Estudo de vazão

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ESTUDO DA VAZÃO EM CURSOS D’ÁGUA
Vazão é o volume que escoa em uma seção transversal durante um certo tempo. Geralmente, usa-se o conceito de vazão específica (vazão por unidade de área) para servir como índice comparativo entre bacias. 
A disponibilidade de água em bacias é avalizada pela análise de vazões mínimas na época de estiagem, também chamada de período crítico.
A vazão mínima com 7 dias de duração e 10 anos de período de retorno (Q7,10) é utilizada para caracterizar a disponibilidade hídrica natural dos cursos d’água. 
Outro procedimento para analisar as vazões mínimas é por intermédio da CURVA DE PERMANÊNCIA, que permite a obtenção da vazão associada a diferentes níveis de permanência no tempo. 
A vazão média anual de um rio é a média diária de todas as vazões observadas no ano, caracterizando o potencial energético desse curso d’água.
A vazão máxima é utilizada na previsão de enchentes e no projeto de obras hidráulicas (canais, bueiros, sistemas de drenagens, etc).
MEDIÇÃO DE VAZÃO
Para fins hidrológicos, é recomendável que a medição seja feita periodicamente em várias seções ao longo do rio.
Os postos de medição de vazão devem ser escolhidos, adotando as seguintes condições:
Trecho retilíneo e uniforme, livre de vegetações e outros obstáculos;
A seção escolhida deve estar a uma distância 7 VEZES MAIOR QUE A LARGURA DO RIO da curva mais próxima à montante e 3 VEZES MAIOR da curva mais próxima à jusante.
Leito e margens devem estar estáveis;
A velocidade do escoamento deve estar entre 0,3 a 2,5 m/s;
Local afastado de confluências.
MÉTODO DIRETO
Mais simples e preciso. Porém, aplicável para pequenas vazões. 
MÉTODO DE MEDIÇÃO A PARTIR DA PROFUNDIDADE DO NÍVEL DÁGUA
Uso de calhas e vertedores;
MÉTODO DE MEDIÇÃO A PARTIR DA VELOCIDADE E DA ÁREA
Uso da equação de continuidade;
Divisão da seção transversal em regiões com áreas mais simples;
Flutuador: consiste em determinar o tempo médio necessário para que um flutuador se desloque entre duas seções do rio. O procedimento deve ser feito numa região retilínea, de no mínimo 10 metros de comprimento. O objeto deve ser solto a 5 metros das margens. A velocidade obtida não é a velocidade de escoamento, sendo necessária a correção desta. A área adotada é a média de três medições, feitas uma no começo, uma no meio e outra no fim do curso d’água.
Molinete: obtém-se a velocidade de escoamento utilizando o número de rotações que o molinete gira quando colocado numa região calculada no curso do rio. 
PERFILADOR DOPPLER-ACÚSTICO DE CORRENTE (ADCP)
Utiliza o efeito Doppler para medir a vazão dos rios através do somatório de sucessivos perfis de escoamento obtido em tempo real.
O movimento das partículas na água causa variação na frequência de eco, sendo possível calcular a profundidade que o rio assume em determinado local e a velocidade de escoamento neste.
MEDIÇÃO COM TRAÇADORES
Às vezes, não é possível a utilização do molinete na determinação da vazão devido a algumas características dos cursos d’água:
Velocidade de escoamento elevada;
Turbulência;
Leito irregular;
Transporte de sólidos pela correnteza;
Impossibilidade de entrada no rio.
Conhecida a concentração da substância utilizada, esta é injetada, com vazão constante, no rio. São feitas medições constantes nas seções à jusante, sendo a vazão dada por uma fórmula que utiliza desses dados para o cálculo. 
Os traçadores mais utilizados são o bicromato de sódio e a rodamina.
CURVA-CHAVE
É a relação entre o nível d’água em um canal e sua vazão correspondente (relação cota-descarga).
A determinação da vazão se dá de maneira indireta, pois o que se mede efetivamente é a cota do nível d’água e, através da curva-chave, obtém-se a vazão correspondente à cota medida.
Só pode ser obtida utilizando os dados de uma estação fluviométrica, a partir dos registros de nível d’água e das vazões correspondentes, obtidas pelo método mais conveniente.
A relação cota e vazão deve ser UNÍVOCA, ou seja, apenas um valor de vazão associada àquele valor de cota.
A leitura das cotas pode ser feita de maneira direta (réguas linimétricas fixas) ou indireta (linígrafos). 
A natureza das paredes do curso d’água interfere no processo de escoamento, uma vez que interfere na velocidade de escoamento.
A relação cota-descarga pode ser representada pela associação de um gráfico (vazão x cota) e por uma expressão matemática. As expressões mais utilizadas são a forma exponencial e a polinomial
Na forma polinomial, deve-se obter ao valores extremos para as cotas (máximo e mínimo), visto que a ausência destes acarretaria uma extrapolação da cura em suas extremidades. Caso ocorra, existem três métodos utilizados para extrapolação da curva:
Logaritmico: plotam-se os valores num gráfico em escala logarítimica e analisa se há uma relação linear. Caso isso não ocorra, alguns ajustes devem ser necessários. Usado em seções trapezoidais;
Stevens: emprego da equação de Chezy ( ). Aplicável para rios largos, com escoamento praticamente uniforme 
Manning: fundamenta-se na equação de Manning ( ).
ANÁLISE PRELIMINAR E PREENCHIMENTO DOS DADOS
Os dados obtidos das estações fluviométricas muitas vezes apresentam falhas nas informações, devido a problemas com os aparelhos de registro e, ou, com o operador do posto, tornando as séries impróprias para o uso imediato pelos técnicos. Este fato gera a necessidade de preencher essas falhas. 
Se torna necessária, em alguns casos, a extensão dos dados, já que algumas estações podem ter o ciclo de coleta de dados interrompido.
O preenchimento de falhas e a extensão de dados são feitas analisando a base de dados no período comum entre a estação com os dados a serem preenchidos e a estação de apoio.
Existem dois métodos para realizar essa operação:
Método da regressão linear: considera-se apenas uma estação, a jusante ou a montante da estação “falha”;
Método da ponderação regional: feita com o auxílio de três ou mais estações de apoio.
Na regressão linear, as vazões do posto a ser preenchido (Qy) e as vazões do posto de apoio (Qx) estão relacionadas de acordo com a equação: 
Neste método, adota-se um coeficiente de determinação (R²) superior a 0,7 e a existência de, pelo menos, 8 pares de eventos comuns entre as estações para a realização da regressão.
FORMAS DE APRESENTAÇÃO DE DADOS DE VAZÕES
Os valores de vazão média diária ou mensal podem ser apresentados sob a forma de: hidrogramas, curvas de permanência e curvas de massa.
HIDROGRAMAS
O fluviograma, ou hidrogramas, ou ainda hidrógrafa é a representação gráfica do comportamento das vazões ao longo de um período de observação. É a denominação dada ao gráfico que relaciona VAZÃO X TEMPO. 
Possibilita visualizar facilmente os períodos de estiagem e cheia, sempre associados com o período seco e chuvoso do ano.
É caracterizado por três partes principais:
Ascensão: relacionada com a intensidade de precipitação e ao escoamento superficial originado. O tempo retardado de resposta da vazão para o início da precipitação se dá pelas perdas, ou por interceptação pela cobertura vegetal e armazenamento no solo;
Região de pico: situa-se próxima à região de máximo valor de vazão (início da inflexão). Caracteriza-se pelo fim do escoamento superficial e o início da predominância do escoamento subterrâneo;
Recessão: há o decréscimo da vazão. Representa a diminuição do escoamento superficial e, mais à frente, a diminuição do lençol freático.Vazão (m³/s)
Tempo
t0 é o tempo de início da precipitação;
tA é o tempo que corresponde ao início do escoamento superficial;
tB é o tempo no qual toda a bacia ou maior parte dela está contribuindo com o escoamento superficial;
tC corresponde ao tempo de fim de escoamento.
t0
tA
C
tC
tB
A
B
Escoamento superficial
Durante o intervalo de tempo (t0-tA) parte das águas é interceptadas pela vegetação e utilizada para o preenchimento do armazenamento superficial. O intervalo (tB-tC) equivale à curva de recessão do escoamento superficial e após o tempocorrespondente ao ponto C, inicia-se a curva de recessão da água armazenada no lençol freático.
O tempo de retardo ou tempo de retardamento é definido como o tempo transcorrido entre o centro de gravidade do ietograma e o centro de gravidade do hidrogramas de escoamento superficial. Para simplificar, adota-se o tempo de retardamento como aquele que vai do centro de gravidade do ietograma até o tempo correspondente à vazão máxima.
COMPARAÇÃO ENTRE HIDROGRAMAS
Comparação entre duas bacias hidrográficas considerando a ocupação: a vazão máxima é maior na bacia com ocupação urbana e o tempo para sua ocorrência é menor. Isso ocorre devido ao grau de impermeabilização da bacia e à sua rugosidade. No caso da bacia com ocupação rural, o grau de impermeabilização é menor e a rugosidade é maior, o que acarreta uma maior taxa de infiltração no solo e retardamento do escoamento superficial, diminuindo a vazão máxima e aumentando o tempo para que esta ocorra.
Comparação entre duas bacias, considerando a presença de um reservatório de regularização: o reservatório causa uma atenuação das vazões máximas. O reservatório acumulará a água que será liberada aos poucos, ao longo do tempo. 
Comparação ente hidrogramas, considerando o formato da bacia: a bacia com formato radial apresenta uma menor distância entre o ponto mais remoto da bacia e a seção de deságue, o que reduzirá o tempo de concentração e aumentará a vazão máxima evidenciada na bacia.
A individualização do escoamento superficial e do escoamento subterrâneo em um hidrogramas constitui em uma atividade provida de grande dificuldade. 
CURVAS DE PERMANÊNCIA
É obtida da frequência de ocorrência das vazões ou dos níveis d’água em determinado curso d’água, retratando a percentagem de tempo em que determinado valor de vazão ou nível d’água foi igualado ou ultrapassado durante um período de observações.Vazão (m³/s)
Frequência acumulada (%)
As abscissas da curva de permanência são obtidas acumulando as frequências no sentido decrescente de vazão. 
O período de tempo considerado é de grande importância, uma vez que, utilizados dados diários, a curva terá uma ampliação dos valores utilizados na série, ou seja, teremos uma representação mais eficiente.
Esse gráfico é útil para comparar bacias distintas.
CURVA (DIAGRAMA) DE MASSAS DAS VAZÕESVolume acumulado (m³)
Tempo
É um gráfico dos valores acumulados de volume, representados na ordenada, contra o tempo, na abscissa. É também conhecido como diagrama de Rippl.
Matematicamente, é a integral da hidrógrafa, em que as ordenadas representam a área sob esta e a inclinação indica a vazão.
A declividade da reta que liga os extremos da curva caracteriza a vazão média do período considerado. 
Este diagrama encontra grande aplicabilidade nos estudos de regularização de vazão.
Um dos inconvenientes da curva de massa é a sua natureza acumulativa, que torna pouco prática a representação de um período longo de observações. 
HIDROGRAMAS UNITÁRIOS
Não servem para nada. São apenas uma etapa intermediária. 
Correspondem à hidrógrafa referente à precipitação de 1 cm, numa região com coeficiente de escoamento superficial igual a 1. Logo, o hidrogramas unitário é uma constante da bacia hidrográfica que reflete as características de escoamento desta na seção considerada. 
A forma da hidrogramas depende apenas das características físicas da bacia, não dependendo então, da forma desta.
A duração do escoamento superficial é igual para chuvas de iguais durações;
Duas chuvas de mesma duração, mas com volume de escoamento diferente, possuem hidrogramas proporcionais;
Precipitações anteriores não influenciam na distribuição do escoamento superficial.
Equação:
Conhecido o hidrograma unitário, fica fácil a determinação da vazão superficial para uma precipitação uniforme qualquer (), mas que tenha o mesmo tempo de duração da hidrógrafa. Esta vazão é obtida por: 
Para cada duração de chuva, tem-se um hidrógrafa unitária. Estudos mostram que não haverá muita diferença se as durações das chuvas (a usada para a obtenção da hidrógrafa e a em estudo) não diferirem muito (25% da duração).
O procedimento básico para a obtenção desse gráfico é:
Separação entre escoamento superficial e subterrâneo;
Cálculo do volume escoado superficialmente (diferença entre a vazão total e a vazão de escoamento subterrâneo);
Cálculo da precipitação efetiva (), dividindo o volume de escoamento superficial pela área da bacia;
Cálculo do coeficiente de escoamento superficial (C0), dividindo a precipitação efetiva pela precipitação total;
Redução do hidrogramas observado para o hidrograma unitário.
PROPAGAÇÃO DE CHEIAS
O deslocamento de uma onda de cheia em um canal sofre o efeito de diversos processos, como aqueles relacionado ao armazenamento e ao atrito da água com as superfícies do canal. Esses efeitos podem ser determinado pela equação de Manning:
 ).
Para diminuir o risco de enchentes, pode-se diminuir a vazão do rio. Para isso, pode-se melhorar as condições de infiltração da água na bacia;
Aumentar a rugosidade à montante da região de enchente (apenas transfere o problema)
Se aumentar a velocidade de escoamento do rio, haverá diminuição da área da seção transversal (apenas transfere o problema).
Aumento do fator geométrico.
PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS
Necessidade de conhecer:
A hidrógrafa unitária;
A relação cota-volume;
Equação da descarga.
Conhecido esses dados, basta achar uma equação única, com apenas uma variável (h).
REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES
Devido à grande variabilidade de vazões, há períodos mais úmidos e períodos em que ocorrem carência de água. Assim, a regularização de vazões é importante, visto que o aproveitamento de recursos hídricos retira um volume maior do leito do rio do que a vazão mínima deste. Ou seja, torna-se necessária o armazenamento dos excessos para suprir a necessidade nos períodos mais críticos.
EQUAÇÃO DE REGULARIZAÇÃO:
Quando for necessária a utilização de uma Qr > 0,5 , faz-se uso das transposições;
Haverá déficit quando a vazão do afluente for menor que a vazão regularizada e, haverá excedente quando a vazão do afluente for maior que a vazão regularizada.
O início do ano hidrológico para a obtenção do hidrograma hidrológico não coincide com o ano civil.
As colunas “vazões afluentes acumuladas” e “Vazões regularizadoras acumuladas” servem para construir o diagrama de massas.Cr
Cr
Volume acumulado (m³)
Tempo
Va
Vn
Se a vazão regularizada for diferente da vazão média:
Cr
Cr
Volume acumulado (m³)
Tempo
0,7Va
REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES
MÉTODO TRADICIONAL
Identificação das regiões hidrologicamente homogêneas;
Obtenção das equações de regionalização de vazões.
MÉTODO BASEADO NA PROPORCIONALIDADE DE VAZÕES ESPECÍFICAS
Os resultados obtidos nesse método é grosseiro, visto que é baseado em proporcionalidade entre área e vazão, sem levar em conta as diversas variáveis que podem influenciar no escoamento.
A
B
C
EF1
EF2
EF3
EF4
Estações fluviométricas
Pontos de trabalho
Primeiro caso (seção A): extrapolação à montante.
Segundo caso (seção C): extrapolação à jusante.
Terceiro caso (seção B): interpolação.