Projeto Hidráulico

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA URBANA CARACTERIZAÇÃO FLUVIAL E DIMENSIONAMENTO DE UM CANAL DE DERIVAÇÃO Com a finalidade de padronizar o formato de entrega dos trabalhos apresentase a descrição de elementos obrigatórios que devem constar dos trabalhos INSTRUÇÕES PARA O TRABALHO 1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROJETO Breve texto sobre a localidade e objetivos do projeto 2 CARACTERIZAÇÃO FLUVIAL 21 Perfil Transversal Escolher no mínimo duas datas traçar o perfil transversal e realizar uma discussão a respeito de possíveis alterações na calha do rio bem como sua ocupação em período de cheia 22 CurvaChave A partir do período selecionado para o estudo explicitar as curvaschave da estação fluviométrica 23 Cotas Explicitar graficamente as cotas que irão influenciar a obra do canal Desconsiderar as falhas para realização das médias 24 Vazões Médias Máximas e Mínimas Gráficos devidamente interpretados com os valores médios de cada uma das vazões Desconsiderar as falhas para realização das médias 3 DIMENSIONAMENTO DO CANAL DE DERIVAÇÃO 31 Aspectos técnicos do canal Escolha do material geometria e demais aspectos técnicos devidamente justificados UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA URBANA 32 Dimensionamento do canal de derivação A partir dos princípios do escoamento uniforme realizar o dimensionamento do canal deixando explícito toda sequência lógica de raciocínio equações e verificações 33 Velocidade de escoamento Conferência da velocidade máxima de escoamento e se há compatibilidade entre o material escolhido e a velocidade 34 Energia disponível Construção da curva de energia disponível com a vazão de projeto 35 Regime de escoamento Cálculo do Número de Froude e discussão sobre as condições do regime de escoamento 36 Desenhos técnicos do canal 1 Detalhar as dimensões do canal e seu entorno nos desenhos 37 Custos associados 2 Explicitar o volume de corte estimar volume de revestimento e seus custos 1 Usar qualquer software de desenho e usar técnicas de desenho e escala 2 Não é obrigatório incluir mão de obra para instalação ou obras civis apenas material Entretanto é uma pesquisa extremamente importante se tratando de canais e portanto desejável para estimativa do custo total da obra neste contexto URB 227 Hidráulica Aplicada Profa Tamara Souza Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas Departamento de Engenharia Urbana Caracterização Fluvial e Dimensionamento de um Canal de Derivação Caracterização Fluvial e Dimensionamento de um Canal de Derivação Corpo Hídrico Canal de derivação artificial Infraestrutura Urbana Canal para atender um condomínio residencial ETA Caracterização Fluvial e Dimensionamento de um Canal de Derivação 1 Caracterização Fluvial Vazões Médias Máximas e Mínimas Perfil Transversal Cotas CurvaChave 2 Canal de Derivação Dimensionamento do canal de derivação a partir da vazão que será uma da Q do rio Escolha do material taludes se houver Energia disponível Regime de escoamento Desenhos técnicos Custos associados Projeto 1 Grupo 1 Corpo Hídrico RIO MUNDAÚ Nome da EstaçãoUF MURICI PONTEAL Estação Fluviométrica 39760000 Comprimento horizontal do canal de derivação 205 m Declividade 08 Vazão máxima a ser transportada 10 da vazão mínima média Projeto 2 Grupo 2 Corpo Hídrico RIO JURUÁ Nome da EstaçãoUF IPIXUNAAM Estação Fluviométrica 12520000 Comprimento horizontal do canal de derivação 150 m Declividade 09 Vazão máxima a ser transportada 12 da vazão média de longa duração Projeto 3 Grupo 3 Corpo Hídrico RIO ACRE Nome da EstaçãoUF FLORIANO PEIXOTOAM Estação Fluviométrica 13650000 Comprimento horizontal do canal de derivação 80 m Declividade 05 Vazão máxima a ser transportada 35 da vazão média de longa duração Projeto 4 Grupo 4 Corpo Hídrico RIO AMAPARI Nome da EstaçãoUF SERRA DO NAVIO Estação Fluviométrica 30300000 Comprimento horizontal do canal de derivação 420 m Declividade 08 Vazão máxima a ser transportada 10 da vazão mínima média Projeto 5 Grupo 5 Corpo Hídrico RIO ITAGUARI Nome da EstaçãoUF FAZENDA PORTO ALEGREBA Estação Fluviométrica 45170001 Comprimento horizontal do canal de derivação 230 m Declividade 12 Vazão máxima a ser transportada 9 da vazão mínima média Projeto 6 Grupo 6 Corpo Hídrico RIO JATOBÁ Nome da EstaçãoUF FLORESBA Estação Fluviométrica 35223000 Comprimento horizontal do canal de derivação 300 m Declividade 06 Vazão máxima a ser transportada 10 da vazão mínima média Projeto 7 Grupo 7 Corpo Hídrico RIO SÃO MATEUS BRAÇO NORTE Nome da EstaçãoUF SÃO JOÃO DA CACHOEIRA GRANDEES Estação Fluviométrica 55850000 Comprimento horizontal do canal de derivação 80 m Declividade 09 Vazão máxima a ser transportada 15 da vazão máxima média Projeto 8 Grupo 8 Corpo Hídrico RIO CLARO Nome da EstaçãoUF IVOLÂNDIAGO Estação Fluviométrica 24900000 Comprimento horizontal do canal de derivação 160 m Declividade 05 Vazão máxima a ser transportada 4 da vazão máxima média Projeto 9 Grupo 9 Corpo Hídrico RIBEIRÃO SACRAMENTO Nome da EstaçãoUF PINGO DÁGUAMG Estação Fluviométrica 56570000 Comprimento horizontal do canal de derivação 600 m Declividade 065 Vazão máxima a ser transportada 7 da vazão mínima média 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS Os recursos hídricos são fundamentais para a manutenção da vida e o desenvolvimento das atividades humanas Desde o abastecimento de água potável até a irrigação na agricultura a geração de energia e o saneamento básico a gestão adequada da água é crucial para a sobrevivência e bem estar das populações Entretanto o crescimento demográfico a expansão urbana desordenada e as mudanças climáticas têm pressionado cada vez mais a disponibilidade e a qualidade desses recursos criando desafios significativos para a sua gestão O saneamento básico desempenha um papel essencial nesse contexto uma vez que a infraestrutura de tratamento de água e esgoto está diretamente ligada à saúde pública e à preservação ambiental De acordo com a Organização das Nações Unidas ONU o acesso à água potável e ao saneamento adequado é um direito humano fundamental Contudo muitas regiões especialmente em países em desenvolvimento ainda enfrentam dificuldades para garantir esse direito a toda a população Nesse cenário o planejamento e o dimensionamento de obras hidráulicas como canais de derivação são essenciais para garantir o uso eficiente e sustentável dos recursos hídricos Os canais de derivação têm um papel importante no controle do fluxo hídrico possibilitando a condução da água de um curso natural para usos específicos como irrigação abastecimento público ou controle de enchentes O presente trabalho tem como objetivo principal realizar a caracterização fluvial do rio Sacramento localizado na cidade de Pingo DÁgua MG investigando suas propriedades físicas hidráulicas e hidrológicas A caracterização fluvial também permitirá uma análise detalhada do regime de escoamento do perfil transversal de sua curva chave e as variações sazonais nas cotas e vazões Com isso será possível estabelecer o dimensionamento do canal de derivação que alimentará a Estação de Tratamento de Água ETA da cidade de Pingo DÁgua 11 LOCALIDADE O local de estudo para a implantação do canal é a cidade de Pingo DÀgua MG que conta com as seguintes características explicitadas na tabela 1 a seguir Número de habitantes 4706 Área territorial km² 6657 km² Densidade demográfica habkm 7069 habkm² Bacia Rio Doce Tabela 1 Parâmetros da cidade de Pingo DÁgua Fonte IBGE 2022 O município de Pingo DÁgua bem como o Rio Sacramento estão localizados na região hidrográfica Atlântico Sudeste que é a segunda maior em termos populacionais e contempla as seguintes unidades hidrográficas Doce a qual o município e o rio fazem parte LitorâneaRJ ES LitorâneaSP RJ Paraíba do Sul e Ribeira de Iguape A unidade hidrográfica Doce possui uma área de 85147 ha com 210 municípios contemplados sendo seu rio principal o Rio Doce que dá nome à unidade IBGE 2010 Figura 1 Região Hidrográfica Atlântico Sudeste Fonte SNIRH 2014 Na bacia do Rio Doce as inundações são um problema constante Isso ocorre principalmente devido ao deslocamento de massas de ar frio vindas do sul do Brasil que ao chegarem à região Atlântico Sudeste perdem intensidade e geram as chamadas precipitações frontais Essas chuvas são caracterizadas por sua longa duração intensidade moderada e abrangência espacial significativa No verão também são frequentes as precipitações convectivas que são mais localizadas intensas e de curta duração resultantes da umidade proveniente da Amazônia Esses dois tipos de fenômenos atmosféricos frequentemente causam enchentes nas planícies de alagamento dos rios onde muitas cidades estão localizadas gerando prejuízos tanto materiais quanto humanos para as populações dessas áreas SNIRH 2014 Figura 2 Mapa de ocorrência de cheias Região Atlântico Sudeste Fonte SNIRH 2014 2 CARACTERIZAÇÃO FLUVIAL 21 PERFIL TRANSVERSAL O perfil transversal de um rio é uma representação gráfica da variação da profundidade e largura de sua calha ao longo de uma seção específica Este estudo é crucial para a análise da morfologia fluvial pois permite compreender as características hidráulicas do rio identificar áreas suscetíveis a erosão e deposição de sedimentos Além disso a importância do monitoramento contínuo do perfil transversal funciona como uma forma de prever o comportamento futuro do rio e adotar medidas preventivas para mitigar impactos ambientais e proteger infraestruturas próximas No caso do Rio Sacramento sua análise do perfil transversal revelou mudanças significativas ao longo dos anos Em nosso estudo adotamos duas datas para a comparação como métrica principal verificouse as medidas entre os anos de 2023 e 2022 e para fins de enriquecimento do trabalho uma comparação desde o início da série histórica em 1990 com as medidas mais atuais em 2023 Tais comparações são evidenciadas nos gráficos a seguir Gráfico 1 Perfil transversal em 2023 Fonte ANA 2024 Gráfico 2 Perfil transversal em 2022 Fonte ANA 2024 Gráfico 3 Comparativo 1990 x 2023 Fonte ANA 2024 Entre os anos de 2022 e 2023 observase uma leve modificação na calha do rio principalmente na região central da seção com uma leve elevação no leito possivelmente decorrente de processos de sedimentação Esse tipo de alteração pode ser um indicativo da influência de fatores antrópicos como o uso do solo nas margens ou de variações no regime de vazão do rio Já entre os anos de 1990 e 2023 a comparação histórica destaca transformações mais expressivas com um aumento notável na profundidade do canal em certos trechos Isso pode estar relacionado a um aumento de eventos de enchente intensificação da erosão fluvial ou modificações naturais eou antropogênicas ao longo das últimas décadas 22 CURVA CHAVE A curvachave de um rio é uma relação matemática que correlaciona a altura do nível da água cota medida em uma estação fluviométrica com a vazão do rio em diferentes condições de escoamento Essa curva é fundamental para a hidrologia pois com base em poucas medições de altura cota é possível estimar a vazão do rio com precisão Além disso o estudo da curvachave é dinâmico uma vez que mudanças no canal do rio como erosão sedimentação ou intervenções humanas podem alterar a relação entre a cota e a vazão demandando ajustes periódicos Conforme observado por Chow 1959 qualquer modificação significativa nas características do leito do rio pode exigir a recalibração da curvachave a fim de garantir a precisão dos dados hidrológicos Para nosso estudo no Rio Sacramento utilizouse novamente dos dados fornecidos pela agência nacional de águas ANA que fornece os coeficientes bem como o modelo matemático equação de potência para determinar as vazões por meio da curva chave 𝛼 𝐻 ℎ0𝑛 Equação 1 Equação de potência ou exponencial Fonte FURB apud Chevalier 2004 Onde 𝛼 𝑛 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑠 𝑑𝑎 𝑠𝑒çã𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑣𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐻 É 𝑜 𝑛í𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑎 𝑟é𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 à 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 ℎ0 É 𝑜 𝑛í𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑎 𝑟é𝑔𝑢𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑞𝑢𝑎𝑙 𝑎 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 é 𝑛𝑢𝑙𝑎 A tabela 2 mostra os resultados obtidos de vazão aplicando a equação I Data Cota m Vazão ANA m³ Coef α Coef h0 Coef n Vazão Calculada Erro 14062023 056 3929 8846 007 16985 4035774187 265 11072022 05 41148 8846 007 16985 3404868765 2085 Tabela 2 Curvaschave do Rio Sacramento Fonte ANA 2024 Como podemos observar no ano de 2023 o modelo de cálculo se aproximou da vazão medida o que mostra que a correspondência entre o modelo e as medições empíricas se aproximam O mesmo já não ocorre para o ano de 2022 onde podese observar um grau de discrepância considerável sendo que essa diferença nos erros entre as duas datas pode indicar variações na precisão do modelo para diferentes condições de fluxo ou mudanças nas características do rio ao longo do tempo como a morfologia do canal ou as condições hidrológicas 23 COTAS A observação das cotas é uma prática comum em estações fluviométricas onde são registrados os níveis de água de um rio ou corpo hídrico Esses dados são fundamentais para o cálculo das vazões que por sua vez são usados para estudos de gestão de bacias hidrográficas controle de enchentes planejamento de sistemas de abastecimento de água e irrigação além de serem importantes para a navegação fluvial e a geração de energia hidrelétrica Porto 2006 Os gráficos 4 5 e 6 a seguir mostram as variações médias das cotas máximas médias e mínimas ao longo de toda a série histórica de medições e por meio da análise dessas cotas é possível pré determinar a altura ideal do canal de derivação Gráfico 4 Média das mínimas por ano Fonte ANA 2024 Gráfico 5 Média das médias por ano Fonte ANA 2024 Gráfico 6 Média das máximas por ano Fonte ANA 2024 A cota mínima do rio deve ser considerada para garantir que mesmo em períodos de estiagem o canal consiga captar água suficiente para suprir as necessidades a jusante Como é possível observar no gráfico 4 a variação entre as cotas mínimas ao logo dos anos é bem acentuada o que fez com que a média mínima ao longo da série histórica fosse deslocada pra cima acontece o oposto no gráfico 6 onde as cotas máximas jogaram a média para baixo logo adotando um fator de segurança de 30 podemos considerar que a base do canal de derivação deve ficar na cota 40 Ao observarmos o gráfico 5 vemos que a altura média de lâmina dágua do rio sacramento fica em 80 cm sem grandes variações ao longo dos anos Considerando que a base ficará na cota 40cm a lâmina dágua será de aproximadamente 40 cm Por fim como já supracitado o gráfico 6 apresenta grande variação das cotas máximas ao longo dos anos o que trouxe a média máxima para baixo logo a fim de evitar transtornos com períodos de cheia e adotando o mesmo fator de segurança de 30 temos que o topo do canal deve ficar na cota 180 cm Portanto falando em prédimensionamento o canal deveria ter uma altura de 140 metros 23 VAZÕES O estudo das vazões fluviais é essencial para diversas áreas da engenharia hidrologia e gestão ambiental pois influencia o planejamento e a execução de obras hidráulicas como os canais de derivação As vazões máximas servem de base para determinar a capacidade que as estruturas de hidráulicas devem ter as médias nos ajudam a entender o comportamento normal do rio e é utilizada para o dimensionamento de estruturas que vão operar em condições normais já a mínima é utilizada para garantir o abastecimento em períodos de estiagem e seca Em nosso estudo analisamos as vazões máximas médias e mínimas ao longo de toda a série histórica do Rio Sacramento Tal análise pode ser vista nos gráficos 7 8 e 9 a seguir Gráfico 7 Média das vazões mínimas por ano Fonte ANA 2024 Gráfico 8 Média das vazões médias por ano Fonte ANA 2024 Gráfico 9 Média das vazões máximas por ano Fonte ANA 2024