HIDROLOGIA APLICADA. Professor: ALCEU GOMES DE ANDRADE FILHO

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1 HIDROLOGIA APLICADA Professor: ALCEU GOMES DE ANDRADE FILHO 2009

2 RESUMO DO PROGRAMA Ciclo Hidrológico; Bacia Hidrográfica; Precipitação; Infiltração; Evaporação e transpiração;

3 RESUMO DO PROGRAMA Escoamento superficial; Medições de vazão; Previsão de enchentes; Hidrograma unitário; Regularização de vazões; Propagação de enchentes.

4 BIBLIOGRAFIA BÁSICA FENDRICH, Roberto Chuvas Intensas para Obras de Drenagem no Estado do Paraná, Editora Champagnat, Curitiba, 1998, 99 p. PINTO, Nelson Luiz de Souza et al, Hidrologia Básica Editora Edgard Blücher, 1986, São Paulo. VILLELA, Swami Marcondes e MATTOS, Arthur Hidrologia Aplicada, Editora McGraw Hill do Brasil, São Paulo, 245 p.

5 BIBLIOGRAFIA BÁSICA TUCCI, Carlos E.M. Hidrologia: Ciência e Aplicação Editora da Universidade ABRH EDUSP, TUCCI, Carlos E.M., PORTO, Rubem La Laina e BARROS, Mário T.de Drenagem Urbana ABRH / Editora UFRGS, Porto Alegre, 1995.

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7 BALANÇO HÍDRICO Equação geral: I O = S I Inflow (entradas d água); O Outflow (saídas d água); S Variação de armazenamento no volume de controle (VC).

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9 Exemplo: AQÜÍFEROS I = Percolação + Escoamento subterrâneo (solo) (rios e lagos) O = Ascensão capilar + Escoamento subterrâneo (solo) (rios, lagos e oceanos)

10 Classificação dos Cursos d Água PERENES sempre apresentam escoamento INTERMITENTES escoam durante a estação das chuvas, secam na estiagem EFÊMEROS só transportam escoamento superficial

11 Bacia Hidrográfica: Caracterização A (km²) S Q

12 Coeficiente de Deflúvio C Volume escoado Volume precipitado

13 Fatores Físicos Importantes Coeficiente de Compacidade; Coeficiente de Forma; Ordem dos Cursos d água(horton); Densidade de Drenagem; Análise de Declividades; Representação Hipsométrica; Conceito de Tempo de Concentração.

14 EXEMPLO

15 Curva Típica de Distribuição de Declividade

16 Curva Hipsométrica

17 Tempo de Concentração - Conceito tc intervalo de tempo contado a partir do início da precipitação para que toda a bacia passe a contribuir na seção em estudo.

18 Tempo de Concentração - Fatores Forma da bacia hidrográfica Declividade do curso d água Rugosidade do terreno Outros

19 Tempo de Concentração t c V L L comprimento do talvegue (m) V velocidade média de percurso (m/s) tc tempo de concentração (s)

20 PRECIPITAÇÃO Regime hidrológico depende das características físicas da região, geologia, topografia e clima (precipitação, evaporação, temperatura, umidade e vento).

21 Precipitações Ciclônicas Associadas com o movimento das massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão (SISTEMAS FRONTAIS OU NÃO FRONTAIS).

22 Precipitações Orográficas Decorrentes de ascensão mecânica de correntes de ar úmido sobre barreiras naturais (serras, cadeias de montanhas, etc.)

23 Precipitações Convectivas Típicas de regiões tropicais, são de grande intensidade e curta duração concentradas em pequenas áreas.

24 1,50 Medidor Pluviômetro

25 Postos de Observação NOME DA ESTAÇÃO: LATITUDE: LONGITUDE: ALTITUDE: MUNICÍPIO: PREFIXO: INSTALAÇÃO: ENTIDADE: TÍTULO: Alturas diárias de chuva (mm)

26 REGISTROS ANO: DIA JAN FEV MAR ABR MAI Total mensal... Máxima diária... Dias de chuva... Total anual...

27 Medidor Pluviógrafo em lugar da proveta possui reservatório com bóia conectada a sensor de nível para transmissão do registro a gráfico próprio e/ou base de coleta a distância (telemetria).

28 Medidor Radar

29 Funcionamento do Radar

30 SIMEPAR - RADAR

31 Apoio de Satélite O INPE disponibiliza as imagens dos satélites Landsat-1, Landsat-2, Landsat-3 e CBERS2 (Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres).

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33 REDES DE OBSERVAÇÃO (1) Registros diários compostos por postos pluviométricos (2) Registros contínuos compostos por postos pluviográficos, e, também radares

34 DENSIDADE DA REDE Dp = (ÁREA DA BACIA / TOTAL DE POSTOS) EXEMPLO: (1) Radar (2km x 2km) Dp = 4 km2/posto) (2) Rio Iguaçu Dp = 180 (km2/posto) (3) Rio Amazonas Dp = (km2/posto) (4) Rio Tocantins Dp = 3460 (km2/posto) (5) Rio Paraná Dp = 390 (km2/posto) (6) Rio Tibagi Dp = 170 (km2/posto)

35 DENSIDADE DA REDE (7) Rio São Francisco Dp = 490 km2/posto (8) Rio Uruguai Dp = 570 km2/posto (9) Rio Ivaí Dp =242Km2/Posto (10) Rio Piquiri Dp =225km2/Posto (11) Média França Dp = 175 km2/posto (12) Chile / Argentina Dp = 750 km2/posto (13) Venezuela Dp = 660 km2/posto OBS: na Amazônia atualmente tem o projeto SIVAM(Sistema de Vigilância da Amazônia)

36 PROJETO SIVAM INPE - ANEEL

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39 Estações Cajupiranga e Manacapuru - Projeto SIVAM

40 Estações Cruzeiro do Sul e Fazenda Itaguaçu - Projeto SIVAM

41 Estações Foz do Breu e Bacabal Projeto SIVAM

42 Precipitação Média Método de Thiessen A P a A P c A P b P d A S

43 Precipitação Média Método de Thiessen P M n i 1 n i 1 p i A A i i pi precipitação no posto i Ai área de influência do posto i Método aplicável a Bacias Hidrográficas cujo tempo de concentração tc 1 dia, e, situada em região homogênea.

44 Período de Retorno T 1 f Tempo médio em anos para que um evento deva ser igualado ou superado pelo menos uma vez T =... (anos)

45 (P-P méd ) Ajuste por Regressão Linear a Log T r

46 Ajuste por Regressão Linear y = ax + b sendo: y = (P Pméd) x = log Tr

47 ESTUDO DE RISCO Seja P f P probabilidade de ocorrência de um evento determinado f freqüência obtida do estudo da série histórica (amostra) Seja P probabilidade de não ocorrência Então: P = (1 f) no corrente ano

48 ESTUDO DE RISCO em dois anos: P = P P em três anos: P = P P P.. em n anos: P = P ^n P = (1 f)^n OBS: Trata-se de distribuição tipo binomial

49 RISCO Risco seria a probabilidade complementar, para um período de n anos. A vida útil da obra por exemplo. R = 1 P = 1 (1 f)^n Sendo Nu = vida útil de uma obra hidráulica em anos, o Risco seria: R = 1 (1 f)^nu

50 TABELA: Tr X RISCO X VIDA ÚTIL

51 CHUVAS INTENSAS (t 2 h) % Precipitado % Duração

52 Intensidade X Duração X Freqüência i K T m (t t ) n 0 to, K, m, n parâmetros a determinar t duração da chuva T período de retorno

53 INFILTRAÇÃO A capacidade de infiltração de um solo depende das características de arranjo das partículas desse solo, coesão e permeabilidade, sendo variável de acordo com o tempo de infiltração e os fatores: Umidade do solo Permeabilidade do solo Temperatura do solo Profundidade do extrato impermeável

54 Curva Típica de Infiltração f (mm/min) t (horas)

55 EQUAÇÃO DE HORTON f = fc + (fo fc) e^( k t) f = capacidade atual de infiltração (mm/h) fc = capacidade final de infiltração (mm/h) fo = capacidade inicial de infiltração (mm/h) k = coeficiente de proporcionalidade t = intervalo de tempo decorrido a partir do início da recarga (h).

56 A h Escoamento em Meio Saturado Experimento de DARCY NA L.P. Q L

57 Escoamento em Meio Saturado Equação de Darcy h Q k A L k coeficiente de permeabilidade h rebaixamento na L.P. L distância

58 Aplicações da Eq. de Darcy Contribuições laterais VALA Planejamento de obras de drenagem subterrânea de rodovias, campos esportivos, rebaixamento do lençol freático...

59 h Aplicações da Eq. de Darcy Solo (superfície) Zona não saturada Sentido de escoamento NA H 1 r1 Zona saturada H 2 Plano de referência r R Q k(2 rh) h r

60 Depleção dos Aqüíferos A curva de depleção serve para caracterizar o escoamento denominado escoamento base, nos cursos d água durante os períodos de estiagem. A variação de vazão no tempo em um aqüífero é proporcional à sua vazão inicial do período de depleção Q t a. Q

61 EVAPORAÇÃO Processo pelo qual a água passa do estado liquido para o estado de vapor Temperatura de superfície - altas temperaturas mais moléculas são ativadas Temperatura e umidade condicionam a pressão de vapor afetando o gradiente de vapor (concentração) O vento modifica a camada de ar vizinho a superfície, substituindo camadas saturadas por outras de menor teor d água, alterando a condição de difusão molecular para difusão turbulenta

62 EVAPORAÇÃO OUTRAS INFLUÊNCIAS Pressão atmosférica à superfície evaporante Dimensão da superfície evaporante Estado da área vizinha Salinidade da água Umidade do solo Composição e textura do solo Revestimento do solo

63 Evaporação - Definições Evaporação Potencial - perda d água de uma superfície líquida exposta livremente as condições ambientais Transpiração - perda d água decorrentes das ações físicas e fisiológicas dos vegetais. Evapotranspiração - ação de evaporação do solo somada à transpiração das plantas

64 Evaporação Tanque Classe A 5cm 25,4cm 121,9cm

65 Tanque Classe A U S WEATHER BUREAU Mais utilizado no Brasil Determina-se a taxa de evaporação a partir do abaixamento do nível d água no evaporímetro Aplica-se coeficiente de correção variando de 0,52 a 0,82. É usual adotar-se o valor = 0,70 Normalmente são efetuados registros diários de evaporação em boletins Também podem ser utilizados aparelhos registradores contínuos denominados evaporígrafos. (Sistemas telemétricos)

66 cm 5 Evapotranspiração Medidor Thornthwaite 60cm Cultura Tanque Cilíndrico Solo Areia grossa Cascalho L = 5-10m Tubulação de drenagem (PVC-100) Q Medidor de percolação

67 Evapotranspiração P I D E A P Precipitação pluviométrica (litros) I Irrigação artificial da cultura no período (litros) D Drenagem medida no período (percolação) (litros) A Área do tanque (m2)

68 Evapotranspiração - Observações Alguns tipos de cultura poderão exigir tanques maiores A irrigação artificial deve ser utilizada nos períodos de ausência de precipitação (6 a 8l/dia) e solo desnudo (2 a 3 l/dia)

69 ESCOAMENTO SUPERFICIAL É a fase do ciclo hidrológico que trata da ocorrência e transporte de água na superfície terrestre FATORES INTERVENIENTES CLIMÁTICOS Intensidade e duração das precipitações; Condições antecedentes; Freqüência de precipitações. FISIOGRÁFICOS Área da bacia; Forma; Permeabilidade; Capacidade de infiltração; Topografia; Existência de obras hidráulicas na bacia (barragens, retificações, etc...)

70 REPRESENTAÇÃO DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL HIDROGRAMAS 3 Q (m /s) t (dias)

71 COMPOSIÇÃO DO ESCOAMENTO SUPERFICIAL QSUPERFICIAL = QBÁSICO + QDIRETO QBÁSICO Escoamento alimentado pelo lençol freático (subterrâneo) QDIRETO Escoamento alimentado pelos processos de precipitação sobre a bacia hidrográfica

72 ESCOAMENTO SUPERFICIAL SEPARAÇÃO 3 Q (m /s) N Q MÁX1 Q MÁX2 VAZÃO DE PICO ESCOAMENTO DIRETO N VAZÃO DE PICO ESCOAMENTO BÁSICO t (dias)

73 Medições do Escoamento Superficial B A vau diretamente no rio com uso de haste própria Com barco rios de maior porte e profundidade

74 Distribuição de Velocidades Para h 1,0m V V 0,2 2 V 0,8

75 Equipamento Utilizado Para h < 1,0m V V 0,6 MOLINETE Fixado por haste ou cabo SENTIDO DO FLUXO

76 Estações Fluviométricas Régua linimétrica RN

77 PLANILHA DE MEDIÇÃO

78 Cálculo de Vazão Verticais de medição V1 V2 V3 V4 V5 A1 A5 A2 A3 A4 Q n i 1 V i A i

79 CURVA CHAVE h Q Q = a (h ho)^n