipitado sobre a bacia naquele dia? Considerando que esta bacia tem um coeficiente de deflúvio (relação escoamento superficial/chuva) de 17,5%, qual foi o volume total escoado no exutório por conta desta chuva? 4) Uma bacia hidrográfica de 25 Km² de área recebe uma precipitação média anual de 1.200 mm. Considerando que as perdas médias anuais por evapotranspiração valem 800 mm, determinar a vazão média de longo período (QMLT) em m³/s. 5) Qual é a vazão de saída em m³/s, de uma bacia completamente impermeável, com área de 7,2 km², sob uma chuva constante de 20 mm.hora-1 e duração de uma hora? 6) Considere a bacia hidrográfica abaixo e os postos pluviométricos nela instalada. Na tabela ao lado é apresentada as médias anuais de cada Posto. Preencha as falhas no posto B pelo método da ponderação regional. Ano Posto A Posto B Posto C 1986 1685 1658 1672 1987 1226 1158 1104 1988 1213 1161 1264 1989 1392 1301 1484 1990 1330 926 1000 1991 1771 1784 1720 1992 1852 1854 1850 1993 1751 1233 1250 1994 1382 1494 1396 1995 1850 1600 1996 1887 1411 1649 1997 2014 1709 1862 1998 1399 1258 1329 1999 1369 1348 1358 2000 1681 1602 2001 1153 1350 1278 UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 28 IV - INFILTRAÇÃO IV.1. Definição É o processo pelo qual a água penetra nas camadas superficiais do solo e se move para baixo, em direção ao lençol d'água. 1. Capacidade de infiltração (f): É a máxima taxa com que um solo, em uma dada condição, é capaz de absorver água, depois de certo tempo „t‟, geralmente expressa em mm/h. 2. Taxa de infiltração: Taxa de água que infiltra no solo. A taxa de infiltração só é igual à capacidade de infiltração, quando a chuva for de intensidade superior ou igual a esta capacidade. 3. Excesso de precipitação: Diferença entre a precipitação e a capacidade de infiltração. 4. Porosidade: é a relação entre o volume de vazios e volume total, expressa em porcentagem. 5. Coeficiente de permeabilidade: é a velocidade de filtração em um solo saturado com perda de carga unitária; mede a facilidade ao escoamento. Fonte: Extraído das Notas de Aula de Hidrologia de Mauro Naghettini. IV.2. Fatores que influem na infiltração Tipo de solo: Quanto maior a porosidade, tamanho das partículas granulares ou estado de fissuração, maior a capacidade de infiltração. Cobertura vegetal: A vegetação, devido ao esforço causado pelas raízes, aumenta a capacidade de infiltração. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 29 Umidade do solo: Solo úmido tem menor capacidade de infiltração que o solo seco. Efeitos da precipitação: Choques das gotas na superfície do solo causam compactação, diminuição de vazios, diminuindo a capacidade de infiltração. Ação do homem escavando a terra: Produção de falhas no solo, provocando o aumento de capacidade de infiltração. IV.3. Curva de capacidade de infiltração É a representação gráfica da variação da capacidade de infiltração antes e após a chuva. Curva padrão de capacidade de infiltração: f0 = capacidade de infiltração inicial. fc= constante de infiltração. a) Equação de Horton para a curva padrão: Onde: f = capacidade de infiltração em qualquer instante. Solução da equação Tomando logaritmos: A equação acima é da forma: y = mx + C Onde: y = t m = -1 / (k log e) UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, VárzeaGrande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 30 x = log (f - fc) C = [1 / (k log e)].log (f0 - fc) Em gráfico log (f - fc) x t, m representa a inclinação da reta, onde m = tg . Horton encontrou valores típicos para as icógnitas da equação dependendo do tipo de solo local definido pelo SCS, conforme demonstrado na figura abaixo. Vale salientar que a equação de Horton é concebida para bacias urbanas. Já para áreas rurais o ideal é se utilizar da infiltração pelo método do Soil Conservacion Service (SCS). UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 31 b) Método Soil Conservation Service (SCS): Fórmula proposta pelo SCS: Para P ≥ 0,2*S Onde, Pe - escoamento superficial direto em mm; P - precipitação em mm; S - retenção potencial do solo em mm. S despende do tipo de solo. 0.2*S é uma estimativa das perdas iniciais (interceptação e retenção). A retenção potencial do solo deve ser considerada como: Sendo o Curve Number (CN) dado pelo SCS e dependente da umidade antecedente do solo e do tipo e ocupação do solo, podendo ser utilizada o quadro proposto pela USP. Quadro de valores para CN proposto pelo Departamento de Engenharia Hidrálica da USP São Carlos. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 32 Os tipos de solo a que se referem são definidos segundo a SCS: Solo A: Solos com baixa capacidade de produção de escoamento superficial, com alta infiltração. Ex: Solos arenosos profundos com pouco silte ou argila (até 8%). Solo B: Solos com menor permeabilidade que a classe anterior, sendo solos arenosos menos profundos ainda com baixo teor de argila total (até 20%). Camada de solo mais densa e com maior presença de humus. Solo C: Solos que produzem escoamento superficial acima da média e com capacidade de infiltração abaixo da mesma. Solos barrentos do tipo franco-argiloso e pouco profundo. Solo D: Solos que contém argila expansivas, com baixa capacidade de infiltração e as maiores condições de escoamento. Mais de 40% de argila total em sua composição e profundidade até 50 cm. Camada de solo quase impermeável ou horizonte de seixos rolados. Este método SCS distingue ainda 3 umidades antecedentes do solo: CONDIÇÃO I: solos secos – as chuvas nos últimos 5 dias não ultrapassam 15 mm. CONDIÇÃO II: situação média na época das cheias – as chuvas nos últimos 5 dias totalizaram entre 15 e 40 mm. CONDIÇÃO III: solo úmido (próximo da saturação) – as chuvas nos últimos 5 dias foram superiores a 40 mm e as condições meteorológicas forma desfavoráveis a altas taxas de evaporação. O quadro de valores Curve Number proposto pela USP estão na condição de umidade média (condição II). UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 33 Quadro de Conversão de Curvas CN para diferentes condições de umidade do solo. IV.4. Medição da capacidade de infiltração A forma mais comum de medir a capacidade de infiltração de um solo consiste de um aparato de dois anéis metálicos concêntricos, como mostrado na figura. Nele, é colocada água com mesmo nível nos dois compartimentos. A capacidade de infiltração é calculada a partir da quantidade de água necessária a ser adicionada ao cilindro interior, com finalidade de manter o nível d'água constante. O anel externo tem por finalidade evitar que o espraiamento lateral afete os resultados do cilindro interno. Também são utilizados simuladores de chuva, que são dispositivos que criam chuvas artificiais com taxas de precipitação controladas sobre os infiltradores com objetivo de reprodução das condições reais. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 34 IV.5. Exercícios 1) De posse da precipitação a seguir, calcule o volume infiltrado e o volume escoado superficialmente pelos métodos de Horton e SCS. Adote o tipo de solo B para Horton e para o SCS, adote o CN igual a 75. Tempo (hora) Precipitação Total (mm) 0,50 5,00 1,00 20,00 1,50 30,00 2,00 22,00 2,50 15,00 2) Determine a precipitação efetiva para uma precipitação de 5,0 mm utilizando o método do Soil Conservation Service para uma bacia com capacidade de retenção no solo (S) de 50 mm, equivalente a solos arenosos profundos, e com umidade antecedente em ponto de murcha, ou seja, condição I. V – ÁGUAS SUBTERRÂNEAS A água que atinge a superfície do terreno e que infiltra no solo configura o que se chama a fase subterrânea do ciclo hidrológico. Barreiras impermeáveis podem impedir o fluxo vertical e horizontal da água, preenchendo os poros do solo, dependendo principalmente de sua porosidade. Neste momento formam-se zonas saturadas (por água), recebendo o nome de lençóis freáticos. As águas subterrâneas possuem um movimento lento (fluxo laminar) em relação às águas superficiais, sendo que as velocidades típicas são da ordem de 1 m/dia. A maior consequência disto é que o tempo de residência é mais alto em relação a águas superficiais, em média 280 anos nas águas subterrâneas consequentemente estas sofrem menos interferência da variação climática de curto prazo, tornando-a uma reserva grande e confiável e naturalmente protegidas contra poluição, se não forem superexploradas. Porém, uma vez poluído pode levar séculos para se auto-descontaminar através de seus mecanismos de fluxo e os atuais métodos de descontaminação artificial são lentos e muito caros. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 35 As vantagens do uso das águas subterrâneas para abastecimento público são: Imunes a flutuações climáticas (secas prolongadas, por exemplo); Relativamente protegidas contra poluição; Geralmente dispensa tratamento e grandes adutoras; Escalonamento das obras temporalmente mais flexível. V.1. Conceitos Básicos Aquíferos são formações geológicas capazes de armazenar e transmitir “quantidades significativas” de água sob gradientes naturais. Sendo que “quantidades significativas” são aquelas consideradas economicamente viáveis, portanto são relativas à disponibilidade de água e a atividade aser realizada. Por exemplo: Abastecimento municipal: 500 a 10.000 m³/dia Abastecimento residencial: 5 a 20 m³/dia Indústrias: 1.000 a 5.000 m³/dia Deserto: 0,5 m³/dia Aquitardes são formações que armazenam água, mas não a transmitem com facilidade (tipicamente argilas e folhelhos). São capazes de transmitir água para grandes áreas e são conhecidos como camadas confinantes drenantes. Aquicludes são casos extremos de aquitardes e em termos práticos são considerados impermeáveis. V.2. Classificação dos aquíferos Aquíferos Freáticos ou não confinados possuem uma superfície freática, ou lençol freático, que é a superfície superior da zona de saturação sujeita à pressão atmosférica. Aquífero Artesiano ou confinado são camadas geológicas permeáveis sujeitas a uma pressão maior que a atmosférica devido á camadas relativamente impermeáveis acima e abaixo do aquífero. Recebe recarga de água devido a uma área de recarga. Poços perfurados que atingem estas camadas apresentam o fenômeno de artesianismo, ou seja, o nível d‟água se eleva até atingir a linha piezométrica. Estes tipos de aquíferos são representados na figura a seguir. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 36 V.3. Exploração de aquíferos Pelas vantagens já apresentadas, geralmente tende-se a utilizar águas subterrâneas principalmente para abastecimento público. Desta maneira inicia-se a exploração de aquíferos através dos poços subterrâneos. As variáveis envolvidas no bombeamento de um poço e que devem ser monitoradas são as seguintes: Vazão de Bombeamento (Q) Rebaixamento do Nível da Água dentro do Poço (s) Tempo (t) A vazão de bombeamento é o volume de água por unidade de tempo extraído do poço por um equipamento de bombeamento, geralmente dado em m³/dia; Rebaixamento do nível da água dentro do poço é a distância entre o nível estático (NE) e o nível dinâmico (ND); Nível estático (NE) é a distância da superfície do terreno ao nível da água dentro do poço antes de iniciar o bombeamento; Nível dinâmico (ND) é a distância entre a superfície do terreno e o nível da água dentro do poço após o início do bombeamento; A variável Tempo é o tempo decorrido a partir do início do bombeamento. A figura a seguir, ilustra claramente estas variáveis. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 37 Vazão Específica é a razão entre vazão de bombeamento (Q) e o rebaixamento (s) produzido no poço em função do bombeamento, para um determinado tempo. a) Lei de Darcy Os vazios do solo geralmente são interconectados e permitem, portanto, que a água se mova através dele. A facilidade ou dificuldade que um solo tem em transmitir água é a sua propriedade hidrogeológica mais significativa. Este parâmetro é chamado de condutividade hidráulica, representado pela letra K, e tem a dimensão de velocidade (m/dia). A tabela apresenta faixas de valores K diversos tipos de solo. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 38 A lei de Darcy fornece uma descrição precisa do fluxo de água subterrânea em quase todos os ambientes hidrogeológicos, sendo até hoje, base para os modelos mais avançados. A Lei de Darcy rege o escoamento da água nos solos saturados e é representada pela seguinte equação: Onde: V = velocidade da água através do meio poroso; K = condutividade hidráulica saturada (frequentemente utilizado em m/dia) dh = variação de Carga Piezométrica dL = variação de comprimento na direção do fluxo dh/dL = perda de carga Henry Darcy conseguiu verificar as condições de escoamento (velocidade de escoamento) em fluxo laminar, ocorrendo pela seguinte condição: Ao se multiplicar a velocidade de Darcy pela área onde o líquido está passando, tem- se a vazão. Obs: o sinal negativo é apenas para representar que o fluxo se dá abaixo da superfície. dL dh KV UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 39 b) Transmissividade Corresponde a quantidade de água que pode ser transmitida horizontalmente por toda a espessura do aquífero. T = k * b; Onde T é transmissividade do aquífero (m²/dia) k é a condutividade hidráulica ou coeficiente de permeabilidade (m/dia) b é a espessura vertical do aquífero (m) c) Coeficiente de armazenamento É a relação entre a quantidade de água (VA) liberada por volume unitário de aquífero quando a carga piezométrica abaixa 1 m e seu consequente volume (Asup * ∆H). Sendo S o coeficiente de armazenamento do aquífeiro (admissional) VA é o volume de água liberado pelo aquífero (m³) Asup é a área superficial considerada neste aquífero (m²) ∆H é o rebaixamento da carga piezométrica (m) Também pode ser conceituado como o volume de água libertado por uma coluna vertical do aquífero, de seção unitária, quando sua altura decresce uma unidade. Em aqüíferos confinados, S pode variar entre 0,00001 a 0,001. E aqüíferos não confinados, S pode variar entre 0,01 e 0,25. Aproximadamente igual ao rendimento específico. T e S são os parâmetros mais importantes de um aquífero e servem para classifica-los e são os parâmetros básicos para permitir a gestão das águas subterrâneas. Estes parâmetros são obtidos em testes de bombeamento (Manual disponível no site do professor). d) Vazão de escoamento em aquífero livre Em aquíferos livre o escoamento da vazão segue a hipótese de Dapuit, onde deve haver dois poços de monitoramento. , S = V A /(A sup H) UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 40 Sendo q a vazão; k a condutividade hidráulica; h o rebaixamento no poço de referência e h0 o rebaixamento no segundo poço monitorado e x é a distância entre os poços. e) Vazão em aquífero Confinado (Equação de Thiem) Segue a quação: Em que, Q é a vazão em m³/dia; K é a condutividade hidráulica em m/dia; b é a espessura do aquífero em m; H1 é o rebaixamento no poço monitorado; H2 é o rebaixamento no segundo poço monitorado; R1 é o raio do poço monitorado; R2 é a distância entre o poço R1 e R2 (deve ser de pelo menos 1000 m)Esta equação é útil para se calcular a transmissividade em aquíferos onde não se têm parâmetros, pois T é igual k * b. f) Obtenção de parâmetros pela Equação de Theiss Baseado na analogia por condução de calor, Theiss obteve a solução para h = h0 (antes do bombeamento) e h → h0 quando r → ∞. A vazão do poço deve ser constante e UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 41 Cooper e Jacob perceberam que para valores pequenos de r (menos de 1 km) e grandes valores de t (mais de 3 horas), o parâmetro u = r2S/4Tt fica muito pequeno e a série infinita pode ser aproximada para: W(u) ≈ – 0.5772 – ln(u) Com esta simplificação, o gráfico de rebaixamento/recuperação em função do logaritmo de t é uma reta e a solução para os parâmetros T e S tornam-se: e Onde h10 é a diferença de rebaixamento entre dois ciclos logarítmicos consecutivos e t0 é o ponto onde a reta que contém os dados plotados do ensaio de bombeamento intercepta o eixo dos tempos e r é o raio do poço, conforme figura abaixo. Este equacionamento é ideal para obtenção dos parâmetros quando se tem apenas 1 (um) único poço. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 42 V.4. Exercícios 1) Calcule a transmissividade e a vazão no aquífero confinado a seguir. O k é de 1 x 10-3 m/s. 2) Considere um aquífero confinado entre duas camadas impermeáveis. Dois piezômetros, instalados a uma distância dL de 1000 metros mostram níveis de 42,1 m e 38,3 m, respectivamente. A espessura do aquífero é de 10,5 m e a condutividade hidráulica é de 83,7 m/dia. Calcule a transmissividade do aquífero e a vazão através dele por unidade de largura (m³/dia.m). 3) Calcular a Transmissividade e o Coeficiente de Armazenamento do teste de rebaixamento a seguir pelo método de Cooper e Jacob. A vazão de bombeamento foi de 496 m³/h, raio do poço é de 1 m e t0 é 0,18 min. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 43 VI - EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO A evaporação das superfícies líquidas e a evapotranspiração (evaporação da água das camadas superficiais do solo, da água armazenada pela intercepção e da água que retorna à atmosfera sob o processo da transpiração) representam conjuntamente um processo muito importante do ciclo hidrológico. Numa escala continental, cerca de 75 % da precipitação anual total retorna à atmosfera por evaporação e transpiração (Linsley et al., 1975). VI.1. Evaporação Transformação da água em vapor como conseqüência da incidência de raios solares. VI.2. Fatores que influenciam na evaporação A quantidade evaporada a partir de uma superfície de água é proporcional à diferença entre a pressão do vapor na superfície e a pressão do vapor no ar das camadas adjacentes (lei de Dalton). Em ar parado, a diferença de pressão do vapor diminui rapidamente e o processo de evaporação fica limitado pelo vapor difundido na atmosfera proveniente da superfície da água. A turbulência provocada por vento e por convecção térmica afasta o vapor das camadas em contato com a superfície da água e possibilita a continuidade da evaporação. Outros fatores: Temperatura da superfície Quanto maior a temperatura da superfície, maior a energia cinética das moléculas e maior o número de moléculas que escapam da superfície. Salinidade da água Os sais dissolvidos na água reduzem a pressão de vapor de uma superfície de água. Por isto a evaporação é mais lenta em águas salgadas. Grau de umidade relativa do ar Quanto maior a quantidade de água no ar atmosférico, maior o grau de umidade e maior a intensidade de evaporação da superfície d‟água. Pressão barométrica Quanto maior a altitude, menor a pressão barométrica e maior a intensidade da evaporação (a influência da pressão é pequena). UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 44 VI.3. Medição de evaporação Algumas definições: 1. Evaporação potencial: Perda d'água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais. 2. Transpiração: Perda d'água para a atmosfera na forma de vapor, decorrente das ações fisiológicas e físicas dos vegetais. 3. Evapotranspiração: Conjunto de evaporação do solo mais transpiração das plantas. É a grosso modo, a quantidade de água exigida pelas culturas para levá-las a maturidade. 4. Evapotranspiração potencial: Perda d'água por evaporação e transpiração de uma superfície tal que: - Esteja totalmente coberta; - Teor de umidade esteja próximo da capacidade do campo. 5. Evapotranspiração real: Perda d‟água observada nas condições reais. VI.4. Medida da evaporação da superfície das águas Evaporímetro Ordinário É um recipiente cilíndrico de eixo vertical (enterrado ou não), aberto para a atmosfera, contendo água no estado líquido. O abaixamento do nível da água no evaporímetro mede o quociente V/A, sendo V o volume de água que se evaporou durante um intervalo de tempo considerado e A a área da secção reta do recipiente. O mais usado é o tanque classe A do U.S. Wheater Service, que é um recipiente cilíndrico com diâmetro 121,9 cm e altura 25,4 cm, sendo cheio com água até 5 cm da borda. A medida da evaporação é obtida a partir do decréscimo de nível d‟água no tanque. As medidas são feitas através de um linímetro. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 45 Evaporímetro Atmômetros São evaporímetros em que a superfície é porosa (cerâmica, papel de filtro, e etc.) e embebida em água. Costuma-se usar o evaporímetro Piche, um tubo longo e reto, de seção circular com uma extremidade fechada e outra aberta. A sua extremidade costuma ter uma presilha metálica para permitir fechá-la por meio de um disco circular de papel absorvente. O tubo é cheio de água e pendurado por um olhal para suspensão do aparelho. A água embebe o disco de papel e evapora para o ambiente. A altura d‟água evaporada, para um certo intervalo de tempo, é obtida pela diferença de altura no início e no fim do intervalo. VI.5. Medida da evaporação da superfíciedo solo Lisímetro Constituído de caixa estanque, enterrada no solo, aberta na face superior e contendo o terreno que se quer estudar. A amostra recebe as precipitações no local (medidas por pluviômetro ou pluviógrafo próximo), e o solo é drenado no fundo da caixa, sendo medida a água recolhida. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 46 E = P - I + AR (equação do Balanço Hídrico) E = evaporação do solo P = precipitação I = água drenada AR = quantidade de água acumulada no lisímetro, medida a partir de determinações de umidade em vários pontos. Caixa coberta de vidro Constituída por uma caixa metálica coberta com vidro inclinado. A água evaporada condensa-se na superfície inferior do vidro e escoa por uma pingadeira para o recipiente de medição. VI.6. Medida da transpiração Fitômetro fechado Recipiente estanque contendo terra para alimentar a cultura. A tampa do fitômetro evita a entrada da precipitação e a evaporação da água do solo. São adicionadas quantidades conhecidas de água. Transpiração = (peso inicial + peso de água adicionada) - peso final Este método só serve para os casos de plantas de pequeno porte. Obs.: Os resultados na medição de evaporação e transpiração são afetados pela forma e dimensão dos aparelhos, assim como pela disposição dos mesmos. Por estas razões é necessário o estudo de coeficientes que correlacionem os resultados com as intensidades reais ocorridas em uma determinada área ou massa d'água. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 47 VI.7. Fórmula geral da evaporação Fórmula e equação - Dalton (1928) E = C (es - e) Onde: C = função de vários elementos meteorológicos; es= pressão de saturação à temperatura da superfície; e = pressão de vapor do ar. Inúmeras fórmulas foram obtidas a partir da equação de Dalton. Entre elas, serão citadas duas: E = 0,131 V2 (es - e2) E = 0,13 (1 + 0,72 V2)(es - e2) V2= velocidade do vento 2 m acima da superfície evaporante (m/s); e2 = Pressão de vapor do ar a 2 m acima da superfície (mb). As pressões de saturação do vapor para diferentes temperaturas estão na tabela abaixo: Temperatura (°C) 0 5 10 15 20 Pressão de vapor (mca) 0,062 0,089 0,125 0,174 0,238 Temperatura (°C) 25 30 35 40 Pressão de vapor (mca) 0,322 0,431 0,572 0,75 VI.8. Fórmulas empíricas Para a determinação da umidade relativa do ar pode ser usado um aparelho chamado psicrômetro, que consiste de dois termômetros, um deles é chamado de bulbo úmido (uma vez que é envolvido por uma gaze saturada de água), e o outro é chamado de bulbo seco. A temperatura do bulbo úmido é menor que a do bulbo seco. A diferença é chamada de depressão do bulbo úmido e é usada para, com uso de tabela, determinar a umidade relativa do ar. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 48 Para determinação da velocidade do vento podem ser usados anemômetros ou anemógrafos que medem tanto a velocidade, quanto a direção do vento. Os anemógrafos registram em gráficos a velocidade e a direção do vento. Algumas fórmulas: - Para o lago Henfer (Rússia), a equação considerada mais adequada foi: E = 0,03594 (es - e8)V8 E = Quantidade evaporada em mm/dia; es = Pressão de saturação do ar na superfície (mm de Hg); V8 = velocidade do vento 8 m acima da superfície; e8= Pressão de vapor a 8 m acima da superfície (mm de Hg). - Serviços hidrológicos da Rússia: E = 0,15 n (1 + 0,072 V2)(e's - e'2) E = Intensidade de evaporação em milímetros por mês; n = número de dias do mês; V2 = Velocidade do vento 2 m acima da superfície. - Fórmula de Fitzgerald: E = 12 (1 + 0,31 V2)(C’s - C’2) Cs = Pressão de saturação do vapor em milibares (1 milibar = 1000 dinas/cm2 = 0,75 mm de Hg); C’s = Pressão de saturação do vapor, em mm de Hg; C2= Pressão de vapor d'água no ar, 2 m acima em milibares; C’2 = Pressão de vapor d'água no ar, 2 m acima em mm de Hg. Sendo que: 1 atm = 1013,2 milibares VI.9. Evapotranspiração em bacia hidrográfica Avaliação da evapotranspiração de uma bacia hidrográfica para longo período de tempo: P + R = Q + E + R + AR P = Precipitação média anual sobre a bacia hidrográfica, em mm; Q = Volume de água escoada na saída da bacia, convertida em altura anual média, em mm; E = Evapotranspiração anual, em mm; R = Reserva de água subterrânea no fim do período; R + AR = Reserva de água subterrânea no fim do período. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 49 Quando o período de observação for muito longo, AR é muito pequeno em relação a P e Q: Então: E = P - Q (déficit de escoamento) Para cálculo do déficit de escoamento, diversas fórmulas foram propostas, entre outras: Fórmula de Contagne: D = P - k P2 D = Déficit de escoamento médio anual (m); P = Precipitação média anual (m); k = 1 / (0,8 + 0,14 T) T = Temperatura média anual do ar em C. VII - ESCOAMENTO SUPERFICIAL VII.1. Definição É a fase do ciclo hidrológico que trata da ocorrência e do transporte da água na superfície terrestre. É muito importante para o engenheiro, pois a maioria dos estudos hidrológicos está ligada ao aproveitamento da água superficial e à proteção contra fenômenos causados por seu deslocamento. Alguns fatores que influenciam o escoamento superficial: a) Climáticos - Intensidade de chuva; - Duração de chuva; - Precipitação antecedente. b) Fisiográficos - Área da bacia; - Forma da bacia; - Probabilidade; - Topografia; - Capacidade de infiltração. c) Obras hidráulicas Barragens Diminuem a velocidade de escoamento superficial. UNIVAG – CENTRO UNIVERSITÁRIO GPA – CIÊNCIAS AGRÁRIAS, BIOLÓGICAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DISCIPLINA: HIDROLOGIA APLICADA Campus do UNIVAG - Centro Universitário, Bloco D Avenida Dom Orlando Chaves, nº 2655, Bairro Cristo Rei, Várzea Grande-MT. Telefones 3688-6058 / 6148 / 6150 / 6107 / 6215 / 6218 50 Retificação de trechos de rios Aumentam a velocidade de escoamento superficial. VII.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial a) Vazão ou descarga: é definido como uma certa quantidade de massa (volume) passando por uma seção (área) conhecida em um determinado período de tempo. b) Coeficiente de escoamento superficial ou "runoff" da bacia: Relação entre o volume escoado e o volume precipitado na bacia:
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