INTRODUCAO HIDROLOGIA

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Slides de Hidrulica.

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<p>Introduo Hidrologia1-11INTRODUO HIDROLOGIA Hidrologiaacinciaquetratadaterra,suaocorrncia,circulaoedistribuio,suas propriedadesfsicasequmicas,esuasreaescomomeioambiente,incluindosuas relaes com a vida. Engenhariahidrolgicaumacinciaaplicada.Elausaprincpioshidrolgicosna soluo de problemas de engenharia provenientes da explorao dos recursos hdricos. 1.1Importncia da Hidrologia Fundamental para: -Dimensionamento de obras hidrulicas -Aproveitamento de recursos hdricos -aproveitamentos hidroeltricos 92% da energia produzida no pas; -abastecimento urbano 75% da populao do Brasil esto em reas urbanas; -irrigao problema de escolha do manancial; estudo de evaporao e infiltrao, -navegao obteno de dados e estudos sobre construo e manuteno de canais navegveis. -drenagemestudodeprecipitaes,baciasdecontribuioenveldguanos cursos dgua. -regularizao de cursos dgua estudo das variaes de vazo. -Controle de inundaes previso de vazes mximas -Controle e previso de secas -estudo das vazes mnimas -Controle de poluio -vazes mnimas de cursos dgua, capacidade de reacrao e velocidade 1.2Disponibilidade Hdrica Total de gua no planeta....................................................1400 x 1015m3 (100%) Oceanos............................................................................. 1350x1015 (96,4%) Geleiras.............................................................................. 25 x 1015 (1,8%) guas subterrneas............................................................ 8.4 x 1015 (0,6%) Rios e lagos........................................................................ 0.2 x 1015 (0,01%) Atmosfera........................................................................... 0.01 x 1015 (0,0007%) 1.3Importncia da gua -Elemento essencial vida Introduo Hidrologia1-2 seres vivos: maior parte em peso gua (homem 67%) portanto: disponibilidade de gua condiciona a biomassa. -Regulador trmico condiciona o clima -Produo de alimentos suprimento: natural e/ou irrigao animais e vegetais aquticos -Essencial sade -abastecimento domstico -molstias de veiculao hdrica -Produo de energia -no Brasil:50 x 106 KW instalados (90% hidro) 150 x 106 KW potenciais (a desenvolver) -Insumo industrial -resfriamento -lavagem -processo produtivo -incorporao ao produto -Meio de transporte -navegaes, minerodutos -afastamento de dejetos (autodepurao) -Recreao, paisagismo Introduo Hidrologia2-32CICLO HIDROLGICO -De uma maneira ou de outra, a gua existe em toda parte. -Pode ser considerada ilimitada nos oceanos (relativo ao homem) e de magnitude quase nula nas regies desrticas. -Na atmosfera, a gua est presente em forma de vapor, nuvens e precipitao. -Sob a superfcie da Terra ocorre em forma de cursos dgua e lagos. -Maiorporodeguadoplanetaestcontidanosoceanosmesmoassim,h permanente circulao de gua em todo o corpo da natureza -A evaporao na superfcie dos oceanos permanente -A gua evaporada dos oceanos: a) condensa-se e precipita-se sobre os mesmos; b)levadapelosventosparareascontinentaiseprecipita-sesobformadechuva, granizo, neve ou condensa-se sob a forma de orvalho ou geada nas reas de vegetao. -Umidade sob forma de orvalho ou geada diretamente evaporada ou absorvida pela vegetao. -gua precipitada sob a forma de chuva: a) uma parte transforma-se em vapor; b) outra parte interceptada pela vegetao, pelas construes e objetos e parcialmente reevaporada; c) outraparteescoasuperficialmenteatalcanaroscursosdgua,retornandoaos oceanos. d) outra parte infiltra-se pelo solo, onde: I-parte retida por capilaridade nas proximidades da superfcie e dali evaporada; II- outraparteutilizadapelavegetaoretornandoatmosferapeloprocessode transpirao; III- outraparteinfiltra-semaisprofundamente(subsolo)dandoorigemaoescoamento subterrneo; IV- umapequenaparteinfiltra-seatgrandesprofundidadese,apslongosperodosde tempo, surge sob a forma de nascentes ou giseres. -gua que alcana os cursos dgua somente uma parte escoa diretamente para o rio. -O restante: a) evaporado diretamente da superfcie lquida; b) absorvido pela vegetao ribeirinha; c) penetra nos solos marginais quando o nvel fretico inferior ao nvel do curso dgua; estaparcelapoderetornaraocursodguaempontosmaisajusante;oupode encontrarsadasemnascentesdistantesemoutrasbacias,lagosoumesmonomar; pode ainda ser alcanada por vegetais de razes profundas ou ento agregar-se s guas subterrneas. Introduo Hidrologia2-4Essaseqnciadefatosdenominadaciclohidrolgicoeestrepresentadademaneira bastante ilustrativa nas figuras 2.1 e 2.2. Figura 2.1 Ciclo hidrolgico. Figura 2.2 Representao esquemtica do ciclo hidrolgico. OciclohidrolgicopodeserrepresentadopelachamadaEquaodoBalanoHdrico, que em geral est associada a uma bacia hidrogrfica. Essa equao dada por: P EVT Q = R(2.1) Introduo Hidrologia2-5onde: P total precipitado sobre a bacia em forma de chuva, neve, etc., expressa em mm; EVTperadas por evapotranspirao, expressa em mm; Q escoamento superficial que sai da bacia. normalmente dado em vazo mdia aolongo do intervalo (por exemplo m3/s ao longo do ano); R variao de todos os armazenamentos, superficiais e subterrneas. expressoem m3 ou em mm. Esteassuntoservistomaisadiante,comdetalhes,apsterconhecidoosconceitosde precipitao, evapotranspirao e escoamento superficial. Introduo Hidrologia3-63BACIA HIDROGRFICA(B.H.) -areageogrficanaqualtodaguadechuvaprecipitadaescoapelasuperfciedo solo e atinge a seo considerada. Sinnimo: bacia de contribuio, bacia de drenagem. Figura 3.1 Esquema de uma bacia hidrogrfica. Figura 3.2 Bacia hidrogrfica do Rio do Jacar. -Uma B.H. necessariamente definida por um divisor de guas que a separa das bacias adjacentes. Figura 3.3 Corte transversal de uma bacia hidrogrfica. Introduo Hidrologia3-7-Todososproblemasprticosdehidrologiasereferemaumadeterminadabacia hidrogrfica. -comumtambmseestudarapenasumapartedeumcursodgua.Nestescasos,a B.H. a ser considerada a que se situa montante (para cima) do ponto considerado. Figura 3.4 B.H. do Rio Parate a montante da seco L. 3.1Delimitao de uma B.H. necessriodispordeumaplantaplani-altimtricaparasedelimitarcorretamenteuma baciahidrogrfica.Procura-setraarumalinhadivisoradeguasqueseparaabacia hidrogrfica considerada das vizinhas. Ao se traar o divisor de gua (D.A) deve-se considerar: -O D.A. no corta nenhum curso dgua; -Os pontos mais altos (pontos cotados) geralmente fazem parte do D.A; -OD.Adevepassarigualmenteafastados quandoestiverentreduascurvas de mesmo nvel; -O D.A deve cortar as curvas de nvel o mais perpendicular possvel. Figura 3.5 A figura da pgina seguinte mostra uma planta com o divisor de uma bacia hidrogrfica. Introduo Hidrologia3-8Figura 3.6 3.2Caractersticas de uma Bacia Hidogrfica rea de drenagem a rea plana (projeo horizontal) inclusa entre seus divisores topogrficos. A rea o elementobsicoparaoclculodasoutrascaractersticasfsicas.AreadeumaB.H. geralmente expressa em km2. Na prtica, determina-se a rea de drenagem com o uso de um aparelho denominado planmetro, porm pode-se obter a rea com uma boa preciso, utilizando-se o mtodo dos quadradinhos. Caberelembraraquia utilizao deescalas. Por exemplo,seestivessetrabalhando com um mapa na escala 1: 100.000:1 cm no mapa equivale a 100.000 cm ou 1.000 m ou 1,0 km, na medida real. 1 cm2 equivale a 1,0 x 1,0 =1,0 km2. Supondo que a escala do mapa fosse 1:50.000: 1 cm no mapa equivale a 50.000 cm = 500 m = 0,5 km real. 1 cm2 = 0,5 x 0,5 = 0,25 km2. Forma da Bacia A forma da bacia influencia o escoamento superficial e, conseqentemente, o hidrograma resultante de uma determinada chuva. Doisndicessomaisusadosparacaracterizarabacia:ndicesdecompacidadee conformao. Introduo Hidrologia3-91.ndicedeCompacidade(kc)arelaoentreopermetrodabaciaea circunferncia de um crculo de rea igual da bacia. APKC28 , 0 =(3.1) onde: P permetro da bacia; A rea da bacia. Casonoexistamfatoresqueinterfiram,osmenoresvaloresdekcindicammaior potencialidade de produo de picos de enchentes elevados. 2.ndicedeConformao(Fatordeforma)arelaoentreareadabaciaeo quadradodeseucomprimentoaxialmedidoaolongodocursodguadesdea desembocadura at a cabeceira mais distante do divisor de gua. 2LAIc =(3.2) onde: A rea da bacia; L comprimento axial. Rede de drenagem (Rd) oconjuntodetodososcursosdguadeumabaciahidrogrfica,sendoexpressaem km. ==nii dl R1 (3.3) onde: li comprimento dos cursos dgua. Densidade de drenagem (Dd) A densidade de drenagem indicaeficincia da drenagem na bacia. Ela definida como a relaoentre ocomprimentototaldoscursos dguaeareadedrenagemeexpressa em km/ km2. A bacia tem a maior eficincia de drenagem quanto maior for essa relao ALDd = (3.4) Nmero de ordem Aclassificaodosriosquantoordemrefleteograuderamificaooubifurcao dentro de uma bacia. Oscursosdguamaiores possuemseustributriosqueporsuavezpossuem outrosat que chegue aos minsculos cursos dgua da extremidade. Geralmente,quantomaioronmerodebifurcaomaiorserooscursosdgua;dessa forma, pode-se classificar os cursos dgua de acordo com o nmero de bifurcaes. Numa bacia hidrogrfica, calcula-se o nmero de ordem da seguinte forma: comea-se a numerartodososcursosdgua,apartirdanascente,demontanteparajusante, colocandoordem1nostrechosantesdequalquerconfluncia.Adota-seaseguinte sistemtica:quando ocorrer uma unio de doisafluentes de ordensiguais,soma-se 1ao Introduo Hidrologia3-10rioresultanteecasooscursosforemdenmerosdiferentes,d-seonmeromaiorao trecho seguinte. Figura 3.6 Declividade do lveo Avelocidadedeumriodependedadeclividadedoscanaisfluviais.Quantomaiora declividade,maiorseravelocidadedeescoamento;nestecaso,oshidrogramasde enchente tero ascenso mais rpida e picos mais elevados. Determinao da declividade equivalente (ou mdia): 1.Pelo quociente entre a diferena de suas cotas e sua extenso horizontal: LHIeqA= (3.5) onde: AH diferena entre as cotas do ponto mais distante e da seo considerada; L comprimento do talvegue principal. 2.Pelomtododecompensaoderea:traa-senogrficodoperfillongitudinal, uma linha reta, tal que, a rea compreendida entre ela e o eixo das abcissas (extenso horizontal) seja igual compreendida entre a curva do perfil e a abcissa. </p> <p> A1 = A2 LA 2H L HATRTR= A A=2 LHIeq A=L LAITReq=222LAITReq=Introduo Hidrologia3-11Comoareadotringuloretnguloigualreaabaixodoperfillongitudinaldo talvegue, pode-se escrever a equao de Ieq da seguinte forma: 22Lperfil do abaixo reaIeq=(3.6) 3.Pela mdia harmnica (mais utilizada) A declividade equivalente determinada pela seguinte frmula: 21((((((</p> <p>==niiieqILLI (3.7) ondeLaextensohorizontaldoperfil,quedivididoemntrechos,sendoLieIi, respectivamente, a extenso horizontal e a declividade mdia em cada trecho. Tempo de concentrao (tc) otemponecessrioparaquetodaaguaprecipitadanabaciahidrogrficapassea contribuir na seo considerada. Frmula para o clculo de tc: 1.Frmula de Kirpich 385 , 0257||.|</p> <p>\|=eqcILt (3.8) onde: Ieq declividade equivalente em m/km; L comprimento do curso dgua em km. 2. Frmula de Picking 3123 , 5||.|</p> <p>\|=eqcILt (3.9) onde: L comprimento do talvegue em km; Ieq declividade equivalente em m/m. Exerccio-exemplo 3.1: Introduo Hidrologia3-12Desenharoperfillongitudinaldotalvegueprincipaldabaciaabaixoedeterminara declividadeequivalente,utilizandoomtododecompensaodereaedamdia harmnica. Determinar tambm o tempo de concentrao para duas declividades. Com auxlio de um curvmetro (aparelho que mede o comprimento de linhas), mediu-se, apartirdoexutrio(pontoL),paramontante,asdistnciasdeleatospontosondeo cursodguacortaascurvasde nvel.Comosdadosobtidos,construiu-seaseguinte tabela: PontoDist. de L (m)Cota (m) L A B C D E F 0,0 12.400 30.200 41.000 63.700 74.000 83.200 372 (*) 400 450 500 550 600 621 (*) (*) estimado a) Perfil longitudinal 3504004505005506006500 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000Comprimento (m)Cota (m) Introduo Hidrologia3-13d)Clculo da declividade equivalente pelo mtodo de compensao de rea e) 2m A 400 . 943 800 . 17228 782= += 2m A 400 . 112 . 1 800 . 10278 1283= += 2m A 100 . 473 . 3 700 . 222128 1784= += 2m A 900 . 090 . 2 300 . 102178 2285= += 2m A 200 . 194 . 2 200 . 92228 2496= += Atot = 173.600 + 943.400 + 1.112.400 + 3.473.100 + 2.090.900 + 2.194.200 = 9.987.600m2 m/m 0029 , 0200 . 83600 . 987 . 9 2 22 2===LAItoteqou 2,9 m/km Introduo Hidrologia3-14f)Clculo da declividade equivalente pelo mtodo da mdia harmnica. m/m 0023 , 0400 . 12280 400 . 12372 4001= == I m/m 0028 , 0800 . 1750400 . 12 200 . 30400 4502= == I m/m 0046 , 0800 . 1050200 . 30 000 . 41450 5003= == I m/m 0022 , 0700 . 2250000 . 41 700 . 63500 5504= == I m/m 0049 , 0300 . 1050700 . 63 000 . 74550 6005= == I m/m 0023 , 0200 . 921000 . 74 200 . 83600 6216= == I m/m 0028 , 00023 , 0200 . 90049 , 0300 . 100022 , 0700 . 220046 , 0800 . 100028 , 0800 . 170023 , 0400 . 12200 . 83221=(((((</p> <p>+ + + + +=(((((</p> <p>==niiieqILLI Introduo Hidrologia3-153504004505005506006500 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000Comprimento (m)Cota (m)Perfil longitudinalCompens. reaMdia harm6onica EXERCCIOS PROPOSTOS Apartirdeummapaplani-altimtrico,foramlevantadasascotasemalgunspontosdo cursoprincipaldeumcrregoeasrespectivasdistncias.Osvaloresobtidosesto apresentados na tabela abaixo. Com base nestes dados, determinar: a)declividade equivalente, utilizando os mtodos da compensao de rea e da mdia harmnica; b)tempo de concentrao (tc) da bacia. SeoCota (m)Distncia acumulada (m) 1 2 3 4 5 700 705 715 735 780 0 300 700 1100 1400 Introduo Hidrologia4-164PRECIPITAO 4.1Conceito Precipitaoagua proveniente dovapor dgua daatmosfera,quechegaasuperfcie terrestre, sob a forma de: chuva, granizo, neve, orvalho, etc. ParaascondiesclimticasdoBrasil,achuvaamaissignificativaemtermosde volume. 4.2Formao das chuvas A umidade atmosfrica o elemento bsico para a formao das precipitaes. A formao da precipitao segue o seguinte processo: o ar mido das camadas baixas da atmosferaaquecido porconduo,torna-se maisleve que oar dasvizinhanasesofre uma ascenso adiabtica. Essa ascenso do ar provoca um resfriamento que pode faz-lo atingir o seu ponto de saturao. A partir desse nvel, h condensao do vapor dgua em forma de minsculas gotas que so mantidas em suspenso, como nuvens ou nevoeiros. Essas gotas no possuem ainda massa suficiente para vencer a resistncia do ar, sendo, portanto, mantidas em suspenso, at que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar. 4.3Tipos de chuva Aschuvassoclassificadasdeacordocomascondiesemqueocorreaascensoda massa de ar. 4.3.1Chuvas frontais -Provocadas por frentes; no Brasil predominam as frentes frias provindas do sul; - de fcil previso ( s acompanhar o avano da frente); - de longa durao, intensidade baixa ou moderada, podendo causar abaixamento da temperatura; -Interessamemprojetosdeobrashidreltricas,controledecheiasregionaise navegao. Figura 4.1 Introduo Hidrologia4-174.3.2Chuvas orogrficas -So provocadas por grandes barreira de montanhas (ex.: Serra do Mar); -As chuvas so localizadas e intermitentes; -Possuem intensidad...</p>