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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

HIDROLOGIA APLICADA (ENG 2102)TURMA: A02

Docente: João Guilherme Rassi Almeida

Goiânia 2013/2

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Ciência que estuda a água na Terra: ocorrência, circulação, distribuição e relação com o meio ambiente

Hidrologia científica Hidrometeorologia Geomorfologia Escoamento superficial Interceptação vegetal Infiltração e escoamento (solo) Escoamento em canais, rios e reservatórios Evapotranspiração Produção e transporte de sedimentos Qualidade da água e meio ambiente

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Hidrologia Aplicada

Uso dos recursos hídricos + Preservação do meio ambiente + uso e ocupação do solo Planejamento e gerenciamento da Bacia Hidrográfica

(B.H.) Abastecimento de água Drenagem Urbana Uso do solo Rural / Irrigação Aproveitamento hidroelétrico Controle de erosão Controle de poluição e qualidade do ar Navegação Recreação e preservação do meio ambiente

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Estudos Hidrológicos

Baseiam-se em elementos observados e medidos em campo. Postos pluviométricos e fluviométricos Banco de dados (eventos hidrológicos)

Cota máx. de rios e reservatóriosChuvas intensasPrecipitação médiaTipo de vegetação / solo / uso e ocupação do

solo

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Água Doce: não é totalmente aproveitada - inviabilidade técnica, econômica, financeira e de sustentabilidade ambiental

Carvalho e Silva (2006)

Salinidade• Água salina ≥ 30‰. • 0,50‰ < Água salobra < 30‰• Água doce ≤ 0,50‰.

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Importância da água Necessidade mínima: 2000 m³ / (hab x ano)

Israel, Palestina, Jordânia, Líbia, Malta e Tunísia: 500 m³ / (hab x ano)

Carvalho e Silva (2006)

Banho 10 min – aprox. 96 L – 35 m³/ano

População Mundial: 7,2 bi (ESTADÃO, 2013) 1950 à 2006 (população x3) 1950 à 2006 (consumo de água x6)

Carvalho e Silva (2006)

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

Desperdício Cuiabá / MT: 53% de toda a água encanada São Paulo / SP: 45% (vazamentos e ligações

clandestinas)

Brasil – país mais abundante em água doce 12% - reserva mundial 18% - água superficial mundial

Infraestrutura 36% - moradias brasileiras não apresentam água

de boa qualidade

Carvalho e Silva (2006)

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1) INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA

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USOS MÚLTIPLOS DA ÁGUA

Uso Consuntivo V_entrada > V_saída Qualidade ↓ Ex.: Abastecimento; Irrigação

Uso não Consuntivo V_entrada = V_saída Ex.: Navegação; Geração de Energia

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CICLO HIDROLÓGICO

Evaporação Transpiração Condensação

Precipitação Escoamento superficial Infiltração

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PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

Vapor de água da atmosfera depositada sobre a superfície terrestreEx.: chuva; granizo; neve; orvalho; geada; e neblina TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

CiclônicasFrontalNão Frontal

Convectivas Orográficas

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TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

CiclônicasLonga duraçãoBaixa a média intensidadeAbrangem grandes áreasProjetos de grandes bacias hidrográficas

Ciclônicas – Não FrontalCondensação devido a baixa pressão

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TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

Ciclônicas - Frontal

(UFOP)

Ocorrência + comum

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TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

Convectivas

(UFOP)

Regiões TropicaisGrande intensidadeCurta duraçãoPequenas áreasProjetos de pequenas

bacias

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TIPOS DE PRECIPITAÇÃO ATMOSFÉRICA

Orográficas

(UFOP)Orográficas: o ar é forçado a transpor barreiras, abaixando a pressão

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DISTRIBUIÇÃO CLIMÁTICA DO BRASIL Equatorial

Pm > 2000 mm Tm = 24 a 26ºC

Tropical Úmido

Pm = 1250 a 2000 mm Tm = 24 a 26ºC

Savanas Pm < 1500 mm Tm = 22ºC

Altitude Pm = 1500 mm Tm = 17 a 22ºC

Semi-árido e Árido Pm < 750 mm Tm = 26 a 28ºC Subtropical

Pm > 1250 mm Tm = 18ºC

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MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES Altura pluviométrica

Lamina d’água precipitada em uma área impermeável

Unidade: mm

Intensidade de PrecipitaçãoRelação entre altura pluviométrica e duração da

precipitaçãoUnidade: mm/h; mm/min

DuraçãoPeriodo de tempo contato desde o início até o fim

da precipitaçãoUnidade: horas; minutos

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MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES - APARELHOS

Pluviômetro Determina a altura pluviométrica• Funil impede a evaporação de água

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MEDIDAS DE PRECIPITAÇÕES - APARELHOS

Pluviógrafo: Leituras de precipitação em intervalos de tempo superiores a 5min• Pluviograma fornece total precipitado no decorrer

do tempo / importante no estudo de chuvas de curta duração

20Hietograma

PluviogramaTempo de Duração (min ou hora)?Total Precipitado (mm)?Intensidade da Chuva (mm/h)?

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Hietograma

PluviogramaTempo de Duração (min ou hora)?Total Precipitado (mm)?Intensidade da Chuva (mm/h)?

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ANÁLISE DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS

Posto pluviométrico objetivo de produzir uma série ininterrupta de precipitações ao longo dos anos, ou permitir o estudo da variação das intensidades ao longo das tormentas.

Problemáticas períodos sem informações / falhas nas observações (problemas com os aparelhos de registro e/ou ausência do operador do posto)

Análise preliminar dos dados Detecção de erros grosseiros

i) registros em dias que não existem (30 de fevereiro, por exemplo);

ii) registros de quantidades absurdas; iii) erros de transcrição (preenchimento

errado da caderneta de campo).

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PREENCHIMENTO DE FALHAS Método de ponderação regional Registros pluviométricos de pelo menos três estações

climaticamente homogêneas (com um mínimo de dez anos de dados) e localizadas o mais próximo possível da estação que apresenta falha nos dados de precipitação.

O método aplica-se somente para períodos grandes, como mês ou ano.

Onde: Py precipitação a ser estimada para o posto Y; Px1; Px2 e Px3 precipitações correspondentes ao mês ou

ano que se deseja preencher, observadas respectivamente nas estações vizinhas X1, X2 e X3;

Py (barra) é a precipitação média do posto Y; PX1 , PX2 e PX3 (barra) precipitações médias nas três

estações circunvizinhas.

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Método das Regressões Lineares Simples ou Múltiplas (um ou mais postos pluviométricos

vizinhos) Regressão linear simples as precipitações do posto com

falha e de um posto vizinho são correlacionadas. / Critério de mínimos quadrados (R²) / Gráfico cartesiano são lançados os pares de valores correspondentes aos dois postos envolvidos e traçada a reta com melhor aderência à nuvem de pontos.

PREENCHIMENTO DE FALHAS

Método de ponderação regional baseado nas correlações com as estações vizinhas

Regressões lineares entre o posto pluviométrico com dado a ser preenchido e cada um dos postos vizinhos.

De cada uma das regressões lineares efetuadas obtém-se o coeficiente de correlação, r (r ≤ 1).

Os índices rx1, rx2 e rx3 coeficientes de correlação das chuvas em Y e X1, Y e X2, e Y e X3.

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EXERCÍCIO Uma estação pluviométrica X esteve inoperante por

alguns dias de um determinado mês. Neste mesmo mês, os totais precipitados em três estações vizinhas A, B e C foram 126mm, 105mm e 144mm, respectivamente. Sabendo-se que as precipitações médias anuais nas estações X, A, B e C são, respectivamente, 1155mm, 1323mm, 1104mm e 1416mm, estimar o total precipitado, pelo método da ponderação regional, na estação X para o mês que apresentou falhas.

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ANÁLISE DE CONSISTÊNCIA DE SÉRIES PLUVIOMÉTRICAS – DUPLA MASSA

Após o preenchimento da série pluviométrica é necessário analisar a sua consistência dentro de uma visão regional, isto é, comprovar o grau de homogeneidade dos dados disponíveis num posto com relação às observações registradas em postos vizinhos.

Método da Dupla Massa válido em séries mensais e anuais

Construir em um gráfico cartesiano uma curva duplo acumulativa, relacionando os totais anuais (ou mensais) acumulados do posto a consistir (nas ordenadas) e a média acumulada dos totais anuais (ou mensais) de todos os postos da região (nas abscissas), hipoteticamente considerada homogênea do ponto de vista hidrológico

Se os valores do posto a consistir são proporcionais aos observados na base de comparação, os pontos devem-se alinhar segundo uma única reta.

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Dados de chuva sem problemas de consistência (Estação Brecha – região de Ouro Preto, MG)

Dados com mudança de tendência

Erros sistemáticos ou Alterações climáticas no local provocadas, por exemplo, pela construção de reservatórios artificiais.

Retas Paralelas - Exemplo de presença de erros de transcrição ou comparação de postos com diferentes regimes pluviométricos

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PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA Interesse em conhecer a precipitação que

cobre toda uma área, e não exatamente os valores pontuais

Para calcular a precipitação média é necessário utilizar as observações dentro da área de interesse e nas suas vizinhanças.

Métodos método aritméticométodo de Thiessen método das isoietas.

Os métodos podem ser utilizados para um temporal isolado, para totais mensais precipitados ou para os totais anuais.

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MÉTODO ARITMÉTICO Recomenda-se o uso deste método:

bacias menores que 5.000 km²;a distribuição dos aparelhos na bacia for densa e

uniforme;área plana ou de relevo muito suave (para evitar

erros devidos a influências orográficas)as medidas individuais de cada aparelho devem

variar pouco da média

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

P (barra) precipitação média na baciaN numero de estaçõesPi alturas de pluviométricas em cada estação (i = 1, 2, 3, ..., N).

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MÉTODO DE THIESSEN

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

Aspectos deste método:Bons resultados mesmo para uma distribuição

não uniforme dos aparelhosÚtil em terrenos planos ou levemente

acidentados.Cálculo automatizado uma vez conhecida a

rede de pluviômetros, os valores de Ai permanecem constantes, mudando apenas as precipitações Pi.

Mais preciso do que o aritmético, contudo o método de Thiessen também apresenta limitações, pois não considera as influências orográficas.

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MÉTODO DE THIESSEN

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

Para cada estação define-se uma área de influência dentro da bacia (ex: posto pluviométrico i tem-se a área Ai, tal que ΣAi = Atotal)

Precipitação média média ponderada (peso este representado pela área de influência)

Traçado das áreas de influência mapa topográfico Une-se os postos adjacentes por segmentos de reta

(realizando triangulações) e Traça-se as mediatrizes desses segmentos formando

polígonos Os lados dos polígonos (ou divisor da bacia) são os

limites dentro da bacia das áreas de influência das estações

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MÉTODO DE THIESSENPRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

Fonte: Hiroshi P. Yoshizane

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MÉTODO DAS ISOIETAS

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

Método mais preciso para a avaliação da precipitação média em uma área. Contudo, depende da habilidade do analista em traçar o mapa das isoietas.

Em vez de pontos isolados de precipitação, utilizam-se as curvas de igual precipitação (isoietas).

Traçado das curvas semelhante ao traçado de curvas de nível, onde a altura de chuva substitui a cota do terreno

A precipitação média sobre uma área é calculada multiplicando-se a precipitação média entre isoietas sucessivas (normalmente fazendo-se a média dos valores de duas isoietas) pela área entre as isoietas, totalizando-se esse produto e dividindo-se pela área total

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MÉTODO DAS ISOIETAS

PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

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EXERCÍCIO

O Método das Isoietas é utilizado para obter a precipitação média em uma bacia hidrográfica. Calcular a precipitação média da bacia hidrográfica abaixo, segundo este método:

Isoietas

Área (km²)

Precipitação med (mm)

Precipitação Ponderada

(mm)

75-80        80-85       85-90       90-95      Total   -  Pm  

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ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DOS DADOS DE CHUVA

Precipitação é um processo aleatório. Previsão de precipitação geralmente é realizada com

base na estatística de eventos passados. Estudos estatísticos freqüência e magnitude

probabilidades teóricas de ocorrência.

Magnitude de enchentes a) projetos de vertedores de barragens; b) dimensionamento de canais; c) definição das obras de desvio de cursos d’água; d) determinação das dimensões de galerias de águas pluviais; e) cálculo de bueiros, etc.

Estiagem projetos de irrigação e de abastecimento de água.

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Séries de dados:a) série total: os dados observados são

considerados na sua totalidade;b) série parcial: constituída por alturas

pluviométricas superiores a um valor-base, tomado como referência, independentemente do ano em que possa ocorrer;

c) série anual: constituída pelas alturas pluviométricas máximas de cada ano, no caso de série anual de chuvas máximas diárias, ou pelos totais anuais precipitados caso a série seja de totais anuais.

ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DOS DADOS DE CHUVA

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FREQUÊNCIA Freqüência número de ocorrências igualadas ou

superadas de uma dada chuva (de intensidade io e duração td) no decorrer de um período de observação de n anos.

Ex.: Observações durante 31 anos. Neste período, uma chuva que foi igualada ou superada 10 vezes tem a freqüência de 10 em 31 anos. Isto corresponde a uma probabilidade P{i ≥ io}=32,3% de ocorrer em um ano.

Colocar em ordem decrescente os dados da série (parcial ou anual) e a cada valor atribuir o seu número de ordem m. A freqüência com que é igualado ou superado o evento de magnitude io e ordem m é dada por:

a) no método Califórnia,

b) no método de Weibull,

onde n é o número de anos da série.

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PERÍODO DE RETORNO Período de retorno (Tr) ou intervalo de recorrência

intervalo de tempo médio, medido em anos, em que um evento de uma dada magnitude é igualado ou superado pelo menos uma vez.

Ex.: Evento X (chuva ou vazão) de magnitude x0 ocorre ao menos uma vez em Tr anos, tem-se

Período de retorno inverso da probabilidade de excedência.

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EXERCÍCIO

Ano Pm (mm)

m Pm (mm)(ordem decrescente)

F califórmia

Tr california

F (kimbal)

Tr (kimbal)

1994 45

1995 90

1996 35

1997 25

1998 20

1999 50

2000 60

2001 65

2002 70

2003 80N

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ANÁLISE DAS CHUVAS INTENSAS Chuvas intensas ou precipitações máximas

intensidades ultrapassam um determinado valor mínimo.

As principais características das chuvas intensas são a sua intensidade, sua distribuição temporal (duração) e espacial, e sua frequência de ocorrência.

Aplicação: projetos de obras hidráulicas (vertedores de barragens, sistemas de drenagem, galerias de águas pluviais, dimensionamento de bueiros, entre outros).

Tendências:Maior a intensidade (i) menor a duração da

chuva intensa (td)Maior a intensidade maior o período de

retornoMaior a área de abrangência menor a

intensidade

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Áreas de drenagem até aproximadamente 25km² informações pontuais podem ser utilizadas em cálculos cobrindo a extensão da área dentro do limite citado.

Para áreas maiores, aplicam-se fatores de redução em função da área e da duração da chuva

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CURVAS DEINTENSIDADE-DURAÇÃO E FREQUÊNCIA (I-D-F)

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CURVAS DEINTENSIDADE-DURAÇÃO E FREQUÊNCIA (I-D-F)

As curvas também podem ser expressas por equações genéricas.

i = intensidade (mm/h);Tr = período de retorno (anos)td = duração da chuva (minutos)K, c, m e n = parâmetros de ajuste (determinados para cada local).

Obs: Análise entre Pluviômetro e Pluviógrafo?(td?)

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BIBLIOGRAFIA PRINCIPAL CONSULTADA

BARBOSA JUNIOR, A. N. APOSTILA DE HIDROLOGIA APLICADA. DISPONÍVEL EM: < HTTP://WWW.EM.UFOP.BR/DECIV/DEPARTAMENTO/~CARLOSEDUARDO/INDEX.PHP?MENU=3&DISC=65 >. ACESSADO EM: 08/2012.