HIDROLOGIA Prof. Antover Panazzolo Sarmento

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS REGIONAL CATALÃO ENGENHARIA CIVIL - HIDROLOGIA HIDROLOGIA Prof. Antover Panazzolo Sarmento

2 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS REGIONAL CATALÃO ENGENHARIA CIVIL - HIDROLOGIA PRECIPITAÇÃO Prof. Antover Panazzolo Sarmento

3 DEFINIÇÃO E CONCEITOS Precipitação é toda água proveniente do meio atmosférico. Chuva, granizo, orvalho, geada, neve. 3

4 DEFINIÇÃO E CONCEITOS Granizo necessário cumulonimbus até 25 km de altura 4

5 DEFINIÇÃO E CONCEITOS ORVALHO É um fenômeno físico no qual a umidade do ar precipita por condensação na forma de gotas, pela diminuição da temperatura ou em contato com superfícies frias 5

6 DEFINIÇÃO E CONCEITOS GEADA É a formação de uma camada de cristais de gelo na superfície ou na folhagem exposta devido à queda de temperatura. 6

7 DEFINIÇÃO E CONCEITOS Neve 7

8 DEFINIÇÃO E CONCEITOS O estudo da precipitação em uma bacia é fator determinante para verificar a necessidade de irrigação, a capacidade de abastecimento doméstico e industrial, a capacidade de diluição/concentração de poluentes, controle de inundações, erosão do solo, dimensionamento de obras hidráulicas. A precipitação é geralmente caracterizada pelo total, duração e distribuição temporal. 8

9 DEFINIÇÃO E CONCEITOS A precipitação e a evaporação são fatores climáticos indispensáveis para o estudo do regime hidrológico de uma região; Para um melhor entendimento é importante conhecer outros fenômenos meteorológicos que as influenciam, tais como, a posição da região em relação à circulação geral da atmosfera, a ocorrência de umidade e a distribuição da temperatura e do vento na atmosfera. 9

10 FATORES CLIMÁTICOS ATMOSFERA Outros gases 0,97% Oxigênio 20,95% Nitrogênio 78,08% Constituída por uma mistura complexa de gases que varia em função do tempo, da situação geográfica, da altitude e das estações do ano. 10

11 FATORES CLIMÁTICOS FATORES CLIMÁTICOS O ar natural é constituído por três partes: ar seco mistura mecânica de gases permanentes (nitrogênio e oxigênio); vapor d água levado ao ar devido à evaporação dos oceanos, rios, lagos, solos e plantas (pode variar de 0 e 4%); partículas sólidas em suspensão (aerossóis) - provenientes de solo, sais de origem orgânica e inorgânica etc. Essas partículas podem contribuir para a condensação do vapor e consequentemente a formação de nuvens. 11

12 FATORES CLIMÁTICOS FATORES CLIMÁTICOS Formação da precipitação - mecanismo de resfriamento do ar: (ascensão do ar úmido - umidade atmosférica: (devido à evapotranspiração); - presença de núcleos higroscópios; - mecanismo de crescimento das gotas: coalescência: processo de crescimento devido ao choque de gotas pequenas originando outra maior; difusão de vapor: condensação do vapor d água sobre a superfície de uma gota pequena. 12

13 FATORES CLIMÁTICOS UMIDADE ATMOSFÉRICA A fração de vapor d água na atmosfera é muito pequena comparada com as quantidades de outros gases presentes, mas ele é excessivamente importante e é o grande responsável pelas condições de tempo reinantes. Os principais índices de umidade utilizados são a pressão parcial do vapor, a umidade absoluta, a umidade específica, a razão de mistura, a umidade relativa e a temperatura do ponto de orvalho. Espaço Saturado quando a máxima quantidade de vapor d água para uma determinada temperatura está contida em um dado espaço. Pressão de Saturação do Vapor é a pressão exercida pelo vapor em um espaço saturado. 13

14 FATORES CLIMÁTICOS UMIDADE ATMOSFÉRICA 14

15 FATORES CLIMÁTICOS UMIDADE ATMOSFÉRICA Umidade Relativa (h) definida como a relação percentual entre a quantidade de umidade em um dado espaço e a quantidade que esse volume poderia conter se estivesse saturado, ou ainda, razão percentual entre a pressão de vapor real e a pressão de saturação do vapor. v h =100 = 100 s Umidade Específica (q) é a razão entre a massa de vapor d água e a massa de ar úmido. q = v m e e s 15

16 FATORES CLIMÁTICOS UMIDADE ATMOSFÉRICA Temperatura de ponto de orvalho é a temperatura na qual o ar úmido mantendo a mesma pressão se satura. 16

17 FATORES CLIMÁTICOS TEMPERATURA Distribuição Geográfica da Temperatura A Temperatura tende a ser máxima nas baixas latitudes e decresce na direção dos polos. Essa tendência é bastante distorcida pela influência da distribuição de terras e mares, da topografia e da vegetação. Variação da Temperatura com o Tempo A variação diária da temperatura é produzida pela flutuação diária da radiação solar incidente. Temperatura máxima por volta de 2 (inverno) a 4 (verão) horas após o meio dia e mínimas antes do nascer do sol. 17

18 TIPOS DE PRECIPITAÇÃO Frontais: associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão. Ocorrem ao longo da linha de descontinuidade que separa duas massas de ar de características diferentes e caracterizam-se como chuvas de intensidade baixa a moderada, de longa duração e que abrangem grandes áreas. 18

19 TIPOS DE PRECIPITAÇÃO Orográficas: resultam da ascensão mecânica de correntes horizontais de ar úmido sobre barreiras naturais impostas pelo relevo, tais como montanhas. 19

20 TIPOS DE PRECIPITAÇÕES Convectivas: típicas das regiões tropicais. O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aquecimento de camadas de ar com densidades diferentes, o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável. Se esse equilíbrio por qualquer motivo, vier a ser quebrado, provoca uma ascensão brusca e violenta do ar menos denso, capaz de atingir grandes altitudes. Essas precipitações são de grande intensidade e pequena duração, caracterizadas por fenômenos elétricos e fortes rajadas de ventos, abrangendo pequenas áreas. 20

21 TIPOS DE PRECIPITAÇÕES Do ponto de vista de engenharia: PRECIPITAÇÃO FRONTAL E OROGRÁFICA - são importantes em projetos de grandes bacias (obras hidrelétricas, navegação...) PRECIPITAÇÃO CONVECTIVA - interessa às obras em pequenas bacias, como dimensionamento de bueiros e galerias de águas pluviais. 21

22 Grandezas características Altura pluviométrica, h (mm) É a altura de água precipitada. Trata-se, portanto, de uma medida pontual representativa da água precipitada por unidade de área horizontal. Duração Período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação (h ou min). Intensidade da precipitação É a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação, expressa em geral em mm/h ou mm/min. Frequência Estimativa da probabilidade Número de ocorrências pelo número de observações 22

23 Grandezas características Chuva Duração Intensidade Orográfica Média Média Frontal Longa Baixa Moderada Convectiva Curta Alta 23

24 MEDIDA DAS PRECIPITAÇÕES Exprime-se a quantidade de chuva pela altura de água precipitada e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável. Ela é avaliada por meio de medidas executadas em postos previamente escolhidos, ditos pluviométricos, utilizando-se de aparelho chamado pluviômetro ou pluviógrafo, conforme sejam simples receptáculos (provetas) de água precipitada em intervalos de tempo conhecidos ou registrem essas alturas ao longo do tempo. 24

25 MEDIDA DAS PRECIPITAÇÕES Pluviômetro Existem várias marcas de pluviômetros em uso no Brasil. Os mais comuns são o Ville de Paris, com uma superfície receptora de 400 cm 2, e o Ville de Paris modificado, com uma área receptora de 500 cm 2. Uma lâmina de 1 mm corresponde a: ,1 = 40 cm 3 = 40 ml 25

26 Medida das precipitações PLUVIÓGRAFO Os pluviógrafos, cujos registros permitem o estudo da relação intensidade-duração-frequência, são muito importantes para projetos de galerias pluviais e de enchentes em pequenas bacias hidrográficas, possuem uma superfície receptora de 200 cm 2. O modelo mais usado no Brasil é o de sifão de fabricação Fuess. 26

27 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS A medida correta das alturas de precipitação está longe de ser simples, basicamente pelas seguintes razões: 27

28 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS A medida correta das alturas de precipitação está longe de ser simples, basicamente pelas seguintes razões: a) seja qual for o seu tipo, o pluviômetro cria uma perturbação aerodinâmica que modifica mais ou menos o campo das precipitações, originando, na sua vizinhança imediata, turbilhões que afetam a quantidade chuva e sobretudo a neve captada. 28

29 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS A medida correta das alturas de precipitação está longe de ser simples, basicamente pelas seguintes razões: a) seja qual for o seu tipo, o pluviômetro cria uma perturbação aerodinâmica que modifica mais ou menos o campo das precipitações, originando, na sua vizinhança imediata, turbilhões que afetam a quantidade chuva e sobretudo a neve captada. b) Há poucos locais ao mesmo tempo suficientemente abrigados para reduzir ao mínimo o efeito aerodinâmico acima referido e, entretanto, convenientemente desobstruídos para fornecer uma amostra típica válida da região, seja qual for a direção do vento e da perturbação pluviosa. 29

30 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS A medida correta das alturas de precipitação está longe de ser simples, basicamente pelas seguintes razões: a) seja qual for o seu tipo, o pluviômetro cria uma perturbação aerodinâmica que modifica mais ou menos o campo das precipitações, originando, na sua vizinhança imediata, turbilhões que afetam a quantidade chuva e sobretudo a neve captada. b) Há poucos locais ao mesmo tempo suficientemente abrigados para reduzir ao mínimo o efeito aerodinâmico acima referido e, entretanto, convenientemente desobstruídos para fornecer uma amostra típica válida da região, seja qual for a direção do vento e da perturbação pluviosa. c) uma medida de chuva não pode ser nunca repetida. 30

31 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS A medida correta das alturas de precipitação está longe de ser simples, basicamente pelas seguintes razões: a) seja qual for o seu tipo, o pluviômetro cria uma perturbação aerodinâmica que modifica mais ou menos o campo das precipitações, originando, na sua vizinhança imediata, turbilhões que afetam a quantidade chuva e sobretudo a neve captada. b) Há poucos locais ao mesmo tempo suficientemente abrigados para reduzir ao mínimo o efeito aerodinâmico acima referido e, entretanto, convenientemente desobstruídos para fornecer uma amostra típica válida da região, seja qual for a direção do vento e da perturbação pluviosa. c) uma medida de chuva não pode ser nunca repetida. d) a amostra revelada pelo pluviômetro é sempre extraordinariamente pequena em relação ao conjunto da chuva que nós supomos por ela determinada sobre uma zona sempre muito extensa; ela é tanto menos representativa quanto mais importante for a heterogeneidade espacial da chuva sobre a zona considerada. 31

32 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS Para se ter a melhor utilização dos pluviômetros é conveniente ter em conta os seguintes princípios gerais: 32

33 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS Para se ter a melhor utilização dos pluviômetros é conveniente ter em conta os seguintes princípios gerais: 1) a boca do pluviômetro deve ficar nivelada; na prática podemos estimar em 1% o erro produzido por cada grau de inclinação do pluviômetro sobre a horizontal, desde que ela não exceda 10º ; este erro é positivo quando a inclinação do plano de abertura está dirigida para o vento e negativo no caso contrário. 33

34 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS Para se ter a melhor utilização dos pluviômetros é conveniente ter em conta os seguintes princípios gerais: 1) a boca do pluviômetro deve ficar nivelada; na prática podemos estimar em 1% o erro produzido por cada grau de inclinação do pluviômetro sobre a horizontal, desde que ela não exceda 10º ; este erro é positivo quando a inclinação do plano de abertura está dirigida para o vento e negativo no caso contrário. 2) parece (há autores de opinião contrária) que os pluviômetros acusam uma altura de precipitação tanto maior quanto maior for a área de recepção de sua abertura. 34

35 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS Para se ter a melhor utilização dos pluviômetros é conveniente ter em conta os seguintes princípios gerais: 1) a boca do pluviômetro deve ficar nivelada; na prática podemos estimar em 1% o erro produzido por cada grau de inclinação do pluviômetro sobre a horizontal, desde que ela não exceda 10º ; este erro é positivo quando a inclinação do plano de abertura está dirigida para o vento e negativo no caso contrário. 2) parece (há autores de opinião contrária) que os pluviômetros acusam uma altura de precipitação tanto maior quanto maior for a área de recepção de sua abertura. 3) é a ação do vento, variável em sua velocidade e a situação mais ou menos exposta do pluviômetro, a principal causa de erro na medição das precipitações. O aumento de velocidade do ar e a formação de turbilhões na vizinhança imediata do aparelho tem por consequência um desvio local da trajetória das partículas da chuva que ocasiona um erro por defeito na altura da precipitações medidas. O erro é tanto maior quanto maior for a velocidade do vento e menor a velocidade de queda das gotas de água ou flocos de neve. 35

36 LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS LOCALIZAÇÃO DOS PLUVIÔMETROS Para reduzir o erro ao mínimo, os pluviômetros devem colocar-se em exposição abrigada, mas sem obstáculos. A altura normatizada deste aparelho é de 1,5 metros do solo. A situação ideal é a localização em uma área grande, plana e livre de árvores e edifícios que possam interceptar a precipitação. Além disso, para reduzir os efeitos do vento, deve-se instalar barreiras baixas, com envolventes cilíndricos ou tapumes, a uma distância do pluviômetro não inferior ao dobro da sua altura. Modernamente também se usam telas que envolvem a curta distância a superfície receptora, conseguindo muito aproximadamente realizar um pluviômetro aerodinamicamente neutro. A densidade ótima da rede pluviométrica depende, evidentemente da finalidade e da heterogeneidade das chuvas na região em estudo. Assim, em bacias planas, extensas mas homogêneas, uma rede pouco densa será satisfatória. Ao contrário, se o objetivo é estudar a influência de precipitações de curta duração numa região montanhosa, teremos de multiplicar a rede e utilizar vários aparelhos registradores. 36

37 REGISTRO DO PLUVIÓGRAFO 37

38 Ietograma ou hietograma Hietograma - relaciona intensidade média de precipitação com o tempo. Representando em abcissa os tempos, divididos em intervalos iguais ao período de observação pluviométrica 38

39 Período de Retorno Tempo de recorrência (Tr) - Número médio de anos durante o qual espera-se que a precipitação analisada seja igualada ou superada. Frequência de probabilidade - É a probabilidade de um fenômeno igual ou superior ao analisado se apresentar em um ano qualquer (probabilidade anual). Ex.: Tr = 2 anos Probabilidade = 1/Tr = 1/2 = 0,5 ou 50% Tr = 10 anos Probabilidade = 1/Tr = 1/10 = 0,1 ou 10% Uma precipitação com probabilidade de ocorrência de 1% (probabilidade = 0,01) espera-se que isso ocorra em um período de 100 anos. 39

40 Análise dos dados de Precipitação 1. Erros Grosseiros Observações em dias que não existem Quantidades absurdas Pluviógrafos Quantidade acumulada em 24 horas Comparação com o pluviômetro Possíveis causas: Defeito no aparelho Insetos 40

41 Análise dos dados de Precipitação 2. Preenchimento de Falhas Método da ponderação regional Selecionam-se dados de 3 postos mais próximos daquele em que ocorreu a falha, com características climáticas semelhantes e que possuam no mínimo 10 anos de dados. P x 1 M x M x M x = Pa + Pb + Pc 3 M a M b M c Px é o valor de chuva que se deseja determinar; Mx é a precipitação média anual do posto x; MA, MB e MC são, respectivamente, as precipitações médias anuais do postos vizinhos A, B e C; PA, PB e PC são, respectivamente, as precipitações observadas no instante que o posto x falhou. 41

42 Exemplo 1: Preencher a falta de dados ocorridos ano de 1963 no Posto X 42

43 M M M M P x 1386,1 = = 138,6mm Px =? ,2 = = 176,5mm Pa = 344,0mm ,6 = = 218,4mm Pb = 276,6mm ,3 = = 187,3mm Pc = 231,4mm 11 1 M x M x M x = Pa + Pb + Pc = 205,6mm 3 M M M x a b c a b c Obs.: O dado real para esse mês, pelo boletim foi de 215,3mm. 43

44 Análise dos dados de Precipitação 3. Homogeneidade dos dados (análise de consistência) 44

45 Análise dos dados de Precipitação Análise de Consistência Método de Duplas Massas A análise de dupla massa é o método utilizado para se verificar a homogeneidade dos dados, que pode ser comprometida caso ocorram anormalidades na estação pluviométrica, tais como mudança de local, das condições do aparelho etc. Esse método consiste em construir uma dupla acumulativa, na qual são relacionados os totais anuais de todos os pontos da região, considerada homogênea, sob o ponto de vista meteorológico. 45

46 Análise dos dados de Precipitação Análise de Consistência Método de Duplas Massas PROCEDIMENTO Calcula-se a média aritmética dos totais precipitados em cada ano em todos os pontos e acumula-se essa média. Grafam-se os valores acumulados da média dos pontos contra os totais acumulados de cada um deles. A escolha da maneira como os dados devem ser corrigidos, ou seja, os mais antigos para a condição atual ou os mais atuais para a condição antiga, depende das razões que promoveram a mudança de tendência (declividade). Assim, se os erros puderem ser atribuídos ao período mais recente, a correção deve ser efetuada para conservar a tendência antiga. 46

47 Análise dos dados de Precipitação Análise de Consistência Método de Duplas Massas Método das razões dos valores normais (Métodos das Médias Ponderadas). Os valores inconsistentes devem ser corrigidos de acordo com (Tucci, 1993) : P c = P a + M M a o P Pc - a precipitação acumulada ajustada à tendência desejada Pa - o valor da ordenada correspondente à interseção das retas das duas tendências Ma o coeficiente angular da tendência desejada M0 o coeficiente angular da tendência a corrigir P o = P o P a sendo P0 o valor acumulado a ser corrigido o 47

48 Análise dos dados de Precipitação Análise de Consistência Método de Duplas Massas Método das razões dos valores normais (Métodos das Médias Ponderadas). Os valores inconsistentes devem ser corrigidos de acordo com (Villela e Mattos, 1975) : P = a M M Pa observações ajustadas à condição atual de localização, exposição ou método de observação do posto Po dados observados a serem corrigidos. Ma o coeficiente angular da reta no período mais recente. M0 o coeficiente angular da reta no período em que fizeram observações Po a o P o 48

49 Método das razões dos valores normais (Métodos das Médias Ponderadas). 49

50 PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA 50

51 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 1. Método Aritmético h h- chuva média na bacia; hi - a altura pluviométrica registrada em cada posto; n - o número de postos na bacia hidrográfica. recomendado para bacias menores que km 2 postos pluviométricos uniformemente distribuídos área plana ou de relevo suave. geralmente é usado apenas para comparações somente postos internos da bacia hidrográfica n i= = 1 n h i 51

52 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen Considera a não-uniformidade da distribuição espacial dos postos. Não leva em conta o relevo da bacia. Fornece bons resultados em terrenos levemente acidentados, quando a localização e exposição dos pluviômetros são semelhantes e as distâncias entre eles não são muito grandes. 52

53 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen h n Ai. h i= = 1 A i 53

54 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen 54

55 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen 55

56 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen 56

57 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 2. Método de Thiessen 57

58 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 3. Método das Isoietas Isoietas são linhas indicativas de mesma altura pluviométrica. Podem ser consideradas como curvas de nível de chuva. h n Ai. h i= = 1 A i h - precipitação média na bacia (mm); hi - média aritmética das duas isoietas seguidas; Ai - área da bacia compreendida entre as duas respectivas isoietas (km 2 ); A - área total da bacia (km 2 ). 58

59 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA 3. Método das Isoietas h n Ai. h i= = 1 A i 59

60 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA Calcular a precipitação média para a bacia hidrográfica do Ribeirão Vermelho pelos métodos aritmético e de Thiessen. Considere 10 postos pluviométricos, instalados no seu interior. Os totais anuais de chuva dos referidos postos estão apresentados na Tabela. 60

61 CÁLCULO DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA EM UMA BACIA MÉTODO ARITMÉTICO h = P1 + P2 + P3+ P4 + P5+ P6 + P7 + P8 + P9 + P10 10 h = 703, , , , , , , , ,4 10 h = 779, 5mm 61

62 MÉTODO de Thiessen 62

63 MÉTODO de Thiessen 63

64 MÉTODO de Thiessen 64

65 65

66 66

67 67

68 68

69 Catalão 69

70 Catalão 70