Hidráulica e Hidrologia: Webconferência sobre Ciclo Hidrológico

Hidráulica e Hidrologia Webconferência Profª Fernanda C Maia Objetivo da Aula Como funcionam as Webconferências desta disciplina Aprofundamento do conteúdo Resolução de exercícios Plantão de dúvidas Revisões Hidrologia Ciclo Hidrológico Denominase ciclo hidrológico o processo natural de evaporação condensação precipitação detenção e escoamento superficial infiltração percolação da água no solo e nos aquíferos escoamentos fluviais e interações entre esses componentes Righetto 1998 Ciclo Hidrológico Ciclo Hidrológico O vapor resultante é transportado pelo movimento das massas de ar Sob determinadas condições o vapor é condensado formando as nuvens que por sua vez podem resultar em precipitação Esta precipitação que ocorre sobre a terra pode ser dispersa de várias formas A maior parte fica retida temporariamente no solo próximo onde caiu que por sua vez retorna à atmosfera através da evaporação e transpiração das plantas Uma parte da água que sobra escoa sobre a superfície do solo ou para os rios enquanto que a outra parte penetra profundamente no solo abastecendo o lençol d água subterrâneo A Figura 1 demonstra melhor como ocorrem essas relações entre as fases Ciclo Hidrológico Mananciais Meteórico Subterrâneo Superficial Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Precipitação P Intercepção S Infiltração I Escoamento Superficial R Escoamento Subterrâneo G Transpiração T Evaporação E Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Precipitação P Como ocorre a chuva Vapor de água aglutinado em micro gotículas até o peso ser alto o suficiente para precipitar Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Intercepção S Retenção da água na vegetação até ser evaporada ou alcançar o solo Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Infiltração I A infiltração ocorre quando a intensidade da precipitação não excede a capacidade de infiltração do solo ou seja quando não houve a saturação do solo Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Escoamento Superficial R É condição excessiva da capacidade de retenção da vegetação ou da superfície do solo após a saturação As águas Cursos dágua vão se formando em filetes até encontrar riachos formando rios até atingir oceanos ou lagos Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Escoamento Subterrâneo G A água infiltrada percola até os aquíferos subterrâneos de forma lenta Escoamento de Base ocorre quando a água infiltrada ocorre na zona de aeração do solo até aparecer como escoamento superficial Mantém a vazão de base dos rios Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Transpiração T É o processo que ocorre através da água acumulada no solo e absorvida pela vegetação voltando em seguida à atmosfera através das folhas de plantas Ciclo Hidrológico Fases do ciclo Evaporação E Se inicia antes da chuva tocar no solo Nos lagos mares e oceanos a evaporação devolve a água à atmosfera completando o ciclo hidrológico onde estará disponível novamente para a precipitação Balanço Hidrológico Balanço hídrico O balanço hídrico pode ser entendido como o resultado da quantidade de água que entra e sai de um sistema em um determinado intervalo de tempo Diversas escalas espaciais podem ser analisadas para se contabilizar o balanço hídrico Em escala global o balanço hídrico é o próprio ciclo hidrológico cujo resultado nos mostrará a quantidade de água disponível no sistema no solo rios lagos vegetação úmida e oceanos ou seja na biosfera apresentando um ciclo fechado Precipitação Tipos de Precipitação Precipitações ciclônicas Estão associadas com o movimento de massas de ar de regiões de alta pressão para regiões de baixa pressão Essas diferenças de pressões são causadas por aquecimento desigual da superfície terrestre Podem ser classificadas como frontal ou não frontal Precipitação Frontal Tipo mais comum resulta da ascensão do ar quente sobre o ar frio na zona de contato entre duas massas de ar de características diferentes Se a massa de ar se move de tal forma que o ar frio é substituído por ar mais quente a frente é conhecida como frente quente e se por outro lado o ar quente é substituído por ar frio a frente é fria A Figura ilustra um corte vertical através de uma superfície frontal Precipitação Não Frontal é resultado de uma baixa barométrica neste caso o ar é elevado em consequência de uma convergência horizontal em áreas de baixa pressão As precipitações ciclônicas são de longa duração e apresentam intensidades de baixa a moderada espalhandose por grandes áreas Por isso são importantes principalmente no desenvolvimento e manejo de projetos em grandes bacias hidrográficas Precipitação Frontal tipo mais comum resulta da ascensão do ar quente sobre o ar frio na zona de contato entre duas massas de ar de características diferentes Se a massa de ar se move de tal forma que o ar frio é substituído por ar mais quente a frente é conhecida como frente quente e se por outro lado o ar quente é substituído por ar frio a frente é fria A Figura ilustra um corte vertical através de uma superfície frontal Precipitação Precipitações Convectivas São típicas das regiões tropicais O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aparecimento de camadas de ar com densidades diferentes o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável Se esse equilíbrio por qualquer motivo vento superaquecimento for quebrado provoca uma ascensão brusca e violenta do ar menos denso capaz de atingir grandes altitudes Figura As precipitações convectivas são de grande intensidade e curta duração concentradas em pequenas áreas chuvas de verão São importantes para projetos em pequenas bacias Precipitação Precipitações Convectivas São típicas das regiões tropicais O aquecimento desigual da superfície terrestre provoca o aparecimento de camadas de ar com densidades diferentes o que gera uma estratificação térmica da atmosfera em equilíbrio instável Se esse equilíbrio por qualquer motivo vento superaquecimento for quebrado provoca uma ascensão brusca e violenta do ar menos denso capaz de atingir grandes altitudes Figura 15 As precipitações convectivas são de grande intensidade e curta duração concentradas em pequenas áreas chuvas de verão São importantes para projetos em pequenas bacias Precipitação Precipitações Orográficas Resultam da ascensão mecânica de correntes de ar úmido horizontal sobre barreiras naturais tais como montanhas Figura As precipitações da Serra do Mar são exemplos típicos Precipitação Precipitações Orográficas Resultam da ascensão mecânica de correntes de ar úmido horizontal sobre barreiras naturais tais como montanhas Figura 16 As precipitações da Serra do Mar são exemplos típicos Precipitação Medições das Precipitações Expressase a quantidade de chuva h pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável Ela é avaliada por meio de medidas executadas em pontos previamente escolhidos utilizandose aparelhos denominados pluviômetros Figura ou pluviógrafos Figura conforme sejam simples receptáculos da água precipitada ou registrem essas alturas no decorrer do tempo As medidas realizadas nos pluviômetros são periódicas geralmente em intervalos de 24 horas sempre às 7 da manhã Precipitação Medições das Precipitações As grandezas características são a Altura pluviométrica lâmina dágua precipitada sobre uma área As medidas realizadas nos pluviômetros são expressas em mm b Intensidade de precipitação é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da precipitação expressa geralmente em mmh 1 ou mmmin1 Precipitação Medições das Precipitações As grandezas características são c Duração período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação h ou min Existem várias marcas de pluviômetros em uso no Brasil Os mais comuns são o Ville de Paris com uma superfície receptora de 400 cm2 e o Ville de Paris modificado com uma área receptora de 500 cm2 Uma lâmina de 1mm corresponde a 400 01 40 cm3 40 mL Precipitação Os pluviógrafos cujos registros permitem o estudo da relação intensidadeduraçãofrequência tão importantes para projetos de galerias pluviais e de enchentes em pequenas bacias hidrográficas possuem uma superfície receptora de 200 cm2 O modelo mais usado no Brasil é o de sifão de fabricação Fuess Um exemplo de pluviograma é mostrado na Figura 19 Precipitação Precipitação Análise de Consistência Preenchimento de falhas Muitas observações pluviométricas apresentam falhas em seus registros devido à ausência do observador ou por defeitos no aparelho Entretanto como há necessidade de se trabalhar com dados contínuos essas falhas devem ser preenchidas Precipitação Existem vários métodos para se processar o preenchimento Regressão Linear explica o comportamento de uma variável em função de outra PB a b PA A estima a precipitação no posto B a partir do valor de precipitação no posto A Os coeficientes da equação linear a e b podem ser estimados plotandose os valores de precipitação de dois postos em um papel milimetrado ou com a utilização do método dos mínimos quadrados Precipitação Existem vários métodos para se processar o preenchimento Média Aritmética dos postos vizinhos Métodos das Médias Aritméticas PX 1n A B C Esses dois métodos só devem ser utilizados em regiões hidrologicamente homogêneas isto é quando as precipitações normais anuais dos postos não diferirem entre si em mais de 10 Para isso devem ser consideradas séries históricas de no mínimo 30 anos Precipitação Existem vários métodos para se processar o preenchimento Método das razões dos valores normais Métodos das Médias Ponderadas Um método bastante utilizado para se fazer esta estimativa tem como base os registros pluviométricos de três estações localizadas o mais próximo possível da estação que apresenta falha nos dados de precipitação Designando por X a estação que apresenta falha e por A B e C as estações vizinhas podese determinar Px da estação X pela média ponderada do registro das três estações vizinhas onde os pesos são as razões entre as precipitações normais anuais em que N é a precipitação normal anual e n é o número de estações pluviométricas Precipitação Precipitação Média Sobre uma Bacia A altura média de precipitação em uma área específica é necessária em muitos tipos de problemas hidrológicos notadamente na determinação do balanço hídrico de uma bacia hidrográfica cujo estudo pode ser feito com base em um temporal isolado com base em totais anuais etc Existem três métodos para essa determinação o método aritmético o método de Thiessem e o método das Isoietas Precipitação Método Aritmético É o método mais simples e consiste em se determinar a média aritmética entre as quantidades medidas na área Esse método só apresenta boa estimativa se os aparelhos forem distribuídos uniformemente e a área for plana ou de relevo muito suave É necessário também que a média efetuada em cada aparelho individualmente varie pouco em relação à média A seguir Figura é mostrado um exemplo Precipitação Método Aritmético É o método mais simples e consiste em se determinar a média aritmética entre as quantidades medidas na área Esse método só apresenta boa estimativa se os aparelhos forem distribuídos uniformemente e a área for plana ou de relevo muito suave É necessário também que a média efetuada em cada aparelho individualmente varie pouco em relação à média A seguir Figura é mostrado um exemplo Precipitação Método de Thiessem Esse método subdivide a área da bacia em áreas delimitadas por retas unindo os pontos das estações dando origem a vários triângulos Traçando perpendiculares aos lados de cada triângulo obtêmse vários polígonos que encerram cada um apenas um posto de observação Admitese que cada posto seja representativo daquela área onde a altura precipitada é tida como constante Cada estação recebe um peso pela área que representa em relação à área total da bacia Se os polígonos abrangem áreas externas à bacia essas porções devem ser eliminadas no cálculo Se a área total é A e as áreas parciais A1 A2 A3 etc com respectivamente as alturas precipitadas P1 P2 P3 etc a precipitação média é Método de Thiessen Precipitação Precipitação Método de Thiessem O método de Thiessem apesar de ser mais preciso que o aritmético também apresenta limitações pois não considera as influências orográficas ele simplesmente admite uma variação linear da precipitação entre as estações e designa cada porção da área para estação mais próxima Precipitação Método das Isoietas No mapa da área Figura são traçadas as isoietas ou curvas que unem pontos de igual precipitação Na construção das isoietas o analista deve considerar os efeitos orográficos e a morfologia do temporal de modo que o mapa final represente um modelo de precipitação mais real do que o que poderia ser obtido de medidas isoladas Em seguida calculamse as áreas parciais contidas entre duas isoietas sucessivas e a precipitação média em cada área parcial que é determinada fazendose a média dos valores de duas isoietas Precipitação Método das Isoietas Usualmente se adota a média dos índices de suas isoietas sucessivas A precipitação média da bacia é dada pela equação Precipitação Método das Isoietas Usualmente se adota a média dos índices de suas isoietas sucessivas A precipitação média da bacia é dada pela equação Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Medição da Pressão Diversos equipamentos são empregados para medição da pressão de líquidos e em particular da água em tubulações Estes equipamentos são denominados de forma genérica manômetros e podem ter diversas formas Manômetro de Coluna o líquido é medido através de uma coluna liquida aberta à a atmosfera geralmente com um líquido de peso específico maior do que a água denominado líquido manométrico Manômetro Bourdon também denominado analógico é composto de um mecanismo ligado a um ponteiro que se deforma em função da pressão Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Fluxo M ou Vazão Q Fluxo é velocidade de passagem de uma propriedade extensiva São propriedades extensivas a massa o volume a energia o calor a quantidade de movimento e etc A entrada de fluxo é denominada afluxo e a saída efluxo O fluxo em massa é obtido pelo produto entre a massa fluida que atravessa uma superfície e a velocidade V Pode ser facilmente compreendido considerando um volume A x 1 que se desloca de uma distância L num intervalo de tempo Δt A quantidade de massa que se movimenta é Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Fluxo M ou Vazão Q Fluxo é velocidade de passagem de uma propriedade extensiva São propriedades extensivas a massa o volume a energia o calor a quantidade de movimento e etc A entrada de fluxo é denominada afluxo e a saída efluxo O fluxo em massa é obtido pelo produto entre a massa fluida que atravessa uma superfície e a velocidade V Pode ser facilmente compreendido considerando um volume A x 1 que se desloca de uma distância L num intervalo de tempo Δt A quantidade de massa que se movimenta é Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Conservação de Massa Este princípio estabelece que se o fluido é incompressível assim como a água nas condições normais de pressão e temperatura o fluxo em massa através de um espaço controlado é constante Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Quantidade de Movimento Todo corpo em movimento apresenta tem uma quantidade de movimento equivalente ao produto de sua massa pela velocidade A ação de uma força externa sobre este corpo altera sua velocidade e portanto sua quantidade de movimento Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Equação da energia ou Equação de Bernouilli Representa a energia total de uma partícula fluida por unidade de peso especifico e de volume No jargão técnico é designada por carga hidráulica Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais ESCOAMENTOS SOB PRESSÃO Também denominados ESCOAMENTOS EM CONDUTOS FORÇADOS são aqueles que se desenvolvem dentro das canalizações onde a pressão é diferente da atmosférica ou seja a pressão efetiva é diferente de zero Todos os sistemas de tubulações prediais de abastecimento de água oleodutos e gasodutos tem este tipo de escoamento O fator determinante nos escoamentos em condutos forçados é a perda de energia gerada pelos atritos internos do fluido e pelos atritos entre este e a tubulação Neste caso estes atritos são gerados pelas asperezas das paredes dos condutos ou ainda em função da turbulência movimento caótico das partículas gerada em função de variações de direção ou da própria seção do escoamento Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Regimes de Escoamento Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Regimes de Escoamento Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Regimes de Escoamento Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Perda de carga distribuída Esse tipo de perda de carga ocorre em trechos de tubulação retilíneos e de diâmetro constante Ela se dá porque a parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao longo de seu comprimento que faz com que a pressão total vá diminuindo gradativamente daí o nome perda de carga distribuída Hidráulica Relembrando Conceitos iniciais Perda de carga distribuída Esse tipo de perda de carga ocorre em trechos de tubulação retilíneos e de diâmetro constante Ela se dá porque a parede dos dutos retilíneos causa uma perda de pressão distribuída ao longo de seu comprimento que faz com que a pressão total vá diminuindo gradativamente daí o nome perda de carga distribuída Conceitos iniciais Perda de carga localizada A perda de carga localizada ocorre em trechos da tubulação onde há presença de acessórios sejam eles válvulas curvas derivações registros ou conexões bombas turbinas e outros A presença desses acessórios contribui para a alteração de módulo ou direção da velocidade média do escoamento e consequentemente de pressão no local ou seja age alterando a uniformidade do escoamento Dessa forma há contribuição para o aumento da turbulência no fluido e essa turbulência provoca a perda de carga Neste caso a perda de carga é provocada pelos acessórios na tubulação e recebe o nome de perda de carga localizada Um fato curioso sobre a perda de carga localizada é que sua influência sobre a linha de energia ocorre tanto a montante como a jusante da localização do acessório presente na tubulação Conceitos iniciais Perda de carga localizada A perda de carga localizada ocorre em trechos da tubulação onde há presença de acessórios sejam eles válvulas curvas derivações registros ou conexões bombas turbinas e outros A presença desses acessórios contribui para a alteração de módulo ou direção da velocidade média do escoamento e consequentemente de pressão no local ou seja age alterando a uniformidade do escoamento Dessa forma há contribuição para o aumento da turbulência no fluido e essa turbulência provoca a perda de carga Neste caso a perda de carga é provocada pelos acessórios na tubulação e recebe o nome de perda de carga localizada Um fato curioso sobre a perda de carga localizada é que sua influência sobre a linha de energia ocorre tanto a montante como a jusante da localização do acessório presente na tubulação Questionário 2 Hidrologia 1 O que é precipitação 2 Como são formadas as precipitações 3 Quais são os tipos de precipitação 4 Como são realizadas as medições das precipitações 5 Como é feita a analise de consistência das precipitações 6 Como é feita a precipitação média das bacias 7 Qual a diferença entre esses métodos Questionário 2 Hidráulica Exercícios resolvidos material extra httpsptslidesharenetGraziRuasexercciosresolvidosdehidrulicahidrulicabsicaportp httpswwwfcavunespbrHomedepartamentosengenhariaruraljoserenatozaniniapostila hidraulica2016pdf httpswpufpeledubrhugoguedesfiles201808ApostilaHidrC3A1ulicaversao 20182pdf Fim Dúvidas fmaiaprofunisabr Portal EAD fórum