APOSTILA PARA ATIVIDADE DE CAMPO Medição de Vazão

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1 APOSTILA PARA ATIVIDADE DE CAMPO Medição de Vazão Objetivo: conhecer processos de medição de vazão e saber calcular uma vazão pelo método de medição com flutuadores e Molinete. 1 Introdução Fluviometria: É o setor da hidrologia que trata das técnicas de medição de água, velocidade e vazão nos rios. Por que Medir vazões? Para criar séries históricas que são extremamente úteis para diversos estudos e projetos de Engenharia, basicamente para responder a perguntas típicas como : o onde há água, o quanto há de água ao longo do tempo e o quais são os riscos de falhas de abastecimento de uma determinada vazão em um ponto de um curso d água. No planejamento e gerenciamento do uso dos recursos hídricos, o conhecimento das vazões é necessário para se fazer um balanço de disponibilidades e demandas ao longo do tempo..1. Flutuadores: Utilizado para medir vazões de enchentes, quando o método do molinete torna-se impreciso e demorado. Estabelece duas seções de montante e jusante, distantes duas a três vezes a largura do rio. Da seção de lançamento, geralmente sobre uma ponte, lançam os flutuadores (corpos flutuantes de madeira, cortiça, isopor,etc.) Quando estes cruzam a seção de montante já adquiriram a velocidade de escoamento do rio, sendo marcado no cronômetro o tempo e quando cruzam a seção de jusante registra-se novamente o tempo. Repetir o procedimento pelo menos 3 vezes para obtenção de uma média mais confiável. Com o comprimento entre as duas seções e a T calcula-se a velocidade Média Superficial, que, multiplicada pela área da seção (ver no próximo tópico cálculo da área da seção!), resulta na vazão superficial.

2 2. Molinete São aparelhos dotados basicamente de uma hélice e um conta-giros, medindo a velocidade do fluxo d água que passa por ele (figura 8). Assim, quando posicionado em diversos pontos da seção do rio determinam o perfil de velocidades desta seção. Com tal perfil e a geometria da seção, determina-se a vazão como se verá adiante. O princípio de funcionamento é o seguinte: o mede-se o tempo necessário para que a hélice do aparelho dê um certo número de rotações. o O conta-giros envia um sinal ao operador a cada 5, 10 ou qualquer outro número de voltas realizadas. o Marca-se o tempo entre alguns sinais e determina-se o número de rotações por segundo (n). o O equipamento possui uma curva calibrada do tipo V = na + b (onde a e b são características do aparelho), que fornece a velocidade V a partir da freqüência n da hélice. O molinete pode ser utilizado de diversas formas. Caso o molinete não seja fixo numa haste, deve-se prendê-lo a um lastro (peso entre 10 e 100 kg) para que fique aproximadamente na vertical. Este lastro tem a forma parecida com a de um peixe, com mostra a figura.

3 De acordo com Normas do DNAEE (1970), complementadas pela ANEEL (1999) as medições devem obedecer ao critério da tabela abaixo. É costume nos serviços hidrométricos ser adotado o método dos três pontos, 20%, 60% e 80%, ou somente dois pontos, 20% e 80%. Em condições de profundidade baixa somente o ponto a 60%. Medição da velocidade da corrente em vertical do curso d água (no caso de medição com uso de lastro) Profundidade (m) Posição do molinete 0,15 a 0,60 0,6.P 0,60 a 1,20 0,2.P e 0,8.P 1,20 a 2,00 0,2.P; 0,6.P e 0,8.P 2,00 a 4,00 S; 0,2.P; 0,4.P; 0,6.P e 0,8.P Acima de 4,00 S; 0,2.P; 0,4.P; 0,6.P; 0,8.P e F A posição S, superfície, corresponde à profundidade 0,10m e a posição F, fundo, corresponde aquela determinada pelo comprimento da haste de sustentação do lastro (ANEEL, 1999)

4 Medição de vazão com molinete a vau Este método é aplicado a medições com nível d água não superior a 1,20 m e velocidade compatível com a segurança do operador. Consiste em prender o molinete numa haste, sempre tomando o cuidado de mantê-lo a uma distância mínima do leito (aproximadamente 20 cm) 2.3 Cálculo de uma vazão a partir de uma medição Alguns dos métodos descritos anteriormente fornecem diretamente a vazão numa determinada seção do rio. Outros, como molinete e o ultrassônico, fornecem o perfil de velocidades da seção. Nestes casos, precisamos ainda da geometria da seção para calcular a vazão que passa por ela. A descarga líquida ou vazão de um rio é definida como sendo o volume de água que atravessa uma determinada seção num certo intervalo de tempo. Ou ainda, pode ser expressa como: onde: -Q: vazão em m 3 /s; -V: velocidade do escoamento; -S: área da seção; Figura 14 Perfil de Velocidades fornecido pelo Método Ultrassônico ou por Molinete Como a seção do rio é irregular e as medições de velocidades são feitas em alguns pontos representativos, a vazão total é calculada como sendo a soma de parcelas de vazão de faixas verticais. Para se calcular a vazão de tais parcelas utiliza-se a velocidade média no perfil e sua área de influência.

5 2.3.1 Determinação da velocidade média no perfil Normalmente, utiliza-se quatro processos principais: 1º. Pontos múltiplos; 3º. Um ponto; 2º. Dois pontos; 4º. Integração; O primeiro consiste em realizar uma medida no fundo (0,15 m a 0,20 m do leito), uma na superfície (0,10 m de profundidade) e, entre esses dois extremos, vários pontos que permitam um bom traçado da curva de velocidades em função da profundidade. Calculando-se a área desse diagrama de vetores velocidade e dividindo-a pela profundidade, tem-se a velocidade média na vertical considerada. Figura 16 Velocidade média na vertical considerada. O segundo processo baseia-se na constatação experimental de que a velocidade média numa vertical aproxima-se com boa precisão da média aritmética entre a velocidade medida a 0,2 e 0,8 da profundidade. Figura 17 Velocidade média na vertical considerada - Medição a 0,2 e 0,8 da profundidade. O terceiro método é quando a profundidade é pequena (menos de um metro), o método anterior não se aplica, pois a medição a 0,8 da profundidade fica muito próxima ao leito, havendo contato do contrapeso com o fundo do rio. Nestes casos utiliza-se o processo do ponto único, onde se aproxima a velocidade média pela medida a 0,6 da profundidade (contada a partir da superfície). E o quarto método, o processo de integração, consiste em deslocar o aparelho na vertical com velocidade constante e anotarem-se, além da profundidade total, o número de rotações e o tempo para chegar à superfície. Tem-se assim diretamente a velocidade média. Adotado para grandes vazões. Medida da área da seção e determinação da área de influência o A profundidade numa vertical é medida através do próprio elemento sustentador do molinete, seja ele uma haste graduada (a partir do fundo) ou cabo (a partir da superfície da água). Isto é feito ao se levantar o perfil de velocidades naquela vertical, tocando o leito com o peixe ou com a haste. o Em rios muito profundos e/ou com altas velocidades de escoamento onde a medição com cabos e lastros torna-se inaplicável, pode-se utilizar recursos como a batimetria e os sonares. o A distância horizontal entre as margens pode ser determinada através de cabo graduado ou trenas. o As verticais onde se levantam os perfis de velocidades não devem ser muito próximas (custo adicional sem ganho considerável de informações), assim como

6 também não devem ser muito distantes (perda da representatividade do modelo). A tabela abaixo sugere espaçamentos entre tais verticais: Tabela1 Espaçamento das medições Como já foi dito, a área de influência multiplicada pela para uma boa representatividade do velocidade média do escoamento na mesma resulta a perfil vazão neste elemento. (Fonte: Anuário Fluviométrico n. 2 Ministério da Agricultura -DNPM 1941) A área de influência de Ai de um determinado perfil de velocidades Vi é formada pela soma de duas áreas trapezoidais, como indica a figura acima.

7 Exemplo 1 Com a folha de medição de descargas fornecida, calcular a vazão do rio sabendo-se que cada contagem de rotações do molinete foi feita em 50 segundos (N =numero de rotações registradas no medidor de pulso / tempo). A curva de calibração do aparelho segue abaixo: V = 0,2465 * n + 0,013 para n 0,69; V = 0,2595 * n + 0,004 para n > 0,69 Tabela Dados do levantamento de campo Distância ao Profundidade N - Rotações do eixo do molinete (2 medições Vertical em cada ponto) ponto inicial vertical 0.2 h 0.8 h Como o procedimento se repete, mostraremos apenas o cálculo da vazão na área de influência da vertical nº 16. Obviamente o mesmo deveria ser feito para todas as verticais compreendidas entre 2 e 16, sendo a vazão total do rio igual à soma destas parcelas. As verticais de número 1 e 17 estão posicionadas nas margens do rio.

8 A velocidade média do perfil desta vertical pode ser calculada pelo método dos dois pontos, lembrando-se que a tabela fornece o número de rotações do eixo do molinete que deve ser convertido em velocidade. Determinando-se a freqüência de rotação do eixo (n) com base no tempo de exposição do molinete (50s) e utilizando a curva de calibração, obtemos a velocidade. V = 0,2595 * n + 0,004 para n > 0,69 Vertical Rotações n (r.p.s.) Vh (m/s) 16 r.p.s = rotação por segundo Para se obter a vazão do rio, soma-se as vazões de todas as parcelas contribuintes. 0.2 h 35 35/50 = 0, (>0.69) h 39 39/50 = 0, (>0.69) Requisitos para uma boa medição com Molinete 1º. Número de verticais adequados; 2º. Evitar correntes inclinadas; 3º. Rapidez para evitar variação no NA.; 4º. Evitar vibração do molinete; 5º. Evitar que o cabo do molinete fique inclinado. Tabela Planilha de cálculo da vazão Vertical n1 n2 V1 (m/s) V2 (m/s) Área de Influência (m 2) Velocidade média (m/s) 2 0,22 0,22 0,067 0,067 2,759 0,067 0, ,62 0,36 0,166 0,102 1,879 0,134 0, ,70 0,74 0,186 0,196 1,602 0,191 0, ,80 0,82 0,212 0,217 2,280 0,214 0, ,08 0,68 0,284 0,181 2,996 0,232 0, ,10 0,92 0,289 0,243 2,588 0,266 0, ,16 0,72 0,305 0,191 2,553 0,248 0, ,18 0,78 0,310 0,206 2,408 0,258 0, ,26 0,88 0,331 0,232 2,286 0,282 0, ,34 0,84 0,352 0,222 2,149 0,287 0, ,34 1,00 0,352 0,264 2,018 0,308 0, ,30 0,80 0,341 0,212 1,985 0,276 0, ,30 0,86 0,341 0,227 1,899 0,284 0, ,30 1,14 0,341 0,300 1,569 0,321 0, ,70 0,78 0,186 0,206 1,674 0,196 0,328 Vazão Total (m 3 /s) 7,671 Qi (m 3/s)

9 Obs: Equação do molinete: TABELAS PARA USO EM CAMPO V (m/s) = 0, , x N (rps) para N 0,7698 V (m/s) = - 0, , x N (rps) para N 0,7699 Q (m 3 /s) = V x A Tabela Dados do levantamento de campo Distância ao Profundidade N - Rotações do eixo do molinete (2 medições Vertical em cada ponto) ponto inicial vertical 0.2 h 0.8 h

10 Tabela Planilha de cálculo da vazão Vertical n1 n2 V1 (m/s) V2 (m/s) Área de Influência (m 2 ) Velocidade média (m/s) Qi (m 3 /s) Vazão Total (m 3 /s)