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1 Hidrologia Hidrometria 2 • Para um gerenciamento adequado dos potenciais hidráulicos disponíveis no mundo, é fundamental conhecer o comportamento dos rios, suas sazonalidades e vazões, assim como os regimes pluviométricos das diversas bacias hidrográficas, considerando as suas disposições espaciais e temporais, que exige um trabalho permanente de coleta e interpretação de dados, cuja confiabilidade torna-se maior à medida que suas séries históricas ficam mais extensas, envolvendo eventos de cheias e de secas (Ibiapina et. Al, 2003). 3 • A hidrometria é a ciência que mede e analisa as características físicas e químicas da água, incluindo métodos, técnicas e instrumentação utilizados em hidrologia. • Dentro da hidrometria podemos citar a fluviometria que abrange as medições de vazões e cotas em rios. •Os dados fluviométricos são indispensáveis para os estudos de aproveitamento hidroenergéticos, saneamento básico, previsão de cheias, abastecimento público e industrial, navegação, irrigação, transporte, meio ambiente e muitos outros. 4 • Uma estação hidrométrica é uma seção do rio, com dispositivos de medição do nível d’água (réguas limnimétricas ou linígrafos, devidamente referidos a uma cota conhecida e materializada no terreno), facilidades para medição de vazão (botes, pontes, etc) e estruturas artificiais de controle, se for necessário (Studart,2003). • A avaliação diária da vazão por um processo direto (medição e integração do campo de velocidades na seção transversal) seria excessivamente oneroso e complicado, por este motivo opta-se pelo registro dos níveis do rio e determina-se uma relação entre a vazão e o nível denominada curva-chave (apresentada adiante). 5 Rede de Postos ou Estações • As redes hidrológicas são geralmente públicas, com exceção das algumas redes telemétricas de empresas de energia. • Redes Federais: – ANA= pluviometria e fluviometria – INMET= climatologia • Redes Regionais: DNOCS e antiga SUDENE. • Redes Estaduais: entidades de recursos hídricos e de agricultura dos Estados. • Poucos Estados possuem gestão de dados hidrológicos 6 Rede Pluviométrica • INMET: Postos com características climáticas. – Precipitação (com pluviógrafo), Evaporação (tanque classe A ou evaporímetro), Umidade, Velocidade do Vento, Radiação Solar e Insolação e Temperatura. • Banco de dados Hidroweb da ANA. – Postos pluviométricos: pluviômetro ou pluviógrafo. • Estes postos estão localizados por latitude e longitude, geralmente possuem informações de altitude, município de localização, período da série e tipo de dado. 7 Fluviometria • O objetivo é obter os níveis e vazões ao longo do tempo num rio. • A série de níveis pode ser obtida ao longo do tempo, pela leitura de uma régua através de observador ou aparelho, mas a vazão somente é obtida através de método indireto. • Para obtenção da vazão é necessário construir uma curva que relaciona nível e vazão (curva-chave). • A curva-chave é obtida através de medidas amostrais de vazão ao longo do tempo no local de observação de níveis. • Com estas medidas é possível determinar a curva chave e, a partir desta, obter a série de vazões. 8 Localização da Seção de Medição e de Leitura da Régua • Trecho com seção aproximadamente uniforme do rio. • Trecho retilíneo. • Leito fixo, com baixa mobilidade. • Sem obstrução ou controle de jusante como pontes, estreitamento, lagos e oceano. • Próximo da residência do observador. • Seção de fácil medição de vazão. Seção de leitura Seção de medição Lance de régua 9 Características • A seção de medição deve ficar referenciada a um datum para permitir avaliar a evolução do leito com o tempo ou entre medições. • A cota mínima da régua deve corresponder àquela em que se espera que nunca deverá ser menor. • A cota máxima deve ser escolhida até um valor que não seja ultrapassado e o observador tenha acesso durante os eventos de cheia. • O histórico do posto deve registrar qualquer alteração de posição, nível, mudança de observador, etc. que de alguma forma possa servir de informação para melhor definição dos dados. 10 • Nos postos fluviométricos, os níveis são medidos diariamente, às 7h e às 17 h. • Nos postos fluviográficos, os níveis são registrados continuamente, em papel ou meio magnético. 11 Posto Fluviométrico 12 •Uma régua linimétrica é uma escala graduada, de madeira, de metal ou uma pintada sobre uma superfície vertical de concreto. •Quando a variação dos níveis de água é considerável, é usual instalar, para facilitar a leitura, a régua em vários lances. Cada lance representa uma peça de 1 ou 2 metros. • os níveis máximos e mínimos dos lances de réguas a serem instalados devem ser definidos a partir de informações colhidas junto aos moradores mais antigos da região, de modo a evitar que a água ultrapasse os limites superiores e inferiores dos lances. 13 • O zero da régua deve estar sempre mergulhado na água, mesmo durante as estiagens mais severas. Isso evita a necessidade de leituras negativas, que são tradicionalmente uma fonte de erro (Santos et al, 2001). Lance de réguas instaladas em uma seção do rio em: (a) período de cheia e (b) regime de estiagem 14 Escalas Limnimétricas 15 Entre essas réguas, as de madeira, com lances de 1 a 2 m, denteadas a cada 2cm já foram largamente utilizadas e permanecem como alternativa em alguns lugares. O principal mérito deste tipo é o seu custo reduzido e a intercambialidade dos lances, pois a marcação dos metros é, em geral, acrescentada no local (Santos et al,2001). Régua linimétrica de madeira (Tucci, 2008) 16 •Em contrapartida, a grande desvantagem é a facilidade com que o observador pode cometer enganos na leitura. • Esse problema tem levado a várias instituições, a substituirem as réguas denteadas de madeira por outros tipos menos sujeitos a erros de leitura, porque são numeradas a cada duas divisões de escala, como é o caso das réguas de metal esmaltadas. •Evidentemente, independente do tipo de régua que é utilizada, as leituras estão sujeitas a uma série de erros, dentre o quais pode-se destacar os erros grosseiros (resultantes de imperícia ou negligência do observador) e os sistemáticos , que em geral provém de mudanças casuais ou mal documentadas do zero da régua (Santos et al,2001) 17 Régua linimétrica de metal esmaltada em lances (Tucci,2008) 18 •Entre os erros grosseiros, o mais comum é o erro de metros inteiros, quando o observador se engana em relação ao lance, ou então a invenção pura e simples do registro, quando o observador não realizou a leitura. • A comodidade em realizar a leitura à distância (para não descer o barranco da margem do rio) também é uma fonte de erro freqüente. • Os erros sistemáticos são a diferença entre o nível de água correto e o registrado na régua. • Os erros sistemáticos têm suas causas na instalação defeituosa da régua, independem do observador e são sempre de mesmo valor. 19 • A causa mais freqüente desses erros nas réguas linimétricas reside no chamado deslocamento do zero, isto é, a régua sofreu um deslocamento vertical, fazendo com que sua origem não se situe mais na cota original. • Outra causa de erro sistemático é o afastamento da régua da vertical causado pelo impacto de detritos e barcos (Santos et al,2001). • Além dos problemas oriundos de observadores negligentes ou mal treinados, as réguas linimétricas apresentam o inconveniente de fornecer apenas uma ou duas observações (em geral às 7:00hs e 17:00hs), que podem não ser representativas da situação média diária. 20 • Pois é possível que tenha ocorrido um máximo ou mínimo no intervalo entre as duas leituras. • Este problema é particularmente importante emcursos d’água onde existem usinas hidrelétricas em operação, que normalmente provocam variações rápidas nos níveis d’água. • Também no caso de bacias hidrográficas pequenas e particularmente bacias urbanas. • Para contornar esse problema, costuma-se instalar em estações fluviométricas com variações rápidas de nível, registradores contínuos, denominados linígrafos (Ibiapina et al,2003). 21 • Assim, como no caso dos pluviógrafos, em que sempre se instala um pluviômetro ao lado, também linígrafo não dispensa a instalação da régua, que deve, sempre que possivel, ser lida normalmente às 7:00 e 17:00hs ou, pelo menos, uma vez por dia, permitindo os seus registros: detectar prontamente um defeito mecânico do linígrafo; auxiliar na interpretação do diagrama; substituir registro do linígrafo no caso de avaria do aparelho. 22 Posto Fluviográfico 23 Limnígrafo de Bóia 24 Limnígrafo com Tubulão Instalado no Curso D’água 25 Limnígrafo com registro em Papel Limnígrafo com Data Logger 26 •O custo da instalação de linígrafos em áreas urbanas é muito grande, devido a constante danificação do equipamento tanto pela população quanto pelo ambiente de escoamento 27 Por que Medir Vazões ? • Criar séries históricas • Análise de valores mínimos – Avaliação das vazões outorgáveis – Autodepuração de esgotos – Calado para navegação • Análise de vazões médias – Cálculo do volume de reservatórios 28 • Análise de vazões máximas – Dimensionamento de vertedores – Dimensionamento de canais • Operação em tempo real – Operação de comportas – Controle de cheias Por que Medir Vazões ? 29 Por que Medir Vazões ? • Medição de vazão em hidrometria é todo processo empírico utilizado para determinar a vazão de um curso d’água. • A vazão ou descarga de um rio é o volume de água que passa através de uma seção transversal na unidade de tempo (em geral um segundo). • Essa vazão é associada a uma cota linimétrica. 30 Como se mede? • Medição Volumétrica – Conceito de que vazão = V/ t – Marca-se o tempo para preencher um volume conhecido. – Aplicável para pequenas vazões – Aplicável onde a água pode ser recolhida 32 Vertedor Retangular Q = 1,838. L . H 3/2 33 Vertedor Triangular Q = 1,4 . H 5/2 34 Posto de Medição de Vazão • Requisitos para uma Boa Seção Lugar de fácil acesso Forma regular da seção Trecho retilíneo Margem e leito não erodíveis Velocidade entre 0.2 e 2 m/s Controle por regime uniforme ou crítico 35 Medição de Vazão – Calhas e Vertedores Vazão é função da lâmina de água. 36 • Medição por Velocidades : Molinetes e ADCPs – Conceito de que Vazão = v.dA – Formas de medição com molinete: A Vau Sobre Ponte Com Barco Fixo Com Barco em Movimento 37 Molinetes 38 Molinete 39 Molinete •São instrumentos projetados para girar em velocidades diferentes de acordo com a velocidade da água. • A relação entre a velocidade da água e velocidade de rotação do molinete é a equação do molinete. • Esta equação é fornecida pelo fabricante do molinete, porém deve ser verificada periodicamente, porque pode ser alterada pelo desgaste das peças. • A velocidade da água é, normalmente, maior no centro de um rio do que junto às margens. • Da mesma forma, a velocidade é mais baixa junto ao fundo do rio do que junto à superfície. 40 Molinete • Em função desta variação da velocidade nos diferentes pontos da seção transversal, utilizar apenas uma medição de velocidade pode resultar em uma estimativa errada da velocidade média. • Por exemplo, a velocidade medida junto à margem é inferior à velocidade média e a velocidade medida junto à superfície, no centro da seção, é superior à velocidade média. • Para obter uma boa estimativa da velocidade média é necessário medir em várias verticais, e em vários pontos ao longo das verticais. 41 Perfil de Velocidade média 42 Recomendações Método Detalhado Pontos Posição na vertical Velocidade média Profundid. do rio 1 0,6 P Vm=V(0,6) 0,15 a 0,6 m 2 0,2 e 0,8 P Vm=[V(0,2)+V(0,8)]/2 0,6 a 1,2 m 3 0,2 0,6 e 0,8 P Vm=[V(0,2)+2.V(0,6)+V(0,8)]/4 1,2 a 2,0 m 4 0,2 0,4 0,6 e 0,8 P Vm=[V(0,2)+2.V(0,4)+2.V(0,6)+V(0,8)]/6 2,0 a 4,0 m 6 Sup; 0,2 0,4 0,6 0,8 e Fundo Vm=[Vs+2(V(0,2)+V(0,4)+V(0,6)+V(0,8))+Vf]/10 > 4,0 m 43 Método Simplificado Pontos Posição na vertical Velocidade média Profundidade do rio 1 0,6 P Vm=V(0,6) < 0,6 m 2 0,2 e 0,8 P Vm=[V(0,2)+V(0,8)]/2 > 0,6 m 44 Número de Verticais Largura do rio (m) Distância entre verticais (m) Número de verticais 3 0,3 10 3 a 6 0,5 6 a 12 6 a 15 1 6 a 15 15 a 30 2 7 a 15 30 a 50 3 10 a 16 50 a 80 4 12 a 20 80 a 150 6 13 a 25 150 a 250 8 18 a 30 250 12 > 20 45 Área de Influência do Molinete Posição do Molinete Área de Influência dA = Y.dx Y dx 46 Portanto, a medição de vazão está baseada na medição de velocidade em um grande numero de pontos. Os pontos estão dispostos segundo linhas verticais com distâncias conhecidas da margem (d1,d2,d3,etc) (Figura 1). A integração do produto da velocidade pela área é a vazão do rio. Considera-se que a velocidade média calculada numa vertical é válida numa área próxima a esta vertical de acordo com a Figura 2 Figura 1 47 Figura 2 Detalhe da área da seção para a qual é valida a velocidade média da vertical de numero 2 48 A área de uma sub-seção, como apresentada na Figura 2 é calculada pela equação: Onde o índice “i” indica a vertical que está sendo considerada; “p” é a profundidade; “d” é a distância da vertical até a margem. 49 Na Figura 2, por exemplo, a área da sub-seção da vertical 2 é dada por: As pequenas áreas próximas às margens que não são consideradas nas sub-seções da primeira nem da ultima vertical (Figura 3) não são consideradas no cálculo da vazão. Assim, a vazão total do rio é dada por: 50 Onde Q é a vazão total do rio; vi é a velocidade média da vertical i N é o numero de verticais Ai é a área da sub-seção da vertical i 51 Figura 3 – As áreas sombreadas junto à margem não são consideradas na integração da vazão 52 Medição com Molinete • Cálculo da vazão – Soma das vazões das áreas de influência : Q = Vmedi . Áreai 53 Medição com Molinete Requisitos Para uma Boa Medição • Número de verticais adequado • Evitar correntes inclinadas • Rapidez para evitar variação do NA • Evitar vibração do molinete • Evitar que o cabo do molinete fique inclinado 54 vaMedição de vazão usando um aparelho de medição de velocidade por efeito Doppler em ondas acústicas ADCP 55 Medição de Vazão - ADCP O aparelho ADCP utiliza este efeito para estimar a velocidade de escoamento de um fluído. A sonda emite uma onda sonora com freqüência padrão e analisa a freqüência que é refletida nas partículas em suspensão na água. 56 Medição de Vazões A medição da vazão do escoamento pode ser realização através de: – Vertedores; – Molinete; – Flutuadores; – Medidor do Nível d’Água. 57 Medição de Vazões • Vertedores: utilizados para medir a vazão em cursos d’água; são geralmente pré-calibrados para fornecer a vazão em função do nível d´água Q = f(H). Planta B B Corte B-B H Q H 58 Medição de Vazões • Molinete: é um aparelho que dá a velocidade local da água através da medida do número de revoluções da hélice do aparelho. Costuma-se, nos casos de rios com pequena profundidade, adotar uma das duas hipóteses simplificadoras: a) Velocidade média igual à média entre as velocidades medidas a 0,2 e a 0,8 da profundidade; b) Velocidade média igual à velocidade medida a 0,6 da profundidade; Posiçãodo Molinete Área de Influência dA = Y.dx Y dx 59 Vazão na seção AA: Q = (C . Vs) . A Onde: 0,6 ≤ C ≤ 0,8 Medição de Vazões • Flutuadores: utilizados para medir a vazão em cursos d’água, são objetos que são soltos a uma distancia L a montante do ponto final. A medição do intervalo de tempo que o objeto leva para ir do ponto inicial até o ponto final é importante para determinação da velocidade da água. A vazão é igual ao produto da área da seção e da velocidade da água. Ponto Inicial Ponto Final L Seção AA t1 t2 Onde: Vs é a velocidade do flutuador Vs = L / (t2 – t1) 60 Medição de Vazões • Medidor do Nível d’Água: A vazão é determinada pela curva chave que é estabelecida entre Q e H com base em medições de vazão; A profundidade de fluxo H é determinada com: – Régua linimétrica (R1, R2, R3, ...): leitura manual; – Linígrafo: registros automáticos; Seção AA H R1 R2 R3 Bóia Poço conectado ao leito do rio 61 Curva-Chave • É a relação entre os níveis d’água com as respectivas vazões de um posto fluviométrico. • Para o traçado da curva-chave em um determinado posto, é necessário que disponha de uma série de medição de vazões no local, ou seja, a leitura da régua e a correspondente vazão (dados de h e Q). • A curva-chave usa modelo de seção com controle local, ou seja, predominância da declividade do fundo sobre as demais forças do escoamento, como por exemplo, a pressão. Com isso, temos uma relação biunívoca entre profundidade e vazão. 62 Curva-Chave • Para caracterizar o comportamento hidrológico de um curso d’água ou uma bacia não basta dispor de uma medição de vazão, mas sim de uma serie de medições. • É desejável que esta série se estenda por pelo menos, alguns anos,e é necessário que o intervalo de tempo entre medições seja adequado, para acompanhar os principais processos que ocorrem na bacia, isto é, permitam acompanhar as cheias e as estiagens. • Em um rio muito grande, de comportamento lento, isto pode significar uma medição por semana. Por outro lado, em um rio com uma área de drenagem pequena, em uma região montanhosa, com rápidas respostas durante as chuvas, pode ser necessária uma medição a cada minuto. 63 Curva-Chave • A medição de vazão é um processo caro, o que impede medições de vazão muito freqüentes. •Normalmente a medição de vazão em rios exige uma equipe de técnicos qualificados e equipamentos como molinete, guincho e barcos. • Em função disso, as medições de vazão são realizadas com o objetivo de determinar a relação entre o nível d’água do rio em uma seção e a sua vazão. • Esta relação entre o nível (ou cota) e a vazão é denominada a curva-chave de uma seção. • Com a curva-chave é possível transformar medições diárias de cota, que são relativamente baratas, em medições diárias de vazão. 64 Curva-Chave • Para gerar uma curva-chave representativa é preciso medir a vazão do rio em situações de vazões baixas, médias e altas. • A Figura 4 apresenta, de forma gráfica, o resultado de 62 medições de vazão realizadas entre 1992 e 2002, no rio do Sono no posto fluviométrico Cachoeira do Paredão, em Minas Gerais. •Cada ponto no gráfico corresponde a uma medição de vazão. • Observa-se que há mais medições de vazões na faixa de cotas e vazões baixas. • Isto ocorre porque as vazões altas ocorrem apenas durante as cheias, que podem ser bastante rápidas e raramente coincidem com os dias programados para as medições de vazão. 65 Curva-Chave Equação do tipo potência ajustada aos dados de medição de vazão do rio do Sono de 1992 a 2002 (Collischonn,2008) Figura 4 66 Curva-Chave • Em trechos de rios próximos á foz, junto ao mar, lago ou outro rio, a relação entre cota e vazão pode não ser unívoca, isto é, a mesma vazão pode ocorrer para cotas diferentes, e cotas iguais podem apresentar vazões diferentes. • Nestes casos o escoamento no rio está sob controle de jusante. • O nível do rio, lago ou oceano, localizado a jusante, controla a vazão do rio e não é possível definir uma única curva- chave. • Este problema pode ser superado gerando uma família de curvas-chave, através da combinação da vazão, da cota local e da cota de jusante. É claro que esta alternativa é muito trabalhosa e deve ser evitada, dando-se preferência à instalação de postos fluviométricos em locais livres da influência da maré, ou do nível de jusante. 67 Curva-Chave • A curva-chave é uma equação ajustada aos dados de medição de vazão. • Normalmente são utilizadas equações do tipo potência, ou seja: •Onde Q é a vazão; h é a cota; h0 é a cota quando a vazão é zero; e “a” e “b” são parâmetros ajustados por um critério, como erros mínimos quadrados 68 Curva-Chave Equação do tipo potência ajustada aos dados de medição de vazão do rio do Sono de 1992 a 2002 (Collischonn,2008) 69 Curva-Chave Partindo-se desta serie de valores (h e Q) a determinação da curva-chave pode ser feita de duas formas: gráfica ou analiticamente. A experiência tem mostrado que o nível d’água(h) e a vazão (Q) ajustam-se bem à curva do tipo potencial, que é dada por: Onde: Q é vazão em m3/s; h é o nível d’água em m (leitura da régua) a, b e h0 são constantes para o posto, a serem determinados; h0 corresponde ao valor de h para a vazão Q = 0 70 Curva-Chave A equação pode ser linearizada aplicando-se o logaritmo em ambos os lados: Fazendo Y = log Q A = loga X = log (h-h0) tem-se uma equação da reta 71 Curva-Chave A maneira mais prática de se obter os parâmetros “a”, “b” e “h0” é o Método Gráfico, que necessita papel di-log. 1- Lançar em papel milimetrado os pares de pontos (h,Q); 2 – Traçar a curva média entre os pontos, utilizando apenas critério visual; 3 – Prolongar essa curva até cortar o eixo das ordenadas (eixo dos níveis); a interseção da curva com o eixo de h corresponde ao valor de h0 72 Curva-Chave 4- Montar uma tabela que contenha os valores de (h-h0) e as vazões correspondentes; 5 – Lançar em papel di-log os pares de pontos (h-h0,Q); 6 – Traçar a reta média, usando critério visual; 7 – Determinar o coeficiente angular da reta, fazendo-se a medida direta com uma régua; o valor do coeficiente angular é a constante “b” da equação da curva-chave. 8 – Da interseção da reta traçada com a reta vertical que corresponde a (h-h0) resulta o valor particular de Q, que será o valor da constante “a” da equação. 73 Curva-Chave Relação cota-vazão em papel log-log 74 Curva-Chave : Método Analítico Apesar desse método ser um processo matemático,não dispensa o auxilio de gráfico na determinação do parâmetro h0. Portanto, vale também os quatro primeiros passos descritos no método gráfico. Reescrevendo a eq. da curva-chave: LInearização aplicando logaritmo: logQ = loga+blog(h-h0); A equação acima é do tipo Y = a+bX onde Y=log Q A=log a X = log(h-h0) 75 Curva-Chave : Método Analítico Os parâmetros “a” e “b” da equação da reta Y = a +bX são calculados da seguinte forma: Como A = loga, o valor de a é obtido pelo antilogA ou a = 10a 76 Curva-Chave •As medições de vazão costumam definir apenas um trecho central da curva. •Existem problemas nos trechos superiores e inferiores da curva. •Os problemas na representação da relação inferior são devidos principalmente à mudança de leito devido à deposição de sedimentos ou erosão. •Os problemas na relação superior são decorrentes da carência de medidas nos eventos extremos. •Então os ramos superior e inferior são os pontos críticos da qualidade da relação. 77 Curva-Chave • Assim para poder estimar as vazões também nessas situações e estabelecer uma série contínua de vazões (hidrograma),a curva de descarga deve ser extrapolada. •Essas extrapolações, embora muitas vezes calcadas em maior ou menor grau nas leis da hidráulica, são sempre de caráter duvidoso, devendo-se realizar medições de vazão fora do intervalo já medido a fim de confirmar ou retificar as extrapolações. 78 Referências Bibliográficas • Notas de Aula e apresentações do prof. Walter Collischonn – IPH/UFRGS • Notas de Aula e apresentações do prof. Carlos Tucci – IPH/UFRGS • Villela, S.M, Mattos,A – Hidrologia Aplicada – Mc Graw Hill •Notas de Aula do Prof. Kamel Zahed Filho e Prof. Rubem La Laina Porto – Hidrologia Aplicada •Notas de Aula e apresentação do prof. Carlos Galvão e Denyelle Gama (UFCG) • Notas de Aula e apresentação da Profa. Rutineia Tassi - Fundação Universidade Federal do Rio Grande •Apresentação de Nelson R. Amanthea
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