Vazões máximas de projeto: 3 metodologias de cálculo consagradas que você não pode deixar de utilizar

Como calcular vazões máximas de projeto?

Quando nos deparamos com a necessidade de conhecermos as vazões máximas de projeto para dimensionamento hidráulico de diversas estruturas (bueiros, vertedouros, canais de drenagem, etc.) precisamos conhecer as principais metodologias para responder adequadamente a este questionamento.

Neste artigo vou apresentar para vocês 3 maneiras de cálculos consagrados que você não pode deixar de utilizar nos estudos e dimensionamentos hidráulicos para vários fins.

São eles:

• Métodos Probabilísticos;
• Método Racional;
• Hidrograma Unitário.

Como definir qual método utilizar?

Em geral, a escolha do método a ser utilizado na definição das vazões máximas de projeto depende, principalmente, dos seguintes critérios:

• Disponibilidade de Dados;
• Área de Drenagem.

Existe disponibilidade de dados? Escolha por métodos probabilísticos

Em locais onde existam postos fluviométricos, com dados de vazão ou, ainda, com dados de leitura de régua e resumo de descarga, a vazão de projeto poderá ser calculada através da utilização de métodos estatísticos.

Os métodos estatísticos determinam a frequência de cheias futuras a partir do registro de cheias passadas. Recomenda-se a aplicação de métodos probabilísticos na presença de dados fluviométricos adequados, de série histórica considerável, pois, neste caso, o hidrólogo não incorre ao erro da transformação de chuva em vazão.

Na aplicação de modelos probabilísticos, quanto maior é a série, maior a segurança do modelo, uma vez que os eventos extremos, como as grandes vazões estão diretamente relacionados ao período de retorno.

Sem informações de postos fluviométricos? Escolha por modelos hidrológicos de chuva-vazão

Não sendo possível a utilização de dados provenientes de postos fluviométricos, devem ser utilizados modelos hidrológicos de chuva-vazão para o cálculo das vazões de projeto.

Estes modelos no geral se apropriam de valores de chuva de referência para diferentes tempos de recorrência para definir o escoamento superficial correspondente a essa chuva e então qual definir a vazão máxima de projeto.

Dentre estes modelos, destacam-se os métodos Racional e Hidrograma Unitário. A escolha entre estes dois métodos se dá pela área de drenagem do local em estudo.

Áreas de drenagem muito pequenas, inferiores a 1,5 km², podemos utilizar o método Racional

Utilizar para áreas superiores a 1,5 km² o método do Hidrograma Unitário (não é limitado em função da área de drenagem)

Destaca-se que os valores obtidos nestes modelos são sempre aproximados, devido às incertezas hidrológicas, às simplificações dos métodos e aos critérios adotados. Portanto, quanto mais meticulosos e sistemáticos forem os procedimentos adotados, menor será a probabilidade de ocorrência de erros comprometedores!

Descrição dos métodos

1) Métodos probabilísticos para cálculo das vazões máximas

Os métodos probabilísticos são aplicados às estações com longa série de dados fluviométricos consistidos. No meio de recursos hídricos, há uma orientação que para a utilização destes métodos, a série histórica deve possuir, ao mínimo, dez anos hidrológicos completos.

Os primeiros passos a serem seguidos são estes:

• Obtenção de séries históricas a nível diário (ANA);
• Escolha de uma estação representativa para a análise (extensão e qualidade da série, homogeneidade com a área de estudo;
• Definição da vazão máxima para cada ano hidrológico.

A análise por ano hidrológico, e não por ano civil, se deve ao fato de garantir que cada ano hidrológico possuirá a sua própria maior vazão de cheia.

No caso da análise por ano civil, pode ocorrer de duas grandes cheias acontecerem no mesmo ano e então uma delas (a segunda maior) não entrar para as séries anuais, o que poderia vir a comprometer o ajuste da distribuição estatística.

Determinadas as séries de vazões máximas anuais por ano hidrológico, deve-se realizar:

• Ajuste de diferentes distribuições probabilísticas à série amostrada;
• Escolha da função de distribuição que vai representar o comportamento das vazões extremas no local de estudo (uma boa maneira é utilizar o programa SEAF desenvolvido pela UFMG);
• Transferência de informações do ponto de coleta de informações para a região de análise (regionalização).

Vale ressaltar que, como os postos fluviométricos com séries antigas não possuem registradores contínuos de nível d’água e as leituras de régua ocorrem apenas uma ou duas vezes ao dia, os valores obtidos para as vazões máximas diárias devem ser convertidos em valores máximos instantâneos, através do coeficiente de majoração da expressão empírica de Fuller, obtido através da equação:

Onde K é o coeficiente de majoração de Fuller (adimensional) e A é a área de drenagem (em km²) da seção fluvial em análise.

Para a obtenção da vazão máxima instantânea, utiliza-se a equação:

Onde Qinst é a vazão máxima instantânea e Qdia é a vazão máxima em escala diária.

2) Método Racional para cálculo das vazões máximas

O Método Racional consiste no cálculo da descarga máxima de uma enchente de projeto por uma expressão bem simples, relacionando o valor da descarga máxima com a área da bacia de contribuição e a intensidade da precipitação.

Por ser usualmente utilizado para estimar a vazão de pico durante uma cheia extrema em locais com áreas de drenagem iguais ou inferiores a 1,5 km², esse é o método utilizado em cabeceiras de rios e em pequenos afluentes, onde geralmente não há monitoramento hidrológico.

Pela sua extrema simplicidade, o Método Racional é amplamente utilizado em projetos de drenagem, não só no Brasil, mas em todo o mundo, principalmente em bacias de pequeno porte e áreas urbanas.

O Método Racional é expresso pela equação:

Onde Q é a vazão de pico (em m³/s), C é o coeficiente de escoamento (adimensional), i é a intensidade máxima média de precipitação (em mm/h) e A é a área da bacia (em Km²).

O coeficiente 0,278 é uma constante para adequação das unidades utilizadas (descritas acima).

Delimitada a área de contribuição e adotada uma intensidade de precipitação para o local, o coeficiente de escoamento C, também chamado de coeficiente de runoff, é um valor adimensional definido como a razão entre o volume de água escoado superficialmente e o volume de água precipitado.

O valor de C depende fundamentalmente das características fisiográficas da bacia (declividade, tipo e uso de solo) e é geralmente obtido a partir da média ponderada dos valores de C de cada superfície pelas suas respectivas áreas no interior da bacia em estudo.

O conceito básico deste método é que a contribuição máxima ocorrerá quando toda a bacia estiver contribuindo para a seção fluvial de interesse. O deflúvio é uma parcela da precipitação média na área com duração igual ao tempo de concentração da bacia (DNIT, 2005).

Uma restrição deste método é que ele não leva em consideração que as condições de permeabilidade do terreno variam durante a precipitação no sentido de aumentar o escoamento superficial. Este método também não considera o retardamento natural do escoamento cujo fenômeno acarreta alteração no pico de cheia, sendo esta a principal razão da limitação da aplicação deste método para bacias maiores.

Outra restrição deste método é que ele considera a intensidade de chuva constante em todos os pontos da bacia durante o tempo de concentração calculado. Ainda assim, estas simplificações não impedem sua aplicação em bacias pequenas, já que as alterações devido a estas simplificações se tornam desprezíveis.

De qualquer forma, o Método Racional define apenas a descarga máxima de projeto, e não a forma completa do hidrograma, requerida em alguns casos. Porém, entendo ser suficiente para a determinação da vazão de projeto e posterior dimensionamento hidráulico.

3) Hidrograma unitário para cálculo das vazões máximas

Assim como o Método Racional, o Método do Hidrograma Unitário consiste primeiramente na divisão da precipitação em duas parcelas: uma que infiltra no solo ou se acumula na bacia por outras formas e outra que vai gerar escoamento superficial direto.

A parcela da precipitação que escoa diretamente para a calha fluvial e gera o hidrograma de cheia é chamada de precipitação efetiva ou Chuva Efetiva! 😉

A precipitação efetiva depende do complexo solo-cobertura vegetal da bacia e das condições de umidade que antecedem a chuva. Seu valor é definido em função do CN médio da bacia de contribuição.

O CN, “Curve Number”, representa indiretamente o tipo e o uso de solo da bacia. O valor de CN varia de 0 a 100. Para áreas completamente impermeáveis considera-se CN = 100. Através dele, calcula-se uma infiltração potencial de modo que o escoamento superficial só ocorre quando a precipitação passa a superar uma abstração inicial que é função deste valor.

O cálculo do CN médio se dá pela média ponderada pela área dos valores de CN presentes ao longo da bacia de contribuição.

A precipitação efetiva se propaga pela superfície da bacia até atingir os cursos d’água, através dos quais é conduzida para jusante.

No método do SCS (1985), o hietograma de projeto caracteriza-se por uma altura pluviométrica total, associada a uma duração e a um dado tempo de recorrência.

Uma limitação da aplicação do método é que ele demanda um mapeamento detalhado do CN na bacia em estudo. Para isto, requerem-se mapeamentos de tipos e usos e coberturas de solo, nem sempre facilmente disponíveis para áreas muito grandes. Por outro lado, como o CN representa o uso do solo na bacia, é possível elaborar cenários de diferentes usos do solo e avaliar como as mudanças interferem no mapa de CN e, consequentemente, no hidrograma de cheias.

Resumo

Neste artigo foram apresentadas 3 maneiras de cálculos consagrados para utilização nos estudos e dimensionamentos hidráulicos para diversos fins.

São eles:

• Métodos Probabilísticos;

• Método Racional;

• Hidrograma Unitário.

Como definir qual método utilizar?

Em geral, a escolha do método a ser utilizado na definição das vazões máximas de projeto depende, principalmente, dos seguintes critérios:

• Disponibilidade de Dados;

• Área de Drenagem.

Neste sentido a escolha do método passa por:

• Existe disponibilidade de dados? Escolha por métodos probabilísticos;

• Sem informações de postos fluviométricos? Escolha por modelos hidrológicos de chuva-vazão.

E como escolher dentre os modelos de transformação chuva-vazão?

• Áreas de drenagem muito pequenas, inferiores a 1,5 km², podemos utilizar o método Racional;

• Área superiores a 1,5 km², podemos utilizar o método do Hidrograma Unitário.

Esta é a ponta do iceberg para realizarmos os estudos! É claro que a aplicação das metodologias passa vários outros aspectos. Aos poucos vou tentar incorporar todos estes aspectos para vocês, combinado?

O caminho das pedras está definido! Vamos realizar alguns estudos agora?

Abraço,

Marcus Cruz