Top 6 Métodos para Estimativa de Descarga de Cheia
Este artigo lança luz sobre os seis principais métodos para estimar a descarga de inundação. Os métodos são: 1. Método de Captação e Escoamento 2. Fórmulas empíricas 3. Método racional 4. Área seccional cruzada e declive do leito 5. Área de secção transversal e velocidade conforme observado no local da ponte 6. Registros disponíveis.
Método nº 1. Método de Captação e Escoamento:
A área de captação é a área de comando de um rio, de onde o rio recebe o fornecimento de água. A área de influência é calculada a partir do mapa de contorno e a descarga de cheias é estimada a partir da fórmula “Run-off” .
A precipitação é medida por pluviômetros em milímetros. A partir do registro diário de chuva, a precipitação anual de uma zona é determinada. A precipitação anual varia de lugar para lugar e, portanto, a chuva registrada por um período considerável, digamos 50 anos, é muito útil para obter a precipitação máxima registrada durante esse período.
A estimativa da descarga máxima de inundação deve basear-se nesta precipitação máxima registada. A Tabela 3.1 apresenta o registro de precipitação em diferentes partes da União Indiana por um período de 15 anos (1935-1949).
O escoamento é definido como a proporção de água do total de chuvas na área de captação que corre para o curso de água, canal ou rio. É desnecessário mencionar que a quantidade total de chuva não atinge o curso da água, pois alguma quantidade é embebida no solo para formar os estratos sub-solo da água, alguma quantidade é absorvida pela vegetação, alguma quantidade é evaporada e o resto só flui. para o canal ou rio.
A forma como a água da chuva atinge o canal ou o rio a partir da área de captação é mostrada na Fig. 3.1 e Fig. 3.2.
A área de captação do córrego ou rio a montante do local da ponte é obtida marcando-se a linha da crista do mapa de contorno e medindo a área delimitada por essa linha de crista com a ajuda de um medidor de plano ou gráficos de papel vegetal.
A possibilidade de chuvas intensas caindo simultaneamente sobre toda a área de uma grande bacia é menor e, portanto, uma porcentagem menor do escoamento pode ser tomada. Outro fator importante que determina a porcentagem de escoamento é a forma da bacia.
A figura 3.1 e a figura 3.2 mostram dois tipos de captação. Na captação única normal, a bacia hidrográfica é longa e estreita, tendo um número de tributários curtos unindo-se à corrente principal.
Em tal captação, as tempestades de menor duração que causam a descarga máxima de inundação, não chegarão ao local da ponte quase ao mesmo tempo e, como tal, o escoamento em tal área de captação será menor do que em uma forma de captação.
Neste último caso, os afluentes são mais longos e poucos em número e, portanto, seu escoamento chegará ao local da ponte quase simultaneamente causando assim a concentração do fluxo durante as tempestades de menor duração. Assim, mesmo que a área de captação, a quantidade, a duração da chuva, etc. sejam os mesmos para ambos os tipos de captação, o escoamento no local da ponte será mais para captação em forma de leque do que para captação única normal.
O escoamento percentual varia de 20% a 70%, dependendo da forma e natureza da bacia. Porosidade do solo; isto é, seja arenoso, argiloso ou rochoso; grau de saturação anterior; área coberta por floresta; presença de lagos, lagoas, pântanos, reservatórios artificiais etc .; determinar o percentual de escoamento.
Portanto, ao estimar a descarga de inundação da área de captação, os fatores acima mencionados devem ser devidamente levados em consideração.
Como discutido anteriormente, o escoamento depende dos seguintes fatores:
(i) Grau de porosidade e grau de saturação do solo na área de captação.
(ii) A forma e a inclinação da área de captação.
(iii) Obstáculos ao fluxo, como raízes de árvores, arbustos, etc.
(iv) Grau de vegetação.
v) Estado de cultivo.
(vi) Quantidade de evaporação.
(vii) Intensidade da chuva; O escoamento é mais se a mesma quantidade de chuva dizer que 50 mm está dentro de um período muito curto de, digamos, duas horas, do que é espalhado por um período maior de, digamos, 24 horas, nesse caso, sob a forma de garoa.
(viii) Quantidade total de chuvas na área de captação.
Método # 2. Fórmulas Empíricas :
A descarga de inundação pode ser avaliada usando várias fórmulas empíricas envolvendo a área da captação e algum coeficiente dependendo da localização da bacia.
i) Fórmula de Dicken
Esta fórmula (originalmente concebida para o norte da Índia, mas agora pode ser usada na maioria dos estados da Índia com a modificação do valor do coeficiente C) é dada por:
Exemplo Ilustrativo 1:
A área de uma bacia é de 800 km2. A área está localizada no oeste da Índia, a 150 km. da costa. Estimar a descarga máxima de inundação usando as várias fórmulas empíricas e comparar as descargas de inundação:
Esta fórmula é aplicável apenas para o estado de Madras (Tamil Naidu) e como tal dá um valor baixo que não é considerado
Comparação das descargas de cheias elaboradas por várias fórmulas empíricas:
Método # 3. Método Racional:
Se R é a precipitação total em cm por uma duração de T horas, então a intensidade média de precipitação, I em cm por hora, tomada ao longo da duração total da tempestade é dada por
I = R / T (3, 6)
Para um pequeno intervalo de tempo, t, a intensidade da precipitação, i, pode ser maior, como pode ser evidente na Fig. 3.3, já que a intensidade média para um pequeno intervalo de tempo, t, é maior que a intensidade média para todo o período de tempo. T.
A relação entre eu e eu pode ser mostrada como:
Onde C é uma constante e pode ser tomado como unidade para todos os fins práticos.
Se t = uma hora e i correspondente é tomado como i „e o valor de I é retirado da equação 3.6
A partir da equação 3.9, i o (uma hora de chuva) pode ser trabalhado se a precipitação total R e a duração da tempestade mais severa forem conhecidas. É aconselhável considerar um número de tempestades pesadas espalhadas por um período prolongado e pode ser calculado para cada caso e o valor máximo de U deve ser considerado como a precipitação de uma hora da região para a estimativa da descarga de inundação.
De um registro do Departamento Meteorológico, Govt. da Índia, os valores de i o para vários lugares da União Indiana são reproduzidos na Tabela 3.2:
O tempo de concentração é definido como o tempo gasto pelo escoamento para chegar ao local da ponte a partir do ponto mais distante da bacia, que é denominado ponto crítico.
Como o tempo de concentração depende do comprimento, inclinação e da rugosidade da bacia, uma relação é estabelecida com os seguintes fatores:
Onde T c = Tempo de concentração em horas.
H = Queda de nível do ponto crítico até o local da ponte em metros.
L = Distância do ponto crítico até o local da ponte em km.
Os valores de H e L podem ser encontrados no mapa de contorno da área de captação.
A intensidade crítica da precipitação, I c, correspondente ao tempo de concentração, T c, é derivada da equação 3.9 considerando que I = I c corresponde a T = T c .
Estimativa de escoamento:
Um centímetro de chuva em uma área de um hectare dá um run-off de 100 cu. m por hora. Portanto, uma chuva de I c cm por hora em uma área de A hectare causará um escoamento de 100 AI c cu. m por hora.
Se as perdas devidas à absorção, etc. forem consideradas, o escoamento é dado por:
Q = 100 PI C A cu.m por hora
= 0, 028 PI C A cu.m / seg. (3, 12)
Onde P = Coeficiente dependendo da porosidade do solo, cobertura vegetal, estado inicial de saturação do solo, etc.
Os valores de P para várias condições da área de captação são apresentados na Tabela 3.3:
Além do coeficiente, P, outro coeficiente, f, é introduzido na fórmula para calcular o escoamento. À medida que a área de captação se torna maior e maior, a possibilidade de alcançar o escoamento para o local da ponte simultaneamente de todas as partes da bacia é cada vez menor e, como tal, o valor de f é gradualmente reduzido à medida que a área de captação é aumentada.
A Tabela 3.4 fornece o valor de f na equação 3.13 derivada da equação 3.12 com a introdução do coeficiente f nesta.
Q = 0, 028PfI c A cu.m / seg. (3, 13)
Exemplo Ilustrativo 2:
A área de captação de um rio é de 800 Sq. Km e é composto de solo arenoso com cobertura vegetal espessa. O comprimento da captação é de 30 km. e os níveis reduzidos do ponto crítico e do local da ponte são de 200 me 50 m respectivamente.
Descobrir a descarga de pico de tempestade pelo Método Racional, assumindo que a precipitação em 5 horas é de 20 cm. Qual será o pico de descarga se a área de captação for de solo argiloso levemente coberto ou de rocha íngreme mas arborizada?
Escoamento máximo do pico, da equação 3.13
Q = 0, 028 Pfl c A cu.m / seg
No presente caso, para a área de captação composta por solos arenosos com vegetação densa,
A = 800 km2 = 80.000 hectares; P da tabela 3.3 = 0, 10; f da tabela 3.4 = 0, 60; I c = 2, 98 cm / hora
. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 10 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 400 cum / seg.
Quando a área de captação é de solo argiloso levemente coberto, P da tabela 3.3 = 0, 50, os valores de A, f e I c permanecem como antes.
. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 50 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 2003 cum / seg.
Em caso de área de captação com rocha íngreme mas arborizada, P da tabela 3.3 = 0, 80
. . . Q = 0, 028 PfI c A = 0, 028 x 0, 80 x 0, 60 x 2, 98 x 80, 000 = 3204 cum / seg.
Portanto, pode-se notar a partir do exemplo ilustrativo que o pico de escoamento é muito dependente da natureza da captação, outros fatores permanecem iguais e variam de 400 cum / seg para 3204 cum / seg quando o grau de porosidade e a absorção da área de captação é muito alta ou muito baixa.
O Método Racional é, portanto, muito realista e considera todos os fatores relevantes que regulam o pico de escoamento. As fórmulas empíricas não consideram esses fatores, exceto algum ajuste no valor do coeficiente C e, portanto, não são muito realistas.
Método # 4. Área Secundária Transversal e Inclinação do Leito :
Por este método, a descarga é calculada a partir da fórmula de Manning,
Onde A = a área da seção transversal do fluxo medido a partir do HFL
n = coeficiente de rugosidade.
R = a profundidade média hidráulica e igual à razão da área da seção transversal, ao perímetro molhado, P
S = o declive do leito do riacho medido a uma distância razoavelmente longa.
Em um riacho com bancos e leito não erodíveis, a forma e o tamanho da seção transversal permanecem praticamente os mesmos durante um dilúvio como em tempos normais e, portanto, a seção transversal normal e o perímetro podem ser usados no cálculo da vazão. .
Mas numa corrente que flui através da região dos aluviões, a área da secção transversal e o perímetro podem mudar durante as cheias mais elevadas devido à limpeza das margens e do leito e, como tal, na estimativa da descarga máxima de cheia, a profundidade da erosão tem de ser determinada primeiro, e os valores da área da secção transversal e do perímetro podem ser calculados tomando os níveis do leito em determinados intervalos.
O valor do coeficiente de rugosidade depende da natureza do leito e do banco do córrego e é necessário tomar cuidado adequado ao selecionar o valor correto deste coeficiente para obter a descarga correta. Alguns valores do coeficiente de rugosidade, n, são dados na tabela abaixo para vários tipos de condições de superfície.
Exemplo Ilustrativo 3:
Um rio tem os níveis de leito na maior cheia em certos intervalos, como mostrado na Fig. 3.4. O RL dos leitos mais baixos a 500 m a montante e a 500 a jusante são 107, 42 m e 105JO m respectivamente. Calcule a descarga máxima de inundação se o rio tiver bancos retos e limpos, mas tiver algumas ervas daninhas e pedras.
Solução:
Área de secção transversal A no HFL pode ser encontrada dividindo a área em tiras como BPC, PCDO, ODEN etc .:
O perímetro molhado P no HFL é a linha de leito BCDEFGHI que é a soma do comprimento da linha BC, CD, DE etc. Este comprimento pode ser calculado como abaixo (ver Fig. 3.5):
O declive da cama, S, é a diferença de nível do leito mais baixo a 500 m a montante e a 500 m a jusante dividido pela distância.
Método # 5. Área de Seção Transversal e Velocidade como Observado no Local da Ponte :
A área de secção transversal é medida tomando uma série de níveis do rio no HFL em certos intervalos. A velocidade neste caso é determinada no local pela medição direta da velocidade no lugar do cálculo teórico da inclinação da cama, etc.
Para medir a velocidade diretamente, o rio é dividido em poucas seções na largura e, em seguida, a velocidade de cada seção é determinada pela flutuação de superfície colocada no centro de cada seção.
O tempo gasto pelo flutuador para cobrir uma distância fixa é observado por um cronômetro e a distância percorrida pelo flutuador dividida pelo tempo gasto é a velocidade da superfície do fluxo. Tal velocidade superficial deve ser determinada para cada seção e o valor médio de ponderação é obtido para o propósito de estimativa de descarga de inundação.
A velocidade é menor na vizinhança do leito e dos bancos e significa na linha central do fluxo em um ponto 0, 3 d abaixo da superfície onde, d, é a profundidade da água (ver Fig. 3.6). Se V é a velocidade na superfície, V b é a velocidade no fundo e V m é a velocidade média, então sua relação pode ser estabelecida na seguinte equação,
V m = 0, 7 V s = 1, 3 V b (3, 15)
Após a determinação da velocidade média do fluxo, a descarga de inundação é obtida por;
Q = AV m (3, 16)
Método # 6. Registros Disponíveis :
Em alguns casos, pode ser possível ter a descarga máxima de inundação medida em locais de açude ou barragem. Este valor pode ser comparado com o valor teórico calculado e um valor final pode ser selecionado. A descarga de inundação assim obtida, embora muito realista, sofre de uma desvantagem, a saber. a idade do registro, uma vez que os açudes ou as barragens são em sua maioria de construção recente.
A descarga de inundação deve ser preferencialmente o valor máximo registrado de 100 anos para pontes importantes e 50 anos de valor registrado para pontes menos importantes. Os termos “valor de 100 anos” e “valor de 50 anos” são definidos como pico de descarga momentânea que ocorre “na média” uma vez em 100 anos ou uma vez em 50 anos.
A expressão “na média” significa todas as descargas de pico observadas durante um período de 100 anos ou 50 anos, conforme o caso, e a média dos picos é tomada.
