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Curso:ENGENHARIA CIVIL Disciplina: HIDROLOGIA Professora: Nyadja Menezes Email: nrodrigues@favip.com.br Carga horária 72 h Turno Noite Semestre/Ano 01/2015 METEREOLOGIA METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA • Meteorologia é a ciência que estuda a atmosfera e seus processos físicos. • Climatologia é a parte da meteorologia que analisa as características médias e extremas das variáveis meteorológicas ou do tempo. • A atmosfera terrestre é a camada gasosa que envolve a Terra e a acompanha em seus movimentos. - Camadas: alta e baixa atmosfera. - A divisão entre ambas ocorre aproximadamente aos 20km de altitude, na interface conhecida como estratopausa. - A alta atmosfera tem pouca influência sobre a hidrologia terrestre. BAIXA ATMOSFERA Possui duas camadas: • Estratosfera: localiza-se entre a tropopausa e a estratopausa, possui espessura variável e caracteriza-se por apresentar menor variação vertical da temperatura do que as camadas mais próximas da terra. Nas regiões elevadas da estratosfera encontra- se a subcamada de ozônio (O3), responsável pelo controle da quantidade de radiação ultravioleta de origem solar que atinge a Terra; • Troposfera: compreendida entre a superfície terrestre e a tropopausa, a mesma apresenta maior espessura no equador (aproximadamente 16.000m) e menor nos pólos (em média 8.000m). A Troposfera se caracteriza por constantes movimentos do ar tanto no sentido horizontal (vento) como vertical (corrente de ar). Apresenta um sistema dinâmico vigoroso, com uma certa correlação entre vento e pressão no que tange à distribuição sobre o globo. A Circulação Geral é definida como a distribuição geral média dos ventos sobre a superfície do globo. Através de cartas isobáricas anuais, delimitaram-se sobre o globo zonas ou faixas de ocorrência de altas e baixas pressões e, entre estas, a predominância do vento em determinadas direções e sentidos. a) Faixa Equatorial de Baixas Pressões b) Faixa Subtropical de Altas Pressões c) Faixa Polar de Baixas Pressões d) Calotas Polares de Altas Pressões Circulação Geral da Atmosfera ZONAS DE PRESSÃO ATMOSFÉRICA circulação idealizada circulação real CIRCULAÇÃO GERAL DA ATMOSFERA (APROXIMADA) Células de Hadley PRECIPITAÇÃO MÉDIA ANUAL PV nR T CARACTERÍSTICAS DO AR ATMOSFÉRICO Equação de estado dos gases ideais : Sendo P a pressão, V o volume, T a temperatura (oK), n o número de moles e R a constante universal dos gases ideais. O ar atmosférico pode ser considerado um gás ideal 8 314 J R , mol K 0 08314 atm L R , mol K ou m n M O número de moles, n, é a relação entre a massa do gás, m, e sua massa molecular, M. , PV m R T M P R T M Assim, a equação de estado dos gases ideais pode ser escrita: Como o ar não tem volume definido, geralmente considera-se o volume da unidade de massa, denominado de volume específico , que é o inverso da massa específica: V m 3 1m kg m V 3kgm ou P R T M Nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) (273,2 oK e 101,3 kPa), o volume, Vm, ocupado por um mol de um gás ideal é 0,0224 m3 (22,4 litros). Tabela 1. Composição do ar seco Gás Massa Molecular * nas CNTP Volume Concentração mássica g kg m-3 % kg m-3 Nitrogênio 28,01 1.250 78,09 0,975 Oxigênio 32,00 1.429 20,95 0,300 Argônio 38,98 1.783 0,93 0,016 Gás carbônico 44,01 1.977 0,03 0,001 Ar 29,00 1,292 100,00 1,292 * = massa específica; CNTP = condições normais de temperatura e pressão A Tabela 1 contém os principais gases constituintes do ar seco e suas respectivas frações volumétricas. A pressão atmosférica, Patm, vem a ser a soma das pressões parciais dos gases constituintes do ar atmosférico, onde cada um deles atua independentemente, conforme a lei de Dalton: 2 2 atm N O Argônio Vapordeágua p P P P P ... A soma das pressões parciais de todos os gases constituintes menos o vapor de água, será designada por Pas , e a equação acima será reescrita como: atm as v p P e Sendo Pas a pressão parcial do ar seco e ev a pressão parcial de vapor. A equação de estado dos gases ideais aplicada ao ar seco : as as as P V m R T M ou as as as P R T M e para o vapor de água é : v v v e V m R T M ou v v v e R T M 1 1 1 1 1 8 31 0 287 29 0 as as R , J mol K R , J g K M , gmol O valor de R especifico para o ar seco, Ras, é dado por: e para o vapor de água , RV, é : 1 1 1 1 1 8 31 0 461 18 0 v v R , J mol K R , J g K M , gmol Três princípios básicos regem o comportamento do vapor da água na atmosfera: 1) a pressão parcial de vapor ev é proporcional a massa de vapor mv existente no elemento de volume de ar. 2) a uma dada temperatura T, há um máximo de vapor de água que o ar pode reter. A pressão parcial de vapor ev quando o ar retém o máximo de vapor é denominada pressão parcial de saturação de vapor evs. 3) quanto maior a temperatura do ar, maior a massa de vapor que ele pode reter, isto é quanto maior T, maior evs. ÍNDICES DE UMIDADE DO AR a) Umidade absoluta do ar ou Concentração de vapor de água é a razão entre a massa de vapor de água e o volume de ar atmosférico que a contém: b) Umidade Específica v v as v m q m m é a razão entre a massa de vapor de água e a massa de ar úmido de massa especifica que a contém: Para um ar saturado v é máximo (a uma dada temperatura) é é denominado umidade de saturação do ar vs. 3 2168 v v e kPa gm T K v v v v m M e V R T v v atm v v atm e e q P e e P 0 622 v as M , M A aproximação anterior é usualmente válida em problemas microclimáticos pois ev é duas ordens de magnitude menor que Patm. A massa especifica do ar úmido é dada por: 1 1 v' as atm e P Temperatura virtual é a temperatura que o ar seco deveria ter para ter a mesma densidade que o ar na temperatura T. 1 1 1 1 v virt virt atmv atm eT T T T Pe P c) Razão de mistura do ar umido é a razão entre a massa de vapor de água e a massa de ar seco existente em um certo volume de ar : as v m m r vatm v eP e 6220r , d) Umidade Relativa 100 100v v vs vs e UR % e é a razão entre a pressão parcial de vapor e pressão parcial de saturação de vapor: A temperatura na qual o ar atingiria a saturação por resfriamento, sem variar sua umidade, é denominada de temperatura do ponto de orvalho Torv , ou simplesmente ponto de orvalho. Várias equações têm sido propostas para calcular a pressão de saturação de vapor evs. A mais usada delas foi obtida a partir de resultados experimentais, por O. Tetens, em 1930 (Weiss, 1977): 17 2694 6 108 237 3vs , T e T , exp T , evs em mb e T em oC 7 5 237 36 108 10 , T T , vs e T , evs em mb e T em oC Define-se ainda déficit de saturação d, como a diferença entre a pressão de saturação de vapor e a pressão de vapor: vs v d e e 3 2168 v v e kPa gm T K ev evs v 7 5 237 30 6108 10 , T T , vs e kPa , vs v d e e 100 100v v vs vs e UR % e MEDIDA DA UMIDADE DO AR A determinação de ev pode ser feita com o auxílio de instrumentos denominados psicrômetros. Há, ainda, instrumentos apropriados para medir diretamente a umidade relativa do ar. Psicrômetro Constituído por dois termômetros denominados de termômetro de bulbo seco e de bulbo úmido. Modelos convencionais são constituídos por termômetros comuns (de mercúrio-em-vidro), sendo um bulbo revestido por um tecido fino (musselina, gaze etc.), que é molhado (água destilada) imediatamente antes do uso do instrumento. Fig. Psicrômetro de funda (esquerda) e de Assmann (direita), com aspirador mecânico embutido na parte superior. Nos modelos mecânicos mais aperfeiçoados, uma ventoinha aspira o ar por sobre os bulbos a uma velocidade constante, que não deve ser inferior a 5 m s -1 Dentre os psicrômetros ventilados um dos mais usado é o do tipo Assman, que é portátil. p E c p L com, é denominada de constante psicrômetrica, porém não é constante (pois a pressão atmosférica e o calor latente de vaporização LE variam com a a temperatura) nem é exata (devido as aproximações realizadas). A constante psicrômetrica, na pressão padrão de 101,3 kPa, tem um valor de cerca de 66 Pa K-1 em 0oC e aumenta para 67 em 20oC. v vs bu bue e T T T Por meio de leituras em um psicrômetro e um barômetro, têm-se que as temperaturas de bulbo seco e úmido são 20 e 17oC, respectivamente, e a pressão atmosférica é Patm=982mbar. Determinar : 1) a pressão parcial de saturação de vapor evs, 2) a pressão parcial de vapor ev, 3) a razão de mistura e 4) a umidade relativa. 7 5 237 36 108 10 , T T , vs e T , evs em mb e T em oC v vs bu bue e T T T p E c p L com, 1 11 005 p c , J g K 3 6 12 501 2 370 10 10 E L ( , , . T). Jkg 0 622, 100 100v v vs vs e UR % e vatm v eP e 6220r , ÁGUA PRECIPITÁVEL É a altura de água, W, correspondente a uma massa de água no estado liquido e contida em uma coluna de ar com área horizontal igual a A, isto é : 2 v H O m W A 0 0 01 P P W(mm) , q dp Com, q em g/kg e P em mb 1 0 01 N i i i W(mm) , q p i q Valor médio de q por camada i p Variação da pressão na camada i Considerando que os processos (as transformações) dentro da parcela de ar são adiabáticos, pode-se deduzir relações entre temperatura, pressão e altura. GRADIENTE TÉRMICO VERTICAL (LAPSE RATE) Meteorologistas aplicam princípios termodinâmicos para a atmosfera por considerar que parcelas de ar discretas são transportadas rapidamente horizontalmente ou verticalmente pela ação do vento e da turbulência. Transformações adiabáticas de um sistema são transformações que ocorrem sem troca de calor com o meio externo. resulta em: Esta quantidade, denominada de , é conhecida como Gradiente Adiabático Seco ( Dry Adiabatic Lapse Rate – DALR). Quando g e cp são expressos no SI , o é : 2 3 1 1 9 8 0 98 1 100 1 005 10 100 , ms , K K por m , J kg K m p dT g dz c “Seco” neste contexto implica que nem condensação nem evaporação ocorre dentro da parcela. Nos movimentos atmosféricos ascensionais, por exemplo, ao ar alcança níveis de menor pressão, se expande adiabaticamente, realizando um trabalho contra o meio externo as custas de sua própria energia interna, e consequentemente se resfria. O Gradiente Adiabático Úmido ( Wet Adiabatic Lapse Rate – WALR) é menor que o gradiente adiabático seco por causa da liberação de calor latente por condensação. A diferença entre o gradiente real do ar () e o gradiente adiabático seco ( ) é uma medida da estabilidade vertical da atmosfera. • Água proveniente do meio atmosférico que atinge a superfície • Tipos: neblina, chuva, granizo, saraiva, orvalho, geada e neve • O que diferencia é o estado em que se encontra a água e a possibilidade de gerar volume líquido. • Fenômeno alimentador da fase terrestre do ciclo hidrológico. Elemento fundamental aos processos de escoamento superficial direto, infiltração, evaporação, transpiração, recarga de aqüíferos, vazão básica dos rios, etc. PRECIPITAÇÃO GRANIZO GEADA Saraiva: pedras arredondadas (d < 5mm) Granizo: pedras de gelo (d > 5mm) • Variável climática mais importante e representa a alimentação dos sistemas hídricos; • A precipitação esta relacionada com o total ocorrido num tempo definido. O valor isolado não tem significado. • A variabilidade temporal e espacial da precipitação influencia o comportamento da disponibilidade hídrica de uma bacia. Esta variabilidade é aleatória. Por ex. 100 mm é muito em 1 hora muito pouco num ano. Quantificar a disponibilidade para os múltiplos usos Abastecimento doméstico, industrial e Irrigação Controle de inundação e erosão do solo Eventos extremos: secas e cheias • Tamanhos das gotículas nas nuvens : diâmetros de 0,01 a 0,03 mm, espaçadas por cerca de 1 mm, com massa de 0,5 a 1 g de água/m3 – A quantidade total varia de 1,5 a 7 g/m3 • Gotas de chuva: diâmetro de 0,5 a 2 mm, velocidade de queda de 9 m/s • A formação de vapor de água na atmosfera não é garantia de que o líquido contido irá precipitar. • Para que ocorra precipitação é necessário que as gotas engordem e seu peso seja superior as forças que a sustentam no ar; MECANISMOS DE FORMAÇÃO 1 3 2 03 • Partículas na atmosfera (núcleos de condensação): sais, partículas de minerais, matéria orgânica (pólen); • Sobre estas partículas ocorre a condensação e crescimento das gotas. Estes são os núcleos de condensação; • Existem várias teorias sobre os processo que desencadeia a precipitação nos diferentes tipos de nuvens. Crescimento gotículas Coalescência (colisão entre gotas/turbulência) Conforme o mecanismo fundamental pelo qual se produz a ascensão do ar úmido, as precipitações podem ser classificadas em: Frontais ou ciclônicas Orográficas Convectivas Frontais ou ciclônicas Proveem da interação de massas de ar quentes e frias. Nas regiões de convergência na atmosfera, o ar quente e úmido é violentamente impulsionado para cima, resultando no seu resfriamento e na condensação do vapor de água, de forma a produzir chuvas. São chuvas de grande duração, atingindo grandes áreas com intensidade média. Essas precipitações podem vir acompanhadas por ventos fortes com circulação ciclônica. Podem produzir cheias em grandes bacias. Frontal - Resulta da ascensão do ar quente sobre ar frio na zona de contato entre duas massas de ar de características diferentes. Orográficas Quando os ventos quentes e úmidos, soprando geralmente do oceano para o continente, encontram uma barreira montanhosa, elevam-se e se resfriam adiabaticamente, havendo condensação do vapor, formação de nuvens e ocorrência de chuvas. São chuvas de pequena intensidade e grande duração, que cobrem pequenas áreas. Quando os ventos conseguem ultrapassar a barreira montanhosa, do lado oposto projeta-se uma sombra pluviométrica, dando lugar a áreas secas ou semi-áridas causadas pelo ar seco, já que a umidade foi descarregada na encosta oposta; Orográficas – o ar é forçado mecanicamente a transpor barreiras impostas pelo relevo. CONVECTIVAS O ar úmido aquecido na vizinhança do solo pode criar camadas de ar que se mantêm em equilíbrio instável. Perturbado o equilíbrio, forma- se uma brusca ascensão local do ar menos denso, que atingirá seu nívelde condensação com formação de nuvens, e muitas vezes, precipitações. As chuvas convectivas são características das regiões equatoriais, onde os ventos são fracos e os movimentos de ar são essencialmente verticais. Este tipo de precipitação também pode ocorrer nas regiões temperadas por ocasião do verão (tempestades violentas). São, geralmente, chuvas de grande intensidade e de pequena duração, restritas a áreas pequenas. São precipitações que podem provocar importantes inundações em pequenas bacias. Convectivas – Devido ao aquecimento diferencial da superfície, podem existir bolsões menos densos de ar no ambiente, em equilíbrio instável. Este equilíbrio pode ser rompido facilmente, acarretando a ascensão rápida do ar a grandes altitudes. (Típicas de regiões tropicais) Como dito anteriormente, os problemas de engenharia relacionados com a Hidrologia são em sua grande maioria conseqüência da ocorrência de chuvas de grande intensidade ou volume ou da ausência de chuvas em longos períodos de estiagem. Por essa razão, é importante poder estimar quantidades de chuva. As grandezas que caracterizam uma precipitação são: • Altura pluviométrica • Duração • Intensidade • Tempo de recorrência • Frequência de probabilidade • Altura pluviométrica (h): é a espessura média da lâmina de água precipitada que recobriria a região atingida pela precipitação, admitindo-se que essa água não se infiltra, não evapora, nem escoa para fora dos limites da região. A unidade de medição habitual é o milímetro de chuva. • Duração (X): é o período de tempo durante o qual a chuva cai. As unidades normalmente utilizadas são o minuto ou a hora. • Intensidade (i): é a precipitação por unidade de tempo, obtida com a relação i = h/X. Expressa-se normalmente em mm/h ou mm/min. A intensidade de uma precipitação apresenta variabilidade temporal, mas, para a análise dos processos hidrológicos, geralmente são definidos intervalos de tempo nos quais é considerada constante. •Tempo de recorrência (Tr): é interpretado, na análise de alturas pluviométricas (ou intensidades) máximas, como o intervalo médio, em número de anos, em que se espera que ocorra uma precipitação maior ou igual à analisada. • Frequência de probabilidade (F): é o inverso do tempo de recorrência, ou seja, a probabilidade de um fenômeno igual ou superior ao analisado se apresentar em um ano qualquer (probabilidade anual). F Tr 1 • Aparelho medidores cilíndricos (com área que pode variar de 100, 200, 400 ou 1000 cm2) colocado a 1,5 m do solo, livre de obstruções. Valores com precisão de décimo de milímetro obtidos por : P (mm) = 10 V/A V (volume em cm3) e A (área em cm2) • Esquema obstrução h D >2h A medição da quantidade da água que cai em uma região é chamada de pluviometria. PLUVIOMETRIA MEDIÇÃO DA PRECIPITAÇÃO - Medidas pontuais (séries históricas) >> Pluviômetro e Pluviógrafo - Medidas espaciais >> Radar Meteorológico e Imagem de Satélite PLUVIÔMETRO - Cilindro receptor (captação horizontal) - Ville de Paris: área de 400 cm2 - Medição da altura de chuva: - Proveta graduada (mm); - Sem proveta: P= precipitação (mm) V=volume recolhido cm3 ou ml A=área de captação cm2 cilindro captador funil reservatório torneira - OMM – Organização Mundial de Meteorologia Medições: 9, 15 e 21h– mais usado: 7h (intervalo de 24 horas) 09 • Medidor sem registrador; • Dados coletados pelo observador 1 vez ao dia (pela manhã). Em algumas entidades utiliza-se duas vezes ao dia; • O totalizador de um dia não permite conhecer como a precipitação se distribui ao longo do dia • Fontes de erros: anotações, somar a medição de precipitações altas (somam valores de 20 mm). O valor medido num dia t+1 é transferido para o dia t, pois a maior parte do tempo ocorreu no dia anterior. Isto pode ser fonte de erro de processamento de dados. Dia t Dia t+1 Leitura 7:00 (manhã) Período de totalização do dia t • Objetivo: O equipamento automático pode ser necessário devido a falta de observador e dificuldade de acesso e/ou para conhecer a distribuição da precipitação dentro do dia • Sensores: com cubas basculantes ou (bóia, balanças) reservatório com sifão • Registradores: (a) mecânico: tambor com relógio e pena sobre papel milimetrado; (b) eletrônico. • Transmissão: coleta por observador, equipe de campo; transmissão por rádio, satélite e celular, dependendo da distância e custos. • Os aparelhos mecânicos apresentam maior custo de processamento e erros. Os equipamentos digitais sofrem de interferências e principalmente impactos dos raios. PLUVIÓGRAFO Intensidade de chuva (i = mm/h) Pluviograma: gráfico contínuo (abscissa: tempo x ordenada: chuva acumulada) - Hidrológica e meteorológica - Telemétrica (satélite) e não-telemétrica (Central de aquisição de dados) - Estação automática - medição de variáveis hidrológicas - Canais para diversas variáveis - Armazenamento de leituras - Conexão com computador (notebook) - Eliminam a digitação Plataforma de Coleta de Dados (PCD) RADAR METEOROLÓGICO O radar meteorológico é usado para rastrear a formação e evolução de nuvens, nevoeiros e precipitação. Importante para a análise de fenômenos meteorológicos em altitude e nas previsões de chuva em tempo real. Em São Paulo é usado com o objetivo, entre outros, de operar alguns sistemas hidráulicos de drenagem e de acionar a defesa civil contra inundações. (Departamento de Águas e Energia Elétrica - DAEE). Radar Meteorológico Melhor distribuição espacial da estimativa O transmissor gera uma onda eletromagnética que é irradiada para a atmosfera pela antena. Ao interagir com as nuvens em sua trajetória, a onda sofre reflexão e parte retorna a antena em forma d eco. Possui um transmissor, um receptor, antena e sistema de aquisição e analise de informações. RADAR METEOROLÓGICO O radar meteorológico de Ponte Nova, do DAEE, monitora as chuvas num raio de 240 quilômetros. Radar O radar não mede diretamente chuva. O radar recebe um determinado nível de retorno dos alvos de chuva denominado refletividade. Esta refletividade possui uma relação física com o espectro de gotas observado pode-se determinar a partir deste espectro uma relação entre a refletividade do radar e a taxa de precipitação correspondente, conhecida como relação ZR. Radar Os dados de chuva na área do radar são interpolados num nível de altura constante entre 1,5 a 18,0 km de altura, numa área de 360x360 km, com uma resolução de 2x2 km. Esta resolução espacial equivale a ter-se 32400 postos pluviográficos numa área de 152.000 km2 aproximadamente Para a maioria dos radares meteorológicos o limite inferior da taxa de precipitação é de 1mm/h, a uma distância de 190 km. RADAR Uma característica importante dos radares meteorológicos modernos é o software para tratamento do grande volume de dados de refletividade gerados. Esse software permite ter-se em tempo real o mapa de chuva a um nível de altura constante, denominado CAPPI, do inglês Constant Altitude Plan Position Indicator. CEST - Central European Summer Time (MESZ) :UTC+2 ESTIMATIVA POR SATÉLITE • Estimativas baseadas em temperatura de brilho do topo de nuvem (Lei de Planck): • Quanto mais quente a nuvem “parece”, mais água ela contém • Imagens no IR e MW (MW mais precisas) PPGRHSA-IPH - UFRGS Plano de dissertação de mestrado 1e 1hc2 TB kThc5 2 / )( sendo h a constante de Planck (= 6,626x10-34 J s), k a constante de Boltzman (= 1,3806 x 10-23 JK-1), T é a temperaturaem K e c é a velocidade da luz. ESTIMATIVAS DE CHUVA POR SATÉLITE • Instrumentos do TRMM: Sensor Microondas e Radar • Além disso: validação em terra • Produto 3B42 (dados de 3 em 3 horas, resolução de 0.25°) PPGRHSA-IPH - UFRGS Plano de dissertação de mestrado Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). NASA IMAGENS DE SATÉLITES - Regiões de precipitação - Interpola espacialmente as precipitações SITIOS IMPORTANTES www.cptec.gov.br (INPE) www.ana.gov.br www.itep.gov.br (LAMEPE) www.inmet.gov.br www.cprm.gov.br RADAR METEOROLÓGICO - Relação entre a intensidade da onda refletida e a intensidade da precipitação - Distribuição de chuva em raio de 200 km - Baixa precisão para Hidrologia, alto custo e operadores especializados DADOS PLUVIOMÉTRICOS • Os locais onde são instalados Pluviômetros, pluviografos e PCDs são chamados de postos ou estações pluviométricas. • Os dados obtidos e processados nestes postos ou estações, compõem as séries históricas de dados pluviométricos, que serão empregadas nos diversos tipos de estudos hidrológicos. Climatologia das chuvas no período de janeiro a abril para o Estado de Pernambuco Taxas de precipitação anuais no estado de Pernambuco- Isoietas médias anuais -42.0 -41.5 -41.0 -40.5 -40.0 -39.5 -39.0 -38.5 -38.0 -37.5 -37.0 -36.5 -36.0 -35.5 -35.0 -34.5 -34.0 Longitude -10.0 -9.5 -9.0 -8.5 -8.0 -7.5 -7.0 La titu de 400 mm 500 mm 600 mm 700 mm 800 mm 900 mm 1000 mm 1100 mm 1200 mm 1300 mm 1400 mm 1500 mm 1600 mm 1700 mm 1800 mm 1900 mm 2000 mm 2100 mm 2200 mm Figura III.2.1/1- Isoietas Médias Anuais para o Estado de Pernambuco.Figura 5 - Isoietas Médias Anuais para o Estado de Pernambuco Figura 5 – Isoietas Média Anuais para o Estado de Pernambuco Posicionamento médio da estação chuvosa - Estado de Pernambuco Estação chuvosa: 70% do total precipitado