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Engenharia

Hidrologia

By 14 de dezembro de 2018 No Comments

Olá Pessoal, na aula de hoje trataremos dessa parte da engenharia que vocês vão torcer para que apareça nas suas provas. O assunto é amplo, mas focaremos no que mais aparece em concursos. Tendo os conceitos aqui apresentados, acredito que vocês não encontrarão maiores dificuldades na hora de resolver questões.

1. Conceito de Hidrologia

Pode ser definida pela “ciência que estuda a ocorrência, circulação e distribuição das diferentes formas de água existentes na superfície terrestre, suas propriedades físicas e químicas e suas interações com o meio ambiente”.

A Hidrologia Aplicada tem o foco nas soluções que envolvem os recursos hídricos, a ocupação das bacias hidrográficas e a preservação do meio ambiente.

2. Usos Múltiplos da Água

O consumo dos recursos hídricos varia conforme a qualidade e quantidade de água disponível. Pode-se classificar o uso da água em:

a) Uso Consuntivo

Quando parte da quantidade e/ou qualidade da água é consumida, ou seja, retorna para os mananciais uma quantidade menor do que a retirada ou com qualidade inferior a qualidade retirada. Exemplo: Uso na irrigação ou no abastecimento de água de uma cidade.

b) Uso não Consuntivo

Quando é devolvida a mesma quantidade de água e com a mesma qualidade. Não há consumo do recurso. Os casos em que a água funciona apenas como um meio também se enquadram nessa classificação. Exemplo: Navegação ou geração de energia.

3. Ciclo hidrológico

O ciclo hidrológico pode ser estudado como sendo composto de: Precipitação; Evaporação; Infiltração e Escoamento Superficial. Essas fases são um ciclo, ou seja, resultará para uma determinada fase o volume que não participou das outras fases.

Parece trivial, mas ter em mente que o que resulta para uma determinada fases é a “sobra” das outras ajuda muito na resolução das questões. Esse ciclo é fechado, pois é considerado que a água fica retida entre a superfície terrestre (camadas mais superiores) e a atmosfera.

Esse ciclo é impulsionado fundamentalmente pela energia solar, em combinação com a energia gravitacional e a rotação da terra.

4. Precipitação

É a água proveniente do vapor d’água da atmosfera precipitada na forma de chuva, granizo, neve, orvalho ou geada.

a) Mecanismo de crescimento de gotas

Os principais mecanismos de crescimento de gotas são:

Coalescência: Choque físico entre pequenas gotas, originando uma de maior tamanho.

Difusão de vapor: Condensação de vapor na superfície de uma gota aumentando seu tamanho.

b) Tipos de chuvas

Os principais tipos de chuvas são divididos em: Convectivas; Orográficas e Ciclônicas. Serão apresentadas as principais características dos tipos de precipitação conforme sua forma de ocorrência:

Convectivas: Resultante da movimentação local do ar quente e úmido da superfície e encontro com o ar frio (mais denso). A abrangência dessas chuvas é local. São as chamadas chuvas de verão. Em geral, possuem as seguintes características:

  • Intensidade de média a alta.
  • Curta duração.
  • Pequenas áreas.

Orográficas: O prefixo “Oro” tem origem grega e remete a palavra “montanha”. Sabendo disso, será moleza na hora da prova lembrar que esse tipo de chuva acontece quando uma massa de ar úmido, que vem do oceano, acaba subindo bastante ao encontrar uma cadeia montanhosa. O exemplo clássico é o caso da Serra do Mar no Estado de São Paulo. A região antes dessa cadeia montanhosa que barra a massa de ar úmido é chamada de Barlavento. Já a região que tem a chegada da massa de ar úmido prejudicada pela cadeia montanhosa é chamada de Sotavento. As principais características da região de Barlavento e Sotavento são distintas e estão apresentadas abaixo:

  • Barlavento:
    • Precipitações de grande duração.
    • Baixa intensidade.
  • Sotavento:
    • Região de sombras pluviométricas.
    • Áreas mais secas ou semiáridas.

 

Chuvas Ciclônicas: São resultante do encontro de duas massas de ar movimentadas por aquecimentos diferenciados, em grande escala, da superfície terrestre, fazendo com que apareça diferença de pressão e trazendo as frentes que provocam precipitações no encontro da massa de ar frio e seco com a massa de ar quente e úmido. Em geral, possuem as seguintes características:

  • Grande duração.
  • Intensidade de baixa a moderada.
  • Estendendo-se por grandes áreas.

Por se estender por grandes áreas, torna-se importante para projetos que possuem grandes bacias hidrográficas. Exemplo: Projeto de grandes barragens.

São subclassificadas em:

  • Frontais:
    • Trata-se de ascensão de uma massa de ar quente sobre outra de ar frio.
    • É o tipo mais comum.
    • Dependendo de qual ar que é substituído, a frente pode ser chamada de fria ou quente:
      • Frente fria: O ar quente é substituído pelo frio.
      • Frente quente: O ar frio é substituído pelo quente.
  • Não-frontais:
    • Nesse caso, o ar quente converge horizontalmente, ou seja, de todos os lados e é elevado devido uma baixa barométrica.

c) Intensidade pluviométrica

É a razão entre a altura pluviométrica precipitada em um intervalo de tempo e essa duração da precipitação (Exemplo: 10 mm/h).

d) Período de retorno

O período de retorno ou tempo de recorrência pode ser entendido como o período médio em que um evento é igualado ou superado pelo menos uma vez.

Esse conceito é utilizado para que possamos trabalhar com a probabilidade de ocorrência de um determinado evento no ano.

A probabilidade de ocorrência ou de superação de um determinado evento no ano diminui com o aumento do Período de Retorno estipulado. A escolha do período de retorno depende do tipo e natureza do projeto.

É importante lembrar que se trata de expectativa ou probabilidade. Sendo assim, a ocorrência de uma cheia de 20 anos de Período de Retorno, por si só, não altera a probabilidade de ocorrência de outra cheia de 20 anos nos anos subsequentes, podendo ocorrer ou não. Mantida as demais condições hidrológicas a probabilidade de ocorrência é a mesma todos os anos.

e) Tempo de concentração:

Esse conceito será melhor apresentado na Seção Bacia Hidrográfica. Por hora, esse termo será apresentado simplesmente para que fique claro a diferença entre Tempo de Contração e Tempo de Recorrência.

Tempo de concentração é o lapso temporal entre o começo da precipitação e o momento em que toda a área de contribuição já contribui para um determinado ponto em estudo. Esse ponto de interesse pode ser uma seção transversal de uma calha, por exemplo.

Aparelhos para medição das precipitações:

  • Pluviômetro: Mede a altura total da precipitação por unidade de área.
  • Pluviógrafos: Mede simultaneamente a quantidade (altura precipitada) e a duração, gerando a intensidade da chuva.

f) Séries históricas

Para obtenção do período médio em que um evento é igualado ou superado, ou seja, na prática para obtenção do Período de Retorno são utilizadas as séries de registro de dados junto com a modelagem de probabilidade e estatística.

Os dados históricos são tratados, em geral, de três diferentes formas:

Séries Totais

Todas as ocorrências de precipitações são consideradas. A principal desvantagem da utilização dessa série é o grande volume de dados a serem analisados, deve-se atentar ainda para que não se considere mais de uma vez uma mesma chuva, considerando apenas a parcela mais intensa e garantindo assim a independência entre os eventos.

Séries Parciais

É uma simplificação da série total. Considera-se apenas precipitações acima de certo valor tido como intenso.

A análise dos dados dessa série para a estimativa do período de retorno de uma precipitação pode ser feita de forma simples, ordenando os eventos, de maneira decrescente, e obtendo-se o número de observações maiores ou igual à precipitação analisada. O período de retorno estimado é dado pela divisão do número de precipitações maiores ou iguais à analisada pelo número de anos de observações.

As séries parciais devem ser usadas se os segundos valores dos anos afetarem o projeto. Exemplo: Os danos em uma fundação de ponte por repetidas enchentes.

Essas séries possuem a limitação de não se ajustarem às distribuições estatísticas de valores extremos, logo não podendo ser utilizadas para grandes períodos de retorno.

Anuais

Considera a maior precipitação observada de cada ano.

Logo, observa-se sua recomendação para condições críticas, onde o valor máximo é o mais importante. Exemplo: Em projetos de vertedores de barragens o segundo ou terceiro maior evento não tem tanta importância, se a barragem é projetada para nunca ficar totalmente submersa.

Essa série, em geral, ajusta-se bem às distribuições de valores extremos. Da teoria dos valores extremos, tem-se que à medida que o número de observações cresce, os máximos anuais se aproximam de uma distribuição de frequência. Entretanto, recomenda-se utilização apenas quando se tem mais de 10 anos de observações.

g) Geração de Equações Intensidade-Duração-Frequência (IDF):

Após a separação e leitura das ocorrências de precipitações históricas, torna-se possível estabelecer, para efeito de projeto na localidade estudada, uma relação entre as seguintes variáveis: a intensidade, duração e frequência ou período de retorno.

A equação abaixo representa a forma geral observada em estudos hidrológicos:

5. Evaporação

A energia do sol é a principal responsável pela evaporação.

A evapotranspiração é outro importante fenômeno que devolve água para atmosfera, por meio da transpiração da vegetação. A obtenção de água para vegetação ocorre, de maneira geral, na área não saturada do solo, ou seja, em uma zona onde os vazios do solo contêm ar e água.

6. Infiltração

Os poros, fissuras e fraturas nos solos e nas rochas fazem com que a água consiga se infiltrar, ou seja, atravessar a superfície do solo.

A água que se infiltra atingindo a zona saturada recarrega os aquíferos subterrâneos.

O topo da zona saturada é chamado de Nível Freático.

As nascentes são ressurgências da água subterrânea.

São fatores que influenciam na capacidade de infiltração: condição da superfície (vegetação, urbanização etc); tipo e condições de solo (textura, índice de vazios, compactação etc); umidade inicial do solo e quantidade e características da precipitação submetida.

a)Capacidade de infiltração (CI)

É a quantidade máxima de água que consegue infiltrar no solo, por unidade de tempo (mm/h). Essa taxa máxima de água que infiltra no solo decai com o avanço da precipitação, tendendo para um valor constante, se a duração da chuva for suficientemente grande.

Dependendo das características das camadas e da quantidade de água que consegue infiltrar, pode haver escoamento subterrâneo em maior ou menor intensidade.

Equipamentos para medição da Capacidade de Infiltração:

  • Infiltrômetro de anel

É formado por dois cilindros concêntricos e um medidor de volume de água.

Medi a taxa de infiltração por meio da medição do volume no cilindro interno e observação do tempo.

  • Simuladores de chuva

Aplica-se água por aspersão em intensidade superior a capacidade de infiltração do solo em uma área delimitada por chapas metálicas e coleta-se o escoamento superficial em um dos lados da área delimitada. A diferença entre a intensidade da precipitação e a taxa de escoamento superficial (que é coletada e medida) é a taxa de infiltração do solo.

7. Escoamento superficial

O escoamento superficial consiste no caminho percorrido pela água na superfície até o curso d’água.

a) Hidrograma

É um gráfico de vazão (que tem unidade de m3/s ou l/s) no decorrer do tempo.

Para rios, esse gráfico é elaborado para uma determinada seção transversal. Para uma bacia, pode ser entendido como sendo a resposta da bacia hidrográfica a uma determinada precipitação, sendo essa resposta variável com vários fatores, tais como: tipo de ocupação e uso do solo, área de contribuição, características da precipitação etc.

b)Precipitação efetiva ou chuva excedente

É a parcela da precipitação que produz o escoamento superficial.

8. Bacia hidrográfica

Pode ser entendida como uma área de terra, definida topograficamente (por questões de simplicidade), que recolhe a precipitação, sendo drenada por um sistema conectado de cursos d’água, com toda vazão efluente descarregada por uma simples saída. Segundo os Profs. Daniel F. Carvalho, Jorge L. P. Mello e Leonardo D. B. da Silva “A resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica é transformar uma entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo (Figura 7).” Da sua apostila, listada na Bibliografia obtém-se a Figura 7 mencionada.

O gráfico acima é bem completo e merece ser memorizado.

Percebam que de forma geral, quando se inicia a chuva e o solo ainda está longe da saturação, quase que a totalidade do precipitado infiltra.

Quando mais próximo da saturação, o solo vai perdendo sua capacidade de infiltrar, consequentemente o escoamento superficial tende a aumentar.

a) Classificação dos cursos d’água quanto a constância do escoamento:

Perene

O lençol freático fica sempre acima do leito do curso d’água. Nunca seca.

Intermitente

Há escoamento nas épocas chuvosas e não nas épocas de seca. O lençol freático varia e fica acima do leito nas épocas chuvosas e abaixo nas épocas de seca.

Efêmeros

Lençol freático sempre abaixo do leito fluvial. O escoamento se dá apenas durante ou logo após as precipitações.

b) Densidade

Relação entre a soma do comprimento total dos cursos d’água pela área de contribuição da bacia.

c) Tempo de concentração

O tempo de concentração é definido como sendo o tempo, a partir do qual toda a área da bacia contribui para o escoamento em uma seção de análise.

A definição do tempo de concentração em bacias urbanas deve ser feita de forma cuidadosa, pois a maioria dos métodos existentes para determinação do tempo de concentração foram gerados a partir de observações e medições experimentais em bacias rurais e as diferenças entre os resultados obtidos por cada um dos métodos pode provocar variações significativas das vazões.

Este cuidado consiste na separação de trechos com velocidades de escoamento distintas, tais como, trechos de escoamento em superfície, trechos de escoamento em canais rasos e trechos de escoamento em canais ou galerias definidas.

Com os conceitos apresentados, fica claro perceber que o aumento da impermeabilização superficial, efeito provocado pelo aumento da urbanização em uma bacia, por exemplo, provoca entre outros fatores a diminuição do tempo de concentração de uma bacia hidrográfica, pois o impedimento da infiltração faz com que o escoamento superficial comece em um tempo mais curto.

d) Formas da bacia

A forma da área de contribuição de uma bacia também influencia o tempo de concentração, por exemplo, uma bacia cumprida tende a ter tempo de concentração maior que uma bacia mais arredondada, pois o trajeto do escoamento, para que toda a área esteja contribuindo tende a ser maior.

Alguns índices que tentam quantificar a forma da bacia:

Coeficiente de compacidade

É definido como sendo a razão entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área.

Da definição, decorre que esse coeficiente é sempre maior que 1 (igualaria a 1 para o caso de a bacia ser um círculo perfeito).

Tem-se a ideia que quanto menor esse coeficiente, mais circular é a bacia e espera-se que menor seja o tempo de concentração.

Fator de forma

Razão entre a largura média da bacia e o comprimento do eixo da bacia.

e) Regionalização das variáveis hidrológicas

Comumente faz-se necessário a transformação de dados pontuais, que são obtidos nas estações de medições das variáveis hidrológicas, em dados espaciais, como por exemplo em uma bacia de acumulação de vários metros quadrados. Para isso, existem alguns métodos para computar a regionalização das variáveis hidrográficas, permitindo a transferência de informações de um local para outro.

Vamos aos principais:

Para vazão

Regionaliza-se estatísticas (máximo, mínimos, médias etc), pois a vazão tem muitas variáveis, inclusive o tempo.

Sempre se associa um grau de risco ou probabilidade, por ter tratamento estatístico.

Para precipitação

  • Método aritmético (média)

É o mais simples, adotando como resultado a média aritmética dos dados coletados. Sua simplicidade provoca a restrição de só ser recomendado para áreas com distribuição uniformes, sem grandes variações, pois pode ser influenciado por valores extremos.

 

  • Método dos polígonos de Thiessen

É um dos métodos mais cobrados em concursos.

São definidas áreas de influência para cada estação de medição. Esse método baseia-se somente na distância entre as estações, ou seja, um determinado ponto tem sua precipitação representada pela medição da estação mais próxima a ele.

Logo, a área de influência de uma estação é limitada pela metade da distância até uma outra estação adjacente.

A definição do método resulta em áreas de influência que são, em regra, polígonos. Esses polígonos são construídos, em termos práticos, da seguinte forma:

    • 1º Passo: Ligar duas estações adjacentes por uma reta.
    • 2º Passo: Traçar a mediatriz dessa reta, que será um dos limites da área de influência entre as duas estações.
    • 3º Passo: Repetir os passos 1º e 2º até que fique definida a área das estações para toda a bacia hidrográfica em estudo.

Definida a área de influência de cada estação, o cálculo da precipitação média sobre a bacia é dado pela média dos registros das estações, ponderadas pela sua área de domínio dada pela equação abaixo.

Onde, Pi são as precipitação em cada estação de área de influência Ai e A é área total da bacia.

  • Método das Isoietas

Isoietas são linhas de igual pluviosidade. A determinação das linhas isoietas nem sempre é fácil, logo a aplicação desse método depende da experiência do profissional e da análise das condições hidrológicas da bacia.

f) Transformação de precipitação em vazão

É de grande importância o estabelecimento de relação entre a chuva precipitada e a vazão de resposta da bacia hidrográfica. Entretanto, já sabemos que a modelagem completa de todos os processos físicos envolvidos é complexa. Portanto, é comum a utilização de métodos simplificados para estimar parâmetros do hidrograma, tais como vazão máxima e tempo de pico.

    Coeficiente de Deflúvio (run-off)

Várias são as questões que tratam desse tema.

Este coeficiente relaciona o volume escoado superficialmente (em geral o que interessa para o dimensionamento dos sistemas de drenagem) com o volume total precipitado.

Tem-se a seguinte definição:

Já foi questão de prova:

  • Queria saber qual a dimensão (unidade) do Coeficiente presente na fórmula do método racional (que será estudado mais adiante). Fazendo a análise dimensional da equação do método racional é possível observar que o coeficiente é adimensional (não tem dimensão). Lembrando que esse coeficiente é um coeficiente de deflúvio, ou seja, razão entre dois volumes, também se chega no mesmo resultado.
  • Fique preparado para as bancas mais sutis. Se a banca disser que o coeficiente de deflúvio representa a razão entre o volume total precipitado e o volume escoado superficialmente sobre determinada superfície. Marque certo! A ideia desse coeficiente pode ser, resumidamente, conceituada como essa representação de razão entre esses volumes.
  • Com os conceitos apresentados, fica claro perceber que o aumento da impermeabilização superficial, efeito provocado pelo aumento da urbanização em uma bacia, por exemplo, provoca entre outros fatores o aumento do coeficiente de escoamento e, consequentemente, o aumento da vazão em uma bacia hidrográfica. Pois o impedimento da infiltração faz com que o escoamento superficial seja maior. Portanto, se a questão disser “O coeficiente de escoamento superficial pode variar no transcorrer no tempo” Marque certo!

Agora estudaremos os métodos de transformação de precipitação em vazão que mais caem em concurso, com o foco nas suas características e diferenciais.

Método racional

Permite determinar a vazão máxima de deflúvio de um evento em uma bacia. Notar que esse é um método simples, porém bastante utilizado na prática e muito cobrado em concursos públicos.

  • Utilizado para pequenas bacias sem complexidade.
  • Permite calcular o deflúvio máximo de um evento.
  • Assume que a precipitação tem intensidade constante ao longo da duração da precipitação e que a precipitação acontece em toda a área.

A equação do método racional é dada por:

sendo:

Q = descarga máxima [m3/s];

c = coeficiente de deflúvio [adimensional];

i = intensidade da chuva definida [mm/h] e

A = área da bacia hidrográfica [km].

Método do hidrograma unitário

É baseado em dois princípios:

  • Proporcionalidade: Definindo-se a vazão de resposta da bacia para uma chuva de duração fixada, assume-se que a o hidrograma de resposta para outra precipitação de mesma duração e intensidade diferente vai ter a mesma duração do escoamento, com valores de vazão resposta proporcional a intensidade da precipitação.
  • Superposição: É assumido que para precipitações consecutivas, a resposta da bacia é dada de forma independente.

Hidrogramas Unitários Sintéticos (HUS)

São função da chuva excedente, sendo utilizados para transformar esses hietogramas em hidrogramas de projeto “artificiais”. Assumindo-se válida a hipótese que uma bacia ideal se comporta como um reservatório linear, o hidrograma resultante possuirá tempo de pico e duração constantes, sendo o deflúvio proporcional à altura da precipitação excedente de intensidade constante e determinada duração. Logo, se for determinado um hidrograma para uma chuva efetiva unitária, pode ser determinado por proporção o hidrograma de outras ocorrências de mesma duração e intensidade constante.

A forma do hidrograma unitário é função das características de escoamento nas bacias. A duração da chuva que define esse hidrograma é chamada de duração de chuva unitária.

Método SCS

É um dos hidrogramas unitários Sintéticos mais comuns.

Nesse método a forma estabelecida representa a média de muitas observações em bacias de diferentes características. O hidrograma unitário definido por esse método tem formato triangular como mostra a figura abaixo.

Os parâmetros necessários para sua definição são dados pelas equações abaixo:

onde

tc : tempo de concentração [h];

tR : tempo de retardo [h], que é o tempo compreendido entre o centro de massa do hietograma excedente até o pico do hidrograma;

qp : vazão do pico do hidrograma unitário [m3/s];

A : área da bacia em [km2];

D : duração da chuva unitária [h];

tb : tempo de base do hidrograma unitário [h] e

tp : tempo de pico do hidrograma unitário [h].

Como na definição do hidrograma unitário do SCS a forma é fixada, a aplicação desse método é restrita a bacias entre 3 e 250 km2. Para bacias maiores, ocorrem maiores decaimentos do pico de vazão, sendo a forma do gráfico modificada.

Hidrograma de projeto

A obtenção do hidrograma de projeto da forma sintética passa pela aceitação duas hipóteses mencionadas anteriormente.

A primeira é conhecida como princípio da proporcionalidade ou constância do tempo de base, onde o tempo de base do hidrograma não varia com a altura da precipitação, sendo a vazão proporcional à altura da chuva excedente de duração fixada.

A segunda hipótese adota o princípio da superposição, onde se entende viável a combinação por somatório dos diferentes hidrogramas, gerados ao longo do tempo, e com vazões de pico distintas.

Combinando-se essas duas hipóteses torna-se possível obter o hidrograma resultante para qualquer chuva excedente, dividindo a precipitação em intervalos de mesma duração e somando as parcelas proporcionais equivalentes, por meio, dos hidrogramas unitários. Esse processo de combinação linear dos hidrogramas defasados no tempo é chamado de convolução [TUCCI, C. E. M. Drenagem urbana. Porto Alegre: Ed. da Universidade/UFRGS/ABRH, 1995].

Pela forma de obtenção desse hidrograma, definida acima, o tempo de base resultante será dado pelo tempo de base do hidrograma unitário somado com o tempo de duração da chuva excedente e diminuindo a duração da chuva unitária.

g)Curva-chave

Quando a morfologia da seção transversal de um rio não se modifica com o tempo, tenta-se estabelecer uma relação biunívoca entre a cota do nível d’água em uma determinada seção e a vazão nessa seção transversal.

Esse procedimento é uma simplificação, e o ajuste da curva pode ser realizado de forma empírica e pode apresentar grandes erros quando se faz necessário extrapolar os valores medidos empiricamente em casos de enchentes, por exemplo.

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