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RESUMO –HIDROLOGIA - Área 1
CICLO HIDROLÓGICO: Ciclo contínuo (entradas - vazões, armazenamento, saídas-vazões efluentes + energia). Troca de volume hídrico: Terra Atmosfera (evaporação). Atmosfera Terra (Precipitação). Ciclo impulsionado pela energia eletromagnética e gravitacional do sol. O sol fornece energia para a evaporação e o campo gravitacional e a força de Coriolis condicionam os ventos que realizam o transporte horizontal das partículas evaporadas. Em níveis globais, o sistema hidrológico pode ser considerado fechado. Entrada – Saída = Armazenamento.
BACIA HIDROGRÁFICA: A bacia hidrográfica de um curso d'água é a superfície topográfica drenada por esse curso, delimitada pelo divisor de águas, cortando a corrente só na foz. Volume total transportado = escoamento superficial + fluxo de água pelo solo. O limite do fluxo subterrâneo são as camadas impermeáveis. Quanto mais alto o nível de água, mais próxima estão essas camadas. Em geral, o perfil do lençol de água acompanha o do terreno. Onda de cheia: chegada à foz das precipitações ocorrentes em toda a bacia. O tipo de onda gerada depende da conformação da bacia, influindo sobre a taxa à qual a água é fornecida ao rio principal.
Índice de Forma: I=AL2 Um valor baixo representa uma menor probabilidade de ocorrer uma chuva intensa (comprimento maior).
Índice de Compacidade: K=0,28PA Uma bacia compacta apresenta um índice baixo.
Características físicas: Compreensão do processo chuva vazão.
Tempo de Concentração da bacia: A água escoa através do percurso de maior declividade até o leito fluvial. O tempo de concentração da bacia é o tempo que uma gota de chuva leva do ponto mais distante da foz para chegar até esta. Fórmula de Kirpich: tc=57L3H0,385(L = comprimento do talvegue, H = H entre os pontos mais alto e mais baixo do talvegue)
Área da Bacia: Ligada com a quantidade de precipitação que a bacia capta. A intensidade da chuva varia inversamente com a área coberta pelo temporal logo, quanto maior for a bacia, menor a intensidade da chuva e menor será a vazão de inundação. P/ vazões mínimas, bacias de maior área tem mais chance de receber precipitação mantendo uma vazão contínua.
Densidade de Drenagem: Com boa densidade o escoamento encontra-se rapidamente na saída. DD= LA, sendo L = somatório dos comprimentos de todos os canais ou DD= NA, onde N é o número de confluências da rede de drenagem. Para isso considera-se o rio principal com sendo o de 1ª ordem e assim por diante. A densidade de drenagem pode ser modificada pela ação do homem com projetos de drenagem.
Distribuição Alitudinal da Área: A maior parte dos fatores hidrometeorelógicos varia com a altitude. Distribui-se a área da bacia em faixas de altitude e essa informação é arranjada em forma de histogramas ou pela curva de freqüências altimétricas que indica o percentual de área da bacia em certa altitude. A acumulação desses valores gera a curva hipsométrica na qual se pode obter a altitude mediana da bacia, indicando que 50% da área da bacia estão acima ou abaixo dessa altitude.
Declividade: Relação com a infiltração e com a velocidade de concentração do escoamento. Subdividir a bacia em faixas de altitude e ponderar a declividade individual de cada faixa com a sua área.
Uso e tipo de solo: Áreas florestadas favorecem a infiltração e não o escoamento superficial, pois as folhas retêm água e reprecipitam a água lentamente. Solos desmatados tornam-se compactos (difícil penetração) com grande chance de inundações. Com urbanização ás superfícies são quase que impermeáveis acarretando em picos de cheias muito altos e grandes volumes de escoamento superficial. A permeabilidade do terreno defini a taxa de infiltração permitida pelo solo e a constituição geológica define o caminho de percolação.
Bacias experimentais: Características uniformes, pode-se alterar as condições naturais, pequenas, exigem estudos detalhados. Bacias representativas: típicas de determinada região, sem alterações, grandes, períodos longos de observação.
PRECIPITAÇÕES: Toda água depositada na superfície terrestre. Pela condensação do vapor da água contido no ar atmosférico. Variável hidrológica de caráter altamente aleatório cuja unidade de medida é o mm de chuva (1mm de chuva =1 litro em 1 m². Para definir uma precipitação é necessário conhecer sua intensidade (quantidade de chuva dividida pela duração taxa de transferência de água da atmosfera para o solo), duração (tempo decorrido entre seu início e fim) e freqüência (probabilidade de uma chuva ser igualada ou superada). Sendo Tr (período de retorno) = 1/F.
Formação de Precipitações: Ar n absorve calor por radiação incidente e sim por radiação emitida da superfície, logo aquece de baixo para cima até certa atura. Ar quente e úmido próximo ao solo eleva-se até camadas mais frias perdendo temperatura até o ponto de saturação. O Vapor de água transforma-se em gotículas líquidas espalhadas em forma de aerosol (nuvens). Devido a choque entre elas ou por condensação de mais vapor (facilitada por núcleos de condensação – poeira, fuligem, cristais de gelo...), as gotículas aumentam de tamanho. Com o aumento de volume começam a cair e aumentam mais por outros choques até formar gotas.
Tipos de Precipitação: identificadas segundo a casa da elevação do ar quente. Uma precipitação envolver mais de um tipo de ocorrência.
Convectivas: Com atmosfera calma (movimentos mais verticais do que horizontais), o ar menos denso sobe e esfria formando nuvens do tipo cúmulos que originam chuvas intensas, de curta duração e que abrangem áreas reduzidas. Características de zonas equatoriais, em zonas temperadas ocorrem no verão. Nesse tipo de nuvem são geradas as precipitações de granizo.
Orográficas: Ventos úmidos do oceano encontram encostas e elevam-se pra transpô-las e acabam esfriando causando precipitações. O vento que transpõe a encosta já não é mais úmido, dando origem a zonas secas e semi-áridas (sombra pluviométrica).
Frontais ou ciclônicas: O ar em contato com a superfície adota as características térmicas e de úmida da mesma formando as massas de ar que podem ser quentes, frias, úmidas e secas. Por causa da diferença de pressão e outras influências da circulação atmosférica esse ar movimenta-se. Quando massas com características diferentes chocam-se provocam precipitações na superfície de contato entre elas conhecida como frente meteorológica. (massas de ar quente empurram massas de ar frio para baixo e vice-versa). Geram precipitações importantes, de longas durações e abrangendo extensas áreas.
Medição de Precipitações: Determinação da quantidade de lâmina d'água precipitada sobre a superfície do terreno. De caráter pontual, pois é impraticável medir a chuva em toda a bacia, gerando problemas devido à grande variabilidade espacial das precipitações.
Pluviômetro: Recipiente coletor que armazena água num deposito interno, captada através de uma boca horizontal com diâmetro padronizado. A altura é determinada vertendo a água em um a proveta graduada. A quantidade de chuva captada depende da exposição do vento (altera a trajetória do ar), da altura do instrumento e dos objetos próximos ao aparelho. A altura da boca é de 1,5m. O local ideal de medição é o nível do solo, devendo haver proteção se forem assim instalados. Fontes de erro: evaporação, contagem incorreta de provetas, água derramada, graduação da proveta incompatível com o diâmetro da boca, leitura incorreta na escala da proveta, anotações incorretas dos dados. Aparelho totalizador das chuvas de 24h (das 9h as 9h) gerando valore diários de precipitação.
Pluviógrafo: Informações das distribuições temporais e intensidades. De bóia: armazena água em compartimento com bóia flutuante ligada a uma pena q traça em um gráfico conforme a bóia vai subindo. Ao chegar aos 10mm de precipitação um sifão descarrega o depósito e inicia-se do zero. Massa: Balança que acumula água num depósito que ao aumentar de peso movimenta uma pena. Depósito descarrega aos 10mm. Cuba basculante: ubá com dois compartimentos de 0,5mm que recebem água alternadamente. Quando um está cheio, a cuba o faz esvaziar e começar a encher o outro gerando, também, um sinal elétrico. Registro a cada 0,5mm e possui a vantagem de que o sistema de registro não precisar estar no mesmo local que o sensor.
Radar: Observação da movimentação dos núcleos de precipitação e estima intensidades (medidas não diretamente comparáveis com as dos pluviômetros) Estima a média das intensidades de chuva que o feixe intercepta. Consiste iluminação da chuva por um feixe de radiação, que retorna com informações da distribuição e tamanho das gotas. O radar Doppler também compara as freqüências emitidas e recebidas, diretamente proporcionais ao deslocamento do sistema precipitante. Vantagem principal: observação em extensas áreas geográficas
Variação geográfica da Precipitação: Isoietas linhas que unem pontos de igual precipitação durante certo tempo. Necessárias grandes séries de dados. Calculam-se os valores médios de cada ponto e depois se interpolam as isolinhas.
Variação Alitudinal: Pluviosidade aumenta com a altitude até um máx e depois decresce (altura da base das nuvens). Não pode ser ignorada em bacias com relevo muito acidentado (isoietas paralelas as curvas de níveis)
Variação com a Área: A chuva não é homogênea. Apresenta-se em forma de células mais intensas q se movimentam com o vento.
Distribuição temporal da precipitação: Hietograma diagrama de barras que representa a variação temporal da precipitação.
Precipitação Média: Altura uniforme de chuva sobre toda a área, em certo tempo, de modo que o volume gerado seja o real. Para amenizar erros, trabalhar com o maior número de pluviômetros possível e ponderar seus dados para um cálculo da média.
Método da Média Aritmética: P= Pin Ignora as variações geográficas, logo, aplicável em regiões planas com variações graduais e suaves do gradiente pluviométrico contendo muitos postos de medição.
Método dos Polígonos Thiessen: Delimita-se uma área de influência para cada pluviômetro. Essa área é obtida traçando linhas que unem dois aparelhos, constituindo uma rede de triângulos, e no ponto médio de cada linha, traçar retas perpendiculares, obtendo-se os lados dos polígonos. Considera-se a chuva uniforme dentro de cada polígono. P=PiAiAi Apresenta bons resultados em terrenos pouco acidentados e a distância entre os pluviômetros é pequena. Cálculo Numérico: geração de pares de números pseudo-aleatórios com distribuição uniforme dentro de um retângulo que contém a área de estudo. Os polígonos não precisam ser traçados, pois a área de influência é delimitada pela porcentagem do total de pontos que está mais perto de determinado aparelho.
Método das Isoietas: Unir os pluviômetros com retas e interpolar as precipitações. Traçar isolinhas para os valores interpolados que devem acompanhar as curvas de nível e nunca cortá-las. P=PiAiAi, sendo Pia chuva média na faixa entre as isolinhas. Vantagem: podem ser incluídos conhecimentos que se tenha da região (topografia, ventos,..).
Método Angular: Consideração das precipitações mais ao centro da bacia. Ponderam-se os pluviômetros com o valor de um ângulo proporcional à proximidade do centro da bacia. 1º Determinar o eixo da bacia (foz ao seu ponto mais afastado); 2º Traçar uma paralela ao eixo no centro de gravidade da bacia; 3º Traçar perpendicular no centro de gravidade delimitando um eixo menor. 4º Medir o ângulo referente a cada pluviômetro unindo o ponto ao vértice mais afastado de cada eixo. P=Pi i i
Processamento de dados:
Detecção de erros grosseiros: observações em dias q não existem, quantidades absurdas,...
Preenchimento de falhas: Parte-se de que a precipitação em um ponto seja proporcional a de estações vizinhas num mesmo período. Se aceita que as precipitações sejam proporcionais as suas médias Px= 13MxMaPa+ MxMbPb+ MxMcPc. Os pontos vizinhos escolhidos devem estar em regiões climáticas semelhantes ao que se deseja encontrar. Não deve ser usado para séries diárias (muita variabilidade). Seria mais indicado usar o método de regressão linear para tal fim. Correlaciona-se o posto com falhas com um vizinho através de uma equação analítica (verificar coeficiente de correlação para diversos pontos).
Consistência das Séries: Dados de longos períodos podem apresentar variações que os tornam inconsistentes homogeneização. Curva de massa: dois valores acumulados plotados devem ser uma linha reta se proporcionais. Declividade da reta = constante de proporcionalidade. Alterações na declividade indicam mudança na constante. A diferença entre uma e oura é o valor da mudança. 1º: escolhe vários postos próximos ao que deve ser corrigido. 2º Calcula-se a media aritmética dos totais precipitados em todos os postos e acumula-se essa média (apoio) 3º Plotam-se essas médias do apoio contra as médias de cada ponto. P/mudanças na declividade, os valores devem ser acumulados a partir do ponto que se deseja fazer a correção. Pc=Pa+MaMo Po Aconselhável não fazer correção para valores atuais e o método não deve ser usado para valores diários.
Análise de Frequências de Séries de Precipitações: Como os processos hidrológicos são aleatórios, não se pode conhecer sua evolução com antecedência estatística: dados = amostra parcial, população = infinita, variáveis = assumem valores ao longo de qualquer ponto no tempo ou espaço. Ex: pluviômetro chuvas diárias. Séries totais: todos os valores amostrados. Parciais: valores acima de certo limite. Anuais: um valor por ano (máx, min).Coeficiente de correlação: ~ 1 = ajuste ao mesmo tipo de tendência. Tendo uma série completa de dados, podemos encontrar suas probabilidades de ocorrência (histograma de freqüências distribuição de probabilidades) Aceitamos que o que ocorreu no passado pode ocorrer no futuro. Quando ajustamos uma distribuição teórica de probabilidade à amostra estamos inferindo o comportamento da população.
Período de Retorno (Tr): Intervalo médio, em anos, em que uma variável é igualada ou superada (TR = 1/f). Não é sinônimo de periodicidade.
Distribuição Normal: Soma de variáveis aleatórias obedece a uma distribuição normal (ex: total anua de precipitações). A posição da curva em sino depende do valor da média. Em locais com pouca chuva a curva fica a esquerda. A probabilidade do valor da variável ser maior ou igual a (x+ σ) é de 15,87% e de ser menor ou igual a (x- σ) é de 84,13%. Papeis de probabilidade: pontos plotados podem ser ajustados por retas. Papel de Gauss: Escala do Tr onde Tr = 1/F(x) p/ F(x) 0,5 e Tr= 1/(1-F(x)) p/ F(X)>0,5.
Cálculo das freqüências cumulativas: 1º: ordenar valores das precipitações do mais raro para o menos raro. 2º: Atribuir um valor a ordem. 3º: Calcular probabilidade por P=in+1, onde i=ordem e n=tamanho da amostra. 4º Plotar no papel de Gauss as precipitações e as probabilidades. 5º: Plotar os valores de (x+ σ) e (x- σ). 6º: Traçar reta que melhor se ajusta. A partir da reta calcula-se as probabilidades de chuvas de Tr não encontrados na amostra. Tr cresce do centro para os extremos porque (valores altos e valores baixos são raros). Distribuições mensais não obedecem a distribuição de Gauss.
Variação da Intensidade com a Duração: Declividade da curva traçada pelo Pluviógrafo é a intensidade da chuva naquele instante. A intensidade máxima decresce com a duração da chuva, sendo i=ab+t para 5 t 120min e i=atn para t> 120min. Parte-se da idéia que chuvas intensas descarregam a energia mais rapidamente, duram menos e chuvas mais fracas demoram mais para dissipar a energia envolvida.
Curvas IDF: Chuvas são tanto mais raras quanto mais intensas. Fixa-se uma duração e escolhe-se a maior intensidade em cada ano série de n máximos para cada duração estabelecer probabilidade de ocorrência (máx Gumbel X= Xd+ KTr.Sd , onde X= precipitação para um determinado Tr, X = média, KTr = fator de freqüência tabelado, Sd = desvio padrão.) Aplicar a todas as durações e se terá os valores máximos de precipitação para cada Tr. Ou i= aTrnt+bm onde a,b,m e n determinados para cada local.
Desagregação de Séries Pluviométricas Diárias: Baseia-se na tendência de probabilidades de diferentes durações serem paralelas e a similaridade p/ diferentes locais nas relações entres precipitações médias máx. e durações decorrência dos processos físicos que desencadeiam as chuvas. Dos dados pluviométricos extraem-se as máx. diárias anuais. Sendo necessário convertê-los para P24h. 1º Associar uma probabilidade de ocorrência como no cálculo de freqüências cumulativas. 2º Graficar os valores em um papel log-normal. 3º Transformar as chuvas obtidos no gráfico para cada Tr em P24h multiplicando pelos coeficientes 4º Aplicar os coeficientes de desagregação. 5º Calcular intensidades. 6º Graficar as curvas IDF sendo o eixo X = eixo das durações e o eixo y = eixo das freqüências.
Distribuição temporal: Chuvas curtas grandes intensidades no início. Chuvas intermediárias maiores intensidades na primeira metade do hietograma. Chuvas de grande duração intensidades mais uniformes. Hietograma de projeto: sequência de intervalos de precipitação capaz de provocar uma cheia de projeto. Método dos blocos alternados: seleciona-se a duração igual ao tempo de concentração da bacia e o um intervalo de discretização (t). Retirar das curvas IDF a intensidade para cada intervalo. Transformar i em alturas de chuvas acumuladas. Calcula os incrementos (mm/t) . Rearranjar no histograma da seguinte maneira: o bloco maior coloca-se antes da metade da duração total e alterna-se os outros em ordem decrescente.
Precipitações Máximas Provável: Não é um método estatístico. Máx precipitação meteorologicamente possível através da maximização da umidade atmosférica com a transposição de temporais. Precisão depende de dados históricos disponíveis. Não é válido para bacias maiores que 50.000Km². 1º Selecionar as maiores precipitações da região para cada duração. 2º Maximizar as precipitações multiplicando a altura de chuva com a máx umidade atmosférica registrada (admitindo que sua relação seja diretamente proporcional) para avaliar o total que teria ocorrido em condições meteorológicas críticas. Se não houver dados sobre a umidade utiliza-se o ponto de orvalho (levar em conta o tipo de chuva analisada). O valor é o maior valor persistente por 12h na região. Coeficiente de ajuste = valor de água precipitável me temperatura atual / valor de água precipitável no máx orvalho. O relevo do solo pode ser um obstáculo já que pode não deixar passar a umidade. Água precipitável efetiva = água sem a barreira – água bloqueada. Água precipitável é correspondente ao ponto de orvalho reduzido a 1000hp até 200hp (12 a 13 Km – superfície nodal) e se deduz a água bloqueada (máx altura do bloqueio= 1200m). O cálculo completo ainda considera a maximização do vento (regiões montanhosas = velocidade e direção + críticas) e do deslocamento das tormentas (sincronismo coma s ondas de cheia). Fator de ajuste do vento: fv= V maxVm (máx velocidades médias) PMP=Pobs*fm*Fv. Pode-se fazer transposção de eventos se as regiões forem meteorologicamente homogêneas.
