Escoamento Superficial: Fatores, Grandezas e Medição - Guia Completo

ESCOAMENTO SUPERFICIAL Segmento do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento das águas sobre a superfície do solo Denominase Escoamento Superficial tanto o excesso de precipitação que ocorre logo após uma chuva que se desloca livremente pela superfície do terreno como o escoamento de um rio que pode ser alimentado tanto pelo excesso de precipitação como pelas águas subterrâneas O dimensionamento de obras hidráulicas requer o estudo das precipitações intensas para obtenção da chuva de projeto que serve para definir a vazão de escoamento superficial a ser utilizada Se o objetivo é reter água Necessário o conhecimento do VOLUME escoado Se o objetivo é conduzir excesso de água Importante conhecer a VAZÃO de escoamento superficial FATORES INTERVENIENTES Agroclimáticos Quantidade intensidade e duração da precipitação Cobertura e condições de uso do solo Evapotranspiração Fisiográficos Área forma e declividade da bacia Condições de superfície Tipo de solo Área de drenagem Obras hidráulicas presentes na bacia irrigação ou drenagem do terreno canalização ou retificação de cursos dágua construção de barragens GRANDEZAS ASSOCIADAS Vazão Volume de água que atravessa a seção transversal considerada por unidade de tempo Coeficiente de Escoamento superficial C C Volumede água escoado superficialmente Volumeprecipitado Tempo de concentração tC Tempo necessário para que toda bacia contribua com o escoamento superficial na seção considerada Período de Retorno T Período de tempo médio em anos em que um determinado evento vazão é igualado ou superado pelo menos uma vez Criar séries históricas Análise de mínimas Autodepuração de esgotos Calado para navegação Planejamento de uso da Bacia Análise de vazões médias Cálculo do volume de reservatórios Análise de vazões máximas Cálculo de vertedores Cálculos de bacias de detenção Operação em tempo real Operação de Comportas Controle de cheias POR QUE MEDIR VAZÕES COMO MEDIR VAZÕES Q MEDIÇÃO VOLUMÉTRICA OU DIRETA Temp o Aplicável a pequenas vazões Q 10Ls Q Volume Pouca Precisão Aplicável a Q 300 Ls 5 m L 10 m B A VARAS VISTA DE CIMA DO CURSO DÁGUA MEDIÇÃO COM FLUTUADOR Q AV Determinação da Velocidade Média A tendência do flutuador é ser levada pela região de escoamento de maior velocidade Correção para velocidade média V Canais com paredes lisas cimento V 085 a 095Vmax Canais com paredes pouco lisas terra V 075 a 085Vmax Canais com paredes irregulares e vegetação no fundo V 065 a 075Vmax MEDIÇÃO COM FLUTUADOR L largura superficial n número de subdivisões L h h L n n h h L A 2 2 2 n n 1 1 2 1 A A0 A1 A2 An 1 An Determinação da Seção Média Ln Ln Ln Ln Ln A1 h1 A0 A2 h3 h2 A3 An1 hn 1 MEDIÇÃO COM FLUTUADOR qC0 Q q C1 q vazão constante do soluto C0 concentração do soluto Q vazão do curso dágua C1 concentração da mistura a jusante Aplicável a rios com turbulência para garantir mistura completa Quando o soluto é radiativo devese corrigir o efeito do decaimento no tempo massa do soluto se altera MEDIÇÃO POR PROCESSOS QUÍMICOS b SOLEIRA OU CRISTA L a Medir a vazão de pequenos cursos dágua canais e nascentes Para 10Ls Q 300Ls CORPO OU PAREDE h MEDIÇÃO COM VERTEDORES Soleira ou crista é a aresta do vertedor sobre a qual passa a água Carga do vertedor é a altura h da lâmina dágua à montante do vertedor a carga é medida a partir da cota da soleira no entanto função da contração da lâmina vertente esta medida deve ser feita em uma seção cuja distância à soleira seja igual ou superior a 5xh Profundidade do vertedor a é a distância vertical entre a soleira e o fundo do conduto livre NA b L h a Vista frontal Vista Longitudinal soleira CLASSIFICAÇÃO DOS VERTEDORES 1 Quanto à forma 1 Simples forma geométrica única e bem definida 2 Compostos combinação de diferentes formas 2 Quanto à natureza das paredes Parede delgada e 23H Parede espessa e 23H H P e soleira VERTEDORES RETANGULARES Os vertedores retangulares são os mais usados principalmente em função da sua facilidade de execução Sendo Cd um coeficiente de descarga usual Cd 062 valor típico também para os orifícios 3 2 d C b 2gh 2 3 Q Q 1831bh3 2 3 2 h 181 6 2 h a 1 050 bh 1000h 16 Q 1816 3 2 a bh 00011 h 00011 2 Q 1782 024 Fórmula da Sociedade Suíça de Engenheiros e Arquitetos Estabelecida em vertedores retangulares com 3 m de largura e cargas variando entre 010 e 080 m Fórmula de Rehbock Estabelecida para cargas variando entre 002 e 020m 3 2 h 2 h a Q 1841 026 bh 3 2 h 2 1 055 h a bh 00133 h Q 1794 Fórmula de Francis Estabelecida para cargas variando entre 018 e 048m Fórmula de Bazin Estabelecida para cargas variando entre 005 e 060m 3 2 Cd bh 4 2g 15 Q 2 b htg 45o 5 2 Cd h 8 2g 15 Q O ângulo em geral é reto Desta forma h VERTEDORES TRIANGULARES Os vertedores triangulares são aplicáveis para cargas muito pequenas b b 2h VERTEDORES TRIANGULARES VERTEDORES TRIANGULARES CALHAS PARSHALL As calhas Parshall são condutos abertos construídos de tal forma que suas laterais promovam um adequado estrangulamento de seção Estes medidores são indicados nominalmente pela largura da seção crítica ou garganta Podendo medir vazões que variam entre 080 ls e 93 m3s m Q 22L c H3 2 Lc largura da garganta Hm altura do nível dágua medido à montante da garganta do medidor Well Throat section Crest Converging section Diverging section Alternate 45 wing wall Plan Water surface submerged Water surface modular flow Flow Crest Level floor CALHAS PARSHALL CALHAS PARSHALL Dimensão nominal Vazão Mínima m3s Vazão Máxima m3s 3 0008 0053 6 00014 0111 9 00025 0251 1 00033 0457 2 00121 0937 4 00358 1923 6 00741 2929 8 00972 3949 10 016 8280 15 023 25040 20 031 37970 25 038 47140 30 046 56330 40 060 74700 50 075 93050 Limites de vazões para cada dimensão nominal da garganta da calha Parshall MOLINETES FLUVIOMÉTRICOS Funcionamento baseado na proporcionalidade entre a velocidade de rotação do aparelho e a velocidade da corrente Além da determinação do campo de velocidades exige a determinação da área da seção transversal do curso dágua A hélice do aparelho gira e um número de rotações por segundo n é contado O equipamento possui uma curva calibrada do tipo V an b onde a e b são características do aparelho PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOLINETE REQUISITOS PARA UMA BOA MEDIÇÃO Número de verticais adequado Evitar correntes inclinadas Rapidez para evitar variação do nível de agua Evitar vibração do molinete Evitar que o cabo do molinete fique inclinado Tabela 1 Número de verticais para medição de velocidade Medição com Molinete Número de pontos por vertical Procura pela representatividade do perfil de velocidades Para profundidades 100m 1 ponto a 60 da profundidade Para profundidades 100m 2 pontos a 20 e a 80 da profundidade Velocidade média por vertical aproximação V06h ou V02h V08h2 MEDIÇÃO COM MOLINETE SOBRE PONTE Problemas da influência da estrutura Localização da ponte propicia uma boa seção para medição MEDIÇÃO COM BARCO FIXO Medição com barco fixo É a mais frequente Barco fixado a um cabo de aço cabo preso nas margens e posições das verticais medidas no cabo Medição a vau a e sobre barco fixo b e c MEDIÇÃO A VAU Medição à Vau Para pequenas profundidades 120 m Para pequenas vazões molinete preso à uma haste MEDIDORES VELOCIDADE POR EFEITO DOPPLER O perfilador Acustic Doppler Current Profiler ADCP utiliza o efeito Doppler para estimar a velocidade de escoamento de um fluído A sonda emite uma onda sonora com frequência padrão e analisa a frequência que é refletida nas partículas em suspensão na água No text to extract only images of boats and river scenes Velocity Magnitudems Ref Btm ADCP 600KHZ 070808 MEDIÇÃO 4 Q 105228 m3s A 84822m2 V 124ms Ensemble Number Requisitos para uma boa medição Número de verticais adequado Evitar correntes inclinadas Rapidez para evitar variação do nível dágua Evitar vibração do molinete Evitar que o cabo do molinete fique inclinado Medição de níveis Para reduzir custos medemse os níveis dágua e por meio de uma função curvachave se obtêm as vazões correspondentes Locais de medição de vazões e níveis chamamse postos fluviométricos ou fluviográficos Nos postos fluviométricos os níveis são medidos diariamente às 7h e às 17 h Nos postos fluviográficos os níveis são registrados continuamente em papel ou meio magnético RÉGUAS LIMNIMÉTRICAS 3m 2m nível médio 1m 1m nível estiagem 0m No textual content extracted only images of limnimeter rulers in different water bodies Hidro 12 Estatísticas de Vazões Médias Fechar Série FAZENDA JUCURUABA 57230000 Importado Consistido Média Diária 011968 122005 Médias Diárias Gráfico de Médias Diárias Médias Mensais Máximas Mensais Mínimas Mensais Leituras Mensais Situação Mensal DiaAno Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Anual 1999 01 215 162 134 145 155 118 116 120 100 118 186 224 02 198 152 145 141 145 116 114 118 983 112 180 437 03 188 145 184 130 157 114 112 116 964 100 186 359 04 516 141 243 126 150 112 110 114 945 983 177 346 05 104 137 254 130 143 110 108 112 926 120 150 320 06 930 134 359 143 139 108 118 116 907 130 141 382 07 523 132 351 143 134 106 126 108 888 126 210 470 08 406 130 274 134 130 200 128 126 869 122 391 562 09 323 128 210 145 126 463 144 124 850 118 370 431 10 279 124 177 198 134 354 122 122 831 114 343 351 11 254 122 186 193 134 264 130 120 945 110 346 294 12 238 134 180 167 137 203 164 118 983 106 370 367 13 266 152 184 164 207 210 155 114 100 104 299 397 14 279 147 269 157 134 180 182 106 983 110 286 370 15 236 143 246 147 132 157 164 926 964 106 348 354 16 217 134 246 139 128 152 159 110 945 102 357 764 17 203 128 226 147 126 147 130 926 983 983 328 721 18 195 124 213 167 132 143 139 145 964 945 271 565 19 186 122 193 299 130 139 132 152 102 964 238 537 20 180 120 182 309 128 134 128 152 104 173 233 425 21 175 118 173 238 124 132 217 110 193 306 431 22 182 114 165 200 120 122 205 132 175 926 388 23 173 169 159 184 116 128 122 171 289 314 930 373 24 169 147 171 171 114 128 143 243 323 104 348 25 213 132 152 162 112 128 126 130 180 229 915 460 26 226 126 145 157 110 132 137 124 159 182 613 394 27 236 128 147 147 108 130 141 118 141 150 428 340 28 220 137 190 150 106 126 141 114 132 137 400 317 29 190 169 155 118 122 132 110 126 130 562 450 30 173 157 150 116 126 106 122 162 415 493 31 173 152 112 120 177 486 Média 290 135 201 168 129 160 132 128 118 143 398 424 202 Máxima 105 182 362 317 157 463 182 220 294 337 106 802 106 Dia 24 23 06 20 01 09 14 21 23 23 24 16 2411 Mínima 169 112 134 124 106 106 108 812 831 907 134 106 812 Dia 24 22 01 04 28 07 05 15 10 19 06 01 1508 2000 estimado duvidoso régua seca Curvachave A experiência tem mostrado que o nível dágua h e a vazão Q ajustam se bem à curva do tipo potencial que é dada por 0 Q a h h b Na expressão da curvachave Q vazão na seção do posto h nível dágua leitura na régua h0 valor de h para Q 0 a e b parâmetros de ajuste FIGURA 2 Curvachave da Estação fluviométrica Ponte do Rio Caeté Curvachave Rio São Francisco em Porto das Andorinhas POSTOS FLUVIOGRÁFICOS LIMNÍGRAFO DE BÓIA tambor roldana relogio contrapeso boia A BASE DE DADOS DA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUA ANA A Agência Nacional de Águas gerencia a rede de estações hidrometeorológicas instaladas no Brasil wwwanagovbr Sistema HIDROWEB Obtenção das informações sobre precipitação vazão qualidade de água e sedimentometria Arquivos texto ou access Monitoramento e Eventos Críticos Monitoramento e Eventos Críticos Monitoramento Hidrológico Qualidade da água Eventos críticos Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico ANA Monitoramento Hidrológico Resolução Conjunta ANAANNEL nº 32010 Dados hidrológicos em tempo real HIDROSAT HIDROWEB Sistema de Acompanhamento de Reservatórios SAR Portal de Metadados da ANA Outros Sistemas O Portal HidroWeb é uma ferramenta integrante do Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos SNIRH e oferece o acesso ao banco de dados que contém todas as informações coletadas pela Rede Hidrometeorológica Nacional RHN reunindo dados de níveis fluviais vazões chuvas climatologia qualidade da água e sedimentos Tratase de uma importante ferramenta para a sociedade e instituições públicas e privadas pois os dados coletados pelas estações hidrometeorológicas são imprescindíveis para a gestão dos recursos hídricos e diversos setores econômicos como geração de energia irrigação navegação e indústria além do projeto manutenção e operação de infraestrutura hidráulica de pequeno e grande porte como barragens drenagem pluvial urbana e mesmo bueiros e telhados Os dados disponíveis no Portal HidroWeb se referem à coleta convencional de dados hidrometeorológicos ou seja registros diários feitos pelos fiscais pelos observadores e medições feitas em campo pelos técnicos em hidrologia e engenheiros hidrólogos Por meio dessas informações podese ainda acompanhar a ocorrência de eventos hidrológicos considerados críticos inundações e secas e se planejar medidas de mitigação dos impactos decorrente desses eventos Dados em tempo real são disponibilizados no Portal Hidrotelmetria httpwwwsnirhgovbrhidrotelmetria Mais que acompanhar esses fenômenos o conjunto de dados até hoje coletados no âmbito da RHN também permite em certos casos a simulação dos eventos e seus resultados sobre as bacias hidrográficas e a sua previsão O portal ainda publica dados coletados pelos Estados que aderiram ao Programa coordenado pela ANA denominado Qualágua que fomenta o monitoramento da qualidade da água Rede Hidrometeorológica Nacional A Agência Nacional de Águas ANA é responsável pela coordenação da Rede Hidrometeorológica Nacional RHN um sistema que hoje abriga 4641 pontos de monitoramento no país divididos em estações que monitoram parâmetros relacionados aos rios 1874 como níveis vazões qualidade da água e transporte de sedimentos e outros que monitoram principalmente as chuvas 2767 As estações hidrometeorológicas são operadas por entidades parceiras ou contratadas pela ANA que é a responsável pelo planejamento normatização de procedimentos e equipamentos fiscalização organização dos dados hidrometeorológicos e sua publicação Atualmente são responsáveis pela operação da Rede o Serviço Geológico do Brasil CPRM a Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina EPAGRISC o Departamento de Águas e Energia Elétrica e da São Paulo DAEESP o Instituto Mineiro de Gestão das Águas IGAMMG o Instituto das Águas do Paraná AGUASPARANA e as empresa contratadas COHIDRO CONSTRUFAM e UFC Além das estações sob responsabilidade da ANA também são integrantes da Rede as estações mantidas pelos Estados no âmbito dos programas de implantação e operação das Salas de Situação Estaduais e do fomento ao monitoramento da qualidade da água Qualágua O monitoramento das águas no Brasil remonta ao século 19 havendo registros de estações na base da ANA desde o ano de 1855 estação pluvioemétrica Morro Velho em Minas Gerais Entre 1900 e 1920 o governo federal incorpora o monitoramento como serviço público federal e cria instituições para abrigálo Desde então a Rede foi coordenada por entidades ligadas ao setor elétrico passando à responsabilidade da ANA em 2000 pela Lei Federal nº 99842000 Os números se referem ao inventário de estações da ANA em 03042018 podendo se alterar com certa frequência em função da incorporação de novas estações ou de sua extinção 3271845 acessos registrados desde 01022005 ANA HIDROWEB v311 Séries Históricas de Estações Pesquisar Estação Tipo Estação Fluviométrica Código da Estação Nome Estação Bacia SubBacia Rio Selecione Bacia Estado Municipio Operando Responsável Sigla Operadora Sigla Consultar Limpar Escoamento de base Escoamento resultante da parcela de precipitação que sofreu infiltração profunda Escoamento de base Escoamento resultante da parcela de precipitação que sofreu infiltração profunda Escoamento de base Escoamento natural dos rios no período de estiagem Nos períodos de estiagem a vazão do rio é mantida pelo escoamento lento da água armazenada água subterrânea Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Estiagem apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Estiagem muito longa rio seco Rios intermitentes Camada saturada Recessão do hidrograma A parte decrescente de um hidrograma após o período úmido conhecida como recessão do hidrograma reflete a diminuição do nível da água nos aquíferos de uma bacia ao longo do tempo reservatório esvaziando Rio Iqui Vazão m 3s Tempo dias Período seco Infiltração Passagem de água da superfície do solo para seu interior através dos poros Infiltração solo percolação rocha Percolação profunda água subterrânea chuva infiltração escoamento superficial Zona de Aeração não saturada Zona de Saturação lençol freático rocha percolação lençol freático rocha Infiltração é o processo de passagem da água pela superfície do solo Percolação é o avanço descendente da água na zona não saturada movimento da água no solo Infiltração Passagem de água da superfície do solo para seu interior através dos poros Importante para Crescimento da vegetação Abastecimento dos aquíferos reservatório de água subterrânea Redução do escoamento superficial componente do ciclo hidrológico responsável pelos processos de erosão e inundações COMPOSIÇÃO DO SOLO Água 25 Ar 25 Minerais 46 Mat Orgânica 4 Poros Sólidos O tamanho das partículas minerais é muito variável 2 mm a frações menores de 0002 mm A origem das partículas minerais do solo ocorre através de processos de intemperização da rochamãe CASCALHO AREIA SILTE ARGILA Invisível nesta escala mm 0 1 2 3 4 5 INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO Depende de vários fatores Permeabilidade Topografia Vegetação Regime de precipitação Abundant constant rain Abundant recharge Frequent rain Small amount of recharge Intermittent rain Virtually no recharge R u n o f f Arenosos Cerca de 70 de areia muita porosidade Muito permeável Infértil Argiloso 30 de argila Pouca porosidade Pouco permeável Fértil Siltoso Solo intermediário areia e argila Calcário Humoso Cerca de 10 de húmus Bastante fértil Solo adequado para agricultura Elevada quantidade de calcário Fertilizante natural Solo do deserto Left image Água subterrânea ou lençol freático Right image O Rio transporta a água do lençol freático Lençol freático POROSIDADE DO SOLO Relação entre volume de vazios e volume total do solo n Vv Vt UMIDADE DO SOLO Umidade volume de águavolume total Areia 37 a 50 Argila 43 a 52 O perfil típico de umidade do solo durante a infiltração está apresentado esquematicamente na Figura a seguir Figura 23 Perfil de umidade do solo durante a infiltração Zona de saturação corresponde a uma camada de cerca de 15 cm e como sugere o nome é uma zona em que o solo está saturado isto é com um teor de umidade igual ao teor de umidade de saturação Zona de transição é uma zona com espessura em torno de 5 cm cujo teor de umidade decresce rapidamente com a profundidade Zona de transmissão é a região do perfil através da qual a água é transmitida Esta zona é caracterizada por uma pequena variação da umidade em relação ao espaço e ao tempo Zona de umedecimento é uma região caracterizada por uma grande redução no teor de umidade com o aumento da profundidade Frente de umedecimento compreende uma pequena região na qual existe um grande gradiente hidráulico havendo uma variação bastante abrupta da umidade A frente de umedecimento representa o limite visível da movimentação de água no solo INFILTRAÇÃO DE ÁGUA EM SOLOS Inicialmente não saturados Preenchimento dos poros garante alta taxa de infiltração A medida que o solo vai sendo umedecido a taxa de infiltração diminui A infiltração é limitada pela capacidade do solo em transferir água para camadas mais profundas percolação essa capacidade é denominada condutividade hidráulica Água infiltrada preenche os espaços antes ocupados pelo ar Solo saturado vazios ou poros totalmente ocupados por água