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Hidrologia Precipitação Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves

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Apresentação em tema: "Hidrologia Precipitação Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves"— Transcrição da apresentação:

1 Hidrologia Precipitação Carlos Ruberto Fragoso Jr. Marllus Gustavo Ferreira Passos das Neves Ctec - Ufal

2 Resumo da aula Revisão da aula passada (Bacia Hidrográfica e Balanço Hídrico); O que é precipitação? Formas e tipos de precipitação; Medidas de precipitação; Análise dos dados de chuva (frequência, variabilidade); Chuvas intensas (máximas); Exercícios.

3 Sub4 Sub3Sub2Sub1 represa saída Bacia Hidrográfica vários níveis de subdivisão da bacia

4 divisor superficial x divisor subterrâneo Divisor: Características da Bacia Hidrográfica: Área de drenagem Comprimento Declividade Curva hipsométrica Forma Cobertura vegetal e uso do solo …… Bacia Hidrográfica

5 Balanço Hídrico A equação abaixo tem que ser satisfeita: Onde V variação do volume de água armazenado na bacia (m 3 ) t intervalo de tempo considerado (s) P precipitação (m 3. s -1 ) E evapotranspiração (m 3. s -1 ) Q escoamento (m 3. s -1 ) B alanço entre entradas e saídas de água em uma bacia hidrográfica Principal entrada precipitação Saídas evapotranspiração e escoamento.

6 Precipitação: água da atmosfera depositada na superfície terrestre. Formas: chuvas; granizo; neve; orvalho; neblina; geada. Variabilidade temporal e espacial. Precipitação Nosso maior interesse está na precipitação em forma de chuva Formação das nuvens de chuva Massa de ar úmido se eleva temperatura diminui, mais vapor se condensa gotas crescem, vencem as forças de sustentação e se precipitam

7 Precipitação Quantidade de água que o ar pode conter sem que ocorra condensação maior para o ar quente do que para o ar frio. Regime de precipitação governado pela circulação geral da atmosfera... Tamanho das gotas nuvem: 0,02 mm chuva: 0,5 a 2 mm

8 Circulação da atmosfera: modelos Troposfera: Modelo monocelular modelo tricelular Modelo monocelular Circulação se a Terra não girasse Ar sobe no equador Ar desce nos pólos Vento na superfície dos pólos para o equador (das altas para baixas pressões)

9 Circulação geral aproximada Modelo Tricelular Influência da rotação da terra e do atrito com a superfície do globo baixas pressões no equador altas pressões nos pólos zonas alternantes de alta e baixa pressão

10 Modelo Tricelular célula de Hadley (célula tropical) célula de Ferrel (célula das latitudes médias) célula polar Circulação geral aproximada

11 células de Hadley célula polar célula de Ferrel célula polar Circulação geral aproximada

12 Zona de convergência Intertropical (ZCIT) Nuvens convectivas desenvolvimento vertical células de Hadley Grande liberação de calor latente ~5º de latitude

13 Origem dos Ventos alísios (Trade winds) Subsidências altas subtropicais Lat 20 a 35º Subsidências altas subtropicais Lat 20 a 35º células de Hadley Altas subtropicais grandes desertos células de Hadley

14 Divergências do ar à superfície em direção a Lat 60º. Áreas de baixas pressões Células de Ferrel Ventos de quadrante oeste Frente polar

15 Células Polares Altas pressões à superfície do solo altas polares Ventos divergem à superfície Ventos de leste Frente polar Células polares (Altas polares) desertos frios

16 circulação idealizada circulação real Zonas de pressão atmosférica Ventos alísios (Trade winds) Calmas equatoriais (Doldrums) Alísios NE no hemisfério norte e SE no hemisfério sul (força de Coriolis)

17 Circulação geral aproximada

18 Modelo Tricelular

19 Circulação geral aproximada

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21 Efeitos no clima e na precipitação

22 Correntes de jato Acima da troposfera ventos úmidos mais rápidos (menos atrito) sopram de leste para oeste Nas latitudes médias, formam-se por causa de altos gradientes de pressão e temperatura

23 Correntes de jato Acima da troposfera ventos úmidos mais rápidos (menos atrito) sopram de leste para oeste

24 Precipitação média anual

25 Precipitação média em julho

26 Precipitação média em janeiro

27 Clima

28 Do ponto de vista do hidrólogo a chuva tem três mecanismos fundamentais de formação: chuva frontais ou ciclônicas: interação entre massas de ar quentes e frias grande duração, grandes áreas e intensidade média; chuvas orográficas: ventos em barreiras montanhosas pequena intensidade, grande duração e pequenas áreas; chuvas convectivas térmicas: brusca ascenção local de ar aquecido no solo áreas pequenas, grande intensidade e pequena duração. Tipos de chuva

29 Ocorrem ao longo da linha de descontinuidade, separando duas massas de ar em de características diferentes. São chuvas de longa duração. Frontais ou Ciclônicas

30 Brasil muito freqüentes na região Sul, atingindo também as regiões Sudeste, Centro Oeste e, por vezes, o Nordeste

31 Frontais ou Ciclônicas

32 Orográficas Ocorre quando o ar é forçado a romper barreiras naturais, esfriam e precipitam-se. São chuvas de média abaixa intensidade e curta duração.

33 As chuvas orográficas ocorrem em muitas regiões do mundo, e no Brasil são especialmente importantes ao longo da Serra do Mar Ocorre sempre no mesmo local Orográficas

34 Convectivas São provocadas pela ascensão do ar devido às diferenças de temperatura na camada vizinha da atmosfera. São chuvas de curta duração, grande intensidade e ocorre em pequenas extensões

35 Problemas de inundação em áreas urbanas estão, muitas vezes, relacionados às chuvas convectivas Convectivas

36 Florianópolis verão 2008 Convectivas

37 Florianópolis verão 2008 Convectivas

38 Cariri paraibano

39 Convectivas Cariri paraibano

40 Convectivas Cariri paraibano

41 Resumo

42 Pluviômetros Pluviógrafos Pluviômetros de báscula Radar Satélite Medição de chuva

43 Fonte : Sabesp Estação Pluviográfica com Telemetria Estação Pluviográfica

44 Medida com : Pluviômetros - leitura diária às 7 horas Pluviógrafos e pluviômetros de báscula intervalos de tempo menores que 1 dia Medição de chuva

45 Pluviômetros: Pluviômetro

46 Fonte : Sabesp Pluviômetro

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48 Pluviógrafo – pluviômetro de caçamba

49 Estação Pluviográfica

50 Pluviográfico Fonte : Sabesp

51 Aeroclube de Maceió Pluviômetro de báscula Quartel do Exército SEST

52 Radar Meteorológico Radar (Radio Detection and Ranging ou Detecção e Telemetria pelo Rádio) Possibilidade de quantificar a precipitação de forma contínua, tanto no tempo quanto no espaço alternativa às medidas pontuais de pluviômetros Não mede diretamente chuva nível de retorno dos alvos de chuva refletividade Determinar a partir do espectro de gotas observado a relação entre a chuva e a refletividade relação Z-R Temos que calibrar o Radar

53 transmissor propagação a partir da antena objeto retorno para a antena comutador receptor processamento Radar Meteorológico

54 Ondas eletromagnéticas à velocidade da luz enviadas para as nuvens na nuvem, cada gota irradia ondas em todas as direções parte da energia gerada pelo volume total de gotas iluminado pelo feixe de onda do radar volta ao prato do radar distância pelo tempo de ida e volta Radar Meteorológico

55 relação Z-R Z = a. R b Radar Meteorológico

56 Mapas indicadores (produtos do Radar) Indicadores ou varredura PPI (Plan-Position Indicator) e RHI (Range-Heigth Indicator) CAPPI (Constant PPI) Campo de precipitação em um plano de altitude constante localização e intensidade da chuva em tempo real Radar Ufal Dowloads Dissertações Quintão (2004) RHI

57 Mapas indicadores (produtos do Radar) SIRMAL imagens em PPI a cada 3 horas nas resoluções de 30, 130, 250 e 380 km com cartografia. Para usuários especiais, geradas durante 24 horas nas resoluções de 30, 130, 250 e 380 km, com intervalos de tempo de 2 a 60 minutos. Z = 176,5. R 1,29 MORAES, M. C. S. Distribuição de Gotas de Chuva e a Relação Z-R para Radar na Costa Leste do Nordeste do Brasil p. Dissertação (Mestrado) – Maceió, AL.

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64 Quanto mais quente a nuvem parece, mais água ela contém Imagens no IR e MW (MW mais precisas) Estimativas baseadas em temperatura de brilho do topo de nuvem (Lei de Planck): Estimativa por Satélite

65 Instrumentos do TRMM (Tropical Rainfall Measuring Misson) : Sensor Microondas e Radar Além disso: validação em terra Produto 3B42 (dados de 3 em 3 horas, resolução de 0.25°) Estimativas de chuva por satélite

66 Testes Preliminares

67 Diferença nas magnitudes Satélite atrasa Satélite adianta Estiagem bem representada Testes Preliminares

68 Altura ou lâmina de chuva – medida normalmente em milímetros 1 mm de chuva = 1 litro de água distribuído em 1 m 2 Espessura média que recobriria a região atingida pela precipitação se não houvesse infiltração, nem evaporação e nem escoamento para fora dos limites da região Intensidade da chuva é a razão entre a altura precipitada e o tempo de duração da chuva representa a variabilidade temporal geralmente são definidos intervalos de tempo nos quais é considerada constante Grandezas características da precipitação

69 Numa bacia hidrográfica, 40 mm de chuva é pouco se ocorrer ao longo de um mês, mas é muito se ocorrer em 1 hora Tempo de retorno N o médio de anos durante o qual espera-se que a precipitação analisada seja igualada ou superada seu inverso é a probabilidade de um fenômeno igual ou superior ao analisado, se apresentar em um ano qualquer Grandezas características da precipitação

70 TempoChuva Exemplo de Registro de Chuva Início 03:00 Fim: 13:00 Duração = 10 horas

71 TempoChuvaChuva Acumulada Chuva Acumulada

72 Duração da chuva = 10 horas Total precipitado = 61 mm Intensidade média = 6,1 mm/hora Intensidade máxima = 12 mm/hora entre 6 e 7 horas Intensidade média do dia = 61/24 = 2,5 mm/hora Intensidade média

73 Chuvas intensas são mais raras Chuvas fracas são mais freqüentes Por exemplo: Todos os anos ocorrem alguns eventos de 10 mm em 1 dia em Porto Alegre. Chuvas de 180 mm em 1 dia ocorrem uma vez a cada 10 ou 20 anos, em média. Frequência

74 Série de dados de chuva de um posto pluviométrico na Região Sul

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76 Frequência

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78 Chuva média anual A chuva média anual é uma das variáveis mais importantes na definição do clima de uma região, bem como sua variabilidade sazonal

79 Muitas regiões da Amazônia mais do que 2000 mm por ano Região do Semi-Árido do Nordeste áreas com menos de 600 mm anuais Chuva média anual

80 Distribuição das chuvas se aproxima de uma distribuição normal (exceto em regiões áridas) Distribuição normal tabelada para Z = (x- )/ Conhecendo a média e o desvio padrão das chuvas anuais é possível associar uma chuva a uma probabilidade Chuvas totais anuais

81 Cuiabá Porto Alegre Chuvas médias mensais A variabilidade sazonal da chuva é representada por gráficos com a chuva média mensal Na maior parte do Brasil verão com as maiores chuvas. Rio Grande do Sul a chuva é relativamente bem distribuída ao longo de todo o ano (em média).

82 BelémCuiabá Porto AlegreFlorianópolis Chuvas médias mensais

83 Precipitações médias mensais: dados do posto Jacarecica da SEMARH. Período: 1997 a 2007 Chuva média mensal

84 Chuva máxima anual Existe o interesse pelo conhecimento detalhado de chuvas máximas no projeto de estruturas hidráulicas como bueiros, pontes, canais e vertedores Análise de frequência de chuvas máximas calcular a precipitação P que atinge uma área A em uma duração D com uma dada probabilidade de ocorrência em um ano qualquer podem ser ajustadas distribuições de probabilidade como a de Gumbel para: uma duração como a chuva diária; várias durações curva IDF

85 Tomar o valor máximo de chuva diária de cada ano de um período de N anos Organizar N valores de chuva máxima em ordem decrescente. A cada um dos valores pode ser associada uma probabilidade de que este valor seja atingido ou excedido em um ano qualquer. Fórmula empírica: Chuva máxima anual

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87 Probabilidade x tempo de retorno Uma chuva que é igualada ou superada 10 vezes em 100 anos tem um período de retorno de 10 anos. A probabilidade de acontecer esta chuva em um ano qualquer é de 1/10 (ou 10 %) TR = 1/Prob TR adotados Microdrenagem urbana: 2 a 5 anos Macrodrenagem urbana: 5 a 25 anos Pontes e bueiros com pouco trânsito: 10 a 100 anos Pontes e bueiros com muito trânsito: 100 a 1000 anos Grandes obras hidráulicas: anos

88 Chuvas intensas Causas das cheias podem causar grandes prejuízos quando os rios transbordam e inundam casas, ruas, estradas, escolas, podendo destruir plantações, edifícios, pontes etc. e interrompendo o tráfego As cheias também podem trazer sérios prejuízos à saúde pública ao disseminar doenças de veiculação hídrica Interesse pelo conhecimento detalhado de chuvas máximas no projeto de estruturas hidráulicas como bueiros, pontes, canais e vertedores

89 Chuvas intensas Problema da análise de freqüência de chuvas máximas calcular a precipitação P que atinge uma área A em uma duração D com uma dada probabilidade de ocorrência em um ano qualquer (ou tempo de retorno) curva de Intensidade – Duração – Freqüência (IDF) 1) Obtida a partir da análise estatística de séries longas de dados de um pluviógrafo (mais de 15 anos, pelo menos) 2) Selecionam-se as maiores chuvas de uma duração escolhida (por exemplo 15 minutos) em cada ano da série de dados série de tamanho N (número de anos) ajustada uma distribuição de frequências 3) Procedimento repetido para diferentes durações (5 min, 10 min, 1 hora, 12 horas, 24 horas,...) resultados são resumidos na forma de um gráfico ou equação

90 A curva IDF Intensidade – Duração - Frequência Parque da Redenção em Porto Alegre

91 Chuvas intensas Em locais sem séries de dados Método de Bell, método das relações de durações (mais comum) DuraçõesRazão 24h/1dia1,14 12h/24h0,85 10h/24h0,82 8h/24h0,78 6h/24h0,72 1h/24h0,42 30min/1h0,74 25min/30min0,91 20min/30min0,81 15min/30min0,7 10min/30min0,54 5min/30min0,34 O das relações de durações obtenção dos valores de precipitações médias máximas com duração inferior a 24 h Fonte: Cetesb (1979)

92 Chuva diária x chuva de 24h Precipitação diária valor compreendido entre 2 horários de observação pluviométrica O encarregado verifica o acumulado das 7 horas de ontem até as 7 horas de hoje Precipitação de 24 h maior valor de chuva correspondente a um período consecutivo de 24 horas (não necessariamente coincidente a um período de observação 24h/1dia?

93 Chuva diária x chuva de 24h Diária 230 mm 221 mm 216 mm217 mm

94 Chuva diária x chuva de 24h Diária 230 mm Máxima de 24 h 353 mm

95 Chuvas intensas

96 Qual é a precipitação máxima de 1 hora de duração em Porto Alegre? ????? Qual é a precipitação máxima de 1 hora de duração em Porto Alegre com 1% de probabilidade de ser excedida em um ano qualquer? ou, no lugar da probabilidade, tempo de retorno de 100 anos. Exemplo de uso da curva IDF

97 Mapas de chuva Linhas de mesma precipitação são chamadas ISOIETAS

98 Apresentação em mapas Utiliza dados de postos pluviométricos Interpolação Isoietas Isoietas totais anuais, máximas anuais, médias mensais, médias do trimestre mais chuvoso Isoietas retrata a variabilidade espacial

99 Isoietas

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101 Bacia do rio Paraíba (Plano Diretor) Postos Isoietas Anuais Médias Isoietas

102 Bacia do rio Paraíba (Plano Diretor) Trimestre mais Chuvoso (Maio – Junho – Julho) Postos Isoietas

103 Máximas diárias

104 Lâmina de água de altura uniforme sobre toda a área considerada, associada a um período de tempo dado (como uma hora, dia, mês e ano) Precipitação média numa bacia

105 Precipitação = variável com grande heterogeneidade espacial Precipitação média numa bacia

106 50 mm 66 mm 44 mm 40 mm 42 mm Média aritmética (método mais simples) = 200 mm 200/4 = 50 mm P média = 50 mm Precipitação média numa bacia

107 50 mm 70 mm 120 mm 50+70= 120 mm 120/2 = 60 mm P média = 60 mm Obs.: Forte precipitação junto ao divisor não está sendo considerada Problemas da média Precipitação média numa bacia

108 Posto mm Posto mm Posto mm Precipitação média numa bacia

109 Posto mm Posto mm Posto mm SIG Precipitação média numa bacia

110 Polígonos de Thiessen 50 mm 70 mm 120 mm Áreas de influência de cada um dos postos a i = fração da área da bacia sob influencia do posto I P i = precipitação do posto i Precipitação média por Thiessen

111 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm Precipitação média por Thiessen

112 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 1 – Linha que une dois postos pluviométricos próximos Precipitação média por Thiessen

113 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 2 – Linha que divide ao meio a linha anterior Definição dos Polígonos de Thiessen

114 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 2 – Linha que divide ao meio a linha anterior Região de influência dos postos Definição dos Polígonos de Thiessen

115 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm 3 – Linhas que unem todos os postos pluviométricos vizinhos Definição dos Polígonos de Thiessen

116 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 4 – Linhas que dividem ao meios todas as anteriores Definição dos Polígonos de Thiessen

117 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos Definição dos Polígonos de Thiessen

118 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos Definição dos Polígonos de Thiessen

119 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos Definição dos Polígonos de Thiessen

120 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos Definição dos Polígonos de Thiessen

121 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos Definição dos Polígonos de Thiessen

122 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm 5 – Influência de cada um dos postos pluviométricos 40% 30% 15% 10% 5% Definição dos Polígonos de Thiessen

123 Precipitação média por Thiessen O método dá bons resultados em terrenos levemente acidentados, quando a localização e exposição dos pluviômetros são semelhantes e as distâncias entre eles não são muito grandes facilita o cálculo automatizado

124 50 mm 120 mm 70 mm 75 mm 82 mm Média aritmética = 60 mm Média aritmética com postos de fora da bacia = 79,4 mm Média por polígonos de Thiessen = 73 mm Precipitação média

125 Interpoladores ponderados pela distância 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm Sobrepor uma matriz à bacia

126 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm Calcular distância do centro de cada célula a todos os postos Interpoladores ponderados pela distância

127 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm Obter chuva interpolada na célula Onde b é uma potência normalmente próxima de 2 Interpoladores ponderados pela distância

128 50 mm 120 mm 70 mm 82 mm 75 mm Repetir para todas as células Calcular a chuva média das células internas à bacia Interpoladores ponderados pela distância

129 Polígonos de Thiessen – Total confiança no posto mais próximo Inverso da distância – Pondera de acordo com a distância dos postos Kriging – Pondera de acordo com a distância – Função de ponderação não é pré-definida, mas surge a partir da análise dos dados Outros Interpoladores

130 Objetivo de um posto de chuva obter uma série ininterrupta ao longo dos anos ou da dados detalhados de tormentas É comum entretanto período de falhas preenchimento errado do valor na caderneta de campo, soma errada do n o de provetas em precipitações altas, observador não foi coletar e chutou o valor, crescimento de vegetação ou outra obstrução próxima, danos no aparelho, problemas mecânicos (pluviógrafos) Dados devem ser analisados antes de serem utilizados Análise de dados

131 Preenchimento de falhas (intervalo mensal; intervalo anual) YX1X2X Falhas nos dados observados

132 Preenchimento de falhas (utilizar postos próximos) Análise de dados Análise de consistência (utilizar postos próximos) Observações: 1) Passo 1 acima pelo menos 3 postos com 10 anos de dados 2) Passo 2 acima todos os postos sem falhas e período de dados comum 3) dois passos acima séries mensais e anuais Métodos: Ponderação regional Regressão linear Ponderação regional com base em regressões lineares Métodos: Dupla massa Vetor regional

133 Correlação entre chuvas anuais Método da regressão linear

134 Correlação entre chuvas anuais Método da regressão linear

135 Se a correlação entre as chuvas de dois postos próximos é alta, eventuais falhas podem ser corrigidas por uma correlação simples. O ideal é utilizar mais postos para isto Método da ponderação regional Correção de falhas

136 Posto Y apresenta falha Postos X1, X2 e X3 tem dados. Ym é a precipitação média do posto Y Xm1 a Xm3 são as médias dos postos X PX1 a PX3 são as precipitações nos postos X1 a X3 no intervalo de tempo em que Y apresenta falha. PY é a precipitação estimada em Y no intervalo que apresenta falha. Correção de falhas Método da ponderação regional

137 Análise de consistência de dados Mudança de declividade erros sistemáticos, mudança nas condições de observação, alterações climáticas por causa de reservatórios

138 Análise de consistência de dados Retas paralelas erros de transcrição de um ou mais dados ou presença de anos extremos em uma das séries plotadas Distribuição errática regimes pluviométricos diferentes

139 Método Dupla Massa

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141 Precipitação: A)78 mm B)84 mm C)64 mm Exercício

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143 Um balde com formato cônico foi deixado na chuva durante um evento de 80 minutos de duração. Ao final do evento o balde, que estava inicialmente vazio, apresentava o nível dágua mostrado na figura (h = 6 cm). Qual foi a intensidade da chuva durante este evento (em mm/hora)? A altura do balde é de 40 cm. O diâmetro maior do balde é de 40 cm e o diâmetro menor de 25 cm. Volume de tronco de cone Exercício

144 Considerando a curva IDF do DMAE para o posto pluviográfico do Parque da Redenção, qual é a intensidade da chuva com duração de 40 minutos que tem 1% de probabilidade de ser igualada ou superada em um ano qualquer em Porto Alegre? Exercício

145 Uma análise de 40 anos de dados revelou que a chuva média anual em um local na bacia do rio Uruguai é de 1800 mm e o desvio padrão é de 350 mm. Considerando que a chuva anual neste local tem uma distribuição normal, qual é o valor de chuva anual de um ano muito seco, com tempo de recorrência de 40 anos? Exercício


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