Hidráulica de Canais Livres

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1.0- INTRODUÇÃO 
Em razão da importância da água e das crescentes preocupações ambientais nas diversas atividades desenvolvidas pelo homem, está evoluindo progressivamente em todo mundo um novo conceito integrado de planejamento, gestão e uso dos recursos hídricos, onde, através de um conjunto de medidas técnicas, administrativas e legais, busca-se uma resposta eficaz às necessidades humanas e às exigências sociais para melhorar a utilização da água. 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 distribuições 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). O escoamento em canais é caracterizado por apresentar uma superfície livre na qual reina a pressão atmosférica. Este escoamento tem um grande numero de aplicações práticas na engenharia, estando presente em áreas como o saneamento, a drenagem urbana, irrigação, hidro-eletricidade, navegação e conservação do meio ambiente. 
1.1- CANAIS LIVRES 
O escoamento de água através de uma tubulação, sob condições de conduto forçado, tem como principais características: a tubulação ser fechada, a seção ser plena, de atuar sobre o líquido uma pressão diferente da atmosférica e o escoamento se estabelecer sobre gravidade ou bombeamento. Nos condutos livres ou canais, a característica principal é a presença da pressão atmosférica atuando sobre a superfície do líquido, em uma seção aberta, como nos canais de irrigação e de drenagem, ou fechada, como nos conduto de esgotos e galerias de águas pluviais. Neste contexto, os cursos d’água naturais constituem o melhor exemplo de condutos livres. Além dos rios, funcionam como condutos livres os canais artificiais de irrigação e drenagem, os aquedutos abertos, e de um modo geral, as canalizações onde o líquido não preenche totalmente a seção do canal. Os escoamentos em condutos livres diferem dos que ocorrem em condutos forçados porque o gradiente de pressão não é relevante. Nesses condutos, os escoamentos são mais complexos e com resolução mais sofisticada, pois as variáveis são interdependentes com variação no tempo e espaço. Uma importante característica da hidráulica dos canais além da superfície livre é a deformidade desta. Nos condutos livres, ao contrário do que ocorre nos forçados, a veia líquida tem liberdade de se modificar para que seja mantido o equilíbrio dinâmico. Dessa forma a deformidade da superfície livre dá origem a fenômenos desconhecidos nos condutos forçados, como o ressalto hidráulico, o remanso. 
1.2- CLASSIFICAÇÃO DOS CANAIS 
Quanto à classificação, os canais podem ser naturais ou artificiais. Os condutos d’água existentes na Natureza, como pequenas correntes, córregos, rios, estuários e outros, são nomeados de naturais. Aqueles em que apresentam seção aberta ou fechada, desenvolvidos pela ação humana, como os canais de irrigação e navegação, aquedutos, galerias e outros, recebem o nome de artificiais (PORTO, 2004). Quanto aos condutos apresentam formas abertas ou fechadas, em se tratando aos condutos livres abertos, simplesmente eles são denominados canais, enquanto que os condutos fechados são denominados aquedutos. Os canais também são classificados como prismáticos e não prismáticos. Quando possuírem o comprimento da seção reta e a declividade de fundo constante, são chamados de prismáticos; caso contrário não prismático (PORTO, 2004). 
1.3- ELEMENTOS GEOMÉTRICOS 
Dentre as mais variadas formas dos condutos livres, sendo canais prismáticos ou não prismáticos, todos eles dependendo da sua seção transversal, possuem suas próprias características relevantes aos principais elementos geométricos. Tais elementos estão dimensionados na Figura 1, que são: área molhada, perímetro molhado, raio hidráulico, largura do topo, altura d’água ou tirante d’água e altura hidráulica ou altura média.
- Área molhada (A): é a área útil da seção de escoamento numa seção transversal podendo variar de acordo com a vazão de alimentação do local. 
- Perímetro molhado (P): é a linha que limita a seção molhada junto às paredes e ao fundo do canal. 
- Raio hidráulico: é a relação entre a área molhada e o perímetro. 
- Largura de topo (B): é a largura da seção do canal na superfície livre. 
- Altura d’água ou tirante d’água (Y): é a distancia vertical do ponto mais baixo da seção do canal até a superfície livre. 
- Altura hidráulica ou altura média (Hm): é a relação entre a área molhada e a largura da seção do canal na superfície livre. Figura 1. 
  
Os parâmetros geométricos da seção (área, perímetro, altura d’água) 
são visíveis a maior dificuldade para os canais livres, pois, enquanto os condutos forçados têm, basicamente, seções circulares, os canais livres se apresentam nas mais variadas formas geométricas, além do que esses parâmetros geométricos podem ainda variar no espaço e no tempo. Os canais são projetados usualmente em uma das quatro formas geométricas: Retangular, trapezoidal, triangular, circular, sendo a forma trapezoidal a mais utilizada. 
Retangular: canais revestidos, canais escavados, em rochas. 
Trapezoidal: canais de terra e drenos abertos. 
Retangular: canais revestidos, canais escavados, em rochas. 
Trapezoidal: canais de terra e drenos abertos. 
 
Triangular: canais de pequenas dimenções. 
Circular: pequenos aquedutos, drenos circulares, esgotos, bueiros, Etc. 
O estudo em seção circular é de grande interesse prático, pois como o escoamento em condição plena dificilmente ocorre, é necessário calcular rapidamente o raio hidráulico, a velocidade e a vazão das seções parciais (NEVES, 1979). Contudo, Manning estabeleceu uma fórmula específica para os condutos condizentes de seção circular parcialmente cheia, que também pode ser analisado por questão de ângulos, e para seção circular totalmente cheia ou plena, como a equação abaixo. 
1.4- VELOCIDADE DE ESCOAMENTO NOS CONDUTOS LIVRES 
 A distribuição da velocidade de escoamento do líquido nos canais é influenciada pela resistência ao longo das paredes, ao longo do fundo e pelo contato com o ar atmosférico nos casos mais comuns.  A determinação das velocidades nos diferentes pontos das seções transversais dos canais, de um modo gera, só é possível por via experimental, como na figura abaixo, observam-se alguns exemplos de distribuição das velocidades em seções transversais, onde estão representadas as linhas que ligam os pontos de iguais velocidades (isótacas). 
Enquanto nos condutos forçados em tubulações circulares existe um perfil de velocidade com simetria axial, na seção reta dos canais, principalmente nos canais naturais, as velocidades variam acentuadamente de um ponto a outro. A desuniformidade nos perfis da velocidade nos canais depende da forma geométrica da seção e são devidas as tensões cisalhantes no fundo e paredes e a presença da superfície livre. De modo geral, nos canais prismáticos, a distribuição vertical da velocidade segue uma lei aproximadamente parabólica, com valores decrescente com a profundidade e a máxima velocidade ocorrendo um pouco abaixo da superfície. (PORTO, 2006). 
Encontram os valores máximos recomendáveis da velocidade nos canais, os quais foram determinados em função da erodibilidade do canal. Entretanto, outro problema é a sedimentação nos canais. Nesse caso, são recomendados os seguintes valores mínimos para velocidade nos canais.
 Valores máximos recomendáveis para velocidade média no canal. 
Material Velocidade máxima (m/s) 
Terreno arenoso comum 0,76 Terreno do Aluvião 0,91 Terreno Argila Compacta 1,14 Cascalho grosso, Pedregulho, Piçarra. 1,83  Alvenaria 3,00 Concreto 6,00 
 Valores mínimos recomendáveis para velocidade média no canal. 
Material Velocidade (m/s) 
 Água com suspensão fina  Água com areiafina  Água de esgoto  Água pluvial 
0,3 m/s 0,45 m/s 0,60 m/s 0,75 m/s 
BORDA LIVRE DO CANAL 
 A borda livre corresponde a uma folga que deve ser deixada além da cota do nível máximo operacional no conduto para evitar, dentro de certo risco, extravasamentos devido à ação de ondas de vento ou de embarcações, ressalto hidráulico, perdas localizadas e flutuações de vazões. É usual, utilizar as expressões fornecidas pelo USBR para determinação da borda livre. Conforme gráfico abaixo: Existem várias equações e ábacos para os cálculos da borda livre, como:  
Em que 
BL = Borda livre; 
H = altura da lamina da água no canal, em m; 
Q = vazão do canal, em m
3/s; e k = coeficiente, variando de 0,46 a 0,76. 
1.5- MOVIMENTO UNIFORME DOS CANAIS 
Em condições normais, ocorre nos canais um movimento uniforme, ou seja, a velocidade média da água é constante ao longo do canal. No caso da equação da continuidade:
Em que: q = vazão do canal, em m 3/s; a = área da transversal do canal, em m 2; e v = velocidade média da água, em m/s.  A área é determinada geometricamente e a velocidade pode ser medida no local ou, na maioria dos casos, determinada através de equações. Há varias equações para o calculo da velocidade média da água em um canal, porém as mais usadas são as de Chezy, Bazin e Manning.  As equações de Chezin e Bazin podem ser escritas da seguinte forma: 
Sendo V = velocidade média da água; C = coeficiente, dependendo do material; Rh = raio hidráulico; S0 = declividade do canal, m/m O coeficiente de Bazin (C) pode ser calculado pela seguinte equação: 
 Valores de m para determinação do coeficiente de Bazin Naturezas das paredes m.
Muito lisas (cimento alisado) Lisas (concretos, tijolos) Pouco lisas (alvenaria de pedra bruta) Parede mista (com ou sem revestimento) Canais de terra normal Canais de terra com grande resistência ao escoamento (fundo com vegetação e pedras soltas) 0,06 0,16 0,46 0,85 1,30 1,75  A equação de Manning é a seguinte:
Sendo: V = velocidade média da água, em m/s; n = coeficiente de rugosidade, dependendo do material do canal; Rh = raio hidráulica; e S0 = declividade do canal, em m/m. Combinando as equações de Manning e de continuidade, tem-se: 
1.6- DIMENSIONAMENTO DOS CANAIS 
O dimensionamento de condutos livres (canais), em condições de escoamento permanente e uniforme, é feito com o auxílio de equações empíricas, sendo que todas elas podem ser agrupadas em uma única do tipo, obedecendo-se ao Sistema Internacional de Unidades (SI): 
Q = C A (R I)
m
Em que: 
Q-vazão; 
C- fator de resistência; 
A - área molhada do canal; 
R - raio hidráulico do canal; 
I - declividade de fundo do canal, adimensional; 
M  - expoente da declividade, adimensional. O raio hidráulico (R) é uma dimensão resultante da relação entre a área molhada (A) e o perímetro molhado (P) do canal. O fator de resistência é uma função do raio hidráulico e da natureza das paredes do canal. Este fator,  juntamente com o expoente da declividade, tem sido alvo de pesquisas. Estudos realizados por Manning (1891) permitiram concluir-se que o expoente da declividade (m) pode ser considerado igual a 0,5 e o fator de resistência (C), segundo Henderson (1980), pode ser calculado por: 
C = R n
Sendo n conhecido como fator de Manning, tabelado de acordo com a natureza das paredes do canal. Em outro estudo, Bazin (1897) verificou que o valor de m também poderia ser considerado igual a 0,5, porém o valor de C, conforme Chow (1986) deveria ser calculado:   
Sendo y conhecido como coeficiente de Bazin, tabelado de acordo com a natureza das paredes do canal. Considerando-se também a fórmula universal de perda de carga, pode-se calcular C por: 
 Sendo g = 9,81 m s e f o coeficiente de atrito, adimensional. Os sistemas de drenagem podem ser feitos por meio de drenos abertos (valetas) e drenos subterrâneos (cobertos). Estes últimos apresentam a vantagem de facilitar operações de transporte e mecanização, evitando a construção de pontes e outras estruturas necessárias no caso de utilização de valetas (Millar, 1978). O dimensionamento de drenos abertos é realizado com a aplicação das equações apresentadas anteriormente, o que não ocorre para o caso dos drenos subterrâneos, tendo em vista que a vazão escoada varia desde o início do dreno até o seu final. Em razões disto, diferentes equações experimentais são apresentadas para o dimensionamento de drenos subterrâneos, o que leva o projetista a dúvidas na escolha de uma ou outra equação. 
2.0- HIDROMETRIA 
 A hidrometria é a ciência que mede e analisa as características físicas e químicas da água, incluindo métodos, técnicas e instrumentação utilizados em hidrologia (PROSSIGA 2003). Dentro da hidrometria pode-se citar a fluviometria que abrange as medições de vazões e cotas de rios. Os dados fluviométricos são indispensáveis para os estudos de aproveitamentos.
hidroenergéticos, assim como para o atendimento a outros segmentos, como o planejamento de uso dos recursos hídricos, previsão de cheias, gerenciamento de bacias hidrográficas, saneamento básico, abastecimento público e industrial, navegação, irrigação, transporte, meio ambiente e muitos outros estudos de grande importância científica e socioeconômica. Uma estação hidrométrica é uma seção do rio, com dispositivos de medição do nível da água (réguas linimétricas ou linígrafas, 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 difícil 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. Portanto, a seguir será descritas a instalação de um posto fluviométrico, a medição dos níveis, a medição de vazão e a determinação da curva-chave. 
2.1- MEDIÇÕES DE VAZÃO 
Medição de vazão em hidrometria é todo processo empírico utilizado para determinar a vazão de um curso de água. A vazão ou descarga de um rio é o volume de água que passa através de uma seção transversal na unidade de tempo. A medição da vazão tem de suma importância quantificar a vazão disponível para projetos de irrigação, controlar a vazão (volume) de água de irrigação a ser aplicada em projetos (racionalizar o uso da água); quantificar a vazão disponível para acionar uma roda d’água. A escolha do método depende: do volume do fluxo de água; das condições locais; do custo (existem equipamentos caros e outros simples e baratos); da precisão desejada. 
2.2 - Métodos de medição de vazão 
Existem vários métodos para medição de vazão e a cada dia novas tecnologias surgem no mercado. Entre os métodos mais usados atualmente destacamos por classe: Métodos diretos: método volumétrico ou de pesagem, hidrômetro e fluxímetro. - Métodos que utilizam a relação velocidade/área: flutuador, molinete, coordenadas em tubo com descarga livre, tubo de Pitot e processo colorimétrico. - Métodos que utilizam constrição na seção transversal de escoamento: venturímetro, diafragma, vertedores, calha Parshall e calha WSC. 
2.3- MÉTODOS DIRETOS 2.3.1- Método volumétrico 
Medição do tempo gasto para encher um recipiente de volume conhecido como: O volume v  pode ser dado em litros ou metros cúbicos e o tempo T 
em minutos ou segundos, dependendo da magnitude da vazão medida. Mede-se o tempo necessário para que a água preencha completamente um reservatório com volume conhecido. Esse método tem como alternativa: pesar recipiente com volume desconhecido (descontar peso do recipiente). A Alteração do volume de água em um reservatório de volume conhecido: Q = DV/T DV = V
O método volumétrico é utilizado em pequenos riachos e canais, medição de vazão em sulcos, em aspersores e gotejadores. Recomendam-se no mínimo três repetições recipientes com tempo mínimo de enchimento de 20 segundos. 
2.3.2- Hidrômetro 
Utilizado para a medição de vazão em tubulações,onde o rotor é posto em movimento pela corrente de água. Acoplado a um mostrador, onde se lê o volume que passou pelo hidrômetro. 
Q = Vol/T 
2.3.3 - Fluxímetro 
Equipamento destinado a quantificar e indicar a vazão de um fluído. Ao conjunto de fluxômetros que permite a mistura de gás em concentrações e fluxos conhecidos denomina-se bloco de fluxômetros. O fluxômetro é composto por uma válvula de controle de fluxo associado a um tubo vertical dotado de escala através do qual flui o gás; um flutuador; e um limitador na porção superior do tubo. Os tubos são construídos de material transparente, preferencialmente em vidro. Possuem uma conicidade interna que tem por finalidade proporcionar uma variação de área em relação à posição assumida ao flutuador em função do fluxo estabelecido. O flutuador é um elemento localizado no interior do fluxômetro, que varia sua posição proporcionalmente à variação do fluxo. É o ponto de referência para se realizar a leitura da vazão. 
 MÉTODOS QUE EMPREGAM A RELAÇÃO VELOCIDADE/ÁREA 2.4.1 
 Flutuador 
Este método se aplica a trechos retilíneos de canal e que tenham seção transversal uniforme. As medidas devem ser feitas em dias sem vento, de forma a ser evitar a influencia no caminhamento do flutuador. Para facilitar a medida, devem ser esticados fios no inicio no meio e no final do trecho onde se pretende medir a velocidade. O flutuador dever ser solta a montante, a uma distância suficiente para adquirir a velocidade da corrente, antes dele cruzar a seção inicial do trecho de teste. Com a distância percorrida e o tempo, determina-se a velocidade média do flutuador através da fórmula: 
 Utilizado em canais de pequeno ou médio porte. A vantagem deste método é a rápida determinação, sendo sua desvantagem a imprecisão causada por ventos, corrente secundárias e ondas.
  Através de flutuadores (pode ser utilizada uma garrafa plástica bóia,etc.) determina-se a velocidade superficial do escoamento. Esta velocidade superficial é, na maioria das vezes, superior a velocidade média do escoamento. A velocidade média corresponde de 80 a 90% da velocidade superficial. Multiplicando-se a velocidade média pela área molhada (área da seção transversal por onde está ocorrendo o escoamento), obteremos a vazão. 
2.4.2 - Molinetes 
São equipamentos que contém uma hélice que gira quando é colocada no sentido do fluxo da água. O princípio mais utilizado é que a rotação da hélice em torno do eixo abre e fecha um circuito elétrico, contando o número de voltas durante um intervalo de tempo fixo, obtendo-se assim uma relação entre a velocidade do fluxo e a rotação da hélice do tipo:
Onde V = velocidade do fluxo; N = velocidade de rotação; e a e b são constantes características da hélice e fornecidas pelo fabricante do molinete, e/ou determinadas por calibração, que deve ser realizada periodicamente. 
2.5 - MÉTODOS QUE UTILIZAM CONSTRIÇÃO NA SEÇÃO TRANSVERSAL DE ESCOAMENTO 2.5.1
 Vertedores 
São aberturas feitas na parte superior da parede de um conduto livre através do qual escoa o líquido cuja vazão se deseja medir. Seu pode variar entre: triangular, retangular ou trapezoidal. Utilizados em canais de irrigação, represas e pequenos rios. Tipos de Vertedores e suas equações para a determinação da vazão. Vertedor triangular Vertedor Angular 
Com contrações laterais Sem contrações laterais Vertedor trapezoidal 
Medidor “wsc flume” (calha) Muito utilizado para medir a vazão em sulcos de irrigação ou canais. Neste equipamento, a água praticamente não se eleva (represamento) à montante do ponto de instalação. Por este motivo é muito utilizado em projetos de irrigação por superfície (sulcos). São construídas em três tamanhos diferentes: pequena, média e grande. Para a medição da vazão, somente a leitura de uma régua graduada em milímetros, encostada na parede lateral da entrada, é suficiente. 
3.0- CONCLUSÃO 
Os medidores de vazão são fundamentais estratégica e economicamente nos processos industriais, pois, são utilizados para o controle do processo, análise e garantia de qualidade, produtividade; segurança; análise de eficiência, perdas e rendimento; balanço de massa, balanço de energia; transações comerciais, medições contábeis, etc. É notável a importância da medição de vazão no âmbito operacional, comercial, e econômico, pois, esta torna prática a interpretação do quanto em dinheiro convertido em fluido está 
literalmente “correndo”, ou melhor, escoando.
 Concluímos que é de suma importância o estudo sobre medições de vazão, pois estes permite quantificar a vazão disponível para projetos de irrigação; controlar a vazão (volume) de água de irrigação a ser aplicada em projetos (racionalizar o uso da água). 
Instituto Federal Goiano – Campus Rio Verde
	
CANAIS E HIDROMETRIA
 Hidráulica
Prof.: Marconi
Aluno: Guilherme Silva Souza