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Hidráulica e Hidrologia Geral
Prof. Flaryston Pimentel
Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia
Engenharia Civil
Campus: Goiânia - Flamboyant
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Sistemas de abastecimento podem ser:
• Por gravidade:
• Por bombeamento:
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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).
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Potência e rendimento de Bombas Hidráulicas
O rendimento (η) aumenta com o tamanho da bomba (grandes vazões) ecom a pressão.
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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.
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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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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Curvas características de Bombas Hidráulicas
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Ponto de Trabalho (Operação) da Bomba:
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Seleção de Bombas:
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
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.
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CAVITAÇÃO
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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)
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NPSH (Net Positive Succion Head)
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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
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
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No Brasil 0,9 < K < 1,4
De modo geral 0,7 < K < 1,5
SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Diâmetros econômicos
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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.
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
Velocidades econômicas
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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
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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
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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.
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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
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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
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
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SISTEMAS ELEVATÓRIOS – CONDUTOS FORÇADOS
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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
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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
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Hidrologia
Ciclo Hidrológico
Bacias Hidrográficas
Precipitações
Escoamento Superficial
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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;
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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.
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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.
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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.
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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.
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CICLO HIDROLÓGICO
FASES DO CICLO HIDROLÓGICO:
• Evaporação;
• Transpiração;
• Condensação;
• Precipitação;
• Escoamento superficial;
• Infiltração;
• Percolação;
• Escoamento subterrâneo;
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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),
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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
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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.
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BACIA HIDROGRÁFICA
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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.
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Sub - bacia
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BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
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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
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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.
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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:
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BACIA HIDROGRÁFICA
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS
b.1. Fator de forma (Kf):
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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Chuvas frontais:
PRECIPITAÇÕES
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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
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Chuvas orográficas:
PRECIPITAÇÕES
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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
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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
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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
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PRECIPITAÇÕES
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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
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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
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PRECIPITAÇÕES
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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.
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Medições:
• Pluviômetro: equipamento que mede a quantidade de água
precipitada (altura pluviométrica) durante as 24 horas do dia.
PRECIPITAÇÕES
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Medições:
• Pluviógrafo: equipamento que mede a intensidade das chuvas.
PRECIPITAÇÕES
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Pluviograma:
PRECIPITAÇÕES
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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
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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
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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
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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
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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
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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
![Page 93: Hidráulica e Hidrologia Geral - …files.flaryston.webnode.com/200000073-013e5023b3/Aula 02 H.H. prof... · Hidrologia Aplicada: Áreas de atuação da Hidrologia: • Planejamento](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022052215/5bab451f09d3f2e74b8bc4f6/html5/thumbnails/93.jpg)
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
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• Precipitação que atinge áreas impermeáveis;
• Precipitação intensa que atinge áreas de capacidade
de infiltração limitada;
• Precipitação que atinge áreas saturadas.
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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Fonte: Rampelloto et al. 2001
![Page 96: Hidráulica e Hidrologia Geral - …files.flaryston.webnode.com/200000073-013e5023b3/Aula 02 H.H. prof... · Hidrologia Aplicada: Áreas de atuação da Hidrologia: • Planejamento](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022052215/5bab451f09d3f2e74b8bc4f6/html5/thumbnails/96.jpg)
Telhados
Ruas
Passeios
• Geração de escoamento superficial é quase imediata
• Infiltração é quase nula
Áreas ImpermeáveisESCOAMENTO SUPERFICIAL
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• Capacidade de infiltração é baixa
Gramados
Solos Compactados
Solos muito argilosos
Áreas de capacidade de infiltração limitadas
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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Infiltração
Escoamento
Precipitação
tempo
Infiltração
Intensidade da chuva x capacidade de infiltração
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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• 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
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• 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
![Page 101: Hidráulica e Hidrologia Geral - …files.flaryston.webnode.com/200000073-013e5023b3/Aula 02 H.H. prof... · Hidrologia Aplicada: Áreas de atuação da Hidrologia: • Planejamento](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022052215/5bab451f09d3f2e74b8bc4f6/html5/thumbnails/101.jpg)
• 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
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Precipitação
Infiltração
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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Precipitação
Solo saturado
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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Precipitação
Solo saturado
Escoamento
Escoamento em áreas de solo saturado
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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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
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Q (mm/h)
Geração de Escoamento
• Precipitação atinge áreas saturadas
• Processo duniano (Dunne)
ESCOAMENTO SUPERFICIAL
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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
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15 minutos
Q
P
tempo
Chuva de curta duração
tempo
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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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
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Hidrograma - exemploESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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Superficial
e recessão
pico
Escoamento subterrâneo
Sub-superficial
Formação do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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• 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
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tempo
Q
Bacia montanhosa
Bacia plana
Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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tempo
QBacia urbana
Bacia rural
Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido
Forma do HidrogramaESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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Forma da bacia x hidrograma
tempo
QBacia circular
Bacia alongada
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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tempo
Q
Forma da bacia X Forma do hidrograma
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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• 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
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tempo
Q
P
tempo
Precipitação
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
infiltração decresce
durante o evento
de chuva
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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tempo
Q
P
tempo
Infiltração Escoamento
parcela que não
infiltra é responsável
pelo aumento da
vazão no rio
ESCOAMENTO SUPERFICIAL - HIDROGRAMA
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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
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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
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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
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ESCOAMENTO SUPERFICIAL
Valores de C para diferentes superfícies
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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
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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
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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
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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
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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