Pontifícia Universidade Católica de Goiás Engenharia Civil. Precipitações. Professora: Mayara Moraes

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1 Pontifícia Universidade Católica de Goiás Engenharia Civil Precipitações Professora: Mayara Moraes

2 Água da atmosfera que atinge a superfície na forma de chuva, granizo, neve, orvalho, neblina ou geada é denominada precipitação. Brasil: A chuva é a forma mais importante de precipitação. Embora grandes prejuízos possam advir da ocorrência de precipitação na forma de granizo e em alguns locais possa eventualmente ocorrer neve.

3 A precipitação é a única forma de entrada de água em uma bacia hidrográfica. Fornece subsídios para os vários usos da água. Seu conhecimento é fundamental para o adequado dimensionamento de obras hidráulicas. Obs.: A chuva é a causa mais importante dos processos hidrológicos de interesse da engenharia, e é caracterizada por uma grande aleatoriedade espacial e temporal.

4 A quantidade de vapor que o ar pode conter é limitada. Quantidades de vapor superiores a este limite acabam condensando. A concentração de saturação do vapor aumenta com o aumento da temperatura do ar. O ar quente pode conter mais vapor do que o ar frio. O ar atmosférico apresenta um forte gradiente de temperatura. Temperatura relativamente alta junto à superfície e temperatura baixa em grandes altitudes. O processo de formação da chuva está associado ao movimento ascendente de uma massa de ar úmido.

5 À medida em que a massa de ar sobe, a sua temperatura vai diminuindo até que o vapor do ar começa a condensar. Isto ocorre porque a quantidade de vapor de água que o ar pode conter é maior para o ar quente do que para o ar frio. Com a condensação, pequenas gotas começam a se formar, permanecendo suspensas no ar por fortes correntes ascendentes e pela turbulência. Em certas condições, as gotas crescem, atingindo tamanho e peso para vencer as correntes ascendentes. A água das nuvens se precipita em forma de chuva.

6 À medida em que a massa de ar sobe, a sua temperatura vai diminuindo até que o vapor do ar começa a condensar. Isto ocorre porque a quantidade de vapor de água que o ar pode conter é maior para o ar quente do que para o ar frio. Com a condensação, pequenas gotas começam a se formar, permanecendo suspensas no ar por fortes correntes ascendentes e pela turbulência. Tamanho das gotas Em certas condições, as gotas crescem, nuvem: atingindo 0,02 mm tamanho e peso para vencer as correntes ascendentes. chuva: 0,5 a 2 mm A água das nuvens se precipita em forma de chuva.

7 A formação das nuvens de chuva está, em geral, associada ao movimento ascendente de massas de ar úmido. A causa da ascensão do ar úmido é considerada para diferenciar os principais tipos de chuva: Frontais Convectivas Orográficas.

8 Encontro de duas grandes massas de ar, de diferente temperatura e umidade. Na frente de contato entre as duas massas, o ar mais quente (mais leve e, normalmente, mais úmido) é empurrado para cima, onde atinge temperaturas mais baixas, resultando na condensação do vapor.

9 As massas de ar que formam as chuvas frontais têm centenas de quilômetros de extensão e movimentam-se de forma relativamente lenta. Caracterizam-se pela longa duração e por atingirem grandes extensões. Geralmente, a intensidade é baixa. Em alguns casos, as frentes podem ficar estacionárias, e a chuva pode atingir o mesmo local por vários dias seguidos. No Brasil, as chuvas frontais são muito freqüentes na região Sul, atingindo também as regiões Sudeste, Centro Oeste e, por vezes, o Nordeste.

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11 Ocorrem em regiões em que um grande obstáculo do relevo, como uma cordilheira ou uma serra muito alta, impede a passagem de ventos quentes e úmidos, que sopram do mar, obrigando-os ar a subir. Em maiores altitudes, a umidade do ar se condensa, formando nuvens junto aos picos da serra, onde chove com muita freqüência. Geralmente, na região após o obstáculo, ocorrem secas intensas. As chuvas orográficas ocorrem em muitas regiões do Mundo, e no Brasil são especialmente importantes ao longo da Serra do Mar.

12 SOTAVENTO BARLAVENTO

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14 Aquecimento de massas pequenas de ar em contato direto com a superfície quente dos continentes e oceanos. O aquecimento do ar resulta na sua subida para níveis mais altos da atmosfera, onde as baixas temperaturas condensam o vapor, formando nuvens. Chuvas caracterizadas pela alta intensidade e pela curta duração, concentradas sobre áreas relativamente pequenas. Problemas de inundação em áreas urbanas estão, muitas vezes, relacionados às chuvas convectivas. No Brasil há uma predominância de chuvas convectivas, especialmente nas regiões tropicais.

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17 Pluviômetros. Pluviógrafos. Radares meteorológicos. Estimativas a partir de imagens de satélites.

18 Pluviômetros: Recipientes para coletar a água precipitada com dimensões padronizadas. O mais utilizado tem forma cilíndrica com área de captação da chuva de 400 cm², de modo que um volume de 40ml de água acumulado no pluviômetro corresponda a 1 mm de chuva. O pluviômetro é instalado a uma altura padrão de 1,50 m do solo e a uma certa distância de casas, árvores e outros obstáculos que podem interferir na quantidade de chuva captada.

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20 Pluviógrafos: Pluviômetros adaptados para realizar medições de forma automática, registrando os dados medidos em intervalos de tempo inferiores a um dia. Originalmente: Mecânicos (balança para pesar a água e papel para registrar o total precipitado). Atualmente: Eletrônicos com memória (data-logger). Mais usado: Sistema de cubas basculantes. Permitem analisar detalhadamente os eventos de chuva e sua variação ao longo do dia. Pode ser acoplado a um sistema de transmissão de dados via rádio ou telefone celular.

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23 Radares meteorológicos: Baseada na emissão de pulsos de radiação eletromagnética que são refletidos pelas partículas de chuva na atmosfera, e na medição da intensidade do sinal refletido. A relação entre a intensidade do sinal enviado e recebido, denominada refletividade, é correlacionada à intensidade de chuva que está caindo em uma região. Principal vantagem: Possibilidade de fazer estimativas de taxas de precipitação em uma grande região no entorno da antena emissora e receptora (embora existam erros consideráveis quando as estimativas são comparadas com dados de pluviógrafos).

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26 Estimativas a partir de imagens obtidas por sensores instalados em satélites: A temperatura do topo das nuvens, que pode ser estimada a partir de satélites, tem uma boa correlação com a precipitação. Técnicas em processo de aprimoramento.

27 Variáveis características das chuvas: Altura (lâmina precipitada), Intensidade, Duração, Freqüência.

28 Duração: Período de tempo durante o qual a chuva cai. Normalmente é medida em minutos ou horas. Altura: Espessura média da lâmina de água que cobriria a região atingida se esta região fosse plana e impermeável. A unidade de medição da altura de chuva é o milímetro de chuva. Um milímetro de chuva corresponde a 1 litro de água distribuído em um metro quadrado. Intensidade: Altura precipitada dividida pela duração da chuva. Expressa, normalmente, em mm/hora.

29 Freqüência: Quantidade de ocorrências de eventos iguais ou superiores ao evento de chuva considerado. Chuvas muito intensas tem freqüência baixa, isto é, ocorrem raramente. Chuvas pouco intensas são mais comuns. Tabela: Análise de freqüência de ocorrência de chuvas diárias de diferentes intensidades ao longo de um período de 23 anos em uma estação pluviométrica no interior do Paraná.

30 Observa-se: - Ocorreram 5597 dias sem chuva (P = zero) no período total de 8279 dias em 67% dos dias do período, não ocorreu chuva. - Em pouco mais de 17% dos dias do período, ocorreram chuvas com intensidade baixa (menos do que 10 mm). - À medida em que aumenta a intensidade da chuva, diminui a freqüência de ocorrência.

31 A variável utilizada na hidrologia para avaliar eventos extremos, como chuvas muito intensas. Estimativa do tempo em que um evento é igualado ou superado, em média. Ex.: Uma chuva com intensidade equivalente ao tempo de retorno de 20 anos é igualada ou superada somente uma vez a cada dez anos, em média. O TR pode também ser definido como o inverso da probabilidade de ocorrência de um determinado evento em um ano qualquer. Ex.: Se o TR de uma chuva é de 20 anos, a probabilidade de acontecer um dia com chuva igual ou superior em um ano qualquer é de 5% ( 1 20 ).

32 A chuva caracteriza-se por uma grande variabilidade espacial. Pluviômetros e pluviógrafos: medições executadas em áreas muito restritas (400 cm²), quase pontuais. Durante um evento de chuva, um pluviômetro pode ter registrado 60 mm de chuva enquanto um outro pluviômetro, a pouca distância registrou apenas 40 mm para o mesmo evento.

33 Representação: Isoietas. Obtidas por interpolação dos dados de pluviômetros ou pluviógrafos. Podem ser traçadas de forma manual ou automática. Figura: Mapa de isoietas de chuva média anual do Estado de São Paulo, com base em dados de 1943 a 1988.

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35 Observa-se: - A chuva média anual sobre a maior parte do Estado é da ordem de 1300 a 1500 mm por ano. - Há uma região próxima ao litoral com chuvas anuais de mais de 3000 mm por ano. - As regiões onde as isoietas ficam muito próximas entre si é caracterizada por uma grande variabilidade espacial.

36 Época de ocorrência das chuvas um dos aspectos mais importantes do clima e da hidrologia de uma região Regiões com grande variabilidade sazonal da chuva (estações do ano muito secas ou muito úmidas). Na maior parte do Brasil, o verão é o período das maiores chuvas. No Rio Grande do Sul, a chuva é relativamente bem distribuída ao longo de todo o ano (em média). A variabilidade sazonal da chuva é representada por gráficos com a chuva média mensal.

37 Cuiabá

38 Porto Alegre Observa-se: - No Sul do Brasil, a distribuição Porto de Alegre chuvas é mais homogênea ao longo do ano - No Centro-Oeste, ocorrem verões muito úmidos e invernos muito secos.

39 Maior interesse na hidrologia: Chuvas médias que atingem uma região, como a bacia hidrográfica (e não chuvas pontuais). Cálculo da chuva média em uma bacia: Método da média aritmética; Método das Isoietas; Método dos polígonos de Thiessen Interpolação em Sistemas de Informação Geográfica (SIGs).

40 Método mais simples de cálculo Média das chuvas ocorridas em todos os pluviômetros localizados no interior de uma bacia. Exemplo: P m= =50mm. 4

41 Média ponderada da precipitação com base nas áreas de influência de cada posto. Sequência de passos: Traçar linhas que unem os postos pluviométricos mais próximos entre si. Determinar o ponto médio em cada uma destas linhas e, a partir desse ponto, traçar uma linha perpendicular. A interceptação das linhas médias entre si e com os limites da bacia definem a área de influência de cada um dos postos. A chuva média é uma média ponderada utilizando as áreas de influência como ponderador.

42 50mm 120mm 70mm 75mm 82mm

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46 Exemplo: Área total = 100 km2 Área sob influência do posto com 120 mm = 15 km² Área sob influência do posto com 70 mm = 40 km² Área sob influência do posto com 50 mm = 30 km² Área sob influência do posto com 75 mm = 5 km² Área sob influência do posto com 82 mm = 10 km² P m = 120 0, , , , ,10 = 73mm. Se fosse utilizado o método da média aritmética, haveriam apenas dois postos no interior da bacia, com uma média de 60 mm.

47 O método das isoietas parte de um mapa de isoietas, já existente ou elaborado para determinado estudo, e calcula a área da bacia que corresponde ao intervalo entre as isoietas. Por exemplo, considera-se que a área entre as isoietas de 1200 e 1210 mm receba 1205 mm de chuva. Em todo o resto ele é semelhante ao método de Thiessen.

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52 A bacia é dividida células quadradas. Realiza-se uma estimativa de chuva para cada uma das células por um método de interpolação espacial: A chuva em um ponto é representada pela média ponderada das chuvas registradas em pluviômetros da região. A ponderação é feita de forma que os postos pluviométricos mais próximos sejam considerados com um peso maior no cálculo da média. A média dos valores de precipitação de todas as células corresponde à chuva média na bacia.

53 Causas mais comuns de erros grosseiros: Preenchimento errado do valor na caderneta de campo; Soma errada do número de provetas, quando a precipitação é alta; Valor estimado pelo observador, por não se encontrar no local no dia da amostragem; Crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima ao posto de observação; Danificação do aparelho; Problemas mecânicos no registrador gráfico. Processos empregados na consistência dos dados.

54 Falha na leitura ou no arquivamento de dados pluviométricos Falta de informação para alguns períodos. Em alguns casos é possível fazer o preenchimento destas falhas, utilizando dados de postos pluviométricos da vizinhança. Método da Ponderação Regional; Método da Regressão Linear. Este tipo de preenchimento não substitui os dados originais, e somente pode ser aplicado para dados em intervalo de tempo mensal ou anual.

55 Posto Y com falhas a serem preenchidas. Pelo menos três postos da vizinhança que possuam no mínimo dez anos de dados (X1, X2 e X3). PY = precipitação do posto Y a ser estimada; PX1, PX2 e PX3 = precipitações correspondentes ao mês (ou ano) que se deseja preencher nos outros três postos; PMy = precipitação média do posto Y; PMX1 a PMX3 são as precipitações médias nas três estações vizinhas.

56 Para o ajuste da regressão linear simples, correlaciona-se o posto com falhas (Y) com outro vizinho (X). A correlação produz uma equação, cujos parâmetros podem ser estimados graficamente, através da plotagem cartesiana dos pares de valores (X, Y), traçando-se a reta que melhor representa os pares de pontos. Uma vez definida a equação semelhante à apresentada abaixo, as falhas podem ser preenchidas.

57 Exemplo:

58 Com base na equação determinada pelo gráfico, os valores de chuva dos meses de Abril e Maio no posto P1 seriam 108,7 e 112,1 mm, respectivamente.

59 O total de chuva precipitado ao longo de um ano influencia fortemente a vegetação existente numa bacia e as atividades humanas que podem ser exercidas na região. Exemplos: Porto Alegre Aproximadamente 1300 mm/ano; Regiões da Amazônia Mais que 2000 mm/ano; Semi-Árido do Nordeste Menos de 600 mm/ano.

60 Exemplo: Chuva anual média = 1433 mm. Desvio padrão da chuva anual = 298,8 mm.

61 Clima inconstante: Variações importantes em torno da média da precipitação anual. Frequência de chuvas anuais: Distribuição Normal. M M = Média σ = Desvio Padrão 68% dos dados estão entre M-σ e M+σ. 95% dos dados estão entre M-2σ e M+2σ.

62 Estimar qual o valor de precipitação anual que é igualado ou superado apenas 5 vezes a cada 200 anos, em média. 5 vezes a cada 200 anos: TR = 40 anos. Probabilidade de ocorrência em um ano qualquer: 1 40 = 0,025 = 2,5%.

63 Pela distribuição normal, sabe-se que a faixa de chuva entre a média menos duas vezes o desvio padrão e a média mais duas vezes o desvio padrão inclui 95% dos anos em média 2,5 % dos anos tem precipitação inferior à média menos duas vezes o desvio padrão; 2,5% tem precipitação superior à média mais duas vezes o desvio padrão, o que corresponde a 5 anos a cada 200, em média. Assim, a chuva anual que é superada ou igualada apenas 5 vezes a cada 200 anos é: P 2,5% = ,8 = 2030mm.

64 Chuvas intensas: Causas das grandes cheias Inundações; Destruição de propriedades, obras e plantações, Interrupção do tráfego; Disseminação de doenças de veiculação hídrica. Grande interesse pelo conhecimento detalhado de chuvas máximas no projeto de estruturas hidráulicas como bueiros, pontes, canais e vertedores.

65 Variáveis: Intensidade Duração Frequência. Precipitação P que atinge uma área A em uma duração D com uma dada probabilidade de ocorrência em um ano qualquer (Tempo de Retorno).

66 Obtida a partir da análise estatística de séries longas de dados de um pluviógrafo (mais de 15 anos) Metodologia de desenvolvimento da curva IDF: Seleção das maiores chuvas de uma duração D escolhida (por exemplo 15 minutos) em cada ano da série de dados. Com base nesta série de tamanho N (número de anos) é ajustada uma distribuição de freqüências que melhor represente a distribuição dos valores observados. O procedimento é repetido para diferentes durações de chuva (5 minutos; 10 minutos; 1 hora; 12 horas; 24 horas; 2 dias; 5 dias) e os resultados são resumidos na forma de um gráfico, relacionando as três variáveis.

67 Intensidade Máxima (mm/h) PORTO ALEGRE Ex.: A chuva de 1 hora de duração com tempo de retorno de 20 anos tem uma intensidade de 60 mm/hora. Duração da chuva (minutos)

68 Exemplos de usos da curva IDF: Qual é a precipitação máxima de 1 hora de duração em Porto Alegre com 1% de probabilidade de ser excedida em um ano qualquer? Em termos práticos, para a utilização de uma IDF é necessário informar o TR de projeto e a duração da chuva. A duração da chuva adotada, normalmente, é igual ao tempo de concentração da bacia hidrográfica para a qual será desenvolvido o estudo. O TR a ser utilizado é um critério relacionado com o tipo de obra de engenharia.

69 Microdrenagem urbana: 2 a 5 anos Drenagem urbana: 5 a 25 anos Pontes e bueiros Com pouco trânsito: 10 a 100 anos Com muito trânsito: 100 a 1000 anos Grandes obras hidráulicas: anos

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