Escoamento em rios com inundação dos leitos de cheia

Transcrição

1 Escoamento em rios com inundação dos leitos de cheia João Nuno Fernandes Bolseiro de doutoramento Núcleo de Recursos Hídricos e Estruturas Hidráulicas Departamento de Hidráulica e Ambiente Lisboa, 23 de Março de 2012

2 ORGANIZAÇÃO DA APRESENTAÇÃO Introdução Enquadramento Caracterização experimental Simulação do escoamento Conclusões

3 INTRODUÇÃO Leito principal sem capacidade de vazão para escoar o caudal afluente Transbordamento do leito principal e a inundação dos leitos de cheia Canal de secção composta interação entre os escoamentos dos leitos principal e de cheias Bow River (Canadá) Cheia de 2005

4 INTRODUÇÃO Leito principal sem capacidade de vazão para escoar o caudal afluente Transbordamento do leito principal e a inundação dos leitos de cheia Canal de secção composta interação entre os escoamentos dos leitos principal e de cheias Dificuldade em estimar níveis de cheia Bow River (Canadá) Cheia de 2005

5 Bow River (Canadá) Cheia de 2005 INTRODUÇÃO

6 INTRODUÇÃO Vórtices de eixo vertical Camada de mistura Tensões de arrastamento Correntes secundárias Bow River (Canadá) Cheia de 2005

7 ENQUADRAMENTO Experiência do LNEC em estudos de cheias e inundações Diretiva europeia avaliação e gestão dos riscos de inundações (fluviais) Interesse e atualidade científica Melhoria dos métodos de medição caracterização experimental Tese de doutoramento em curso (IST/UTL)

8 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Ensaios em 2 canais Trapezoidal simétrico Retangular assimétrico (cm) (cm) Pavilhão de hidráulica fluvial (LNEC) Fundo de cimento alisado Declive: 1,1 x 10-3 m/m Comprimento: 10 m INSA (Lyon) Fundo de PVC Declive: 1,8 x 10-3 m/m Comprimento: 8 m

9 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Ensaios no canal do LNEC Trapezoidal simétrico (cm) Pavilhão de hidráulica fluvial (LNEC) Fundo de cimento alisado Declive: 1,1 x 10-3 m/m Comprimento: 10 m

10 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento

11 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento Altura relativa h = r h h lc lp h lc h lp

12 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento Altura relativa h = r h h lc lp h r =0.15 h lc h lp

13 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento Altura relativa h = r h h lc lp h r =0.15 h lc h r =0.20 h lp

14 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento Altura relativa h = r h h lc lp h r =0.15 h lc h r =0.20 h lp h r =0.30

15 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento h r =0.15 z x τ xy = ρu'v' h r =0.20 y h r =0.30

16 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da altura de escoamento h r =0.15 h r =0.20 h r =0.30

17 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da rugosidade do leito de cheias

18 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Estudo da influência da rugosidade do leito de cheias Fundo liso h r =0.15 Fundo rugoso h r =0.15 Velocidade Velocidade Tensões de Reynolds Tensões de Reynolds

19 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Influência da vegetação das margens do leito principal

20 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Influência da vegetação das margens do leito principal Water depth (m) Fundo rugoso com vegetação Fundo rugoso Fundo liso Smooth floodplains Rough floodplains With vegetation Discharge (l/s)

21 CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL Influência da vegetação das margens do leito principal Presença das árvores (e.g. h r =0.2) Water depth (m) Fundo rugoso com vegetação Fundo rugoso Fundo liso Smooth floodplains Rough floodplains With vegetation Discharge (l/s) A ltura, Altura z (m) (m ) Altura, z (m) Distância transversal, y(m) Distância transversal, y (m) X7500 centro; HR02RA; RU Distância transversal, y (m)

22 Vórtices de eixo vertical Simulação do escoamento Camada de mistura Single Channel Method Q = K R 2 3 A S Tensões de arrastamento Correntes secundárias Divided Channel Method (e.g. Hec-Ras) = Qi = 2 1 Q KiR 3 2 i Ai S0 i i

23 Simulação do escoamento Tentativa de incluir na modelação do escoamento 1D a resistência ao escoamento provocada pela interacção entre os leitos principal e de cheias Métodos com diferentes divisões dos leitos: Weighted divided channel method WDCM, Lambert and Myers (1998) Métodos empíricos de correcção da capacidade de vazão de cada leito: Coherence method COHM, Ackers (1993) Debord method DM, Nicollet and Uan (1979) Métodos com a inclusão das tensões tangenciais aparentes na interface: Exchange discharge method EDM, Bousmar and Zech (1999) Interacting divided channel method IDCM, Huthoff et al. (2008) Apperent shear force method ASFM, Moreta and Martin-Vide (2010)

24 Simulação do escoamento Single channel method (SCM) Q = K R 2 3 A S Divided channel method (DCM) = Qi = 2 1 Q KiR 3 2 i Ai S0 i i Coherence method (COHM) Q COH = Q MCU MDC Debord method (DM) Weighted divided channel method (WDCM) Exchange discharge method (EDM) τ a ( U ) 2 1 = ψρ Ulp 2 lc Interacting divided channel method (IDCM) Apparent shear force method (ASFM) 1 τ a = γρ 2 1 τ a = ρc ( Ulp Ulc ) ( U U ) 2 fa lp lc

25 Simulação do escoamento Aplicação dos métodos a um total de 610 ensaios em canais de secção composta: Reference B fp (m) B mc (m) s mc (-) S fp (-) S 0 (-) h r (-) N Symmetric geometry and smooth floodplains Sellin (1964) Knight and Demetriou (1983) Myers (1984) James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T Wormleaton and Merret (1990) s1, s2, s Knight and Shiono (1996) s Knight and Shiono (1996) s Knight and Shiono (1996) s Atabay (2001) Symmetric geometry and rough floodplains James and Brown (1977) T Wormleaton et al. (1982) Noutsopoulos and Hadjipanos (1983) Prinos e Townsend (1984) Knight and Hamed (1984) Wormleaton and Merret (1990) s Hu, Gi and Guo (2010) Tang Asymmetric geometry and smooth floodplains Myers (1978) Atabay (2001) Bousmar (2002) Proust (2005) Asymmetric geometry and rough floodplains James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T Rajaratnam and Ahamadi (1981)

26 Simulação do escoamento Aplicação dos métodos a um total de 610 ensaios em canais de secção composta: Reference B fp (m) B mc (m) s mc (-) S fp (-) S 0 (-) h r (-) N Symmetric geometry and smooth floodplains Sellin (1964) Knight and Demetriou (1983) Myers (1984) James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T Wormleaton and Merret (1990) s1, s2, s Knight and Shiono (1996) s Knight and Shiono (1996) s Knight and Shiono (1996) s Atabay (2001) Symmetric geometry and rough floodplains James and Brown (1977) T Wormleaton et al. (1982) Noutsopoulos and Hadjipanos (1983) Prinos e Townsend (1984) Knight and Hamed (1984) Wormleaton and Merret (1990) s Hu, Gi and Guo (2010) Tang Asymmetric geometry and smooth floodplains Myers (1978) Atabay (2001) Bousmar (2002) Proust (2005) Asymmetric geometry and rough floodplains James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T James and Brown (1977) T Rajaratnam and Ahamadi (1981)

27 Simulação do escoamento Simétricos e leitos de cheia lisos Simétricos e leitos de cheia rugosos Assimétricos e leitos de cheia lisos Assimétricos e leitos de cheia rugosos

28 Simulação do escoamento Simétricos e leitos de cheia lisos Simétricos e leitos de cheia rugosos Divisão do canal Divisão do canal Canal único Canal único Assimétricos e leitos de cheia lisos Assimétricos e leitos de cheia rugosos Divisão do canal Divisão do canal Canal único Canal único

29 Resultados: Simulação do escoamento calculado medido ( ) 100 Q Q Error(%)= medido Q +10% -10% Canal único Divisão do canal

30 Conclusões A interação entre os escoamentos dos leitos principal e de cheias deve ser tida em conta Maior importância para alturas de escoamento pequenas e com leitos de cheia rugosos Necessidade de incluir esses efeitos na estimativa da capacidade de vazão