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ESCOAMENTO SUPERFICIAL
José Antonio Tosta dos ReisDepartamento de Engenharia AmbientalUniversidade Federal do Espírito Santo
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
• Segmento do ciclo hidrológico que estuda o deslocamento das águas sobre a superfície do solo.
• Denomina-se 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
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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 d’água, construção de barragens)
GRANDEZAS ASSOCIADAS
• Vazão:“Volume de água que atravessa a seção transversal
considerada por unidade de tempo”
• Coeficiente de Escoamento superficial (C):
oprecipitad Volumelmentesuperficia escoado água de Volume
C =
• Tempo de concentração (t C):“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”
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3
• 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 ?
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4
Q
N.A.
• Aplicável a pequenas vazões (Q ≤ 10L/s)
MEDIÇÃO VOLUMÉTRICA OU DIRETA
TempoVolume
Q =
• Pouca Precisão
• Aplicável a Q > 300 L/s
~ 5 m
L > 10 m
(B)(A)
VARAS
VISTA DE CIMA DO CURSO D’ÁGUA.
MEDIÇÃO COM FLUTUADOR
V.AQ =
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5
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 = 0,85 a 0,95.Vmax
Canais com paredes pouco lisas (terra)
V = 0,75 a 0,85.Vmax
Canais com paredes irregulares e vegetação no fundo
V = 0,65 a 0,75.Vmax
MEDIÇÃO COM FLUTUADOR
Determinação da Seção Média
L = largura superficialn = número de subdivisõesn
L.
h....
nL
.hh
nL
.h
A
AA.....AAAA
n
nn
++
++
=
+++++=
−
−
2221211
1210
L/nL/n L/nL/nL/n
A1
h1
A0 A2
h3
hn -
1h2
A3 An-1
MEDIÇÃO COM FLUTUADOR
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6
q.C0 = (Q + q) .C1
• q = vazão constante do soluto• C0 = concentração do soluto• Q = vazão do curso d’água• C1 = concentração da mistura a jusante
Aplicável a rios com turbulência para garantirmistura completa
Quando o “soluto” é radiativo, deve-se corrigir o efeito do decaimento no tempo (massa do soluto se altera)
MEDIÇÃO POR PROCESSOS QUÍMICOS
• Medir a vazão de pequenos cursos d’água, canais e nascentes
• Para 10L/s < Q ≤ 300L/s
SOLEIRA OU CRISTA
b
CORPO OU PAREDE
L
a
h
MEDIÇÃO COM VERTEDORES
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7
• Soleira ou crista é a aresta do vertedor sobre a qual passa a água;
• Carga do vertedor é a altura “h” da lâmina d’água 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.
N.A.
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 <<<< 2/3H) • Parede espessa (e ≥≥≥≥ 2/3H)
H
P e
soleira
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8
1. Vertedor sem contração lateral (L ==== B)
L = B
CONFIGURAÇÃO DAS LINHAS DE CORRENTE
VISTA DE CIMA (PLANTA)
L = B
SECÇÃO TRANSVERSAL
VERTEDOR
H
3. Quanto ao comprimento da Soleira
1 . V e r t e d o r c o m c o n t r a ç ã o l a t e r a l ( L <<<< B )
L < B
D U A S C O N T R A Ç Õ E S
H
L < B
U M A C O N T R A Ç Ã O
H
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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 = 0,62 (valor típico também para os orifícios)
2/3d h.g.2.b.C.
32
Q =
2/3h.b.831,1Q =
232
5001611000
81618161 /h.b
ahh
, ,h.
,,Q
++
++=
( ) 2/32
0011,0h.b.a0011,0h
24,0782,1Q +
++=
•Fórmula da Sociedade Suíça de Engenheiros e Arquitetos
•Estabelecida em vertedores retangulares com 3 m de largura e cargas variando entre 0,10 e 0,80 m.
Fórmula de Rehbock Estabelecida para cargas variando entre 0,02 e 0,20m
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10
2/32
h.b.ah
h26,0184,1Q
++=
2/32
h.b.ah
h.55,01.
h0133,0
794,1Q
++
+=
•Fórmula de Francis•Estabelecida para cargas variando entre
0,18 e 0,48m
Fórmula de BazinEstabelecida para cargas variando entre 0,05 e 0,60m
Os vertedores triangulares são aplicáveis para cargas muito pequenas.
2/3d h.b.C.
15
g.2.4Q =
( )otg.hb
452
= 2/5d h.C.
15
g.2.8Q =
O ângulo αααα, em geral, é reto. Desta forma:
b
αααα h
VERTEDORES TRIANGULARES
b = 2.h
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VERTEDORES TRIANGULARES
VERTEDORES TRIANGULARES
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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 0,80 l/s e 93 m3/s.
2/3mc H.L.2,2Q =
•Lc: largura da garganta;
•Hm: altura do nível d’água medido à montante da garganta do medidor.
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CALHAS PARSHALL
CALHAS PARSHALL
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Dimensão nominal Vazão Mínima(m3/s)
Vazão Máxima(m3/s)
3’’ 0,008 0,053
6’’ 0,0014 0,111
9’’ 0,0025 0,251
1’ 0,0033 0,457
2’ 0,0121 0,937
4’ 0,0358 1,923
6’ 0,0741 2,929
8’ 0,0972 3,949
10’ 0,16 8,280
15’ 0,23 25,040
20’ 0,31 37,970
25’ 0,38 47,140
30’ 0,46 56,330
40’ 0,60 74,700
50’ 0,75 93,050
Limites de vazões para cada dimensão nominal da gar ganta da calha Parshall
MOLINETES FLUVIOMÉTRICOS
� Utilizados para determinar a vazão em cursos d’água natural.
� Consiste em determinar a área da seção e a
velocidade média do fluxo que passa na seção. � Tipos:
• Eixo Horizontal • Eixo Vertical (ou Diferencial)
� Baseiam- se na proporcionalidade que se verifica
entre a velocidade de rotação do aparelho e a velocidade da corrente.
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MOLINETES FLUVIOMÉTRICOS
Para pequenas profundidades ( ~ 1.20 m)
Para pequenas vazões, molinete preso à uma haste
MEDIÇÃO COM MOLINETE SOBRE PONTE
• Problemas da influência da estrutura
• Localização da ponte propicia uma boa seção para medição
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MEDIÇÃO COM BARCO FIXO• É a mais freqüente• Barco fixado a um cabo de aço• Cabo preso nas margens• Posições das verticais medidas no cabo
Medição a vau (a) e sobre barco fixo ( b) e (c)
CÁLCULO DA VAZÃO
Q = ΣΣΣΣ Vmedia(i) . Área(i)
L/nL/n L/nL/nL/n
A1
h1
A0 A2
h3 hn - 1h2
A3 An-1
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• A hélice do aparelho gira e um número de rotações por segundo (n) é contado
• O equipamento possui uma curva calibrada do tipo
V = a.n + b (onde a e b são características do aparelho)
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOLINETE
• Número de verticais adequado
• Evitar correntes inclinadas
• Rapidez para evitar variação do NA
• Evitar vibração do molinete
• Evitar que o cabo do molinete fique inclinado
REQUISITOS PARA UMA BOA MEDIÇÃO
NÚMERO DE VERTICAIS DE MEDIÇÃO
fonte: Anuário Fluviométrico n.2
Ministério da Agricultura - DNPM - 1941
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MEDIÇÃO DE VAZÕES E NÍVEIS
• Para reduzir custos, medem-se os níveis d’água e por meio de uma função ( curva-chave ) se obtêm as vazões correspondentes.
• Locais de medição de vazões e níveis chamam-se 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.
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POSTO FLUVIOMÉTRICO
RÉGUAS LIMNIMÉTRICAS
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CURVA- CHAVERelação entre vazão e nível d’água.
RIO PARAIBA
0
100
200
300
400
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00H (m)
Q (
m3/
s)
Forma Geral
Q = a.( H - H0 )b
• Q = vazão
• H = nível d’água
• H0, a, b = parâmetros de ajuste
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POSTOS FLUVIOGRÁFICOS
LIMNÍGRAFO DE BÓIA
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A BASE DE DADOS DA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUA (ANA)
• A Agência Nacional de Águas gerencia a rede de estações hidrometeorológicas instaladas no Brasil.
• www.ana.gov.br
• Sistema HIDROWEB
� Obtenção das informações sobre precipitação, vazão, qualidade de água e sedimentometria
� Arquivos texto ou access
AVALIAÇÃO DE VAZÕES MÁXIMAS
Inundação ocorrida no município de Vila Velha – ES, em 1960
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MÉTODO DE GUMBEL
MÉTODO DE FOSTER
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MÉTODO DE FÜLLER