COMPENSAÇÃO DAS VAZÕES MEDIDAS COM ADCP EM SEÇÕES COM FUNDO MÓVEL

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1 COMPENSAÇÃO DAS VAZÕES MEDIDAS COM ADCP EM SEÇÕES COM FUNDO MÓVEL Paulo Everardo Gamaro 1 Resumo: As medições de vazão acústicas doppler necessitam de uma referencia para medir o deslocamento do barco, uma vez que medem a velocidade da água em relação ao aparelho (velocidade relativa), e a velocidade do barco precisa ser subtraída para se obter a velocidade real da água. Normalmente se utiliza o assim chamado bottom tracking que é a técnica de emitir pulsos sonoros diferentes para detectar o fundo do rio, e assim obter a referencia necessária. Normalmente este método é muito preciso e eficaz, porem a locais em que o sedimento, ou areia carregada junto ao fundo é lido como se fosse o fundo, causam um erro no cálculo da velocidade do barco, logo na velocidade da água e finalmente da vazão. Há equipamentos que podem ser utilizados para o cálculo da velocidade do barco, são eles um (D)GPS que possua uma forma de corrigir o erro inserido no satélite, ou uma Ecosonda (Ecobatimetro), porém GPS em tempo real tem um alto custo, e alem de requerer um número maior de pessoas na equipe, no Brasil não são em todos os locais que se obtêm um sinal com a correção do erro. Ecobatímetros precisam ser compatíveis com o ADCP. O método aqui apresentado é uma forma simplificada de se obter uma compensação do erro inserido pelo fundo móvel em medições onde se verificou o erro posteriormente. Abstract: Acoustic Doppler measurements need a reference to measure the boat displacement, once the water velocity (relative water velocity) is measured related to the instrument, so we need to subtract boat velocity to obtain the true water velocity. Usually the bottom track which is the capacity of using a different pings to detect the bottom of the river and use it as the reference needed. This is a very reliable method unless in section with much sediment or sand being transported close to the bottom. In such situation an error is inserted in the boat velocity thus in the water velocity and discharge. We can use other means to calculate the boat velocity, with a DGPS or an Echo sounder. DGPS have a high cost, need more people in the measurement team and there are places in Brasil where the correction of the GPS signal is not available, Echo sounder need to be compatible to ADCPs to be used. This method is a simplify way to obtain the compensation of the error insert by the moving bottom in measurements that the error was verified later. Palavras Chave: Moving Bottom, fundo móvel, medições doppler 1 Itaipu Binacional, Rua do Contorno 113, fone ;fax ,pemg@itaipu.gov.br

2 INTRODUÇÃO Fundo Móvel Aparelhos de medição de vazão acústicos doppler em barcos são os mais eficientes métodos de se levantar as velocidades e vazão em uma seção de um rio, porem necessitam medir corretamente a velocidade e direção do barco, uma vez que sua medição é a velocidade relativa da água em relação ao aparelho, precisando portanto excluir a velocidade do barco do total medido. Para isto sua operação se processa com a emissão de pulsos acústicos distintos para medir o efeito doppler dos micro organismos na água e para medir o forte eco do leito do rio. Se este ultimo processa um efeito doppler dos sedimentos carregados junto ao leito como se fosse o leito, um erro é inserido na velocidade do barco, uma vez que a referencia para este deveria estar estática e não em movimento. Este erro acarreta uma diminuição no valor da vazão final. Outros métodos mais eficazes existem para corrigir este erro, porém requerem o uso de outros equipamentos e outros recursos, e não tem como corrigir medições já realizadas, não são o escopo deste estudo, e não serão discutidos aqui. Para se detectar fundo móvel a maneira mais eficaz é manter o barco imóvel no rio e verificar se a medição registra alguma velocidade para o barco (Fig. 1), isto quer dizer que a menos que se desconfie de que exista fundo móvel, poucas são os sinais dentro da medição que indique este fenômeno. Alguns indicadores de fundo móvel são: A largura (Lenght/Track) é muito diferente da distancia percorrida (Distance MG), diferenças grandes entre Q/A e flow speed, aumentos na velocidade do barco sem motivos aparentes (Fig. 2), e um mais difícil de se perceber uma leve curvatura para montante no ship track. (Fig. 3 e 3a). No caso a estação estudada é a de Iguatemi no rio de mesmo nome afluente do rio Paraná, este problema só foi descoberto por estarem as medições apresentando bads, verticais com erros, em grande quantidade mesmo depois de exaurir as diferentes modificações nas configurações para corrigi-los. Com a desconfiança de fundo móvel, realizamos o teste, e confirmamos o problema. A falta de um GPS ou uma ecosonda para acoplar no ADCP, que corrigiria o problema na época da medição, nos fez buscar um métodos para compensar a vazão perdida com a velocidade do fundo.

3 Figura 1 Gráfico de Deslocamento do Barco OBS: Na realidade o barco estava parado amarrado ao cabo e sua popa ancorada, o gráfico mostra um deslocamento de 4 metros para o norte e 1 metro para leste, em 11minutos de amostra. Figura 2 Incrementos de velocidade do barco não existentes OBS: A velocidade de deslocamento do barco ao longo do cabo é em média 0,12m/s para rios desta largura. Figura 3 Detecção de Fundo Móvel Ship Track OBS :Este tipo de movimento não e um movimento simples de fundo móvel, mas mostra que o sedimento de fundo esta se movimentando em diferentes direções, provavelmente devido ao fundo ser rocha fragmentada

4 Figura 3a Detecção de fundo Móvel com Equipamento de 3000 khz OBS: Com melhores condições por ser próprio para rios rasos O MÉTODO Sabemos que fundos móveis mascaram as vazões para menos, uma vez que insere na velocidade do barco a velocidade do fundo que será diminuída da velocidade relativa (RD Inst. 1999; Mueller 2000). No caso de Iguatemi ficou claro após os testes, que o fundo se movimenta em velocidades muito diferentes ao longo da seção de medição, por isso buscou-se um meio de se fazer uma compensação ponderada. Para isso é necessário encontrar os locais em que as velocidades do fundo sejam representativas, e utilizá-las para a correção. Antes das medições foram colhidas amostras de velocidades do fundo em determinados pontos ao longo da seção (Fig. 4), com o barco estático e por um tempo superior a 5 minutos em cada posição, visando com isso cobrir os diferentes influxos da água. A seguir se realiza a medição, feita com o cuidado de termos apenas um número aceitável de bads para diminuir outra fonte de erro. Utiliza-se então a média das velocidades do fundo de cada ponto amostrado medido com o barco estático multiplicado pela área compreendida até aquele ponto (Fig 4 ), obtida da medição. Esta vazão, é somada a vazão obtida ate o ponto na medição, e assim sucessivamente para cada ponto. APLICAÇÃO EM IGUATEMI Iguatemi, é a seção de medição pertencente a rede hidrometeorologica de Itaipu, localizada no rio Iguatemi na margem direita do rio Paraná, Foi utilizado o método descrito em três dias (05/09, 08/10 e 10/10/02) e de medições com cotas diferentes (1,84; 1,76; e 1,95), sendo que os dois últimos dias foram realizados com um GPS emprestado acoplado para verificação do método. Velocidade de fundo é a vel. do sedimentos no fundo somada como se fosse a vel. do barco

5 Figura 4 Posição onde o barco foi ancorado OBS: As setas pretas indicam os locais no primeiro teste, as vermelhas foram acrescentadas nos seguintes seguindo os locais com maior velocidade de fundo. Medição de Na medição de 05/09 foram feitas 8 travessias, das quais 5 foram testadas, para efeito de avaliação, encontrando as variações abaixo (Tab. 1). Como em medições com equipamentos acústicos toma-se a média das travessias, esta também esta representada na tabela 1. Travessia Vazão Medida M 3 /s Vazão Corrigida m 3 /s Percentual Corrigido % 010r 97,88 102,98 4,95 014r 87,31 97,6 10,54 016r 90,07 100,21 10,12 018r 98,87 98,98 0,11 020r 92,51 94,47 2,07 Media 93,33 98,85 5,58 DP 4,97 3,15 - CV 0,05 0,03 - Diferença media Das 5 travessias e Método Diferença da media de todas travessias e Método Vazão m 3 /s Percentual 5,52 5,58% 7,89 7,98% Tabela 1 Correções das vazões

6 Análise A porcentagem corrigida é de valores percentual relativamente grande, uma vez que um erro de 7,98% em uma medição esta estaria na categoria ruim. A dispersão dos pontos de amostra foi para buscar os locais e as velocidades de fundo diferenciadas, estes pontos foram em razão de uma análise do gráfico Ship Track (Fig. 3 ). O estudo confirmou que a quantidade de fundo móvel na seção cresce da margem direita para a esquerda, concentrando em uma faixa entre 20 a 40 metros da margem direita. Medição de Foi aplicado o mesmo método para correção da medição, com a diferença que utilizamos um (D)GPS nas medições para avaliação do método. Quando se realiza medição com equipamentos acústicos doppler com DGPS acoplado no mesmo é possível escolher qual referencia será utilizada para a velocidade do barco no pós processamento, para uma avaliação do método, neste caso comparamos as duas. A medição tomando o fundo como referencia com o erro do fundo móvel inserido, aplicamos o método de correção acima, e a mesma medição, tendo como referencia o DGPS. Os resultados encontrados mostram que o método nesta seção tem um resultado satisfatório. (Tab. 2), e também confirma qual a grandeza de vazão não computada pelo método sem correção. As posições das amostras usadas para correção foram nos mesmos pontos do dia , acrescidas de dois pontos mais. Foi verificada também a possibilidade de haver ocorrido mudanças das velocidades de fundo nos pontos de amostra para uma cota diferente. Medição Medição Medição Diferença Diferença Diferença Diferença Tradicional C/Correçã GPS Tradic/GPS % Trad./ % o Método m3/s m3/s m3/s M3/s m3/s Media DP 1.93 X 0,35 X X X x CV 0.02 X 0 X xx X x Tab. 2 Comparações entre Medição, medição com correção e GPS Análise Uma medição tendo DGPS como referencia para velocidade do barco tem precisão menor que um metro, mas não esta isenta de erros, e sua qualidade depende entre outros fatores como configuração de satélites, características do local, e erros do usuário. Assumindo que o erro do usuário seja desprezível, e como o local possibilita uma boa configuração de satélites, podemos assumir que a precisão foi menor que um metro, isto nos da uma diferença de 1,49 m 3 /s entre o método utilizado e a medição com GPS, ou seja 1,56 %. Já para a medição sem correção esta diferença passa a ser de 5,37 %. Isto nos indica que o método possui uma precisão bastante boa.

7 Medição de 10 de outubro No terceiro teste aplicado ao método, é novamente comparado com uma medição com DGPS, o resultado na tabela 03, mostra mais uma vez que o método obteve um resultado esperado. Medição Tradicional Medição c/correção Medição C/ GPS Diferença Tradicional /GPS Diferença Tradicional c /correção M 3 /s % M 3 /s % Media 101,48 103,39 102,81-1,33-1,31-2,45-2,41 DP 5, CV 0,06-0, Tab. 3 Comparação entre Métodos do dia 10.Out Análise A diferença da correção utilizando o método em questão comparado com a medição com GPS foi de 0,56 %. A mesma medição comparada com o GPS, apresenta um erro de 1,29 %. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Com a verificação de fundo móvel no rio Iguatemi, todas as medições com ADCP estão sub- calculadas, isto nos indica que deve ser feita uma imediata reavaliação na curva-chave de Iguatemi. Esta revisão deve ser iniciada a partir das medições com ADCP, que devem ser corrigidas com o auxilio do método. Como o efeito do fundo móvel é pequeno para estas cotas, é recomendável que para níveis mais altos de cota e consequentemente vazão, novas amostras de velocidade de fundo sejam feitas nos mesmos pontos, possibilitando uma posterior análise do incremento deste efeito. Com o incremento das velocidades da água, a velocidade de fundo deve aumentar, com isso a análise deve buscar as cotas limites onde cada velocidade da amostra pode ser utilizada para correção..

8 Referencias: Mueller D.S.- Field assesments of acoustics Doppler based Discharge measurements, Reston VA, American Society of Civil Engineers R.D. Instruments Inc Winriver User s Guide USGS version Mueller D.S.- Use of Acoustic Doppler Instruments for Measuring Discharge in Stream Flows with appreciable Sediment Transport, Proc. Hydraulic Measurements & Experimental Methods 2002 Estes Park CO ASCE