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P ONTIFÍCIA U NIVERSIDADE C ATÓLICA DE G OIÁS H IDROLOGIA A PLICADA (E NG 2102) T URMA : A02 Docente: João Guilherme Rassi Almeida Goiânia 2013/2 1.

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1 P ONTIFÍCIA U NIVERSIDADE C ATÓLICA DE G OIÁS H IDROLOGIA A PLICADA (E NG 2102) T URMA : A02 Docente: João Guilherme Rassi Almeida Goiânia 2013/2 1

2 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 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 2

3 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 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 3

4 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 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 reservatórios Chuvas intensas Precipitação média Tipo de vegetação / solo / uso e ocupação do solo 4

5 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 5 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‰.

6 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 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) 6

7 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 7 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)

8 1) I NTRODUÇÃO À H IDROLOGIA 8

9 U SOS M ÚLTIPLOS DA Á GUA 9 Uso Consuntivo V_entrada > V_saída Qualidade ↓ Ex.: Abastecimento; Irrigação Uso não Consuntivo V_entrada = V_saída Ex.: Navegação; Geração de Energia

10 C ICLO H IDROLÓGICO 10 Evaporação Transpiração Condensação Precipitação Escoamento superficial Infiltração

11 P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA 11 Vapor de água da atmosfera depositada sobre a superfície terrestre Ex.: chuva; granizo; neve; orvalho; geada; e neblina T IPOS DE P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA Ciclônicas Frontal Não Frontal Convectivas Orográficas

12 12 T IPOS DE P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA Ciclônicas Longa duração Baixa a média intensidade Abrangem grandes áreas Projetos de grandes bacias hidrográficas Ciclônicas – Não Frontal Condensação devido a baixa pressão

13 13 T IPOS DE P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA Ciclônicas - Frontal (UFOP) Ocorrência + comum

14 14 T IPOS DE P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA Convectivas (UFOP) Regiões Tropicais Grande intensidade Curta duração Pequenas áreas Projetos de pequenas bacias

15 15 T IPOS DE P RECIPITAÇÃO A TMOSFÉRICA Orográficas (UFOP) Orográficas: o ar é forçado a transpor barreiras, abaixando a pressão

16 16 D ISTRIBUIÇÃO C LIMÁTICA DO B RASIL 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

17 17 M EDIDAS DE P RECIPITAÇÕES Altura pluviométrica Lamina d’água precipitada em uma área impermeável Unidade: mm Intensidade de Precipitação Relação entre altura pluviométrica e duração da precipitação Unidade: mm/h; mm/min Duração Periodo de tempo contato desde o início até o fim da precipitação Unidade: horas; minutos

18 18 M EDIDAS DE P RECIPITAÇÕES - A PARELHOS Pluviômetro  Determina a altura pluviométrica Funil  impede a evaporação de água

19 19 M EDIDAS DE P RECIPITAÇÕES - A PARELHOS 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

20 20 Hietograma Pluviograma Tempo de Duração (min ou hora)? Total Precipitado (mm)? Intensidade da Chuva (mm/h)?

21 21 Hietograma Pluviograma Tempo de Duração (min ou hora)? Total Precipitado (mm)? Intensidade da Chuva (mm/h)?

22 ANÁLISE DE DADOS PLUVIOMÉTRICOS 22 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).

23 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. 23

24 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. 24 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.

25 E XERCÍCIO 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. 25

26 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. 26

27 27 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

28 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 aritmético método de Thiessen método das isoietas. Os métodos podem ser utilizados para um temporal isolado, para totais mensais precipitados ou para os totais anuais. 28

29 M ÉTODO A RITMÉTICO Recomenda-se o uso deste método: bacias menores que 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 29 PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA P (barra)  precipitação média na bacia N  numero de estações Pi  alturas de pluviométricas em cada estação (i = 1, 2, 3,..., N).

30 M ÉTODO DE T HIESSEN 30 PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA Aspectos deste método: Bons resultados mesmo para uma distribuição não uniforme dos aparelhos Útil 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.

31 M ÉTODO DE T HIESSEN 31 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

32 M ÉTODO DE T HIESSEN 32 PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA Fonte: Hiroshi P. Yoshizane

33 M ÉTODO DAS I SOIETAS 33 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

34 M ÉTODO DAS I SOIETAS 34 PRECIPITAÇÃO MÉDIA SOBRE UMA BACIA

35 E XERCÍCIO 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: 35 Isoietas Área (km²) Precipitação med (mm) Precipitação Ponderada (mm) Total - Pm

36 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. 36

37 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. 37 ANÁLISE DE FREQUÊNCIA DOS DADOS DE CHUVA

38 F REQUÊNCIA 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. 38

39 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. 39

40 E XERCÍCIO AnoPm (mm) m (ordem decresce nte) F califór mia Tr califo rnia F (kimb al) Tr (kimb al) N

41 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 retorno Maior a área de abrangência  menor a intensidade 41

42 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 42

43 CURVAS DE INTENSIDADE - DURAÇÃO E FREQUÊNCIA ( I - D - F ) 43

44 CURVAS DE INTENSIDADE - DURAÇÃO E FREQUÊNCIA ( I - D - F ) 44 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?)

45 B IBLIOGRAFIA PRINCIPAL CONSULTADA BARBOSA JUNIOR, A. N. A POSTILA DE HIDROLOGIA APLICADA. D ISPONÍVEL EM :. A CESSADO EM : 08/


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