Hidráulica e Hidrologia Geral
Prof. Flaryston Pimentel
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia
Engenharia Civil
Campus: Goiânia - Flamboyant
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Sistemas de abastecimento podem ser:
• Por gravidade:
• Por bombeamento:
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Partes componentes do sistema elevatório:
• Altura geométrica (HG) = Sucção (HS) + Recalque (HR);• Perdas de cargas (h) = Sucção (hs) + Recalque (hR);• Altura manométrica (HM) = (HG) + (h).
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Classificação de Bombas Hidráulicas:
1. Quanto à trajetória do fluído:
a) Bombas radiais ou centrífugas
b) Bombas axiais
c) Bombas diagonais ou de fluxo misto
Pequenas vazões;Grandes alturas.
Grandes vazões;Pequenas alturas.
Recalque de:Médias vazões;Médias alturas.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Classificação de Bombas Hidráulicas:
2. Quanto ao posicionamento do eixo:
a) Bomba de eixo vertical
b) Bomba de eixo horizontal
Poços subterrâneosprofundos.
Demais utilizações
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Classificação de Bombas Hidráulicas:
3. Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao N.A.:
a) Bomba de sucção positiva
b) Bomba de sucção negativa (afogada)
Eixo da bomba acimado nível do reservatório
Eixo da bomba abaixodo nível do reservatório
EXEMPLO 01
Em relação ao sistema elevatório (figura), e suas respectivascotas topográficas, determine:
a) Altura geométrica de recalque;HGR = 487 – 461 = 26 m
b) Altura geométrica de sucção;HGS = 461 – 457 = 4 m
c) Altura geométrica do sistema;HG = 487 – 457 = 30 m
d) Altura manométrica de recalque;HMR = 26 + 6 = 32 m
e) Altura manométrica de sucção;HMS = 4 + 2 = 6 m
f) Altura manométrica do sistema;HM = 30 + 2 + 6 = 38 m
Considere as seguintes perdas de carga:• Na sução: hS = 2 mca• No recalque: hR = 6 mca
EXEMPLO 02
Em relação ao sistema elevatório (figura), e suas respectivascotas topográficas, determine:
a) Altura geométrica de recalque;HGR = 487 – 457 = 30 m
b) Altura geométrica de sucção;HGS = 457 – 461 = – 4 m
c) Altura geométrica do sistema;HG = 487 – 461 = 26 m
d) Altura manométrica de recalque;HMR = 30 + 6 = 36 m
e) Altura manométrica de sucção;HMS = – 4 + 2 = – 2 m
f) Altura manométrica do sistema;HM = 26 + 2 + 6 = 34 m
Considere as seguintes perdas de carga:• Na sução: hS = 2 mca• No recalque: hR = 6 mca
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas
A potência (POT) que corresponde ao trabalho realizado para elevar o fluídocom a altura manométrica (HM) é:
Conversões importantes: 1 CV = 735,5 W1 HP = 745,7 W
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas
A potência (Pot) a ser calculada, geralmente, se dá pela seguinte expressãogeral:
Onde,ƴ = peso específico do fluído (Kgf/m3);Q = vazão (m3/s);HM = altura manométrica (m);ᶯ = rendimento do conjunto motor-bomba.
Peso específico da água: ƴ = 1000 Kgf/m3
• 1 kgf = 9,806 N
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Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas
O rendimento (η) aumenta com o tamanho da bomba (grandes vazões) ecom a pressão.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas
Na prática, admite-se uma certa folga para os motores elétricos resultandonos seguintes acréscimos:
Potência de motores elétricos comerciais fabricados no Brasil (HP):
1/4 – 1/3 – 1/2 – 3/4 – 1 – 1 ½ – 2 – 3 – 5 – 6 – 7 ½ – 10 – 12 – 15 –20 – 25 – 30 – 35 – 40 – 45 –50 – 60 – 80 – 100 – 125 – 150 – 200 – 250.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Curvas características de Bombas Hidráulicas
• São representações gráficas que traduzem o funcionamento dabomba, obtidas através de experiências do fabricante;
• O levantamento das curvas características das bombas são realizadaspelo fabricante do equipamento, em bancos de prova equipados para talserviço;
• De uma maneira simplificada, as curvas são traçadas da seguinteforma, conforme esquema abaixo.
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Curvas características de Bombas Hidráulicas
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Ponto de Trabalho (Operação) da Bomba:
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Seleção de Bombas:
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Cavitação de Bombas:
Fenômeno semelhante à ebulição, que pode ocorrer na águadurante um processo de bombeamento, provocando estragos,principalmente no rotor e palhetas e é identificado por ruídose vibrações;
Para evitar tal fenômeno, devem-se:
a) Analisar o NPSH requerido e o NPSH disponível;
b) Verificar que a pressão absoluta do líquido naentrada da bomba seja superior à pressão devapor, à temperatura de escoamento do líquido.
CAVITAÇÃO
1. NPSH disponível:
Refere-se à "carga energética líquida e disponível na instalação"para permitir a sucção do fluído, ou seja, diz respeito às grandezas físicasassociadas à instalação e ao fluído.
Esse NPSH deve ser estudado pelo projetista da instalação,através da seguinte expressão:
NPSH (Net Positive Succion Head)
NPSH (Net Positive Succion Head)
De acordo com os dados fornecidos, calcule o que se pede:
Dados: PATM/ƴ = 9,26 mca; Pv/ƴ = 0,43 mcaHGS = 4 m; hS = 1 mcaNPSH requerido = 6 mca;
a) NPSH disponível ;
b) Ocorrerá cavitação?
c) Caso ocorra cavitação, determine a altura máxima de sucção para evitartal fenômeno.
EXEMPLO 03
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
No Brasil 0,9 < K < 1,4
De modo geral 0,7 < K < 1,5
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
2. Diâmetro de sucção (DS):
• Geralmente adota-se o diâmetro comercial imediatamentesuperior ao diâmetro de recalque calculado pelas equaçõesanteriores.
Balanço econômico: Custo da tubulação X Custo de manutenção
• Se o diâmetro comercial (Dc) for diferente do calculado (DCALC.) porBresse ou pela ABNT, deve-se adotar:
a) Diâmetro comercial de sucção: DcS > DCALC.
b) Diâmetro comercial de recalque: DcR < DCALC.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Velocidades econômicas
Considere os seguintes dados de um sistema de bombeamentoe dimensione-o:
Dados: Q = 140,4 m3/h (8 h/dia de bombeamento);Cota do nível de água na captação = 97 m;Cota do nível de água no reservatório = 154 m;Altitude da casa de bombas = 400 m;Cota no eixo da bomba = 100 m;Comprimento da tubulação de sucção = 6 m;Comprimento da tubulação de recalque = 210 m;Material: PVC (C = 145);
Peças hidráulicas:• Sucção: 1 válvula de pé com crivo; 1 curva de 900; 1 redução gradual.• Recalque: 1 válvula de retenção; 1 válvula de gaveta; 6 curvas de 900; 1 ampliação gradual.
OBS:• As perdas localizadas podem ser determinadas pelo método dos diâmetros equivalentes;• Diâmetros comerciais (mm) = 50; 63; 75; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 350.
EXEMPLO 04
Passo a passo do dimensionamento:
1) Verificar os diâmetros de sucção e recalque (comerciais), considerando oslimites de velocidades de fluxo para cada trecho;
2) Calcular as perdas de carga na sucção e no recalque;
3) Calcular altura manométrica;
4) Escolher a bomba (catálogo do fabricante) e verificar o ponto defuncionamento da mesma
5) Calcular a potência da bomba e verificar a potência comercial a ser instalada;
6) Calcular NPSHDISPONÍVEL e comparar com NPSHREQUERIDO (catálogo do fabricante)para verificação de provável ocorrência de cavitação na bomba
EXEMPLO 04
Curva característica do sistema em função do envelhecimento datubulação
Com o envelhecimento da tubulação, as perdas de carga aumentame consequentemente aumentam as alturas manométricas e reduz-sea vazão.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Curva característica do sistema em função dos níveis mínimo emáximo da altura geométrica
A altura geométrica de elevação altera-se com a variação dos níveisde aspiração e de compressão, e com ela, desloca-se paralelamente aela mesma, a curva do sistema.
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS:
Algumas razões que levam à necessidade de associar bombas:
• Quando a vazão é grande e não há no mercado, bombas capazesde atender a altas demandas;
• Ampliações;• Inexistência de bombas comerciais para grandes alturas
manométricas.
Bombas em série
Bombas em paralelo
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Determine o rendimento e a potência resultantes da associaçãoem paralelo das bombas A e B:
Dados: Bomba A Bomba BQ = 400 m3/h Q = 95 m3/hHm = 65 mca Hm = 65 mcaᶯ = 82% ᶯ = 75%
EXEMPLO 05
Determine o rendimento e a potência resultantes da associaçãoem série das bombas A e B:
Dados: Bomba A Bomba BQ = 120 m3/h Q = 120 m3/hHm = 70 mca Hm = 40 mcaᶯ = 77,5% ᶯ = 73%
EXEMPLO 06
Hidrologia
Ciclo Hidrológico
Bacias Hidrográficas
Precipitações
Escoamento Superficial
INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA
• Estuda todos os processos de transporte de água dentro dociclo hidrológico;
• Procura dar ferramentas para quantificar estes transportes;
• Depende da compreensão científica de todos os fenômenos(físicos e químicos) envolvidos;
• Infelizmente são fenômenos complexos e poucas são asequações baseadas apenas em fenômenos físicos;
• A maior parte das equações vieram de dados observados nanatureza e tratados estatisticamente;
INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA
1. Hidrologia Científica:
• Hidrometeorologia;• Geomorfologia;• Escoamento Superficial;• Interceptação Vegetal;• Infiltração e Escoamento em Meio Não-Saturado;• Escoamento em Rios, Canais e Reservatórios;• Evaporação e Evapotranspiração;• Produção e Transporte de Sedimentos;• Qualidade da Água e Meio Ambiente.
INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA
2. Hidrologia Aplicada:
Áreas de atuação da Hidrologia:
• Planejamento e Gerenciamento da Bacia Hidrográfica;• Abastecimento de Água;• Drenagem Urbana;• Aproveitamento Hidrelétrico;• Uso do Solo Rural;• Controle de Erosão;• Controle da Poluição e Qualidade da Água;• Irrigação;• Navegação;• Recreação e Preservação do Meio Ambiente;• Preservação dos Ecossistemas Aquáticos.
INTRODUÇÃO À HIDROLOGIA
Usos múltiplos da água:
Em função da qualidade e da quantidade, a águapropicia vários tipos de usos, isto é, múltiplos usos. Nessecontexto, os recursos hídricos podem ser classificados em:
a) Uso Consuntivo: Água utilizada para consumo de formadireta ou indireta e parte dela é devolvida ao meio. Ex:abastecimento, irrigação, aquicultura, etc.
b) Uso Não-Consuntivo: Água utilizada para utilização emmesma quantidade e qualidade e é devolvida ao meio emsua totalidade (Não serve para consumo humano ouanimal). Ex: navegação fluvial, geração de energia, lazer,pesca, paisagismo, etc.
CICLO HIDROLÓGICO
Fenômeno global de circulação fechada da água entre asuperfície terrestre e a atmosfera, impulsionado pela energiasolar associada à gravidade e à rotação terrestre.
CICLO HIDROLÓGICO
FASES DO CICLO HIDROLÓGICO:
• Evaporação;
• Transpiração;
• Condensação;
• Precipitação;
• Escoamento superficial;
• Infiltração;
• Percolação;
• Escoamento subterrâneo;
CICLO HIDROLÓGICO
BALANÇO HÍDRICO
• Ciclo hidrológico (circulação da água na hidrosfera) – desempenha umpapel de grande aplicação em Engenharia de Recursos Hídricos aavaliação do ciclo na unidade hidrológica básica representada pelabacia hidrográfica;
• Deve-se ater, aos fenômenos hidrológicos, à sua importância nas áreasde irrigação; drenagem; controles de poluição, de cheias e erosão;aproveitamento hidroelétrico; obras hidráulicas; fontes de captação paraabastecimento de água, etc.;
• O balanço de volumes de água, conhecido como Balanço Hídricoescreve, para um dado intervalo de tempo, a equação que relacionaas entradas e saídas da bacia hidrográfica. Se a equação for escritapara uma seção representada pela superfície do solo em uma bacia(Ramos, 1989),
CICLO HIDROLÓGICO
BALANÇO HÍDRICO
zona de aeração
ou
zona não saturada
rocha de origem
lençol freático
infiltraçãoescoamento
superficial
precipitação
evaporação (interceptação)transpiração
evaporação
percolaçãofluxo
ascendente
escoamento
sub-superficialzona saturada
BACIA HIDROGRÁFICA
• Uma região em que a chuva ocorrida em qualquer
ponto drena para a mesma seção transversal do curso-
d’água;
• Área de captação natural das precipitações, que faz
convergir os escoamentos para um único ponto de
saída: o exutório;
• Para definir uma bacia:
• Curso d’água
• Seção transversal de referência (exutório)
• Informações de topografia.
BACIA HIDROGRÁFICA
BACIA HIDROGRÁFICA
Delimitação de áreas que contribuem para um ponto
Identificar para onde escoa a água sobre o relevo usando como base as curvas de nível. adaptado do original de Francisco Olivera, Ph.D., P.E.
Texas A&M UniversityDepartment of Civil Engineering
• A água escoa na direção da maior declividade
• Assim, as linhas de escoamento são ortogonais às curvas de nível.
Sub - bacia
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
a) Área da bacia: corresponde a sua área de drenagem, cujovalor corresponde à área plana entre os divisores topográficosprojetada verticalmente. Permite estimar qual o volumeprecipitado de água, para uma certa lâmina de precipitação:
V = P.A
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
b) Forma da bacia: é função da delimitação da área da bacia etem influência no tempo transcorrido entre a ocorrência daprecipitação e o escoamento no exutório. Em bacias de formatomais arredondado esse tempo tende a ser menor do que embacias mais compridas.
Bacias hipotéticas de mesma área, onde o tempo entre a precipitação e a vazão no exutório tende a
ser na seguinte ordem: t2<t1<t3, devido à forma da bacia.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
Dois coeficientes são comumente empregados comoindicativos da forma da bacia: fator de forma e coeficiente decompacidade.
b.1. Fator de forma (Kf): esse coeficiente é definido pelarelação entre a largura média da bacia e o comprimento axialdo curso d’água principal (LC). A largura média (L) é calculadapela expressão:
e, portanto, o fator de forma (Kf) é determinado por:
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
b.1. Fator de forma (Kf):
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
b.2. Coeficiente de compacidade (Kc): esse coeficiente édefinido como a relação entre o perímetro da bacia e acircunferência de um círculo de mesma área da bacia.Assim, considerando uma bacia de área A e um círculo tambémde área A, tem-se que:
Logo:
Pela sua definição, se Kc = 1, a forma da bacia é um círculo,sendo mais “irregular” quanto maior o valor desse coeficiente,o que implica em uma menor tendência a cheias.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
c) Densidade de drenagem (Dd): indica o desenvolvimento dosistema de drenagem de uma bacia hidrográfica. Este índice éexpresso pela relação entre o comprimento total dos cursos deágua e a área da bacia:
onde: Dd = densidade de drenagem (km/km2);L = comprimento total dos cursos de água da bacia (km);A = área de drenagem (km2).
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d) Ordem dos cursos d’água: reflete o grau de ramificação darede de drenagem de uma bacia.
Como fazer a ordenação?
• Linhas de drenagem que não possuem nenhum tributáriosão designadas como linhas de 1ª ordem;
• A ordem ou magnitude das demais linhas de drenagemdepende do método utilizado Horton e Strahler.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d.1. STRAHLER:
• linhas de 2ª ordem são formadas pela junção de 2 linhas de1ª ordem;
• as linhas de 3ª ordem são formadas pela junção de 2 linhasde 2ª ordem e assim sucessivamente;
• as linhas de 3ª ordem, por exemplo, podem também receberum canal de 1ª ordem.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d.1. STRAHLER:
Rio principal (não mantêm onúmero de ordem na totalidadede suas extensões, comoacontece no sistema Horton)
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d.2. HORTON:
• canais de 2ª ordem têm apenas afluentes de 1ª ordem;
• canais de 3ª ordem têm afluência de canais de 2ª ordem,podendo também receber diretamente canais de 1ª ordem;
• canais de ordem u pode ter tributários de ordem u-1 até 1.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d.2. HORTON:
12
12
1
1
1
1
2
2
3
23
4
444
22
2
4
4
4
2
3
3
2
133
4
22
2132
1
2
2
1
1
Como decidir qual é o rio principalnuma confluência?
Partindo da jusante da confluência,estender a linha do curso d’água paramontante, para além da bifurcação,seguindo a mesma direção. O canalconfluente que apresentar maiorângulo é o de ordem menor.
Ambos com mesmo ângulo rio de menor extensão é o de ordem mais baixa.
BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
d.2. HORTON:
Rio principal (segue a ordem demaior grau)
1
1
1
22
1
1
1
1
11
1
1
2
2
2
2
3
3
3
2
24
4
44
4
22
2
4
4
4
2
BACIA HIDROGRÁFICA
BACIA HIDROGRÁFICA
CLASSIFICAÇÃO DOS CURSOS D’ÁGUA
São três os tipos de rios (cursos d’água) existentes:
• Perenes: contém água durante todo o tempo;
• Intermitentes: em geral, escoam durante as estações dechuvas e secam nas de estiagem;
• Efêmeros: existem apenas durante ou imediatamente apósos períodos de precipitação e só transportam escoamentosuperficial.
PRECIPITAÇÕES
Água proveniente do vapor d’água da atmosferadepositada na superfície terrestre sob qualquer forma:chuva, granizo, neblina, neve, orvalho ou geada.
A precipitação é uma parte importante do ciclohidrológico, sendo responsável por retornar a maior parteda água doce ao planeta.
Chuvas frontais:
• Grandes quantidades de massas de ar que se deslocam ocupandograndes extensões;
• Na interface entre massas de ar com diferentes temperaturasproduzem a condensação da umidade presente no ar acarretandoas precipitações;
• É de fácil previsão (é só acompanhar o avanço da frente);
• É de longa duração, intensidade baixa ou moderada, podendocausar abaixamento da temperatura;
• Interessam em projetos de obras hidrelétricas, controle de cheiasregionais e navegação.
• Formam chuvas de fraca a moderada intensidade;
• O volume resultante geralmente é expressivo devido sua escala.
PRECIPITAÇÕES
Chuvas frontais:
PRECIPITAÇÕES
Chuvas orográficas:
• Decorrem da presença de barreiras naturais que fazem com quemassas de ar úmidas se desloquem verticalmente;
• Ao atingir elevações maiores, onde as temperaturas são inferiores,o vapor presente nessas massas de ar se condensa produzindoprecipitação local;
• Estas barreiras por vezes impedem que massas de ar penetremmais ao interior, reduzindo a quantidade de precipitações destasáreas internas;
• As chuvas são localizadas e intermitentes e possuem intensidadebastante elevada;
• Geralmente são acompanhadas de neblina.
PRECIPITAÇÕES
Chuvas orográficas:
PRECIPITAÇÕES
Chuvas convectivas:
• Conhecidas também como chuvas de verão, tem sua origem naevaporação da água superficial, nos períodos mais quentes e de maior insolação;
• A água evaporada sobe a grandes altitudes e quando atingem um nível de saturação, ou quando outros fatores produzam a suacondensação, precipitam;
• Ocorrem em dias quentes, geralmente no fim da tarde ou começo da noite;
• Podem iniciar com granizo;
• Podem ser acompanhada de descargas elétricas e de rajadas de vento;
PRECIPITAÇÕES
Chuvas convectivas:
• Essas formações são bastante localizadas geográficamente (em
geral, em áreas inferiores a ordem de 2 km2);
• As precipitações tem curta duração inferiores a 24 hs;
• As chuvas são de grande intensidade;
• Interessam às obras em pequenas bacias, como para cálculo de
bueiros, galerias de águas pluviais, etc.
PRECIPITAÇÕES
Chuvas convectivas:
• Resultantes de convecções térmicas, que é um fenômeno
provocado pelo forte aquecimento de camadas próximas à
superfície terrestre, resultando numa rápida subida do ar
aquecido. A brusca ascensão promove um forte resfriamento das
massas de ar que se condensam quase que instantaneamente.
PRECIPITAÇÕES
PRECIPITAÇÕES
PRECIPITAÇÕES
Conceitos:
-Altura pluviométrica (h):-Medida que realmente identifica a quantidade que precipitou e
que ficou armazenada no aparelho pluviômetro
Normalmente dada em milímetros
-Duração (t): Tempo decorrido do início ao final da precipitação
Normalmente dada em horas ou minutos
-Intensidade (i): Relação entre a altura precipitada e sua duração
Normalmente dada em mm/h
-Frequência (f): Número de vezes que determinada chuva acontece
Adimensional
PRECIPITAÇÕES
-Período de retorno (TR) ou Período de recorrência:Tempo, em anos, em que determinada chuva supera ou se
iguala a anterior, ou seja, volta a acontecer
É sempre dado em anos
-Probabilidade de ocorrência de uma chuva:>>É a possibilidade que uma dada chuva possa vir a ocorrer.
>>É o intervalo médio de ocorrência (em anos) entreeventos que igualam ou superam uma dada magnitude
Tipo de Obra Tipo de Ocupação da Área T (anos)
Microdrenagem Residencial 2
Comercial 5
Áreas com edifícios de serviços ao público 5
Aeroportos 2-5
Áreas comerciais e artérias de tráfego 5-10
Macrodrenagem Áreas residenciais e comerciais 50-100
Áreas de importância específica 500
PRECIPITAÇÕES
PRECIPITAÇÕES
Cubo ilustrando um tanque hipotético de 1m² de área de base. Se jogarmos
1l de água dentro desse cubo, teríamos uma lâmina de 1mm.
Medições:
• Pluviômetro: equipamento que mede a quantidade de água
precipitada (altura pluviométrica) durante as 24 horas do dia.
PRECIPITAÇÕES
Medições:
• Pluviógrafo: equipamento que mede a intensidade das chuvas.
PRECIPITAÇÕES
Pluviograma:
PRECIPITAÇÕES
Variação da intensidade de precipitação:
A máxima intensidade média observada dentro de uma mesma
precipitação pluvial varia inversamente com a amplitude de tempo
em que ocorreu . As precipitações mais intensas são mais raras e
levam um certo período de tempo para surgirem. Essas conclusões
estão presentes nas fórmulas empíricas do tipo:
PRECIPITAÇÕES
Variação da intensidade de precipitação:
Equações de chuva para algumas cidades brasileiras. Nas três
equações abaixo, i é a intensidade da chuva em mm/h, T é o período
de retorno em anos, e t é a duração da chuva em minutos:
PRECIPITAÇÕES
PRECIPITAÇÕES
Análise de dados mensais de uma estação pluviométrica:
•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo da média aritmética
-média aritmética de todos os postos
hm = S hi/n
68.3
48.837.1
39.1
75.7
44.4 49.5
127.0
114.3
71.6
I - Média Aritmética (entre os postos)
Somar as contribuições de todos os postos e dividir pelo número de postos
PRECIPITAÇÕES
Análise de dados mensais de uma estação pluviométrica:
•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo das Isoietas
-semelhante à curvas de nível (para precipitação)
hm = S Ai [(hr + hr+1)/2]/ S Ai
68.3
48.837.1
39.1
75.7
44.4 49.5
127.0
114.3
71.6
II - Isoietas
Semelhante à curvas de nível para chuvas, ou seja, a partir dos
valores registrados em cada posto, traçar as curvas de igual precipitação
PRECIPITAÇÕES
Análise de dados mensais de uma estação pluviométrica:
•Precipitação média registrada nos aparelhos de uma regiãoMétodo dos polígonos de Thiessen
-Traçar as áreas de influência com o ponto de encontro das
mediatrizes dos segmentos de reta que unem os postos
em polígonos triangulares.
-Os lados do novo polígono são as áreas de influência.
hm = S hi Ai / S Ai
68.3
48.837.1
39.1
75.7
44.4 49.5
127.0
114.3
71.6
16.5
III - Polígonos de Thiessen
1) unem-se os postos adjacentes por retas
2) traçam-se as mediatrizes (perpendiculares pelo
ponto médio entre os postos)
3) pega-se somente as áreas internas à bacia
Calcular a intensidade da chuva para as seguintes condições:
• Cidade de São Paulo;• Período de retorno de 50 anos;• Duração de chuvas em 80 minutos.
EXEMPLO 07
Dado o pluviograma registrado em um posto pluviométricolocalizado no município de São Paulo, deseja-se saber aintensidade média de chuva que ocorreu das 9 às 15 horas e operíodo de retorno dessa chuva:
EXEMPLO 08
• Precipitação que atinge áreas impermeáveis;
• Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade
de infiltração limitada;
• Precipitação que atinge áreas saturadas.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Fonte: Rampelloto et al. 2001
Telhados
Ruas
Passeios
• Geração de escoamento superficial é quase imediata
• Infiltração é quase nula
Áreas ImpermeáveisESCOAMENTO SUPERFICIAL
• Capacidade de infiltração é baixa
Gramados
Solos Compactados
Solos muito argilosos
Áreas de capacidade de infiltração limitadas
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Infiltração
Escoamento
Precipitação
tempo
Infiltração
Intensidade da chuva x capacidade de infiltração
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
• Considere chuva com intensidade constante
• Infiltra completamente no início
• Gera escoamento no fim
tempo
Infiltra
çã
o
Pre
cip
ita
çã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
• Considere chuva com intensidade constante
• Infiltra completamente no início
• Gera escoamento no fim
tempo
Infiltra
çã
o
Pre
cip
ita
çã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
• Considere chuva com intensidade constante
• Infiltra completamente no início
• Gera escoamento no fim
tempo
Infiltra
çã
o
Pre
cip
ita
çã
o
início do escoamento
intensidade da chuva
capacidade de infiltração
volume infiltrado
volume escoado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Precipitação
Infiltração
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Precipitação
Solo saturado
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Precipitação
Solo saturado
Escoamento
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
I (mm/h)
F (mm/h)
Q (mm/h)
Q = I – F
Geração de Escoamento
• Intensidade da precipitação é maior do que a capacidade de infiltração do solo
• Processo hortoniano (Horton, 1934)
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Q (mm/h)
Geração de Escoamento
• Precipitação atinge áreas saturadas
• Processo duniano (Dunne)
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Representação gráfica da vazão
ao longo do tempo
HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
• O hidrograma é o gráfico que relaciona a vazão ao
tempo e é o resultado da interação de todos os
componentes do ciclo hidrológico.
Heterogeneidade da bacia
Caminhos que a água percorre
15 minutos
Q
P
tempo
Chuva de curta duração
tempo
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
Superficial
e
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
Formação do Hidrograma
1 – Início do escoamento superficial
2 – Ascensão do hidrograma
3 – Pico do hidrograma
4 – Recessão do hidrograma
5 – Fim do escoamento superficial
6 – Recessão do escoamento subterrâneo
1
2
5
3
4
6
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
Hidrograma - exemploESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
Superficial
e recessão
pico
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
Formação do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
• Fórmulas empíricas para tempo de concentração:
• Kirpich
• Dooge
385,03
H
L57tc
17,0
41,0
S
A88,21tc
Desenvolvida com dados de
7 bacias < 0,5 km2
Desenvolvida com dados de
10 bacias entre 140 e 930 km2
Tempo de ConcentraçãoESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
Q
Bacia montanhosa
Bacia plana
Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
QBacia urbana
Bacia rural
Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido
Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
Forma da bacia x hidrograma
tempo
QBacia circular
Bacia alongada
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
Q
Forma da bacia X Forma do hidrograma
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
• Para saber como a bacia vai responder à chuva é
importante saber as parcelas de água que vão atingir os
rios através de cada um dos tipos de escoamento.
• Em muitas aplicações o escoamento superficial é o mais
importante
– Vazões máximas
– Hidrogramas de projeto
– Previsão de cheias
• Métodos simplificados x modelos mais complexos
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
Estimativas de escoamento superficial com base na chuva
tempo
Q
P
tempo
Precipitação
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
infiltração decresce
durante o evento
de chuva
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
parcela que não
infiltra é responsável
pelo aumento da
vazão no rio
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Tempo de concentração (tc)
• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto maisdistante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir omesmo. O tempo de concentração é fundamental nosestudos de enchentes.
Equação de Kirpich:
• Para chuvas intensas (curta duração);• Bacias de declividades entre 3 e 10%.
onde:L – comprimento do talvegue (km);
Δh – diferença de nível do talvegue (m).
385,03
h
L57tc
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Tempo de concentração (tc)
• tempo que uma gota de chuva, que cai no ponto maisdistante do exutório (saída) da bacia, leva para atingir omesmo. O tempo de concentração é fundamental nosestudos de enchentes.
Equação de Picking:
• Para chuvas críticas (longa duração);• Bacias sem limites de declividades.
onde:L – comprimento do talvegue (km);
Seq – declividade equivalente (m/m).
3
1
eq
2
cS
L3,5t
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Método Racional (vazões máximas)
A vazão de pico (máxima) de escoamento pode ser determinada a partir dedados de chuvas para pequenas bacias que apresentam área variável entre50 e 500 ha, sendo a máxima vazão expressa por expressa:
Considerações:
• Pequenas bacias;• Chuvas intensas;• Intensidade da chuva depende da duração e da frequência (tempo de retorno);• Duração da chuva é escolhida de forma a ser suficiente para que toda a área da bacia esteja
contribuindo para a vazão que sai no exutório (duração = tempo de concentração).
Qp = vazão de pico (m3/s);
C = coeficiente de deflúvio (adimensional);
i = intensidade da chuva (mm/h);
A = área da bacia (km2).
6,3
AiCQp
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Valores de C para diferentes superfícies
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Valores do coeficiente de escoamento propostos pelo Colorado Highway Department
Características da Bacia C
Superfícies impermeáveis 0,90 – 0,95
Terreno estéril montanhoso 0,80 – 0,90
Terreno estéril ondulado 0,60 – 0,80
Terreno estéril plano 0,50 – 0,70
Prados, campinas, terreno ondulado 0,40 – 0,65
Matas decíduas, folhagem caduca 0,35 – 0,60
Matas coníferas folhagem permanente 0,25 – 0,50
Pomares 0,15 – 0,40
Terrenos cultivados em zonas altas 0,15 – 0,40
Terrenos cultivados em vales 0,10 – 0,30
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Valores do coeficiente de escoamento recomendados pelo Soil Conservation Service - USDA
Tipo de cobertura do solo
Declividade (%) Textura do solo
Arenosa Franca Argilosa
Florestas
0 – 5 0,10 0,30 0,40
5 – 10 0,25 0,35 0,50
10 – 30 0,30 0,50 0,60
Pastagens
0 – 5 0,10 0,30 0,40
5 – 10 0,15 0,35 0,55
10 – 30 0,20 0,40 0,60
Terras cultivadas
0 – 5 0,30 0,50 0,60
5 – 10 0,40 0,60 0,70
10 – 30 0,50 0,70 0,80
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Valores de C segundo adaptação do critério de Fruhling, adotados pela Prefeitura de São Paulo (Wilken, 1978)
Zonas C
Edificações muito densas: áreas centrais, densamente construídasde uma cidade com ruas e calçadas pavimentadas
0,70 – 0,95
Edificações não muito densas: área adjacente ao centro, de menordensidade de habitantes, porém com ruas e calçadas pavimentadas
0,60 – 0,70
Edificações com poucas superfícies livres: áreas residenciais comconstruções cerradas e ruas pavimentadas
0,50 – 0,60
Edificações com muitas superfícies livres: áreas residenciais comruas macadamizadas ou pavimentadas
0,25 – 0,50
Subúrbios com alguma edificação: áreas de arrabaldes e subúrbioscom pequena densidade de construção
0,10 – 0,25
Mata, parques e campo de esportes: áreas rurais, verdes, superfíciesarborizadas, parques ajardinados e campos de esporte sempavimentação
0,05 – 0,20
EXEMPLO 09
Uma área de loteamento na cidade de Curitiba/PR de 1,5 Km2,tem suas vertentes para um talvegue de 3,5 Km de extensão e adiferença de cota entre o ponto mais alto e a seção dedrenagem é de 60 m. Determinar a vazão máxima na seção dedrenagem para a recorrência de 10 anos. Considerar ocoeficiente de escoamento superficial (deflúvio) igual a 0,50.
Equação de intensidade de chuvas:
Resp.: 15,7 m3/s
EXEMPLO 10
A bacia hidrográfica, representada abaixo, possui algumascaracterísticas físicas e hidrológicas (Tabela ao lado). Nessascondições, determine a vazão escoada até o talvegue, sendoque a intensidade média de chuvas para toda a bacia equivale a450 mm/h.
Resp.: 3,8 m3/s
Sub bacias Área (ha) Coef. de deflúvio
I 1,60 0,7
II 1,45 0,6
III 1,75 0,6