04 Cap Hidráulica Aplicada as Ciências Agrárias - Raimundo Rodrigues Gomes Filho

CAPÍTULO 4\nHIDROMETRIA\nCarlos Alexandre Gomes Costa\nRaimundo Rodrigues Gomes Filho\n\n4.1. ASPECTOS GERAIS\n\nA hidrometria consiste na medição das grandezas que interessam ao estudo da água na natureza, como vazões (líquidas e sólidas) e níveis de água em rios, lagos e represas, índices pluviométricos (chuva) e outros parâmetros. Pode ser aplicada também em medições de água em estações de tratamento de água ou de esgotos.\n\nO planejamento e o manejo adequado dos recursos hídricos implicam no conhecimento dos volumes e vazões utilizados nos seus diferentes usos múltiplos.\n\nSistemas de irrigação bem planejados e operados são dotados de estruturas para medição de vazão, desde as mais simples, como vertedores, até comportas automatizadas.\n\n4.2. MEDIÇÃO DE VAZÃO\nMétodo direto\n\nO método direto volumétrico baseia-se na medida do tempo gasto para encher um recipiente de volume conhecido. A vazão é determinada dividindo-se o volume do recipiente pelo tempo requerido para o seu enchimento.\n\nRecomenda-se que o tempo mínimo para o enchimento do recipiente seja de 20 segundos. O tempo gasto para encher o recipiente,\n usado para determinar a vazão, deve ser a média das três medições, no mínimo. Este processo aplica-se a pequenas vazões, como as que ocorrem em riachos e canais de pequeno porte. Na irrigação este método é utilizado para medir a vazão em sulcos, aspersores, microaspersores, difusores e gotejadores.\n\nQ = vol t\n\nEm que:\nQ - vazão, L s-1;\nVol - Volume, L;\nt - Tempo, s.\n\nEm sulcos de irrigação, deve-se abrir uma trincheira transversal ao sulco, colocar uma telha, calha ou pedaço de tubo na extremidade do sulco, de modo que a água caia livremente no recipiente. Deve-se ter o cuidado de evitar o represamento da água a montante do medidor, para que a água não se espalhe lateralmente ao sulco, aumentando a infiltração no solo e, consequentemente, diminuindo a vazão que será medida.\n\nO método direto gravimétrico consiste na pesagem de um determinado volume de água obtido em um determinado tempo.\n\nQ = P γ .t\n\nEm que:\nQ - Vazão, m3 s-1;\nγ - Peso específico do líquido, N m-3;\nP - Peso do líquido, N;\nt - tempo, s. Método da velocidade\n\nO método da relação área-velocidade consiste na determinação da velocidade média do escoamento numa dada seção transversal do curso d'água. Conhecendo-se, então, a área da seção transversal e a velocidade média com a qual a água passa nesta seção, a descarga é calculated pela equação da continuidade. Este método envolve a determinação da velocidade e da seção transversal da seção cuja vazão se quer medir.\n\nQ = v . A\n\nEm que:\nQ - vazão, m3 s-1;\nA - área da seção do canal, m2;\nv - velocidade da água no canal, m s-1.\n\nDeterminação da seção de escoamento\n\nEm canais de grande porte e que apresentam seção irregular, rios, por exemplo, a seção de fluxo é obtida dividindo-se a seção transversal em segmentos. A área de cada segmento é obtida através do cálculo de uma figura geométrica conhecida (triângulos, trapézios e retângulos). A soma das áreas fornece a área total da seção de escoamento. Determinação da velocidade de escoamento\nA determinação da velocidade média de escoamento é dificultosa, uma vez que ocorrem variações significativas na sua intensidade dentro da seção de escoamento.\nO método do flutuador é utilizado para medir a velocidade de escoamento quando não se necessita de grande precisão. Quando houver esta necessidade, a velocidade é medida através de molinetes.\nMétodo do flutuador\nEste método se aplica a trechos retilíneos de canal e que tenham seção transversal uniforme. As medidas devem ser feitas em dias sem vento, de forma a evitar sua influência no caminhamento do flutuador. Para facilitar a medida, devem ser esticados fios no início, no meio e no final do trecho onde se pretende medir a velocidade. O flutuador deve ser solto a montante, a uma distância suficiente para adquirir a velocidade da corrente, antes dele cruzar a seção inicial do trecho de teste. Com a distância percorrida e o tempo, determina-se a velocidade média do flutuador através da fórmula:\nv = espaço\ntempo\n(4)\nFigura 2. Seção para medição da velocidade pelo método do flutuador.\n98 (1) Posicionamento inicial do flutuador, à montante da primeira seção;\n(2) Seção da primeira tomada de tempo. Início da cronometragem do deslocamento do flutuador;\n(3) Seção da tomada de tempo final da cronometragem do deslocamento do flutuador.\nComo existe uma variação vertical da velocidade da água no canal, utiliza-se a Tabela 2 para determinar a velocidade média da água em todo o perfil:\nv_média = v_flu\tador × k\n(5)\nTabela 2. Fator (k) de correção da velocidade\nProfundidade média do canal (m) Fator de correção (k)\n0,3 - 0,9 \t 0,68\n0,9 - 1,5 0,72\n> 1,5 0,78\nExemplo: Pretende-se medir a vazão de um rio através do método do flutuador. Para tanto, foi delimitado um trecho de 20 m (Figura 2), que foi percorrido pelo flutuador em cinco repetições 38, 41, 39, 40 e 42 s. A seção transversal representativa do trecho está na Figura 1. Determine: a) a seção de escoamento; b) a velocidade média do flutuador; c) a velocidade média do rio; d) a vazão do rio.\nResolução:\na) Área da seção de escoamento:\nA1 = 1,0 m × 1,5 m\n2 = 0,75 m² A2 = (1,5 m + 1,8 m)\n2 × 1,0 m = 1,65 m²\nA3 = (1,8 m + 2,0 m)\n2 × 1,0 m = 1,90 m²\nA4 = (2,0 m + 2,5 m)\n2 × 0,5 m = 1,125 m²\nA5 = 3,0 m × 1,5 m = 4,5 m²\nA6 = 1,0 m × 2,0 m\n2 = 1,0 m²\nA_total = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A6 = 10,925 m²\nb) Velocidade média do flutuador:\nΔt =\n38 s + 41 s + 39 s + 40 s + 42 s\n5 = 40 s\nDistância = 20,0 m\nv̅ =\n20,0 m\n40 s = 0,5 m · s⁻¹\nc) Velocidade média do rio:\nProfundidade média = 2,56 m\nPela Tabela 2: k = 0,78\nv_média = 0,5 m · s⁻¹ × 0,78 = 0,39 m · s⁻¹ d) Vaza\u00e7\u00e3o do rio:\nQ = vmedia . Atotal\nQ = 0,39 m.s-1 x 10,925 m2\nQ = 4,26 m3 s-1\nM\u00e9todo do Molinete\n\nPara medir a velocidade em canais de grande porte, ou um rio, visando a obten\u00e7\u00e3o de informa\u00e7\u00f5es mais precisas e r\u00e1pidas, utilizam-se os molinetes. O molinete consiste simplesmente em um conjunto de \u00e9lices imerso em um fluxo de \u00e1gua junto com um mecanismo calibrado para converter o giro da \u00e9lice em velocidade. Quando o molinete \u00e9 imerso no canal, as suas \u00e9lices adquirem uma velocidade que \u00e9 proporcional \u00e0 velocidade da \u00e1gua. Esta \u00faltima \u00e9 determinada medindo-se o tempo gasto para certo n\u00famero de revolu\u00e7\u00f5es e utilizando-se a curva de verifica\u00e7\u00e3o do molinete, que relaciona a velocidade do molinete \u00e0 velocidade da \u00e1gua no canal.\n\nExistem v\u00e1rias formas de molinetes para adapta\u00e7\u00e3o a diferentes aplica\u00e7\u00f5es, de tubos de esgoto a canais abertos para grandes cursos d'\u00e1gua.\nUm exemplo de molinete usado para cursos d'\u00e1gua \u00e9 tipo Price que pode ser observado na Figura 3.\n\nFigura 3. Molinete Price.\n\n101 Os molinetes s\u00e3o utilizados para medir a velocidade da \u00e1gua a diversas profundidades e posi\u00e7\u00f5es em uma se\u00e7\u00e3o transversal do canal, ou rio. As medi\u00e7\u00f5es de velocidade podem ser feitas em m\u00faltiplas profundidades, duas profundidades ou em uma \u00fanica profundidade.\nM\u00e9todo das m\u00faltiplas profundidades: Consiste na medi\u00e7\u00e3o da velocidade em diversos pontos, desde o fundo do canal at\u00e9 a superf\u00edcie da \u00e1gua. Se a velocidade for medida em posi\u00e7\u00f5es uniformemente espa\u00e7adas, a velocidade m\u00e9dia aproxima-se da m\u00e9dia das velocities medidas.\nM\u00e9todo das duas profundidades: A velocidade \u00e9 medida a 20 e 80% da profundidade de cada segmento, come\u00e7ando a partir da superf\u00edcie da \u00e1gua. A velocidade m\u00e9dia de escoamento \u00e9 dada pela m\u00e9dia das duas velocidades.\nM\u00e9todo da profundidade \u00fanica: A velocidade \u00e9 determinada a 60% da profundidade do canal. Este m\u00e9todo \u00e9 utilizado para canais com profundidades inferiores a 30 cm.\n\nCompara\u00e7\u00e3o entre os m\u00e9todos dos molinetes e flutuadores\n\nSegundo Barcelos et al. (2012) os m\u00e9todos para medi\u00e7\u00e3o de vaza\u00e3o s\u00e3o vari\u00e1veis tanto no que diz respeito aos custos de equipamentos como no grau de precis\u00e3o dos mesmos. Al\u00e9m disso, o monitoramento no campo p\u00f5e em risco todo o instrumental utilizado para diversos problemas, como roubos e vandalismos. Os m\u00e9todos utilizados para medir vaza\u00e3o variam desde um simples objeto lan\u00e7ado na \u00e1gua para estimar a velocidade dada certa dist\u00e2ncia, at\u00e9 m\u00e9todos mais precisos como molinetes Doppler ac\u00fasticos (HOSSEINI et al., 2006; KOSTASCHUK et al., 2005). Dependendo das condi\u00e7\u00f5es f\u00edsicas, econ\u00f4micas e acessibilidade, os m\u00e9todos podiam variar desde uso de varas, cordas, instrumentos a laser, ac\u00fasticos e at\u00e9 orbitais (STEVAUX et al, 2004; BRANDALIZE e PHILIPS, 2004; KRUG e NOERNBERG, 2005; CARVALHO, 2007). Para D'Almeida J\u00fanior et al. (2010), a medi\u00e7\u00e3o da vaza\u00e3o de um curso d'\u00e1gua \u00e9 normalmente alcan\u00e7ada de forma indireta a partir da medida da velocidade m\u00e9dia do escoamento ou de n\u00edvel. Para medi\u00e7\u00e3o da vaza\u00e3o de um curso d'\u00e1gua pode-se fazer uso de diversos aparelhos ou processos, como ADCP (Acoustic Doppler Current Profile), vertedores, calhas, molinete hidrom\u00e9trico e o m\u00e9todo do flutuador, uma vez que o aparelho utilizado depende da grandeza do c\u00f3rpo d'\u00e1gua, da precis\u00e3o necess\u00e1ria e dos recursos dispon\u00edveis. Leopold e Maddock (1953) identificam tr\u00eas par\u00e2metros para estudar as propriedades do canal fluvial: largura, profundidade e velocidade do fluxo, sendo estas vari\u00e1veis f\u00e1ceis de controlar, como regime de descarga (vaza\u00e3o) e declividade, as propriedades f\u00edsicas dos sedimentos, solo, clima, vegeta\u00e7\u00e3o dentre outras da bacia de drenagem.\n\nO estudo comparativo realizado por Barcelos et al. (2012) levou em considera\u00e7\u00e3o a se\u00e7\u00e3o de um curso d'\u00e1gua com caracter\u00edsticas de um regime h\u00eddrico laminar: As se\u00e7\u00f5es escolhidas para o estudo est\u00e3o representadas na Figura 4 e Figura 5.\n\nFigura 4. \u00c1rea m\u00e9dia da se\u00e7\u00e3o transversal integrado pelo m\u00e9todo do trap\u00e9zio (BARCELOS et al., 2012).\n\nFigura 5. \u00c1rea da se\u00e7\u00e3o transversal com densa malha de pontos de medidas pelo molinete Doppler (BARCELOS et al., 2012).\n\n103 A descarga líquida obtida pelo método do flutuador para a seção de 3,75 m² (Figura 4) e uma velocidade de 0,49 m.s⁻¹ e coeficiente de correção da velocidade de fundo do canal igual a 0,9, fundo do rio barrento, foi de 1,65 m³.s⁻¹. Ressalta-se que a simplicidade e a facilidade deste método permitem medições para fins exploratórios e dimensionamentos preliminares. Uma medição com maior exaltado através do método Doppler apresentou uma descarga líquida igual a 0,99 m³.s⁻¹ para a mesma seção do ribeirão na mesmas condições hidrossedimentológicas e no mesmo dia (BARCELOS et al., 2012). Com isso, pode-se perceber para este evento que o método do flutuador superestimou em 66% a medição padrão feita pelo molinete Doppler. Para Mamede (2008); Lima Neto e Araújo (2009) e o equipamento do tipo Doppler são mais recomendados para medição das componentes de velocidade e estimação da concentração de sedimentos, já que os influxos fluviais observados em campo possuem densidade relativamente baixa. Esta condição prevaleceu no período do monitoramento devido ao fim do período chuvoso na região. Segundo Ayres (2010) na falta deste equipamento o método do flutuador poderá ser utilizado para avaliar vazões em canais e até em pequenos córregos. Entretanto, deve-se considerar as incertezas da medição de velocidade de fluxo pelo flutuador, principalmente sob condições ambientais adversas. Outra desvantagem do flutuador em relação ao molinete Doppler é a incerteza da medida de velocidade em função do material utilizado como flutuador além da limitação da medida superficial com a necessidade de utilização de coeficiente de ajuste. Isto pode aumentar ainda mais a incerteza destas medições. Com o molinete Doppler é possível confeccionar uma seção do curso d’água com isolinhas de velocidade de fluxo, isto pode ser observado na Figura 6 em condições de fluxo sob regime hidráulico laminar. Observa-se ainda na Figura 6 que a velocidade média do fluxo na seção através do molinete é de 0,26 m.s⁻¹. Este valor representa apenas metade da velocidade obtida pelo método do flutuador, 0,49 m.s⁻¹. Para que a vazão do curso d’água obtida pelo método do flutuador seja igual a do molinete, o coeficiente de correção velocidade de fundo do canal k