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CAPÍTULO 3: MEDIÇÕES HIDROLÓGICAS |
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"In river flow, the stochastic character of the collection of disturbances
causes a large-scale longitudinal mixing, which may be modeled as a diffusion equation containing a term of advection."
"No fluxo do rio, o caráter estocástico da coleção de distúrbios causa uma mistura longitudinal em larga escala,
que pode ser modelado como uma equação de difusão que contém um termo de advecção. "
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This chapter is divided into five sections. Section 3.1 describes precipitation measurements and Section 3.2 deals with snowpack measurements. Section 3.3 describes evaporation and evapotranspiration measurements and Section 3.4 discusses infiltration and soil moisture measurements. Streamflow measurements are discussed in Section 3.5. Este capítulo está dividido em cinco seções. A Seção 3.1 descreve as medições de precipitação e a Seção 3.2 trata das medições de neve. A Seção 3.3 descreve as medidas de evaporação e evapotranspiração e a Seção 3.4 discute as medidas de infiltração e umidade do solo. As medições de fluxo são discutidas na Seção 3.5. |
3.1 PRECIPITAÇÃO
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Introduction
Introdução
Engineering hydrology is based on analysis and measurements. Measurements are necessary in order to complement and verify the analysis. Hydrologic measurements are usually performed in the field, using equipment and techniques specifically designed to measure a variable characterizing a certain phase of the hydrologic cycle. For instance, rainfall is measured with raingages, evaporation is measured with evaporation pans, and streamflow is measured using streamgaging techniques.
A hidrologia da engenharia é baseada em análises e medições. São necessárias medições para complementar e verificar a análise. As medições hidrológicas são geralmente realizadas em campo, usando equipamentos e técnicas projetadas especificamente para medir uma variável que caracteriza uma determinada fase do ciclo hidrológico. Por exemplo, a precipitação é medida com ancoragens, a evaporação é medida com recipientes de evaporação e o fluxo é medido usando técnicas de medição de fluxo.
Measurements are closely related to hydrologic analysis. In some cases they are an integral part of it; in others, they serve to support it. For instance, statistical hydrology is not possible without measurements. In flood frequency analysis, a historical flow record is necessary in order to define the properties of the predictive equations. With parametric models, measurements aid in parameter estimation, increasing model reliability. Deterministic and conceptual models also benefit from hydrologic measurements.
As medidas estão intimamente relacionadas à análise hidrológica. Em alguns casos, são parte integrante disso; em outros, eles servem para apoiá-lo. Por exemplo, a hidrologia estatística não é possível sem medições. Na análise de frequência de inundação, é necessário um registro histórico de vazão para definir as propriedades das equações preditivas. Nos modelos paramétricos, as medições auxiliam na estimativa de parâmetros, aumentando a confiabilidade do modelo. Modelos determinísticos e conceituais também se beneficiam de medições hidrológicas.
Precipitation
Precipitação
Precipitation is measured with raingages. A raingage is an instrument that captures precipitation and measures its accumulated volume during a certain time period. The precipitation depth for the given period is equal to the accumulated volume divided by the collection area of the gage. The average precipitation intensity is equal to the precipitation depth divided by the length of the period.
A precipitação é medida com ataques. Um raingage é um instrumento que captura a precipitação e mede seu volume acumulado durante um determinado período de tempo. A profundidade da precipitação para o período especificado é igual ao volume acumulado dividido pela área de coleta do manômetro. A intensidade média da precipitação é igual à profundidade da precipitação dividida pela duração do período.
Any receptacle that has vertical sides and is open to the air is a defacto raingage and can provide valuable information on accumulated rainfall during a storm. Two such measurements, however, are not directly comparable unless the receptacles are of the same size and shape and similarly exposed. To increase the utility of the measurements, it is necessary to use standard equipment and procedures.
Qualquer receptáculo que tenha lados verticais e esteja aberto ao ar é um ataque defacto e pode fornecer informações valiosas sobre a chuva acumulada durante uma tempestade. Duas dessas medidas, no entanto, não são diretamente comparáveis, a menos que os receptáculos sejam do mesmo tamanho e formato e expostos de maneira semelhante. Para aumentar a utilidade das medições, é necessário usar equipamentos e procedimentos padrão.
Raingages can be of two types:
Os ataques podem ser de dois tipos:
- Nonrecording, or
Sem gravação, ou
- Recording.
Com gravação
A nonrecording raingage measures the total rainfall depth accumulated during one time period,
usually
Um raingage sem registro mede a profundidade total da precipitação acumulada durante um período de tempo, geralmente 1 dia. Nos Estados Unidos, o pluviômetro padrão não-gravador usado pelo Serviço Nacional de Meteorologia tem um elemento coletor ou receptor em forma de funil de 8 pol. diâmetro superior localizado dentro de uma lata de descarga (Fig. 3-1). A chuva é capturada pelo coletor e canalizada para um tubo de medição. A área da seção transversal do tubo de medição é um décimo da do coletor. Portanto, as profundidades das chuvas são amplificadas dez vezes à medida que passam do coletor para o tubo de medição, aumentando a precisão da medição.
Fig. 3-1 Nonrecording raingage at the Campo Weather Station, San Diego County, California |
A recording raingage records the time it takes for rainfall depth accumulation. Therefore, it provides not only a measure of rainfall depth but also of rainfall intensity. The slope of the curve showing accumulated rainfall depth versus time is a measure of the instantaneous rainfall intensity. Recording rain gages rely on one of the following devices:
Um raingage de gravação registra o tempo necessário para o acúmulo de profundidade de chuva. Portanto, fornece não apenas uma medida da profundidade da chuva, mas também da intensidade da chuva. A inclinação da curva que mostra a profundidade da chuva acumulada versus o tempo é uma medida da intensidade instantânea da chuva. A gravação de pluviômetros depende de um dos seguintes dispositivos:
- A tipping bucket,
Um balde basculante,
- A weighing mechanism, or
Um mecanismo de pesagem, ou
- A float chamber.
Uma câmara de flutuação.
The tipping-bucket gage features a two-compartment receptacle (i.e., the bucket) pivoted on a knife edge. The device is calibrated so that when one of the compartments is full (with a fixed amount of rain) and the other is empty, the bucket overbalances and tips. At the start, rain is funneled into one of the compartments, which is positioned for filling. As rainfall continues to fill this first compartment, the second remains empty. When the first compartment is full, the bucket tips, emptying its contents into a reservoir and at the same time placing the second compartment in filling position. The tipping closes an electric circuit, which drives a pen that records on a strip chart affixed to a clock-driven revolving drum. Thus, each electrical contact representing a specific amount of rain is recorded. The alternate filling and emptying of the two compartments continues until rainfall ceases.
The tipping-bucket gage features a two-compartment receptacle (i.e., the bucket) pivoted on a knife edge. The device is calibrated so that when one of the compartments is full (with a fixed amount of rain) and the other is empty, the bucket overbalances and tips. At the start, rain is funneled into one of the compartments, which is positioned for filling. As rainfall continues to fill this first compartment, the second remains empty. When the first compartment is full, the bucket tips, emptying its contents into a reservoir and at the same time placing the second compartment in filling position. The tipping closes an electric circuit, which drives a pen that records on a strip chart affixed to a clock-driven revolving drum. Thus, each electrical contact representing a specific amount of rain is recorded. The alternate filling and emptying of the two compartments continues until rainfall ceases.
The tipping-bucket gage has a few disadvantages. During periods of intense rainfall, some of the rain may not be measured while the bucket is tipping. In addition, the record consists of a series of steps rather than being a smooth curve, and the gage is not suitable for measuring snow. Nevertheless, tipping-bucket gages are durable, simple to operate, and of good overall reliability.
O medidor de caçamba basculante tem algumas desvantagens. Durante períodos de chuvas intensas, parte da chuva pode não ser medida enquanto o balde está tombando. Além disso, o registro consiste em uma série de etapas, em vez de ser uma curva suave, e o medidor não é adequado para medir a neve. No entanto, os medidores de caçamba basculante são duráveis, simples de operar e com boa confiabilidade geral.
A weighing gage has a device that weighs the rain or snow collected in a bucket. As it fills with precipitation, the bucket moves downward and its movement is transmitted to a pen on a strip-chart recorder. This type of gage is useful in cold climates where it is necessary to record both rainfall and snowfall. However, weighing gages have some disadvantages. Among them are wind action on the bucket, which produces erratic traces on the recording chart, and the overall lack of sensitivity of the measurement.
Um medidor de pesagem possui um dispositivo que pesa a chuva ou a neve coletada em um balde. À medida que se enche de precipitação, o balde se move para baixo e seu movimento é transmitido para uma caneta em um gravador de tiras. Esse tipo de manômetro é útil em climas frios, onde é necessário registrar tanto a chuva quanto a neve. No entanto, os pesadores têm algumas desvantagens. Entre eles estão a ação do vento no balde, que produz traços irregulares no gráfico de gravação e a falta geral de sensibilidade da medição.
Float gages are essentially water-level gages. A float located inside a chamber is connected to a pen on a strip-chart recorder. The float rises as the collected rainwater enters the chamber, and the rise of the float is recorded on the chart. Some float gages are limited to the capacity of the chamber. Others are equipped with a self-starting siphoning device that empties the chamber when it becomes full and returns the pen to the zero position on the strip chart. The use of float gages is limited to nonfreezing ambient temperatures, although heaters and other similar devices have been used in an attempt to overcome the problem of freezing. Oil and mercury, which have freezing temperatures below that of water, have also been used inside the chamber. The siphoning action of the float gage can cause serious losses of rain during severe storms.
Os medidores de bóia são essencialmente medidores no nível da água. Um flutuador localizado dentro de uma câmara é conectado a uma caneta em um gravador de tiras. A bóia sobe quando a água da chuva coletada entra na câmara, e a subida da bóia é registrada no gráfico. Alguns medidores de flutuação são limitados à capacidade da câmara. Outros são equipados com um dispositivo de sifão de auto-partida que esvazia a câmara quando ela fica cheia e retorna a caneta para a posição zero no gráfico de tiras. O uso de medidores de flutuação é limitado a temperaturas ambientes sem congelamento, embora aquecedores e outros dispositivos similares tenham sido utilizados na tentativa de superar o problema do congelamento. Óleo e mercúrio, que têm temperaturas congelantes abaixo da água, também foram utilizados dentro da câmara. A ação de desvio do medidor de flutuador pode causar sérias perdas de chuva durante tempestades severas.
Errors in Measuring Precipitation Data
Erros na medição de dados de precipitação
The water collected by a raingage is only a small sample of the precipitation that has fallen in a certain area. Whether this sample is representative of the average precipitation over the area remains to be determined by further analysis.
A água coletada por um ancinho é apenas uma pequena amostra da precipitação que caiu em uma determinada área. Se esta amostra é representativa da precipitação média sobre a área, ainda não foi determinado por análises posteriores.
A series of rain gages located within a drainage area constitutes a raingage network. The density of the network is the number of rain gages per square kilometer (or square mile). The error of rainfall measurements can be investigated by studying the spatial averages computed from networks of different densities [1, 13, 23]. In general, sampling errors increase with an increase in rainfall depth. Conversely, sampling errors decrease with an increase in network density, storm duration, and catchment area.
Uma série de pluviômetros localizados dentro de uma área de drenagem constitui uma rede de ancoragem. A densidade da rede é o número de pluviômetros por quilômetro quadrado (ou milha quadrada). O erro das medições de precipitação pode ser investigado através do estudo das médias espaciais calculadas a partir de redes de diferentes densidades [1, 13, 23]. Em geral, os erros de amostragem aumentam com o aumento da profundidade das chuvas. Por outro lado, os erros de amostragem diminuem com o aumento da densidade da rede, duração da tempestade e área de captação.
An important question in engineering hydrology is whether errors in precipitation measurement can serve to compound the errors inherent in the use of rainfall-runoff simulation models. The answer to this question is elusive. Limited data by Johanson [11] indicates that the error variability in precipitation measurements is likely to be less than the error variability in model calibration. Calibration is the process by which model parameters are adjusted to match measured and simulated flows.
Uma questão importante na hidrologia da engenharia é se os erros na medição da precipitação podem servir para compor os erros inerentes ao uso de modelos de simulação de chuvas e escoamentos. A resposta a esta pergunta é ilusória. Dados limitados de Johanson [11] indicam que a variabilidade do erro nas medições de precipitação é provavelmente menor que a variabilidade do erro na calibração do modelo. Calibração é o processo pelo qual os parâmetros do modelo são ajustados para corresponder aos fluxos medidos e simulados.
Precipitation Measurements Using Telemetry
Medições de Precipitação Usando Telemetria
Self-reporting rain gages (or rainfall sensors) have automatic data transmittal capabilities. These rain gages use automatic radio transmitters (telemeters) to broadcast rainfall measurements from a remote station to a central station in real time, i.e., during the storm event (Fig. 3-2). The advantage of a telemetric station is that it shortens the time that would otherwise be required to gather rainfall data. In certain cases, especially when speed of processing is of utmost importance, a network of rainfall sensors linked by telemetry may be the only practical means of collecting rainfall data. Applications of telemetric rainfall sensors are usually found in connection with operational hydrology and real-time flood forecasting.
Os manômetros de autorrelato (ou sensores de precipitação) possuem recursos automáticos de transmissão de dados. Esses pluviômetros usam transmissores de rádio automáticos (telemômetros) para transmitir medições de precipitação de uma estação remota para uma estação central em tempo real, isto é, durante o evento de tempestade (Fig. 3-2). A vantagem de uma estação telemétrica é que ela reduz o tempo que seria necessário para reunir dados de precipitação. Em certos casos, especialmente quando a velocidade do processamento é de extrema importância, uma rede de sensores de chuva ligados por telemetria pode ser o único meio prático de coletar dados de chuva. As aplicações dos sensores telemétricos de precipitação são geralmente encontradas em conexão com a hidrologia operacional e a previsão de inundações em tempo real.
Fig. 3-2 A telemetric weather station (Davis). |
The link between the remote station and the central station is usually established by radio, telephone, or a combination of both. Where radio frequencies are scarce, telephone lines can be used to transmit the data. The remote rainfall station is interfaced to a telephone line either through a modem or an acoustic coupler. The latter enables the remote station to be called from any telephone, whether it is equipped with a modem or not.
O link entre a estação remota e a estação central é geralmente estabelecido por rádio, telefone ou uma combinação de ambos. Onde as frequências de rádio são escassas, as linhas telefônicas podem ser usadas para transmitir os dados. A estação remota de chuva é conectada a uma linha telefônica através de um modem ou de um acoplador acústico. Este último permite que a estação remota seja chamada de qualquer telefone, equipado ou não com um modem.
Radio transmission may take the form of a very high frequency (VHF) or ultrahigh frequency (UHF) link for short distances, or high frequency (HF) for very long distances. VHF and UHF frequencies behave in a manner similar to light and, therefore, cannot travel far beyond the horizon. The best reception is obtained when the transmitting and receiving antennas are within line of sight of each other. With the use of high masts, a span of 40 km or more can be achieved. Transmitter power ranges from 5 W for short distances to 25 W for longer distances.
A transmissão de rádio pode assumir a forma de um link de frequência muito alta (VHF) ou ultra-alta frequência (UHF) para distâncias curtas, ou alta frequência (HF) para distâncias muito longas. As frequências VHF e UHF se comportam de maneira semelhante à luz e, portanto, não podem viajar muito além do horizonte. A melhor recepção é obtida quando as antenas de transmissão e recepção estão dentro da linha de visão uma da outra. Com o uso de mastros altos, um alcance de 40 km ou mais pode ser alcançado. A potência do transmissor varia de 5 W para distâncias curtas a 25 W para distâncias maiores.
Very long distance transmissions require repeating stations at 30- to 60-km intervals, but these are expensive and difficult to maintain. An alternative is to use HF radio, by which great distances can be spanned through a series of reflections between ionosphere and ground. Normal transmissions have a span of a few hundred kilometers. These HF links, however, are subject to variations in signal strength and are susceptible to interference with other transmitters, making their use more difficult than VHF and UHF.
As transmissões de longa distância requerem estações repetidas em intervalos de 30 a 60 km, mas são caras e difíceis de manter. Uma alternativa é usar o rádio HF, pelo qual grandes distâncias podem ser percorridas através de uma série de reflexões entre a ionosfera e o solo. As transmissões normais têm um alcance de algumas centenas de quilômetros. Esses links HF, no entanto, estão sujeitos a variações na intensidade do sinal e são suscetíveis a interferências com outros transmissores, dificultando o uso deles como VHF e UHF.
Another way to transmit data through radio waves is by the use of satellites. A remote station can transmit data to a satellite for retransmirtal to a ground receiving station. The radio link operates in the UHF range and requires only a few watts of power. To transmit data via a satellite, the station is linked to a commercially made data collection platform. This device stores the day's data in its solid state memory for transmission every 24 h, although hourly transmissions are also possible.
Outra maneira de transmitir dados através de ondas de rádio é pelo uso de satélites. Uma estação remota pode transmitir dados para um satélite para retransmissão a uma estação de recepção terrestre. O link de rádio opera na faixa UHF e requer apenas alguns watts de energia. Para transmitir dados via satélite, a estação está vinculada a uma plataforma de coleta de dados feita comercialmente. Este dispositivo armazena os dados do dia em sua memória de estado sólido para transmissão a cada 24 horas, embora também sejam possíveis transmissões por hora.
Precipitation Measurements Using Radar. Weather radar systems are a potentially powerful tool for measuring the temporal and spatial variability of rainstorms. A radar system operates by emitting a regular succession of pulses of electromagnetic radiation from its antenna. The pulses are on the order of 1 μs, and the system emits approximately 1000 of these pulses every second. Between pulses, the system's antenna becomes a receiver of the energy of the emitted pulses scattered by various targets. These returned signals are transformed into a visual display on the radar scope.
Medições de precipitação usando radar. Os sistemas de radar meteorológico são uma ferramenta potencialmente poderosa para medir a variabilidade temporal e espacial das tempestades. Um sistema de radar opera emitindo uma sucessão regular de pulsos de radiação eletromagnética de sua antena. Os pulsos são da ordem de 1 ~s e o sistema emite aproximadamente 1000 desses pulsos a cada segundo. Entre pulsos, a antena do sistema se torna um receptor da energia dos pulsos emitidos espalhados por vários alvos. Esses sinais retornados são transformados em uma exibição visual no escopo do radar.
For spherical objects (e.g., raindrops), the power received can be expressed as follows:
Para objetos esféricos (por exemplo, gotas de chuva), a potência recebida pode ser expressa da seguinte forma:
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K Σ n D 6
P = __________ λ 4R 2 | (3-1) |
in which P = power received, n = number of drops, D = diameter of drops, λ = wavelength of the radiation, R = distance (range) from the radar, and K = a factor that depends on the power of the transmitted signal, antenna size and shape, and properties of the scattering particles.
em que P = potência recebida, n = número de gotas, D = diâmetro das gotas, ~ = comprimento de onda da radiação, R = distância (alcance) do radar e K = um fator que depende da potência do sinal transmitido , tamanho e forma da antena e propriedades das partículas dispersantes.
Weather radars have wavelengths in the range of 3 to 10 cm. Following Eq. 3-1, a 3-cm radar returns about 120 times as much power as that returned by a 10-cm radar. Hence a 3-cm radar can detect weak targets such as the small droplets associated with very light rain, whereas a 10-cm radar can be used to sense much heavier rains.
Os radares meteorológicos têm comprimentos de onda na faixa de 3 a 10 cm. Após a Eq. 3-1, um radar de 3 cm retorna cerca de 120 vezes mais potência do que o retornado por um radar de 10 cm. Portanto, um radar de 3 cm pode detectar alvos fracos, como as pequenas gotículas associadas à chuva muito fraca, enquanto um radar de 10 cm pode ser usado para detectar chuvas muito mais fortes.
Attenuation, caused by absorption and scattering by clouds and precipitation, can also affect the performance of the radar. Attenuation is a function of radar wavelength, being greater for shorter wavelengths.
A atenuação, causada pela absorção e dispersão pelas nuvens e precipitação, também pode afetar o desempenho do radar. A atenuação é uma função do comprimento de onda do radar, sendo maior para comprimentos de onda mais curtos.
The reduction in power received P with distance R (range) is a constant for a given system and can be adjusted to make distant targets show the same brightness as closer targets of similar character. Since power P is proportional to the sixth power of the drop diameter D, radars in the 3- to 10-cm wavelength size can easily sense rainsize droplets and not sense other size particles at all. A 10-cm radar is used for detecting highly intensive storms, which are likely to produce extreme floods. For light rains or snow sensing, a shorter wavelength radar is preferable.
A redução na potência recebida P com a distância R (faixa) é uma constante para um determinado sistema e pode ser ajustada para fazer com que alvos distantes mostrem o mesmo brilho que alvos mais próximos de caráter semelhante. Como a potência P é proporcional à sexta potência do diâmetro da gota D, os radares no tamanho de comprimento de onda de 3 a 10 cm podem facilmente detectar gotículas do tamanho da chuva e não sentir outras partículas de tamanho. Um radar de 10 cm é usado para detectar tempestades altamente intensivas, que provavelmente produzem inundações extremas. Para chuvas leves ou detecção de neve, é preferível um radar de comprimento de onda menor.
The radar reflectivity (ΣnD 6) can be empirically related to precipitation intensity as follows:
A refletividade do radar (DnD 6) pode ser relacionada empiricamente à intensidade da precipitação da seguinte maneira:
| Z = A I B | (3-1) |
in which Z = radar reflectivity; I = precipitation intensity; and A and B are empirical constants. The values of A and B depend upon the type of precipitation being observed. Many values have been specified; those most often used are A = 200 and B = 1.6 [4].
em que Z = refletividade do radar; I = intensidade da precipitação; e A e B são constantes empíricas. Os valores de A e B dependem do tipo de precipitação que está sendo observado. Muitos valores foram especificados; os mais utilizados são A = 200 e B = 1,6 [4].
Several types of error are possible when using radar to sense precipitation. For instance, the radar beam can overshoot shallow precipitation at long ranges, missing the target. Another source of error is the presence of low level evaporation beneath the radar beam, as well as several other meteorological factors [7]. Uncertainties in radar sensing of precipitation can be resolved by calibrating the system with a raingage. This is usually accomplished by fixing exponent A (in Eq. 3-2) at a certain value (for instance B = 1.6), and using raingage data to derive a value of coefficient A.
Vários tipos de erro são possíveis ao usar o radar para detectar a precipitação. Por exemplo, o feixe do radar pode ultrapassar a precipitação rasa a longas distâncias, errando o alvo. Outra fonte de erro é a presença de baixa evaporação sob o feixe do radar, além de vários outros fatores meteorológicos [7]. As incertezas no sensor de precipitação por radar podem ser resolvidas calibrando o sistema com um raingage. Isso geralmente é realizado fixando o expoente A (na Eq. 3-2) em um determinado valor (por exemplo, B = 1,6) e usando dados de raingage para derivar um valor do coeficiente A.
3.2 NEVE
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Measurements of snow include both newly fallen snow and snow accumulation, i.e., snowpack. Snowpack measurements are expressed in terms of water equivalent, i.e., the depth of water that is obtained after melting a certain depth of snowpack. Water equivalent is a measure of the amount of water remaining in storage in the snowpack. Water-equivalent data are useful in water yield forecasts, since they integrate in one measurement both snowfall and snowmelt.
As medições de neve incluem neve recém-caída e acúmulo de neve, isto é, bolsa de neve. As medições de neve são expressas em termos de água equivalente, isto é, a profundidade da água que é obtida após a fusão de uma certa profundidade de neve. O equivalente a água é uma medida da quantidade de água restante armazenada na neve. Dados equivalentes à água são úteis nas previsões de produção de água, pois integram em uma medição tanto a queda de neve quanto o derretimento da neve.
As with rainfall measurements, snowfall or its water equivalent must be measured by sampling at several points and averaging point values to obtain a representative value of the snowpack. A simple method for measuring snowfall is to use a snowboard. The snowboard is placed on the ground or on old snow surface to permit the accumulation of new snow on top of it. An inverted raingage cylinder is used to isolate a core of the new snow, which is then melted and measured in the same way as rainfall. By measuring each fall of snow in this manner and replacing the clean board ready to receive fresh snowfalls, accumulated total snowfall throughout the season may be known at any time. Such measurements are fairly reliable, provided that they are taken soon after each snowfall and that the snow on the board has not been subjected to drifting, melting, or evaporation.
Como nas medições de chuva, a queda de neve ou seu equivalente em água devem ser medidos por amostragem em vários pontos e valores médios dos pontos para obter um valor representativo do manto de neve. Um método simples para medir a queda de neve é usar uma prancha de snowboard. O snowboard é colocado no chão ou na superfície antiga da neve para permitir o acúmulo de neve nova em cima dele. Um cilindro de ancoragem invertida é usado para isolar um núcleo da nova neve, que é então derretida e medida da mesma maneira que a chuva. Medindo cada queda de neve dessa maneira e substituindo a prancha limpa pronta para receber quedas de neve frescas, a queda de neve acumulada ao longo da temporada pode ser conhecida a qualquer momento. Essas medidas são razoavelmente confiáveis, desde que sejam feitas logo após cada queda de neve e que a neve no quadro não tenha sido sujeita a deriva, derretimento ou evaporação.
The density of a snow sample is the ratio of the volume of melt water to the initial volume of the sample, expressed as a percentage. Snow density in the typical snowpack varies widely, both within the vertical structure of the snowpack and with time.
A densidade de uma amostra de neve é a razão entre o volume de água derretida e o volume inicial da amostra, expresso em porcentagem. A densidade da neve no bloco de neve típico varia muito, tanto na estrutura vertical do bloco de neve quanto com o tempo.
Snow stakes are often used to measure snow accumulation. Water equivalent of the snowpack can be determined from depth measurements by using known densities of snow, obtained under similar environmental conditions. Snow stakes are also used where it is impractical to obtain water equivalents by direct sampling.
As estacas de neve são frequentemente usadas para medir o acúmulo de neve. O equivalente em água da neve pode ser determinado a partir de medições de profundidade usando densidades conhecidas de neve, obtidas em condições ambientais semelhantes. As estacas de neve também são usadas onde é impraticável obter equivalentes de água por amostragem direta.
Direct sampling of water equivalent is accomplished by the use of snow samplers. The Mount Rose sampler is commonly used in the United States. It consists of a tube fitted with a cutter on one edge. The tube has an inside diameter of 1.485 in., so that a core weighing 1 oz is equivalent to 1 in. of water. Sampling consists of pushing the tube vertically into the snow to full snow depth, withdrawing the tube with the snow content, and weighing the contents (Fig. 3-3).
A amostragem direta de água equivalente é realizada pelo uso de amostradores de neve. O amostrador Mount Rose é comumente usado nos Estados Unidos. Consiste em um tubo equipado com um cortador em uma borda. O tubo tem um diâmetro interno de 1,485 pol., De modo que um núcleo com 1 oz seja equivalente a 1 pol. De água. A amostragem consiste em empurrar o tubo verticalmente na neve até a profundidade máxima, retirar o tubo com o conteúdo da neve e pesar o conteúdo (Fig. 3-3).
Fig. 3-3 Weighing a Mount Rose sampler (National Park Service). |
Snow Courses
Cursos de neve
When performing snow measurements, common practice is to sample water equivalent at a number of points along an established line called a snow course. Snow courses are selected with the objective of obtaining representative data from a given area. The number of snow courses varies, depending on terrain features and meteorological characteristics. Site selection considers the following aspects:
Ao realizar medições de neve, a prática comum é coletar amostras de água equivalentes em vários pontos ao longo de uma linha estabelecida chamada curso de neve. Os cursos de neve são selecionados com o objetivo de obter dados representativos de uma determinada área. O número de cursos de neve varia, dependendo das características do terreno e das características meteorológicas. A seleção de sites considera os seguintes aspectos:
- Meteorological conditions related to storm experience,
Condições meteorológicas relacionadas à experiência de tempestades,
- Position with respect to large-scale topographic features,
Posição em relação às características topográficas de grande escala,
- Position with regard to local environmental features, such as wind, exposure, orientation, and ground slope, and
Posição em relação às características ambientais locais, como vento, exposição, orientação e inclinação do solo, e
- Site conditions, including local drainage and presence of brush or rocks.
Condições do local, incluindo drenagem local e presença de arbustos ou pedras.
In addition, snow courses are positioned so that they are representative not only of snowfall but also of snowmelt.
Além disso, os cursos de neve são posicionados de forma que sejam representativos não apenas da queda de neve, mas também do derretimento da neve.
The number of sample points varies depending upon the consistency in the spatial distribution of snow. Sample points should avoid the effect of trees, boulders, and other obstructions. If there is little protection from the wind, sample points are spread over a wide area to average out variations due to drifting. In general, five snow-course sample points are adequate for well-positioned snow courses that have a minimum of irregularities caused by drifting or wind erosion and a smooth ground surface clear of obstructions. When conditions are less than ideal, additional snow-course points are required for adequate sampling of the water equivalent.
O número de pontos de amostra varia dependendo da consistência na distribuição espacial da neve. Os pontos de amostra devem evitar o efeito de árvores, pedregulhos e outras obstruções. Se houver pouca proteção contra o vento, os pontos de amostra são espalhados por uma área ampla para calcular as variações devido à deriva. Em geral, cinco pontos de amostra do curso de neve são adequados para cursos de neve bem posicionados que apresentam um mínimo de irregularidades causadas por deriva ou erosão do vento e uma superfície lisa do solo, livre de obstruções. Quando as condições são inferiores ao ideal, são necessários pontos adicionais do curso de neve para uma amostragem adequada do equivalente em água.
Radioisotope Snow Measurements
Medidas de neve por radioisótopos
Specially designed radioisotope snow gages with telemetering capabilities are used to measure the water equivalent of snowpack at remote, unattended sites. The equipment measures water equivalent by correlating it with the attenuation of a gamma ray emission (cobalt 60) as it travels through the snow from source to detector. The original equipment had the source positioned at ground level, with the detector 15 ft above it [28]. Later models were reversed to minimize temperature effects on the detector, with the detector positioned at ground level and the source 15 ft above it [16]. Recalibration of radioisotope snow equipment at regular intervals is necessary to guarantee the accuracy of the measurement.
Os manômetros de neve com radioisótopos especialmente projetados com recursos de telemetria são usados para medir o equivalente em água do manto de neve em locais remotos e sem supervisão. O equipamento mede o equivalente em água, correlacionando-o com a atenuação de uma emissão de raios gama (cobalto 60), enquanto viaja através da neve da fonte ao detector. O equipamento original tinha a fonte posicionada ao nível do solo, com o detector 15 pés acima dele [28]. Modelos posteriores foram revertidos para minimizar os efeitos da temperatura no detector, com o detector posicionado ao nível do solo e a fonte 15 pés acima dele [16]. A recalibração do equipamento de neve com radioisótopos em intervalos regulares é necessária para garantir a precisão da medição.
Profiling radioactive snow gages are used to determine the variation of water equivalent within the snowpack depth [21]. These gages consist of a gamma photon source and detector, which are moved synchronously through vertical tubes located about 60 cm apart in the snowpack. The gages are used for measuring temporal and spatial variations in snowpack properties.
Os perfis de neve radioativa de perfil são usados para determinar a variação do equivalente de água na profundidade da neve [21]. Esses indicadores consistem em uma fonte e um detector de fótons gama, que são movidos de forma síncrona através de tubos verticais localizados a cerca de 60 cm de distância na neve. Os medidores são usados para medir variações temporais e espaciais nas propriedades do snowpack.
Determination of Catchment Water Equivalent
Determinação da água de captação equivalente
Point values from all snow courses representative of an area are used to determine catchment water equivalent. The relationship between catchment water equivalent and point values is dependent upon fhe location of the snow courses. When snow courses are distributed equally throughout the range of elevations, an arithmetic average of point values usually provides a satisfactory value of catchment water equivalent. Refinements can be obtained by weighing data from each snow course in proportion to the percentage of catchment area covered by it.
Os valores pontuais de todos os cursos de neve representativos de uma área são usados para determinar o equivalente da água de captação. A relação entre os valores equivalentes e pontuais da água de captação depende da localização dos cursos de neve. Quando os cursos de neve são distribuídos igualmente em toda a faixa de elevações, uma média aritmética dos valores pontuais geralmente fornece um valor satisfatório de equivalente de captação de água. Os refinamentos podem ser obtidos através da pesagem dos dados de cada curso de neve na proporção da porcentagem da área de captação coberta por ele.
Elevation is an important factor in converting point measurements into catchment water equivalent. Generally, snow courses tend to be concentrated at higher elevations, and therefore an arithmetic average is not appropriate. An alternative is to develop a snow chart, a plot showing the variation of water equivalent with elevation. This chart is used together with the catchment's area-elevation curve (i.e., the hypsometric curve, Section 2.3). The catchment's elevation difference is divided into several equal increments. For each elevation increment, a subarea is obtained from the area-elevation curve, and a corresponding water equivalent is obtained from the snow chart. A water equivalent value representative of the entire catchment can be obtained by weighing the individual water equivalents in proportion to their respective subareas.
A elevação é um fator importante na conversão de medições de pontos em água de captação equivalente. Geralmente, os cursos de neve tendem a se concentrar em altitudes mais altas e, portanto, uma média aritmética não é apropriada. Uma alternativa é desenvolver um gráfico de neve, um gráfico mostrando a variação da água equivalente à elevação. Este gráfico é usado junto com a curva de elevação de área da bacia hidrográfica (ou seja, a curva hipsométrica, Seção 2.3). A diferença de altitude da bacia é dividida em vários incrementos iguais. Para cada incremento de elevação, uma subárea é obtida a partir da curva de elevação de área e um equivalente de água correspondente é obtido no gráfico de neve. Um valor equivalente à água representativo de toda a bacia hidrográfica pode ser obtido pesando os equivalentes individuais da água na proporção de suas respectivas subáreas.
Sources of Snow Survey Data
Fontes de dados da pesquisa de neve
The Federal-State-Private Cooperative Snow Survey System publishes snow survey data on a regular basis. The system is coordinated by the Soil Conservation Service, with jurisdiction in the Western United States. The State of California, however, maintains its own snow survey system, administered by its Department of Water Resources. In the Eastern United States, several federal, state, and private agencies perform snow surveys. These are used for various purposes, including fish and wildlife management, recreational uses, and highway maintenance. Federal agencies collecting snow survey data are the National Weather Service and the U.S. Geological Survey.
O Sistema Cooperativo Federal-Estadual-Privado de Pesquisa de Neve publica dados de pesquisa de neve regularmente. O sistema é coordenado pelo Serviço de Conservação do Solo, com jurisdição no oeste dos Estados Unidos. O Estado da Califórnia, no entanto, mantém seu próprio sistema de pesquisa de neve, administrado por seu Departamento de Recursos Hídricos. No leste dos Estados Unidos, várias agências federais, estaduais e privadas realizam pesquisas de neve. Eles são usados para vários propósitos, incluindo gerenciamento de peixes e animais selvagens, usos recreativos e manutenção de rodovias. As agências federais que coletam dados da pesquisa de neve são o Serviço Nacional de Meteorologia e a Pesquisa Geológica dos EUA.
3.3 EVAPORAÇÃO E EVAPOTRANSPIRAÇÃO
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A practical way to measure evaporation directly is by the use of an evaporation pan. The pan exposes a free water surface to the air, and the evaporation rate is determined by measuring the water loss during one time period, usually 1 day. The evaporation rate measured by the pan, however, is generally not the same as that of a lake or reservoir exposed to similar meteorological conditions.
Uma maneira prática de medir diretamente a evaporação é pelo uso de uma panela de evaporação. A panela expõe uma superfície de água livre ao ar e a taxa de evaporação é determinada medindo a perda de água durante um período de tempo, geralmente 1 dia. A taxa de evaporação medida pela panela, no entanto, geralmente não é a mesma que a de um lago ou reservatório exposto a condições meteorológicas semelhantes.
The difference is attributed to the pan installation and exposure. For example, a pan installed on supports above the ground surface is subject to extra radiation on the sides. On the other hand, a buried pan is subject to appreciable heat exchange between it and the surrounding soil. These and other factors contribute to make the overall heat balance for the pan a complex phenomenon.
A diferença é atribuída à instalação e exposição da panela. Por exemplo, uma panela instalada em suportes acima da superfície do solo está sujeita a radiação extra nas laterais. Por outro lado, uma panela enterrada está sujeita a uma considerável troca de calor entre ela e o solo circundante. Esses e outros fatores contribuem para tornar o balanço de calor geral da panela um fenômeno complexo.
The factors responsible for the discrepancy usually combine to produce a pan measurement that is greater than the actual lake or reservoir evaporation. Therefore, a correction factor is applied to the pan evaporation measurement in order to arrive at the actual value of lake or reservoir evaporation. This correction factor is referred to as the pan coefficient.
Os fatores responsáveis pela discrepância geralmente se combinam para produzir uma medição de panela maior que a evaporação real do lago ou reservatório. Portanto, um fator de correção é aplicado à medição da evaporação do tanque para chegar ao valor real da evaporação do lago ou reservatório. Esse fator de correção é conhecido como coeficiente de panorâmica.
NWS Class A Pan
Pan de Classe A da NWS
The National Weather Service Class A pan is the most widely used evaporation pan in the United States. This pan has been recommended as a standard for evaporation measurements by the World Meteorological Organization.
Panela Classe A da NWS A panela Classe A do Serviço Nacional de Meteorologia é a panela de evaporação mais usada nos Estados Unidos. Esta panela foi recomendada como padrão para medições de evaporação pela Organização Meteorológica Mundial.
The Class A pan is made of unpainted galvanized iron, has a diameter of 122 cm (4 ft) and a height of 25.4 cm (10 in.) and is mounted about 15 cm (6 in.) above the ground on supports which permit a free flow of air around and under the pan (Fig. 3- 4). Water loss is determined by daily measurements of water level using a micrometer hook gage installed in a stilling well set inside the pan. The pan is initially filled to a height of 20 cm (8 in.) and is refilled when the water level has fallen below 17.5 cm (7 in.). Daily evaporation is computed as the difference between two successive observations, corrected to account for any intervening precipitation (measured in a nearby gage). An alternate procedure is to add a measured amount of water daily to bring the water level in the pan up to a fixed point in the stilling well. This procedure permits a more accurate measurement of water loss and assures that the pan has the proper water level at all times.
A frigideira Classe A é feita de ferro galvanizado não pintado, tem um diâmetro de 122 cm (4 pés) e uma altura de 25,4 cm (10 pol.) E é montada cerca de 15 cm (6 pol.) Acima do solo em suportes que permitem um fluxo livre de ar ao redor e sob a panela (Fig. 3-4). A perda de água é determinada por medições diárias do nível da água, usando um medidor de gancho de micrômetro instalado em um poço de calibração colocado dentro da panela. A panela é enchida inicialmente a uma altura de 20 cm (8 pol.) E é reabastecida quando o nível da água cai abaixo de 17,5 cm (7 pol.). A evaporação diária é calculada como a diferença entre duas observações sucessivas, corrigidas para dar conta de qualquer precipitação intermediária (medida em um manômetro próximo). Um procedimento alternativo é adicionar uma quantidade medida de água diariamente para elevar o nível da água na panela até um ponto fixo no poço de acalmação. Este procedimento permite uma medição mais precisa da perda de água e garante que a panela tenha o nível de água adequado o tempo todo.
Fig. 3-4 NWS Class A evaporation pan (University of Iowa). |
Because of interception of solar radiation by the sides, the Class A pan, like other similarly exposed pans, usually exaggerates the actual lake or reservoir evaporation. Therefore, its pan coefficient is less than 1, with an annual average of approximately 0.7 (see Table 2-8).
Por causa da interceptação da radiação solar pelos lados, o recipiente Classe A, como outras panelas expostas da mesma forma, geralmente exagera a evaporação real do lago ou do reservatório. Portanto, seu coeficiente de pan é menor que 1, com uma média anual de aproximadamente 0,7 (consulte a Tabela 2-8).
Little is known about the spatial variability of evaporation. However, it seems likely that it is not as large as that of precipitation. If this is the case, a network of much lesser density would be required for a correct assessment of evaporation. For general purpose and preliminary evaporation estimates, a density of one station per 5000 km2 appears to be sufficient [14].
Pouco se sabe sobre a variabilidade espacial da evaporação. No entanto, parece provável que não seja tão grande quanto o da precipitação. Nesse caso, seria necessária uma rede de densidade muito menor para uma avaliação correta da evaporação. Para fins gerais e estimativas preliminares de evaporação, uma densidade de uma estação por 5000 km2 parece ser suficiente [14].
Evapotranspirometers
Evapotranspirômetros
Evapotranspirometers are instruments designed to measure potential evapotranspiration (PET). An evapotranspirometer consists of a central tank and at least two other watertight soil tanks. The soil tanks are open to the air above them and are connected through underground pipes to collecting cans located in the central tank. The soil tanks support a continuous vegetative cover, such as grass. Water can enter the soil tanks only from above, either as natural or artificial precipitation, and can leave the tanks only through the bottom pipes directly into the collecting cans in the central tank. During one time period, the difference between the amount of water entering each soil tank and the amount of water accumulated in the respective collecting can is the water lost to evapotranspiration, provided the proper allowance is made for changes in moisture storage in the soil tank. If the soil moisture in the tank is maintained at field capacity, the measured difference represents PET.
Os evapotranspirômetros são instrumentos projetados para medir a potencial evapotranspiração (PET). Um evapotranspirômetro consiste em um tanque central e em pelo menos dois outros tanques estanques ao solo. Os tanques de solo estão abertos ao ar acima deles e são conectados através de tubos subterrâneos a latas coletoras localizadas no tanque central. Os tanques de solo suportam uma cobertura vegetativa contínua, como a grama. A água pode entrar nos tanques do solo somente de cima, como precipitação natural ou artificial, e pode deixar os tanques apenas através dos canos inferiores, diretamente nas latas coletoras no tanque central. Durante um período de tempo, a diferença entre a quantidade de água que entra em cada tanque do solo e a quantidade de água acumulada na respectiva lata coletora é a água perdida pela evapotranspiração, desde que seja feita a devida permissão para alterações no armazenamento de umidade no tanque do solo. Se a umidade do solo no tanque for mantida na capacidade de campo, a diferença medida representa o PET.
Evapotranspirometer measurements are made daily. The soil tanks are sprinkled with a known quantity of water, which varies depending on the time of the year (season) and on the amount of precipitation that fell on the previous day. To minimize soil leaching, the water that percolated the day before is mixed with the irrigation water. Evapotranspiration depth is equal to precipitation depth plus irrigation depth minus percolation depth. Soil moisture, however, rarely remains constant from day to day. For instance, it increases greatly during and immediately after precipitation. Therefore, on rainy days, the measurement usually indicates a high PET value, whereas the following day it indicates a low and perhaps even a negative PET value. Only during a prolonged period with no precipitation would the measurements give an accurate indication of the day-to-day variations of PET. However, long-term, i.e., monthly or seasonal, values are likely to be fairly good representations of PET.
As medidas do evapotranspirômetro são feitas diariamente. Os tanques de solo são polvilhados com uma quantidade conhecida de água, que varia dependendo da época do ano (estação do ano) e da quantidade de precipitação que caiu no dia anterior. Para minimizar a lixiviação do solo, a água que penetra no dia anterior é misturada à água de irrigação. A profundidade de evapotranspiração é igual à profundidade da precipitação mais a profundidade da irrigação menos a profundidade da percolação. A umidade do solo, no entanto, raramente permanece constante no dia a dia. Por exemplo, aumenta muito durante e imediatamente após a precipitação. Portanto, em dias de chuva, a medição geralmente indica um alto valor de PET, enquanto no dia seguinte indica um valor baixo e talvez até negativo. Somente durante um período prolongado, sem precipitação, as medições forneceriam uma indicação precisa das variações diárias do PET. No entanto, os valores de longo prazo, isto é, mensais ou sazonais, provavelmente são representações razoavelmente boas do PET.
Lysimeters
Lisômetros
Lysimeters are instruments designed to measure actual evapotranspiration. Actual evapotranspiration is much more difficult to measure than potential evapotranspiration. During the summer months when soil moisture may be considerably depleted, actual rates of evapotranspiration fall well below the potential rate. The actual rate is determined not only by climatic factors but also by the ability of the plant to extract water from the soil and by the speed of movement of soil moisture to the plant roots.
Os lisímetros são instrumentos projetados para medir a evapotranspiração real. A evapotranspiração real é muito mais difícil de medir do que a evapotranspiração potencial. Durante os meses de verão, quando a umidade do solo pode ser consideravelmente reduzida, as taxas reais de evapotranspiração caem muito abaixo da taxa potencial. A taxa real é determinada não apenas por fatores climáticos, mas também pela capacidade da planta de extrair água do solo e pela velocidade do movimento da umidade do solo para as raízes da planta.
A properly constructed Iysimeter must be representative of the surrounding area. Vegetation cover, surface conditions, soil structure, porosity, stratification, and water-flow relationships (infiltration, permeability, and capillarity) must remain as true to the prototype as possible (Fig. 3-5). Ideal conditions are rarely obtained, particularly when actual evapotranspiration is markedly less than potential evapotranspiration.
Um lisímetro adequadamente construído deve ser representativo da área circundante. A cobertura vegetal, as condições da superfície, a estrutura do solo, a porosidade, a estratificação e as relações de fluxo de água (infiltração, permeabilidade e capilaridade) devem permanecer o mais fiel possível ao protótipo (Fig. 3-5). Condições ideais raramente são obtidas, particularmente quando a evapotranspiração real é marcadamente menor que a evapotranspiração potencial.
Exact duplication within the soil tanks of the natural conditions usually requires that the size of a lysimeter tank be greater than that of an evapotranspirometer. The larger the tanks, the less the influence of edge effects and the greater the likelihood that the root systems in the tank will simulate natural conditions. Inevitably, the greater the tanks, the heavier they become, and the more cumbersome and difficult they are to handle. For instance, the set of weighing monolith lysimeters at Coshocton, Ohio [9], are 2.4 m (8 ft) deep and 3.1 m (10 ft) in diameter. Other Iysimeter experiments have been reported in the literature; see, for example, [15].
A duplicação exata dentro dos tanques do solo das condições naturais geralmente requer que o tamanho de um tanque lisímetro seja maior que o de um evapotranspirômetro. Quanto maiores os tanques, menor a influência dos efeitos das bordas e maior a probabilidade de os sistemas radiculares no tanque simularem as condições naturais. Inevitavelmente, quanto maiores os tanques, mais pesados eles se tornam e mais pesados e difíceis eles são de lidar. Por exemplo, o conjunto de lisímetros de monólito de pesagem em Coshocton, Ohio [9], tem 2,4 m de profundidade e 3,1 m de diâmetro. Outras experiências de isímetro foram relatadas na literatura; veja, por exemplo, [15].
Fig. 3-5 A field lysimeter (Agricultural Research Service). |
3.4 INFILTRAÇÃO E UMIDADE DO SOLO
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Infiltration rates vary greatly, both in time and space. Therefore, care should be taken to ensure that a measurement or a series of measurements are representative of the area under study. In practice, infiltration rates are determined either by the use of infiltrometers or by the analysis of rainfall-runoff data from natural catchments.
As taxas de infiltração variam muito, tanto no tempo quanto no espaço. Portanto, deve-se tomar cuidado para garantir que uma medida ou uma série de medidas sejam representativas da área em estudo. Na prática, as taxas de infiltração são determinadas pelo uso de infiltrômetros ou pela análise de dados de escoamento pluviométrico de bacias hidrográficas naturais.
Infiltrometers
Infiltrômetros
Infiltrometers are instruments designed to measure the rate at which water is absorbed by the soil surface enclosed within a small, clearly defined area. There are two types of infiltrometers:
Os infiltrômetros são instrumentos projetados para medir a taxa na qual a água é absorvida pela superfície do solo dentro de uma pequena área claramente definida. Existem dois tipos de infiltrômetros:
- Flooding, and
Inundações e
- Sprinkler.
Aspersor.
A flooding infiltrometer consists of two concentric metal rings that are inserted a distance of 2 to 5 cm into the ground (Fig. 3-6). The rate at which water must be applied to the inner ring to maintain a constant head of 0.5 cm is taken as a measure of infiltration rate. In order to prevent the water from spreading laterally below the ground surface, the same head of water is maintained in the annular space between the rings.
Um infiltrômetro de inundação consiste em dois anéis de metal concêntricos que são inseridos a uma distância de 2 a 5 cm do solo (Fig. 3-6). A taxa na qual a água deve ser aplicada ao anel interno para manter uma cabeça constante de 0,5 cm é tomada como uma medida da taxa de infiltração. Para impedir que a água se espalhe lateralmente abaixo da superfície do solo, a mesma cabeça de água é mantida no espaço anular entre os anéis.
Fig. 3-6 A flooding infiltrometer. |
Many factors contribute to make the infiltration rate measured with a flooding infiltrometer different from actual infiltration rate. For one thing, the insertion of the rings disturbs the soil immediately around them, leading to an increase in infiltration rate. Differences in head between inner and annular spaces are also likely to cause divergence. Moreover, the flooding condition is not representative of actual conditions. Usually, all these factors combine to produce a high estimate of infiltration rate from a flooding infiltrometer. In addition, a large number of these tests are required for assessment of the spatial variability of infiltration.
Muitos fatores contribuem para tornar a taxa de infiltração medida com um infiltrômetro de inundação diferente da taxa de infiltração real. Por um lado, a inserção dos anéis perturba o solo imediatamente ao seu redor, levando a um aumento na taxa de infiltração. Também é provável que diferenças na cabeça entre os espaços interno e anular causem divergência. Além disso, a condição de inundação não é representativa das condições reais. Geralmente, todos esses fatores se combinam para produzir uma estimativa alta da taxa de infiltração de um infiltrômetro de inundação. Além disso, um grande número desses testes é necessário para avaliar a variabilidade espacial da infiltração.
A sprinkler infiltrometer is designed to avoid some of the pitfalls of the flooding infiltrometer. In the sprinkler infiltrometer, a simulated rainfall condition is applied over a small plot by using sprinklers. A common plot in use is the F plot, which is 1.8 m wide and 3.6 m long. In the F plot, large drops are applied to the plot and surrounding areas from two rows of special nozzles mounted along each long side of the plot. These nozzles direct their spray upward and slightly inward to cover the plot with relatively uniform rainfall intensities of about 4.5, 9.0, and 13.5 cm/ h, depending on how many sets of nozzles are used. The drops reach a height of 2 m above the plot surface and are therefore able to produce erosion and surface conditions resembling those of natural rain [17]. The simulated rainfall is continued for as long as necessary to attain an equilibrium runoff condition at the plot outlet. Average infiltration rate is calculated as the difference between the constant rainfall rate and the constant (i.e., equilibrium) runoff rate.
Um infiltrômetro de aspersão é projetado para evitar algumas das armadilhas do infiltrômetro de inundação. No infiltrômetro de aspersão, uma condição de chuva simulada é aplicada sobre uma pequena parcela usando aspersores. Um gráfico comum em uso é o gráfico F, com 1,8 m de largura e 3,6 m de comprimento. Na plotagem F, grandes gotas são aplicadas à plotagem e áreas adjacentes a partir de duas linhas de bicos especiais montados ao longo de cada lado longo da plotagem. Esses bicos direcionam sua pulverização para cima e levemente para dentro, para cobrir o gráfico com intensidades de precipitação relativamente uniformes de cerca de 4,5, 9,0 e 13,5 cm / h, dependendo de quantos conjuntos de bicos são usados. As gotas atingem uma altura de 2 m acima da superfície da parcela e, portanto, são capazes de produzir erosão e condições de superfície semelhantes às da chuva natural [17]. A precipitação simulada é continuada pelo tempo necessário para atingir uma condição de escoamento de equilíbrio na saída da parcela. A taxa média de infiltração é calculada como a diferença entre a taxa de precipitação constante e a taxa de escoamento constante (isto é, em equilíbrio).
Due to the spatial and temporal variability of infiltration, field measurements can provide only qualitative information, best suited for comparative studies. Quantitative estimates that are representative of actual conditions are more likely to be obtained from methods based on rainfall-runoff analysis.
Devido à variabilidade espacial e temporal da infiltração, as medições de campo podem fornecer apenas informações qualitativas, mais adequadas para estudos comparativos. Estimativas quantitativas representativas das condições reais têm maior probabilidade de serem obtidas a partir de métodos baseados na análise do escoamento da chuva.
Infiltration Rates from Rainfall-Runoff Data
Taxas de infiltração a partir de dados de precipitação pluviométrica
The use of rainfall-runoff data to determine infiltration rates represents an extension of the sprinkler infiltrometer technique. For a storm with a single runoff peak, the procedure resembles that of the calculation of a φ-index (Section 2.2). The rainfall hyetograph is integrated to calculate the total rainfall volume. Likewise, the runoff hydrograph is integrated to calculate the runoff volume. The infiltration volume is obtained by subtracting runoff volume from rainfall volume. The average infiltration rate for the given storm is obtained by dividing inftltration volume by rainfall duration.
O uso de dados de precipitação pluviométrica para determinar as taxas de infiltração representa uma extensão da técnica de infiltrômetro de aspersão. Para uma tempestade com um único pico de escoamento, o procedimento se assemelha ao do cálculo de um índice ((Seção 2.2). O hetógrafo de chuva é integrado para calcular o volume total de chuva. Da mesma forma, o hidrograma do escoamento é integrado para calcular o volume do escoamento. O volume de infiltração é obtido subtraindo o volume do escoamento superficial do volume pluviométrico. A taxa média de infiltração para a tempestade em questão é obtida dividindo o volume da infiltração pela duração da chuva.
The procedure can be extended to complex storms consisting of several substorms and related runoff peaks. First, it is necessary to use hydrograph separation or similar techniques to isolate the various sub storms and their corresponding hydrographs (Sections 5.2 and 11.5). By calculating sets of rainfall and runoff volumes for each substorm, a measure of how the infiltration rate varies from one substorm to the next can be obtained. The procedure works best in cases where the hydrographs can be readily separated, particularly for upland catchments. The procedure is also recommended for cases where interception and surface storage are negligible as compared to infiltration. Interception can be assumed to be insignificant for highly intensive storms, whereas surface storage is likely to be small in catchments with high relief. When used judiciously, this type of analysis can provide a reliable means of determining infiltration rates.
O procedimento pode ser estendido a tempestades complexas que consistem em várias sub-tempestades e picos de escoamento relacionados. Primeiro, é necessário usar a separação por hidrografia ou técnicas semelhantes para isolar as várias subtemperas e seus hidrogramas correspondentes (Seções 5.2 e 11.5). Ao calcular os conjuntos de volumes de precipitação e de escoamento superficial para cada sub-formiga, é possível obter uma medida de como a taxa de infiltração varia de uma sub-forma para a seguinte. O procedimento funciona melhor nos casos em que os hidrógrafos podem ser facilmente separados, principalmente nas bacias hidrográficas. O procedimento também é recomendado para casos em que a interceptação e o armazenamento na superfície são insignificantes quando comparados à infiltração. A interceptação pode ser considerada insignificante para tempestades altamente intensivas, enquanto o armazenamento na superfície provavelmente é pequeno em bacias hidrográficas com alto relevo. Quando usado criteriosamente, esse tipo de análise pode fornecer um meio confiável para determinar as taxas de infiltração.
A factor to take into account when using rainfall-runoff analysis to determine infiltration rates is the effect of long-term storage. For large basins, the time elapsed between rainfall and runoff may be so great that it may be practically impossible to determine the amount of runoff produced by a storm event within a reasonable length of time. In practice, this limits infiltration analysis based on rainfall-runoff data to basins with negligible long-term storage.
Um fator a ser considerado ao usar a análise do escoamento da chuva para determinar as taxas de infiltração é o efeito do armazenamento a longo prazo. Para bacias grandes, o tempo decorrido entre a precipitação e o escoamento pode ser tão grande que pode ser praticamente impossível determinar a quantidade de escoamento produzido por um evento de tempestade dentro de um período de tempo razoável. Na prática, isso limita a análise de infiltração com base nos dados do escoamento da chuva para bacias com armazenamento insignificante a longo prazo.
Measurements of Soil Moisture
Medições de umidade do solo
Two levels of soil moisture are used in engineering hydrology:
Dois níveis de umidade do solo são usados na hidrologia de engenharia:
- Field capacity, and
Capacidade de campo e
- Permanent wilting point.
Ponto de murcha permanente.
The field capacity is the maximum amount of moisture that the soil structure can hold against the force of gravity. It characterizes the upper level of moisture above which additional infiltration will tend to pass rather rapidly through the soil. The permanent wilting point is the soil moisture content at which permanent wilting of plants starts to occur.
A capacidade de campo é a quantidade máxima de umidade que a estrutura do solo pode reter a força da gravidade. Caracteriza o nível superior de umidade acima do qual a infiltração tenderá a passar rapidamente pelo solo. O ponto de murcha permanente é o teor de umidade do solo em que começa a ocorrer a murcha permanente das plantas.
Soil moisture can be measured directly or indirectly. The direct measurement involves the determination of the weight loss from several oven-dried field samples. Each sample is weighed before and after being dried at a temperature of 105°C. The moisture content is the ratio of the weight of water loss to the weight of the dry soil, as a percentage. These measurements, however, are time consuming and do not provide a record of the continuous change of soil moisture with time.
A umidade do solo pode ser medida direta ou indiretamente. A medição direta envolve a determinação da perda de peso de várias amostras de campo secas em estufa. Cada amostra é pesada antes e depois de seca a uma temperatura de 105 ° C. O teor de umidade é a razão entre o peso da perda de água e o peso do solo seco, em porcentagem. Essas medições, no entanto, consomem tempo e não fornecem um registro da mudança contínua da umidade do solo com o tempo.
Indirect measurements of soil moisture involve the use of tensiometers to measure the suction force with which water is held in moist soil. The instrument consists of a tube full of water, with a porous cup at the bottom and a stopper on top. The tube is connected to a mercury manometer or vacuum gage. When the tube is inserted into the soil, water moves through the porous cup to the surrounding soil, causing a pressure drop to register in the manometer. The drier the soil, the greater the amount of water leaving the tube and, consequently, the greater the pressure decrease. Tensiometer tests can be performed in situ, but their application is restricted within a limited range of soil moisture [18, 19].
Medições indiretas da umidade do solo envolvem o uso de tensiômetros para medir a força de sucção com a qual a água é retida no solo úmido. O instrumento consiste em um tubo cheio de água, com um copo poroso no fundo e uma rolha no topo. O tubo está conectado a um manômetro de mercúrio ou medidor de vácuo. Quando o tubo é inserido no solo, a água se move através do copo poroso para o solo circundante, causando uma queda de pressão no manômetro. Quanto mais seco o solo, maior a quantidade de água que sai do tubo e, consequentemente, maior a diminuição da pressão. Testes de tensiômetro podem ser realizados in situ, mas sua aplicação é restrita a uma faixa limitada de umidade do solo [18, 19].
The neutron probe is a device used for indirect measurement of soil moisture content in the field [12, 24]. The method is based on the fact that fast neutrons are scattered and slowed down when they collide with the protons of hydrogen atoms. The probe consists of a fast neutron source and a slow neutron counter, which registers a high count when the soil moisture is high and a low count when the soil moisture is low. A calibration curve relates the neutron count to the moisture content of the soil. A clear advantage of the neutron probe is the speed of measurement; however, a disadvantage is that with the neutron probe it may be difficult to ascertain changes of soil moisture with depth.
A sonda de nêutrons é um dispositivo usado para medir indiretamente o teor de umidade do solo no campo [12, 24]. O método baseia-se no fato de que os nêutrons rápidos são dispersos e desacelerados quando colidem com os prótons dos átomos de hidrogênio. A sonda consiste em uma fonte rápida de nêutrons e um contador lento de nêutrons, que registra uma contagem alta quando a umidade do solo é alta e uma contagem baixa quando a umidade do solo é baixa. Uma curva de calibração relaciona a contagem de nêutrons com o teor de umidade do solo. Uma clara vantagem da sonda de nêutrons é a velocidade da medição; no entanto, uma desvantagem é que, com a sonda de nêutrons, pode ser difícil verificar com profundidade as alterações da umidade do solo.
The water balance method is another indirect way of determining soil moisture. The method is based on the assumption that soil moisture can be represented as the difference between precipitation (input) and evapotranspiration (output). Thus, moisture content can be evaluated directly from readily available precipitation and evapotranspiration data. When rainfall exceeds evapotranspiration, the soil moisture increases; conversely, when evapotranspiration exceeds rainfall, the soil moisture decreases. The water balance, however, must include the change in evapotranspiration with moisture availability. When soil moisture is high, evapotranspiration can take place at the potential rate; when soil moisture is low, the actual evapotranspiration rate is much lower than the potential rate. Thus, to use this method it is necessary to relate actual evapotranspiration to soil moisture. When sufficient data are available, this method can provide useful and accurate results [26, 27].
O método do balanço hídrico é outra maneira indireta de determinar a umidade do solo. O método baseia-se no pressuposto de que a umidade do solo pode ser representada como a diferença entre precipitação (entrada) e evapotranspiração (saída). Assim, o teor de umidade pode ser avaliado diretamente a partir de dados de precipitação e evapotranspiração prontamente disponíveis. Quando a chuva excede a evapotranspiração, a umidade do solo aumenta; por outro lado, quando a evapotranspiração excede as chuvas, a umidade do solo diminui. O balanço hídrico, no entanto, deve incluir a alteração na evapotranspiração com a disponibilidade de umidade. Quando a umidade do solo é alta, a evapotranspiração pode ocorrer na taxa potencial; quando a umidade do solo é baixa, a taxa de evapotranspiração real é muito menor que a taxa potencial. Assim, para usar esse método, é necessário relacionar a evapotranspiração real com a umidade do solo. Quando dados suficientes estão disponíveis, esse método pode fornecer resultados úteis e precisos [26, 27].
3.5 ESCOAMENTO
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The discharge at a given location along a stream can be evaluated in two ways: (1) either by measuring the stage and using a known rating to obtain the discharge from it, or (2) by directly measuring the cross-sectional flow area and mean velocity of the stream. The point along the stream where the measurements are made is called the gaging site or gaging station. The measurement of discharge and stage is referred to as stream gaging.
A descarga em um determinado local ao longo de uma corrente pode ser avaliada de duas maneiras: (1) medindo o estágio e usando uma classificação conhecida para obter a descarga a partir dele, ou (2) medindo diretamente a área de fluxo transversal e velocidade média da corrente. O ponto ao longo do fluxo em que as medições são feitas é chamado de local de medição ou estação de medição. A medição da descarga e do estágio é chamada de medição de corrente.
The development of a good rating curve is crucial to the accurate determination of discharge from stage (Fig. 3-7). The quality of the rating is evaluated in terms of its stability and permanence. A stable rating remains constant in time, i.e., the effects of flow nonuniformity, unsteadiness, or erosion and sedimentation are negligible. A permanent rating is one that is not likely to be disturbed by human activities.
O desenvolvimento de uma boa curva de classificação é crucial para a determinação precisa da descarga do estágio (Fig. 3-7). A qualidade da classificação é avaliada em termos de estabilidade e permanência. Uma classificação estável permanece constante no tempo, isto é, os efeitos da não uniformidade do fluxo, da instabilidade ou da erosão e sedimentação são insignificantes. Uma classificação permanente é aquela que provavelmente não será perturbada pelas atividades humanas.
Fig. 3-7 Rating curve for Mississippi River at Anoka, MN (National Weather Service). |
A gaging site should be located at a point along the stream where there is a high correlation between stage and discharge. Stated in other terms, the stage-discharge rating should be close to being single-valued, i.e., featuring a one-to-one correspondence between stage and discharge. Either section or channel control is necessary for the rating to be single-valued.
Um local de medição deve estar localizado em um ponto ao longo do fluxo em que haja uma alta correlação entre estágio e descarga. Em outros termos, a classificação de descarga do estágio deve estar próxima de ter um valor único, ou seja, apresentando uma correspondência individual entre o estágio e a descarga. O controle de seção ou canal é necessário para que a classificação seja de valor único.
A rapid or fall located immediately downstream of a gaging site forces critical flow through it, providing a section control. In the absence of a natural section control, an artificial control, for instance, a concrete weir, can be built to force the rating to become single-valued. This type of control is very stable under low and average flow conditions.
Uma queda rápida ou localizada imediatamente a jusante de um local de medição força o fluxo crítico através dele, fornecendo um controle de seção. Na ausência de um controle de seção natural, um controle artificial, por exemplo, um açude de concreto, pode ser construído para forçar a classificação a se tornar com valor único. Esse tipo de controle é muito estável em condições de vazão baixa e média.
A long downstream channel of relatively uniform cross-sectional shape, constant slope, and bottom friction provides a channel control. However, a gaging site relying on channel control requires periodic recalibration to check its stability. To improve channel control, the gaging site should be located far from downstream backwater effects caused by reservoirs, large river confluences, or tides.
Um longo canal a jusante de forma transversal relativamente uniforme, inclinação constante e atrito no fundo fornece um controle de canal. No entanto, um site de medição que depende do controle de canal requer recalibração periódica para verificar sua estabilidade. Para melhorar o controle do canal, o local da medição deve estar localizado longe dos efeitos da maré a jusante causados por reservatórios, grandes confluências fluviais ou marés.
Stage Measurements
Medições de estágio
Manual Gages. The simplest type of manual gage is the vertical staff gage. This is a scale reading to centimeters (or tenths of a foot), which is vertically attached to a fixed feature such as a bridge pier or a pile (Fig. 3-8). The scale must be positioned so that all possible water levels can be read promptly and accurately. Where this is not feasible, several sectional staff gages are placed in such a way that one of them is always accesible for measurement (Fig. 3-9).
Medidores manuais. O tipo mais simples de manômetro manual é o manômetro vertical da equipe. Esta é uma escala de leitura em centímetros (ou décimos de pé), que é verticalmente anexada a um recurso fixo, como um píer de ponte ou uma pilha (Fig. 3-8). A balança deve ser posicionada para que todos os níveis possíveis de água possam ser lidos com rapidez e precisão. Onde isso não for viável, vários indicadores de equipe seccionais são colocados de tal maneira que um deles seja sempre acessível para medição (Fig. 3-9).
Fig. 3-8 A staff gage (Massachussets Department of Fish and Game). |
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Another type of manual gage is the wire gage. Wire gages consist of a reel holding a length of light cable with a weight affixed to the end of the cable. The reel is mounted in a fixed position-for instance, on a bridge span-and the water level is measured by unreeling the cable until the weight touches the water surface. Each revolution of the reel unwinds a specific length of cable, permitting the calculation of the distance to the water surface.
Outro tipo de medidor manual é o medidor de arame. Os medidores de fio consistem em um carretel segurando um comprimento de cabo leve com um peso fixado na extremidade do cabo. O carretel é montado em uma posição fixa - por exemplo, em um vão da ponte - e o nível da água é medido desenrolando o cabo até que o peso toque a superfície da água. Cada rotação do carretel desenrola um comprimento específico do cabo, permitindo o cálculo da distância da superfície da água.
Manual gages are used where stages do not vary greatly from one measurement to the next. They are impractical in small or flashy streams, where substantial changes in stage may occur between readings.
Os medidores manuais são usados onde os estágios não variam muito de uma medição para a seguinte. Eles são impraticáveis em fluxos pequenos ou chamativos, onde mudanças substanciais no estágio podem ocorrer entre as leituras.
Recording Gages. A recording gage measures stages continuously and records them on a strip chart. The mechanism of a recording gage is usually either float-actuated or pressure-actuated. In the float-actuated recorder, a pen recording the water level on a strip chart is actuated by a float on the surface of the water. The recorder and float are housed in a suitable enclosure on top of a stilling well connected to the stream by two intake pipes (two pipes are used in case one of them becomes clogged). The stilling well protects the float from debris and ice and dampens the effect of wave action. This type of gage is commonly used for continuous measurements of water levels in rivers and lakes.
Medidores de gravação. Um medidor de gravação mede os estágios continuamente e os registra em um gráfico de faixas. O mecanismo de um medidor de gravação geralmente é acionado por flutuação ou acionado por pressão. No gravador acionado por flutuador, uma caneta registrando o nível da água em um gráfico de tiras é acionada por um flutuador na superfície da água. O gravador e a bóia estão alojados em um compartimento adequado em cima de um poço de acalmação conectado ao fluxo por dois tubos de entrada (dois tubos são usados no caso de um deles ficar entupido). O poço de proteção protege a bóia de detritos e gelo e amortece o efeito da ação das ondas. Esse tipo de medidor é comumente usado para medições contínuas dos níveis de água em rios e lagos.
The pressure-actuated recorder eliminates the need for a stilling well. The sensing element of the recorder is a diaphragm, which is submerged in the stream. The changing water level produces a change in pressure on the diaphragm, which is transmitted to the recorder. Another type of pressure-actuated recorder is the bubble gage, developed by the U.S. Geological Survey [3]. The bubble gage consists of a specially designed servomanometer, gas-purge system, and recorder. Nitrogen fed through a tube bubbles freely into the stream through an orifice positioned at a fixed location below the water surface. The pressure in the tube, equal to that of the piezometric head above the orifice, is transmitted to the servomanometer, which converts changes in pressure in the gas-purge system into pen movements on a strip-chart recorder. In this way, a continuous record of stage is obtained.
O gravador acionado por pressão elimina a necessidade de um poço calmo. O elemento sensor do gravador é um diafragma, que está submerso no fluxo. A mudança do nível da água produz uma mudança na pressão no diafragma, que é transmitida ao gravador. Outro tipo de gravador acionado por pressão é o medidor de bolhas, desenvolvido pelo U.S. Geological Survey [3]. O medidor de bolhas consiste em um servomanômetro, sistema de purga de gás e gravador especialmente projetados. O nitrogênio alimentado através de um tubo borbulha livremente no fluxo através de um orifício posicionado em um local fixo abaixo da superfície da água. A pressão no tubo, igual à da cabeça piezométrica acima do orifício, é transmitida ao servomanômetro, que converte as mudanças de pressão no sistema de purga de gás em movimentos de caneta em um gravador de diagramas. Dessa maneira, é obtido um registro contínuo de estágio.
Telemetric Gages. Gages with automatic data transmittal capabilities are called self-reporting gages, or stage sensors. These instruments use telemeters to broadcast stage measurements in real time, from a stream-gaging location to a central site. This type of gage is ideally suited for applications where speed of processing is of utmost importance, e.g., for operational hydrology or real-time flood forecasting.
Medidores Telemétricos. Os medidores com recursos de transmissão automática de dados são chamados de medidores de autorrelato ou sensores de estágio. Esses instrumentos usam telemômetros para transmitir medições de palco em tempo real, de um local de medição de fluxo a um site central. Esse tipo de medidor é ideal para aplicações em que a velocidade do processamento é de extrema importância, por exemplo, para hidrologia operacional ou previsão de inundações em tempo real.
Self-reporting gages are of the float-actuated or pressure-actuated type. The float-actuated type is used in stream and lake installations where a concrete abutment (e.g., a bridge pier) is already in place and where sediment loading is minimal. A typical station consists of a top section, which houses a transmitter and float-type water-level sensor, a stilling well with antenna mounting bracket. antenna cable, and connectors.
Os manômetros de autorrelato são do tipo acionado por flutuação ou acionado por pressão. O tipo acionado por bóia é usado em instalações de riachos e lagos, onde um pilar de concreto (por exemplo, um píer de ponte) já está no local e onde a carga de sedimentos é mínima. Uma estação típica consiste em uma seção superior, que abriga um transmissor e um sensor de nível de água do tipo flutuador, um poço calmo com suporte de montagem de antena. cabo da antena e conectores.
Bubble-type water-level sensors are used in applications where a stilling well is either impractical or too expensive and where the stream carries a heavy sediment load. In a typical installation, the bubbler orifice is anchored in the stream bed, and a plastic tube connects this orifice to a dry air or dry nitrogen supply and to a fluid manometer measuring assembly. Changes in river stage cause changes in piezometric head at the bubbler orifice. These changes in pressure are recorded by the manometer assembly. Data are transmitted automatically to a central station for further processing.
Os sensores de nível de água do tipo bolha são usados em aplicações em que um poço calmo é impraticável ou muito caro e onde o fluxo carrega uma carga pesada de sedimentos. Em uma instalação típica, o orifício do borbulhador é ancorado no leito do fluxo e um tubo de plástico conecta esse orifício a um suprimento de ar seco ou nitrogênio seco e a um conjunto de medição do manômetro de fluido. Mudanças no estágio do rio causam mudanças na cabeça piezométrica no orifício do borbulhador. Essas mudanças de pressão são registradas pelo conjunto do manômetro. Os dados são transmitidos automaticamente para uma estação central para processamento adicional.
Other self-reporting stage sensors use a solid-state pressure transducer to sense pressure changes. They are used for measuring river stages where installation of a standpipe and stilling well is not feasible and where a highly sensitive device is not required. This type of sensor continues to provide readings even if a small amount of sediment builds up around the orifice.
Outros sensores de estágio de autorrelato usam um transdutor de pressão de estado sólido para detectar alterações de pressão. Eles são usados para medir os estágios do rio onde a instalação de um tubo vertical e o poço de acalmação não é viável e onde um dispositivo altamente sensível não é necessário. Esse tipo de sensor continua a fornecer leituras, mesmo que uma pequena quantidade de sedimento se acumule ao redor do orifício.
Discharge Measurements
Medições de descarga
A discharge measurement at a stream cross section requires the determination of flow area and mean velocity for a given stage. The cross section should be perpendicular to the flow, and mean velocity should be based on a sufficient number of velocity measurements across the section.
Uma medição de descarga em uma seção transversal do fluxo requer a determinação da área de fluxo e velocidade média para um determinado estágio. A seção transversal deve ser perpendicular ao fluxo e a velocidade média deve ser baseada em um número suficiente de medições de velocidade ao longo da seção.
In a typical stream-gaging procedure, each of several depth soundings, usually 20 to 30, defines the position of a vertical (Fig. 3-10). Each depth sounding is associated with a partial section of the stream. A partial section is a rectangle of depth equal to the sounding and of width equal to half the difference of the distances to adjacent verticals. At each vertical, the following observations are made: Em um procedimento típico de medição de corrente, cada uma das várias sondagens de profundidade, geralmente de 20 a 30, define a posição de uma vertical (Fig. 3-10). Cada som de profundidade está associado a uma seção parcial do fluxo. Uma seção parcial é um retângulo de profundidade igual à sonda e de largura igual à metade da diferença das distâncias em verticais adjacentes. Em cada vertical, são feitas as seguintes observações:
- The flow depth, and
A profundidade do fluxo e
- The velocity as measured by a current meter at one or two points along the vertical.
A velocidade medida por um medidor de corrente em um ou dois pontos ao longo da vertical.
Fig. 3-10 Streamgaging procedure. |
In the two-point method, the current meter is positioned at 0.2 and 0.8 of the flow depth. In the one point method, the current meter is positioned at 0.6 of the flow depth, measured from the water surface. The average of the velocities at 0.2 and 0.8 depth or the single velocity at 0.6 depth is taken as the mean velocity in the vertical. Where a two-point measurement is impractical (e.g., in very shallow streams), the one-point method is recommended.
No método de dois pontos, o medidor de corrente é posicionado em 0,2 e 0,8 da profundidade do fluxo. No método de um ponto, o medidor de corrente é posicionado a 0,6 da profundidade do fluxo, medido a partir da superfície da água. A média das velocidades a 0,2 e 0,8 de profundidade ou a velocidade única a 0,6 de profundidade é tomada como a velocidade média na vertical. Onde uma medição de dois pontos é impraticável (por exemplo, em fluxos muito rasos), o método de um ponto é recomendado.
For each partial section, the discharge is calculated as:
Para cada seção parcial, a descarga é calculada como:
| q = v a | (3-3) |
in which q = discharge, v = mean velocity, and a = flow area. The total stream discharge Q is the sum of the discharges of each partial section.
em que q = descarga, v = velocidade média e a = área de fluxo. A descarga total do fluxo Q é a soma das descargas de cada seção parcial.
Current Meters. Current meters measure flow velocity by counting the number of revolutions per second of the meter assembly. The rotation can be around a vertical axis, leading to the cup meter, or around a horizontal axis, leading to the propeller meter.
Medidores de corrente. Os medidores de corrente medem a velocidade do fluxo contando o número de rotações por segundo da montagem do medidor. A rotação pode ser em torno de um eixo vertical, levando ao medidor de copo, ou em torno de um eixo horizontal, levando ao medidor de hélice.
Cup meters are widely used in the United States. The most common type of cup meter is the Price current meter, which has six cups mounted on a vertical axis (Fig. 3-11). The flow velocity is proportional to the angular velocity of the meter rotor. The flow velocity is determined by counting the number of revolutions per second of the rotor and consulting the meter calibration table.
Os medidores de copo são amplamente utilizados nos Estados Unidos. O tipo mais comum de medidor de copo é o medidor de corrente Price, que possui seis copos montados em um eixo vertical (Fig. 3-11). A velocidade do fluxo é proporcional à velocidade angular do rotor do medidor. A velocidade do fluxo é determinada contando o número de rotações por segundo do rotor e consultando a tabela de calibração do medidor.
Fig. 3-11 Price current meter. |
Calibration of a current meter is performed in a rating station, which has a reinforced concrete basin 20 m long, 1.8 m deep, and 1.8 m wide. On top of the vertical side walls of the basin and extending along its entire length are steel rails designed to carry an electrically driven rating car. Generally, the basin is full with still water. To calibrate the current meter, it is affixed to the rating car and positioned below the still water surface. The rating car is displaced at constant speed across the length of the basin. Paired observations of the velocity of the car versus the number of revolutions per second of the meter rotor lead to the rating expressed as:
A calibração de um medidor de corrente é realizada em uma estação de classificação, que possui uma bacia de concreto armado com 20 m de comprimento, 1,8 m de profundidade e 1,8 m de largura. No topo das paredes laterais verticais da bacia e estendendo-se por todo o seu comprimento, existem trilhos de aço projetados para transportar um carro de classificação acionado eletricamente. Geralmente, a bacia está cheia de água parada. Para calibrar o medidor de corrente, ele é afixado no carro de classificação e posicionado abaixo da superfície da água parada. O carro de classificação é deslocado a uma velocidade constante ao longo do comprimento da bacia. Observações emparelhadas da velocidade do carro versus o número de rotações por segundo do rotor do medidor levam à classificação expressa como:
| V = K N + C | (3-4) |
in which V = flow velocity as measured by the current meter; N = number of revolutions per second of the rotor assembly; and K and C are calibration constants [22].
em que V = velocidade do fluxo, medida pelo medidor de corrente; N = número de rotações por segundo do conjunto do rotor; e K e C são constantes de calibração [22].
Older current meters required periodic recalibration in order to minimize errors in velocity measurement due to wear or accidental damage. More recent models, however, have cups made of plastic and are so much alike that one rating can be used for several meters.
Os medidores de corrente mais antigos exigiam recalibração periódica para minimizar erros na medição de velocidade devido a desgaste ou danos acidentais. Modelos mais recentes, no entanto, têm copos de plástico e são tão parecidos que uma classificação pode ser usada por vários metros.
Price current meters types AA and A are used for two-point velocity measurements in streams with flow depths above 0.75 m and for one-point measurements in streams with depths ranging from 0.45 to 0.75 m. The dwarf (or pigmy) current meter is used for one-point measurements in shallow streams or laboratory flumes with depths in the range 0.10 to 0.45 m.
Os medidores de corrente de preço dos tipos AA e A são usados para medições de velocidade de dois pontos em correntes com profundidades de fluxo acima de 0,75 m e para medições de um ponto em correntes com profundidades variando de 0,45 a 0,75 m. O medidor de corrente anão (ou pigmeu) é usado para medições de um ponto em correntes rasas ou calhas de laboratório com profundidades na faixa de 0,10 a 0,45 m.
Current meter Measurements. Techniques for measuring stream velocity with a current meter vary with stream size. If the stream is wadable, the meter is affixed to a graduated depth rod. If the stream is too deep to wade, the meter is suspended on a cable and is held in the water with a sounding weight . The weights are made of various sizes, from 6.8 kg to 135 kg. Measurements using cable suspension are made from bridges, cableways, or boats (Fig. 3-12). For the heavier sounding weights or when using a boat, a sounding reel may be required.
Medições de medidor de corrente. As técnicas para medir a velocidade do fluxo com um medidor de corrente variam com o tamanho do fluxo. Se o fluxo for molhável, o medidor é afixado a uma haste de profundidade graduada. Se o fluxo for muito profundo para percorrer, o medidor é suspenso em um cabo e é mantido na água com um peso sonoro. Os pesos são feitos de vários tamanhos, de 6,8 kg a 135 kg. As medições com suspensão de cabos são feitas a partir de pontes, teleféricos ou barcos (Fig. 3-12). Para pesos mais pesados ou ao usar um barco, pode ser necessário um molinete.
Fig. 3-12 USGS streamgaging station, Campo Creek at Campo Road, |
The current meter is affixed to a rod on top of the sounding weight. Soundings are made by setting the meter at the water surface and lowering it until the sounding weight rests on the stream bed. Velocity measurements are made either by the two-point or the one-point method. The size of the sounding weight is a function of the depth and swiftness of the stream. If the velocity of the stream is too high for the weight, the latter can drift downstream and greatly exaggerate the flow depth. In this case, it is necessary to reduce the measured depth to correct for downstream drift [5].
O medidor de corrente é afixado a uma haste em cima do peso sonoro. As sondagens são feitas ajustando o medidor na superfície da água e abaixando-o até que o peso do som repouse no leito do rio. As medições de velocidade são feitas pelo método de dois pontos ou de um ponto. O tamanho do peso do som é uma função da profundidade e rapidez do fluxo. Se a velocidade do fluxo for muito alta para o peso, o último poderá flutuar a jusante e exagerar bastante a profundidade do fluxo. Nesse caso, é necessário reduzir a profundidade medida para corrigir a deriva a jusante [5].
Chemical Methods for Measuring Velocity. Several chemical methods have been developed to measure stream velocity. They are normally used in cases where it is impractical to use current meters. Such is the case for shallow streams, very large rivers, or tidal flow. These methods can be grouped into
Métodos químicos para medição de velocidade. Vários métodos químicos foram desenvolvidos para medir a velocidade do fluxo. Eles são normalmente usados nos casos em que não é prático usar medidores de corrente. É o caso de riachos rasos, rios muito grandes ou fluxo de marés. Esses métodos podem ser agrupados em
- Tracer, and
Rastreador e
- Dilution methods.
Métodos de diluição.
A tracer is a substance that is not normally present in the stream and that is not likely to be lost by chemical reaction with other substances. Salt, fluorescein dye, and radioactive materials are commonly used as tracers. Small quantities of the tracer are injected into the stream at a source, and the time of travel to one or more downstream points is monitored.
Um rastreador é uma substância que normalmente não está presente no fluxo e que provavelmente não será perdida por reação química com outras substâncias. Sal, corante fluorescente e materiais radioativos são comumente usados como marcadores. Pequenas quantidades do traçador são injetadas no fluxo em uma fonte e o tempo de deslocamento para um ou mais pontos a jusante é monitorado.
When salt is used as a tracer, it is introduced at several points across a section. Electrodes are mounted at the two ends of a uniform reach beginning a short distance downstream from the salt source. These electrodes are connected to a recording galvanometer and are used to monitor the passage of the salt solution. The velocity of the stream is the length of the reach divided by the time that it takes the bulk of the salt solution to travel through the reach.
Quando o sal é usado como marcador, é introduzido em vários pontos da seção. Os eletrodos são montados nas duas extremidades de um alcance uniforme, começando a uma curta distância a jusante da fonte de sal. Esses eletrodos são conectados a um galvanômetro de gravação e são usados para monitorar a passagem da solução salina. A velocidade do fluxo é o comprimento do alcance dividido pelo tempo que leva a maior parte da solução de sal a percorrer o alcance.
An expedient measurement of velocity can be obtained by timing the travel of floats. A surface float travels with a speed that is about 1.2 times the mean velocity. Floats extending well below the surface usually travel with a speed close to the mean velocity.
Uma medição conveniente da velocidade pode ser obtida cronometrando o deslocamento dos flutuadores. Um flutuador de superfície viaja com uma velocidade que é cerca de 1,2 vezes a velocidade média. Os flutuadores que se estendem bem abaixo da superfície geralmente viajam com uma velocidade próxima à velocidade média.
In the dilution method, a concentrated solution of a substance is introduced at a constant rate at a source point. Further downstream, after complete mixing has taken place, the flow is sampled to determine the equilibrium concentration of the mixture. A mass balance of flow and substance leads to the following equation:
No método de diluição, uma solução concentrada de uma substância é introduzida a uma taxa constante no ponto de origem. Mais a jusante, após a mistura completa, o fluxo é amostrado para determinar a concentração de equilíbrio da mistura. Um balanço de massa de fluxo e substância leva à seguinte equação:
| Cs Qs = Ce ( Q + Qe ) | (3-5) |
in which Cs = concentration of the substance solution at the source; Ce = equilibrium concentration of mixture at the sampling point; Qs = rate of inflow of substance solution at the source; and Q = stream discharge. Solving for Q from Eq. 3-5 leads to:
em que Cs = concentração da solução da substância na fonte; Ce = concentração de equilíbrio da mistura no ponto de amostragem; Qs = taxa de entrada da solução da substância na fonte; e Q = descarga de corrente. Resolvendo para Q da Eq. 3-5 leva a:
|
Cs Q = ( ___ - 1 ) Qs Ce | (3-6) |
The dilution method is particularly useful for very turbulent flows, which can provide complete mixing within a relatively short distance. It is also applicable when the cross section is so rough that alternative methods are unfeasible. The method requires the assurance of complete mixing and an accurate determination of equilibrium concentration of the mixture.
O método de diluição é particularmente útil para fluxos muito turbulentos, que podem fornecer uma mistura completa a uma distância relativamente curta. Também é aplicável quando a seção transversal é tão irregular que métodos alternativos são inviáveis. O método requer a garantia de uma mistura completa e uma determinação precisa da concentração de equilíbrio da mistura.
Physical Methods for Measuring Velocity.
Métodos físicos para medir a velocidade.
The ultrasonic and electromagnetic flowmeters are examples of physical devices to measure flow velocity. In the ultrasonic method, two sonic pulses are emitted and received, each at opposite banks of the river. The instruments are not located directly across from each other on the banks but rather on a diagonal line, making a 45° angle with the flow direction (Fig. 3-13). Therefore, one of the pulses travels with the current and the other against it. The difference in travel time between the two pulses is related to the longitudinal flow velocity. The method is applicable to large rivers where current metering or other direct techniques are not feasible. Its accuracy is claimed to be within 2 percent [10, 20].
Os medidores de vazão ultrassônicos e eletromagnéticos são exemplos de dispositivos físicos para medir a velocidade do fluxo. No método ultrassônico, dois pulsos sônicos são emitidos e recebidos, cada um em margens opostas do rio. Os instrumentos não estão localizados diretamente um em frente ao outro nas margens, mas sim em uma linha diagonal, formando um ângulo de 45 ° com a direção do fluxo (Fig. 3-13). Portanto, um dos pulsos viaja com a corrente e o outro contra ela. A diferença no tempo de viagem entre os dois pulsos está relacionada à velocidade do fluxo longitudinal. O método é aplicável a grandes rios onde a medição atual ou outras técnicas diretas não são viáveis. Sua precisão é reivindicada dentro de 2% [10, 20].
Fig. 3-13 Setup of ultrasonic flow meter (JFE Advantech). |
The electromagnetic flowmeter is based on the fact that a conductor moving in an electromagnetic field generates a current within it. The river flow is a conductor cutting through the vertical component of the earth's magnetic field. The current can be measured by two electrodes, which are set at right angles to flow and magnetic field directions, respectively. The devices are applicable to measurement of tidal velocities, preferably in large rivers [2].
O medidor de vazão eletromagnético é baseado no fato de que um condutor que se move em um campo eletromagnético gera uma corrente dentro dele. O fluxo do rio é um condutor que corta o componente vertical do campo magnético da Terra. A corrente pode ser medida por dois eletrodos, que são ajustados em ângulos retos para as direções de fluxo e campo magnético, respectivamente. Os dispositivos são aplicáveis à medição das velocidades das marés, de preferência em grandes rios [2].
Indirect Determination of Peak Discharge: The Slope-Area Method
Determinação indireta do pico de descarga: o método da área de inclinação
The high stages and swift currents that prevail during floods combine to increase the risk of accident and bodily harm (Fig. 3-14). Therefore, it is generally not possible to measure discharge during the passage of a flood. An estimate of peak discharge can be obtained indirectly by the use of open channel flow formulas. This is the basis of the slope-area method.
Os altos estágios e as rápidas correntes que prevalecem durante as inundações se combinam para aumentar o risco de acidentes e lesões corporais (Fig. 3-14). Portanto, geralmente não é possível medir a descarga durante a passagem de uma inundação. Uma estimativa do pico de descarga pode ser obtida indiretamente pelo uso de fórmulas de fluxo de canal aberto. Essa é a base do método da área da inclinação.
Fig. 3-14 Flood stage on the Chane river, Bolivia, on January 19, 1990. |
To apply the slope-area method for a given river reach, the following data are required:
Para aplicar o método da área da inclinação para um determinado alcance do rio, são necessários os seguintes dados:
The reach length,
O comprimento do alcance,
The fall, i.e., the mean change in water surface elevation through the reach,
A queda, ou seja, a mudança média na elevação da superfície da água através do alcance,
The flow area, wetted perimeter, and velocity head coefficients at upstream and downstream cross sections, and
A área de fluxo, o perímetro úmido e os coeficientes da cabeça de velocidade nas seções transversais a montante e a jusante, e
The average value of Manning n for the reach [6].
O valor médio de Manning n para o alcance [6].
The following guidelines are used in selecting a suitable reach:
As diretrizes a seguir são usadas na seleção de um alcance adequado:
- High-water marks
should be readily recognizable,
As marcas d'água alta devem ser facilmente reconhecíveis,
The reach should be sufficiently long so that fall can be measured accurately,
O alcance deve ser suficientemente longo para que a queda possa ser medida com precisão,
The cross-sectional shape and channel dimensions should be relatively constant,
A forma da seção transversal e as dimensões do canal devem ser relativamente constantes,
The reach should be relatively straight, although a contracting reach is preferred over an expanding reach, and
O alcance deve ser relativamente reto, embora um alcance de contratação seja preferido em relação a um alcance em expansão, e
Bridges, channel bends, waterfalls, and other features causing flow non uniformity should be avoided.
Pontes, curvas de canal, cachoeiras e outros recursos que causam não uniformidade do fluxo devem ser evitados.
The accuracy of the slope-area method improves as the reach length increases. A suitable reach should satisfy one or more of the following criteria:
A precisão do método da área da inclinação melhora à medida que o comprimento do alcance aumenta. Um alcance adequado deve atender a um ou mais dos seguintes critérios:
The ratio of reach length to hydraulic depth should be greater than 75,
A relação entre o comprimento do alcance e a profundidade hidráulica deve ser superior a 75,
The fall should be greater than or equal to 0.15 m, and
A queda deve ser maior ou igual a 0,15 m, e
The fall should be greater than either of the velocity heads computed at the upstream and downstream cross sections [8].
A queda deve ser maior que qualquer uma das cabeças de velocidade calculadas nas seções transversais a montante e a jusante [8].
The procedure consists of the following steps:
O procedimento consiste nas seguintes etapas:
Calculate conveyance K at upstream and downstream sections:
Calcular o transporte K nas seções a montante e a jusante:
1
Ku = ( __ ) Au Ru 2/3
n
(3-7a) 1
Kd = ( __ ) Ad Rd 2/3
n
(3-7b) in which K = conveyance; A = flow area; R = hydraulic radius; n = reach Manning coefficient; and u and d denote upstream and downstream, respectively (Eq. 3-7 is given in SI units).
em que K = transporte; A = área de fluxo; R = raio hidráulico; n = atingir coeficiente de tripulação; e u e d denotam a montante e a jusante, respectivamente (a Eq. 3-7 é dada em unidades SI).
Calculate the reach conveyance, equal to the geometric mean of upstream and downstream conveyances:
Calcular o transporte de alcance, igual à média geométrica dos transportes a montante e a jusante:
K = ( Ku Kd )1/2 (3-8) in which K = reach conveyance.
em que K = alcance o transporte.
Calculate the first approximation to the energy slope:
Calcule a primeira aproximação à inclinação da energia:
F
S = ___
L
(3-9) in which S = first approximation to the energy slope; F = fall; and L = reach length.
em que S = primeira aproximação à inclinação da energia; F = queda; e L = comprimento do alcance.
Calculate the first approximation to the peak discharge:
Calcule a primeira aproximação ao pico de descarga:
Qi = K S 1/2 (3-10) in which Qi = first approximation to the peak discharge.
em que Qi = primeira aproximação ao pico de descarga.
Calculate the velocity heads [6]:
Calcule as cabeças de velocidade [6]:
αu ( Qi /Au ) 2
hvu = ______________
2g
(3-11a) αd ( Qi /Ad ) 2
hvd = ______________
2g
(3-11b) in which hvu and hvd are the velocity heads at upstream and downtream sections, respectively; αu and αd are the velocity head coefficients at upstream and downstream cross sections, respectively; and g = gravitational acceleration.
em que hvu e hvd são as cabeças de velocidade nas seções a montante e a jusante, respectivamente; ~u e ~d são os coeficientes da cabeça de velocidade nas seções transversais a montante e a jusante, respectivamente; eg = aceleração gravitacional.
Calculate an updated value of energy slope:
Calcule um valor atualizado da inclinação da energia:
F + k ( hvu - hvd )
Si = ___________________
L
(3-12) in which Si = updated value of energy slope, and k = loss coefficient. For expanding flow, i.e.,
Ad > Au, k = 0.5; for contracting flow , i.e.,Au > Ad, k = 1. em que Si = valor atualizado da inclinação da energia ek = coeficiente de perda. Para expandir o fluxo, isto é, Ad> Au, k = 0,5; para fluxo de contratação, ou seja, Au> Ad, k = 1.
Calculate an updated value of peak discharge;
Calcular um valor atualizado do pico de descarga;
Qi = K S 1/2 (3-13) -
Go back to step 5 and repeat steps 5 to 7. In step 5, use the updated value of peak discharge obtained in the previous step 7. In step 6, use the updated values of velocity heads obtained in step 5. In step 7, use the updated value of energy slope obtained in step 6. The procedure is terminated when the difference between two successive values of peak discharge obtained in step 7 is negligible. In practice, this is usually accomplished within three to five iterations.
Volte para a etapa 5 e repita as etapas 5 a 7. Na etapa 5, use o valor atualizado do pico de descarga obtido na etapa anterior 7. Na etapa 6, use os valores atualizados das cabeças de velocidade obtidos na etapa 5. Na etapa 7, use o valor atualizado da inclinação da energia obtido na etapa 6. O procedimento é encerrado quando a diferença entre dois valores sucessivos de pico de descarga obtidos na etapa 7 é insignificante. Na prática, isso geralmente é realizado dentro de três a cinco iterações.
Example 3-1.
Use the slope-area method to calculate the peak discharge for the following data: reach
length = 500 m; Use o método da área da inclinação para calcular o pico de descarga para os seguintes dados: alcance do comprimento = 500 m; queda = 0,5 m: Manning n = 0,04; área de fluxo a montante = 1050 m2; perímetro úmido a montante = 400 m; coeficiente da cabeça de velocidade a montante = 1,10; área de fluxo a jusante = 1000 m2; perímetro chuvoso a jusante = 375 m; coeficiente de velocidade a jusante = 1,12.
The hydraulic radius and conveyance at the upstream section are Ru =
2.625 m and Ku = 49,952 m3/s, respectively. The
hydraulic radius and conveyance at the downstream section are Rd = 2.667 m
and
O raio hidráulico e o transporte na seção a montante são Ru = 2.625 me Ku = 49.952 m3 / s, respectivamente. O raio hidráulico e o transporte na seção a jusante são Rd = 2.667 me Kd = 48.075 m3 / s, respectivamente. O transporte de alcance (Eq. 3-8) é K = 49.005 m3 / s. A primeira aproximação à inclinação da energia (Eq. 3-9) é S = 0,5 / 500 = 0,001. A primeira aproximação ao pico de descarga (Eq. 3-10) é Qi = 1550 m3 / s. Como Au é maior que Ad, k = 1. Os demais cálculos (etapas 5 a 7) estão resumidos na Tabela 3-1. Após três iterações, o valor final do pico de descarga é obtido: Qp = 1526 m3 / s.
ONLINE CALCULATION. Using
SLOPEAREA.SDSU.EDU, the answer, after two iterations,
is: 1526.9 m3/s.
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