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Apostila de hidrologia, Notas de estudo de Urbanismo

DOCUMENTO EM WORD. ABORDA O TEMA DE HIDROLOGIA. ATUALIZADA (2009)

Tipologia: Notas de estudo

2010

Compartilhado em 10/04/2010

thaysa-beduschi-7
thaysa-beduschi-7 🇧🇷

4.4

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Baixe Apostila de hidrologia e outras Notas de estudo em PDF para Urbanismo, somente na Docsity! CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL H I D R O L O G I A Prof. Antônio Sérgio Ferreira Mendonça 2009 ÍNDICE PÁGINA I. INTRODUÇÃO.......................................................................................... 04 I.1. Autor............................................................................................................ 04 I.2. A Água......................................................................................................... 04 I.3. Definição de Hidrologia.............................................................................. 04 I.4. Breve histórico da Hidrologia...................................................................... 04 I.5. Aplicações da hidrologia............................................................................. 05 I.6. O ciclo hidrológico...................................................................................... 06 I.7. O estudo da hidrologia............................................................................... 07 II. PRECIPITAÇÃO............................................................................................... 08 II.1. Definição................................................................................................. 08 II.2. Formação das precipitações.................................................................... 08 II.3. Tipos de precipitação................................................................................ 08 II.4. Medida das precipitações........................................................................ 10 EMBED Excel.Chart.8 \s II.5. Características Principais das Precipitações............................................ 11 II.6. Preenchimento de falhas nos registros de chuva de uma estação........... 12 II.7. Verificação da homogeneidade de dados................................................ 12 II.8. Curva intensidade-duração-frequência.................................................... 12 III. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM........................ 16 III.1. Definição................................................................................................ 16 III.2. Índices que indicam a forma da bacia.................................................... 16 III.3. Sistema de drenagem de uma bacia....................................................... 17 III.4. Características do relevo........................................................................ 18 III.5. Classificação dos cursos d'água............................................................. 19 IV. INFILTRAÇÃO,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 20 IV.1. Definição................................................................................................ 20 IV.2. Fatores que influenciam na infiltração................................................... 20 IV.3. Curva de capacidade de infiltração........................................................ 20 IV.4. Medição da capacidade de infiltração.................................................... 22 V. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO..................................................... 23 V.1. Evaporação.............................................................................................. 23 V.2. Fatores que influem na evaporação......................................................... 23 V.3. Medição de evaporação........................................................................... 23 V.4. Medida da evaporação da superfície das águas...................................... 24 V.5. Medida da evaporação da superfície do solo.......................................... 25 V.6. Medida da transpiração........................................................................... 26 V.7. Fórmula geral da evaporação.................................................................. 26 V.8. Fórmulas empíricas................................................................................. 26 V.9. Evapotranspiração em bacia hidrográfica............................................... 27 VI. ESCOAMENTO SUPERFICIAL............................................................ 29 VI.1. Definição............................................................................................... 29 VI.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial........... 29 VI.3. Algumas definições................................................................................ 29 VI.4. Determinação da linha de separação da precipitação efetiva................. 30 VI.5. Curva-chave de uma seção de rio ou canal............................................ 31 VI.6. Previsão de vazões a partir de precipitações.......................................... 32 VI.7. Previsão de cheias e determinação de enchente de projeto................... 35 VI.7.1. Definições..................................................................................... 35 VI.7.2. Estimativa da cheia de projeto...................................................... 36 VI.7.3. Período de retorno de uma descarga............................................. 36 VI.7.4. Obtenção da relação entre o risco, vida útil e período de retorno 37 VI.7.5. Determinação do período de retorno de vazões........................... 38 VI.8. Manipulação de dados de vazão...................................................... 39 VII. RESERVATÓRIOS DE ESTIAGEM E BACIAS HIDRÁULICAS…... 40 VII.1. Conceitos............................................................................................ 40 VII.2. Finalidade das barragens.................................................................... 40 VII.3. Tipos construtivos de barragens......................................................... 41 VII.4. Dados básicos de projeto/Escolha do local de implantação............... 43 VII.5. Determinação do volume útil do reservatório de regularização........ 45 VIII. BIBLIOGRAFIA PAGE 3 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. 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 frequência 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. 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 PAGE 3 I.6. 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. O ciclo hidrológico é representado esquematicamente na figura abaixo: 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. Energia Solar F 0A E Quando o sol começa a esquentar a água, ocorre evaporação. É ela que vai formar as nuvens que irão resultar na chuva. Chuva F 0A E 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 F 0A E O vento move as nuvens, fazendo com que as chuvas sejam distribuídas por toda a extensão terrestre. Oceano F 0A E A água do oceano evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens de chuva. Transpiração F 0A E 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 F 0A E 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 F 0A E A água dos rios, lagos e oceanos evapora com a energia solar e forma as nuvens. Neve e gelo F 0A E A neve e o gelo escorrem pelo interior da terra e ajudam na formação das nuvens, seja pela transpiração das árvores e terra, seja pela evaporação de rios e oceanos. Rios e Lagos F 0A E A água dos rios e lagos evapora com a energia solar e ajuda a formar as nuvens. I.7. 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. Existem duas maneiras distintas de se encarar os estudos hidrológicos: 1) Dar maior ênfase à interdependência entre os diversos fenômenos, procurando-se estabelecer relações de causa e efeito; 2) Estudo com consideração da natureza probabilística da ocorrência dos fenômenos. Recentemente, tem-se separado os métodos de estudos com as seguintes denominações: 1) Hidrologia paramétrica ou determinística; PAGE 3 2) Hidrologia estocástica. PAGE 3 a) Método da média aritmética Consiste em determinar a média aritmética das medidas dos aparelhos localizados na região. 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. 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. II.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 Nx as médias de precipitações nas 3 estações e na que estamos preenchendo falhas, e sendo P1, P2, P3 e Px as precipitações respectivas na data da falha: II.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 construir uma curva duplo 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). II.8. Curva intensidade-duração-frequência Chuva em uma região pode ser definida se intensidade, duração, e frequência das várias chuvas intensas são conhecidas. Para uma estação, geralmente, são conhecidas as intensidades das chuvas para diversas durações, tais como 5, 10, 15, 30, 60 e 120 min. Estes dados podem ser usados para determinação da frequência de ocorrência das chuvas. Estes dados de frequência podem ser representados pelas curvas de intensidade x duração. Exemplo de uma curva intensidade x duração para Vitória: Relação entre intensidade, duração e frequência: PAGE 3 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. 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 F 0A E Curitiba F 0A E B. Horizonte F 0A E PAGE 3 III. BACIA HIDROGRÁFICA OU BACIA DE DRENAGEM III.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. • Divisores de água: São linhas de separação entre bacias hidrográficas. • Divisor topográfico: Fixa a área da qual provêm o escoamento superficial. • Divisor freático: Limite dos reservatórios de água subterrânea, de onde provêm o escoamento subterrâneo da bacia. • Área de drenagem de uma bacia: É a área plana (projeção horizontal) situada no interior de seus divisores de água. • 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 estudo. III.2. Índices que indicam a forma da bacia a) Coeficiente de compacidade (Kc) Relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de área igual a da bacia. 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 É a relação entre largura média da bacia e o comprimento axial da mesma. 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. PAGE 3 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. • 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’. • 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. • Excesso de precipitação: Diferença entre a precipitação e a capacidade de infiltração. 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. Umidade do solo: Solo úmido tem menor capacidade de infiltração que o solo seco. Precipitação pluviométrica: 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. Equação de Horton para a curva padrão: Onde: f = capacidade de infiltração em qualquer instante. Solução da equação F 0A E Tomando logaritmos: PAGE 3 A equação acima é da forma: y = mx + C Onde: y = t m = -1 / (k log e) 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 F 07 1 . 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. PAGE 3 V. EVAPORAÇÃO E TRANSPIRAÇÃO V.1. Evaporação Transformação da água em vapor como conseqüência da incidência de raios solares. V.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). V.3. Medição de evaporação Algumas definições: • Evaporação potencial: Perda d'água para a atmosfera de uma superfície líquida (ou sólida saturada) exposta livremente às condições ambientais. • Transpiração: Perda d'água para a atmosfera na forma de vapor, decorrente das ações fisiológicas e físicas dos vegetais. • Evapotranspiração: Conjunto de evaporação do solo mais transpiração das plantas. • 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. • Evapotranspiração real: Perda d’água observada nas condições reais. PAGE 3 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. 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 V.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. 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) PAGE 3 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. PAGE 3 VI. ESCOAMENTO SUPERFICIAL VI.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. Retificação de trechos de rios Aumentam a velocidade de escoamento superficial. VI.2. Algumas grandezas que caracterizam o escoamento superficial a) Vazão ou descarga b) Coeficiente de escoamento superficial ou "runoff" da bacia: Relação entre o volume escoado e o volume precipitado na bacia: C = Vescoado / Vprecipitado c) Tempo de concentração da bacia d) Tempo de recorrência ou período de retorno de vazões e) Nível d'água: Altura atingida pela água em relação a um nível de referência. VI.3. Algumas definições • Hidrógrafa, hidrograma ou fluviograma: Gráfico que representa a vazão em uma seção do curso d'água em função do tempo. Pode ser constituído por uma linha contínua ou traços horizontais correspondendo a vazões médias em determinado intervalo. • Histograma: Gráfico que representa a precipitação pluviométrica em função do tempo. PAGE 3 "Se duas chuvas idênticas ocorrerem em uma bacia hidrográfica, as hidrógrafas de escoamento superficial serão idênticas." Definição É a hidrógrafa resultante de uma precipitação efetiva com altura unitária (1 cm, 1 mm, 1 inch, etc.). Princípio da linearidade e superposição: Cálculo da hidrógrafa unitária para chuva com duração T horas (hidrógrafas unitárias para durações diferentes também são diferentes): A partir de dados de uma cheia com duração de chuva T horas: a) Separa-se o escoamento superficial. b) Determina-se o volume de escoamento superficial, que é igual ao volume de chuva efetiva. c) Calcula-se a altura de chuva efetiva, dividindo o volume pela área da bacia. d) Obtêm-se a hidrógrafa unitária de duração T horas, pela divisão das ordenadas da hidrógrafa de escoamento superficial pela altura efetiva. O método da hidrógrafa unitária é recomendado para bacias de pequeno e médio porte que possuem extenso período de registro de precipitações e curto período de dados de vazões. Faz-se estudo probabilístico dos dados de chuva, e as chuvas de projeto são aplicadas à hidrógrafa unitária, possibilitando a previsão de vazões. Previsão de vazões a partir de hidrógrafa unitária: a) Cálculo da chuva efetiva. b) Multiplicação da altura pelas ordenadas da hidrógrafa unitária, obtendo-se as ordenadas de escoamento superficial. c) Soma das ordenadas de escoamento superficial com ordenadas de escoamento subterrâneo, obtendo-se as ordenadas de escoamento total. Em caso de chuvas seguidas, com duração T horas cada, aplica-se separadamente a hidrógrafa unitária de duração T horas e superpõem-se as hidrógrafas de escoamento superficial resultantes. Os métodos da Curva-S (hidrógrafa unitária para chuva com duração infinita) e da hidrógrafa unitária instantânea (hidrógrafa unitária para chuva com duração tendendo a zero), servem para transformar hidrógrafas unitárias de uma duração de chuva para outras durações. Mendonça (1977) analisou e programou dez métodos de cálculo de hidrógrafa unitária, Mendonça e Campos (1989) adaptaram estes métodos em "software" em linguagem BASIC. Hidrógrafas unitárias sintéticas São aquelas cujas ordenadas são obtidas a partir de características físicas da bacia, com finalidade de utilização em bacias onde não existam registros de vazões. Vários métodos foram propostos por hidrólogos para este fim. Entre eles, os mais utilizados são os de Snyder e o do U.S. Soil Conservation Service. Snyder estabeleceu as seguintes expressões para a hidrógrafa unitária com altura de chuva unitária 1 inch (2,54 cm). tp = Ct (L.Lc)0,3 tp = tempo de retardamento da bacia (horas) = tempo entre o centróide da chuva e o centróide do escoamento superficial. Ct = coeficiente que varia entre 1,8 e 2,2 (para as bacias dos montes Apalaches). PAGE 3 L = comprimento do rio principal. Lc = distância do ponto do rio principal mais próximo do centróide da bacia até a saída da mesma. tr = tp / 5,5 tr = duração da chuva, em horas qp = 640 Cp A / tp qp = vazão máxima da hidrógrafa unitária (ft3/s). A = área da bacia em milhas quadradas. Cp = varia entre 0,56 e 0,69. T = 3 + 3 tp / 24 T = tempo base do escoamento superficial (dias). VI.7. Previsão de cheias e determinação de enchente de projeto VI.7.1. Definições Cheias ou enchentes são fenômenos de ocorrência de vazões relativamente grandes e que, normalmente, causam inundações. A inundação caracteriza-se pelo extravasamento do canal. Sempre que uma importante obra de engenharia está para ser construída sobre um rio ou em sua vizinhança, deve ser planejada e projetada levando em conta os danos que poderão ser causados em caso de falha. Dessa forma, a fixação de uma cheia para projeto (cheia de projeto) é necessária e de grande importância. Não pode ser adotado um valor muito baixo nem um valor muito alto. Um valor muito alto pode tornar a obra muito cara, necessitando um investimento desnecessário, pois este valor pode nunca ocorrer durante a vida útil da obra. Por outro lado, um valor muito baixo pode ocorrer durante a vida útil e causar a destruição da obra construída, causando mais prejuízos do que se não existisse a referida obra. VI.7.2. Estimativa da cheia de projeto Nenhum método existe para prever exatamente chuvas máximas e vazões máximas. Estas só podem ser estimadas levando em conta o risco de ocorrências de maior vazão que pode ser aceito. Várias são as metodologias disponíveis para esta estimativa. a) Uso de fórmulas empíricas Diversas são as fórmulas empíricas para previsão de enchentes, correlacionando vazões máximas com características da bacia como, por exemplo, temos: Fórmula de Creager F 0A E Q = 1,3 K (A / 2,59)0,936 A Q = Vazão máxima; K = coeficiente; A = área drenada, em km2. Fórmula de Drager F 0A E Q = 196 Q = vazão máxima; PAGE 3 A = área da bacia, em km2; L = comprimento da bacia, em km. Fórmula de Kresnik F 0A E Q = a Q = vazão máxima; a = área de drenagem em km2; Coeficiente entre 0,03 e 1,61. Outras fórmulas empíricas correlacionam vazão máxima com características físicas da bacia, precipitação e escoamento superficial. Entre elas a mais utilizada é a fórmula do método racional, já mostrada e analisada anteriormente. b) Uso do método da hidrógrafa unitária Já analisado anteriormente. É o método mais recomendável para bacias de pequeno e médio porte com curto período de registro de vazões. A descarga de projeto é obtida pela aplicação de chuva crítica do hidrograma unitário calculado a partir das cheias registradas no passado. c) Uso de métodos estatísticos Nesses métodos as previsões de futuras cheias são baseadas nos registros de cheias passadas. Esses métodos são usados para determinação do período de uma cheia máxima, caso se tenha dados suficientes. VI.7.3. Período de retorno de uma descarga É o tempo médio, em anos, que uma chuva leva para ser igualada ou superada (vazão). No estabelecimento do período de retorno para a vazão de projeto devem ser considerados os seguintes fatores: - Vida útil da obra; - Tipo de estrutura; - Facilidade de reparação; - Perigo de perdas de vida. Como exemplos de valores de período de retorno comumente adotados temos: - Galerias de águas pluviais: 5 a 20 anos; - Pequena barragem de concreto para abastecimento d'água: 50 a 100 anos; - Grandes barragens para aproveitamento hidroelétrico: 10.000 anos. Outra forma de escolha de período de retorno da cheia de projeto é a fixação do risco que se deseja correr, no caso da obra falhar dentro do seu tempo de vida. VI.7.4. Obtenção da relação entre o risco, vida útil e período de retorno Probabilidade de ocorrer a maior enchente no período de retorno T F 0A E P = 1 / T Probabilidade de não ocorrência F 0A E p = 1 - P Probabilidade de não ocorrência em "n" anos (eventos independentes): J = pn Probabilidade de ocorrência em "n" anos (risco previsível): k = 1 - pn PAGE 3 VI.8. Manipulação de dados de vazão Com finalidade de melhor visualizar o regime de um curso d'água, destacar suas características ou estudar a regularização do curso por reservatórios, faz-se necessária a manipulação de registros de dados. Entre as formas de manipulação temos: - Traçado de hidrogramas; - Traçado de curva de permanência; - Traçados de diagrama de frequência. Diagramas de frequência São obtidos dividindo o intervalo entre a vazão mínima e a vazão máxima, em intervalos menores com igual amplitude, contando o número de ocorrências de vazões em cada intervalo e traçando-se o diagrama de frequência x vazões. Curvas de duração ou permanência São obtidas pela acumulação das frequências simples, a partir das mais altas para as mais baixas e marcando-se nas abscissas as vazões e nas ordenadas as frequências acumuladas. As frequências, tanto nos diagramas de frequência quanto na curva de duração, podem ser utilizadas em percentagem. Curvas ou diagramas de massa ou de Rippl Podem ser definidas como uma integral do fluviograma. É um diagrama que representa os volumes acumulados que chegam a uma seção do rio em função do tempo. Os diagramas são largamente utilizados nos estudos de regularização de rios com o uso de reservatórios. Descargas características São descargas que dão noção sobre o regime do curso d'água: - Descarga máxima; - Descarga média; - Descarga mínima. Vazão 25% - vazão acima da qual o rio permanece 25% do período estudado (ex. 25% de 1 ano = 91 dias). Vazão 50% - idem, para 50% (ex. 50 % de 1 ano = 182 dias). Vazão 75% - idem, para 75% (ex. 75 % de 1 ano = 273 dias). PAGE 3 VII. RESERVATÓRIOS E BACIAS HIDRÁULICAS VII.1 Conceitos/Finalidades Para sua sobrevivência, os aglomerados urbanos, as indústrias e as atividades agrícolas, utilizam as águas superficiais dos cursos d’água naturais. Nem sempre o deflúvio de água durante todo o ano é suficiente para suprir a demanda necessária a sobrevivência humana e animal, nem aos interesses econômicos. Muitas vezes é preciso a reservação de água para atender esta demanda. Neste âmbito, estão os reservatórios de estiagem, que buscam regularizar as vazões do rio, acumulando os deflúvios das enchentes, ou parte delas e retirando para consumo essa água acumulada somada às vazões próprias do rio, nas ocasiões de estiagem. Os reservatórios de estiagem não exercem ação modificadora sobre os regimes de enchentes. Os reservatórios também são utilizados para atenuar cheias, especialmente em locais onde há constância de inundações. Esses reservatórios modificam os regimes de enchentes dos rios, retendo os deflúvios de cheias em sua bacia e liberando as vazões efluentes, gradativa e adequadamente, de forma a reduzir ou eliminar efeitos inconvenientes de inundação que as vazões naturais, afluentes às cabeceiras do reservatório, poderiam provocar a jusante dele. São também chamados de reservatórios de acumulação ou regularização. As circunstâncias freqüentemente conduzem à criação de reservatórios de múltiplas finalidades, nas quais são regularizadas as vazões de forma a garantir uma vazão mínima que seja a soma das necessidades de diversas formas de consumo. Neste texto será tratado com ênfase maior, apenas o reservatório de estiagem que, daqui para diante será assim designado ou simplesmente pelo termo "reservatório". Para criação dos reservatórios barram-se os cursos d’água, obrigando-se a elevação do nível d’água a montante da barragem, e provocando a inundação do vale do rio. A área inundada constitui a bacia hidráulica do reservatório e corresponde à parte mais baixa da bacia hidrográfica, alcançando uma certa extensão da barragem para montante. A figura a seguir exemplifica o estudo a ser feito em um curso d’água, a fim de verificar sua capacidade de atendimento às vazões de demanda necessárias. Supondo a vazão de consumo constante, "Qc", inferior a vazão mínima natural do rio, não há dificuldade no atendimento e o rio poderá ser captado "ao fio d’água", isto é, sem qualquer regularização de vazão. Se a vazão de consumo for igual a "Qc", superior à vazão média do rio, não é possível o atendimento pois, no tempo total considerado, o deflúvio produzido pelo rio seria inferior ao deflúvio de consumo. Nessa situação será necessário lançar mão de outros mananciais para complementar o consumo. Se a vazão de consumo for igual a "Qc", superior à vazão mínima do rio e inferior à média, é possível, em princípio, ser atendido o consumo, regularizando-se as vazões de estiagem por meio de um reservatório. VIII.2 Finalidade das barragens As barragens são estruturas implantadas nas calhas dos rios e que modificam o seu regime, algumas apenas no que se refere aos níveis d’água, “barragens regularizadoras de níveis d’água”, outras alteram o regime de níveis d’água e vazões, são as “barragens regularizadoras de vazões”. As barragens regularizadoras de níveis d’água correspondem aos aproveitamentos "ao fio d’água" e destinam-se apenas a elevar os níveis d’água de estiagem e afogar convenientemente as estruturas de captação das vazões de consumo. PAGE 3 Uma segunda modalidade de barragens, aquelas que interessam a este estudo, e que serão consideradas exclusivamente daqui para diante, são as barragens regularizadoras do regime de vazões dos rios. Essas barragens têm maior altura do que as anteriores e acumulam em sua bacia hidráulica os volumes de água que vão suprir as deficiências das vazões de estiagem dos rios, criando os reservatórios de estiagem. VIII.3 Tipos construtivos de barragens As barragens podem ser de diversos tipos classificando-se, quanto aos materiais e tipo de construção, em: - barragens de terra; - barragens de concreto; - barragens de peso; - barragens de contrafortes; - barragens de arco ou abóbada; - barragens de enrocamento. Barragens de terra As barragens de terra são construídas em maciços de materiais terrosos, relativamente impermeáveis, homogêneos (barragens homogêneas) ou distribuídos em zonas (barragens zoneadas) ou faixas de granulometria e características definidas, com taludes suaves que garantem a sua estabilidade. a) Barragem homogênea b) Barragem de terra zoneada Barragens de peso ou por gravidade As barragens de peso (força gravitacional) têm seção transversal robusta de forma que seu peso, compondo-se com as forças de pressão hidrostática à montante, dê uma resultante que não promova o tombamento ou o escorregamento do maciço de concreto. A resultante de suas forças é transmitida, através de sua base, ao solo do leito do rio sobre o qual se apóia. Barragem de contra forte As barragens de contrafortes são constituídas por estruturas suportes, contrafortes de concreto armado, que transmitem ao terreno as resultantes dos esforços de pressão recebidos pelas estruturas de vedação, compostas por placas delgadas de concreto. Barragem de arco ou abóboda As barragens de arco ou abóbada de concreto são, em geral, implantadas em gargantas estreitas e altas, e nelas os esforços de pressão hidrostática transmite-se, principalmente, aos encontros laterais, no terreno e ao fundo do rio. Estas barragens têm seção transversal esbelta. Barragens de enrocamento PAGE 3
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